《计算机科学导论》第一章课后作业解答（个人版）

复习题

 

1. 定义一个基于图灵模型的计算机：

基于图灵模型的计算机是指使用图灵机作为理论基础的计算机。图灵机是英国数学家阿兰·图灵在1936年提出的一种抽象的计算模型，它由一个无限长的纸带和一个能在纸带上进行读写和移动的读写头构成。图灵机可以进行一系列状态转换，根据当前的状态和读写头所读取的符号，按照预先定义的规则进行操作。图灵模型被认为是通用计算模型，即可以模拟任何具有算法性质的计算过程。

 

2. 定义一个基于冯•诺依曼模型的计算机：

基于冯•诺依曼模型的计算机是指按照冯•诺依曼体系结构设计的计算机。冯•诺依曼模型由冯·诺依曼（John von Neumann）于1945年提出，是一种通用计算机结构。该模型的关键特点包括：存储程序概念、指令和数据以同等地位存储于存储器中、顺序执行指令、和数据的存储器是统一的。这种模型成为了现代计算机的基础，几乎所有的通用计算机都基于这一模型。

 

3. 在基于图灵模型的计算机中，程序的作用是什么？

在基于图灵模型的计算机中，程序的作用是指导计算机按照一系列的规则和指令来执行特定的计算任务。程序由一系列指令组成，这些指令告诉计算机在不同的输入情况下应该采取哪些操作和状态转换。图灵模型是一种理论模型，用来描述计算机的运算过程，因此程序在这里是用来描述一种计算过程或算法，以解决特定问题。

 

4. 在基于冯•诺依曼模型的计算机中，程序的作用是什么？

在基于冯•诺依曼模型的计算机中，程序的作用是指示计算机执行特定任务或解决特定问题的一系列指令。程序被存储在计算机的存储器中，计算机按照程序存储的顺序逐条执行指令。这种模型的关键特点是将程序和数据都存储在存储器中，并且程序可以被当作数据一样进行读取、写入和修改，使得计算机可以根据不同的程序来执行不同的任务。

 

5. 计算机中有哪些子系统？

计算机中主要包含以下几个子系统：

 

- 存储器子系统：用于存储程序、数据和中间结果。

- 算术逻辑单元(ALU)子系统：执行算术和逻辑运算，包括加减乘除、与或非等逻辑操作。

- 控制单元子系统：负责解释程序指令并控制计算机的操作。

- 输入/输出子系统：用于与外部设备进行数据交互，实现数据的输入和输出功能。

- 运算器：执行特定的数学运算和处理任务，通常是指整数运算单元。

- 浮点运算器：执行浮点数运算，特别适合科学计算和图形处理。

- 寄存器：用于临时存储数据和指令，是CPU内部的高速存储器。

- 控制器：控制数据在各个子系统之间的流动和协调计算机的工作。

 

6. 计算机中存储器子系统的功能是什么？

存储器子系统的功能是用于存储计算机的程序、数据和中间结果。它是计算机中用于存储信息的重要组成部分。存储器可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘、固态硬盘、光盘等）。

 

主存储器用于存储当前正在运行的程序和数据，以及CPU需要快速访问的信息。当计算机执行程序时，将程序和数据从辅助存储器加载到主存储器中，然后CPU可以直接从主存储器中读取数据并进行运算。

 

辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，即使在计算机关闭时也能保留数据。它提供了更大的存储容量，但相对于主存储器来说速度较慢。

 

7. 计算机中ALU子系统的功能是什么？

算术逻辑单元（ALU）是计算机中的核心组件之一，它负责执行算术和逻辑运算。ALU的功能包括：

 

- 算术运算：ALU可以执行基本的算术运算，如加法和减法，以及乘法和除法等复杂的运算（通常使用多个时钟周期实现）。

- 逻辑运算：ALU可以执行逻辑操作，如与、或、非、异或等，用于处理布尔逻辑和条件判断。

- 位移运算：ALU可以执行位移操作，将数据在二进制位上向左或向右移动。

- 比较运算：ALU可以进行大小比较，判断两个数的大小关系。

 

ALU是CPU中的关键部件，它根据控制单元的指令进行相应的运算操作，将运算结果保存在寄存器中或传递给其他部件。

 

8. 计算机中控制单元子系统的功能是什么？

控制单元是计算机中的重要组成部分，其功能是解释和执行存储在主存储器中的程序指令。控制单元根据程序指令的内容，控制计算机中各个子系统的操作，以确保正确地执行程序。

 

控制单元的主要功能包括：

 

