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软件设计师考试考点突破、案例分析、实战练习一本通
（2014版）
第 1 章 计算机硬件基础知识
根据考试大纲，本章要求考生掌握以下几个方面的知识点。
（1）数据的表示：数制及其转换、原码、反码、补码、移码、浮点数、溢出、算术运算、逻辑运算、校验码。
（2）计算机系统的组成、体系结构分类及特性：CPU、存储器的组成、性能和基本工作原理、常用I/O设备、通信设备的性能及基本工作原理、I/O接口的功能、类型和特性、CISC/RISC、流水线操作、多处理机、并行处理。
（3）存储系统：虚拟存储器基本工作原理、多级存储体系、RAID类型和特性。
（4）可靠性与系统性能评测基础知识：诊断与容错、系统可靠性分析评价、校验方法、计算机系统性能评测方法。
1.1 考点突破
从历年的考试情况来看，本章的考点主要集中以下方面。
在数据的表示中，主要考浮点数运算、溢出、算术、逻辑运算。
在计算机系统的组成与体系结构中，主要考查计算机体系结构分类、指令系统基础、CISC与RISC、流水线操作的相关内容。 在存储系统中，主要考查Cache存储器。
在可靠性与系统性能评测基础知识中，主要考查系统可靠性分析和校验方法。
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1.1.1 数据的表示
数据的表示部分包含了数据转换、原码、反码、补码、移码以及浮点运算知识。其中难点是浮点计算。 1. 数制转换
（1）R进制数转换成十进制数
R进制数转换成十进制数通常使用按权展开法。具体操作方式为：将R进制数的每一位数值用Rk形式表示，即幂的底数是R,指数为k,k与该位和小数点之间的距离有关。当该位位于小数点左边，k值是该位和小数点之间数码的个数，而当该位位于小数点右边，k值是负值，其绝对值是该位和小数点之间数码的个数加1. 例如二进制数l0100.01的值可计算如下： l0100.01=1×24+1×22+1×2-2
按照上面的表示法，即可计算出R进制数十进制的值。 （2）十进制数转换为R进制数
最常用的是\除以R取余法\例如将十进制数94转换为二进制数： 2∟94 余 0 2∟47 1 2∟23 1 2∟11 1 2∟5 1 2∟2 0 1 1
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将所得的余数从低位到高位排列（1011110）2就是94的二进制数。 （3）二进制数与八进制数、十六进制数之间的转换 ? 二进制转八进制：将每3个二进制数转换为八进制数； ? 二进制转十六进制数：将每4个二进制数转换为八进制数； ? 八进制转二进制：将每个八进制数转换为3位二进制数； ? 十六进制转二进制：将每个十六进制数转换为4位二进制数。
上面的转换都是以小数点作为计算数码个数的起点。八进制数和十六进制数转换可先转换为二进制数，然后再转换为目标进制。 2. 原码、反码、补码、移码
在计算机中，数据编码方式可以有多种，最为常见的有原码、反码、补码、移码。一个正数的原码、补码、反码是相同的，负数则不同。 （1）原码
将最高位用做符号位（0表示正数，1表示负数），其余各位代表数值本身的绝对值的表示形式。这种方式是最容易理解的。
例如，+1 的原码是0000 0001,–1 的原码是1000 0001.
但是直接使用原码在计算时却会有麻烦，比如（1）10+（–1）10 = 0,如果直接使用原码则：
（0000 0001）2+（1000 0001）2=（1000 0010）2
这样计算的结果是–2,也就是说，使用原码直接参与计算可能会出现错误的结果。所以，原码的符号位不能直接参与计算，必须和其它位分开，这样会增加硬件的开销和复杂性。 （2）反码
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正数的反码与原码相同。负数的反码符号位为1,其余各位为该数绝对值的原码按位取反。这个取反的过程使得这种编码称为\反码\ 例如，–1的反码：1111 1110 .
同样对上面的加法，使用反码的结果是：
（0000 0001）2+ （1111 1110）2 = （1111 1111）2
这样的结果是负0,而在人们普遍的观念中，0是不分正负的。反码的符号位可以直接参与计算，而且减法也可以转换为加法计算。 （3）补码
正数的补码与原码相同。负数的补码是该数的反码加1,这个加1就是\补\ 例如，–1的补码：1111 1110+1 = 1111 1111。 再次做加法是这样的：
（0000 0001）2 + （1111 1111）2 = （0000 0000）2 直接使用补码进行计算的结果是正确的。
对一个补码表示的数，要计算其原码，只要对它再次求补，可得该数的原码。 由于补码能使符号位与有效值部分一起参加运算，从而简化运算规则，同时它也使减法运算转换为加法运算，进一步简化计算机中运算器的电路，这使得在大部分计算机系统中，数据都使用补码表示。 （3）移码
移码是对补码的符号位取反得到的一种编码。移码只用于表示浮点数的阶码，所以只用于整数。
例如，-1的移码为：0111 1111.
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3. 浮点数计算
在数学中，要表示一个很大的数时，我们常常使用一种称为科学计数法的方式： N = M*Re
其中M称为尾数，e是指数，R为基数。
浮点数就是使用这种方法来表示大范围的数，其中指数一般是2,8,16.而且对于特定机器而言，指数是固定不变的，所以在浮点数中指数并不出现。从这个表达式可以看出：浮点数表示的精读取决于尾数的宽度，范围取决于基数的大小和指数的宽度。 浮点数的运算主要有三个步骤：对阶、尾数计数、结果格式化。 （1）对阶
首先计算两个数的指数差，把指数小的向指数大的对齐，并将尾数右移指数差的位数，这样两个浮点数就完成了对阶的操作。可以看出，对阶的过程可能使得指数小的浮点数失去一些有效位。如果两个浮点数阶数相差很大，大于指数小的浮点数的尾数宽度，那么对阶后那个浮点数的尾数就变成了0,即当做机器零处理了。 （2）尾数计算
对阶完成后，两个浮点数尾数就如同定点数，计算过程同定点数计算。 （3）结果格式化
尾数计算后，可能会产生溢出，此时将尾数右移，同时指数加1,如果指数加1后发生了溢出，则表示两个浮点数的运算发生了溢出。
如果尾数计算没有溢出，则尾数不断左移，同时指数减1,直到尾数为格式化数。如果这个过程中，指数小于机器能表达的最小数，则将结果置\机器零\这种情况称为下溢。
1.1.2 计算机系统的组成与体系结构