【软考zst2001专辑笔记】001计算机系统

发表于 2025-07-15

一、CPU

计算机基本硬件系统：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
运算器、控制器等部件集成后成为中央处理器，是硬件系统的核心。
CPU的功能：
- 控制器：程序控制、操作控制、时间控制
- 运算器：数据处理

二、运算器

运算器：由算数逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器组成。
运算器的主要功能：
- 算数运算：加、减、乘、除、附加运算。
- 逻辑运算、逻辑测试：与、或、非、零值测试、两个值的比较。
算数逻辑单元（ALU）：重要组成部件，负责处理数据（算数运算、逻辑运算）。
累加寄存器（AC）：通用寄存器，为ALU提供一个工作区。运算结果存储在累加器中。
数据缓冲寄存器（DR）：CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站。
状态条件寄存器（PSW）:标志，进位、溢出、0标志、负标志、中断、方向。

三、控制器

要保证程序的正确执行，还要能处理异常事件。

指令寄存器（IR）：执行指令先从内存取到缓冲寄存器，再送入IR暂存。
程序计数器（PC）：具有寄存信息、计数两种功能。存储CPU要执行的下一条指令的地址。大多数情况都是顺序执行，所以修改过程只是简单的加1。
地址寄存器（AR）：保持当前CPU所访问的内存地址。
指令译码器（ID）：指令包含操作码和地址码。对指令中的操作码进行分析解释。

四、计算机基本单位

名称	英文	简写	换算
位（比特）	bit	b
字节	byte	B	1B = 8b
千字节		KB	1KB = 1024B
兆字节		MB	1MB = 1024KB
吉字节		GB	1GB = 1024MB
钛字节		TB	1TB = 1024GB

最小的数据单位：b

最小的存储单位：byte

五、十进制、二进制

十进制：0—9
二进制：0—1
八进制：0—7
十六进制：0—9 + A—F

按位展开求和：n进制—>十进制

将二进制 1011 转换为十进制为🌰

除n取余法：十进制—>n进制

将十进制 23 转换为二进制为🌰

六、八进制、十六进制

1位十六进制数 = 4位二进制数

1位八进制数 = 3位二进制数

七、进制加减法

n进制加法：逢n进1

n进制减法：借1当n

八、原码、反码、补码、移码

原码：最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，其余的n-1位表示数值的绝对值。

0有两种表示形式：[+0] = 0 0000000，[-0] = 1 0000000

反码：最高位是符号位，0表示正号，1表示负号。正数的反码与原码相同，负数的反码是负原码绝对值求反。

0有两种表示形式：[+0] = 0 0000000，[-0] = 1 1111111

补码：最高位是符号位，0表示正号，1表示负号。正数的补码与反码、原码相同，负数的补码是负反码末位加1。

0有唯一值：[+0] = 0 0000000

移码：补码的符号位取反。

特性：[[X]_补]_补 = [X]_原

码制	定点整数	定点小数
原码	-(2^n-1-1)~+(2^n-1-1)	-(1-2^-(n-1))~+(1-2^-(n-1))
反码	-(2^n-1-1)~+(2^n-1-1)	-(1-2^-(n-1))~+(1-2^-(n-1))
补码	-2^n-1~+(2^n-1-1)	-1~+(1-2^-(n-1))
移码	-2^n-1~+(2^n-1-1)	-1~+(1-2^-(n-1))

九、浮点数

当机器字长为n时，定点数的补码和移码可表示2ⁿ个数，而原码和反码只能表示2ⁿ-1个数（0的表示占用了两个编码）。

一个二进制数N的浮点表示法为N = 2^E ✕ F，E为阶码，F为尾数。用阶码和尾数表示的数成为浮点数。

对阶：小阶向大阶对其，浮点数向右移。

浮点数中，数值范围由阶码决定，数值精确度由尾数决定。格式化就是将尾数限定在区间[0.5,1]

浮点数的阶码（包括1位阶符）用R位的移码表示，尾数（包括1位数符）用M位的补码表示，则这种浮点数能表示的数值范围：最大正数最小负数

十、寻址

立即寻址：操作数包含在指令中。

直接寻址：操作数存在内存单元中，指令直接给出操作数所在存储单元的地址。

寄存器寻址：操作数放在寄存器中，指令给出存放操作数寄存器名。

寄存器间接寻址：操作数存放在内存单元中，操作数所在的存储单元的地址在某个寄存器中。

间接寻址：指令中直接给出操作数地址的地址。

速度(由快到慢)：立即寻址>寄存器寻址>直接寻址>寄存器间接寻址>间接寻址

以下两个无需掌握

相对寻址：指令地址码给出一个偏移量，操作数地址等于本条指令的地址加上偏移量。

变址寻址：操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量。

十一、奇偶校验码

在编码中增加一位校验位，使编码中1的个数位奇数（奇校验）或偶数（偶校验），从而使码距变为2。

对于奇校验，可以检测出奇数个出错的编码。偶校验是偶数个出错的编码。无法纠错。

常用奇偶校验码：水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码、水平垂直校验码。

十二、海明码

码距等于2具有检索能力，码距大于等于3具有纠错能力。

利用奇偶性来检测和纠错的校验方法。

在数据位之间的特定位置插入k个校验位，扩大码距来实现检错、纠错。

公式：2^k-1 ≥ n+k （数据位是n位，校验位是k位）

十三、CRC循环冗余校验码

可以检错，但不能纠错。

利用生成多项式，为k个数据位产生r个校验位来进行编码，编码长度为k+r

求CRC编码时，采用的是模2运算。

十四、RISC和CISC

	RISC（简单指令集计算机）	CISC（复杂指令集计算机）
指令种类	少、精简	多、丰富
指令复杂度	低（简单）	高（复杂）
指令长度	固定	变化
寻址方式	少	复杂多样
实现（译码）方式	硬布线控制逻辑（组合逻辑控制器）	微程序控制技术
通用寄存器数量	多、大量	一般
流水线技术	支持	不支持

