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计算机教材课后习题参考答案
《大学计算机基础与计算思维》
课后习题参考答案
算机科学与技术学院计算机基础教学部
2015年9月
第1章计算、计算机与计算思维
1.1举例说明可计算性和计算复杂性的概念。
答：
对于给定的一个输入，如果计算机器能在有限的步骤内给出答案，这个问题就是可计算的。
数值计算、能够转化为数值计算的非数值问题（如语音、图形、图像等）都是可计算的。
计算复杂性从数学上提出计算问题难度大小的模型，判断哪些问题的计算是简单的，哪些是困难的，研究计算过程中时间和空间等资源的耗费情况，从而寻求更为优越的求解复杂问题的有效规则，例如著名的汉诺塔问题。
1.2列举3种电子计算机出现之前的计算工具，并简述其主要特点。
答：
（1）算盘通过算法口诀化，加快了计算速度。
（2）帕斯卡加法器通过齿轮旋转解决了自动进位的问题。
（3）机电式计算机Z-1，全部采用继电器，第一次实现了浮点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。
1.3简述电子计算机的发展历程及各时代的主要特征。
答：
第一代——电子管计算机（1946—1954年）。
这个时期的计算机主要采用电子管作为运算和逻辑元件。
主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。
在软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。
程序的编写与修改都非常繁琐。
计算机主要用于科学和工程计算。
第二代——晶体管计算机（1954—1964年）。
计算机逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，体积与功耗都有所降低。
主存储器采用铁淦氧磁芯器，外存储器采用先进的磁盘，计算机的速度和可靠性有所提高。
软件方面，出现了各种各样的高级语言，如FORTRAN、ALGOL、COBIL及编译程序语言，简化了程序设计，建立了程序库和批处理的管理程序，开始用“操作系统”软件对整个计算机资源进行管理。
除了进行科学计算之外，这时的计算机还应用于工业控制、工程设计及数据处理等领域。
第三代——集成电路计算机（1964—1970年）。
这个时期的计算机逻辑元件使用集成电路代替了原来独立的物理元件，使用半导体存储器代替了磁芯存储器。
中、小规模的集成电路可在单个芯片上集成几十个晶体管。
在软件方面，出现了分时操作系统及交互式高级语言，实现了多道程序的运行，如当其中一个程序等待输入/输出时，另一个程序可以进行计算，这大大提高了计算机的运行速度。
第四代——大规模集成电路计算机（1970年至今）。
这个时期的计算机逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegrationofCircuits）。
通过LSI技术在一个芯片上能集成几十万甚至几百万个晶体管，集成度比中、小规模集成电路提高了1～2个以上的数量级。
1.4简述计算机的特点。
答：
（1）运算速度快；
（2）计算精度高；（3）具有记忆能力；（4）具有逻辑判断能力；（5）具有自动执行能力
1.5你所知道的计算机有哪些？
答：
根据计算机的综合性能指标，结合计算机应用领域的分布可将计算机分为高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器、嵌入式计算机五大类。
1.6举例说明计算机的广泛应用。
答：
计算机的应用可以归纳为以下几个主要方面：
（1）科学计算
（2）数据处理（3）过程控制（4）计算机辅助系统（5）人工智能（6）网络通信
1.7什么是图灵机？
它对电子计算机的发明有何启示？
答：
通过建立指令、程序以及通用机器执行程序的理论模型，证明了可以制造一种通用的机器计算所有能想象得到的可计算函数，这种理论上的计算机后来被命名为“图灵机”（TuringMachine）。
图灵机第一次把计算和自动机联系起来，不仅为现代计算机的设计指明了方向，还成为算法分析和程序语言设计的基础理论，是计算学科最核心的理论之一。
图灵机启示了我们如何构造并实现一个复杂的系统。
一个复杂的系统可由若干复杂的动作构成，而这些动作又可以分解为容易实现的基本动作，因而构造一个系统仅需要构造这些基本动作以及控制基本动作组合与执行顺序的机构即可。
1.8简述冯•诺依曼计算机的主要设计思想。
答：
冯•诺依曼提出的计算机设计思想概括起来有下面三个要点。
（1）采用二进制形式表示数据和指令。
数据和指令在外观形式上并没有区别，只是各自代表的含义不同。
（2）采用程序存储方式。
存储程序和程序控制是冯•诺依曼计算机的主要思想。
存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。
程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中的一条条指令，加以分析并执行规定的操作。
