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软考中级软件设计师备考指南（一）：计算机系统基础与数据表示

news 2025/10/14 13:47:32

作为软考中级的核心科目，《软件设计师》考试中 “计算机系统知识” 模块占比约 10%，其中硬件组成与数据表示是入门基础，也是单选题的高频考点（年均 6 题，分值 6 分）。但该模块知识点细碎，平均正确率仅 50%，需结合 “原理 + 例题” 系统突破。

一、冯诺依曼结构：计算机硬件的 “骨架”

二、CPU 核心组件：理解 “指令执行” 的关键

2.1 运算器：负责 “算” 的部件

2.2 控制器：负责 “控” 的部件

2.3 寄存器可见性

三、数据表示：从进制到浮点数的 “坑点”

3.1 进制转换：记住 “按权展开” 和 “分组转换”

3.2 定点数编码：补码是 “重中之重”

3.3 浮点数 IEEE754 标准：32 位结构是 “必考点”

四、校验码：奇偶校验与海明码的 “小计算”

小结：核心考点与避坑指南

一、冯诺依曼结构：计算机硬件的 “骨架”

软考对硬件组成的考察核心围绕冯诺依曼五大部件展开，需明确部件功能及 CPU 的集成逻辑：

五大核心部件：运算器（算）、控制器（控）、存储器（存）、输入设备（入）、输出设备（出），这是所有计算机硬件的基础框架。
CPU 的本质：运算器 + 控制器的集成体，相当于计算机的 “大脑”，需注意：系统总线、内存、硬盘等均不属于 CPU 内部组件（高频易错点，2023 年曾考 “CPU 不含哪类组件”，答案为系统总线）。
存储器分类：
- 内部存储器（内存）：速度快（纳秒级）、容量小（GB 级），临时存程序 / 数据，断电失活；
- 外部存储器（硬盘 / U 盘）：速度慢（毫秒级）、容量大（TB 级），长期存储，断电保活。

二、CPU 核心组件：理解 “指令执行” 的关键

CPU 的内部结构决定了指令如何被执行，软考常考 “寄存器功能” 和 “指令执行流程”，需重点掌握：

2.1 运算器：负责 “算” 的部件

核心组件及功能：

ALU（算术逻辑单元）：实际执行加减乘除（算术运算）、与或非（逻辑运算）的 “计算器”；
AC（累加器）：给 ALU 提供运算数据，同时暂存结果；
PSW（程序状态字）：记录运算状态，比如是否进位、是否溢出（比如 127+1 在 8 位补码中会溢出，PSW 会标记）。

2.2 控制器：负责 “控” 的部件

核心组件及功能（指令执行的 “指挥中心”）：

PC（程序计数器）：软考高频考点！作用是 “指向下一条指令的地址”，且执行后自动递增（比如指令长度为 2 字节，PC 就 + 2）。考题常问 “哪个寄存器提供下一条指令地址”，答案必是 PC；
IR（指令寄存器）：暂存当前正在执行的指令（注意：IR 存的是指令本身，不是地址，别和 PC 混淆）；
指令译码器：解析 IR 中的 “操作码”，判断该做加法还是减法。

2.3 寄存器可见性

程序员可见：PC、AC、PSW、通用寄存器（写代码时能操作）；
程序员不可见：IR、AR（地址寄存器）、DR（数据缓冲寄存器）（硬件底层用，代码无法直接操作）。

三、数据表示：从进制到浮点数的 “坑点”

计算机内部只认二进制，因此 “进制转换”“定点数编码”“浮点数 IEEE754 标准” 是必考内容，且易混淆。

3.1 进制转换：记住 “按权展开” 和 “分组转换”

二进制转十进制：按权展开，比如 1011B = 1×2³+0×2²+1×2¹+1×2⁰ = 11D；
二进制转八 / 十六进制：分组转换（3 位转 1 位八进制，4 位转 1 位十六进制），比如 101100B 拆为 101 100 → 54Q，拆为 10 1100（补前导 0 为 0010 1100）→ 2CH；
单位换算：1B=8bit，1KB=1024B，1MB=1024KB（注意：软考中存储单位均为 1024 进制，不是 1000）。

3.2 定点数编码：补码是 “重中之重”

定点数（整数 / 小数）有 4 种编码：原码、反码、补码、移码，软考核心考补码的特点和转换：

原码：符号位（0 正 1 负）+ 绝对值，缺点是有 “+0（0000）” 和 “-0（1000）” 两种零，运算复杂；
反码：正数和原码一样，负数是 “符号位不变，数值位取反”，同样有双零问题；
补码：软考高频！解决了双零和运算问题：
- 正数补码 = 原码；
- 负数补码 = 反码 + 1（快速求法：从最低位找第一个 1，该位及右边不变，左边取反）；
- 特点：零唯一（0000）、减法转加法（A-B = A+(-B) 的补码）、符号位参与运算（硬件只需加法器）；
移码：补码符号位取反，用于浮点数的阶码（表示范围）。

例题：8 位机器字长，求 - 19 的补码？步骤：19 的二进制是 10011 → 8 位原码 10010011 → 反码 11101100 → 补码 11101101（或用快速法：10010011 从右找第一个 1 是第 0 位，右边不变，左边取反→11101101）。

3.3 浮点数 IEEE754 标准：32 位结构是 “必考点”

浮点数类似科学计数法（比如 123.45 = 1.2345×10²），二进制中表示为 “1.M × 2^E”，软考核心考 32 位单精度格式：

结构：1 位符号位（S，0 正 1 负）+8 位阶码（E）+23 位尾数（M）；
阶码 E：不是直接存指数，而是存 “指数 + 127”（偏置常数），比如指数是 7，E=7+127=134（二进制 10000110）；
尾数 M：只存小数部分！因为 “1.M” 中的 “1” 是隐含的（节省 1 位空间），比如尾数是 011000...，实际是 1.011000...；
转换公式：数值 = (-1)^S × (1+M) × 2^(E-127)。

例题：32 位浮点数 16 进制 0x43600000 转十进制？步骤：16 进制转二进制→0100 0011 0110 0000... → S=0（正），E=10000110（134），指数 = 134-127=7，M=011000... → 数值 = 1.011 × 2^7 = 1100000B = 96D。

四、校验码：奇偶校验与海明码的 “小计算”

数据传输会出错，校验码用于检错 / 纠错，软考考 2 类：

奇偶校验：加 1 位校验位，使 1 的个数为奇（奇校验）或偶（偶校验），只能检 1 位错，无法纠错；
海明码：能检错也能纠错，核心公式是 “n+k+1 ≤ 2^k”（n 是数据位，k 是校验位）。比如 8 位数据，求 k？代入得 8+k+1 ≤2^k → k=4（2^4=16 ≥13），所以至少 4 位校验位（2022 年考题）。