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1、计算机考研之计算机系统知识讲义专题一：计算机系统基础1、计算机硬件基础知识：1.1计算机系统结构 计算机的发展历史： 1946年，世界上第一台电子计算机ENIAC出现，之后经历了5个发展阶段：冯式结构计算机的组成部分：存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。强化的概念： 计算机的工作过程：一般是由用户使用各种编程语言把所需要完成的任务以程序的形式提交给计算机，然后翻译成计算机能直接执行的机器语言程序，在计算机上运行。计算机系统可以由下面的模型表示：计算机系统结构（computer architecture）：指机器语言级机器（物理机器）的系统结构，它主要研究软件、硬件功能分配，确定软件、硬

2、件界面（机器级界面），即从机器语言程序员或编译程序设计者的角度所看到的机器物理系统的抽象。计算机组成（computer organization）：是指计算机系统的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等，其目标是合理的把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希望达到的性能价格比。计算机实现（computer implementation）是指计算机组成的物理实现。这几个概念之间的关系可以用下面的图加以说明： 计算机系统的分类：Flynn分类、冯氏分类、Handler分类和Kuck分类；Flynn分类：根据不同指令流数据流组织方式把计算机系统分成4类。（重点

3、理解）指令流：机器指令的执行序列；数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；多倍性：在系统性能的瓶颈部件上同时处于同样执行阶段的指令和数据的最大可能个数；I.单指令流单数据流SISD如单处理机II.单指令流多数据流SIMD如相联处理机III.多指令流单数据流MISD如流水线计算机IV.多指令流多数据流MIMD如多处理机冯氏分类：以最大并行度Pm把计算机系统结构分为4类，其中字宽W表示在一个字中同时处理的二进制位数，位宽B表示在一个位片中能同时处理的字数。I.字串位串WSBS（serial）(parallel)II.字并位串WPBSIII.字串位并WSBPIV.字并位并WPBPHa

4、ndler分类：根据并行度和流水线处理的程度将计算机系统结构分成3个层次I.程序控制部件PCU的个数KII.算术逻辑部件ALU或处理部件PE的个数DIII.每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路ELC的套数WKuck分类：与Flynn分类法类似，根据指令流、执行流和多倍性来分类。I.单指令流单执行流SISE典型的单处理机II.单指令流多执行流SIME带多操作部件的处理机III.多指令流单执行流MISE带指令级多道程序的单处理机IV.多指令流多执行流MIME多处理机计算机不同级别程序员所见的计算机部分，透明性的概念：透明性：一种实际存在的事物或属性，从某个角度看似乎不存在的现象。低层机器级的概念结构和

5、功能特性对于高级语言的程序员来说是透明的。1.2 计算机中的编码：(1)二进制、十进制和十六进制等常用数制及其相互转换： 由于计算机的存储器和寄存器是两态部件，所以各种信息在计算机中是以二进制的方式存储和计算的。数制是由基数和基数个不同的数码组成的。 BCD码：十进制的二进制表示， 0：0000 1：0001 2：0010 3：0011 4：0100 5：01016：0110 7：0111 8：1000 9：1001十进制的202可以表示成BCD码为0010 0000 0010； 十六进制 二进制:十六进制表示法是用16位二进制数字组成的,每4位二进制数字表示一位十六进制数,十六进制的数字表示

6、从0-9,A,B,C,D,E,F共十六个字符.十六进制与二进制相互转换就是一位十六进制字符与四位二进制数字的相互转换过程.十进制二进制:十进制向二进制转换分两步进行:首先把该数的整数部分和小数部分转换为二进制数;然后再把这两部分合并起来即可.十进制的整数部分向二进制转换是通过对十进制不断的除2取余数得到，十进制小数部分通过乘2取整的方法获得，直到小数部分为0，所得到的整数部分就形成了二进制编码；同样的，二进制向十进制转换如下所示：十进制数N=（RnRn-1.R1R0R-1.R-m） = Rn *2n+Rn-1*2n-1+.+R1*2+R0+R-1*2-1.R-m*2-m八进制 二进制:二进制向

