计算机硬件

CPU

运算器

执行所有的算术运算，如加减乘除等；执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、比较；

1. 算数逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit），实现对数据的算术和逻辑运算，；
2. 累加寄存器AC（Accumulator register），运算结果或源操作数的存放区；
3. 数据缓冲寄存器DR（Data Register），暂时存放内存的指令或数据；
4. 状态条件寄存器PSW（Program Status Word），保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志；

控制器

CPU依据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据，因为在指令周期的不同阶段，指令会命令CPU去取指令或数据。

1. 程序计数器PC（Program Counter），具有寄存信息和计数两种功能，一般用来存放下一条指令在主存储器中的地址；
2. 指令寄存器IR（Instruction Register），暂存CPU当前要执行指令；
3. 指令译码器ID（Instruction Decoder），分析和解析操作码；
4. 地址寄存器AR（Address Register），保存当前CPU所访问的内存地址；

校验码

码距

码距指单个编码如A：00只需要改变一位就会变成另一个编码，那么它的码距就是1。在两个编码中，从A码变为B码所需要改变的位数成为码距。

如编码00变为编码11，其码距为 2。一半来说，码距越大，越利于纠错和检错。

奇偶校验码

如果一个编码中有奇数个 1，那么就是奇校验，反之则是偶校验。奇偶校验码的码距为 2，因为本身有一位是错误，导致校验码也错误，所以码距为 2。

奇偶校验码只能检错不能纠错。

CRC

原始编码为A1100，多项式如下

$$G(x)=x3+x+1$$

求编码A的 CRC

多项式的最高位是 3，那么 R=3，在编码A后面补 3 个 0，可以确定被除数是1100000。根据多项式中 x 的位数，确定除数是1011。将1100000
除以1011（即做异或运算）

算出来之后是10，因为 R=3，所以需要在前面补一个 0 即010，那么最终的 CRC 校验码为1100010

指令系统

一条计算机指令由操作码和操作数两部分组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。

计算机执行执行的过程：取指令 -> 分析指令 -> 执行指令。

首先将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU 根据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器 IR，然后由指令译码器进行分析指令操作码，最后执行指令，取出指令执行所需要的源操作数。

指令寻址方式

• 立即寻址方式：指令的地址码存在不是地址，而是操作数本身；
• 直接寻址方式：指令的地址码存的是操作数在主存中的地址；
• 间接寻址方式：指令的地址码存的是操作数的地址（饶了一次）；
• 寄存器寻址方式：指令的地址码存在是寄存器的编号；
• 基址寻址方式：
• 变址寻址方式：

指令系统类型

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其它
CISC（复杂指令系统）	数量多，使用频率差别打，可变长格式	支持多种	微程序控制技术	研制周期长；以 Intel、AMD 的 x86CPU 为代码
RISC（精简指令系统）	数量少，使用频率接近，定长格式	支持方式少	增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主，适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言；以 ARM 和 Power 为代表

指令流水线

指令流水线原理

将指令分为不同的段，每段由不同的部分去处理，不同指令的取址分析和执行可以同时执行，因此可以产生叠加效果。

指令流水线技术

1. 超流水线技术：细化流水，比如一个流水线本来是3段，可以分为6段执行，以时间换空间；
2. 超标量技术：增加硬件，以空间换时间；
3. 超长指令字技术：通过软件，以空间换时间；

相关公式

1. 流水线周期：指令分为不同执行段，其中执行段最长的时间为流水线周期；

   $$m(x)=max(x)$$

2. 流水线执行时间：公式为：1 条指令总执行时间 + (总指令数 - 1) * 流水线周期

   $$t(x,y)=g(y)+(x-1)*m(x)$$

3. 流水线吞吐率计算：吞吐率即单位时间内执行指令的条数，公式为指令条数 / 流水线执行时间。

   $$r(x)=x/t$$

4. 流水线的加速比：公式为：不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。

   $$f3(x)=f1(x)/f2(x)$$

存储系统

计算机采用分级存储主要是为了解决存储容量、成本和速度之间的矛盾。

高速存储 Cache

高速存储 Cache 用来存储当前最活跃的程序和数据，容量小，直接与 CPU 交互，速度是主存的 5 -10 倍，由半导体材料构成。其内容是主存的副本拷贝。

Cache 由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断 CPU 要访问的数据是否在 Cache 中，如果命中则返回，没有命中则从主存中获取。

