计算机系统
本章导读
计算机系统是软考的基础知识模块，涵盖硬件架构、存储体系、操作系统三大核心领域。本章内容在综合知识考试中占比约 10%，是后续架构设计的理论基础。
学习目标：
- 理解冯·诺依曼体系结构和 CPU 工作原理
- 掌握存储器层次结构和 Cache 机制
- 熟悉操作系统的进程管理和存储管理
计算机硬件基础
冯·诺依曼体系结构
现代计算机的基本架构由五大部件组成：
graph LR
A[输入设备] --> B[存储器]
B --> C[运算器]
B --> D[控制器]
C --> B
D --> B
B --> E[输出设备]| 部件 | 功能 | 典型设备 |
|---|---|---|
| 运算器 | 算术运算、逻辑运算 | ALU |
| 控制器 | 指令译码、流程控制 | CU |
| 存储器 | 存储程序和数据 | 内存、硬盘 |
| 输入设备 | 接收外部信息 | 键盘、鼠标 |
| 输出设备 | 输出处理结果 | 显示器、打印机 |
记忆技巧
冯·诺依曼架构的核心思想是 "存储程序"——程序和数据都以二进制形式存储在内存中，CPU 按地址顺序取指令执行。
CPU 结构与功能
CPU（中央处理器）是计算机的核心，主要由**运算器**和**控制器**两大部分组成。
运算器组成
| 部件 | 英文缩写 | 功能 |
|---|---|---|
| 算术逻辑单元 | ALU | 执行算术和逻辑运算 |
| 累加寄存器 | AC | 存放运算结果或源操作数 |
| 数据缓冲寄存器 | DR | 暂存内存读写的数据 |
| 状态条件寄存器 | PSW | 保存运算状态标志（溢出、进位等） |
控制器组成
| 部件 | 英文缩写 | 功能 |
|---|---|---|
| 指令寄存器 | IR | 暂存当前执行的指令 |
| 程序计数器 | PC | 存放下一条指令的地址 |
| 地址寄存器 | AR | 保存当前访问的内存地址 |
| 指令译码器 | ID | 分析指令操作码 |
高频考点
CPU 如何区分指令和数据？
答：通过**指令周期的不同阶段**来区分。取指阶段访问的是指令，执行阶段访问的是数据。
指令系统
指令格式
- 操作码：指定要完成的操作（如加法、跳转）
- 地址码：指定操作数或其位置
寻址方式
| 方式 | 说明 |
|---|---|
| 顺序寻址 | PC 自增，按顺序执行 |
| 跳跃寻址 | 由指令指定跳转地址 |
| 寻址方式 | 操作数位置 | 特点 |
|---|---|---|
| 立即寻址 | 指令中 | 速度最快 |
| 直接寻址 | 内存（地址在指令中） | 一次访存 |
| 间接寻址 | 内存（地址的地址在指令中） | 两次访存 |
| 寄存器寻址 | 寄存器中 | 速度快 |
| 相对寻址 | PC + 偏移量 | 常用于跳转 |
| 基址寻址 | 基址寄存器 + 偏移量 | 程序重定位 |
| 变址寻址 | 变址寄存器 + 偏移量 | 数组访问 |
CISC 与 RISC
| 特性 | CISC（复杂指令集） | RISC（精简指令集） |
|---|---|---|
| 指令数量 | 300+ 条 | 少于 100 条 |
| 指令复杂度 | 复杂，功能强 | 简单，单一功能 |
| 执行周期 | 多周期 | 单周期 |
| 控制方式 | 微程序控制 | 硬布线控制 |
| 寄存器数量 | 较少 | 大量通用寄存器 |
| 代表架构 | x86（Intel/AMD） | ARM、RISC-V、MIPS |
国产处理器
龙芯、飞腾、申威等国产 CPU 多采用 RISC 架构（RISC-V、MIPS、ARM）。
指令流水线
流水线技术将指令执行分解为多个阶段，实现指令级并行。
流水线计算公式
| 指标 | 公式 |
|---|---|
| 非流水执行时间 | \(T_{非} = n \times t_{单条}\) |
| 流水执行时间 | \(T_{流} = t_{首条} + (n-1) \times t_{最长段}\) |
| 加速比 | \(S = T_{非} / T_{流}\) |
| 吞吐率 | \(TP = n / T_{流}\) |
计算示例
假设一条指令分 4 个阶段，每阶段 1ns，执行 100 条指令：
- 非流水：\(100 \times 4 = 400ns\)
- 流水：\(4 + 99 \times 1 = 103ns\)
- 加速比：\(400 / 103 ≈ 3.88\)
存储系统
存储器层次结构
计算机存储器按照与 CPU 的距离，形成金字塔式的层次结构：
┌─────────┐
│ 寄存器 │ ← 最快、最小、最贵
├─────────┤
│ Cache │
├─────────┤
│ 主存 │
├─────────┤
│ 外存 │ ← 最慢、最大、最便宜
