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计算机原理常见问题大全
第一章计算机系统概论
1.计算机系统就是硬件系统吗？
答：
说计算机系统就是硬件系统是不完整的。
一个完整的计算机系统应该包括硬件系统和软件系统两部分。
硬件系统包括：
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件。
软件系统分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件包括操作系统、计算机语言处理程序（各种程序翻译软件，包括编译程序、解释程序、汇编程序）、服务性程序、数据库管理系统和网络软件等；应用软件包括各种特定领域的处理程序。
计算机系统中的硬件和软件是相辅相成的，缺一不可。
软件是计算机系统的灵魂，没有软件的硬件不能被用户使用，犹如一堆废铁。
2.同一个功能可以由软件完成也可以由硬件完成吗？
答：
软件和硬件是两种完全不同的形态，硬件是实体，是物质基础；软件是一种信息，看不见、摸不到。
但是它们都可以用来实现逻辑功能，所以在逻辑功能上，软件和硬件是等价的。
因此，在计算机系统中，许多功能既可以直接由硬件实现，也可以在硬件的配合下由软件来实现。
例如：
乘法运算既可以用专门的乘法器（主要由加法器和移位器组成）实现，也可以用乘法子程序（主要由加法指令和移位指令等组成）来实现。
3.翻译程序就是编译程序吗？
解释程序和编译程序有什么差别？
什么是汇编程序？
答：
翻译程序是指把高级语言源程序翻译成机器语言程序（目标代码）的软件。
翻译程序有两种：
一种是编译程序，另一种是解释程序。
它们是两种不同的翻译程序。
不同在于编译程序将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，每次执行程序时，只要执行目标程序，因此，只要源程序不变，就无需重新翻译；解释程序是将源程序的一条语句，翻译成对应的机器目标代码，并立即执行，然后翻译下一条源程序语句并执行，直至所有源程序中的语句全部被翻译并执行完。
所以解释程序的执行过程是翻译一句，执行一句。
解释的结果是源程序执行的结果，而不会生成目标程序。
汇编程序也是一种语言翻译程序，它是把汇编语言写的源程序翻译为机器语言程序（目标代码）的软件。
汇编语言是一种面向机器的低级语言，是机器语言的符号表示，与机器语言一一对应。
4.要计算机做的任何工作都要先编写成程序才能完成吗？
答：
是的。
要计算机完成的任何事情，都必须先编制程序，程序是由指令构成的。
不管是用哪种语言编写的程序，最终都要翻译成机器语言程序才能让机器理解，机器语言程序是由一条一条指令组成的程序。
CPU的主要功能就是周而复始地执行指令，因此，要计算机完成的所有功能都是通过执行一条一条指令来实现的，也就是由一个程序来完成的。
有时我们说某个特定的功能是由硬件实现的，但并不是说不要编写程序，如乘法功能可由乘法器这个硬件实现，但要启动这个硬件（乘法器）工作，必须先执行程序中的乘法指令。
5.指令和数据形式上没有差别，且都存于存储器中，计算机如何区分它们呢？
答：
指令和数据在计算机内部都是用二进制表示的，因而都是0、1序列，在形式上没有差别。
在指令和数据取到CPU之前，它们都存放在存储器中，CPU必须能够区分读出的是指令还是数据，如果是指令，CPU会把指令的操作码送到指令译码器进行译码，而把指令的地址码送到相应的地方进行处理；如果是数据，则送到寄存器，或运算器。
那么，CPU如何识别读出的是指令还是数据呢？
实际上，CPU并不是把信息从主存读出后，靠某种判断方法来识别信息是数据还是指令的。
而是在读出之前就知道将要读的信息是数据还是指令了。
执行指令的过程分为：
取指令、指令译码、取操作数、运算、送结果等。
所以，在取指令阶段，总是根据程序计数器PC的值去取指令，所以取来的一定是指令；取操作数阶段取的一定是数据。
6.什么叫透明性？
透明是指什么都能看见吗？
答：
在计算机领域中，站在某一类用户的角度，如果感觉不到某个事物或属性的存在，即“看”不到某个事物或属性，则称为“对xxxx用户而言，某个事物或属性是透明的”。
这与日常生活中的“透明”概念（公开、看得见）正好相反。
例如：
对于高级语言程序员来说，浮点数格式、乘法指令等这些指令的格式、数据如何在运算器中运算，等等，是透明的；而对于机器语言程序员和汇编语言程序员来说，指令的格式、机器结构、数据格式等则不是透明的。
7.数据通路宽度、机器字长、“字”宽、存储单元宽度、编址单位、总线宽度、指令字长各指什么？
它们之间有何关系?
