计算机的组成

运算器，进行运算，算术运算和逻辑运算
控制器，控制指令的执行
存储器，包括内存和外存，外存有硬盘，u盘等形式
输入设备，鼠标，键盘等
输出设备，比如显示器

运算器和控制器组成中央处理单元cpu，但是cpu的范围更大一下，还包括一些寄存器，总线等

运算器中比较重要的寄存器

算术逻辑单元ALU
负责进行算术运算和逻辑运算
累加寄存器AC
存储源操作数，比如一个数加另一个数，在累加计算器中存储一个加数，算术逻辑单元中也只能存储一个加数，运算完成得到的结果没有别的地方存储，会重新存在累加寄存器中，当做源操作数
数据缓冲寄存器DR
暂时存储数据和指令
状态条件寄存器PSW
存储条件码，比如溢出状态，除数为0等
不只有上述几个寄存器，只是上面几个比较重要

控制器中比较重要的寄存器

指令寄存器IR
暂时存储要执行的指令
程序计数器PC
很重要，存储指令执行的地址，要根据这个地址取出指令，然后执行
地址寄存器AR
保存当前程序正在访问的地址
指令译码器ID
分析指令操作码，将指令编译成可执行的内容
不只有上述几个寄存器，只是上面几个比较重要

指令和数据都存储在地址中，怎么判断取出的是指令还是数据呢？

根据指令的执行周期来判断取出的是指令还是数据
指令的执行周期是先取出指令，然后分析指令操作码，之后再执行指令，执行指令的时候才会去取数据
所以一开始取得是指令，在指令执行的时候取得是数据

一些寄存器的英文缩写

PC程序计数器，控制器
AR地址寄存器，控制器
DR数据缓冲寄存器，运算器
ID指令译码器，控制器
PSW状态条件寄存器，运算器
IR指令寄存器，控制器
ALU算术逻辑单元，运算器
AC累加寄存器，运算器

奇偶校验码

循环冗余校验码CRC

步骤

首先会给一个原始的数据，和一个多项式
多项式的最高次数是n，则在原始的信息数据后面加n个0，作为被除数
根据多项式来写出除数，有多少次方，则第几加一位为1，比如多项式为G(x) = x^4+x2+1,则相当于1x^4+0*x3+1x^2+0*x1+1*x^0,将左边1或0取出来就是10101，作为除数
除的时候，每一位做异或运算，相同则为0，不同则为1，只取最后的余数，不要商
最后的余数的位数，如果不足多项式最高次数n，则在左边补0，最后得到的数为校验码
将校验码放到信息位后边发送出去，接收方接收到之后，也根据这个多项式得到的除数做除法，如果能除尽，则说明数据没有出错。

与奇偶校验码比较

校验的位数更多，奇偶校验码两位数变更就检不出来了，循环冗余校验码CRC可以校验多位
奇偶校验码和CRC都是只能检错，不能纠错

例子

信息码101101 多项式G(x)= x^3 + x + 1
信息码11101 多项式G(x)= x^6 + x^4 + x^3

海明码

步骤

先确定在哪些位置插入校验码，校验码插入的位置是确定的，只不过个数不确定，会放在2^0,21,2^2……上，直到前面没有信息码不能再放校验码，组合成的数据，第一位必须是信息码
然后确定校验码各个位上是0还是1.
确认方法
- 首先将信息码各位的位数使用2^n的形式相加
- 然后判断信息码各位的加数之中是否包含校验码所在的位数，将包含的信息码位数找出来
- 某位校验码的数字就由包含它位数的信息码的数字异或得来

例子

信息码1101

特点

与奇偶校验码和循环冗余校验码CRC不同的是，不但可以检错，还可以确定哪位信息码出错了，进行纠错
比如上面传过去之后错了一位

错的是信息码

错的是校验码

指令系统

CISC复杂指令系统

指令数量多，频率差别大，可变长格式，支持多种寻址方式

RISC精简指令系统

指令数量少，频率接近，定长格式，大多为单周期指令，操作寄存器，只有Load/Store操作内存，支持寻址方式少

指令流水线

不使用指令流水线时，是一条指令的取指、分析、执行三个步骤全部执行完之后，再开始下一条指令的取指、分析、执行。可以看成每条指令的执行过程是串行的

使用指令流水线时，一条指令取指完就开始下一条指令的取指，同时开始该条指令的分析，可以看成是并行的

流水线周期

因为一条指令执行有三个步骤，每个步骤的时间不同，用时最长的步骤，所用的时间为一条指令的流水线周期

流水线执行时间

公式为：一条指令总执行时间 + （指令条数-1）*流水线周期

因为使用流水线时，第一条指令的执行时间就是总的三个步骤的执行时间，但从第二条指令开始，在第一条指令执行的过程中也在执行，增加的时间就只是一个流水线周期而已

流水线吞吐率

单位时间内指令的执行条数

公式：指令条数/流水线执行时间

流水线加速比

使用流水线比不使用流水线的效率提升程度，越高越好

公式：不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间

存储系统

存储系统是分级的，分级是为了保持容量，速度和成本之间的平衡。

分级情况如下

两级存储

Cache-主存

主存-辅存

局部性原理

局部性原理主要是为了处理Cache——主存之间的两级存储
cpu并不是直接访问Cache，而是访问主存。Cache中地址会对应到主存中的地址，主存中的地址也会对应到Cache

