Coding-everyday

# 计算机组成原理

# 1. 计算机发展的四个阶段

  1. 电子管计算机（1946年ENIAC埃尼阿克）
  2. 晶体管
  3. 集成电路
  4. 超大规模集成电路计算机

未来

  • 生物计算机？
  • 量子计算机？

微型计算机的发展历史，由单核CPU发展到多核CPU

计算机分类：

  • 超级计算机(TFlop/s)
  • 大型计算机(去IOE)
  • 迷你计算机（普通服务器、云服务）
  • 工作站
  • 微型计算机（个人计算机）

TFlop/s=每秒一万亿次浮点计算

去IOE行动（阿里提出，高维护费用）：

  • IBM Oracle EMC，把大型机替换为普通服务器

# 2. 冯诺依曼体系

冯诺依曼体系

  • 将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构
  • 存储程序指令，设计通用电路
  • 必须有存储器、控制器、运算器、输入设备、输出设备
  • 现代计算机都是冯诺依曼机
  • CPU=运算器+控制器

冯诺依曼瓶颈：

  • CPU和存储器分开，CPU和存储器速率之间的问题无法调和，CPU处理速度快，经常空转等待数据传输

现代计算机结构：

  • 在冯诺依曼体系结构基础上修改，解决CPU与存储设备之间的性能差异问题
  • CPU=运算器+控制器+存储器（内存和CPU的寄存器）
  • 可以理解为以存储器为核心

# 3. 程序翻译与程序解析

  1. 程序翻译：L1编译成L0（编译器）
  2. 程序解析：L1经L0变为L0（解释器）
  • 计算机执行的指令都是L0
  • 翻译过程中生成新的L0程序，解释过程中不生成新的L0程序(输入输出)
  • 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

举例：

  1. 程序翻译：c/c++ Object-C Golang
  2. 程序解释：Python Php JS

翻译+解释：Java、C# Java程序编译成JVM字节码，再解释成机器码

# 4. 计算机的层次

计算机的层次

实际机器：

  • [ ] 硬件逻辑层：门、触发器等逻辑电路组成，属于电子工程的领域
  • [ ] 微程序机器层：编程语言是微指令集
  • [ ] 传统机器层：编程语言是CPU指令集（机器指令），编程语言和硬件直接相关

注意：

  • [ ] 一条机器指令对应一个微程序，一个微程序对应一组微指令
  • [ ] 微指令 < 微程序 = 机器指令

虚拟机器：

  • [ ] 操作系统层：管理硬件资源，提供简易的操作界面，是软件和硬件之间的适配层
  • [ ] 汇编语言层：编程语言就是汇编语言
  • [ ] 高级语言层：种类多
  • [ ] 应用层：Office等

# 5. 计算机的计算单位

# 5.1. 容量单位：

  • 物理层面，高低电平记录信息，理论上只认识0/1两种状态（bit）
  • 8比特 = 1字节
  • Byte < KB < MB < GB < TB < PB < EB

计算机的计算单位

硬盘商一般用10进位标记容量，所以买的硬盘小于标注的大小

# 5.2. 速度单位

# 5.2.1. 网络速度

为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒？

  • 网络常用单位为Mbps
  • 1M/s = 1Mbps = 1Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s
# 5.2.2. CPU速度
  • CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率，单位一般是Hz
  • 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上，（高低电平变换频率在每秒20亿次以上）

Hz就是秒分之一，每秒钟周期性变动重复次数的计量

  • 能听见蜜蜂翅膀振动而不能听见蝴蝶翅膀振动声音，只因为蜜蜂振动频率高（400Hz）与蝴蝶振动频率（15Hz）

# 6. 字符和编码集

ASCII码：

  • [ ] 7个bits就可以完全表示
  • [ ] 包含95个可打印字符
  • [ ] 33个不可打印字符
  • [ ] 33+95 = 128 = 2^7

