软件设计师考试---计算机硬件基础

1. 数值的表示:

   • 进制转换：不同进制之间的转换，如二进制、八进制、十进制、十六进制。在计算机科学中，二进制是最常用的进制，计算机中的所有数据最终都会被转换成二进制进行处理。
   • 二进制的特点：二进制使用了基数为2的数制系统，只有两个数位（0和1）。计算机使用二进制是因为容易表示和处理，并且电子元件在两个状态之间切换更加可靠。
   • 原码、反码、补码：这些是表示有符号整数的不同编码方式。原码是将数值的绝对值转换成二进制表示，正数的最高位为0，负数的最高位为1。反码是正数的补码，负数的反码是将原码对应位置上的0变成1，1变成0。补码是正数的反码加1，负数的补码是将反码对应位置上的0变成1，1变成0，并将最低位加1。
   • 移码：移码是一种浮点数的表示方式，通过对数的阶码进行移码操作，使得所有阶码都变成正数。
   • 数值表示范围：不同数据类型在计算机中所能表示的数值范围是有限的。例如，8位无符号整数的范围是0到255，而8位有符号整数的范围是-128到127。

2. 计算机系统的组成:

   • 计算机部件：计算机系统由多个部件组成，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打印机）等。这些部件协同工作，实现计算和数据处理的功能。
   • 寄存器：寄存器是存储器的一种，用于暂时存储数据和指令。它们位于CPU内部，访问速度非常快，用于存储当前运行的指令、计算的中间结果等。
   • 计算机性能和基本工作原理：计算机的性能通常通过其处理速度和存储器容量来衡量。计算机根据存储在内存中的指令序列，执行各种运算和操作，以完成特定的任务。
   • 计算机体系结构：计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，包括数据的存储和处理方式、指令集、总线结构等。冯·诺伊曼结构是最常见的计算机体系结构，它将存储器和处理器分开，并通过总线进行数据传输。
   • 指令系统基础：指令系统是计算机中的指令集，用于定义计算机可以执行的操作和操作数的格式。常见的指令包括算术运算、逻辑运算、数据传输等。
   • 寻址方式：计算机中的数据存储在内存中，通过寻址方式来确定数据的位置。常见的寻址方式包括直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。
   • CISC和RISC：CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）是两种不同的指令集架构。CISC架构的指令集包含更多的复杂指令，而RISC架构的指令集则更为简单，但数量较多。RISC架构常被认为具有更高的性能和功耗效率。
   • 流水线工作原理：流水线是一种计算机处理指令的方式，通过将指令分成若干个阶段并行处理，从而提高指令的执行速度。流水线工作原理是将多个指令在不同的阶段并行执行，每个阶段只需完成指定的操作。这样，当一条指令完成当前阶段后，下一条指令就可以进入该阶段，从而实现指令的连续执行。
   • 流水线的计算：计算流水线的效率和性能涉及多个方面。其中包括流水线的深度、各个阶段的执行时间、数据冒险（如数据相关性和控制相关性）等因素。通过优化流水线的设计和处理，可以提高计算机的性能和效率。

3. 存储系统:

   • 存储器分类：存储器分为主存和辅助存储器。主存是计算机中用于存储数据和指令的主要存储器，容量较小但访问速度快。辅助存储器是用于长期存储数据的设备，如硬盘、固态硬盘、光盘等，容量较大但访问速度相对较慢。
   • 主存-Cache的工作原理：高速缓存（Cache）是主存和CPU之间的一层缓存，用于提高数据的访问速度。Cache工作原理是根据时间局部性和空间局部性原理，将最近使用的数据暂存于Cache中，当CPU需要访问数据时，先在Cache中查找，如果找到则直接返回，否则再去主存中查找。
   • 存储芯片容量计算：计算存储芯片的容量通常是根据存储单元的数量和每个存储单元的位数来计算。例如，一块存储芯片有1亿个存储单元，每个存储单元可以存储8位，则该存储芯片的总容量为1亿×8位=800MB。
   • 虚拟存储器：虚拟存储器是一种计算机系统中的内存管理技术。它将物理内存和硬盘空间结合起来，使得程序能够以比物理内存更大的空间进行运行。虚拟存储器通过将部分程序从内存交换到磁盘上的交换区域，以实现内存的扩充。
   • RAID类型和特性：RAID是一种磁盘阵列技术，通过将多个硬盘组合起来，提供更高的数据容错性和读写性能。RAID有多种级别，如RAID 0、RAID 1、RAID 5等，每种级别都有其特点和优势，可以根据需求选择合适的RAID级别。
   • 存储器地址编码：存储器中的数据通过地址进行访问，存储器地址编码是将存储器地址转换成特定编码方式的过程。常见的编码方式包括直接编址、间接编址、索引编址等。

