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一：計算機系統概述
1：計算機發展歷程
2：結構
（1）馮諾依曼機：由運算器，控制器，存儲器，輸入，輸出五部分組成，以運算器為中心
（2）計算機層次結構：應用程序-高級語言-匯編語言-操作系統-指令集架構層-微代碼層-硬件邏輯層
3：分類
單指令單數據流：馮諾依曼體系結構
單指令多數據流：向量處理器
多指令單數據流：不存在
多指令多數據流：多處理器
3：基本概念
機器字長：CPU一次能處理數據的位數，與CPU中寄存器位數有關
存儲字長：存儲器中一個存儲單元（存儲地址）所存儲的二進制代碼位數，與MDR位數有關，數據總線
指令字長：計算機指令字的位數
數據字長，計算機數據存儲所占用的位數
總線寬度：總線上同時能夠傳輸的數據位數，即數據總線的根數
總線帶寬：單位時間內總線上傳輸數據的位數，通常每秒傳輸的字節數來衡量 總線帶寬 = 總線工作頻率* （總線寬度/8）
主存帶寬：數據傳輸率
總線傳輸周期：一次總線操作所需的時間（申請，尋址，傳輸，結束），由若干總線時鍾周期構成
總線時鍾周期：及其時鍾周期
CPU時鍾周期：主拍脈沖或T周期，為主頻的倒數
吞吐量：單位時間內數據輸出數量
響應時間：從事件開始到事件結束的時間
CPU時鍾周期：機器主頻的倒數
CPI：執行一條指令所需的平均時鍾周期
MIPS:每秒百萬條指令
MFLOPS：程序中浮點數的運算次數
二：數制與編碼
進制轉換：
BCD碼：8421碼（加6修正）余3碼，2421碼
ASCII碼：
校檢原理：
碼距：
奇偶校檢碼：
海明校檢碼：
循環冗余碼：
定點數：
無符號數與有符號數
原碼
補碼
反碼
移碼
轉換：
x為正數【x】
x為負數
無論正負【x】補——連同符號位取反加一——>【-x】
運算：
加法
移位運算：邏輯移位（無符號）算術移位（）
算術運算：
循環移位
例一：定點數加法運算
假設兩個帶符號整數x ， y .用8位補碼表示，x=63 ，y = -31，則x - y 的表示及溢出標識OF是——
解：【x】原 = 0011 1111 ，[y]原 = 1001 1111 ，
【x】補 = 0011 1111 [y]補 = 1110 0001，[-y]補 = 0001 1111
【x-y】 = 【x】補 +【-y】補 = 5EH ，沒有溢出 OF =0
例二：溢出判斷：進位丟棄最高位不一定溢出，超出表示范圍才算溢出，（當最高位進位與符號位進位的值不同是才溢出，可能是正負反轉）
浮點數：
IEEE754標准：
規格化后的短浮點數的真值為：（-1）^s X 1.M X 2^(E-127)
浮點數的加減運算：對階，尾數相加，規格化，舍入，判溢出
溢出：階碼是否超出了表示范圍
注意C語言中運算以補碼表示運算
例一：浮點數加減運算以及溢出判斷
浮點數的階碼和尾數均采用補碼表示，且位數分別為5位和7位（均含2位符號位），數X=2^7 * 29/32
Y = 2^5 * 5/8 ，則用浮點加法計算X + Y 的最終結果為——
解：x = 00,111；00,11101 y= 00 ,101; 00,101
1:對階：小階向大階看起：y = 00,111；00,00101
2:尾數相加 00,11101
+ 00,00101
——————
01,00010
3：規格化：尾數右移一位，階碼加一 01,000；00,10001
4：判溢出：階碼符號位為01 溢出
三：存儲系統
體系結構化層次：
基本概念：
邊界對齊：
大端小端存儲方式：
- 大端：最高字節地址是數據地址（0123存成0123）
- 小端：最低字節地址是數據地址（0123存成3210）
1：存儲器月CPU的鏈接
（1）主存容量擴展：
字擴展：
位擴展：
字位同時擴展：
（2）雙口RAM與多模塊存儲器
雙端口RAM
兩個端口對同一主存：可同時讀，不可同時寫，也不能邊讀邊寫
多提並行存儲器
高位交叉編址：
地位交叉編址：
2：半導體存儲器：
（1）隨機存儲器
DRAM存儲器的刷新
分散刷新：
集中刷新：
異步刷新：
（2）只讀存儲器ROM
MROM（掩膜式只讀存儲器）：
PROM（一次可編程只讀存儲器）
EPROM（可編程可擦除）
FlashMermory（閃存存儲器）：U盤
固態硬盤
3：Cache
（1）地址映射方式：
全相連：主存字塊標記|字塊內地址
直接映射：
組相連：
（2）替換算法：
隨機
先入先出
最近最少使用（LRU）
最不經常使用（LFU）
（3）寫策略
命中：全寫法 和寫會法
不命中：寫分配法和非寫分配法
4：虛擬存儲器
解決主存容量不足，希望向程序員提供更大的編程空間
頁式虛擬存儲器
轉換：虛擬地址= 虛擬頁號+頁內偏移------->物理頁號+頁內偏移
段式虛擬存儲器
段頁式虛擬存儲器
快表TLB：
頁表，段表放在主存中，收到虛擬地址后先訪問主存，查詢頁表段表進行虛實地址轉換
四：總線
1：基本概念
總線：一組能為多個部件分時共享的公共信息傳送線路
總線特性：機械特性（尺寸，形狀，管腳數），電氣特性（傳輸方向和有效的電平范圍），功能特性（每根傳輸線的功能），時間特性（信號的時序關系）
