信息处理技术员教程（定稿）

2020-03-03 11:55:40 来源：范文大全收藏下载本文

信息处理技术员

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信息处理技术员教程

第 1 章计算机硬件基础

计算机硬件基础知识历来都是信息处理技术员考试的一个重点。从历年考题分数的分布来看，每年的分值都在10分左右。主要涉及到数据表示、数据运算、主板的结构、CPU的组成、存储器以及常用I/O设备等。本章在考纲中涉及到的考点如下：

（1）数据运算。掌握各种进制之间互相转换，掌握常用的逻辑运算，掌握补码表示法进行加减运算。

（2）数据表示。掌握带符号定点数的原码、反码及补码表示法，理解浮点数的表示方法，理解常用的二/十进制编码，理解ASCII码表示原理，掌握汉字编码原理。

（3）主板的结构。了解主板上的主要电子组件、插座和接口的名称、类型、位置和基本特性。

（4）CPU的组成。了解冯．诺依曼计算机的特点，掌握CPU的基本构成及各部分的功能，理解指令在CPU中的执行过程。

（5）存储器。了解存储器的分类方法，理解"Cache-主存-辅存"三级存储系统的原理，了解主存储器基本构成，掌握存储器主要指标的计算，了解常用RAID系统的功能。

（6）常用I/O设备。了解常用的I/O设备分类，重点掌握显示器、打印机、硬盘、鼠标的原理、构成、分类、性能标准等。

1.1 计算机概述

计算机是一种能自动、高速、正确地完成数值计算、数据处理和实施控制等功能的电子设备。它能接收输入的数字信息，按照内部存储的指令序列去处理，并将产生的结果输出。信息处理技术员

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1946年2月，世界上第一台计算机ENIAC诞生在美国，经过60多年的发展，计算机的运算能力、外形结构及应用领域等都发生了极大的变化。计算机是20世纪人类最重要的科学技术发明之一，它的诞生、发展和应用彻底改变了人类社会的生产和生活方式。

1.1.1 计算机的组成部件

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成，如图1-1所示。

图1-1 计算机系统组成

1.冯·诺依曼计算机的特点

60多年来，尽管计算机性能发生了翻天覆地的变化，但是其基本体系结构和工作原理并没有太大的改变，仍然遵循冯·诺依曼1946年6月在《关于电子计算装置逻辑结构初探》报告中提出的设计思路。主要内容如下。

（1）计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

（2）计算机内部采用二进制数来表示程序和数据。

（3）将编写好的程序和原始数据预先存入存储器中，然后再启动计算机工作，使计算信息处理技术员

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机在不需要人工干预的情况下，自动、高速地从存储器中提取指令并执行，这就是存储程序的原理。

按照上述思路设计的计算机称为冯·诺依曼计算机，随着计算机技术的不断发展，也暴露出这种计算机的一些缺点，目前已出现了一些突破冯·诺依曼结构的计算机，统称为非冯·诺依曼结构计算机，如数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。

2.计算机的硬件系统

组成计算机的基本部件有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它们通过总线互联，就构成了计算机的硬件系统，如图1-2所示。

图1-2 计算机硬件系统

中央处理器（CPU）是运算器和控制器的合称，它是硬件系统的核心。存储器包括主存储器和辅助存储器。其中，主存储器与CPU称为主机，辅助存储器、输入设备和输出设备称为外部设备。外部设备种类繁多，它们通过适配器（转换器）与主机相连接。

（1）CPU（中央处理器）。主要工作是执行指令，按照指令的要求对数据进行运算和处理，这部分工作由运算器和控制器分工合作完成。信息处理技术员

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运算器由算术逻辑部件（ALU）、寄存器组以及一些控制电路组成。其中ALU是主要部件，它的核心是加法器，任何运算都可以转化为加法运算，寄存器组保存参与运算的数据及结果。

控制器负责对指令进行译码，产生一系列控制信号，指挥和协调计算机的各个部件有序工作。它一般包括下述部件。

①指令寄存器IR.存放正在执行的指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。

②指令译码器ID.又称操作码译码器，它对指令寄存器IR中的指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式等，并产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器。

③程序计数器PC.又称指令计数器或指令指针（IP），在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地址。在大多数机器中则存放将要执行的下一条指令的地址。

④微操作信号发生器。它根据指令译码器ID产生的操作信号、时序电路产生的时序信号，以及各个功能部件反馈的状态信号等，产生执行指令所需的全部微操作控制信号，形成特定的微操作序列，从而实现对指令的执行控制。

（2）主存储器。简称主存，用于存放当前执行的程序和需要使用的数据，存取速度快，CPU可直接访问。其基本结构如图1-3所示，主要包括下述基本部件。信息处理技术员

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图1-3 主存储器结构示意图

①存储体。是指存放信息的实体，由若干存储单元组成，每个存储单元存放一串二进制数。存储单元的编号称为存储地址，简称地址。

②地址寄存器。接收并保存CPU发送的内存地址。

③地址译码器。将地址寄存器中的地址转换为使对应单元被选中的信号。

④数据缓冲寄存器。位于CPU和存储器之间，暂存存储器中准备读写的数据。

⑤读写控制电路。接收CPU送来的读/写命令，并把这些命令转换为控制整个存储器协调工作的时序信号。

（3）外存储器。也称辅助存储器，其特点是存储容量大、成本低，可脱机保存信息，但CPU不可以直接访问。常见的外存储器包括软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、移动硬盘以及U盘等。

（4）高速缓冲存储器。简称Cache,它是位于CPU和主存储器之间，规模较小但速度很高的存储器，用于保存主存储器中一部分内容的拷贝。当主机读写数据时，首先访问Cache,只有在Cache中不含所需数据时，CPU才会访问主存，从而很好地解决了CPU和主存之间的速度匹配问题。

（5）外部设备。也称外围设备，主要包括输入设备和输出设备。常用外部设备包括键信息处理技术员

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盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪及扫描仪等。

外部设备与CPU、主存等设备不同，有其自身特点种类繁多，速度远低于CPU,数据形式多种多样，所以不能和主机直接相连。连接时除其本身的控制驱动电路外，还需要接口电路（适配器）。

（6）总线。是连接计算机中各部件的数据通路，实现各部件之间的信息交流，其主要特征是共享传输介质。如图1-4所示，总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线，不同总线的根数各不相同，每根线能够传送一位二进制数。

图1-4 总线结构图

数据总线是系统中各模块传递数据的通道，典型的数据总线包含

8、

16、

32、64根线。线的根数称为数据总线的宽度，它反映了处理器的数据吞吐量。

地址总线用于指明数据传送的源地址和目的地址，其宽度决定了系统能够拥有的最大主存空间。除了访问主存，地址线一般也访问I/O端口。

控制总线用于控制数据传送的方式、方向以及定时或应答等，其线的数目取决于总线的类型及具体的机器配置。

3.计算机的软件系统

包括PC机运行所需要的各种程序、数据及其有关的文档资料。程序是完成某一任务的信息处理技术员

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指令或语句的有序集合。数据是程序处理的对象及结果。文档是描述程序操作及使用的相关资料。主要包括下述两大类。

（1）系统软件。是使用和管理计算机系统的各种程序，包括操作系统、各种服务性程序、语言处理程序和数据库管理系统等。

（2）应用软件。是计算机用户为了解决各种实际应用问题而编制的程序，如：自动控制程序、科学计算程序和管理信息系统等。

1.1.2 计算机的应用

计算机虽然只有仅仅60多年的历史，但已被广泛地应用于工业、农业、国防、科研、教育、商业、医疗及日常生活的各个领域。其应用可简要归纳为以下几个方面。

（1）科学计算。是计算机应用最早的一个领域，也是应用最广的一个领域。在这些领域中，问题往往极其复杂，计算量相当庞大，时间要求又很高。如果没有计算机的快速和精确计算能力，解决这些问题几乎不可能。

（2）自动控制。主要应用于国防、工业、农业以及人们日常生活的各个领域，据统计，目前国内外大约20%的微机用于该领域。

（3）信息处理。主要指处理大量文字、图像、声音等非数值信息，其处理范围随着计算机的发展也逐渐扩大。计算机在这方面的应用，不仅节省了大量的人力物力，在某些方面还为科学决策提供了准确的依据。

（4）辅助设计和辅助制造。简称为CAD/CAM,它是借助计算机进行自动化或半自动化设计/制造的一项实用技术，它可以大大缩短设计/制造周期，加速产品更新换代，降低生产成本。节省人力物力，而且对于保证产品的质量具有重要的作用。

