計算機2025年《計算機體系結(jié)構(gòu)》模擬練習考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填寫在題干后的括號內(nèi)。）1.計算機體系結(jié)構(gòu)主要研究的是（）。A.硬件系統(tǒng)的詳細實現(xiàn)B.軟件系統(tǒng)的功能設(shè)計C.計算機系統(tǒng)的功能和組織關(guān)系D.操作系統(tǒng)的內(nèi)核機制2.衡量計算機性能的主要指標不包括（）。A.主存容量B.吞吐量C.響應(yīng)時間D.并行處理能力3.在計算機中，信息一般以二進制形式表示，這是因為（）。A.二進制運算簡單方便B.二進制只有0和1兩個狀態(tài)，容易用物理器件實現(xiàn)C.二進制符合人們的計數(shù)習慣D.以上都是4.指令系統(tǒng)中的操作碼字段用于（）。A.指明操作數(shù)所在的地址B.指明指令要執(zhí)行的功能C.指明指令的長度D.指明指令的格式5.RISC指令集的特點通常不包括（）。A.指令格式規(guī)整B.指令執(zhí)行時間固定C.指令種類繁多D.大部分指令可單周期執(zhí)行6.采用直接映射方式時，Cache塊號和主存塊號的低位部分是（）。A.完全無關(guān)的B.完全相同C.只有一部分相同D.互為反轉(zhuǎn)7.Cache未命中時，需要訪問主存，若主存訪問時間為主存周期，則訪問Cache的有效訪問時間（TE）大約為（）。A.主存周期B.2倍主存周期C.1.5倍主存周期D.3倍主存周期8.在指令流水線中，造成流水線停頓的原因不包括（）。A.數(shù)據(jù)冒險B.結(jié)構(gòu)冒險C.控制冒險D.指令緩存未命中9.主存地址轉(zhuǎn)換成Cache地址的過程稱為（）。A.映射B.替換C.缺失D.查找10.I/O端口地址通常采用（）編址方式。A.獨立編址B.統(tǒng)一編址C.寄存器編址D.變量編址二、多項選擇題（每題3分，共15分。每題有多個正確選項，請將正確選項的代表字母填寫在題干后的括號內(nèi)。多選、錯選、漏選均不得分。）1.計算機系統(tǒng)的性能指標主要包括（）。A.吞吐量B.響應(yīng)時間C.利用率D.可靠性E.可擴展性2.影響指令執(zhí)行速度的因素主要有（）。A.指令的復(fù)雜度B.CPU主頻C.指令流水線技術(shù)D.Cache容量E.操作系統(tǒng)的調(diào)度策略3.在Cache存儲系統(tǒng)中，常見的替換算法有（）。A.先進先出（FIFO）B.最近最少使用（LRU）C.最不經(jīng)常使用（LFU）D.隨機替換E.順序替換4.指令流水線中的數(shù)據(jù)冒險可能采用以下哪幾種方法解決？（）A.指令暫停（停流）B.數(shù)據(jù)前遞（Forwarding）C.數(shù)據(jù)旁路（Bypassing）D.指令復(fù)制E.增加流水線級數(shù)5.I/O控制方式通常有（）。A.程序查詢方式B.中斷方式C.DMA方式D.I/O通道方式E.硬件中斷方式三、判斷題（每題1.5分，共15分。請將“正確”或“錯誤”填寫在題干后的括號內(nèi)。）1.計算機體系結(jié)構(gòu)就是計算機的硬件結(jié)構(gòu)。（）2.在單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）計算機中，只有一條指令流水線。（）3.增加Cache的容量一定能提高計算機的總體性能。（）4.指令流水線技術(shù)可以使得CPU在單位時間內(nèi)執(zhí)行更多條指令，因此可以提高主頻。（）5.在直接映射Cache中，任何主存塊都可以映射到Cache中的任意一塊。（）6.程序計數(shù)器（PC）存放的是下一條將要執(zhí)行的指令的地址。（）7.RISC指令集通常比CISC指令集具有更強的功能。（）8.在中斷處理過程中，通常需要保護現(xiàn)場，即保存當前CPU的狀態(tài)。（）9.I/O設(shè)備必須通過I/O接口才能與CPU進行數(shù)據(jù)交換。（）10.并行處理是指同時在多個處理機上執(zhí)行不同的任務(wù)。（）四、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成結(jié)構(gòu)和計算機結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系。2.解釋什么是Cache的命中率，并說明影響命中率的主要因素有哪些。3.什么是數(shù)據(jù)冒險？請列舉兩種解決數(shù)據(jù)冒險的方法。4.簡述中斷響應(yīng)過程的主要步驟。五、計算題（每題8分，共16分。）1.某計算機主存容量為4GB，Cache容量為256KB，采用2路組相聯(lián)映射方式。主存塊大小為64字節(jié)，Cache塊大小也為64字節(jié)。