《计算机系统原理》综合模拟试题六

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《计算机系统原理》综合模拟试题六一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 以下属于计算机系统软件的是（ ）A. 数据库管理系统B. 办公自动化软件C. 图像处理软件D. 游戏软件

2. 指令系统中，操作数地址为寄存器间接寻址的是（ ）A. ADD R0, #10B. LOAD R1, (R2)C. STORE (R3), R4D. JMP @R5

3. 在虚拟存储器中，实现逻辑地址到物理地址转换的是（ ）A. 编译器B. 地址变换机构C. 链接器D. 加载器

4. 以下设备中，属于字符设备的是（ ）A. 硬盘B. U 盘C. 键盘D. 光盘

5. 进程状态转换中，从就绪态到运行态的触发条件是（ ）A. 进程获得 CPU 资源B. 进程等待的事件发生C. 进程时间片用完D. 进程申请的资源被释放

6. 文件系统中，用于记录文件元数据的结构是（ ）A. 目录项B. 文件控制块（FCB）C. 索引节点（inode）D. 数据块

7. 以下关于微程序控制器的叙述，正确的是（ ）A. 采用组合逻辑电路实现控制信号B. 控制信号由微指令存储于控制存储器中C. 速度比硬布线控制器更快D. 不支持复杂指令系统

8. 在段页式存储管理中，访问内存的次数至少为（ ）A. 1 次B. 2 次C. 3 次D. 4 次

9. 磁盘调度算法中，具有最短平均寻道时间的是（ ）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. 进程间通过管道进行通信时，数据传输的特性是（ ）A. 全双工、有缓冲B. 半双工、有缓冲C. 全双工、无缓冲D. 半双工、无缓冲

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1. 计算机硬件系统的核心是（ ），由运算器和控制器组成。

2. 指令格式中，操作码的长度决定了指令系统的（ ）数量。

3. Cache 的写策略主要有写直达法和（ ）。

4. 设备管理中，实现 CPU 与外设并行工作的技术是（ ）。

5. 进程调度的两大基本策略是抢占式和（ ）。

6. 文件的物理结构中，（ ）结构适合顺序访问但不支持高效随机访问。

7. 虚拟存储器的理论基础是程序的（ ）原理。

8. 总线的同步定时方式由（ ）统一控制传输时序。

9. 中断处理的第一步是（ ）。

10. 操作系统中，用户态程序通过（ ）进入内核态。

三、名词解释题（本大题共 2 小题，每小题 5 分，共 10 分）

1. 微指令

2. 文件控制块（FCB）

四、简答题（本大题共 4 小题，每小题 5 分，共 20 分）

1. 简述微程序控制器的基本工作原理。

2. 说明动态链接与静态链接的区别及各自的优缺点。

3. 段页式存储管理结合了分段和分页的哪些优点？存在什么缺点？

4. 设备驱动程序的主要功能有哪些？如何实现设备无关性？

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 某计算机的字长为 16 位，采用补码表示整数。若寄存器 R1 的内容为1111000011110000，求其对应的十进制真值。

2. 某系统采用页式存储管理，页大小为 4KB，逻辑地址空间为 32 位，物理地址空间为 24 位。若页表项大小为 4 字节，计算页表的最大存储空间。

六、分析设计题（本大题共 2 小题，每小题 10 分，共 20 分）

1. 设计一个基于微程序控制器的指令执行流程，说明微指令与机器指令的关系。

2. 假设某文件系统采用索引结构，每个文件的索引块包含 12 个直接地址、1 个一级间接地址和 1 个二级间接地址，每个地址占 4 字节，磁盘块大小为 4KB。计算该文件的最大物理块数及最大文件大小。

《计算机系统原理》综合模拟试题六参考答案及详细分析一、单项选择题

1. A

◦ 分析：系统软件包括操作系统、编译程序、数据库管理系统等，办公软件、图像处理软件、游戏软件属于应用软件，故选 A。

1. B

◦ 分析：寄存器间接寻址的地址码是寄存器，操作数存于该寄存器指向的内存单元，LOAD R1, (R2)表示将 R2 寄存器内容作为地址，读取内存数据到 R1，故选 B。