（5）辅助教学和医疗。计算机广泛应用于教育，被称为"教育史上的第四次革命".计算信息处理技术员

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机辅助教学（CAI）软件可以把以前学生难以理解的知识，通过图像、动画和声音的配合，给学生更直观、更感性的形象，大大提高学习效率。网络自主学习不受时空限制，可以按照自身情况制订学习的计划和进度，可以实现终身学习。在医疗卫生方面，借助计算机的各种医疗设备，如CT图像处理设备，心、脑电图分析仪等，为早期疾病诊断提供了强有力的手段。

（6）人工智能。指的是计算机具有模仿人的高级思维活动（如感知、思维、推理、学习、理解等）的能力，这类计算机主要应用于专家系统、模式识别、问题求解、定理证明、机器翻译及自然语言理解等。

计算机在社会经济与发展中的作用已在60多年的历史中得到了充分的肯定。计算机应用的不断扩展推动着计算机技术快速发展，计算机技术的不断进步，又大大推动着计算机应用的迅猛发展。

1.1.3 计算机的分类

目前计算机种类非常多，按照功能可以分为通用机和专用机。按照运算速度可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机。按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机和混合型计算机等。

（1）巨型机。运算速度超过1亿次/秒，存储容量大，主存容量超过几千兆字节。其结构复杂，价格昂贵，研制这类巨型机是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。

（2）大型机。运算速度一般在100万次/秒至几千万次/秒，字长32位~64位，主存容量在几百兆字节以上。具有比较完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。其特点是通用性好，有极强的综合处理能力，主要应用于银行、政府部门和大型制造厂家等。

（3）小型机。小型机规模小、结构简单，所以研制周期短，便于及时采用先进工艺，信息处理技术员

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生产量大，硬件成本低。同时，由于小型机软件比大型机简单，所以软件成本也低。小型机打开了在控制领域应用计算机的局面，适用于数据的采集、整理、分析和计算等方面。

（4）微型机。微型机采用微处理器、半导体存储器和输入/输出接口等芯片组装而成，使得微型机具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格便宜、可靠性高和使用方便等特点。

（5）工作站。20世纪80年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统，其性能介于小型计算机和微型计算机之间。一般具有高分辨率的显示器、交互式的用户界面和功能齐全的图形软件等。

（6）网络计算机。应用于网络上的计算机，这种计算机简化了普通个人计算机中支持计算机独立工作的外部存储器等部件，设计目标是依赖网络服务器提供的各种能力支持，以尽可能地降低制造成本。这类计算机简称为"NC".

1.2 数据运算

二进制是计算机功能得以实现的基础，任何计算机应用中的数据在机器内部都表示为"0"和"1"组成的二进制代码串，数据处理最终都可以转化为二进制基本运算。

1.2.1 数制及其转换

1.计数进位制

因数符的个数有限，为了表示较大的数，一般采用计数进位制（简称数制），当数据达到当前长度可以表示的最大值后，如果数据继续增大，那么把当前数据长度增加一位，同时修改每位上的数值，这样就可以表示更大的数。计数进位制的核心是基数与权。

一般而言，在每个数字系统中，若采用R个基本符号（0,1,2,…，R-1）表示各位上的数字，则称其为基R数制，或称R进制数字系统。R被称为该数字系统的基数，运算时的原信息处理技术员

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则是"逢R进一",对于每一个数位i,其该位上的权为Ri。

对于一个用R进制表示的数，可以按权展开为N：

计算机中常用的数制有二进制、八进制、十进制、十六进制，表1-1列出了这四种常用数制的基本规则。

表1-1 计算机中常用的进位计数制

2.不同计数进位制之间的转换

（1）R进制数转换为十进制数。任何一个R进制数转换成为十进制数时，只要"按权展开"即可。例如，把二进制数10101.01转换成相应的十进制数：

（10101.01）2 = 1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2= （21.25）10

（2）十进制数转换为R进制数。任何一个十进制数转换成为R进制数时，要将整数和小数部分分别进行转换。信息处理技术员

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图1-5 十进制整数转化为二进制

图1-6 十进制小数转化为二进制

①整数部分的转换。转换方法是"除基取余，上右下左".用要转换的十进制整数去除以基数R,将得到的余数作为结果数据中各位的数字，直到余数为0为止。上面的余数作为右边的低位数位，下面的余数作为左边的高位数位。如图1-5所示，把十进制整数835转换为二进制数。

（835）10=（1101000011）2

②小数部分的转换。转换方法是"乘积取整，上左下右".用要转换的十进制小数去乘以基数R,将乘积的整数部分作为结果数据中各位的数字，小数部分继续与基数R相乘。以此类推，直到某一步乘积的小数部分为0或者已得到希望的位数为止。最后，将上面的整数部分作为左边的高位数位，下面的整数部分作为右边的高位数位。在进行转换的过程中，可能乘积的小数部分总得不到0,在这种情况下得到的是近似值。如图1-6所示，把十进制小数0.6875转换为二进制数。

（0.6875）10=（0.1011）2

③含整数、小数部分的数的转换。只要将整数、小数部分分别进行转换，得到转换后的整数和小数部分，然后再把这两部分组合起来就得到一个完整的数。例如，十进制数信息处理技术员

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835.6875转换为二级制数为：

（835.6875）10=（1101000011.1011）2

（3）

二、

八、十六进制数的相互转换。

①二进制与八进制相互转换

从小数点起，把二进制数每三位分成一组，然后写出每一组的等值八进制数，顺序排列起来就得到所要求的八进制数。同理，将一位八进制数用三位二进制数表示，就可直接将八进制数转换成二进制数。例如，把八进制数13.724转换为二进制数。

（13.724）8=（001 011.111 010 100）2=（1011.1110101）2

②二进制与十六进制相互转换

从小数点起，把二进制数每四位分成一组，然后写出每一组的等值十六进制数，顺序排列起来就得到所要求的十六进制数。同理，将一位十六进制数用四位二进制数表示，就可直接将十六进制数转换成二进制数。例如，把十六进制数2B.5E转换为二进制数。

（2B.5E）16=（0010 1011 .0101 1110）2=（101011.0101111）2

③八进制与十六进制相互转换。通常采用二进制作为中间媒介，即先把八进制转换为二进制，然后再把二进制转换成为对应的十六进制。把十六进制转换为八进制与此相似。

1.2.2 数据的表示

在计算机中表示实际数据时，有两个问题需要解决，一是数值的正负，二是小数点位置。一般用最高位标识数的正负，0表示正数，1表示负数，该位称为符号位，这种形式表示的数通常称为机器数。对于小数点问题，可分为小数点位置固定（定点数）、位置不固定（浮点数）两种情况，分别予以处理。 1.常用码制信息处理技术员

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（1）原码。最高位是符号位，0代表正，1代表负，其余各位是数的绝对值的二进制代码。通常用[X]原表示数X的原码。例如，设机器字长为8位，则有下列结果。

[+1]原=00000001[-1]原=10000001

[+0]原=00000000[-0]原=10000000

按照原码编码规则，零有两种表示形式。

原码表示方法简明易懂，与其真值转换方便，比较容易进行乘除运算，但是在进行加减运算时，原码运算不方便，主要源于符号位不能参加运算，需要增加很多判断条件。

（2）反码。最高位是符号位，对正数而言，最高位为0,其余各位是数的绝对值二进制代码；对负数而言，最高位为1,其余各位是数的绝对值二进制代码各位取反。通常用[X]反表示数X的反码。例如，设机器字长为8位，则有下列结果。

[+1]反=00000001[-1]反=11111110

[+0]反=00000000[-0]反=11111111

按照反码编码规则，零也有两种表示形式，反码同样不方便运算。

（3）补码。补码源于模和同余的概念，是为了方便计算机进行加减运算而引入的。最高位是符号位，正数的补码等于其原码，负数的补码等于其反码最后一位加上1.通常用[X]补表示数X的反码。例如，设机器字长为8位，则有下列结果。

[+1]补=00000001[-1]补=11111111

[+0]补=00000000[-0]补=00000000

按照补码编码规则，零有唯一的表示形式。

采用补码进行加减运算十分方便，可以允许符号位一起参与运算，而且可以把减法运算转化为加法运算，提高了运算速度。信息处理技术员

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采用补码进行加减运算时，若运算结果不超出机器所表示范围，则有如下关系。

[X+Y]补=[X]补+[Y]补

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补

（4）移码。又称为增码、余码或偏码，常用于表示浮点数中的阶码。通常用[X]移表示数X的移码，设机器字长为n,取1位符号位，真值X所对应的移码如下。

[X]移=2n-1+x（-2n-1

实际应用中，不用上面关系式计算移码。机器数补码与移码的符号位互补，其余位完全相同，所以二者转换时只需把符号位取反。

2.定点数与浮点数

定点数是指小数点位置固定的数，一般将定点数分成定点整数和定点小数两种。定点整数的小数点固定在数据数值部分的最右边，n+1位定点整数表示范围：-2n~2n-1.定点小数的小数点固定在符号位的右边，数值位的左边，它一定是纯小数，n+1位定点小数表示范围：-1~1-2-n.

