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第1章计算机系统知识.doc
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第1章计算机系统知识.doc
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第 1 章 计算机系统知识
大纲要求:
数值及其转换,包括二进制、十进制和十六进制等常用数制及其相互转换。
数据的表示,包括数的表示原码、反码、补码、移码表示,整数和实数的机内表
示,精度和溢出、非数值表示字符和汉字的表示、声音的表示、图像的表示、
校验方法和校验码。
算术运算和逻辑运算,包括计算机中的二进制数运算方法、逻辑代数的基本运算
和逻辑表达式的化简。
计算机系统的组成、体系结构的分类及特性,包括 和存储器的组成、性能和
基本工作原理,常用 设备、通信设备的性能,以及基本工作原理, 接口的
功能、类型和特性, 控制方式中断系统、、 处理机方式,
,流水线操作,多处理机,并行处理。
存储系统,包括虚拟存储器的基本工作原理、多级存储体系的性能价格、
的类型和特性。
加密与解密机制。
安全性、可靠性与系统性能评测的基础知识,包括系统可靠性分析评价和计算机
系统性能评测方式。
系统性能知识,包括性能指标响应时间、吞吐量、周转时间和性能设计、性能
测试和性能评估。
1.1 计算机系统基础知识
1.1.1 考点辅导
1.1.1.1 计算机系统硬件的基本组成
计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组
成 。 运 算 器 、 控 制 器 等 部 件 被 集 成 在 一 起 统 称 为 中 央 处 理 单 元
,。 是硬件系统的核心,用于数据的加工处理,能完成各种算术、逻辑运算
及控制功能。存储器是计算机系统中的记忆设备,分为内部存储器和外部存储器。前者速
度高、容量小,一般用于临时存放程序、数据及中间结果。后者容量大、速度慢,可以长
期保存程序和数据。输入设备和输出设备合称为外部设备简称外设,输入设备用于输入
原始数据及各种命令,输出设备则用于输出计算机运行的结果。
软件设计师考试同步辅导(上午科目)(第 3 版)
2
1
1.1.1.2 中央处理单元
. 的功能
具有如下功能。
程序控制。 通过执行指令来控制程序的执行顺序,这是 的重要职能。
操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成, 产生每条指令的
操作信号并将操作信号送往不同的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
时间控制。 对各种操作进行时间上的控制,这就是时间控制。 对每条指
令的整个执行时间要进行严格控制。同时,指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时
间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。
数据处理。 通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理,数据
加工处理的结果被人们所利用。所以,对数据的加工处理是 最根本的任务。
. 的组成
主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。
运算器
运算器由算术逻辑单元 !,!、累加寄存器、数据缓冲寄存
器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理部件,完成计算机的各种算术和逻辑运算。
相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是
由控制器发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。运算器有如下两个主要功能。
执行所有的算术运算,如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。
执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试,如与、或、非、零值测试或两个值的比
较等。
下面简要介绍运算器的各组成部件的组成和功能。
算术逻辑单元。! 是运算器的重要组成部件,负责处理数据,实现对数据的算
术运算和逻辑运算。
累加寄存器。 通常简称为累加器,它是一个通用寄存器。其功能是当运
算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时,为 ! 提供一个工作区。
数据缓冲寄存器。在对内存储器进行读写操作时,用 暂时存放由内存储
器读写的一条指令或一个数据字,并将不同时间段内读写的数据隔离开来。
程序状态字寄存器"。" 保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建
立的各种条件码和内容,主要分为状态标志和控制标志,如运算结果进位标志、运算结
果溢出标志#、运算结果为 $ 标志%、运算结果为负标志&、中断标志、方向标志
和单步标志等。这些标志通常分别由一位触发器保存,保存了当前指令执行完成之后的状
态。通常,一个算术操作产生一个运算结果,而一个逻辑操作则产生一个判决。
控制器
运算器只能完成运算,而控制器用于控制整个 的工作,它决定了计算机运行过程
的自动化。它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指
令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分。
第 1 章 计算机系统知识
3
指令寄存器。当 执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,
