[2024深圳市考][计算机素质测试考纲](二)硬件基础知识

前言

因篇幅有限，本文仅对考纲中的考点作基本介绍。

更详细的内容请自行学习：【计算机科学速成课】[40集全/精校] - Crash Course Computer Science

一、数制及其转换

(一) 计算机中常用的数制

数制是一种计数方法，指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法，如在计数过程中采用进位的方法称为进位计数制。进位计数制有数位、基数、位权三个要素。

计算机中常用的数制有二进制(Binary)、八进制(Octor)、十进制(Decimal)和十六进制(HexaDecimal)。

比如：十进制数57，可以写作57D，也可以写成57(10)。转换为二进制表示就是为111001(2)，或者111001B。也可以用八进制表示为71(8)或者71o，用十六进制表示为39(16)或者39H。

(二) 数制转换

1. 十进制转二进制

将要转换的十进制整数除以2，取余数，再用商除以2，直到商等于0为止，然后将每次得到的余数按倒序的方法排列起来即为结果。

例如：125 = 1111101B，计算过程为：

125 / 2 = 62...1，商为62，余数为1。取1，以下同理。
62 / 2 = 31...0，取0
31 / 2 = 15...1，取1
15 / 2 = 7...1，取1
7 / 2 = 3...1，取1
3 / 2 = 1...1，取1
1 / 2 = 0...1，取1

十进制转成N进制，除数就设为N，然后取余数，倒序排列得到结果。

2. 二进制转十进制

按位展开，与上面反过来的是，这次我们按位乘以2的指数，最末一位乘以2的0次方，倒数第二位乘以2的1次方...依此类推。最后求和。

例如：1010B = 10D

计算过程为：

N进制转十进制，就按位乘以N的指数，最后求和即可。

3. 二进制转八进制

从最末一位开始分别向左把二进制数每三个分成一组，然后把每一组二进制数对应的八进制数写出来，就得到对应的八进制数。

例如，将1011100101B转换为八进制，如下所示：

001 011 100 101B = 1345(8)

4. 二进制转十六进制

从最末一位开始分别向左把二进制数每四个分成一组，然后把每一组二进制数对应的十六进制数写出来，就得到对应的十六进制数。

例如，1011100101转换为16进制，如下所示

0010 1110 0101B = 2E5(16)

5. 八进制转十六进制

先将八进制数按位权值展开成为十进制数，再将十进制数运用余数倒序法转换为十六进制数。

例如，将八进制数字456(8)转换为十六进制，计算过程如下：

456(8) = 6 × 1 + 5 × 8 + 4 × 64 = 302D
302 / 16 = 18...14，取14，16进制数为E
18 / 16 = 1...2，取2
1 / 16 = 0...1，取1
456(8) = 12E(16)

二、算术运算和逻辑运算

计算机，顾名思议，就是用来"计算"的机器。早期的计算机多用于科学工程计算，追求的是高精度。后来随着时代的发展，更多应用于事务性处理。

算术计算指的是计算机可以对数进行四则运算，而逻辑计算指的是通过计算机内部的数字逻辑电路对逻辑表达式进行求解。

实际上，算数运算在计算机里都是通过逻辑运算来实现的。

逻辑运算又被称作为"布尔运算"，分别为：逻辑与运算(AND)、逻辑或运算(OR)，逻辑非运算(NOT)，逻辑异或运算(XOR，相异为1，相同为0)。此外在门电路中还有：同或运算(XNOR，相同为1，相异为0)、与非运算(先与后非)、或非(先或后非)运算。共七种。

三、计算机系统组成

计算机的基本组成包括以下几个部分：

中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心部件，负责执行指令和进行数据处理。它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等组件。
存储器：存储器用于存储计算机的指令和数据。常见的存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
输入设备：输入设备用于将外部数据输入到计算机中，如键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备：输出设备用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机、音频设备等。
总线：总线是计算机内部各个部件之间传输数据和控制信号的通道。它包括数据总线、地址总线和控制总线。

四、计算机工作原理

计算机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：

指令获取：CPU从存储器中获取指令，并将其加载到指令寄存器中。
指令解码：CPU解析指令，确定需要执行的操作和操作数。
数据处理：CPU根据指令进行算术和逻辑运算，将数据从寄存器中读取、处理，并将结果存回寄存器或存储器中。
控制操作：CPU根据指令的要求，控制其他部件的工作。例如，控制存储器读取或写入数据，控制输入输出设备的操作。
结果输出：CPU将处理结果输出到指定的寄存器或存储器中，或通过输出设备将结果展示给用户。

实际上，计算机的工作过程非常复杂，涉及到许多细节和技术。不同的计算机系统和架构可能有不同的工作原理，但基本原理是相通的。

五、计算机体系结构

计算机体系结构就是研究怎么做CPU的核心课程。

信息产业的主要技术平台都是以中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)和操作系统(Operating System，简称OS)为核心构建起来的。如：英特尔公司的X86架构CPU和微软公司的Windows操作系统构成的Wintel平台，ARM公司的ARM架构CPU和谷歌公司的Android操作系统构成的“AA”平台。龙芯正在致力于构建独立于Wintel和AA体系的第三套生态体系。

50、60年代的时候，计算机体系结构主要研究怎么更好更快地做加减乘除。先行进位加法器、Booth补码乘法算法、华莱士树等，主要是那时候的研究成果。

70、80年代的时候，以精简指令集(Reduced Instruction Set Computer，简称RISC)兴起为标志，指令系统结构(Instruction Set Architecture，简称ISA)成为计算机体系结构的研究重点。大学的老师会告诉我们，计算机体系结构就是指令系统结构，是计算机软硬件之间的接口。

90年代以后，计算机体系结构要考虑的问题把CPU、存储系统、IO系统和多处理器也包括在内，研究的范围大大地扩展了。

21世纪以后，网络就是计算机，计算机体系结构要覆盖的面更广了：向上突破了软硬件界面，需要考虑软硬件的紧密协同；向下突破了逻辑设计和工艺实现的界面，需要从晶体管的角度考虑结构设计。

计算机体系结构发展很快，但在发展过程中遵循一些基本原则，这些原则包括平衡性、局部性、并行性和虚拟化。

平衡性，结构设计的第一个原则就是要考虑平衡性。一个木桶所盛的水量的多少由最短的木板决定，一个结构最终体现出的性能受限于其瓶颈部分。计算机是个复杂系统，影响性能的因素很多。
局部性，体系结构利用局部性进行性能优化时，最常见的是利用事件局部性，即有些事件频繁发生，有些事件不怎么发生，在这种情况下要重点优化频繁发生的事件。
并行性，计算机中一般可以开发三种层次的并行性。第一个层次的并行性是指令级并行；第二个层次的并行性是数据级并行，主要指单指令流多数据流(SIMD)的向量结构；第三个层次的并行性是任务级并行。任务级并行大量存在于Internet应用中。