前言

学而时习之不亦说乎，越是基础的知识越需要巩固学习，正好这几天回顾复习了一下计算机组成原理及体系结构，因此记录下来分享给大家，欢迎学习交流。

计算机组成原理及体系结构主要包括：数据的表示、Flynn分类法、计算机结构、CISC与RISC、存储系统、流水线技术、总线系统、校验码、可靠性等相关技术。

数的表示

数表示法在我们学习计算机的时候就开始接触了，输的表示是指依据不同的角度可以分为不同的类型。

数根据用图和含义不同可以分为不同的类型，例如：从数的是否带符号，可分为带符号数和无符号数；从数的符号的表示方法，可分为真值和机器数；从不同的数制表示数，可分为二进制数、十进制数、八进制数和十六进制数等；从计算机编码角度，数的表示法有原码、反码和补码；对于小数点的表示，可以分为定点表示法和浮点表示法。

N进制转十进制
- 方法：按权展开法
- 具体步骤：10100转十进制。12^4+12^2=20
十进制转N进制
- 方法：短除法
- 具体步骤：把N作为除数，根据余数继续除N,除到无法整除，然后拼接余数，将余数逆序拼接即可。
二进制转八进制
- 每三个二进制，对应一个8进制，将二进制从右往左每三个分一段不足的补0，转出多个二进制对应的数，即八进制数。010 001 110 即分别对应 2 1 6 。八进制数是：216
二进制转十六进制
- 每四个二进制，对应一个16进制，将二进制从右往左每四个分一段不足的补0，转出多个二进制对应的数，即16进制数。1000 1110 即分别对应 8 E 。16进制数是：8E
原码
- 将一个数转成二进制形式，一个字节8位，不足的补0，最高位为符号位，0正数，1负数。例如：1 原码为：0000 0001， 3的原码为：0000 0101
- 正数：原码=反码=补码。例如：1 0000 0001
- 负数：符号位-1。例如：-1 1000 0001
- 范围：-（2^n-1 -1）~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则范围为：-127~127
反码
- 正数：原码=反码=补码。例如： 1 0000 0001
- 负数：符号位取出（默认-1），其他位置按位取反。例如：-1 1111 1110
- 范围：-（2^n-1 -1）~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则范围为：-127~127
补码
- 正数：原码=反码=补码。例如： 1 0000 0001
- 负数：补码是在反码的基础上+1，得到补码。例如：1 1111 1111
- 范围：-2^n-1 ~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则范围为：-128~127
移码
- 正数：在补码的基础上，首位取反
- 负数：在补码的基础上，首位取反
浮点数运算
- 概念：实数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个基数（计算机中通常是2）的整数次幂得到，这种表示方法类似于基数为10的科学计数法
- 表示：N=M*Re,其中M为尾数，R为底数，e为指数。
- 计算：对阶----尾数计算----结果格式化，小数点左边不能为0。

计算机结构

主机
- CPU
  - 运算器
    - 算术逻辑单元ALU
    - 累加寄存器AC
    - 数据缓冲寄存器DR
    - 状态条件寄存器PSW
  - 控制器
    - 程序计数器PC
    - 指令寄存器IR
    - 指令译码器
    - 时序部件
- 主存储器

CISC与RISC

CISC复杂指令系统
- 指令：数量多、使用数量差别大、可变长格式
- 寻址方式：支持多种
- 实现方式：微程序控制技术
- 其他：研制周期长
RISC简单指令系统
- 指令：数量少、使用频率接近、不可变长格式、大部分为单周期指令、操作寄存器、只有load|store操作内存
- 寻址方式：支持较少
- 实现方式：增加通用寄存器、硬布线逻辑控制为主、多用于流水线
- 其他：优化编译、有效支持高级语言

Flynn分类法

计算机体系结构的分类方法。依据数据流和指令流
单指令流单数据流
- SISD
- 结构：控制一个、处理一个、主存一个
- 使用：单处理器系统
单指令流多数据流
- SIMD
- 结构：控制一个、处理多个、主存多个
- 使用：并行处理机、阵列处理机、超级向量处理机
多指令流单数据流
- MISD
- 结构：控制多个、处理一个、主存多个
- 使用：目前没有，类似于流水线
多指令流多数据流
- MIMD
- 结构：控制多个、处理器多个、主存多个
- 使用：多处理机、多计算机

