经典学科基础知识笔记，供学习参考。

1. 计算机系统概述

1.1 计算机系统的组成

  • 硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
  • 软件：系统软件（OS、编译程序、数据库）与应用软件
  • 硬件与软件在逻辑功能上等价，可通过软件实现硬件功能（软/硬件逻辑等价性）

1.2 冯·诺依曼体系结构（存储程序）

  • 核心思想：存储程序 + 程序控制
  • 指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，按地址访问
  • 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
  • 以运算器为中心（现代计算机已演变为以存储器为中心）

1.3 计算机的层次结构

1
2
3
4
应用软件
系统软件（OS / 编译 / 汇编）
指令系统（ISA）
微体系结构（硬件）

2. 数据的表示与运算

2.1 数制与编码

  • 常用进制：二进制、八进制、十六进制；进位计数制转换方法
  • BCD 码（8421 码等）、ASCII 码（7 位）、Unicode / UTF-8

2.2 机器数（重点）

编码 正数 负数 特点
原码 符号位 0 + 数值 符号位 1 + 数值 加减法复杂，0 有两种表示
反码 同原码 原码按位取反 很少直接用
补码 同原码 反码 + 1 加减统一用补码，0 唯一
移码 补码符号位取反 补码符号位取反 常用于浮点阶码
  • 补码范围：n 位补码表示 -2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1
  • 溢出判断：双符号位（变形补码）或进位/符号位比较法

2.3 定点数与浮点数

  • 定点数：小数点位臵固定，分为定点小数、定点整数
  • 浮点数格式：N = M × r^E（尾数 M、基数 r、阶码 E）
  • IEEE 754 标准：
    • 单精度 float：1 符号位 + 8 位阶码（偏置 127）+ 23 位尾数
    • 双精度 double：1 符号位 + 11 位阶码（偏置 1023）+ 52 位尾数
    • 规格化数、非规格化数、Infinity、NaN

2.4 运算方法

  • 补码加减法：直接按补码相加，符号位参与运算
  • 原码/补码一位乘法（Booth 算法）、除法
  • 逻辑运算：与、或、非、异或、移位（算术移位 / 逻辑移位 / 循环移位）

3. 存储系统

3.1 存储器层次结构（金字塔）

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4
CPU 寄存器
Cache（SRAM）
主存（DRAM）
辅存（磁盘 / SSD）
  • 上一层作为下一层的缓存，速度递减、容量递增、价格递减
  • 局部性原理：时间局部性 + 空间局部性

3.2 半导体存储器

  • SRAM：触发器存储，速度快、集成度低，用作 Cache
  • DRAM：电容存储，需刷新，集成度高，用作主存
  • ROM：只读，存放开机引导程序（BIOS/UEFI）

3.3 Cache（重点）

  • 映射方式：
    方式 特点
    直接映射 主存块只能放固定 Cache 行，实现简单、冲突率高
    全相联映射 可放任意行，命中率高、比较开销大
    组相联映射 折中，按组分直接映射，组内全相联
  • 替换算法：LRU（近期最少使用）、FIFO、随机
  • 写策略：写直达（Write Through）、写回（Write Back）

3.4 虚拟存储器

  • 页式、段式、段页式管理
  • 页表 + TLB（快表），缺页中断，页面置换算法（OPT、FIFO、LRU、Clock）

3.5 主存扩展

  • 位扩展（字长扩展）、字扩展（容量扩展）、字位同时扩展
  • 需要地址译码器（片选逻辑）

4. 指令系统

4.1 指令格式

  • 组成：操作码（OP）+ 地址码（A）
  • 常见格式：零地址、一地址、二地址、三地址指令

4.2 寻址方式（重点）

寻址方式 说明 有效地址/操作数
立即寻址 操作数在指令中 直接给出
直接寻址 EA = 地址码 EA = A
间接寻址 地址码指向存放地址的单元 EA = (A)
寄存器寻址 操作数在寄存器 EA = Ri
寄存器间接寻址 寄存器存放 EA EA = (Ri)
变址寻址 EA = A + (IX)，用于数组 EA = A + (IX)
基址寻址 EA = A + (BR)，用于程序重定位 EA = A + (BR)
相对寻址 EA = (PC) + A，用于转移 EA = (PC) + A

4.3 CISC 与 RISC

CISC RISC
指令 复杂、数量多、变长 简单、数量少、定长
寻址方式 多 少
实现 微程序控制为主 硬布线为主，流水线
代表 x86 ARM、MIPS、RISC-V

5. 中央处理器（CPU）

5.1 CPU 的功能与结构

  • 功能：取指令、分析指令、执行指令、控制时序、中断处理
  • 结构：运算器（ALU）、控制器（CU）、寄存器组、内部总线

5.2 控制器实现方式

  • 硬布线控制：组合逻辑电路，速度快，不易修改
  • 微程序控制：将控制信号编码为微指令，存放于控制存储器（CM），灵活
    • 微指令：微操作码 + 下地址；有水平型、垂直型
    • 一条机器指令 → 一段微程序

5.3 指令周期与流水线

  • 指令周期 = 取指周期 + 执行周期（可能含间址、中断周期）
  • 流水线：将指令过程分为取指 IF、译码 ID、执行 EX、访存 MEM、写回 WB
  • 流水线冒险：
    • 结构冒险（资源冲突）→ 部件冗余 / 停顿
    • 数据冒险（RAW/WAR/WAW）→ 转发、停顿、编译器调度
    • 控制冒险（转移）→ 分支预测、延迟槽、冲刷
  • 流水线性能：吞吐率、加速比；理想加速比 ≈ 流水段数 k

6. 总线

6.1 总线分类

  • 按功能：数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）
  • 按层次：片内总线、系统总线、I/O 总线
  • 传输方式：并行 / 串行；同步 / 异步

6.2 总线仲裁

  • 集中式：链式查询、计数器定时查询、独立请求
  • 分布式仲裁
  • 总线周期：申请 → 仲裁 → 传输 → 释放

7. 输入输出（I/O）系统

7.1 I/O 接口

  • 作用：数据缓冲、状态/命令寄存器、地址译码、格式转换
  • 编址方式：统一编址（存储器映射 I/O）、独立编址（端口寻址）

7.2 I/O 控制方式（重点）

方式 特点
程序查询方式 CPU 轮询状态，效率低
中断方式 设备主动申请，CPU 响应中断，提高并行度
DMA 方式 数据不经过 CPU，直接与主存交换（DMAC 控制）
通道方式 通道执行通道程序，管理一批设备，效率最高

7.3 中断系统

  • 中断源、中断请求、中断响应（保护现场、关中断）
  • 中断屏蔽与优先级（多重中断 / 中断嵌套）
  • 向量中断：中断向量表定位中断服务程序入口

7.4 常用外设

  • 磁盘：寻道时间、旋转延迟、传输时间
  • SSD：闪存颗粒、读写均衡、无机械延迟
  • 显示器、键盘、鼠标、网卡等接口标准

8. 学习要点总结

  1. 五大部分：运算器、控制器、存储器、输入、输出（冯·诺依曼）
  2. 三种机器数：原码、反码、补码；加减法一律用补码
  3. 两个层次：存储器层次（Cache 为核心）、指令流水线（冒险处理为核心）
  4. 四大 I/O 方式：查询、中断、DMA、通道
  5. 两大寻址难点：间接寻址与变址/基址寻址的区别
  6. 两大实现路线：硬布线 vs 微程序；CISC vs RISC
    （内容由AI生成，仅供参考）