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林业大学计算机科学与技术专业《计算机组成原理》期末试卷及答案

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

计算机组成原理是研究计算机系统组成和设计的学科，其核心思想是将计算机视为由多个功能部件组成的系统，并研究这些部件之间的相互连接和协调工作方式。请简述冯·诺依曼体系结构的主要特点及其对计算机发展的影响。

二、

在计算机中，数据通常使用二进制表示。请解释什么是原码、补码和反码，并说明为什么计算机通常采用补码表示法进行算术运算。

三、

某计算机的存储器字长为16位，采用8位地址线。请问该存储器直接能访问多少个存储单元？若采用二级页式存储管理，页表长度为512项，每页大小为4KB，问页表本身需要占用多少存储空间？

四、

简述高速缓存（Cache）的工作原理。为什么引入Cache可以提高计算机系统的性能？请解释“局部性原理”及其在Cache设计中的作用。

五、

什么是指令系统？它通常包含哪些主要组成部分？请比较CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）的特点。

六、

CPU主要由哪些核心部件组成？请简述这些部件的基本功能以及它们之间如何协同工作来完成一条指令的执行。

七、

什么是数据通路？请画一个简化的单周期CPU数据通路示意图（文字描述即可），并说明在执行一条典型的算术逻辑指令（如加法）时，数据需要经过哪些主要部件和通路。

八、

什么是微程序控制器？它与硬布线控制器相比有哪些优缺点？请简述微程序控制器的基本工作过程。

九、

请解释什么是中断？中断处理过程通常包括哪些主要步骤？为什么需要中断优先级？

十、

总线是计算机各功能部件之间传送信息的公共通路。请说明总线按传输信息类型可分为哪几类？总线按位置关系可分为哪几类？什么是总线宽度？它对总线传输速率有何影响？

十一、

DMA（直接存储器访问）方式是如何工作的？它与程序查询方式、中断方式相比，在数据传输效率和CPU利用率方面有何优势？

十二、

假设某计算机采用流水线技术执行指令，指令流水线分为取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回（WB）五个阶段，每个阶段耗时1个时钟周期。如果指令之间没有数据依赖，且所有指令都需要经过完整的流水线。请计算执行下列指令序列所需的总时钟周期数（假设有足够的缓冲空间）：

```

指令1:A=B+C

指令2:D=A+E

指令3:F=D+G

指令4:H=F+I

```

十三、

什么是存储器层次结构？请简述多级存储器（如Cache-主存-辅存）的设计原则，并说明各级存储器在性能（速度、成本、容量）方面的权衡。

试卷答案

一、

冯·诺依曼体系结构的主要特点包括：采用二进制形式表示数据和指令；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成；指令和数据存储在同一个存储器中，可以按地址访问；采用存储程序工作方式，指令和数据都可以在存储器中按地址访问。这些特点使得计算机系统结构简化，具有通用性，极大地推动了计算机的发展和应用。

二、

原码是指用最左边一位表示符号（0正1负），其余位表示数值本身的二进制表示方法。

补码是指对于正数，其补码与原码相同；对于负数，其补码是其绝对值的二进制按位取反加1。补码表示法的好处是：消除了符号位，使得加减法运算统一为加法运算，简化了计算机的算术逻辑单元设计；任意一个数值都有唯一的补码表示，避免了原码中零的多种表示（+0和-0）的问题。

因此，计算机通常采用补码表示法进行算术运算。

三、

存储器字长为16位，采用8位地址线，意味着每个存储单元可以存储16位（2的4次方）数据，且地址线可以寻址2的8次方（256）个不同的存储单元。所以，该存储器直接能访问256个存储单元。

若采用二级页式存储管理，页表长度为512项，每页大小为4KB。页表项本身需要存储地址信息，通常包含页号和物理页帧号。假设页表项大小为32位（4字节），则一个页表需要占用512项*4字节/项=2048字节=2KB的存储空间。

四、

高速缓存（Cache）的工作原理是利用速度更快、成本更高的存储单元（Cache）来存放主存（速度较慢、成本较低）中经常被访问的数据副本。当CPU需要访问数据时，首先在Cache中进行查找（称为“缓存命中”）；如果找到了（命中），则直接从Cache中读取数据，速度很快；如果没找到（未命中），则需要从主存中读取数据，并将其副本存入Cache中，然后才将数据提供给CPU。

引入Cache可以提高计算机系统的性能，因为CPU访问Cache的速度远快于访问主存，而CPU频繁访问的数据往往具有局部性（时间局部性：最近访问过的数据很可能被再次访问；空间局部性：访问过的数据及其附近的数据很可能被访问）。

局部性原理是指程