《2025年计算机等级考试(三级计算机组成原理)试卷及答案》

《2025年计算机等级考试(三级计算机组成原理)试卷及答案》一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.已知[x]补=11010101，[y]补=01101011，则[xy]补的结果为（）。A.11101010B.00101010C.10101010D.110010102.某指令系统中，操作码占6位，地址码占3×5位（三地址指令），则该指令系统最多可定义的三地址指令数量为（）。A.2^6B.2^63×2^5C.2^6剩余编码D.2^53.某Cache采用4路组相联映射，主存容量为256MB，Cache块大小为64B，Cache总容量为256KB，则主存地址中组号的位数为（）。A.10B.12C.14D.164.某CPU的时钟周期为1ns，某指令的CPI为3，执行该指令所需的时间为（）。A.3nsB.1nsC.6nsD.9ns5.下列关于RISC指令系统的描述中，错误的是（）。A.指令长度固定B.采用硬布线控制器为主C.仅Load/Store指令访问存储器D.支持复杂的寻址方式6.海明码中，若数据位为8位，则至少需要（）位校验位。A.3B.4C.5D.67.某DRAM芯片容量为16M×8位，采用地址复用技术，其地址线数目为（）。A.14B.15C.16D.178.指令周期的正确阶段顺序是（）。A.取指→执行→间址→中断B.取指→间址→执行→中断C.取指→执行→中断→间址D.间址→取指→执行→中断9.下列关于流水线数据冒险的描述中，属于结构冒险的是（）。A.后指令需要前指令的运算结果B.多条指令同时访问同一寄存器C.多条指令同时访问同一存储单元D.分支指令改变程序计数器值10.微程序控制器中，控制存储器（CM）存储的是（）。A.机器指令B.微指令C.操作数D.状态信息11.虚拟存储器中，页表项的“有效位”用于表示（）。A.页面是否在主存中B.页面是否被修改C.页面的访问频率D.页面的物理块号12.总线仲裁中，链式查询方式的特点是（）。A.仲裁速度快，优先级固定B.仲裁速度慢，优先级可变C.仲裁速度快，优先级可变D.仲裁速度慢，优先级固定13.某总线的时钟频率为100MHz，总线宽度为32位，每个总线周期传输1次数据，则总线带宽为（）。A.100MB/sB.200MB/sC.400MB/sD.800MB/s14.下列I/O方式中，CPU利用率最高的是（）。A.程序查询方式B.中断方式C.DMA方式D.通道方式15.某计算机的主存地址空间为4GB，采用分页存储管理，页大小为4KB，则页表项的页号字段至少需要（）位。A.20B.22C.24D.26二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分）1.下列关于浮点数运算的描述中，正确的有（）。A.对阶时需将小阶向大阶对齐B.尾数相加后可能需要规格化C.溢出判断基于阶码是否超出范围D.舍入操作仅影响尾数的最低位2.微程序控制器的组成部件包括（）。A.控制存储器（CM）B.微地址寄存器（μAR）C.指令寄存器（IR）D.程序计数器（PC）3.DRAM与SRAM的主要区别包括（）。A.DRAM需要刷新，SRAM不需要B.DRAM集成度高，SRAM集成度低C.DRAM速度快，SRAM速度慢D.DRAM功耗低，SRAM功耗高4.指令流水线的冒险类型包括（）。A.结构冒险B.数据冒险C.控制冒险D.电源冒险5.I/O接口的基本功能包括（）。A.数据缓冲B.地址译码C.中断控制D.时钟同步三、填空题（共10题，每题2分，共20分）1.若某数的原码为11010101，则其补码为__________。2.某计算机的CPI为2，时钟频率为2GHz，则其MIPS为__________。3.某指令格式中，操作码占8位，源寄存器号占5位，目的寄存器号占5位，立即数占12位，则该指令的总长度为__________位。4.虚拟地址由__________和页内偏移量两部分组成。5.Cache的三种映射方式为全相联映射、直接映射和__________。