《计算机系统原理》综合模拟试题一

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《计算机系统原理》综合模拟试题一一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 以下不属于计算机系统硬件组成的是（ ）

A. 控制器

B. 存储器

C. 操作系统

D. 输入输出设备

2. 指令系统中采用不同寻址方式的目的是（ ）

A. 提高从内存获取数据的速度

B. 提高从外存获取数据的速度

C. 降低操作码的译码难度

D. 扩大寻址空间并提高编程灵活性

3. 在 CPU 中，跟踪指令后继地址的寄存器是（ ）

A. 程序计数器（PC）

B. 状态寄存器（PSW）

C. 地址寄存器（AR）

D. 数据寄存器（DR）

4. 某计算机字长 32 位，其存储容量为 4MB，若按字编址，它的寻址范围是（ ）

A. 1M

B. 4MB

C. 1MB

D. 4M

5. 以下关于 Cache 的叙述中，正确的是（ ）

A. Cache 的容量大于主存

B. Cache 的命中率随其容量增大而提高

C. Cache 的存取速度低于主存

D. Cache 中存放的是主存中一部分数据的副本

6. 中断向量地址是（ ）

A. 中断服务程序的入口地址

B. 中断服务程序入口地址的指示器

C. 中断请求信号的产生地址

D. 外设端口的地址

7. 在 DMA 方式中，数据传输的方向是（ ）

A. 只能从外设到内存

B. 只能从内存到外设

C. 可以在内存和外设之间直接传输

D. 只能从 CPU 到外设

8. 以下属于系统软件的是（ ）

A. 字处理软件

B. 编译程序

C. 绘图软件

D. 财务管理软件

9. 操作系统的主要功能是（ ）

A. 实现软、硬件转换

B. 管理系统所有的软、硬件资源

C. 把源程序转换为目标程序

D. 进行数据处理

10. 以下关于虚拟存储器的叙述中，正确的是（ ）

A. 虚拟存储器的容量等于主存容量

B. 虚拟存储器的容量等于辅存容量

C. 虚拟存储器的容量等于主存容量与辅存容量之和

D. 虚拟存储器是操作系统管理主存的一种技术

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 计算机系统由硬件系统和（ ）两大部分组成。

2. 指令通常由操作码和（ ）两部分组成。

3. CPU 的主要功能是进行（ ）和控制操作。

4. 存储器按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器和（ ）。

5. 中断处理过程包括中断请求、中断判优、（ ）、中断服务和中断返回。

6. DMA 控制器通常有两种工作方式，即周期挪用和（ ）。

7. 操作系统的基本特征包括并发性、共享性、（ ）和异步性。

8. 虚拟存储器是建立在主存和（ ）存储层次上的。

9. 程序的局部性原理包括时间局部性和（ ）。

10. 输入输出系统由输入输出设备、设备控制器和（ ）组成。

三、名词解释题（本大题共 2 小题，每小题 5 分，共 10 分）

1. 指令周期

2. 虚拟地址空间

四、简答题（本大题共 4 小题，每小题 5 分，共 20 分）

1. 简述计算机系统的层次结构。

2. 说明 Cache 的工作原理及其作用。

3. 中断和 DMA 有什么区别？

4. 简述操作系统在计算机系统中的作用。

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 10101010，求其原码和真值。

2. 某计算机的主存容量为 1MB，Cache 容量为 16KB，每块大小为 16 字节。采用直接映射方式，求主存地址的各字段长度（主存字块标记、Cache 字块地址、字块内地址）。

六、分析设计题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 分析指令执行过程中取指阶段和执行阶段的主要操作。

2. 设计一个简单的中断处理流程，说明在中断处理过程中 CPU 需要完成哪些任务。

《计算机系统原理》综合模拟试题一参考答案及详细分析一、单项选择题

1. C

◦ 分析：计算机系统硬件组成包括控制器、运算器、存储器、输入输出设备，操作系统属于软件系统，所以选 C。

1. D

◦ 分析：不同寻址方式可以扩大寻址空间，并且让编程更加灵活，比如可以方便地访问不同位置的数据和指令，所以选 D。

2. A

◦ 分析：程序计数器（PC）用于跟踪指令的后继地址，保证程序能够按顺序执行，所以选 A。

3. A

◦ 分析：字长 32 位即 4 字节，存储容量 4MB=4×1024×1024 字节，按字编址则寻址范围为 (4×1024×1024)/4=1024×1024=1M，所以选 A。