分類：
按數據傳輸格式：串行總線和並行總線
按總線功能：片內總線，系統總線（數據總線，地址總線，控制總線），通信總線
按時序控制方式：同步總線，異步總線
結構：單總線結構，雙總線結構，三總線結構
性能指標：
總線的傳輸周期(總線周期)：一次總線操作所需的時間（包括申請階段、 尋址階段、傳輸階段和結束階段），通常 由若干個總線時鍾周期構成。
總線時鍾周期： 即機器的時鍾周期。
總線的工作頻率：為總線周期的倒數。 實際上指一秒內傳送幾次數據。
總線的時鍾頻率 ： 即機器的時鍾頻率，為時鍾周期的倒數。 若時鍾周期為T，則時鍾頻率為1/T。 實際上指一秒內有多少個時鍾周期。
總線寬度：是總線上同時能夠傳輸的數據位數， 通常是指數據總線的根數
總線帶寬：可理解為總線的數據傳輸率，即單位時間內總線上可傳輸 數據的位數
2：總線仲裁
集中仲裁
鏈式查詢
計數器定時查詢
獨立請求
分布式
3：操作和定時
4：總線標准
系統總線標准：ISA，EISA，VESA，PCI，PCI-Express
設備總線標准：IDE,AGP，RS-232C，USB，SCSI
局部總線標准：
五：中央處理器
1：CPU的功能與結構
2：指令執行過程
3：數據通路的功能的基本結構
主存與CPU之間的數據傳送
CPU從主存讀取指令，實現傳送操作的流程及控制信號為：
(PC)→Bus→MAR PCout和MARin有效，現行指令地址→MAR
1→R CU發讀命令(通過控制總線發出，圖中未畫出)
MEM(MAR)→MDR MDRin有效 MDR
MDR→Bus→IR MDRout和IRin有效，現行指令→IR
4：控制器的功能和工作原理
5：指令流水線
六：指令系統
基本概念
數據通路：執行部件間傳送信息的路徑，分為共享通路和專用通路
指令集：一台機器所有指令的集合
RISC（精簡指令集）和CISC（復雜指令集）
指令字長：指令中包含的二進制位數，有等長指令、變長指令。
指令分類
零地址指令：
一地址指令：訪存2次
二地址指令：訪存3次
三地址指令：訪存4次
尋址方式
指令尋址方式：順序尋址，跳躍尋址
操作數尋址方式：
立即數尋址：地址碼字段是操作數本身 MOV AX, 200H
寄存器尋址：地址碼字段是寄存器地址 MOV AX, BX
直接尋址：地址碼字段是內存地址 MOV AX, [200H]
間接尋址：地址碼字段是內存地址的地址 MOV AX, I[200H]
寄存器間接尋址：地址碼字段是存內存地址的寄存器地址 MOV AX, [BX]
相對尋址：操作數地址 + 當前PC的值
基址尋址：操作數地址 + 基址寄存器的值（一段程序中不變） MOV AX, 32[B]
變址尋址：操作數地址 + 變址寄存器的值（隨程序不斷變化） MOV AX, 32[SI]
指令格式：R型指令，I型指令，J型指令
微指令
微指令的編碼方式：目標盡量縮短指令字長
（1）直接編碼方式：無須譯碼，以為代替一個微指令
（2）字段直接編碼：互斥的放在同一字段，留出一個狀態（000）
（3）字段間接編碼
微指令格式
水平型 垂直型
微程序短，速度快 微程序長，速度慢
微指令長，編碼麻煩 微指令端，好編碼
流水線
七：輸入輸出系統
1：IO系統
（1）IO軟件
IO指令：CPU指令的一部分
通道指令
（2）IO硬件：外部設備，設備控制器和接口，IO總線
（3）IO接口
統一編址和獨立編址
（4）IO子系統結構層次
用戶層I/O軟件：實現與用戶交互的接口，用戶可以直接調用在用戶層提供的、與I/O操作有關的庫函數，對設備進行操作。
設備獨立軟件：用於實現用戶程序與設備驅動器的統一接口、設備命令、設備保護以及設備分配與釋放等，同時為設備管理和數據傳送提供必要的存儲空間。
設備驅動程序：與硬件直接相關，負責具體實現系統對設備發出的操作指令，驅動I/O設備工作的驅動程序。
中斷處理程序：用於保護被中斷進程的CPU環境，轉入相應的中斷處理程序進行處理，處理完並恢復被中斷進程的現場后，返回到被中斷進程。
2：IO方式
程序查詢方式
程序中斷方式
中斷：
中斷判優：
中斷隱指令：
關中斷：
保存斷點：
引出中斷服務程序：
DMA方
3：外部設備
輸入設備：鍵盤，鼠標
輸出設備：顯示器，打印機
外存儲器：磁盤，光驅
磁盤存儲器：
記錄密度：道密度（磁盤延半徑方向的磁道數，），位密度（磁道單位長度上能記錄的二進制代碼位數），面密度（位密度與道密度的乘積）
平均存取時間=尋道時間（磁頭移動到目的磁道）+旋轉延遲時間（磁頭固定到所在扇區）+傳輸時間（傳輸數據所花的時間）
數據傳輸率：單位時間內向主機傳送數據的字節數
磁盤陣列：
RAID0：無冗余和無校檢的磁盤陣列，條帶均勻分布
RAID1：以鏡像為冗余方式
RAID2：糾錯海明碼
RAID3：位交叉奇偶校檢
RAID4：塊交叉奇偶校檢
RAID5：無獨立校檢的奇偶校檢
八：專題專解
1：各種實現
程序查詢：純軟件
程序中斷：軟件傳遞+硬件中斷
DMA：純硬件
通道：軟硬件結合
中斷系統：隱指令（硬件）中斷程序（軟件）
時鍾管理：專用統一計數器
地址映射：寄存器+加法器+其他
計算專題：
