1.1.1 什么是计算机系统？
硬件 软件

1.2.1五大部分

• 输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
• 输出设备：将结果转化为熟悉的形式
• 存储数据和程序
• 操作员：算术操作、逻辑操作
• 控制器：指挥各部件，使程序运行

1.2.2 冯·若依曼计算机
存储程序概念：以二进制代码的形式提前将指令输入计算机的主存储器，并按位置顺序执行。
冯·诺依曼计算机设计思想：按地址顺序执行存储程序。
软硬逻辑在计算机系统中等效。
冯机特点：
①五部分组成：I/O、存储器、计算器、控制器
②指令与数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
③指令和数据都是二进制的表示
④指令由操作代码和地址代码组成
⑤存储程序
⑥以运算器为中心，IO通过运算器与存储器相连

1.2.3 现代计算机结构
以存储器为中心
CPU=运算器 控制器

1.3.1 主存

1.4.1 五层
M四、高级语言机
编译程序翻译汇编语言
M三、汇编语言机
编程翻译
M2.操作系统机器
向上提供广义指令系统调用
M1：传统机器
执行二进制指令
M0:微程序机
硬件执行微指令

1.4.2 三级语言

• 高级语言、汇编语言、机器语言

• 编译程序-将高级语言翻译成汇编语言，或直接翻译成机器语言

• 汇编程序-将汇编语言翻译成机器语言

• 解释程序-高级语言翻译为机器语言(翻译一句执行一句)

翻译程序统称为汇编、编译和解释

1.5.1 存储容量
MAR位数反映了存储单元的数量
MDR 每个存储单元的大小

1.5.2 CPU
时钟周期：CPU最小单位时间
主频：1/时钟周期，Hz
CPI：执行指令所使用的周期数
CPU执行时间：操作程序所需的时间=（指令条数IC*CPI）/主频
MIPS：每秒执行多少百万条指令？=主频/平均CPI
MFOPS：每秒执行多少百万浮点运算？

1.5.3 其他
吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量，取决于主存存取周期
响应时间：发送请求得到结果的时差，包括CPU时间和等待时间

1.6.1 软件分类

• 系统软件
  OS，语言处理、服务程序、数据库管理系统
  程序用于提高使用效率，发挥和扩大计算机功能和用途。

• 应用软件
  工程设计、数据处理、自动控制、企业管理
  编制的程序用于解决某些问题。

1.6.2 工作过程

• 程序和数据转入主存，程序从起始地址执行
• 第一个指令从起始地址取出，译码执行并计算下一个指令
• 取出下一条指令，再取值，译码，循环往复，直到结束

2.1.1 进位计数制

2.1.2 真值和机器数
真实值：机器数表示的实际值

2.1.3 BCD码

• 8421码
  每四个二进制对应一个十进制，每个权值对应8421
  0000~1001 分别对应 0~9
  如果加法后溢出，则需要 0110修正(强制进位)
• 余3码
  即8421码 （0011）3
• 2421码
  2421对应权值
  0~4 最高位为0，5~9 最高位为1

2.1.4 字符与字符串

• ASCII码
  七位二进制表示字符代码，奇偶校准位在最高位置
  在字节中存储一个字符，但多余的最高位为0
  共128字符，0~31、127 控制/通信字符32~126 可印字符

• 汉字表示和编码
  区位码:四位十进制数，前两位为区，后两位为位
  国际码：区位码 2020H
  内码：国际码 8080H

• 字符串
  从低地址到高地址逐字存储，常用 ‘\0’ 作为结束标志
  对于多字节数据(汉字)，可/小端存储模式
  大端模式:低地址单元存储最高有效的数据字节
  小端模式:高地址单元存储数据最高有效字节

2.1.5 校验码

• 奇偶校验码 码字：由若干代码组成的一个字
  码距：各合法码字间的最小距离

• 海明码

• 循环冗余校验码

原码除法：
1.恢复余数法
实现方法：
ACC 存储 被除数/余数
ALU实现运算
MQ 存取 商 初试默认全零 每次默认商1
X通用寄存器 存储 除数
过程：每次都商1 即被除数-除数负值的补码 若结果符号位为负，就加正值补码恢复原来的被除数/余数 重新商0 再做减法，逻辑左移 循环结束

2.加减交替法
硬件存放与1相同
过程：若新余数为负 则商0，余数左移并+除数正值补码 ，若为正值，则商1余数左移并+余数负值补码（等价余数左移-除数），最后若余数为负，需商0并+正值补码得到正确的余数。

