第1章 计算机系统概述
分类发展
SISD（单指令流单数据流系统）
SIMD（单指令多数据流）
MISD（多指令单数据流）
MIMD（多指令多数据流）
计算机由硬件和软件组成
冯诺伊曼计算机：以运算器为核心、存储器、控制器、输入设备、输出设备
现代计算机：以存储器为核心，CPU=运算器+控制器
计算机功能部件
存储器
- 主存储器（CPU直接访问，通常为内存）
存储字长，一个存储单元可以存储一串二进制代码，这串代码成为存储字，位数称为存储字长。
地址寄存器（MAR）：在CPU中，位数等于PC
数据存储器（MDR）：在CPU中，位数等于存储字长
- 外存
运算器
- ALU（算术逻辑单元）
- 通用寄存器
- ACC（累加寄存器）
- MQ（乘商寄存器）
- X（操作数寄存器）
- IX（变址寄存器）寻址
- BR（基址寄存器）寻址
- PSW（程序状态寄存器）
控制器
- PC（程序计数器）
- IR（指令寄存器）
- CU（控制单元）
计算机软件分类
系统软件、应用软件
**三个级别的语言：**机器语言、汇编语言、高级语言
**翻译程序：**编译程序（高级 to 汇编 or 机器）、汇编程序（汇编 to 机器）、解释程序（翻成机器，翻译一条、执行一条）
计算机工作过程
程序和数据装入主存
把原程序转换成可执行文件
- 预编译（cpp，.i）
- 编译（ccl，.s）
- 汇编（as，.o）
- 链接（ld）
性能指标
容量
- 机器字长
- 存储字长和指令字长
- 主存容量
1 | 存储单元个数 * 存储字长 |
MAR反应存储单元个数、MDR反应每个存储单元大小
*数据通路带宽（数据字长）**：数据总线一次所能进行传送信息的位数
速度
吞吐量、响应时间、时钟周期、主频（CPU时钟频率）、CPI、CPU执行时间、IPS、MELOPS、GFLOPS、TFLOPS，看书吧
$$
平均CPU=\frac{主频}{IPS}
$$
$$
CPU时钟频率(主频)=\frac{1}{CPU时钟周期}(Hz)
$$
计算之前一定要确保单位换算一致
第2章 数据的表示和运算
真他妈傻逼，啥破专业考他妈单位换算
机器数的定点表示
- 定点小数：表示范围 $-(1-2^n-n)$~$1-2^{-n}$，第一位是符号位，纯小数
定点数表示
原码
反码
对于正数，反码与原码的表示相同，对于负数，原码符号位不变，数值部分按位取反
补码
对于正数，补码与原码的表示相同，对于负数，原码符号位不变，数值部分按位取反，末尾+1（取反加一），补码0表示唯一
移码
在补码的基础上将符号位取反，移码只能用于表示整数
第3章 存储系统
层次化结构
主存-辅存：硬件+操作系统实现，实现虚拟存储系统，解决了高速主存容量不够的问题
Cache-主存：硬件实现，解决了主存与CPU速度不匹配的问题
存储器的分类
按在计算机中的作用（层次）分类
- 高速缓存Cache
- 主存（内存）
- 辅存（外存）
按存取方式分类
- 随机存取存储器（RAM）
- SRAM（静态RAM）
- DRAM（动态RAM）
- 按照地址访问存储单元，任何一个存储单元的内容可以随机存取，存取时间与单元的物理位置无关
- 顺序存取存储器（SAM）
- 存储容量大，存取速度慢
- e.g：磁带存储器
- 直接存取存储器（DAM）
- 特点：存取方式兼有随机访问和顺序存储的特点，首先直接选取所需信息所在区域，然后按照顺序方式来进行存取
- e.g：磁盘存储器
- 按内容访问存储器CAM/相联存储器AM
- e.g：快表就是由CAM实现的
按信息的可保存性分类
-
- 后存储信息是否消失
- 易失性存储器RAM：主存、Cache
- 非易失性存储器ROM：磁表面存储器和光存储器
- 信息读出后是否被破坏
- 破坏性读出：如DRAM芯片，读出数据后要进行重写
- 非破坏性读出：如SRAM芯片、磁盘、光盘
信息可更改性
- 读写存储器（Read/WriteMemory）：即可读、可写
- 只读存储器（Read OnlyMemory，ROM）：只能读
性能指标
- 存储容量：存储字数x字长（如1Mx8位）
- 单位成本：每位价格=总成本/总容量
- 存储速度
- 数据传输率=数据的宽度/存储周期
- 存储周期（读写周期/访问周期）=存取时间+恢复时间
- 存取时间：从启动一次存储器操作到完成该操作的时间
- 存储周期：它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）时间所需的最小时间间隔
主存器的基本组成
基本元件
- 存储元
- MOS管：作为通电“开关”
- 电容：存储电荷（即存储二进制0/1）
存储芯片的结构
译码驱动电路：译码器将地址信号转换为字选通线的高低电平
存储矩阵（存储体）：有多个存储单元构成，每个存储单元又由多个存储元构成
读写电路：每次读/写一个存储字（存储器读写的单位是存储字），存储字：一个存储单元所存储的二进制数据宽度
地址线：数据线、片选线、读写控制线
寻址
现代计算机中通常按照字节来编址
寻址：按字节寻址、按字寻址、按半字寻址、按双字寻址
半导体随机存储器SRAM和DRAM
半导体存储芯片基本结构
片选线 CS/CE（低电平有效）、读写控制线 WE（低电平写，高电平读）
SRAM的芯片结构
- 存储体
- 地址译码器（地址译码方式）
- 一维译码：线选法或单译码法
- 二维译码：重合法或双译码法
- 驱动器
- I/O控制电路
