计算机硬件基础
本章在综合考试中的平均分数为6分，约总分的8%
考点归纳
1、数值的计算
各进制数相互间的转换、二进制的特点、原码、反码、补码、移码的特点、数值的表示范围
2、计算机系统的组成
计算机包含的部件、常见的寄存器及各寄存器的作用重点、计算机的性能和基本工作原理、计算机体系结构的分类、指令系统基础、寻址方式重点、CISC和RISC、流水线工作原理、流水线的计算重点、总线系统
3、存储系统
存储器的分类、主存-Cacher的工作原理、命中率计算、存储芯片容量计算重点、虚拟存储器重点、RAID类型和特点、主存、存储器地址编码
4、可靠性与性能评价
可靠性计算重点、系统性能评价
5、校验码
循环冗余校验码（CRC）、海明效验码、奇偶校验码的基本原理
6、输入输出
常见的I/O设备、I/O控制方式
一、机内代码及运算
一、数的进制
十进制
二进制
八进制
十六进制
二、进制转换
1、十进制转二进制
把被转换的十进制整数反复地除以2，直到商为0，所得的余数(从末位读起)就是这个数的二进制表示。简称“除2取余法”。
例： (221)10=(11011101)2
2、二进制转十进制
方法是：二进制数按权展开求和。
例：(10110)2转换成十进制数（22）10
三、原码、反码、补码、移码
1、带符号数的表示
通常的做法是约定一个数的最高位为符号位，若该位为0，则表示正数；若该位为1，则表示负数。
1.原码
用最高位表示符号位，数值部分用二进制绝对值表示，这就是原码的表示方法。
例如：+11的原码：00001011 -11的原码是：10001011
2.反码
原码变反码规则：正数的反码和其原码形式相同，负数的反码是除符号位，其他各位逐位取反(即0变1,1变为0) 。
+11的原码：00001011
-11的原码是：10001011
例如：+11的反码：00001011 -11的反码是：11110100
3.补码
补码规则为：正数的补码和其原码形式相同，负数的补码是原码除符号位以外逐位取反(即0变1,1变为0)，最后在末尾加1。
+11的原码：00001011
-11的原码是：10001011
例如：+11的补码：00001011 -11的补码是：11110101
将补码转换为真值：[[X]补]补=[X]原
4.移码（增码）
无论正数、负数，在补码的基础上对符号位取反，一般用做浮点数的阶码，引入的目的是为了保证浮点数的机器零为全0。
+11的补码：00001011
-11的补码是：11110101
例如：+11的移码：10001011 -11的移码是：01110101
四、定点数和浮点数
计算机中，通常是用定点数来表示整数和纯小数，分别称为定点整数和定点小数。对于既有整数部分、又有小数部分的数，一般用浮点数表示。
1、定点数
- 定点整数：小数点的位置固定在最低位的右边，不占位
- 定点小数：小数点的位置固定在符号位与最高数值位之间，表示一个纯小数。
2、浮点数
用类似科学计数法来表达，即
N=M*Re
M称为尾数，R称为基数，e为阶码（指数）
比如 1001.101 的规范浮点数表达为 1.001101 ×23
浮点数利用指数达到了浮动小数点的效果，从而灵活地表达更大范围的实数。
三、校验码概述
编码体系指一种编码方式中所有合法码字的集合。 合法码字占所有码字的比率就是编码效率。
- 一个编码系统中任意两个合法的编码之间的不同的二进制位 的数目叫这两个码字的码距。
- 该编码系统的任意两个编码之间的距离的最小值称为该编码 系统的码距
- 码距是衡量一种编码方式的抗错误能力的一个指标。
数字信息在传输和存取的过程中，由于各种意外情况的发生，数 据可能会发生错误，即所谓误码。
四、奇偶校验
奇偶校验较简单，串口通信中使用奇偶校验作为数据校验的方法 。
- 奇校验：被传输的有效数据中“1”的个数是奇数个，校验位 填“0”，否则填“1”；
- 偶校验：被传输的有效数据中“1”的个数是偶数个，校验位 填“0”，否则填“1”。
例：奇校验 1000110（0）
偶校验 1000110（1）
使用一位奇偶校验的方法能够检测出一位错误，但无法判断是哪 一位出错。
当发生两位同时出错的情况时，奇偶校验也无法检测出来。所以奇偶校验常用于对少量数据的校验，如一个字节。
五、海明码
海明码是奇偶校验的一种扩充。和奇偶校验的不同之处在于海明码采用多位校验码的方式，在这些多个校验位中的每一位都对不 同的信息数据位进行奇偶校验，通过合理地安排每个校验位对原 始数据进行的校验的位组合，可以达到发现错误、纠正错误的目 的(当出现两位错误时，海明码能够查错，但无法纠错)。
还需要记住以下几个关键的关系。
• 可查出多少位错误：可以发现“ ≤码距-1” 位的错误。
• 可以纠正多少位错误：可以纠正“ <码距/2” 位的错误，因此如果要能够纠正n位错误，所需最小的码距应该是“ 2n+1” 。
- 海明码的原理
在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。 - 海明不等式：
校验码个数为k，可以表示2k个信息，1个信息用来表示“没有错误”，其余2k -1个表示数据中存在错误，如果满足2k-1≥m+k（ m+k为编码后的数编总长度），则在理论上k个校验 码就可以判断是哪一位（包括信息码和校验码）出现了问题。 - 海明码的编码规则
