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2025年计算机考研《组成原理》深度解析考试时间:______分钟总分:______分姓名:______一、选择题(每小题2分,共20分。下列每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。请将正确选项前的字母填在题后的括号内。)1.指令系统中采用多级译码器的主要目的是()。A.减少指令字长度B.提高指令执行速度C.扩展寻址空间D.简化控制器设计2.在计算机系统中,Cache的作用是()。A.容量最大的存储介质B.速度最快的存储介质C.替代硬盘存储数据D.实现数据的远程传输3.若主存地址空间为2^20,采用8位宽的数据总线,则一次访问主存能读写()个字节。A.1B.8C.256D.10244.采用直接映射方式的Cache,若Cache容量为2^12字节,块大小为128字节,则主存中的一个字(8字节)映射到Cache中,其地址的高(低位)几位用于确定Cache块号?()A.高7位B.高6位C.高5位D.高4位5.在CPU的数据通路中,算术逻辑单元(ALU)的主要功能是()。A.存储指令B.存储数据C.执行算术和逻辑运算D.发出控制信号6.指令流水线的主要目的是()。A.提高CPU主频B.增加CPU字长C.提高指令执行吞吐率D.减少单条指令执行时间7.在指令流水线中,导致流水线性能下降但不会引起流水线阻塞的现象是()。A.结构冒险B.数据冒险C.控制冒险D.时序冒险8.假设某计算机Cache采用LRU替换算法,Cache容量为4块,初始为空。当访问主存地址序列A0,A1,A2,A1,A3,A0,A2,A3时,Cache的命中次数为()。A.3B.4C.5D.69.微程序控制器中,控制序列的确定主要依赖于()。A.硬件布线B.指令操作码C.时序信号D.外部输入10.采用DMA方式传输数据时,CPU在数据传输过程中的状态是()。A.总是在执行指令B.需要暂停执行指令C.只在DMA控制器请求时响应D.完全无需参与数据传输过程二、填空题(每空2分,共30分。请将答案填写在答题纸上对应的位置。)11.计算机硬件系统的五大基本部件是________、________、________、________和输出设备。12.在补码表示法中,若某数的机器码为10010110,则该数代表的十进制数为________。13.Cache与主存之间的地址映像是实现数据共享的重要机制,常见的映射方式有________、________和组相联映射。14.CPU的主要性能指标之一是________,它表示CPU每秒能执行的指令条数。15.指令流水线中的流水线冲突是指不同指令在流水线的不同阶段因________而相互干扰的现象。16.当CPU执行访存指令时,若Cache未命中,则需要访问主存,这个过程通常由________来完成。17.在微程序控制器中,存放微指令的存储器通常称为________。18.总线根据传输信息类型可分为数据总线、________和控制总线。19.I/O设备与CPU之间进行数据传输的方式主要有程序查询方式、________和DMA方式。20.假设某系统采用中断方式处理I/O请求,中断响应过程通常包括中断请求、中断判优、________和中断处理几个阶段。三、简答题(每小题5分,共20分。请简要回答下列问题。)21.简述原码、反码和补码三种定点数表示法的优缺点。22.什么是总线周期?简述一个典型的总线周期通常包含哪些操作。23.指出指令流水线中可能出现的三种主要冒险类型,并简述其含义。24.简述中断与DMA两种I/O控制方式的主要区别。四、计算题(每小题10分,共30分。请写出详细的计算步骤。)25.某计算机Cache采用组相联映射方式,Cache容量为16KB,分为4组,每组4块,块大小为1KB。主存容量为1MB,按字节编址。若访问主存地址12345H,求该地址映射到Cache的组号和块内地址(块内地址按字节编址)。26.某计算机指令流水线分为四个阶段:IF(取指)、ID(译码)、EX(执行)、WB(写回),每阶段耗时1个时钟周期。假设流水线连续执行了10条指令,不考虑任何流水线冒险和停顿,则完成这10条指令需要多少个时钟周期?若流水线存在数据冒险,导致每条指令平均增加1个时钟周期的停顿,则完成10条指令又需要多少个时钟周期?27.假设某系统主存速度为100ns,Cache速度为10ns。已知Cache命中率为90%,求该系统的平均访问时间。五、分析题(每小题15分,共30分。请根据要求进行分析。)28.已知某CPU的数据通路结构如下(用文字描述,无需绘制图形):数据从主存读入后,先送入指令寄存器(IR),然后由IR发出控制信号,将操作数从主存读入数据缓冲寄存器(DBR),再送入累加器(AC)。ALU对AC和DBR中的数据执行加法运算,结果存回AC。请简要分析该数据通路中可能存在的数据冒险,并提出一种可能的解决方法。29.简述Cache未命中时,数据从主存到Cache的传输过程,包括涉及的部件、主要操作步骤以及可能采用的写策略(如写直达、写回)。