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2017年9月全国计算机等级考试《四级计算机组成与接口》复习全书【核心讲义+历年真题详解】

2017年9月全国计算机等级考试《四级计算机组成与接口》复习全书【核心讲义+历年真题详解】试读:

第一部分 备考指南

第1章 考试概述

一、考试简介

全国计算机等级考试(National Computer Rank Examination,简称NCRE),是经原国家教育委员会(现教育部)批准,由教育部考试中心主办,面向社会,用于考查应试人员计算机应用知识与技能的全国性计算机水平考试体系。

计算机技术的应用在我国各个领域发展迅速,为了适应知识经济和信息社会发展的需要,操作和应用计算机已成为人们必须掌握的一种基本技能。许多单位、部门已把掌握一定的计算机知识和应用技能作为人员聘用、职务晋升、职称评定、上岗资格的重要依据之一。鉴于社会的客观需求,经原国家教委批准,原国家教委考试中心于1994年面向社会推出了NCRE,其目的在于以考促学,向社会推广和普及计算机知识,也为用人部门录用和考核工作人员提供一个统一、客观、公正的标准。

二、考试科目级科目代考试时考核课程科目名称别码间代码计算机基础及WPS 1490分钟114Office应用一计算机基础及MS Office1511590分钟级应用计算机基础及Photoshop1611690分钟应用120分C语言程序设计24201、224钟二级120分VB语言程序设计26201、226钟120分VFP数据库程序设计27201、227钟120分Java语言程序设计28201、228钟120分29201、229Access数据库程序设计钟120分61201、261C++语言程序设计钟120分MySQL数据库程序设计63201、263钟120分Web程序设计64201、264钟120分MS Office高级应用65201、265钟120分网络技术35335钟120分36336数据库技术钟三120分37337软件测试技术级钟120分信息安全技术38338钟120分嵌入式系统开发技术39339钟网络工程师4190分钟401、403数据库工程师4290分钟404、405四级软件测试工程师4390分钟401、40544401、403信息安全工程师90分钟嵌入式系统开发工程师4590分钟401、402

说明:

同次考试考生可报考多个级别或科目,但不允许重复报考同一个科目,具体要求请想所在省级承办机构进行咨询。

报考多个科目时需咨询考点,避免考场安排时冲突。如:考生同时报考了二级C、三级网络技术、四级网络工程师三个科目,结果通过了三级网络技术、四级网络工程师考试,但没有通过二级C考试,将不颁发任何证书,三级网络技术、四级网络工程师两个科目成绩,自考试结束之日起可保留半年(按月计算)。下一次考试考生报考二级C并通过,将一次获得三个级别的证书;若没有通过二级C,将不能获得任何证书。同时,三级网络技术、四级网络工程师两个科目成绩自动失效。

三、报考条件

1.考生不受年龄、职业、学历等背景的限制,任何人均可根据自己学习和使用计算机的实际情况,选考不同等级的考试。考生一次只能报考一个科目的考试。考生一次考试只能在一个考点报名。考生可以不参加考前培训,直接报名参加考试。

2.每次考试报名的具体时间由各省(自治区、直辖市)级承办机构规定。考生按照有关规定到就近考点报名。上次考试的笔试和上机考试仅其中一项成绩合格的,下次考试报名时应出具上次考试成绩单,成绩合格项可以免考,只参加未通过项的考试。

3.特殊人员报考条件:

现役军人可使用军官证报考NCRE考试,在其军官证号码前后各加入识别码,此办法也适用于没有身份证的未成年人,识别码的编码有统一格式,前6位后4位。国务院和中央军事委员会联合下发的510号令,已经公布《现役军人和人民武装**居民身份证申领发放办法》,该办法自2008年1月1日起实施,现役军人可以通过团以上单位集中向地方公安机关申请居民身份证。

无身份证的学生可携带户口本参加报名,身份证丢失者凭公安机关开具的身份证明,外籍人员凭护照参加报名。

四、报考方式

分为考点现场报名与网上报名。

考生在考点现场报名时,需出示身份证以及缴纳相关的考试费。考生一定要亲自到场,不能由任何单位、个人代劳。考生按要求进行信息采集,并逐一核实报名表上的个人信息:姓名、身份证号、照片、报考科目、报考类别(是否补考)等,发现信息不一致要立刻更改。报名完成后请妥善保管“考生报名登记表”防止阻碍准考证的领取。

考生采取网上报名方式,需先在所在省份的网上报名系统注册并填报相关基本信息、上传正面免冠电子近照,然后网上缴费或至指定地点缴费并确认身份信息,完成报名。

一般情况下,每次考试每个考生只能在一个考点完成报名。

考生报名时缴纳的考试费的具体金额由各省级承办机构根据考试需要和当地物价水平确定,并报当地物价部门核准。考点不得擅自加收费用。

注:报名时依据的身份证明包括:居民身份证、军人的证件、护照、户口本等。

五、报考时间考试安排第一场第二场第三场报名时间12月开始5月开始11月10日以后

注:各地的报名时间由考生报考所在地的当地考试机构决定。

六、考试时间

NCRE以往每年开考两次,从2014年开始每年开考次数由两次增为三次。

2016年NCRE安排三次考试,考试时间分别为3月21日~24日、9月19日~22日、12月12日~13日,其中3月和9月考试开考全部级别全部科目,12月只开考一级和二级,由各省级承办机构根据实际情况确定是否开考12月的考试。

