软考《希赛教育·软件设计师考前冲刺与考点分析》计算机硬件基础知识——学习笔记

Posted 2021-11-23 小哈里

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第1章 计算机硬件基础知识
第2章 操作系统基础知识
第3章 程序语言和语言处理程序基础知识
第4章 数据结构
第5章 数据库系统基础知识
第6章 网络基础知识
第7章 软件工程基础知识
第8章 信息安全知识
第9章 多媒体基础知识
第10章 知识产权基础知识
第11章 数据流图技术
第12章 数据库建模技术
第13章 UML建模技术
第14章 算法设计
第15章 面向对象程序设计

第1章 计算机硬件基础知识

根据考试大纲

（1）数据的表示：数制及其转换、原码、反码、补码、移码、浮点数、溢出、算术运算、逻辑
运算、校验码。
（2）计算机系统的组成、体系结构分类及特性：CPU、存储器的组成、性能和基本工作原理、
常用I/O设备、通信设备的性能及基本工作原理、I/O接口的功能、类型和特性、CISC/RISC、流水
线操作、多处理机、并行处理。
（3）存储系统：虚拟存储器基本工作原理、多级存储体系、RAID类型和特性。
（4）可靠性与系统性能评测基础知识：诊断与容错、系统可靠性分析评价、校验方法、计算机
系统性能评测方法。

（1）数据的表示：

进制转换

• R进制数转换成十进制数：按权展开，从右到左分别乘以R^0， R^1，R^2等等
• 十进制数转换为R进制数：除以R取余，将所得的余数从先除的余数向后来除的余数排列即可 。
• 二进制数与八进制数、十六进制数：8进制对应三位二进制，16进制对应四位二进制，相互转换即可。

原码、反码、补码、移码：

• 原码
  将最高位用做符号位（0表示正数，1表示负数），其余各位代表数值本身。
  例如，+1 的原码是0000 0001，–1 的原码是1000 0001。
  但是直接使用原码在计算时却会有麻烦，用原码直接参与计算可能会出现错误的结果 。所以，原码的符号位不能直接参与计算 ，必须和其它位分开。
• 反码
  正数的反码与原码相同。负数的反码符号位为1，其余各位为该数绝对值的原码按位取反 。
  反码的符号位可以直接参与计算 ，而且减法也可以转换为加法计算。
• 补码
  正数的补码与原码相同。负数的补码是该数的反码加1，这个加1就是“补” 。
  直接使用补码进行计算的结果是正确的。
  对一个补码表示的数，要计算其原码，只要对它再次求补，可得该数的原码。
• 移码
  移码是对补码的符号位取反得到的一种编码。 移码只用于表示浮点数的阶码 ，所以只用于整
  数。
  例如，-1的移码为：0111 1111。

浮点数计算：

• 科学计数法的方式
  N = M*R^e，其中M称为尾数，e是指数，R为基数。
• 浮点数的运算主要有三个步骤：对阶、尾数计数、结果格式化 。
  首先计算两个数的指数差，把指数小的向指数大的对齐，并将尾数右移指数差的位数。
  对阶完成后，两个浮点数尾数就如同定点数，计算过程同定点数计算。
  尾数计算后，可能会产生溢出，此时将尾数右移，同时指数加1，如果指数加1后发生了溢出，则表示两个浮点数的运算发生了溢出。

例题：
若某计算机采用8位整数补码表示数据，则运算__C__将产生溢出。
A．-127+1　　B．-127-1　　C．127+1　　D．127-1

原码表示法和补码表示法是计算机中用于表示数据的两种编码方法，在计算机系统中常采用补
码来表示和运算数据，原因是采用补码可以__B__。
A．保证运算过程与手工运算方法保持一致
B．简化计算机运算部件的设计
C．提高数据的运算速度
D．提高数据的运算精度

（2）计算机系统的组成与体系结构

计算机体系结构分类

• 最为常见的是：Flynn分类法与冯氏分类法 。
• Flynn分类法是根据指令流、数据流和多倍性三方面 来进行分类的
  
  计算机的硬件组成
• 计算机硬件系统是依照冯·诺依曼 所设计体系结构，即包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件 组成
• 中央处理器（CPU）由运算器和控制器 组成
  运算器 负责完成算术、逻辑运算功能，通常由ALU（算术/逻辑单元）、寄存器、多路转换器 、数据总线组成
  控制器 则负责依次访问程序指令，进行指令译码，并协调其他设备，通常由程序计数器（PC）、指令寄存器、指令译码器、状态/条件寄存器 、时序发生器、微操作信号发生器组成。

