2021年上海第二工业大学计算机科学与技术专业《计算机组成原理》科目期末试卷A(有答案)

2021年上海第二工业大学计算机科学与技术专业《计算机组成原理》
科目期末试卷A（有答案）
一、选择题
1、某计算机有16个通用寄存器，采用32位定长指令字，操作码字段（含寻址方式位）为8位，Store指令的源操作数和目的操作数分别采用寄存器直接寻址和基址寻址方式。

若基址寄存器可使用任一通用寄存器，且偏移量用补码表示，则 Store指令中偏移量的取值范围是（）。

A.-32768~+32767
B.-32767~+32768
C.-65536~+65535
D.-65535~+65536
2、某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令29条，二地址指令107条，每个地址字段为6位，则指令字长至少应该是（）。

A.24位
B.26位
C.28位
D.32位
3、下列说法正确的是（）。

A.当机器采用补码表示时，0有两种编码方式
B.当机器采用原码表示时，0有两种编码方式
C.当机器采用反码表示时，0有一种编码方式
D.无论机器数采用何种码表示，0都有两种编码方式
4、常用的（n，k）海明码中，冗余位的位数为（）。

A.n+k
B.n-k
C.n
D.k
5、用海明码对长度为8位的数据进行检/纠错时，若能纠正一位错，则校验位数至少为（）。

A.2
B.3
C.4
D.5
6、对36位虚拟地址的页式虚拟存储系统，每页8KB，每个页表项为32位，页表的总容量为（）。

A.1MB
B.4MB
C.8MB
D.32MB
7、有如下C语言程序段：
for（k=0；k<1000；k++）
a[k]=a[k]+32；
若数组a及变量k均为int型，int型数据占4B，数据Cache采用直接映射方式、数据区大小为1KB，块大小位16B，该程序段执行前Cache为空，则该程序段执行过程中访问数组a的Cache缺失率约为（）。

A.1.25%
B.2.5%
C.12.5%
D.25%
8、指令寄存器的位数取决（）。

A.存储器的容量
B.指令字长
C.机器字长人
D.存储字长
9、完整的计算机系统应该包括（）。

A.运算器、存储器、控制器
B.外部设备和主机
C.主机和应用程序
D.主机、外部设备、配套的软件系统
10、在链式查询方式下，若有N个设备，则（）。

A.只需一条总线请求线
B.需要N条总线请求线
C.视情况而定，可能一条，也可能N条
D.以上说法都不对
11、某机器I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息，字符信息格式为1位起始位、8位数据位、1位校验位和1位停止位。

若要求每秒传送640个字符，那么该设备的有效数据传输率应为（）。

A.640b/s
B.640B/s
C.6400B/s
D.6400b/s
12、组合逻辑控制器和微程序控制器的主要区别在于（）。

A.ALU结构不同
B.数据通路不同
C.CPU寄存器组织不同
D.微操作信号发生器的构成方法不同。

13、某计算机的指令流水线由4个功能段组成，指令流经各功能段的时间（忽略各功能段之间的缓存时间）分别为90ns，80ns、70ns和60ns，则该计算机的CPU时钟周期至
少是）（）。

A.90ns
B.80ns
C.70ns
D.60ns
14、下列选项中，能引起外部中断的事件是（）。

A.键盘输入
B.除数为0
C.浮点运算下溢
D.访存缺贞
15、隐指令指（）。

A.操作数隐含在操作码中的指令
B.在一个机器周期里完成全部操作的指令
C.隐含地址码的指令
D.指令系统中没有的指令
二、填空题
16、软磁盘和硬磁盘的_______记录方式基本相同，但在_______和_______上存在较大差别。

17、目前的CPU包括________、 ________和cache、
18、为了解决多个_______同时竞争总线_______，必须具有_______部件。

