01 - 计算机组成原理与体系结构

news2024/11/28 19:53:43

文章目录

  • 一，计算机系统硬件基本组成
    • 硬件
    • 软件
  • 二，CPU的功能与组成
    • 功能
    • 组成
      • 运算器
      • 控制器
  • 三，数据表示
    • 计算机的基本单位
    • 进制转换
    • 原码，反码，补码，移码
    • 数值表示范围
    • 浮点数表示
  • 四，寻址
  • 五，校验码
    • 奇偶校验码【可以检错，不能纠错】
    • 海明码【可以检错和纠错】
    • 循环冗余嘛【可以检错，不能纠错】
  • 六，RISC和CISC
  • 七，流水线
  • 八，存储器
  • 九，cache
  • 十，中断
  • 十一，输入输出（IO）控制方式
    • 1，程序查询方式
    • 2，中断驱动方式
    • 3，直接存储器（DMA方式）
  • 十二，总线（考的偏，分值低）
  • 十三，加密与认证
    • 1，加密技术（只能防止第三方窃听）
    • 2，摘要（防篡改）
    • 3，数字签名（验证真实性）（认证）
    • 4，数字证书
  • 十四，加密算法
  • 十五，可靠性公式
    • 1，串联系统
    • 2，并联公式
  • 十六，资料参考

一，计算机系统硬件基本组成

硬件

  • CPU中央处理器
    • 运算器
    • 控制器
  • 存储器
  • 外部设备
    • 输入设备
    • 输出设备

软件

二，CPU的功能与组成

核心，获取程序指令，对指令进行译码并执行

功能

  • 程序的执行顺序
  • 操作控制
  • 操作时间控制
  • 数据处理
  • 内外部异常处理

组成

指令=操作码（算术，逻辑符号）+地址码

运算器

  • 功能
    • 用来计算
  • 组成
    • 算术逻辑单元ALU：处理，运算数据
    • 累加寄存器AC：暂存中间运算结果
    • 数据缓冲寄存器DR：暂存失灵，数据字，操作数
    • 状态条件寄存器PSW：指令执行后的状态

控制器

  • 功能
    • 程序正确执行，能够处理异常事件
  • 组成
    • 指令寄存器IR：存放从内存取的指令，对用户完全透明
    • 程序计数器PC：存指令地址，计数
    • 地址寄存器AR：存CPU访问内存单元的地址，由于CPU和内存速度存在差别
    • 指令译码器ID：操作码解析成对应的指令操作

从程序计数器获取需要执行的指令地址，从内存读取到的指令则暂存在指令寄存器

三，数据表示

计算机的基本单位

b（位）->B（字节）->KB->MB->GB->TB
1B = 8bit
1KB = 1024B
…

进制转换

  1. n进制转换为十进制 （乘n的次方）

image.png

  1. 十进制转换为n进制（除n,取余，再逆）

image.png

  1. 二进制与八进制、十六进制的相互转换
    1. 二进制转为八进制（三位一组）
    2. 二进制转为十六进制（四位一组）


原码，反码，补码，移码

原码：原码就是符号位加上真值的绝对值，0表示正号，1表示负号
反码：正数的反码与原码相同，负数的反码则是符号位不变，其绝对值按位取反。
补码：正数的补码与其原码相同，负数的的补码=反码的末尾+1。
移码：只要将补码的符号位取反便可获得相应的移码表示。
【【X】补】补 = 【X】原
采用补码可以简化计算机运算部件的设计

数值表示范围

image.png

浮点数表示

阶码用移码表示，尾数用补码 巧记：韦伯接姨


最小值应该是 -(2的倍数-1)次方

四，寻址

巧记口诀：立即
立即寻址：操作数在指令里面
寄存器寻址：操作数放在寄存器，指令给寄存器名
直接寻址：操作数放在内存，指令给地址
寄存器间接寻址：操作数存内存，寄存器存内存地址，指令给寄存器名
间接寻址：操作数地址的地址
作用：扩大寻址空间并提高编程的灵活性（了解）

五，校验码

奇偶校验码【可以检错，不能纠错】

增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验）
能检测出奇数位（奇数个数）出错，偶数检测不出
码距是二进制位不同，如00和01，码距为1
码距为2

海明码【可以检错和纠错】

运用奇偶性来检错和纠错，码距是3
设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足： **2^k - 1 ≥ n + k **。
image.png