七、各级别考试介绍一级科一级WPS Office一级MS Office一级Photoshop目考试NCRE一级上机考试环境为Windows 7简体中文版环境考Photoshop CS5试WPS Office 2012办MS Office 2010软公软件(典型方式安装)件1.单项选择题,1.单项选择题,2020题,20分题,20分2.Windows操作系2.Windows操作系统统的使用,10分的使用,10分题3.Word操作,251.单项选择题,3.WPS文字的操型分55题,55分(含作,25分及计算机基础知识4.Excel操作,20分部分20分)4.WPS表格的操分值作,20分2.Photoshop操作比5.PowerPoint操题,45分5.WPS演示软件的例作,15分操作,15分6.浏览器(IE)6.浏览器(IE)的的简单使用和电简单使用和电子邮子邮件收发,10件收发,10分分1.考核内容包括计算机基础知识和操作技能两部分。2.各科目对基础知识的要求相同,以考查应知应会为主,题型为选择题,分数占全卷的20%(20分)。考3.办公软件类考试,操作技能部分包括汉字录入、Windows核系统使用、文字排版、电子表格、演示文稿、IE的简单应用及内电子邮件收发。容3.Photoshop考试,要求了解数字图像的基本知识,熟悉Photoshop的界面与基本操作方法,掌握并熟练运用绘图工具进行图像的绘制、编辑、修饰,会使用图层蒙版、样式以及文字工具。形完全采取上机考试形式,各科上机考试时间均为90分钟,满式分100分。获证总分不低于60分。条件参加NCRE“计算机基础及Photoshop应用”科目考生,可以在NCRE报名时自愿申请免试取得“Adobe Photoshop产品工备程师认证”证书,即:通过NCRE“计算机基础及Photoshop注应用”科目考试实现一次考试,可以同时取得全国计算机等级证书与“Adobe Photoshop产品工程师认证”证书,即“一考双证”。二级数据库程序办公软件高语言程序设计类设计类级应用MAVyC科JaVWcc办公软件高C语言FS+目vaBebes级应用PQ+sL考试NCRE 二级上机考试环境为 Windows 7 简体中文版环境NeNtBMeteay-nsVSV中FQBBVi国PLM6.easu教6.(S 0 nsal育0 C考A简Visual考简o试ccMS Office 中C体试体m软es2010国C++ 6.0+中版中m件s2教+ 文,文un01育6.专IE专ity0考0业6.业 5.试版0 版5.版及1620以)07上1.单项选择题,20分1.单项选(含公共基择题,40础知识部分题,40分10分)(含公共基础知识部分2.文字处题1.单项选择题,40题,40分10分)理题型(含公共基础知识部分10分)(Word),及2.程序填2.基本操作题,18分30分分空题,3小值空,18分3.简单应用题,24分3.电子表比格题3.程序改4.综合应用/操作题,18分例(Excel),错题,2个30分错误,24分4.演示文4.程序设稿题计题,18分(PowerPoint),20分二级定位为程序员,考核内容包括公共基础知识和程序设考计。所有科目对基础知识作统一要求,使用统一的公共基础核知识考试大纲和教程。二级公共基础知识在各科考试选择题内中体现。程序设计部分,主要考查考生对程序设计语言使用容和编程调试等基本能力,在选择题和操作题中加以体现。形完全采取上机考试形式。各科上机考试时间均为120分钟,满式分100分。获证总分不低于60分条件三级嵌入式系科数据库技软件测试信息安全网络技术统开发技目术技术技术术考试环1.NCRE三级上机考试环境为 Windows 7 简体中文版境2.数据库技术考核C语言程序设计,使用 Visual C++ 6.0与软件题型1.单选题,40题,40分及分2.综合题,40分值3.应用题,20分比例1.网络技术。网络规划与设计、局域网组网技术、计算机网络信息服务系统的建立及计算机网络安全与管理。2.数据库技术。数据库应用系统分析及规划、数据库设计及实现、数据库存储技术、并发控制技术、数据库管理与维护、数据库技术的发展及新技术。考3.软件测试技术。软件测试的基本概念、软件测试技术、软核件测试过程和管理方法。内容4.信息安全技术。信息安全保障概论、信息安全基础技术与原理、系统安全、网络安全、应用安全、信息安全管理、信息安全标准与法规。5.嵌入式系统开发技术。嵌入式系统的概念与基础知识、嵌入式处理器、嵌入式系统硬件组成、嵌入式系统软件、嵌入式系统的开发等相关知识和技能。形完全采取上机考试形式。各科上机考试时间均为120分钟,满式分100分。1.总分不低于60分,并已经(或同时)获得二级相关证书。2.三级数据库技术证书要求已经(或同时)获得二级数据库获程序设计类证书;网络技术、软件测试技术、信息安全技证术、嵌入式系统开发技术等四个证书要求已经(或同时)获条得二级语言程序设计类证书。件3.考生早期获得的证书(如Pascal、FoxBase等),不严格区分语言程序设计和数据库程序设计,可以直接报考并获得证书。参加NCRE“计算机基础及Photoshop应用”科目考生,可以在NCRE报名时自愿申请免试取得“Adobe Photoshop产品工备程师认证”证书,即:通过NCRE“计算机基础及Photoshop注应用”科目考试实现一次考试,可以同时取得全国计算机等级证书与“Adobe Photoshop产品工程师认证”证书,即“一考双证”。四级嵌入式系科网络工程数据库工软件测试信息安全统开发工目师程师工程师工程师程师考试NCRE四级上机考试环境为Windows 7简体中文版。环境题型及1.单选题,60题,60分分2.多选题,20题,40分值比例1.网络工程师。考核计算机网络、操作系统原理两门课程。测试内容包括网络系统规划与设计的基础知识及中小型网络的系统组建、设备配置调试、网络系统现场维护与管理的基本技能。2.数据库工程师。考核数据库原理、软件工程两门课程。测试内容包括数据库系统的基本理论以及数据库设计、维护、管理与应用开发的基本能力。考3.软件测试工程师。考核操作系统原理、软件工程两门课程。核测试内容包括软件测试的基本理论、软件测试的规范及标内准,以及制定测试计划、设计测试用例、选择测试工具、执容行测试并分析评估结果等软件测试的基本技能。4.信息安全工程师。考核计算机网络、操作系统原理两门课程。测试内容包括网络攻击与保护的基本理论与技术,以及操作系统、路由设备的安全防范技能。5.嵌入式系统开发工程师。考核操作系统原理、计算机组成与接口两门课程。测试内容包括嵌入式系统基本理论、逻辑电路基础以及嵌入式系统中的信息表示与运算、评价方法等基本技能。1.无纸化考试,考试总时间为90分钟,单课程考试没有时间要求。2.四级考试科目由五门专业基础课程中指定的两门课程组形成,总分100分,两门课程各占50分。式3.专业基础课程为计算机专业核心课程,包括:操作系统原理、计算机组成与接口、计算机网络、数据库原理、软件工程。两门课程分别达到30分及以上,并已经(或同时)获得三级获相关证书。证条2013年3月及以前获得的三级各科目证书,不区分科目,可以件作为四级任一科目的获证条件。参加NCRE“计算机基础及Photoshop应用”科目考生,可以在NCRE报名时自愿申请免试取得“Adobe Photoshop产品工备程师认证”证书,即:通过NCRE“计算机基础及Photoshop注应用”科目考试实现一次考试,可以同时取得全国计算机等级证书与“Adobe Photoshop产品工程师认证”证书,即“一考双证”。