19、不同的CRT显示标准所支持的最大________和________数目是不同的。

20、形成指令寻址的方式，称为指令寻址方式，有顺序寻址和_______寻址两种，使用
_______来跟踪。

21、CPU能直接访问______和______但不能直接访问磁盘和光盘。

22、对存储器的要求是________、________、________为了解决这三个方面的矛盾。

计算机
采用多级存储器体系结构。

23、PCI总线是当前流行的总线。

它是一个高_________且与_________无关的标准总线。

24、汉字的_______、_______ 、_______是计算机用于汉字输入、内部处理、输出三种不同
用途的编码。

25、RISC的中文含义是______，CISC的中文含义是______
三、名词解释题
26、RAM：
27、指令模拟：
28、海明码：
29、向量地址：
四、简答题
30、试比较同步控制、异步控制和联合控制的区别。

31、简述同步总线的定时方式。

32、中断处理过程包括哪些操作步骤？
33、什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？
五、计算题
34、一个直接映射的Cache有128个字块，主机内存包含16K个字块，每个块有16个字，访问Cache的时间是10ms，填充一个Cache字块的时间是200ms，Cache 的初始状态为空。

1）如果按字寻址，请定义主存地址字段格式，给出各字段的位宽；
2）CPU从主存中依次读取位置16~210的字，循环读取10次，则访问Cache 的命中率是多少？
3）10次循环中，CPU平均每次循环读取的时间是多少？
35、一台8位微机的地址总线为l6条，其RAM存储器容量为32KB，首地址为4000H，且地址是连续的，可用的最高地址是多少？
36、假设硬盘传输数据以32位的字为单位，传输速率为1MB/s.CPU的时钟频率为50MHz。

1）采用程序查询的输入/输出方式，假设查询操作需要100个时钟周期，求CPU为I/O查询所花费的时间比率，假定进行足够的查询以避免数据丢失。

2）采用中断方式进行控制，每次传输的开销（包括中断处理）为100个时钟周期。

求CPU为传输硬盘数据花费的时间比率。

3）采用DMA控制器进行输入/输出操作，假定DMA的启动操作需要1000个时钟
周期，DMA完成时处理中断需要500个时钟周期。

如果平均传输的数据长度为
4KB，问在硬盘工作时处理器将用多少时间比率进行输入/输出操作，忽略DMA申请使用总线的影响。

六、综合题
37、某计算机存储器按字节编址，虚拟（逻辑）地址空间大小为16MB，主存（物理》地址空间大小为1MB，页面大小为4KB；Cache采用直接映射方式，共8行；
主存与Cache之闸交换的块大小为32B。

系统运行到某一时刻时，页表的部分内容
和Cache的部分的容如图3-50和图3-51所示，图中页框号及标记字段的内容为十
六进制形式。

请回答下列问题：
1）虚拟地址共有几位，哪几位表示虚页号？物理地址共有几位？哪几位表示页框
号（物人理页号）？
2）使用物理地址访问Cache时，物理地址应划分成哪几个字段？要求说明每个字
段的位数及在物理地址中的位置。

3）虚拟地址001C60H所在的页面是否在主存中？若在主存中，则该虚拟地址对应的物理地址是什么？访问该地址时是否Cache命中？要求说明理由。

4）假定为该机配置一个4路组相连的TLB，该TLB共可存放8个页表项，若其当前
内容（十六进制）如图所示，则此时虚拟地址024BACH所在的页面是否在主存中？要求说明理由。

38、1）指令中一般含有哪些字段？分别有什么作用？如何确定这些字段的位数？
2）某机器字长、指令字长和存储字长均为16位，指令系统共能完成50种操作，采用相对寻址、间接寻址、直接寻址。

试问：
①指令格式如何确定？各种寻址方式的有效地址如何形成？
②在①中设计的指令格式，能否增加其他寻址方式？试说明理由。

39、某16位计算机的主存按字节编码，存取单位为16位；采用16位定长指令字格式：CPU采用单总线结构，主要部分如下图所示。

图中R0~R3为通用寄存器：T为
暂存器：SR为移位寄存器，可实现直送（mov）、左移一位.（left）和右移一位（right）3种操作，控制信号为SRop，SR的输出由信号SRout控制：ALU可实现
直送A（mova）、A加B（add）、A减B（sub）、A与B（and）、A或B（or）、非A（not）、A加1（inc）7种操作，控制信号为ALUop。

