计算机组成原理模拟试题及详解

计算机组成原理模拟试题及详解引言计算机组成原理是计算机科学与技术领域的核心基础课程，它揭示了计算机硬件系统的内部构造、工作原理以及各部件之间的联系与协调机制。掌握这门课程对于深入理解计算机系统的运行机制、进行硬件设计与软件开发都具有至关重要的意义。为帮助学习者更好地检验和巩固所学知识，我们精心编制了这套模拟试题。本试题涵盖了计算机组成原理的主要知识点，旨在考察学习者对基本概念的理解、关键技术的掌握以及综合运用知识解决实际问题的能力。希望通过这份试题，能够引导学习者查漏补缺，深化对计算机组成原理的认知。模拟试题一、选择题(每题3分，共15分)1.以下哪项不是冯·诺依曼体系结构的核心思想？A.存储程序B.指令和数据以同等地位存于存储器C.采用总线结构连接各个部件D.由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成2.在计算机中，用于表示有符号整数时，下列哪种编码方式可以使减法运算转化为加法运算？A.原码B.反码C.补码D.ASCII码3.关于Cache的描述，下列说法错误的是？A.Cache是一种高速缓冲存储器B.Cache的作用是解决CPU与主存之间速度不匹配的问题C.Cache的命中率越高，其对系统性能的提升越显著D.Cache的容量通常远大于主存容量4.指令系统中，操作数地址的位数主要取决于？A.指令字长B.存储单元的个数C.数据总线的宽度D.地址总线的宽度5.在中断系统中，中断向量地址是指？A.中断服务程序的入口地址B.存放中断服务程序入口地址的存储单元地址C.中断源的编号D.中断请求信号的地址二、填空题(每空2分，共20分)1.计算机系统由__________和__________两大部分组成。2.主存储器的主要性能指标包括__________、__________和__________。3.指令的基本格式通常包含__________和__________两部分。4.CPU中，用于暂时存放运算结果的寄存器是__________。5.常见的总线仲裁方式有__________仲裁和__________仲裁。三、简答题(每题10分，共30分)1.简述程序查询方式、程序中断方式和DMA方式各自的特点及适用场景。2.请解释什么是指令周期、机器周期和时钟周期，并说明它们之间的关系。3.什么是虚拟存储器？其主要功能是什么？它是如何提高计算机系统性能的？四、综合应用题(共35分)1.（15分）已知x=+0.1011B，y=-0.0101B，采用补码一位乘法计算x*y，要求写出详细的运算步骤及结果（用二进制表示）。2.（20分）某计算机的CPU内部结构如图所示（此处省略图示，假设有通用寄存器R0-R3，ALU，程序计数器PC，指令寄存器IR，地址寄存器MAR，数据寄存器MDR等）。假设指令格式为：操作码（OP）占4位，源操作数地址（S）占4位，目的操作数地址（D）占4位。指令“ADDR1,[R2]”的功能是将寄存器R1的内容与以寄存器R2的内容为地址的主存单元中的数据相加，结果存入寄存器R1。请详细描述该指令从取指令到执行完成的完整数据通路和控制信号流程。参考答案与详解一、选择题1.答案：C详解：冯·诺依曼体系结构的核心思想包括：存储程序原理（程序和数据以同等地位存放在存储器中）、五大组成部分（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）、采用二进制。总线结构是计算机硬件系统的一种连接方式，并非冯·诺依曼体系结构最初提出的核心思想，它是在后续发展中逐渐成熟和广泛应用的技术。2.答案：C详解：补码的引入正是为了解决有符号整数的减法运算问题。通过补码，可以将减法运算转换为被减数加上减数的补码的加法运算，从而简化了运算器的硬件设计，只需一个加法器即可完成加减运算。原码和反码的减法运算仍需单独处理符号位和数值位，不如补码简便。ASCII码是字符编码，与数值运算无关。3.答案：D详解：Cache是位于CPU和主存之间的高速缓冲存储器，其容量远小于主存，但速度远高于主存。它利用程序访问的局部性原理，将CPU近期可能频繁访问的数据和指令从主存调入Cache，从而减少CPU访问主存的次数，提高系统性能。