计算机体系结构及其组成
《计算机体系结构及其组成》全文大纲
（一）机内代码及运算
1.1 数的进制
1.1.1 进制表示法（十进制、二进制、八进制、十六进制的前缀与组成）
1.1.2 进制转换方法
整数部分转换：十进制转R进制（除R取余法）、R进制转十进制（按权展开）、二进制与八/十六进制互转（分组转换）
小数部分转换：十进制转R进制（乘R取整法）、R进制转十进制（负幂次展开）
注意事项：小数转换误差、取余/取整方向、位数对齐
1.2 码制
1.2.1 原码（定义、0的表示不唯一、加减复杂）
1.2.2 反码（正数同原码，负数取反、0的表示不唯一）
1.2.3 补码（反码+1、0表示唯一、统一加减法简化硬件）
1.2.4 移码（符号位取反的补码、用于浮点数阶码比较）
1.3 定点数和浮点数
1.3.1 区别与对比（小数点位置、表示范围、精度、运算复杂度、适用场景）
1.3.2 定点数的运算
加减法：补码运算规则与模运算
乘法：视为整数运算，符号位单独处理
溢出处理：符号位溢出与数值位溢出
逻辑运算：与、或、非、异或
1.3.3 浮点数的运算（对阶 → 尾数运算 → 规格化 → 舍入 → 溢出处理）
1.4 BCD码及其运算
1.4.1 定义与特点（有权码8421/2421、无权码余3码/格雷码）
1.4.2 BCD码运算与修正（加法结果>9或进位时加6修正）
1.4.3 余3码（8421码加3，运算时的加减3修正规则）
1.5 文字符号的编码
1.5.1 ASCII码（7位/扩展8位、可显示字符与控制字符）
1.5.2 GB2312-80（双字节、简体中文、区位码）
1.5.3 BIG5编码（繁体中文、与GB2312不兼容）
1.5.4 GBK编码（GB2312扩展、兼容BIG5、双字节）
1.5.5 GB18030-2000（单/双/四字节、兼容GBK、支持少数民族文字）
1.5.6 Unicode与ISO10646（全球统一代码点、UTF-8/16/32编码形式）
总结与对比表（各编码标准的定义、方式、字符集与适用场景）
1.6 校验码
基本概念：码距（汉明距离）与检错/纠错能力的关系
1.6.1 奇偶校验码（垂直奇偶校验、水平奇偶校验）
1.6.2 海明码和恒比码（校验位放在2的幂次位、公式 m+k+1<2^k、单比特纠错）
1.6.3 CRC循环冗余校验码（多项式除法求余数、检错能力强）
（二）中央处理器、存储器
2.1 中央处理器CPU
-
运算器（ALU算术逻辑单元、ACC累加寄存器、DR数据缓冲寄存器、PSW状态条件寄存器）
-
控制器（PC程序计数器、IR指令寄存器、ID指令译码器、AR地址寄存器）
时序系统：时钟周期、CPU周期（机器周期）、指令周期
控制方式：组合逻辑控制（硬布线） vs 微程序控制
微程序控制核心：微命令、微操作、微指令、微程序
微指令格式：水平型微指令 vs 垂直型微指令
- 寄存器组（通用寄存器 vs 专用寄存器）
2.2 存储系统层次结构
-
存储器三个特性（速度、容量、位价）
-
内存（主存）
性能指标：存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽
分类：RAM（SRAM/DRAM）、ROM（PROM/EPROM/EEPROM）、Flash、NVRAM
基本结构：存储体、存储单元、存储元件
主存编址：按字编址 vs 按字节编址、芯片数量计算公式
- 外存（辅存）（硬盘HDD/SSD、软盘、光盘、磁带、闪存盘）
（三）输入/输出及其控制
3.1 输入/输出设备
-
输入设备（字符、图形图像、语音模拟、其他输入设备的工作过程）
-
输出设备（显示、打印绘图、语音影像、磁记录输出设备的工作过程）
-
既是输入又是输出的设备（硬盘、光盘、U盘、触摸屏、网卡）
3.2 输入输出系统（I/O 系统）
定义与组成（外围设备 + 输入输出控制系统）
三大特点（异步性、实时性、设备无关性）
CPU与外设交换数据的基本过程（输入过程、输出过程）
3.3 I/O 控制方式对比
程序查询方式（CPU主动轮询、效率最低）
程序中断方式（外设主动请求、中断处理过程、效率较高）
DMA方式（硬件控制、直接传送数据块、总线占有方式、效率最高）
通道/IOP方式（独立处理器执行I/O程序、效率极高、用于大型机）
3.4 I/O 接口与编址方式
I/O接口基本结构（数据、状态、控制寄存器及译码逻辑）
编址方式对比：统一编址（存储器映射） vs 独立编址（I/O映射，如x86的IN/OUT）
3.5 常见输入/输出接口标准
磁盘接口（IDE、SCSI、SATA）
串行接口（RS-232）
并行接口（老式打印口）
USB (通用串行总线)
IEEE 1394 (火线)
3.6 联机、脱机和假脱机
联机操作（CPU直接控制）
脱机操作（卫星机预处理，减少主机等待）