（3）计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5大部件组成，并且确定了这5个部件的基本功能。
1.9简述计算机系统的组成及其层次结构。
1.10简述计算机的工作原理。
答：
计算机的工作过程就是程序执行的过程。
程序在运行前先由输入设备及操作系统调入内存储器中，当机器进入运行状态后，就从内存储器中取出第一条指令以实现其基本操作。
一条指令执行完后，又自动地开始取下一条指令，重复进行，直至遇到结束指令为止。
在具体执行计算机指令时，每一条指令都需要包含几个基本的步骤：
取指令、分析指令和执行指令。
取指令就是把要执行的指令从内存储器中取出送入微处理器；分析指令就是分析所取出的指令所要完成的动作；执行指令就是根据控制器发出的控制信息，使运算器按照指令规定的操作去执行相应的动作。
1.11你是如何理解计算思维的？
答：
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
也就是说计算思维使用的方法主要是计算机科学的方法，要完成的任务是求解问题、进行系统设计、理解人类的行为。
1.12简要说明计算思维有哪些主要的方法。
答：
计算思维的方法涉及两个方面：
一方面是源于数学和工程中系统设计与评估的方法；还有一方面是计算机科学特有的方法。
周以真教授具体地阐述了七大类计算思维的方法。
（1）计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个人们知道怎样解决的问题。
（2）计算思维是一种递归思维，是一种并行处理。
它是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。
（3）计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是一种基于关注点分离的方法（SoC方法）。
（4）计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题（程序设计语言），或对一个问题的相关方面建模并使其易于处理的思维方法。
（5）计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。
（6）计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。
（7）计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。
1.13结合你的专业简要说明专业知识和计算思维的关系。
答：
随着计算机在各行各业中的广泛应用，计算思维的思想和方法对自然科学、工程技术和社会科学等许多学科和领域都产生了重要的影响。
和专业结合的方面略。
第2章数据的计算基础
2.1不同的进位计数制之间转换的方法分别是什么？
答：
1、十进制数转换为R进制数
（1）十进制整数转换成R进制整数
1十进制整数转换为二进制整数方法：
除2反序取余法。
2十进制整数转换为八进制整数方法：
除8反序取余法。
3十进制整数转换为十六进制整数方法：
除16反序取余法。
（2）十进制纯小数转换成R进制纯小数
1十进制纯小数转换成二进制纯小数方法：
乘2顺序取整法。
2十进制纯小数转换成八进制纯小数方法：
乘8顺序取整法。
3十进制纯小数转换成十六进制纯小数方法：
乘16顺序取整法。
2、R进制数转换为十进制数
1二进制数转换为十进制数方法：
用2的方次展开相加法。
2八进制数转换为十进制数方法：
用8的方次展开相加法。
3十六进制数转换为十进制数方法：
用16的方次展开相加法。
3、二进制数与八进制数之间的转换
①二进制数转换成八进制数的方法：
三位二进制数并成一位八进制数。
②八进制数转换为二进制数的方法：
一位八进制数拆成三位二进制数。
4、二进制数与十六进制数之间的转换
①二进制数转换成十六进制数的方法：
四位二进制数并成一位十六进制数。
②十六进制数转换为二进制数的方法：
一位十六进制数拆成四位二进制数。
2.2什么是原码、反码和补码？
答：
在有符号数的前面增加1位符号位，用0表示正号，用1表示负号。
这种在计算机中用0和1表示正负号的数称为机器数。
目前常用的机器数编码方法有原码、反码和补码三种。
1、原码：
正数的符号位用“0”表示，负数的符号位用“1”表示，其余数位表示数值本身。
2、反码：
正数的反码与其原码相同；负数的反码是在原码的基础上保持符号位不变，其余各位按位求反得到的。
3、补码：
正数的补码与其原码相同；负数的补码是在原码的基础上保持符号位不变，其他的数位，凡是1就转换为0，0就转换为1，最后再进行加1运算。
2.3与、或、非逻辑运算的规则是什么？
答：
1、逻辑或运算规则：
0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1
2、逻辑与运算规则：
0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1