7、八进制转换的方法是从小数点开始分别向左右每3位二进制数编成一组,若不够3位 ,则小数点左侧的最高位和右侧的最低位用0补充,每一组用对应的八进制的数码表示即可;八进制向二进制转换的方法是从小数点开始,把每一位八进制的数码转换成对应的3位二进制即可.其小数点左侧的最高位或右侧的最低位的0可以省去. 计算机中的二进制数运算方法： 1 定点数运算：要判断是否溢出？()加法：X+Y=（X补+Y补） MOD 2减法：X-Y=（X补+-Y补）MOD 2乘法：采用原码比较方便，使用原码一位乘法来求两个定点数的乘积。运算规则为： 乘积的符号位等于乘数和被乘数的符号位进异或； 乘积的值等于两数绝对值之积，即乘数和

8、被乘数的绝对值进行移位相加；除法：采用原码比较方便。运算规则为：商的符号位同定点数原码乘法的处理方法，由两数的符号位进行异或两数的绝对值部分进行相除。 2 浮点运算1)加减法：a)对阶b) 尾数进行加、减运算c) 规格化d) 舍入e)溢出判断2)乘除法：浮点相乘，其积的阶码为两数阶码相加，积的尾数为两尾数相乘。浮点数相除，其商的阶码为两数阶码之差，商的尾数为两尾数相除。其结果都需要进行规格化处理，同时还需要进行溢出判断。 逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简： 逻辑表达式就是以逻辑运算符把若干逻辑变量连接在一起表示某种关系的表达式。一个逻辑函数往往有多种不同的表达式。可以利用其本逻辑运算规律和

9、一些常用的逻辑恒等式对逻辑表达式进行合并项、吸收项、配项、消去项等操作来化简。基本的逻辑运算有“与”、“或”、“非”、“异或”。常用的逻辑运算公式：交换律：A+B=B+A A*B=B*A结合律：A+（B+C）=（A+B）+C分配律：A*（B+C）=A*B+A*C A+（B*C）=（A+B）*（A+C）反演律：A+B= A * B重叠律：A+A=A A*A=A互补律：A+ A =1 A* A =0对合律： A =A0-1律：0+A=A A*A=0 定点数与浮点数的机内表示： 定点数的表示方法：1. 定点整数：（符号位）（最高数据位）。（最低数据位）2. 定点小数：（符号位）小数点（最高数据位）。

10、（最低数据位）浮点数表示方法：浮点数编码：符号位-阶码-尾数，阶码由移码表示，尾数由补码或原码表示；规格化处理：以纯小数表示尾数，分为原码和补码； 原码、补码、反码、移码； 数值数据的机器内表示形式称为机器码，机器码所代表的数值为该机器码的真值。 原码表示：X=X或2n-1-X；+0和-0的表示不同；（定点整数） X=X或1-X； （定点小数） +0=00000000 -0=10000000 (2的n次方-1个编码)补码表示：X=X或2n+X； （定点整数） X=X或2+X； （定点小数） 0的编码唯一；00000000 (2的n次方个编码) -1=10000000 (小数) -1=11111

11、111（整数）反码表示：X=X或(2n-1)+X； （定点整数） X=X或(2-2-n+1)+X （定点小数） +0=00000000 -0=11111111 (2的n次方-1个编码)移码表示：X=X或2的(n-1)次方+X；0表示方法唯一10000000 (定点整数) X=1+X； （定点小数） 0的编码唯一：10000000 (2的n次方个编码) ASCII码及汉字编码等常用的编码： ASCII码采用7bit编码， 共有128种编码；表示128个不同的字符；计算机里存储和传送单位通常使用Byte，所以7位的ASCII码也用一个字节来表示，最高一位没有用，通常也添0，也可以把它作为校验位或用

