计算机系统结构与技术核心知识点总结

综合试卷第=PAGE1*2-11页（共=NUMPAGES1*22页） 综合试卷第=PAGE1*22页（共=NUMPAGES1*22页）PAGE①姓名所在地区姓名所在地区身份证号密封线1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和所在地区名称。2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。3.不要在试卷上乱涂乱画，不要在标封区内填写无关内容。一、选择题1.计算机系统结构的主要功能指标包括：

A.CPU速度

B.存储容量

C.系统吞吐量

D.以上都是

2.CPU的冯·诺依曼结构主要特点包括：

A.存储器按地址访问

B.指令和数据统一存储

C.程序顺序执行

D.以上都是

3.硬件系统中的Cache是为了：

A.提高CPU访问速度

B.减少内存访问次数

C.降低内存成本

D.以上都是

4.计算机系统中的总线结构主要包括：

A.数据总线

B.地址总线

C.控制总线

D.以上都是

5.计算机系统中的I/O设备通常通过：

A.直接内存访问（DMA）

B.中断

C.程序查询

D.以上都是

答案及解题思路：

1.答案：D

解题思路：计算机系统结构的主要功能指标不仅包括CPU速度和存储容量，还包括系统吞吐量，即系统在一定时间内处理事务的能力。因此，正确答案是D，即以上都是。

2.答案：D

解题思路：CPU的冯·诺依曼结构包含存储器按地址访问、指令和数据统一存储以及程序顺序执行这三个主要特点。因此，正确答案是D，即以上都是。

3.答案：D

解题思路：Cache的主要目的是为了提高CPU访问速度，同时减少内存访问次数，这样可以降低内存成本。因此，正确答案是D，即以上都是。

4.答案：D

解题思路：计算机系统中的总线结构主要包括数据总线、地址总线和控制总线，这三个总线共同工作以实现数据传输、地址指定和信号控制。因此，正确答案是D，即以上都是。

5.答案：D

解题思路：计算机系统中的I/O设备可以通过直接内存访问（DMA）、中断或程序查询等方式与主机进行数据交换。这些方法各有特点，但都是I/O设备与CPU进行通信的常见手段。因此，正确答案是D，即以上都是。二、填空题1.计算机系统结构主要包括____处理器____、____存储器____、____输入/输出系统____等部分。

2.计算机系统中的存储器层次结构从高速到低速依次为：____寄存器____、____高速缓存____、____主存储器____、____辅助存储器____等。

3.CPU的冯·诺依曼结构中，指令和数据____共同____存储，程序顺序执行。

4.计算机系统中的总线结构主要包括____数据总线____、____地址总线____、____控制总线____等。

5.计算机系统中的I/O设备通常通过____直接内存访问（DMA）____、____中断____、____通道____等方式与主机进行数据交换。

答案及解题思路：

答案：

1.处理器、存储器、输入/输出系统

2.寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器

3.共同

4.数据总线、地址总线、控制总线

5.直接内存访问（DMA）、中断、通道

解题思路：

1.计算机系统结构的基本组成部分包括处理数据的核心（处理器），存储数据的存储器，以及与外部世界交互的输入/输出系统。

2.存储器层次结构从高速到低速排列，寄存器位于最顶层，用于存储CPU中频繁访问的数据，其次是高速缓存，然后是主存储器，最后是辅助存储器，如硬盘。

3.冯·诺依曼结构的一个关键特点是指令和数据存储在同一存储器中，这导致了程序顺序执行的方式。

4.总线结构是计算机系统中连接各个部件的通信通道，数据总线用于传输数据，地址总线用于指定数据传输的地址，控制总线用于传输控制信号。

5.I/O设备与主机进行数据交换的方式包括DMA，允许设备直接与内存交换数据而不需要CPU的干预；中断，允许I/O设备在需要时中断CPU的当前任务；通道，是一种专门的处理器，用于管理I/O操作。三、判断题1.计算机系统结构只关注硬件系统，与软件系统无关。（）

