計算機的硬件組成：
運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。
CPU （中央處理單元）由運算器、控制器、寄存器組和內部總線組成
功能：實現程序控制、操作控制、時間控制、數據處理功能。
運算器組成：（執行加減乘除、與或非比較）
1、算術邏輯單元ALU（對數據的算數和邏輯運算）
2、累加寄存器AC（運算結果或源操作數的存放區）
3、數據緩沖寄存器DR（暫時存放內存的指令或數據）
4、狀態寄存器PSW（保存指令運行結果的條件碼內容，如溢出標志）
控制器組成：（程序控制、時序控制）
1、指令寄存器IR（暫存CPU執行指令）
2、程序計數器PC（存放指令執行地址）
3、地址寄存器AR（保存當前CPU所訪問的內存地址）
4、指令譯碼器ID（分析指令操作碼）
二進制用0b表示 =》 0b0011
十六進制用0x或H表示 =》 0x18F 或 18FH
R進制轉10進制：（位權展開法）
如：6進制5043 =》 3*6^0 + 4*6^1 + 0*6^2 + 5*6^3
十進制轉R進制：（除以R倒取余數）下至上記錄 左至右順序
如：10進制200轉6進制 =》 200/6=33...2 , 33/6=5...3 , 5/6=0...5 => 得532
m進制轉n進制：先m進制轉成10進制，10進制轉n進制。
例外：2進制轉8進制、2進制轉16進制 可以直接轉化
二進制轉八進制：（每3位二進制數轉化為 1位八進制數）
二進制數 01101有五位，前面補一個0就有六位，001 101。
001 = 1 ， 101 = 1*2^0 + 0*2^1 + 1*2^2 = 5 =》 得八進制為：15
二進制轉十六進制：（每4位二進制數轉化為 1位十六進制數）
二進制數101101，補位得0010 1101。
0010 = 2， 1101 = 13 = D =》 得十六進制為：2D
小數部分進制轉化 暫略。
數的表示：
機器數：數值在計算機中的表示形式，使用二進制計數制，數的符號用0和1表示，小數點隱含，不占位置。
機器數分為 帶符號數 和 無符號數。帶符號數最高位為符號位，正數符號位為0，負數符號位為1。
數的編碼方式：（帶符號數有以下編碼方式）
原碼：一個數的正常二進制表示，最高位表示符號，數值0的源碼有兩種形式：+0（0 0000000）和 -0（1 0000000）
反碼：正數的反碼=原碼 ， 負數的反碼在符號位的基礎上按位取反。0的反碼也有兩種形式：+0（0 0000000）和 -0（1 1111111）
補碼：正數的補碼=原碼，負數的補碼 = 反碼 +1 ，若有進位則產生進位，0的補碼只有一種：+0 = -0 = （000 0000）
移碼：無論正數還是負數，將該原碼的補碼的首位（符號位）取反得到移碼
例子：數的機器子長為8，
45的原碼、反碼、補碼 = 0010 1101、移碼 1010 1101
-45的原碼 = 1010 1101、反碼 = 1101 0010、補碼 = 1101 0011、移碼 = 0101 0011
浮點數表示：
N = F * 2^E，E為階碼，F稱為尾數。類似10進制科學計數法。
二進制如：101.011 = 0.101011 * 2^3
階碼為帶符號的純整數，尾數為帶符號的純小數，符號占最高位（正數0負數1）
浮點數所能表示的數值范圍由階碼確定，所表示的精度由尾數確定。
例子：帶符號位的1.0xxxxx 或 0.1xxxxx
浮點數的運算：
1、對階（使兩個數的階碼相同，小階向大階看齊，較小的階碼增加幾位，尾數就右移幾位）
2、尾數計算（相加，若是減運算，則加負數）
