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软件设计师笔记01_计算机系统知识概述_精简考点
科目一考试中占2-8分左右。
计算机系统硬件基本组成
计算机的基本硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。
- 运算器和控制器集成在一起统称为中央处理单元（CPU）。
- 存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器（速度高，容量小）和外部存储器（速度慢，容量大）。
- 输入设备和输出设备合称为外部设备（简称外设）
中央处理单元CPU
中央处理单元（CPU）是 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。除此之外，CPU 还需要对系统内部和外部的中断（异常）做出响应，进行相应的处理。
CPU 主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。
运算器的组成：
- 1）算术逻辑单元（ALU）：负责 对数据的算术运算和逻辑运算。
- 2）累加寄存器（AC）：是一个通用寄存器。负责暂存算术运算或逻辑运算的中间运算结果。
- 3）数据缓冲寄存器（DR）：写内存时，暂存指令或数据字或操作数。
- 4）状态条件寄存器（PSW）：保存指令执行后的状态。
控制器的组成：
- 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址。
- 指令寄存器IR：存储即将执行的指令。
- 指令译码器：对指令中的操作码字段进行分析。
- 时序部件：提供时序控制信号。
进制转换
非十进制数转换为十进制数
在软考中，非十进制数（如二进制、八进制、十六进制）转换为十进制数的方法是按位权展开相加法。
二进制转十进制
- 方法： 从右往左，将二进制数每一位的值（0 或 1）乘以对应位权（2 的幂次），然后求和。
- 位权计算：从右往左，第一位为 2^0^ ，第二位为 2^1^ ，依此类推。
例子：
- 二进制数 1011 转换为十进制：1 x 2^0^ + 1 x 2^1^ + 0 x 2^2^ + 1 x 2^3^ = 1 + 2 + 0 + 8 = 11
八进制转十进制
- 方法：从右往左，将八进制数每一位的值（0-7）乘以对应位权（8 的幂次），然后求和。
- 位权计算：从右往左，第一位为 8^0^ ，第二位为 8^1^ ，依此类推。
例子：
- 八进制数 35 转换为十进制：5 x 8^0^ + 3 x 8^1^ = 5 + 24 = 29
十六进制转十进制
- 方法：从右往左，将十六进制数每一位的值（0-9，A-F 表示 10-15）乘以对应位权（16 的幂次），然后求和。
- 位权计算：从右往左，第一位为 16^0^ ，第二位为 16^1^ ，依此类推。
例子：
- 十六进制数 0xA3 转换为十进制：3 x 16^0^ + A x 16^1^ = 3 + 10 x 16^1^ = 160 + 3 = 163
带小数的非十进制数转换十进制数
方法：整数部分和小数部分,分别按位权展开再相加。
- 整数部分：从右往左，位权为 基数^0^ ，第二位为 基数^1^ ，依此类推。
- 小数部分：从左往右，位权为 基数^-1^ ，第二位为 基数^-2^ ，依此类推。
示例：二进制数 101.11 转换为十进制
- 整数部分：1 x 2^0^ + 0 x 2^1^ + 1 x 2^2^ = 1 + 0 + 4 = 5
- 小数部分：1 x 2^-1^ + 1 x 2^-2^ = 0.5 + 0.25 = 0.75
