第一章 计算机组成与体系结构

前言

           本系列文章为观看视频所做的笔记。

视频链接如下：2. 2.01 计算机组成与体系结构前言_哔哩哔哩_bilibili

目录

 前言

 章节提要

 一、 数据的表示（进制的转换）

 二、数据的表示（原码反码补码移码）

 三、数据的表示（浮点数运算）

四、CPU结构（运算器与控制器的组成）

五、Flynn分类法简介

六、 CISC与RISC

七、流水线

八、计算机层次化存储结构

九、Cache的基本概念

十、时间局部性和空间局部性

十一、随机存储器与只读存储器

十二、磁盘工作原理

十三、计算机总线

十四、计算机可靠性相关计算

十五、校验码

---

章节提要

占比6分

需要掌握：进制转换、原码反码补码移码、CPU如何划分（区分清楚）以及各部分功能、CISC与RISC特点的区分、流水线特点及相关计算、存储系统相关计算、总线的分类和概念、可靠性计算、校验码的作用、各校验码的特点、运算过程以及编码解码过程。

一、 数据的表示（进制的转换）

1、R进制转十进制使用按权展开法

 2、十进制转R进制使用短除法(余数从下往上排列）

3、二进制转八进制与十六进制

 1）每三位二进制对应一位八进制（从右往左分隔，不足补0）

 

 2）每四位二进制对应一位十六进制（十六进制数10以后用A、B、C、...代替）

 二、数据的表示（原码反码补码移码）

 

 1、原码：数的二进制表示形式，并且不足32位补成32位。（第一位为符号位，0代表正数，1代表负数）

2、反码：正数的反码等于原码，负数的反码等于原码符号位不变，其余位按位取反得到。

3、补码：正数的补码等于原码，负数的补码等于反码加1的结果。

4、移码：正数和负数的移码均等于补码首位取反的结果，被用作浮点运算的阶码。

5、数值表示范围：（n为字长，原码和反码正0负0占两个编码）

 三、数据的表示（浮点数运算）

1、浮点数的表示：

2、浮点数运算步骤：

（对阶：低阶向高阶对齐） 

 四、CPU结构（运算器与控制器的组成）

 1、运算器

1）算术逻辑单元（ALU）：处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

2）累加寄存器（AC）：当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

3）数据缓冲寄存器（DR）：暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字，将不同时间段内读/写的数据隔离开来。主要作用有：作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站；作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲；在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。

4）状态条件寄存器（PSW）：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，主要分为状态标志和控制标志。

2、控制器

1）指令寄存器（IR）：当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，再送入IR暂存。

2）程序计数器（PC）：CPU自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。

3）地址寄存器（AR）：AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

4）指令译码器（ID）：对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。

五、Flynn分类法简介

六、 CISC与RISC

七、流水线

 1、流水线的基本概念

 

 

 

 2、流水线计算

 3、流水线吞吐率计算

1）吞吐率基本概念：

2）流水线最大吞吐率： 

 4、流水线的加速比

5、流水线的效率

 1）基本概念：

2）计算公式：

 

 （每一个工作段时长相等的流水线效率最高）

八、计算机层次化存储结构

 （从上到下储存容量增大）

（Cache不是必须的，但是有了它，速度得到极大提高）

九、Cache的基本概念

1、Cache相关内容：

 2、命中率与失效率：

 （Cache容量越大，则命中率越高。（非线性提高））

十、时间局部性和空间局部性

1、时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行;如果某数据被访问过，不久以后该数据可能再次被访问。原因：在程序中存在着大量的循环操作。（被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中））。

2、空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，原因：指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。（如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用）。

3、工作集理论：工作集是进行运行时被频繁访问的页面集合。

十一、随机存储器与只读存储器

1、主存可分为随机存储器和只读存储器

 2、主存编址

存储单元个数=最大地址-最小地址+1

总容量=存储单元个数*编址内容（字节/字）=单位芯片容量*芯片数

1B（字节）=8bit

1K=2^10

1M=2^10K=2^20

1G=2^10M=2^20K=2^30

十二、磁盘工作原理

磁头定位到磁道来读取信息 。

存取时间=寻道时间+等待时间（平均定位时间+转动延迟）

注：寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区（物理块）转到磁头下方所用的时间。

单缓存区只能等缓存区的数据处理完才能对下一个数据进行读取（需再转一圈回来）。

十三、计算机总线

总线分为三种类型：内部总线、系统总线、外部总线

1、内部总线通常指微机内部各个外围的芯片与处理器之间的总线（芯片级别）。

2、系统总线指微机中各个插件板和系统板之间的总线（插件板级别）。eg.PCI接口

1）数据总线（DB）：用来传送数据信息，是双向的。

2）地址总线（AB）：用来传送CPU发出的地址信息，是单向的。

3）控制总线（CB）：用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

3、外部总线指微机和外部设备的总线。

十四、计算机可靠性相关计算

R代表可靠性，λ代表失效率

1、串联系统

 2、并联系统

注：μ为系统的失效率，但不建议使用此公式，可以算出系统可靠性后用1来减去系统可靠性求得 。

3、模冗余系统与混合系统（不常考）

注：m 代表子系统总个数，n+1代表只要有n+1或n+1个以上的子系统能正常工作，系统就能正常工作。

十五、校验码

1、检错和纠错

检错是指可以检查出错误；纠错是指可以在检查出错误的基础上纠正错误。

2、码距

一个编码系统的码距是整个编码系统中任意（所有）两个码字的最小距离。（也就是改变最少位数变成另一个合法码字的这个位数就是码距的长度）。

3、码距与检错、纠错的关系 

 4、循环校验码CRC（可检错不可纠错）

1）原理：利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位拼接在尾部来进行编码。

2）模2除法：指在做除法运算的过程中不计其进位的除法。

除数几位取被除数前几位，然后上商，对下面数进行按位异或

模2除法过程：

 普通除法过程：

注：上述数字均为二进制数。 

3）生成多项式转二进制形式：x的多少次方指示对应二进制位是0还是1，即若存在x的几次方，2的几次方的二进制位就为1，否则为0。eg.x^4+x^3+x+1对应的二进制形式为11011。

在原始报文后补生成多项式对应二进制位数减1个0，然后用其除生成多项式对应的二进制形式的数，最后把余数替换一开始所补的0，得到CRC编码。（得到的CRC编码与生成多项式的二进制形式的数的模2除法余数为0）。

5、海明校验码（既可检错也可纠错）

1）校验位在完成后的信息编码的2的次方位置上，其他位为信息位（数据位）。

设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足：2^k-1>=n+k。

2）校验位数字的确定（信息位数字即为信息中对应位上的数字）：将信息位的位数写成2的次方之和的形式，2^n位上的校验位的数等于信息位的位数拆成2的次方后包含2^n的信息位的数字的异或。例题如下

3）检错纠错方法：按原本产生校验位的方法产生校验位，与收到信息的校验位进行按位异或，若结果为0，则无错；若存在1，则哪位有1哪位出错了，将对应为数字取反就可纠正。