·2015年NCRE继续实施2013年版考试大纲,教材参见全国计算机等级考试教材目录(2015年版)。

八、考试要求

1.理解微型计算机结构;

2.掌握微型计算机各部件的工作原理及相互之间的关系;

3.掌握微型计算机设计的基本方法;

4.掌握接口芯片应用的程序设计技术;

九、考试内容(一)计算机系统概述

1.计算机的基本组成;冯•诺依曼结构计算机和哈佛结构计算机的特点。

2.计算机主要性能指标。

3.CPU的基本结构和工作机理;指令流水线技术和8086CPU的编程结构及时序。

4.数据的表示和运算;数制与编码、定点数和浮点数的表示和运算。

5.指令格式;指令的寻址方式、指令周期、机器周期和时钟周期。(二)存储器

1.存储器的分类、存储器的层次结构、高速存储技术、虚拟存储技术。

2.地址映射技术、替换策略、Pentium处理器的存储管理。

3.随机存取存储器RAM、只读存储器ROM。

4.存储器与CPU的连接方法。

5.辅助存储器;硬磁盘存储器和光盘存储器的基本原理。(三)汇编语言程序设计

1.8086汇编指令系统及寻址方式。

2.程序设计技术。(四)计算机中断技术

1.中断基本概念、中断类型码、中断向量和中断服务程序。

2.中断接口控制器8259A的程序设计方法。(五)计算机和外设的数据交换技术

1.CPU和外设之间的数据传送方式。

2.可编程串行通信接口8251A的程序设计方法。

3.可编程并行通信接口8255A的程序设计方法。

4.计数器/定时器8253的程序设计方法。(六)模/数、数/模转换技术

1.模/数转换技术。

2.数/模转换技术。(七)人机接口

1.鼠标及键盘的工作原理。

2.数字显示技术。

3.打印机及接口。(八)总线

1.总线的概念和功能。

2.流行PC总线;ISA总线、PCI总线和USB通用串行总线。

十、成绩及证书

1.NCRE实行百分制计分,但以等第通知考生成绩。等第共分优秀、及格、不及格三等。90~100分为优秀、60~89分为及格、0~59分为不及格。一般在考后30个工作日内由教育部考试中心将成绩处理结果下发给各省级承办机构。考后50个工作日,考生可登录教育部考试中心综合查询网(chaxun.neea.edu.cn)进行成绩查询。部分省市如江苏、黑龙江等也可通过省市考试院或者人事考试中心进行查询。

2.NCRE成绩在及格以上者,由教育部考试中心颁发合格证书。考后45个工作日教育部考试中心将证书发给各省级承办机构,然后由各省级承办机构逐级转发给考生。考生证书若丢失,可登录教育部考试中心综合查询网补办合格证明书。补办合格证明书收费21元,其中制证、邮寄费用20元,银行收取手续费1元。

3.NCRE合格证书式样按国际通行证书式样设计,用中、英两种文字书写,证书编号全国统一,证书上印有持有人身份证号码。该证书全国通用,是持有人计算机应用能力的证明,也可供用人部门录用和考核工作人员时参考。

一级证书表明持有人具有计算机的基础知识和初步应用能力,掌握Office办公自动化软件的使用及因特网应用,或掌握基本图形图像工具软件(Photoshop)的基本技能,可以从事政府机关、企事业单位文秘和办公信息化工作。

二级证书表明持有人具有计算机基础知识和基本应用能力,能够使用计算机高级语言编写程序,可以从事计算机程序的编制、初级计算机教学培训以及企业中与信息化有关的业务和营销服务工作。

三级证书表明持有人初步掌握与信息技术有关岗位的基本技能,能够参与软硬件系统的开发、运维、管理和服务工作。

四级证书表明持有人掌握从事信息技术工作的专业技能,并有系统的计算机理论知识和综合应用能力。

第2章 复习技巧

一、备考指导

1.勇往直前

进入下午考试,也许有疲劳或不好的感觉,自信心就会下降;当看到题干很长,操作较复杂的题时,就有想回避或焦虑、急燥的情绪。这是典型的“两军未战,兵先屈”的败兴思绪。要知道两对手相遇勇者胜,勇者相遇智者胜。抛开所有不必要的想法,相信自己的实力,做到心无旁鹜,勇往直前。

2.审清题干

题干包含了整个题目的条件和要求,若题干比较复杂,就要注意将题干“分段”来阅读,前后注意衔接,必要时在草稿纸上记载下关键点。有时候题干很长,看似很复杂,让很多人望而却步。其实,这种题更好解,因题干长了则提示信息也就多了。主要是考你有没有勇气和耐心。

