1. 计算机系统基础知识

1.1. 计算机系统硬件基本组成

• 硬件
  中央处理器（CPU）硬件系统的核心

运算器 控制器

存储器（记忆设备）

内部存储器（速度高，容量小）：临时存放程序、数据及中间结果

外部存储器（速度慢，容量大）：长期保存程序和数据

外设（外部设备）
输入设备：输入原始数据及各种命令
输出设备：输出计算机运行结果

软件

1.2. CPU的功能与组成

中央处理单元(CPU)：计算机系统的核心部件，它负责获取程序指令，对指令进行译码并加以执行。

1.2.1. CPU的功能

程序控制：通过执行指令来控制程序的执行顺序。

操作控制：一条指令功能的实现需要若干个操作信号配合来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号
送往对应的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

时间控制：CPU对各种操作进行时间上的控制，即在指令执行过程中操作信号的出现时间，持续时间及出现的
时间顺序都需要进行严格的控制。

数据处理：CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们所利
用。所以，对数据的加工处理也是CPU最根本的任务CPU还需对系统内部和外部的中断（异常）做出响应，进行相应的处理。

1.2.2. CPU的组成

(1) 运算器（是数据加工处理部件，用于完成计算机的各种算术和逻辑运算）：运算器所进行的全部操作都是由
控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

功能：
执行所有算术运算，如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。
执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、零值测试或两个值的比较等。

组成

算术逻辑单元(ALU)：负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

累加寄存器(AC)：简称累加器，是一个通用寄存器。暂存算术运算或逻辑运算的中间运算结果。

数据缓冲寄存器(DR)：暂存指令或数据字或操作数。

状态条件寄存器(PSW)：保存指令执行后的状态。

(2) 控制器功能

组成：用于控制整个CPU的工作，决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行，而且能够
处理异常事件

指令控制逻辑：要完成取指令、分析指令和执行指令的操作，其过程分为取指令，指令译码按指令操作码执行，形成下一条指令地址等步骤。

指令寄存器(IR)：存放的是从内存中取得指令，就像个中间站一样，不过是存放指令的中间站

程序计数器(PC)：存放的是指令的地址，还有计数的功能

地址寄存器(AR)：存放的是cpu访问内存单元的地址

指令译码器(ID)：是把操作码解析成对应的指令操作

时序控制逻辑：要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号

总线控制逻辑：是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路

中断控制逻辑：用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU

(3) 寄存器组
分类：专用寄存器（运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器）、通用寄存器

b. 非十进制数转为十进制数

二进制转换为十进制
(101.1101)2 = 1x22 + 0x21 + 1x20 + 1x2-1 + 1x2-2 + 0x2-3 + 1x2-4 = (5.8125)10

八进制转换为十进制
(105.236)8 = 1x82 + 0x81 + 5x80 + 2x8-1 + 3x8-2 + 6x8-3 = (69.30859375)10

十六进制转换为十进制
(A27.5C)16 = 10x162 + 2x161 + 7x160+ 5x16-1+ 12x16-2= (2599.359375)10

十进制数转换为非十进制数
整数部分：除N取余，商为0时，将 余数倒序输出
小数部分：乘N取整数,直至积为0(或满足精度)， 整数部分正序输出

十进制转换为二进制

二进制与八进制、十六进制的相互转换

二进制转为八进制（三位一组）

将二进制数从小数点开始分别向左（整数部分）和向右（小数部分）每3位二进制位组成一组，将每一组
内的3位二进制数转换成八进制数码中的一个数字，按顺序连接起来即得八进制表示。不足3位时，对原数值
用0来补足3位。

例如：(001 011 111 . 001)2 = (137.1)8

二进制转为十六进制（四位一组）将二进制数从小数点开始分别向左（整数部分）和向右(小数部分）每4位二进制位组成一组，将每一组内的4位二进制数转换成十六进制数码中的一个数字，按顺序连接起来即得十六进制表示。如果总的位数不是4的倍数，那么最左面的一组可以少于4位，前面用0来补足4位。

例如：(1111 1111 0100 1011)2 = (FF4B)16

2.2. 存储系统

2.2.1. 存储器的分类

按访问方式：按地址访问的存储器、按内容访问的存储器

按储存器所处位置
内存：也称主存，用来存放机器当前运行所需的程序和数据
外存：也称辅存，用来存放当前不参加运行的大量信息，而在需要时调入内存

按存储器的构成材料
磁存储器：用磁介质做成

半导体存储器：
根据所用元件：双极型、MOS型
根据数据：静态、动态
光存储器：利用光学方法读/写数据的存储器

按存储器的工作方式：
读/写存储器( RAM )：既能读取数据也能存入数据

只读存储器
固定只读存储器( ROM )：内容只能读出，不能改变

可编程的只读存储器( PROM )：其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能改变

可擦除可编程的只读存储器( EPROM )：其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以
修改
电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）：与EPROM相似，既可以读出，也可以写入，只不过这种
存储器采用电擦除的方式进行数据的改写