12、来扩展字符集。 EBCDIC码采用8bit编码，共有256个编码，表示256个不同字符； 汉字编码：1. 数字编码：每个汉字分配一个数字码，用以代表汉字；2. 拼音码：用每个汉字的汉语拼音符号作为汉字的输入编码；3. 字形码：以汉字的形状特点编码，例如五笔字型编码汉字存储：以内码形式存放，以连续两个字节表示，两个字节的最高位均为1，汉字的内码是在计算机内处理汉字信息时采用的机内代码，把汉字的输入编码称为外码。汉字输出：汉字的点阵字型码，点阵的密度决定了汉字的美观程度，汉字需要大量的存储空间，例如16*16点阵，每个汉字要占用16*16=32Byte (7) 数据校验码：计算机在存储和传送数据过

13、程中，为了保证数据的准确性，一般都要进行数据校验和纠错。通常使用校验码的方法来检测数据是否出错。其基本思想是把数据可能出现的编码区分为合法编码和错误编码。使用校验码来查错，涉及到一个重要概念码距。它是指一个编码系统中任意两个合法编码之间至少有多少个二进制位不同。码距为1的编码是不能发现错误的。常用的校验码有3种。奇偶校验码：不能发现偶数位错误该编码通过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，来检测数据代码中奇数出错的编码。因为其利用的是编码中1的个数的奇偶性作为依据，所以不能发现偶数位错误。校验位的添加方法有三种： 水平奇偶校验码：对每个数据的编码

14、添加校验位 垂直奇偶校验码：对一组数据的相同位添加一个校验位； 水平垂直奇偶校验码：先对一组数据垂直校验，所得结果再添加一位水平校验位；海明校验码：也是利用奇偶性来检错和纠错，通过在数据之间插入k个校验位，扩大数据编码的码距，从而有能力检测出n位错，并能纠正1位或n位错。循环校验码（CRC）校验码：采用模2运算，可检测所有等于、小于校验位长度的突发错，利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位进行编码，其编码长度为n=k+rk,又称为（n，k）码，生成的多项式与被校验的数据无关。概念：编码效率=（log2（码字数）/总位数：例题：在无线电通信中常采用7中取3定比码，它规定码字长为7位，并且其中总

15、有且仅有3个“1”。这种码的编码效率为；35=举一个例子：关于二进制的编码的考试题目 根据“冗余校验”的思想，码距可用来判断使校验码制冗余的程度，并估价其查错、纠错能力。“8421”码的码距为A ，因而它B 。若一组海明（Hamming）码有效信息位k=4，校验位r=3，则其码距为C ，用它能够发现D位错，并可纠正E位错。A、C、D、E： 0 1 2 3 4 7B： 能发现1位错 能纠正1位错 能发现并纠正1位错 不能查错、纠错本题主要考查数据校验方法的相关知识。在这部分知识点中有个很重要的概念码距。码距是指一个编码系统中任意两个合法编 这里有个定理，即若一种校验码合法码字集的码矩为2d+1，

16、则它能够发现2d位错，并能纠正d位错A: 2 B: 4 C: 4 D: 3 E: 21.3存储器系统：概述：计算机中的存储系统是用来保存数据和程序的。对存储器最基本的要求就是存储容量要大、存取速度快、成本价格低。为了满足这一要求，提出了多级存储体系结构。一般可分为高速缓冲存储器、主存、外存3个层次，有时候还包括CPU内部的寄存器以及控制存储器。 衡量存储器的主要因素：存储器访问速度、存储容量和存储器的价格； 存储器的介质：半导体、磁介质和光存储器。 存储器的组成：存储芯片+控制电路（存储体+地址寄存器+数据缓冲器+时序控制）； 存储体系结构从上层到下层离CPU越来越远、存储量越来越大、每位的价