定点数运算时，所有数据都必须保证处于有效数值范围内。如遇到绝对值小于最小正数的数，则被当作机器数0来处理，称为"下溢".而大于最大正数和小于绝对值最大负数的数，则称为"溢出",此时计算机暂停当前工作，而转去进行溢出处理。

与定点数不同，浮点数小数点位置能根据需要浮动。一个R进制数N通常表示为如下形式。

其中R称为基数，E称为阶码，F称为尾数。在计算机中，基数R一般都是2,阶码E采用定点整数的形式，尾数F采用定点小数的形式，E和F决定浮点数的表示精度，E和R决信息处理技术员

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定浮点数的表示范围。在机器中，一般按照下列形式构成浮点数。

在这种表示法中，阶码一般是原码、补码或移码，尾数一般是原码或补码。

浮点数表示有一定范围，超出后就会溢出。设浮点数阶码和尾数均用补码表示，阶码为m+1位（其中1位是符号位），尾数为n+1位（其中1位是符号位），则浮点数的典型范围值如表1-2所示。

表1-2 浮点数的典型范围值

为便于软件移植，浮点数表示格式应该有统一标准。1985年IEEE提出了IEEE754标准，该标准规定基数R为2,阶码E用移码表示，尾数F用原码表示。该标准规定了三种不同浮点数的表示规则，如表1-3所示。

表1-3 IEEE754规定的三种不同浮点数

3.二-十进制编码

十进制有10个不同的数符，4位二进制可组成16种不同的代码，从中选出10个代码来表示十进制的10个数符，会有很多种方案，这些方案统称为BCD码。信息处理技术员

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根据二进制代码中不同位置是否有确定的权值，BCD码分成有权码和无权码。

常用有权码包括8421码、2421码、5211码等，它们的权值从高到低分别为

8、

4、

2、1（8421码），

2、

4、

1、1（2421码），

5、

2、

1、1（5211码）。

常用无权码包括余3码和格雷码，余3码是在8421码基础上把每个代码加3（0011）后得到的代码。格雷码也称为循环码，这10个代码中任何相邻两个代码中只有1位二进制位的值不同，其余3位的值都必须相同。

上述几种码制与十进制数符的对应关系如表1-4所示。

表1-4 常见BCD码与十进制数符的对应关系

注意，对BCD码进行运算时，如果结果在10~15之间，那么结果须加修正。如果相加之和有进位，那么也必须加6修正。

1.2.3 算术运算

1.定点加减运算

从原理上说，原码、反码、补码都能进行加减运算，但由于补码运算比较方便，所以大多数情况下都是采用补码进行加减运算。

补码加法公式如下。信息处理技术员

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[X+Y]补=[X]补+[Y]补

补码减法可以看作负数加法，这样可以使减法与加法使用同一个加法器，简化计算机设计，公式如下。

[X-Y]补=[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补

由[X]补求[-X]补的方法是：[X]补的各位取反（包括符号位），末尾加1.补码运算时，符号位和码值一起参与运算，符号位相加后如果有进位，该进位应当被舍去。

例如，设二进制整数X=+1001,Y=+0101,求X+Y、X-Y的值。[X]补=01001,[Y]补=00101,[-Y]补=11011,符号位参与运算，过程如下。

其中，虚线内的1是进位，需要舍去。

在计算机中，数的表示范围是有限的，若运算结果超出该范围，就称为溢出，此时计算机要停止运算，进行中断处理。判断是否溢出，常用下述方法。

①单符号位判别法。设[X]补=Xs.X1X2…Xn,[Y]补=Ys.Y1Y2…Yn,二者的和（差）为[S]补=Ss.S1S2…Sn.当Xs和Ys不相等时，结果不会溢出。当Xs=Ys=0,Ss=1时，产生上溢。当Xs=Ys=1,Ss=0时，产生下溢。

②进位位判别法。设两数运算时，各位产生的进位为：Cs.C1C2…Cn.其中，Cs为符号位产生的进位，C1为最高数值位产生的进位。

两个正数相加，当最高有效位产生进位（C1=1），而符号位不产生进位（Cs=0）时，发生上溢；两个负数相加，当最高有效位不产生进位（C1=0），而符号位产生进位（Cs=1）信息处理技术员

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时，发生下溢。

③双符号为判别法。将符号位扩充到两位：S1和S2,用S1S2=00表示正数，S1S2=11表示负数。运算结束后，S1S2有四种不同的取值，含义分别如下。

S1S2=00:结果为正数，无溢出

S1S2=01:结果正溢

S1S2=10:结果负溢

S1S2=11:结果为负数，无溢出 2.浮点加减运算

一个浮点数的表示形式通常不惟一，常采用浮点数规格化形式，即规定尾数的最高数位必须是一个有效数，即其尾数F的绝对值必须满足：

当基数R=2时，

当尾数F用原码表示时，规格化后尾数最高位总是1.当尾数F用补码表示时，规格化后尾数最高位与符号位不同，即当时，应是1.0××…×的形式。

设有两个浮点数X和Y,它们分别是X=2Ex×Fx , Y=2Ey×Fy.它们进行加减运算的规则是：

时，应是0.1××…×的形式。而当

完成上述加减运算，需要包括下述步骤。

（1）零操作数检查。如果两个操作数X和Y中有一个数为0,那么就可得知运算结果而不再进行后继的操作。

（2）"对阶"操作。首先求出阶码之差相同，可以直接进行尾数加减运算。若

，若

，说明X和Y阶码

，则需要移动尾数来改变Ex和Ey,使之相

位，使得X和Y等。一般采用"小阶向大阶看齐"的原则，通过向右移动小阶数据的尾数的阶码相同。信息处理技术员

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（3）尾数相加减。无论加法还是减法运算，都按加法进行操作，其方法与定点加减法运算相同。

（4）尾数规格化。按照定点加减法的判断准则，若尾数溢出，则应使尾数结果右移一位，阶码加1,称为右规格化。若尾数没有溢出，但数值部分的最高位与符号位相同，表明不满足规格化，此时应使尾数结果左移一位，阶码减1,重复执行直到数值部分最高位与符号位不同为止，称为左规格化。

（5）舍入处理。在对阶或向右规格化时，尾数向右移动，这样被右移尾数的最低位部分就会丢掉，从而造成一定误差，此时需要舍入处理。一般采用下述舍入方法。

"0舍1入法".如果右移时被丢掉数位的最高位是0,则舍去，否则将尾数的末位加"1".

"恒置1法".只要有数位被移出，就在尾数的末尾恒置"1". 3.浮点乘除运算

设有两个浮点数X和Y,它们分别是：

X=2Ex×Fx

Y=2Ey×Fy

浮点乘法运算规则是：X×Y=2（Ex+Ey）×（Fx×Fy），即乘积的尾数是二者尾数之积，乘积的阶码是二者阶码之和。

浮点除法运算规则是：X÷Y=2（Ex-Ey）×（Fx÷Fy），即商的尾数是二者尾数之商，商的阶码是二者阶码之差。

与浮点数加减运算相同，浮点数乘除运算也大体分为5个步骤：零操作数检查、阶码加或减操作、尾数乘或除操作、结果规格化和舍入处理。

1.2.4 逻辑运算

逻辑数是指不带符号的二进制数，对这些数可以进行逻辑运算，在非数值应用的广大领信息处理技术员

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域中，非常有用。计算机中的逻辑运算，主要是指逻辑非、逻辑或、逻辑与、逻辑异或等四种基本运算。

1.逻辑非运算

又称求反，对某数进行逻辑非运算，就是按位求它的反，常用变量上方加一横来表示。设一个数x表示成

对x求逻辑非，则有：

其中：

2.逻辑或运算

又称逻辑加，对两个数进行逻辑加，就是按位求它们的"或",常用记号"+"来表示。

设有两个数x和y，它们表示为，

若

则：

3.逻辑与运算

又称逻辑乘，对两个数进行逻辑乘，就是按位求它们的"与",常用记号""来表示。

设有两个数x和y，它们表示为，

若

则： 4.逻辑异或运算

又称按位加，对两个数进行逻辑异或，就是按位求它们的模2和，常用记号"

设有两个数x和y，它们表示为，若

。

"来表示。

。

. 。

.信息处理技术员

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则：1.2.5 字符编码

1.字符的表示

常用美国国家信息交换标准字符码（ASCII）表示字符。常见的ASCII码为7位二进制代码，可以表示128种不同字符符号，它包括10个十进制数字、52个英文大小写字母、34个专用符号和32个控制符号，这128个符号中有96个是可打印的字符。

对于ASCII码来说，字节最左边的一位可以作为奇偶校验位，也可以直接设置为0,作为西文字符和汉字的区分标识。在某些应用中，需要使用ASCII码的高位信息，这种被扩充的编码方式称为扩展ASCII码，它采用8位二进制数表示一个字符，一共可以表示256个不同的字符。

2.汉字的表示

汉字字数繁多、字形复杂、读音多变，要想在计算机中表示汉字，最方便的方法是对汉字进行编码，汉字编码要与西文字符及其它字符有明显的区别。

（1）国标码。又称为汉字交换码，主要用于汉字信息处理系统之间或者通信系统之间的信息交换。1981年国家标准总局公布了GB2312-80,即《信息交换用汉字编码字符集基本集》，简称国标码（GB码）。该标准共收集常用汉字6763个，其中一级汉字3755个，按拼音排序。二级汉字3008个，按部首排序。另外还有各种图形符号682个，共计7445个。

（2）区位码。将国标码中的6763个汉字分为94个区，每个区中包含94个汉字（位）。每个汉字都对应一个区号和位号，二者组合在一起就构成了区位码。汉字区位码定长4位，前两位表示区号，后两位表示位号，二者都用十进制表示，范围都是01到94.信息处理技术员

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在区位码表中，第1到15区包含西文字母、数字和图形符号，以及用户自定义的专用符号（统称非汉字图形字符）。第16到55区为一级汉字。第56到87区为二级汉字。87区以上为空白区，可供造新字使用。

区位码与国标码不同，二者关系为：国标码=区位码（十六进制）+2020H.

（3）机内码。汉字处理系统要保证中西文兼容，以字节为单位时，ASCII码和国标码的最高位都是"0",其它7位有时候会相同，所以会产生二义性。汉字在计算机内部的惟一编码称为机内码，机内码编码时要避免该二义性。

机内码与国标码相同，长度都是二字节，它在相应国标码的每个字节最高位加"1",即：机内码=国标码+8080H.

1.3 指令系统

指令是指示计算机执行某种操作的命令，一台计算机所有指令的集合构成该机器的指令系统。指令系统决定了计算机硬件的主要性能和基本功能，它应根据计算机的使用要求来设计，不仅与计算机的硬件结构有关，也直接影响到系统软件和应用软件，是计算机系统软、硬件的界面，是了解或设计一台计算机系统的基本出发点。

1.3.1 计算机指令

每条指令都包含两个基本部分，（1）操作码：表示指令执行什么功能。（2）地址码：表示参与操作的数据的地址。

指令的基本格式为：

指令字长度指一个指令字中包含的二进制代码位数，机器字长指计算机能直接处理的二信息处理技术员

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进制数据位数。根据二者的关系，可以把指令分为半字长指令、单字长指令、多字长指令。多字长指令可以提供足够多的地址位来解决内存单元的寻址问题，但取出一整条指令需要多次访问内存，降低了CPU运算速度，同时又占用了更多的存储空间。

寻址技术是根据地址码寻找到所需要操作数的技术，通常包括编址方式和寻址方式。

编址方式是对寄存器、主存储器及输入/输出设备等进行编址的方式。主要包括字编址方式、字节编址方式和位编址方式等。在主存容量相同的条件下，不同编址方式对应的地址码位数不同。例如，如果采用字节编址方式，那么地址码位数就长，但是可以对每个字符进行处理。如果采用字编制方式，那么地址码位数就短些，但对字符操作就比较困难。

确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方法称为寻址方式，包括指令寻址方式和操作数寻址方式两种。指令寻址方式有顺序寻址方式和跳跃寻址方式两种。操作数寻址方式有以下几种：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式、变址寻址方式、基址寻址方式、相对寻址方式和寄存器寻址方式等。

在实际应用中，应该根据不同编址和寻址方式的特点，结合具体问题来分析，选择合适的编址和寻址方式。

1.3.2 指令执行控制

在CPU中，一条指令的运行包括取指、分析和执行三个过程。

（1）取指。把程序计数器PC的内容（指令地址）装入存储器地址寄存器MAR,送给地址总线，然后由地址总线选中该地址所在的主存单元，取出该指令的代码，经数据总线输入CPU中的指令寄存器IR.

（2）分析（指令译码）。指令的操作码经指令译码器译码后，给CPU的相应的寄存器和其它部件发出一系列控制信号。在指令译码的同时，程序计数器PC的内容加1,产生下一信息处理技术员

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条指令地址。

（3）执行。CPU的各个部件根据不同的控制信号序列，执行相应的操作。

常用的指令方式包括下述三种：

（1）顺序执行方式。CPU的控制部件对当前指令进行取指、分析和执行。当前指令执行结束后，再对下一条指令进行取指、分析和执行，如此循环执行下去，直到程序执行完毕。顺序执行方式具有下述特点：

①指令与指令之间是顺序地串行执行。

②一条指令的三个执行步骤（取指、译码、执行）也是顺序地串行执行。

③优点是控制简单，硬件容易实现，缺点是执行速度比较慢。

（2）超前执行方式。前一条指令执行过程尚未结束，就提前处理下一条指令，即指两条指令的某些操作同时进行。该方式通常有超前取指、超前指令译码、超前寻址和取操作数等操作。超前执行方式具有下述特点：

①每条指令内部的各个操作仍是顺序地串行执行。

②相邻两条指令的某些操作可以同时进行。

③优点是提高指令的控制速度，缺点是技术较复杂，实现起来难度比较大。

（3）流水线方式。把指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由不同的硬件去执行。例如，通常把指令的执行过程分为取指、译码、取操作数和执行四个子过程，分别由取指、译码、取操作数和执行四个装置来执行，这四个装置彼此可以并发执行，如表1-5所示。

表1-5 流水线执行方式信息处理技术员

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流水线方式具有下述特点：

①每条指令内部的各个子过程仍是顺序地串行执行。

②每条子过程执行完毕，由于该装置已空闲，即可接收下一条指令中同样的子过程来执行。

③优点是明显提高了程序的执行速度，缺点是硬件结构比较复杂。

1.4 存储体系

存储介质是指用来制作存储信息的物质。按存储介质分类，存储器分为半导体存储器、磁存储器和光存储器。半导体存储器速度快，但容量不可能很大，且成本较高。磁存储器和光存储器成本低，容量可以很大，但速度低，与CPU高速处理能力不匹配。我们所需要的理想存储器，其速度要和半导体存储器相当，容量要和磁存储器、光存储器相当。单从改进存储技术的途径来提高存储器性能，很难满足上述要求。所以，必须从存储系统结构方面采取措施，即采用多种不同类型的存储器组成存储系统。常用的是三级存储系统，如图1-7所示。

图1-7 三级存储系统信息处理技术员

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该存储系统存在下述两个存储层次。

（1）Cache-主存存储层次。由Cache和主存构成，它缓解了主存和CPU速度的矛盾。从整体上看，该层次接近于Cache的速度、主存的容量和主存的平均位价格。该层次工作时完全由辅助硬件来实现，对所有程序员都是透明的。

（2）主存-辅存存储层次。由主存和辅存构成，它缓解了存储器大容量与低成本之间的矛盾。从整体上看，该层次接近于主存的速度、辅存的容量和辅存的平均位价格。该层次工作时由辅助的软硬件来实现，对所有程序员都是透明的。

1.4.1 主存储器 1.主存记忆元件

主存储器按照存取限制可以分为RAM（随机存储器）和ROM（只读存储器）两种。前者既可以在线存（写）又可以在线取（读），后者只能在线取（读）。

（1）RAM记忆元件。RAM要求元件具有如下记忆特性：有两种稳定状态；在外部信号的激励下，两种稳定状态能进行无限次相互转换；在外部信号的激励下，能读出两种稳定状态；可靠地存储。

半导体RAM元件可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两大类。二者的区别，是SRAM利用开关特性进行记忆，只要电源有电，它总能保持两个稳定状态中的一个状态。DRAM则除了要电源有电外，还必须动态地每隔一定的时间间隔进行一次刷新，否则信息会丢失。

（2）ROM记忆元件。ROM是一种非易失性器件，它所存储的信息用特殊方式写入，主要存储经常要用的一些固定信息。根据其物理特性可把ROM分为以下几类：

①ROM.又称为MROM（掩模型只读存储器），它采用二次光刻掩模工艺一次制成，制信息处理技术员

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成后其内容不可改变。

②PROM.即可编程的ROM,其元件有多种形式，最常用的是熔丝型的，它在出厂时各处熔丝都是完好的，均表示"1".当用户需要将其中某位置"0"时，把对应处的熔丝烧断即可。PROM一经写好，存有"0"的位置就不可再改为"1".

