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【嵌入式系统设计师（软考中级）】第一章：计算机系统基础知识(中)

news 来源：原创 2025/8/21 23:46:33

文章目录

- 3 算术运算和逻辑运算
- - 3.1 二进制数运算方法
  - 3.2 逻辑代数的基本运算与逻辑表达式化简
- 4. 计算机组成及工作原理
- - 4.1 CPU的组成与工作原理
  - - 4.1.1 运算器（数据加工中心）
    - 4.1.2 控制器（指令指挥中心）
    - 4.1.3 计算机指令
    - 4.1.4 寻址方式
    - 4.1.5 计算机流水线
  - 4.2 常用I/O设备、通信设备的性能以及基本工作原理
  - - 4.2.1 输入设备
    - 4.2.2 输出设备
    - 4.2.3 存储设备
    - 4.2.4 通信设备
  - 4.3 I/O接口的功能、类型和特点
  - - 4.3.1 I/O接口功能
    - 4.3.2 接口类型

3 算术运算和逻辑运算

3.1 二进制数运算方法

略，二进制的基本加减乘除和十进制没什么区别，没啥好说的。

3.2 逻辑代数的基本运算与逻辑表达式化简

逻辑代数基本运算如下表：

运算	符号	真值表	逻辑表达式
与（AND）	`·` 或 `∧`	`0·0=0`, `0·1=0`, `1·1=1`	`Y = A·B`
或（OR）	`+` 或 `∨`	`0+0=0`, `0+1=1`, `1+1=1`	`Y = A+B`
非（NOT）	`¬` 或 `¯`	`¬0=1`, `¬1=0`	`Y = ¬A`
异或（XOR）	`⊕`	`0⊕0=0`, `0⊕1=1`, `1⊕0=1`, `1⊕1=0`	`Y = A⊕B`

位运算说明如下表：

运算符	功能	示例
`&`	按位与	`1010 & 1100 = 1000`
`\|`	按位或	`1010 \| 1100 = 1110`
`^`	按位异或	`1010 ^ 1100 = 0110`
`~`	按位取反	`~1010 = 0101`
`<<`	左移（高位丢弃，低位补0）	`1010 << 2 = 101000`
`>>`	右移（低位丢弃，高位补符号位）	`1010 >> 2 = 0010`

逻辑表达式化简
- 交换律：A+B = B+A, A·B = B·A
- 结合律：(A+B)+C = A+(B+C)
- 分配律：A·(B+C) = A·B + A·C
- 恒等率：消除无效操作，如×1或+0
- 吸收率：消除冗余操作，如A + (A · B) = A或A · (A + B) = A或A + (¬A · B) = A + B
- 德摩根定律：¬(A+B) = ¬A·¬B, ¬(A·B) = ¬A + ¬B
化简方法
1. 代数法：应用逻辑定律逐步化简
```
原始式：Y = A·B + A·¬B + ¬A·B  
化简：  
= A·(B + ¬B) + ¬A·B    （分配律）  
= A·1 + ¬A·B           （互补律：B + ¬B = 1）  
= A + ¬A·B             （恒等律：A·1=A）  
= A + B                （吸收律：A + (¬A · B) = A + B）  
```
2. 卡诺图法（K-map）：
  - 这个方法很复杂，其大概步骤如下：
    1. 将真值表转换为方格图（变量数≤4）
    2. 圈出相邻的1（必须为2ⁿ个）
    3. 消去变化变量，保留恒定变量
具体过程可以参考下这个视频，真的很复杂😭。。

4. 计算机组成及工作原理

计算机系统的基本架构可以由下面的框图简单表示：
在这里插入图片描述

4.1 CPU的组成与工作原理

CPU由运算器和控制器两大模块组成：

4.1.1 运算器（数据加工中心）

组件	功能说明	工作流程示例
算术逻辑单元(ALU)	执行所有算术(±*/)和逻辑运算(AND/OR/NOT)	从寄存器取操作数 → 运算 → 结果回写
累加寄存器(AC)	为ALU提供临时工作区，存储中间结果	`AC ← AC + DR`（累加操作）
数据缓冲寄存器(DR)	暂存来自内存的指令或数据，缓解CPU与内存速度差异	取指令阶段：`DR ← Memory[PC]`
状态寄存器(PSW)	存储运算状态标志（零标志ZF/进位CF/溢出OF等）	ALU运算后自动更新PSW

