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标题: 《计算机系统原理》综合模拟试题五 [打印本页]
作者: chinasll    时间: 3 天前
标题: 《计算机系统原理》综合模拟试题五
《计算机系统原理》综合模拟试题五一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）
1. 以下属于指令流水线结构冲突的是（ ）A. 多条指令同时访问同一寄存器B. 分支指令导致流水线断流C. 运算结果未及时写入寄存器D. 同时访问指令存储器和数据存储器
2. 在磁盘调度算法中，可能产生 "磁头抖动" 的是（ ）A. 先来先服务（FCFS）B. 最短寻道时间优先（SSTF）C. 电梯算法（SCAN）D. 循环扫描（CSCAN）
3. 进程间通过共享内存进行通信时，必须配合使用的机制是（ ）A. 信号量B. 消息队列C. 管道D. 套接字
4. 以下关于指令操作数类型的叙述，错误的是（ ）A. 操作数可以是立即数B. 操作数可以是寄存器地址C. 操作数可以是内存地址D. 操作数不能是外设端口地址
5. 在 Cache 写策略中，"写回法" 的主要优点是（ ）A. 减少主存写操作次数B. 保证主存与 Cache 数据一致C. 提高 Cache 命中率D. 简化硬件设计
6. 以下属于进程调度抢占式策略的是（ ）A. 时间片轮转（RR）B. 先来先服务（FCFS）C. 短作业优先（SJF）D. 高优先级优先（HPF）
7. 文件系统中，支持高效随机访问的物理结构是（ ）A. 顺序结构B. 链接结构C. 索引结构D. 哈希结构
8. 指令系统中，操作数地址为相对地址的寻址方式是（ ）A. 直接寻址B. 间接寻址C. 基址寻址D. 相对寻址
9. 以下关于 DMA 控制器的叙述，正确的是（ ）A. DMA 传输需要 CPU 全程参与B. DMA 控制器可以直接控制总线C. DMA 只能实现外设到内存的传输D. DMA 传输以字节为单位进行
10. 操作系统中，处理机调度的最小单位是（ ）A. 进程B. 线程C. 程序D. 作业
二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）
1. 计算机系统的硬件核心是（ ），由运算器和控制器组成。
2. 指令的操作数类型包括立即数、寄存器操作数和（ ）。
3. Cache 的三种基本映射方式为直接映射、全相联映射和（ ）。
4. 设备管理中，通道是一种专用的（ ）处理器。
5. 进程调度的两个基本目标是公平性和（ ）。
6. 文件的索引结构通过（ ）记录数据块的物理地址。
7. 指令流水线的主要性能指标包括吞吐率、效率和（ ）。
8. 虚拟存储器的页式管理中，页面置换算法 FIFO 是指（ ）。
9. 总线的异步定时方式通过（ ）信号协调数据传输。
10. 操作系统中，用户态与内核态的切换通过（ ）实现。
三、名词解释题（本大题共 2 小题，每小题 5 分，共 10 分）
1. 指令流水线
2. 文件目录
四、简答题（本大题共 4 小题，每小题 5 分，共 20 分）
1. 简述指令流水线的三种冲突类型及其解决方法。
2. 说明 Cache 写策略中 "写直达法" 与 "写回法" 的区别。
3. 进程间通信的主要方式有哪些？各自的适用场景是什么？
4. 文件系统为什么需要实现数据一致性？如何保证数据一致性？
五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）
1. 某浮点数格式为：符号位 1 位，阶码 6 位（移码），尾数 9 位（补码，含 1 位整数位）。若机器数为0 110010 101010000，求其十进制真值（阶码偏移量为 32）。
2. 某磁盘共有 500 个磁道（0-499），磁头当前位于 100 号磁道，依次接收的访问请求为：150、300、200、50、350。采用电梯算法（SCAN，当前磁头移动方向为从低到高），计算磁头移动的总道数。
六、分析设计题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）
1. 设计一个五阶段指令流水线（取指、译码、执行、访存、写回），分析数据冲突的产生条件及解决方法。
2. 假设某系统有两个进程 P1 和 P2，共享临界资源 R。使用信号量机制设计同步算法，确保每次仅允许一个进程访问 R，并说明信号量的初始化和操作步骤。

《计算机系统原理》综合模拟试题五参考答案及详细分析一、单项选择题
1. D
◦ 分析：结构冲突指硬件资源冲突，如同时访问指令 Cache 和数据 Cache 导致的冲突；A 属于数据冲突，B 属于控制冲突，C 属于数据相关，故选 D。
1. B
◦ 分析：SSTF 算法优先处理最近磁道，可能导致磁头在小范围内频繁往返（抖动），而 SCAN/CSCAN 算法按固定方向移动，减少抖动，故选 B。