17、格越来越便宜，而且访问的速度越来越慢 存储器系统分布在计算机各个不同部件的多种存储设备组成，位于CPU内部的寄存器以及用于CU的控制寄存器。内部存储器是可以被处理器直接存取的存储器，又称为主存储器，外部存储器需要通过I/O模块与处理器交换数据，又称为辅助存储器，弥补CPU处理器速度之间的差异还设置了CACHE，容量小但速度极快，位于CPU和主存之间，用于存放CPU正在执行的程序段和所需数据。整个计算机的存储器体系结构可以用下面的图来说明： 通常衡量主存容量大小的单位是字节或者字，而外存的容量则用字节来表示。字是存储器组织的基本单元，一个字可以是一个字节，也可以是多个字节。信息存取方式：信息的存

18、取方式影响到存储信息的组织，常用的有4种，顺序存取存储器的数据是以记录的形式进行组织，对数据的访问必须按特定的线性顺序进行。磁带存储器的存取方式就是顺序存取。直接存取共享读写装置，但是每个记录都有一个唯一的地址标识，共享的读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。因此存取时间也是可变的。磁盘存储器采用的这种方式。随机存取存储器的每一个可寻址单元都具有唯一地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。主存储器采用的是这种方式。相联存取也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是其地址。Cache可能采用该方法进行访

19、问。衡量存储器系统性能的指标有以下几种： 存取时间：一次读/写存储器的时间 存储器带宽：每秒能访问的位数。 存储器周期：两次相邻的存取之间的时间 数据传输率：每秒钟数据传输的bit数目。主存储器：主存储器是指能由CPU直接编程访问的存储器，它存放需要执行的程序与需要处理的数据。因为它通常位于所谓主机的范畴，常称为内存。如果内存的地址为n位，容量为2的n次。主存储器的种类很多，主要有： 随机存储器（RAM）：可以读出和写入，随机访问存取，断电消失 只读存储器（ROM）：只能读出原有的内容，不能写入新内容 可编程ROM（PROM） 可擦除PROM（EPROM） 电可擦除PROM（E2PROM） 闪

20、速存储器（flash memory）实际的存储器总是由一片或多片存储芯片配以控制电路组成的，其容量往往是WB来表示。W表示该存储器的存储单元（word）的数量，而B表示每一个word由多少bit组成。辅助存储器：由于主存容量有限（受地址位数、成本、速度等因素制约），在大多数计算机系统中设置一级大容量存储器作为对主存的补充与后援。它们位于主机的逻辑范畴之外，常称为外存储器，简称外存。外存的最大特点是容量大、可靠性高、价格低，主要有两大类。磁表面存储器：这类外存储器主要包括磁带和磁盘存储器。磁带磁带存储设备是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大。磁带上的信息是以文件块的形式存放的，而且便

21、于携带，价格便宜。按它的读写方式可分为两种：启停式和数据流。磁盘存储器磁盘存储器是目前应用最广泛的外存储器。它存取速度较快，具有较大的存储容量，适用于调用较频繁的场合，往往作为主存的直接后援，为虚拟存储提供了物理基础。可分为软盘和硬盘。光存储器光盘存储器是利用激光束在记录表面存储信息，根据激光束的反射光来读出信息。按照它的记录原理可分为形变型、相变型（晶相结构）和磁光型。有CD、CD-ROM、WORM、EOD等。CD-ROM：只读光盘，只能一次性写入数据，由生产厂家将数据写入，永远保存CD-WO：可由用户写入一次，写入后不能修改或擦除，但是可以多次读出CD-MO：可改写光盘，可以读出也可以写入

22、数据；光盘存储器的特点：大容量、标准化、相容性、持久性、实用性辅助存储器方面的计算：1.存储容量为capacity=n*t*s*b，n为存放数据的总盘面数；t为每面的磁道数；s为每道的扇区数；b为每个扇区存储的字节数2.寻道时间为磁头移动到目标磁道所需的时间。3.等待时间为待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。一般用磁道旋转一周所用的时间的一半作为平均等待时间。4磁盘存取时间=寻道时间+等待时间。5位密度：沿磁道方向，单位长度存储二进制信息的个数；6道密度：沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目；7. 数据传输速率R=B/T，B为一个磁道上记录的字节数，T为每转一周的时间8磁带机的容量计算：（这

