计算机专业基础综合(计算机系统概述)模拟试卷2(题后含答案及解析)

计算机专业基础综合(计算机系统概述)模拟试卷2(题后含答案及解析)一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC诞生于1946年，它的逻辑元器件主要采用的是（）。A.晶体管B.电子管C.中小规模集成电路D.大规模和超大规模集成电路2.冯·诺依曼计算机体系结构的核心思想是“存储程序”并按地址顺序执行。在冯·诺依曼架构中，计算机的五大核心部件不包括（）。A.运算器B.存储器C.编译器D.控制器3.在计算机系统的层次结构中，从微观到宏观层面来看，位于最底层（即第0层）的是（）。A.微程序设计级B.传统机器语言级C.操作系统级D.汇编语言级4.下列关于“计算机多级层次结构”的叙述中，错误的是（）。A.软硬件的逻辑等价性是指在层次结构的某些层面上，某项功能既可以由硬件实现，也可以由软件实现B.虚拟机器不一定实际存在，但可以通过翻译或解释技术呈现给用户C.从下层到上层，机器的语言越来越接近人类的自然语言D.层次结构中每一级都在下一级的基础上建立，且下层必须依赖上层的功能才能正常运行5.计算机性能指标中，CPI的含义是（）。A.每秒执行百万条指令B.每条指令平均需要的时钟周期数C.每个时钟周期执行的指令数D.每秒执行百万次浮点运算6.某计算机主频为2.4GHz，执行某段程序需要3亿个时钟周期，则该程序的CPU执行时间约为（）。A.0.125秒B.0.125毫秒C.8秒D.80秒7.在基准测试程序中，用于评价计算机系统在科学计算、数据处理等领域综合性能的SPECCPU系列属于（）。A.微基准测试程序B.宏基准测试程序C.压力测试程序D.兼容性测试程序8.以下关于指令集架构（ISA）的描述，正确的是（）。A.CISC架构只允许使用寄存器-寄存器型指令B.RISC架构通常采用变长指令格式，且指令种类繁多C.ISA是计算机硬件和底层软件之间的接口，定义了机器级程序员可见的指令、寄存器、存储器组织等D.复杂指令集计算机（CISC）的所有指令都可以在一个时钟周期内完成9.指令周期是指CPU从主存中取出一条指令并执行完毕所需的全部时间。一个指令周期通常包含若干个机器周期，而一个机器周期又包含若干个时钟周期。在采用同步控制方式的计算机中，下列说法正确的是（）。A.所有指令的指令周期都必然相等B.所有机器周期的长度都必然相等C.时钟周期是CPU执行操作的最基本时间单位，其长度由主频决定D.时钟周期长度由指令的具体功能决定，与主频无关10.假设某程序在计算机A上运行需要10秒，计算机A的主频为4GHz。现需要设计计算机B，使其运行该程序仅需6秒。已知计算机B的时钟周期数是计算机A的1.2倍，则计算机B的主频至少应为（）。A.6GHzB.8GHzC.9.6GHzD.12GHz11.CPU在执行指令的过程中，需要不断更新程序计数器（PC）的值以指向下一条待执行指令的地址。在冯·诺依曼架构下单条指令执行周期的取指阶段结束后，PC的值通常会（）。A.保持不变，直到指令执行结束才更新B.自动加上当前指令的长度，指向下一条指令的地址C.被清零D.指向当前指令的操作数地址12.在计算机中，衡量系统可靠性的重要指标MTBF指的是（）。A.平均无故障时间B.平均修复时间C.平均指令执行时间D.平均存储周期13.解释程序和编译程序是两种不同的语言处理程序。以下关于它们的比较，正确的是（）。A.编译程序和解释程序都会生成目标程序并保存B.解释程序是逐条翻译并执行源程序，不生成独立的目标程序C.编译程序的执行速度通常比解释程序慢D.对于同一份源代码，编译程序比解释程序占用更多的内存空间执行14.现代计算机普遍采用“冯·诺依曼体系结构”，但其存在一个著名的“冯·诺依曼瓶颈”，该瓶颈主要指（）。A.CPU内部寄存器数量不足B.外部存储设备读写速度过慢C.CPU与主存之间数据传输通道的带宽限制导致CPU经常处于等待状态D.指令系统过于复杂导致硬件实现困难15.设某计算机的指令系统包含A、B、C三类指令，其CPI分别为1、2、4。在一段由10000条指令组成的测试程序中，A类指令占60%，B类指令占30%，C类指令占10%。则该程序的综合CPI为（）。A.1.6B.1.8C.2.0D.2.2二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分。