4.1.2 控制器（指令指挥中心）

组件	功能说明	工作流程示例
程序计数器(PC)	存储下一条指令的内存地址，自动递增或跳转	`PC ← PC + 1`（顺序执行）
指令寄存器(IR)	保存当前正在执行的指令	`IR ← DR`（取指令阶段）
指令译码器(ID)	解析指令操作码，生成控制信号	识别`MOV AX,BX`→ 激活数据通路控制信号
时序部件	生成时钟信号，协调各部件工作节奏	发出取指/执行/写回三阶段时序脉冲

4.1.3 计算机指令

指令的本质是机器语言语句，CPU直接执行的二进制代码，其格式如下：

字段	作用	示例场景（加法指令）
操作码(OP)	“做什么”：指明操作类型（如加减/跳转/存储）	`ADD` → 算术加法
地址码(Aₙ)	“对谁做”：提供操作数地址或结果存储位置（数量因指令类型而异）	`A₁=源数据1, A₂=源数据2, A₃=目标地址`

4.1.4 寻址方式

①立即寻址

特点：操作数直接包含在指令中
格式：OP + 操作数
示例：MOV AX, 5（将数值5直接存入AX寄存器）
优点：执行速度快（无需访问内存）
缺点：操作数无法修改，灵活性低

②直接寻址

特点：指令中存放操作数的内存地址
格式：OP + 内存地址
示例：MOV AX, [1000H]（将内存地址1000H处的内容存入AX）
优点：访问确定的内存位置
缺点：地址长度限制指令长度

③间接寻址

特点：指令中的地址指向另一个地址（指针的指针）
格式：OP + 地址指针
示例：MOV AX, [[BX]]（BX寄存器的值作为地址，再取该地址的内容）
优点：支持动态内存访问
缺点：需要两次内存访问，速度慢

④寄存器寻址

特点：操作数存放在寄存器中
格式：OP + 寄存器名
示例：ADD AX, BX（AX = AX + BX）
优点：速度最快（CPU内部操作）
缺点：寄存器数量有限

⑤寄存器间接寻址

特点：寄存器中存放的是操作数的地址
格式：OP + 寄存器名
示例：MOV AX, [BX]（BX的值作为内存地址，取该地址内容到AX）
优点：比内存间接寻址更快
缺点：仍需要一次内存访问

寻址方式对比

寻址方式	操作数位置	访问次数	速度	灵活性
立即寻址	指令内部	0	★★★★★	★★
寄存器寻址	寄存器	0	★★★★★	★★★
直接寻址	指定内存地址	1	★★★	★★★★
寄存器间接寻址	寄存器指向的内存	1	★★★★	★★★★★
间接寻址	内存指向的内存	2	★★	★★★★★

典型应用场景

立即寻址：初始化常量（如MOV CX, 10）
寄存器寻址：高速数据运算（如ADD DX, SI）
直接寻址：访问固定内存变量（如MOV AL, [VAR1]）
寄存器间接寻址：数组/字符串处理（如MOV AL, [SI]配合SI递增）
间接寻址：指针操作（如C语言中的双重指针**p）

4.1.5 计算机流水线

流水线的核心思想是将指令执行过程分解为以下多个阶段，各阶段并行处理不同指令，类似工厂流水线：

取指：从内存读取指令
分析：解析指令操作
执行：ALU执行运算
访存：访问内存数据
写回：将结果写回寄存器

时钟周期 →   1     2     3     4     5     6     7   ...指令1： 取指  分析  执行  访存  写回指令2：       取指  分析  执行  访存  写回指令3：             取指  分析  执行  访存  写回

