第一章计算机组成与结构。
考点1计算机基本工作原理。
1、 计算机中数据的表示。
1） 定点数与浮点数。
定点数：约定机器中所有小数点位置固定不变。一是将小数点的位置固定数据的最高，二是固定在最低位之后。
前者为定点小数，后者为定点整数。当数据小于定点能表示的最小值时，计算机做0处理，称为“下溢”；大于定点表示的最大值时，称为“上溢”，统称为“溢出”。
浮点数：一个机器浮点数由阶码和尾数及组成，其中：尾数决定精度，阶码决定表示范围，最适合表示浮点阶码的数字编码是移码。
2） 数的机器码表示。
1 原码表示法：符号位表示该数的符号 ，“0”表示正数，“1”表示负数，而数值部分仍保留着其真值的特征。
小数原码的定义
例如：x=+0.1011 ，则[x]原=01011；x= -0.1011，则[x]原=11011
整数原码的定义
例如：x=+1011，则[x]原=01011;x=-1011,则[x]原=11011
零的原码表示有“+0”和“-0”之分，故有两形式：
+0]原=000…000，[-0]原=100…000
2 反码表示方法：符号的表示法与原码相同。正数的反码与正数的原码形式相同；负数的反码符号位为1，数值部分通过将负数原码的数值部分各位取反（0变1，1变0）得到。
小数反码的定义
例如：x=+0.1011，则[x]反=01011；x=-0.1011则[x]反=10100
整数反码的定义
例如：x=+1011，则[x]反=01011；x=-1011则[x]反=10100
零的反码表示有“+0”和“-0”之分，故有两形式：
+0]反=000…000，[-0]反=111…111
3 补码表示法：正数的补码与原码相同：负数的补码是反码末位+1（丢弃最高位身上的进位），适合进行数字加减运算的数字编码。
小数补码的定义
例如：x=+0.1011 ，则[x]补=01011；x= -0.1011，则[x]补=10101
整数的补码定义
例如：x=+0110 ，则[x]补=00110；x= -0110，则[x]补=11010
对于0，在补码情况下只有一种表示形式，即：[+0]补=[-0]补=000…000
2、 计算机组成和**处理器（cpu）
1 计算机组成：输入设备、输出设备、主存储器、运算器、控制器。
2 **处理器：包括运算器和控制器，即cpu，主要功能有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工。
运算器：主要功能为完成算术运算和逻辑运算。组成包括算术/逻辑运算单元（alu）、寄存组、多路转换器和数据总线。
控制器：主要功能为负责控制整个计算机系统的运行，读取指令寄存器、状态控制寄存器以及外部来的控制信号，发布外控制信号控制cpu与存储器、i/o设备进行数据交换；发布内控制信号控制寄存器间的数据交换；控制alu完成指定的运算功能；管理cpu内部操作。组成包括程序计数器（pc）指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器。
考点2 存储系统。
1、 存储器的层次结构。
2、 主存储器。
简称内存或主存，用来存放当前正在使用或随时要使用的数据和程序，cpu可直接访问。
1） 分类。
1 随机存储器ram：也叫读写存储器，内容可改变，在回电时，可随时向存储器中与或读信息，一旦停电，信息全部丢失，可分以下两类。
静态ram（sram）：利用触发器的两个稳态来表示所存储的“0”和“1”的，不需要周期性地刷新。
动态ram（dram）：用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示“1”和“0”。因为保存在分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，所以需要周期性的给电容充电，称为刷新。
2 只读存储器rom：所存储的信息由生产厂家在生产时一次性写入，使用时只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。
erom：掩膜型只读存储器，用掩膜技术定稿，常用于存放biost微程序控制。
prom：可编程只读存储器，只能定一次，需要用特殊的电子设备进行写。
eprom：可擦写的可编程只读存储器，可用紫外线照射探险所有信息，可多次写入。
e2prom：电擦写可擦写的可编程只读存储器，可以写多次，但速度慢。
3 flsah memory：通过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息，但不能进行字节级别删除操作。
2） 性能指标：
存储容量：每个内存储单元都有一个地址，对内存的读、写操作都要给出地址来选择具体单元。在微机系统中内存是以字节作为一个单元的，在不同字长的系统中，一次可以对2个、4个或8个单元访问。
字存储单元：存放一个机器字的存储单元相应的单元地址叫字地址。
字节存储单元：存放一个字节的单元，相应的地址称为字节地址。
按字编址的计算机：可编址的最小单位是字存储单元。为按字节编址的计算机，可编址的最小单位是字节。一个字可以包含数个字节，所以一个存储单元也可以包含数个能够单独编址的字节地址。
存储容量的表示：用字节（b）来表示，如512kb、10mb。外存是为了表示更大的存储容量，采用mb、gb、tb等单位。
其中1kb=210b，1mb=220by，1gb=230b，1tb=240b。一个字节定义为8个填制位，所以计算机中一个字的长通常为8的倍数。
存取时间：从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