4. 可靠性与性能评测:

   • 可靠性计算：计算系统的可靠性是为了评估系统在给定时间内正常运行的概率。可靠性通常涉及硬件和软件的容错性，包括故障检测、故障处理、备份和恢复等机制。
   • 系统性能评价：系统性能评价是对计算机系统进行性能分析和评估的过程。常用的性能指标包括响应时间（系统对请求的快速响应能力）、吞吐量（系统在单位时间内能够处理的请求量）、并发性（系统能够同时处理的用户数量）等。
   • Benchmark测试：Benchmark测试是通过运行一组标准化的测试程序来评估计算机系统的性能。这些测试程序可以模拟不同的工作负载，包括CPU密集型、内存密集型、磁盘IO密集型等，从而评估系统在不同情况下的性能表现。
   • 负载测试：负载测试是模拟真实环境下的用户访问行为，通过给系统施加负载来评估其性能。负载测试可以使用工具来模拟用户访问，检查系统在高负载情况下的表现，如响应时间、吞吐量等。
   • 性能调优：性能调优是对系统进行优化，以提高其性能和效率。调优可能包括优化算法、提升硬件配置、优化代码结构和实现等。性能调优应该基于对系统的详细分析和对瓶颈问题的定位，以确保达到预期的性能目标。
   • 故障定位和排除：当系统性能下降或出现故障时，需要进行故障定位和排除。故障定位是通过分析系统的日志、监控数据和运行状态，找到故障发生的原因和位置。故障排除是根据故障定位结果，采取相应的措施修复问题。

以上是关于数值表示、计算机系统组成、存储系统以及可靠性与性能评测的一些基本概念和内容。

5. 校验码:

循环冗余校验码 (CRC):

• 定义: 循环冗余校验码 (CRC) 是一种多项式编码的差错检测技术。数据帧通过生成多项式除法得到一个余数，将该余数附加到数据帧末尾。接收方同样进行一次多项式除法，若余数为零则认为数据无错误，否则检测到错误。
• 生成过程: 发送端通过将数据帧与生成多项式进行模二除法，得到余数并将其附加到数据帧。接收端再次进行相同的模二除法，若余数为零则数据无错误。
• 应用: 广泛应用于网络通信、存储媒体、以太网等领域，能有效检测传输中的错误。

海明校验码:

• 定义: 海明校验码是一种能够检测和纠正错误的编码技术。在数据位中添加冗余位，使得接收方能够检测到错误并进行纠正。具体的冗余位的数量和位置由海明码的具体类型决定。
• 应用: 常用于存储介质、通信传输等需要高可靠性的场合。

奇偶校验码的基本原理:

• 定义: 奇偶校验码是一种简单的差错检测方法。通过在数据位中添加一个奇偶位，使得整个数据帧中的二进制位数中1的个数保持奇偶性一致。如果在传输中发生单一位的错误，奇偶性就会不一致，从而检测到错误。
• 应用: 常用于串行通信和简单数据传输场景，主要用于检测错误而非纠正。

6. 输入输出:

常见的I/O设备:

• 键盘:

  • 功能: 提供用户输入，是计算机与用户之间的主要交互手段。
  • 工作原理: 通过检测按键的按下和抬起来生成相应的字符。

• 鼠标:

  • 功能: 提供图形用户界面的交互，用于移动光标和选择对象。
  • 工作原理: 通过感应器检测在平面上的移动，传递给计算机进行相应操作。

• 打印机:

  • 功能: 将计算机中的文档或图形输出到纸张上。
  • 类型: 有各种类型，包括喷墨打印机、激光打印机等。

I/O控制方式:

• 程序控制:

  • 过程: 由CPU发出控制命令，I/O设备执行操作，期间CPU可能进入等待状态。
  • 适用场景: 适用于低速设备，对实时性要求不高的场合。

• 直接存储器访问 (DMA):

  • 过程: I/O设备直接访问内存，绕过CPU，提高数据传输效率。
  • 适用场景: 适用于高速设备和大数据量传输，能减轻CPU负担。

这些详细解释涵盖了校验码和输入输出的核心原理、生成过程以及应用场景。如果有更具体的问题或需要深入了解某个方面，请继续提问。