多选、少选、错选均不得分）1.冯·诺依曼计算机体系结构的基本特点包括（）。A.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B.采用存储程序方式，程序和数据以同等地位存放在存储器中C.指令和数据均采用二进制表示D.指令由操作码和地址码组成，指令在存储器中按顺序存放E.计算机能自动执行指令是由于内部采用了微程序控制2.影响计算机CPU性能的主要技术指标有（）。A.主频B.CPI（每条指令平均时钟周期数）C.MIPSD.字长E.存储容量3.在计算机系统的层次结构中，下列属于“虚拟机器”的层次有（）。A.微程序设计级B.传统机器语言级C.操作系统级D.汇编语言级E.高级语言级4.计算机在执行一条指令时，通常需要经过一系列的基本操作。以下属于指令执行过程中常见阶段的有（）。A.取指令B.指令译码C.计算操作数地址并取操作数D.执行指令并进行数据操作E.结果写回存储器或寄存器5.以下关于Amdahl定律的描述，正确的有（）。A.Amdahl定律定义了系统采用改进措施后所获得的系统性能加速比B.加速比取决于系统可改进部分占总执行时间的比例以及该部分的改进程度C.即使系统某一部件的处理速度提升到无穷大，整个系统的加速比仍然受限于不可改进部分的时间比例D.Amdahl定律常用于评估增加并行处理能力对整体系统性能的提升E.Amdahl定律表明，盲目提升单一部件的性能而不考虑其在整体系统中的占比，对系统整体性能提升的意义有限三、填空题（共10题，每题2分，共20分）1.计算机的发展历程通常按所采用的物理元器件划分，第一代计算机使用的是________，第二代使用的是晶体管。2.在计算机系统的层次结构中，第1级是传统机器语言级，它是由________级通过微指令解释产生的。3.计算机的运算速度指标MIPS的含义是每秒执行________条指令。4.在指令执行过程中，用于存放当前正在执行的指令的寄存器是________。5.计算机硬件和软件在逻辑功能上是等效的，这意味着对于某一特定功能，如果用硬件实现，则执行速度________，但灵活性降低。6.指令周期、机器周期和时钟周期构成了CPU的时间系统。其中最基本的、不可再分的时间单位是________。7.基准测试程序中，用来衡量CPU执行浮点运算速度的常用指标是________。8.冯·诺依曼结构计算机的核心思想是“存储程序”和“________”。9.存储器中存放指令的区域和存放数据的区域在物理上是同一的，CPU区分指令和数据的依据是________。10.计算机系统性能评价中，衡量系统处理大批量数据能力的指标通常称为________。四、简答题（共4题，每题10分，共40分）1.请简述冯·诺依曼计算机体系结构的基本思想，并列举其五大核心部件及其主要功能。2.解释计算机系统层次结构的概念，并简述从高级语言机器级到微程序设计级的大致层次划分，说明为什么称上层机器为“虚拟机器”。3.详细阐述指令周期、机器周期和时钟周期的概念及其相互关系。在采用同步控制方式的计算机中，这三者是如何配合以完成一条指令的执行的？4.计算机性能评价是系统设计和选购的重要依据。请详细解释MIPS、CPI和CPU执行时间（CPUTime）三个性能指标的定义，并写出它们之间相互换算的计算公式。五、综合应用题（共2题，每题15分，共30分）1.假设某计算机的主频为3GHz。在其指令系统中，各类指令的CPI及在某个典型测试程序中的使用频度如下表所示：指令类型CPI在测试程序中的使用频度算术与逻辑运算指令150%访存指令（Load/Store）330%分支与跳转指令415%浮点运算指令105%该测试程序总共包含1×（1）该测试程序运行时，计算机的综合CPI。（2）该测试程序在计算机上运行的CPU执行时间（要求写出详细计算过程并带上单位）。（3）计算机在该测试程序下的MIPS速率。（4）现因应用需求，需要对计算机中执行算术与逻辑运算指令的部件进行硬件优化设计。优化后，该类指令的执行速度提升了1倍（即CPI降低了一半）。请利用Amdahl定律计算系统执行该测试程序时的整体加速比，并计算优化后系统的综合CPI。2.阅读以下关于计算机指令执行过程和体系结构的综合描述，回答相关问题。