计算机系统组成复习

复习过程中个人的一些理解，主要是对一些易混淆或者过程复杂的概念题目加以解释、梳理。

名词解释

主机、主存、辅存

主机：计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器组成
主存：主存储器。存放正在运行的程序和数据的存储器。也称内存。
辅存：外部存储器。存储容量大，成本低，速度慢，断电后数据仍存在。

主存、主存储器、内存、内存储器指的是同一个东西。我们说的电脑8G、16G就是内存大小。内存太小，开多程序就会卡甚至未响应、闪退。
辅存、辅助存储器、外存、外部存储器指的是同一个东西。我们用的机械硬盘、固态硬盘就是辅存。

存储字、存储单元、存储字长、机器字长

存储字：一个存储单元所存的二进制码组合。
存储字是逻辑单位，它单纯指代存储单元中的内容。
比如一个存储单元中存着0011011001111101，我们称这一串为存储字。我们能明确这个存储字的内容，但不能明确这个存储字的意义，因为它既可表示为由十六进制字符组成的367DH（ASCII码）；又可代表16位的二进制数，此值对应十进制数为13 949；还可代表两个ASCII码：“6”和“}”。（实例来源于百度百科）
存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
它不是存储器的最小单元，但一定是CPU访问存储器的最小单位。比如通常一个存储单元由八个二进制位组成（一个字节），每次CPU进行读写操作都是以n个存储单元（n个字节）进行的。
存储字长：一个存储单元中二进制码（存储字）的位数。
存储字长可以是8、16、32，意味着存储单元可以是1个字节、2个字节、4个字节（通常是一个字节）
机器字长：CPU一次能处理的二进制数
主要与CPU寄存器位数有关，也就是硬件结构有关。我们说的32/64位操作系统，指的就是机器字长为32/64位。所以64位会贵一点，但是运行速度更快。

访问时间和存取周期

访问时间：存储器从启动一次访问操作到完成该操作的时间，也叫读写时间
存取周期：存储器连续启动两次访问操作所需的最小间隔时间，也叫存储周期
存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息量

即连续两次的访问操作，第一次访问操作启动到这次结束的时间为访问时间；第一次访问操作启动到第二次访问操作启动的时间为存取周期
假设进行两次访问操作（读或写），第一次访问操作 -> 等一会 -> 第二次访问操作，分别代表访访问时间 -> 存取周期 -> 访问时间。
因为硬件设计的原因，连续两次访问操作不可能完美衔接，中间会有等一会的时间，因此存取周期通常略大于访问时间。

微命令、微指令、微操作、微程序

微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令。
微操作：由微命令控制实现的最基本的操作过程
微指令：以二进制编码形式存放在控制存储器的单元中，用来实现指令中的某一步操作。
通常由控制信号字段、分支地址字段和分支控制字段三部分组成。控制字段中，每一位代表一个微命令。
微程序：一个有序的微指令序列
微程序控制器：采用微程序控制方式来产生微命令的控制器。
组合逻辑控制器：采用组合逻辑线路实现来产生微命令的控制器

简单来说，微程序是一组微指令的集合；微指令由一组微操作一步步完成；在微指令的控制字段中，每一位代表一个微命令。
控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常这种控制命令叫做微命令，是最小单位，组成微指令，而执行部件接受微命令后所执行的操作就叫做微操作。
一条机器指令的功能通常由微程序来实现的

CPU、CU等一堆英文元件

CPU：中央处理器。计算机硬件的核心，主要由运算器和控制器组成
CU：控制单元。控制器的核心。用于产生微操作命令序列
ALU：算术逻辑运算单元，处理器的核心部件，进行算数、逻辑运算。
IR：指令寄存器。存放当前正在执行的指令。
PC：程序计数器。存放下一条要执行的指令的地址。
MAR：存储器地址寄存器。在内存中用来存放将要访问的存储单元的地址
MDR：存储器数据缓冲寄存器。在内存中用来存放某单元读出或写入某存储单元的数据
RAM：随机存取存储器。存取任一单元的时间相同（不用顺序查询），断电后内容消失。可分为动态（DRAM）和静态（SRAM）
ROM：只读存储器。只能读出原有的内容，不能由⽤用户再写⼊入新内容。ROM可分为可编程ROM、可擦除可编程ROM、电擦除可编程ROM

其中注意IR和PC的区别。
IR存的是指令而PC存的是地址。系统通过PC获取下一条指令的地址，根据地质获取指令并存到IR中
因为PC可以自己+1得到下一条将要执行的指令，而只有地址+1才是下一条地址（指令+1不太可能是下一条要执行的指令）。因此可以根据这个特点判断PC存的是地址。
而获得当前指令的地址没啥用我们要的是当前指令本身，因此可以判断存地址的PC是下一条指令的地址，从而判断IR存的是当前指令本身。
PC会+1 -> PC存地址 -> PC是下条指令的地址 -> IR是当前指令本身