---试卷答案一、选择题1.B2.B3.B4.C5.C6.C7.B8.C9.B10.B二、填空题11.运算器,控制器,存储器,输入设备12.-3813.直接映射,全相联映射14.吞吐率15.资源冲突16.DMA控制器17.控制存储器18.地址总线19.中断方式20.中断响应三、简答题21.原码:简单直观,但零的表示不唯一,运算复杂易溢出。反码:解决了零的不唯一性和符号位处理问题,但运算仍复杂,存在负零。补码:符号位参与运算,简化了加减运算规则,解决了零的唯一表示和溢出问题,是计算机中最常用的表示法。22.总线周期:CPU完成一次访问存储器或I/O端口操作所需的时间。一个典型的总线周期通常包含:寻址阶段(发出地址信号)、读/写阶段(数据传输)和控制阶段(发出控制信号,如读/写信号、准备好信号等)。23.结构冒险:因硬件资源(如多路选择器、加法器)冲突导致后继指令无法在预定时钟周期进入下一阶段。数据冒险:后继指令需要用到前导指令尚未计算完成的结果,导致冲突。控制冒险:因分支指令或中断的发生,导致后续指令序列不确定,难以精确进入流水线。24.中断方式:CPU主动查询I/O设备状态,或I/O设备向CPU发中断请求,CPU暂停当前工作转去处理I/O,处理完后再返回原任务。DMA方式:CPU只需启动DMA控制器,由DMA控制器独立完成数据传输,传输完成再通知CPU。中断方式CPU参与度高,DMA方式CPU利用率高,传输效率高。四、计算题25.解:*Cache容量:16KB=16*1024Bytes=16*2^10Bytes=2^14Bytes。*组数:4组。*每组块数:4块。*块大小:1KB=1024Bytes=2^10Bytes。*主存地址:12345H=11000000110100101B。*地址位数:16位。*组内块号位数:log2(4)=2位。*块内地址位数:log2(1024)=10位。*组号(按组相联映射,取高位):地址高(16-2-10)=4位,即1100B=12H。组号=12。*块内地址(取低位):地址低10位,即00110100101B=35H。块内地址=35。*答:地址映射到Cache的组号为12,块内地址为35。26.解:*无冒险情况:*第1条指令:IF(1),ID(2),EX(3),WB(4)-共需4周期。*后续9条指令:每条指令只需EX(3),WB(4)两个阶段,因为前一条指令已在流水线中。流水线连续工作,每周期可完成一条指令的WB阶段。*总周期数=第1条指令周期+后续指令数=4+9=13个时钟周期。*有冒险情况(平均增加1周期停顿):*假设每条指令的停顿发生在不同的阶段,平均增加1周期。这意味着完成每条指令的平均时间变为4+1=5个时钟周期。*完成10条指令的总周期数=10*5=50个时钟周期。*答:无冒险时需13个时钟周期;有冒险时需50个时钟周期。27.解:*平均访问时间AT=H*Ct+(1-H)*Cm*其中:H=Cache命中率=90%=0.9;1-H=Cache未命中率=10%=0.1。*Ct=Cache访问时间=10ns。*Cm=主存访问时间=100ns。*AT=0.9*10ns+0.1*100ns*AT=9ns+10ns*AT=19ns*答:该系统的平均访问时间为19ns。五、分析题28.解:*数据冒险分析:1.指令1:IF->ID->EX->WB(结果回AC)。EX阶段产生结果。2.指令2:IF->ID。需要读取DBR中的数据(指令1的结果,来自AC)。3.指令3:IF->ID->EX->WB(结果回AC)。4.指令4:IF->ID。需要读取DBR中的数据(指令3的结果,来自AC)。在指令2的ID阶段和指令4的ID阶段,都需要从AC获取数据送入DBR,但指令2的ID阶段紧随指令1的EX阶段,指令4的ID阶段紧随指令3的EX阶段。如果指令1和指令3的EX阶段执行时间较长,指令2和指令4的ID阶段到达时,AC中的旧数据或数据尚未准备好,就会发生数据冒险。*解决方法(插入气泡):在指令2的ID阶段之后,或者在指令1的EX阶段和指令2的ID阶段之间,插入一个时钟周期的停顿(称为气泡)。这样,指令2的ID阶段可以等到指令1的EX阶段完成,数据正确写入AC后再进行,从而保证了数据的正确传递。流水线图示中表现为在指令2的ID之后增加一个空阶段。29.解:1.触发:CPU执行访存指令,产生地址和读/写信号。2.检查:CPU首先检查Cache,通过地址计算确定所需数据块是否在Cache中。3.命中:若命中,Cache控制器将数据块直接传送给CPU,完成访问,访问时间由Cache速度决定(如10ns)。4.未命中:*请求主存:CPU向主存发出访问请求(包含地址和读/写信号)。*主存响应:主存控制器接收到请求,查找所需数据块。*数据传输:主存将数据块(通常包括整个块)传送给CPU,同时(或稍后)传送给Cache控制器。*Cache更新:Cache控制器接收到数据块后,将其存入Cache的一个空闲块(替换策略决定如何替换,如LRU)。*数据送达CPU:数据块传输完成后,主存(或Cache,取决于具体设计)将数据最终传送

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