3、結果規格化（尾數表示規格化，帶符號尾數轉換為1.0xxxx 或 0.1xxxx）
算術運算和邏輯運算：
數與數的運算：加減乘除、對於二進制還有邏輯運算。
邏輯與&&：一個為0，結果為0，一個為1，結果為1。
邏輯或||：一個為1，結果為1，兩個都為0，才為0。
異或：同 0 ，非 1
邏輯非！：0的非是1，1的非是0
邏輯左移<<：二進制數整體左移，高位若溢出，則舍去，低位補0。
邏輯右移>>：二進制數整體左移，低位若溢出，則舍去，高位補0。
校驗碼：
碼距：從A碼到B碼轉換所需要改變的位數稱為碼距，一般來說碼距越大，越利於糾錯和檢錯。
（1）單個編碼A：00 ，碼距為1；
（2）在兩個編碼中，A：00要轉換為B：11，碼距為2。
奇偶校驗碼：在編碼中增加1位校驗位來使編碼中1的個數變為奇數（奇校驗）或者偶數（偶檢驗），從而使碼距變為2。
例子：編碼 01101，使用奇校驗，編碼成011010。（規則是1的個數為奇數個）
偶檢驗同理，只是編碼中有偶數個1，奇偶校驗只能檢1位錯，並且無法糾錯。
循環冗余校驗碼CRC：
CRC只能檢錯，不能糾錯，其原理是找出一個能整除多項式的編碼，將原始報文除以多項式，將所得的余數作為檢驗位加在原始報文之后，作為發送數據發給接收方。
CRC由兩部分組成，左邊為信息碼（原始數據），右邊為校驗碼，檢驗碼是由信息碼產生的，校驗碼位數越長，校驗能力越強。求CRC編碼時，采用的是模2運算（按位運算，不發生借位和進位）。
例子：原始報文為：11001010101，生成多項式為：x^4+x^3+x+1（得11011，根據是否有x^k得來）
（1）首先根據多項式得出除數11011，在原始多項式后面加上多項式最高指數個數個0，即4個0
（2）和除數進行模2除法（同0非1），被除數一直上1，最終得出四位的余數為0011。
（3）最終編碼為11001010101 0011，然后發送出去。
（4）接收方將收到的數據110010101010011與多項式的11011進行模2運算，若余數為0，說明校驗正確，數據傳輸正確。
海明校驗碼：
海明碼：本質也是利用奇偶性來檢錯和糾錯的檢驗方法，構成方法是在數據位之間確定的位置上插入k個校驗位，通過擴大碼距實現檢錯和糾錯。
設數據位是n位，校驗位是k位，則n和k必須滿足：2^k-1 >= n+k
例：求信息1011的海明碼
（1）校驗位的位數和具體的數據位的位數之間的關系：所有位都編號，從最低位編號開始，從1開始遞增，校驗位處於2的n次方中，即處於第1,2,4,8,16,32，...位上，其余位才能填充真正的數據位。
（2）若信息數據為1011，則第1,2,4位為校驗位，第3,5,6,7位為數據位，用來從低位開始存放1011。
（3）每一位校驗碼的計算公式：
1、將信息位拆分為二進制表示方式，如7=4+2+1，由第4校驗位(r2)、第2校驗位(r1)、第1校驗位(r0)共同校驗，同理，6=4+2，5=4+1，3=2+1
2、2^n都是校驗位，可知，第4位校驗位校驗第7 6 5三位數據位，因此第4位校驗位r2等於這3位數據位的值得異或。（第2校驗位和第1校驗位原理同上）。
3、計算完成后結果為：1010101。
檢錯和糾錯原理：
（1）接收方接收到海明碼后，會將每一位校驗位與其校驗的位數分別異或，
如果是偶校驗，那么運算結果應該全為0，如果是奇校驗，應該全為1，才是正確的。
假設是偶校驗，且接收到的數據為1011101（第4位出錯），此時，運算的結果為：
這里不全為0，表明傳輸過程有誤，並且按照r2r1r0排列為二進制100，這里指出的就是錯誤的位數，表示第100，
發現錯誤位置的方法就是二進制100轉換成十進制4，就是第4位出錯，糾錯方法就是將該位逆轉。