请回答下列问题。

1）图中哪些寄存器是程序员可见的？为何要设置暂存器T？
2）控制信号ALUop和SRop的位数至少各是多少？
3）控制信号SRout所控制部件的名称或作用是什么？
4）端点①~⑨中，哪些端点须连接到控制部件的输出端？
5）为完善单总线数据通路，需要在端点①~⑨中相应的端点之间添加必要的连线。

写出连线的起点和终点，以正确表示数据的流动方向。

6）为什么二路选择器MUX的一个输入端是2？
参考答案
一、选择题
1、A
2、A
3、B
4、B
5、C
6、D
7、C
8、B
9、D
10、A
11、B
12、D
13、A
14、A
15、D
二、填空题
16、存储原理结构性能
17、控制器运算器
18、主设备控制权总线仲裁
19、分辨率颜色
20、跳跃程序计数器
21、cache 主存
22、容量大速度快成本低
23、带宽处理器
24、输入编码（或输入码）内码（或机内码）字模码
25、精简指令系统计算机复杂指令系统计算机
三、名词解释题
26、RAM：
随机访问存储器，能够快速方便的访问地址中的内容，访问的速度与存储位置无关。

27、指令模拟：
在一种计算机上用软件来解释执行另一种计算机的指令。

28、海明码：
一种常见的纠错码，能检测出两位错误，并能纠正一位错误。

29、向量地址：
向量地址是存放服务程序入口地址的存储单元地址，它由硬件形成3.双重分组跳跃进位：n位全加器分成若干大组，大组内又分成若干小组，大组中小组的最高进位同时产生，大组与大组间的进位串行传送。

四、简答题
30、答：同步控制方式：任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的，并且都是受统基准时标的时序信号所控制的方式。

异步控制方式：不存在基准时标信号，
没有固定的周期节拍和严格的时钟同步，执行每条指令和每个操作需要多少时间就占用多少时间。

联合控制方式：是前两者的相结合。

对各种不同指令的微操作实行大部分统一，小部分区分对待的方法。

31、答：规定固定的传输率，每隔一定的时间进行一次数据传递，一直到传输完毕。

这是一种比较简单的通信方式，主要适合传输速度固定或者差异比较小的情况。

32、答：中断处理过程如下：
⑴设备提出中断请求；
⑵当一条指令执行结束时CPU响应中断
⑶CPU设置“中断屏蔽”标志，不再响应其它中断请求
⑷保存程序断点（PC）
⑸硬件识别中断源（移到中断服务子程序入口地，址）
⑹用软件方法保存CPU现场
⑺为设备服务
⑻恢复CPU现场
⑼“中断屏蔽”标志复位，以便接收其它设备中断请求
⑽返回主程序
33、答：指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。

由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。

五、计算题
34、解析：
1）按字寻址，每个块有16个字，故字块内地址为4位。

Cache有128个字块，故Cache字块地址为8位。

主存包含16K个字块，故主存地址总共14位。

则主存字块
标记位数为14-8-4=2位。

2）Cache中每个块16个字，故16~210位置的字，按照直接映射可分别放入Cache的第1~13块。

由于Cache的初始状态为空，循环读取10次时，第一次循环
第16、32、48、64、…、208位置的字均末命中，共13次，其他位置均命中，后
面9次循环每个字都命中。

故Cache的命中率为1-13/（195×10）=99.3%。

3）第一次循环需要填充Cache13次，访问Cache 195-13=182次，总时间为
200ns×13+10ns×182=4420ms。

其余9次循环只需访问Cache195次，总时间为195×10ns×9=17550ns。

故平均访问时间为（17550ns+4420ns）/10=2197ns。

35、解析：32KB存储空间共占用15条地址线，若32KB的存储地址起始单元为0000H，其范围应为0000H~7FFFH，但现在的首地址为4000H，即首地址后移了，因此最高地址也应该相应后移，故最高地址=4000H+7FFFH=BFFFH。

