基础

第一章 计算机硬件基础

1、数据的表示⭐⭐⭐

进制转换

计算机中的原码反码补码

在学习原码, 反码和补码之前, 需要先了解机器数和真值的概念.

1、机器数

一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机用一个数的最高位存放符号, 正数为0, 负数为1.

比如，十进制中的数 +3 ，计算机字长为8位，转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。

那么，这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。

2、真值

因为第一位是符号位，所以机器数的形式值就不等于真正的数值。例如上面的有符号数 10000011，其最高位1代表负，其真正数值是 -3 而不是形式值131（10000011转换成十进制等于131）。

所以，为区别起见，将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

1. 原码（计算机二进制真实值的表示）

原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值. 比如如果是8位二进制:

[+1]原 = 0000 0001

[-1]原 = 1000 0001

第一位是符号位. 因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:

[1111 1111 , 0111 1111]==>[-127 , 127]

2. 反码

反码的表示方法是:

• 正数的反码是其本身
• 负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反.

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

3. 补码

补码的表示方法是:

• 正数的补码就是其本身
• 负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

4.移码

移码表示方法是：

• 在补码的基础上，符号位取反，表示位不变

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补 = [10000001]移

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补 = [01111111]移

例题：

解：十六进制中的F表示15，二进制表示为1111

(FFFF)补 转换二进制为 (1111 1111 1111 1111)补

补码推原码：

首先推出反码：补码到反码符号位不变表示位减一；既(1111 1111 1111 1111)补 = (1111 1111 1111 1110)反

反码推原码：符号位不变其余位取反(1111 1111 1111 1110)反 = (1000 0000 0000 0001)原

(FFFFH)补 = (1111 1111 1111 1111)补 = (1111 1111 1111 1110)反 = (1000 0000 0000 0001)原= -1

则该题答案为B

本段来源

2、逻辑运算⭐⭐⭐

3、计算机结构⭐⭐⭐

操作码和地址码都应存入指令寄存器

累加寄存器临时存储算术/逻辑运算结果

4、指令系统⭐⭐⭐

采用不同寻址方式的主要目的是扩大寻址空间并提高灵活性

在机器指令的地址字段中，直接指出操作本身的寻址方式是立即寻址

5、CISC与RISC（指令集）⭐⭐

英特尔、AMD采用复杂指令集

高通、麒麟等手机处理器采用精简指令集

6、Flynn⭐

7、流水线技术⭐⭐

流水线技术指标

（N=指令条数、Ts是未采用流水线的执行时间、Tk是采用流水线时间）

吞吐率（Tp）：Tp=n/Tk

加速比（S）：S=Ts/Tk

效率

8、存储系统结构⭐⭐⭐

存储器是分层次的，离CPU越近的存储器速度越快，每字节的成本越高，同时容量也因此越小。寄存器速度最快，离CPU最近，成本最高，所以个数容量有限。其次是高速缓存（缓存也是分级，有L1，L2等缓存），再次是主存（普通内存），再次是本地磁盘。

寄存器的速度最快，可以在一个时钟周期内访问，其次是高速缓存，可以在几个时钟周期内访问，普通内存可以在几十个或几百个时钟周期内访问。

存储器分级，利用的是局部性原理。我们可以以经典的阅读书籍为例：

• 我在读的书，捧在手里（寄存器）。
• 我最近频繁阅读的书，放在书桌上（缓存），随时取来读。
• 当然书桌上只能放有限几本书。我更多的书在书架上（内存）。
• 如果书架上没有的书，就去图书馆（磁盘）。

我要读的书如果手里没有，那么去书桌上找，如果书桌上没有，去书架上找，如果书架上没有去图书馆去找。

可以对应寄存器没有，则从缓存中取，缓存中没有，则从内存中取到缓存，如果内存中没有，则先从磁盘读入内存，再读入缓存，再读入寄存器。

主存：内存

辅存：硬盘等

多级存储共存

存储器的存储方式

随机存取-内存

相联存取-缓存

直接存取-磁盘

顺序存取-磁带

9、主存储器基础⭐⭐⭐

1KB=2^10=1024字节

1MB=2^10 KB=1024KB

1GB=2^10 MB=1024MB

1B=8bit

例1解：( 4M / 256k ) * ( 16B / 8bit ) = 16 * 16

​ 4M = 4096k 16B = 128bit

​ 4096 / 256 = 16 128 / 8 = 16

​ 16 * 16=256

例2解：（CBFF-A4000）+1=27FFF + 1 = 28000

​ 即28000H字节，转换为十进制：2 * 16^4 + 8 * 16^3 = 163840b

​ 单位转换：163840 / 1024 = 160kb

10、Cache缓存⭐⭐

CPU正在访问的指令和数据，其可能会被以后多次访问到，或者是该指令和数据附近的内存区域，也可能会被多次访问。因此，第一次访问这一块区域时，将其复制到cache中，以后访问该区域的指令或者数据时，就不用再从主存中取出。

直接映射
将一个主存块存储到唯一的一个Cache行。

1. 多对一的映射关系，但一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去。
   cache的行号i和主存的块号j有如下函数关系：i=j mod m（m为cache中的总行数）
   
   优点：硬件简单，容易实现
   缺点：命中率低， Cache的存储空间利用率低

全相联映射
可以将一个主存块存储到任意一个Cache行。
主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一行上

优点：命中率较高，Cache的存储空间利用率高
缺点：线路复杂，成本高，速度低

组相联映射
可以将一个主存块存储到唯一的一个Cache组中任意一个行。
将cache分成u组，每组v行，主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一行是灵活的，即有如下函数关系：cache总行数m＝u×v 组号q＝j mod u

组间采用直接映射，组内为全相联
硬件较简单，速度较快，命中率较高

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存储部分的一部分笔记内容来源于：

http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-2777989.html

https://www.cnblogs.com/jokerjason/p/10711022.html

2021.6.29待补充

最后

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