計算機體系結構分類
Flynn分類法：
（1）SISD 單指令流單數據流，
（2）SIMD 單指令流多數據流，各處理器以異步的形式執行同一條指令，如：並行處理機、
（3）MISD 多指令流單數據流，被證明不可能，
（4）MIMD 多指令流多數據流，
指令流對應控制部分，數據流對應處理器。
計算機指令：
計算機指令的組成：由操作碼和操作數兩部分組成。
操作碼：要完成的操作
操作數：參加運算的數據及其所在的單元地址
計算機指令執行過程：取指令--分析指令--執行指令三個步驟：
（1）將程序計數器PC中的指令地址取出，送入地址總線，
（2）CPU依據指令地址去內存中取出指令內容存入指令寄存器IR，
（3）由指令譯碼器進行分析，分析指令操作碼，
（4）執行指令，取出指令執行所需的源操作數。
指令尋址方式：
（1）順序尋址方式，當執行一段程序時，是一條指令接着另一條指令地順序執行
（2）跳躍尋址方式，下一條指令的地址碼不是由程序計數器給出，而是由本條指令直接給出。程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執行。因此程序計數器的內容也必須相應改變，以便及時跟蹤新的指令地址。
指令操作數的尋址方式：
（1）立即尋址方式：指令的地址碼字段指出的不是地址，而是操作數本身。
（2）直接尋址方式：指令的地址字段中直接指出操作數在主存中的地址。
（3）間接尋址方式：指令地址字段所指向的存儲單元中存儲的是操作數的地址。
（4）寄存器尋址方式：指令中的地址碼是寄存器的編號。
指令系統：
（1）CISC（復雜指令系統），指令數量多，使用頻率差別大2,8，可變長格式，尋址方式支持多，微程序控制技術，兼容性強。
（2）RISC（精簡指令系統），指令數量少，使用頻率接近，定長格式，大部分單周期指令，尋址方式少，增加了通用寄存器，采用硬布線邏輯控制為主，適合采用流水線，優化編譯，有效支持高級語言。
指令流水線：
指令分成不同段，每段由不同的部分去處理，因此可以產生疊加的效果，所有的部件去處理指令的不同段。
流水線相關計算：
流水線周期：（一條指令開始到下一條指令的最晚開始時間）指令分成不同執行段，其中執行時間最長的段為流水線周期。
流水線執行時間：1條指令總執行時間 +（總指令條數-1）* 流水線周期。
流水線吞吐率：總指令條數 / 流水線執行時間
流水線加速比：不使用流水線總執行時間 / 使用流水線總執行時間
注意：1秒=10^9納秒，k段流水線，時間t，那么1條指令總執行時間為kt。
超標量流水線技術：常規流水線是度為1的，即每個流水線階段只執行一個部分，當度大於1，就是超標量技術。
當度為3時，相當於3條流水線並行執行，即取指、分析、執行每個階段都同時處理3條指令，因此，當題目提到度的概念時，計算時需要將：指令條數=指令條數 / 度，然后再套流水線執行時間的公式。
存儲系統
兩級存儲：Cache-主存，主存-輔存（虛擬存儲體系）
局部性原理：在cpu運行時，所訪問的數據會趨向於一個較小的局部空間地址內。
時間局部性原理：相鄰的時間里會訪問同一個數據項。
空間局部性原理：相鄰的空間地址會被連續訪問。
高速緩存Cache
高速緩存Cache用來存儲當前最活躍的程序和數據，直接與CPU交互，位於CPU和主存之間，容量小，速度為內存的5-10倍，內容是主存內存的副本拷貝，對於程序員來說是透明的。
Cache由控制部分和存儲器組成，存儲器存儲數據，控制部分判斷cpu要訪問的數據是否在Cache中，在則命中，不在則依據一定的算法從主存中替換。
地址映射：在CPU工作時，送出的是主存單元的地址，而應從Cache存儲器中讀/寫信息。這就需要將主存地址轉換為Cache存儲器地址，這種地址的轉換稱為地址映像，由硬件自動完成映射，分為以下三種：