└─────────┘
| 层次 | 典型容量 | 访问时间 | 技术 |
|---|---|---|---|
| 寄存器 | < 1KB | < 1ns | SRAM |
| L1 Cache | 32-64KB | 1-2ns | SRAM |
| L2 Cache | 256KB-1MB | 3-10ns | SRAM |
| 主存 | 4-64GB | 50-100ns | DRAM |
| SSD | 256GB-4TB | 0.1ms | Flash |
| HDD | 1-16TB | 5-10ms | 磁盘 |
设计原则
性能价格比最优：利用程序的局部性原理，用少量高速存储器缓存常用数据，在成本和性能间取得平衡。
高速缓存 Cache
Cache 是解决 CPU 与主存速度不匹配 问题的关键技术。
工作原理
Cache 的理论基础是**程序局部性原理**：
| 类型 | 含义 | 示例 |
|---|---|---|
| 时间局部性 | 刚访问的数据很快会再次访问 | 循环变量 |
| 空间局部性 | 访问某地址后，相邻地址很快被访问 | 数组遍历 |
地址映射方式
- 主存任意块 → Cache 任意块
- 优点：灵活，命中率高
- 缺点：硬件复杂，查找慢
- 主存块 → Cache 固定位置（取模）
- 优点：硬件简单，查找快
- 缺点：冲突多，命中率低
- 主存块 → Cache 某组内任意块
- 特点：折中方案，实际最常用
替换算法
| 算法 | 策略 | 特点 |
|---|---|---|
| 随机替换 | 随机选择 | 简单但效率低 |
| FIFO | 先进先出 | 可能产生 Belady 异常 |
| LRU | 最近最少使用 | 效果好，实现复杂 |
| LFU | 最不经常使用 | 需要计数器 |
性能指标
\[命中率 = \frac{Cache命中次数}{总访问次数} = \frac{N_c}{N_c + N_m}\]
\[平均访问时间 = 命中率 \times Cache时间 + (1-命中率) \times 主存时间\]
磁盘存储
磁盘结构
访问时间
\[访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间\]
- 寻道时间：磁头移动到目标磁道
- 旋转延迟：等待扇区转到磁头下方（平均半周）
- 传输时间：数据传输
磁盘调度算法
| 算法 | 策略 | 特点 |
|---|---|---|
| FCFS | 先来先服务 | 公平但效率低 |
| SSTF | 最短寻道优先 | 效率高但可能饥饿 |
| SCAN | 电梯算法 | 双向扫描，避免饥饿 |
| C-SCAN | 单向扫描 | 响应时间更均匀 |
操作系统
操作系统概述
操作系统是**计算机资源的管理者**，提供用户接口和程序运行环境。
主要功能
| 功能模块 | 管理对象 | 主要任务 |
|---|---|---|
| 进程管理 | CPU | 进程调度、同步互斥 |
| 存储管理 | 内存 | 内存分配、虚拟内存 |
| 文件管理 | 外存 | 文件组织、目录管理 |
| 设备管理 | I/O | 设备分配、缓冲管理 |
操作系统类型
| 类型 | 特点 | 典型系统 |
|---|---|---|
| 批处理 | 作业批量执行 | IBM OS/360 |
| 分时 | 多用户交互 | Unix、Linux |
| 实时 | 快速响应 | VxWorks、RT-Linux |
| 网络 | 资源共享 | Windows Server |
| 分布式 | 透明性、高可用 | Kubernetes |
| 嵌入式 | 微型化、可定制 | μC/OS、FreeRTOS |
操作系统特征
并发性（多程序同时执行）、共享性（资源共享）、虚拟性（虚拟资源）、异步性（执行顺序不确定）
进程管理
进程与线程
| 概念 | 定义 | 特点 |
|---|---|---|
| 进程 | 程序的一次执行 | 资源分配单位 |
| 线程 | 进程内的执行流 | CPU 调度单位 |
进程由三部分组成：程序段 + 数据段 + PCB（进程控制块）
PCB 是进程存在的唯一标志
进程状态
stateDiagram-v2
[*] --> 就绪: 创建
就绪 --> 运行: 调度
运行 --> 就绪: 时间片用完
运行 --> 阻塞: 等待事件
阻塞 --> 就绪: 事件发生
运行 --> [*]: 终止
进程同步与互斥
| 概念 | 定义 | 示例 |
|---|---|---|
| 互斥 | 资源排他性使用 | 打印机 |
| 同步 | 进程间协调执行 | 生产者-消费者 |
| 临界资源 | 需互斥访问的资源 | 共享变量 |
| 临界区 | 访问临界资源的代码 | 修改共享数据的函数 |