6.DRAM的刷新方式包括集中式刷新、分散式刷新和__________。7.指令周期的四个阶段为取指周期、间址周期、执行周期和__________。8.微指令的编码方式包括直接编码、字段直接编码和__________。9.某总线的传输周期为4个时钟周期，时钟频率为50MHz，则总线的传输频率为__________MHz。10.中断响应的条件包括CPU处于中断允许状态、__________和无更高级中断请求。四、简答题（共5题，第13题每题6分，第45题每题7分，共32分）1.（封闭型）简述指令流水线中数据冒险的三种类型及解决方法。2.（封闭型）说明微程序控制器中“微指令”与“机器指令”的关系。3.（封闭型）比较主存与Cache的访问速度、容量、成本差异，并解释存储系统层次化的意义。4.（开放型）假设某计算机的指令系统包含算术运算、逻辑运算、Load/Store、分支四类指令，分析如何通过优化指令流水线设计提高CPU性能（至少列出两种优化方法）。5.（开放型）设计一个基于中断的I/O系统，需要考虑哪些关键问题？（从接口设计、中断优先级、CPU响应流程等方面分析）五、应用题（共5题，第12题每题8分，第34题每题10分，第5题12分，共50分）1.（计算类）已知x=+1011，y=1101（均为二进制原码），用补码Booth算法计算[x×y]补，并写出详细运算步骤（包括寄存器初始化、每一步操作及最终结果）。2.（计算类）某计算机的Cache主存层次中，Cache容量为64KB，块大小为128B，主存容量为4GB，采用全相联映射，Cache访问时间为1ns，主存访问时间为100ns，平均命中率为98%。计算：（1）主存地址中块内偏移量的位数；（2）Cache的总块数；（3）平均访问时间（保留2位小数）。3.（分析类）某CPU的指令周期分为取指、分析、执行三个阶段，各阶段耗时分别为2ns、3ns、4ns。若采用三级流水线，且忽略流水线寄存器延迟，计算：（1）流水线的时钟周期；（2）连续执行10条指令的总时间；（3）流水线的加速比（与非流水线比较）。4.（综合类）某指令系统的指令格式为：操作码（6位）+源寄存器（R1，5位）+目的寄存器（R2，5位）+偏移量（16位）。该指令的功能为“将R1的内容与偏移量相加，结果存入R2”。假设CPU包含通用寄存器R0R31、ALU、MAR、MDR、PC、IR等部件，画出该指令从取指到执行的完整数据通路，并标注各阶段的微操作（如PC→MAR、M→MDR→IR等）。5.（设计类）某虚拟存储器采用页式管理，页大小为4KB，逻辑地址空间为4GB，物理地址空间为256MB，TLB容量为64项，采用全相联映射。假设某进程的页表部分内容如下（有效位=1表示页在主存中）：|逻辑页号|有效位|物理块号||||||0|1|10||1|0|—||2|1|25||3|1|15|（1）计算逻辑地址的格式（各部分位数）；（2）若CPU访问逻辑地址0x00012345（十六进制），且TLB命中逻辑页号2，描述地址转换的完整过程；（3）若TLB未命中但页表有效位为1，说明后续处理流程。参考答案一、单项选择题1.A（计算[x]补[y]补=[x]补+[y]补，[y]补=10010101，相加得11101010）2.A（操作码占6位，最多2^6条三地址指令）3.B（主存块数=256MB/64B=4M=2^22，Cache组数=256KB/(4×64B)=1024=2^10，组号位数=226（块内偏移）log2(4)=10？实际主存地址=组号（10位）+块内偏移（6位）+组内块号（2位），但组相联映射中组号位数=log2(总组数)，总组数=Cache容量/(块大小×路数)=256KB/(64B×4)=1024=2^10，故组号10位）4.A（时间=CPI×时钟周期=3×1ns=3ns）5.D（RISC寻址方式简单）6.B（2^r≥r+k+1，k=8，r=4）7.A（16M=2^24，地址复用需24/2=12位？实际16M×8位的地址线为log2(16M)=24位，复用后地址线为12位，但题目可能指行/列地址线之和，通常DRAM地址线数目为log2(√容量)，16M=2^24，√2^24=2^12，故地址线12位？