存储系统

层次化的存储结构：CPU(寄存器)、Cache、内存（主存）、外存（辅存）
Cache
- 在CPU与主存之间使用Cache，提高CPU输入输出速率
- Cache依据：局部性原理
- 使用Cache+主存的平均周期=Cache访问命中率*Cache的访问时间+（1-Cache访问命中率）*主存的访问时间
- 空间局部性、时间局部性
- 工作集理论：进程访问时被频繁访问的页面集合
主存
- 随机存取存储器
  - 特点：掉电会丢失数据
  - 分类：DRAM 动态RAM,SRAM静态RAM
- 只读存储器
  - 特点：掉电不丢失数据
  - 分类：MROM掩模式ROM,PROM一次可编程ROM,EPROM可擦除ROM,闪速存储器
  - 计算：（末尾地址-起始地址）/内存单位
磁盘
- 磁盘的存取时间计算：存起时间=寻道时间+等待时间（平均定位时间+转动延迟）
- 最少记录时间计算=旋转周期+最优读取周期
- 最长记录时间计算=旋转周期*（周期数-1）+最后一个扇区读取处理时间

流水线技术

流水线，又称装配线，工业上的一种生产方式，指每一个生产单位只专注处理某一个片段的工作，以提高工作效率及产量。

概念：在程序执行时
流水线周期：流水线中执行时间最长的一段。
流水线执行时间计算
- 理论公式：每个阶段的时长+（指令条数-1）*流水线周期。t1+t2...+tk+(n-1)*△t
- 实际公式：（指令阶段数量+指令条数-1）*流水线周期.。（k+n-1）*△t
流水线吞吐率TP
- 概念：在单位时间内流水线完成的任务数量或输出的结果数量
- TP=指令条数/流水线执行时间
- 最大吞吐量TP=1/△t
流水线的加速比
- 概念：完成统一批任务，不使用流水线技术与使用流水线技术所用时间的比
- 计算：S=不使用流水线技术完成的时间/使用流水线技术所用的时间
流水线的效率
- 概念：流水线的效率是指流水线的设备利用率。
- 计算：E=N个任务所占用的时空区与K个流水段总的时空区之比

总线系统

内部总线
- 处理器与芯片之间的总线，芯片之间的总线
系统总线
- 系统总线是插线板之间的总线
- 数据总线
- 地址总线
- 控制总线
外部总线

校验码

差错控制
- 检错
  - 检查出错误
- 纠错
  - 检查出错误并纠正错误
- 码距
  - 整个编码系统中两个码字之间的最小距离
- 码距与检错：在一个码组内为了检错e个误码，码距d最小为：d>=e+1
- 码距与纠错：在一个码组内为了纠错t个误码，码距d最小为：d>=2t+1
循环校验码CRC(检错)
- 模2除法：在进行除法运算时，不计其进位除法。对商值进行异或处理。
- 计算时：多项式转成2进制形式；取最高位次方，在原报文后加最高次方的0；进行模2的除法；将原始报文后+余数
海明校验码
- 计算公式：2^R >=N+R+1。其中R是校验位的个数，N是信息位的个数
- 检错：信息位转为2进制，判断信息位影响的校验位，校验位根据影响的信息位值进行异或处理
- 纠错：检错位之后取反即纠错

可靠性

可靠性计算：串联可靠性、并联可靠性
模冗余系统、混合系统

结语

好了，以上就是计算机组成原理及体系结构的介绍，感谢您的阅读，希望您喜欢，如对您有帮助，欢迎点赞收藏。如有不足之处，欢迎评论指正。下次见。

作者介绍：【小阿杰】一个爱鼓捣的程序猿，JAVA开发者和爱好者。公众号【Java全栈架构师】维护者，欢迎关注阅读交流。

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