《计算机系统原理》综合模拟试题八

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《计算机系统原理》综合模拟试题八一、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 CPU 内部总线的是（ ）A. 系统总线B. 片内总线C. 外部总线D. 数据总线

2. 指令中操作数地址为内存地址，且该地址需通过寄存器间接获取的寻址方式是（ ）A. 直接寻址B. 寄存器间接寻址C. 基址寻址D. 相对寻址

3. 在虚拟存储器中，TLB（快表）的主要作用是加速（ ）A. 逻辑地址到物理地址的转换B. 物理地址到逻辑地址的转换C. 段号到段基址的映射D. 页号到页帧号的映射

4. 以下设备中，采用 DMA 方式进行数据传输的是（ ）A. 键盘B. 显示器C. 硬盘D. 打印机

5. 进程调度算法中，可能导致低优先级进程长期无法执行的是（ ）A. 时间片轮转（RR）B. 先来先服务（FCFS）C. 高优先级优先（HPF）D. 短作业优先（SJF）

6. 文件系统中，用于存储文件数据的物理单位是（ ）A. 扇区B. 磁道C. 块D. 簇

7. 以下关于微程序控制器的叙述，错误的是（ ）A. 控制信号由微指令生成B. 适合复杂指令系统C. 速度比硬布线控制器快D. 控制逻辑存储于控制存储器中

8. 在段页式存储管理中，逻辑地址的组成是（ ）A. 段号 + 页号 + 页内偏移B. 段号 + 段内偏移 + 页号C. 页号 + 段号 + 页内偏移D. 页内偏移 + 段号 + 页号

9. 磁盘调度算法中，按照磁头移动方向依次处理请求的是（ ）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）

10. 进程间通过消息队列进行通信时，数据传输的特性是（ ）A. 直接访问共享内存B. 通过内核缓冲区传递C. 无需同步机制D. 实时性最强

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 计算机系统的层次结构中，硬件层之上是（ ）层。

2. 指令的寻址方式分为（ ）寻址和跳跃寻址。

3. Cache 与主存之间的数据交换以（ ）为单位进行。

4. 设备管理中，通道技术通过专用的（ ）处理器实现 CPU 与外设的并行工作。

5. 进程的动态性体现在其有创建、运行和（ ）的生命周期。

6. 文件的物理结构中，（ ）结构通过链表链接数据块，适合动态扩展。

7. 虚拟存储器的段式管理中，段表的作用是实现段号到（ ）的映射。

8. 总线仲裁的目的是解决多个设备对总线的（ ）冲突。

9. 中断处理的核心阶段是（ ），负责执行具体的中断处理程序。

10. 操作系统中，用户通过（ ）接口向系统提交作业和控制作业运行。

三、名词解释题（本大题共 2 小题，每小题 5 分，共 10 分）

1. 机器周期

2. 地址变换机构

四、简答题（本大题共 4 小题，每小题 5 分，共 20 分）

1. 简述指令流水线的控制冲突及其解决方法。

2. 说明动态 RAM（DRAM）与静态 RAM（SRAM）的主要区别及应用场景。

3. 进程同步中，信号量机制的核心思想是什么？P 操作和 V 操作的作用分别是什么？

4. 文件系统中，目录结构有哪些类型？树状目录结构的优点是什么？

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 已知某 32 位浮点数的格式为：符号位 1 位，阶码 8 位（移码），尾数 23 位（原码，含 1 位整数位）。若机器数为0 10000010 10100000000000000000000，求其十进制真值（阶码偏移量为 127）。

2. 某计算机主存地址空间为 16MB，Cache 容量为 64KB，块大小为 16 字节，采用组相联映射（每组 4 块）。计算主存地址中标记字段、组号字段和块内偏移字段的长度。

六、分析设计题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 设计一个基于多级页表的地址转换流程，说明页目录表与页表的作用及访问过程。

2. 假设某系统有 4 个进程，每个进程最多申请 3 个同类资源，系统共有 10 个可用资源。使用银行家算法分析是否存在安全序列，并说明判断依据。

《计算机系统原理》综合模拟试题八参考答案及详细分析一、单项选择题

1. B

◦ 分析：片内总线是 CPU 内部各部件（如 ALU 与寄存器）之间的总线，属于内部总线；系统总线和外部总线属于计算机系统层次的总线，数据总线是系统总线的一部分，故选 B。

1. B

◦ 分析：寄存器间接寻址的操作数地址存于寄存器中，即寄存器内容为内存地址，需间接获取操作数；直接寻址的地址码是内存地址，基址寻址需结合基址寄存器，相对寻址基于 PC 偏移，故选 B。

