《计算机系统原理》综合模拟试题九

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《计算机系统原理》综合模拟试题九一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 以下属于特权指令的是（ ）A. 加法指令B. 内存访问指令C. 中断屏蔽指令D. 数据传输指令

2. 指令中操作数地址为程序计数器（PC）与偏移量之和的寻址方式是（ ）A. 基址寻址B. 变址寻址C. 相对寻址D. 立即寻址

3. 在虚拟存储器中，页表项中的 "修改位" 用于记录（ ）A. 页面是否被访问过B. 页面是否被写入过C. 页面是否在内存中D. 页面的访问权限

4. 以下设备控制方式中，CPU 利用率最高的是（ ）A. 程序查询方式B. 中断方式C. DMA 方式D. 通道方式

5. 进程调度中，短作业优先（SJF）算法属于（ ）A. 抢占式调度B. 非抢占式调度C. 实时调度D. 公平调度

6. 文件系统中，用户通过路径名访问文件时，需逐层查找（ ）A. 索引节点B. 文件控制块C. 目录项D. 数据块

7. 以下关于硬布线控制器的叙述，正确的是（ ）A. 控制信号由微指令生成B. 适合简单指令系统C. 逻辑结构复杂但速度慢D. 需额外控制存储器

8. 在分页存储管理中，页面大小由（ ）决定A. 主存容量B. 逻辑地址空间C. 硬件地址变换机构D. 磁盘块大小

9. 磁盘调度算法中，不需要维护请求队列的是（ ）A. FCFSB. SSTFC. SCAND. 随机调度

10. 进程间共享代码段时，通常采用（ ）技术A. 动态链接B. 静态链接C. 地址重定位D. 段式共享

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 计算机硬件系统由五大功能部件组成，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和（ ）。

2. 指令由操作码和（ ）两部分组成，前者决定操作类型，后者指示操作数位置。

3. Cache 的命中率随容量增大而（ ），但增长幅度逐渐减小。

4. 设备管理中，（ ）技术通过设置缓冲区解决 CPU 与外设的速度不匹配问题。

5. 进程的三种基本状态中，（ ）态是进程等待 CPU 调度的状态。

6. 文件的逻辑结构分为（ ）文件和记录式文件，前者是无结构的字节流。

7. 虚拟存储器的实现基于程序的（ ）原理，包括时间局部性和空间局部性。

8. 总线按功能分为数据总线、地址总线和（ ）总线。

9. 中断处理的首要步骤是（ ），即外设向 CPU 发送请求信号。

10. 操作系统中，（ ）是资源分配的基本单位，而线程是处理机调度的基本单位。

三、名词解释题（本大题共 2 小题，每小题 5 分，共 10 分）

1. 特权指令

2. 文件逻辑结构

四、简答题（本大题共 4 小题，每小题 5 分，共 20 分）

1. 简述中断处理的主要流程及各阶段的核心任务。

2. 说明分页存储管理与分段存储管理的主要区别。

3. 进程与线程的主要区别有哪些？为什么引入线程？

4. 文件系统的主要功能包括哪些？试列举至少四项。

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 已知某 8 位二进制数的补码为10110101，求其原码、反码和十进制真值。

2. 某计算机主存容量为 32MB，Cache 容量为 128KB，块大小为 64 字节，采用组相联映射（每组 8 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. 设计一个基于中断机制的打印机数据输出流程，说明 CPU 在数据传输过程中的作用。

2. 假设某系统有 3 个进程 P1、P2、P3，分别需要 4、3、5 个同类资源，系统当前已分配资源数为 6，最大资源数为 12。使用银行家算法判断是否存在安全序列，并说明判断步骤。

《计算机系统原理》综合模拟试题九参考答案及详细分析一、单项选择题

1. C

◦ 分析：特权指令是只能在核心态（内核态）执行的指令，如中断屏蔽、内存保护等，用于操作系统管理硬件资源，故选 C。普通用户程序不能执行特权指令，其他选项为非特权指令。

1. C

◦ 分析：相对寻址的操作数地址是程序计数器（PC）值与指令中偏移量的和，用于实现程序的相对跳转；基址寻址使用基址寄存器，变址寻址使用变址寄存器，立即寻址的操作数直接在指令中，故选 C。

1. B

◦ 分析：页表项中的修改位（脏位）标记页面是否被写入过，用于写回法 Cache 策略和虚拟内存页面置换，若修改过则置换时需写回主存，故选 B。访问位记录是否被访问，有效位标记是否在内存，保护位控制访问权限。

1. D

◦ 分析：通道方式通过专用 I/O 处理器独立管理外设，CPU 只需发起 I/O 请求，无需干预数据传输，利用率最高；程序查询方式 CPU 需轮询，利用率最低，中断和 DMA 次之，故选 D。