3.解读试题

首先,要翻阅一下全部试卷,注意试题的时间及分数的分配情况,做到心中有数。

其次,要确实弄清楚每道题的题意,搞清楚题目所给予问题,明确题目要求。因为考试要求可能与自己习惯的答题要求有所不同,所以一定要按题意和要求去回答。

最后,要特别注意题目中比较隐蔽的条件。一般而言,条件隐蔽的问题难度较大,考生必须看清有关的线索,找出隐蔽条件,问题才能迎刃而解。

4.相信自己

当题做得非常顺利时,心里不要太得意,因为越是看似容易的题目越是错的多,当然也不要逆向思维,觉得这题这么简单是不是做错了,要相信自己,说到底还是要审清题目的意思;

二、题型分析

1.选择题

选择题为单选题,是客观性试题,试题覆盖面广,一般情况下考生不可能做到对每个题目都有把握答对。这时,就需要考生学会放弃,即不确定的题目不要在上面花费太多的时间,应该在此题上做上标记,立即转移注意力,作答其他题目。最后有空余的时间再回过头来仔细考虑此题。但要注意,对于那些实在不清楚的题目,就不要浪费时间了,放弃继续思考,不要因小失大。

绝大多数选择题的设问是正确观点,称为正面试题;如果设问是错误观点,称为反面试题。考生在作答选择题时可以使用一些答题方法,以提高答题准确率。(1)正选法(顺选法):如果对题肢中的4个选项,一看就能肯定其中的1个是正确的,就可以直接得出答案。注意,必须要有百分之百的把握才行。(2)逆选法(排谬法):逆选法是将错误答案排除的方法。对题肢中的4个选项,一看就知道其中的1个(或2个、3个)是错误的,可以使用逆选法,即排除错误选项。(3)比较法(蒙猜法):这种办法是没有办法的办法,在有一定知识基础上的蒙猜也是一种方法。

2.操作题

上机考试重点考察考生的基本操作能力,要求考生具有综合运用基础知识进行实际操作的能力。上机操作题综合性强、难度较大。上机考试的评分是以机评为主,人工复查为辅的。机评当然不存在公正性的问题,但却存在呆板的问题,有时还可能因为出题者考虑不周出现错评的情况。考生做题时不充分考虑到这些情况,就有可能吃亏。

掌握好上机考试的应试技巧,可以使考生的实际水平在考试时得到充分发挥,从而取得较为理想的成绩。历次考试均有考生因为忽略了这一点,加之较为紧张的考场气氛影响了水平的发挥,致使考试成绩大大低于实际水平。因此每个考生在考试前,都应有充分的准备。总结以下几点供考生在复习和考试时借鉴:(1)对于上机考试的复习,切不可“死记硬背”

根据以往考试经验,有部分考生能够通过笔试,而上机考试却不能通过,主要原因是这部分考生已经习惯于传统考试的“死记硬背”,而对于真正的知识应用,却显得束手无策。为了克服这个弊病,考生一定要在熟记基本知识点的基础上,加强上机训练,从历年试题中寻找解题技巧,理清解题思路,将各类典型试题反复练习。(2)在考前,一定要重视等级考试模拟软件的使用

在考试之前,应使用等级考试模拟软件进行实际的上机操作练习,尤其要做一些具有针对性的上机模拟题,以便熟悉考试题型,体验真实的上机环境,减轻考试时的紧张程度。(3)学会并习惯使用帮助系统

大部分软件都有较全面的帮助系统,熟练掌握帮助系统,可以使考生减少记忆量,解决解题中的疑难问题。(4)熟悉考试场地及环境

尤其是要熟悉考场的硬件情况和所使用的相关软件的情况。考点在正式考试前,会给考生提供一次模拟上机的机会。模拟考试时,考生重点不应放在把题做出来,而是放在熟悉考试环境,相应软件的使用方法,考试系统的使用等方面。(5)做上机题时要不急不燥,认真审题

先分析,后操作。明白了问题是什么以后,先把问题在脑海里过一遍,考虑好如何操作后,再依思路从容做答。而不要手忙脚乱、毛毛躁躁、急于作答。对于十分了解或熟悉的问题,切忌粗心大意、得意忘形、而应认真分析,必须将题目给出的全部内容逐字看清楚后针对具体问题进行操作。

常言道“熟能生巧”、“打铁还得本身硬”,再好的方法与技巧若没有基础,是发挥不了作用的;如若有了一定的功底,再差的招式也会产生很大的威力,就像金庸小说中杨过的那柄钝剑。但是如果只看不练,不会有提高。建议大家多做模拟试题和历年试题,锻炼解题的能力与节奏。

第二部分 核心讲义

第1章 计算机系统概述

一、计算机的基本组成

1.硬件系统

计算机由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统指计算机中看得见、摸得着的物理实体,主要包括中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、存储器、输入/输出(Input/Output,I/O)设备等。(1)冯·诺依曼结构计算机的特点

冯·诺依曼结构计算机,也称普林斯顿结构计算机,其基本思想是:将编好的程序和要处理的数据事先存放在存储器中,然后启动计算机工作,计算机应能在不需要人干预的情况下自动完成逐条指令取出和执行。其特点如下:

①计算机硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

②指令和数据在计算机中均以二进制数表示,并存储在同一个存储器内,它们在形式上没有差别,可按其存储地址进行寻址访问。

③指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

④指令在存储器内按顺序存放。通常,指令按顺序执行,特定条件下,可根据运算结果或设定的条件改变执行顺序。

⑤机器以运算器为中心,输入/输出设备与存储器问的数据传送通过运算器完成。

原始的冯·诺依曼结构计算机以运算器为中心,现已转变为以存储器为中心,如图1-1所示。在该结构中,指令和数据共享同一总线,致使信息流的传输成为影响计算机系统性能的瓶颈,限制了计算机数据处理速度的提高。图1-1  以存储器为中心的计算机结构(2)哈佛结构计算机的特点

哈佛结构的指令和数据是完全分开的,存储器分为两部分,一部分是程序存储器,用于存放指令,另一部分是数据存储器,用于存放数据。程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。哈佛结构至少有两组总线:程序存储器(PM)的数据总线和地址总线,数据存储器(DM)的数据总线和地址总线,如图1-2所示。图1-2  哈佛结构的存储器设计