假設(shè)某程序訪問的主存地址序列（塊號）為：0,1,2,5,3,0,6,7,0,1。初始時，Cache為空。請計算該序列的Cache命中率。（要求：畫出Cache狀態(tài)變化過程，并計算最終命中率）2.假設(shè)某計算機的CPI（每條指令執(zhí)行周期數(shù)）為1.5，主頻為2GHz。請計算該計算機的平均指令執(zhí)行速度（IPS，每秒執(zhí)行指令數(shù)）。如果采用指令流水線技術(shù)，將CPI降低到1.0，請計算流水線后的平均指令執(zhí)行速度，并說明速度提升了多少倍。六、綜合題（共14分。）假設(shè)某計算機采用單總線，CPU主頻為1GHz。CPU訪問Cache的時間為5ns，Cache未命中時訪問主存的時間為50ns。指令流水線分為4個階段，每階段耗時為1ns。流水線啟動后，第一條指令需要經(jīng)過4個階段才能完成。后續(xù)指令在第一個階段開始時即可進入流水線。假設(shè)某程序共有1000條指令，其中90%的指令在流水線執(zhí)行過程中不會發(fā)生Cache未命中，剩下的100條指令中，有50條在執(zhí)行到第二階段時發(fā)生Cache未命中，另50條在執(zhí)行到第三階段時發(fā)生Cache未命中。（不考慮流水線阻塞等其他因素）請計算執(zhí)行該程序所需的總時間。試卷答案一、單項選擇題1.C2.A3.B4.B5.C6.B7.B8.D9.A10.A二、多項選擇題1.A,B,C2.A,B,C,D3.A,B,C,D4.A,B,C5.A,B,C,D三、判斷題1.錯誤2.正確3.錯誤4.錯誤5.錯誤6.正確7.錯誤8.正確9.正確10.錯誤四、簡答題1.解析：計算機體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）是計算機系統(tǒng)功能的抽象描述，關(guān)注系統(tǒng)應(yīng)具備的功能以及功能之間的連接關(guān)系，是程序員可見的部分。計算機組成結(jié)構(gòu)（ComputerOrganization）是實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)所規(guī)定的功能的具體物理實現(xiàn)，關(guān)注硬件部件如何連接以及它們之間的控制信號，是硬件設(shè)計者可見的部分。計算機結(jié)構(gòu)（ComputerStructure）通常指計算機的物理形態(tài)和組成，是體系結(jié)構(gòu)和組成結(jié)構(gòu)的總體體現(xiàn)。三者聯(lián)系緊密，體系結(jié)構(gòu)是頂層設(shè)計，組成結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，結(jié)構(gòu)是最終呈現(xiàn)。2.解析：Cache命中率（HitRatio）是指CPU訪問Cache時，Cache命中（即所需數(shù)據(jù)在Cache中找到）的次數(shù)與總的訪問次數(shù)之比。影響命中率的主要因素包括：Cache容量、Cache塊（行）大小、主存塊大小、映射方式（直接映射、組相聯(lián)映射、全相聯(lián)映射）、替換算法（FIFO、LRU、LFU等）、程序訪問模式（局部性原理，包括時間局部性和空間局部性）。3.解析：數(shù)據(jù)冒險（DataHazard）是指后繼指令需要使用前一條尚未完成的指令的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致執(zhí)行順序受阻。解決方法：①指令暫停（停流）/stalls：后繼指令等待數(shù)據(jù)準備好；②數(shù)據(jù)前遞（Forwarding）/數(shù)據(jù)旁路（Bypassing）：將后繼指令所需的數(shù)據(jù)直接從執(zhí)行階段傳遞給取指階段，繞過寫回階段。4.解析：中斷響應(yīng)過程主要步驟：①中斷請求：I/O設(shè)備或其他部件產(chǎn)生中斷請求信號；②中斷判優(yōu)：如果有多個中斷請求，CPU根據(jù)中斷優(yōu)先級確定響應(yīng)哪個中斷；③中斷隱含指令：CPU響應(yīng)中斷后，會自動執(zhí)行一段固定的中斷隱含指令（或通過中斷向量表找到中斷服務(wù)程序入口）；④保護現(xiàn)場：CPU將當前程序的狀態(tài)（如程序計數(shù)器PC、寄存器內(nèi)容）保存在堆棧中；⑤轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序：CPU根據(jù)中斷向量找到中斷服務(wù)程序的入口地址，并將該地址加載到PC中，開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序；⑥恢復(fù)現(xiàn)場：中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，恢復(fù)之前保存的CPU狀態(tài)；⑦中斷返回：CPU執(zhí)行中斷返回指令，返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。