01 计算机组成与体系结构

数据的表示

进制转换

R进制->十进制：底数，指数

十进制->R进制：短除法

二进制->八进制，十六进制

编码

• 原码：正常转为二进制，位数不足前面补0。最高位为符号位（0正1负）
• 反码：正数=原码；负数：符号位不动，其他位原码取反
• 补码：正数=原码；负数：反码+1
• 移码：一般用来做浮点运算的阶码；符号位为补码的反，其他位一样。这样在数轴上，正数在负数的右边，看起来正常些

ps. 原码：1-1为-2，是不正常的，因此计算机里不能用原版来做加减

移码

https://blog.csdn.net/Desire_Dir_W/article/details/114399797#/

表示范围

为何补码比原/反码多一个数：原/反码有正负0，补码只有一种0的表示

浮点数运算

M*R^e

M：尾数；R：基数：e：指数

对阶（小向大的指数对） - 尾数计算 - 结果格式化（尾数小数点左边是1）

计算机结构

主机=CPU（运算器+控制器）+主存储器 控制器：

• 指令寄存器 IR
• 程序计数器 PC
• 地址寄存器 AR
• 指令译码器 ID：对指令中的操作码进行解释

指令=操作码+操作数或操作数地址

Flynn分类法

单I/多M+指令I/数据D

SISD 现在的机器几乎没有，可能在单片机用到

SIMD 阵列处理机：适合处理数组运算

MISD 只在理论中

MIMD 全面并行

CISC和RICS

CISC 比较早期，通常是定制。指令数量多；可变长格式

RICS 复杂操作由简单操作组成即可；定长格式；操作寄存器；硬布线（速度快）

流水线

主要考察计算

流水线周期

概念：执行时间最长的一个步骤时间

n条指令全部执行时间：

• 理论公式：1条指令执行时间+（指令条数-1）*流水线周期
• 实践公式：（k+n-1）*周期；k为子指令个数

考试时优先用理论公式算，没有这个选项，再用实践公式

吞吐率

概念：单位时间内处理指令条数

公式：TP=指令条数/流水线时间

最大吞吐率：

理解：极限情况下（不考虑流水线建立的时间等），1条指令配合上一个流水线周期

加速比

概念及公式：同一个任务不使用流水线时间/使用流水线时间

效率

概念：流水线的设备利用率。时空图中，设备占用时空区占总时空区之比。

公式：

每个子任务时间一样 -> 效率最高

存储

层次化存储结构

cache

特点：

• 介于CPU和内存（主存）之间，速度比主存快
• 为何能改善系统性能：局部性原理

不命中时的替换算法：

• 随机替换
• 先进先出
• 近期最少使用
• 优化替换

地址映像：CPU工作时给出的是主存的地址，要从cache中读写信息时，需要把主存的地址转换为cache地址

• 直接映像：主存和cache块对应关系是固定的
• 全相联映像：主存和cache均分为容量相同的块，主存的块可以调入cache的任何一块
• 组相联映像：组采用直接映像，块采用全相联映像

平均周期公式

局部性原理

时间/空间局部性

工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合；把工作集打包到cache，短时间内不被替换，可提高效率

主存

• 随机存取存储器 RAM
• 只读存储器 ROM

编址

知识点：内存是以字节编码的

8*4位的存储器：8个地址空间，每个地址空间含4位

两种组合方法：

（1）=C7FFFH-AC000H+1=C7FFFH+1-AC000H=112

（2）112k x 16 = 28 x 16k x 未知数 结果为4

磁盘

主要掌握：读取一次数据过程中1、哪些动作；2、多少时间

存取时间=存道时间+等待时间（平均定位时间+旋转延迟时间）

• 存道时间：磁头移动到磁道
• 等待时间：等待扇区转到磁头

存储补充知识

• 虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器
• 相联存储器是一种按内容访问的存储器

总线

分类

• 内部总线
• 系统总线
  • 数据总线（传输数据，字长与数据总线宽度有关），双向
  • 地址总线（宽度与内存大小有关，如32位操作系统内存最多2^32=4G），单向
  • 控制总线，一条来看是单向的，总的来看是双向的
• 外部总线

总线结构优点：简化系统结构，减少连线数目，便于维修

系统可靠性分析与设计

串联系统与并联系统

可靠度：

• 串联：可靠性为各节点可靠性相乘
• 并联：R=1-(1-R1)x(1-R2)x…x(1-Rn)

失效率=1-可靠度

模冗余系统与混合系统

校验码

码距

概念：编码系统中任意（所有）两个码字的最小距离，即A->B需要改变最少几位；如采用3位长度作为二进制编码，可选用111和000作为合法编码，这时码距就是3（000需要改变3位才变为111）

循环校验码CRC（检错不纠错）

采用模2除法，接收到除多项式若余数为0，则表明传输正确

CRC编码：

编码后：原报文+余数吗，作为最终报文传输

接收端接收到报文后，将报文同样除以二项式，若余数为0，则表示传输正确

海明码（检错加纠错）

校验位：

• 位置：2^n
  • 如一个信息位，最终有3位（因为0和1位需要填校验码）
• 需要校验位数r：2^r-1>=x+r

周期

• 时钟周期（CPU时钟周期，T周期），主频决定，最小的时间单位
• 机器周期（CPU周期）：完成一项基本操作所需最短时间
• 总线周期：一次访问存储器或I/O端口所需时间
• 指令周期：取出并执行一条指令的时间

关系：时钟周期⊆总线周期⊆机器周期⊆指令周期

计算机可靠性

• 计算机系统的可靠性：从开始运行到时刻t时间段内能正常运行的概率，R(t)
• 失效率：单位时间内失效的元件数与元件总数的比例
• 平均无故障时间：两次故障之间能正常工作的时间平均值
• 可维修性：故障发生到修复平均所需时间
• 可用性：执行任务的任意时刻能正常工作的概率

补充知识

• KB - MB - GB 各自相差1024，如1GB=1024MB