某基于冯·诺依曼架构的计算机采用单总线结构，CPU内部包含程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、通用寄存器组（GPRs）以及算术逻辑单元（ALU）等部件。假设当前主存中地址为1000（十进制）的单元开始存放着一条加法指令`ADDR1,(R2)`，该指令采用变址寻址方式（这里假设为寄存器间接寻址，即R2中存放的是操作数在主存中的地址）。指令长度为2个字节，采用大端法存储。（1）在取指令阶段，CPU需要完成哪些微操作？请按顺序写出总线传输和部件动作的详细步骤，并说明在取指阶段结束后，PC的值为多少？（2）在指令译码阶段，指令寄存器（IR）中的内容是如何被处理的？（3）在取操作数阶段，由于采用寄存器间接寻址，CPU需要先从主存中获取操作数。请写出从主存中获取该操作数的主要微操作步骤（假设主存读操作需在一个机器周期内完成）。（4）如果该指令执行的是浮点加法运算，且系统采用同步控制方式。单总线结构在执行该指令时，存在哪些制约性能的因素？在后续的计算机体系结构改进中，通常采用哪些手段来克服单总线结构带来的数据通路瓶颈？（列举至少两种手段）================================================================================答案及解析================================================================================一、单项选择题1.【答案】B【解析】世界上第一台通用电子计算机ENIAC诞生于1946年，属于第一代计算机，其逻辑元器件采用的是电子管。第二代采用晶体管，第三代采用中小规模集成电路，第四代采用大规模和超大规模集成电路。因此正确答案为B。2.【答案】C【解析】冯·诺依曼计算机体系结构的五大核心部件为：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。编译器属于系统软件范畴，不属于硬件系统的核心部件。因此正确答案为C。3.【答案】A【解析】计算机系统的多级层次结构由下至上依次为：第0级微程序设计级、第1级传统机器语言级、第2级操作系统级、第3级汇编语言级、第4级高级语言级。微程序设计级是硬件直接实现的层次，属于最微观的层次。因此正确答案为A。4.【答案】D【解析】计算机层次结构中，下层是上层的基础，上层的实现依赖于下层提供的功能。但下层并不依赖上层，下层可以独立存在并执行其固有的指令或微指令，D选项描述倒置了依赖关系。软硬件逻辑等价性（A）、虚拟机器概念（B）、语言接近自然语言（C）均正确。因此正确答案为D。5.【答案】B【解析】CPI(CyclesPerInstruction)是指每条指令执行所需的平均时钟周期数。MIPS是每秒执行百万条指令；IPC是每个时钟周期执行的指令数（CPI的倒数）；MFLOPS是每秒执行百万次浮点运算。因此正确答案为B。6.【答案】A【解析】CPU执行时间的计算公式为：T=主频为2.4GHzT=7.【答案】B【解析】基准测试程序分为微基准和宏基准测试程序。微基准测试通常针对计算机某一特定部件（如CPU内部缓存、流水线性能）进行小规模测试；宏基准测试程序则包含大量真实应用代码，用于衡量计算机系统整体在科学计算、数据处理等领域的综合性能，SPECCPU系列正是典型的宏基准测试程序。因此正确答案为B。8.【答案】C【解析】ISA（指令集架构）是软硬件的交界面，定义了机器级程序员可见的指令、寄存器、存储器访问模式等，C正确。CISC指令复杂，长度可变，通常不限于寄存器-寄存器型，且很多指令执行需要多个周期，A、D错；RISC通常采用定长指令格式，指令种类少且简单，B错。因此正确答案为C。9.【答案】C【解析】时钟周期是CPU操作的最基本时间单位，其长度由主频决定（主频=时钟周期的倒数）。在同步控制方式下，不同指令的复杂度不同，因此指令周期可以不相等（A错）；不同机器周期包含的微操作数量可能不同，但为了控制简单，现代计算机常采用定长机器周期（均基于时钟周期的整数倍），但从严格概念上讲，机器周期长度的定义依设计而定，B过于绝对；时钟周期由晶体振荡器决定，与指令功能无关，D错。因此正确答案为C。10.【答案】B【解析】设计算机A的时钟周期数为，主频=4GHz则=×计算机B的时钟周期数=1.2要求=6s，则计算机B的主频11.