计算机系统基础知识

这是软件设计师考试，1.1计算机系统基础知识，包括计算机硬件系统组成部分、中央处理单元、数据表示、校检码。供需要软件设计师考试的同学使用。

计算机系统基础知识

计算机系统硬件基本组成

运算器

控制器

中央处理单元 （Central Processing Unit，CPU）

CPU功能

程序控制

CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序

CPU重要功能

操作控制

CPU产生每条指令的操作信号，并将操作信号送往相应部件，控制相应部件按指令进行操作

时间控制

CPU对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进行严格控制

数据处理

CPU对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，处理的结果供人使用

CPU根本任务

CPU组成

运算器

作用

执行所有算术运算

执行所有逻辑运算并进行逻辑测试

组成

算术逻辑单元（ALU）

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（AC）

当ALU进行运算时，为其提供一个工作区暂存数据，并存放运算结果

数据缓冲寄存器（DR)

对内存储器进行读写操作时，用DR暂时存放由内存储器读/写的指令，作为CPU和内存、外部设备数据传送的中转站；作为CPU和内存、外围设备操作速度的缓冲

在单累加寄存器的运算器当中可兼为操作数寄存器

状态条件寄存器（PSW)

保存指令运算的条件码内容，分为状态标志和控制标志

控制器

作用

控制CPU的工作，保证程序正确执行，而且还要能处理异常事件

组成

指令控制逻辑

指令寄存器（IR）

当CPU执行一条指令，先把它从内存器取到DR中再送入IR中暂存，ID根据IR中的内容产生微操作指令，控制其他部件运行

程序（指令）计数器（PC）

在程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC，地址在程序加载到内存时确定，执行指令时，CPU自动修改PC的内容，使其保持的总是要执行的下一条指令地址

地址寄存器（AR)

AR保存当前CPU所访问的内存单元地址。由于CPU和内存存在操作速度上的差异，所以需要AR保持地址信息，直到内存的读/写操作完成

指令译码器（ID）

对指令中的操作码字段进行分析解释，识别指令操作，向操作控制器发出具体信号，控制各部件工作，完成所需功能。

时序控制逻辑

为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号

总线控制逻辑

为多个功能部件服务的信息通路的控制电路

中断控制逻辑

控制中断请求，根据优先级对中断请求进行排队，逐个交予CPU处理

寄存器组

专用寄存器

运算器和控制器里的专用寄存器

通用寄存器

存储器

记忆设备

内部存储器

速度高、容量小

外部存储器

速度慢、容量大

输入设备

用于输入原始数据和命令

输出设备

用于输出运行结果

外部设备

数据表示

数据单位

位（比特）bit b

最小的数据单位

字节 byte B

最小的存储单位

千字节 KB

兆字节 MB

吉字节 GB

太字节 TB

数据进制

二进制（B）

0-1

八进制（O）

0-7

十进制（D）

0-9

十六进制（H）

0-9，A-F

数值在机器中表示形式称为机器数，采用二进制，符号用0，1表示正负，小数点隐含。

无符号数

约定小数点位置在机器数最低位之后，则为纯整数

约定小数点位置在机器数最高位之前，则为纯小数

有符号数，采用码制进行计算

原码

原码表示为

n为机器字长，第一位为符号位，其余n-1位为数值位

反码

反码表示为

n为机器字长，第一位为符号位，其余n-1位为数值位

正数的反码是其本身

负数的反码是其数值位按位求反

补码

补码表示为

n为机器字长，第一位为符号位，其余n-1位为数值位

正数的补码是其本身

负数的补码是其反码末尾加一

移码

移码表示为

n为机器字长，第一位为符号位，其余n-1位为数值位

将补码的符号位取反即可得到移码

定点数

小数点位置固定不变的数

浮点数

小数点位置变化的数

浮点表示法：一个二进制的数N可表示为

浮点数的表示格式为

浮点数所能表示的数值范围主要由阶码决定，所表示数值的精度则由尾数决定。 因此在进行阶码计算时要对齐阶码并小阶对大阶

为了充分利用尾数表示更多的有效数字，通常采用规格化浮点数，就是将尾数限定在区间[0.5,1]

当尾数用补码表示

当阶码用R位的移码表示，尾数用M位的补码表示，浮点数表示数值范围为

校检码

码距：指任意两个合法编码之间至少有多少个二进制位不同

子主题

奇偶校检码

这种方法通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验），从而使码距变为2。

对于奇校验，它可以检测代码中奇数位出错的编码，但不能发现偶数位出错的情况

常用

水平奇偶校验码

垂直奇偶校验码

水平垂直校验码

海明码

海明码（Hamming Code）是由贝尔实验室的Richard Hamming 设计的，是一种利用奇偶性来检错和纠错的校验方法。海明码的构成方法是在数据位之间的特定位置上插入k 个校验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

循环冗余校检码

循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check，CRC)广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统中。它利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位来进行编码，其编码长度为k+r。CRC的代码格式为:

可以检错不纠错，码距为2

校验码是由信息码产生的，校验码位数越多，该代码的校验能力就越强。在求CRC 编码时，采用的是模2运算。模2加减运算的规则是按位运算，不发生借位和进位。

这里举一个例子192 二进制3000000 八进制300 十进制192 十六进制C0

1b=8B 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB