1 计算机组成

计算机系统由硬件(物理设备)系统和软件(程序、数据、文档)系统组成

硬件系统

冯诺依曼：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成

CPU

组成

运算器：对内存读/写，数据加工处理，受控制器控制

ALU算术逻辑单元：处理数据，实现算术运算和逻辑运算

AC累加寄存器：为ALU提供运算工作区

DR数据缓冲寄存器：存放CPU、内存、外设之间交换的数据

PSW状态条件寄存器：保存算数/逻辑指令运行结果的结果/判决

CU控制器：从内存取出指令、分析指令、控制运行，处理异常事件

PC程序计数器：从内存地址取出第一条指令的位置->下一条地址

IR指令寄存器：RAM->DR->IR->ID，执行指令

ID指令译码器：对指令中的操作码进行译码，确定操作数

AR地址寄存器：存放CPU所访问内存单元的地址

参数

主频：CPU频率，周期指令数固定，主频越高越快，受Cache影响

外频：CPU与外设传输频率，外频x倍频=主频

前端总线FSB：CPU到北桥唯一通道，FSB不够快CPU性能无法发挥

制造工艺：CPU内电路与电路之间的距离

内存

CPU能直接访问的存储器

分类

RAM随机存储器被划分存储单元，其编号即地址，根据地址存取

送入输入设备数据，输出设备信息

控制器的指令，运算器处理的数据，中间结果及最终结果

ROM只读存储器，存放BIOS基本输入/输出系统，开机最初数据源

Cache高速缓冲存储器，集成在CPU内部，缓和CPU与内存的速度差

全相联方式：主存任意一块可以映象到cache任意一块

直接相联方式：主存中一块只能映像到cache特定一块

组相连映象方式：主存和cache按同样大小划分成块、组

I/O设备

鼠标、键盘、触摸屏、显示器(CRT/LCD)

当用户通过键盘/鼠标进入应用系统，最先获得输入信息的是命令解释

打印机

分类：针式打印机(多层)、喷墨打印机(色彩)、激光打印机(质量、速度)

总线Bus

总线Bus是CPU、主存、I/O设备之间传输数据的公用通道

按功能分类

数据总线：传送数据信息(CPU<—>RAM)

地址总线：专门传送地址

控制总线：传送控制信号、时序信号

按传输方式分类

串行总线：二进制数据位仅由一根数据线传送，传输慢、距离几千公里

并行总线：超过2根数据线传送数据，传输快、距离<30m

按系统分类

系统总线：插件板一级

内部总线：芯片一级，分芯片内总线、元件级总线(板内元器件互联)

并发：ISA工业标准架构总线、EISA扩展ISA、PCI外围部件互联总线

串行：PCIe串行PCI、IEEE1394火线iLink

外部总线：又叫通信总线，设备一级的互联

并发：ATA/ IDE磁盘总线、SCSI微机磁盘总线

串行：USB外设总线、SATA总线

主板

主板=芯片+插槽/接口

主板架构：ATX、microATX、BTX(最新一代，发展趋势)

芯片：芯片组(北桥核心、南桥IO)、BIOS芯片、集成芯片(各种卡)

插槽：PCI插槽、AGP插槽、PCI-E插槽

接口：串行接口、并行接口、IEEE 1394接口、USB接口、音频接口

板载功能：三合一主板集成显卡、声卡、网卡

指令系统

指令系统=指令集合，程序=有序指令集合

一条指令=操作码+操作数

操作码指明操作类型，位数决定指令条数

操作数指明数据所在的单元地址

类型

数据传送指令：CPU<—>内存

输入/输出指令：主机<—>外设

程序控制指令：控制指令执行顺序

数据处理指令：算数、逻辑、关系运算

执行过程

RAM->IR指令寄存器->ID指令译码器

取指令：内存取出，送往IR

分析指令：ID对操作码进行译码，地址码确定操作数地址

执行指令：操作控制线路发出完成操作所需一系列控制信息

寻址方式

指令寻址：寻找操作码

顺序寻址、跳跃寻址

数据寻址：寻找操作数

立即寻址：指令中直接给出操作数的值

直接寻址：指令中直接给出操作数的地址

间接寻址：指令中给出地址，但存放的是操作数的地址

寄存器寻址：操作数是寄存器编号

寄存器间接寻址：存储在寄存器中的是操作数的地址

基址寻址：逻辑地址+基址寄存器的值=主存物理地址

变址寻址：数组起始地址给出，下标存放在变址寄存器

软件系统

系统软件

操作系统

程序设计语言：机器语言、汇编语言、高级语言

语言处理程序：将源程序—>目标程序

汇编程序、高级语言翻译程序(编译方式/解释方式)