指令系统基础

• 指令的基本格式是由 操作码和地址码两个部分 组成的。操作码指出该指令要完成什么操作，地址码则是提供原始的数据。
• 指令系统中定义操作码的方式可以分为规整型（定长编码）和非规整型（变长编码） 两种。
  在指令系统中用来确定如何提供操作数或提供操作数地址 的方式称为寻址方式和编址方式 。
• 操作数可以采用以下几种寻址方式：
  立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式、寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式、相对寻址方式

CISC与RISC

• 为了提高操作系统的效率，人们最初选择了向指令系统中添加更多、更复杂的指令，而随着不断地升级和向后兼容的需要，指令集也越来越大。这种类型的计算机，我们称之为复杂指令计算机
  CISC 。而后来研究发现，计算机指令系统如果使用少量结构简单的指令会提高计算机的性能，这就是精简指令集计算机RISC 。
• 计算机执行程序所需的时间P由三方面因素决定：编译后产生的机器指令数I、执行每条指令所需的平均周期数CPI，以及每个机器周期的时间T。它们的关系是P=I×CPI×T。
• 典型的RISC处理器包括：DEC的Alpha 21164、IBM的Power PC620、HP的PA-8000、SGI
  MIPS分部的TS、Sun的Ultra SPARC。目前RISC处理器技术的发展方向是采用并行处理技术（包括
  超级流水线、超级标量、超长指令字）大幅度提高运算速度。

流水线

• 流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。
• 指令流水线是将指令执行分成几个子过程，每一个子过程对应一个工位，我们称为流水级或流
  水节拍，这个工位在计算机里就是可以重叠工作的功能部件，称为流水部件。

例题：
若某条无条件转移汇编指令采用直接寻址，则该指令的功能是将指令中的地址码送入__A__。
A．PC（程序计数器）B．AR（地址寄存器）
C．AC（累加器）D．ALU（算逻运算单元）

CPU中译码器的主要作用是进行__B__。
（2）A．地址译码 B．指令译码 C．数据译码 D．选择多路数据至ALU

编写汇编语言程序时，下列寄存器中程序员可访问的是__A__。
（3）A．程序计数器（PC）　　　　 B．指令寄存器（IR）
C．存储器数据寄存器（MDR）　D．存储器地址寄存器（MAR）

试题4
在CPU中用于跟踪指令地址的寄存器是__C__。
（4）A．地址寄存器（MAR） B．数据寄存器（MDR）
C．程序计数器（PC） D．指令寄存器（IR）

在CPU的寄存器中，__B__对用户是完全透明的。
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第 1 章：计算机硬件基础知识作者：希赛教育软考学院 来源：希赛网 2014年05月04日
解析与答案
（6）A．程序计数器 B．指令寄存器 C．状态寄存器 D．通用寄存器

指令系统中采用不同寻址方式的目的是__D__。
（7）A．提高从内存获取数据的速度 B．提高从外存获取数据的速度
C．降低操作码的译码难度 D．扩大寻址空间并提高编程灵活性

（3）存储系统

Cache

• CPU发生访存请求时，会先让Cache判断是否包括，如果命中（即包括请求的内容）就直接使
  用。这个判断的过程就是Cache地址映射，这个速度应该尽可能快，常见的映射方法有直接映射、
  全相联映射和组相联映射三种 。
• Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就是淘汰一些老的数据，更新一些新的数据。而
  选择淘汰什么数据的方法就是淘汰算法，常见的方法有三种：随机淘汰、先进先出（FIFO）淘汰
  （淘汰最早调入Cache的数据）、最近最少使用（LRU）淘汰法
• 4）Cache存储器的写操作
  在使用Cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写Cache时就需要考虑与主存间的同步问
  题，通常使用以下三种方法：写直达（写Cache时，同时写主存）、写回（写Cache时不马上写主
  存，而是等其淘汰时回写）、

主存（内存）

• 主存储器（内存）采用的是随机存取方式，需对每个数据块进行编码
• 按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，则表示有(CBFFF-A4000)+1个字节，28000H个 ，也就是163840个字节，等于160KB。要注意的是，编址的基础可以是字节，也可以是字（字是由1个或多个字节组成的），要算地址位数，首先应计算要编址的字或字节数 ，然后求2的对数即可得到。