校验位依次放在第2i(i=0,1,2,3…)位，其余位置为信息位。
4个信息位k0,k1,k2,k3；3个校验位r0,r1,r2。
第 i 个信息位的位数为参与校验它的校验位的位数之和。
如上例 7=4+2+1；6=4+2；5=4+1；3=2+1。
若三个校验方程都成立，即方程式右边都等于0，则说明没有出现错误。若不成立，即方程式右边不等于0，说明有错。 从三个方程式右边的值，可以判断那一位出错。出错位置为从下向上看相应的二进制数值，若三个方程式右边的值为100，说明第4位出错。
六、循环冗余校验码
广泛地在网络通信及磁盘存储时采用。
1.多项式
在循环冗余校验(CRC)码中，无一例外地要提到多项式的概念。一个二进制数可以以一个多项式来表示。如1011表示为多项式 X3+X1+X0，如果把这里的x替换为2，这个多项式的值就是该数的值。从这个转换可以看出多项式最高幂次为n，则转换为二进 制数有n+1位。
2.编码组成
编码的组成是由K位信息码，加上R位的校验码。
3.校验码的生成
校验码的生成步骤如下：
- (1)将K位数据C(x)左移R位，给校验位留下空间，得到移位后的多项式为C(x) × XR。
- (2)将这移位后的信息多项式除以生成多项式，得到R位的余数多项式。
- (3)将余数作为校验码嵌入信息位左移后的空间。
例：信息位为1010 0110，生成多项式为
a(x)= X5+X4+X+1，则：
1010 0110 左移5位-> 1010 0110 0000 0
用1010 0110 0000 0 和110011 进行模2运算(异或)
余11000
即校验码11000，所以CRC码是1010 0110 11000。
循环冗余校验码的纠错能力取决于K值和R值。在实践中，K值往往取得非常大，远远大于R的值，提高了编码效率。在这种情况下，循环冗余校验就只能检错不能纠错。
一般来说，R位生成多项式可检测出所有双错、奇数位错和突发错位小于或等于R的突发错误。
二、中央处理器
一、计算机的组成
计算机硬件由五大部件构成：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。
(1)运算器
也称算术逻辑单元(ALU)，对数据进行算术运算和逻辑运算。
- 加法器（累加器）
专门存放算术或逻辑运算的操作数和运算结果的寄存器。 - 程序状态寄存器
PSW用来存放两类信息：一类是体现当前指令执行结果的各种状 态信息，如有无进位（CY位），有无溢出（OV位），结果正负 （SF位），结果是否为零（ZF位），奇偶标志位（P位）等；另 一类是存放控制信息，如允许中断(IF位)，跟踪标志（TF位）等
(2)控制器
是分析和执行指令的部件
指令寄存器
指令译码器
程序计数器
定时与控制电路
堆栈和堆栈指针
二、计算机的分类
计算机体系结构是计算机系统的概念性结构和功能特性。 常见的分类法包括Flynn、冯氏分类法两种。
1、Flynn分类法
根据指令流、数据流和多倍性三方面进行分类。
三、输入/输出控制方式
I/O控制方式
一、程序I/O方式
二、中断驱动I/O方式
三、直接存储器访问DMA I/O控制方式
四、I/O通道控制方式
(1)程序I/O方式（程序查询方式）
由于无中断机构，处理机对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或 称为忙–等待方式，即在处理机向控制器发送一条I/O指令启动输 入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志置为1。 然后便不断测试标志。当为1时，表示输入机尚未输完一个字， 处理机应继续对该标志测试，直到它为0，表明数据已输入到控 制器的数据寄存器中，于是处理机将数据取出送入内存单元，便完成了一个字的I/O 。
在程序I/O方式中，由于CPU高速,I/O设备低速致使CPU极大浪费。
(2)中断控制I/O方式
当某进程要启动某个I/O设备时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控 制器于是按照命令的要求去控制指定I/O设备。这时CPU与I/O 设备并行操作。
中断驱动方式在I/O设备输入数据的过程中，无需CPU干预，而 是当I/O设备准备就绪时“主动”通知CPU。才需 CPU花费极 短的时间去进行中断处理。从而大大地提高了整个系统的资源 利用率及吞吐量，特别是CPU的利用率。但每中断一次仅能传输一个字（节）。
(3)直接存储器访问（DMA）
方式虽然中断方式比程序I/O方式更有效，但它仍是以字（节）为单 位进行I/O的，每当完成一个字（节）的I/O时，控制器便要请 求一次中断。极其低效的。因此引入了直接存储器访问方式。 该方式的特点是：数据传输的基本单位是数据块；所传送的数 据是从设备直接送入内存的，或者相反；仅在传送一个或多个 数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。可见DMA方式又是成百倍的减少了 CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
(4) I/O通道控制方式