PV 操作
信号量机制是实现同步互斥的经典方法：
| 操作 | 动作 | 效果 |
|---|---|---|
| P(S) | S = S - 1 | S < 0 则阻塞 |
| V(S) | S = S + 1 | S ≤ 0 则唤醒一个进程 |
信号量含义
- S > 0：可用资源数
- S < 0：等待进程数（绝对值）
- S = 0：资源刚好用完
进程调度算法
| 算法 | 策略 | 优缺点 |
|---|---|---|
| FCFS | 先来先服务 | 简单公平，但短作业等待长 |
| SJF | 短作业优先 | 平均等待短，但长作业饥饿 |
| 优先级 | 高优先级优先 | 灵活，但低优先级饥饿 |
| 时间片轮转 | 轮流执行 | 响应快，适合分时系统 |
| 多级反馈队列 | 动态优先级 | 综合最优 |
死锁
死锁产生条件
死锁发生必须**同时满足**以下四个条件：
- 互斥条件：资源排他使用
- 请求保持：持有资源同时请求新资源
- 不可剥夺：资源只能主动释放
- 循环等待：进程间形成等待环
死锁处理策略
| 策略 | 方法 | 代价 |
|---|---|---|
| 预防 | 破坏四个条件之一 | 资源利用率低 |
| 避免 | 银行家算法 | 计算开销大 |
| 检测 | 资源分配图 | 需要定期检测 |
| 解除 | 终止进程或剥夺资源 | 可能丢失数据 |
死锁资源计算
n 个进程，每个需要 R 个资源：
- 死锁最大资源数：\(n \times (R-1)\)
- 不死锁最小资源数：\(n \times (R-1) + 1\)
存储管理
分区存储
| 方式 | 特点 | 碎片类型 |
|---|---|---|
| 固定分区 | 分区大小固定 | 内部碎片 |
| 可变分区 | 按需分配 | 外部碎片 |
| 可重定位分区 | 可移动合并 | 无碎片 |
分页存储
将内存和进程都划分为**固定大小的页**，通过页表实现地址映射。
页面置换算法：
| 算法 | 策略 | 特点 |
|---|---|---|
| OPT | 淘汰最远将来才用的 | 理论最优，无法实现 |
| FIFO | 先进先出 | 可能 Belady 异常 |
| LRU | 最近最少使用 | 效果好，开销大 |
分段存储
按程序逻辑结构划分（代码段、数据段等），段长可变。
| 特性 | 分页 | 分段 |
|---|---|---|
| 划分依据 | 物理大小 | 逻辑结构 |
| 页/段大小 | 固定 | 可变 |
| 地址空间 | 一维 | 二维 |
| 碎片类型 | 内部碎片 | 外部碎片 |
段页式存储
结合分段和分页的优点：先分段，段内再分页。
输入输出控制
I/O 控制方式
| 方式 | 特点 | CPU 参与度 |
|---|---|---|
| 程序查询 | CPU 循环等待 | 100% |
| 中断驱动 | I/O 完成后中断 | 部分 |
| DMA | 直接内存访问 | 很少 |
| 通道 | 独立 I/O 处理器 | 最少 |
总线
| 类型 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 并行总线 | 多数据线，近距离 | 系统内部 |
| 串行总线 | 单/双数据线，长距离 | 外部连接 |
总线特性
总线的核心特点是**分时共享**——同一时刻只允许一个设备发送数据。
校验码
奇偶校验
在数据中增加 1 位校验位，使 1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。
- 码距：2
- 能力：检测奇数位错误，无法纠错
CRC 循环冗余校验
CRC 只能检错，不能纠错
计算步骤：
- 原始数据后补 r 个 0（r = 生成多项式阶数）
- 用生成多项式对应的二进制数做**模 2 除法**
- 余数即为 CRC 校验码，附加到原数据后
CRC 计算示例
原数据：10110，生成多项式：\(G(x) = x^4 + x + 1\)（对应 10011）
- 补 4 个 0：101100000
- 模 2 除法：101100000 ÷ 10011 = ... 余 1111
- 发送数据：101101111
- 接收方验证：101101111 ÷ 10011 = ... 余 0 ✓
本章小结
| 知识点 | 考试重点 |
|---|---|
| CPU 结构 | 运算器/控制器组成、寄存器功能 |
| 指令系统 | 寻址方式、CISC vs RISC |
| 流水线 | 执行时间、加速比计算 |
| Cache | 地址映射、替换算法、命中率 |
| 进程管理 | 状态转换、PV 操作、调度算法 |
| 死锁 | 四个条件、处理策略、资源计算 |
| 存储管理 | 分页/分段/段页式、页面置换 |