1. B

◦ 分析：短作业优先（SJF）算法通常为非抢占式（作业执行完毕才释放 CPU），但也有抢占式变种（最短剩余时间优先），但典型 SJF 属于非抢占式，故选 B。

1. C

◦ 分析：用户通过路径名访问文件时，操作系统逐层解析目录名，查找目录项（文件名到 FCB 的映射），最终找到文件控制块，故选 C。索引节点存储文件元数据，数据块存储文件内容。

1. B

◦ 分析：硬布线控制器通过组合逻辑电路直接生成控制信号，结构复杂但速度快，适合简单指令系统；微程序控制器适合复杂指令系统，需控制存储器，故选 B。

1. C

◦ 分析：页面大小由硬件地址变换机构（如 MMU）决定，通常与磁盘块大小匹配（如 4KB），以提高 I/O 效率，故选 C。逻辑地址空间和主存容量影响页号长度，不决定页面大小。

1. D

◦ 分析：随机调度不维护请求队列，随机选择磁道访问，效率最低；其他算法均需维护队列（FCFS 按到达顺序，SSTF/SCAN 按磁道位置排序），故选 D。

1. D

◦ 分析：段式存储管理中，不同进程可共享代码段（通过段表映射相同段基址），实现代码共享；动态链接是程序运行时加载库，地址重定位是地址转换过程，故选 D。

二、填空题

1. 输出设备

◦ 分析：计算机硬件五大部件包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，构成冯・诺依曼体系结构的核心。

1. 地址码

◦ 分析：指令的基本格式为操作码 + 地址码，地址码可以是操作数地址、结果地址或下一条指令地址。

1. 提高

◦ 分析：Cache 容量越大，能存储的页面越多，程序局部性命中概率越高，命中率随容量增大而提高，但受限于局部性原理，增长幅度递减。

1. 缓冲

◦ 分析：缓冲技术通过设置缓冲区（如单缓冲、双缓冲）暂存数据，平滑 CPU 与外设的速度差异，减少 CPU 等待时间。

1. 就绪

◦ 分析：进程的三种基本状态中，就绪态进程已准备好运行，等待 CPU 调度；运行态占用 CPU，阻塞态等待资源或事件。

1. 流式

◦ 分析：文件逻辑结构分为流式文件（如文本文件，无结构字节流）和记录式文件（如数据库文件，有结构记录集合）。

1. 局部性

◦ 分析：虚拟存储器依赖程序局部性原理，时间局部性指近期访问的内容可能再次访问，空间局部性指相邻地址内容可能被访问。

1. 控制

◦ 分析：系统总线按功能分为数据总线（传输数据）、地址总线（传输地址）、控制总线（传输控制信号，如读 / 写命令）。

1. 中断请求

◦ 分析：中断处理流程始于外设发送中断请求信号，经判优后 CPU 响应，进入中断服务，最后返回原程序。

1. 进程

◦ 分析：进程是资源分配的基本单位（拥有独立地址空间、打开文件等资源），线程是调度的基本单位（共享进程资源，切换开销小）。

三、名词解释题

1. 特权指令

◦ 分析：特权指令是只能由操作系统内核在核心态（特权态）执行的指令，具有控制硬件资源的能力，如设置中断屏蔽、修改程序状态字、内存保护等。这类指令不允许用户程序直接调用，通过系统调用接口间接使用，确保系统安全和稳定。

1. 文件逻辑结构

◦ 分析：文件逻辑结构是从用户视角看到的文件组织形式，独立于文件在存储设备上的物理布局。主要分为两类：流式文件（无结构的字节序列，如文本文件）和记录式文件（有结构的记录集合，如数据库文件，每个记录有特定格式和字段）。逻辑结构关注用户如何组织和访问数据，由文件系统提供抽象接口。

四、简答题

1. 简述中断处理的主要流程及各阶段的核心任务。

◦ 分析：

i. 中断请求：外设完成数据传输或发生异常事件，向 CPU 发送中断请求信号（如 IRQ）。

ii. 中断判优：若多个中断同时发生，CPU 根据优先级判断先处理哪个请求（如硬件排队器或软件判优）。

iii. 中断响应：CPU 在当前指令执行完毕后，若中断允许（IF=1），保存现场（PC、寄存器内容）到堆栈，关闭中断，根据中断向量获取服务程序入口地址。

iv. 中断服务：执行中断处理程序，完成具体任务（如读取外设数据、处理异常、更新设备状态）。

v. 中断返回：恢复现场，开放中断，CPU 继续执行被中断的程序。

◦ 核心任务：确保中断正确响应和处理，保护现场以恢复程序执行，实现 CPU 与外设的并行工作。

1. 说明分页存储管理与分段存储管理的主要区别。

◦ 分析：

▪ 逻辑基础：分页面向物理内存管理，将内存划分为固定大小的页，用户程序透明；分段面向用户逻辑结构，按程序模块（代码段、数据段）划分为可变长度的段，用户可见（如段名）。

