软考复习笔记之计算机系统基础知识 一、计算机系统基础知识

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系列目录（点击跳转）
软考复习笔记之计算机系统基础知识 二、计算机体系结构
软考复习笔记之计算机系统基础知识 三、存储系统
软考复习笔记之计算机系统基础知识 四、输入/输出技术与总线结构
软考复习笔记之计算机系统基础知识 五、安全性、可靠性与系统性能评测
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第一章 计算机系统知识

1.1 计算机系统基础知识

1.1.1 计算机系统硬件基本组成

计算机是由硬件和软件组成的。
计算机的基本硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。控制器、处理器等部件被集成在一起统称为中央处理单元（CPU）。

• CPU ：硬件系统的核心，用于数据的加工处理，能完成各种算数、逻辑运算及控制功能。

• 存储器：计算机系统钟的记忆设备，分为外部存储器与内部存储器。前者速度高容量小，后者速度慢容量大。

• 输入设备和输出设备简称外部设备（外设）。

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1.12 中央处理单元(CPU)

中央处理单元（CPU） 是计算机系统的核心部件，负责获取程序指令、对指令进行译码并加以执行。

1 CPU的功能

• 程序控制
• 操作控制
• 时间控制
• 数据处理
  此外，CPU还需要对系统内部和外部的中断（异常）做出响应，进行相应的处理。

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2 CPU的组成

主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。

1）运算器

由算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成
主要功能：执行所有算术运算、执行所有逻辑运算并进行逻辑测试。
下面介绍运算器中各组成部件的功能。

（1）算术逻辑单元（ALU）：负责处理数据、实现对数据的算术运算和逻辑运算。
（2）累加寄存器（AC）：当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
（3）数据缓冲寄存器（DR）：作为CPU和内存、外部设备之间数据传输的中转站；作为CPU和内存、外部设备之间操作速度上的缓冲。
（4）状态条件寄存器（PSW）：保存由算术指令和逻辑运算指令或测试的结果建立各种条件码内容，主要分为状态标志和控制标志。

2）控制器

控制整个CPU的工作，决定了计算机运行过程中的自动化。控制器一般包括指令控制逻辑，时空控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分。

• 时空控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。

• 总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。

• 中断控制逻辑用于控制各种请求的中断。

• 指令控制逻辑要完成取指令、分析指令、执行指令的操作，其过程分为取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等步骤。

  （1）指令寄存器（IR）：CPU执行一条指令时，先把他从内存储器取到缓冲寄存器 中，再送入IR暂存。
  （2）程序计数器（PC）：PC具有寄存信息和计数两种功能，又称指令计数器。
  （3）地址寄存器（AR）：AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
  （4）指令编译码（ID）：指令包含操作码和地址码两个部分。指令编译就是对指令中的操作码字段进行分析解释，系列操作后完成所需的功能。

3）寄存器组

寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器。

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3 多核CPU

核心又称为内核，是CPU最重要的组成部分。
最大的优点是可满足用户同时进行多任务处理的要求。

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1.13 数据表示

参考博客 https://blog.csdn.net/Adorable_0623/article/details/88567074

1 机器数和符号位

一个数在计算机中的二进制表示形式，叫做这个数的机器数。
机器数是带符号的，在计算机中用一个数的最高位存放符号 正数为0 负数为1。

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2 真值

因为第一位是符号位 所以机器数的形式值不等于真正的数值 例如上面的有符号数 1000_0101 其最高位1代表负 其真正的数值是 - 5 而不是形式值 133 (10000101转换成十进制是133) 所以 ，为区别起见，将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。

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3 原码、反码、补码、移码

为了便于运算，带符号的机器数可采用原码、反码、补码、移码等不同的编码方法，机器上的这些编码方法称为码制。

• 原码
  原码就是符号位加上真值的绝对值
  即用第一位表示符号 其余位表示值 比如如果是8位二进制:
  [+1]原 = 0000_0001
  [-1]原 = 1000_0001
  因为第一位是符号位 所以8位二进制的取值范围是
  [1111_1111,0111_1111] 即[-127，127]
  这个地方要注意一下 不是[-128,127]或者[-128,128]
  原码是人脑最容易理解和计算的表示方式

