软考--硬件基础

布满荆棘的人生 2022-08-09 12:59 190阅读 0赞

几次软考模拟试题做下来，硬件知识错的内容是最多的，其实我们细想一下，如果站在计算机的角度去思考问题的话，这些内容并不复杂。下面让我们用计算机的思维进行一次神奇的探索旅程。

# 【组成】 #

首先简要了解一下我（计算机）都是由哪些部件组成的：

![SouthEast][]

运算器和控制器组成了我的大脑，一个负责计算，一个控制我要不要计算。

存储器则存储着程序和数据，这些内容是能够实现计算的基础。

往往我们本身存储的内容非常有限，通过输入输出设备与外界代码与数据交换，实现更好的计算。

计算机的五大部件：运算器，控制器，存储器和输入输出设备都是我们所熟知的，但当我们只停留在字面含义去理解计算机的工作原理的话，还远远不能理解我真正的执行过程。

# 【CPU数据处理过程】 #

![20151025100618132][]

我的运算过程概括为从内存中取出一条指令，通过控制器进行**译码**，然后按照指令要求从存储器中取出数据进行**运算**，最后按地址把结果送回到内存。接下来取第二条指令，依次循环执行上面的操作。

##     【译码执行步骤】 ##

控制器主要包括指令控制逻辑，时序控制逻辑（就像人的一切活动都离不开时间一样，时序就是计算机运行的时间），总线控制逻辑（控制数据的传输），中断控制逻辑（请求CPU要不要进行代码控制）。

（1）**代码输入**。数据总线将代码从内存传送至缓冲寄存器再传入到**指令寄存器（IR instruction Register）**中。

大家可能有疑问为什么要先进入缓冲寄存器再进入指令寄存器呢？寄存器是在CPU内部的存储单元，控制器访问它里面的数据是最快的，但同样存在一个问题，它的控件非常小。缓冲寄存器扩大了存储空间，解决了直接访问内存速度慢不对等的问题。同时缓冲寄存器将传进来的数据分解后分发给运算器和控制器，保证同步执行。

（2）**指令计数。**当数据传入后，控制器通过**程序计数器（PC）**记录下执行的代码条数和所执行代码的起始地址，以便更加容易的访问接下来的指令。PC的内容存储了指令地址，但程序所在内存地址往往是连续的，所以只需要把PC内容加1即可。因此PC必须具备**寄存信息**和**计数**两个功能。

（3）**内存地址保存**。PC记录了指令地址，但为了防止重新访问内存，必须要记录下内存单元地址。用**地址寄存器**（AR）记录下访问内存的地址。

（4）指令译码。IR中的数据要想执行必须先传入**指令译码器**（ID），对代码进行分析，形成机器代码对硬件操作控制器进行控制信号。

到此，一条控制指令执行完毕。

##      【运算过程】 ##

（1）运算。数据从数据缓冲器进入算数逻辑单元（ALU）和累加器（AC），完成算数运算和逻辑运算。累加器是算数逻辑单元的工作区。

计算机计算采用最多的不是二进制原码，而是补码，例如：

![SouthEast 1][]

（2）修改状态。运算执行完毕后要判断执行内容是否符合运算规律，通过修改状态条件寄存器（PSW）内容进行验证。

![20151025111609264][]

# 【存储系统】 #

![20151025113209524][]

存储系统根据不同的需求，不同的访问速度将存储器划分为不同的层次，高速缓存存储器处于内存与CPU之间，为解决速度不同步的问题发挥了至关重要的作用，由**计算机硬件完成访问过程，而内存由软件和硬件协调访问**

## 【高速缓存】 ##

但因为cache与内存的构造与存储空间不同，数据地址要想访问时必须有地址转换的方法（**地址映像**）。以下为三类地址映像方法：

（1）**直接相联映像**。主存块和cache中块的对应关系是固定的。

![20151025115302976][]

（2）**全相联** **映像**。允许主存中任何一块可以调入cache的任何一个空间中

![20151025115233755][]

（3）**组相联映像**。规定组采用直接映像方式而块采用全相连映像方式。

![20151025115251829][]

对比：直接相联映像地址变换最为简单，但灵活差，最容易造成冲突。全相联映射调入cache位置不受限制，非常灵活，但无法直接获得cache块号，变换复杂，速度慢；组相联映射则取中间值。

