第一章 计算机基础
计算机硬件基础
计算机科学计数
进制转换
主要是二进制与十进制之间的转换。
例如将1011转换为十进制，过程如下
| 二进制 | 1 | 0 | 1 | 1 |
|---|---|---|---|---|
| 换成以2为底的幂运算 | 23 | 22 | 21 | 20 |
| 1*23 | 0*22 | 1*21 | 1*20 | |
| 相加结果就是十进制 | 8 | 0 | 2 | 1 |
结果是：8+2+1=11
原码、反码、补码
一个数在计算机中二进制表现形式，叫做这个数的**机器数 。** 机器数是带有符号的，在计算机中一个数的最高位作为 **符号位** 正数位零，负数位一。
原码：符号位加上真值的绝对值，即第一位表示符号，其余表示值。例如：假设用八位表示一个数值，则+11的原码是<span data-type="text" style="background-color: var(--b3-card-error-background); color: var(--b3-card-error-color);">0</span>0001011，-11的原码是<span data-type="text" style="background-color: var(--b3-card-error-background); color: var(--b3-card-error-color);">1</span>0001011.
反码：正数的反码与原码相同，复苏的反码**符号位为1，其余各位为该数绝对值的原码按位取反得到的值**。例如+11的反码是00001011，-11的反码是11110100.
补码：正数的补码与原码相同，复苏的补码是**该数发反码加1** 。 例如+11的补码是00001011，-11的补码是11110101.
| 各种码值所表示数的范围 | 定点整数 | 定点小数 |
|---|---|---|
| 原码 | -（2n-1-1）~2n-1-1 | -(1-2n-1)<X<1-2-(n-1) |
| 反码 | -（2n-1-1）~2n-1-1 | -(1-2n-1)<X<1-2-(n-1) |
| 补码 | -2n-1~2n-1-1 | -1≦X<1-2-(n-1) |
计算机体系结构
处理器组成
中央处理器的功能主要是解释 **计算机指令及处理计算机软件中的数据。** 主要包括两个部分， **运算器** 和 **控制器** 。
运算器
运算器通常由ALU、累加器、算术逻辑单元、通用寄存器组成。ALU负责进行算数运算和逻辑运算。累加器负责暂时存放ALU运算结果。
控制器
控制器包含程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件。
程序计数器：存放下一条指令的地址。
指令寄存器：用来啊报错当前正在执行的一条指令。
指令译码器：指令中操作码经过指令译码器译码后，可向操作控制器发出具体操作信号。
时序部件：为指令的执行产生时序信号。
总线
微型计算机通过系统总线将各个部件连接到一起。实现微型计算机内部各个部件间的信息交换。
数据总线：用来传输数据信息
地址总线：用来传输地址，地址总线的位数决定了cpu可直接寻址的内存空间大小。**一般来说，若地址总线为n，则可寻址空间为2****<sup>n</sup>****字节。**
控制总线：用来传输控制信号和时序信号。
指令系统
指令系统是CPU所有指令的集合，通常**一条指令可分为操作码和地址码两个部分** ，操作码确定指令的操作类型，地址码确定指令所要处理操作数的位置。
寻址方式
指令系统中采用不同寻址方式的目的是**扩大可寻址空间并提高编程灵活性。** 常见的寻址方式有：立即寻址、变址寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址。
立即寻址：通常直接在指令的地址码部分给出操作数（速度最快）
内存寻址
直接寻址：在指令中直接给出参加荀爽的操作数或运算结果所存放的主存地址。
间接寻址：在指令中给出操作数地址的地址
变址寻址：变址寄存器中的内容加地址码内容即可完成寻址。
寄存器寻址：
寄存器直接寻址：指令在执行过程中所需的操作数来自寄存器
寄存器间接寻址：寄存器存放操作数在主存的地址。
RISC 和 CISC
| 指令系统 | 指令 | 寻址方式 | 实现方式 |
|---|---|---|---|
| CISC（复杂指令集计算机） | 指令种类多，使用频率相差不大，采用变长编码。 | 支持多种寻址方式，访问主存指令多。 | 微程序控制 |
| RISC（精简指令集计算机） | 指令种类少，使用频率接近，采用定长编码。 | 只支持少量寻址方式，并且控制了访问内存的指令数量。 | 硬布线逻辑控制 |
流水线
流水线是只在程序执行多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。
流水线指令执行时间
标准算法#计算#：T=第一条指令执行所需时间+（指令条数-1）X流水线周期。
流水线技术指标
吞吐率：计算机中流水线在特定时间内可以处理的任务数量。
TP=n/TK(n,为指令条数，TK为流水线方式时间)，其中理论最大吞吐率是 **1/流水线周期** 。
加速比：完成一批任务，不适用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。
S=TS/TK（TS为顺序执行所用时间，TK为流水线方式所用时间。）
流水线的效率：流水线的设备利用率。
存储系统
存储方式
存储器常用的存取方式有
顺序存取：存储器中的数据以记录的形式进行组织，对数据的访问**必须按特定的线性顺序进行。（磁带）**
直接存取：共享读写装置，但是每个记录都有唯一的地址。（磁盘）
随机存取：存储器的每个可寻址单元都具有唯一的地址和读写装置。（内存）
相联存取：随机存取的形式，但是可以选择哪一单元进行读写取决于其内容而不取决与其地址。（Cache）
存储设备
在传统意义上可分为RAM和ROM。
RAM
RAM是随机存储器，数据可读可写，一旦掉电，数据消失。
SRAM：静态RAM只要上电后信息不丢失，无须刷新电路，功率较高。一般做Cache使用。
DRAM:动态随机存取存储器
ROM
ROM 是只读存储器，掉电后数据不丢失。
Cache
计算机在执行时，需要从主存中读取指令和数据，同时需要将外存的数据读入内存中，这个读取的过程由于主存和外存的读取速度相差过大容易造成计算机性能下降，为了尽可能的减少影响，可以使用高速缓存（Cache）
磁盘
IDE磁盘：
SATA磁盘：用于低端计算机，服务器
SCSI磁盘：用于高端服务器
SSD固态硬盘
固态硬盘主要采用闪存作为存储芯片。
存储计算
实际的存储器时由一片或多片存储芯片及控制电路构成。芯片数量≧存储容量/存储芯片容量。
可靠性#计算#
串联系统
假设一个系统由n个子系统组成，当且仅当所有的子系统都正常工作，系统才能正常工作，这种系统称为串联系统。系统的可靠性计算为：R=R1XR2X....XRn
并联系统
假设一个系统由n个子系统组成，只要有一个子系统正常工作，系统就能正常工作，这种系统称为并联系统。系统的可靠性计算为：R=1-(1-R1 )X(1-R2 )X ... (1-Rn)
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