• 反码
  反码就是 : 正数的反码是其本身，负数的反码是在其原码的基础上符号位不变，其余各个位取反
  [+1] = [0000_0001]原 = [0000_0001]反
  [-1] = [1000_0001]原 = [1111_1110]反
  可见如果一个反码表示的是负数，人脑无法直观的看出来它的数值，通常要将其转换成原码再计算。

• 补码
  补码就是 : 正数的补码就是其本身，负数的补码是在其原码的基础上符号位不变，其余各位取反，最后+1，即取反+1
  [+1] = [0000_0001]原 = [0000_0001]反 = [0000_0001]补
  [-1] = [1000_0001]原 = [1111_1110]反 = [1111_1111]补
  对于负数，补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的，通常也需要转换成原码再计算其数值。

• 移码
  移码最简单，不管正负数，只要将其补码的符号位取反即可。
  [+1] = [0000_0001]原 = [0000_0001]反 = [0000_0001]补 = [1000_0001]移
  [-1] = [1000_0001]原 = [1111_1110]反 = [1111_1111]补 = [0111_1111]移
  对于一个数 计算机要使用一定的编码方式进行存储 原码反码补码是机器存储一个具体数字的编码方式。

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4 定点数和浮点数

• 定点数
  小数点的位置固定不变的数。
  小数点的位置通常有两种约定方式：定点整数和定点小数。

• 浮点数
  浮点数是小数点位置不固定的数。它能表示更大范围的数。

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1.14 校验码

通常使用校验码的方法来检测传送的数据是否出错。其基本思想是把数据可能出现的编码分为两类：合法编码和错误编码。

常见的奇偶校验码有：水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码。

1 奇偶校验码

参考博客：https://www.cnblogs.com/dushikang/p/8334776.html

1）什么是奇偶校验码?

奇偶校验码也是一种校验码，它用来检测数据传输过程中是否发生错误，是众多校验码中最为简单的一种。

顾名思义，它有两种校验方法：奇校验和偶校验

奇校验：原始码流+校验位 总共有奇数个1

偶校验：原始码流+校验位 总共有偶数个1

2）算法

跟CRC类似，也是在原始码流后面，加上校验位。不同的是，它的校验位只有一位，要么是0，要么是1。并且它的校验码还可以放在码流的前面。

例如下图有5组原始码，校验位的计算方法如下。红色代表校验位。

3）应用举例

奇偶校验码一个最为常见的应用场合就是ASCII码。

ASCII码占用一个字节，低7位是有效位，最高位用作奇偶校验。

4）错误检测能力

对于奇校验，只能检测出奇数个错误，对于奇校验，只能检测出奇数个错误。

例如还是ASCII码 大写字母 A

奇校验 正确码流 11000001

错1位 11000011 变成了偶数个1，能检测出错误

错2位 11000010 变成了奇数个1，检测不出错误

错3位 11001010 变成了偶数个1，能检测出错误

偶校验 正确码流 01000001

错1位 01000011 变成了奇数个1，能检测出错误

错2位 01000010 变成了偶数个1，检测不出错误

错3位 01001010 变成了奇数个1，能检测出错误

5）使用奇校验还是偶校验

奇校验一个重要的特征是产生不了全0代码，所以在实际操作过程中选择的时候要考虑到这一点。

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2 海明码

是一种利用奇偶性来检验或者纠错的校验方法。

• 海明码只能检测出2位错，纠1位错

• 海明码默认进行偶校验(除非特殊说明使用奇校验)。

• 海明码是一串由0和1组成的序列

算法

参考博客 https://blog.csdn.net/Yonggie/article/details/83186280

3 循环冗余校验码（CRC）

CRC循环冗余校验码是数据通信中的一种查错校验码。

循环冗余检查对数据进行多项式计算，将计算结果附加在帧后面，接收数据的设备执行模2运算，保证数据传输的正确性和完整性。