MAR和MDR也很类似，一个是存地址，一个是存数据本身。
A代表address，表示存地址；D代表digit，表示存数据。
地址表示下一个存储单元，数据本身表示当前正在用的。

三条线

指令流水线：计算机将一条指令的执行过程分为大致相等的几个子过程，每个子过程由一个部件完成。所有部件并行工作，提高机器效率。
系统总线：多个部件之间进行数据传输的公共通路，包含多跟传输线和信息传输协议，实现各部件之间的地址、数据、控制信息交换。分别有地址总线、数据总线、控制总线。
内部总线：计算机系统内部各功能部件间的总线。

简答

字节和字

一个字等于多少个字节，与系统硬件（总线、cpu命令字位数等）有关，不应该毫无前提地说一个字等于多少位

在16位的系统中（比如8086微机） 1字 （word）= 2字节（byte）= 16（bit）
在32位的系统中（比如win32） 1字（word）= 4字节（byte）=32（bit）
在64位的系统中（比如win64）1字（word）= 8字节（byte）=64（bit）

参考：“一个字等于多少个字节？”是一个不严谨的问法

I/O系统概念

这里概念超级多所以不得不单独列出来
首先I/O系统分为I/O硬件I/O和I/O软件。

I/O硬件

系统总线：各部件之间信息传输的通路
I/O接口：主机和设备间的硬件电路，在系统总线和I/O设备之间传输信号和同步。

功能：  1. 识别设备地址2. 传送控制命令及返回状态信息3. 数据传送和缓冲4. 数据格式转换5. 检错纠错6. 中断功能7. 时序功能8. DMA功能
分类：1. 通用性：通用接口、专用接口2. 可编程性：可编程接口、不可编程接口3. 数据传送方式：并行I/O接口、串行I/O接口4. 数据控制方式：程序型接口、DMA型接口

I/O设备：主机和外界交互的工具，分为输入设备、输出设备、外存、终端设备、其他外部设备
设备控制器：控制设备具体功能动

I/O软件

用户I/O程序：用户编写的具体I/O设备输入输出程序
设备驱动程序：使计算机和I/O设备进行通信的特殊程序
设备控制程序：驱动程序中对设备控制的具体程序

DMA

DMA接口的逻辑电路

主存地址寄存器：存放设备与主存交换信息时主存的地址
字计数器：存放交换的字数
中断机构：向CPU发送结束信号请求中断
数据缓冲寄存器：存放设备与主存交换的信息
DMA请求触发器：接收设备已准备好的信号，并向控制/状态逻辑发送信号
控制/状态逻辑：接受DMA请求触发器的信号并使其复位，向CPU请求总线使用权并接收响应
设备选择电路：接收设备地址信号，选择具体设备

DMA传送的工作过程

分为预处理、数据传送、后处理

预处理

CUP向DMA发送指令完成初始化

发送读/写控制信号
发送设备地址
发送主存缓冲区起始地址
发送传送字数

数据传送

设备发送字到DMA数据缓冲寄存器，并向DMA请求触发器发送DMA请求信号
控制/状态逻辑接收DMA请求信号，向CPU请求总线控制权
DMA获得总线控制权
控制/状态逻辑复位DMA信号触发器
将DMA数据缓冲寄存器的内容送至数据总线
将主存地址寄存器的内容送至地址总线，将数据写入
放弃总线控制权
修改主存地址寄存器和字计数器的值
循环执行直到字计数器溢出，表示数据传送结束并发生中断

后处理

校验内容
检测错误
是否继续使用DMA传输

其他概念

I/O端口

I/O接口中可编址的寄存器称为I/O端口

编址方式：

独立编址方式：专用I/O端口编址方式。
I/O端口和寄存器在两个独立的地址空间进行编址，端口独写由专用控制信号实现。
同意编址方式：存储器映射编制方式。
I/O端口和寄存器用统一的地址空间，所有访存指令可以访问I/O端口

计算题

原码补码反码

首先要了解，转换为原码补码反码后是要在最高位加一位符号位的
如果有题目是用补码求原码或者真值，先将补码取反加一得到原码，再根据最高位判断正负，然后去掉最高位，剩下的利用权值表求解就好了
为了方便找规律，我们统一先把十进制数转换为二进制数，然后再转为原码补码反码，都用最多8位表示
正数主要流程为：二进制真值 -> 原码补码反码（正数四个都一样）
负数主要流程为：二进制真值 -> 原码（加符号位）-> 反码（真值取反再加符号位）-> 补码
最后移码用补码的符号位取反

正整数

正整数是最简单的，转换为二进制数后，加上符号位，整数加0，即为原码，然后原码补码反码都相同
以100为例：

权值表：    128    64    32    16    8    4    2    1
二进制：            1    1      0    0    1    0    0

二进制真值为：1100100。
加上符号位0，其原码补码反码均为：0110 0100

负整数

负整数原码加上符号位1，反码为二进制真值取反后加上符号位1，补码为反码+1
以-87为例：

权值表：    128    64    32    16    8    4    2    1
二进制：            1    0     1     0    1    1    1

