計算機《計算機體系結構設計》2025年專項訓練考試時間：______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題后的括號內）1.下列哪種數據表示方法最適合進行浮點數運算？（）A.原碼B.反碼C.補碼D.移碼2.在一個5級存儲器層次結構（寄存器-Cache-主存-磁盤-虛擬盤）中，Cache的訪問速度最快，虛擬盤的訪問速度最慢，這主要體現(xiàn)了計算機體系結構的（）原則。A.模塊化B.封裝性C.層次化D.并行化3.采用直接映射方式將一個16K字節(jié)的Cache分成128塊，每塊128字節(jié)，主存也分成相同數量的塊。主存塊號1000映射到Cache塊號的計算結果是？（）A.7B.8C.9D.104.假設某計算機Cache采用4路組相聯(lián)映射，共有128個塊，每個塊有32字節(jié)。如果主存地址為`B7H`（按字節(jié)編址），則該地址映射到的Cache組號是？（）A.0B.1C.2D.35.RISC指令集通常采用（）。A.寄存器-寄存器結構，以Load/Store為訪問存儲器的主要方式B.寄存器-存儲器結構，允許直接訪問存儲器操作數C.立即數-寄存器結構，所有指令必須有立即數操作數D.地址-數據結構，通過地址直接訪問數據6.在指令流水線中，由于后一條指令的地址計算依賴于前一條指令的執(zhí)行結果而導致的沖突稱為（）。A.結構冒險B.數據冒險C.控制冒險D.時序冒險7.某指令流水線有4個階段，每個階段的執(zhí)行時間均為1單位時間。假設流水線連續(xù)執(zhí)行了100條指令，不考慮任何冒險和停頓，流水線的實際吞吐率（以每單位時間完成的指令數計）是？（）A.1/4B.25C.100/4D.1008.指令流水線中，用于解決數據冒險的常用方法是（）。A.硬件前遞（Forwarding）B.指令暫停（Stalling）C.指令重復（Duplication）D.以上都是9.在一個單總線系統(tǒng)中，CPU與主存、CPU與I/O設備之間不能同時進行數據傳輸，這主要原因是（）。A.速度不匹配B.帶寬限制C.仲裁機制復雜D.地址譯碼困難10.計算機系統(tǒng)中，中斷是指（）。A.程序員在程序中設置的暫停點B.機器周期C.外部事件或內部錯誤請求CPU暫停當前工作并處理該事件的過程D.子程序調用二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.計算機中常用的字符編碼標準ASCII碼用______位二進制數表示一個字符。2.某計算機的Cache命中率為90%，主存訪問時間為200納秒，Cache訪問時間為50納秒。該計算機訪問主存的平均時間（考慮Cache未命中情況）為______納秒。3.RISC指令通常具有簡單的格式和固定的執(zhí)行時間，這體現(xiàn)了RISC的______原則。4.指令流水線中，流水線吞吐率是指單位時間內完成的______數。5.在存儲器層次結構中，Cache是為了解決主存容量大、速度慢與CPU速度快之間的______而引入的。6.補碼加減法運算中，負數的補碼等于其原碼的______位不變，其余位取反加1。7.指令周期通常包括取指、譯碼和______三個主要階段。8.并行處理機的目標是提高程序的______效率。9.總線寬度（位數）直接影響總線的______容量。10.在虛擬存儲器中，地址映射過程通常需要通過______來將邏輯地址轉換為物理地址。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述CISC和RISC體系結構的主要區(qū)別。2.什么是存儲器層次結構？為什么要引入層次結構？3.什么是數據冒險？簡述處理數據冒險的兩種主要方法。4.什么是流水線沖突？有哪些主要的流水線沖突類型？四、計算題（每題10分，共20分）1.一個直接映射的Cache，其容量為32KB，塊大小為128字節(jié)。假設主存地址按字節(jié)編址，計算主存地址`A=2F8CH`（十六進制）映射到Cache的塊號以及對應的行號（假設塊號從0開始）。2.某計算機流水線有3個階段：IF（取指）、ID（譯碼）、EX（執(zhí)行）。每個階段的執(zhí)行時間均為1時鐘周期。假設流水線啟動時第一個時鐘周期執(zhí)行IF階段，從第二個時鐘周期開始，每個時鐘周期都完成一個指令的IF階段，且后續(xù)階段連續(xù)進行。如果在第5個時鐘周期結束時，流水線發(fā)生了一次數據冒險，需要進行1個時鐘周期的暫停（Stall）。請畫出流水線執(zhí)行的前8個時鐘周期的時空圖（簡化表示，僅標明各階段執(zhí)行指令的情況，用IF,ID,EX表示），并計算考慮暫停后，完成8條指令所需的總時鐘周期數。五、分析題（共20分）已知某計算機的RISC指令集包含如下指令（地址用十六進制表示）：*`LOADR1,Mem[Addr]`：將主存地址`Addr`處的數據加載到寄存器`R1`，需訪問主存一次。*`STORER1,Mem[Addr]`：將寄存器`R1`的數據存儲到主存地址`Addr`處，需訪問主存一次。*`ADDR1,R2,R3`：將寄存器`R2`和`R3`的內容相加，結果存入`R1`，不需要訪存。*`SUBR1,R2,R3`：將寄存器`R2`和`R3`的內容相減，結果存入`R1`，不需要訪存。*`MULR1,R2,R3`：將寄存器`R2`和`R3`的內容相乘，結果存入`R1`，需要訪問內存一次（假設結果可能超過寄存器范圍）。