- 总和：5 + 0.75 = 5.75
十进制数转换为非十进制数
在软考中，十进制数转换为非十进制数（如二进制、八进制、十六进制）的方法是除基取余法（整数部分）和乘基取整法（小数部分）。
十进制整数转非十进制
- 步骤1 除基取余：将十进制整数不断除以目标进制的基数（二进制为 2，八进制为 8，十六进制为 16），记录每次的余数。
- 步骤2 逆序排列余数：直到商为 0，将余数从最后一个到第一个进行逆序排列，即为转换结果。
十进制小数转非十进制
- 乘基取整：将十进制小数不断乘以目标进制的基数，记录每次乘积的整数部分。
- 顺序排列整数部分：直到小数部分为 0 或达到所需精度，将整数部分从第一次到最后一次依次排列，即为转换结果。
十进制数（包含整数和小数）转非十进制
- 整数部分：用除基取余法转换。
- 小数部分：用乘基取整法转换。
- 合并结果：将整数部分和小数部分用小数点连接。
各个进制的加减法
在进行不同进制（如二进制、八进制、十进制、十六进制等）的加减法时，核心原理与十进制运算类似，但需注意"逢基数进一"（加法）和"借一当基数"（减法）的规则。
加法规则
- 从右向左逐位相加（低位到高位）
- 若本位数字之和 小于基数：直接写结果
- 若本位数字之和 大于等于基数：则向高位进1位，然后再继续计算。
减法规则
- 从右向左逐位相减（低位到高位）
- 若被减数本位数字 大于等于 减数本位数字：直接相减
- 若被减数本位数字 小于 减数本位数字。则需要从高位借1位（高位减1），然后再继续计算。
十进制（基数 10）
加法示例：计算 1011 + 110
1 0 1 1
+ 1 1 0
----------
1 1 2 1 （步骤：从右向左逐位相加，遇10进1）二进制（基数 2）
加法示例：计算 1011 + 110
1 0 1 1
+ 1 1 0
----------
1 0 0 0 1 （步骤：从右向左逐位相加，遇2进1）八进制（基数是8）
加法示例：计算 35 + 27
3 5
+ 2 7
------
6 4 （步骤：5+7=12，12=1×8+4→本位写4，进位1；3+2+1=6→本位写6）十六进制（基数是16）
十六进制中，每个位上的数字可以是 0-9 和 A-F（分别表示 10-15）。
加法示例：计算 A3 + 2F
A 3
+ 2 F
------
D 2 （步骤：3+15=18，18=1×16+2→本位写2，进位1；10+2+1=13→本位写D）原码，反码，补码，移码 ⭐
- 原码：在一串二进制机器数中，数的最高位是符号位。其中0为正符号位，1为负符号位。其余位是绝对值部分。原码主要用于早期计算机中，现在已经淘汰了。
- 反码：正数的反码与原码相同。负数的反码中绝对值部分相比原码是按位取反的。
- 补码：正数的补码与原码相同，负数的补码等于其对应反码的末尾加1。
- 移码：只要将补码的符号位取反，就可以得到对应的移码表示。
原码，反码，补码，移码的数值范围
| 码制 | 取值范围 | 关键特点 |
|---|---|---|
| 原码 | (-(2^{n-1}-1) \sim +(2^{n-1}-1)) | 正负对称，有 + 0、-0 两个 0 |
| 反码 | (-(2^{n-1}-1) \sim +(2^{n-1}-1)) | 和原码范围一样，也有两个 0 |
| 补码 | (-2^{n-1} \sim +(2^{n-1}-1)) | 多一个最小负数 (-2^{n-1})，0 唯一 |
| 移码 | (-2^{n-1} \sim +(2^{n-1}-1)) | 范围和补码完全相同，常用于阶码 |
为什么补码能多表示一个最小负数？
由于机器数的最高位是符号位，这就导致原码和反码都有 + 0、-0 两个 0.