程序总线和数据总线的分离允许在—个机器周期内同时获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器),所以哈佛结构的中央处理器通常具有较高的执行效率,还可以使指令和数据有不同的数据宽度。

2.软件系统

计算机软件通常指计算机所配置的各类程序和文件,它们是存放在内存或外存中的二进制编码信息。软件一般可分为两大部分:系统软件和应用软件。(1)系统软件

系统软件是用于管理、控制和维护计算机系统资源(硬件和软件)的程序集合。系统软件主要包括以下四类:

①操作系统

操作系统是最重要的系统软件,它是管理计算机硬件和软件资源、控制程序运行、改善人机交互并为应用软件提供支持的一种软件。通常,操作系统包括五大功能:处理机管理、存储管理、文件管理、设备管理及作业管理。

②语言处理程序

语言处理程序一般是由汇编程序、编译程序、解释程序和相应的操作程序等组成。它是编程服务软件,其作用是将用户的源程序翻译成计算机能识别的目标程序,例如C语言编译器等。

③数据库管理系统

数据库管理系统(DataBase Management System)是一种操纵和管理数据库的大型软件,用于建立、使用和维护数据库,简称DBMS,例如Oracle数据库管理系统等。

④服务支持软件

服务支持软件是帮助用户使用和维护计算机的软件,为系统提供许多功能,包括各种调试程序、诊断程序、硬件维护程序和网络管理程序等。(2)应用软件

应用软件是为了某一专用目的而开发的软件。它包括商品化的通用软件和专用软件两种。

3.计算机系统层次结构

计算机系统以硬件为基础,通过各种软件来扩充系统功能,形成了一个由硬件和软件组成的综合复杂体。从系统结构的角度,可将计算机系统划分为如图1-3所示的分层虚拟结构。图1-3  计算机系统的分层虚拟结构(1)第0级

硬联逻辑级。是计算机的内核,由门、触发器等逻辑电路组成。(2)第1级

微程序级。这一级的机器语言是微指令集,程序员用微指令编写的微程序一般是由硬件直接执行的。

第0级和第1级是机器的核心部分。(3)第2级

传统机器级。这一级的机器语言是机器的指令集,程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。(4)第3级

操作系统级。这一级的机器语言中的多数指令是传统机器的指令(例如算术运算、逻辑运算等指令),此外,这一级还提供操作系统级指令(例如打开文件、读/写文件、关闭文件等指令)。(5)第4级

汇编语言级。这一级的机器语言是汇编语言,完成汇编语言翻译的程序称为汇编程序。(6)第5级

高级语言级。这一级的机器语言是各种高级语言,用这些高级语言所编写的程序一般由编译程序来完成编译工作,只有个别高级语言是用解释的方法实现的。(7)第6级

应用语言级。这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的,因此这一级的语言就是各种面向问题的应用语言。

把计算机系统划分成多级分层虚拟结构,有利于正确理解计算机系统的工作过程,明确软件、硬件在计算机系统中的地位和作用。

二、计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长

机器字长是CPU一次能传送或处理的二进制数据的位数,它反映了CPU中定点运算数据通路、定点运算器和CPU内通用寄存器的宽度。通常,机器字长越长,数的表示范围越大,计算的精度也越高。若CPU字长较短,而运算数据的位数较多,需要经过两次或多次运算才能完成,导致影响机器的运算速度。

2.主存容量

主存容量指主存所能存储的全部信息量,通常表示为:存储容量=存储单元个数×每个单元的位数

对于字节编址的计算机,由于一个字节(Byte,B)已被定义为8位二进制位,存储容量就以字节数来表示。

3.运算速度

计算机的运算速度与许多因素有关,如机器的主频、所执行的操作类型、主存的存取速度等。(1)时间衡量标准

执行时间(响应时间、延迟时间)和吞吐率(执行速度)是衡量计算机性能的基本指标。早期用完成一次定点加法运算所需的时间来衡量运算速度。后来采用吉普森(Gipson)法,综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比,即

其中,T为机器运行速度,f为第i种指令占全部操作的百分比数,Mit为第i种指令的执行时间。i(2)指令执行条数衡量标准

机器的运算速度还普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量。用MIPS(Million Instructions Per Second,每秒百万条指令)作为计量单位(例如,某计算机每秒能执行100万条指令,则记作1 MIPS);或用MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second,每秒百万次浮点运算)等来衡量运算速度。

三、数据信息的表示

1.常用记数制及其相互转换

计算机内部以二进制数作为数据表示的基础,在此基础上,也采用八进制、十六进制等表示。(1)进位记数制

进位记数制又称为数制,即按进位制的原则进行计数。数制由基数R和各数位的权W组成。基数R决定数制中各数位上允许出现的数码个数,基数为R的数制称为R进位制。权W表明该数位上的数码所表示的单位值的大小。

假设任意数值N用R进制数来表示,则用形式为n+k个自左向右排列的符号来表示。

式中D(-k≤i≤n-1)为该数制采用的基本符号,可取值0,1,2,i…,R-1,小数点处于D与D之间,整数部分有n位,小数部分有k位,0-1数值N的实际值为:

通常最左边的数位D的权最大,称为最高有效位;最右边的数n-1位D的权最小,称为最低有效位。-k

①十进制(Decimal)

十进制共有10个数字符号,即0—9,它的基数为10,逢十进一。任意一个十进制数可以表示为:

例如,十进制数135.96可以表示为:210-1-2135.96=1×10+3×10+5×10+9×10+6×10

②二进制(Binary)

在二进制中使用的数字只有0和1,基数为2,逢二进一。任意一个二进制数可以表示为:

例如,二进制数(1100.1001)可以表示为:2

③八进制(Octal)

八进制数共有8个数字符号,即0~7,基数为8,逢八进一。任意一个八进制数可以表示为:

④十六进制(Hexadecimal)