③EPROM.又称为可擦除可编程ROM,是一种可改写的ROM,目前用得较多的是浮动雪崩注入型MOS管。按照擦除方法的不同，可分为UVEPROM和E2PROM两种。

2.主存储器组成

主存储器主要由存储体、地址译码驱动电路、读写电路和时序控制电路等组成。

存储体是主存的核心，它由许多位集成在一个芯品上构成，再由一些芯片进行扩展，就构成容量更大的存储体阵列。常用扩展方式包括字扩展方式、位扩展方式和段扩展方式等。

一个地址码唯一地对应一个地址，将一个地址码变换成为驱动字线电位的逻辑电路，称为地址译码器。由于每条地址线上都挂有许多存储元电路，为能对它们进行有效驱动，在译码器输出端每条字线上都要加一个驱动器。

一个信号从发出到稳定，有一个过程，为了能进行有效读写，必须考虑这些信号之间的时间配合关系，即所谓的时序关系。管理这些时序关系的电路就称为时序电路。

3.主存工作模式

（1）SDRAM.又称同步动态随机存储器，是早期内存工作模式EDO的改进，该方式将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使得RAM与CPU共享一个时钟，以相同的速度同步工作。

（2）DDR SDRAM.又称双数据传输率同步动态内存，它使用了延时锁定电路，在时钟脉冲的上升沿和下降沿都能读出数据，速度在同样的时钟频率条件下是SDRAM的两倍。信息处理技术员

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（3）RDRAM.又称存储器总线式动态随机存储器，采用了超高时钟频率，还采用了串行模块结构--各个芯片用一条总线串接起来，前面芯片写满后，后面芯片才开始读入数据。

（4）XDR DRAM.又称极度数率动态随机存储器，是RDRAM的改进，主要采用了改进的串行模块架构、8倍数据传输率和FlexPhase技术等的新技术。 4.主存储器的主要指标

主存储器的性能，通常可以从以下几方面描述。

（1）每位成本。折合到每一位的存储器的造价，是存储器的主要经济指标。

（2）容量。通常用有多少个存储单元、每个单元有多少位来表示，也可用能存储多少字节来表示。

（3）存取速度。主存最重要的技术指标，一般包括下述内容。

①访问时间。从启动一次访问操作到完成该操作所用的时间。

②存取周期。两次连续地访问主存操作之间所需要的最短时间。

③主存带宽。又称为数据传输率，指的是每秒钟访问的二进制位数目。

（4）信息的可靠保存性、非易失性和可更换性。

（5）可靠性。通常用MTBF来衡量。

1.4.2 辅助存储器

辅助存储器用以存放当前暂时不用的程序和数据，是主存储器的主要后援存储设备。对辅存的基本要求，是容量大、成本低、可以脱机保存信息。读写方式主要有磁读写和光读写两种。

1.磁表面存储器

磁盘、磁带都是磁表面存储器，其信息存储于涂覆在载体表面、厚度为0.024~5左右的信息处理技术员

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磁层中。其存储元记录了磁头写线圈中电流的方向，当载磁体朝一个方向运动时，若写线圈中通过脉冲电流，就把其中的信息存储在磁层中，从而完成写操作。若写线圈中没有脉冲电流，那么存储元中的剩磁由于电磁感应原理，可以在读线圈中感应出脉冲电流，从而完成读操作。

磁记录格式规定了一连串的二进制数字数据与磁层存储元的相应磁化翻转形式互相转换的规则，常用的有下面几种：

（1）归零制（RZ）。用写电流的正脉冲表示1,负脉冲表示0,磁层在记录1时由无磁性状态转变为某个方向上的磁化状态，记录0时从未磁化状态转变为另一方向的磁化状态。在两个信号之间，磁头线圈的写电流要回到零。这种方式记录密度低，抗干扰能力差。

（2）不归零制（NRZ）。在记录信息时，磁头线圈中总是有电流，不是正向电流，就是反向电流，不需要磁化电流回到无电流的状态。这种方式抗干扰能力强，但它没有自同步能力。

（3）调相制（PE或PM）。又称为曼彻斯特码。写每个1时，写电流由正向负跳变一次。写每个0时，写电流由负向正跳变一次。当记录连续的0或1时，信号交界处也要翻转一次。这种能够方式具有自同步能力，抗干扰能力强，但是频带较窄。

（4）调频制（FM或FD）。在两个信号的交界处写电流都要改变方向，并且利用中间有无跳变来记录1或0.这种方式具有自同步能力。

磁盘是一些圆片形的磁表面介质存储器，其基体可以是聚酯薄膜，也可以是铝合金。前者较软，称为软盘，目前已经淘汰不用。后者较硬，称为硬盘。一个硬磁盘存储器中有一个或多个盘片，这些盘片被固定在柱轴上，柱轴可以有多个，用台号来标识。在每个盘片上，磁介质均匀地分布在一些同心圆上，形成一个盘面的磁道。多个盘面中同一半径的磁道形成信息处理技术员

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一个圆柱面，圆柱面总数等于一个盘面的磁道数。磁道还可以分成若干个扇区，每个扇区存放一定的数据块。所以硬盘中的数据地址由台号、柱面（磁道）号、盘面号及扇区号来表示。

评价硬盘性能好坏，主要参照下述指标。

（1）记录密度。记录密度分为道密度和位密度，道密度Di是径向单位长度的磁道数，在数值上等于磁道距P的倒数。位密度Db也称为线密度，是单位长度磁道所能记录的二进制信息位数，对不同磁道而言，越向外其位密度越低。

（2）硬盘容量。硬盘所能存储的字节的总量，存储容量分为格式化容量和非格式化容量，前者是以能够与实际可以使用的存储容量，比后者要小，一般是后者的80%左右。

（3）主轴转速。用平均寻区时间Twa来表示，指的是硬盘旋转半周所用的时间。主轴转速快，磁头达到目的扇区的速度就快。

（4）寻道时间。又称为查找时间，指的是磁头找到目的磁道需要的时间，它由磁盘存储器的性能来决定，一般都在10ms以下。

（5）平均存取时间。近似等于平均寻区时间和寻道时间之和。

（6）缓冲存储区大小。在硬盘内部读写电路与接口之间设置一个缓冲存储区，可以解决二者速度不匹配的问题，从整体上提高硬盘读写速度。缓冲存储区越大越好。

（7）数据传输率。分为内部数据传输率和外部数据传输率两种。内部数据传输率主要由主轴的转速来决定。外部数据传输率是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，它与接口类型和缓存大小有关。

（8）误码率。从辐存读出数据时，出错信息与读出的总信息位数之比。为了减少出错率，需要采用校验码。校验码有多种，磁表面存储器一般采用循环冗余码来发现并纠正错误。

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，用于硬盘缓存和主机内存之间的数据传输。信息处理技术员

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在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏。常用的硬盘接口分为IDE、SCSI、光纤通道和SATA四种。其中，IDE和SATA是专用于硬盘的接口，SATA比IDE性能要好，有逐渐取代IDE的趋势。SCSI是广泛应用于小型机上的高速接口，光纤通道是专门为网络系统设计的接口，二者都不是专门为硬盘设计的接口。SCSI主要用于中、高端服务器和高档工作站中，光纤通道价格最昂贵，只用在高端服务器上。

硬盘出厂后必须经过格式化才能使用，由于硬盘容量大，可以分成若干个区，供不同操作系统使用，所以硬盘格式化比软盘格式化要复杂得多，硬盘格式化需要经过下述三个步骤。低级格式化（物理格式化）、硬盘的分区和逻辑格式化（例如：DOS的Format）。 2.磁盘阵列RAID

RAID把多台小型的磁盘存储器（或光盘存储器）按一定的条件组织成同步化的阵列，利用类似于存储器中的多体交叉技术，将数据展开存储在多台盘上，提高了数据传输的带宽，并用冗余技术提高了可靠性。其核心是采用分条、分块和交叉存取等方式对存储在多个盘中的数据和校验数据进行组合处理，来满足存储系统的性能要求。