闪速存储器（FM）：简称闪存，其特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM

按寻址方式：
立即寻址：操作数就包含在指令中
直接寻址：操作数存放在内存单元中，指令中直接给出操作数所在存储单元的地址
寄存器寻址：操作数存放在某一寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名
寄存器间接寻址：操作数存放在内存单元中，操作数所在存储单元的地址在某个寄存器中
间接寻址：指令中给出操作数地址的地址
相对寻址：指令地址码给出的是一个偏移量（可正可负)，操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移
量。
变址寻址：操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量

寻址速度：立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址

2.2.2. 相联存储器

相联存储器是一种 按内容访问 的存储器。

2.2.3. 高速缓存

高速缓存的组成部分：
控制部分、存储部分
高速缓存中的地址映像方法
直接映像：指主存的块与Cache块的对应关系是固定的。优点是地址变换简单，缺点是灵活性差、
Cache块冲突率高。
全相联映像：允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。优点是Cache块冲突率
低、灵活性好，缺点是访问速度慢、地址变换较复杂、成本太高。

组相联映像：是前两种方式的折中方案，即组采用直接映像方式、块采用全相联映像方式。
发生块冲突从少到多的顺序：全相联映射–>组相联映射–>直接映射

替换算法：
随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法、优化替换算法

性能分析
命中率是Cache的一个重要指标，但不是最主要的指标
Cache的命中率与Cache容量的关系是：容量越大，命中率越高
多级Cache
在多级Cache计算机中分为一级(L1Cache)，二级(L2Cache)等

2.2.4. 虚拟存储器

虚拟存储器技术是把很大的程序(数据)分成许多较小的块，全部存储在辅存中。运行时把要用到的程序(数据)块先调入主存，并且马上就要用到的程序块从主存调入高速缓存。这样就可以一边运行程序，一边进行所需程序(数据)块的调进或调出。

虚拟存储器管理方式：段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器

2.2.5. 外存储器

磁表面存储器
磁盘存取速度较快，具有较大的存储容量，是目前广泛使用的外存储器。硬盘就是最常见的外存储器

光盘存储器：是一种采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息的新型存储装置.

根据性能和用途分为：
只读型光盘**(CD-ROM)、只写一次型光盘(WORM)**、可擦除光盘

固态硬盘
存储介质
闪存(FLASH芯片)
DRAM：具有传统机械硬盘不具备的读写快速，质量轻，能耗抵以及体积小等特点，但其价格仍较昂贵，容量较地，一旦硬件损坏，数据较难恢复

2.2.6. 磁盘阵列技术

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速，大容量，高可靠的外村子系统，常见的磁盘阵列称为廉价冗余
磁盘阵列(RAID)。

2.3. 输入输出技术

2.3.1. 直接程序控制

直接程序控制是指外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。

直接程序控制的两种情况：
程序查询方式
在此情况下，利用查询方式进行输入/输出，就是通过CPU执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准
备好接受数据或准备好向CPU输入数据

两大缺点

降低了CPU的效率

对外部的突发事件无法做出实时响应

无条件传送

在此情况下，外设总是准备好的，它可以无条件地随时接受CPU发来的输出数据，也能够无条件地随时向

CPU提供需要的输入数据

2.3.2. 中断方式

中断方式即由程序控制I/O的方法，缺点在于CPU必须等待I/O系统完成数据的传输任务，而且要定期查询I/O
系统的状态，确认传输是否完成。因此大大降低了整个系统的性能。

a. 中断处理方法：多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法、中断向量表法
b. 中断优先级控制：当不同优先级的多个中断源同时提出中断请求时，CPU应优先响应优先级最高的中断源
当CPU在对某一个中断源服务时，有比它优先级更高的中断源提出中断请求，CPU应暂时中断正在执行的中断
服务程序而转去对优先级更高的中断源服务，结束后再回到之前被中断的优先级较低的中断源服务程序继续
执行，这种情况称为中断嵌套，即一个中断服务程序中嵌套着另一个中断服务程序

2.3.3. 直接存储器存储方式

直接内存存取（DMA）是指数据在内存与I/O设备间的直接成块传送，即在内存与IO设备间传送一个数据块的过程
中，不需要CPU的任何干涉，只需要CPU在过程开始启动(即向设备发出“传送一块数据”的命令）与过程结束（CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪)时的处理，实际操作由DMA硬件直接执行完成，CPU在此传送过程中可做别的事情。