3、逻辑非运算规则：
2.4二进制的算术运算规则是什么？
答：
二进制数的运算规则：
加法：
（逢二进一）0＋0=00＋1=11＋0=11＋1=10
减法：
（借一有二）0－0=01－0=11－1=010－1=1
乘法：
0×0=00×1=01×0=01×1=1
除法：
0÷1=01÷1=1
2.5计算机中为什么采用二进制存储处理数据？
答：
1、方便使用逻辑代数工具。
计算机的工作原理、运算方法以及制造工艺与逻辑代数有着非常紧密的关系，可以借助逻辑代数对计算机的逻辑线路进行分析与综合，使用便利的数学工具帮助设计和优化线路。
2、容易实现。
二进制数只有两个数码0和1，可以用两种对立的物理状态来表示它，并且能够很容易地制造具有两个稳定状态的电子元件，而它们的两个稳定状态在运行时也很容易被互相转换。
如：
电平的高和低‘脉冲的有和无等都可以用来表示二进制数的1和0，实现起来非常容易。
3、记忆和传输可靠。
电子元件对立的两种状态是一种质的区别，而不是量的区别，因此识别起来也比较容易。
而且，具有两种稳定状态的电路工作可靠，抗干扰能力强。
所以，两种对立状态的电信号的存储、传输均方便易行。
4、运算简单。
对R进制数进行某类算数运算可以有R（R+1）/2种运算规则。
对于十进制进行求和或求积运算共有55种运算规则；而二进制只有4种运算规则。
相比之下，十进制的每个数字都要参与运算，其求和运算规则要复杂得多。
而运算规则越少，则运算器的硬件结构就越简单，越容易实现。
2.6计算机中对非数值信息常用的编码有哪些？
答：
1、ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange美国信息互换标准代码）是最常用的字符编码。
2、GB（国家标准）系列编码。
GB系列编码定义了汉字和中文标点的编码。
3、台湾地区，使用的是Big5（大五码）汉字编码方案。
4、ANSI编码。
5、Unicode编码。
Unicode虽是一种字符编码，但它只定义了每一个字符对应一个整数没有定义这个整数如何变成字节。
所以仅仅知道这段数据是Unicode编码时，还是不知道该怎么解码——因为变成字节流的格式不只一种，它们都叫做“Unicode转换格式”（UnicodeTransformationFormat，简称为UTF），如UTF-8编码、UTF-8withBOM编码、UTF-8withoutBOM编码、UTF-16编码、UTF-16LE编码、UTF-16BE编码。
6、对于多媒体信息的编码有Huffman编码（哈夫曼编码）、香农-范诺编码、行程编码和算术统计编码等。
2.7汉字国标码与汉字内码有何不同？
为什么要采用汉字内码？
答：
汉字国标码规定汉字用两个字节表示，每个字节用7位二进制数编码（高位为0）。
根据国标码的规定，每一个汉字都有一个确定的二进制代码。
把国标码的两个字节的最高位分别置为1，其余位不变，得到了机内码。
因此有“国标码＋8080H＝机内码”的关系。
虽然每一个汉字都有一个确定的二进制代码，但是国标码在计算机内部是不能被直接采用的。
这是因为国标码两个字节的最高位均为0，很容易与ASCII码发生冲突。
为了和ASCII码加以区分，人们将国标码的两个字节的最高位分别置为1，其余位不变，得到机内码。
在计算机中用机内码存储处理和传输汉字。
2.8基本的门电路有哪些？
分别由哪些电子元器件组成？
答：
基本的门电路有与门电路、或门电路、非门电路。
最简单的与门电路可以用二极管和电阻组成。
最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成的。
最简单的非门电路可以用三极管和电阻组成。
2.9计算机中的基本信息单位是什么？
构成计算机信息的最小单位是什么？
答：
字节（Byte，B）是计算机中的基本信息单位，由8位二进制数组成，可以表示一个数字、一个字母或一个符号等西文字符。
位（bit，b）是计算机构成信息的最小单位。
二进制数“0”或“1”就是1个比特（bit），称为位，一般用小写字母“b”表示。
2.10数据压缩有哪些？
为什么要进行数据压缩？
答：
数据压缩可分为两种类型，一种叫做无损压缩，另一种叫做有损压缩。
计算机采用的是二进制系统，其需要存储的数据量非常庞大。
而多媒体信息的数据量更是惊人。
信息经过数字化处理后会变成海量数据，如果不进行压缩处理，计算机是无法对大量的数字化信息进行表示、传输、存储和处理的，因此要进行数据压缩。
事实上，各类信息中有许多的冗余数据，通过去除这些冗余信息可以使原始数据极大的减少，这使得数据压缩成为可能。
2.11把模拟信号变成数字信号的方法是什么？
答：
采样-量化-编码。
第3章计算机硬件系统
3.1简述计算机的硬件组成及各组成部分的功能。
答：
计算机硬件是指有形的物理设备，它是计算机系统中实际物理装置的总称，包括中央处理器、存储器、输入输出设备、总线和输入输出接口等五个部分。
中央处理器：
用来对数据进行各算术运算和逻辑运算，是计算机的执行单元。
存储器包括内存储器和外存储器。
内存储器也称内存，直接与CPU相连，是计算机中的工作存储器，计算机当前正在运行的程序与数据必须存放在主存内。