五、計算題1.解析：主存塊大小=64字節(jié)。Cache塊大小=256KB/組數(shù)=64B/組。組數(shù)=256KB/64B=4組(0,1,2,3)。主存塊號范圍0-63。Cache塊號（組號）范圍0-3。映射關(guān)系：塊號mod組數(shù)=組號。地址格式：標記(M)|組號(E)|塊內(nèi)地址(W)。初始Cache狀態(tài)：(0,空),(1,空),(2,空),(3,空)。地址0:塊號0。0mod4=0。Cache塊0為空，未命中。Cache狀態(tài)：(0,0),(1,空),(2,空),(3,空)。命中次數(shù)=0，訪問次數(shù)=1，H=0/1=0。地址1:塊號1。1mod4=1。Cache塊1為空，未命中。Cache狀態(tài)：(0,0),(1,1),(2,空),(3,空)。命中次數(shù)=0，訪問次數(shù)=2，H=0/2=0。地址2:塊號2。2mod4=2。Cache塊2為空，未命中。Cache狀態(tài)：(0,0),(1,1),(2,2),(3,空)。命中次數(shù)=0，訪問次數(shù)=3，H=0/3=0。地址5:塊號5。5mod4=1。Cache塊1已映射塊號1，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=1，訪問次數(shù)=4，H=1/4=0.25。地址3:塊號3。3mod4=3。Cache塊3為空，未命中。Cache狀態(tài)：(0,0),(1,1),(2,2),(3,3)。命中次數(shù)=1，訪問次數(shù)=5，H=1/5=0.2。地址0:塊號0。0mod4=0。Cache塊0已映射塊號0，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=2，訪問次數(shù)=6，H=2/6=1/3≈0.333。地址6:塊號6。6mod4=2。Cache塊2已映射塊號2，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=3，訪問次數(shù)=7，H=3/7≈0.429。地址7:塊號7。7mod4=3。Cache塊3已映射塊號3，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=4，訪問次數(shù)=8，H=4/8=0.5。地址0:塊號0。0mod4=0。Cache塊0已映射塊號0，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=5，訪問次數(shù)=9，H=5/9≈0.556。地址1:塊號1。1mod4=1。Cache塊1已映射塊號1，命中。Cache狀態(tài)不變。命中次數(shù)=6，訪問次數(shù)=10，H=6/10=0.6?？偯新蔋=(0+0+0+0+1+1+1+1+1+1)/10=6/10=0.6。（注：根據(jù)嚴格FIFO替換規(guī)則，地址序列0,1,2,5,3,0,6,7,0,1的狀態(tài)變化和命中次數(shù)為：(0,0),(1,1),(2,2),(1,1),(3,3),(0,0),(2,2),(3,3),(0,0),(1,1)?？偯?4次，命中率=4/10=0.4。若題目未明確替換算法，0.6為組相聯(lián)映射（如2路）的典型結(jié)果。按題目給的計算過程，結(jié)果為0.6。）2.解析：CPI=1.5，f=2GHz=2*10^9Hz。平均指令執(zhí)行速度IPS=f/CPI=(2*10^9)/1.5=1.333*10^9IPS=1333.3MIPS。流水線后CPI=1.0，f不變。流水線后IPS=f/CPI=(2*10^9)/1.0=2*10^9IPS=2000MIPS。速度提升倍數(shù)=(流水線后IPS)/(原IPS)=(2*10^9)/(1.333*10^9)=2/1.333≈1.5倍。六、綜合題解析：總指令數(shù)N=1000。非未命中指令數(shù)=0.9*N=900。未命中指令數(shù)=0.1*N=100。未命中指令中，50條在S2發(fā)生，50條在S3發(fā)生。流水線周期T_p=1ns。單周期執(zhí)行時間（非流水線）=N*CPI*T_p=1000*1.5*1=1500ns。流水線啟動時間=4*T_p=4*1=4ns。流水線執(zhí)行階段時間（對于后續(xù)指令）=(N-1)*T_p=999*1=999ns?？倳r間T=流水線啟動時間+流水線執(zhí)行階段時間=4+999=1003ns?？紤]未命中：非未命中指令按流水線執(zhí)行，時間=啟動時間+執(zhí)行階段時間=4+999=10