计算机硬件组成
- 基本硬件系统：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
- 运算器、控制器等集成在一起为 CPU，完成数据加工、算术、逻辑运算和控制功能等
- 存储器：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
CPU
- CPU 的功能：
- 程序控制
- 操作控制
- 时间控制
- 数据处理
- 对内部和外部中断（异常）作出响应
- CPU的组成：运算器、控制器、寄存器组和内部总线等
- 运算器：由算数逻辑单元 ALU、累加寄存器 AC（暂存源操作数和结果）、数据缓冲寄存器 DR 和状态条件寄存器 PSW，执行所有的算术运算和逻辑运算
- 控制器：由指令寄存器 IR、程序计数器 PC、地址寄存器 AR、指令译码器 ID 等组成
- CPU 根据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据
校验码
码距：在两个编码中，从 A 码到 B 码转化所需要改变的位数。越大越利于纠错和检错
奇偶校验码：增加 1 位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验），从而使码距变为 2
奇偶校验只能检出 1 位错，且无法纠错
循环冗余校验码 CRC：只能检错不能纠错
先约定一个生成多项式 G(x)，在原始信息位后追加若干校验位，使得追加的信息能被 G(x) 整除。接收方接收到带校验位的信息若能整除则没有错误
==示例（重要）==：
原始信息串 10110，CRC 的生成多项式为
$$$ G(x)=x^4+x+1 $$$
，求 CRC 校验码
在原始信息位后面加 r 个 0，r 为多项式的阶。本题加 4 个 0，得到 101100000，作为被除数
由多项式得到除数，多项中 x 的幂指数存在的位置为 1，不存在的位置为 0。本题中，x 的 0、1、4 次幂都存在，得到串 10011
生成 CRC 校验码，将前两步得到的被除数和除数进行模 2 除法运算（除法操作时进行异或操作），得到余数 1111。若余数不足 r，左侧以 0 补齐
将余数添加到原始信息后生成最终信息串
接收方校验，以最终信息串为被除数，同 2 得到除数，余数为 0 则信息无错
指令系统
- 指令组成：操作码 + 操作数，操作码决定要完成的操作，操作数指参与预算的数据及其所在的单元地址
- 指令执行流程：取指令 — 分析指令 — 执行指令
- 指令寻址方式：
- 顺序：按顺序执行
- 跳跃：非 PC 给出，而由本条指令给出
- 操作数寻址方式：
- 立即寻址方式：指令直接给出立即数
- 直接寻址方式：指令直接给出操作数的地址
- 间接寻址方式：指令地址码字段指向的存储单元存储的是操作数的地址
- 寄存器寻址方式：地址码是寄存器编号
- 基指寻址方式：基址寄存器内容加指令中的地址得到操作数地址
- 变址寻址方式：变址寄存器内容加指令中的地址得到操作数地址
- CISC 复杂指令系统，通过微程序控制技术（微码）实现
- RISC 精简指令系统，增加通用寄存器，硬布线逻辑控制实现为主
- Flynn 分类法根据指令流和数据流的不同组合，将计算机分为 4 类。当前主流的为 MIMD（多指令流多数据流）
- 流水线原理：指令分段，每段由不同部分处理
- RISC 中的流水线技术：
- 超流水线技术：细化流水、增加级数和提高主频，使得每个机器周期完成一个到两个浮点操作，本质是时间换空间
- 超标量技术：内装多条流水线来同时执行多个处理，CPI 更小，本质是空间换时间
- 超长指令字技术：发挥软件的作用，使得硬件简化进行性能提高
- ==流水线时间计算==
- 流水线周期：指令分段，最长段即为流水线周期
- 流水线执行时间：1条指令总执行时间 +（总指令条数-1）* 流水线周期
- 流水线吞吐率：即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：使用流水线后的效率提升度，不使用流水线的执行时间/使用流水线的执行时间
存储系统
- 局部性原理：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，包括
- 时间局部性：相邻的时间访问同一个数据项
- 空间局部性：相邻的空间地址会被连续访问
- 高速缓存 Cache 存储房钱最活跃的程序和数据，直接与 CPU 交互，位于 CPU 和主存之间
- Cache 由控制部分和存储器组成
- 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，需要将主存地址转换为 Cache 存储器地址，由硬件完成，分为下列三种方法
- 直接映像：将 cache 存储器分成块，主存也分成块， 通常直接模运算，二者块号相同才能命中，简单不灵活
- 全相联映像：同样分块并编号，主存中的任意一块都与 Cache 中的任意一块对应，可以随意调入 Cache 任意位置，地址变换复杂，最不容易发生冲突
- 组相联映像：两种方法结合，Cache 先分块再分组，主存也分块分组，组间采用直接映像，组号相同才命中，但组内全相联，组号相同的两个组内所有块可以任意调换
- Cache 替换算法：目标尽可能高的命中率
- 随机替换
- 先进先出
- 近期最少使用，LFU
- 优化替换，先执行一次程序，统计 Cache 的替换情况
- Cache 命中率与平均时间，假设命中率为 v，从 cache 读取需要花费 a 时间，从主存花费 b 时间，则平均读取时间为 v*a + (1-v)*b
- 磁盘结构：正反两个盘面，每个盘面多个磁道，每个磁道被划分成多个扇区，数据就存放在扇区中
- 磁头首先找到对应磁道，再等待磁盘进行周期旋转到指定扇区读取
- 存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（即平均定位时间 + 转动延迟），寻道时间耗时最长
- 寻道调度算法：
- 先来先服务 FCFS
- 最短寻道时间优先 SSTF
- 扫描算法 SCAN：一直处理完某个方向的请求后才会调头
- 单向扫描调度算法 CSCAN：只做单向移动，一直到顶后掉头（非处理完某方向全部请求后掉头）
输入输出技术
- 内存与接口地址的编址方法
- 内存与接口地址独立编址方法：完全独立地址空间，指令也不同。缺点是用于接口的指令太少、功能太弱
- 内存与接口地址统一编址方法：统一在一个公共的地址空间。原则上用于内存的指令全都可用于接口。缺点是整个地址空间被分为两部分
- 计算机和外设的交互方式
- 程序控制（查询）：CPU 主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
- 程序中断：外设完成后向 CPU 发送中断，效率较高。中断响应时间是发出中断请求到开始进入中断处理程序；中断处理时间是从中断处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口
- DMA（直接主存存取）：CPU 只需要完成必要的初始化操作。数据传输整个过程都由 DMA 控制器完成，在主存和外设之间建立直接数据通路，效率很高。在一个总线周期结束后，CPU 会响应 DMA 请求开始读取数据；CPU 响应程序中断方式请求是一条指令执行结束时
- 总线，计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线由总线上的所有设备共享
- 总线分为：数据总线、地址总线、控制总线