常用的RAID系统包括下述几种。

（1）RAID0.数据按条分布于多张磁盘，它不提供冗余，但传输数据最快，适合于处理大文件。缺点是当阵列中的一个驱动器出现故障，整个系统也瘫痪。

（2）RAID1.每个工作盘都有一个对应的镜像盘，写数据时必须同时写入工作盘和镜像盘，正常工作时只访问工作盘。一旦工作盘出错，镜像盘就投入使用，并用其恢复工作盘。

（3）RAID2~ RAID4.都有固定的校验盘，区别在于所采用的纠错技术和校验盘的设置方式不同。

①RAID2.采用海明校验码纠错、位交叉技术。信息处理技术员

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②RAID3.采用位交叉技术，使用一个校验盘。

③RAID4.采用块交叉技术，使用一个校验盘，并且可独立传输。

（4）RAID5.与RAID4相似，也是采用块交叉技术的可独立传输的磁盘阵列，但它不单独设置校验盘，而是按某种规则把校验数据分布在组成阵列的磁盘上。一个磁盘上既有数据，又有校验信息，从而解决了多盘争用校验盘的问题。

（4）RAID6.采用双磁盘驱动器容错的块交叉技术磁盘阵列。有两个磁盘驱动器存放检、纠错码，具有很高的数据有效性和可靠性。

（5）RAID7.除采用分块技术外，还采用了多数据通道技术和Cache技术，进一步提高了存取速度和可靠性。

3.光盘存储器

相对硬盘而言，光盘存储技术有下述特点：

（1）记录密度高、存储容量大。

（2）采用非接触方式读/写，没有磨损，可靠性高。

（3）可长期（60-100年）保存信息。

（4）成本低廉，易于大量复制。

（5）存储密度高，体积小，能自由更换盘片。

（6）误码率，在10-10~10-17以下。

（ 7）存取时间为100~500ms,数据存取速率比磁盘略低，基本速率（单倍速）为150MBps.

光盘存储器可分为固定型、只写一次型和可擦写型。固定性和只写一次型读写原理相同，都是采用存储介质状态不可逆的性质，区别是前者由厂家写入，后者可以由用户写入。可擦写型主要是采用状态可逆的存储介质，分为磁光型和相变型两种。磁光型光盘比相变型访问信息处理技术员

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速度慢，但可擦洗次数可达100万次以上，相变光盘只有1000次左右。

数字光盘诞生以来，出现了多种厂商标准和国际标准，主要的规范及格式，包括CD-DA、CD-ROM、CD-I、CD-R、VCD、DVD、蓝光光盘和HD-DVD等。

1.4.3 高速缓冲存储器

CPU访问存储器时，无论是取指令还是取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围之外的地址单元则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性原理。这种局部性既表现在时间上，也表现在空间上。时间局部性是指如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。空间局部性是指在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。

根据程序访问的局部性原理，可以在主存和CPU之间设置一个高速的、容量相对较小的存储器，如果当前正在执行的程序和数据存放在这个存储器中，当程序运行时，不必从主存中取指令和数据，只需访问这个高速存储器，以提高程序运行速度。这个存储器称为高速缓冲存储器Cache.

Cache和主存构成一个"Cache-主存"存储体系，整个存储器的容量及单位成本能够与主存相当，而存取速度可以与Cache的读写速度相当，这就很好地解决了存储器系统的容量、存取速度及单位成本三个方面性能之间的矛盾。

图1-8 Cache存储系统基本结构信息处理技术员

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管理"主存-Cache"存储体系的部件称为Cache控制器，如图1-8所示。CPU与主存之间的数据传输必须通过Cache控制器进行。

当CPU发出读请求时，Cache 控制器将来自CPU的数据读/写请求转向Cache存储器，将主存地址的m位于Cache块中的标记在地址变换机构中相比较，根据其比较结果是否相等而分成两种情况。当比较结果相等时，说明需要的数据已在Cache中，称为"命中",那么直接访问Cache就行了。当比较结果不相等时，说明需要的数据尚未调入Cache,称为"未命中".则CPU需要对主存操作，那么就要把该数据所在的整个字块从主存一次调入Cache中。

Cache容量很小，它所保存的仅是主存内容的一个子集，为了把主存块放到Cache中，必须采用地址映射机制把主存地址定位到Cache中，这一过程称为地址映射，全由硬件来实现。这样当CPU访问内存时，它所给出的一个字的内存地址就会自动转换成Cache的地址。常用下述地址映射方式。

（1）直接映射方式。主存中的每一个块只能被放置到Cache中惟一的一个指定位置，若这个位置已有内容，则产生块冲突，原来的块将无条件地被替换出去。这种方式块冲突概率最高，空间利用率最低。

（2）全相联映射方式。允许主存中任意一个块映射到Cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧块，当访问一个块中的数据时，块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较以确定是否命中，调入数据块时，替换策略也比较复杂。这种方式优点是灵活，Cache的块冲突概率小，空间利用率高，但是地址变换速度慢，而且成本高，仅是一个理想方案，实际上很少使用。

（3）组相联映射方式。将主存空间按Cache大小等分成区后，再将Cache空间和主存信息处理技术员

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空间中的每一区都等分成大小相同的组。让主存各区某组中的任何一块，均可直接映射到Cache中对应组的任何一块位置上，即组间采取直接映射，而组内采取全相联映射。这种方式实际是全相联映射和直接映射的折衷方案，也可以说是上述两种方式的一般形式，所以其优缺点介于它们的优缺点之间。

每一次访问Cache都有"命中"或"不命中"两种可能性，如果"不命中"的话，必须采用适当的替换策略，用新块替换Cache中的旧块。在直接映射方式中，可以被置换的旧块只有一个，只有唯一的选择。全相联映射和组相联映射则存在多中选一的情况，常用下述替换策略。

①先进先出（FIFO）策略。把一组中最先调入Cache中的字块替换出去，实现容易，开销小，缺点是此策略效果不佳。

②使用次数最少（LFU）策略。将迄今为止使用次数最少的字块作为被替换的旧块，需要较多硬件资源，效果比FIFO略好。

③近期最少使用（LRU）策略。把一组中近期最少使用的字块替换出去，需要较多的硬件资源，记录的信息量也比较多，平均命中率比FIFO和LFU要高。

CPU对Cache的写入更改了Cache内容，有多种写操作方式可以保证与主存内容一致，统称为Cache的更新策略，主要有如下方式。

（1）写直达法。CPU执行写操作时，必须把数据同时写入主存和缓存，这种方式保证主存与缓存数据一致性，但增加了访问主存的次数，降低了存取速度。

（2）写回法。CPU执行写操作时，只把数据写入Cache而不写入主存，一直到此块被换出时才把内容写入主存，实现时需要借助标志位信息。这种方式减少了主存访问次数，还可以保证数据一致性，使用范围比较广。信息处理技术员

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（3）写一次法。基于写回法又结合了写直达法，写命中和未命中时处理与写回法基本相同，只是第一次写命中时还需要同时写入主存，这种策略主要用于某些处理器的片内Cache.

1.5 常用I/O接口与设备

在计算机系统中，"接口"是指中央处理器（CPU）、内存和外部设备，两种外部设备间或两种机器之间通过总线连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的两部件之间起着"转换器"的作用，以便实现彼此之间的信息传送。

外部设备有自己的设备控制器，它一方面通过接口接收CPU传送的信息，并把这些信息传送到设备。另一方面从设备读出信息传送给接口，然后由接口送给CPU.由于外部设备种类繁多并且速度不同，所以每种设备都有适应它自己工作特点的设备控制器。为了使所有的外部设备能够兼容，并能在一起工作，通常在总线和每个外部设备的设备控制器之间使用一个适配器（接口）电路，从而保证外部设备用计算机系统特性所要求的形式发送和接收信息。接口逻辑通常做成标准化，对应不同的输入输出控制方式，由不同的标准接口。

1.5.1 I/O接口管理

1.接口的功能

CPU与I/O设备进行数据交换时往往存在速度、时序、信息格式和信息类型的不匹配，接口的作用是弥补这些不匹配，所以必须具备下述功能。

（1）数据转换。不同类型的数据必须经过转换过程才能被对方识别和接收。

（2）数据缓冲与时序配合。在接口电路中，一般设置几个数据缓冲寄存器，从而使接口具备一定的缓冲存储能力，以补偿各种设备在速度上与CPU的差异。信息处理技术员

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（3）提供外部设备和接口的状态。在接口线路中设置设备和接口状态寄存器，CPU可以通过读取其内容了解外部设备和接口线路的工作状态，调整对外部设备及数据接口的指令。状态信息包括"准备就绪"、"忙"及"错误"等，供CPU询问外部设备进行分析。