答：
在计算机内部，有指令和数据两大类信息。
指令和数据都以二进制形式存放在存储器中，运行程序时，需要把指令和数据从存储器读出，通过总线传输到CPU，然后，CPU再通过执行指令来对操作数进行相应的运算，最后把结果数据送到寄存器或存储器中。
所以，在设计或使用计算机过程中，要涉及到：
指令和数据在存储器中按什么长度存放；写入或读出时按什么长度存取；在总线上传输时同时传送多少位；数据和指令送到CPU后，在CPU的寄存器中按多少位存放；在运算器中按多少位运算；等等问题。
因而出现了以下一些概念，它们的定义和关系如下：
“数据通路”是指数据在CPU中所经过的路径，连同路径上的部件，包括：
通用寄存器、多路选择器、符号扩展器、零扩展器、ALU、移位寄存器等。
这些部件的宽度和数据传送的路径宽度都是一致的，这个一致的宽度就是数据通路的宽度。
CPU中有定点运算器和浮点运算器，因而，相对应的就有定点运算器的数据通路和浮点运算器数据通路。
两者的宽度不同，浮点运算器的数据通路要宽的多。
“机器字长”是计算机的一个非常重要的指标。
通常称32位机器或64位机器，就是指机器的字长是32位或64位。
一般情况下，机器字长定义为CPU中在同一时间内一次能够处理的二进制数的位数，实际上就是CPU中数据通路的位数。
因为机器字长与内存单元的地址位数有关，而地址计算是在定点运算器中进行的。
所以，一般把定点运算器的数据通路宽度定为机器字长。
在计算机中，“字”的概念经常出现。
一个“字”的宽度并不等于机器字长。
“字”作为机器中所有信息宽度的计量单位，对于某个系列机来说，其字宽总是固定的。
例如，在80x86系列中，一个字的宽度为16位，因此，32位是双字，64位是四字。
在IBM303X系列中，一个字的宽度为32位，所以16位为半字，32位为单字、64位为双字。
“存储单元”指存储器中具有相同地址的若干个存储元件（或称存储元、存储基元、记忆单元）构成的一个存储单元中的二进制代码，其宽度等于一个编址单位的长度，可以是8位、16位、32位等。
现在，大多数计算机是按字节编址的，即：
每一个字节（8位）有一个地址，编址单位就是一个字节，所以一个存储单元的宽度（位数）是8位。
由此可见，一个数据（如：
32位整数、32位浮点数或64位浮点数等）可能占多个存储单元。
一次从存储器读出或写入的信息也可能有多个存储单元。
“指令字长”指指令的位数。
有定长指令字机器和不定长指令字机器。
定长指令字机器中所有指令的位数是相同的，目前定长指令字大多是32位指令字。
不定长指令字机器的指令有长有短，但每条指令的长度一般都是8的倍数。
所以，一个指令字在存储器中存放时，可能占用多个存储单元；从存储器读出并通过总线传输时，可能分多次进行，也可能一次读多条指令。
第二章运算方法和运算器
1.真值和机器数的关系是什么？
答：
在计算机内部用二进制编码表示的数称为机器数，而机器数真正的值（即原来带有正负号的数）称为机器数的真值。
2.什么是编码？
答：
用少量简单的基本符号，对大量复杂多样的信息进行一定规律的组合。
基本符号的种类和组合规则是信息编码的两大要素。
例如，用10个阿拉伯数字表示数值，电报码中用4位十进制数字表示汉字，等等，都是编码的典型例子。
计算机内部处理的所有信息都是“数字化编码”了的信息。
3.什么是“数字化编码”？
答：
“数字化编码”就是对感觉媒体信息（如：
数值、文字、图像、声音、视频等信息）进行定时采样，将现实世界中的连续信息转换为计算机中的离散的“样本”信息，然后对这些离散的“样本”信息进行二进制编码。
4.计算机内部为什么用二进制来编码所有信息？
答：
主要有三个方面的原因：
（1）二进制系统只有两个基本符号：
“0”和“1”。
所以，它的基本符号少，易于用稳态电路实现；
