一、计算机运算

（一）符号数和无符号数

计算机中的数可以简单的分为符号数和无符号数，且无论是正数还是负数，通常都采用补码表示法来存储。其中，无符号数的所有位都用来表示数值的大小，没有符号位；符号数中的最高位用来表示数的正负，即为符号位，而其余位用来表示数值的大小。另外，由于计算机中无法识别符号，所以将符号位数字化，若符号位为0，则表示正数，反之为负数。

符号数分类	符号位
正数（ + ）	0
负数（ - ）	1

例如，对于一个8位机器字长的寄存器，对于无符号数，对应于二进制1111 1111，即2⁸=255，所以范围是0000 0000到1111 1111，即无符号数表示范围是0 ~ 255。

而对于符号数，由于将最高位（即第8位）作为符号位，其余7位用来表示数值的大小。对于正数，其符号位为0，所以正数的范围用二进制表示为0000 0000到01111 1111，即0 ~ 127；对于负数，其符号位为1，所以负数的范围用二进制表示为1000 0000到0000 0001，加上负数，即-128 ~ -1。
综上所述，所以8位有符号数的表示范围是-128 ~ +127。

这里，负数的补码则是将其原码除符号位外的一切位取反后加1。

（二）定点数和浮点数

定点数和浮点数是表示小数点的两种方式，定点数的小数点的位置是固定的，而浮点数的位置可以变化（浮动）的。浮点数由阶码和尾数组成，阶码的取值范围由阶码的位数决定，而精度由尾数的位数决定。

（三）原码、反码、补码和移码

关于原码、反码、补码和移码的知识，首先，要明白以下两点：
①一个正数的原码、反码、补码都相同；
② 0的原码、反码、补码都为0，0的移码为1000 0000=128。（以8位为例）

1、原码表示法：符号位加上二进制即为原码，其中为正数或0，符号位为0；负数的符号位为。
2、反码表示法：原码除符号位取反得到反码。

取反的意思就是0→1，1→0。

3、补码表示法：反码加1得到补码。
4、移码表示法：补码符号位取反得到移码。

有关原码、反码、补码和移码的更多知识见之前的文章：软考网络工程师学习笔记——Section 18 计算机硬件基本知识

二、总线

首先，了解计算机使用总线的好处：计算机使用总线结构便于增减外设，同时也减少了信息传输线的条数。

（一）系统总线

若从计算机的内部总线来分类，可将总线分为数据总线、地址总线和控制总线三类，这些总线是指CPU、主存和I/O设备之间的信息传输线。其中，数据总线是双向传输的，地址总线是单向的，而对于任意一控制线来说，其传输是单向的，但对控制总线的整个总体上来说，其传输是双向的。

系统总线	传输方向
数据总线	双向
地址总线	单向
控制总线	单向/双向

（二）通信总线

通信总线顾名思义用是于计算机系统之间与其他系统通信的共享总线。另外，从传输方式上可分为串行通信和并行通信，串行通信即一位一位的传输数据。

例如，常用的USB（通用串行总线）采用的是串行通信，可以连接外部设备，例如，鼠标、键盘、移动硬盘等；而传统的打印机线通常采用并行传输方式。

（三）单/多总线结构

从总线结构上可以将总线分为单总线结构和多总线结构，后者又包括双总线结构、三总线结构等。例如，单总线结构常用于小型计算机或微型计算机，其中CPU、主存和I/O设备都在一组总线上，从而直接交换信息。

总线结构	适用场景
单总线结构	小型、微型计算机
多总线结构（以双总线为例）	大型、中型计算机

双总线结构是将I/O设备从总线中分离出来，单独作为一条I/O总线，与主存总线并存，这样的好处是可以提高数据传输效率以及提高系统的吞吐能力，同时也易于后期的物理扩充，从而适应长期发展。

（四）总线控制

总线控制的目的主要是解决协调配合进行数据传输的问题，确保总线资源的合理利用和多个设备同时请求导致冲突的有效解决。

1、总线判优控制
总线判优控制可分为集中式和分布式两种。

其中，集中仲裁有链式查询、计数器定时查询和独立请求三种方式，其各自的特点如下表：

集中仲裁	优点	缺点
链式查询	连接简单，易于扩充	对总线故障最敏感
计数器定时查询	优先级设置较灵活	会增加控制线数
独立请求	响应速度最快	会增加控制线数

2、总线通信控制
总线通信控制是指通信双方的传输协调，通常使用同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信四种方式。
（1）同步通信
同步通信中，通常由CPU的总线控制部件发出统一时标或每个部件的时序发生器与CPU的总线控制部件进行信号同步，一个总线周期的传输过程是先传输地址，再传输数据。
（2）异步通信
异步通信中不采用时钟信号，而是采用握手方式，即一方请求，另一方响应，即可通信。
（3）半同步通信
半同步通信结合了同步和异步通信的特点，允许不同速度的主从设备之间的信息交换。
（4）分离式通信
分离式通信传输周期划分成子周期（过程），其中一个子过程用于发送请求和地址信息，另一个子过程用于接收方准备好数据后发送数据，从而实现高效且灵活的通信。