Cache的命中率越高，CPU从Cache中获取数据的比例就越大，系统性能提升越明显。因此，D选项中“Cache的容量通常远大于主存容量”的说法是错误的。4.答案：B详解：操作数地址的位数决定了能够直接寻址的存储单元的最大数量。例如，若地址位数为n，则可寻址的存储单元个数为2^n个。指令字长会限制地址码字段的位数，但根本上是存储单元的总数需求决定了地址所需的位数。数据总线宽度主要影响数据传输的宽度，地址总线宽度则直接反映了CPU可寻址的最大主存空间，通常地址总线的宽度就对应了地址的位数。但从题目选项来看，“存储单元的个数”是更本质的决定因素，地址位数是为了能唯一标识这些存储单元。5.答案：B详解：中断向量是指中断服务程序的入口地址。而中断向量地址则是指在中断向量表中，存放该中断服务程序入口地址的那个存储单元的地址。当CPU响应中断时，会根据中断类型码（或中断号）去查找中断向量表，找到对应的中断向量地址，进而从中取出中断向量（入口地址），然后转去执行中断服务程序。二、填空题1.答案：硬件系统，软件系统详解：计算机系统是一个完整的整体，硬件系统是其物理基础，包括CPU、存储器、输入输出设备等；软件系统则是运行在硬件之上的程序和数据的集合，包括系统软件和应用软件，二者相互依存，缺一不可。2.答案：存储容量，存取速度，存储周期（或可靠性/功耗等，前三者为主要）详解：存储容量指存储器能够容纳的二进制信息量，通常以字节为单位；存取速度指从存储器读出数据或向存储器写入数据所需的时间，包括存取时间和存储周期；存储周期是指连续两次独立的存储器操作（如连续两次读）所需的最小时间间隔，是衡量存储器性能的重要指标。3.答案：操作码，地址码详解：操作码用于指明指令所要完成的操作类型，如加法、减法、传送等；地址码用于指明参与操作的数据（操作数）的来源地址以及操作结果的存放地址。4.答案：累加器（或ACC）详解：累加器是CPU中一个非常重要的寄存器，在运算过程中，它既可以作为ALU运算的一个输入operand，也常常用于暂时存放运算的中间结果和最终结果。5.答案：集中式，分布式详解：总线仲裁是解决多个主设备同时竞争总线控制权的机制。集中式仲裁由一个专门的总线仲裁器来负责仲裁；分布式仲裁则没有中央仲裁器，每个潜在的主设备都有自己的仲裁逻辑，通过总线进行竞争。三、简答题1.答案：程序查询方式：*特点：CPU主动持续查询外设是否准备就绪。若未就绪，CPU则循环等待，直至外设准备好后才进行数据传输。CPU与外设串行工作。*适用场景：外设数量少、数据传输率低、对实时性要求不高的场合。优点是硬件结构简单，缺点是CPU利用率极低。程序中断方式：*特点：外设准备就绪后主动向CPU发出中断请求。CPU在执行完当前指令后，响应中断，暂停当前程序的执行，转去执行中断服务程序（进行数据传输），完成后返回断点继续执行原程序。CPU与外设可并行工作（CPU执行主程序时，外设进行准备）。*适用场景：外设数量较多、数据传输率不太高、对实时性有一定要求的场合。优点是CPU利用率较高，能处理突发事件，缺点是中断处理过程需要保护现场、恢复现场，有一定的额外开销。DMA方式（直接存储器访问）：*特点：在外设和主存之间建立直接的数据通路，数据传输由DMA控制器（DMAC）直接控制，无需CPU干预。CPU只需在数据传输开始前对DMAC进行初始化（设置传输方向、起始地址、传输长度等），传输过程中CPU可继续执行其他程序，传输结束后DMAC向CPU发出中断请求，报告传输完成。*适用场景：高速大容量外设（如磁盘、显卡）进行大批量数据传输的场合。优点是数据传输速度快，CPU利用率最高，缺点是DMAC硬件结构相对复杂。2.答案：*指令周期：是指CPU从主存中取出一条指令并执行完该指令所需的全部时间。一个指令周期通常包含若干个机器周期。*机器周期（或称CPU周期）：是指CPU完成一个基本操作所需的时间，如取指周期、取数周期、执行周期等。它通常以主存的工作周期为基础来确定，因为CPU访问主存的操作是其基本操作之一。*时钟周期（或称节拍脉冲、T周期）：是计算机系统中最小的时间单位，由CPU内部的时钟发生器产生，是CPU主频的倒数。它是CPU内部各种操作的同步信号。