计算机系统基础梳理

第一章计算机系统概述计算机系统的组成：硬件子系统:运算器、控制器、存储器、I/O设备、总线（数据线控制线地址线）软件子系统:系统软件（操作系统语言处理系统（汇编程序：汇编语言源程序→机器语言目标程序 编译程序：高级语言源程序→机器级目标程序 解释程序将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不生成目标文件）数据库管理系统各类实用程序）、应用软件计算机系统的分层结构:应用算法编程语言操作系统/虚拟机指令集体系结构微体系结构功能部件电路器件计算机系统的基本功能:数据处理数据存储数据传送

计算机组织和系统结构概念计算机发展简史:冯诺伊曼机器结构:1采用存储程序的工作方式2计算机由运算器控制器存储器输入设备和输出设备5个基本部件组成3存储器不仅能存放数据还能存放指令(形式上无区别)控制器应能自动执行指令运算器能进行加减乘除和逻辑运算操作人员能通过输入输出设备使用计算机4计算机内部以二进制形式表示指令和数据每个指令由操作码(指出操作类型)和地址码(指出操作树的地址)两部分组成由一串指令组成程序工作方式：将程序像数据一样存储到计算机内部存储器中的一种设计原理。程序存入存储器后，计算机便可自动地从一条指令转到执行另一条指令

CPU：基本组成部分数据通路(算术和逻辑运算寄存器和存储器的读写控制)和控制器(对指令进行译码生成对应的控制信号)存储器:存储器分为内存(主存储器MM和高速缓冲存储器cache(早期没有))和外存(辅助存储器(磁盘和固态)和海量后备存储器(磁带和光盘))CPU:控制器算术逻辑部件(ALU)寄存器堆(也称通用寄存器组或者寄存器文件)I/O桥接器不同IO总线连接到I/O桥接程序的执行过程:预处理阶段编译阶段汇编阶段链接阶段启动和执行一个程序的过程: 

计算机的性能:CPU执行时间、时钟周期、CPI(指令执行所需要的周期数)、MIPS (每秒执行多少百万条指令)频率除上平均CPI    摩尔定律：每18个月价格降低一半 集成度高一倍 性能提高一倍

第二章数据的机器级表示数值数据的三要素:进位计数制、定浮点和编码。B二O八D十H十六

数据存储的大端与小端:大端是正常的顺序存储(MSB在高地址上)  小端是反向的存储(LSB在低地址上)

浮点数的表示:符号(0)阶码(1~8移码127)尾数(9~31)范围：2^-129~(1-2^-24)*2^127正负对称IEEE754

1 8 23 127／1 11 52 1023特殊表示:全0阶码全0尾数+0/-0；全0阶码非0尾数0.f*2^-126非规格化；全1阶全0尾数正负无穷；全1阶非0尾数 NaN

第三章ARM寻址与指令系统 高级程序语言转换为机器代码的过程:预处理编译汇编链接。处理器的模式：用户、系统、快中断、中断、管理、中止、未定义（31+6状态）R14保存子程序返回地址；eg:程序A执行过程中调用程序B；程序跳转至标号L，执行程序B。同时硬件将“BL  Lable”指令的下一条指令所在地址存入R14（LR）程序B执行最后将R14寄存器的内容放入PC，返回程序A；MVN数据取反传送指令(位反)ADC带进位加法指＋RSB反向减法指令RSC带借位的反向减法指令（－！carry）EOR异或

第五章程序的执行——指令流水线指令CPU的执行过程:取指令指令译码计算源操作数地址并取操作数执行数据操作计算目的操作数地址并存结果计算下一条指令的地址。适合流水线的指令集特征:指令长度基本上是一致的指令格式尽量是规范的采用load和store的指令风格。流水线冒险：结构冒险、数据冒险、控制冒险；数据通路:指令执行过程中数据经过的路径包括路径中的部件他是指令的执行部件。控制器的功能：对指令进行译码生成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作。能对执行部件发出控制信号。数据通路的基本结构:组合逻辑元件(操作元件)、时序逻辑元件(状态元件、存储元件)。元件之间的连接方式：总线连接方式、分散连接方式。数据通路是如何构成的：由操作元件何存储元件通过总线或者分散方式进行连接而成。数据通路的功能：进行数据存储、处理、传送。总结：数据通路是由操作元件和存储元件通过总线或者分散方式连接而成的进行数据存储、处理、传送的路径。指令流水线的作用: 流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，指令控制器完成了对第一条指令的处理后, 不等待运算器完成后续的处理直接开始对第二条指令的处理.指令流水线的基本原理流水线系统最大限度地利用了CPU资源，使每个部件在每个时钟周期都工作，大大提高了效率，提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。时钟周期(通过组合逻辑时间加上寄存器时间作为一个周期)吞吐率：1/T(1/(Tps*10^-12))GPIS