▪ 地址结构：分页逻辑地址 = 页号 + 页内偏移（固定长度）；分段逻辑地址 = 段号 + 段内偏移（段长可变，需段长检查防越界）。

▪ 内存分配：分页离散分配，减少碎片（内部碎片）；分段离散分配，碎片为外部碎片（段间不连续）。

▪ 主要用途：分页用于虚拟内存扩展和内存利用率优化；分段用于程序模块化、共享和保护（如代码段只读）。

1. 进程与线程的主要区别有哪些？为什么引入线程？

◦ 分析：

▪ 主要区别：① 资源分配：进程是资源分配单位（拥有独立地址空间、文件句柄等），线程共享所属进程的资源。② 调度开销：线程切换只需保存少量寄存器状态，开销远小于进程切换（需切换地址空间）。③ 并发性：线程作为调度单元，支持同一进程内多线程并发，提高 CPU 利用率。

▪ 引入目的：① 减少程序并发执行的开销：线程共享进程资源，创建 / 销毁 / 切换开销低。② 支持细粒度并行：适合 CPU 密集型和 I/O 密集型任务混合的场景（如 Web 服务器处理多请求）。③ 提高响应速度：多线程可并发处理用户输入与后台计算，改善用户体验。

1. 文件系统的主要功能包括哪些？试列举至少四项。

◦ 分析：① 文件组织与管理：提供逻辑结构（流式 / 记录式）和物理结构（顺序 / 链接 / 索引），支持文件的创建、删除、打开、关闭。② 存储空间管理：分配与回收磁盘块，记录空闲块（如位示图、空闲块链表），减少碎片。③ 目录管理：维护目录结构（树状为主），实现文件名到 FCB 的映射，支持快速检索和权限控制。④ 文件访问控制：通过权限位（读 / 写 / 执行）、用户组、ACL（访问控制列表）保护文件安全。⑤ 数据一致性保障：通过事务日志、并发控制（文件锁）、错误恢复（磁盘扫描）确保数据完整性。⑥ 设备无关性：屏蔽存储设备差异，允许用户以统一接口访问不同介质（硬盘、U 盘、网络存储）。

五、计算题

1. 补码转原码、反码及真值计算

◦ 补码：10110101（8 位，符号位 1，负数）

◦ 反码：符号位不变，其余位取反 → 10110100

◦ 原码：反码加 1 → 11001011

◦ 真值：符号位 1，数值位1001011 →  -(1×2^6 + 1×2^2 + 1×2^1 + 1×2^0) = -(64 + 4 + 2 + 1) = -71

◦ 答案：原码11001011，反码10110100，真值 - 71

1. 组相联映射地址字段计算

◦ 主存容量 32MB=2^25B，Cache 容量 128KB=2^17B，块大小 64B=2^6B，每组 8 块

◦ 块内偏移：log2 (64B)=6 位

◦ Cache 组数：128KB/(64B×8)=256 组 → 组号字段 = 8 位（2^8=256）

◦ 主存地址长度 25 位，标记字段 = 25-8-6=11 位

◦ 答案：标记字段 11 位，组号字段 8 位，块内偏移 6 位

六、分析设计题

1. 中断机制的打印机数据输出流程设计

◦ 流程步骤：① 用户程序请求打印：调用打印函数，将数据写入缓冲区，向打印机发送启动信号。② 打印机准备就绪：完成当前打印任务后，向 CPU 发送中断请求（如打印完成信号）。③ CPU 响应中断：保存现场，查找中断向量表，进入打印机中断服务程序。④ 中断服务处理：

▪ 检查打印机状态（是否忙、缺纸等）；

▪ 从缓冲区读取下一个打印数据，写入打印机数据寄存器；

▪ 更新缓冲区指针，若数据未完成，重新启动打印机；

▪ 若数据已全部打印，通知用户程序任务完成。⑤ 中断返回：恢复现场，继续执行用户程序。

◦ CPU 作用：

▪ 协调缓冲区与打印机的速度差异，通过中断避免轮询；

▪ 处理异常情况（如缺纸、卡纸），确保打印任务可靠执行；

▪ 实现设备无关性，用户程序无需关心打印机硬件细节。

1. 银行家算法安全序列分析

◦ 资源分配参数：最大需求：P1=4，P2=3，P3=5；已分配 = 6，剩余资源 = 12-6=6假设各进程已分配资源为：P1=2，P2=2，P3=2（剩余 6-0=6，仅为假设场景）需求矩阵：P1 还需 2，P2 还需 1，P3 还需 3

◦ 安全序列判断步骤：① 查找当前剩余资源能满足的进程：剩余 6≥P2 的 1，选择 P2。② P2 完成后释放资源：总资源 = 6+3=9③ 剩余资源 9≥P1 的 2，P1 完成后释放资源：总资源 = 9+4=13④ 剩余资源 13≥P3 的 5，P3 完成，形成安全序列：P2→P1→P3

◦ 结论：存在安全序列（如 P2→P1→P3），因为剩余资源能依次满足各进程的最大需求，系统处于安全状态。