1. A

◦ 分析：TLB（快表）缓存最近访问的页表项，加速逻辑地址到物理地址的转换（页式管理中页号到页帧号的映射），减少内存访问次数，故选 A。

1. C

◦ 分析：硬盘作为高速块设备，数据传输量大，适合 DMA 方式（直接内存访问）；键盘、显示器、打印机通常采用中断或程序查询方式，故选 C。

1. C

◦ 分析：高优先级优先（HPF）算法中，若低优先级进程始终得不到调度，可能导致 “饥饿”；RR 和 FCFS 具有较好的公平性，SJF 可能对长作业不友好，故选 C。

1. C

◦ 分析：文件系统以 “块” 为基本单位分配存储空间，扇区是磁盘物理单位，磁道是磁盘表面的同心圆，簇是多个扇区的组合，故选 C。

1. C

◦ 分析：微程序控制器通过读取控制存储器中的微指令生成控制信号，适合复杂指令系统，但速度略慢于硬布线控制器（后者用组合逻辑直接生成信号），故选 C。

1. A

◦ 分析：段页式管理先分段再分页，逻辑地址由段号、页号、页内偏移组成，段号对应段表找到页表基址，页号对应页表找到页帧号，故选 A。

1. C

◦ 分析：SCAN 算法（电梯算法）按当前磁头移动方向（如从低到高）依次处理所有请求，到达边界后反向，确保公平性并减少抖动，故选 C。

1. B

◦ 分析：消息队列通过内核缓冲区传递消息，属于间接通信，需同步机制保证顺序；共享内存直接访问，实时性取决于实现，消息队列适合异步通信，故选 B。

二、填空题

1. 操作系统

◦ 分析：计算机系统层次结构中，硬件层之上是操作系统层，向下管理硬件，向上提供应用程序运行环境。

1. 顺序

◦ 分析：指令寻址方式分为顺序寻址（PC 递增）和跳跃寻址（通过转移指令改变 PC），实现程序的顺序执行和分支跳转。

1. 块

◦ 分析：Cache 与主存以块（Cache Line）为单位交换数据，块大小通常为 32-128 字节，利用程序局部性原理提高命中率。

1. I/O

◦ 分析：通道是专用 I/O 处理器，独立于 CPU 管理外设，支持批量数据传输，实现 CPU 与外设的并行工作，常见于大型主机系统。

1. 终止

◦ 分析：进程的动态性表现为生命周期，包括创建（new）、运行（running）、终止（terminated）等状态，由操作系统动态管理。

1. 链接

◦ 分析：链接结构（链式存储）将数据块用指针链接，适合文件动态扩展（如添加或删除数据块），但随机访问效率低。

1. 段基址

◦ 分析：段式管理中，段表记录段号对应的段基址（段起始物理地址）和段长，逻辑地址段内偏移需小于段长以避免越界。

1. 竞争

◦ 分析：总线仲裁解决多个设备同时申请总线的竞争问题，确保同一时刻只有一个设备使用总线，分为集中式（中央仲裁器）和分布式（设备自主仲裁）。

1. 中断服务

◦ 分析：中断处理流程中，中断服务阶段执行具体的中断处理程序（如读取外设数据、处理异常），是解决中断事件的核心步骤。

1. 作业控制

◦ 分析：用户通过作业控制接口（如命令行、图形界面）提交作业（如编译、运行程序），并控制作业的执行流程（如暂停、恢复）。

三、名词解释题

1. 机器周期

◦ 分析：机器周期是 CPU 完成一个基本操作（如取指、存取数）所需的时间，通常等于主存的存取周期。它是指令周期的基本单位，一个指令周期由若干机器周期组成，例如取指周期、执行周期等。机器周期的长短由 CPU 主频和操作复杂度决定，是计算机时序控制的重要概念。

1. 地址变换机构

◦ 分析：地址变换机构是计算机硬件中实现逻辑地址到物理地址转换的部件（如 MMU，内存管理单元）。在虚拟存储系统中，通过查找页表或段表，将程序使用的逻辑地址转换为实际物理地址，支持分页、分段、段页式存储管理，同时实现内存保护和地址空间隔离。

四、简答题

1. 简述指令流水线的控制冲突及其解决方法。

◦ 分析：

▪ 控制冲突：指分支指令（如条件跳转）导致流水线无法确定下一条指令地址，从而打断流水线执行的冲突。当分支指令进入流水线时，后续指令可能需要回退或暂停，导致流水线气泡（stall）。

▪ 解决方法：① 分支预测：通过静态预测（如假设不跳转）或动态预测（根据历史数据预测）提前获取可能的目标指令，减少流水线停顿。② 延迟分支：在分支指令后插入一条与分支结果无关的指令（延迟槽），填充流水线气泡，提高流水线利用率。③ 预取技术：同时预取分支和非分支路径的指令，根据实际结果选择有效指令，减少预测错误的影响。