（2）二进制的编码/计数/运算等的规则简单；
（3）二进制中的“0”和“1”与逻辑命题的“真”和“假”的对应关系简单
5.什么叫数值数据？
答：
数值数据有确定的值，即在数轴上能找到其对应的点，可以比较其大小。
确定一个数值数据的值有三个要素：
进位计数制、定／浮点表示和数的编码表示。
也就是说，给定一个数字序列，如果不说明这个数字序列是几进制数、小数点的位置在哪里、采用什么编码方式，那么这个数字序列的值是无法确定的。
或者说，同一个数字序列可能有不同的值。
6.计算机内都用二进制表示信息，为什么还要引入八进制和十六进制？
答：
计算机内部在进行信息的存储、传送和运算时，都是以二进制形式来表示信息的。
但在屏幕上或书本上书写信息时，由于二进制信息位数多，阅读、记忆也不方便。
而十六进制、八进制和二进制的对应关系简单。
所以引入十六进制或八进制。
在开发程序、调试程序、阅读机器内部代码时，人们经常使用八进制或十六进制来等价地表示二进制信息。
7.如何表示一个数值数据？
计算机中的数值数据都是二进制数吗？
答：
在计算机内部，数值数据的表示方法有两大类：
①直接用二进制数表示
分为无符号数和有符号数，有符号数又分为定点数表示和浮点数表示。
无符号数用来表示无符号整数（如：
地址等信息）；定点数用来表示整数；浮点数用来表示实数。
②采用二进制编码的十进制数表示（BinaryCodedDecimalNumber，简称BCD码）BCD码的编码方案很多，但一般都采用8421码（也称为NBCD码）来表示。
用来表示整数。
所以，计算机中的数值数据虽然都用二进制来编码表示，但不全是二进制数，也有用十进制数表示的。
所以，后面一章有关指令类型中，就有对应的二进制加法指令和十进制加法指令。
8.为什么要引入无符号数表示？
答：
一般在全部是正数运算且结果不出现负值的场合下，可以省略符号位，使用无符号数表示。
例如在进行地址运算时可用无符号数。
9.在高级语言编程中所定义的unsigned型数据是怎么表示的？
答：
unsigned型数据就是无符号数，不考虑符号位，直接用二进制对数值进行编码得到的就是无符号数。
10.为什么无符号整数结果会发生“溢出”？
什么叫无符号整数的“溢出”？
答：
计算机的机器字长总是有限的，因而机器数的位数有限，所以可表示的数的个数有限。
对于n位二进制数，只能表示2n个不同的数，因此有很多数用n位无法表示。
对于无符号定点整数来说，计算机运算过程中一般保留低n位，舍弃高位。
这样，会产生两种结果：
①剩下的低n位数不能正确表示运算结果。
这种情况下，意味着运算的结果超出了计算机能表达的范围，有效数值进到了第n+1位，我们称此时发生了“溢出”现象。
②剩下的低n位数能正确表达计算结果，也即高位的舍去并不影响其运算结果。
“span对一个多于n位的数丢弃高位而保留低n位数”这样一种处理，实际上等价于“将这个多于n位的数去除以2n，然后丢去商保留其余数”的操作。
这种操作运算就是“模运算”。
在一个模运算系统中，运算的结果最终都是丢弃高位，只截取低n位。
所以，只要不是“溢出”，即：
只要真正的值不会进到第n+1位，结果就是正确的。
这是模运算系统的特点。
11.为什么现代计算机都用补码来表示整数？
答：
补码表示定点整数时，和原码、反码相比，有以下四个好处：
（1）符号位可以和数值位一起参加运算
（2）可以用加法方便地实现减法运算
（3）零的表示唯一
（4）可以多表示一个最小负数
所以，现代计算机都用补码来表示定点整数。
12.n位二进制补码整数的模是多少？
数的表示范围是多什么？
答：
n位二进制补码整数的模是2n，表示只保留低n位，多于n位的高位部分取模后要被丢弃掉。
这种形式的数的范围为-2（n-1）~+2（n-1）-1。
