2025年高等教育自学考试计算机系统结构试题及答案

2025年高等教育自学考试计算机系统结构试题及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分）1.在计算机系统层次结构中，位于硬件和操作系统之间，对传统机器级功能进行拓展的层次是（）A.应用语言虚拟机B.高级语言虚拟机C.汇编语言虚拟机D.操作系统虚拟机2.下列选项中，不属于计算机系统结构研究范畴的是（）A.指令系统的设计B.主存速度与容量的确定C.数据通路宽度的确定D.乘法器的物理实现工艺3.冯·诺依曼计算机体系结构的核心特征是（）A.采用二进制B.存储程序C.指令并行执行D.多处理器结构4.从计算机系统结构来看，系列机应保证实现（）A.向前兼容B.向后兼容C.向上兼容D.向下兼容5.Amdahl定律主要用于（）A.预测新型计算机的性能B.计算系统加速比C.评估I/O系统性能D.分析流水线效率6.在指令系统的优化设计中，为减少程序所需存储空间，应着重考虑（）A.增强指令功能B.缩短指令字长C.增加寻址方式D.采用变长指令格式7.下列寻址方式中，执行速度最快的是（）A.立即寻址B.直接寻址C.寄存器间接寻址D.变址寻址8.精简指令集计算机（RISC）的特点不包括（）A.指令格式规整、寻址方式简单B.采用硬连线控制器为主C.大多数指令在一个机器周期内完成D.指令功能强大，种类繁多9.在流水线处理机中，引起控制相关的主要原因是（）A.数据冲突B.资源冲突C.条件转移指令D.中断处理10.解决流水线数据冲突的方法中，需要编译器进行指令调度支持的是（）A.设置专用数据通路B.增加缓冲寄存器C.采用旁路技术D.采用优化编译技术11.下列存储体系中，不属于构成Cache-主存层次依据的是（）A.时间局部性B.空间局部性C.顺序局部性D.数据局部性12.在虚拟存储器中，完成逻辑地址到物理地址转换的部件是（）A.操作系统B.地址变换机构C.存储管理部件D.动态重定位寄存器13.下列替换算法中，不属于堆栈型替换算法的是（）A.先进先出（FIFO）算法B.最近最少使用（LRU）算法C.最优（OPT）算法D.随机（RAND）算法14.通道处理机出现“瓶颈”的根本原因是（）A.通道数量不足B.通道速度太慢C.CPU参与过多D.I/O设备速度太慢15.多处理机系统实现任务间快速通信的主要途径是（）A.共享主存储器B.消息传递机制C.中断系统D.通道同步16.松耦合多处理机系统中，各处理机之间通常通过（）连接。A.高速总线或交叉开关B.共享主存储器C.消息传递系统D.I/O通道17.在阵列处理机中，处理单元之间通过互连网络通信，其互连网络的设计主要基于（）A.共享变量模型B.消息传递模型C.数据并行模型D.控制并行模型18.数据流计算机中，指令执行的主要触发条件是（）A.程序计数器B.操作数可用性C.控制信号D.时钟脉冲19.下列对超标量处理机的描述，正确的是（）A.采用单发射流水线结构B.依靠编译器进行指令调度C.每个时钟周期流出一条指令D.硬件结构比超流水线简单20.现代计算机系统提高并行性的主要技术途径不包括（）A.时间重叠B.资源重复C.资源共享D.功能专化二、填空题（本大题共10空，每空1分，共10分）1.计算机系统结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的______属性。2.系列机中各档机器具有相同的______，但可以有不同的组成和实现。3.程序访问的局部性原理包括______局部性和空间局部性。4.在RISC设计中，为加快指令执行速度，应使绝大多数指令在______周期内完成。5.流水线中由于多条指令在同一时钟周期内争用同一功能部件而引起的冲突称为______冲突。6.虚拟存储器主要是为了解决主存______不足的问题。7.在Cache的地址映射方式中，主存中的一块可以映射到Cache中任意一块位置的方式称为______映射。8.输入输出系统中，通道是一个特殊功能的______，它独立于CPU工作。9.根据多处理机系统中各处理机之间的耦合程度，可以将其分为紧耦合系统和______耦合系统。10.在向量处理中，为了加快向量操作，常采用______技术，使得一条向量指令可以处理整个向量。三、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1.简述冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点及其对现代计算机发展的影响。