（五）性能指标

常用的微型计算机总线性能指标有ISA、EISA、STD、PCI、PCI-Express、MCA等。

这里的PCI、PCI-Express也称为计算机局部总线，也是系统总线。

三、存储器

（一）主存储器

1、主存的概念
主存储器（主存）可分为RAM和ROM。其中，RAM（随机存储器）是易失存储器，可以读写且存取速度快；而ROM（只读存储器）是非易失存储器，一旦写入数据就不能再修改，所以ROM一般存放预先写好固定不变的程序或数据，例如计算机的启动程序（Bios）、硬件的驱动系统等。
2、主存的分类
RAM可以分类为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。

SRAM以触发器原理来寄存信息，而DRAM以电容充放电原理来寄存信息。

另外，ROM中还有MROM、PROM、EPROM和EEPROM等，其中PROM是可编程只读存储器，只能写入一次，而EPROM和EEPROM可以多次改写。
3、DRAM的刷新
由于DRAM内部电荷泄露很快，所以在工作期间需要周期性地进行刷新。通常有三种刷新方式，分别是集中刷新、分散刷新和异步刷新。

（二）辅助存储器

1、辅存的概念与分类
辅助存储器属于计算机的外部设备（外设），常用的辅存有硬磁盘、软磁盘、光盘、U盘等，这类存储器也称为外存。另外，辅助存储器可以分为两大类：

2、主存和辅存的区别
辅存与主存相比，特点如下表：

存储器	特点
主存	速度快、成本高、容量小
辅存	速度慢、成本低、容量大、可脱机保存

3、磁盘
磁盘可分为硬磁盘和软磁盘，硬盘的碟片被密封固定在硬盘驱动器中，而软盘是由塑料薄膜唱片的柔性材料制成的，读写通过软盘驱动器完成。

内存和Cache可以直接与CPU信息交换，而硬盘以及其他外设不能，而是先于内存进行信息交换，且硬盘也不能和Cache直接交换。

硬盘和软盘两者的区别如下：

磁盘分类	数据记录方式	存取速度	价格及实用性
硬盘	浮动磁头，不接触磁片	快	昂贵且对环境要求高
软盘	磁头直接接触磁盘	慢	便宜且便于保管、灵活

4、磁表面记录方式和性能指标
磁表面记录方式通常有六种，分别是归零制（RZ）、不归零制（NRZ）、见1就翻的不归零制（NRZ1）、调相制（PM）、调频制（FM）和改进型调频制（MFM）。

名称	特点
RZ	由于记录密度低，目前很少使用
NRZ	当相邻代码不同时，写电流改变方向
PM	常用于磁带存储器
FM	常用于硬磁盘和软磁盘
MFM	常用于倍密度软磁盘

磁表面存储器的性能指标包括存储容量、数据传输率、误码率、平均寻址时间、记录密度等。

（三）存储容量计算

主存储器的存储容量是指能存放的二进制代码总位数，等于存储单元的个数乘以存储字长。前面讲到总线的概念，这里存储芯片就是通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接的。其中，地址线的位数与芯片容量有关，而数据线的位数与芯片可读或写的数据位数有关。

例如，一个DRAM芯片，其存储容量为512K×8位，则可以直接得到数据线为8根，由512×1024=524288=2¹⁹，可得地址线为19根。

（四）高速缓冲存储器Cache

1、Cache的概念和作用
在主存和CPU之间增加高速缓冲存储器（Cache），即加一级缓存，其目的是为了解决CPU与主存速度不匹配的问题。Cache的容量小但可高速读取，所以用来存储CPU经常需要访问的数据和指令，以便CPU能够快速地从Cache中读取这些数据，从而提高执行速度。

程序局部性原理包括时间局部性和空间局部性，这里的Cache就运用到了空间局部性，即程序执行呈局部性规律，一个存储单元被访问，则临近单元也会被访问。

2、Cache与主存地址映射
这里的地址映射是指主存地址映射到Cache地址，映射方式有三种，分别是直接映射、全相联映射和级相联映射。其中，级相联映射是前两者的结合，即组件采用直接映射，组内采用全相联映射。