- 指令解码：控制单元从主存储器中读取程序指令，并对其进行解码，以理解该指令表示的操作类型。

- 指令执行：根据解码后的指令内容，控制单元发送相应的控制信号，使得算术逻辑单元（ALU）执行相应的算术或逻辑运算。

- 状态控制：控制单元负责管理计算机的状态，包括指令的执行顺序、程序的跳转和条件判断。

- 时序控制：控制单元确保各个子系统按照正确的时序工作，以避免冲突和错误。

- 中断处理：控制单元处理来自外部设备或其他异常情况的中断请求，以保证计算机的稳定和灵活性。

 

9. 计算机中输入/输出子系统的功能是什么？

输入/输出（I/O）子系统是计算机与外部世界进行信息交换的重要桥梁。它负责管理计算机与输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪等）和输出设备（如显示器、打印机、存储设备等）之间的数据传输。

 

输入/输出子系统的功能包括：

 

- 输入数据接收：接收来自外部设备的输入数据，并将其传送到计算机的存储器或处理单元，以便进一步处理。

- 输出数据发送：将计算机处理后的数据传送到外部设备，使用户能够观察或保存处理结果。

- 缓冲管理：在输入和输出之间进行数据缓冲，以平衡计算机和设备之间的数据传输速度差异，防止数据丢失和冲突。

- 设备控制：控制外部设备的工作状态和传输过程，根据计算机的指令进行相应的操作。

 

I/O子系统在计算机的数据交互过程中起着至关重要的作用，它使计算机能够与用户进行交互，同时也是计算机与外部设备进行数据交换的关键桥梁。

 

10. 简述5个时代的计算机：

计算机的发展历程可以被划分为不同的时代，每个时代代表了一系列重要的技术和架构演进。以下是简要描述五个主要时代的计算机：

 

1. 第一代计算机：

第一代计算机（大约1950〜1959年）以商用计算机的出现为主要特征。在这个时期，计算机只有专家们才能使用。它们被锁在房子里，限制操作者和计算机专家以外的人员进入。计算机体积庞大，且使用真空管作为电子开关。此时的计算机只有大的机构才能负担得起。

 

2. 第二代计算机：

第二代计算机（大约1959〜1965年）使用晶体管代替真空管。这既减小了计算机的体积，也节省了开支，从而使得中小型企业也可以负担得起。FORTRAN和COBOL （参见第9章）两种高级计算机程序设计语言的发明使得编程更加容易。这两种语言将编程任务和计算机运算任务分离开来。一个土木工程师能够直接编写一个FORTRAN程序来解决问题，而不必涉及计算机结构中的具体电子细节。

 

3. 第三代计算机：

集成电路（晶体管、导线以及其他部件做在一块单芯片上）的发明更加减少了计算机的成本和大小。小型计算机出现在市场上。封装的程序，就是通常所说的软件包也已经有售。小型公司可以买到需要的软件包（如会计程序），而不必写自己的程序。一个新的工业—— 软件工业就此诞生了。这个时期大概从1965年持续到1975年。

 

4. 第四代计算机：

第四代计算机（大约1975〜1985年）出现了微型计算机。第一个桌面计算器（Altair 8800）出现在1975年。电子工业的发展允许整个计算机子系统做在单块电路板上。这一时代还出现了计算机网络（参见第6章）。

 

5. 第五代计算机：

这个还未终止的时代始于1985年。这个时代见证了掌上计算机和台式计算机的诞生、第二代存储媒体（CD-ROM、DVD等）的改进、多媒体的应用以及虚拟现实现象。

 

 

练习题

1. 解释为什么计算机不能解决那些计算机外部世界无解决方法的问题：

计算机是基于算法执行预定任务的工具，其能力受到算法和数据的限制。计算机只能处理离散的数字信息，并且是根据事先编写的程序进行操作。对于一些复杂、模糊或不确定性较大的问题，计算机可能无法提供解决方案。

 

计算机外部世界的问题可能涉及感知、主观判断、情感、道德等人类智能所d具有的特征。例如，艺术创作、情感理解、道德抉择等问题，这些超出了计算机目前的智能范畴，无法通过算法和计算来完全解决。

 

2. 如果一台小的便宜的计算机可以做大型昂贵的计算机同样能做的事情，为什么人们需要大的呢？

尽管小型便宜的计算机在某些任务上可以完成与大型昂贵的计算机相似的工作，但在许多方面，大型计算机仍然具有其独特的优势和必要性：

 

- 计算能力：大型计算机通常具有更高的计算能力和处理速度，可以处理更复杂、更大规模的任务和数据。

 

