📝 软考专项：上午题 #1 计算机系统

一、CPU

1. 计算机的基本硬件系统

• 运算器

• 控制器

• 存储器

• 输入设备 和 输出设备

2. 中央处理单元（CPU）

• CPU组成：运算器与控制器组成。

• 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。
• CPU还需响应系统内部和外部终端事件。

3. 控制器

• 功能：控制整个CPU工作，保证计算机自动运行，并处理异常事件。

• 组成：
• 指令控制逻辑：负责指令的取指、分析、执行。
• 时序控制逻辑：确保各操作按时间顺序执行。
• 总线控制逻辑：管理数据在各个部件间的传输。
• 中断控制逻辑：处理异常事件。

• 关键部件：
• 指令寄存器（IR）：存放当前执行的指令。
• 程序计数器（PC）：存放下一条指令的地址。
• 地址寄存器（AR）：保存当前访问的内存单元地址。
• 指令译码器（ID）：分析指令并发出相应的操作信号。

4. 运算器

• 组成：
• 算术逻辑单元（ALU）：处理算术和逻辑运算。
• 累加寄存器（AC）：为ALU提供操作数并存放运算结果。
• 数据缓冲寄存器（DR）：作为内存和CPU之间的数据缓冲。
• 状态条件寄存器（PSW）：存储算术和逻辑操作后的状态标志。

• 功能：进行各种数据加工与运算。

5. 易错点

• IR与PC区别：IR存放指令本身，PC存放指令的内存地址。

• ALU与AC区别：ALU是执行运算的单元，AC是存储运算操作数和结果的寄存器。

• 不可访问寄存器：指令寄存器对用户程序员不可见。

二、计算机基本单位

1. 基本单位

• 位（bit，b）：最小数据单位。

• 字节（byte，B）：1B = 8b。

• 进阶单位：1KB = 1024B, 1MB = 1024KB, 1GB = 1024MB, 1TB = 1024GB。

2. 进制

• 十进制转换：n进制数的每位乘以相应权值并相加。

• 二进制：1位16进制等于4位2进制，1位8进制等于3位2进制。

• 加减法：n进制加法逢n进1，减法借1当n。

3. 易错点

• 存储容量计算：区间容量计算需用“大减小再加1”。

三、数据表示

1. 原码、反码、补码

• 正数：三码合一。

• 负数：
• 反码：符号位不变，其余位取反。
• 补码：反码加1。
• 移码：补码符号位取反。

• 表示范围：
• 原码/反码：-(2^(n-1) - 1) ~ +(2^(n-1) - 1)。
• 补码：-2^(n-1) ~ +(2^(n-1) - 1)。

2. 补码优势

• 补码用于运算：简化计算机设计，减法可通过加法实现。

3. 浮点数

• 表示形式：N = 2^E * F（E为阶码，F为尾数）。

• 规格化浮点数：将尾数绝对值限定为[0.5, 1]。

• 浮点运算：对阶后才能进行运算，小阶对大阶。

四、寻址方式

1. 寻址分类

• 立即寻址：操作数包含在指令中。

• 直接寻址：指令中直接给出操作数的存储单元地址。

• 寄存器寻址：操作数在寄存器中，指令给出寄存器名。

• 寄存器间接寻址：指令给出寄存器中存储的地址，操作数在该地址中。

• 间接寻址：指令中给出操作数的地址所在位置。

五、校验码

• 奇偶校验码：通过在数据中添加一位校验位来保持二进制数的奇偶性，帮助检测数据传输中的错误。

• 海明码：不仅可以检测错误，还可以纠错。它通过增加特定的校验位，扩大了码距。

• 循环冗余校验码 (CRC)：主要用于数据通信领域，能够检测传输错误，但无法纠错。

六、RISC与CISC

• RISC：精简指令集，设计简单，指令执行速度快，支持流水线操作。

• CISC：复杂指令集，指令种类多，复杂度高，主要通过微程序控制技术实现。

七、流水线

• 流水线将指令的执行分为多个阶段，使得多个指令可以同时执行，提高了CPU的工作效率。

• 流水线加速比公式：第一条指令的执行时间 + (n - 1) × 最长时间段。

• 吞吐率：单位时间内执行的指令数量，是衡量流水线性能的重要指标。

八、存储器

• 存储器可以根据位置、构成材料、工作方式和访问方式进行分类。

• 内存：存放当前运行的程序和数据，速度快，容量小。

• 外存：存放不参与当前运行的大量数据。

• 随机存储器 (RAM)：数据存取速度与存储位置无关。

• 虚拟存储器：结合了主存和辅存的特点，用于提升内存利用效率。