而补码把 +0 和 -0 合并成同一个 0。即正数的0是唯一的0。对于负数的0，即1000....0000 直接规定为最小的负数 (-2^{n-1})
所以补码能多表示一个最小负数。
为什么补码用于计算机中？
补码可以将加减法统一为加法。从而简化了计算机的运算逻辑。
浮点数
规格化浮点数的数值范围如下
如果浮点数的阶码(包括1位阶符)用R位的移码表示，尾数(包括1位数符)用M位的补码表示，则这种浮点数所能表示的数值范围如下。
校验码 ⭐
- 奇偶校验码可以检错，但不能纠错。码距为2
- 循环冗余校验码CRC 可以检错，但不能纠错。由两部分组成，左边为信息码（数据）。
- 海明码可以检错也可以纠错。奇偶校验码和CRC循环冗余校验码方法可以检错，但不能纠错。
海明码通过在数据位n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。
海明码公式
2^k^ >= n+k+1 其中数据位是n，校验位是k
三种校验码的区别
寻址方式
- 立即寻址：操作数在指令中的寻址方式。
- 寄存器寻址：操作数在寄存器中的寻址方式。
- 直接寻址：操作数的地址在指令中的寻址方式。
- 寄存器间接寻址：操作数的地址在寄存器中的寻址方式。
- 间接寻址：操作数的地址的地址在指令中的寻址方式。
存储器中各个寻址方式的速度对比：
立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址
指令系统
CISC与RISC ⭐
CISC 全称为Complex Instruction Set Computing 复杂指令集。
- 指令种类多
- 指令复杂度高
- 寻址方式复杂
- 通用寄存器数量一般
- 不支持流水线技术
- 采用微程序控制技术实现译码。
RISC 全称为Reduced Instruction Set Computer，精简指令集。
- 指令种类少
- 指令复杂度低
- 寻址方式固定
- 通用寄存器数量大量
- 支持流水线技术
- 采用硬布线控制逻辑来实现译码。
流水线 ⭐
流水线是为了模仿工业生产过程的流水线(如汽车装配线)而提出的一种指令控制方式。
流水线执行总指令时间的公式 T = NT + (K-1)t
- NT是第一条指令执行的完整时间。
- t 是流水线中耗时最长的哪个部分的时间。
- k 是流水线中一共需要执行的指令数。
流水线的吞吐率公式 = 总的指令数 / (流水线执行总指令时间) = 总的指令数 / [ NT + (K-1)t ]
存储系统
存储层次结构 ⭐
CPU → 寄存器 → 高速缓存（Cache）→ 主存（DRAM） → 辅存（硬盘/SSD）
高速缓存（Cache）
在计算机的存储系统体系中，Cache是（除寄存器以外）访问速度最快的。主要解决CPU与主存之间速度容量不匹配问题。
注意：主存和高速缓存Cache之间的地址映射是由硬件直接完成的。
多级Cache：在多级Cache计算机中分为一级(L1Cache)，二级(L2Cache)等。
注意： Cache的命中率与Cache容量的关系是：容量越大，命中率越高。
Cache 映射
由于高速缓存Cache中的内容是与主存的内容是一一映像的。因此有多种地址映像方法。
- 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块冲突率低、灵活性好。缺点是访问速度慢、硬件电路设计成本太高。
- 组相联映像：是前两种方式的折中方案，即组采用直接映像方式、块采用全相联映像方式。
- 直接映像：是指主存的块与Cache块的对应关系是一一对应的。优点是硬件电路设计简单，缺点是Cache块冲突率高。
发生块冲突从少到多的顺序：全相联映射-->组相联映射-->直接映射。
Cache命中率计算
Cache命中率计算
Cache命中率 = Cache命中次数 / 总访问次数
Cache平均访问时间 = 命中率×Cache访问时间 + (1-命中率)×主存访问时间
内存编址计算 ⭐
存储单元个数 = 最大地址 - 最小地址 + 1
编制内容：
- 按字编址: 存储体的存储单元是字存储单元，即最小寻址单元是一个字。
- 按字节编址：存储体的存储单元是字节存储单元，即最小寻址单元是一个字节。
总容量 = 存储单元个数 * 编制内容。
根据存储器中要求的容量和选定存储芯片的容量。就可以计算出存储器中所需要芯片的个数。
