2.计组之概述篇

2.1.计算机的发展历史

第一阶段（1946-1957）：电子管计算机 特点：集成度低，体积大，功耗高，运行速度慢，操作复杂。
第二阶段（1957-1964）：晶体管计算机 特点：相对电子管计算机，体积小，速度快，功耗低，可靠性高，配备显示器。
第三阶段（1964-1980）：集成电路计算机 特点：操作系统诞生。
第四阶段（1980-至 今）：超大规模集成电路计算机 特点：集成度高，速度快，体积小，价格低，用途广泛。
第五阶段（ f u t u r e） ：生物计算机&&量子计算机 …

2.2.计算机的分类

超级计算机、大型计算机、迷你计算机（普通服务器）、工作站、微型计算机（个人计算机）

2.3.计算机的体系与结构

冯·诺伊曼体系：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构，存储器+控制器+运算器+输入设备+输出设备。

现代计算机的结构：以存储器为核心，解决冯·诺伊曼体系瓶颈问题（CPU与存储设备之间的性能差异）。
​

2.4.计算机的层次

2.5.计算机的字符与编码集

字符编码集的历史：ASCII码 --> Extended ASCII码
中文编码集：GB2312、GBK、Unicode(统一码、万国码）

3.计组之组成篇

3.1.计算机的总线与I/O设备

3.1.1.计算机的总线（Bus）

• 概述：连接多个设备或者接入点的数据传输通路。
• 作用：解决不同设备之间的通信问题。
• 分类：
  片内总线：高集成度内部的信息传输线
  系统总线：数据总线&地址总线&控制总线，是CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线

总线的仲裁：为了解决总线使用权的冲突问题
三种方法：链式查询、计时器定时查询、独立请求。

3.1.2.常见的输入输出设备

字符输入设备：键盘
图形输入设备：鼠标、数位板、扫描仪
图像输出设备：显示器、打印机、投影仪

3.1.3.输入输出接口的通用设计

数据线：I/O设备与主机进行数据交换的传送线（单向&双向）。
状态线：I/O设备状态向主机报告的信号线。
命令线：CPU向I/O设备发送命令（读写信号、启动停止信号）的信号线。
设备选择线：主机选择I/O设备进行操作的信号线。

3.1.4.CPU与I/O设备的通信

程序中断：提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以在高速运转的同时兼顾低速设备的响应。
 直接存储器访问（DMA）：
​

3.2.计算机的存储器

3.2.1.存储器的分类

按照存储介质：半导体存储器（内存、U盘、固态硬盘）、磁存储器（磁带、磁盘）
按照存取方式：随机存储器RAM（随机读取，与位置无关）、串行存储器（按顺序查找，与位置有关）、只读存储器ROM（只读不写）

3.2.2.存储器的层次结构

​
缓存–>主存层次–>辅存层次：

缓存-主存层次：局部性原理，在CPU与主存之间增加一层速度快容量小的Cache，解决主存速度不足的问题。
主存-辅存层次：局部性原理，主存之外增加辅助存储器，解决主存容量不足的问题。

局部性原理：是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。
​

3.2.3.计算机的主存储器

内存RAM（随机存取存储器Random Access Memory）：通过电容存取数据，掉电将丢失所有数据。

3.2.4.计算机的辅助存储器

3.2.5.计算机的高速缓存

工作原理：命中率是衡量缓存的重要性能指标，理论上CPU每次都能从高速缓存取数据的时候，命中率为1。
​

​
高速缓存的替换时间：当缓存没有数据，需要从主存载入数据的时候。
高速缓存的替换策略：随机算法、先进先出算法（FIFO)、最不经常使用算法（LFU）、最近最少使用算法（LRU）。

3.3.计算机的CPU

3.3.1.计算机的指令系统

机器指令的形式：操作码（指明指令所要完成的操作）+地址码（给出操作数或操作数的地址）；

机器指令的操作类型：数据传输、算术逻辑操作、移位操作、控制指令；

机器指令的寻址方式：

• 指令寻址：顺序寻址+跳跃寻址
• 数据寻址：
• • 立即寻址（速度快）
• • 直接寻址（寻找操作数简单）
• • 间接寻址（寻址范围大，速度慢）

3.3.2.计算机的控制器

作用：控制器是协调和控制计算机运行的。
组成：

• 程序计数器：存储下一条指令的地址
• 时序发生器：发送时序脉冲
• 指令译码器：控制器的主要部件之一，翻译操作码+地址码
• 指令寄存器：控制器的主要部件之一，从主存或缓存存取计算机指令
• 主存地址寄存器：保存当前CPU正要访问的内存地址单元
• 主存数据寄存器：保存当前CPU正要读或写的主存数据
• 通用寄存器：比一般专用寄存器大，可以暂时存放或传送数据或指令，可保存ALU的运算中间结果

