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软件设计师-计算机系统知识：1. 计算机系统基础知识

news 来源：原创 2025/6/21 17:35:06

1. 计算机系统基础知识

1.1. 计算机系统硬件基本组成

硬件
- 中央处理器（CPU）硬件系统的核心
  - 运算器
  - 控制器
存储器（记忆设备）
- 内部存储器（速度高，容量小）：临时存放程序、数据及中间结果
- 外部存储器（速度慢，容量大）：长期保存程序和数据。
外设（外部设备）
- 输入设备：输入原始数据及各种命令
- 输出设备：输出计算机运行结果
软件

1.2. CPU的功能与组成

中央处理单元(CPU)：计算机系统的核心部件，它 负责获取程序指令，对指令进行译码并加以执行

1.2.1. CPU的功能

程序控制 ：通过执行指令来 控制 程序的 执行顺序
操作控制 ：一条指令功能的实现需要若干个操作信号配合来完成， CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往对应的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作
时间控制 ：CPU对各种操作进行时间上的控制，即在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的控制
数据处理 ：CPU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，对数据的加工处理也是CPU最根本的任务
CPU还需对系统 内部和外部的中断（异常） 做出 响应 ，进行相应的 处理

1.2.2. CPU的组成

(1) 运算器 （是数据加工处理部件，用于完成计算机的各种算术和逻辑运算）：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

功能
- 执行所有算术运算，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。
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) ：简称累加器，是一个通用寄存器。 暂存算术运算或逻辑运算的中间运算结果
- 数据缓冲寄存器(DR)： 暂存指令或数据字或操作数 。
- 状态条件寄存器(PSW)： 保存指令执行后的状态 。

(2) 控制器

功能
- 用于控制整个CPU的工作，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，而且能够处理异常事件
组成
- 指令控制逻辑：要完成取指令、分析指令和执行指令的操作，其过程分为 取指令，指令译码按指令操作码执行，形成下一条指令地址 等步骤。
  - 指令寄存器(IR)： 存放的是从内存中取得指令，就像个中间站一样，不过是存放指令的中间站
  - 程序计数器(PC) ：存放的是 指令的地址 ，还有 计数 的功能
  - 地址寄存器(AR) ：存放的是 cpu访问内存单元的地址
  - 指令译码器(ID) ：是把 操作码解析成 对应的指令操作
- 时序控制逻辑：要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：是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：用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU

(3) 寄存器组

分类：专用寄存器（运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器）、通用寄存器

1.3. 数据表示

1.3.1. 计算机基本单位

单位	符号	备注
位(比特)	bit （b）	计算机最小的存储单位
字节	byte （ B）	数据表示的最小单位： 1B = 8bit
千字节	KB	1KB = 1024B
兆字节	MB	1MB = 1024KB
吉字节	GB	1GB = 1024 MB
太字节	TB	1TB = 1024GB

1.3.2. 进制转换

a. 常用进制

进制	运算规则	标识符
二进制	逢二进一：基数为2，数值部分用两个不同的数字0 、1来表示	B
八进制	逢八进一：基数为8，数值部分用0 、1 、2 、3、4 、5 、6 、7来表示	O
十进制	逢十进一：基数为10，数值部分用0 、1 、2 、3、4 、5 、6 、7 、8 、9来表示	D
十六进制	逢十六进一：基数为16，有十六种数字符号，除了在十进制中的0至9外，还另外用6个英文字母A 、B、C 、D 、E 、F来表示十进制数的10至15	H

注：当没有下标或后缀时默认为十进制数
b. 非十进制数转为十进制数
(每位上的数码 z 基数的位次方)