2.什么是RISC？简述RISC技术的主要设计原则。3.简述流水线技术中“一次重叠”控制方式的基本思想。4.在虚拟存储系统中，什么是页表？它的主要作用是什么？5.简述多处理机系统与并行处理机系统在结构上的主要区别。四、应用题（本大题共4小题，每小题10分，共40分）1.假设某程序在一台计算机上运行需要100秒，其中80秒的时间用于执行乘法操作。现采用两种方案改进：方案A：使用新型硬件使所有乘法操作速度提升为原来的5倍。方案B：使用新型硬件使整个计算机速度提升为原来的2倍，但乘法操作速度不变。请根据Amdahl定律分别计算两种方案的加速比，并说明哪个方案更优。2.有一条4个功能段的线性流水线，每个功能段的执行时间均为Δt。现需连续处理8个任务。（1）画出该流水线处理这8个任务的时空图。（2）计算该流水线的实际吞吐率TP和效率E。（3）若想将吞吐率提高一倍，可采取哪些主要措施？3.设主存容量为512KB，Cache容量为4KB，每个块的大小为64B。（1）若采用直接映射方式，请计算主存地址字段中各段的位数（标记、Cache行号、块内地址）。（2）计算Cache的总位数（包括数据位和标记位等开销）。假设存储字长为32位。（3）简述直接映射方式的优缺点。4.某多处理机系统由4个相同的处理机构成，通过共享总线互连。假设在某个基准程序测试中，单处理机执行时间为T。当使用4个处理机并行执行时，由于通信开销和负载不平衡等因素，并行加速比仅为2.5。（1）计算该系统的并行效率。（2）分析导致加速比低于理想值（4）的可能原因。（3）从系统结构角度，提出两条改进该系统并行性能的建议。参考答案一、单项选择题1.D2.D3.B4.C5.B6.B7.A8.D9.C10.D11.D12.B13.A14.C15.A16.C17.C18.B19.B20.D二、填空题1.机器级2.指令系统（或体系结构）3.时间4.一个机器5.结构（或资源）6.容量7.全相联8.处理器9.松10.流水线（或向量链接）三、简答题1.冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点包括：采用“存储程序”工作方式，即程序和数据以二进制形式存放在同一存储器中；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；指令在存储器中按执行顺序存放，由程序计数器（PC）指明待执行指令的地址；指令由操作码和地址码组成；以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送需通过运算器。其对现代计算机发展的影响深远，奠定了现代计算机的基本框架，使得计算机能够通过存储不同的程序来解决不同的问题，实现了通用计算。后续的计算机发展大多是在此框架下的改进与拓展，如引入并行技术、层次存储结构等。2.RISC是精简指令集计算机的英文缩写。其主要设计原则包括：（1）选取使用频率高、功能简单的指令构成指令系统，复杂功能通过简单指令组合实现；（2）指令格式规整，长度固定，寻址方式简单，以利于流水线处理；（3）采用加载/存储结构，即只有加载和存储指令可以访问存储器，运算指令的操作数均来自寄存器，结果也写回寄存器；（4）CPU中设置大量通用寄存器，以减少访存次数；（5）采用硬连线控制逻辑为主，以提高指令执行速度；（6）重视编译优化技术，以高效调度指令，支持流水线高效运行。3.“一次重叠”控制方式是流水线技术的早期和简单形式。其基本思想是：将指令的执行过程划分为“取指令”和“分析执行”两个子过程，并设置独立的部件分别完成这两个功能。在第一条指令完成“取指令”进入“分析执行”部件时，第二条指令就可以进入“取指令”部件，从而实现两条指令在时间上的重叠执行。这种方式将指令周期时间近似缩短为原来的一半，提高了指令的执行速度，是后续更复杂流水线（如先行控制、多功能流水线）的基础。4.在虚拟存储系统中，页表是操作系统维护的一种数据结构，用于记录进程的虚拟页号到物理页帧号的映射关系。每个进程都有自己的页表。其主要作用是实现虚拟地址到物理地址的动态转换。当进程访问某个虚拟地址时，存储管理部件（MMU）会根据虚拟页号查询页表，找到对应的物理页帧号，再结合页内偏移量形成最终的物理地址。如果该页不在主存中（页表项中有特定标志位指示），则会发生“缺页”异常，由操作系统负责将所需的页面从辅存调入主存，并更新页表。5.