四川大学2021-2022学年《计算机组成原理》期末考试试卷（含答案）

四川大学2021-2022学年《计算机组成原理》期末考试试卷（含答案）适用专业：计算机科学与技术、软件工程、网络空间安全本科考试时长：120分钟满分：100分考试形式：闭卷一、单项选择题（共20小题，每小题1.5分，共30分）1.冯·诺依曼计算机的核心思想是（）A.并行计算B.存储程序、程序控制C.流水线执行D.多级存储2.计算机中运算器的核心部件是（）A.寄存器B.算术逻辑单元ALUC.计数器D.译码器3.下列数中真值最大的是（）A.(101011)₂B.(52)₈C.(2B)₁₆D.十进制424.8位二进制补码所能表示的整数范围是（）A.-127~+127B.-128~+127C.-128~+128D.-127~+1285.已知[x]补=11110011，则x的真值为（）A.-13B.-12C.13D.2436.浮点数的精度主要取决于（）A.阶码位数B.尾数位数C.符号位位数D.存储字长7.指令寻址方式中，获取操作数最快的是（）A.直接寻址B.立即寻址C.间接寻址D.变址寻址8.相对寻址方式中，操作数的偏移量是（）A.绝对地址B.相对于程序计数器PC的偏移量C.相对于基址寄存器D.固定地址9.下列不属于CPU指令执行基本步骤的是（）A.取指B.译码C.编译D.执行10.程序计数器PC的主要功能是（）A.存放当前指令B.存放当前指令地址C.存放运算结果D.存放指令操作码11.存储器层次结构中，速度最快的是（）A.主存B.CacheC.寄存器D.硬盘12.Cache的作用是（）A.扩大主存容量B.缓解CPU与主存速度差异C.存储系统程序D.提升外存读写速度13.虚拟存储器的理论基础是（）A.局部性原理B.全局性原理C.时间并行性D.空间并行性14.总线中负责传输指令和数据的是（）A.控制总线B.数据总线C.地址总线D.电源总线15.串行总线相较于并行总线的主要优势是（）A.传输速率更高B.抗干扰能力强、布线简单C.并行传输D.时序简单16.流水线技术的主要目的是（）A.缩短单条指令执行时间B.提升指令吞吐率C.降低功耗D.简化硬件设计17.流水线冲突中，因指令数据依赖导致的冲突是（）A.结构冲突B.数据冲突C.控制冲突D.资源冲突18.中断响应的硬件优先级主要由（）决定A.软件设置B.中断向量地址C.硬件排队电路D.程序员配置19.DMA方式主要用于（）的数据传输A.低速外设B.高速大批量外设C.少量单次数据D.键盘鼠标设备20.I/O接口中，状态端口的作用是（）A.传输数据B.存放外设工作状态C.发送控制命令D.存储程序指令二、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.计算机系统由__________系统和__________系统两部分组成。2.机器数的四种常见编码：原码、__________、__________、移码。3.指令由__________和__________两部分构成。4.存储器的两大核心性能指标是__________和__________。5.I/O控制方式包含程序查询方式、__________、__________、通道方式。6.流水线的三大冲突：结构冲突、数据冲突、__________。7.Cache的基本映射方式有直接映射、__________和组相联映射。三、简答题（共4小题，每小题6分，共24分）1.简述冯·诺依曼体系计算机的五大硬件组成及各自功能。2.简述原码、补码的优缺点，以及计算机系统普遍采用补码运算的原因。3.简述Cache的工作原理及局部性原理的两类表现形式。4.简述程序查询、中断、DMA三种I/O控制方式的核心区别及适用场景。四、计算题（共2小题，每小题8分，共16分）1.设机器字长8位，已知X=+35，Y=-27，分别求出[X]原、[X]补、[Y]原、[Y]补，并利用补码计算X+Y，写出完整计算过程。2.某主存容量为64M×32位，请问：（1）该主存的地址线、数据线各多少根？（2）若采用4M×16位的存储芯片扩展，需要多少片芯片？五、综合分析题（共1小题，10分）某四段流水线CPU，各段执行时间分别为Δt1=10ns、Δt2=8ns、Δt3=12ns、Δt4=10ns。（1）求该流水线的时钟周期、流水线加速比（连续执行100条指令）；（2）简述流水线最大吞吐率的限制因素及优化思路。参考答案及详细解析一、单项选择题答案1.B2.B3.C4.B5.A6.B7.B8.B9.C10.B11.C12.B13.A14.B15.B16.B17.B18.C19.B20.B二、填空题答案1.硬件、软件2.反码、补码3.操作码、地址码4.存储容量、存取速度（存取时间）5.程序中断方式、DMA方式6.控制冲突7.全相联映射三、简答题参考答案1.五大硬件组成及功能（1）运算器：完成算术运算和逻辑运算，暂存运算中间结果；（2）控制器：识别指令、控制时序、协调整机工作，完成取指、译码、执行控制；（3）存储器：存储程序和数据，分为主存和辅存；（4）输入设备：将外部信息转换为计算机可识别的二进制数据；（5）输出设备：将计算机运算结果转换为人类可识别的信息。2.原码、补码优缺点及补码运算优势原码优点：真值直观、正负分明；缺点：0有两种表示，加减运算规则复杂，需单独判断符号位。补码优点：0唯一表示，减法可转换为加法运算，硬件电路简单；缺点：真值不直观。计算机采用补码核心原因：统一加减法运算规则，简化ALU硬件设计，消除零的二义性，提升运算效率。3.Cache工作原理与局部性原理工作原理：利用CPU访问数据的局部性，将主存中CPU近期高频访问的数据/指令缓存到高速Cache中，CPU优先访问Cache，未命中再访问主存，降低访存延迟。局部性分为：时间局部性（刚访问的数据短期内大概率再次访问）、空间局部性（访问某数据后，相邻地址数据大概率被访问）。4.三种I/O方式区别与适用场景（1）程序查询：CPU全程轮询等待，效率极低，适用于低速、简单外设；（2）程序中断：外设就绪后主动发起中断，CPU暂停主业处理I/O，无需持续轮询，适用于中低速、突发性数据传输；（3）DMA：硬件直接控制主存与外设数据传输，无需CPU干预，适用于高速、大批量连续数据传输（硬盘、显卡等）。四、计算题参考答案1.补码运算计算过程机器字长8位：X=+35：[X]原=00100011，[X]补=00100011Y=-27：[Y]原=10011011，[Y]补=11100101补码相加：00100011+11100101=10000100舍弃进位，结果00000100，真值为+8，X+Y=35-27=8，运算正确。2.主存扩展计算题（1）64M=2²⁶，故地址线26根；32位字长，数据线32根；（2）芯片容量4M×16位，主存64M×32位；位扩展：32/16=2片；字扩展：64M/4M=16组；总芯片数=16×2=32片。五、综合分析题参考答案（1）流水线时钟周期由最慢段决定，即Δt=12ns；非流水线执行100条指令时间：100×(10+8+12+10)=4000ns；流水线执行100条指令时间：(4×12)+99×12=1236ns；加速比=4000/1236≈3.24；（2）限