关键参数：

流水线周期（Δt）：耗时最长的阶段所需时间（决定流水线速度）
吞吐率（TP）：单位时间内完成的指令数（TP = 指令数n / 总时间Tₖ）

流水线时间计算：

理论公式（更精确）：
$T_{\text{总}} = t_1 + t_2 + \ldots + t_k + (n-1) \times \Delta t$
（k=阶段数，n=指令数）
简化公式（常用）：
$T_{\text{总}} = k \times \Delta t + (n-1) \times \Delta t$
（假设所有阶段时间=Δt）

示例计算:
题目：每条指令分为3个阶段：取指2ns，分析2ns，执行1ns，执行100条指令

流水线周期Δt = 最长阶段时间 = 2ns
总时间 = (3阶段×2ns) + (99×2ns) = 6 + 198 = 204ns
实际吞吐率：
$\frac{n}{T_{\text{总}}} = \frac{100}{204\text{ns}} ≈ 0.49 \text{条/ns}$
最大吞吐率：
$TP_{\text{max}} = \frac{1}{\Delta t} = \frac{1}{2\text{ns}} = 0.5 \text{条/ns}$

4.2 常用I/O设备、通信设备的性能以及基本工作原理

4.2.1 输入设备

设备	性能指标	工作原理	应用场景
键盘	按键寿命、响应延迟	扫描矩阵电路检测按键通断，生成扫描码	人机交互
鼠标	DPI（精度）、采样率	光学传感器捕捉位移，编码为坐标数据	图形界面操作
扫描仪	分辨率（DPI）、色彩深度	CCD/CMOS传感器逐行扫描光反射信号	文档数字化

4.2.2 输出设备

设备	性能指标	工作原理	特点
显示器	分辨率、刷新率、色域	LCD：液晶分子偏转控制透光 OLED：有机发光二极管自发光	响应时间影响动态画面
打印机	PPM（页/分钟）、打印精度	激光打印机：静电吸附碳粉喷墨打印机：微滴喷射	激光机适合大批量打印

4.2.3 存储设备

设备	性能指标	工作原理	关键参数
机械硬盘	转速（7200/10000RPM）、寻道时间	磁头在盘片磁性介质上读写数据	延迟受物理运动限制
固态硬盘	读写速度（MB/s）、IOPS	NAND闪存芯片电子存储，无机械部件	抗震动、低功耗

4.2.4 通信设备

设备	性能指标	工作原理	协议标准
网卡	速率（1Gbps/10Gbps）、MAC地址	将数据封装为帧，处理物理层信号调制	IEEE 802.3（以太网）
调制解调器	调制速率（56Kbps等）	数字信号↔模拟信号转换（ADSL使用频分复用）	V.34/V.90标准

4.3 I/O接口的功能、类型和特点

4.3.1 I/O接口功能

数据缓冲：解决速度不匹配
信号转换：电平/格式转换
设备选择：地址译码
命令译码：解释CPU命令
状态反馈：返回设备状态

4.3.2 接口类型

类型	特点	典型应用	传输方式
并行接口	多线同时传输（如8/16位），速度快但易干扰（IEEE 1284）	老式打印机	并行
串行接口	单线逐位传输，抗干扰强（USB 3.0可达5Gbps）	鼠标、键盘、移动存储	串行
DMA接口	直接内存访问，不经过CPU（通过DMA控制器）	高速磁盘传输	总线主控
SCSI	支持多设备菊链连接，高可靠性	企业级存储阵列	并行/串行

【嵌入式系统设计师（软考中级）】第一章：计算机系统基础知识(中)

文章目录 3 算术运算和逻辑运算3.1 二进制数运算方法3.2 逻辑代数的基本运算与逻辑表达式化简 4. 计算机组成及工作原理4.1 CPU的组成与工作原理4.1.1 运算器（数据加工中心）4.1.2 控制器（指令指挥中心）4.1.3 计算机指令4.1.4 寻址…...

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注：此拦截不能首次拦截路由跳转的方法（switchTab, navigateTo, reLaunch, redirectTo），拦截request请求api可以 1. app.vue 代码 import { onLaunch} from dcloudio/uni-appimport permission from ./utils/permissiononLaunch(…...