例题

位于CPU与主存之间的高速缓冲存储器Cache用于存放部分主存数据的拷贝，主存地址与
Cache地址之间的转换工作由__A__完成。
（1）A．硬件 B．软件 C．用户 D．程序员

设用2K×4位的存储器芯片组成16K×8位的存储器（地址单元为0000H～3FFFH，每个芯片的地
址空间连续），则地址单元0B1FH所在芯片的最小地址编号为__B__。
（7）A．0000H　　B．0800 H　　C．2000 H　　D．2800 H
存储器的大小为16k×8位，所以需要16片2k×4位的芯片。如果按字节编址，对应一个大小为16k×8位的存储器，需要14位地址，其中高4位为片选地址，低10位为片内地址，而题目给出的地址0B1FH转换为二进制为00 1011 0001 1111，其高4位为0010，即片选地址为2。因此，地址0B1FH对应第2片芯片。

__C__不属于按寻址方式划分的一类存储器。
（9）A．随机存储器 B．顺序存储器
C．相联存储器 D．直接存储器

4、可靠性与系统性能评测基础知识

可靠性计算

• 可靠性计算主要涉及三种系统，即串联系统、并联系统和冗余系统
• 在并联系统中只有一个子系统是真正需要的，其余n-1个子系统都被称为冗余子系统 。该系统随
  着冗余子系统数量的增加，其平均无故障时间也会增加。
• 模冗余系统
  m模冗余系统由m个（m=2n+1为奇数）相同的子系统和一个表决器组成，经过表决器表决
  后，m个子系统中占多数相同结果的输出可作为系统的输出。
  在m个子系统中，只有n+1个或n+1个以上的子系统能正常工作，系统就能正常工作并输出正确
  结果。

校验码

• 为了实现数据的自动检错与纠错，引入了校验码。
• 最简单的就是奇偶校验码，它分为奇校验和偶校验两种，均是 添加1位校验位，根据信息码中1的个数来决定校验位的取值，使得填入校验位后，使得1的个数为奇数 （奇校验）或偶数（偶校验）。
• 海明码距：海明的冗余数据位检测和纠正代码差错的理论和方法指出：可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字。而将一个码字变成另一个码字时必须改变的最小位数 就是码字之间海明距离，简称码距。
  没有加冗余校验码的任何编码，它们的码距就是1，即只要改一位，就可以变成另一个码字了；而奇偶校验码则添加了1位校验码，使得要变成另一个码字最少要修改两位，这就使其码距变成2了；根据定义得知，码距是不同码字的海明距离的最小值。判断码距时，可以列出一些码进行判断，找出最小的位数即可。
• 海明校验码：首先要知道海明校验码是放置在2的幂次位上的，即“1、2、4、8、16、32……”，而对于信息位为m的原始数据，需加入k位的校验码，它满足m+k+1<2k。计算时总令人感到头痛。而有一种简单的方法，则是从第1位开始写，遇到校验位留下空格。
• CRC校验码：
  由于CRC的实现原理十分易于用硬件实现，因此被广泛地应用于计算机网络上的差错控制。
  要计算CRC校验码，需根据CRC生成多项式进行。例如：原始报文为“11001010101”，其生成多项式为：“x^4+x^3+x+1”。在计算时，是在原始报文的后面若干个0（等于校验码的位数，而生成多项式的最高幂次就是校验位的位数，即使用该生成多项式产生的校验码为4位）作为被除数。
  然后将0011添加到原始报文的后面就是结果：110010101010011。
  检
  

例题：

下面关于校验方法的叙述，__B__是正确的。
A．采用奇偶校验可检测数据传输过程中出现一位数据错误的位置并加以纠正
B．采用海明校验可检测数据传输过程中出现一位数据错误的位置并加以纠正
C．采用海明校验，校验码的长度和位置可随机设定
D．采用CRC校验，需要将校验码分散开并插入数据的指定位置中
基本校验码：其先进度排名为：奇偶校验<CRC校验<海明校验。

若计算机采用CRC进行差错校验，生成多项式为G(X)= X4+X+1，信息字为10110，则CRC校验
码是__D__。
A．0000 B．0100 C．0010 D．1111