十六进制共有16个数字符号,即0~9和A、B、C、D、E、F(依次表示10~15),基数为16,逢十六进一。任意一个十六进制数可以表示为:(2)数制之间的转换

①非十进制转化为十进制

非十进制数转化为十进制数的方法是将非十进制数按权展开,然后求和。【例1.1】将非十进制数转化为十进制。(1)(2)10(3)(AB)=10×16+11×1616

②十进制转化为非十进制

十进制数转化为非十进制数的方法是将十进制数的整数部分和小数部分分别转换,最后将结果写到一起。

a.十进制整数转化为非十进制整数的方法

十进制整数转化为非十进制(R进制)整数的方法一般采用除R取余数法:将十进制数除以R,所得余数即为对应R进制数最低位的值。然后将上次所得的商除以R,所得余数即为R进制数次低位的值,如此进行下去,直到商等于0为止,最后得出的余数是所求R进制数最高位的值。

b.十进制小数转化为非十进制小数的方法

十进制小数转化为非十进制小数的方法是乘R取整法:将十进制数乘以R,所得乘积的整数部分即为对应R进制小数最高位的值,然后对所余的小数部分乘以R,所得乘积的整数部分为次高位的值,如此进行下去,直到乘积的小数部分为0,或结果已满足所要求的数据精度为止。

所以,十进制数

③二进制与八进制、十六进制的转换

a.二进制与八进制的转换

3位二进制数组成1位八进制数,将二进制数转换为八进制数:从小数点开始,分别向两边把整数部分和小数部分每3位分为一组。若整数最高位的一组不足3位,则在其左边补0;若小数最低位的一组不足3位,则在其右边补0。然后将每组二进制数用对应的八进制数代替,即可得到转换结果。

将八进制转换为二进制的方法与上述过程相反,每位从进制数转换为3位二进制数。

b.二进制与十六进制的转换

将二进制数转换为十六进制数的方法:从小数点开始,分别向两边每4位为一组。若整数最高位的一组不足4位,财在其左边补0;若小数最低位的一组不足4位,则在其右边补0。然后将每组二进制数用对应的十六进制数代替,即可得到转换结果。

十六进制转换为二进制只需将每位十六进制数转换为4位二进制数即可。【例1.2】将(11010.11001)转换为八进制、十六进制数。2【例1.3】将(28F.6D)转换为二进制数。16

2.真值和机器数

计算机中参与运算的数据分为两大类:无符号数和有符号数,通常暂存在寄存器中,寄存器的位数一般为机器字长。

无符号数,即没有符号的数,在寄存器中的每一位均可存放数值。当存放有符号数时,则需要留出位置存放符号,一般用“0”表示正号,用“1”表示负号。符号“数字化”的数,称为机器数。带“+”或“-”符号的数称为真值

3.二—十进制编码

使用二进制数表示十进制数的方法,称之为二—十进制编码(BCD码)。常用的BCD码分为有权码和无权码。通常计算机用4位二进制数表示1位十进制数。4位二进制数有16种状态,从中选择10种来表示十进制数0~9的10种状态。(1)有权码

有权码就是表示十进制数的二进制码的每一位都有确定的权(即每一位的权是给定的)。

几种常用的有权BCD码如表1-1所示。表1-1  4位有权码84-2-1十进制数8421码2421码5211码4311码码000000000000000000000100010001000101110001200100010001101100011300110011010101010100401000100011101001000501011011100010110111601101100101010101011701111101110010011100810001110111010001110910011111111111111111

8421码是最常用的有权码。8421码的算术运算的修正规则为:如果两个8421码之和小于或等于9时,则不需要修正;当结果大于9时,要对结果加6修正,并向高位进位。进位可以是第一次相加或是修正产生的。

采用2421码、5211码、4311码时,任何2个十进制数位,相加之和等于或大于10时,其结果的最高位都向左产生进位,小于10时则不产生进位。这一特点有利于实现“逢十进一”的计数和加法规则。(2)无权码

十进制无权码指表示每个十进制数位的4位二进制码的每一位没有确定的权。常用的元权码有余3码(Excess-3 Code)和格雷码(Gray Code),如表1-2所示。余3码是8421码每个编码都加上0011形成的,运算规则是:当2个余3码相加不产生进位时,结果要减去0011,产生进位时,进位信号送入高位,本位加0011。表1-2  4位无权码十进制余3码格雷码(1)格雷码(2)格雷码(3)

数00011000000000000101000001000101002010100110011011030110001000100010401110110011010105100001111110101161001010110100011710100100100000018101111001100100191100100001001000

格雷码也称为循环码,其任何相邻的两组代码中仅有一个二进制数位不同,其余各位均相同,因而又称作单位距离码。

4.ASCII码

在计算机中使用的英文字母、数字、标点符号及一些特殊符号等统称为“字符”(Character)。所有字符的集合称作“字符集”。字符集中的每一个字符都有一个唯一的代码(二进制编码0/1序列),构成了该字符集的编码表。

美国国家标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange,ASCII)是目前国际上使用最广泛的计算机字符编码。ASCII字符编码如表1-3所示。表1-3  ASCII字符编码表bbb654000001010011100101110111bbbb3210、p@0000NULDLESP0Pqa0001SOHDC1!1AQr0010STXDC22BRb”cs0011ETXDC3#3CS0100EOTDC4$4DTdtue0101ENQNAK5EU%v0110ACKSYN6FVf&gw0111BELETB7GW’x(1000BSCAN8HXhy)1001HTEM9IYi:jz1010LFSUBJZ*;[{1011VTESC+Kk,< |1100FFFSL\1-]m}=1101CRGSM.> n1110S0RSN~^-o1111SIUS/?ODEL

ASCII码的编码规则:每个字符用7位二进制数7来表示,7位二进制共有128(2)种状态,可表示128个字符,7位编码的取值范围为0000000~1111111。在计算机内,每个字符的ASCII码用1 B(8位)来存放,字节的最高位为校验位,通常用“0”来填充,后7位为编码值。

ASCII码表中的常用字符包括:(1)数字“0”~“9”