循环冗余嘛【可以检错，不能纠错】

k个数据位产生r个校验位来进行编码
码距为2，运用模二运算进行检错不能纠错

六，RISC和CISC

七，流水线

  • 流水线计算 = 一条完整指令执行时间 + (n-1)x流水线最长时间
  • 吞吐率 = 最长时间段的倒数
  • n条吞吐量 = n/流水线计算
  • 加速比 = 使用流水线/不使用流水线

八，存储器

  1. 按位置
    1. 内存，主存（DRAM）
    2. 外存
  2. 按材料
    1. 磁存储器
    2. 半导体
    3. 光
  3. 按工作方式
    1. 读/写
    2. 只读
      1. 固定只读
      2. 可编程的只读
      3. 可擦除可编程的只读
      4. 电擦除可编程的只读
      5. 闪速
  4. 按访问方式
    1. 寻址
      1. 随机
      2. 顺序
      3. 直接
    2. 内容
      1. 相关存储器是按内容访问的存储器
  5. 补充
    1. 空间局部性：临近的会被访问
    2. 时间局部性：同一个访问多次

需要通过周期性刷新来保持数据的存储器件：DPAM（动态随机存储器）
虚拟存储器有主存-辅存两级存储器构成
FLASH是闪存

image.png

九，cache

对程序员透明，程序员看不到，位于CPU与主存之间

  1. 组成
    1. 存储
      1. 主存的部分拷贝信息
    2. 控制
      1. 判断CPU访问的信息是否在cache
  2. 替换算法
    1. 提高命中率
    2. cache容量越大，命中率越高
    3. 增加容易意味着增加cache成本和命中时间
  3. 地址映射

cache与主存地址的映射由硬件自动完成

  1. 直接映像
  2. 组相连映像
  3. 全相连映像（实现主存任意一块装入cache中任意位置，只有装满才需要替换）
  4. a->c冲突越小
  5. 作用
    1. 提高CPU访问主存数据和指令的效率

十，中断

  • 中断向量：提供中断服务程序的入口地址
  • 中断向量表：所有中断服务的入口地址
  • 中断响应时间：从发出中断请求到进入中断服务程序
  • 保存现场的目的是继续执行原程序
  • 实现中断嵌套使用堆栈来保护断点和现场最有效


十一，输入输出（IO）控制方式

总结：

  • 程序查询＋中断驱动都是由CPU放入内存，直接存储器是由外设
  • 程序查询：串行，中断驱动+直接存储器：并行
  • 直接存储器仅在开始和结束需要CPU，数据传输时不需要CPU
  • 直接存储器，主存与外设建立了直接的数据通路
  • CPU是在一个总线周期结束时响应DMA请求，每传送一个数据需要占用一个存储周期

1，程序查询方式


2，中断驱动方式


3，直接存储器（DMA方式）



十二，总线（考的偏，分值低）

微机中总线：数据总线，地址总线，控制总线
使用总线，可以减少总线中信号线的数量


image.png

十三，加密与认证

公钥加密认证
私钥解密签名

1，加密技术（只能防止第三方窃听）

混合加密就是把对称和非对称加密一起混合使用，适合在传输大量信息的时候，先用对称加密在用另一个的公钥加密，这样就只有另一个自己能够解密这个信息

2，摘要（防篡改）


3，数字签名（验证真实性）（认证）

  • 数字签名是用私钥签名，公钥验证，一般是对信息摘要进行签名
  • 数字签名是非对称加密算法的一种方法来保证信息不会被篡改
  • 解决假冒和否认，发送方用私钥加密，接收方用发送方的公钥解密，此过程私钥只有发送方有，所以无法否认及假冒发送



4，数字证书


十四，加密算法

非对称：SACC

十五，可靠性公式

1，串联系统

de36e4d757f666b3012c553d198e6a6a.png

2，并联公式

eec60c442ff25418807ee81dba044c4e.png
aeff1319f3a3981b7a32da99ce5969ca.png
R * （1 - （1 - R）2）*（1 - （1 - R）2）

十六，资料参考

学习视频：https://www.bilibili.com/video/BV1ym4y1D7RW/?spm_id_from=333.999.0.0
部分内容，图片参考博客 ：
https://blog.csdn.net/apple_53947466/article/details/125557473
https://blog.csdn.net/qq_41701723/article/details/128027513

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