软考——软件设计师中级2023年11月备考（1.计算机组成原理）

一、计算机组成原理

1.数据的表示

1.1 十进制转R进制

方法：对十进制数除R取余，最后对余数取倒序

如：

1.2 原码反码补码

1.3 浮点数

1.4 校验码 —— 海明码（非重点，了解即可）

海明码的构成方法：在数据位之间插入k个校验码，通过扩大码距来实现检错和纠错。

n = 16 ，根据关系式依次带入校验位k：

当K=4时， $2^{4}$ - 1 $\geq$ 16 + 4 X

当k= 5 时， $2^{5} - 1 \geq 16 + 5$ √

最终选C

2. CPU

2.1 计算机体系结构——五大部件

例如买手机或平板时，6+128G或8+128G等，6/8相当于计算机的主存（主存储器），128G相当于计算机的辅存（辅助存储器）
计算机的主机包括两大部件：CPU和内存（主存储器）。而对于声卡、显卡、鼠标键盘这些都是属于外设。

2.2 主存储器

2.3 运算器

助记：ALU 算数逻辑单元（arithmetical logic unit）、register（寄存器）、I（instruction）指令、
数据缓冲寄存器 DR：作为CPU和内存、外设之间数据传送的中转站，作为CPU和内存、外设之间在操作速度上的缓冲。

2.4 控制器

3. Flynn分类法

！！！ 多指令流单数据流：理论上存在而实际上不存在
Flynn分类法中主要有两个指标：一个是指令流，一个是数据流。指令流为机器执行的指令序列；数据流是由指令调用的数据序列。无论是指令流还是数据流，它们都分为两种类型：单、多。

4. 指令系统

指令

指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位，由二进制表示。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

指令格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分：

寻址方式！！

数据寻址：（速度：快->慢）

CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）

指令的流水处理

指令控制方式有顺序方式、重叠方式和流水方式。

流水方式：是指并行性或并发性嵌入计算机系统里的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。

--> 取指 --> 分析 --> 执行 -->

下图：左图是 未使用流水线执行指令情况；右图是使用流水线执行指令情况

例：1.流水线周期计算，n条指令全部执行完毕所需时间计算

解：

流水线周期： 2ns（纳秒）（注：流水线周期是指在（取指、分析、执行）三个阶段中时间最长的一段）

1条指令执行时间）：2ns + 2ns + 1ns = 5ns

100条指令全部执行完毕：5ns + (100 - 1) * 2ns = 203ns

吞吐率：TP = 100 / 203 $\approx$ 0.5

完成100条指令，加速比：S = 5 * 100 / 203 = 2.46 （如果不使用流水线，则采用顺序执行的方法）

例2：吞吐率计算

例3 流水线的加速比

5. 存储系统

5.1 存储系统的层次结构

在上图中，存储速度最快、效率最高的就是寄存器，它位于CPU中，在CPU中，拥有运算器和控制器，而在运算器和控制器中，就会存在相应的寄存器。而寄存器的容量是极小的，但是速度非常快。

主存 — 辅存：实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题。

Cache — 主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题。由硬件自动完成

5. 2 存储器的分类

5.2.1 按存储器所处的位置分类：

内存（主存）：设在主机内或主板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小、速度快。
外存（辅存）：如磁盘、磁带、光盘和U盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，而在需要时调入内存。容量大但速度慢

5.2.2 按材料分类

磁存储器：用磁性介质做成，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带及磁盘等。
半导体存储器：根据所用元件可分为：双极型和MOS型；根据数据是否需要刷新可分为：静态和动态。
光存储器：利用光学方法读/写数据的存储器，如光盘

5.2.3 按工作方式分类

读/写存储器（RAM）：既能读取数据也能存入数据的存储器。
只读存储器：工作过程中仅能读取的存储器。

根据数据的写入方式又可细分为：ROM、PROM、EPROM、EEPROM等。

固定只读存储器（ROM）：这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。
可编程的只读存储器（PROM）：其中的内容可以由用户一次性写入，写入后不能再修改。
可擦除可编程的只读存储器（EPROM）：其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改，紫外线照射擦除信息。
电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）：与EPROM相似，既可以读出，也可以写入，只不过这种存储器采用电擦除的方式进行数据的改写。
闪速存储器（FM）（Flash Memory）：简称闪存，其特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，也可使用电信号进行信息的擦除操作。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。

