計算機組成原理沖刺押題卷2025年重點解析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列選項中，只有一項是符合題目要求的。）1.在計算機中，采用補碼表示法的主要原因是（）。A.符號位可以參與運算B.可以簡化加減運算的邏輯電路C.可以區(qū)分正負數(shù)，便于表示范圍D.符號位不參與運算，只起標記作用2.某計算機的Cache采用直接映射方式，Cache容量為16KB，每個主存塊大小為64B。則主存地址（32位）中，用于確定Cache塊號的位數(shù)是（）。A.6B.7C.14D.163.對于一個5級流水線，假設每個階段的延遲相同，執(zhí)行100條指令所需的時間（不計流水線沖突）與執(zhí)行1條指令所需的時間之比是（）。A.5B.100C.20D.44.在CPU執(zhí)行指令的過程中，下列哪個階段不屬于取指階段必須完成的任務？（）A.從內(nèi)存中讀取指令操作碼B.從內(nèi)存中讀取指令地址字段C.將指令操作碼送入指令寄存器（IR）D.將指令地址字段送入程序計數(shù)器（PC）5.采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳輸過程由（）主導。A.CPUB.DMA控制器C.I/O接口D.主存6.在指令流水線中，導致流水線停頓的原因不包括（）。A.數(shù)據(jù)冒險B.控制冒險C.結(jié)構(gòu)冒險D.指令Cache未命中7.若主存地址空間為2^30B，Cache地址空間為2^18B，采用2路組相聯(lián)映射方式，則主存塊大小為（）。A.64BB.128BC.256BD.512B8.在計算機系統(tǒng)中，總線帶寬通常用（）來衡量。A.總線頻率B.總線寬度C.每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)D.總線上的信號電壓9.下列關于中斷和DMA的敘述中，正確的是（）。A.中斷和DMA都需要CPU介入數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗己徒Y(jié)束B.中斷比DMA更適合于高速、大批量的數(shù)據(jù)傳輸C.DMA可以完全取代中斷D.中斷處理程序的執(zhí)行通常比DMA傳輸過程更耗時10.浮點數(shù)運算中，舍入誤差可能導致的后果是（）。A.算法崩潰B.結(jié)果精度降低C.CPU過熱D.內(nèi)存訪問錯誤二、填空題（每空2分，共20分。）1.在補碼表示法中，+X與-X的和等于______。2.Cache與主存之間常采用______線性映射、全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射方式。3.指令流水線的目的是為了提高指令的______。4.CPU主要由運算器、控制器和______組成。5.在I/O系統(tǒng)中，程序查詢方式的特點是CPU采用______等待方式。6.總線傳輸周期也稱為______周期。7.Cache未命中時，需要訪問主存，這會導致指令執(zhí)行速度下降，這種現(xiàn)象稱為______。8.在多核處理器系統(tǒng)中，不同核之間需要通過______進行通信和同步。9.采用雙端口存儲器的目的是為了提高______。10.假設某計算機的Cache命中率為90%，則訪問一次主存的平均時間（不考慮替換時間）是訪問一次Cache平均時間的______倍。（結(jié)果取整數(shù)）三、計算題（共30分。）1.（10分）某計算機采用間接尋址方式，指令格式為：操作碼（8位），地址字段（16位）。假設內(nèi)存地址由地址寄存器AR提供，堆棧指針寄存器SP的內(nèi)容為2000H。當前指令地址字段的內(nèi)容為3000H，該地址處的內(nèi)存內(nèi)容為2500H。求該指令最終訪問的內(nèi)存地址。2.（10分）某Cache采用4路組相聯(lián)映射，Cache容量為128KB，主存塊大小為64B。假設主存地址空間為1GB，Cache塊號用8位二進制表示。若訪問主存地址為A=12345678H，求：1）該地址在Cache中的組號；2）該地址對應的Cache塊內(nèi)偏移量。3.（10分）一個5級流水線，每個階段的延遲為1ns。假設流水線初始為空，且無流水線沖突。執(zhí)行100條指令需要多少時間？如果采用指令預取機制，使得流水線幾乎總是滿的，執(zhí)行100條指令又需要多少時間？四、簡答題（共30分。）1.（10分）簡述浮點數(shù)表示法的基本思想，并說明其表示范圍和精度特點。2.（10分）什么是數(shù)據(jù)冒險？簡述解決數(shù)據(jù)冒險的常用方法（至少兩種）。3.（10分）簡述DMA控制器在數(shù)據(jù)傳輸過程中的主要工作流程。五、論述題（20分。）論述Cache的工作原理及其對計算機系統(tǒng)性能的影響。