計算機系統知識
關(guān)鍵詞：計算機的組成、基本工作原理、體系結構、存儲系統、計算機安全、可靠性與系統性能評測。
重點(diǎn)：
（1）計算機的組成：計算機的發(fā)展以及硬件、軟件組成。
（2）計算機基本工作原理：數制，漢字編碼和CPU結構工作流程
（3）計算機體系結構：體系結構的發(fā)展和分類(lèi)、存儲系統、指令系統、輸入輸出技術(shù)、流水線(xiàn)、總線(xiàn)、并行處理。
（4）計算機系統的可靠性、性能評估
1計算機系統組成與基本工作原理
1.1 計算機系統組成
計算機系統分為硬件和軟件系統。計算機硬件是計算機系統中的物質(zhì)基礎，是摸得見(jiàn)看得著(zhù)的。計算機軟件是程序、數據、相關(guān)文檔的集合，包括系統軟件和應用軟件。計算機系統的組成如下：
1.2計算機硬件系統
計算機硬件5大組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。
計算機硬件的電線(xiàn)結構包括：?jiǎn)慰偩€(xiàn)結構、雙總線(xiàn)結構和采用通道的大型系統結構。
單總線(xiàn)結構：使用一組系統總線(xiàn)將計算機的各個(gè)部件連接起來(lái)，各部件通過(guò)總線(xiàn)交換信息。
一般用在小型或者微型計算機。
優(yōu)點(diǎn)：易于擴充新I/O設備，I/O設備的寄存器和主存儲器可以統一編址使CPU訪(fǎng)問(wèn)I/O更 加靈活。
缺點(diǎn)：限制了信息傳送的吞吐率。
雙總線(xiàn)結構：常見(jiàn)的就是在內存和CPU之間設置一組專(zhuān)有的高速存儲總線(xiàn)。分為以CPU為中心的雙總線(xiàn)和以存儲器為中心的雙總線(xiàn)。
以存儲器為中心的雙總線(xiàn)結構：
主存儲器通過(guò)存儲總線(xiàn)和CPU交換信息，同時(shí)可以通過(guò)系統總線(xiàn)與I/O設備交換信息。
優(yōu)點(diǎn)：信息傳輸效率高。
缺點(diǎn)：增加硬件成本。
以cpu為中心的雙總線(xiàn)結構：
優(yōu)點(diǎn)：控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單，對I/O的總線(xiàn)的要求低。
缺點(diǎn)：CPU效率低。
采用通道的大型系統結構：一臺主機可以連接多個(gè)通道，一個(gè)通道可以連接一臺或多臺I/O設備，具有較大的擴展性。由通道控制I/O設備，減少了CPU的壓力，提高了系統效率。
1.3 基本工作原理
（1）數制轉換
10進(jìn)制轉換成其他的都是除以要轉換成的那個(gè)數，也就是說(shuō)轉換成二進(jìn)制的就除以2，轉換成八進(jìn)制的就除以8，轉換成十六進(jìn)制的就除以16，然后倒取余數。
不同的進(jìn)位制數轉化為十進(jìn)制數：按權展開(kāi)相加
十進(jìn)制是權是10；二進(jìn)制是權是2；十六進(jìn)制是權是16；八進(jìn)制是權是8；
例：110011(二進(jìn)制數)=1*2^5+1*2^4+0*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0=32+16+2+1=51
1507(八進(jìn)制數)=1*8^3 + 5*8^2 + 0*8^1 + 7*8^0 = 839
2AF5（十六進(jìn)制數）=2*16^3 + A*16^2+ F*16^1 + 5*16^0 = 10997
二進(jìn)制換算八進(jìn)制
將二進(jìn)制數從右到左，三位一組，不夠補0
例：二進(jìn)制數10110111011換八進(jìn)制數：
010 110 111 011
結果為：2673
二進(jìn)制轉換十六進(jìn)制
二進(jìn)制數轉換為十六進(jìn)制數的方法也類(lèi)似，從右到左，四位一組，不夠補0
如上題：
0101 1011 1011
結果為：5BB
（2）機器數與碼制
各種數據在計算機中表示的形式稱(chēng)為機器數，其特點(diǎn)是采用二進(jìn)制計數制，數的符號用0、1表示，小數點(diǎn)則隱含表示而不占位置。機器數對應的實(shí)際數值稱(chēng)為真值。
機器數有無(wú)符號數和帶符號數之分。無(wú)符號數表示正數，在機器數中沒(méi)有符號位。對于無(wú)符號數，若約定小數點(diǎn)的位置在機器數的最低位之后，則是純整數；若約定小數點(diǎn)的位置在機器數的最高位之前，則是純小數。對于帶符號數，機器數的最高位一晴地正負的符號位，其余位則表示數值。若約定小數點(diǎn)的位置在機器數的最低數值位之后，則是純整數；若約定小數點(diǎn)的位置 在機器數的最高數值位之前，則是純小數位。
為了便于運算，帶符號的機器右數可采用原碼，反碼和補碼等不同的編碼方法，機器數的這些編碼方法稱(chēng)為碼制。
1. 原碼表示法
數值X的原碼記為[X]原，最高位是符號位，0表示正號，1表示負號，其余位表示數值的絕對值。
2.反碼表示法
數值X的原碼記為[X]反，最高位是符號位，0表示正號，1表示負號，正數的反碼和原碼相同，負數的反碼則是其絕對值按位求反。
3.補碼表示法
數值X的原碼記為[X]補，最高位是符號位，0表示正號，1表示負號，正數的補碼與其原碼和反碼相同，負數的補碼則等于其反碼的末尾加1。
4.移碼表示法