*`BRANCHCond,Label`：條件分支指令，若條件`Cond`為真則跳轉到`Label`（地址為絕對地址）。假設程序計數器(PC)指向下一條待執(zhí)行的指令地址。分析以下指令序列的執(zhí)行過程：```assemblyLOADR1,Mem[2000H]ADDR2,R1,R3MULR4,R2,R5STORER4,Mem[3000H]```假設所有寄存器初始為0，`R3=100H`,`R5=200H`。請回答：1.執(zhí)行`LOADR1,Mem[2000H]`時，CPU需要訪問主存的次數是幾次？分別對應哪些指令？2.執(zhí)行`MULR4,R2,R5`時，CPU需要訪問主存的次數是幾次？為什么？3.假設不存在流水線冒險，并且上述指令序列按順序連續(xù)執(zhí)行，請大致描述流水線在執(zhí)行這些指令時的行為（例如，哪些指令在哪些時鐘周期執(zhí)行IF,ID,EX階段）。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.A6.B7.B8.D9.B10.C二、填空題1.72.1703.簡潔4.指（令）5.矛盾（或不匹配）6.最高（或符號）7.執(zhí)行8.計算（或并行）9.傳輸（或帶寬）10.頁表（或映射機制）三、簡答題1.答案要點：CISC指令復雜，種類繁多，可直接訪問存儲器；RISC指令簡單，種類少，通常為寄存器-寄存器，以Load/Store訪問存儲器；RISC執(zhí)行效率通常高于CISC。2.答案要點：存儲器層次結構是指由速度、容量、成本不同的存儲器按一定方式組合而成的系統(tǒng)。引入層次結構是為了在成本和性能之間取得平衡，利用高速、小容量、高成本存儲器存放頻繁使用的數據，利用低速、大容量、低成本存儲器存放不頻繁使用的數據。3.答案要點：數據冒險是指后繼指令需要使用前序指令的執(zhí)行結果，但結果尚未產生而發(fā)生的沖突。處理方法：硬件前遞（Forwarding，也稱數據旁路）將結果直接傳送給后繼指令；指令暫停（Stalling，或插入氣泡）使流水線暫停一個或多個周期等待結果。4.答案要點：流水線沖突是指由于資源沖突或時間安排不當，導致流水線無法按預期順利執(zhí)行的現(xiàn)象。主要類型：結構沖突（資源沖突，如只有一個內存端口）；數據沖突（數據冒險）；控制沖突（控制冒險，如分支預測錯誤）。四、計算題1.解析思路：直接映射地址映射關系為MainMemoryBlock=CacheLine=MainMemoryAddress/CacheBlockSize。計算塊號即可。`2F8CH/80H=2F8CH/50H=2F8CH/64H=2F8/64=47.6875`，向下取整，塊號為47（十進制），即2F（十六進制）。行號與塊號相同。所以塊號為2F（十六進制），行號為47（十進制）或2F（十六進制）。答案：塊號為2F（十六進制），行號為47（十進制）。2.解析思路：畫出時空圖，按指令進入流水線的時間（IF階段開始時間）和各階段執(zhí)行時間推進。每條指令IF在1周期，ID在1周期，EX在1周期。第1條指令IF在T1,ID在T2,EX在T3。第2條指令IF在T2,ID在T3,EX在T4。第3條指令IF在T3,ID在T4,EX在T5。第4條指令IF在T4,ID在T5,EX在T6。第5條指令IF在T5。第6條指令IF在T6。第7條指令IF在T7。第8條指令IF在T8。第5條指令到達EX階段時發(fā)生數據冒險，需要暫停1周期。因此，第5條指令的EX在第7周期，ID在第8周期，完成在第9周期。第6條指令在T6完成EX，第7條指令在T7完成EX，第8條指令在T8完成EX。計算總周期數，看第8條指令完成的時間。T8完成EX，但需要等待其ID階段的完成（T9），所以最后完成時間是T9?？偣残枰?個時鐘周期。（時空圖簡化表示如下，每行代表一個時鐘周期，每列代表一個階段IF,ID,EX）||IF|ID|EX||---|----|----|----||T1|1||||T2|2|1|||T3|3|2|1||T4|4|3|2||T5|5|4|3|S(Stall)S|T6|6|5|4||T7|7|6|5|S|T8|8|7|6|答案：8個時鐘周期。五、分析題1.解析思路：`LOADR1,Mem[2000H]`需要從主存讀取數據到寄存器R1，因此需要訪問主存一次。答案：1次。對應指令`LOADR1,Mem[2000H]`的一次訪存操作。2.解析思路：`MULR4,R2,R5`需要執(zhí)行R2和R5的乘法運算。在RISC模型中，乘法通常需要訪問內存以保存結果（假設結果太大放不下）。同時，它還需要使用R2和R5的值，這兩個值可能來自之前指令的結果。因此，至少需要兩次訪存：一次讀取R2或R5的值（取決于指令執(zhí)行順序和寄存器狀態(tài)），另一次保存乘法結果。如果R2和R5的值已經在寄存器中，且結果能放回寄存器，則只需要一次訪存。但題目沒有明確說明，且標準RISC模型通常需要訪存保存結果。答案：2次。因為乘法指令通常需要訪問內存來保存結果（除非結果能放入原寄存器且未用到），并且需要使用寄存器R2和R5的值（可能需要訪存讀?。?.解析思路：假設無冒險，指令按順序進入流水線。每條指令IF在1周期，ID在1周期，EX在1周期。第一條`LOAD`在T1IF,T2ID,T3EX。第二條`ADD`在T2IF,T3ID,T4EX。第三條`MUL`在T3IF,T4ID,T5EX。第四條