分析Cache引入后可能帶來的問題（如Cache一致性問題，如果涉及可以簡單提及）以及如何解決這些問題（或緩解其影響）。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.A4.D5.B6.D7.B8.C9.B10.B二、填空題1.02.直接3.吞吐率4.寄存器5.空閑6.取指7.流水線停頓（或性能損失）8.總線9.并行性（或吞吐量）10.10三、計算題1.解析：間接尋址方式下，指令地址字段指明的是一個內(nèi)存地址，該地址處存放的是實際的操作數(shù)地址。這里地址字段內(nèi)容為3000H，指向2500H。因此，最終訪問的地址是2500H。答案：2500H2.解析：1）主存地址A=12345678H，高16位為段地址或頁地址，低16位為偏移地址。Cache塊號=主存塊號mod組數(shù)。主存塊大小64B，塊內(nèi)偏移需要6位（2^6=64）。因此，主存塊號=12345678H/64B=12345678H/40H=3072H。組數(shù)=Cache總塊數(shù)/組相聯(lián)路數(shù)=(128KB/64B)/4=512/4=128。塊號=3072Hmod128=3072H/100H*100H+3072Hmod100H=30H+72H=3CH。2）塊內(nèi)偏移量=主存地址的低6位=678H。答案：1)3CH；2)678H3.解析：1）流水線階段數(shù)5，延遲1ns。執(zhí)行1條指令需要5ns。執(zhí)行100條指令，不考慮流水線沖突，總時間=流水線階段數(shù)*指令數(shù)=5ns*100=500ns。2）指令預取使流水線滿，執(zhí)行100條指令所需時間主要由流水線建立時間和指令數(shù)決定。建立時間=流水線階段數(shù)*延遲=5ns?？倳r間=建立時間+指令數(shù)*(階段數(shù)-1)*延遲=5ns+100*(5-1)*1ns=5ns+400ns=405ns。（或近似為100*4*1ns=400ns，因為第一階段時間可忽略不計或近似為1階段）取整數(shù)約為400ns。更精確計算應為5+99*4=401ns。答案：1)500ns；2)401ns(或近似400ns)四、簡答題1.解析：浮點數(shù)表示法用符號位（S）、尾數(shù)（M）和階碼（E）三部分表示一個數(shù)。符號位表示正負，尾數(shù)表示數(shù)值的有效數(shù)字，階碼表示數(shù)值的絕對值大小和位置。其基本思想是將一個數(shù)表示為符號*尾數(shù)*基數(shù)的階次冪的形式。優(yōu)點是表示范圍廣，缺點是精度相對固定，且運算比定點數(shù)復雜。精度取決于尾數(shù)位數(shù)，范圍取決于階碼位數(shù)。2.解析：數(shù)據(jù)冒險是指后繼指令需要使用前序指令的輸出結(jié)果，但該結(jié)果尚未寫回到寄存器（或內(nèi)存）中，導致后繼指令無法立即執(zhí)行的現(xiàn)象。解決方法：1）stalls（停頓）：后繼指令等待結(jié)果準備好，在流水線中插入空操作。2）數(shù)據(jù)前遞（Forwarding/Bypassing）：將結(jié)果直接從產(chǎn)生寄存器傳遞給使用寄存器的指令的執(zhí)行單元。3）指令重排序（Reordering）：在不改變程序邏輯的前提下，通過硬件指令調(diào)度，讓產(chǎn)生結(jié)果早的指令先執(zhí)行。3.解析：DMA傳輸流程：1）I/O設備提出傳輸請求。2）CPU響應請求，設置DMA控制器（指定內(nèi)存地址、傳輸數(shù)據(jù)塊大小、設備地址、傳輸方向等）。3）DMA控制器接管總線控制權(quán)。4）DMA控制器向內(nèi)存和I/O設備發(fā)出命令，在總線上執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。5）數(shù)據(jù)傳輸完成，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷請求。6）CPU響應中斷，進行傳輸后的處理。7）DMA控制器釋放總線控制權(quán)。五、論述題解析：Cache是介于CPU和主存之間的高速小容量存儲器，用于存放當前CPU頻繁訪問的指令和數(shù)據(jù)。其工作原理基于程序的局部性原理（時間局部性和空間局部性），即最近被訪問過的數(shù)據(jù)/指令很可能在不久的將來再次被訪問，以及相鄰的數(shù)據(jù)/指令也容易被訪問。當CPU訪問內(nèi)存時，系統(tǒng)首先檢查Cache。若在Cache中找到所需數(shù)據(jù)（Cache命中），則直接從Cache讀取，速度很快；若未找到（Cache未命中），則需要從主存中讀取數(shù)據(jù)，同時將該數(shù)據(jù)及其周圍的一部分數(shù)據(jù)副本調(diào)入Cache，然后才提供給CPU。Cache顯著提高了CPU訪問數(shù)據(jù)的速度，降低了內(nèi)存訪