2025年計算機組成原理專項訓練沖刺卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項不屬于計算機系統(tǒng)性能的衡量指標？A.主頻B.CPI（每條指令執(zhí)行周期數(shù)）C.吞吐率D.操作系統(tǒng)版本2.在計算機中，采用補碼表示法的主要目的是為了簡化。A.硬件設(shè)計B.程序設(shè)計C.邏輯運算D.數(shù)據(jù)存儲3.一個8位的無符號整數(shù)，其最大值用二進制表示為。A.1111111B.10000000C.11111110D.100000014.在計算機存儲系統(tǒng)中，Cache的作用是。A.提供海量存儲空間B.作為主存的備份C.實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸D.提高主存訪問速度5.采用直接映射方式時，主存地址需要分成兩部分，分別是。A.字節(jié)地址和字長B.段地址和偏移量C.行地址和列地址D.高位地址和低位地址6.指令系統(tǒng)中，尋址方式用來確定操作數(shù)的具體位置。A.操作碼B.地址碼C.標志碼D.狀態(tài)碼7.在CPU中，寄存器堆棧通常用來暫存。A.程序計數(shù)器PCB.累加器ACCC.中間結(jié)果或地址D.控制器狀態(tài)字PSW8.CPU的控制器（ControlUnit）主要功能是。A.執(zhí)行算術(shù)邏輯運算B.存儲運算結(jié)果C.指揮和協(xié)調(diào)整個計算機系統(tǒng)的工作D.管理主存和外設(shè)9.總線結(jié)構(gòu)中，采用互連總線（CrossbarBus）的主要優(yōu)點是。A.成本低B.擴展性好C.傳輸速度快D.線路簡單10.I/O設(shè)備與CPU之間進行數(shù)據(jù)傳送的方式中，不需要CPU直接參與的是。A.程序查詢方式B.中斷方式C.直接存儲器訪問方式（DMA）D.程序中斷方式二、填空題（每空1分，共15分）1.計算機系統(tǒng)總線通常分為總線、地址總線和______總線。2.已知8位二進制數(shù)原碼為10110010，則其對應(yīng)的補碼為______。3.指令的執(zhí)行過程通常分為取指階段、______階段和寫回階段。4.Cache與主存之間發(fā)生沖突時，常用的替換算法有LRU、FIFO和______。5.CPU的主要性能指標之一是______，它表示每執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。6.在馮·諾依曼計算機中，程序存儲的概念意味著______。7.總線傳輸周期也稱為______周期。8.I/O設(shè)備通常需要通過______電路才能與系統(tǒng)總線相連。9.中斷響應(yīng)過程一般包括中斷請求、中斷判優(yōu)、______和中斷返回四個主要步驟。10.假設(shè)主存訪問時間為200ns，Cache訪問時間為100ns，Cache命中率為90%，則訪問主存的平均時間為______ns。（計算結(jié)果保留整數(shù)）三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述原碼、反碼、補碼三種數(shù)值表示法中，哪一種最適合進行加減運算，為什么？2.簡述CPU中數(shù)據(jù)通路的主要組成部分及其功能。3.簡述中斷系統(tǒng)與簡單輸入輸出方式相比，有哪些主要優(yōu)點？4.簡述總線仲裁的基本概念和主要方式。四、計算題（每題10分，共20分）1.已知兩8位二進制數(shù)分別為A=11010110(補碼)和B=00101101(補碼)，求A-B的補碼結(jié)果（用8位二進制表示），并判斷是否發(fā)生溢出。2.某計算機主存容量為4MB，采用直接映射方式構(gòu)成4路組相聯(lián)的Cache，Cache塊大小為16字。假設(shè)主存地址按字節(jié)編址，求：(1)主存地址格式應(yīng)如何劃分？（說明高位地址和低位地址的位數(shù)）(2)Cache的地址格式應(yīng)如何劃分？（說明高位地址和低位地址的位數(shù)）(3)若主存地址1000H00FFH要訪問Cache，該地址映射到Cache的哪一塊？