【软考笔记】1. 计算机原理与体系结构
文章目录
- 考试相关知识
- 数据的表示
- 进制转换
- 原码反码补码
- 浮点运算
- 计算机结构
- Flynn 分类法
- CISC & RISC
- 流水线技术
- 流水线执行时间计算
- 流水线吞吐率计算
- 流水线加速比计算
- 流水线的效率
- 存储系统
- 主存
- 主存编址
- 磁盘
- 总线系统
- 可靠性
- 校验码
- 校验码的作用
- 校验码的作用：差错控制
- 码距与检错、纠错的关系
- CRC / 海明码 特点、编码解码过程
- CRC
- 海明码
- 计算校验位的个数
- 海明码的生成方式
考试相关知识
数据的表示
- 进制转换
- 原码反码补码浮点运算
进制转换
十进制 => R 进制：短除法
原码反码补码
原码就是符号位 0 正 1 负
反码正数的和原码一样，负数的符号位不变其余取反
补码正数的和原码一样，负数为反码的基础上+1
移码只用于浮点运算的阶码，补码的符号位取反（正数也是）
范围：
原码： − ( 2 n − 1 − 1 ) ∼ 2 n − 1 − 1 -(2^{n-1}-1) \sim 2^{n-1}-1 −(2n−1−1)∼2n−1−1
反码： − ( 2 n − 1 − 1 ) ∼ 2 n − 1 − 1 -(2^{n-1}-1) \sim 2^{n-1}-1 −(2n−1−1)∼2n−1−1
补码： − 2 n − 1 ∼ 2 n − 1 − 1 -2^{n-1} \sim 2^{n-1}-1 −2n−1∼2n−1−1
浮点运算
- 对阶 大的那个数要对成 x.xxx*2^x 的格式，小的那个数，阶向大的数对齐
- 尾数计算
- 结果格式化
计算机结构
- cpu 寄存器如何划分（哪些在运算器/控制器里）
- 常见寄存器是干啥用的
- 运算器
- ALU 算数逻辑单元
- AC 累加寄存器（其实是一个通用寄存器，减法运算也用）
- DR 数据缓冲寄存器（读内存时暂存数据）
- PSW 状态条件寄存器（存储运算过程中的进位/溢出标志位，中断）
- 控制器
- PC 程序计数器（下一条指令的位置）
- IR 指令寄存器
- 指令译码器
- 时序部件
Flynn 分类法
阵列处理器
CISC & RISC
- 两种指令集的区别
流水线技术
- 计算
流水线执行时间计算
流水线周期 为执行时间最长的一段
流水线总时间 = 1 条指令执行时间 + (指令条数 - 1) * 流水线周期
事实上第一条指令执行时间不可能是刚刚好不浪费，而是按照：指令阶段数 k * 流水线周期
即：
理论公式： T n 条指令 = T 1 条指令 + ( n − 1 ) × Δ t T_{n条指令} = T_{1条指令} + (n-1)\times \Delta t Tn条指令=T1条指令+(n−1)×Δt
实践公式： T n 条指令 = ( k + n − 1 ) × Δ t T_{n条指令} = (k+n-1)\times \Delta t Tn条指令=(k+n−1)×Δt
流水线吞吐率计算
流水线吞吐率（TP）：单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量
T P = 指令条数 流水线执行时间 TP=\frac{指令条数}{流水线执行时间} TP=流水线执行时间指令条数
T P m a x = lim n − > ∞ n ( k + n − 1 ) Δ t = 1 Δ t TP_{max} = \lim_{n->\infin} \frac{n}{(k+n-1)\Delta t} = \frac{1}{\Delta t} TPmax=n−>∞lim(k+n−1)Δtn=Δt1
流水线加速比计算
S = 不使用流水线执行时间 使用流水线执行时间 S = \frac{不使用流水线执行时间}{使用流水线执行时间} S=使用流水线执行时间不使用流水线执行时间
流水线的效率
衡量多少时间被有效利用了