答案：✕

解题思路：计算机系统结构涉及硬件和软件的各个方面，硬件系统提供基础支持，而软件系统负责管理和使用这些硬件资源，两者密切相关，缺一不可。

2.CPU的冯·诺依曼结构中，指令和数据分开存储，程序顺序执行。（）

答案：✕

解题思路：冯·诺依曼结构确实指令和数据分开存储，但并非程序一定顺序执行。现代计算机系统引入了各种指令序列控制逻辑，使计算机能执行复杂程序和并行计算。

3.计算机系统中的Cache是为了提高CPU访问速度，减少内存访问次数。（）

答案：√

解题思路：Cache作为一种高速存储器，位于CPU和主内存之间，用于缓存频繁访问的数据，从而提高CPU访问速度，减少对内存的访问次数，提高整体功能。

4.计算机系统中的总线结构主要包括数据总线、地址总线、控制总线等。（）

答案：√

解题思路：计算机系统中，总线用于连接各个组件，主要包括数据总线、地址总线和控制总线。数据总线负责数据传输，地址总线用于指定内存地址，控制总线用于发送控制信号。

5.计算机系统中的I/O设备通常通过直接内存访问（DMA）、中断、程序查询等方式与主机进行数据交换。（）

答案：√

解题思路：I/O设备与主机的数据交换确实可以通过多种方式实现，如DMA允许设备直接访问内存，中断使系统能及时响应用户操作，程序查询则由操作系统负责数据交换。这些方法根据系统需求和应用场景选择使用。四、简答题1.简述计算机系统结构的主要功能指标。