编程日记 2025/8/17 21:10:18

vue2.x Echart label根据数据长度选择不同的间隔显示

折线图需要在各个点上方展示数据，但是数据数字的位数可能达到5~8位，需要根据密度进行间隔展示。例如，如果数据长度小于7，则每一项都展示，如果在7~10之间，2位展示一项，如果大于10，那么…...

编程日记 2025/8/19 1:22:04

Wifi密码查看软件V1.0

⭐本软件用于查看电脑连接过所有WiFi密码，不具备破解功能。可在忘记WiFi密码或他人输入密码自己不知道的情况下使用。 ⭐⭐为便于快速分享，加入双击【密码】列可将WIFI密码复制在粘贴板。 ⭐⭐⭐双击【名称】列可生成用于手机连接的二维码进行显示&…...

编程日记 2025/8/17 13:46:03

Hyperf (Swoole)的多进程 + 单线程协程、Gin (Go)Go的单进程 + 多 goroutine 解说

1. 核心概念解析 (1) Hyperf (Swoole): 多进程单线程协程 Swoole 并发模型详解 Swoole 的并发模型基于多进程架构，每个进程是单线程的，线程内运行多个协程。以下是其结构的关键点： 多进程：Swoole 应用程序启动时，…...

编程日记 2025/8/17 21:38:06

国内网络设备厂商名单（List of Domestic Network Equipment Manufacturers）

国内网络设备厂商名单运维工程师必须广泛熟悉国内外各大厂商的设备，深入掌握其应用场景、功能特点及优势。这不仅有助于在故障排查时迅速定位问题，还能在系统设计、优化与升级中做出更合理的决策。对设备特性的精准把握，能够显著提升运维效…...

编程日记 2025/8/17 18:25:31

基础元器件-电感（2025.4.17)

1.电感是电磁感应器件，它是储能元器件。 2.电感表示形式（直标法和色标法） 3.电感读取基准是mH，3R3指的是3.3mH，R代表小数点。 4.电感特性：通直流阻交流 5.电感的分类注：用电容或者电感滤波是…...

编程日记 2025/8/21 1:54:15

高通手机抓取sniffer log的方法

方法如下： adb root adb remount adb shell echo 4 >/sys/module/wlan/parameters/con_mode //不同的高通基线这块目录存在差异性 ifconfig wlan0 up iwpriv wlan0 setMonChan 149 2 //设置信道和bandwitdh tcpdump -i wlan0 -v -w /data/chan149.pcap 生成…...

编程日记 2025/8/21 23:30:26

React 设计艺术：如何精确拆分组件接口，实现接口隔离原则

接口隔离原则接口隔离原则（Interface Segregation Principle，简称 ISP）也是面向对象设计中的重要原则之一。它的核心思想是，一个类不应该依赖它不需要的接口。在 React 开发中，遵循接口隔离原则可以提高代码的可维护性…...

编程日记 2025/8/21 16:50:06

BFS DFS ----习题

题目1 答案1 #include <bits/stdc.h>using namespace std;const int N 210; int n,k; int arr[N]; int res 0;void dfs(int x,int start,int nowsum) {if (nowsum > n) return ;if(x>k){if(nowsum n) res;return ;}for(int i start;nowsumi*(k-x1)<n;i){a…...

编程日记 2025/8/17 18:26:01

第十七届“华中杯”大学生数学建模挑战赛题目A题晶硅片产销策略优化完整成品代码模型思路分享

近年来，高纯度晶硅片需求的增长引发了更激烈的市场竞争。晶硅片企业需要在成本控制、利润优化和供需管理之间取得平衡，以提高经营效率和市场竞争力。晶硅片的生产是一个高能耗、高成本的过程，企业效益会受到原材料价格波动、市场需求变化以及…...

编程日记 2025/8/17 14:51:55

java 设计模式之单例模式

简介单例模式：一个类有且仅有一个实例，该类负责创建自己的对象，同时确保只有一个对象被创建。特点：类构造器私有、持有自己实例、对外提供获取实例的静态方法。单例模式的实现方式饿汉式类被加载时，就会实例…...

编程日记 2025/8/17 18:28:18