存取速度快，但存储容量小。
外存储器，存储容量大，几乎存放计算机中所有的信息，在计算机实际执行程序和加式处理数据时，辅助存储器中的信息需要先传送入内存后才能被CPU使用。
输入输出设备：
简称I/O设备，是计算机与外界联系的桥梁，输入设备是指能向计算机系统输入信息的设备，包括键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备是指能从计算机系统国输出信息的设备，包括显示器、打印机、绘图仪等。
总线：
是连接计算机中CPU、内存、辅存、各种输入输出部件的一组物理信号线及其相关的控制电路，是计算机中用于在各部件间运载信息的公共机构。
输入输出接口（I/O接口）是位于主机和外设之间，交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连。
输入输出接口对内连接到主机并与主机的数据传送方式匹配，与主机交换数据；对外连接到外设并提供数据传输通道，用以传送数据；同时提供接受外设工作状态的通道，使主机能够监测外设的工作，并通过命令通道对外设进行控制。
3.2简述计算机的主要性能指标。
答：
计算机的性能指标是指能在一定程度上衡量计算机优劣的技术指标，计算机的优劣是由多项技术指标综合确定的。
下面来看对于计算机通常所使用的性能指标。
CPU的主频指计算机的时钟频率，一般以MHz或GHz为单位，指时钟脉冲发生器所产生的时钟信号频率。
主频的大小在很大程度上决定了计算机运算速度的快慢，主频越高，计算机的运算速度就越快，所以主频是计算机的一个重要性能指标。
字长是CPU进行运算和数据处理的最基本、最有效的信息位长度，即CPU一次可以处理的二进制位数。
字长主要影响计算机的精度和速度。
字长越长，表示一次读写和处理的数的范围越大，处理数据的速度越快，计算精度越高。
运算速度指计算机每秒钟执行的指令数，是衡量CPU工作快慢的指标，一般以每秒完成多少次运算来度量，单位为每秒百万条指令（简称MIPS）。
内存（主存）容量是指计算机系统配备的内存总字节数。
内存容量反映的是内存储器存储数据的能力，容量越大，计算机所能运行的程序越大，能处理的数据越多，运算速度越快，处理能力越强。
存储容量一般用字节（Byte）数来度量。
内存容量的加大，对于运行大型软件十分必要。
存取周期是指CPU从内存储器中连续进行两次独立的读（取）或写（存）操作之间所需的最短时间。
这个时间越短，说明存储器的存取速度越快。
内存储器的存取周期也是影响整个计算机系统性能的主要指标之一。
外部设备指计算机系统允许配置外部设备的种类和数量，允许配备的数量越多，其输入输出的处理能力越强。
输入输出数据传输速率决定了可用的外设和与外设交换数据的速度。
提高计算机的输入输出传输速率可以提高计算机的整体速度。
3.3简述主板的作用及其主要组成部分。
答：
主板它安装在机箱内是微机最基本的也是最重要的部件之一。
它的主要作用是：
将不同电压的用电器连接在一起并提供相应的电源；将不同功能的用电器连接在一起使它们相互传递信息；接收外来数据并给其它设备处理；将内部设备处理的数据集中并传递给外界。
主板一般为矩形电路板上面安装了组成计算机的主要电路系统，主板的主要组成有CPU插座、芯片组（固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称，南桥、北桥）、内存插槽、系统BIOS（含上电自检、系统初始化、系统设置）、CMOS（存储系统配置信息）、总线扩展槽、串行、并行接口等
3.4简述输入输出接口以及出现的原因。
答：
输入输出接口是位于主机和外设之间，交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连。
输入输出接口对内连接到主机并与主机的数据传送方式匹配，与主机交换数据；对外连接到外设并提供数据传输通道，用以传送数据；同时提供接受外设工作状态的通道，使主机能够监测外设的工作，并通过命令通道对外设进行控制
由于主机是由集成电路芯片连接而成的，而输入输出设备通常是由机械和电子结合的装置，因此主机与外部设备之间存在着速度、时序、信息格式和信息类型等方面的不匹配。
为了解决上述差异，在主机与外设间增加输入输出接口，接口在CPU和外设之间的数据通信过程中起着“桥梁”作用。
I/O接口一方面解决主机与外设的速度差异问题，同时还有解决数据传输的同步问题，为主机与外设的数据传输提供缓冲，解决主机和外设之间在各方面的矛盾和差异。
3.5简述总线以及总线的分类。
答：
总线是各部件（或设备）之间进行数据传输的公用通道，是用来快速完成各个部件之间的数据交换。
根据分类指标的不同，总线有不同的分类方式。
从功能上看,总线分成三组:
地址总线AB（AddressBus）、数据总线DB（DataBus）和控制总线CB（ControlBus）。
数据总线是微处理器、内存储器和I/O接口传送数据的通路。
地址总线是微处理器向内存储器和I/O接口传送地址信息的通路。
控制总线是微处理器向内存储器和I/O接口传送的命令信号以及外界向微处理器传送状态信号等信息的通路。