- 内存和存储：大型计算机可以搭载更多的内存和存储设备，对于需要处理大量数据的应用来说，这是必要的。

 

- 并发处理：大型计算机通常支持更多的并发处理，能够同时处理多个任务或用户请求。

 

- 可靠性：大型计算机通常具有更高的可靠性和冗余性，对于关键业务和服务来说，稳定性和可靠性是至关重要的。

 

- 扩展性：大型计算机通常更易于扩展和升级，以适应未来业务的增长和变化。

 

- 专业应用：某些专业领域或高性能计算需求，只有大型计算机才能胜任，如科学计算、天气预测、核能模拟等。

 

- 安全性：大型计算机可能具备更强大的安全功能，以防止数据泄露和攻击。

 

虽然小型计算机在家庭、个人和一些中小型企业场景下足够满足需求，但大型计算机在企业级、科学研究、大规模数据中心等领域依然具有不可替代的作用。

 

3. 研究Pascaline计算器，看看它是否符合图灵模型：

Pascaline计算器是由法国数学家、物理学家布莱兹·帕斯卡于17世纪中期发明的一种机械计算器。它由齿轮和数字滚轮组成，可以用来执行加法和减法运算。

Pascaline计算器并不符合图灵模型，因为它只能执行特定的算术运算，缺乏图灵机的通用性。图灵机是一种理论上的模型，具有无限长的纸带和可读写的读写头，能够模拟任何计算过程和算法。而Pascaline计算器只能执行有限种运算，没有图灵机的普适性。

 

4. 研究莱布尼茨之轮(Leibnitz's Wheel)，看看它是否符合图灵模型：

莱布尼茨之轮是由德国数学家哲学家莱布尼茨在17世纪末发明的一种机械计算器。它是一种多位十进制计算器，可以执行加法、减法、乘法和除法运算。

莱布尼茨之轮同样不符合图灵模型，因为它也只能执行有限种运算，而且没有图灵机的通用性。莱布尼茨之轮虽然在一定程度上增加了计算器的功能，但仍然不能模拟图灵机的全部计算过程。

 

5. 研究雅卡尔提花织机(Jacquard loom)，看看它是否符合图灵模型：

雅卡尔提花织机是由法国发明家约瑟夫·玛丽·雅卡尔在1801年发明的一种自动化织布机。它通过可编程的打孔卡片来控制织布的图案，实现了复杂花纹的织造。

雅卡尔提花织机也不符合图灵模型。尽管它可以根据打孔卡片执行不同的图案织造，但它仍然只是执行预定的操作，缺乏图灵机的普适性和无限的计算能力。

 

6. 研究査尔斯•巴比奇分析引擎，看看它是否符合冯•诺依曼模型：

査尔斯•巴比奇分析引擎，也称为巴比奇分析机，是英国数学家、计算机科学家查尔斯·巴比奇设计的一种早期计算机，用于执行特定的数学运算和数据分析任务。

査尔斯•巴比奇分析引擎符合冯•诺依曼模型的特点。它采用了存储程序概念，将指令和数据存储在存储器中，并通过控制单元解释和执行这些指令。它是一种通用计算机，不仅可以执行特定的数学运算，还可以通过修改存储器中的程序来实现不同的任务，具有冯•诺依曼计算机的基本架构。

 

7. 研究ABC计算机，看看它是否符合冯•诺依曼模型：

ABC计算机是由约翰·冯·诺伊曼等人于1943年在普林斯顿高等研究院设计的一种早期计算机。它是世界上第一台具有存储程序功能的计算机原型。

ABC计算机符合冯•诺依曼模型。它采用了存储程序概念，将指令和数据存储在存储器中，通过控制单元解释和执行这些指令。ABC计算机的设计成为了后来冯•诺依曼计算机的重要基础，它具有冯•诺依曼计算机的主要特点和架构。

 

8. 研究并找出键盘起源于哪一代计算机：

计算机键盘并不是由某一代特定的计算机发明的。计算机键盘最早起源于打字机，最早的打字机键盘可追溯到19世纪末。随着计算机的发展，打字机键盘被引入到计算机中，成为计算机的输入设备。

计算机键盘的标准布局最早由IBM公司推出的IBM Model 5150计算机所采用，该计算机于1981年发布，被认为是第一台个人计算机(PC)。因此，可以说计算机键盘起源于20世纪80年代，属于个人计算机时代。后来，随着计算机的普及，键盘成为了计算机最常用的输入设备之一，并延续至今。