《软考系统架构师笔记》之计算机系统知识

2021年系统架构师学习笔记

一、计算机系统知识

1、计算机硬件组成

在这里插入图片描述

主机：CPU （运算器、控制器）+ 主存储器

2、中央处理单元（CPU）

central processing unit

中央处理单元功能：程序控制、时间控制、操作控制、数据处理等

组成部分：

• 运算器
• 控制器
• 寄存器
• 内部总线

运算器

运算器功能：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、移位等

组成：

• 算术逻辑单元 ALU（arithmetic and logic unit ）：实现对数据的算术和逻辑运算
• 累加寄存器AC（accumulator）：运算结果或源操作数的存放区
• 数据缓冲寄存器 DR (Data Register)：暂时存放内存的指令或者数据
• 状态条件寄存器PSW:(Program Status Word)：保存指令的运行结果的条件码内容，如溢出标志

控制器

功能： 计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心

组成：

• 指令寄存器IR（InstructionRegister）：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器
• 程序计数器PC（ProgramCounter）：存放指令执行地址
• 地址寄存器AR（AddressRegister）：保存当前CPU所访问的内存地址
• 指令译码器ID（Instruction Decoder）： 分析指令操作码

3、 数据表示

进制转换

多进制标书：

进制转换：

1）R进制转换成十进制

任意R进制数据按权展开、相加即可得十进制数据。

2）十进制转R进制 用十进制数除以R，记录每次余数，若商不为0，则继续除以R，直至商为0。余数从下至上记录，排成由左到右。

3）m进制转n进制 借助十进制作为中间数

2进制和16进制转换，可以进行分解，位分四位.。（2进制转8进制）

例：将（4AF8B)16转换为二进制数. 解： 4 A F 8 B 0100 1010 1111 1000 1011

备注：小数不考

数的表示

• 机器数：各种数值在计算机中表现的形式，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。
• 正数符号位为0，负数符号位为1
• 定点表示法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高数值位之后
• 真值：机器数对应的实际数值

数的编码方式

带有符号数有下列编码方式：

• 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）或者-0（0 0000000）
• 反码：正数反码就是源码，负数反码除符号位在原码基础按位取反
• 补码：正数补码就是源码，负数反码+1
• 移码：补码的符号位取反

浮点数的表示

• 浮点数：表示方法为N=F*2^E，其中E称为阶码，F称为尾数；类似于十进制的科学计数法，如85.125 = 0.85125 * 10^2 ，二进制如101.11 = 0.101011 * 2^3
• 在浮点数的表示中，阶码为带符号的纯整数，尾数为带符号的纯小数，要注意符号占最高位（正数0或者负数1），其表示格式如下：

N=F*2^E

• 尾数的表示采用规格化方法，也即带符号尾数的补码必须为1.0xxx（负数）或者0.1xxx(负数)，其中x可为0或者1

浮点数运算：

• 对阶（使两个数的阶码相同，小阶向大阶看齐，较小阶码增加几位，尾数就右移几位）
• 尾数计算（相加，若是减运算，则加负数）
• 结果规格化

算术运算和逻辑运算

• 逻辑与& ：两个都为1才为1，其余都是0
• 逻辑或| ：只有两个都为0才为0，其余都是1
• 异或xor：同0非1
• 逻辑非！：0非是1，1非是0
• 逻辑左移<< ： 二进制数整体左移n位，高位若溢出则舍去，低位补0
• 逻辑右移>>： 二进制数整体右移n位，低位若溢出则舍去，高位补0

4、 校验码

系统编码传输中检查是否正确，需要校验码来完成这项工作。

• 码距：两个合法代码对应位上编码不同的位数称为码距，又称海明距离。举例如下：10101和00110从第一位开始依次有第一位、第四、第五位不同，则海明距离为3。码距越大越利于纠错和检错。

奇偶校验

• 奇偶校验码：在编码中增加1位校验位来使编码中的1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验），从而使码距变成2。
• 奇校验：编码中含有奇数个1，发送给接收方，接收方收到后会检查1是否是奇数个。
• 偶校验同理。

最简单的校验，只能检查1位错误，且不能纠错。

循环冗余校验码