ASCII码

问题：很多符号无法表示

Extended ASCII码： 128 => 255个

  • [ ] 包含了常见的数学运算符
  • [ ] 带音标的欧洲字符
  • [ ] 其他常用符号、表格符等

Extended ASCII码

字符编码集的国际化：

  • 语言多样性
  • 语言体系不一样，不以有限字符组合的语言

中文编码集：

  • GB2312(7445个字符)
  • GBK，支持ISO标准
  • 外国人使用这些编码的网页，由于本地没装这些字符集(GB2312、GBK)，就没法使用，乱码
  • Unicode：统一码、万国码，定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码，UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码

Windows系统默认使用GBK编码，编程推荐使用UTF-8编码

# 7. 计算机的总线

总线：

  • [ ] 提供了对外连接的接口
  • [ ] 连接的标准，促使外围设备接口的统一
  • [ ] 解决不同设备之间的通信问题

USB Universal Serial Bus，通用串行总线 还有PCI ISA总线

总线分类：

  • 片内总线
  • 系统总线

片内总线：

  • 芯片内部的总线
  • 寄存器与寄存器之间，寄存器与控制器、运算器之间，高集成度芯片内部的信息传输线

系统总线分类：

  • 数据总线（与CPU位数相同）
  • 地址总线
  • 控制总线（控制信号的传输线，监视组件状态，如就绪/未就绪）

总线的仲裁：

  • 解决总线使用权的冲突问题

方法：

  • 链式查询，电路复杂度低，优先级低的设备难以获得总线使用权（2, 3）,对电路故障敏感
  • 计时器定时查询
  • 独立请求，每个设备均有总线独立连接仲裁器，可独立发送请求和接收

链式查询 计时器定时查询 独立请求

# 8. 输入输出设备

键盘：

  • 薄膜键盘
  • 机械键盘（黑轴/红轴/青轴）

输入输出接口的通用设计：

  • 数据线
  • 状态线
  • 设备选择线（选择IO设备）
  • 命令线

CPU与IO设备的通信（CPU速度与IO速度不一致）

  • 程序的中断，提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应
  • DMA（直接存储器访问），DMA直接连接主存与IO设备，主存与IO设备交换信息时，不需要中断CPU，可以提高CPU的效率

IO设备发送中断信号，CPU响应中断（可能不立即响应）： 中断信号

DMA： DMA

# 9. 存储器

存储器的分类：

  1. 按存储介质：
    • 半导体存储器（内存/U盘/固态硬盘）
    • 磁存储器（磁盘/磁带）
  2. 按存取方式：
    • 随机存储器RAM（随机读取，与位置无关）
    • 串行存储器（与位置有关，按顺序查找）
    • 只读存储器ROM（只读不写）

存储器的层次结构：

  • 缓存
  • 主存
  • 辅存（位价最低）

位价：每比特位价格

不同点在于：

  • 读写速度
  • 存储容量
  • 价格

存储器

缓存-主存层次

  • [ ] 原理：局部性原理（最重要的很少，集中）
  • [ ] 实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
  • [x] 目的：解决主存速度不足的问题

主存-辅存层次

  • [ ] 原理：局部性原理
  • [ ] 在主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘等）
  • [x] 目的：解决主存容量不足的问题

# 9.1. 主存和辅存

# 9.1.1. 主存储器（内存）

计算机断电，内存内容消失

  • RAM，Random Access Memory
  • RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次
  • 如果断电，那么一段时间后将丢失所有数据

32位系统和64位系统对比：

  • [ ] 32位系统，至多支持4GB的内存（地址总线），2^32 = 4^30 = 4GB
  • [ ] 64位系统，2^64=2^34*2^30=2^34GB

主存和辅存

# 9.1.2. 辅助存储器——磁盘

磁道、扇区

举例：读取磁道1 4 2 3 1 5，其中1磁道在最外面，5磁道在最里面，现在在4道上

  • [ ] 先来先服务算法，1 4 2 3 1 5
  • [ ] 最短寻道时间优先,4 5 3 2 1
  • [ ] 扫描算法（电梯算法）：每次只往一个方向移动，达到尽头才返回，可以两个方向读取4 3 2 1 5
  • [ ] 循环扫描算法，由内往外，或由外往内，只能一个方向的读取，4 5 1 2 3