2. A
◦ 分析：共享内存需要信号量或互斥锁保证互斥访问，避免数据竞争；消息队列、管道、套接字是独立的通信方式，故选 A。
3. D
◦ 分析：外设端口地址可作为操作数（如 I/O 指令直接访问端口），因此 D 错误，其他选项均为常见操作数类型。
4. A
◦ 分析：写回法仅当 Cache 块被替换时写回主存，减少主存写次数；写直达法每次写 Cache 同时写主存，保证一致性但开销大，故选 A。
5. A
◦ 分析：时间片轮转强制抢占 CPU，属于抢占式策略；FCFS、SJF、HPF（非抢占式）属于非抢占策略，故选 A。
6. C
◦ 分析：索引结构通过索引表直接定位数据块，支持高效随机访问；顺序结构适合顺序访问，链接结构随机访问需遍历链表，故选 C。
7. D
◦ 分析：相对寻址的操作数地址是 PC 值与偏移量之和，属于程序相对地址；基址寻址是基址寄存器与偏移量之和，故选 D。
8. B
◦ 分析：DMA 控制器可直接控制总线，实现内存与外设的数据传输，无需 CPU 干预，传输以块为单位，支持双向传输，故选 B。
9. B
◦ 分析：线程是处理机调度的最小单位，进程是资源分配的最小单位，程序是静态代码，作业是用户任务，故选 B。
二、填空题
1. 中央处理器（CPU）
◦ 分析：CPU 是硬件核心，由运算器（ALU）和控制器（CU）组成，实现数据运算和指令控制。
10. 内存操作数
◦ 分析：操作数类型包括立即数（直接在指令中）、寄存器操作数（存于寄存器）、内存操作数（存于主存单元）。
11. 组相联映射
◦ 分析：Cache 映射方式分为直接映射（固定映射）、全相联（任意映射）、组相联（分组映射），组相联是前两者的折中。
12. I/O（输入输出）
◦ 分析：通道是专用 I/O 处理器，独立于 CPU 管理外设，提高 I/O 效率，常见于大型机系统。
13. 高效性
◦ 分析：进程调度目标包括公平性（资源分配均衡）和高效性（CPU 利用率最大化），两者需平衡。
14. 索引表
◦ 分析：索引结构为每个文件建立索引表，记录数据块的物理地址，支持随机访问，索引表本身可存于磁盘。
15. 加速比
◦ 分析：流水线性能指标包括吞吐率（单位时间指令数）、效率（各阶段利用率）、加速比（流水线与非流水线时间比）。
16. 先进先出
◦ 分析：FIFO（First-In-First-Out）页面置换算法淘汰最早进入内存的页面，实现简单但可能导致 Belady 现象。
17. 握手（应答）
◦ 分析：异步定时总线无统一时钟，通过请求 / 应答握手信号协调传输，适合不同速度设备通信。
18. 系统调用（或中断）
◦ 分析：用户态通过系统调用（软中断）进入内核态，处理机状态寄存器（PSW）切换特权级别。
三、名词解释题
1. 指令流水线
◦ 分析：指令流水线是将指令执行过程分解为多个阶段（如取指、译码、执行、访存、写回），各阶段由独立功能单元处理，允许不同指令的不同阶段并行执行的技术。通过流水线，CPU 可在一个时钟周期内处理多条指令的不同阶段，提高指令执行效率，提升系统吞吐量。例如，第一条指令取指时，第二条指令可同时译码，第三条指令执行，形成流水线作业。
19. 文件目录
◦ 分析：文件目录是文件系统中用于组织和管理文件的结构化数据集合，存储文件名、文件属性（如大小、权限、创建时间）及文件控制块（FCB）的索引信息。它提供层次化的命名空间，支持文件的快速检索、分类存储和访问控制。常见目录结构包括单级目录、二级目录、树状目录和无环图目录，其中树状目录是最常用的结构，通过子目录嵌套实现文件的分层管理。
四、简答题
1. 简述指令流水线的三种冲突类型及其解决方法。
◦ 分析：
▪ 结构冲突：硬件资源竞争（如同时访问内存取指和读数）。解决：增加硬件资源（如分离指令 Cache 和数据 Cache）、流水线停顿（插入气泡等待资源释放）。
▪ 数据冲突：后续指令依赖前序指令的运算结果。解决：数据前推（旁路技术，直接将结果从运算单元送到需要的部件）、寄存器重命名（避免寄存器使用冲突）、流水线停顿（等待结果写入寄存器）。
▪ 控制冲突：分支指令导致流水线断流（需确定下一条指令地址）。解决：分支预测（静态 / 动态预测分支方向）、延迟分支（在分支指令后插入无关指令填充流水线）。
20. 说明 Cache 写策略中 "写直达法" 与 "写回法" 的区别。
◦ 分析：
▪ 写直达法（Write-Through）：
• 写操作时，数据同时写入 Cache 和主存，保证两者数据一致。
• 优点：实现简单，主存数据实时更新；缺点：主存写操作频繁，影响性能，适合对数据一致性要求高的场景（如多处理器系统）。
▪ 写回法（Write-Back）：
• 写操作时，数据仅写入 Cache，标记该块为 "脏块"，当 Cache 块被替换时才写回主存。
• 优点：减少主存写次数，提高写性能；缺点：需维护脏块标记，可能因 Cache 失效导致数据丢失，适合写操作较少的场景。