根据总线相对于CPU的位置分，总线分成内部总线和外部总线。
内部总线是指在CPU内部，一般是芯片生产厂家完成的寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。
外部总线是指CPU与内存和输入／输出设备接口之间进行通讯的通路。
与外部设备接口的总线实质上是一种外设的接口标准。
根据总线的通信方式分，可以分为串行总线和并行总线。
并行总线是利用多根数据线来实现一次进行多个二进制位的传送，传输速度快，信息率高，因此在传输距离较短（几米至几十米）和数据传输率较高的场合使用。
而串行总线则是一个方向一次只能传送一个二进制位的数据线，传送速度比较慢，但需要线路少故而适用于计算机与计算机、计算机与外部设备之间的远距离通信。
3.6简述CPU的概念及其基本结构。
答：
中央处理器简称CPU,它是计算机系统的核心,主要包括运算器和控制器两个部件。
CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，三个部分相互协调，便可以进行分析，判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
3.7简述CPU的主要性能指标。
答：
CPU的性能的高低直接决定了计算机系统的档次，主要有以下性能指标来衡量。
主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。
CPU的主频=外频×倍频系数。
一个时钟周期完成的指令数是固定的，一般来说主频就决定着CPU的运行速度，主频越高，CPU的速度就越快。
外频即CPU的基准频率，具体是CPU和周边设备传输数据的频率，单位是MHz。
CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
目前大部分计算机系统中的外频也是内存和主板之间的同步运行的速度，在这种方式下，可以理解为CPU的外频直接与内存相通的，以实现两者之间的同步运行。
倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。
倍频可以从1.5一直到10以上，以0.5为一个间隔单位。
外频和倍频相乘就是主频。
前端总线（FSB）频率（即总线频率）是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。
数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。
CPU的字长和位数。
在计算机中对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。
字长等于通用寄存器的位数。
通常所说的CPU位数就是CPU的字长，也就是CPU中的通用寄存器的位数。
工作电压是指CPU正常工作所需的电压。
提高工作电压，可以加强CPU内部信号，增加CPU的稳定性能，但会导致CPU的发热问题，CPU发热将改变CPU的化学介质，降低CPU的寿命。
高速缓存存储器的容量大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。
核心数量。
即在单一芯片上集成多个功能相同的处理器核心，从而提高性能。
因此，核心数量也是CPU的一个重要性能指标。
制作工艺是指组成芯片的电子线路和元件的细密程度。
制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展，意味着在同样大小面积的芯片中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。
3.8简述计算机层次存储体系出现的原因。
答：
计算机技术的发展，使存储器的地位不断得到提升，系统由最初的以运算器为核心逐渐变成了以存储器为核心。
一个计算机系统中，理想的存储器应当具有充足的容量，与CPU相匹配的速度和相对低廉的价格，但是实际的存储器是速度快的容量小、价格高；容量大的价格低但速度过慢。
容量、速度和价格这三个基本指标常常是矛盾的。
依赖单一的存储部件或技术是难以解决现存问题的这就对存储器技术提出了更高的要求，不仅要使每一类存储器能够具有更高的性能，而且希望通过软件、硬件或软硬件结合的方式将不同类型的存储器组合在一起，从而获得更高的性价比，因而出现了存储系统。
3.9简述计算机层次存储体系。
答：
一般计算机的存储系统可以分为5个层次，最上一层是位于中央处理器内部的通用寄存器组，用于暂存中间运算结果及特征信息。
第二层是高速缓冲存储器Cache。
第三层的主存储器就是通常所说的内存。
联机外储存器和脱机外存储器是大容量存储器，属于外部设备范畴，它们与CPU的通信需要经过专门的接口。
联机外存储器主要是指硬盘，脱机外存储器是指软盘、光盘、磁带、移动硬盘和U盘等。
3.10简述高速缓冲存储器的工作原理。
答：
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