另一个问题是Cache存储容量小，只有3M，主存中哪些数据要存放到Cache中，需要有所取舍。按照取舍的规则，分为两种局部性原理

时间局部性原理

相邻时间内访问同一个数据项，则更有可能放在Cache中。即近期访问的频次越高，越应该放到Cache中

空间局部性原理

访问一个数据项，则其相邻空间的数据项更有可能放到Cache中

Cache高速缓冲区

cache中存储当前最活跃的数据（依据局部性原理），因为cpu和主存的速度相差太多，所以在中间添加一个过渡，cache对于我们来说是不可见的。由cpu直接访问cache，但是cpu中存储的是主存的地址，主存的地址有些按局部性原理映射到cache中

cache由控制器和存储器组成，存储器存储数据，控制器判断cpu访问的数据在不在cache中，即是否命中，如果命中，则取主存地址映射，如果不在则访问主存

地址映射

cpu中不直接存储cache中的地址，而是存储主存的地址，主存地址会映射到cache中地址。由硬件自动完成，对我们是不可见的。

映射方法分为：直接映射，全相连映射，组组相连映射

cache的命中率

其实就是访问的数据有多少存储在cache中

访问时间计算
考试中计算方法是
cache命中率*cache中访问时间+（1-cache命中率）*主存中访问时间

但其实上述计算方法有漏洞，因为cpu都会先访问cache，没有再访问主存，所以cache中访问时间应该乘于1，因为无论如何都会访问cache
忘掉这个漏洞，考试时就按上面的方法计算

磁盘

概念

磁盘是一个圆盘，就像光盘，分为内外两个盘面。在磁盘上有一个个的同心圆，叫做磁道，然后又将这个圆划分成一个个的扇形，这样每个磁道的每个扇形就叫做扇区，数据就存储在一个个扇区上。

读取数据的过程

有一个磁头，要读取数据的话，首先要确定数据存储在那个磁道，然后磁头移动到这个磁道，等待磁盘转动，在磁盘转动的过程中，当磁头划过数据所在的扇区时，就读取到了数据。

因此读取数据的过程分为两个

寻找磁道
等待磁盘转动过对应扇区

读取数据时间

寻道时间+等待时间（平均寻找磁道时间+磁盘转动过对应扇区的时间）

寻道时间是比较慢的，等待时间很快，因为磁盘每分钟几千转，速度很快

寻道的几种方式

先访问先服务
比如先要访问第7磁道的数据，后要访问第1磁道的数据，磁头要先到第7磁道，再到第1磁道
最短寻道时间优先
比如当前磁头在第5磁道，要访问第6磁道和第3磁道的数据，因为第5磁道和第6磁道离得更近，所以先访问第6磁道，再访问第3磁道
扫描算法
既能由里向外扫描，也能由外向里扫描，但某个方向上要扫描到要访问数据的最远磁道再掉头，就像电梯一样。假设磁盘共有20个磁道，要访问的数据分别在第3，4，7，10，13磁道上，此时磁头位于第8磁道，方向为从里到外，磁头会先按顺序移动到第13磁道，然后掉头再依次移动到第3磁道。并不会一直移动到最远的第20磁道才掉头
单向扫描调度算法
只能向一个方向扫描，扫描到头再掉头。比如上述例子，磁头会先从第8磁道移动到第20磁道，然后掉头移动到第1磁道

输入输出技术

计算机和外设之间数据传输的方式

程序控制方式

由cpu判断数据传输是否完成，如果没有传输完成，cpu就会一直等着。就像while循环一样，没有循环完就会一直等待。传输效率最差

程序中断方式

这种方式相较上一种方式效率有所提升。cpu和数据传输是并行的。在数据传输的时候，cpu也在处理其他事物。当数据传输完成时会向cpu发送中断请求，cpu接到请求后，就会先中断当前正在处理的服务，处理传输的数据，等处理完了之后再回去处理中断的程序。向鼠标键盘就是使用的程序中断方式

中断响应时间

从发送中断请求到cpu开始中断处理程序之间所需的时间

中断处理时间

从中断处理程序开始到中断处理程序接收所需的时间，这里指的是处理数据传输

中断向量

cpu需要通过中断向量找到要处理的服务程序的入口

DMA方式（直接主存存取）

这种方式cpu只进行必要的初始化操作，之后就不管理，直接由DMA控制器控制数据的传输，直接将数据传输到主存中，cpu什么时候想用直接在主存中取

总线

总线是设备与设备之间传输信息的通道，由所有设备共用，所以设备只要接入总线，就可以与其他设备之间传输信息

另一种分类

单工总线

只能向一个方向传输数据的总线

半双工总线

可以向两个方向传输数据，但是不能同时传

双工总线

可以向两个方向传输数据，而且可以同时传，一般用两条总线来实现

另另一种分类

串行总线

只有一条总线，适用于传输距离长的情况，传输的速度慢

并行总线

有多条总线，并行传输数据，适用于传输距离短的情况，高速传输

可靠性

概念

平均无故障时间MTTF
平均故障修复时间MTTR
平均故障间隔时间MTTB=MTTF+MTTR
系统可用性MTTF/(MTTF+MTTR)*100%

串并联设备的可靠性

设每个设备的可靠性分别为R1,R2,R3……Rn

串联

总的系统的可靠性R=R1R2R3*……*Rn

因为总的系统可靠要求每个设备都可靠

并联

总的系统的可靠性R=1-（1-R1）（1-R2）……（1-Rn）

1减去所有设备都不可靠的情况，就是总的系统的可靠性，也就是说只要有一个设备可靠，则整个系统就可靠

最后

我将上述内容整理成了一个思维导图，正在等待上传审核，在后面的文章中可以下载。
大概内容如下

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