实用程序

系统设置和优化软件：超级兔子、Tweak UI

诊断程序、备份程序、反病毒程序、文件压缩程序

应用软件

办公软件：Office、WPS

图形和图像处理软件

图像处理(位图): PS、Win画图、CorelPhoto、Macromedia xRes

绘图(矢量图):AI、AutoCAD、CorelDRAW、Macromedia FreeHand

动画制作: AE、3DS MAX、Flash

数据库系统

数据库管理系统:Access、FoxPro、Sybase、DB2

数据库应用程序:各种自行设计开发的管理系统

Internet服务软件：浏览器、电子邮件、文件传输软件

娱乐与学习软件：娱乐软件(游戏)、CAI软件(计算机辅助教学)

数据描述

单位

字长

1Word字长=N Byte字节

1Byte字节=8Bit二进制位

所以字长是8的整倍数，基本字长有32位、64位

计算机支持最小编址单位是字节

按字节编址，即1地址单元=1Byte字节

1数字单元=8位二进制（即十进制为0~255）

容量

主存容量=存储单元数量x存储单元宽度

例如：1024x16表示内存单元1024个，单元宽度16位

主存最大存储单元数，取决于CPU地址总线的宽度

数量级

1K=2¹⁰=1024

1M=2²⁰=1024K

1G=2³⁰=1024M

1T=2⁴⁰=1024G

参数级

主频：CPU主时钟的频率，越高越高功耗、高产热

时钟周期：主频的倒数

位宽：同时传送二进制位数，例如32位/64位

带宽：单位时间传送数据量，反映传输速率

总线带宽=总线工作频率x总线位宽/8

作业级

吞吐率：计算机在单位时间内完成的任务数

响应时间：从用户输入命令/获取数据，到获得第一个结果的时间间隔

周转时间：从提交作业到作业完成的时间间隔

指标级

CPI每条指令的平均时钟周期=程序CPU时钟周期数/其指令数
MIPS百万条指令每秒(只关注指令数量，没考虑指令功能)

MFLOPS百万次浮点操作次数每秒

RASIS特性：

可靠性Reliability：平均无故障时间MTTF，平均故障间隔时间MTBF

可用性Availability

可服务性Serviceability：平均修复时间MTTR

完整性Integrality

安全性Security

数据类型

定点数

有符号

无符号

浮点数

单精度浮点数

双精度浮点数

字符

ASCII：1英文字母=1Byte字节，1中文汉字=2Byte字节

UTF-8：1英文字母=1Byte字节，1中文汉字=3Byte字节

UTF-16：1英文字母=2Byte字节，1中文汉字=2Byte字节

UTF-32：任何字符=4Byte字节

Unicode：1英文字母=1Byte字节，1中文汉字=2Byte字节

所以1英文标点=1Byte字节，1中文标点=2Byte字节

逻辑数(布尔)

堆栈(Stack)

后进先出，可：压入push、弹出pop

进制

二进制11111111B

转十进制，从右第N位数字*2^(N-1)累加

八进制377O

转十进制，从右第N位数字*8^(N-1)累加

十进制255

十六进制FFH

转十进制，从右第N位数字*16^(N-1)累加，再将16=2^4，(2^4)^(N-1)=2^4(N-1)

码制

原码

转化成十进制的时候，记得首位符号位，0表+，1表-

+127原=01111111，-127原=11111111

+0.5原=0♢1000000，-0.5原=1♢1000000

♢表示小数点位置，小数x2取整，得到后面7位数

反码

符号位与原码一致，正数与原码一致，负数与原码相反

+127反=01111111，-127反=10000000

+0.5反=0♢1000000，-0.5反=1♢0111111

补码

符号位与原码一致，正数与原码一致，负数比反码+1

+127补=01111111，-127补=10000001

+0.5补=0♢1000000，-0.5补=1♢1000000

移码

符号位与原码相反，其余与补码一致

+127移=11111111，-127移=00000001

+0.5移=1♢1000000，-0.5移=0♢1000000