4. D

◦ 分析：Cache 是高速缓冲存储器，容量小于主存，存取速度高于主存，其中存放的是主存中一部分数据的副本，其命中率随容量增大而提高，所以选 D。

5. B

◦ 分析：中断向量地址是中断服务程序入口地址的指示器，通过它可以找到中断服务程序的入口地址，所以选 B。

6. C

◦ 分析：DMA 方式中数据可以在内存和外设之间直接传输，不需要 CPU 干预，所以选 C。

7. B

◦ 分析：系统软件包括操作系统、编译程序、数据库管理系统等，字处理软件、绘图软件、财务管理软件属于应用软件，所以选 B。

8. B

◦ 分析：操作系统的主要功能是管理系统所有的软、硬件资源，包括处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理等，所以选 B。

9. D

◦ 分析：虚拟存储器是操作系统管理主存的一种技术，它利用辅存来扩大主存的逻辑容量，其容量受到主存和辅存容量以及地址总线宽度的限制，但并不是简单的两者之和，所以选 D。

二、填空题

1. 软件系统

◦ 分析：计算机系统的基本组成就是硬件系统和软件系统，这是计算机系统的最基本概念。

10. 地址码

◦ 分析：指令的基本格式通常由操作码（指明操作类型）和地址码（指明操作数的地址）组成。

11. 算术逻辑运算

◦ 分析：CPU 的核心功能就是进行算术逻辑运算（如加减乘除、逻辑与或非等）以及对整个计算机系统的控制操作。

12. 光存储器

◦ 分析：存储器按存储介质分类，常见的就是半导体存储器（如内存）、磁表面存储器（如硬盘）和光存储器（如光盘）。

13. 中断响应

◦ 分析：中断处理的完整过程包括中断请求（外设提出中断）、中断判优（多个中断时确定优先级）、中断响应（CPU 决定响应中断）、中断服务（执行中断处理程序）和中断返回（回到原来的程序继续执行）。

14. 直接访问

◦ 分析：DMA 控制器的两种主要工作方式就是周期挪用（当 DMA 请求发生时，挪用 CPU 的一个总线周期进行数据传输）和直接访问（DMA 控制器直接控制总线，独占总线进行数据传输）。

15. 虚拟性

◦ 分析：操作系统的四个基本特征是并发性（多个程序同时运行）、共享性（资源共享）、虚拟性（通过某种技术将物理资源虚拟为多个逻辑资源）和异步性（程序执行的不确定性）。

16. 辅存

◦ 分析：虚拟存储器是建立在主存（内存）和辅存（外存，如硬盘）之间的存储层次上，通过一定的调度算法，使得程序可以使用比主存更大的逻辑地址空间。

17. 空间局部性

◦ 分析：程序的局部性原理包括时间局部性（最近被访问的指令或数据在不久的将来可能再次被访问）和空间局部性（地址相邻的指令或数据在将来可能被一起访问）。

18. 输入输出接口

◦ 分析：输入输出系统的组成包括输入输出设备（如键盘、显示器）、设备控制器（控制设备的工作）和输入输出接口（实现设备与主机之间的信息传输和控制）。

三、名词解释题

1. 指令周期

◦ 分析：指令周期是指从取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。它是衡量 CPU 性能的重要指标之一，不同的指令可能具有不同的指令周期，因为不同指令的操作复杂程度不同，例如算术运算指令和访存指令的执行时间可能相差较大。指令周期包含若干个机器周期，机器周期又由时钟周期组成，时钟周期是 CPU 的基本时间单位，由主频决定。

19. 虚拟地址空间

◦ 分析：虚拟地址空间是指在虚拟存储系统中，程序所使用的地址空间。它是一个逻辑上的地址空间，其大小由计算机的地址总线宽度和操作系统的虚拟存储管理方式决定。虚拟地址空间可以比实际的主存空间大得多，通过虚拟存储技术，将主存和辅存结合起来，使得程序可以在一个更大的地址空间中运行，而不必考虑实际主存的容量限制。程序在编译或链接时使用虚拟地址，在运行时通过地址转换机构将虚拟地址转换为主存的物理地址。