假脱机技术（SPOOLing：输入井/输出井、预输入/缓输出、独占设备改共享）
（四）总线结构、指令流和数据流
链接：总线结构、指令流和数据流 - 软考备战（六）-CSDN博客
4.4 总线仲裁
集中式控制（链式查询、计数器定时查询、独立请求方式的优缺点）
分布式控制
4.1 三态门
结构与作用（解决多设备共享总线信号冲突）
高阻态概念与总线有效信号控制
4.2 总线
总线特性（物理、功能、电气、时间特性）
总线分类
按传输方式：串行总线 vs 并行总线
按功能：片内总线、系统总线（DB数据、AB地址、CB控制）、外总线（通信总线）
按时序控制：同步总线 vs 异步总线
按结构：单总线、双总线、三总线、四总线（桥接器）结构及优缺点
4.3 并行内总线VS并行外总线
并行内总线（系统总线/局部总线：PC、ISA、EISA、PCI、AGP等）
并行外总线（通信总线：IEEE 1284、SCSI、IEEE 488及被串行取代的趋势）
4.5 可靠性
计算指标：MTTF（平均失效前时间）、MTTR（平均修复时间）、MTBF（平均故障间隔时间）
可用性与可靠性函数：A(t)、R(t)、M(t) 计算公式
三种系统可靠性计算：串联系统（乘积）、并联系统（1减失效概率乘积）、混合型系统
4.6 指令流水线技术
基本概念：指令流、时间并行与空间并行
典型五级流水线：IF取指 → ID译码 → EX执行 → MEM访存 → WB写回
性能指标：执行时间、吞吐率(TP)、加速比(S)、效率(η)及对应公式
流水线冒险：
结构冒险（资源冲突、资源重复设置）
数据冒险（RAW/WAR/WAW、数据转发/旁路、Load-Use阻塞）
控制冒险（分支预测、延迟分支/延迟槽）
4.7 数据流
三个视角：计算机系统视角（组件间传递）、大数据流式计算视角（持续到达）、通信/字节流视角
组成要素：数据源、传输通道、处理节点、目的地、控制信息
分类：按方向（输入/输出）、按内容（业务/日志/多媒体）、按处理（实时/批/微批）
主要特点：动态连续、有序时序、高速大容量、一次存取
表示方法：数据流图（DFD）
四大基本元素（外部实体、加工、数据存储、数据流）
逻辑DFD vs 物理DFD
分层结构（顶层DFD、第0层、第1层...底层的原子加工）
4.8 计算机的分类
Flynn分类法（基于指令流、数据流、多倍性）
SISD（单指令流单数据流，传统单核）
SIMD（单指令流多数据流，GPU/阵列机）
MISD（多指令流单数据流，理论模型）
MIMD（多指令流多数据流，多核/分布式）
按程序流程机制分类：控制流计算机、数据流计算机、归约机
（五）指令系统
5.1 基础知识
- 指令概论
组成：操作码 + 地址码
按地址数量分类：零/一/二/三/四地址指令
按长度分类：定长指令字 vs 变长指令字（扩展操作码）
- 寻址方式
指令寻址：顺序寻址（PC+1） vs 跳跃寻址
数据寻址：立即、直接、隐含、间接、寄存器、寄存器间接、基址、变址、相对、堆栈寻址
- 指令类型
数据传送类（MOV、堆栈操作PUSH/POP、数据交换）
运算类（算术、逻辑、移位指令）
程序控制类（转移JMP/条件转移、子程序调用CALL/返回RET）
输入/输出指令（独立编址IN/OUT vs 统一编址MOV）
5.2 CISC和RISC
对比（指令系统、长度、寻址方式、执行时间、硬件实现、访存方式、典型代表）
RISC的优势与特点：适合VLSI、硬布线逻辑控制、大量通用寄存器（重叠寄存器窗口）、流水线技术、Load/Store架构、对编译器要求高
5.3 ARM处理器简介
特点（低功耗、高性能、低成本）
应用领域（移动端、嵌入式、现进入PC/服务器）
架构（32位ARM指令集 + 16位Thumb压缩指令集）
（六）并行处理技术和并行处理机
链接：并行处理技术和并行处理机 - 软考备战（八）_位串字串 位并字串-CSDN博客
6.1 概念
并行性 vs 并发性
控制并行 vs 数据并行
粒度（粗、中、细粒度）
时延与并行度
6.2 并行性的等级
处理数据的角度：字串位串 → 字串位并 → 字并位串 → 全并行
执行程序的角度：指令内部并行 → 指令级并行 → 任务/过程级并行 → 作业/程序级并行
6.3 提高计算机并行性的措施
时间重叠（流水线技术，时间并行）
资源重复（多核/多处理单元，空间并行）
资源共享（分时系统，提高并发性）
6.4 并行处理机
性能参数：PE数量、峰值性能、通信带宽与时延
结构分类
分布式存储并行处理（PE有独立本地存储，点对点通信）
共享式分布处理（PE共享全局主存，易冲突需交叉编址）
特点
强大的向量运算能力（适合大型数组/矩阵）
使用资源重复的并行方式（空间并行）
标量运算作用（需配备标量处理机负责控制流和标量操作）
编译系统依赖（极度依赖编译器的向量化自动识别能力）