归纳总结：32KB的存储空间是连续的，由于首地址发生变化，因此术地址也会跟
着发生变化。

36、解析：
1）假设采用程序查询方式，则可算出硬盘每秒进行查询的次数为：
1MB/4B=250K次，而查询250K次需要的时钟周期数为250K×100=25000K，则
可算出CPU为1/0查询所花费的时间比率为
25000×1000
×100%=50%
50×106
2）假设采用中断方法进行控制，每传送一个字需要的时间为4B
=4μs,而每次传
1MB/s
输
=0.02s。

所以，每次的开销为100个时钟周期，还得先计算出时钟周期，即1
50M Hz
×100%= 传输的50MHz开销为2μs，故CPU为传输硬盘数据花费的时间比率为2μs
4μs
50%.
3）：可算得每秒传输次数1MB/4KB=250次，所以CPU为传输硬盘数据花费的时间比率为
(1000+500)×250
×100%=75%
50×106
六、综合题
37、解析：1）由于虚拟地址空间大小为16MB，且按字节编址，因此虚拟地址共有24位（24=16M）。

由于页面大小为4KB（212=4K），因此虚页号为前12位。

由于主存（物理）地址空间大小为1MB，因此物理地址共有20位（220=lM）。

由于页内地址有12位，因此20-12=8，即前8位为页框号。

2）由于Cache采用直接映射方式，因此物理地址应划分成3个字段，如下：
分析：由于块大小为32B，因此字块内地址占5位。

又由于Cache共8行，因此字块标记占3位。

综上所述，主存字块标记占20-5-3=12位。

3）虚拟地址001C60H的虚页号为前12位，即001H=1。

查表可知，其有效位为1，故在内存中。

虚页号为l对应页框号为04H，故物理地址为04C60H。

由于采用的是直接映射方式，因此对应Cache行号为3。

尽管有效位为1，但是由于标记位04CH#105H，故不命中。

4）由于采用了4路组相连的，因此TLB被分为2组，每组4行。

因此，虚地址应划分成3个字段，如下：
将024BACH转成二进制为000000100100101110101100，可以看出组号为0。

标记为00000010010，换成十六进制为000000010010（高位补一个0），即012H，从图3-51中的0组可以看出，标记为012H页面的页框号为1F，故虚拟地址024BACH所在的页面在主存中。

38、32.解析：
1）指令字中一般有3种字段：操作码字段、寻址特征字段和地址码字段。

操作码字段指出机器完成某种操作（加、减、乘、除等），其位数取决于指令系统有多少种操作类型；寻址特征字段指出该指令以何种方式寻找操作数的有效地址，其位数取决于寻址方式的种类；地址码字段和寻址特征字段共同指出操作数或指令的有效地址，其位数与寻址范围有关。

2）首先指令字由操作码字段、寻址特征字段和地址码字段组成。

由于此指令系统能完成50种操作，因此操作码需要6位（25<50<26）。

由于此机器采用了相对寻址、间接寻址和直接寻址3种寻址方式，因此需要两位来确定寻址方式，剩下8位（16-6-2=8）为指令的地址字段，故指令格式为
寻址方式位可以这样来定义：
当寻址方式位为00时，可作为直接寻址，EA=A。

当寻址方式位为01时，可作为相对寻址，EA=（PC）+A。

当寻址方式位为10时，可作为间接寻址，EA=（A）。

由于上述指令格式中寻址方式位为11时没有使用，因此可以增加一种寻址方式。

39、解析
1）程序员可见寄存器为通用寄存器（R0~R3）和PC.因为采用了单总线结构，因此.若无暂存器T，则ALU的A、B端口会同时获得两个相同的数据，使数据通路不能正常工作。

2）ALU共有7种操作，故其操作控制信号ALUop至少需要3位；移位寄存器有3种操作，其操作控制信号SRop至少需要2位。

3）信号SRout所控制的部件是一个三态门，用于控制移位器与总线之间数据通路的连接与断开。

4）端口①、②、③、⑤、⑧须连接到控制部件输出端。

5）连线1，⑥→⑨：连线2，①④。

6）因为每条指令的长度为16位，按字节编址，所以每条指令占用2个内存单元，顺序执行时，下条指令地址为（PC）+2.MUX的一个输入端为2，可便于执行（PC）+2操作。