第六章存储器的分层结构层次设计的原因：单一元件制造的存储器很难同时满足大容量、高速度和低成本的要求，比如SRAM的存储器速度快但是难以构成大容量存储器，大容量低成本的磁表面存储器的存取速度又远远低于半导体存储器，因此，计算机有必要把各种不同容量和不同存取速度的存储器按照一定的结构有机地组织在一起，形成层次化的存储器结构。层次化体系结构：寄存器高速缓存cache主存储器RAM和ROM辅助存储器(硬盘)海量后备存储器(磁带库光盘库)层次存储的优点：价格便宜，速度更快，存储容量更大。程序访问的局限性(程序产生的地址往往集中在一个比较小的范围内)可分为时间局部性(单个存储单元在较短时间内对次被访问到)和空间局部性(某个存储单元的邻近单元在一个较短时间间隔内被多次访问)cache直接、全相联、组相联。高速缓存：设计原理时间局部性和空间局部性映射方式：直接（每个主存块映射到Cache的固定行）全相联（每个主存块映射到Cache的任一行）组相联（每个主存块映射到Cache固定组中任一行）访问过程：根据地址中间3位001，找到cache第一组，将标记 与第一组中两个cache行的标记同时进行比较。若有一个相等并且有效位是1，则命中，此时，根据低 位块内地址从对应行中取出单元内容送cpu，若都不相等或者、有一个相等但有效位为0，则不命中，此时，将 单元所在的主存第 块复制到cache第 组的任意一个空闲行中，并且置有效位为1，置标记为

第八章I/O操作I/O调用一个printf()函数(属于用户程序)的具体执行过程:用户程序调用printf()(属于标准函数库)，printf()继续调用write()函数（属于系统调用封装函数）write()函数通过一系列函数在内核中找到write对应的系统调用服务例程来执行(完成从用户状态到内核态执行)I/O子系统的工作过程:CPU在用户态执行用户进程，当CPU执行到系统调用封装函数对应的指令序列中的陷阱指令时，会从用户态陷入内核态，CPU根据陷阱指令执行时EAX寄存器中的系统调用号，选择执行一个对应的系统调用服务例程，在系统调用历程的执行过程中可能需要调用具体设备的驱动程序；在设备驱动程序执行过程中启动外设工作，外设准备好后发出中断请求，CPU响应后调出中断服务程序执行，在中断程序服务条件历程中控制主机与设备进行具体的数据交换。中断服务程序中断过程包括:中断响应和中断处理。中断服务程序：准备阶段、处理阶段、恢复阶段。过程：保护现场和旧屏蔽字、设置新屏蔽字、开中断、处理阶段(具体的中断服务)、关中断、恢复现场和旧屏蔽字、清楚中断请求、开中断、返回。在内核态中执行的内核空间I/O软件主要包括三个层次，分别是与设备无关的操作系统软件、设备驱动程序和中断服务程序。具体I/O操作是通过设备驱动程序或中断服务程序.中断控制程序与DMA控制I/O方式./* 设备驱动程序：驱动程序完成用户程序的I/O请求后才结束 驱动程序启动第一次I/O操作后，将调出其他进程执行，而当前用户进程被阻塞 驱动程序对DMA控制器初始化后，便发送“启动DMA传送”命令，外设开始进行I/O操作并在外设和主存间传送数据中断服务程序：中断控制和DMA控制两种方式下都需进行中断处理 中断控制方式：中断服务程序主要进行从数缓器取数或写数据到数缓器，然后启动外设工作 DMA控制方式：中断服务程序进行数据校验等后处理工作） I/O硬件 设备控制器：通过发送命令字到I/O控制寄存器来向设备发送命令 通过从状态寄存器读取状态字来获取外设或I/O控制器的状态信息 通过向I/O控制器发送或读取数据访问数据缓冲寄存器来和外设进行数据交换 将I/O控制器中CPU能够访问的各类寄存器称为I/O端口（数据 状态 控制） 对外设的访问通过向I/O端口发命令、读状态、读/写数据来进行输入输出方式：程序直接控制（最简单）无条件传送：对简单外设定时（同步）进行数据传送条件传送：CPU主动查询，也称程序查询或轮询（Polling）方式（简单、易控制、外围接口控制逻辑少；CPU与外设串行工作，效率低、速度慢，适合于慢速设备；查询开销极大 CPU完全在等待“外设完成” 完全串行或部分串行，CPU用100%的时间为I/O服务）中断I/O: 若一个I/O设备需要CPU干预，它就通过中断请求通知CPU，CPU中止当前程序的执行，调出OS（中断处理程序）来执行，处理结束后，再返回到被中止的程序继续执行（中断 响应 处理）（条件：CPU处于开中断状态 在一条指令执行完 至少要有一个未被屏蔽的中断请求）通常在指令执行结束时查询有无中断请求，有则立即响应；而异常发生在指令执行过程中，一旦发现则马上处理。 DMA:磁盘等高速外设成批地直接和主存进行数据交换需要专门的DMA控制器控制总线，完成数据传送。数据传送过程无需CPU参与需要初始化DMA传送结束时，要通过“DMA结束中断”告知CPU响应所有用户程序提出的I/O请求，最终都通过系统调用实现 通过系统调用封装函数中的陷阱指令转入内核I/O软件执行 内核空间I/O软件实现相应系统调用的服务功能*/I/O端口的概念:I/O接口中的各种寄存器（数据R，状态和控制R）编址方式：独立编址（与主存空间分别编码）有专门的I/O指令统一编址（与主存空间统一编码也称存储器映射方式）没有I/O指令