I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通 过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。但I/O通道又与一般的处 理机不同，一是其指令类型单一，只能执行I/O操作有关的指令 ；二是通道没有自己的内存，与CPU共享内存。
根据信息交换方式，通道分为三种类型：
- 字节多路通道（Byte Multiplexor Channel）
- 数组选择通道（Block Selector Channel）
- 数组多路通道（Block Multiplexor Channel）
四、流水线技术
流水线技术是指在程序执行时，多条指令重叠进行操作的一种任务分解技术。把一个任务分解为若干顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的执行机构来负责执行，而这些执行机构可以同时并行工作。
(1)计算执行时间
假定有某种类型的任务，可分成N个子任务，每个子任务需要时间t，则完成该任务所需的时间为N×t。
- 若以传统的方式，完成k个任务所需的时间是
kNt。 - 使用流水线技术，花费的时间是
Nt+(k-1)t。
注意，如果每个子任务所需的时间不同，其时间取决于执行顺序中最慢的那一个。
例1：若指令流水线把一条指令分为取指令、分析和执行三部分 ，三部分的时间分别是取指令2ns，分析2ns，执行1ns。最长的是2ns，因此100条指令全部执行完毕所需要的时间是：
(2ns+2ns+1ns)+(100-1) x2ns=203ns
①流水线的吞吐率
指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。
n为任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间
例1的吞吐率为 100×109 /203=4.93×108/s
②加速比
是指不采用流水线的执行时间／采用流水线的执行时间。
用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果。
例1中的加速比为 500/203=2.46
(如果不采用流水线，则执行100条指令需要500 ns)。
(2)影响流水线的主要因素
- 转移指令：因为前面的转移指令还没有完成，流水线无法确定下一条指令的地址，因此也就无法向流水线中添加这条指令。
- 共享资源访问的冲突：后一条指令需要使用的数据，与前一条指令发生冲突，或者相邻的指令使用了相同的寄存器
- 响应中断：当有中断请求时，流水线也会停止。对于这种情况有两种响应方式：
- 精确断点法：立即停止，这种方法能够立即响应中断；
- 不精确断点法：流水线中的指令继续执行，不再新增指令到流水线。
五、精简指令计算机
一、指令系统
指计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
一条指令包括： 操作码 ； 地址码
根据地址码代表的地址类型，指令系统可以分为：
立即寻址
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
二、RISC与CISC
- 为提高操作系统的效率，人们最初选择向指令系统中添加更多、更复杂的指令来实现，导致指令集越来越大。这种类型的计算机，称为复杂指令集计算机(CISC)。
- 对指令数目和寻址方式做精简，指令的指令周期相同，采用流水线技术，指令并行执行程度更好，这类是精简指令集计算机(RISC)。
复杂指令系统计算机（CISC）的主要特点
- (1)指令数量多：指令系统拥有大量的指令，有100 -250条。
- (2)指令使用频率相差悬殊：最常使用的是一些比较简单的指令，80%的时候使用的是20%指令。
- (3)支持很多种寻址方式：通常为5-20种。
- (4)变长的指令：指令长度不是固定的，变长的指令增加指令译码电路的复杂性。
- (5)指令可以对存储器单元中数据直接进行处理：典型的CISC 处理器通常都有指令能够直接对内存单元中的数据进行处理，其执行速度较慢。
精简指令系统计算机（RISC）的主要特点
- (1)指令数量少：优先选取使用频率最高的一些简单指令以及 一些常用指令，避免使用复杂指令。
- (2)指令的寻址方式少：通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式。
- (3)指令长度固定，指令格式种类少：因为RISC指令数量少，格式相对简单，其指令长度固定，指令之间各字段的划分比较一致，译码相对容易。
- (4)只提供了Load/Store指令访问存储器：只提供了从存储器读数Load和把数据写入存储器Store两条指令，其余所有的操作 都在CPU的寄存器间进行。
- (5)以硬布线逻辑控制为主：为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑来构建控制器。
- (6)单周期指令执行：因为简化了指令系统，很容易利用流水线技术使得大部分指令在一个机器周期内完成。
- (7)优化的编译器：RISC精简指令集使编译工作简单化。
转载：https://blog.csdn.net/ghan110/article/details/101768373