【软件设计师（软考）】-计组复习篇（二）-计算机系统结构

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一．计算机组成与体系结构

1.进制之间的转换

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2.数据的表示（原码，反码，补码，移码）

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反码：是原码的符号位不变，其余的取反
补码：是反码加1
移码：是补码的基础上符号位取反

数值表示的范围：

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（因为原码和反码存在+0，-0，而补码的+0,-0相同。

原码：+0：0000 0000 -0：1000 0000

反码：+0：0111 1111 -0：1111 1111

补码：+0：1 0000 0000）

3.浮点数的运算（1.0 x10ˆ3==1000）

表示：N=M*Rˆe
对阶：小变大
步骤：

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4.计算机结构

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DR:：暂存数据的寄存器

PSW：存储在运算过程中的标志位，即在运算时保存进位等

5.计算机体系结构分类—Flynn

两个指标：指令流，数据流
指令流：机器执行的指令时序
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，但不包括输出数据。
多倍性：在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数需要掌握各体系结构的典型代表

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多指令流多数据流非常常见，就是把多个计算机结合起来以集群的形式处理问题。

CPU和GPU的区别：

（1）内部构成和原理：

CPU：叫中央处理器，是信息处理，程序运行的最终执行单元（可形象的理解为有25%的运算单元，25%的控制单元，50%的缓存单元）

GPU：叫图像处理器，是一种专门在个人电脑，工作站，游戏机和一些移动设备上做图像和图形相关的运算工作的微处理器。（90%的运算单元，5%的控制单元，5%的缓存单元）**

（2）特点分别是：
计算量的比较：CPU的计算量小，GPU的计算量大
计算的复杂程度：CPU可计算复杂的运算，GPU只可以计算简单的算术题

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6.CISC和RISC

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RISC与CISC的比较

1.RISC比CISC更能提高计算机运算速度；RISC寄存器多，就可以减少访存次数，指令数和寻址方式少，因此指令译码较快。

2.RISC比CISC更便于设计，可降低成本，提高可靠性。

3.RISC能有效支持高级语言程序。

4.CISC的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能，因此处理特殊任务效率高。

7.流水线

（1）概念

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（2）按流水线方式的计算

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实践公式中K为流水线为k部分
若按串行方式执行，则n条指令全部执行需要：（t1+t2+t3+…+tk）*△t * n

（3）流水线的吞吐率计算

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n个任务，用n除以总时间，就是每个任务的平均处理时间，平均多久处理一个任务，就是吞吐率。

（4）流水线的加速比计算
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（5）流水线的效率

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8.层次化存储结构

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速度快的，容量小

寄存器存在于CPU的运算器和控制器中，寄存器的容量极小，但速度快。
Cache 一般的单位是K，M，内存的单位一般是G。（Cache的内容来自于内存，则引入Cache提高速度，且不会提高成本）
Cache会按内容存取（叫相联存储器）

9.Cache

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10.局部性原理

时间局部性：指被引用过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次引用。

空间局部性：指如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用其附近的一个内存位置。

工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合

局部性原理举例

在硬件层，局部性原理允许计算机设计者通过引入小而快的高速缓存存储器来保存最近被引用的指令和数据项，从而提高对主存的访问速度。

在操作系统级，局部性原理允许系统使用主存作为虚拟地址空间最近被引用块的高速缓存。
类似的，操作系统用主存来缓存磁盘文件系统中最近被使用的磁盘块。

在应用程序的设计，如Web浏览器将最近被请求的文档放在本地磁盘上，利用的就是时间局部性。大容量的Web服务器将最近被请求的文档放在前端磁盘高速缓存中，不需要服务器的干预就可满足对这些文档的请求。

11.主存-分类（主存的编址考察的多）

（1）分类：随机存取存储器（内存），只读存储器在这里插入图片描述
内存一旦断电，内存中的所有数据全部丢失。
而ROM，断电时仍然保留数据

（2）编址（把芯片组成相应的存储器）

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例题：
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解：（1）内存地址从0开始，所以：有9-0+1个地址块，则：
有(CAFFFH-AC000H+1)个地址块==C8000H-AC000H=1C000H 1C000H/1024=112K个地址单元
（2）112K16=2816k*X，则X=4

12.磁盘结构与参数

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等待时间=转动延迟时间（也就是转一周的时间）

例题：

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物理块就是扇区，单缓存区处理：一次只能处理一个，处理完一个才处理下一个。磁头经过每个扇区时间为33 m s / 11 = 3 m s （读取一个记录需要3ms）
最长时间：磁头到R0结束的时候开始处理R0的数据。因为是单缓存区，磁头到R1开始的时候不能读取R1的数据放到缓冲区。所以只能等磁头再次旋转一周到R1开始时才读取R1的数据。R0的读取和处理花费了**（33ms+3ms）的时间，R0—R9都是如此，而R10花费了（3ms+3ms），则一共花费时间366ms
最少时间：（3ms+3ms）11=66ms*

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拓展：

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13.计算机总线（选择题）

根据总线位置的不同，分为**：内部总线，系统总线和外部总线**
内部总线：外围芯片与处理机之间的总线
系统总线：插件版与系统板之间的总线（有数据总线，地址总线，控制总线）
外部总线：微机与外部设备的总线

数据总线：是双向的，cpu既可以通过数据总线从内存或输入设备读入数据，也可以通过数据总线把内部数据传送到内存和输出设备，数据总线宽度决定了CPU每次与其他设备交换数据的位数。

地址总线：用于传送cpu发出的地址信息，是单向的，传送地址信息的目的是指明与cpu交换信息的内存单元或I/O设备。
控制总线：用来传输控制信号，时序信号，状态信息，其中有的信息是cpu向内存或外部设备发出的信息，有的是外部设备或内存向cpu发出的信息，控制总线每一条线的信息传送方向都是单向的且确定的，但是控制总线作为一个整体是双向的。