二进制转换为十进制
(101.1101)2 = 1x22 + 0x21 + 1x20 + 1x2-1 + 1x2-2 + 0x2-3 + 1x2-4 = (5.8125)10
八进制转换为十进制
(105.236)8 = 1x82 + 0x81 + 5x80 + 2x8-1 + 3x8-2 + 6x8-3 = (69.30859375)10
十六进制转换为十进制
(A27.5C)16 = 10x162 + 2x161 + 7x160+ 5x16-1+ 12x16-2= (2599.359375)10
c. 十进制数转换为非十进制数
整数部分：除N取余，商为0时，将 余数倒序输出
小数部分：乘N取整数 ,直至积为0(或满足精度)， 整数部分正序输出
十进制转换为二进制
十进制转换为八进制
十进制转换为十六进制

d. 二进制与八进制、十六进制的相互转换

二进制转为八进制（三位一组 ）
将二进制数从 小数点开始 分别向左（整数部分）和 向右（小数部分）每 3位 二进制位组成 一组 ，将每一组内的3位二进制数转换成八进制数码中的一个数字，按顺序连接起来即得八进制表示。不足3位时，对原数值用0来补足3位。
例如： (001 011 111 . 001)2 = (137.1)8
二进制转为十六进制（四位一组 ）
将二进制数从 小数点开始 分别向左（整数部分） 和 向右(小数部分） 每4位二进制位组成 一组 ，将每一组内的4位二进制数转换成十六进制数码中的一个数字，按顺序连接起来即得十六进制表示。如果总的位数不是4 的倍数，那么最左面的一组可以少于4位，前面用0来补足4位。
例如： (1111 1111 0100 1011)2 = (FF4B)16

1.3.3. 原码, 反码,补码, 移码

符号位：如果机器字长为n，则最高位（或最左边的第一位是符号位： 0表示正号， 1表示负号 ) 。
原码:原码就是符号位加上真值的绝对值 , 即用第一位表示符号 , 其余位表示数值绝对值 . 如果机器字长n=8

数值	原码	数值	原码
+0	00000000	-0	10000000
+1	00000001	-1	10000001
+127	01111111	-127	11111111
+45	00101101	-45	10101101
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>1000000

反码: 正数的反码与原码相同, 负数的反码则是其绝对值按位取反。

数值	反码	数值	反码
+0	00000000	-0	11111111
+1	00000001	-1	11111110
+127	01111111	-127	10000000
+45	00101101	-45	11010010
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>01111111

补码:正数的补码与其原码相同, 负数的的补码则等于其反码的末尾加1

数值	补码	数值	补码
+0	00000000 (唯一)	-0	00000000
+1	00000001	-1	11111111
+127	01111111	-127	10000001
+45	00101101	-45	11010011
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>1000000

移码: 只要将补码的符号位取反便可获得相应的移码表示。

数值	移码	数值	移码
+1	10000001	-1	01111111
+127	11111111	-127	00000001
+45	10101101	-45	01010011
+0	10000000	-0	10000000

1.3.4. 数值表示范围

机器字长为n时各种码制表示的带符号数的范围

码制	定点整数	定点小数
原码	- (2n-1-1) ~ + (2n-1-1)	- (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1))
反码	- (2n-1-1) ~ + (2n-1-1)	- (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1))
补码	-2n-1 ~ +(2n-1-1)	-1 ~ +(1-2-(n-1))
移码	-2n-1~ +(2n-1-1)	-1 ~ +(1-2-(n-1))

1.3.5. 浮点数表示

N = 尾数x基数指数
例如 3.14 X 103
在这里插入图片描述

a. 运算 过程： 对阶 > 尾数计算 > 结果格式化
b. 特点

一般 尾数用补码，阶码用移码 。
阶码 的位数 决定 数的表示 范围 ，位数越多范围越大。
尾数 的位数 决定 数的有效 精度 位数越多精度越高。
对阶 时， 小数向大数看齐 。
对阶 是通过 较小数的尾数算术右移 实现的。

c. 存储格式
在这里插入图片描述

1.4. 校验码

1.4.1. 奇偶校验码

可以检错, 不能纠错
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。

1.4.2. 海明码

可以检错和纠错
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。设数据位是 n位， 校验位 是 k位，则n和k必须满足： 2^k^- 1 ≥ n + k 。

1.4.3. 循环冗余校验码 (CRC)

码距为2, 可以检错, 不能纠错
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。
在这里插入图片描述

循环冗余校验码是由两部分组成的，左边为 信息码（数据） ，右边为 校验码 。若 信息码占k位，则校验码就占n- k位 。其中， n为CRC码的字长，所以又称为（ n， k）码。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。