計算機組成原理與應(yīng)用2025年計算機硬件系統(tǒng)考試模擬題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.下列哪一項不是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的主要特點？A.指令和數(shù)據(jù)以二進制形式存儲B.采用存儲程序方式C.指令由操作碼和地址碼組成D.以運算器為中心2.將十進制數(shù)-27轉(zhuǎn)換為8位二進制補碼表示，正確的是？A.11011011B.00110101C.11100101D.100110113.在計算機中，Cache的作用是？A.主要存儲程序B.主要存儲數(shù)據(jù)C.作為主存和CPU之間的高速緩沖存儲器D.作為輔助存儲器4.下列哪種尋址方式中，操作數(shù)的地址直接包含在指令中？A.立即尋址B.直接尋址C.間接尋址D.寄存器尋址5.CPU的主要性能指標不包括？A.主頻B.字長C.緩存容量D.軟件版本6.在總線結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)總線的作用是？A.用于傳輸控制信號B.用于傳輸?shù)刂沸畔.用于在CPU和主存之間傳輸數(shù)據(jù)D.用于連接輸入輸出設(shè)備7.中斷向量表通常存放在？A.RAM中B.ROM中C.Cache中D.寄存器中8.DMA方式（直接存儲器訪問）主要用于？A.中斷處理B.數(shù)據(jù)塊傳輸C.指令執(zhí)行D.控制信號生成9.ASCII碼中，字符'A'的十進制表示是？A.65B.97C.100D.12810.RISC（精簡指令集計算機）的特點不包括？A.指令種類少，指令格式規(guī)整B.大部分指令可在一個時鐘周期內(nèi)完成C.需要復(fù)雜的指令譯碼D.硬件電路簡單二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線上）1.計算機硬件系統(tǒng)的五大基本組成部分是運算器、______、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。2.在補碼表示法中，0有______種不同的二進制編碼。3.Cache與主存之間通常采用______（直接/全相聯(lián)/組相聯(lián)）映射方式來提高訪問效率。4.指令周期通常包括取指、譯碼和______三個階段。5.CPU通過______總線與主存進行數(shù)據(jù)交換。6.中斷處理過程一般包括中斷請求、中斷判優(yōu)、______、中斷返回四個主要步驟。7.I/O接口通常具有地址譯碼、數(shù)據(jù)緩沖、______和時序控制等功能。8.字長是CPU能夠直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了CPU的______。9.在計算機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饕谐绦虿樵兎绞?、______方式和DMA方式。10.將二進制數(shù)11010110轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)是______。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述原碼、反碼和補碼三種編碼方式的主要區(qū)別。2.解釋什么是虛擬存儲器，并簡述其工作原理。3.CPU在執(zhí)行一條指令的過程中，通常需要哪些主要操作？4.比較中斷方式和DMA方式在數(shù)據(jù)傳輸方面的主要異同點。四、計算題（每小題10分，共20分）1.某計算機的Cache容量為16KB，主存容量為512KB，Cache采用直接映射方式，主存塊大小為4KB。若主存地址為十六進制數(shù)2F8AHC，求：（1）該地址對應(yīng)的Cache行號是多少？（2）若該行命中，請給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊在主存中的起始地址范圍（用十六進制表示）。2.假設(shè)某CPU的字長為16位，采用補碼運算。請計算（-77）補和（+45）補相加的結(jié)果（用16位二進制補碼表示），并說明是否需要溢出。五、綜合題（15分）已知某計算機的CPU主頻為2.4GHz，Cache命中率為90%，主存訪問時間為100ns，Cache訪問時間為10ns，主存與Cache之間采用直接映射，主存塊大小為16字節(jié)。當CPU需要訪問一個主存單元時，請計算：（1）Cache訪問的平均時間；（2）主存訪問的平均時間；（3）簡述影響計算機系統(tǒng)性能的因素有哪些，并說明在本例中哪些因素對性能影響較大。試卷答案一、選擇題1.D2.A3.C4.B5.D6.C7.B8.B9.A10.D二、填空題1.控制器2.兩種3.直接4.執(zhí)行5.地址6.中斷響應(yīng)7.信號選擇（或中斷請求）8.字節(jié)處理能力（或處理精度）9.中斷10.D6三、簡答題1.解析思路：比較三種編碼方式表示零的方式、正負數(shù)的表示方法以及加減運算的復(fù)雜性。*原碼：正數(shù)符號位為0，負數(shù)符號位為1，零有兩種表示（0111...111和1000...000）。加減運算復(fù)雜，需要判別符號位。*反碼：正數(shù)與原碼相同，負數(shù)符號位為1，其余位按位取反。零只有一種表示（0000...000）。加減運算仍復(fù)雜，需判別符號位。*補碼：正數(shù)與原碼相同，負數(shù)符號位為1，其余位按位取反后加1。零只有一種表示（0000...000）。加減運算最簡單，可以直接進行，符號位也參與運算。