13.在高级语言编程中定义的shotr/int/long型数据是怎么表示的？
答：
int型数据就是定点整数，现代计算机一般用补码表示。
int型数据的位数与运行平台和编译器有关，一般是32位或16位。
long型数据和short型数据也都是定点整数，用补码表示，只是位数不同，分别是长整型和短整型数。
14.定点整数在数轴上分布的点之间都是等距的吗？
答：
是的。
定点整数在数轴上的点总是在整数值上，即：
[……，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，……]，相邻数据间隔总是1。
15.定点整数运算要考虑加保护位和舍入吗？
答：
不需要。
整数运算的结果还是整数，没有误差，无需考虑加保护位，也无需考虑舍入。
但运算结果可能会“溢出”。
16.为什么要引入浮点数表示？
答：
因为定点数不能表示实数，而且表数范围小。
所以，要引入浮点数表示。
17.为什么浮点数的阶（指数）要用移码表示？
答：
因为在浮点数的加减运算中，要进行对阶操作，需要比较两个阶的大小。
移码表示的实质就是把阶加上一个偏置常数，使得所有数的阶码都是一个正整数，比较大小时，就只要按高位到低位顺序比较就行了，因而，引入移码可以简化阶的比较过程。
18.浮点数如何表示0？
答：
用一种专门的位序列表示0，例如，IEEE754单精度浮点数中，用“00000000H”表示+0，用“80000000H”表示-0。
当运算结果出现阶码过小时，计算机将该数近似表示为0。
19.现代计算机中采用什么标准来表示浮点数？
答：
早期的计算机各自采用不同的浮点数表示格式，因而，在不同计算机之间进行数据交换时，就会发生数据不统一的问题。
因而，提出专门制定了IEEE754标准用来规定计算机中的浮点数表示格式。
所以，现代计算机中都采用IEEE754标准来表示浮点数。
20.如何判断一个浮点数是否是规格化数？
答：
为了使浮点数中能尽量多地表示有效位数，一般要求运算结果用规格化数形式表示。
规格化浮点数的尾数小数点后的第一位一定是个非零数。
因此，对于原码编码的尾数来说，只要看尾数的第一位是否为1就行；对于补码表示的尾数，只要看符号位和尾数最高位是否相反。
21.浮点数表示的精度和数值范围取决于什么？
在浮点数总位数不变的情况下，阶码位数越多，则尾数位数越少。
即：
表数范围越大，则精度越差（数变稀疏）。
22.基数的大小对表数范围和精度有什么影响？
答：
基数越大，则范围越大，但精度变低（数变稀疏）。
23.在高级语言编程中定义的float/double型数据是怎么表示的？
答：
float型数据是用来表示实数的浮点数。
现代计算机用IEEE754标准表示浮点数，其中32位单精度浮点数就是float型。
64位双精度浮点数就是double型。
24.位数相同的定点数和浮点数中，可表示的浮点数个数比定点数个数多吗？
答：
不是的。
可表示的数据个数取决于编码所采用的位数。
编码位数一定，则编码出来的数据个数就是一定的。
n位编码只能表示2n个数，所以，对于相同位数的定点数和浮点数来说，可表示的数据个数应该一样多。
（有时可能由于一个值可能有两个或多个编码对应，编码个数会有少量差异。
但总体上是一样的。
）
25.如何进行BCD码的编码？
答：
每位十进制数的取值可以是0/1/2/…/9这十个数之一，因此，每一个十进制数位必须至少有4位二进制位来表示。
而4位二进制位可以组合成16种状态，去掉10种状态后还有6种冗余状态，所以从16种状态中选取10种状态表示十进制数位0~9的方法很多，可以产生多种BCD码方案。
大的方面可分为有权码和无权码两种。
有权码指表示每个十进制数位的四个二进制数位（称为基2码）都有一个确定的权。