- 片选控制信号
- 读写控制信号
DRAM和SRAM比较
分别是动态RAM和静态RAM
SRAM采用六管静态MOS管存储元件
DRAM采用单管动态MOS管存储元件
| 类型特点 | SRAM（静态（RAM） | DRAM（动态RAM） |
|---|---|---|
| 存储信息 | 触发器（双稳态） | 电容（栅极） |
| 破坏性读出 | 非破坏性读出 | 破坏性读出 |
| 读写后需要重写 | 不需要 | 需要 |
| 运行速度 | 快 | 慢 |
| 集成度 | 低 | 高 |
| 发热量 | 大 | 小 |
| 存储成本 | 高 | 低 |
| 易失/非易失性存储器 | 易失 | 易失 |
| 需要刷新 | 不需要更新 | 需要更新 |
| 送行列地址 | 同时送 | 分两次送 |
| 常用于 | Cache | 主存 |
DRAM工作原理
半导体随机存储器ROM
第4章 指令系统
机器指令是计算机运行的最小功能单位
指令集：一台计算机所有指令的集合构成该指令的指令系统
指令的基本格式
| OP | 寻址特征 | 形式地址A |
|---|
OP+A（操作码字段+地址码字段）
零地址指令：OP，不需要操作数的指令，零地址的运算类指令
一地址指令：OP+A，
- 只有目的操作数的单操作指令
- 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补
- 指令含义：OP(A1)->A1
- 隐含目的地址的双操作指令
- 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器
- 指令含义：(ACC)OP(A1)->ACC
二地址指令：OP+A1(源操作数)+A2(目的操作数)，结果默认存回A1
- 常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
- 指令含义：(A1)OP(A2)->A1
- 完成一条指令需要访存4次，取指->读A1->读A2->写A1
三地址指令：OP+A1+A2+A3(结果)，结果存入A3中
- 指令含义：(A1)OP(A2)->A3
四地址指令：OP+A1+A2+A3(结果)+A4(下址)
- 指令含义：(A1)OP(A2)->A3
指令按长度分类
指令字长：一条指令的总长度
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数
半字长指令、单字长指令、双字长指令
定长指令结构：指令系统中所有指令的长度都相等（RISC）
变长指令结构：指令系统中各种指令的长度不等（CISC）
操作码
- 可变长操作码
- 定长操作码
指令-按操作类型分类
数据传送类
数据传输：进行主存与CPU之间的数据传送
LOAD：把存储器中的数据放到寄存器中
STORE：把寄存器中的数据放到存储器中
MOVE：存储器之间的传送
运算类
算术运算：加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算
- 加（ADD）、减（SUB）、比较（CMP）、乘（MUL）、除（DIV）、加1（INC）、减1（DEC）
逻辑运算：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清楚、位求反
- 与（AND）、或（OR）、取反（NOT）、异或（XOR）
移位操作
算数移位、逻辑移位、循环移位
转移操作
程序控制类：改变程序执行的顺序
无条件转移（JMP）：在任何鲁棒下都会执行转移操作
条件转移：
- 指令：转移条件
- JZ：结果为0
- J0：结果溢出
- JC：结果有进位
- BRANCH
调用和返回：CALL、RETURN(RET)
陷阱(Trap)与陷阱指令
输入输出操作
输入输出类(I/O)，进行CPU和I/O设备之间的数据传送
寻址方式
指令寻址：寻找下一条执行的指令地址称为指令寻址
数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址，寻找操作数的地址
指令寻址：下一条预执行指令的地址（PC给出）
- 顺序寻址：程序计数器PC+1，自动生成下一条
- 跳跃寻址：执行转移类指令导致PC值发生改变
- 转移类指令有：JMP、CALL、RET、JL、JE、JLE
数据寻址：
- 指令格式：
- 一地址指令：操作数+寻址特征+形式地址A
- 二地址指令：操作码+寻址特征+形式地址A1+寻址特征+形式地址A2
- 寻址特征：确定使用哪种方法寻址
数据寻址方式
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
隐含寻址
立即数寻址
偏移寻址
堆栈寻址
汇编语言
这个很熟了，简单复盘下指令吧
CISC和RISC
第5章 中央处理器
CPU的功能=运算器+控制器，分为指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理
CPU的基本结构
运算器的基本结构
- 算术逻辑单元
- 通用寄存器组
- 暂存寄存器
- 累加寄存器ACC
- 程序状态字寄存器PSW
- 移位器
- 计数器
控制器的基本结构
- 程序计数器PC
- 指令寄存器IR
- 指令译码器IE
- 微操作信号发生器
- 时序系统
- 存储器地址寄存器MAR
- 存储器数据寄存器MDR