1.1 计算机系统基础知识
1.1.1 计算机系统硬件基本组成
- 计算机基本硬件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
- CPU（中央处理单元）：硬件系统核心，由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等组成，负责获取指令、译码并执行，实现程序控制、操作控制、时间控制、数据处理以及响应中断等功能。
1.1.2 中央处理单元
CPU的组成与功能
- 核心功能：执行指令、处理数据，并协调计算机各部件的工作。
- 具体功能：
- 程序控制：从内存中读取指令、分析指令，并按顺序执行。
- 操作控制：向计算机各部件发送控制信号，实现指令的操作。
- 时间控制：对各种操作进行时间上的定时，确保各部件协同工作。
- 数据处理：对数据进行算术运算和逻辑运算。
- 中断处理：响应外部设备的中断请求，暂停当前任务并进行处理。
运算器（ALU）
- 功能：完成算术运算和逻辑运算，对运算结果进行状态标记。
- 关键部件：
- 算术逻辑单元（ALU）
- 累加寄存器（AC）
- 数据缓冲寄存器（DR）
- 状态条件寄存器（PSW）
控制器（CU）
- 功能：从内存中读取指令，解析指令的操作码和地址码，生成控制信号控制各部件协同工作。
- 关键部件与工作流程：
- 指令寄存器（IR）
- 指令译码器（ID）
- 程序计数器（PC）
- 控制信号生成器
寄存器组
- 作用：暂存指令、数据和地址，访问速度远快于内存。
- 常见寄存器：
- 通用寄存器（GR）
- 程序计数器（PC）
- 指令寄存器（IR）
- 地址寄存器（AR）
- 数据寄存器（DR）
CPU的工作流程
- 取指令：CPU通过PC获取指令地址，从内存读取指令存入IR，PC自动递增指向下一条指令。
- 指令译码：ID解析IR中的指令，确定操作类型和操作数地址。
- 取操作数：根据指令地址码，从内存或寄存器中读取操作数。
- 执行指令：ALU按指令要求对操作数进行运算，结果存入寄存器或内存。
- 存储结果：将运算结果写回内存或寄存器，同时更新PSW状态标志。
CPU性能相关概念
- 主频（时钟频率）：CPU的工作频率，主频越高，单位时间内可执行的指令数越多。
- 指令周期：执行一条指令所需的时间，与主频成反比。
- CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数，用于衡量CPU的效率。
- IPC（Instructions Per Cycle）：每个时钟周期可执行的指令数，与CPI互为倒数。
典型CPU架构示例
- CISC（复杂指令集计算机）：如x86架构（Intel/AMD），指令集复杂，单条指令功能强大，但执行效率较低。
- RISC（精简指令集计算机）：如ARM架构，指令集简单、功耗低，适合嵌入式设备和移动终端。
1.1.3 数据表示
一、 原码、反码、补码和移码
1. 原码 (Sign-Magnitude)
概念
最直观的表示方法。用最高位表示符号位（0正1负），其余位表示数值的绝对值。
- 正数：
0+ 数值绝对值的二进制 - 负数：
1+ 数值绝对值的二进制
特点
- 直观易懂
- 零的表示不唯一（+0和-0）
- 加减运算复杂
示例：+5 → 00000101-5 → 10000101（8位）
2. 反码 (Ones’ Complement)
概念
改进原码运算问题的方案。
- 正数：同原码
- 负数：
1+ 数值位取反
特点
- 零仍不唯一
- 减法可转加法（需循环进位）
- 表示范围：-(2^(n-1)-1) ~ +(2^(n-1)-1)
示例：
+5: 0000 0101
-5: 1111 1010
3. 补码 (Two’s Complement) ★★★
概念
现代计算机标准整数表示法。
- 正数：同原码
- 负数：
1+ 数值位取反+1
特点
- 零唯一
- 加减法统一为加法
- 表示范围：-2^(n-1) ~ +(2^(n-1)-1)
示例：
+5: 0000 0101
-5: 1111 1011
4. 移码 (Offset Binary)
概念
用于浮点数阶码表示。
移码 = 真值X + 偏移量K（通常K=2^(n-1)）
特点
- 便于比较大小
- 无符号数形式
- 表示范围对称
对比总结：
| 特性 | 原码 | 反码 | 补码 | 移码 |
|---|---|---|---|---|
| 符号位 | 最高位0/1 | 最高位0/1 | 最高位0/1 | 无显式符号位 |
| 零的表示 | +0/-0 | +0/-0 | 唯一0 | 唯一(-K) |
| 主要用途 | 历史/教学 | 历史 | 整数运算 | 浮点数阶码 |
| 运算便利性 | 差 | 中 | 优 | 不直接运算 |
| 表示范围 | -(2(n-1)-1)~+(2(n-1)-1) | 同左 | -2(n-1)~+(2(n-1)-1) | -2(n-1)~+(2(n-1)-1) |
关键点：
- 补码是整数运算标准
- 移码用于浮点数阶码比较
- 从原码→反码→补码的演进解决了运算统一性问题
1.1.4 校验码
传送门： 奇偶校验码、海明码、循环冗余校验码
1.2 计算机体系结构
1.2.1 计算机体系结构的发展
1.2.2 存储系统
计算机存储系统全面解析
一、存储器的层次结构
-
寄存器
- CPU内部，速度最快（纳秒级）
- 容量最小（KB级）
-
高速缓存（Cache）
- L1/L2/L3三级结构
- 速度逐级降低，容量逐级增大
-
主存储器（内存）
- DRAM技术
- GB级容量，百纳秒级延迟
-
外存储器
- SSD/HDD/光盘等
- TB级容量，毫秒级延迟
二、存储器的分类
1. 按位置
- 内存（主存）
- 外存（辅存）
2. 按介质
| 类型 | 代表器件 | 特点 |
|---|---|---|
| 半导体 | DRAM/SRAM | 速度快 |
| 磁存储 | HDD | 容量大 |
| 光存储 | CD/DVD | 长期保存 |
三、相联存储器（CAM）
- 内容寻址方式
- 并行检索技术
- 应用于TLB等场景
四、高速缓存（Cache）
多级架构
| 层级 | 位置 | 延迟 | 容量 |
|---|---|---|---|
| L1 | CPU核心 | 1-3周期 | 32-128KB |
| L2 | CPU芯片 | 10-20周期 | 256KB-2MB |
| L3 | 多核共享 | 30-50周期 | 8-64MB |
五、虚拟存储器
- 分页管理机制
- 地址转换流程
- TLB加速技术
六、外存储器
主流类型对比
| 类型 | 代表 | 速度 | 容量 |
|---|---|---|---|
| SSD | NAND Flash | 微秒级 | TB级 |
| HDD | 机械硬盘 | 毫秒级 | 10TB+ |
| 光存储 | 蓝光 | 秒级 | 100GB+ |
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