软考上午科目__第一章__计算机系统知识

大纲要求：

• 数值及其转换，包括二进制、十进制和十六进制等常用数制及其相互转换。
• 数据的表示，包括数的表示（原码、反码、补码、移码表示，整数和实数的机内表示，精度和溢出）、非数值表示（字符和汉字的表示、声音的表示、图像的表示）、校验方法和校验码。
• 算术运算和逻辑运算，包括计算机中的二进制数运算方法、逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的简化。
• 计算机系统的组成、体系结构的分类及特性，包括CPU和存储器的组成、性能和基本工作原理，常用I/O设备、通信设备的性能以及基本工作原理，I/O接口的功能、类型和特性，I/O控制方法（中断系统、DMA、I/O处理及方式），CISC/RISC，流水线操作，多处理机，并行处理。
• 存储系统，包括虚拟机的基本工作原理、多级存储体系的性能价格、RAID的类型和特性
• 加密与解密机制
• 安全性、可靠性与系统性能评测的基础知识，包括系统可靠性分析评价和计算机系统性能评测方式。
• 系统性能知识，包括性能指标（响应时间、吞吐量、周转时间）和性能设计、性能测试和性能评估

计算机系统硬件的基本组成

计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

运算器、控制器等部件被集成在一起，统称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。

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

存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器和外部存储器。

前者速度高、容量小，一般用于临时存放程序、数据及中间结果。
后者容量大、速度慢，可以长期保存程序和数据。

输入设备和输出设备合称为外部设备(简称外设)，输入设备用于输入原始数据及各种命令
输出设备则用于输出计算机运行的结果

中央处理单元

1. CPU的功能
   

2. CPU的组成
   运算器：
   
   控制器：
   

寄存器组：

• 寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。
• 运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器，其作用是固定的。
• 通用寄存器用途广泛并可有程序员规定其用途，其数目因处理器不同而有所差异。

内部总线：

数据表示

原码、反码、补码和移码

定点数和浮点数

校验码

例题

1. 常用的虚拟存储器由**“主存—辅存”**两级存储器组成。
2. 在CPU中，控制器不仅要保证指令的正确执行，还要能够处理异常事件。
3. 循环冗余校验码（CRC）利用生成多项式进行编码。设数据位为k位，校验位为r位，则CRC码的格式为k个数据位之后跟r个校验位。
   
4. 在程序执行过程中，Cache与主存的地址映像由硬件自动完成
5. CPU对存储器的访问，通常是一次读写一个字单元。
6. CPU中译码器的主要作用是进行：指令译码
7. 程序计数器（PC）是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方
8. 地址寄存器保存当前CPU所访问的内存单元的地址
9. CPU要执行一条指令时，先把内存取到数据缓冲寄存器中，再送入指令寄存器IR暂存，指令译码器根据IR的内容产生各种微操作命令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。
10. 浮点数能够表示的数的范围是由其阶的位数决定的。
11. 指令寄存器的位数取决于指令字长

计算机体系结构

计算机体系结构的发展

（1）计算机体系结构（Computer Architecture）是指计算机的概念性结构和功能属性。
（2）计算机组织（Computer Organization）是指计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等（计算机组成原理）
（3）计算机实现（Computer Implementation）是指计算机组织的物理实现

计算机体系结构的分类

指令系统

指令系统指的是一个CPU能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。

一条指令一般包括两个部分，即操作码和地址码

操作码指明操作的类型，地址码主要指明操作数及运算结果存放的地址

寻址方式

CISC和RISC

指令的流水处理

存储系统

存储器的层次结构

计算机的三层存储体系结构如下：

三层存储结构是高速缓存（Cache）、主存储器（Main Memory，MM）和辅助存储器（外存储器）。

存储器分类

相联存储器

高速缓存

概念

地址映像方法

替换算法

虚拟存储器

概念

虚拟存储器的管理方式

外存储器

内存与接口的编址方式

内存与接口地址独立编址

• 内存地址与接口地址完全独立且相互隔离，在使用中内存用于存放程序和数据，而接口就用于寻址外设。
• 在编程序和读程序时很容易使用和辨认。
• 缺点是用于接口的指令太少，功能太弱。

内存与接口地址统一编址

• 内存地址与接口地址统一在一个公共的地址空间，在这些地址空间里拿一些地址分配给接口使用而剩下的就可以归内存使用
• 优点是原则上用于内存的指令全部都可以用于接口
• 缺点是在于整个地址空间被分成两部分，一部分分配给接口使用，另一部分分配给内存使用，这往往会导致内存地址不连续。
• 再就是用于内存的指令和用于接口的指令是完全一样的，需要加以辨认。

CPU与外设之间的数据传送方式

例题

1. 计算机中CPU的中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序的时间。

2. 为了便于实现多级中断嵌套，使用堆栈来保护断电和现场最有效。

3. DMA工作方式下，在主存与外设之间建立了直接的数据通路。

4. 立即寻址的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。

5. 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。

6. CPU是在一个总线周期结束时响应DMA请求的。

7. 若某计算机系统的I/O接口与主存采用统一编址，则输入输出操作是通过访存指令来完成的。

8. 指令系统中采用不同寻址方式的目的是扩大寻址空间并提高编程灵活性

9. 在CPU中，常用来为ALU执行算术逻辑运算提供数据并暂存运算结果的寄存器是累计寄存器

10. 计算机指令一般包括操作码和地址码两部分，为分析执行一条指令，其操作码和地址码都应存入指令寄存器（IR）

11. Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。

12. 命中率是Cache的一个重要指标,但不是最主要的指标。

13. Cache设计的主要目标是在成本允许的情况下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。

14. 相联存储器是指按内容访问的存储器（关键字访问）

15. 虚拟存储器、高速缓存和随机访问存储器都是按地址访问

16. 计算机内存一般分为静态数据区、代码区、栈区和堆区，若某指令的操作数之一采用立即数寻址方式，则该操作数位于代码区

17. CPU中的数据总线宽度会影响系统的运算速度

18. 在指令系统的各种寻址方式中，获取操作数最快的方式是立即寻址，若操作数的地址包含在指令中，则属于直接寻址方式。