3.3.3.计算机的运算器

作用：进行数据运算加工。
组成：

• 数据缓冲器：输入缓冲暂时存放外设送过来的数据，输出缓冲暂时存放送往外设的数据
• ALU：算术逻辑运算
• 状态字及寄存器：存放运算状态和运算控制信息
• 通用寄存器：比一般专用寄存器大，可以暂时存放或传送数据或指令，可保存ALU的运算中间结果

3.3.4.计算机指令执行的过程

指令执行过程：取指令-分析指令-执行指令
​

CPU的流水线设计：因运算器和控制器不能同时工作，CPU的综合利用率并不高，所以CPU的流水线设计可以提高CPU的利用率，提高大概3倍。

4.计组之计算篇

4.1.进制运算的基础知识

进位制：即进制，是一种计数方式，亦称进位计数法，有限种数字符号来表示无限的数值。
传送门——>关于进制转换推荐看文

4.1.1.二进制数据的表示方法

4.1.2.有符号数和无符号数

原码表示法：0表示正数，1表示负数，规定符号位位于数值的第一位；表达简单，容易理解，但运算复杂。

4.1.3.二进制的补码表示法

定义：

引入目的：为了消除减法（未完全实现）引入补码的概念，使用正数代替负数。
规律：负数的补码等于反码+1，如十进制数-7，反码表示为1，1000，补码表示为1，1001。
举个小例子计算题：
​

4.1.4.二进制的反码表示法

定义：
​

引入目的：找出原码和补码之间的规律，消除转换过程中的减法操作。
规律：负数的反码等于原码除符号位外按位取反，如十进制数-7，原码表示为1，0111，反码表示为1，1000。
举个小例子计算题：
​

4.1.5.小数的二进制补码表示

定义：

上述两个整数的反码补码计算规律同样适用。

4.2.二进制数据的运算

4.2.1.定点数与浮点数

定点数：小数点固定在某个位置。
浮点数的表示格式：符号、阶码、尾数
​

浮点数的表示范围：单精度± (2-2^-23) × 2127
双精度± (2-2^-52) × 21023 其中大于浮点数绝对值最大的数为上溢，小于绝对值最小的数据为下溢。
浮点数的规格化：尾数使用纯小数、尾数最高位必须是1。

4.2.2.定点数的加减法运算

加法运算：数值位与符号位一同运算，并将符号位产生的进位自然丢掉（模2^n舍去）。
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举两个小栗子计算题（整数和小数）：
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减法运算：将B[补码]转换成-B[补码]来计算，其中-B[补码]=B[补码]连同符号按位取反，末尾加1，例如B[补码]=1，0010101 ，则-B[补码]=0，1101011。
举个小栗子计算题：
​

4.2.3.浮点数的加减法运算

步骤：对阶（使得阶码一致，尾数才可以运算）–>尾数求和–>尾数规格化–>舍入–>溢出判断
运算：先进行对阶，后与定点数的加减法相同。
举个小栗子计算题：
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​

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4.2.4.浮点数的乘除法运算

乘法：阶码相加，尾数求积。
除法：阶码相减，尾数求商。

4.3.计组之实践篇

• 1.实现双向链表

单向链表：节点1–>节点2–>节点3–>节点4–>节点5 其中每一个节点都有下一个节点的地址或引用。
双向链表：节点1⇋节点2⇋节点3⇋节点4⇋节点5 每一个节点都有上一个和下一个节点的地址和引用。
双向链表优点：可以快速找到上/下节点，也可以快速去掉链表中的某一个节点。
传送门——>实现双向链表

• 2.实现FIFO缓存置换算法

淘汰缓存时，把最先进入链表的结点淘汰掉。
传送门——> 实现FIFO缓存置换算法

• 3.实现LRU缓存置换算法

传送门——> 实现LRU缓存置换算法

• 4.实现LFU缓存置换算法

传送门——> 实现LFU缓存置换算法

5. 重要知识点及笔&面试常考题目

传送门——>计算机组成原理试题1
传送门——>计算机组成原理试题2
传送门——>计算机组成原理试题3