四、简答题

1. 简述计算机系统的层次结构。

◦ 分析：计算机系统可以分为多个层次，从下到上依次为：硬件层，这是计算机系统的物理基础，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等硬件设备；操作系统层，它是硬件层之上的第一层软件，负责管理和控制硬件资源，为上层软件提供运行环境和服务；汇编语言层，提供了一种用助记符表示的语言来编写程序，需要通过汇编程序翻译成机器语言；高级语言层，使用更接近人类自然语言的高级语言编写程序，需要通过编译程序或解释程序转换为机器语言；应用层，包含各种具体的应用程序，如办公软件、游戏软件等，直接面向用户的需求。这种层次结构使得计算机系统的设计、开发和维护更加模块化，各层之间通过接口进行交互，下层为上层提供支持，上层可以不关心下层的具体实现细节。

20. 说明 Cache 的工作原理及其作用。

◦ 分析：Cache 的工作原理基于程序的局部性原理。当 CPU 访问主存时，首先检查所需的数据是否在 Cache 中，如果在（称为命中），则直接从 Cache 中读取，速度很快；如果不在（称为未命中），则从主存中读取数据，并将该数据所在的块一起调入 Cache，以便后续可能的访问。Cache 与主存之间以块为单位进行数据交换，块的大小称为 Cache 块大小。Cache 的作用主要是提高 CPU 访问存储器的速度，弥补主存速度较慢的不足。由于 Cache 的速度接近 CPU 的速度，而价格较高，容量较小，主存速度较慢，价格较低，容量较大，通过 Cache - 主存层次结构，可以在成本合理的情况下，使整个存储系统具有接近 Cache 的访问速度和接近主存的容量。

21. 中断和 DMA 有什么区别？

◦ 分析：中断和 DMA 都是计算机系统中实现数据传输和处理的技术，但它们有以下区别：数据传输方式不同，中断方式下，数据传输需要 CPU 参与，在中断服务程序中由 CPU 执行输入输出指令来完成数据的传输；而 DMA 方式下，数据传输由 DMA 控制器直接控制总线，在内存和外设之间直接进行传输，不需要 CPU 干预。对 CPU 的影响不同，中断方式会打断 CPU 当前的正常工作，CPU 需要保存现场、处理中断、恢复现场，会占用 CPU 的时间；DMA 方式虽然也会申请总线控制权，但通常采用周期挪用或直接访问的方式，对 CPU 的影响较小，尤其是在周期挪用方式下，CPU 只是暂停一个总线周期，继续执行程序。应用场景不同，中断方式适用于数据传输量较小、实时性要求较高的场合，如键盘输入、打印机输出等；DMA 方式适用于数据传输量较大、高速的数据传输场合，如磁盘读写、网卡数据传输等。

22. 简述操作系统在计算机系统中的作用。

◦ 分析：操作系统在计算机系统中起着至关重要的作用，主要体现在以下几个方面：作为用户与计算机硬件之间的接口，操作系统为用户提供了一个方便、易用的操作环境，用户通过操作系统提供的命令、图形界面等方式来使用计算机，而不必了解硬件的细节；管理系统资源，包括处理器资源（如 CPU 时间的分配）、存储器资源（内存的分配和管理）、设备资源（输入输出设备的分配和控制）和文件资源（文件的存储、检索和保护），通过合理的资源管理，提高系统资源的利用率和系统的性能；提供公共服务，例如文件管理服务，方便用户对文件进行创建、删除、修改、查询等操作；设备管理服务，实现设备的无关性，使得用户在使用设备时不需要关心设备的具体型号和细节；网络通信服务，在网络环境下，实现计算机之间的通信和资源共享；提供程序运行环境，操作系统为应用程序提供了运行所需的环境，包括进程管理、内存管理、文件访问等，确保程序能够正确、高效地运行，并且保证多个程序之间的隔离和安全。

