系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師常見考點：計算機組成與體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

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一、計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.核心層次：計算機系統(tǒng)由硬件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層組成。

2.硬件層：是計算機系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，包括CPU（中央處理器）、存儲器（內(nèi)存、硬盤等）和I/O設(shè)備（輸入輸出設(shè)備，如鍵盤、顯示器、網(wǎng)卡等）。硬件層的主要功能是執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。

3.操作系統(tǒng)層：是硬件層和應(yīng)用軟件層之間的橋梁，負責資源管理，包括進程管理（調(diào)度、同步）、內(nèi)存管理（分配、回收）、文件管理（存儲、訪問控制）等。操作系統(tǒng)通過抽象硬件資源，為應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一的接口。

4.應(yīng)用軟件層：是用戶直接使用的程序，如辦公軟件、瀏覽器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。應(yīng)用軟件通過操作系統(tǒng)提供的接口與硬件資源交互，完成特定的任務(wù)。

5.馮·諾依曼體系：是現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)架構(gòu)，其核心思想是將程序指令和數(shù)據(jù)存儲在同一存儲器中，通過運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件協(xié)同工作。

6.馮·諾依曼體系的五大部件：

運算器：執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。

控制器：控制程序的執(zhí)行順序，協(xié)調(diào)其他部件的工作。

存儲器：存儲程序和數(shù)據(jù)。

輸入設(shè)備：將外部信息輸入到計算機中。

輸出設(shè)備：將計算機處理的結(jié)果輸出到外部設(shè)備。

7.馮·諾依曼體系的核心特性：

存儲程序：程序和數(shù)據(jù)以二進制形式存儲在存儲器中，計算機可以按順序讀取指令并執(zhí)行。

順序執(zhí)行：指令按順序依次執(zhí)行，但現(xiàn)代計算機通過流水線、多核等技術(shù)實現(xiàn)了指令的并行執(zhí)行。

8.考試細節(jié)：

考試可能會要求考生描述馮·諾依曼體系的五大部件及其功能。

也可能考查考生對計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的理解，例如如何通過操作系統(tǒng)層實現(xiàn)硬件資源的抽象和管理。

二、數(shù)據(jù)表示與運算

1.數(shù)值表示：計算機中使用二進制表示數(shù)據(jù)，數(shù)值的表示方式有原碼、反碼和補碼。

2.原碼：最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，其余位表示數(shù)值的絕對值。

例如，+3的原碼為00000011，-3的原碼為10000011。

3.反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼是原碼的符號位不變，其余位取反。

例如，-3的反碼為11111100。

4.補碼：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼是反碼加1。補碼的優(yōu)點是可以簡化加減法運算，符號位參與運算。

例如，-3的補碼為11111101。在計算機中，通常使用補碼表示整數(shù)。

5.8位補碼范圍：8位補碼可以表示的整數(shù)范圍是-128到+127。

其中，-128的補碼是10000000，+127的補碼是01111111。

6.浮點數(shù)：根據(jù)IEEE 754標準，浮點數(shù)由符號位、階碼和尾數(shù)三部分組成。

7.單精度浮點數(shù)(32位)：1位符號位，8位階碼(偏置值為127)，23位尾數(shù)。階碼的偏置值用于將階碼的范圍從負數(shù)變?yōu)檎龜?shù)，便于比較和計算。

8.雙精度浮點數(shù)(64位)：1位符號位，11位階碼(偏置值為1023)，52位尾數(shù)。雙精度浮點數(shù)的精度更高，但占用的存儲空間更大。

示例：

將十進制數(shù)0.15625轉(zhuǎn)換為IEEE 754標準的浮點數(shù)表示。

首先，將0.15625轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)0.00101，然后將其規(guī)范化為1.01×2⁻³，階碼為127-3=124，對應(yīng)的二進制為01111100。因此，單精度浮點數(shù)的表示為0 01111100 01000000000000000000000。

9.校驗碼：用于檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸或存儲中的錯誤。

10.奇偶校驗：是最簡單的校驗碼，通過在數(shù)據(jù)中添加一個校驗位，使數(shù)據(jù)的總和為奇數(shù)或偶數(shù)。奇偶校驗可以檢測單比特錯誤，但無法糾正錯誤。

例如，對于數(shù)據(jù)1011，若采用偶校驗，則校驗位為0，最終數(shù)據(jù)為10110。

11.CRC(循環(huán)冗余校驗)：是一種基于多項式模2除法的校驗碼，生成多項式是CRC算法的核心。發(fā)送方將數(shù)據(jù)除以生成多項式，得到的余數(shù)作為校驗碼附加到數(shù)據(jù)后面;接收方收到數(shù)據(jù)后，用相同的生成多項式進行除法運算，若余數(shù)為0，則認為數(shù)據(jù)無錯誤。CRC可以檢測多位錯誤，可靠性較高。

12.海明碼：通過添加冗余位來檢測和糾正單比特錯誤。冗余位的數(shù)量需滿足公式需滿足公式 2^r >= k + r + 1 (k為數(shù)據(jù)位，r為冗余位)，其中k為數(shù)據(jù)位數(shù)，r為冗余位數(shù)。海明碼的編碼過程是將數(shù)據(jù)位和冗余位按特定規(guī)則排列，冗余位的值根據(jù)數(shù)據(jù)位的奇偶性計算。

例如，對于數(shù)據(jù)1011，添加3個冗余位后，海明碼為0111011。

13.考試細節(jié)：

考試可能會要求考生將一個十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為IEEE 754標準的浮點數(shù)表示，或者將浮點數(shù)表示還原為十進制數(shù)。

也可能考查考生對校驗碼的理解，例如如何計算CRC校驗碼或海明碼的冗余位。

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