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一、计算机系统概述
1. 冯·诺依曼体系结构
核心思想：存储程序原理，即指令和数据以二进制形式存储于存储器中，按地址顺序执行。
五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
特点：
以运算器为中心（早期）→ 现代计算机以存储器为中心。
指令和数据共享同一存储空间，通过指令周期阶段区分。
现代改进：哈佛结构（指令与数据分开放置，提升执行速度）。
2. 计算机系统层次结构
硬件层：
微程序机器层（M0）：由硬件直接执行微指令。
传统机器层（M1）：通过微程序解释机器指令。
软件层：
操作系统层（M2）：机器语言解释操作系统。
汇编语言层（M3）→高级语言层（M4）：通过编译程序转换。
3. 计算机性能指标
机器字长：CPU一次处理数据的位数（影响精度和运算速度）。
主频与时钟周期：主频=1/时钟周期，高主频不直接等同于高速度（需考虑CPI）。
运算速度指标：
MIPS（百万指令/秒）：MIPS = 主频 / (CPI × 10⁶)。
MFLOPS（百万浮点运算/秒）：衡量浮点性能的关键指标。
存储容量：主存容量（字节或位表示）、辅存容量（如磁盘）。
二、数据的表示与运算
1. 数值编码
原码、反码、补码、移码：
补码：符号位参与运算，简化加减法（ [A-B]补 = [A]补 + [-B]补 ）。
移码：用于浮点数阶码，便于比较大小。
溢出判断：
双符号位法：01表示正溢出，10表示负溢出。
进位判断法：符号位进位与最高数据位进位不同则溢出。
2. 浮点数运算
IEEE 754标准：单精度（32位）格式：1位符号 + 8位阶码（移码） + 23位尾数。
运算步骤：
1. 对阶：小阶向大阶对齐，尾数右移。
2. 尾数加减：按定点数规则处理。
3. 规格化：左规（尾数前导零）或右规（尾数溢出）。
4. 舍入：0舍1入法或恒置法。
3. 校验码
奇偶校验：仅检测奇数位错误。
海明码：可检测并纠正单比特错误。
CRC码：通过多项式除法检测多位错误。
三、存储系统
1. 存储器层次结构
金字塔模型：寄存器→Cache→主存→磁盘→磁带，速度递减、容量递增。
Cache映射方式：
直接映射：主存块固定映射到Cache某一行。
组相联映射：主存块可映射到Cache某一组的任意行。
2. 主存技术
DRAM刷新：集中刷新（集中时间刷新所有行）、分散刷新（每行分散刷新）、异步刷新（折中方案）。
存储扩展：位扩展（增加数据线）、字扩展（增加地址线）。
3. 虚拟存储系统
目的：解决主存容量不足，通过页表实现逻辑地址到物理地址的转换。
页替换算法：LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）。
四、指令系统
1. 指令格式与设计
基本格式：操作码 + 地址码（零地址、一地址、二地址、三地址指令）。
操作码编码：
定长编码：固定长度操作码。
扩展编码：变长操作码，缩短指令长度。
2. 寻址方式
常见寻址方式：
直接寻址：有效地址=地址码。
基址寻址：面向操作系统，支持程序重定位。
变址寻址：面向用户，用于数组遍历。
五、中央处理器（CPU）
1. CPU组成
运算器：ALU（算术逻辑单元）、寄存器组。
控制器：PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）、CU（控制单元）。
数据通路：寄存器间数据传输路径（如总线结构）。
2. 微程序控制
微指令格式：操作控制字段 + 顺序控制字段。
编码方式：
直接控制：每位对应一个微操作。
字段编码：互斥微操作合并为字段。
3. 流水线技术
性能指标：
吞吐率：单位时间完成指令数。
加速比：流水线速度与顺序执行速度之比。
影响因素：资源冲突、数据冲突、控制冲突。
六、总线系统
1. 总线分类
按功能：数据总线、地址总线、控制总线。
按层次：片内总线、系统总线、通信总线。
2. 总线仲裁
集中仲裁：
链式查询：优先级固定。
计数器定时查询：优先级可编程。
七、现代计算机技术扩展
1. 并行计算
SIMD与MIMD：单指令多数据流（如图形处理） vs 多指令多数据流（如多核CPU）。
多核处理器：通过共享缓存或分布式缓存实现协同。
2. 新型存储技术
SSD：基于闪存的非易失存储，替代传统磁盘。
3D XPoint：高速度、高耐久性的新型非易失存储器。
关键公式与实例
1. CPI计算：CPU执行时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期。
2. Cache命中率：命中率 = 命中次数 / 总访问次数。
3. 浮点数表示范围：单精度范围 ≈ ±1.18×10⁻³⁸ ~ ±3.4×10³⁸。