专为软考中级软件设计师考生打造，聚焦计算机系统核心原理深度解析。从CPU架构、存储器层次、指令执行到I/O系统，逐层拆解硬件与软件的协同逻辑，结合真题剖析缓存优化、流水线冲突等高频考点。通过二进制运算、中断机制等实战案例，打通“电路层→系统层→应用层”知识链路，助力考生构建底层思维模型，提升代码效率分析与系统设计能力，实现理论与考试技巧的双重突破。

一、CPU

1. 组成：运算器、控制器、存储器、IO设备
2. 功能：

1. 控制器：

1. 程序控制
2. 操作控制
3. 时间控制

2. 运算器：处理数据

3. 运算器

1. 组成：

1. 算术逻辑单元ALU
2. 累加寄存器AC
3. 数据缓冲寄存器DR
4. 状态逻辑寄存器PSW

2. ALU：负责处理数据实现数据的逻辑运算和算术运算
3. AC：为ALU执行算术逻辑运算，提供数据暂存结果

4. 控制器:

1. 组成：

1. 指令寄存器IR（存储指令（地址码+操作码））
2. 程序技术器PC（存储指令地址）
3. 地址寄存器（AR）
4. 指令译码器（ID）

2. 作用：保证程序正确执行，能够处理异常事件
3. 扩展：指令包括地址码和操作码

5. 练习题：

1. CPU中ALU的部件有、加法器等等
2. 在CPU的寄存器中，IR对用户是完全透明的（透明：用户不能访问、看不到它）

二、计算机的基本单位

扩展：

最小的数据单位为bit

最小的存储单位为byte

三、进制转换

1. 单位

2. 进制的加法

1. 逢n进1

3. 进制的减法

1. 借1当n

4. 例题1：内存按字节从B3000H到DABFFH容量区域是：159kb

1. 技巧为：    大减小加1

5. 例题2:按字节，用32k8bit芯片，构成从a0000h到dffffh的内存，需要芯片为8

四、原码、反码、补码、移码

• 原码：

• 0为正数
• 1为负数

• 特征：零（0）的正负补码和移码都是相同

• 补码为：00000000
• 移码为：10000000
• 【【x】补】补=【x】原

• 转换流程

• 表示范围

• 当机器字长为n时，例n 为8

解释：n-1为最高符号位；

（2的n-1次方）-1表示为从零开始表示

• 记录：原码表示法和补码表示法是计算机中表示数据的两种编码方法，在计算机系统中常采用补码表示和运算数据，是因为补码可是简化计算机运算部件设计
• 例题：如果“2x”的补码为“90h”那x的真值为：-56

五、浮点数

基本概念

• 用阶码和尾码表示的数称为浮点数
• 表示形式：
• （E表示阶码，F表示尾码）

• 注意：一般小阶向大阶对齐，浮点数向右移

规格化浮点数

• 格式包含：阶符+阶码+数符+尾数
• 浮点数所能表示的数值范围主要由阶码决定，所表示的精度由尾数决定
• 注意：规格化就是将尾数的绝对值限定在[0.5,1]
• 如果浮点数的阶码（包括一位阶符）用R为的移码表示，尾数（包括一位的数符）用M为表示的补码表示范围为：

• 最小值：-1*2^((2^R-1)-1)
• 
  

• 最大值：（1-2^(-M+1)）*2^((2^R-1)-1)

• 例题：16位浮点数，阶符为1为，阶码为6位，数符为1位，尾数为8位，阶码用移码表示，尾数用补码表示，求范围

• R=1+6=7  M=1+8=9
• 最小值为-2^63
• 最大值为：1-2^(-8)*2^63

• 浮点数当机器字长为n时，定点数的补码和移码可表示2^n个数，而原码和反码表示2^n-1个

扩展：

IEEE754中阶码采用移码表示，尾数采用原码

题目：

1 、 阶码用补码，尾数用原码，求1 0001    0   0000000001的浮点数

解：E=-15  F=2^10

结果：N=2^(-15) *2^（-10）

六、寻址

扩展：存储系统的层次结构

指令：

包括：操作码和地址码

分类：

1. 立即寻址：操作数就包含在指令中

1. 

2. 直接寻址：操作数存放在内存中，指令中直接给出操作数所在的存储单元地址

3. 寄存器寻址：操作数存放在某个寄存器中，指令中存放寄存器名

4. 寄存器间接寻址：操作数存在内存中，内存地址存放在寄存器中

5. 间接寻址：指令中存操作数地址的地址
6. 

