【软考备考-综合知识】计算机系统知识——计算机硬件基础知识

中央处理单元（CPU）

CPU是计算机系统的核心部件，它负责获取程序指令、对指令进行译码并加以执行。

功能

1、程序控制：CPU按照程序的安排来执行指令，保证程序指令严格按规定的顺序执行，通过执行程序控制计算机的行为。
2、操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
3、时间控制：CPU对每条指令的整个执行时间需要进行严格控制。同时，指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。
4、 数据处理： 对数据的加工处理是CPU最根本的任务。
此外，CPU还需要对系统内外部的中断（异常）做出响应，进行相应的处理。

组成

CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。

存储器

分类

（1）按存储器所处位置分类：内存、外存。

内存也成为主存，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据。容量小，速度快。
外存也成为辅存，用来存放当前不参与运行的大量信息。

（2）按存储器的构成材料分类：磁存储器、半导体存储器和光存储器。

（3）按存储器的工作方式分类：读写存储器和只读存储器。

（4）按访问方式分类：按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。

（5）按寻址方式分类：随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

随机存储器（RAM），可对任何存储单元存储或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。
顺序存储器，访问数据所需要的时间和数据所在的存储位置相关，例如磁带。
直接存储器，介于随机存取和顺序存取之间。如磁盘，它对磁道的寻址是随机的，在一个磁道内则是顺序寻址。

磁盘容量计算

磁盘容量有两种指标：一种是非格式化容量，指一个磁盘所能存储的总位数；另一种是格式化容量，指各扇区中数据区容量总和。

非格式化容量=面数X（磁道数/面）X内圆周长X最大位密度
格式化容量=面数X（磁道数/面）X（扇区数/道）X（字节数/扇区）

总线

总线（Bus），是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是链接计算机硬件系统内多种设备的通信道路。

分类

数据总线（DB）

用于传送数据信息，是双向的。

地址总线（AB）

用于传送CPU发出的地址信息，是单向的。传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。

控制总线（CB）

用于传送控制信号、时序信号和状态信息等。
CB中的每一条线的信息传送方向是单方向的且确定的，但是CB作为一个整体而言是双向的。凡涉及控制总线CB，均以双向线表示。

常见总线

（1）USB：由4条信号线组成，两条用于传送数据，两条用于传送电源。

优点

（1）简化系统结构，便于系统设计制造
（2）大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性
（3）便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口
（4）便于系统的扩充、更新和灵活配置，易于实现系统的模块化
（5）便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的接口地址进行操作
（6）便于故障诊断和维修，同时也降低了成本

输入输出控制（I/O）

从硬件角度看，输入/输出（I/O）设备是电子芯片、导线、电源、电子控制设备、电机等组成的物理设备。
从软件角度，只关注输入/输出设备的编程接口。

I/O设备概述

I/O设备可分为块设备和字符设备。
块设备把信息存放在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，独立于其他块，可寻址。
字符设备以字符为单位接收或发送一个字符流，字符设备不可以寻址。例如打印机、网卡、鼠标键盘等。

程序控制方式

程序控制I/O是指外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。分为无条件传送和程序查询两种。
（1）无条件传送：
外设可以无条件地随时接收CPU发来的输出数据，也可以无条件地随时向CPU提供需要输入的数据。
（2）程序查询方式：
通过CPU执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准备好接收或者传送数据。

中断方式

在中断方式下，I/O设备工作时CPU不再等待，而是进行其他的操作。当I/O设备完成后，通过一个硬件中断信号通知CPU，CPU再处理接下来的工作。
用中断方式完成数据的I/O过程为：当系统与外设进行数据交换时，CPU无需等待也不必去查询I/O设备的状态，而是处理其他任务。当I/O设备准备好以后，就发出中断请求通知CPU，CPU接收到信号保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序的执行，完成与I/O系统的数据交换，然后再返回被打断的程序继续执行。
相比于程序控制方式，由于CPU无需等待而提高了效率。

直接内存存取（DMA）方式

数据在内存与I/O设备之间直接成块传送，即在内存与I/O设备间传送一个数据块的过程，不需要CPU的任何干涉，只需要CPU在过程开始启动（即向设备发出“传送一块数据”的命令）与过程结束（CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪）时的处理。实际操作由DMA硬件直接执行完成，CPU在传送过程可处理别的任务。

输入输出处理器（IOP）

机器数、 补码、原码和反码

机器数

一个数在计算机中的表示形式是二进制的话，这个数就叫机器数。
机器数通常是带有符号的（指有正数和负数之分），计算机用最高位存放符号，这个 bit 一般叫做符号位。 正数的符号位为 0， 负数的符号位为 1。
故而一个bit（8字节），有效的取值范围为[-128,127]，即$[2^7,2^7-1]$

原码

十进制数据的二进制表现形式就是原码，原码最左边的一个数字就是符号位，0为正，1为负。
但是原码不能用于负数计算。

反码

为了二进制中的负数计算。
正数的反码是其本身（等于原码），负数的反码是符号位保持不变，其余位取反。 反码的存在是为了正确计算负数，因为原码不能用于计算负数。
但是反码不能用于负数跨零计算，例如-3+5

补码

为了二进制的跨零计算而生。
正数的补码是其本身，负数的补码等于其反码 +1。例如-1的原码是10000001，反码是11111110，补码是11111110