對應(yīng)的Cache塊內(nèi)偏移地址是多少？五、設(shè)計題（10分）試畫出實現(xiàn)下面所示邏輯功能的簡單數(shù)據(jù)通路（用方框表示寄存器或ALU，用帶箭頭的線表示數(shù)據(jù)通路，用控制信號線表示控制信號）。該數(shù)據(jù)通路應(yīng)能完成以下兩個操作：(1)將寄存器R1的內(nèi)容加1，結(jié)果存回R1。(2)將寄存器R1的內(nèi)容與寄存器R2的內(nèi)容進行按位與運算，結(jié)果存回R0。（要求：使用一個ALU，至少包含PC、R1、R2、R0四個寄存器，并畫出必要的控制信號）試卷答案一、選擇題1.D2.A3.A4.D5.B6.B7.C8.C9.B10.C二、填空題1.數(shù)據(jù)2.011011103.執(zhí)行4.替換5.CPI6.程序計數(shù)器PC指向的內(nèi)存單元內(nèi)容決定了下一條要執(zhí)行的指令7.取數(shù)8.I/O接口9.中斷響應(yīng)10.180三、簡答題1.補碼最適合進行加減運算。因為補碼的加減法運算可以統(tǒng)一處理為加法運算，并且可以直接利用加法器硬件實現(xiàn)，簡化了運算電路的設(shè)計。同時，補碼表示法可以自然地表示負數(shù)，并且加減運算后的結(jié)果仍然是補碼形式，便于判斷運算是否溢出。2.數(shù)據(jù)通路的主要組成部分包括：寄存器組（用于暫存數(shù)據(jù)）、ALU（算術(shù)邏輯單元，用于執(zhí)行運算）、多路選擇器（用于選擇數(shù)據(jù)源）、加法器（用于地址計算等）、以及各種控制信號線（用于控制數(shù)據(jù)流向和操作）。其功能是將數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)部各部件之間以及與存儲器、總線之間進行傳輸和加工處理。3.中斷系統(tǒng)相比簡單輸入輸出方式的主要優(yōu)點有：提高了CPU與I/O設(shè)備之間的并行工作程度，CPU不必長時間等待I/O操作完成，可以執(zhí)行其他任務(wù)；提高了I/O系統(tǒng)的效率，因為中斷方式可以更及時地處理I/O請求；簡化了CPU與I/O設(shè)備之間的接口設(shè)計。4.總線仲裁是指在一個有多路主設(shè)備的系統(tǒng)中，當兩個或多個主設(shè)備同時請求使用總線時，由一個專門的仲裁機構(gòu)或仲裁算法來決定哪個主設(shè)備能獲得總線使用權(quán)的過程。主要方式有：集中式仲裁（仲裁邏輯集中在仲裁器中）和分布式仲裁（仲裁邏輯分布在各主設(shè)備中）。四、計算題1.解析思路：(1)求補碼減法，轉(zhuǎn)化為求補碼加法：A-B=A+(-B)。(2)求-B的補碼：先求B的原碼（00101101），再求B的反碼（11010010），最后求B的補碼（11010010+1=11010011）。(3)計算A+(-B)的補碼：11010110+11010011=10100101。(4)判斷溢出：對于補碼，符號位（最高位）產(chǎn)生的進位與結(jié)果符號位比較。若異則溢出。計算中符號位產(chǎn)生的進位是1，結(jié)果符號位是1，相同，不溢出。最終結(jié)果10100101即為A-B的補碼。(5)驗證：將結(jié)果10100101轉(zhuǎn)換為原碼（取反加1）為01101010，即十進制的106。原A為178，原B為45，178-45=133，133的原碼為10000101，補碼為10000101。說明計算過程中發(fā)生溢出（實際結(jié)果應(yīng)為負數(shù)）。正確計算應(yīng)為11010110+11010011=10100101(補碼)，其原碼為01101010，值為-106。而178-45=133。補碼10100101表示-106，說明計算錯誤。重新計算A+B：11010110+11010011=10100101(按位加)。檢查溢出：最高位進位1，次高位進位0，進位不等，溢出。結(jié)果10100101是-106的補碼。題目要求A-B的補碼，即178-45的補碼。178原碼11000110，補碼11000110。45原碼00101101，補碼00101101。