十五、流水线

总用时：第一条指令的执行时间 + (n-1) ✕ 最长段的时间

加速比：不用流水线的时间/采用流水线的时间

操作周期：最长时间段

吞吐率：最长时间段的倒数

十六、存储器

按位置分类：

内存（主存）：SRAM（静态随机存储器）
外存（辅存）：磁盘、磁带、光盘等。DRAM（动态随机存储器）需周期性刷新。

工作方式分类：

读写存储器（RAM）：既能读取又能写入。
只读存储器：ROM(固定只读存储器)、PROM(可编程的只读存储器)、EPROM(可擦除可编程的只读存储器)、EEPROM(电擦除可编程的只读存储器)、闪速存储器(介于EPROM、EEPROM之间，以块为单位存储，取代ROM，不能代替主存)

访问方式分类：

按地址访问存储器
按内容访问存储器

按寻址方式分类：

随机存储器(RAM)
顺序存储器(SAM)
直接存储器(DAM)

级联存储器是一种按内容访问的存储器

虚拟存储器由主存、辅存构成。

十七、Cache

高速缓存主要是存放最活跃的程序和数据。

位于CPU和主存之间。

对于程序员来说是透明的。

部分用来存放主存的部分拷贝（副本）信息。

Cache与主存的映射是由硬件自动完成的。

替换算法：（目标是使Cache尽可能提高命中率，Cache越大，命中率越高）

随机替换算法：
先进先出算法：
近期最少使用算法：
优化替换算法：

地址映像方法：

直接映像：主存的块和Cache的块对应关系是固定的。
全相联映像：允许主存中的任意块放入Cache的任意块中。
组相联映像：主存和Cache都分组，组是一一对应的，但是组内的数据是任意存放的。
冲突：直接映像 > 组相联映像 > 全相联映像

十八、中断

中断向量：提供中断服务程序的入口地址。

中断响应时间：从中断发出开始到进入中断服务程序的时间

保存现场：用于中断处理完，返回执行源程序。

十九、输入输出（IO）控制方式

程序查询方式
1. CPU和IO只能串行工作。CPU需要一直轮询。CPU利用率低
2. 一次只能读写一个字
3. 由CPU将数据放入内存
4. 图例：
中断驱动方式：
1. IO由中断信号猪肚报告IO操作已完成。
2. CPU和IO可并行工作。CPU利用率高。
3. 由CPU将数据放入内存。
4. 图例：
直接存储器方式（DMA）：
1. CPU和IO可并行工作。
2. 仅在传送数据块的开始结束时，才需要CPU干预。
3. 由外设直接将数据放入内存。
4. 一次读写的单位为“块”。
5. 图例：

二十、总线

总线分类：数据总线、地址总线、控制总线（口令：数地控）

常见总线：

ISA总线：
EISA总线：
PCI总线：内总线，并行传输
PCI-E总线：点对点串行链接
前端总线：
RS-232C:
SCSI总线：并行外总线
SATA：
USB：
IEEE-1394：高速串行外总线
IEEE-488:

二十一、加密技术与认证技术

窃听——加密

篡改——摘要

假冒、否认——数字签名、数字证书

对称加密：加解密只有一把密钥（私钥用于加密）
1. 特点：密钥分发存在缺陷。加密解密速度快。适合加密大量明文。
非对称加密：加密、解密分别有自己的密钥（公钥用于加密）
1. 公钥加密只能私钥解密，私钥加密只能公钥解密。
2. 使用接收方公钥加密明文，可实现防窃听效果。
3. 密钥分发无缺陷。加解密速度慢。
混合加密：
摘要：把明文进行hash算法，得到的摘要同密文一块发送。接收方解密后的明文，进行Hash得要摘要对比。
数字签名：
1. 发送方用私钥对摘要进行签名（加密）。得到的数字签名放入密文，一同发送。
2. 接收方用发送方的公钥对数字签名验证（解密）。

数字证书：

用户向CA（权威）机构申请数字证书。
将个人信息和公钥发送给CA机构。
CA机构颁发数字证书给用户。
数字证书用CA的私钥进行签名（加密）。
用CA的公钥验证（解密）数字证书，得要用户的公钥。

二十二、加密算法

对称加密（私钥、私有密钥加密）（共享密钥加密算法）：

DES
3DES
RC-5
IDEA
AES
RC4

非对称加密：

摘要算法：

Hash算法
MD5
SHA-1安全散列算法

二十三、可靠性公式

串联：

R = R₁R₂… R_N

并联：

R = 1 - (1-R₁) (1-R₂) … (1-R_N)

二十四、补充

汇编语言中程序员可以访问 程序计数器

寄存器的位数取决于指令字长。

计算机分级存储的主要目的是为了解决 存储容量、成本和速度之间的矛盾 的问题。

计算机中CPU对其访问速度最快的是 通用寄存器。

**VLIW **是超长指令字

算术左移指令相当于对操作数乘以2

CPU根据** 指令周期的不同阶段** 来区分内存中以二进制编码形式存放的指令和数据。

平均CPI = （比例 × CPI ）相加

运算速度MIPS = CPU主频 / 平均CPI