软考-计算机系统基础知识

计算机硬件组成

• 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5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（CPU）。
  • CPU是硬件系统的核心，用于数据的加工处理、能完成各种算数、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。
  • 内部存储器速度高、容量小，一般用于临时存放程序、数据及中间结果。
  • 外部存储器容量大、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。
  • 输出设备用于输出计算机运行的结果。

中央处理单元

CPU的功能

• 程序控制：CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是CPU的重要功能。
• 操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往对应的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
• 时间控制：CPU对各种操作进行时间上的控制，即指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现时间顺序都需要进行严格控制。
• 数据处理：CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们所利用。所以，对数据的加工处理也是CPU最根本的任务。

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。

⭐CPU的组成

CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。

• 运算器：由算数逻辑单元ALU（实现对数据的算术和逻辑运算）、累加寄存器AC（运算结果或源操作数的存放区）、数据缓冲寄存器DR（暂时存放内存的指令或数据）和状态条件寄存器PSW（保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等）组成。执行所有的算术运算，如加减乘除等；执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、比较等。
• 控制器：由指令寄存器IR（暂存CPU执行指令）、程序计数器PC（存放指令执行地址）、地址寄存器AR（保存当前CPU所访问的内存地址）、指令译码器ID（分析指令操作码）等组成。控制整个CPU的工作，最为重要。

CUP依据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据，因为在指令周期的不同阶段，指令会命令CPU分别去取指令或者数据。

数据表示

进制的表示

二进制、十六进制，一般在题目中会给出中文说明，如果没给出，注意二进制符号为0b，一般表示为0b0011，十六进制符号为0x或H，可表示为0x18或18FH（十六进制可表示0-15，其中10-15用A-F来表示）

• R进制整数转十进制：用R进制数的每一位乘以R的n次方。
• 十进制转R进制：整数除以R倒取余数
• m进制转n进制：先将m进制转化为十进制数，再将十进制数转化为n进制数
• 二进制转八进制：每三位二进制数转换为一位八进制数，位数不够补0
• 二进制转十六进制：每四位二进制数转换为一位十六进制数，位数不够补0

机器数

各种数值在计算机中表示的形式，其特点是使用二进制计数制，数的符号用0和1表示，小数点则隐含，不占位置。

• 定点表示分为纯小数和纯整数两种，其中小数点不占存储位，而是按照以下约定：
  • 纯小数：约定小数点的位置在机器数的最高数值位之前。
  • 纯整数：约定小数点的位置在机器数的最低数值为之后。
• 真值：机器数对应的实际数值。
• 原码：一个数的正常二进制表示，最高位表示符号，数值0的源码有两种形式：+0（0 0000000）和-0（1 0000000)。-45对应原码为10101101
• 反码：正数的反码即源码；负数的反码是在原码的基础上，除符号位外，其他各位按位取反。数值0的反码也有两种形式：+0（0 0000000），-0（1 1111111）。-45对应反码为11010010
• 补码：正数的补码即原码；负数的补码是在原码的基础上，除符号位外，其他各位按位取反，而后末位+1，若有进位则产生进位。因此数值0的补码只有一种形式+0=-0=0 0000000。-45对应补码为11010011
• 移码：用作浮点运算的阶码，无论正数负数，都是将该原码的补码的首位（符号位）取反得到移码。-45对应移码为01010011

校验码

• 码距：在两个编码中，从A码到B码转换所需要改变的位数称为码距。
  • A（00）要转换为B（11），码距为2
  • 一般来说，码距越大，越利于纠错和检错
• 奇偶校验码：在编码中增加1位校验码来使得编码中1的个数位奇数（奇校验）或者偶数（偶校验），从而使码距变为2
  • 奇校验：编码中，含有奇数个1，发送给接收方，接收方收到后，会计算收到的编码有多少个1，如果是奇数个，则无误，是偶数个，则有误。
  • 偶校验同理
  • 由上述，奇偶校验只能检1位错，并且无法纠错

CRC

CRC只能检错，不能纠错。

使用CRC编码，需要先约定一个生成多项式G(x)。生成多项式的最高位和最低位必须是1.

• 假设原始信息有m位，则对应多项式M(x)。生成校验码思想就是在原始信息位后追加若干校验位，使得追加信息能被G(x)整除。
• 接收方接受到带校验位的信息，然后用G(x)整除。余数位0，则没有错误；反之则发生错误。

例：假设原始信息串为10110，CRC的生成多项式为G(x)=x^4+x+1，求CRC校验码。
（1）在原始信息位后面添0，假设生成多项式的阶为r，则在原始信息位后添加r个0
G(x)阶为4，则在原始信息串后加4个0，得到的新串为10110 0000，作为被除数。
（2）由多项式得到除数，多项中x的幂指数存在的位置1，不存在的位置0。
本题中，x的幂指数为0，1，4的变量都存在，而幂指数为2、3的不存在，因此得到串10011.
（3）生成CRC校验码，将前两步得出的被除数和除数进行模2除法运算（即不进位也不错位的除法运算）。
得到余数1111（余数不足，则余数左边用若干个0补齐。）
（4）生成最终发送信息串，将余数添加到原始信息后。
上例中，原始信息为10110，添加余数1111后，结果为10110 1111。发送放将此数据发送给接收方。
（5）接收方进行校验。接收方的CRC检验过程与生成类似，接收方接收了带校验和的帧后，用多项式G(x)来除。余数为0，则表示信息无措；否则要求发送方进行重传。

海明码

本质也是利用奇偶性来检错和纠错的检验方法，构成方法是在数据位之间的确定位置上插入k个校验位，通过扩大码距实现检错和纠错。

设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足一下关系：2^k-1 >= n+k。

例：求信息1011的海明码
（1）校验位的位数和具体的数据位的位数之间的关系
所有位都编号，从最低位编号，从1开始递增，校验位处于2的n次方中。
（2）计算校验码
将所有信息位的编号都拆分成二进制表示，如下图所示：

计算出三个校验位后，可知最终要发送的海明校验码为1010101
（3） 检错和纠错原理
接收方收到海明码之后，会将每一位校验位与其校验的位数分别异或，即做如下三组运算：

如果是偶校验，那么运算得到的结果应该全为0，如果是奇校验，应该全为1，才是正确。
假设是偶校验，且接收到的数据为1011101，此时运算结果为：

这里不全为0，表明传输过程有误，并且按照排列为二进制100。
这里指出的就是错误的位数，表示第100，即第四位出错，纠错方法就是该位逆转。