五、计算题

1. 已知某 8 位二进制数的补码为 10101010，求其原码和真值。

◦ 分析：对于 8 位补码，最高位为符号位。补码为 10101010，符号位为 1，说明是负数。求原码的方法是：符号位不变，其余位取反加 1。首先，除符号位外的其余 7 位为 0101010，取反得到 1010101，加 1 后为 1010110，所以原码为 11010110。真值的计算：原码的符号位为 1，数值部分为 1010110，转换为十进制为 1×2^6 + 0×2^5 + 1×2^4 + 0×2^3 + 1×2^2 + 1×2^1 + 0×2^0 = 64 + 16 + 4 + 2 = 86，所以真值为 - 86。

23. 某计算机的主存容量为 1MB，Cache 容量为 16KB，每块大小为 16 字节。采用直接映射方式，求主存地址的各字段长度（主存字块标记、Cache 字块地址、字块内地址）。

◦ 分析：首先，计算字块内地址的长度。每块大小为 16 字节，16=2^4，所以字块内地址占 4 位。Cache 容量为 16KB，每块 16 字节，所以 Cache 的字块数为 16KB/16 字节 = 1024 块，1024=2^10，所以 Cache 字块地址占 10 位。主存容量为 1MB=2^20 字节，主存地址总长度为 20 位。主存字块标记的长度 = 主存地址总长度 - Cache 字块地址长度 - 字块内地址长度 = 20 - 10 - 4=6 位。所以，主存字块标记 6 位，Cache 字块地址 10 位，字块内地址 4 位。

六、分析设计题

1. 分析指令执行过程中取指阶段和执行阶段的主要操作。

◦ 分析：取指阶段的主要操作：首先，程序计数器（PC）中存放着当前要执行的指令的地址，CPU 将 PC 中的地址送到地址总线上，向主存发出读命令，从主存中读取该地址处的指令，将指令送到数据总线，然后存入指令寄存器（IR）中。同时，PC 自动加 1，为下一条指令的地址做准备。在这个过程中，需要进行地址译码、控制信号的生成和传输等操作。执行阶段的主要操作：指令寄存器中的操作码被送到译码器进行译码，确定指令的操作类型和操作数的寻址方式。根据译码结果，获取操作数，如果操作数在主存中，需要根据地址码计算出操作数的地址，然后从主存中读取操作数；如果操作数在寄存器中，则直接从寄存器中获取。然后，将操作数送到运算器进行相应的运算（如算术运算、逻辑运算等），或者进行其他操作（如数据传输、控制转移等）。最后，将运算结果或处理后的结果保存到指定的位置（如寄存器、主存等）。在执行阶段，可能会涉及到多个部件之间的协同工作，如运算器、寄存器、主存、控制器等，需要控制器发出相应的控制信号来协调各部件的工作。

24. 设计一个简单的中断处理流程，说明在中断处理过程中 CPU 需要完成哪些任务。

◦ 分析：中断处理流程如下：中断请求，外设完成数据传输或发生其他事件时，向 CPU 发出中断请求信号。中断判优，如果有多个中断请求同时发生，CPU 需要根据中断优先级判断先处理哪个中断请求。中断响应，CPU 在满足中断响应条件（如中断允许标志位为 1，当前指令执行完毕等）时，响应中断请求，向中断源发出中断响应信号，并保护当前的程序状态（如 PC、PSW、寄存器内容等），将其压入堆栈。中断服务，CPU 根据中断向量地址找到对应的中断服务程序，执行中断服务程序，完成对中断事件的处理，如读取外设数据、处理异常情况等。中断返回，中断服务程序执行完毕后，从堆栈中恢复被保护的程序状态，返回原来的程序继续执行。在中断处理过程中，CPU 需要完成的任务包括：检测中断请求信号，判断是否有中断发生；进行中断优先级判别，确定处理顺序；保护现场，保存当前程序的运行状态，以便中断返回后能够正确恢复运行；根据中断向量找到中断服务程序的入口地址，转移到中断服务程序；执行中断服务程序，处理具体的中断事件；恢复现场，将保存的程序状态从堆栈中取出，送回相应的寄存器；开放中断（如果需要），以便处理后续的中断请求。