前言

计算机系统知识

计算机硬件组成

• 硬件基本系统：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
• 存储器：内部存储器、外部存储器
• 外设：输入设备和输出设备
• 主机：CPU+主存储器

中央处理单元的组成

• 中央处理单元组成：运算器、控制器、寄存器组和内部总线

• 中央处理单元功能：实现程序控制、操作控制、时间控制、数据处理功能

• 运算器组成：

  • 算数逻辑单元ALU（实现对数据的算数和逻辑运算）
  • 累加寄存器AC（运算结果或源操作数的存放区）
  • 数据缓冲寄存器DR（暂时存放内存的指令或数据）
  • 状态条件寄存器PSW（保存指令运行结果的条件码内容、如溢出标志）

• 运算器功能：

  • 执行所有的算数运算，如加减乘除
  • 执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与或非比较

• 控制器组成：

  • 由指令寄存器IR（暂存CPU执行指令）
  • 程序计数器PC（存放指令执行地址）
  • 地址寄存器AR（保存当前CPU所访问的内存地址）
  • 指令译码器ID（分析指令操作码）

• 控制器功能：控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制、时序控制

数据表示-进制转化

二进制：ob0011
十六进制：0x或H 如：ox18F或18FH

浮点数：N=F*2^E E是阶码，F是尾数
数值范围由阶码确定，数值精度由尾数确定
浮点数的运算：

• 小阶向大阶看齐，较小阶码增加几位，尾数就右移几位
• 尾数计算（相加，若是减运算，则加附属）

校验码

码距：从A码到B码转换所需要改变的位数为码距，码距越大阅历与纠错和检错

奇偶校验码：编码中，含有奇数/偶数个1，发送给接收方，接收方收到后，会计算收到的编码有多少个1，如果是奇数个或偶数个，则无误，是偶数个或奇数个，则有误
奇偶校验只能检1位错，并且无法纠错

循环冗余校验码：能检错，不能纠错 得出的余数必须是多项式位数-1位。

海明校验码：
2^k-1 >= n+k

信息位7 6 5 都使用校验位4来进行校验，所以校验位的数据就是由信息位的数据异或而来：1异或0异或1 = 0

计算机体系结构

flynn分类法

计算机指令

指令的组成：

• 操作码：决定要完成的操作
• 操作数：参加运算及其所在的单元地址
  计算机指令执行过程：取指令——分析指令——执行指令
  指令寻址方式：
• 顺序寻址方式：一条指令接着一条指令地顺序执行
• 跳跃寻址方式：下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由
  指令操作数的寻址方式：
• 立即寻址：指令单 地址码字段不是地址而是操作数本身
• 直接寻址：在指令的地址字段直接指出操作数在主存中的地址
• 间接寻址：指令地址码字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址
• 寄存器寻址：指令中的地址码是寄存器的编号
• 其他寻址方式
  指令系统：
• CISC：复杂指令系统
• RISC：精简指令系统
  

流水线相关计算：

存储系统

局部性原理：在CPU运行时，所访问的数据会趋向于一个较小的局部空间地址内，

• 时间局部性：相邻的时间里会访问同一个数据项
• 空间局部性：相邻的空间地址会被连续访问

高速缓存Cache：

• 用来存储当前最活跃的程序和数据，直接与CPU交互，位于CPU和主存之间，容量小，速度是内存的5-10呗，由半导体材料构成。其内容是主存的副本拷贝，对于程序员来说是透明的。
• Cache由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断CPU要访问的数据是否在Cache中，在则命中，不在则一句一定的算法从主存中替换
• 地址映射：在CPU工作时，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中读/写信息。这就需要将主存地址转换为Cache存储器地址，这种地址转换成为地址映射，由硬件自动完成映射

  • 直接映射：主存中的块与Cache中的块的对应关系是固定的，两者块号相同才能命中。地址变换简单且不灵活，容易造成资源浪费

  • 全相连映射：主存中任意一块都与Cache中任意一块对应。地址变换复杂，速度较慢。是最不容易发生块冲突的映像方式

  • 组组相连映射：前面两种的结合，先分块再分组，组间采用直接映像，组内采用全相连映像。
    按照Cache地址映像的块冲突概率，从高到低排列是：直接映像->组组相连映像->全相连映像

主存编址

1B=8bit

总线结构

广义：任何连接两个以上电子元器件的导线都可以成为总线

• 内部总线：内部芯片级别的总线，芯片与处理机之间通信的总线
• 系统总线：板级总线
  • 数据总线（并行数据传输位数）
  • 地址总线（系统可管理的内存空间大小）
  • 控制总线（传送控制命令）
• 外部总线：设备一级的总线，危机和外部设备的总线。
  • RS232（串行总线）
  • SCSI（并行总线）
  • USB（通用串行总线，即插即用）
    半双工：同一时刻只能在一个方向上传输
    全双工：同一时刻也能在两个方向上传输

系统可靠性分析

串联系统：一个设备不可靠，整个系统崩溃
并联系统：所有设备都不可靠，整个系统崩溃