在 CPU 工作时，送出的是主存单元地址，而应从 Cache 存储器中读写信息，此时需要将主存地址转换为 Cache 存储器地址。这种地址转换被称为地址映射，由硬件自动完成，由如下三种方式：

1. 直接映射；
2. 全相联映射；
3. 组相联映射（1,2组合）；

三种方式按照块冲突概率从高到低排序是，1,3,2；

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

局部性原理

空间局部性原理：相邻的地址可能会被访问，比如数组；

时间局部性原理：相近的时间内，同一个地址可能会被再次访问；

磁盘

磁盘有正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被分为多个扇区，数据存放在扇区中。

磁盘有一个参数叫转速，指的是每秒转动的次数。磁头首先要寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区才能读取对应的数据。所以有如下存取时间公式：存取时间 = 寻道时间 + 等待时间

$$t(x)=f(x)+w(x)$$

寻道时间指磁头移动到磁道所需要的时间；等待时间指数据所在扇区转动到磁头下方所用的时间。

磁盘调度算法

• 先来先服务 FCFS：根据进程请求访问磁盘的先手顺序进行调度；
• 最短寻道时间有限 SSTF：找到离当前所在磁道最近的进行调度，如果当前磁头所在磁道为 5，现在需要有 1,3,6 三个磁道需要访问，虽然 6 在最后，但是会优先调度到第 6 磁道。这种算法可能会导致 1 永远无法调度；
• 单项扫描调度算法 SCAN：磁头按照一个方向一直移动，直到无法移动再掉头。
• 扫描算法 CSCAN：扫描算法又称为电梯算法，磁头可以双向移动，磁头会选择当前磁道最近的磁道访问，按照这个方向扫描，直到没有请求才会掉头。这个调度就跟电梯类型，电梯会朝着一个方向移动，直到所有的楼层都到了才会掉头。

输入输出技术

内存与接口地址独立编址方法

内存与接口地址统一编址方法

计算机与外设数据交互方式

• 程序控制（查询）方式：CPU 主动查询外设是否完成数据传输（轮询），效率极低；
• 程序中断方式：外设完成数据传输之后，向 CPU 发送中断信号，等待 CPU 处理数据，此方式效率相对较高。中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序之间的耗时。中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束的耗时。中断向量提供中断服务程序的入口地址。多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场；
• DMA 方式（直接存储访问）：CPU 只需要完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由 DMA 控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通道，效率很高；

在一个总线周期结束之后，CPU 会响应 DMA 请求开始读取数据；CPU 响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时读取数据；

总线

总线指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道，总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享，因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。

总线分类：

• 内部总线：内部芯片级别的总线，芯片与处理器之间的通信总线；
• 系统总线：是板级总线，用于计算机内各部分之间的连接，具体分为（重点考的）：
  • 数据总线：并行数据传输位数；
  • 地址总线：系统可管理的内存空间大小
  • 控制总线：传送控制命令
• 外部总线：微机和外部设备的总线，如 USB；

单工、半双工、全双工

• 单工：数据传输只在一个方向上传输，方向是固定的，不能实现双向通信；
• 半双工：半双工传输方向可以切换，允许数据在两个方向上传输。但是某个时刻，只允许数据在一个方向上传输，可以基本双向通信；
• 全双工：全双工允许数据同时在两个方向传输，发送和接收完全独立，在发送的同时可以接收信号，或者在接收的同时可以发送。它要求发送和接收设备都要有独立的发送和接收能力；