计算机系统构成及硬件基础知识（中级软件评测师备考笔记）

命名规则：

C语言规定用户定义的标识符（变量名、函数名等）必须以字母或下划线开头且由字母、数字和下划线构成，同时不能使用语言的保留字（关键字）

数的转换

R进制的每一位数值用R^k形式表示，即幂的底数是R，指数为K，K与该位和小数点之间的距离有关

O：八进制 B：二进制 H：十六进制 D：十进制

其他进制转十进制

按权展开法

十进制转R进制使用短除法

例：将173转换为二进制数（10101101）

快速转换法

（2^3=8 每三位一转）

（2^4=16 每四位一转）

存储相关基础概念

地址：

整个内存被分为若干个存储单元，为了有效存储该单元内存储的内容，每个单元必须有唯一的编号（称为地址）来标识

位（bit）

存放一位二进制的数即0或1称为位

字节

8个二进制位为一个字节

1KB=2^10B=1024B

1TB=2^10GB=2^20MB=2^40B

数的表示

原码符号位：为零表示正，为一表示负

反码符号位：为零表示正，为一表示负

正数的反码等于原码，负数的反码等于原码除符号位外按位取反。

补码符号位：为零表示正，为一表示负（应用场景：数的加减法，算术运算过程中符号位与数值位采用同样的运算规则进行处理）

正数的补码等于原码，负数的补码等于反码末位加1。

移码补码的符号位取反（用于浮点数的阶码）

	数值1	数值-1
原码	0000 0001	1000 0001
反码	0000 0001	1111 1110
补码	0000 0001	1111 1111
移码	1000 0001	0111 1111

数的表示范围

原码：-127~127

反码：-127~127

补码：-128~127（0的补码唯一，即[+0]补码=[-0]补码=0000 0000，相比原码和反码，补码中少了一个0的编码，即在原码中表示-0的1000 0000，因此在补码中将这个多出来,10000000进行扩充，用来表示-128）

移码：-128~127

定点数与浮点数

定点数 小数点的位置固定不变的数，小数点不需要占用一位二进制

定点整数

定点小数小数点在符号位之后，最高有效数位之前

浮点数运算

N=M*（R^e）其中M称为尾数，e是指数，R为基数

1、对阶

让两个操作数阶数相同，实现的方式是对较小数的尾数进行右移操作，低阶向高阶看齐。

2、尾数加减

3、结果格式化

4、舍入

5、溢出判断

阶码决定浮点数可以表示的数值范围，尾数决定精度。

计算机的基本组成

计算机硬件由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

CPU中央处理器由运算器、控制器（寄存器组、内部总线）组成

运算器组成：算术逻辑单元ALU、累加寄存器（用来保存一个操作数和运算结果的寄存器）、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器

控制器组成：程序计数器PC（暂存待执行指令的地址）、指令寄存器IR（暂存正在执行的指令）、指令译码器、时序部件

计算机体系结构

应用软件

其他系统软件

操作系统

计算机硬件

性能的基本概念

总线的性能指标：

总线的带宽，即单位时间内总线上可以传输的数据量，单位是MB/S

总线的位宽，即总线能同时传输的数据位数，32位、64位

总线的工作频率，即总线的时钟频率，它是协调总线上各种操作的时钟频率

总线的分类

数据总线：传输数据信息，CPU一次传输的数据与数据总线带宽相等，宽度决定了在主存储器和CPU直接数据交换的效率。

控制总线：传送控制信号和时序信号，如读/写、片选、中断响应信号等

地址总线：传送地址，它决定了系统的寻址空间，地址总线宽度决定了CPU能够使用多大容量的主存储器。

计算机体系结构的分类

指令：

一条指令就是机器语言的一个语句，是一组有意义的二进制代码。

包括操作码字段（指出了计算机要执行什么性质的操作）和地址码字段（包含各操作数的地址及操作结果的存放地址等）

CISC和RISC

流水线

多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术（可提高指令的执行效率）

取指→分析→执行

流水线周期：执行时间最长的阶段

流水线计算公式：Nt+（k-1）t

单条指令所需时间+(n-1)*(流水线周期)

流水线的吞吐率TP计算公式：TP=n/Tk (Tk即单条指令所需时间+(n-1)*(流水线周期))

例：取指2ns，分析2ns，执行1ns。则流水线周期是2ns。

100条指令全部执行完毕需要的时间：（2+2+1）+99*2=5+198=203

吞吐率为100/203

直接存储器存取方式（DMA）：在DMA模式下，CPU只需向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完之后再把信息反馈给服务器即可。在传送数据块的过程中不需要cpu干涉（提高了cpu的利用率），提高了主机与外设并行工作的程度。

中断方式：当I/O接口准备好接收数据或传送数据时，就发出中断信号通知CPU，对中断信号进行确认后，CPU保存正在执行的程序的现场，转而执行提前设置好的I/O中断服务程序，完成一次数据传送的处理。这样，CPU就不需要主动查询外设的状态，在等待数据期间可以执行其他程序，从而提高了CPU的利用率。采用中断方式管理I/O设备，CPU和外设可以并行地工作。中断服务程序入口地址称为中断向量。

并行/多处理机

并行处理机：

阵列计算机，由多台处理机组成，每台处理机执行相同的程序，是操作并行的SIMD计算机

多处理机：

由若干台独立的计算机组成，每台计算机能够独立执行自己的程序，是MIMD计算机

多级存储器结构

寄存器速度最快，外存成本较低但速度较慢

存储器分类

寻址方式：

就是处理器根据指令中给出的地址信息来寻找有效地址的方式，是确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方法。

直接寻址：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址（操作数在主存单元中）。

间接寻址：指令地址字段中的形式地址不是操作数真正的地址，而是操作数地址的指示器。

立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。（操作数在指令中）特点：指令执行时间很短，不需要访问内存取操作数。

寄存器寻址：操作数不放在内存中，而是放在CPU的通用寄存器中

寄存器间接寻址：操作数在主存单元，而其地址在寄存器中

Cache

功能：提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓的“冯·诺依曼瓶颈"

速度：在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度较快的层次

原理：使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理

组成：Cache由两部分组成：控制部分和Cache存储器部分（地址转换通过硬件控制）

校验码-奇偶校验码、CRC、海明校验码

奇偶校验码—仅可检错，可检测1(奇数)位错

缺点：具有局限性，只能检测出奇数位出错的情况，不能确定出错位置，也不能纠正错误。

CRC(循环冗余码）一仅可检错，可检测多位错。采用模2除法进行校验码计算。

海明码—可检错，且可纠错，纠1位错或多位错。数据信息位与校验位需要满足一定的位置关系。

码距：

一个编码系统的码距就是整个编码系统中任意(所有)两个码字的最小距离

例:

若用1位长度的二进制编码。若A=1，B=0。这样A，B之间的最小码距为1

若用2位长度的二进制编码，若以A=11，B=00为例，A、B之间的最小码距为2

若用3位长度的二进制编码，可选用111，000作为合法编码。A，B之间的最小码距为3