【答案】B【解析】程序计数器（PC）用于保存下一条待执行指令的地址。在取指阶段，CPU从PC指向的地址取出指令后，PC会自动增加一个指令的长度（在按字节编址且指令长度为2字节的情况下加2），以指向下一条顺序指令的地址。发生转移时才会在执行阶段改变PC值。因此正确答案为B。12.【答案】A【解析】MTBF(MeanTimeBetweenFailures)指平均无故障时间，是衡量系统可靠性的核心指标。MTTR是平均修复时间。因此正确答案为A。13.【答案】B【解析】编译程序将高级语言源程序全部翻译成目标程序（机器语言程序）后再执行，生成并保存目标程序；解释程序则逐条读取源程序的语句，翻译一句执行一句，不生成独立的目标程序，执行效率相对较低，但便于调试。因此正确答案为B。14.【答案】C【解析】冯·诺依曼瓶颈是指CPU的处理速度远快于主存的读写速度，导致CPU与主存之间数据传输通道（系统总线或前端总线）的带宽成为限制系统整体性能提升的最大障碍，CPU经常需要等待主存数据。因此正确答案为C。15.【答案】C【解析】综合CPI的计算公式为：CPCP因此正确答案为C。二、多项选择题1.【答案】A,B,C,D【解析】冯·诺依曼体系结构的基本特点包括：五大部件组成（A）；存储程序方式，指令与数据同等地位存于存储器（B）；二进制表示（C）；指令由操作码和地址码组成并顺序存放（D）。E选项“能自动执行指令是由于内部采用了微程序控制”是错误的，微程序控制只是控制器的一种实现方式，并不是冯·诺依曼体系的核心设计思想，硬布线控制同样可以自动执行指令。因此正确答案为A、B、C、D。2.【答案】A,B,D【解析】CPU的性能主要取决于主频（A）、CPI（B）以及字长（D，影响计算精度和数据处理能力）。MIPS（C）是基于主频和CPI推导出来的衍生指标，通常作为性能评价指标而非决定性能的硬件底层指标。存储容量（E）属于存储器性能指标，虽然影响系统整体性能，但不直接归类为CPU性能指标。因此正确答案为A、B、D。3.【答案】C,D,E【解析】在计算机层次结构中，微程序设计级和传统机器语言级是由硬件直接实现的物理机器；而操作系统级、汇编语言级、高级语言级都是通过翻译或解释技术在底层物理机器上呈现出来的，并非物理实体存在，被称为虚拟机器。因此正确答案为C、D、E。4.【答案】A,B,C,D,E【解析】一条完整指令的执行周期通常包含：取指令（A）、指令译码（B）、计算操作数地址并取操作数（C）、执行指令并进行数据操作（D）、结果写回（E）。这五个阶段涵盖了指令从取出到执行完毕写回存储器或寄存器的全过程。因此正确答案为A、B、C、D、E。5.【答案】A,B,C,D,E【解析】Amdahl定律定义了系统加速比的概念及其与可改进部分占比、改进程度的关系（A、B正确）。定律的核心指出，系统整体加速比受限于不可改进部分（即串行部分），即使某部分加速到无穷大，整体性能提升也有上限（C正确）。该定律广泛应用于多处理器和并行计算的性能评估（D正确）。E选项是对C的具体总结表述，正确。因此正确答案为A、B、C、D、E。三、填空题1.【答案】电子管【解析】第一代计算机的时间跨度大约为1946年至1957年，其核心逻辑元器件为电子管。2.【答案】微程序【解析】在多级层次结构中，第1级传统机器语言级的指令是由第0级微程序设计级的微指令通过解释执行来实现的。3.【答案】百万【解析】MIPS(MillionInstructionsPerSecond)，即每秒执行百万条指令，用于衡量定点运算速度。4.【答案】指令寄存器（IR）【解析】取指阶段从主存取出的指令被存放到指令寄存器（IR）中，供后续译码和执行阶段使用。5.【答案】快【解析】软件实现灵活性强但执行需经过翻译或解释，速度较慢；硬件实现直接通过逻辑电路执行，速度快但设计周期长、成本高、灵活性差。6.【答案】时钟周期【解析】时钟周期是计算机中最基本的、不可分割的时间单位，所有操作都在时钟节拍的驱动下进行。7.【答案】MFLOPS（或FLOPS）【解析】MFLOPS(MillionFloating-pointOperationsPerSecond)每秒百万次浮点运算，专门用于衡量科学计算中的浮点运算性能。8.【答案】程序存储（或存储程序并按地址顺序执行）【解析】冯·诺依曼架构的核心在于将程序和数据预先存入存储器中，计算机工作时自动按地址顺序取出指令并执行。