-45補碼是取反加1，11010010+1=11010011。所以178-45=11000110+11010011=10011001(按位加)。最高位進位1，次高位進位0，溢出。結(jié)果10011001是133的補碼。所以A-B的補碼為10011001。修正：A=178(補碼11000110)，B=45(補碼00101101)。A-B=A+(-B)。-B的補碼=取反加1=11010010+1=11010011。A+(-B)=11000110+11010011=10011001。最高位進位1，次高位進位0，產(chǎn)生溢出。結(jié)果10011001是A-B的補碼。將其轉(zhuǎn)換為原碼：10011001->取反11100110->11100110+1=11100111。11100111表示-133。所以A-B=178-45=133，其補碼為10011001。最終答案：A-B的補碼結(jié)果為10011001。2.解析思路：(1)主存容量4MB=4*1024*1024Bytes=22*220Bytes=2^22字節(jié)。按字節(jié)編址，需要22位地址。(2)Cache塊大小16字=16*8Bytes=128Bytes=2^7Bytes。直接映射，主存地址的高位部分用作Cache地址，低位部分用作塊內(nèi)地址。主存地址總位數(shù)：22位。塊內(nèi)地址位數(shù)：7位（2^7=128）。直接映射，每個主存塊只映射到Cache的一個特定塊。Cache地址位數(shù)=主存塊號位數(shù)。主存地址=高位地址(主存塊號)+低位地址(塊內(nèi)地址)。主存塊號位數(shù)=log2(主存容量/塊大小)=log2(2^22/2^7)=log2(2^15)=15位。所以Cache地址=高位地址(15位)+低位地址(7位)。(修正：直接映射，Cache地址位數(shù)=主存塊號位數(shù)。主存總地址22位，塊內(nèi)地址7位，則主存塊號位數(shù)=22-7=15位。所以Cache地址=高位地址(15位)+低位地址(7位)。)(3)訪問地址1000H00FFH。按字節(jié)編址，1000H=1000*16=4096，00FFH=255。地址=4096+255=4351(十進制)=100010001111(二進制)。塊內(nèi)地址位數(shù)7位，取低位7位：0011111(二進制)=0FFH(十六進制)。塊號位數(shù)15位，取高位15位：10001000(二進制)=0280H(十六進制)。所以地址1000H00FFH映射到Cache的第0280H塊，塊內(nèi)偏移地址為0FFH。最終答案：(1)主存地址格式：15位高位地址+7位低位地址。(2)Cache地址格式：15位高位地址+7位低位地址。(3)映射到Cache的0280H塊，塊內(nèi)偏移地址為0FFH。五、設(shè)計題解析思路：1.畫出基本結(jié)構(gòu)：至少包含PC、R1、R2、R0四個寄存器，以及一個ALU。PC指向指令寄存器IR（隱含），IR包含操作碼。需要一個控制器產(chǎn)生控制信號。2.分析操作：(1)加1操作：需要將R1內(nèi)容送入ALU，ALU執(zhí)行+1運算，結(jié)果送回R1。(2)按位與操作：需要將R1內(nèi)容送入ALU，將R2內(nèi)容送入ALU的另一個輸入端，ALU執(zhí)行按位與運算，結(jié)果送回R0。3.設(shè)計數(shù)據(jù)通路：*R1->ALU輸入端1*R2->ALU輸入端2(用于按位與)*R0->ALU輸入端2(用于按位與)/結(jié)果輸出端*ALU->結(jié)果輸出端*結(jié)果輸出端->R1(用于加1)/R0(用于按位與)*控制信號：需要至少一個信號選擇ALU執(zhí)行加法（+1）還是按位與。例如，加1用信號Add1，按位與用信號And。還需要信號控制結(jié)果送往R1還是R0。4.具體連接：*一個ALU，有兩個輸入端IN1,IN2，一個輸出端OUT。*四個寄存器PC,R1,R2,R0。*連接：R1->IN1,R2->IN2,OUT->R0。*控制邏輯：*當執(zhí)行加1操作時：控制信號Add1為高電平，And為低電平。ALU執(zhí)行加法，OUT=IN1+1。結(jié)果OUT->