2023年内蒙古科技大学 计算机科学与技术专业《计算机组成原理》期末试卷A（含完整答案）

2023年内蒙古科技大学计算机科学与技术专业《计算机组成原理》期末试卷A（含完整答案）考试说明考试时长：120分钟试卷满分：100分适用专业：计算机科学与技术、软件工程出题依据：唐朔飞《计算机组成原理》（本校指定教材）题型结构：选择20分+填空20分+简答题30分+计算题18分+综合分析题12分，完全匹配内科大历年期末统考题型一、单项选择题（共10小题，每小题2分，共20分）完整的计算机硬件系统由（）五大部分组成

A.运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

B.CPU、内存、硬盘、显示器、键盘

C.主机、外设、电源、主板、显卡

D.运算器、寄存器、Cache、主存、辅存

机器字长32位，其中定点小数补码表示的范围是（）

A.−(1−2−31)∼1−2−31

B.−1∼1−2下列关于Cache的描述，错误的是（）

A.Cache位于CPU和主存之间

B.Cache速度远快于主存

C.Cache容量越大，命中率一定越高

D.Cache依据局部性原理设计

指令寻址方式中，操作数在指令地址码中的寻址方式是（）

A.直接寻址B.立即寻址C.寄存器寻址D.间接寻址

CPU中，保存当前正在执行指令的寄存器是（）

A.PC程序计数器B.IR指令寄存器C.MAR地址寄存器D.MDR数据寄存器

总线结构中，可同时发送和接收数据的总线传输方式是（）

A.单工B.半双工C.全双工D.并行传输

下列不属于控制器组成部件的是（）

A.时序电路B.指令译码器C.算术逻辑单元ALUD.微操作信号发生器

磁盘存储器平均访问时间等于（）

A.平均寻道时间+平均等待时间+数据传输时间

B.仅平均寻道时间

C.平均寻道时间+数据传输时间

D.平均等待时间

指令流水线发生数据相关冲突，解决方式不包括（）

A.插入气泡B.数据旁路技术C.指令重排序D.增加总线带宽

I/O接口中，统一编址方式的特点是（）

A.有独立的I/O读写指令

B.I/O地址占用主存地址空间

C.硬件电路更加复杂

D.寻址速度更快

二、填空题（共10空，每空2分，共20分）计算机系统分为硬件系统和________两大部分。浮点数由阶码和________两部分构成。存储器三层存储体系：Cache、主存、________。指令由操作码和________两部分组成。CPU四大基本功能：取指、译码、________、写回。汉字国标码转换为机内码，需要在国标码基础上________（加/减）8080H。总线按照功能分类，分为地址总线、数据总线、________。DMA方式全称是________，用于高速外设与主存直接数据传输。常见的Cache映射方式：直接映射、全相联映射、________。衡量运算器运算速度的核心指标是________。三、简答题（共5小题，每小题6分，共30分）简述冯·诺依曼计算机三大核心思想。简述原码、反码、补码三者之间的转换规则（以整数为例）。简述指令流水线的工作原理，以及流水线加速比的影响因素。简述程序查询、程序中断、DMA三种I/O控制方式的优缺点。简述存储器高速缓存（Cache）的工作原理及局部性原理分类。四、计算题（共2小题，每小题9分，共18分）计算题1：进制与编码计算

