软考 - 计算机组成与体系笔记

2023-09-13 14:05:27

数据的表示

进制转化

  • 二进制转十进制（十进制以D表示）
    • 从右往左，用二进制位上的数字乘以2的n次幂的和（n从0开始+1累加）
  • 十进制转二进制（二进制以B表示）
    • 十进制数不断除以2直至到0，得到的余数按从下而上的顺序排列得到的数值
  • 二进制与八进制（八进制以O或Q表示）
    • 二进制从右往左，每三位对应的都是八进制的一位数
  • 二进制与十六进制（十六进制以H表示）
    • 二进制从右往左，每四位对应的都是十六进制的一位数

1B = 8bit
1KB = 2^10B = 1024B
1MB = 2^20B = 1024KB
1G = 2^30B = 1024MB

原码反码补码移码

码制定义数码个数
原码最高位是符号位，其余低位表述数值的绝对值2^n - 1
反码正数的反码与原码相同，负数的反码是其绝对值按位取反（符号位不变）2^n - 1
补码正数的补码与原码相同，负数的补码是其反码末位加1（符号位不变）2^n
移码补码的符号位按位取反2^n

image.png

  • 定点正数，例如8位：-128补码认为规定位1000 0000
  • 定点小数：-1补码人为规定位1000 0000

所以补码负数会多一个值

数据的运算是补码之间的计算

浮点数

N = 尾数 * 基数 ^ 指数

  1. 一般尾数用补码，阶码用移码
  2. 阶码的位数决定数的表示范围，位数越多范围越大
  3. 尾数的位数决定数的有效精度，位数越多精度越高
  4. 对阶时，小数向大数看齐
  5. 对阶是通过较小尾数右移实现的

逻辑运算

  1. 非
  2. 算数运算 乘除 > 加减
  3. 关系运算：大于 小于
  4. 逻辑运算：&& > ||

校验码

  1. 奇偶校验
    1. 只校验，不纠错
  2. CRC循环冗余校验
    1. 只校验，不纠错
    2. 采用模二除法
  3. 海明校验（必考）
    1. 可检错，也可以纠错
    2. 2^r >= m+r+1 m为信息位

CPU组成

考察概念，重点

  1. 运算器
    1. 算数逻辑单元ALU：数据的算术运算和逻辑运算
    2. 累加寄存器AC：通用寄存器，为ALU提供工作区，用在暂存数据
    3. 数据缓冲寄存器DR：写内存时，暂存指令或数据
    4. 状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志（有争议，也可以归纳到控制器中）
  2. 控制器
    1. 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址
    2. 指令寄存器IR：存储即将执行的指令
    3. 指令译码器ID：对指令中的操作码字段进行分析解析
    4. 时序部件：提供时序控制信号

寻址方式

  1. 立即寻址方式
    1. 操作数直接在指令中，速度快，灵活性差
  2. 直接寻址方式
    1. 指令中存放的是操作数的地址
  3. 间接寻址方式
    1. 指令中存放了一个地址，这个地址对应的内容是操作数的地址
  4. 寄存器寻址方式
    1. 寄存器存放操作数
  5. 寄存器间接寻址方式
    1. 寄存器内存放的是操作数的地址

CISC与RISC

指令系统类型指令寻址方式实现方式其他
CISC(复杂）数量多，使用频率差别不大，可变长格式支持多种微程序控制技术（微码）研制周期长
RISC(精简)数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期周玲，操作寄存器，只有Load/Store操作内存支持方式少增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主；适合采用流水线优化编译，有效支持高级语言

流水线技术

流水线计算公式：

  1. 理论公式 ：(t1+t2+…+tk)+(n-1)*t
  2. 实践公式：k*t+(n-1)*t

其中：

  • t1/t2为每条指令的时间
  • n为执行次数
  • t为指令中最长执行时间

吞吐率计算公式
TP = 指令条数 / 流水线执行时间
流水线最大吞吐率
TP(max) = 1 / t

存储系统

必考
CPU -> Cache -> 内存（主存）-> 外存（辅存）

层次化存储结构（时间&空间局部性原理） - 分类

  1. 存储器位置
    1. 内存&外存
  2. 存取方式
    1. 按内容存取：相联存储器（如Cache）
    2. 按地址存取：
      1. 随机存取存储器（如内存）
      2. 顺序存取存储器（如磁盘）
      3. 直接存取存储器（如磁盘）
  3. 工作方式
    1. 随机存取存储器RAM（如内存DRAM）
    2. 只读存储器ROM（如BIOS）

Cache

概念类考察

  1. 直接相联映像：硬件电路简单，冲突率高，映射特定块
  2. 全相联映像： 硬件电路复杂，冲突率低，映射任意一块
  3. 组相连映像： 直接相联与全相联的折中

注：主存与Cache之间的地址映射由硬件直接完成

存储系统

计算类考察

  1. 存储单元
    1. 存储单元个数=最大地址-最小地址+1
  2. 编址内容
    1. 按字编址：存储体的存储单元是字存储单元，即最小寻址单位为一个字
    2. 按字节编制：最小寻址单位为一个字节
  3. 总容量
    1. 总容量=存储单元个数*编址内容

根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量，就可以计算出所需芯片的总数：
总片数=总容量/每片的容量

例题：
内存按字节编址，地址从A0000H到CFFFFH的内存，共有（192KB），若用存储容量为64KB*8bit的存储器芯片构成该内存空间，至少需要（3）片

输入/输出技术（IO）

概念类考察（必考）

  1. 程序控制（查询）方式：I/O能力不高，严重影响CPU利用率
  2. 程序中断方式：鼠标/键盘
    1. I/O系统发出中断请求信号
    2. 保存正在执行程序的现场（保存现场），打断程序当前位置即为断点
    3. 通过中断向量表转入I/O中服务程序
    4. 返回被打断的程序继续执行（恢复现场）
  3. DMA方式：移动硬盘
  4. 通道方式
  5. I/O处理机

总线

了解概念

可靠性

1-2分，了解概念，会计算可靠性
MTTF指平均无故障时间，则计算软件可靠性公式为：
MTTF/(1+MTTF)

性能指标

了解概念，会计算

  • 字长与数据通路宽度
  • 主存容量和存取速度（主频与CPU时钟周期）
  • 运算速度（CPI与IPC）
  • 吞吐量与吞吐率（MIPS与MFLOPS）
  • 响应时间（RT）与完成时间（TAT）
  • 兼容性

CPI：平均每条指令的平均时钟个数
IPC：每时钟周期运行指令个数
MIPS：百万条指令每秒
MFLOPS：百万浮点操作每秒

例题：CPU主频2.8GHz，平均CPI为3.5，运算速度用MIPS表示，约为（800）
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