1. 计算机硬件组成
计算机基本硬件系统由 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 大部件组成
- 运算器和控制器等部件被集成在一起统称 cpu
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- cpu 组成：运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件
- 存储器分为内部存储器和外部存储器
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- 内部存储器：速度快，容量小。一般用于临时存放程序、数据等
- 外部存储器：速度慢，容量大。可以长期保存程序和数据
- 输入设备和输出设备统称为外设
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- 输入设备：输入原始数据及各种命令
- 输出设备：用于输出计算机运行的结果
2. 校验码
2.1. 奇偶校验码
在编码中增加 1 位校验位来使编码中 1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
- 奇校验：编码中，含有奇数个 1，发送给接收方，接收方收到后，会计算收到的编码有多少个 1，如果是奇数个，则无误，是偶数个，则有误
- 偶校验同理，只是编码中有偶数个 1，由上述，奇偶校验只能验 1 位错，并且无法纠错
2.2. CRC（循环冗余校验法）
使用 CRC 编码，需要先约定一个生成多项式 G(x)，生成多项式的最高位和最低位必须是 1
生成校验码思路：在原始信息位后追加若干校验位，使得追加的信息能被 G(x)整除。接收方接收到带校验位的信息，然后用 G(x) 整除。余数为 0，则没有错误，反之则认为发生错误
解题步骤（假设原始信息为 10110，多项式为 G(x) = x^4 + x + 1 ）：
- 通过多项式 G(x) 计算出除数。x 的幂指数存在的位置为 1，不存在的位置为 0。 例如 G(x) = x^4 + x + 1，存在 x^4，x^1，x^0，总共有 5 位，第 0 位，第 1 位和第 4 位为 1，其余位置为 0。最后结果为：10011
- 在原始信息位后添 0，多项式的最高阶为 4，则添加 4 个 0。结果为：10110 0000
- 第二步生成的串和第一步生成的除数进行模 2 除法运算（不进位也不借位的除法运算），即 10110 0000 / 10011
- 得到最后的校验码结果为 原始信息 + 除法结果 = 10110 1111。（ps：如果余数位数不足，则在余数左边用 0 补齐。如果求得余数为 11，位数为4，则补两个 0 得到 0011）
3. 指令系统
CISC 是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多，长度可变，由微程序实现
RISC 是精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现（通用寄存器、硬布线逻辑控制）
| 指令系统类型 | 指令 | 寻址方式 | 实现方式 | 其它 |
|---|---|---|---|---|
| CISC（复杂） | 数量多，使用频率差别大，可变长格式 | 支持多种 | 微程序控制技术 | 研制周期长 |
| RISC（精简） | 数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令 | 支持方式少 | 增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，适合采用流水线 | 优化编译，有效支持高级语言 |
3.1. RISC 流水线时间计算
3.1.1. 流水线周期
指令分为不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期
3.1.2. 流水线执行时间
1 条指令总执行时间 + (总指令条数 - 1) * 流水线周期
3.1.3. 流水线吞吐率计算
吞吐率即单位时间内执行的指令条数
公式：指令条数 / 流水线执行时间
3.1.4. 加速比计算
加速比即使用流水线后的效率提升度，即比不使用流水线快了多少倍，越高表明流水线效率越高
公式：不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间
4. 存储系统
计算机采用分级存储体系的主要目的是为了解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题
速度由快到慢如下：
CPU 内部通用寄存器 > Cache > 主存储器 > 联机硬盘存储器 > 脱机光盘、硬盘存储器
- 高度缓存 cache 用来存储当前最活跃的程序和数据，直接与 CPU 交互，位于 CPU 和主存之间，容量小，速度快，对于程序员来说是透明的
- cache 由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断 CPU 要访问的数据是否在 cache 中，在则命中，不在则依据一定的算法从主存中替换
4.1. 地址映射
在 cpu 工作时，送出的是主存单元的地址，而应从 cache 存储器中读/写信息。这就需要将主存地址转换为 cache 存储器地址，这种地址的转换称为地址映像，由硬件自动完成映射。分为以下三种方法：
- 直接映像：将 cache 存储器等分成块，主存也等分成块并编号。主存中的块与 cache 中的块的对应关系是固定的，二者块号相同才能命中。地址变换简单但不灵活，容易资源浪费
- 全相联映像：同样都等分成块并编号。主存中任意一块都与 cache 中任意一块对应。因此可以随意调入 cache 任意位置，但地址变换复杂，速度较慢。因为主存可以随意调入 cache 任意块，只有当 cache 满了才会发生块冲突，是最不容易发生块冲突的映像方式
- 组组相连映像：前面两种方式的结合，将 cache 存储器和主存先分块再分组，组件采用直接映像，即主存中组号与 cache 中组号相同的组才能命中，但是组内全相联映像，也即组号相同的两个组内的所有块可以任意调换
4.2. 磁盘调度算法
- 先来先服务 FCFS：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
- 最短寻道时间优先 SSTF：请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度，使得每次的寻道时间最短。会产生饥饿现象，即远处进程可能永远无法访问
- 扫描算法 SCAN：又称电梯算法，磁头在磁盘上双向移动，其会选择离磁头当前所在磁道最近的请求访问的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似
- 单向扫描调度算法 CSCAN：与 SCAN 不同的是，其只做单向移动，即只能从里向外或者从外向里
5. 输入输出技术
计算机和外设间的数据交互方式：
- 程序控制（查询）方式：cpu 主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
- 程序中断方式：外设完成数据传输后，向 CPU 发送中断，等待 CPU 处理数据，效率相对较高
- DMA 方式（直接主存存取） ：CPU 只需完成必要的初始化等操作，数据传输的过程都由 DMA 控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高
在一个总线周期结束后，cpu 会响应 DMA 请求开始读取数据；CPU 响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时
6. 总线
- 内部总线：内部芯片级别的总线，芯片与处理之间通信的总线
- 系统总线：板级总线，用于计算机各部分之间的连接。具体分为数据总线（并行数据传输位数），地址总线（系统可管理的内存空间的大小），控制总线（传送控制命令）。
- 外部总线：设备一级的总线，微机和外部设备的总线。代表有：RS232（串行总线），SCSI（并行总线），USB（通用串行总线，即插即用，支持热插拔）
并行总线是和近距离高速数据传输，串行总线适合长距离数据传输，专用总线在设计上可以与连接设备实现最佳匹配
总线计算：总线的时钟周期 = 时钟频率的倒数；总线的宽度（传输速率）= 单位时间内传输的数据总量 / 单位时间大小