已知十进制数X=-43，机器字长8位，求：

（1）X的二进制真值；（2）X的原码；（3）X的反码；（4）X的补码。

计算题2：存储容量计算

某主存地址线共20根，数据线8根，请问：

（1）主存总存储容量为多少字节？多少KB？

（2）若采用16K×4bit的存储芯片扩展组成该主存，需要多少片芯片？

五、综合分析题（共1小题，12分）某4段指令流水线，每一段流水线执行时间分别为：取指段100ns、译码段100ns、执行段150ns、写回段100ns。要求：（1）分析该流水线瓶颈段是哪一段？（3分）（2）连续执行10条指令，求流水线实际总执行时间。（5分）（3）计算该流水线实际加速比。（4分）——————————参考答案及详细解析——————————一、单项选择题答案（每题2分）1.A解析：计算机硬件五大标准组成：运算器、控制器、存储器、输入、输出设备。2.B解析：32位定点小数补码范围：最小值-1，最大值1−23.C解析：Cache容量增大到一定程度后，命中率提升趋于平缓，并非无限升高。4.B解析：立即寻址：操作数直接存放在指令地址码字段内。5.B解析：IR指令寄存器存放当前执行指令；PC存下一条指令地址。6.C解析：全双工可同时双向收发数据，如网卡通信。63.C解析：ALU算术逻辑单元属于运算器，不属于控制器。8.A解析：磁盘访问总时间=寻道时间+旋转等待时间+传输时间。9.D解析：增加总线带宽无法解决指令内部数据相关冲突。10.B解析：统一编址：I/O端口与主存单元统一编址，占用主存地址空间，无专用I/O指令。二、填空题答案（每空2分）1.软件系统2.尾数3.辅存（外存）4.地址码5.执行6.加7.控制总线8.直接存储器存取9.组相联映射10.CPI（每条指令时钟周期数）三、简答题参考答案（标准得分要点，贴合本校阅卷标准）1.冯·诺依曼计算机三大核心思想（6分）

①计算机硬件由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备；（2分）

②采用二进制表示数据和指令；（2分）

③指令和数据预先存入存储器，计算机自动顺序执行程序，即存储程序、程序控制。（2分）

2.原码、反码、补码转换规则（6分）

正数：原码=反码=补码，符号位为0，数值位不变；（2分）

负数：符号位固定为1；（1分）

原码转反码：数值位按位取反；（1分）

反码转补码：最低位加1；（1分）

负数补码求原码：补码减1得反码，再数值位取反。（1分）

3.指令流水线原理及加速比影响因素（6分）

工作原理：将一条指令执行过程拆分为多个固定阶段，多条指令不同阶段同时并行执行，提升指令吞吐率；（3分）

影响因素：流水线各段时间不一致（瓶颈）、数据相关冲突、控制相关冲突、中断阻塞。（3分）

4.三种I/O控制方式优缺点对比（6分）

①程序查询：硬件简单，CPU利用率极低，全程轮询等待外设；（2分）

②程序中断：CPU利用率提升，适合中低速外设，频繁中断有额外开销；（2分）

③DMA：无需CPU干预，高速传输，硬件成本高，仅适合大批量高速数据传输。（2分）

5.Cache工作原理+局部性原理（6分）

工作原理：依据局部性原理，将CPU近期频繁访问的主存数据提前拷贝至高速Cache，CPU优先访问Cache，命中则直接读取，未命中再访问主存；（3分）

局部性分为：时间局部性（刚访问的数据短期内会再次访问）、空间局部性（访问某地址，相邻地址大概率也会被访问）。（3分）

四、计算题详细解题步骤计算题1（9分）

解：十进制-43

43二进制：00101011

（1）真值：−101011（2分）

（2）8位原码：10101011（2分）

（3）8位反码：11010100（2分）

（4）8位补码：11010101（3分）

计算题2（9分）

（1）地址线20根→寻址空间220

存储容量=220×8bit=1MB=1024KB（4分）

（2）单片芯片容量：16K×4bit

位扩展：8bit/4bit=2片

字扩展：1M/16K=64片

总芯片数=64×2=128片五、综合分析题标准答案（12分）（1）流水线每段时长：100ns、100ns、150ns、100ns

瓶颈段：执行段（150ns，时间最长）（3分）（2）非均匀流水线总时间公式：第一条指令全程时间+(n-1)×瓶颈周期

第一条指令时间=100+100+150+100=450ns

总时间=450+(10-1)×150=1800ns（5分）（3