二进制真值为：1010111
原码：加上符号位得1101 0111
反码：真值取反0101000，加上符号位1得1010 1000
补码：反码+1得10101001

正分数

分数的大体思想不变，就是权值表会改变。因为是小数点后面开始取，所以我们从左往右取八位
以29/128为例：
将其分解为：1/128+1/32+1/16+1/8

权值表：    1/2    1/4    1/8    1/16    1/32    1/64    1/128
二进制：     0      0      1      1       1        0       1

二进制真值位：0.001 1101（开头的0.用来表示这个数不是整数，0可以省略只留个点，实际之后点后面的属于有效位）
加上符号位0，原码补码反码均为：0.001 1101

负分数

同样和负整数相似，不过是权值表的变化
以-13/64为例：
分解为：1/8+1/16+1/64

权值表：    1/2    1/4    1/8    1/16    1/32    1/64    1/128
二进制：     0      0      1      1       0        1       0

二进制真值为：0.001 1010
原码：加上符号位1得1.001 1010
反码：真值取反得0.110 0101，加上符号位得1.110 0101
补码：反码+1得1.1100110

IEEE754

符号位，阶码用偏移阶码表示，尾数用原码表示
一般都是考单精度32位，即符号位1位，阶码8位，尾数23位。
以防万一放上双精度，符号位1位，阶码11位，尾数52位
要注意的是，阶码真值加偏移量得到偏移阶码，偏移量为整数位数-1（8位阶码即2^7-1=127）
需要进行规格化，即让第一位数位1，移动了几位就乘上2的几次方（左负右正）
以27/64为例：
分解后为：1/64+1/32+1/8+1/4

权值表：    1/2    1/4    1/8    1/16    1/32    1/64    1/128
二进制：     0      1      1      0       1        1       0

真值为：0.0110110=1.1011*2^{-2（权值为2，前移两位所以是2}-2）
因为正数所以符号位为0
阶码为-2，其偏移阶码为-2+127=125，即0111 1101
位数即1011000…（共23位）
得到结：0 01111101 1011000…（共23位）

浮点运算

对阶：两数阶码相减，若小于0则前面的数右移，反之后面的数右移。若最后一位多出则先保留
尾数求和（差）：将尾数相加，阶码不变。若是相减，则根据补码进行转换，变为相反数后
规格化：使最后的尾数最高位为1（不包括符号位）。若负数的符号位与最高位相同（均为1），则进行左移。
舍入处理：如果此时尾数仍有多，则进行舍入处理。
判断溢出：根据阶码的双符号位判断是否溢出。00为正，11为负，01上溢出，10下溢
得到最后结果。

例题：

阶码3位，尾数6位，求[x+y]，[x-y].
x=2^-011B * 0.100101，y=2^-010B * -0.011110
假设两数为补码，阶码双符号，尾数单符号

将两数用补码表示：x=11 101,0.100101，y=11 110,1.100010
求[x+y]

对阶数：两数阶码相减结果为-1，移x：2^-010B * 0.010010(1) ，x变为11 110,0.010010(1)，阶码统一
尾数求和：0.010010(1) + 1.100010 = 1.110100(1)，阶码仍为11 110
规格化：尾数变为1.010010，左移了两位，阶码变为11 100
舍入处理：尾数没有多余，不需要舍入
判断溢出：阶码符号位仍为11，没有溢出
结果为：11 100,1.010010

求[x-y]

对阶数：同理，x变为11 110,0.010010(1)
尾数求差：-y=0.011110，x-y=0.110000(1)
规格化：已经是规格化数了所以不用规格化
舍入处理：尾数多了个1，舍入处理后尾数为0.110001
判断溢出：阶码符号为11，没有溢出
结果为：11 110,0.11001

CRC循环冗余校验码

首先要知道有CRC码的校验位为k位，而生成多项式的位数=k+1
CRC也称为（n+k, n）码，n是原始数据长度，k为增加的校验位长度
根据CRC定义，需要将有效信息左移k位再被生成多项式模2除
最后在有效信息后加上除出的余数即为CRC码
模二除：涉及模二加减法。模二加减法即对应位上的抑或操作

被除数首位为1则除以除数，余数由被除数和除数进行模二加减法得到；为0商0，直接左移一位余数
所得余数去除首位并左移一位
重复直到余数位数少于除数（忽略首位的0）

模二除参考：模2除法(CRC校验码计算)

例：设有效信息为110，生成多项式G（x）=11011，求其CRC码生成多项式位数=5=k+1，k=4
110左移四位：110 0000
模二除G(x)：110 0000/11011，商100余1100
有效信息加上余数得到CRC码：110 1100

例：（7，4）码，生成多项式G(x)=x^3+x+1，求1001的CRC码生成多项式G(x)=x^3+x+1，即为1011
由（7，4）码得知k=3，将1001左移3位：1001 000
模二除G(x)：1001 000/1011，商1010余110
有效信息加上余数得到CRC码：1001 110