存储周期：连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。通常存储周期略大于存储时间，其时单单位数ns。
3） 组成。
由于存储器芯片的容量有限，在字数或字长方面与实际存储器的要求都有很大差距，可以通过字向和位向两个方面进行扩充。假设一个存储器的容量为m×n位，若使用m×n位的芯片（m≤m，n≤n），此时共需要（m/m）×(n/n)个存储器芯片。
3、 相联存储器（cam）
是一种按内容寻址的存储器。其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据。
4、 cache
1） 基本原理。
cache即高速缓冲存储器，是为了解决cpu和主存之间速度匹配问题而设置的。是介于cpu和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快。
2） 性能分析。
命中率：在cache中访问到的概率，一般用模拟实验的方法得到。选择一级有代表性的程序，在程序执行过程中分别统计对cache的访问次数n1和对内存的访问次数n2，则cache的命中率为：
h=n1/(n1+n2)
平均实际存取时间：可以用cache和主存的访问周期t1、t2和h来表示：t=h·t1+（1-h）·t2 。
当命中率h→1时，t→t1 ，即平均实际存取时间t接近于速度比较快的cache的访问周期t1 。
访问效率：为e= t1+ t
3） 地址映像。
直接映像：主存按cache有大小分成区，主存每一个分区内的块数与cache的总块数正好相等，把主存各个区中相对块号相同的那些块映像到cache中同一块号的那个确定块中。
全相联映像：主存中的任意一块可以映像到cache中的任意一块中。
组相联映像：介于全相联和直接相联之间的一种折中方案，是目前在cachek用得比较多的一种地址映像和变换方式 。
4） 替换算法。
随机替换算法rand：用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
先进先出算法fifo：问题反最先调入的cache字块替换出去它不需要随时记录各个字块的使用情况，较容易实现；缺点是经常使用的块，如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。
最近最少使算法lru：把当前近期cache中使用次数最少的那块信息块替换出去，是命中率最高的替换算法。
5） 写操作。
写回法：cpu在执行写操作时，被写数据只写入cache，不写入主存。当需要替换时，才把已经修改过的cache块写回主存。
写直达法：在cpu执行写操作时，必须把数据同时写入cache和主存。
5、 磁盘。
1） 磁盘存储原理。
写入时由写入电路将经过编码后的“0”和“1”脉冲信号，通过磁头转变为磁化电流，使磁盘上造成相应的磁元，这样将信息记录在磁盘上。读出时，磁盘上的磁元在磁头上产生感应电流，再经读出电路被还原成“0”和“1”数字信息，送到计算机中，单个碰头在向盘片的磁性涂层上写入数据时，是以串行方式写入的。
2） 磁记录方式。
归零制（rz）：正向电流表示1，反射电流表示0，但在记录下一个信息之前要恢复到零电流。
不归零制（nrz）：碰头线圈上始终有电流，记录方向保持不变，记录1时电流改变方向。
见1就翻的不归零制（nrz1）：磁头线圈上始终有电流，记录0时电流方向保持不变，记录时电流改变方向。
调相制(pm )：每一个周期电流方向都改变一次，电流由负到正代表1，由正到负代表0，常用于磁带机。
调频制（fm）：在每个存储元交界处电流都要改变方向，写1电流的变化频率是写0电流频率的2倍，常用于单密度磁盘存储器。
改进调频制（mfm）：在调频制的基础上加上了翻转规则，即连续记录2个或2个以上0时，在位周期的起始位置处电流方向改变一次（翻转一次），常用于双密度磁盘存储器。
3） 磁盘性能和容量计算。
1 存储密度。
道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。
位密度：磁道单位长度上记录的二进制**数，单位为位/英寸。
面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。
2 存储容量：有非格式化容量和格式化容量之分。
非格式化容量：磁记录表面可以利用的磁化意会总数，计算公式为：
非格式化容量=最大位密度×最内圈周长×总磁道数。
格式化后容量按照某种特定的记录格式所能存储信息的问题，也就是用户可以真正使用的容量，计算公式为：
格式容量=每面磁道数×每道扇区数×每个扇区字节数×盘面数。
3 平均存取时间：从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。计算公式为：
平均存取时间=控制延迟+找道时间+旋转延迟+传输延迟。
4 数据传输率：在单位时间内向主机传送数据的字节数。计算公式为：
平均数据传输率=内圈周长×位密度×盘片转速。
6、 raid存储器。
1 raid0（无冗余和无校验的数据分块）：具有最高的磁盘空间利用率，易管理，但系统的故障率高，属于非冗余系统。
2 raid1（磁盘镜像阵列）：由磁盘对组成，第一个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用只有50%。
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