# 9.2. 高速缓存

工作原理

  • 字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码的组合
  • 字块：存储在连续的存储单元中而被看做是一个单元的一组字

假设一个字有32位，一个字块共B个字，主存共M个字块，B*M=主存总字数，B*M*32=主存总容量(bits)

字块

字的地址包含两个部分：

  • 前m位指定字块的地址（2^m=M）
  • 后b位指定字在字块中的地址（2^b=B）

字块

高速缓存内部的存储结构与主存类似，有字块和字的概念，但是缓存的容量（字块数）远小于主存容量，缓存里的数据是主存数据的复制

CPU需要的数据不在缓存里时，需要去主存拿

衡量高速缓存性能的两个指标：

  1. 缓存命中率h
  2. 访问效率e

缓存命中率，CPU每次从高速缓存取数据的概率，为访问Cache次数除以访问主存和Cache次数之和

  • 访问主存次数：Nm
  • 访问Cache次数：Nc
  • 所以，缓存命中率公式：h=Nc/(Nc+Nm)

访问效率e为访问Cache时间除以访问Cache和主存平均时间：

  • [ ] 访问主存时间：tm， 访问缓存时间：tc
  • [ ] 访问Cache-主存系统平均时间：ta = htc + (1-h)tm
  • [ ] 所以，访问效率e=tc/ta = tc/(htc + (1-h)tm)

高速缓存

# 10. 缓存替换策略

高速缓存的替换时机，当CPU所需要的数据不在Cache时，需要从主存载入所需数据

  • [ ] 随机算法
  • [ ] 先进先出算法(FIFO)，把Cache当成队列，优先替换最先进入Cache的字块
  • [ ] 最不经常使用算法(LFU)，需要额外的空间记录字块的使用频率，同频率节点按FIFO算法淘汰
  • [ ] 最近最少使用算法(LRU)，优先淘汰一段时间内没有使用的字块，一般使用双向链表实现，把当前访问节点置于链表前面（保证链表头部节点是最近使用的）

LRU举例：

LRU

# 11. 指令系统

# 11.1. 机器指令的形式

由两部分组成：

  1. 操作码
    • 操作码指明指令所要完成的的操作
    • 操作码的位数反映了机器的操作种类，2^8=256
  2. 地址码
    • 地址码直接给出操作数或者操作数的地址
    • 分三地址指令、二地址指令和一地址指令

三地址指令，比如【把结果放到地址三，比如加法操作，a+b=c】： 三地址指令

二地址指令： 二地址指令

一地址指令，自己对自己的操作，或者一个操作数的默认行为，比如自增： 一地址指令

还有零地址指令：

  • 在机器指令中无地址码
  • 空操作、停机操作、中断返回操作等

# 11.2. 机器指令的操作类型

机器指令的操作类型举例：

  • 数据传输
  • 算术逻辑
  • 移位操作
  • 控制指令等

数据传输：

  • 寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间
  • 数据读写、交换地址数据、清零置一等操作

算术逻辑：

  • 操作数的加减乘除
  • 操作数的与或非

移位操作：

  • 数据左移（乘2）
  • 数据右移（除2）

控制指令：

  • 等待指令
  • 停机
  • 空操作
  • 中断指令等

# 11.3. 机器指令的寻址方式

分为：

  1. 指令寻址 指令寻址，分为：
    • 顺序寻址
    • 跳跃寻址
  2. 数据寻址 数据寻址，分为：
    • 立即寻址（地址码存的是操作数，无需访问存储器）
    • 直接寻址（地址码直接给出操作数在主存的位置）
    • 间接寻址（地址码给出的是操作数地址的地址）

机器指令的寻址方式

类比：

  1. 立即寻址相当于我天生有钱
  2. 直接寻址相当于我努力挣钱
  3. 间接寻址相当于傍大款，大款身上有钱的地址

# 12. 控制器

协调和控制计算机的运行

控制器

程序计数器：

  • [ ] 用来存储下一条指令的地址
  • [ ] 循环从程序计数器中拿出指令
  • [ ] 当指令被拿出时，指向下一条指令

时序发生器：

  • [ ] 属于电气工程领域，用于发送时序脉冲
  • [ ] CPU根据不同的时序脉冲有节奏的工作（节拍）

指令译码器：

  • [ ] 主要部件之一
  • [ ] 计算机指令由操作码和地址码组成
  • [ ] 翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据