1. 说明动态 RAM（DRAM）与静态 RAM（SRAM）的主要区别及应用场景。

◦ 分析：

▪ 主要区别：

• 存储原理：DRAM 利用电容存储电荷，需定期刷新（约每 64ms）；SRAM 用触发器存储数据，无需刷新。

• 速度与成本：SRAM 速度快、成本高、容量小；DRAM 速度慢、成本低、容量大。

• 应用场景：SRAM 用于 CPU 缓存（L1/L2/L3 Cache），要求高速访问；DRAM 用于主存（内存），满足大容量需求。

▪ 总结：SRAM 适合高速小容量场景，DRAM 适合低速大容量场景，两者结合构成存储层次结构。

1. 进程同步中，信号量机制的核心思想是什么？P 操作和 V 操作的作用分别是什么？

◦ 分析：

▪ 核心思想：通过一个整数信号量（semaphore）记录临界资源的可用数量，实现进程对临界资源的互斥访问和同步协作。信号量的值表示可用资源数，负数表示等待该资源的进程数。

▪ P 操作（wait 操作）：申请资源，信号量减 1。若结果小于 0，进程阻塞等待；否则继续执行，确保每次仅允许一个进程进入临界区。

▪ V 操作（signal 操作）：释放资源，信号量加 1。若结果小于等于 0，唤醒一个等待进程，保证资源释放后等待进程能及时获取。

1. 文件系统中，目录结构有哪些类型？树状目录结构的优点是什么？

◦ 分析：

▪ 目录结构类型：① 单级目录：所有文件在同一目录，易重名，适合简单系统。② 二级目录：分为主目录和用户目录，解决多用户重名问题。③ 树状目录：层次化结构，支持子目录嵌套，是最常用结构。④ 无环图目录：允许文件 / 目录被多个路径引用，支持共享。⑤ 通用图目录：支持循环引用，复杂度高。

▪ 树状目录优点：① 层次清晰，便于文件分类管理（如按功能、用户分组）。② 避免同名冲突（不同子目录可存在同名文件）。③ 支持文件共享（通过硬链接或软链接）和权限分级（不同目录设置不同权限）。

五、计算题

1. 浮点数真值计算

◦ 符号位：0（正数）

◦ 阶码（移码 10000010）：移码值 = 130，偏移量 127，阶码真值 = 130-127=+3，即 2^3=8

◦ 尾数（原码 1.1010...）：整数位 1，小数位 1010...，真值 = 1 + 1×2^-1 + 0×2^-2 + 1×2^-3 = 1.625

◦ 真值 = 1.625 × 8 = 13

◦ 答案：+13

1. 组相联映射地址字段计算

◦ 主存容量 16MB=2^24B，Cache 容量 64KB=2^16B，块大小 16B=2^4B，每组 4 块

◦ 块内偏移：log2 (16B)=4 位

◦ Cache 组数：64KB/(16B×4)=1024 组，组号字段 = 10 位（2^10=1024）

◦ 主存地址长度 24 位，标记字段 = 24-10-4=10 位

◦ 答案：标记字段 10 位，组号字段 10 位，块内偏移 4 位

六、分析设计题

1. 多级页表地址转换流程

◦ 流程设计：① 逻辑地址结构：页目录号 + 页号 + 页内偏移（以二级页表为例）。② 访问过程：

▪ 通过页目录基址寄存器（CR3）找到页目录表，用页目录号查找页目录项，获取二级页表基址。

▪ 用页号查找二级页表项，获取页帧号（若页目录项或页表项有效位为 0，触发缺页中断）。

▪ 物理地址 = 页帧号 × 页大小 + 页内偏移。

▪ 页目录表作用：映射页目录号到二级页表基址，减少页表内存占用（仅加载当前使用的页表）。

▪ 页表作用：映射页号到页帧号，实现逻辑页到物理页的转换，支持虚拟存储器的离散分配。

1. 银行家算法安全序列分析

◦ 资源分配情况：4 个进程，每个最多申请 3 个，总资源 10 个。

▪ 最坏情况：每个进程已分配 2 个资源（共 8 个），剩余 2 个资源。

▪ 此时任意进程申请第 3 个资源，系统分配后剩余 0 个，该进程获得 3 个资源并释放，释放后资源数恢复为 3 个，可继续分配给其他进程。

◦ 安全序列存在性：总资源 10 ≥ 4×(3-1)=8（满足银行家算法安全条件），存在安全序列（如按进程申请顺序分配，确保每次分配后仍有资源让至少一个进程完成）。

◦ 结论：系统处于安全状态，存在安全序列，因为剩余资源能满足至少一个进程的最大需求，使其完成并释放资源，进而满足其他进程。