21. 进程间通信的主要方式有哪些？各自的适用场景是什么？
◦ 分析：
▪ 共享内存：多个进程共享同一块内存区域，适合大量数据快速交换，需配合信号量等同步机制（如实时数据处理）。
▪ 消息传递：通过消息队列、管道等传递结构化消息，适合松耦合进程间通信（如微服务架构）。
▪ 信号量：控制进程对临界资源的互斥访问，适合简单同步场景（如生产者 - 消费者问题）。
▪ 套接字（Socket）：支持网络环境下的进程通信，适合分布式系统（如客户端 - 服务器模式）。
▪ 管道：半双工通信，用于父子进程间的数据流传输（如 Shell 命令管道）。
22. 文件系统为什么需要实现数据一致性？如何保证数据一致性？
◦ 分析：
▪ 必要性：数据一致性确保文件在读写操作后状态正确，避免因系统崩溃、并发访问等导致数据丢失或损坏（如文件写入过程中断电，需保证文件要么完整更新，要么回退到原状态）。
▪ 保证方法：
• 事务支持：将文件操作作为原子事务，确保 "全成功或全失败"（如日志式文件系统）。
• 并发控制：通过锁机制（文件锁、记录锁）避免并发写入冲突。
• 错误恢复：利用备份、校验和、磁盘配额等技术恢复数据。
• 一致性检查：定期运行文件系统检查工具（如 fsck）修复元数据错误。
五、计算题
1. 符号位：0（正数）
◦ 阶码（移码 110010）：移码偏移量 32，真值 = 二进制 110010 - 32=50-32=+18，即 2^18
◦ 尾数（补码 1.01010000，整数位 1，小数位 01010000）：补码为正数，真值 = 1 + 0×2^-1 + 1×2^-2 + 0×2^-3 + 1×2^-4 = 1.3125
◦ 真值：1.3125 × 2^18 = 1.3125 × 262144 = 344064
◦ 答案：+344064
2. 当前磁道 100，移动方向从低到高，目标磁道排序：150、200、300、350（高于 100 的请求），50（低于 100 的请求待返回时处理）
◦ 磁头移动路径：100→150（50 道）→200（50 道）→300（100 道）→350（50 道），到达最高磁道 350 后反向，处理剩余请求 50：350→50（300 道，错误，反向应从 499 开始，此处题目磁道为 0-499，当前最高请求 350，故反向后处理 50）
◦ 正确路径：100→150→200→300→350（共 50+50+100+50=250 道），反向到 50 需经过 350→300→200→150→100→50（300-50=250 道，但实际每步计算：350→300=50，300→200=100，200→150=50，150→100=50，100→50=50，共 50+100+50+50+50=300 道）
◦ 总道数：正向 250 + 反向 300 = 550 道
◦ 答案：550 道（注：电梯算法需按当前方向处理所有同向请求，再反向处理剩余请求，磁头移动道数为相邻磁道差的绝对值之和）
六、分析设计题
1. 五阶段流水线数据冲突分析：
◦ 数据冲突产生条件：后指令的源操作数是前指令的目的操作数，且前指令的写回阶段在后指令的译码 / 执行阶段之前。
◦ 解决方法：
▪ 数据前推（Forwarding）：在执行阶段，若检测到操作数来自未写回的前指令，直接从 ALU 输出或访存结果缓冲区获取数据，避免等待寄存器写入。
▪ 流水线停顿（Stall）：若无法前推（如访存阶段的数据），插入气泡，暂停后指令执行，直到前指令结果写入寄存器。
▪ 寄存器重命名：通过硬件为寄存器分配多个物理单元，避免因指令乱序执行导致的读后写、写后写冲突。
23. 信号量机制实现进程互斥：
◦ 信号量定义：semaphore mutex = 1;（初始值 1，代表临界资源可用）
◦ P1 进程代码：
[size=11.0000pt]wait(mutex);  // 申请临界资源  
[size=11.0000pt]访问临界资源R;  
[size=11.0000pt]signal(mutex); // 释放临界资源  
◦ P2 进程代码：
[size=11.0000pt]wait(mutex);  
[size=11.0000pt]访问临界资源R;  
[size=11.0000pt]signal(mutex);  
◦ 操作步骤：
i. 初始化信号量 mutex 为 1，表示临界资源可用。
ii. 进程进入临界区前执行 wait (mutex)，若 mutex>0 则减 1 并进入；若 mutex=0 则阻塞等待。
iii. 进程离开临界区时执行 signal (mutex)，mutex 加 1，唤醒阻塞队列中的进程。
◦ 作用：通过信号量的原子操作保证互斥，每次仅允许一个进程持有 mutex 信号量，实现对临界资源 R 的独占访问。





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