2025年大學(xué)《信息與計算科學(xué)》專業(yè)題庫——計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與操作系統(tǒng)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.計算機(jī)硬件系統(tǒng)采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點之一是（）。A.以運(yùn)算器為中心B.采用二進(jìn)制表示信息C.存儲程序控制D.運(yùn)算速度極高2.在計算機(jī)中，指令的操作碼部分指出（）。A.操作數(shù)存儲的地址B.指令執(zhí)行的功能C.指令所在的地址D.下一條指令的地址3.下列尋址方式中，不屬于指令系統(tǒng)常見尋址方式的是（）。A.立即尋址B.直接尋址C.寄存器尋址D.虛擬尋址4.Cache內(nèi)存的作用主要是為了解決（）之間的速度不匹配問題。A.運(yùn)算器和控制器B.控制器和存儲器C.運(yùn)算器和存儲器D.主存和輔存5.在計算機(jī)系統(tǒng)中，I/O端口地址通常存放在（）中。A.指令寄存器B.程序計數(shù)器C.中斷向量表D.I/O端口地址譯碼器6.操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的基本狀態(tài)不包括（）。A.運(yùn)行狀態(tài)B.等待狀態(tài)C.創(chuàng)建狀態(tài)D.終止?fàn)顟B(tài)7.下列進(jìn)程調(diào)度算法中，平均等待時間最短的是（）。A.先進(jìn)先出（FIFO）B.短作業(yè)優(yōu)先（SJF）C.輪轉(zhuǎn)法（RR）D.優(yōu)先級調(diào)度8.在操作系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)進(jìn)程同步的機(jī)制主要有（）。A.進(jìn)程調(diào)度B.內(nèi)存分配C.文件系統(tǒng)D.信號量機(jī)制9.下列關(guān)于分頁管理的說法中，錯誤的是（）。A.它可以將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址B.它需要硬件支持C.它會產(chǎn)生內(nèi)部碎片D.它能實現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)10.文件系統(tǒng)中，目錄結(jié)構(gòu)的作用是（）。A.實現(xiàn)文件的共享B.提高文件檢索速度C.組織和管理文件D.增加磁盤存儲容量二、簡答題（每題5分，共25分。請簡要回答下列問題）1.簡述計算機(jī)總線在系統(tǒng)中的作用及其主要分類。2.解釋什么是中斷？中斷處理過程通常包括哪些主要步驟？3.什么是進(jìn)程？進(jìn)程與程序有何區(qū)別？4.簡述操作系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)程同步的必要性和常用的方法。5.什么是虛擬內(nèi)存？它有哪些主要優(yōu)點？三、計算題與分析題（共35分）1.（10分）設(shè)某計算機(jī)主存地址空間為1MB（220），采用二級Cache，L1Cache容量為16KB，速度為10ns；L2Cache容量為256KB，速度為30ns。若主存速度為200ns，不考慮主存到L2Cache的未命中情況，計算訪問L1Cache、L2Cache及主存的平均訪問時間。2.（10分）設(shè)有三個進(jìn)程P1、P2、P3需要共享一個互斥資源，當(dāng)前P1占有該資源，P2和P3在等待。請用PV操作描述P2申請該資源的完整過程，并說明執(zhí)行該過程前后，系統(tǒng)中信號量S的值和進(jìn)程的狀態(tài)。3.（15分）假設(shè)內(nèi)存共有6頁，當(dāng)前已調(diào)入頁號為0,2,4，頁表如下（有效位為1表示頁在內(nèi)存，為0表示不在內(nèi)存）：頁號|0|1|2|3|4|5---|---|---|---|---|---|---內(nèi)存塊|1|-|1|-|1|-訪問序列為：3,1,4,1,5,9,2,6。依次計算使用LRU（最近最少使用）頁面置換算法時發(fā)生的缺頁次數(shù)，并寫出每次缺頁后內(nèi)存塊與頁表內(nèi)容的變化（只需列出變化結(jié)果，無需詳細(xì)描述替換過程）。四、論述題（20分）比較優(yōu)先級調(diào)度算法和輪轉(zhuǎn)法（RoundRobin）在處理I/O密集型和CPU密集型進(jìn)程時的優(yōu)缺點，并簡要說明其原因。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.C5.C6.C7.B8.D9.D10.C二、簡答題1.答：總線是計算機(jī)各部件之間傳送信息的公共通路。按傳輸信息內(nèi)容可分為數(shù)據(jù)總線（傳輸數(shù)據(jù)）、地址總線（傳輸?shù)刂罚┖涂刂瓶偩€（傳輸控制信號）。按位置可分為內(nèi)部總線（芯片內(nèi)部）和外部總線（芯片之間）。2.答：中斷是計算機(jī)在執(zhí)行程序過程中，出現(xiàn)某些意外事件（如I/O操作完成、硬件故障、程序錯誤等）時，CPU暫停當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)而去處理該事件，處理完畢后再返回原程序斷點繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷處理過程通常包括：中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷隱指令、保護(hù)現(xiàn)場、執(zhí)行中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。3.答：進(jìn)程是計算機(jī)系統(tǒng)中正在運(yùn)行的程序的一個實例。進(jìn)程是動態(tài)的，具有生命周期，并占用系統(tǒng)資源。程序是靜態(tài)的，是一系列指令的集合。