【软考程序员学习笔记】——计算机组成与体系结构

目录

一、进制之间的转换

二、原码、反码、补码和移码

原码

反码

补码

 移码

三、浮点数表示法

（1）浮点数表示

（2）两浮点数进行运算的过程

四、校验码

（1）奇偶校验码

（2）海明码

（3）循环冗余校验码【（n，k）码】

【模二运算的知识拓展】

 五、计算机系统的组成

六、运算器和控制器的组成

运算器的组成： 

控制器的组成：

七、指令系统

 立即寻址方式

直接寻址方式

间接寻址方式

寄存器寻址方式

寄存器间接寻址方式

八、容量的换算

九、内存编址

十、高速缓存Cache

---

一、进制之间的转换

进制的种类：

 二进制（B）、八进制（O）、十进制（D）、十六进制（H）

 进制的转化：二进制、八进制、十进制、十六进制之间的相互转换。

二、原码、反码、补码和移码

原码

将数据用二进制形式表示，最高位为符号位，正数为0，负数为1。

我们用8位二进制表示一个数，+11的原码为00001011，-11的原码就是10001011。

计算机中所有的数均用0，1编码表示，数字的正负号也不例外，如果一个机器数字长是n位的话，约定最左边一位用作符号位，其余n-1位用于表示数值。

在符号位上用"0"表示正数；用"1"表示负数。数值位表示真值的绝对值。凡不足n-1位的，小数在最低位右边加零；整数则在最高位左边加零以补足n-1位。这种计算机的编码形式叫做原码。

反码

反码是数值存储的一种，多应用于系统环境设置，如Linux平台的目录和文件的默认权限的设置umask，就是使用反码原理。

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，其余各位取反。

补码

补码是计算机把减法运算转化为加法运算的关键编码。

正数的补码是其本身；负数的补码是在其原码的基础上，符号位不变，在反码的基础上+1。

 移码

移码（又叫增码或偏置码）通常用于表示浮点数的阶码，其表示形式与补码相似，只是其符号位用“1”表示正数，用“0”表示负数，数值部分与补码相同。

注意：在补码和移码表示中，0有唯一的编码，补码中+0和-0均为0000  0000（八位二进制表示下）。

多数计算机都采用补码进行加减运算，其符号位和数值位一样参与运算，无需做特殊处理。

在n位二进制表示下：

原码、反码表示的数据范围为：

补码、移码表示的数据范围为：

补码中，用1000  0000表示-128。

三、浮点数表示法

（1）浮点数表示

阶符±

阶码e

数符±

尾数m

特点：

阶码的位数决定数的表示范围，位数越多范围越大；尾数的位数决定数的有效精度，位数越多精度越高。

（2）两浮点数进行运算的过程

运算过程：

对阶＞尾数计算＞结果格式化

对阶时，小数向大数看齐，对阶是通过较小数的位数右移实现的。

四、校验码

校验码通常是一组数字的最后一位，由前面的数字通过某种运算得出，用以检验该组数字的正确性。如图所示：

（1）奇偶校验码

奇校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为奇数。

偶校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为偶数。

奇偶校验，可检查奇数个数位的错误，不可纠错。

（2）海明码

在数据之间插入K个校验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

（3）循环冗余校验码【（n，k）码】

信息码占k位，校验码占n-k位，校验码位数越长，校验能力越强。采用了模二运算。

【模二运算的知识拓展】

模二运算是一种二进制算法，CRC校验技术的核心部分。

模二加：+

模二减：-

模二乘：×或●

模二除：÷或 /

（模二运算不考虑进位和借位）

 五、计算机系统的组成

六、运算器和控制器的组成

运算器的组成： 

• 算术逻辑单元ALU：数据的算术运算和逻辑运算
• 累加寄存器AC：通用寄存器，为ALU提供一个工作区，用在暂存数据
• 数据缓冲寄存器DR：写内存时，暂存指令或数据
• 状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志（争议：也有将其归为控制器的）

控制器的组成：

• 程序计数器PC：存储吓一跳要执行指令的地址
• 指令寄存器IR：存储正在执行的指令
• 指令译码器ID：对指令中的额操作码字段进行分析解释
• 时序部件：提供时序控制信号 

七、指令系统

 立即寻址方式

操作数直接在指令中，速度快，灵活性差

直接寻址方式

指令中存放的是操作数的地址

间接寻址方式

指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容就是操作数的地址

寄存器寻址方式

寄存器存放操作数

寄存器间接寻址方式

寄存器内存放的是操作数的地址 

计算机中最基本的单位基准时间为时钟周期。

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，每一项工作称为一个基本操作，完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期（也称CPU周期）。

指令周期是指取出并完成一条指令所需的时间，一般由若干个机器周期组成。

总结：

指令周期＞机器周期＞时钟周期

八、容量的换算

位(b/bit):存放一位二进制数

字节(B/Byte):8个二进制位为一个字节

1B=8b                       1KB=1024B                 1MB=1024KB                   1GB=1024MB 
1TB=1024GB            1PB=1024TB               1EB=1024PB                   1ZB=1024EB 
1YB=1024ZB

九、内存编址

内存编址:存储器由一块块的空间(存储单元)组成，为了方便寻找到每一块空间，我们需要对每一个空间进行标识，即用地址(唯一的编号)来标识内存每个单元。

内存容量=每个芯片容量*芯片个数

每个芯片的容量=一个地址代表的容量*编址总数

十、高速缓存Cache

基于成本和性能方面的考虑，Cache(即高速缓存)是为了解决相对较慢的主存与快速的CPU之间工作速度不匹配问题而引入的存储器。

Cache中存储的是主存内容的副本。

在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度最快的层次(若有寄存器，则寄存器最快)。

使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理:

时间局部性:某条指令一旦执行，可能将会再次被执行;某数据被访问，可能将会再次被访问。

空间局部性:某程序一日访问了某个存储单元，其附近的存储单元也可能将会被访问。

---