软件设计（十）--计算机系统知识

一、效验码

1、奇偶效验：是一种最简单的效验方法。基本思想是：通过在编码中增加一个效验位来使编码中1的个数为奇数（奇效验）或者为偶（偶效验），从而使码距变为2。对于奇效验，可以监测出代码中奇数位错误的编码，不能发现偶数位错误编码。即当奇数位编码错误，也就是1变成0或0变成1，则编码中1的个数的奇偶性就发生变化，从而发现错误。

常用奇偶效验有3种：水平奇偶效验码、垂直奇偶效验码、水平垂直奇偶效验码。

2、海明码

海明码构成方式：在数据位之间插入k个效验码，通过扩大码距来实现纠错和差错。设置数据位是n位，效验位是k位，则n和k必须满足 2的k次方-1>= k+n。

3、循环冗余效验码

循环冗余效验码CRC广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统。它利用生成多项式为k个数据位产生r个效验位来进行编码，其编码长度为k+r。

它由两部分组成，左边为信息码（数据），右边为效验码，若信息码占k位，则效验码占n-k位。其中n为CRC码的字长，所以CRC码又叫(n,k)码。效验码由信息产生，效验码越长，效验能力越强大。在求CRC 编码时，采用模2运算，模2运算加减运算规则是按位运算，不发生错位和进位。

二、计算机系统硬件组成

计算机系统由 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

运算器 和 控制器统称为中央处理单元（Central Processing Unit）CPU。

1、CPU主要由 运算器、控制器、寄存器组合内部总线等部件组成，主要功能有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工。

运算器主要分为 算术逻辑单元、累加寄存器AC、数据缓冲寄存器DR、状态条件寄存器PSW。

控制器主要分为 指令寄存器IR、程序计数器PC、地址寄存器AR、指令译码器ID。

寄存器组 分为专用寄存器组和通用寄存器组。运算器和控制器里的是属于专用寄存器，通用的则可以由程序员自行规定使用。

多核cpu指一个单芯片在继承两个甚至更多个处理器内核，其中每个内核都有自己的逻辑单元、控制单元、中断处理器、运算单元，一级cache、和二级cache共享或独有。

三、存储系统

计算机三层存储结构 高速缓存（cache）、主存储器（MM）和辅助存储器（外存储器）。

内存（主存）：用来存储当前运行所需要程序和数据，速度快，容量小。

外存（辅存）：用来存户当前不参与运行的数据，容量大但速度慢。

按材料分类，有磁存储器、半导体存储器和光存储器。

按访问方式分类，可分为 按地址访问存储器 和 按内容访问存储器。

按寻址方式分类，分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

1、高速缓存

高速缓存是位于cpu和主存之间的高速存储子系统。

因为处理机都是按主存地址访问的，从cache里读取信息就需要在cache里堆主存里的地址进行映射到cache里的地址。映射有三种方式，直接映像、全相联映像和组相联映像。

1）直接相联映像：主内存与cache内存里的地址是固定的，这种优点是地址变换很快，访问速度快，缺点是不灵活。

2）全相联映像：允许主存块任意一块调用cache的任一块空间。优点是灵活变换映射，缺点就是速度稍微慢点，变换比较复杂。

3）组相联映像：具体做法是将cache块再分组。是前两种方式的择中方法。

2、虚拟存储器

虚拟存储器是由 主存、辅存、存储管理单元及操作系统中的存储管理软件组成的存储系统。

程序员使用该存储系统，可以使用的内存空间远远大于主存的物理空间，但实际并不存在这么大的主存，所以称为虚拟存储器。

总线的定义：任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。通常分为 内部总线、系统总线、外部总线。

其中系统总线又分为：数据总线、地址总线和控制总线。

四、指令系统

指令系统指一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。一条指令一般包含两个部分：操作码 和 地址码。

操作码指明操作类型。

地址码指明操作数及运算结果存放的地址。

1、寻址方式

寻址指令中操作数有效地址的方式称为寻址方式。常见的寻址方式有 立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、寄存器相对寻址、基址加变址寻址方式、相对基址加变址寻址。

立即寻址：指令的地址字段不是操作数的地址，而是操作数本身。特点是不需要访问内存取数，时间短。

寄存器寻址：当操作数不在内存的时候，而是放在CPU的通用寄存器时候，采用寄存器寻址。

直接寻址：基本寻址方式，在指令格式地址字段中直接给出操作内存的地址。

隐含寻址：不是明显给出操作地址，而是指令隐含操作地址。

2、CISC和RISC

CISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令集成计算器，对原有指令进一步增强，实现软件功能硬化，导致机器指令越来越复杂。

RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令集成计算器，减少指令总数和简化指令操作。

RISC关键技术 重叠寄存器窗口技术、优化编译技术、超流水极超标量技术 及 硬布线逻辑与微程序在微程序技术中相结合。

题目

1、计算机在指令周期的过程中，为从内存读取指令操作码，首先要将 程序计数器送到地址总线上。

解析：

Pc程序计数器是存放下一条指令的所在单元地址，当执行一条指令时，处理器首先需要从PC中取出指令在内存中的地址，通过地址总线寻址。

2、CPU对其访问速度最快的是：寄存器 > cache>内存>硬盘。