進(jìn)程與程序的區(qū)別在于：程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動態(tài)的；進(jìn)程有狀態(tài)和生命周期，而程序沒有。4.答：實現(xiàn)進(jìn)程同步的必要性在于多個進(jìn)程共享資源時，需要協(xié)調(diào)它們的使用順序，防止出現(xiàn)死鎖、饑餓等不良現(xiàn)象，確保數(shù)據(jù)一致性和系統(tǒng)正確性。常用的方法有：臨界區(qū)（規(guī)定進(jìn)入臨界區(qū)的程序段，每次只允許一個進(jìn)程進(jìn)入）、信號量機(jī)制（使用信號量S及P、V操作）、管程（將共享資源及操作封裝在一起）。5.答：虛擬內(nèi)存是利用輔助存儲器（如硬盤）來擴(kuò)展主存容量的技術(shù)，它將主存和輔存統(tǒng)一管理，為用戶提供了比實際主存容量更大的虛擬地址空間。優(yōu)點包括：擴(kuò)大了可用內(nèi)存空間，允許運(yùn)行比實際主存更大的程序；提高了內(nèi)存利用率和系統(tǒng)吞吐量；提供了內(nèi)存保護(hù)。三、計算題與分析題1.解：*L1訪問時間T1=10ns*L1未命中，訪問L2時間T2=T1+30ns=40ns*L2未命中，訪問主存時間T3=T2+200ns=240ns*假設(shè)L1命中率H1，L2命中率H2（L2未命中即主存命中），主存命中率H3（H3=1-H2）。*平均訪問時間=H1*T1+H2*T2+H3*T3*由于未考慮主存到L2的未命中，可簡化為：平均訪問時間=H1*T1+(1-H1)*T2=H1*10+(1-H1)*40=10+30-30*H1=40-30*H1。*L1容量為16KB，主存為1MB，則L1命中率約為16KB/1MB=1/64。代入計算：平均訪問時間≈40-30*(1/64)=40-15/32=40-0.4688=39.53125ns。2.解：P2申請資源的完整過程如下：①P2執(zhí)行P(V)操作：P(S)，即對信號量S執(zhí)行減1操作。②執(zhí)行P(S)后，S=S-1=S-1。*如果S的值變?yōu)?或負(fù)數(shù)，則P2進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)（阻塞狀態(tài)），并將P2加入到等待信號量S的隊列中。*如果S的值變?yōu)檎龜?shù)，則P2進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。執(zhí)行該過程前后：*系統(tǒng)中信號量S的值：執(zhí)行前S=1（P1占用資源，P2、P3等待），執(zhí)行后S=0（若P2未阻塞），或S<0（如-1，表示有1個進(jìn)程在等待，若P2阻塞）。假設(shè)P2未立即阻塞，則S=0。*進(jìn)程狀態(tài)：P1保持占有資源狀態(tài)；P2從就緒狀態(tài)變?yōu)榭赡苓M(jìn)入等待狀態(tài)（若S減為0或負(fù)）；P3保持等待狀態(tài)。3.解：*初始狀態(tài)：頁表頁號：0(1),1(-),2(1),3(-),4(1),5(-)。內(nèi)存塊：1,2,4。*訪問頁3：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁2（LRU）。內(nèi)存塊：3,4,1。頁表頁號：0(1),1(-),2(-),3(1),4(1),5(-)。缺頁次數(shù)：1。*訪問頁1：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁1（LRU）。內(nèi)存塊：3,4,1。頁表頁號：0(1),1(1),2(-),3(1),4(1),5(-)。缺頁次數(shù)：2。*訪問頁4：頁在內(nèi)存塊4，未缺頁。頁表頁號不變。缺頁次數(shù)：2。*訪問頁1：頁在內(nèi)存塊1，未缺頁。頁表頁號不變。缺頁次數(shù)：2。*訪問頁5：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁1（LRU）。內(nèi)存塊：3,4,5。頁表頁號：0(1),1(-),2(-),3(1),4(1),5(1)。缺頁次數(shù)：3。*訪問頁9：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁0（LRU）。內(nèi)存塊：9,4,5。頁表頁號：0(-),1(-),2(-),3(1),4(1),5(1)。缺頁次數(shù)：4。*訪問頁2：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁3（LRU）。內(nèi)存塊：9,4,2。頁表頁號：0(-),1(-),2(1),3(-),4(1),5(1)。缺頁次數(shù)：5。*訪問頁6：頁不在內(nèi)存，缺頁。替換頁4（LRU）。內(nèi)存塊：9,4,2。頁表頁號：0(-),1(-),2(1),3(-),4(-),5(1)。缺頁次數(shù)：6。最終缺頁次數(shù)為6。四、論述題答：優(yōu)先級調(diào)度算法和輪轉(zhuǎn)法（RoundRobin）在處理不同類型進(jìn)程時有不同的表現(xiàn)和優(yōu)缺點：1.優(yōu)先級調(diào)度算法：*I/O密集型進(jìn)程：優(yōu)點。這類進(jìn)程CPU使用時間短，I/O請求頻繁。優(yōu)先級調(diào)度（特別是搶占式）會優(yōu)先處理這些進(jìn)程，使它們能快速獲得CPU，減少等待時間，提高系統(tǒng)吞吐量。缺點。如果CPU密集型進(jìn)程一直處于就緒隊列且優(yōu)先級高于I/O密集型進(jìn)程，I/O密集型進(jìn)程可能得不到CPU。*CPU密集型進(jìn)程：優(yōu)點。高優(yōu)先級的CPU密集型進(jìn)程能快速獲得CPU，縮短其執(zhí)行時間。缺點。低優(yōu)先級的CPU密集型進(jìn)程可能長時間得不到CPU，導(dǎo)致響應(yīng)時間過長，甚至餓死（饑餓）。2.輪轉(zhuǎn)法（RoundRobin）：*I/O密集型進(jìn)程：缺點。由于采用時間片輪轉(zhuǎn)，無論進(jìn)程類型，只要在就緒隊列中都會周期性地獲得CPU。對于I/O密集型進(jìn)程，每次獲得CPU時間片后，往往很快就