E = n 个任务占用的时空区（黑区） k 个流水段的总时空区（黑区 + 白区） = n T 0 k T E=\frac{n个任务占用的时空区（黑区）}{k个流水段的总时空区（黑区+白区）}=\frac{nT_0}{kT} E=k个流水段的总时空区（黑区+白区）n个任务占用的时空区（黑区）=kTnT0
存储系统
- 概念
- 计算
寄存器 -> cache -> 内存 -> 外存
内存是按内容存取的 相联存储器，效率远高于按地址
为啥相联存储器效率高呢？因为靠硬件可以实现多路并发比较
T 平均 = h × t 快的 + ( 1 − h ) × t 慢的 T_{平均} = h\times t_{快的} + (1-h) \times t_{慢的} T平均=h×t快的+(1−h)×t慢的
h h h 为命中率， 1 − h 1-h 1−h为失效率
主存
- 随机存取存储器（内存）
- DRAM
- SRAM
- 只读存储器（Bios）
- MROM
- PROM
- EPROM
- 闪存 flash memory
主存编址
（1） (C7FFFH - AC000H + 1) / 1024 = 112
（2） (112K * 16) / (28 * 16K) = 4
磁盘
存取时间 = 寻道时间 + 等待时间
寻道时间指磁头伸到磁道所需的时间等待时间为扇区旋转到磁头下方所用的时间，平均为转半圈的时间
注意：磁盘是一直转的，不是需要哪个地方的数据然后再开始转，取到了再停下来
原始分布如下：定位到 R0 后处理还需要 3ms，在这 3ms 后 R1 已经转过去了，需要再转一圈才能找到它
所谓单缓冲区，就是每次只能读出一个数据，不能一次读很多然后慢慢处理，读一个处理一个
读取 R0~R9：（3+33）*10，3 是读取磁盘的时间，33 是转一圈的时间
读取 R10：3+3，3 是读取磁盘的时间，3 是处理数据的时间
第（48）题答案为 366
优化分布：每次处理完一个数据后刚好磁头就在另一个数据上
这样只有读取磁盘和处理数据的时间，没有磁盘转动的时间：（3+3）*11
第（49）题答案为 66
总线系统
- 总线的分类和概念
- 内部总线：微机中外围芯片与 CPU 的总线
- 系统总线：微机中各个插件板和系统板之间的总线，如 vga 接口
- 数据总线
- 地址总线
- 控制总线
- 外部总线：微机和外设的总线
可靠性
- 串联/并联/串并混合可靠性的计算
串联系统：
R R R：可靠度
λ \lambda λ：失效率
并联系统：
只有当所有的子系统都同时失效的时候整个系统才会失效
校验码
- 校验码的作用
- CRC / 海明码 特点、编码解码过程
校验码的作用
校验码的作用：差错控制
- 检错
- 纠错
码距与检错、纠错的关系
码距：整个编码系统中任意两个码字的最小距离（不相同的二进制位的个数）
例：若有 A, B 两个字母需要做编码
用 1 位长度的二进制编码，A=1 B=0，AB 之间的最小码距为 1
用 2 位长度的二进制编码，A=11 B=00，AB 之间的最小码距为 2
用 3 位长度的二进制编码，A=111 B=000，AB 之间的最小码距为 3
- 要检测 e 个误码，最小码距 d 应满足：d=e+1
- 要纠正 t 个误码，最小码距 d 应満足：d>=2t+1
CRC / 海明码 特点、编码解码过程
CRC
CRC：可检错，不能纠错
原理：
- 在被除数后面补上生成多项式最高次幂个 0
- 对
生成多项式进行模 2 除法 - 将最后的余数接到原数上
生成多项式：例： x 4 + x 3 + x + 1 x^4+x^3+x+1 x4+x3+x+1，进行模 2 除法的除数就是 11011
海明码
计算校验位的个数
2 r ≥ N + r + 1 2^r\ge N+r+1 2r≥N+r+1
N 是信息的长度，r 为所求的校验位个数
海明码的生成方式
- 校验位位于海明码的
2^n的位置 - 把信息位的编号拆解成
2^n形式，如：7=4+2+1，则处于 7 号的信息值会影响 4、2、1 号信息位 - 由此可得各个校验位被那些信息位所影响，将这些信息位的值进行异或，得到的就是校验位的值
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