8421码是最常用的十进制有权码，ASCII码的数字编码采用的就是8421码；无权码指表示每个十进制数位的四个基2码没有确定的权。
现代计算机中大多用8421有权码。
26.逻辑数据在计算机中如何表示？
如何运算？
答：
逻辑数据用来表示命题的“真”和“假”，分别用“1”和“0”来表示。
进行逻辑运算时，按位进行。
27.汉字的区位码、国标码和机内码有什么区别？
答：
GB2312字符集由94行、94列组成，行号称为区号，列号称为位号，各占7位，共14位，区号在左、位号在右，称为汉字的区位码，它指出了该汉字在码表中的位置。
汉字的国标码是将区号、位号各加上32（即16进制的20H）后，再在前后各7位前加0。
汉字的内码需2个字节才能表示，可以在国标码的基础上产生汉字机内码。
一般是将国标码两个字节的第一位置“1”后得到内码。
28.已知一个汉字的国标码为343AH，其区位码和机内码各是什么？
答：
区位码是国标码的前后两个字节各减32（即：
20H）,所以得区位码为：
343AH-2020H=141AH，所以区号为20，位号为26；机内码是国标码的两个字节的最前一位变为1，所以，机内码为B4BAH。
29.定点整数（用补码表示）运算时，如何判断结果溢出？
答：
可以采用双符号位检测和单符号位检测两种判断方法。
1）双符号位：
采用“变形补码”进行补码运算和溢出检测。
其判断规则为：
“当结果的两个符号位不同时，发生溢出”。
2）单符号位：
异号数相加不会溢出；对于同号数相加，则有两种判断规则：
规则1：
“若结果的符号与两个加数的符号不同，则发生溢出。
”
规则2：
“若最高位的进位和次高位的进位不同，则发生溢出。
30.什么是浮点数的溢出？
什么情况下发生上溢？
什么情况下发生下溢？
答：
浮点数的运算结果可能出现以下几种情况：
1）阶码上溢：
当一个正指数超过了最大允许值，此时，浮点数发生上溢（即：
向∞方向溢出）。
如果结果是正数，则发生正上溢（有的机器把值置为+∞）；如果是负数，则发生负上溢（有的机器把值置为-∞）。
这种情况为软件故障，通常要引入溢出故障处理程序来处理。
2）阶码下溢：
当一个负指数比最小允许值还小，此时，浮点数发生下溢。
一般机器把下溢时的值置为0（+0或-0）。
不发生溢出故障。
3）尾数溢出：
当尾数最高有效位有进位时，发生尾数溢出。
此时，进行“右规”操作：
尾数右移一位，阶码加1，直到尾数不溢出为止。
此时，只要阶码不发生上溢，则浮点数不会溢出。
4）非规格化尾数：
当数值部分高位出现0时，尾数为非规格化形式。
此时，进行“左规”操作：
尾数左移一位，阶码减1，直到尾数为规格化形式为止。
31.为什么浮点数运算中要增加保护位？
答：
为了使数据有效位在右移时最大限度地保证不丢失，一般在运算中间值后面增加若干数据位，这些位用来保存右移后的有效数据。
增设保护位后，能保证运行的中间结果的有效位数，但最终必须将结果的保护位去掉，以得到规定格式的浮点数，此时要考虑舍入。
32.浮点数如何进行舍入？
答：
舍入方法选择的原则是：
（1）尽量使误差范围对称，使得平均误差为0，即：
有舍有入，以防误差积累。
（2）方法要简单，以加快速度。
IEEE754有四种舍入方式：
（1）就近舍入：
舍入为最近可表示的数，若结果值正好落在两个可表示数的中间，则一般选择舍入结果为偶数。
（2）正向舍入：
朝+∞方向舍入，即：
取右边的那个数。
（3）负向舍入：
朝-∞方向舍入，即：
取左边的那个数。
（4）截去：
朝0方向舍入。
即：
取绝对值较小的那个数。
33.无符号加法器如何实现？
答：
计算机中，最基本的加法器是无符号加法器。
根据进位方式的不同，有两种不同的实现方式：
串行和并行。