对应的ASCIl码值为0110000B~0111001B,用十六进制数表示为30H~39H。(2)字母

包括大、小写的英文字母各26个。字母“A”~“Z”的ASCII码值为41H~5AH.字母“a”~“z”的ASCII码值为61H~7AH。(3)通用字符

如“+”、“-”、“;”、“,”、“/”和“,”等32个。(4)控制字符

包括空格SP(20H)、回车CR(0DH)、换行LF(0AH)等34个。

5.定点数的表示

定点数中小数点的位置固定不变,通常把小数点固定在数位的最前面或末尾,定点数分为定点小数和定点整数两类。根据符号的有无,定点数又分为无符号数和有符号数两类。(1)无符号数的表示

无符号数指没有符号的数,在寄存器中的每一位均可用来存放数值。当存放有符号数时,则需留出位置以存放符号。(2)有符号数的表示

计算机中,常采用机器数来表示数据,常用的有原码、反码、补码、移码等。

①原码表示法

原码表示法的符号位表示该数的符号,“+”号用“0”表示,“-”号用“1”表示,数值部分用二进制数的绝对值来表示。

a.定点小数

原码形式为x.xx…x,则原码的定义是012n

式中x是真值。【例1.4】x=+0.1101,则[x]=0.1101;x=-0.1101,则[x]=1-原原(-0.1101)=1+0.1101=1.1101。

b.定点整数

原码形式为xxx…x,原码的定义是012n

其中x是真值,n是整数位数。4【例1.5】x=+1101,则[x]=01101;x=-1101,则[x]=2-原原4(-1101)=2+1101=11101。

c.原码表示法特点

原码表示法有两个特点:一是零的表示有“+0”和“-0”两种形式:[+0]=0.000…0、[-0]=1.000…0;二是符号位x的取值由下式决原原0定:

其中x是真值。

②补码表示法

计算机的运算受机器字长的限制,属于有模运算,在计算机中可以使用补码进行计算。

a.定点小数

补码形式为x.xx…x,补码的定义是:012n

其中x是真值。【例1.6】x=0.1011,则[x]=0.1011;x=-0.1011,则[x]补补=10.0000+(-0.1011)=1.0101。

x=0,则[+0.0000]=0.0000;[-0.0000]=10.0000+(-0.0000)补补=0.0000。

[+0]=[-0]=0.000…0,补码中的0只有一种表示形式。补补

由于补码中的0只有一种表示形式,小数补码有[-1]存在,补码补比原码能多表示一个“-1”。

b.定点整数

补码形式为xxx…x,补码的定义是012n

其中x是真值,n是整数位数。【例1.7】x=+1011,则[x]=01011;x=-1011,则[x]补补5=2+(-1011)=100000-1011=10101。

对于补码来说,无论是正数还是负数,机器总是做加法运算。

③反码表示法

反码表示法中,符号的表示法与原码相同。正数的反码与正数的原码形式相同;负数的反码符号位为1,数值部分通过将负数原码的数值部分各位取反(0变1,1变0)得到。

a.定点小数

反码形式为x.xx…x,反码的定义是012n

其中x是真值,n是小数位数。【例1.8】x=+0.1011,[x]=0.1011;x=-0.1011,[x]反反-4=(2-2)+x=1.1111-0.1011=1.0100。

0在反码情况下有两种表示形式,即

[+0]=0.000…0反

[-0]=1.111…1反

b.定点整数

反码形式为xxx…x,反码的定义是012n

其中x是真值,n是整数位数【例1.9】x=+1011,[x]=01011;x=-1011,[x]反反4+1=(2-1)+x=11111-1011=10100。通过反码求补码的公式:-n[x]=[x]+2,0>x≥-1补反-n[x]=[x]+1,0>x≥-2补反

要求一个负数的补码,其方法是符号位置1,其余各位取反,然后在最末位上加1。

④移码表示法

移码通常用于表示浮点数的阶码。阶码是整数,所以移码只用于表示整数。假设定点整数移码形式为xxx…x时,移码的定义是012nnnn

[x]=2+x,-2≤x<2移

其中,x为真值,n为整数的位数。

对于同一个整数,其移码与其补码数值位完全相同,而符号位相反。

例如:x=+1011,[x]=11011(符号位为“1”表示正号),[x]移补=01011;x=-1011,[x]=00101(符号位为“0”表示负号),[x]移补=10101。

6.浮点数的表示(1)浮点数的表示

浮点数是小数点在数据中的位置可浮动的数据,通常表示为EN=M×R

其中,N是浮点数,M是浮点数的尾数(又称为数符M),R为S阶码的基数,E为阶码。在机器中,为了便于比较浮点数的大小,典型的浮点数的格式通常将数符放置在浮点数的首位,将阶码放置在尾数之前,如图1-4所示。尾数一般采用原码和补码表示。图1-4  浮点数的表示形式

浮点数的阶码E通常用整数形式表示,它表示小数点在数据中的位置,决定了浮点数的表示范围。阶码的符号称为阶符E,阶符为S正时,表示实际小数点位置在尾数小数点位置的右边;阶符为负时,表示实际小数点的位置在尾数小数点位置的左边。

浮点数标准(IEEE 754 Floating-point Standard)规定了常用的三种浮点数格式,基数为2,位数分配如表1-4所示。表1-4  IEEE 754浮点数标准格式总尾数阶码数阶类型位数值数值真值计算符符数位位M×(1.单精度N=(-1)S3212317E_127浮点数M…M)×2M12nM ×(1.N=(-1)S双精度64152110 M…M)×2M12n浮点数E_1023临时实—80164114数(2)浮点数的规格化

为了提高浮点数的精度,通常将尾数的绝对值限定在某个范围之内。

若阶码的基数为2,则规格化浮点数的尾数M应满足条件:1/2≤|M|≤1。为了便于计算机硬件对尾数的机器数形式作出规格化判断,通常采用下列方法实现:

①原码表示的尾数

当最高有效位(M)为1时,浮点数为规格化,即尾数为x.1x…x1的形式。

②补码表示的尾数

当符号位(M)与最高有效位(M)不同时,浮点数为规格化,S1即尾数为0.1x…x或1.0x…x的形式。

对于规格化的浮点数,可以通过修改阶码和左右移尾数的方法来使其变成规格化浮点数,这个过程称为规格化。若尾数进行右移实现规格化,则称为右规;若尾数进行左移实现规格化,则称为左规。(3)浮点数的表示范围

①机器零

浮点数的表示范围中,两种情况称为机器零:一是当浮点数的尾数为0时;二是当阶码的值比它所能表示的最小值还要小时。

②定界点

浮点数的表示范围通常有四个定界点:最小数、最大负数、最小正数和最大数。位于最大负数和最小正数之间的数(除0外)浮点数均无法表示,称为下溢。计算机对于下溢视为机器零。当一个数大于最大数或者小于最小数时称为上溢,上溢又称为溢出。

四、CUP的基本结构和工作机理

1.CPU的基本结构(1)CPU的基本组成

CPU由数据通路(Data Path)和控制单元(Control Unit,CU)两大部分组成。

①数据通路

通常将指令执行过程中数据所经过的路径及路径上的部件称为数据通路。集成于CPU中的ALU、通用寄存器、状态寄存器、Cache、MMU、浮点运算逻辑、异常和中断处理逻辑等都是指令执行过程中数据流经的部件,都属于数据通路的一部分。数据通路描述了信息从什么地方发出,中间经过什么部件,最后传送到哪个部件。在CPU内部各部件之间可采用专用通道或总线的数据通路连接方式。

②控制单元

数据通路由控制单元进行控制。控制单元根据每条指令功能的不同生成对数据通路的控制信号,并正确控制指令的执行流程。所有指令的执行和所有信息的传递都在控制单元(CU)的控制下进行。

图1-5为一个简化的单总线结构CPU的示意图。控制单元(CU)、算术逻辑部件ALU、各种寄存器(Registers)以及中断系统等主要组件通过数据通路连接在一起。图1-5  单总线结构的CPU框图(2)CPU工作

数据通路和控制单元两者联合工作,完成CPU的任务:取指令、译码指令、完成指定顺序的操作。

CU控制从存储器中取出指令、译码指令;将数据从存储器或I/O设备移入CPU,或者将数据从CPU移到存储器或I/O设备,并确保数据在正确的时间出现在正确的位置;告诉ALU要使用的寄存器和运算操作。CU使用程序计数器(PC)寻找下一条要执行的指令,使用状态寄存器PSW保存各种状态标志信息。

算术逻辑部件(ALU)完成程序执行期间所需的数据计算或处理,如算术运算、逻辑运算、移位运算等。根据CU发出的控制信号,ALU完成相应的运算。

中断系统实现对异常情况和某些外部中断请求的处理。(3)CPU中的主要寄存器

CPU中的寄存器用来暂时存放运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及各种控制、状态等信息。它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。

①通用寄存器

通用寄存器可由编程人员指派多种用途,可用于存放操作数,也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器。

②专用寄存器

专用寄存器是专门用来完成某一特殊功能的寄存器。通常CPU中至少要有以下几个专用寄存器。

a.存储器缓冲寄存器(Memory Buffer Register,MBR)

暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字;反之,当向主存存入一条指令或一个数据字时,也暂时将它们存放在存储器缓冲寄存器中。

b.存储器地址寄存器(Memory Address Register,MAR)

存放当前CPU所访问的主存单元的地址。由于在主存和CPU之间存在着操作速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直到主存的读/写操作完成为止。

c.程序计数器(PC)

又称为指令计数器,存放的是计算机将要执行的下一条指令的主存单元地址。程序执行过程中,CPU将自动修改PC的内容。

d.指令寄存器(IR)

保存当前正在执行的一条指令。CPU根据程序计数器PC提供的地址从主存中取指令到存储器缓冲寄存器(MBR)中,然后再传送至指令寄存器(IR)。

e.状态(标志)寄存器(PSW)

又称为标志寄存器或程序状态寄存器(PSW),用来存放各种控制标志和反映CPU运行的状态特征。例如,8086微处理器的状态标志寄存器共有16位,其中7位未用,如图1-6所示。图1-6  8086微处理器的状态(标志)寄存器

9个标志位按功能可以分为6个条件标志和3个控制标志。其中,条件标志用来存放运行的状态信息,由硬件自动设定;控制标志由软件设定,用于中断、串操作等控制。分别为:

OF(Overflow Flag)溢出标志、SF(Sign Flag)符号标志、ZF(Zero Flag)零标志、AF(Auxiliary Flag)辅助进位标志、PF(Parity Flag)奇偶标志、CF(carry Flag)进位标志、DF(Direction Flag)方向标志、IF(Interrupt Flag)中断标志、、TF(Trap Flag)陷阱标志。

2.指令和指令周期(1)指令

计算机的程序是由一系列的指令组成的,指令是要计算机执行某种操作的命令。

①机器指令(指令)

习惯上把机器语言的每一条语句称为机器指令,简称为指令。

②指令系统

一台计算机中所有机器指令的集合称为指令系统,它是表征一台计算机性能的重要因素。(2)指令信息

指令所包含的信息包括以下四部分。

①操作码

指令操作码用来规定指令所完成的功能。操作码通常采用二进制编码。

②源操作数或其地址

指出一个或多个源操作数或其所在的地址,可以是主存(虚存)单元地址、寄存器编号或I/O端口地址,也可以在指令中直接给出立即数。

③操作结果的存放地址

指令对应的操作产生的结果存放的地址,可以是主存(虚存)单元地址、寄存器编号或I/O端口地址。

④下一条指令的地址

下一条指令存放的地址,通常位于主存中,或在虚拟存储系统中位于主存或辅存中。(3)指令一般格式

一条指令就是机器语言的一个语句。它是一组有意义的二进制代码,由操作码和地址码两部分组成,其基本格式如下所示:

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