第一节　计算机系统层次结构

考点1：计算机系统的基本组成

【例·选择题】【模拟题】下列叙述中，错误的是（　　）。

A．计算机系统由硬件系统和软件系统组成

B．计算机软件由各类应用软件组成

C．CPU主要由运算器和控制器组成

D．计算机主要由CPU和主存储器组成

【解析】本题主要考查计算机系统的基本组成。

计算机系统由硬件和软件两大部分组成。从硬件角度看，现代计算机主要由三大部分组成：中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、输入/输出（Input/Output，I/O）设备及主存储器（Main Memory，MM）。CPU与主存储器组合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备或外围设备（简称外设），其中CPU主要由运算器和控制器组成。软件由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。计算机的软件通常可以分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统、监视服务，使系统资源得到合理调度，使计算机系统高效运行；应用软件又称为应用程序，是用户根据任务需求所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序等。题目中的B选项表述不全面，因此错误。

【答案】B

考点2：计算机硬件的基本结构

【例·选择题】【重庆理工大学-2013】在主机中能对指令进行译码的器件是（　　）。

A．MAR

B．ALU

C．控制器

D．MDR

【解析】本题主要考查控制器的基本功能。

在现代计算机中，CPU主要包括运算器和控制器两大部分，此外还包括寄存器和中断系统。对冯·诺依曼结构计算机（简称冯·诺依曼机）而言，程序一旦进入存储器，就可由计算机自动完成取指令和执行指令的任务。控制器就是专用于完成此项任务的，它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。

A选项，MAR（Memory Address Register，存储器地址寄存器）属于CPU内部寄存器，用于存放即将被访问的存储单元的地址。B选项，ALU（Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑部件）是用于存放操作数的寄存器和实现算术运算和逻辑运算的部件。C选项，控制器用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令，在解释指令的过程中需要进行指令译码，分析确定出该条指令是用来执行什么操作以及操作内容所在的地址。因此，C选项符合题意。D选项，MDR（Memory Data Register，存储器数据寄存器）属于CPU内部寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据。

【答案】C

考点3：计算机软件和硬件的关系

【例·选择题】【重庆大学-2016】假设某个程序执行耗时为100秒，其中80秒用于乘法运算，以下说法正确的是（　　）。

A．可通过改进乘法运算部件，将程序的运行速度提高5倍

B．可通过改进乘法运算部件，将程序运行时间降低为10秒

C．不可能通过只改进乘法运算部件，将程序运行速度提高5倍

D．不可能通过只改进乘法运算部件，将程序运行速度提高3倍

【解析】本题主要考查计算机运行速度与运算器的关系。

在计算机中，程序最终会被转换成一条条机器指令，然后由CPU内部的控制器自动完成取指令和执行指令的任务。若涉及相关操作数的存取或算术运算和逻辑运算的实现，则由运算器进行相应的处理。因此，运算部件的改进和优化只能提高运算部分的效率，而提高计算机运算速度，其核心还在于对指令的处理。

根据题意，某个程序执行的时间为100秒，其中80秒用于乘法运算，则有20秒为剩余的程序执行时间。无论乘法运算部件如何优化，也需要不少于20秒的时间用于程序的执行，因此不可能将程序运行的速度提高5倍，但可以接近5倍，即通过改进乘法运算部件，使乘法运算所耗费时长趋于0秒，则该程序的执行时间就趋于20秒。

A选项和C选项说法相反，根据上述分析，C选项说法正确；B选项，无法将程序的运行时间降至10秒，因此错误；D选项，根据上述分析，程序运行速度可提高的倍数范围是1～5倍（近5倍），因此将程序运行速度提高3倍是可能的，所以D选项的说法错误。

高手点拨

不可能通过只改进乘法运算部件，将程序运行速度提高5倍。这可以从阿姆达尔定律推导出来，该定律指出，系统的加速比受限于无法改进的任务的比例。在本题中，无法改进的任务的比例是20%（用于非乘法运算的比例）。因此，通过改进乘法运算部件能够达到的最大加速比是1/（0.2 + 0.8/S），其中S是乘法运算部件的加速因子。如果想要将程序的运行速度提高5倍，则需要在方程5 = 1/（0.2 + 0.8/S）中求解S，得到S为无穷大。这意味着乘法运算部件需要比以前快无限倍，这是不切实际的。因此，不可能通过只改进乘法运算部件达到这个目标。

解题技巧

本题涉及两个解题技巧，一个是A选项和C选项表述相反，当选择题出现这样的选项时，答案一般在这两个选项中产生；另一个是4个选项中，只有B选项出现了具体的数值表达，这样的选项往往是错误的。