（1）串行进位加法器（行波进位加法器）：
通过n个全加器按照串行方式连起来实现
（2）并行进位加法器（先行进位加法器）：
通过引入进位生成函数和进位传递函数，使得进位之间相互独立，并行产生。
也称为快速加法器。
34.补码加法器如何实现？
答：
在补码系统内，两个n位数做补码加法的原则是：
两个n位数的补码相加，其结果中最高位的进位丢掉（模运算系统）。
所以可用一个n位无符号加法器生成各位的和。
但是，最终的结果是否正确，取决于结果是否溢出，只要不溢出，结果一定是正确的。
因此，补码加法器只要在无符号加法器的基础上再增加“溢出判断电路”即可。
35.在补码加法器中，如何实现减法运算？
答：
补码减法的规则是：
求两个数的差的补码，可用第一个数的补码加上另一数负数的补码得到。
由此可见，减法运算可在加法器中运行。
只要在加法器的一个输入端输入减数的负数的补码。
求一个数的负数的补码电路称为“负数求补电路”。
可以通过“各位取反、末尾加1”来实现“负数求补电路”。
36.现代计算机中是否要考虑原码加/减运算？
如何实现？
答：
因为现代计算机中浮点数采用IEEE754标准，所以在进行两个浮点数加减运算时，必须考虑原码的加减运算。
因为，IEEE754规定浮点数的尾数都用原码表示。
原码的加减运算可以有以下两种方式实现：
（1）转换为补码后，用补码加减法实现，结果再转换为原码
（2）直接用原码加减运算，符号和数值部分分开进行。
其步骤如下：
–比较两个操作数的符号
?
加法--实行“同号求和，异号求差”
?
减法--实行“异号求和，同号求差”
–求和：
数值位相加
?
若最高位产生进位，则溢出
?
若最高位无进位，则和的符号位为被加（减）数的符号
–求差：
被加（减）数的数值位加上加（减）数数值位的补码
?
若最高位有进位，则结果为正，说明数值位正确，差的符号位为被加（减）数的符号；
?
若最高位无进位，则结果为负，得到的数值位为补码形式，故需对结果求补，差的符号位与被加（减）数的符号位相反
37.加法器的运算速度取决于什么？
答：
在门电路延迟一定的情况下，加法器的速度主要取决于进位方式，并行进位方式比串行进位方式的速度快。
38.计算机内部如何实现移位操作？
答：
在计算机内部，移位操作在移位器中进行，移位器位数固定，所以，移位前后数的位数不变。
左移一位，数值扩大一倍，相当于乘2操作；右移一位，数值缩小一半，相当于除2操作。
移位操作分逻辑移位、算术移位和循环移位三种。
逻辑移位对无符号数进行，移位规则为：
左移时，高位移出，低位补0
右移时，低位移出，高位补0
算术移位是对带符号数进行的，移位时符号位不变，只对数值部分移位。
移位规则为：
①原码
左移：
高位移出，末位补0。
移出非零时，发生溢出。
右移：
高位补0，低位移出。
移出时进行舍入操作。
②补码
左移：
高位移出，末位补0。
移出非符时，发生溢出。
右移：
高位补符，低位移出。
移出时进行舍入操作。
循环移位对无符号数进行，移位时把高（低）位移出的一位送到低（高）位即可。
39.计算机内部如何实现填充（扩展）操作？
答：
在计算机内部，有时需要将一个取来的短数扩展为一个长数，此时要进行填充（扩展）处理。
对于无符号整数，只要在高位补0，进行“零扩展”。
对于有符号数，则可能有两种情况：
1）对于定点整数，在符号位后的数值高位进行。
①原码：
符号位不变，数值部分高位补0
②补码：
高位直接补符，称为“符号扩展”方式
2）对于定点小数表示的浮点数的尾数，则在低位补0即可。
40.在计算机中，乘法和除法运算如何实现？
答：
乘法和除法运算是通过加/减运算和左/右移位运算来实现
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