5.3 高速缓存Cache

5.3.1 局部性原理

空间局部性：在最近的未来要用到的信息（包括指令和数据），很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是临近的。（即：指一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其附近的存储单元也最有可能被访问。）

例如：数组元素、顺序执行的指令代码

时间局部性：在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息。

例如：循环结构里面的指令代码

基于局部性原理，不难想到，可以把CPU目前访问到的地址“周围”的部分数据放到Cache中，以提高访问效率。
使用Cahe改善系统性能的依据是程序的局部性原理
在计算机的存储体系中， Cache是访问速度最快的层次。

5.3.2 高速缓存中的地址映像方法

要把主存中的地址映射为Cache存储器里面的地址，地址映像方法有三种：

直接映像：指主存的块与Cache块的对应关系是固定的。优点是地址变换简单，缺点是灵活性差、Cache块冲突率高。

全相联映像：允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。优点是Cache的位置不受限制，十分灵活，缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，访问速度慢、地址变换较复杂、成本太高。

组相联映像：是前两种方式的折衷方案，具体方法是将Cache先分成组再分成块。即组间采用直接映像方式、组内的块采用全相联映像方式。

5.3.3 替换算法

选择替换算法的目标是使Cache获得最高的命中率。常用的替换算法有以下几种：

随机替换（RAND）算法：用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
先进先出（FIFO）算法：将最先进入的Cache信息块替换出去。
近期最少使用（LRU）算法：将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。这种算法较先进先出算法要好些，但此法也不能保证过去不常用的将来也不常用。
优化替换（OPT）算法：先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换，达到最有目的。

5.3.4 Cache的性能分析

试题12：A

A：Cache中的内容也是主存中有的，并没有“扩大”

试题17：D

A、B：Cache和主存之间是由计算机硬件完成的，并不是操作系统，也不是通过编程

试题19：A

Cache总结：

Cache位于CPU和主存之间由硬件来实现，容量小，速度比主存块5~10倍，由快速地半导体存储器制成，是主存的副本，无法扩充主存的容量。

5.4 主存

5.4.1 主存的编址

解：

K = $2^{10}$ ， M = $2^{20}$ ， G = $2^{30}$

第（1）问：B

内存地址从AC000H到C7FFFH（两个十六进制数进行加减，再加1），C7FFFH-AC000H = 1BFFFH（因为十六进制，所以每借一位加16），再加1，得1C000H，（将其转换成K单位，要对结果除以1024）。将其转为十进制：（0× $16^{0}$ + 0× $16^{1}$ + 0× $16^{2}$ + C× $16^{3}$ + 1× $16^{4}$ ）/1024=112K。

第（2）问：A

总容量为112K×16bit，该芯片每个存储单元存储位数:(112K x 16bit) / (28 x 16K) = 4bit

5.5 硬盘（磁盘）（了解公式即可）

5.6 总线系统

根据总线所处位置不同，分为三种类型：

片内总线：是芯片内部的总线。它是CPU芯片内部寄存器和寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。
系统总线：是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同，又分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。
通信总线

6.输入输出技术

CPU与外设之间的数据传送方式：

6.1 直接程序控制方式

直接程序控制是指外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方法分为：无条件传送和程序查询方式两种情况。

无条件传送方式：（无条件地与CPU交换数据）在此情况下，外设总是准备好的，它可以无条件的随时接收CPU发来的输出数据，也能够无条件的随时向CPU提供需要输入的数据。
程序查询方式：（先通过CPU查询外设状态，准备好之后再与CPU交换数据）在这种方式下，利用查询方式进行输入/输出，就是通过CPU执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据

6.2 中断方式

对于程序控制I/O的方法，其主要的缺点：CPU必须等待I/O系统完成数据的传输任务，整个系统的性能严重下降。

利用中断方式完成数据的输入/输出过程为：当I/O系统与外设交换数据时，CPU无需等待也不必去查询I/O的状态，而可以抽身出来处理其他任务。当I/O系统准备好了以后，则发出中断请求信号通知CPU，CPU接到中断请求信号后，保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序的执行，完成与I/O系统的数据交换，然后再返回被中断的程序继续执行。

与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无需等待而提高了效率。