9.【答案】取指令的周期（或指令所处的执行阶段）【解析】在冯·诺依曼架构下，指令和数据都以二进制形式存放在主存中。CPU在取指阶段从主存取出的信息视为指令，在执行阶段取出的信息视为操作数。10.【答案】吞吐量【解析】吞吐量指单位时间内计算机系统处理的总数据量或任务数量，是衡量系统大批量数据处理能力的宏观指标。四、简答题1.【答案与解析】冯·诺依曼计算机体系结构的基本思想是“存储程序”和“程序控制”。即把计算机要执行的程序和处理的数据事先存入存储器中，计算机工作时，由控制器自动地、按顺序地从存储器中取出指令，并加以分析和执行，从而完成特定的任务。其五大核心部件及功能如下：（1）运算器（ALU）：负责对数据进行加工处理，执行算术运算和逻辑运算。（2）控制器（CU）：是计算机的指挥中心，负责从存储器中取出指令、对指令进行译码，并产生控制信号协调各部件按时序完成指令规定的操作。（3）存储器：用于存放程序（指令序列）和数据。在冯·诺依曼架构中，指令和数据以同等地位存放在同一个存储器中。（4）输入设备：负责将外部信息（程序、数据等）转换成计算机能识别的二进制代码并送入存储器保存。（5）输出设备：负责将计算机处理后的结果，转换成人类或其他设备能够识别和接受的形式输出。2.【答案与解析】计算机系统层次结构是指从计算机系统的功能和结构出发，将复杂的计算机系统划分为多个不同抽象级别的层次，每一层都在其下一层的基础上提供更高层次的抽象和功能实现。从高级语言到微程序的层次自上而下大致为：高级语言机器级->汇编语言机器级->操作系统机器级->传统机器语言机器级->微程序机器级。称上层机器为“虚拟机器”的原因是：这些层次的机器（如高级语言机器、汇编语言机器）在物理上并不存在，它们没有对应的物理硬件实体。它们之所以能够呈现出具有特定指令集和功能的机器特征，完全是由于底层的物理机器（传统机器和微程序机器）通过运行特定的翻译程序（如编译器、汇编器）或解释程序（如解释器、操作系统内核）来模拟和实现了上层的功能。对用户而言，仿佛在操作一台专属于某种语言的计算机，因此称为虚拟机器。3.【答案与解析】（1）时钟周期：是计算机中最基本的、不可再分的时间单位，由主频决定，是CPU执行微操作的最小节拍。（2）机器周期：通常指CPU从主存中读取或写入一个指令字或数据字所需的时间，也常称为CPU周期。一个机器周期通常包含若干个（如2个、4个等）时钟周期，用于完成一个相对独立的子任务（如取指、访存等）。（3）指令周期：指CPU从主存中取出一条指令并完整执行完毕所需的全部时间。由于指令的复杂度不同，不同指令的指令周期可能不同。一个指令周期包含若干个机器周期（如取指周期、间址周期、执行周期等）。相互关系：指令周期>机器周期>时钟周期。在同步控制方式中，CPU按照统一的时钟节拍产生控制信号，若干个时钟周期组成一个机器周期，进而完成取指令、取操作数、执行等机器周期操作，多个机器周期组合起来最终完成一条指令的执行周期。4.【答案与解析】（1）MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：每秒执行百万条指令，用于衡量计算机执行定点指令的速度。（2）CPI(CyclesPerInstruction)：每条指令执行所需的平均时钟周期数，反映了指令执行的复杂度和CPU设计效率。（3）CPU执行时间：指CPU执行某段程序所花费的总时间，是衡量CPU性能的最直接和核心的指标。换算公式：设程序中包含的指令总数为IC，主频为fCPU执行时间=CPI=MIPS=五、综合应用题1.【答案与解析】（1）计算综合CPI：CC答：该测试程序运行时，计算机的综合CPI为2.5。（2）计算CPU执行时间：已知指令总数IC=1根据公式：CC答：该测试程序在计算机上运行的CPU执行时间约为0.833秒。（3）计算MIPS速率：根据公式：MM答：计算机在该测试程序下的MIPS速率为1200MIPS。（或通过MI（4）利用Amdahl定律计算系统整体加速比：优化前，算术与逻辑指令占程序总执行时间的比例为：（即占总运行时间的20%）。该部件执行速度提升1倍，即加速比S=根据Amdahl定律：系系优化后系统综合CPI计算：优化后算术与逻辑指令的CPI降为1/C验算加速比：原CPI与新CPI之比=2.5答：系统整体加速比约为1.111，优化后系统的综合CPI为2