1. B

◦ 分析：虚拟存储器通过地址变换机构（如 MMU）将逻辑地址转换为物理地址，涉及页表或段表的查找，故选 B。

1. C

◦ 分析：字符设备以字符为单位传输数据（如键盘、打印机），块设备以数据块为单位（如硬盘、U 盘），故选 C。

1. A

◦ 分析：就绪态进程获得 CPU 调度后进入运行态，时间片用完回到就绪态，等待事件发生从运行态到阻塞态，资源释放从阻塞态到就绪态，故选 A。

1. B

◦ 分析：文件控制块（FCB）记录文件的元数据（如文件名、大小、物理地址、权限等），目录项指向 FCB，索引节点是 FCB 的简化形式，故选 B。

1. B

◦ 分析：微程序控制器将控制信号编码为微指令，存储在控制存储器中，通过读取微指令生成控制信号，适合复杂指令系统，速度稍慢于硬布线控制器，故选 B。

1. B

◦ 分析：段页式管理中，第一次访问段表获取页表基址，第二次访问页表获取物理页帧号，第三次访问内存数据，但若 TLB 缓存有效则可减少次数，至少需 2 次访问（段表 + 页表），故选 B。

1. B

◦ 分析：SSTF 算法每次选择距离当前磁头最近的请求，平均寻道时间最短，但可能导致磁头抖动，SCAN/CSCAN 算法次之，FCFS 平均寻道时间最长，故选 B。

1. B

◦ 分析：管道是半双工通信（单向数据流动），且内核提供缓冲区暂存数据，属于有缓冲通信，故选 B。

二、填空题

1. 中央处理器（CPU）

◦ 分析：CPU 是硬件核心，集成运算器和控制器，负责指令执行和数据处理。

1. 指令

◦ 分析：操作码长度决定了最多能表示的指令数量（如 8 位操作码支持 256 条指令）。

1. 写回法

◦ 分析：Cache 写策略主要有写直达法（同时写主存）和写回法（仅替换时写主存）。

1. 中断技术

◦ 分析：中断技术允许 CPU 在等待外设操作时执行其他任务，实现 CPU 与外设并行工作。

1. 非抢占式

◦ 分析：进程调度策略分为抢占式（强制剥夺 CPU）和非抢占式（进程自愿释放 CPU）。

1. 顺序

◦ 分析：顺序结构的文件数据连续存储，适合顺序访问，但随机访问需从头开始查找，效率低。

1. 局部性

◦ 分析：虚拟存储器基于程序局部性原理（时间和空间局部性），实现主存与辅存的数据交换。

1. 系统时钟

◦ 分析：同步定时总线由系统时钟统一控制时序，各部件按固定周期操作。

1. 中断请求

◦ 分析：中断处理流程为：中断请求→中断判优→中断响应→中断服务→中断返回。

1. 系统调用

◦ 分析：用户态程序通过系统调用（如 open、read）触发软中断，进入内核态执行操作系统服务。

三、名词解释题

1. 微指令

◦ 分析：微指令是微程序控制器中的基本控制单元，存储在控制存储器中，包含一组微命令（控制信号）和下一条微指令的地址。每条机器指令的执行由多条微指令组成的微程序完成，微指令定义了 CPU 内部各部件的具体操作（如寄存器读写、ALU 运算等），是硬件级的指令，用于实现机器指令的功能。

1. 文件控制块（FCB）

◦ 分析：文件控制块是文件系统中用于管理文件的核心数据结构，每个文件对应一个 FCB，包含文件名、文件大小、物理地址、访问权限、创建时间、修改时间等元数据。FCB 是文件存在的标志，存储于文件目录中，当文件被创建时生成，被删除时销毁。通过 FCB，系统可以实现对文件的存储管理、访问控制和信息检索。