再送入 暂存,指令译码器根据 的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工
作,从而完成所需的功能。
程序计数器。 具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器。程序的
执行分两种情况,一种是顺序执行,另一种是转移执行。在程序开始执行前,将程序的起
始地址送入 ,该地址在程序加载到内存时确定,因此 的内容即是程序第一条指令的
地址。执行指令时, 将自动修改 的内容,以便使其保持的总是将要执行的下一条
指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单地对
加 。当遇到转移指令时,后继指令的地址根据当前指令的地址加上一个向前或向后转
移的位移量得到,或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到。
地址寄存器。 保存当前 所访问的内存单元的地址。由于内存和
存在操作速度上的差异,所以需要使用 保持地址信息,直到内存的读写操作完成为止。
指令译码器。指令分为操作码和地址码两部分,为了能执行任何给定的指令,
必须对操作码进行分析,以便识别所完成的操作。指令译码器就是对指令中的操作码字段
进行分析和解释,识别该指令规定的操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制各部
件工作,从而完成所需的功能。
寄存器组
寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器,
其作用是固定的。通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,其数目因处理器不同而
有所差异。
内部总线
内部总线'(将处理器的所有结构单元内部相连。它的宽度可以是 )、*、
或 * 位。
目前比较流行的内部总线技术有以下几种。
总线
+ (,内部集成电路总线 $ 多年前由 , 公司推出,是近年
来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式,
具有接口线少、控制方式简化、器件封装形式小、通信速率较高等优点。在主从通信中,
可以有多个 总线器件同时接到 总线上,通过地址来识别通信对象。
总线
串行外围设备接口,-,总线技术是 公司推出的一
种同步串行接口。 公司生产的绝大多数 微控制器都配有 硬件接口,如
*) 系列 。 总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与 有关的软
件就相当简单,使 有更多的时间处理其他事务。
总线
串行通信接口(-,也是由 公司推出的。它是
一种通用异步通信接口 .,与 +/ 的异步通信功能基本相同。
软件设计师考试同步辅导(上午科目)(第 3 版)
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1
.多核
核心又称为内核,是 最重要的组成部分。多核即在一个单芯片上面集成两
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 、二级 共享或独有,其部件的完整性和单核处理器内核相比
完全一致。
1.1.1.3 数据表示
各种数据在计算机中表示的形式称为机器数,其特点是数的符号用 $、 表示。机器数
对应的实际数值称为该数的真值。机器数又分为无符号数和带符号数两种。无符号数表示
正数,在机器数中没有符号位。对于带符号数,机器数的最高位是表示正、负的符号位,
其余二进制位表示数值。带符号的机器数可采用原码、反码、补码、移码等编码方法。机
器数的这些编码方法称为码制。
.原码、反码、补码和移码
原码
在原码表示中,机器数的最高位是符号位,$ 代表正号, 代表负号,余下各位是数的
绝对值。零有两个编码,即01$2
原
=$$$$$$$$,0-$2
原
=$$$$$$$。原码表示方法的优点在于
数的真值和它的原码表示之间的对应关系简单,相互转换容易,用原码实现乘除运算的规
则简单。缺点是用原码实现加减运算很不方便。
反码
在反码表示中,机器数的最高一位是符号位,$ 代表正号, 代表负号。当符号位为 $
时,其余几位即为此数的二进制值;但若符号位为 时,则要把其余几位按位取反,才是
它的二进制值。零有两个编码,即01$2
反
=$$$$$$$$,0-$2
反
=。
补码
在补码表示中,机器数的最高一位是符号位,$ 代表正号, 代表负号。当符号位为
$即正数时,其余几位即为此数的二进制值;但若符号位为 即负数时,其余几位不是
此数的二进制值,需把它们按位取反,且最低位加 ,才是它的二进制值。零有唯一的编码,
即01$2
补
30-$2
补
3$$$$$$$$。补码表示的两个数在进行加法运算时,只要结果不超出机器所
能表示的数值范围,可以把符号位与数值位同等处理,运算后的结果按 取模后,得到的
新结果就是本次加法运算的结果。
移码
移码表示法是在数 X 上增加一个偏移量来定义的,常用于表示浮点数中的阶码。如果
机器字长为 n,规定偏移量为
n-
,则移码定义为:若 X 是纯整数,则0X2
移
3
n-
1X-
n-
≤X4
n-
;若 X 是纯小数,则0X2
补
31X-≤X4。
.定点数和浮点数
定点数
所谓定点数,就是小数点的位置固定不变的数。小数点的位置通常有两种约定方式:
定点整数纯整数,小数点在最低有效数值位之后和定点小数纯小数,小数点在最高有效
数值位之前。
第 1 章 计算机系统知识
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浮点数
浮点数是小数点位置不固定的数,它能表示更大范围的数。在浮点表示法中,阶码通
常为带符号的纯整数,尾数为带符号的纯小数。浮点数的表示格式如图 + 所示。
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