解题思路：首先概述计算机系统结构的主要功能指标，然后列举具体指标，如运算速度、存储容量、存取周期等，并简要解释每个指标的含义及其对系统功能的影响。

2.简述CPU的冯·诺依曼结构的主要特点。

解题思路：介绍冯·诺依曼结构的基本原理，包括指令和数据存储在同一存储器中、指令按顺序执行、存储器按地址访问等，并说明这些特点对计算机设计的影响。

3.简述计算机系统中的存储器层次结构。

解题思路：解释存储器层次结构的定义，随后描述从高速缓存（Cache）到主存储器（RAM）、辅助存储器（如硬盘）的不同层次，以及它们之间的数据流动和速度差异。

4.简述计算机系统中的总线结构。

解题思路：说明总线在计算机系统中的作用，介绍总线结构的基本组成部分（如数据总线、地址总线、控制总线），并举例说明不同类型的总线（如PCIe、SATA）及其特点。

5.简述计算机系统中的I/O设备与主机进行数据交换的方式。

解题思路：概述I/O设备与主机进行数据交换的基本方法，包括直接内存访问（DMA）、中断驱动I/O、轮询I/O等，并分析每种方法的原理和适用场景。

答案及解题思路：

1.答案：计算机系统结构的主要功能指标包括：

运算速度：每秒执行的指令数量。

存储容量：可存储的数据量。

存取周期：从存储器中读取或写入数据所需的时间。

响应时间：从接收请求到完成响应所需的时间。

吞吐量：单位时间内处理的数据量。

解题思路：结合实际案例，说明不同功能指标如何影响计算机系统的运行效率。

2.答案：CPU的冯·诺依曼结构的主要特点包括：

指令和数据存储在同一存储器中。

指令按顺序执行。

存储器按地址访问。

解题思路：通过对比其他CPU结构，分析冯·诺依曼结构的特点及其设计理念。

3.答案：计算机系统中的存储器层次结构包括：

高速缓存（Cache）：提供快速访问的数据存储。

主存储器（RAM）：临时存储数据和指令。

辅助存储器（如硬盘）：长期存储大量数据。

解题思路：以现代计算机的存储系统为例，阐述不同存储层次的作用和特点。

4.答案：计算机系统中的总线结构包括：

数据总线：传输数据。

地址总线：指定数据位置。

控制总线：控制数据流动。

解题思路：以PCIe总线为例，说明总线的类型和作用。

5.答案：计算机系统中的I/O设备与主机进行数据交换的方式包括：

直接内存访问（DMA）：无需CPU干预。

中断驱动I/O：I/O操作时CPU可继续执行其他任务。

轮询I/O：CPU不断检查I/O状态。

解题思路：分析不同I/O方式对系统功能的影响和适用性。五、论述题1.论述计算机系统结构对计算机功能的影响。

解答：

（1）引言：计算机系统结构是计算机系统的骨架，对计算机功能具有深远影响。系统结构决定了计算机的功能，包括速度、功耗和可靠性等方面。

（2）计算机系统结构对功能的影响：

CPU架构：如高功能多核CPU，可提升数据处理速度。

内存架构：采用高速缓存、多级存储器层次结构，降低内存访问延迟。

存储器带宽：增加存储器带宽，提高数据传输速度。

通信网络：提高总线、I/O设备的传输速度，缩短通信延迟。

虚拟化技术：提高资源利用率，优化功能。

（3）结论：计算机系统结构对计算机功能具有重要影响，合理设计系统结构可以提高计算机的功能。

2.论述计算机系统中的存储器层次结构的作用。

解答：

（1）引言：存储器层次结构是计算机系统中重要的组成部分，其作用是提高计算机的功能。

（2）存储器层次结构的作用：

缓存命中率：通过缓存，提高内存访问速度，降低访问延迟。

数据预取：预测后续指令访问的数据，预取到缓存中，提高数据处理速度。

缓存一致性：保持各级缓存中的数据一致性，降低系统错误率。

内存带宽：优化内存带宽，提高数据传输速度。

闪存和SSD技术：采用高功能的存储器技术，提高系统功能。

（3）结论：存储器层次结构对计算机功能具有重要影响，合理设计存储器层次结构可以提高计算机的功能。

3.论述计算机系统中的总线结构对系统功能的影响。

解答：

（1）引言：总线是计算机系统中的通信桥梁，其结构对系统功能具有重要影响。

（2）总线结构对系统功能的影响：

总线带宽：提高总线带宽，提高数据传输速度。

总线协议：采用高效的协议，降低通信延迟。

总线扩展性：良好的总线扩展性，满足系统升级需求。

总线仲裁：优化仲裁算法，提高总线访问效率。

（3）结论：总线结构对计算机功能具有重要影响，合理设计总线结构可以提高计算机的功能。

4.论述计算机系统中的I/O设备与主机进行数据交换的优缺点。

解答：

（1）引言：I/O设备与主机之间的数据交换是计算机系统的重要组成部分，其优缺点对系统功能产生一定影响。

（2）优缺点：

优点：

并行处理：多通道I/O，提高数据传输效率。

缓存技术：利用缓存提高I/O设备与主机之间的数据交换速度。

异步处理：减少主机等待时间，提高系统利用率。

缺点：

竞争：I/O设备与主机之间的竞争，可能降低数据交换效率。

传输延迟：I/O设备与主机之间的传输延迟，影响系统功能。

（3）结论：I/O设备与主机之间的数据交换对计算机功能具有重要影响，合理设计可以提高系统功能。

5.论述计算机系统结构在云计算环境下的挑战与发展趋势。

解答：

（1）引言：云计算环境对计算机系统结构提出了新的挑战和需求。

（2）挑战：

资源虚拟化：实现资源高效利用，降低资源闲置率。

分布式计算：优化数据传输和计算效率，提高系统可靠性。

弹性伸缩：实现系统动态调整，满足用户需求。

（3）发展趋势：

硬件虚拟化：提高硬件资源利用率，降低能耗。

软件虚拟化：提高软件资源利用率，降低软件部署成本。

大数据技术：优化数据处理速度，提高系统功能。

（4）结论：云计算环境对计算机系统结构提出了新的挑战，未来发展趋势将集中在资源虚拟化、分布式计算和大数据技术等方面。六、案例分析题1.案例一：分析某计算机系统中的Cache设计方案，并讨论其优缺点。