补码除法：
加减交替法：
判断被除数和除数是否同号 ，若同号 商1减去除数 ，反之商0 加上除数
下轮余数判断相同

强制类型转换
1.无符号数与有符号数转化，不改变内容，改变解释方式
2.长整数变短整数，高位截断，低位保留
3.短整数变长整数，符号扩展有符号数符号位为1，前面补1；无符号数补位补0

数据存储与排列
大小端模式
大端方式：低位地址存高位更方便人类阅读
小端方式：低位地址存低位更方便机器处理

边界对齐
字=存储字长
半字=1/2字
1字节=8bit
每次访存只能读/写1个字
边界对齐空间换时间，空间填充

浮点数表示
阶码和尾数
阶码包括阶符和阶码的数值部分
尾数包括数符和尾数的数值部分
浮点数的真值：N=r^E*M
r阶码的底一般为2
阶码E反映浮点数的表示范围以及小数点实际位置
尾数M数值部分位数n反映浮点数的精度

尾数规格化
尾数最高位为0：尾数算数左移一位，阶码-1，直到尾数最高位是有效值（左规）
右规：当浮点数运算结果尾数出现溢出时，将尾数算数右移一位，阶码+1

原码尾数规格化
正数为0.1xxxx… 其最大值为0.1111…1；最小值为0.10…0。
表示范围为：1/2<=M<=1-2^-n.
负数为1.1xxxx… 其最大值为1.100…0；最小值为1.11…1。
表示范围为：-（1-2^-n）<=M<=1/2

补码尾数规格化
正数为0.1xxxx… 其最大值为0.1111…1；最小值为0.10…0。
表示范围为：1/2<=M<=1-2^-n.
负数为1.0xxxx… 其最大值为1.011…1；最小值为1.00…0。
表示范围为：-1 <= M <= -(1/2+2^-n)

IEEE 754
移码：补码基础将符号位取反
移码定义为：移码=真值+偏置值
偏置值=2^(n-1) 此时真值取0，移码为1000 0000
偏置值=2^(n-1) -1 此时真值取1，移码为1000 0000

标准：数符 阶码，移码表示 尾数数值，原码表示（隐藏表示最高位1，表示1.M）

3.1.1 层次结构

• 高速缓存（cache）
• 主存储器（主存、内存）
• 辅助存储器（辅存、外存）
• 主存——辅存：实现了虚拟存储系统，解决存储容量不够的问题
• cache——主存：解决了主存与CPU速度不匹配的问题

3.1.2 分类

3.2.1 半导体存储芯片

主存容量的扩展：

• 字扩展：多个存储芯片串联 4片16K8位 = 64K8位
• 位扩展：多个存储芯片并联 8片8K1位 = 64K8位
• 字位扩展：增加存储字数量，增加存储字长

存储器与CPU连接

• 地址线选择：芯片容量不同地址线不同，CPU低位直接相连，高位做扩充芯片
• 数据线连接：CPU线数与存储器线数相同直接连接，不同就位扩展
• 读写线连接：高电平为读，低电平为写
• 片选线连接：决定哪一片存储芯片被选中

空间局部性原理：将要使用的信息是空间附近的信息
时间局部性原理：将要使用的信息是现在使用的信息

3.4.1 cache与主存映射方式

• 全相联映射
  主存数据可以任意存放
  增加一个有效位

• 直接映射
  每个主存块 只能放到一个特定的位置
  cache块号=主存块号%cache块数
  标记+行号/主存块号 块长
  空间利用不充分，命中率降低

• 组相联映射
  分若干组，可以放到组内任意位置
  组号=主存块号%组数
  标记+组号/主存块号 块长

3.4.2 cache 替换算法

直接映射直接替换，不需算法，算法以全相联为例

• 随机算法RAND：随机确定替换的cache块
  实现简单、但没有局部性原理，命中率低
• 先进先出算法FIFO：替换最早进入的
  容易实现、但没有局部性原理，命中率低
• 近期最少使用LRU：设置一个计数器记录多久没有访问，替换计数器最大的
  需要注意的是当命中时，命中行的计数器清零，且比其低的计数器加1，其余不变
• 最不经常使用算法LFU：替换计数器记录访问次数最少的
  不符合局部性原理（一段时间一直使用将次数升高，但后续不再使用却因权值太高不好替换）不如LRU

3.4.3 cache 写策略
写命中
写不命中
多级cache（通常分为三级）