（4）实现主机与外部设备之间的通信联络控制。包括设备选择、操作时序的控制与协调、中断的请求与批准、主机命令与I/O设备状态的交换与传递。因此每个接口电路都有一个专门的设备选择电路和中断控制线路。

（5）电平匹配和负载匹配。总线信号电平通常是与TTL兼容的，而外设的I/O信号有TTL电平和其它规格电平。当电平不同时，需经过接口电路进行电平转换。在信号电平相同的情况下，若总线负载能力不足，需经过接口电路增强总线的驱动能力达到负载匹配，系统才能正常工作。

（6）程序中断。主要包括向处理器申请中断，向处理器发出中断类型号，中断优先权的管理等。

2.接口的组成

不同外设对应的接口是不同的，但不论哪种接口，都必须具有以下基本部件。

（1）数据缓冲寄存器。用来暂时存放输入设备输入的数据或CPU输出的数据，包括数据输入缓冲寄存器和数据输出缓冲寄存器两种。利用这种寄存器，可以在高速工作的CPU和慢速工作的外设之间起协调、缓冲和控制作用。

（2）控制寄存器。用于存放处理器发过来的控制命令和其它信息，以确定接口电路的工作方式和功能。控制寄存器是写寄存器，其内容只能由处理器写入，而不能读出。

（3）状态寄存器。用于保存外设或接口本身的当前工作状态信息，每一种状态通常在状态寄存器中占一位，该寄存器的内容一般只能被CPU读出。信息处理技术员

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（4）内部定时与控制逻辑。用来产生内部工作所需的定时信号，并根据CPU的命令产生控制外设实现具体操作的控制信号。

图1-9 I/O接口的基本组成

图1-9是接口电路的基本结构框图。由于接口电路介于CPU和外设之间，它既要面对CPU又要面对外设。因此，在逻辑结构上分为两部分，一部分与CPU相连接，这部分面向主机的逻辑是标准的逻辑，不同的接口差异不是很大。另一部分与外设相连接，这部分是非标准的，随所连接的外设不同而差异较大。

此外，为了支持接口逻辑，系统要设置总线收发器增加总线驱动能力。接口芯片工作时需要先选中芯片，所以系统还应设置地址译码电路，将系统提供的地址翻译成对接口的片选信号。

3.接口的分类

接口的类型取决于I/O设备的类型、I/O设备对接口的要求和CPU与I/O接口之间信息交换的方式等因素。

（1）按照数据传输宽度分类。

①并行接口。各位数据都是并行传送，它以字节（字）为单位与I/O设备或被控对象进行信息交换。一般当I/O设备本身是按照并行方式工作，并且主机与外部设备之间距离较近时，选用并行接口。信息处理技术员

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②串行接口。在接口与I/O设备之间按照每次传送一位的方式进行数据传递，该接口必须设置具有移位功能的数据缓冲器，以便实现数据格式的并\串转换。一般的低速I/O设备、计算机网络的远程终端设备以及通信系统的终端采用串行接口。

（2）按操作的节拍分类。

①同步接口。CPU与接口之间，接口与外设之间的数据交换都由CPU控制节拍的协调，与CPU的节拍同步。这种接口控制简单，但其操作时间必须与CPU时钟同步。

②异步接口。CPU与I/O设备之间采用应答形式交换信息。连接在总线上的任何两个设备均可交换信息，其中，负责控制和支配总线控制权的设备叫主设备，和主设备交换信息的设备叫从设备。在信息交换时，主设备发出交换信息的"请求"信号，从设备完成操作后向主设备发出"应答"信号。通过这种一问一答的方式逐步完成信息的交换，其中从"请求"到"回答"之间的时间由完成操作所需的实际时间来决定，与CPU的时钟节拍无关。

（3）按信息传送的控制方式分类。可以分为程序控制I/O接口、程序中断I/O接口和直接存储器存取（DMA）接口。

1.5.2 输入设备

输入设备用于从外界将数据、程序输入到计算机内存，供计算机处理。主要包括键盘、鼠标、笔输入设备、扫描仪、数码相机、声音输入设备及视频输入设备等。

（1）键盘。通过键盘可以将字母、数字等信息输入到计算机中，控制计算机执行相关的操作。PC机键盘可以分为外壳、按键和电路板三部分。按键的结构可分为触点式（机械式）和无触点式（电容式）两大类，早期键盘都属于机械式，手感差、手指易疲劳、键盘磨损快、故障率高，现已不多见。目前常用键盘都属于电容式，手感好、击键声音小、无接触、寿命较长。信息处理技术员

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（2）鼠标。一种指示设备，能方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，并通过按钮完成各种操作。鼠标的主要技术指标是分辨率，用dpi（dot per inch）表示，它指鼠标每移动一英寸时光标在屏幕上所通过的像素数目，分辨率越高，性能就越好。常用鼠标器按照结构可分为机械式鼠标、光电式鼠标和光机式鼠标三类，它们的价格逐渐提升，但性能、精度逐渐提高。

（3）笔输入设备。俗称"手写笔",一般由两部分组成，一部分是与主机相连接的基板，上面有连接线，接在主机的串行口（或PS/2口、USB口）。另一部分是在基板上写字的"笔".用户用笔在基板上写字、画画，可以完成信息的输入工作，用笔在基板上控制鼠标箭头，则可以完成相关的命令操作。手写笔可以分为电阻式手写笔、电磁感应式手写笔和电容触控式手写笔三大类。电阻式分辨率低、稳定性差。电磁感应式真实感强，但容易受周围电器设备干扰。电容触控式使用手指和笔都能操作，使用方便，性能稳定。

（4）扫描仪。一种将原稿（图片、照片、底片及书稿）输入计算机的设备。扫描仪种类繁多，按照不同的准则，可分为不同的类型。按扫描仪处理对象分，有反射式和投射式两种。按扫描仪结构来分，有手持式、平板式、胶片专用和滚筒式等。扫描仪的性能指标，包括分辨率、色彩位数、感光器件、扫描幅面和与主机的接口等。

（5）数码相机。又称数字相机，是一种介于传统相机和扫描仪之间的产品，它不需要胶卷和暗房，就能直接将二维/三维景物进行数字化。数码相机的结构与传统相机有很多相似之处，不同之处在于它不使用光敏卤化银胶片成像，而是直接在成像芯片上成像。成像芯片是数码相机的核心，常用的成像芯片有CCD和CMOS两种。数码相机的存储器都是用闪存做成，称为闪存卡或存储卡，包括SM卡、CF卡、MMC卡、SD卡和XD卡等，它们一般不能互相通用。信息处理技术员

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（6）声音输入设备。包括前端设备和后端设备两部分，前端设备包括麦克风和MIDI输入设备等，用于采集声音信号，后端设备包括声音卡等，它对声音信号进行采样和量化，转换成为二进制的数字形式。

（7）视频输入设备。包括前端设备和后端设备两部分，前端设备包括数字摄像头（机），用于采集视频信号，后端设备包括视频卡等，它对视频信号进行采样和量化，转换成为二进制的数字形式。

1.5.3 输出设备

输出设备用以将计算机处理后的结果信息，转换成外界能够识别和使用的数字、文字、图形、图像、声音及电压等信息形式。主要包括显示器、打印机、绘图仪、声音输出设备、和视频输出设备等。

（1）显示器。其功能是将数字信号转化为光信号，最终将文字与图形显示出来。PC机显示器由监视器和显示控制卡两部分组成。显示器的发展经历了三个阶段。球面CRT显示器、纯平CRT显示器和液晶显示器。显示器的主要性能参数，包括像素与点距、显示屏的尺寸、显示器的分辨率、扫描方式和刷新频率、视频带宽、像素的颜色范围、辐射和环保、调节与控制等。

（2）打印机。它能把主机输出的程序、数据、字符及图形打印在纸上。常用的打印机包括针式打印机、喷墨打印机和激光打印机三种，其价格逐渐增加，但打印质量也逐渐增强。打印机的性能指标主要包括打印精度（分辨率）、打印速度、色彩速度和打印成本等。

（3）绘图仪。可以绘制出复杂、精确的图形，广泛应用于产品设计和建筑工程等领域的计算机辅助设计和辅助制造。绘图仪一般采用"增量法"绘制图形。为了使画笔移动步距所组成的折线尽量逼近欲绘制的直线或曲线，通常使用"插补算法".绘图仪按其结构形式可分信息处理技术员

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为滚筒式和平台式两种，滚筒式速度慢、精度不高。平台式是速度快、精度高，应用广泛。