##       【虚拟存储器】 ##

虚拟存储技术吧很大的程序分成比较小的块全部存储在辅存当中。运行时，马上把用到程序块调入到高速缓存中，这样实现一边运行程序一边进行程序块的调入调出。该技术主要有页式存储、段式存储和段页式存储，下面以段页式虚拟存储器进行说明。

**段页式存储管理**

**  **

**                                            ![20151025142637897][]**

**        **段页表是把段式存储与页式存储结合的一种存储方式，程序按照逻辑结构分段，每一段再分成大小相同的页，程序的调入调出按页进行，同时又按照段实现保护。

**外部存储器--磁盘存储器**

**              ![20151025143632678][]![20151025143741314][]**

**        **

在外存储器的考点当中京城会出一些计算时间或者容量的题目，这时候必须要理清楚几个概念：圆柱面，磁道，扇区，数据块等。

还有注意二进制的换算单位：1M=1024K(2^10K)   1K=1024B(B是字节Byte)   1B=8bite（bite 位）

# 【输入输出】 #

数据的输入与输出都是伴随着内存的地址来进行的，这时候必须明白一些内存编址和访问地址的方法。

1. 接口与内存编址的方法有：内存与接口地址独立编址，内存与几口地址统一编址。

采用独立编址方法，内存与接口采用独立的编址空间，这时候程序访问数据的指令将完全不同，在编程和读程序中很容易使用，但接口指令太少，功能太弱。

采用统一编址方法，内存地址和接口地址在一个统一空间中，但地址一旦划分，就只能让内存或者接口使用。这样内存空间可以完全应用于接口操作功能，但容易导致地址不连续，程序维护困难。

2. 寻址方式：常见有立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，基址加变址寻址等。

在汇编语言中，代码由操作码和操作数组成，例如：Move Ax，200  move为操作码，其余为操作数，200叫做源操作数，Ax叫做目的操作数。

立即寻址：寻址的对象为立即数。   **Mov R1,45**   对于45来说是立即操作数，对R1（寄存器）是寄存器寻址。

直接寻址：寻址对象为内存地址。   Mov R1，\[2000\] 把内存地址为2000中的内容放到寄存器R1中。源操作数为直接寻址。

基址加变址：Mov R1，\[Si+10H\]

3. 输入输出方式

![20151025150723495][]

（1）直接程序控制是外设输入/输出是在CPU执行程序控制下完成的。但它存在两个缺点：

1）降低CPU的效率；2）对外部突发事件无法做出实时响应。

（2）中断方式是I/O系统准备好以后，向CPU发出中断请求信号，CPU无需等待，接到请求信号后保存在执行的现场，转入中断程序。

中断响应时间是从发出中断请求到进入中断处理程序所经历的时间。

中断存在优先级，高级别先执行。

（3）直接存取器存取方式（**DMA** Direct Memery Access）是由DMA硬件直接完成。在DMA传送过程中**无需CPU干涉**，这个系统总线完全由DMAC控制总线数据传输。

（4）输入输出处理机（IOP）应用于大型计算机中，计算机计算速度很高，程序传送，查询会造成很大的系统开销，为提高计算机性能，提出了该方式。它是一个专用处理机，计算机的输入输出操作完全由它控制。

# 【总结】 #

计算机硬件基础在软考中占有很大比重，需要我们在学习中不断总结，反复琢磨基础知识的合理之处，这样，我们在做题中应该可以轻松一些。

[SouthEast]: /images/20220731/4ba053c14cb64d57b3936d6e6eb58e45.png
[20151025100618132]: /images/20220731/e961fa6487754aaa9825ce866ef31316.png
[SouthEast 1]: /images/20220731/de7c8bdc1e0542698bfb1cf2d8d4d6d8.png
[20151025111609264]: /images/20220731/ddb2d96ac02c4580b0d69d162a1972c6.png
[20151025113209524]: /images/20220731/1012bab9b148415d87fe07b27188e406.png
[20151025115302976]: /images/20220731/8caa4e53342b4830b3c352f3af1eaf05.png
[20151025115233755]: /images/20220731/294b82380b6c404d9fcec9eb53362bcd.png
[20151025115251829]: /images/20220731/eff2c3c8e5d9466bb1dc61b3411bee17.png
[20151025142637897]: /images/20220731/34f0559d043c4a88b9305e4481002ebc.png
[20151025143632678]: https://img-blog.csdn.net/20151025143632678
[20151025143741314]: /images/20220731/6a00f1ee9a9644bea6eb03cb52abaad8.png
[20151025150723495]: /images/20220731/ab25695b0087454d86dc3b7b75519cd4.png