23、些公式要熟悉记住）数据传输率=磁带记录密度*带速；数据块长度=字节数*块因子/记录密度+块间间隔；读N条记录所需时间T=启停时间+有效时间+间隔时间；例题：假设一个有 3 个盘片的硬盘，共有 4 个记录面，转速为 7200 转/分，盘面有效记录区域的外直径为 30cm，内直径为 lOcm，记录位密度为 250位/mm，磁道密度为 8道/mm，每磁道分16个扇区，每扇区 512字节，则该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为_(58)_，数据传输率约为_(58)_若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分_(60)_。 (58) A.120MB和1OOMBB.30MB和25MBC. 60MB和50MBD

24、.22.5MB 和 25MB(59) A.2356KB/sB.3534KB/sC.7069KB/sD.1178KB/s(60) A.存于同一盘面的其它编号的磁道上B.存于其它盘面的同一编号的磁道上C.存于其它盘面的其它编号的磁道上D.存放位置随机58：B 59: D 60: BRAID存储器（廉价磁盘冗余阵列）：基本思想是用多个小的磁盘存储器，通过合理的分布数据，支持多个磁盘同时进行访问，从而改善磁盘存储器的性能。其采用的主要技术：1 分块技术：把数据分块写到阵列中的磁盘上；2 交叉技术：对分布式的数据采用交叉式进行读写，提高访问速度；3 重聚技术：对多个磁盘空间重新编址，数据按照编址后的空间

25、存放；主要特点如下：1 物理上多个磁盘，但操作系统看是一个逻辑磁盘；2 数据分布在磁盘阵列中的磁盘存储器上；3 采用冗余技术和校验技术提高可靠性，可恢复数据；4 RAID速度快、容量大、功耗低、价格便宜、容易扩展。RAID0：无冗余、无校验，具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率RAID1：磁盘镜像、磁盘利用率50%，具有最高的安全性RAID2：海明码纠错、数据分块、并行访问、适合大批量数据、已很少使用RAID3：奇偶校验、数据分块、并行访问、单独校验盘RAID4：奇偶校验、独立存取、单独校验盘、适合访问频繁、传输率低RAID5：独立存取、无单独校验盘、适合访问频繁、传输率低Cache存储

26、器：（对系统和应用程序员都是透明的）（重点）Cache位于主存储器与CPU通用寄存器组之间，全部由硬件来调度，用于提高CPU的数据I/O效率，对程序员和系统程序员都是透明的。Cache容量小但速度快，它在计算机的存储体系中是访问速度最快的层次。 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理，即程序的地址访问流有很强的时序相关性，未来的访问模式与最近已发生的访问模式相似。根据这一局部性原理，把主存储器中访问概率最高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache

27、。 系统的平均存储周期t3与命中率h有很密切的关系，如下的公式：t3=ht1+(1-h)t2 其中，t1表示Cache的周期时间，t2表示主存的周期时间。当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问，否则直接进行主存访问。Cache的地址映射是指把主存地址空间映射到Cache地址空间，Cache和主存都使用同样大小的块为单位。Cache中常见的映射方法有三种。 直接映射：一对一,(不需要替换算法) 全相联映射：多对多 组相联映射：将块划分成组，主存中的一组与Cache相对应，根据高位地址标志符来访问数据，组相联可以允许相同的Block和word标志，而tag标志不同。随着程序的执行，访问频繁地区将逐渐迁移，Cache中的内容逐渐变得陈旧，访问命中率下降，就需要更新内容。常用的替换算法有三种。 随机淘汰法： 先进先出法FIFO： 近期最少使用法LRU：对于这个算法可以从整体上把握，每个的优点、缺点，不需要记算法的过程。另外，为了保证环存在Cache中得数据与主存中的内容一致，对写操作来说有以下几种方法： 写直达：同时 写回： 标记法例题： 一般来说，Cac