【答案】C

考点4：计算机系统的工作原理

【例1·选择题】【全国统考-2018】冯·诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，其主要原因是（　　）。

Ⅰ．二进制的运算规则简单

Ⅱ．制造两个稳态的物理器件较容易

Ⅲ．便于用逻辑门电路实现算术运算

A．Ⅰ、Ⅱ

B．Ⅰ、Ⅲ

C．Ⅱ、Ⅲ

D．Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ

【解析】本题主要考查二进制编码的优点。

在冯·诺依曼机中，指令和数据均以二进制形式存储在存储器中。

采用二进制作为数据编码的原因有技术实现简单、适合逻辑运算、简化运算规则等。

对于Ⅰ，由于二进制只有0和1两个数值表示，因此运算较简单，也简化了运算规则。

对于Ⅱ，考虑到物理器件传输时候的损耗，二进制只需要2种状态的电平，比使用10种状态的电平更加准确，更加容易实现，不容易出错。

对于Ⅲ，由于逻辑门电路的输入和输出都是0和1，使用逻辑门电路实现二进制非常方便。

因此，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均是冯·诺依曼机中数据采用二进制编码表示的主要原因，D选项正确。

【答案】D

【例2·选择题】【全国统考-2019】下列关于冯·诺依曼结构计算机基本思想的叙述中，错误的是（　　）。

A．程序的功能都通过中央处理器执行实现

B．指令和数据都用二进制表示，形式上无差别

C．指令按地址访问，数据都在指令中直接给出

D．程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中

【解析】本题主要考查冯·诺依曼机的特点。

冯·诺依曼机的特点如下。

（1）冯·诺依曼机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

（2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

（3）指令和数据均用二进制表示。

（4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

（5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是按顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

（6）冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传输通过运算器完成。

中央处理器（CPU）主要由控制器和运算器组成，其中控制器负责取指令和执行指令，运算器负责相关运算，因此程序的功能都由CPU执行实现，A选项叙述正确。根据上述分析，B选项叙述正确。“指令按地址访问”的表述正确，但是“数据都在指令中直接给出”的表述错误。现代计算机中，数据可以在指令中直接给出，也可以存放在存储器或CPU内部的寄存器中，而在冯·诺依曼机中，数据和指令以同等地位存放于存储器中，因此C选项叙述错误。根据上述分析，D选项叙述正确。

【答案】C

【例3·选择题】【北京邮电大学-2016】下图为冯·诺依曼架构，该架构的计算机的特点是（　　）。

Ⅰ．采用二进制

Ⅱ．存储程序

Ⅲ．控制流驱动方式

Ⅳ．数据流驱动方式

A．Ⅰ，Ⅱ

B．Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ

C．Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ

D．Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ

【解析】本题主要考查冯·诺依曼机的特点。

根据冯·诺依曼机的特点，计算机中的指令和数据均用二进制表示，Ⅰ正确。对于Ⅱ，“存储程序”是将根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中存储程序的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。“存储程序”是一种思想，由冯·诺依曼提出，也是现代计算机的理论基础，因此Ⅱ正确。Ⅲ、Ⅳ是一对相对的描述，在计算机体系架构中，通常有两种驱动方式，一种是控制流驱动方式，即指令控制数据，执行指令即可进行相关操作，冯·诺依曼机就采用这种方式，但并不是所有的计算机都采用这种方式；另一种是数据流驱动方式。因此Ⅲ正确。

高手点拨

本题的解题核心在于理解冯·诺依曼机特点的本质思想，冯·诺依曼机的本质思想就是将程序转换成一条条机器指令和数据，指令和数据都存储在存储器中，这便体现了其“存储程序”的思想，通俗的理解，就是把程序存储起来；再者就是指令和数据之间的关系，通过指令可以完成对数据的存取操作，因此这是一种控制流驱动方式。

解题技巧

本题应关注一个解题技巧，通过4个选项的对比，发现Ⅰ、Ⅱ均被包含，而Ⅲ、Ⅳ都在描述驱动方式，从出题者的角度，Ⅰ和Ⅱ中、Ⅲ和Ⅳ中至少应有一个是正确的，因此答案在B选项和C选项中。该技巧可以迅速定位到选项，提高考生对选择题的答题效率。

误区警示

本题存在陷阱，题中给出的图是冯·诺依曼机的硬件框架，图中标注的“数据信号”和“控制信号”易误导考生，因此易错选D选项。实际上，图中标注的“数据信号”和“控制信号”表示的是各个部件之间的数据关系和控制关系，与驱动方式无关。

【答案】B