但选项无12，可能题目有误，正确应为14？需重新计算：16M=16×1024×1024=2^24，地址线需24位，复用后行、列各12位，故地址线数目为12，但选项无12，可能题目选项错误，暂选A）8.B（取指→间址→执行→中断）9.C（结构冒险指硬件资源冲突，如同时访问同一存储单元）10.B（控制存储器存储微指令）11.A（有效位表示页面是否在主存）12.D（链式查询优先级固定，仲裁速度慢）13.C（带宽=时钟频率×总线宽度/8=100MHz×32bit/8=400MB/s）14.C（DMA方式无需CPU干预）15.B（4GB=2^32，页大小4KB=2^12，页号位数=3212=20？但物理地址空间为4GB时页号20位，题目主存地址空间4GB，故页号20位，选项A。可能题目有误，正确为20位）二、多项选择题1.ABCD（全正确）2.ABC（PC属于指令控制器，非微程序控制器核心）3.ABD（DRAM速度慢于SRAM）4.ABC（电源冒险非流水线冒险类型）5.ABC（时钟同步非基本功能）三、填空题1.10101011（原码符号位不变，数值位取反加1）2.1000（MIPS=时钟频率/(CPI×10^6)=2×10^9/(2×10^6)=1000）3.30（8+5+5+12=30）4.页号5.组相联映射6.异步刷新7.中断周期8.字段间接编码9.12.5（传输频率=时钟频率/传输周期=50MHz/4=12.5MHz）10.有中断请求信号四、简答题1.数据冒险类型：（1）写后读（RAW）：后指令读前指令未写结果；（2）读后写（WAR）：后指令写前指令未读结果；（3）写后写（WAW）：后指令写前指令未写结果。解决方法：转发技术（旁路技术）处理RAW；指令重排序或寄存器重命名处理WAR/WAW；暂停流水线（插入气泡）作为备选。2.关系：一条机器指令对应一个微程序（微指令序列）；每个微指令控制一步微操作；微程序存于控制存储器中，执行机器指令时逐条取出微指令并执行。3.差异：Cache速度快（ns级）、容量小（KBMB）、成本高；主存速度较慢（nsμs）、容量大（MBGB）、成本低。层次化意义：通过“速度接近Cache，容量接近主存”的折中，平衡速度与成本，提高整体性能。4.优化方法：（1）动态分支预测：通过预测分支结果减少流水线停顿；（2）指令级并行（ILP）：利用超标量技术同时发射多条指令；（3）寄存器重命名：消除WAR/WAW冒险；（4）增加流水线级数（深度流水线），缩短时钟周期。5.关键问题：（1）接口设计：需包含数据缓冲寄存器、中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器；（2）中断优先级：设置硬件优先级或软件查询顺序，避免低优先级中断阻塞高优先级；（3）CPU响应流程：关中断→保存断点→识别中断源→执行中断服务程序→恢复断点→开中断；（4）中断返回：确保程序状态正确恢复。五、应用题1.步骤：初始化：[x]补=001011（6位），[y]补=10011（5位，符号位扩展为6位：110011），A=000000，Q=110011，Qn+1=0，计数器=5（y的位数）。第1步：QnQn+1=11→无操作，右移：A=000000→000000（右移），Q=11001→111001（A带符号右移），计数器=4。第2步：QnQn+1=01→A=A+[x]补=000000+001011=001011，右移：A=000101，Q=11100→111100，计数器=3。第3步：QnQn+1=00→无操作，右移：A=000010，Q=11110→111110，计数器=2。第4步：QnQn+1=10→A=A+[x]补=000010+110101（[x]补=110101）=110111，右移：A=111011，Q=11111→111111，计数器=1。第5步：QnQn+1=11→无操作，右移：A=111101，Q=11111→111111（最终）。结果：[x×y]补=1111011111（符号位正确，值为1000101，即85）。2.（1）块内偏移量=log2(128B)=7位；（2）C