访问速度：

立即寻址》寄存器寻址》直接寻址》寄存器间接寻址》间接寻址

了解：

指令系统中采用不同的寻址方法目的：扩大寻址空间并提高编程灵活度

题目：

计算机字长32为，内存3GB，按字节编址，寻址范围为：

七、奇偶校验码

注意：（只能检错，不能纠错）

1. 奇偶检验码的码距为2
2. 通过在编码中增加一位校验位使编码的1的个数为奇数（奇校验）或偶数(偶校验)
3. 奇校验：1为奇数个

1. 例：红色为校验位

1. 1   0101 -----------------》 1 0101

4. 偶校验：1为偶数个

1. 例：红色为校验位

1. 0   0101 -----------------》 0 0101

5. 注意：两种只能检验出奇数个错，不能检验出偶数个错误

1. 例：红色为校验位

1. 1   0101 -----------------》 1 0100 （检验出结果为错误）
2. 1   0101 -----------------》 1 0110 （没有检验出错误）

6. 码距：是指一个编码系统中任意两个合法编码间至少有多少个二进制不同

1. 例：01和00    码距为1

7. 奇偶校验码分类：

1. 水平奇偶校验码
2. 垂直奇偶检验码
3. 水平垂直校验码

八、海明码

扩展：

码距为2（具有检错能力）

码距为3（才可能具有纠错能力）

注意：可以检错和纠错

1. 码距为3
2. 是利用奇偶性来检错和纠错的检验方法
3. 通过在数据位间的特定位置插入K个校验和扩大码距实现检错和纠错
4. 设数据位为n位，检验位为k为，则关系需要满足：

例题：数据位为16，最少加（5）位校验位，实现海明码

解： n =16 ,  

k等于2

九、循环冗余校验码（CRC）

1. 码距为2，可以检错不能纠错
2. 它利用生成多项式为k个数据位产生R个校验位来进行编码，编码长度为K+R
3. 在求CRC编码时，采用的是模2运算

十、RISC和CISC

十一、流水线

扩展：

顺序执行流程：输入》运算》输出

1. 流水线公式：（n为指令数）

1. 第一条指令的执行时间+（n-1）*最长段的时间
2. 例：一条流水线三段，第一段0.1秒，第二段0.2秒，第三段0.3秒，需要执行100条，求时间

1. 解：（0.1+0.2+0.3）+（100-1）*0.3=30.3s

2. 操作周期：等于一周期内使用时间最长的时间段

1. 例如以上例题，操作周期就为0.3s

3. 吞吐率：为最长时间段的倒数

1. 例：如以上例题：吞吐率为 1/0.3

4. 执行n条指令的吞吐率(p):

1. p=n/流水线公式（第一条指令的执行时间+（n-1）*最长段的时间）

5. 加速比=不使用流水线的实际时间/使用流水线的时间

1. 例：以上例题：加速比=60s/30.3s

十二、高速缓存

1. 用来存放当前最活跃的程序和数据，特点是位于CPU与主存之间，速度是主存的1～5倍，对程序员来说是透明的。
2. Cache存储器部分用来存储内存的部分拷见信息，控制器部用来判断CPU要访问的数据是否在cache存储器中
3. 替换算法：使缓存获得尽可能高的命中率，有随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法、优先替换算法 。
4. cache命中率：cache容量越大，则命中率越高，随着 cache容量的增加，其失效率接近0 ％
5. 映像方法（3个）：

1. 直接映像（一对一）：主存中的块和cache中的块是固定的
2. 全相联映像（一对多）：主存中的块可以任意的存入cache中空余的块中
3. 组相联映像：内存和cache都分好组，内存组可以任意映射到cache中的组，同时，内存组中的块可以在映射cache组中任意空余位置存入

6. 冲突排名（小到大）：

1. 全 相联映像》》组相联映像，直接映像

7. 重要记：cache与主存的映射是由硬件自动完成的。

十三、中断

1. 概念：计算机在执行程序的过程中，遇到紧急事件后，暂停当前正在运行的程序，转去执行有关服务程序，处理完成后自动返回源程序。
2. 断点（中断向量）：提供中断服务程序的入口地址
3. 中断向量表中存储一个或多个中断向量
4. 中断响应时间：从发出中断请求开始，到进入中断服务程序
5. 保存现场：目的：返回来执行源程序
6. 扩展题：

1. 实现多级中断嵌套，使用（堆栈）来保护断点和现场最有效。
2. 由IO设备提出的中断请求是可屏蔽中断，电源掉电是不可屏蔽中断

十四、输入输出（I/O）控制方式

三个方式：程序查询方式、中断驱动方式、直接存储器方式（DMA）

1. 程序查询方式（程序直接控制方式）：

1. 一次只能读/写一个字（一字=8bit）
2. CPU和IO（外设）只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态，CPU利用率低

2. 中断驱动方式

1. 一次只能读/写一个字（一字=8bit）
2. IO设备通过中断信号主动向CPU报告IO操作完成
3. CPU和IO可并行工作
4. CPU利用率得到提高
5. 由CPU将数据放入内存中