四、简答题

1. 简述微程序控制器的基本工作原理。

◦ 分析：微程序控制器的核心是将机器指令的执行过程分解为一系列微指令的执行。具体步骤如下：

i. 微程序存储：将每条机器指令对应的控制信号序列（微程序）编码为微指令，存储在控制存储器（CM）中，每个微指令对应一个微地址。

ii. 取微指令：当 CPU 执行机器指令时，首先根据指令操作码找到对应的微程序入口地址，从控制存储器中取出第一条微指令。

iii. 执行微指令：微指令中的微命令控制 ALU、寄存器、总线等部件执行具体操作（如数据传输、运算、状态设置）。

iv. 微指令序列控制：根据微指令中的下址字段或条件标志，确定下一条微指令的地址，直到完成整个机器指令的执行。

◦ 优势：通过修改微指令即可改变控制逻辑，适合复杂指令系统；缺点：微指令执行需要访问控制存储器，速度略慢于硬布线控制器。

1. 说明动态链接与静态链接的区别及各自的优缺点。

◦ 分析：

▪ 区别：

• 静态链接：在程序编译时将所需库函数代码直接嵌入目标程序，生成独立可执行文件。

• 动态链接：程序运行时动态加载库函数，目标程序仅包含库函数的引用信息，实际代码存于共享库中。

▪ 静态链接优点：可执行文件独立运行，无需依赖外部库；缺点：代码冗余（多个程序重复包含相同库代码），占用更多磁盘空间。

▪ 动态链接优点：节省磁盘空间（共享库），支持库的版本更新（无需重新编译程序）；缺点：运行时依赖库文件存在，可能因库版本不兼容导致错误。

1. 段页式存储管理结合了分段和分页的哪些优点？存在什么缺点？

◦ 分析：

▪ 结合的优点：

• 分段的逻辑独立性：按程序逻辑模块（如代码段、数据段）划分，支持程序的模块化设计和共享。

• 分页的内存利用率：将内存划分为固定大小的页，减少碎片，支持虚拟存储器。

▪ 缺点：

• 地址转换复杂：需先查段表再查页表，增加访问内存的次数（至少 2 次，未命中 TLB 时）。

• 页表和段表开销：每个进程需维护段表和页表，占用更多内存空间。

• 硬件支持要求高：需要更复杂的地址变换机构（如段页式 MMU）。

1. 设备驱动程序的主要功能有哪些？如何实现设备无关性？

◦ 分析：

▪ 主要功能：

1. 初始化设备：设置设备寄存器、配置工作模式。

2. 数据传输：支持 DMA、中断或程序控制方式，实现设备与内存的数据交换。

3. 中断处理：响应设备中断请求，更新设备状态，通知上层软件。

4. 错误处理：检测设备故障（如超时、传输错误），尝试恢复或报告错误。

▪ 设备无关性实现：操作系统通过定义统一的设备驱动接口（如 read、write 函数），设备驱动程序将这些抽象接口映射到具体设备的硬件操作。用户程序无需关心设备类型，只需通过统一接口访问，由驱动程序屏蔽硬件差异（如不同磁盘的扇区大小、传输协议），实现 “以文件方式访问设备”，提高系统可移植性和用户便利性。

五、计算题

1. 补码转十进制真值

◦ 寄存器内容：1111000011110000（16 位补码）

◦ 符号位：1（负数）

◦ 数值部分：取反加 1 得到原码数值位取反：0000111100001111加 1：0000111100010000

◦ 十进制值： 1×2^{12} + 1×2^{11} + 1×2^{10} + 1×2^9 + 1×2^4 = 4096+2048+1024+512+16=7696

◦ 真值：-7696

◦ 答案：-7696

1. 页表存储空间计算

◦ 页大小 4KB=2^12B，逻辑地址 32 位，页号 = 32-12=20 位，页表项数 = 2^20=1,048,576

◦ 页表项大小 4 字节，最大存储空间 = 1,048,576×4=4,194,304 字节 = 4MB

◦ 答案：4MB

六、分析设计题

1. 微程序控制器指令执行流程

◦ 流程设计：

i. 取机器指令：PC 送地址总线，从内存取指令到 IR，PC+1。

ii. 微程序入口：根据 IR 中的操作码，通过微地址形成部件生成微程序入口地址，送入 CMAR。

iii. 执行微程序：

• 从控制存储器（CM）取出微指令，送入 CMDR，微命令控制数据通路操作（如 ALU 运算、寄存器读写）。

• 根据微指令的下址字段或条件标志（如 ZF、CF），确定下一条微指令地址，循环直至微程序结束。

i. 返回主程序：机器指令执行完毕，等待下一条指令。

◦ 微指令与机器指令关系：一条机器指令的执行由一段微程序（多条微指令序列）完成，微指令是机器指令的分解单元，实现具体的硬件操作控制，两者是 “软件指令→硬件操作” 的映射关系。

1. 索引结构文件大小计算

◦ 直接地址块：12 个，每个块 4KB，共 12×4KB=48KB

◦ 一级间接地址：1 个地址指向间接块，间接块包含 4KB/4B=1024 个物理地址，对应 1024×4KB=4MB

◦ 二级间接地址：1 个地址指向一级间接块，一级间接块指向二级间接块，二级间接块包含 1024×1024 个物理地址，对应 1024×1024×4KB=4GB

◦ 最大物理块数：12 + 1024 + 1024×1024 = 1,049,080 块

◦ 最大文件大小：48KB + 4MB + 4GB = 4GB+4MB+48KB=4198464KB（或 4.00390625GB）

◦ 答案：最大物理块数 1,049,080 块，最大文件大小约 4GB