指令寄存器：

  • [ ] 主要部件之一
  • [ ] 从主存或高速缓存取计算机指令

主存地址寄存器：

  • [ ] 保存当前CPU正要访问的内存单元的地址

主存数据寄存器：

  • [ ] 保存当前CPU正要读或写的主存数据

通用寄存器：

  • [ ] 用于暂时存放或传送 数据或指令
  • [ ] 可保存ALU的的运算中间结果
  • [ ] 容量比一般专用寄存器要大

# 13. 运算器

用来进行数据运算加工

运算器

数据缓冲器：

  • [ ] 分为输入缓冲和输出缓冲
  • [ ] 输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
  • [ ] 输出缓冲暂时存放往外设的数据

ALU：

  • [ ] 算术逻辑单元，是运算器的主要组成
  • [ ] 常见的位运算（左右移、与或非）
  • [ ] 算术运算（加减乘除）

ALU： ALU

状态字寄存器：

  • [ ] 存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）
  • [ ] 存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断位等）

通用寄存器

  • [ ] 用于暂时存放或传送 数据或指令
  • [ ] 可保存ALU的的运算中间结果
  • [ ] 容量比一般专用寄存器要大

# 14. 计算机指令的执行过程

指令执行过程：

  1. 取指令
  2. 分析指令
  3. 执行指令

右上角是高速缓存，右下角是控制器，左边是运算器

计算机指令的执行过程

指令执行过程（具体）：

计算机指令的执行过程

问题：CPU综合利用率不高（控制器和运算器不能同时工作）

CPU的流水线设计：

  • [ ] 类似工厂的装配线
  • [ ] 多个产品可以同时被加工
  • [ ] 在同一时刻，不同产品均位于不同的加工阶段

CPU的流水线设计 CPU的流水线设计

当m很大时，流水线效率可以看做是串行的三倍

# 15. 进制运算的基础

进制概述

  • 有限的数字符号来表示无限的数值

小数的二进制转十进制：

小数的二进制转十进制

  • 整数的十进制转二进制（重复相除法）：不断除以2，得到余数和商x，继续除以2，直到商为0，最后将所有的余数 倒过来。10=>1010
  • 小数的十进制转二进制（重复相乘法），不断乘以2，取出1，得到x，继续乘2取1，直到x为0：

小数的二进制转十进制

# 16. 原码、补码、反码

原码表示法：

  • 使用0表示正数，1表示负数
  • 规定符号位位于数值第一位
  • 人类最容易理解

问题：

  • 0有两种表示方法：00、10
  • 原码运算复杂，操作数符号不同时，需要判断操作数绝对值大小，使用绝对值大的数减去绝对值小的数，对于符号值，以绝对值大的为准

补码： 目的：

  • 正数代替负数表示
  • 加法代替减法，从而消除减法（但没有解决）

原码、补码、反码

反码： 原码、补码、反码

规律： 原码、补码、反码

  • 正数的原码、补码、反码一样
  • 负数的反码等于原码 除符号位外按位取反
  • 负数的补码等于反码+1

原码、补码、反码

小数的补码计算和整数的补码计算相同

# 17. 定点数与浮点数

# 17.1. 定点数

  • [ ] 小数点 固定放在某个位置的数，分为两种
    • [ ] 一种放在符号位和数值位的中间（纯小数）
    • [ ] 一种放在数值位的最后（纯整数）
  • [ ] 不是纯小数或者纯整数的话，需要乘以比例因子，成为 纯小数或纯整数，比如1.01变成0.101或者101