多处理机系统与并行处理机系统在结构上的主要区别在于：（1）结构灵活性：并行处理机（如阵列处理机）通常具有固定的处理单元互连结构（如网格、立方体），适用于规则的数据并行计算；而多处理机系统（特别是共享存储多处理机）处理机之间的互连网络相对灵活，通信模式多样。（2）互连与通信：并行处理机中处理单元间通过互连网络直接通信，通信模式与算法高度相关；多处理机系统中，处理机之间主要通过共享变量（紧耦合）或消息传递（松耦合）进行通信。（3）控制方式：并行处理机通常采用单一控制流（SIMD），由一个控制单元向所有处理单元广播指令；多处理机系统则采用多指令流多数据流（MIMD），每个处理机独立执行自己的指令流。（4）适用问题类型：并行处理机擅长处理向量、矩阵等规整数据并行问题；多处理机系统更适合处理任务并行、不规则通信的通用问题。四、应用题1.解：设原程序总执行时间T=100秒，可改进部分（乘法）执行时间Fe=80秒，改进前该部分占比Fe=80/100=0.8。方案A：可改进部分加速比Se=5。根据Amdahl定律，系统加速比Sn=1/((1Fe)+Fe/Se)=1/((10.8)+0.8/5)=1/(0.2+0.16)=1/0.36≈2.78。方案B：整个系统加速比Se=2，但此加速比作用于整个程序，即Fe=1.0。则系统加速比Sn=1/((11)+1/2)=1/(0+0.5)=2。计算可知，方案A的加速比（约2.78）大于方案B的加速比（2）。因此，针对程序中占比大的瓶颈部分进行专项改进（方案A）比整体平均改进（方案B）效果更优。2.解：（1）时空图（描述性）：横坐标为时间（单位Δt），纵坐标为流水线段（S1,S2,S3,S4）。任务1在t0进入S1，t1进入S2，t2进入S3，t3进入S4，t4完成。任务2在t1进入S1，以此类推。从t3时刻起，每个Δt完成一个任务，直到任务8在t11时刻完成。图形呈阶梯状重叠。（2）对于线性流水线，连续处理n个任务，所需时间Tk=kΔt+(n-1)Δt=(k+n-1)Δt。其中k=4，n=8。Tk=(4+8-1)Δt=11Δt。实际吞吐率TP=n/Tk=8/(11Δt)。流水线效率E=n个任务实际占用的时空区面积/k个段总的时空区面积=(nkΔt)/(kTkΔt)=n/(k+n1)=8/11≈72.7%。流水线效率E=n个任务实际占用的时空区面积/k个段总的时空区面积=(nkΔt)/(kTkΔt)=n/(k+n1)=8/11≈72.7%。（3）提高吞吐率的主要措施包括：①将流水线功能段进一步细分（增加段数k），在理想情况下，若细分后各段延迟仍相等且为Δt'（Δt'<Δt），则时钟周期缩短，吞吐率可能提高。但受限于数据相关和电路开销。②增加流水线的套数（如重复设置多条相同流水线），实现任务级并行，属于资源重复技术。③优化任务调度，减少因数据相关、控制相关引起的流水线停顿，使流水线更饱满。3.解：（1）主存容量512KB=2^19B，故主存地址共19位。Cache容量4KB=2^12B，块大小64B=2^6B。块内地址位数：b=log2(64)=6位。Cache总块数（行数）：C=4KB/64B=64=2^6，故Cache行号（索引）位数：c=log2(64)=6位。标记位数：t=主存地址位数(c+b)=19(6+6)=7位。因此，主存地址划分为：标记（7位）、Cache行号（6位）、块内地址（6位）。（2）Cache总容量包括数据存储器和标记存储器。数据存储器：Cache共64块，每块64B，每字节8位？题目给定存储字长32位，即4字节/字。为简化，按位计算。每块64B=648=512位。数据总位数=块数×每块位数=64×512=32768位。数据存储器：Cache共64块，每块64B，每字节8位？题目给定存储字长32位，即4字节/字。为简化，按位计算。每块64B=648=512位。数据总位数=块数×每块位数=64×512=32768位。标记存储器：每行有一个标记项，包含标记位和有效位等。标记位7位，加上1位有效位，通常还有脏位（写回法需要）等，此处按基本需求计算。假设每行标记项包含：7位标记+1位有效位=8位。标记总位数=行数×每行标记项位数=64×8=512位。Cache总位数（开销）=数据总位数+标记总位数=32768+512=33280位。（注意：此计算未考虑一致性维护位等，是简化计算。）（3）直接映射方式的优点：硬件实现简单，成本低；地址变换速度快，因为查找时只需根据索引位直接找到唯一对应的Cache行，比较标记即可。缺点：冲突率高，灵活性差。主存中多