2.解析思路：解釋虛擬存儲器的概念（虛擬、非連續(xù)、對換），并說明其利用了主存-輔存層次結(jié)構(gòu)，通過軟件（操作系統(tǒng)）實現(xiàn)內(nèi)存管理。*虛擬存儲器：一種讓計算機看起來擁有比實際物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間的技術(shù)。它允許程序使用比實際RAM更大的地址空間，部分數(shù)據(jù)可以存放在速度慢得多的輔助存儲器（如硬盤）上。*工作原理：利用地址映射機制（通過頁表等），將邏輯地址空間映射到物理地址空間。當CPU訪問不在物理內(nèi)存（RAM）中的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)會自動將所需數(shù)據(jù)從輔存調(diào)入RAM（可能需要先替換掉部分RAM中的數(shù)據(jù)），并將替換出去的數(shù)據(jù)暫存到輔存（對換）。用戶程序感覺不到這個過程，像是在使用一個連續(xù)的大內(nèi)存。3.解析思路：按照典型的指令執(zhí)行流程來描述。*取指（Fetch）：CPU從主存（或Cache）中根據(jù)程序計數(shù)器（PC）指定的地址讀取下一條指令，并將其放入指令寄存器（IR）。*譯碼（Decode）：CPU的控制器部分對指令寄存器中的指令進行譯碼，識別出操作碼和操作數(shù)地址，并生成相應(yīng)的控制信號。*執(zhí)行（Execute）：根據(jù)譯碼結(jié)果，CPU的運算器（ALU）對操作數(shù)進行運算（如加、減、邏輯運算），或?qū)?shù)據(jù)在寄存器之間傳送，或訪問主存/執(zhí)行I/O操作等。執(zhí)行結(jié)果可能被寫回寄存器或主存。4.解析思路：比較兩種方式的控制方式、CPU占用情況、傳輸效率和適用場景。*相同點：都是用于CPU與主存/外設(shè)之間傳輸大批量數(shù)據(jù)的方式，都減少了CPU在數(shù)據(jù)傳輸中的直接參與時間。*不同點：*控制方式：中斷方式中，數(shù)據(jù)傳輸由外設(shè)發(fā)起中斷請求，CPU響應(yīng)后進行干預(yù)；DMA方式中，有一個專門的DMA控制器負責數(shù)據(jù)傳輸，只在開始和結(jié)束時與CPU交互。*CPU占用：中斷方式下，CPU在數(shù)據(jù)傳輸過程中仍需周期性查詢或處理中斷；DMA方式下，CPU在數(shù)據(jù)傳輸期間可以執(zhí)行其他任務(wù)。*傳輸效率：對于大批量數(shù)據(jù)傳輸，DMA效率通常高于中斷方式，因為DMA傳輸過程中CPU無需干預(yù)。*適用場景：中斷方式適用于少量、隨機、或需要CPU及時處理的I/O操作；DMA方式適用于大批量、連續(xù)的塊數(shù)據(jù)傳輸，如磁盤讀寫。四、計算題1.解析思路：(1)將主存地址轉(zhuǎn)換為字節(jié)地址，然后根據(jù)Cache塊大小計算行號。由于是直接映射，行號等于字節(jié)地址除以塊大?。ㄈ≌?2)如果命中，Cache塊號等于主存塊號，計算該塊在主存中的起始地址（塊號乘以塊大?。┖徒Y(jié)束地址。*(1)主存地址2F8AHC轉(zhuǎn)換為字節(jié)地址為2F8A*16=2F8A0H。塊大小為4KB=1024字節(jié)=400H。行號=字節(jié)地址/塊大小=2F8A0H/400H=2F8H/4=6FH。所以行號是6F。*(2)主存塊號=字節(jié)地址/塊大小=2F8A0H/400H=2F8H/4=6FH。該塊在主存中的起始地址=塊號*塊大小=6FH*400H=2F800H。結(jié)束地址=起始地址+塊大小-1=2F800H+400H-1=2F8A0H。所以起始地址范圍是2F800H-2F8A0H。2.解析思路：將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為16位二進制補碼，然后按位相加，注意處理進位和溢出。補碼加法遵循“符號位參與運算，若最高位有進位，則舍棄”的規(guī)則。溢出判斷根據(jù)補碼加法規(guī)則，若結(jié)果符號位正確則無溢出，否則溢出。*(-77)10補=16位全0減去77=FFFFH-4DH=F5A2H。轉(zhuǎn)換為二進制：1111101010100010B。*(+45)10補=45H=00101001B。*相加：1111101010100010+0010100100000000--------------------1000001110100010*最高位（第17位）有進位，根據(jù)補碼規(guī)則，結(jié)果為0000001110100010B，即3B2AH。*溢出判斷：(-77)補符號位為1，(+45)補符號位為0，結(jié)果符號位為0。按照補碼加減法規(guī)則，結(jié)果符號位應(yīng)與最高有效位（數(shù)值位最高位）的符號一致（同號無溢出，異號溢出）。結(jié)果數(shù)值部分最高位為1（3B2AH中的B），符號位為0，符號不一致，發(fā)生溢出。五、綜合題解析思路：(1)Cache訪問時間計算：命中時時間=Cache訪問時間；未命中時時間=Cache訪問時間+(主存訪問時間-Cache訪問時間)。平均時間=命中率*命中時間+(1-命中率)*未命中時間。*Cache訪問時間=10ns。*主存訪問時間=100ns。*未命中時間=100ns-10ns+10ns=100ns。*平均時間=0.9*10ns+0.1*100ns=9ns+10ns=19ns。(2)主存訪問時間計算：主存訪問必然經(jīng)過Cache（未命中則先訪問主存再回寫Cache），所以主存訪問時間=Cache訪問時間+(未命中時主存與Cache時間差)。*主