描述：请选择一个具体的计算机系统（如IntelCorei7处理器），分析其Cache设计方案，包括Cache的层次结构、容量、块大小、替换策略等。

答案及解题思路：

Cache设计方案：描述Cache的层次结构，如L1、L2、L3Cache的容量、访问速度等。

优点：分析Cache设计方案的优势，如提高数据访问速度、减少内存访问次数等。

缺点：讨论Cache设计方案的不足，如成本较高、设计复杂等。

2.案例二：分析某计算机系统中的总线结构，并讨论其对系统功能的影响。

描述：以AMDRyzen7处理器为例，分析其总线结构，包括数据总线、地址总线、控制总线等。

答案及解题思路：

总线结构：描述总线结构的组成，如支持的数据宽度、总线宽度、频率等。

系统功能影响：讨论总线结构对系统功能的影响，如数据传输速率、功耗、兼容性等。

3.案例三：分析某计算机系统中的I/O设备与主机进行数据交换的方式，并讨论其优缺点。

描述：以USB3.0接口为例，分析I/O设备与主机进行数据交换的方式，如中断驱动、直接内存访问（DMA）等。

答案及解题思路：

数据交换方式：描述数据交换的具体方式，如中断驱动、DMA等。

优点：分析数据交换方式的优点，如提高传输效率、降低CPU负载等。

缺点：讨论数据交换方式的不足，如中断频繁、系统资源占用等。

4.案例四：分析某计算机系统中的存储器层次结构，并讨论其对系统功能的影响。

描述：以现代计算机系统为例，分析其存储器层次结构，包括寄存器、Cache、内存、硬盘等。

答案及解题思路：

存储器层次结构：描述存储器层次结构的组成，如各层存储器的大小、速度等。

系统功能影响：讨论存储器层次结构对系统功能的影响，如访问速度、数据一致性等。

5.案例五：分析某计算机系统结构在云计算环境下的挑战与发展趋势。

描述：以云计算环境下的服务器架构为例，分析其在设计上的挑战，如可扩展性、高可用性、资源虚拟化等，并探讨其发展趋势。

答案及解题思路：

挑战：分析云计算环境下的系统结构设计所面临的挑战，如数据密集型任务处理、海量存储管理、网络延迟等。

发展趋势：探讨云计算环境下系统结构的发展趋势，如分布式计算、微服务架构、边缘计算等。

：七、设计题1.设计一个具有Cache的计算机系统，并分析其功能特点。

设计概述：

设计一个包含一级Cache（L1Cache）和二级Cache（L2Cache）的计算机系统，其中L1Cache采用快速静态RAM（SRAM）作为存储介质，而L2Cache采用慢速动态RAM（DRAM）。系统的主要处理单元包括CPU、内存和Cache，CPU直接访问L1Cache，当L1Cache未命中时，数据从L2Cache中加载。

功能特点分析：

减少内存访问时间：Cache作为CPU和内存之间的缓冲区，减少了内存访问时间，从而提高系统功能。

减少CPU等待时间：由于Cache具有高速访问特性，当CPU需要数据时，可以先从Cache中获取，从而减少CPU的等待时间。

降低系统功耗：Cache减少了内存访问次数，从而降低了系统功耗。

2.设计一个具有总线结构的计算机系统，并分析其对系统功能的影响。

设计概述：

设计一个采用多总线结构的计算机系统，包括CPU总线、内存总线和I/O总线。其中，CPU总线负责CPU与L1Cache、L2Cache和内存之间的通信；内存总线负责内存与CPU、Cache之间的通信；I/O总线负责CPU与外部设备之间的通信。

系统功能影响分析：

提高系统可扩展性：多总线结构允许系统在不同部件之间增加或替换组件，提高了系统的可扩展性。

提高系统吞吐量：多总线结构使得系统各个部件之间可以并行通信，从而提高了系统吞吐量。

减少数据竞争：多总线结构降低了数据竞争的概率，提高了系统稳定性。

3.设计一个具有I/O设备的计算机系统，并分析其数据交换方式。

设计概述：

设计一个包含硬盘、U盘、打印机等I/O设备的计算机系统。数据交换方式包括直接内存访问（DMA）和中断驱动。

数据交换方式分析：

直接内存访问（DMA）：I/O设备直接与内存交换数据，无需CPU参与，提高了数据交换效率。

中断驱动：I/O设备通过中断请求CPU参与数据交换，当CPU响应中断时，进行数据传输。

4.设计一个具有存储器层次结构的计算机系统，并分析其对系统功能的影响。

设计概述：

设计一个包含内存、硬盘和固态硬盘的存储器层次结构系统。系统通过缓存（Cache）提高数据访问速度，通过硬盘和固态硬盘实现大容量存储。

系统功能影响分析：

提高数据访问速度：存储器层次结构使得数据访问速度得到了提升，从而提高了系统功能。

提高存储容