1. 计算机硬件

计算机硬件组成

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件

运算器、控制器等部件集成在一起统称为中央处理单元 (CPU)，用于数据的加工处理、能完成各种算术、逻辑运算及控制功能

存储器是记忆设备，分为内部存储器和外部存储器

输入设备和输出设备合称为外部设备

中央处理单元

CPU的功能：程序控制、操作控制、时间控制、数据处理 and 对系统内部和外部的中断进行响应，进行处理

CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等组成

运算器：由算术逻辑单元ALU (对数据的算术和逻辑运算)、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 (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) 等组成

控制器：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) 等组成。

CPU依据指令周期的不同阶段区分二进制的指令和数据

校验码

码距：在两个编码中，从码A转换到码B所需要改变的位数称为码距

奇偶校验码

循环冗余码 (CRC)：只检错，不能纠错；生成多项式

指令系统

计算机的指令由操作码和操作数组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址

计算机指令的执行过程：取指令 - 分析指令 - 执行指令；首先从PC取出指令地址，送入地址总线，CPU依据指令地址从内存中取出指令内容，送入指令寄存器IR；后有指令译码器 (ID) 分析操作码，最后执行指令，取出指令所需要的源操作数 (AC)

指令寻址方式

• 顺序寻址：一条指令接着一条指令顺序执行)
• 跳跃寻址：下一条指令的地址码不由PC给出，而是由本条指令直接给出，跳跃后按新的指令地址开始顺序执行

指令操作数的寻址方式

• 立即寻址：不是地址，而是操作数
• 直接寻址：直接指出操作数在主存中的地址
• 间接寻址：存储的是地址的地址
• 寄存器寻址：地址码是寄存器编号
• 基址寻址：基址寄存器中的内容 + 指令中的地址
• 变址寻址：变址寄存器中的内容 + 指令中的地址

CISC是复杂指令系统，兼容性强，指令多，长度可变，由微程序实现

RISC是精简指令系统。指令少，使用频率接近，定长，依靠硬件实现 (通用寄存器、硬布线逻辑控制)

指令流水线原理：将指令分成不同段，每段由不同的部分处理。

RISC中的流水线技术

• 超流水线技术：细化流水、增加级数、提高主频，以时间换空间
• 超标量技术：内装多条流水线来同时执行多个处理，以空间换时间
• 超长指令字：通过软件实现并行处理。

流水线周期：执行时间最长的段为流水线周期

流水线执行时间：一条指令的总执行时间 + (指令条数 - 1)*流水线周期

[HTML_REMOVED][HTML_REMOVED]流水线吞吐率计算[HTML_REMOVED][HTML_REMOVED]：单位时间内执行的指令条数 (指令条数/流水线执行时间)

流水线加速比：使用流水线后效率的提升度 (不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间)

存储系统

分级存储，解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题

两级存储：Cache-主存，主存-辅存

局部性原理

• 时间局部性原理：相邻的时间里会访问同一个数据项
• 空间局部性原理：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进行交互，位于CPU和主存之间，容量小

Cache由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制器判断数据是否在Cache中

地址映射：CPU工作时，送出的是主存单元的地址，但首先从Cache存储器中读/写信息。需要将主存地址转换为Cache存储器地址，这种地址转换称为地址映射，由硬件自动完成，有下面三种方法

• 直接映像：主存中的一个块只能映射到Cache的某一个特定块上
• 全相连映像：主存中的任一个块可以映射到Cache中的任一块上
• 组组相连映像：主存中的一个块映射到Cache的某一特定组的任一块

替换算法：目的是提高命中率

• 随机替换算法
• 先进先出算法
• 近期最少使用算法
• 优化替换算法

磁头要先寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行后期旋转。寻道时间(耗时最长) + 等待时间

磁盘调度算法

• 先来先服务FCFS
• 最短寻道时间优先SSTF：会产生饥饿现象
• 扫码算法SCAN：电梯算法
• 单向扫码调度算法CSCAN

输入输出技术

计算机和外设之间的数据交互方式

• 程序控制 (查询) 方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率低
• 程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断。中断响应时间指从发出中断请求到开始进入中断处理程序；中断处理时间指中断处理开始到结束。中断向量提供中断服务的入口地址
• DMA方式 (直接主存存取)：CPU只完成必要的初始化等操作，数据传输整个过程由DMA控制器完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路

在一个总线周期后，CPU响应DMA请求开始读数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时

总线结构

总线是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道，连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，由总线上的所有设备共享。

• 内部总线：芯片级别的总线
• 系统总线：板级总线，计算机内各部分之间连接，具体分为数据总线 (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(传输控制命令)
• 外部总线：PC和外部设备的总线