总的芯片数 = 存储器的总容量 / 每个存储芯片的容量
输入输出技术 I/O 控制方式 ⭐
输入/输出（I/O）控制方式有三种，分别是程序控制方式、程序中断方式和直接存储器方式（DMA）。
- 程序控制方式：程序控制方式是指 CPU 主动通过执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准备好。从而为外设设备提供输入/输出服务。方法简单，硬件开销小，但I/O能力不高，严重影响CPU的利用率。
- 程序中断方式：与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无需等待而提高了传输请求的响应速度。
- 直接存储器存取方式（DMA）：DMA方式是指通过DMA硬件来控制内存和设置的数据交换，这种方式可以不需要CPU处理。即绕过了CPU来进行数据交换的方式。
输入/输出（I/O）控制方式的效率对比
DMA 方式 > 程序中断方式 > 程序控制方式
直接内存存取 DMA ⭐
DMA全称是直接内存存取。DMA方式是为了在主存与外设之间，添加一个DMA硬件，从而实现高速、批量数据交换。
DMA方式比程序控制方式与中断方式都高效。这种方式可以不需要CPU处理。即绕过了CPU来进行数据交换的方式。
总线 ⭐
一般来说，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。
总线一般分为三类，分别是数据总线、地址总线、控制总线。
- 控制总线：用于传输控制信号的，双向的。
- 数据总线：用于传输数据的，双向的。
- 地址总线：用于传输CPU发出的地址数据的，是单向的。
双向：控制总线，数据总线。
单向：地址总线。
加密解密技术 ⭐⭐⭐
加密技术是最常用的安全保密手段，数据加密的技术分为对称加密和非对称加密。
- 对称加密：是指加密密钥和解密密钥是相同的。
- 非对称加密：是指加密密钥和解密密钥是不同的。
总结
- 常见的对称加密算法包括：DES，3DES，RC-5，AES等
- 常见的非对称加密算法包括：RSA，ECC等。
- 常见摘要算法：MD5，SHA-1，SHA-256等。
非对称加密下的公钥和私钥
加密通信（传明文防窃听）
- 加密：自己用对方公钥加密
- 解密：对方用对方私钥解密
口诀：公钥加密，私钥解密
数字签名（防篡改、防抵赖、验身份）
- 签名：自己用自己的私钥签名
- 验签：对方用自己的公钥验证
口诀：私钥签名，公钥验签
简单理解：
假设：A 发消息给 B。
如果是加密通信的话：
- A 要发给 B 保密信息： 就要用 B 的公钥加密
- B 收到 A 发送的保密信息后：用 B 自己私钥解密
如果是数字签名的话：
- A 如果要证明内容是自己发的： 就要用 A 自己私钥签名
- B 收到 A 发送的签名后：用 A 的公钥验证签名是不是由 A 发送的。
数字证书 ⭐
数字证书里存什么
用户公钥 + 用户信息 + CA 机构私钥签名
数字证书的作用
证明公钥属于本人，防止中间人冒充篡改公钥
数字证书的验证流程
拿CA 公钥验证证书签名 → 确认公钥合法可用
系统可靠性 ⭐
可靠性是指一个系统对于给定的时间间隔内、在给定条件下无失效运作的概率。
- 串联系统的可靠性：各个子系统的可靠性乘积。即 R = R1 * R2 * ....Rn
- 并联系统的可靠性：1减去各个子系统的不可靠性的乘积。即 R = 1 -（1-R1）（1-R2）...(1-Rn)
其中R1为子系统1的可靠性。
系统可用性（平均修复时间和平均无故障时间） ⭐
可靠性指标
- MTBF（平均无故障时间）：系统正常运行的平均时间
- MTTR（平均修复时间）：系统故障后修复的平均时间
- 可用性：MTBF / (MTBF + MTTR)
可用性 = 平均无故障时间 / （平均无故障时间 + 平均修复时间） = MTBF / (MTBF + MTTR)
可靠性公式
可靠性是指一个系统对于给定的时间间隔内、在给定条件下无失效运作的概率。
记忆： 可靠性公式 = t / (1+t) 其中t为平均无故障时间。
可用性公式
可用性是在给定的时间点上，一个系统能够按照规格说明正确运作的概率。
记忆： 可用性公式 = t / (1+t) 其中t为平均失效间隔时间。
可维护性公式
可维护性是在给定的使用条件下，在规定的时间间隔内，使用规定的过程和资源完成维护活动的概率。
记忆： 可维护性公式 = t / (1+t) 其中t为平均修复时间。