*关系：指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周期组成。即：指令周期>机器周期>时钟周期。例如，一条加法指令的指令周期可能包含取指机器周期（可能包含多个时钟周期）、取数机器周期（可能包含多个时钟周期）和执行机器周期（可能包含多个时钟周期）。3.答案：*虚拟存储器：是一种计算机系统内存管理技术，它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，这些内存可能是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。它是由操作系统提供的一种对物理内存的抽象。*主要功能：1.从逻辑上扩充内存容量：用户可以使用比实际物理内存大得多的地址空间来运行程序。2.实现程序的逻辑地址到物理地址的自动转换（地址映射）。3.提高内存利用率：通过按需调入和页面置换策略，只将当前活跃的程序和数据装入内存。*提高性能的方式：虚拟存储器通过将程序的地址空间与物理内存空间分离，并利用磁盘等辅助存储器作为后备，使得程序不再受限于物理内存的实际大小。它允许大型程序或多个程序并发运行，而无需将整个程序一次性装入内存。通过局部性原理，只把当前立即需要执行的部分调入内存，其余部分留在外存。当访问到不在内存的部分时，通过页面置换算法将暂时不用的内存块换出到外存，同时将需要的部分换入内存。这样，既满足了程序对内存空间的需求，又避免了因内存不足而无法运行程序的问题，从而有效提高了计算机系统的多任务处理能力和整体性能。四、综合应用题1.答案：已知x=+0.1011B，y=-0.0101B首先，求x和y的补码：*[x]补=0.1011(正数补码与原码相同)*[y]原=1.0101，[y]补=1.1011(负数补码：符号位不变，数值位取反加1)采用补码一位乘法（Booth算法），符号位参与运算。运算规则：乘数末位增设一位附加位y_{n+1}，初始为0。根据y_ny_{n+1}的组合决定操作：*00：右移一位*01：加[x]补，右移一位*10：减[x]补（即加[-x]补），右移一位*11：右移一位部分积初始为0，运算n（乘数数值位位数，此处为4位）步。[-x]补=1.0101(因为[x]补=0.1011，取反加1得1.0101)乘数y补=1.1011，附加位y5=0。部分积P=00.0000(为方便移位，部分积取双符号位)步骤：*初始：P=00.0000，乘数y补=11011，y5=0*第1步：y4y5=10→加[-x]补P=00.0000+11.0101=11.0101右移一位→P=11.1010(高位补符号位1)，乘数变为11101(连同符号位一起右移，末位1移出舍弃)*第2步：y3y4=11→右移一位P=11.1101，乘数变为11110*第3步：y2y3=01→加[x]补P=11.1101+00.1011=00.1000右移一位→P=00.0100，乘数变为01111*第4步：y1y2=10→加[-x]补P=00.0100+11.0101=11.1001右移一位→P=11.1100(1)(最后一步不移位或仅部分积移位，此处按常规n步后部分积不移位，乘数已处理完毕)*运算结束，部分积P即为结果的补码。结果：[x*y]补=11.____(双符号位为11，表示负数)转换为原码：符号位为1，数值位取反加1→数值位补码____→原码____→所以x*y=-0.____B2.答案：指令“ADDR1,[R2]”的功能是R1←(R1)+((R2))。即源操作数是寄存器间接寻址（以R2内容为地址的主存单元内容），目的操作数是寄存器寻址（R1）。假设CPU内部数据通路如下（基于常见模型）：PC→MAR→M→MDR→IR，通用寄存器通过内部总线与ALU相连，ALU输出可送通用寄存器或MDR。以下是该指令的完整执行流程（分阶段）：1.取指令阶段(IF-InstructionFetch)*控制信号与数据通路：a.PC的内容（当前指令地址）被送到地址寄存器MAR。控制信号：PC→MAR。b.控制器向主存发出读命令（MEMRead）。c.主存根据MAR中的地址，将该地址单元存放的指令取出，送到数据寄存器MDR。数据通路：Mem[MAR]→MDR。d.MDR中的指令内容被送到指令寄存器IR，并进行