3. 直接存储器方式（DMA）

1. 一次读写的单位是：块
2. CPU和IO设备可是并行工作
3. cpu仅在传输数据块的开始和结束时在干预
4. 有外设直接将数据存入内存中

4. 扩展题：

1. CPU是在一个总线周期结束时响应DMA请求的。
2. 采用DMA方式传输数据时，每传输一个数据都需要 占用一个 存储周期

十五、总线

1. 微机中总线的可分为：数据总线、地址总线、控制总线
2. 常见总线（11种，有时间看看名称）：

1. PCI总线：是目前微型机上广泛采用的内总线，采用并行传输方式。
2. SCSI总线：小型计算机系统接口（SCSI）是一条并行外总线，不属于系统总线

3. 例题：

1. 若内存容量为4GB，字长为32，则（地址总线和数据总线的宽度都为32）

1. 解释：2^32=4GB

2. 在计算机系统中采用总线结构，便于实现系统的积木化结构，同时可以（减少信息传输线的数量）
3. 总线服用方式可以（减少总线中信号线的数量）
4. 总线宽度为32bit,时钟频率为200Mhz，若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的字，则该总线的带宽为（160）MB/s

1. 解：200Mhz*（32bit/5）=40M*32bit=1280Mbit/s
2. 因为单位为MB/s 所以需要再除以8 结果为160MB/s

5. 并行总线适合近距离高速数据传输，串行总线适合长距离数据传输

十六、加密技术和认证技术

1. 加密技术

1. 主要用于窃听
2. 技术包括：对称加密和非对称机密
3. 对称加密（私有秘钥加密）：

1. 特点：加密和解密使用同一把对称秘钥
2. 优点：加密和解密速度很快，适用于加量大量明文数据
3. 缺点：对称秘钥在网络传输的过程中容易被黑客获取

4. 非对称加密（公开秘钥加密）

1. 加密和解密不是同一把秘钥，分为公钥和私钥
2. 用公钥加密只能用私钥解密，用私钥加密只能用公钥解密
3. 不能通过一把推出另一把
4. 传输方式：用接收方的公钥加密明文
5. 优点：

1. 可以实现防止窃听的效果
2. 秘钥分发没有缺陷

6. 缺点：

1. 加密解密速度慢

5. 混合加密（扩展）

2. 认证技术

1. 摘要：

1. 算法：MD5
2. 用于防止篡改
3. 实现：将发送的明文进行Hash算法后得到的摘要放在密文后一起发送过去，接收方解密后的明文进行相同Hash算法得到的再进行对比，一致没有被篡改，否则被篡改。

2. 数字签名：

1. 用于防止假冒
2. 需要和摘要结合使用
3. 加密：发送发生成摘要后，用自己的私钥对摘要进行签名（加密），得到数字签名放在密文后一起发送
4. 解密：接受方在收到数据后，用发送方的公钥对数字签进行验证（解密），验证成功则没有被假冒。

3. CA：权威机构
4. 数字证书

1. 主要用于身份认证
2. 用户向CA机构申请数字证书，将个人信息和公钥发给CA机构，CA机构颁给用户数字证书
3. 数字证书用CA的私钥进行进行签名（加密），用CA的公钥验证（解密），从而得到用户的公钥

5. 扩展：

1. 私钥是不可以被交换的

3. 例题

1. 公钥体系中，公钥用于加密和认证，私钥用于解密和签名
2. 加密用户防止被动攻击，认证用于防止主动攻击

十七、加密算法

口诀：中间有E对称，中间S非对称

1. 对称秘钥（私钥、私有秘钥加密，共享秘钥加密）算法：

1. DES
2. 3DES
3. RC-5
4. IDEA
5. AES（分组加密）
6. RC4

2. 非对称秘钥（公钥、公开秘钥加密）算法：

1. RSA
2. ECC
3. DSA

3. Hash函数
4. MD5摘要算法（512分组处理输入信息，输出由4个32位组成，生成128位散列值）
5. SHA-1安全散列算法

十八、可靠性公式

1. 串联系统：

1. 公式：R=R1*R2*....*Rn

2. 并联系统：

1. 公式：R=1-（1-R1）*(1-R2)*.......*(1-Rn)

3. 计算技巧：先算并再算串
4. 例题：

解：

十九、杂题

1. 程序计数器（PC）可被程序员访问；
2. 不可以被程序员访问

1. 指令寄存器（IR）
2. 存储器地址寄存器（MDR）
3. 暂存寄存器（DR）
4. 存储器数据寄存器（MAR）

3. 指令寄存器IR的位数取决为：指令字长
4. 同或：相同为1，不同为零
5. 异或：相同为0，不同为1
6. 双符号位时，符号位为01或10表示溢出
7. 主动攻击：重放、IP地址欺骗、拒绝服务、系统干涉（有疑问是被动还是主动？？？？）、修改数据命令
8. 被动攻击：流量分析、会话拦截（有疑问是被动还是主动？？？？）

二十、错题总结

1. VLIW是超长指令字的简称
2. 流水线的吞吐率是指：

1. 单位时间流水线处理的任务数
2. 或
3. 最长流水线操作时间的倒数

3. 在复杂指令集系统中CISC中，由于指令数量众多且复杂，所以主要考虑微程序控制器执行指令方式
4. 定点小数表示中，只有补码能表示-1
5. 在采用定点二进制的运算器中，减法运算一般是通过：补码运算的二进制加法器实现的