（1）直接映射：將Cache存儲器等分成塊，主存也等分成塊並編號。主存中的塊與Cache中塊的對應關系是固定的，也即二者塊號相同才能命中，最容易發成沖突。
（2）全相聯映像：同樣都等分成塊並編號。主存中任意一塊都與Cache中任意一塊對應。最不容易發生塊沖突的映像方式。
（3）組組相連映像：前面兩種方式的結合，將Cache存儲器先分塊再分組，主存也同樣先分塊再分組，組間采用直接映像，即主存中組號與Cache中組號相同的組才能命中，但是組內全相聯映像，也即組號相同的兩個組內的所有塊可以任意調換。
Cache置換算法：
（1）隨機算法。簡單地根據一個隨機數，選擇一塊替換掉。
（2）先進先出算法。按調入Cache的先后決定淘汰的順序，在需要更新時，將最先進入cache的塊作為被替換的塊。
（3）近期最少使用LRU，把CPU近期最少使用的塊作為被替換的塊。隨時記錄cache中各塊使用情況。
（4）最不經常使用頁置換LFU，置換引用計數最小的頁，LFU復雜度以及計數器規模都比比LRU大。LRU只關注近期訪問情況，而LFU會統計累計訪問次數作為淘汰的依據。
主存編址：
地址編號從80000H到BFFFFH且按字節編址的內存容量為（）KB，若用16K*4bit的存儲器芯片構成該內存，共需（）片。
1、1K = 1024 ，1Byte字節 = 8bit位，內存單元個數*內存單元大小。
內存單元個數 = 末地址 - 首地址 + 1。
C0000H - 80000H = 40000H，按字節編址 = 每個內存單元占1字節，按雙字節編址則*2。
40000HB * 1B = 4*16^4 = 4 * (2^4)^4 = 4*2^16 = 2^18 B = 2^8KB ，（ 2^10 = 1024）
2、16K*4bit = 8KB = 2^13B ，2^18 / 2^13 = 32
磁盤結構：
磁盤有正反兩個盤面，每個盤面有多個同心圓，每個同心圓是一個磁道，每個同心圓又被划分為多個扇區，數據就被存放在一個個扇區中。
磁頭首先要尋找到對應的磁道，然后等待磁盤進行周期旋轉，旋轉到指定的扇區，才能讀取到對應的數據，因此，會產生尋道時間和等待時間。
存取時間 = 尋道時間 + 等待時間（平均定位時間+轉動延遲）
注意：尋道時間是指磁頭移動到磁道所需的時間；等待時間為等待讀寫的扇區轉到磁頭下方所用的時間。
總線結構：
任何連接兩個以上電子元器件的導線都可以稱為總線。通常分為以下三類：
內部總線：內部芯片級別的總線，芯片與處理器之間通信的總線。
系統總線：板級總線，用於計算機內各部分之間的連接，具體分為數據總線（並行數據傳輸位數）
地址總線：系統可管理的內存空間大小
控制總線：傳送控制命令，ISA總線、EASI總線、PCI總線。
外部總線：設備一級的總線，微機和外部設備的總線，RS232（串行總線）SCSI（並行總線）USB（通用串行總線）
串行總線：適合長距離低速數據傳輸
並行總線：適合短距離高速數據傳輸
半雙工/全雙工：同一時間只有1個還是兩個方向上數據傳輸。
系統可靠性分析：
平均無故障時間MTTF = 1/失效率
平均故障修復時間MTTR = 1/修復率
平均故障間隔時間MTBF = MTTF + MTTR
系統可靠性 = MTTF / (MTTF + MTTR) * 100%
串聯系統：一個設備不可靠，整個系統奔潰：R = R1 * R2 * ... * Rn
並聯系統：所有設備都不可靠，整個系統奔潰（先計算不可靠時間）：R = 1- (1 - R1)*(1 - R2)* ... *(1-Rn)
混合系統：划分串聯、並聯。
例題：