问题：数据范围很大时，定点数难以表达，也不够灵活

# 17.2. 浮点数

浮点数的表示格式： 浮点数

注意：

  • 尾数必须使用纯小数

举例： 浮点数

浮点数的表示范围： 浮点数

浮点数分类：

  • [ ] 单精度浮点数：4个字节、32位，float
  • [ ] 双精度浮点数：8个字节、64位，double

浮点数的规格化：

  • [ ] 尾数必须为纯小数
  • [ ] 尾数最高位必须为1

举例，只有第一个正确：

浮点数

举例： 浮点数

定点数和浮点数的对比：

  • [ ] 浮点数在表示范围、精度、溢出处理、编程等方面优于 定点数
  • [ ] 浮点数在运算规则、运算速度、硬件成本等方面不如 定点数
  • [ ] 计算机大多使用浮点数，成本比较低的芯片中使用定点数

# 18. 定点数的加减法

# 18.1. 定点数加法

A的补码+B的补码=A+B的补码（对其求原码，即为结果） 注意：

  • 数值位与符号位 一同运算，并将符号位产生的进位自然丢掉

定点数

举例： 定点数

定点数

判断溢出，双符号位判断法：

  • [ ] 单符号位表示变成双符号位：0=>00, 1=>11
  • [ ] 双符号位产生的进位丢弃
  • [ ] 结果的双符号位不同则表示溢出

定点数

# 18.2. 定点数减法

定点数

-B的补码等于B的补码 连同符号位 按位取反，末位加一

# 19. 浮点数的加减法运算

步骤：

  1. 对阶
  2. 尾数求和
  3. 尾数规格化
  4. 舍入
  5. 溢出判断

# 19.1. 对阶

  • 目的是使得两个浮点数阶码一致，使得尾数可以进行运算
  • 阶码按小阶看齐大阶的原则

浮点数

# 19.2. 尾数求和

  • [ ] 使用补码运算
  • [ ] A-B = A + (-B)

尾数求和

# 19.3. 尾数规格化

  • [ ] 符号位与最高位不一致
  • [ ] 一般情况下是左移

尾数规格化（右移）：

  • [ ] 双符号位不一致下需要右移（定点运算的溢出情况）
  • [ ] 右移的话则需要进行舍入操作

尾数规格化

尾数规格化

# 19.4. 舍入

  • [ ] 0舍1入法（二进制的四舍五入）。若舍去的是1需要加1，若舍去的是0不需要加1。记得阶码加1
  • [ ] 可能溢出

舍入

# 19.5. 溢出判断

  • [ ] 定点运算双符号位不一致为溢出
  • [ ] 浮点运算尾数双符号位不一致不算溢出
  • [ ] 浮点运算阶码双符号位判断是否溢出（不一致为溢出）

整个过程：

浮点数

# 20. 浮点数的乘除法操作

# 20.1. 乘法

  • [ ] 阶码相加，尾数求积

乘法

# 20.2. 除法

  • [ ] 阶码相减，尾数求商

除法

# 20.3. 乘除法过程与加减法相同：

  1. 阶码运算
  2. 尾数运算
  3. 尾数规格化
  4. 舍入
  5. 溢出判断

# 21. 大端字节序和小端字节序

使用2个字节表示255的话，255 = 00000000, 11111111

  • [ ] 大端字节序：00000000, 11111111 低字节放在后面，高字节放在前面(高字节保存在内存的低地址)
  • [ ] 小端字节序：11111111, 00000000 低字节放在前面，高字节放在后面(高字节保存在内存的高地址)

用途：

  • [ ] 大端字节序主要在网络中使用
  • [ ] 小端字节序主要在主机中使用（计算机的CPU或者硬盘）

原因：

  • [ ] 计算机电路先处理低位字节效率比较高
  • [ ] 人类习惯读写大端字节序，所以在网络上中使用

举例： var = 0x11223344，对于这个变量的最高字节为0x11，最低字节为0x44

(1) 大端模式存储（存储地址为16位）

地址                    数据
0x0004(高地址)          0x44
0x0003                 0x33
0x0002                 0x22
0x0001(低地址)          0x11

(2) 小端模式存储（存储地址为16位）


地址                    数据
0x0004(高地址)          0x11
0x0003                 0x22
0x0002                 0x33
0x0001(低地址)          0x44

如何记忆？

  • 自大的人眼高手低--其中，自大代表大端序，眼高代表高地址，手低代表低字节

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