（4）声音输出设备。主要包括MIDI音乐合成器、三维环绕声生成器及音箱。其中MIDI音乐合成器把MIDI文件转换成为波形信号，MIDI合成器包括数字调频合成器（FM）和PCM波形合成器两种。三维环绕声生成器可以利用双声道立体声系统重现实际三维声场的空间宽度、深度、层次及临场感，具有很强的感染力。三维环绕声技术有多种，包括SRS、Space均衡器技术、Q-Sound和Spatializer等，其中最为流行的是SRS.音箱处于声音输出设备的最前端，可以将电信号还原成为声音信号，分为无源音箱和有源音箱两大类，目前PC机使用的主要是有源音箱。

（5）视频输出设备。视频投影仪也叫做多媒体投影仪，它是一种重要的视频输出设备。投影仪主要通过三种技术来实现，它们分别是CRT投影技术、LCD投影技术以及DLP投影技术。主要性能指标，包括亮度、分辨率、光能量、灯泡寿命、水平扫描频率、垂直扫描频率及梯形校正等。

1.6 系统性能指标

本节主要介绍系统性能评价的有关参数。

1.6.1 可靠性相关概念

可靠性用平均无故障时间（MTTF）来度量，即计算机系统平均能够正常运行多长时间，才发生一次故障。系统可靠性越高，平均无故障时间就越长。可维护性用平均维修时间（MTTR）来度量，即系统发生故障后维修和重新恢复正常运行平均花费的时间，系统的可维护性越好，平均维修时间越短。计算机系统可用性是系统保持正常运行时间的百分比，定义为：MTTF/（MTTF+MTTR）×100%.信息处理技术员

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用户容易对可靠性和可用性产生混淆，二者的重要区别是系统是可维修的还是不可维修的。可靠性通常低于可用性，因为可靠性要求系统在整个[0,t]时间段内都必须正常运行。而对于可用性的要求就没有那么高，系统可以发生故障，然后在时间段[0,t]内修复。

1.6.2 可靠性计算

计算机是一个复杂系统，而且影响其可靠性的因素很多，所以很难直接进行可靠性分析，一般都是把系统简化，然后抽象成一些常用模型的组合。常见的可靠性模型包括以下三种。

（1）串联系统。在该系统中，任一组成单元失效就会导致整个系统失效，其框图如图1-10所示，假定各单元统计独立，则其可靠性数学模型为：

式中：Ra表示系统的可靠度，Ri表示第i单元可靠度。

（2）并联系统。在该系统中，所有组成单元都失效时系统才失效，其框图如图1-11所示，假定各单元统计独立，则其可靠性数学模型为。

图1-10 串联系统

图1-11 并联系统

式中Ra表示系统的可靠度，Fi表示第i单元不可靠度。Ri表示第i单元可靠度。相对串信息处理技术员

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联系统，并联系统的可靠性比较高。

（3）混联系统。混联系统的两个典型情况为串并联系统（如图1-12所示）和并串联系统（如图1-13所示）。

图1-12 串并联系统

图1-13 并串联系统

一般而言，对于单元相同的情况，串并联系统的可靠度高于并串联系统的可靠度。

1.6.3 容错

所谓容错是指在故障存在的情况下计算机系统不失效，仍然能够正常工作的特性，确切地说是容故障，而不是容错误。在一定程度上容忍故障的技术叫做容错技术，也称为故障掩盖技术，采用容错技术的系统叫做容错系统。

容错主要依靠冗余设计来实现，以增加资源换取可靠性。由于资源的不同，冗余技术分为硬件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。

1.硬件冗余

包括数据备份、双CPU容错系统、双机热备份、三机表决系统和集群系统等。信息处理技术员

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（1）数据备份。数据容错的策略就是数据备份，指的是将计算机系统中硬磁盘上的一部分数据转到可脱机保存的介质（如磁带、软磁盘和光盘）上 .备份的策略有完全备份、增量备份和差分备份三种。

（2）双CPU容错系统。当一个CPU出现故障时，另一个CPU保持继续运行。这个过程对用户是透明的，系统没有受到丝毫影响，更不会引起数据的丢失，充分保证数据的一致性和完整性。

（3）双机热备份。设置两台服务器，它们都处于运行状态，如果一台服务器坏了，另一台服务器可以将所有的业务接管过来，它一般采用下述两种工作方式。

①Online方式。两台服务器都在工作，分别担负不同的任务，可以很好地均衡负载，但是成本大，管理难。

②Standby方式。备份机不工作，只是监测作业机的工作状况，成本比较低，但是服务器之间切换时间较长。

（4）三机表决系统。三台主机同时运行，由表决器（Voter）根据三台机器的运行结果进行表决，如果有两个以上的机器运行结果相同，则认定该结果正确。通常可靠性比双机系统要高，但是成本高。

注意，当一台机器出现故障后表决已失去意义，其可靠性甚至比不上一个双机系统。因此当三机中坏掉一台后就当作双机备份系统来用，不再进行表决。

（5）集群系统。指均衡负载的双机或多机系统。DEC公司最早在其VAX系统上实现了集群技术，多服务器集群系统的主要目的是使用户的应用获得更高的速度、更好的平衡和通信能力，而不仅仅是数据可靠性很好的备份系统。

2.软件冗余信息处理技术员

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目的是提供足够的冗余信息和程序，使得能及时发现编程错误，采取补救措施，提高可靠性。通常采用下述方法。

（1）增加程序，一个程序分别用几种途径编写，按一定方式执行，分段或多种表决。

（2）程序由不同的人独立设计，使用不同的方法，不同的设计语言，不同的开发环境和工具来实现。

3.时间冗余

常用的是检查点（Check-Point）技术。机器运行的某一时刻称作检查点，此时检查系统运行的状态被存储起来。一旦发现运行故障，就返回到最近一次正确的检查点重新运行。 4.信息冗余

为检测或纠正信息在运算或传输中的错误而外加的一部分信息。在通信和计算机系统中，信息常以编码的形式出现，采用奇偶校验码、循环码等冗余码就可检错和纠错。

1.7 例题分析

1.7.1 例题1

例题1

计算机系统是由__（1）__组成的。

（1）A.硬件和应用软件系统

B.硬件和操作系统软件

C.应用软件和操作系统软件

D.硬件和软件系统

例题1分析

本题考查计算机系统的组成。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

例题1答案信息处理技术员

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（1）D

1.7.2 例题2

例题2

计算机硬件能够直接识别和执行的语言是__（2）__.

（2）A.高级语言

B.BASIC语言

C.汇编语言

D.机器语言

例题2分析

本题考查计算机语言基础知识。计算机语言种类很多，可以分为机器语言、汇编语言、高级语言和第四代语言等多种。计算机能识别的语言只能是机器语言，即0和1构成的代码。

例题2答案

（2）D

1.7.3 例题3

例题3

计算机采用__（3）__来处理数据。

（3）A.二进制 B.八进制

C.十进制

D.十六进制例题3分析

本题考查二进制。二进制是计算机功能得以实现的基础，任何计算机应用中的数据在机器内部都表示为"0"和"1"组成的二进制代码串，数据处理最终都可以转化为二进制基本运算。

例题3答案

（3）A 信息处理技术员

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1.7.4 例题4

例题4

在下面的说法中，正确的是__（4）__.

（4）A.一个完整的计算机系统由硬件系统和输入、输出系统组成

B.计算机区别于其他计算工具最主要的特点是能存储和运行程序

C.计算机可以直接对磁盘中的数据进行加工处理

D.16位字长的计算机能处理的最大数是16位十进制数

例题4分析

完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。计算机采用了冯·诺依曼原理，将一组计算命令形成程序，预先存储在计算机中，启动后便能自动执行。计算机不能直接对磁盘中的数据进行加工处理，程序运行时，首先将磁盘中的数据文件读到内存，再根据指令的要求，将指定数据送到运算器中进行加工处理。16位计算机的字长为16个二进制位，这是运算器一次能够处理的数据单位。

例题4答案

（4）B

1.7.5 例题5

例题5

下列关于主板的叙述中，不正确的是__（5）__.

（5）A.主板性能的好坏会影响到整个系统的速度、稳定性和兼容性

B.安装在主板上的CPU不能进行更换

C.不同型号的主板需要与之相应的CPU进行搭配信息处理技术员

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D.一体化主板将声卡、显卡、网卡等功能集成在主板上

例题5分析

CPU安装在主板的CPU插座上，具有可拆卸性，类型相同的CPU,均可安装在该插座上，当CPU出现故障或不满足当前要求时，可以拔出，把同类型的CPU插入即可。