.移碼表示法是在數X上增加一個(gè)偏移量來(lái)定義的，常用于表示浮點(diǎn)數中的階碼。如果機器字長(cháng)為n，在偏移2的（n-1）次方的情況下，只要將將碼的符號位取反便可獲得相應的移碼表示。
（3）漢字編碼
區位碼
為了使每一個(gè)漢字有一個(gè)全國統一的代碼，1980年，我國頒布了第一個(gè)漢字編碼的國家準： GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集》基本集，這個(gè)字符集是我國中文信息處理技術(shù)的發(fā)展基礎，也是目前國內所有漢字系統的統一標準。
所有的國標漢字與符號組成一個(gè)94×94的矩陣。在此方陣中,每一行稱(chēng)為一個(gè)"區",每一列稱(chēng)為一個(gè)"位",因此,這個(gè)方陣實(shí)際上組成了一個(gè)有94個(gè)區(區號分別為0 1到94)、每個(gè)區內有94個(gè)位(位號分別為01到94)的漢字字符集。一個(gè)漢字所在的區號和位號簡(jiǎn)單地組合在一起就構成了該漢字的"區位碼"。在漢字的區位碼中，高兩位為區號，低兩位為位號。
在區位碼中，01-09區為682個(gè)特殊字符，16~87區為漢字區，包含6763個(gè)漢字 。其中16-55區為一級漢字(3755個(gè)最常用的漢字，按拼音字母的次序排列)，56-87區為二級漢字(3008個(gè)漢字，按部首次序排列)。
· 需要注意的是：區位碼通常都是用十進(jìn)制表示的，例如“誠”字的區位碼為1947，也就說(shuō)它位于19區第47個(gè)字符。
國標碼
國家標準代碼，簡(jiǎn)稱(chēng)國標碼，是中華人民共和國的中文常用漢字編碼集。國家標準強制標準冠以“GB”?，F時(shí)中華人民共和國官方強制使用GB 18030標準，但較舊的計算機仍然使用GB 2312。國標碼 =區位碼（16進(jìn)制化--區碼和位碼分別進(jìn)行16進(jìn)制轉化）+2020H。
機內碼
計算機只識別由0、1組成的代碼，ASCII碼是英文信息處理的標準編碼，漢字信息處理也必須有一個(gè)統一的標準編碼。 漢字交換碼（國標碼）主要用于漢字信息交換，我國國家標準局于1981年5月頒布了《信息交換用漢字編碼字符集——基本集》，代號為GB2312-80，共對6763個(gè)漢字和682個(gè)圖形字符進(jìn)行了編碼。
其編碼原則為：漢字用兩個(gè)字節表示，原則上，兩個(gè)字節可以表示 256×256=65536種不同的符號，作為漢字編碼表示的基礎是可行的。但考慮到漢字編碼與其它國際通用編碼，如ASCII西文字符編碼的關(guān)系，我國國家標準局采用了加以修正的兩字節漢字編碼方案，只用了兩個(gè)字節的低7位。這個(gè)方案可以容納128×128=16384種不同的漢字，但為了與標準ASCII碼兼容，每個(gè)字節中都不能再用32個(gè)控制功能碼和碼值為32的空格以及127的操作碼。所以每個(gè)字節只能有94個(gè)編碼。這樣，雙七位實(shí)際能夠表示的字數是：94×94=8836個(gè)。
機內碼 = 國標碼 + 8080H
機內碼 = 區位碼(16進(jìn)制化--區碼和位碼分別進(jìn)行16進(jìn)制轉化) + a0a0H
相互轉換
內碼轉換為區位碼
區位碼： 區碼=內碼高字節-0xa0
位碼=內碼低字節-0xa0
例如：“國”內碼為：0xb9,0xfa
16進(jìn)制表示的區位碼：0x19,0x5a
其區位碼（默認為10進(jìn)制）：2590
區位碼轉換為內碼
內碼： 內碼高字節=區碼+0xa0
內碼低字節=位碼+0xa0
例如：“海”區位碼為：2603
16進(jìn)制表示的區位碼：0x1a,0x03
其內碼(默認為16進(jìn)制)：0xba,0xa3
字模
漢字在顯示的時(shí)候，是以點(diǎn)陣的形式顯示出來(lái)的，常見(jiàn)到的有16*16點(diǎn)陣、24*24點(diǎn)陣、32*32點(diǎn)陣。比如說(shuō)“啊”的16*16點(diǎn)陣字模如下，共256Bits，占用32 Bytes：
0x00,0x00,0xf7,0x7e,0x95,0x04,0x95,0x04,0x96,0x74,0x96,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0xf5,0x54,0x97,0x74,0x04,0x04,0x04,0x04,0x05,0x04,0x04,0x14,0x04,0x08
字模顯示的時(shí)候，以?xún)蓚€(gè)字節表示一行像素點(diǎn)，16行就構成了一個(gè)完整的字模。屏幕在顯示的時(shí)候，1顯示為亮色，0顯示為背景色，這樣就能把字體顯示出來(lái)。
字庫
字庫，就是所有漢字字模的集合。顯然，在編排這些字模的時(shí)候需要一定的順序（規則），而這個(gè)規則就是“機內碼”。根據機內碼的漢字布局，將對應的漢字字模進(jìn)行整合，形成字庫文件。在使用的時(shí)候，應用程序根據漢字的機內碼，從字庫中找到對應的存儲位置，取出字模，進(jìn)行顯示。機內碼就是漢字在字庫中的索引。
在區位碼中，01-09區為682個(gè)特殊字符，16~87區為漢字區，有效漢字6768個(gè)。在制作字庫的時(shí)候把特殊字符刪除，只使用有效漢字區。也就是說(shuō)我們從第16區的第1位開(kāi)始進(jìn)行字模收集，當第16區收集結束，緊接著(zhù)收集第17區，直到第87區編排結束?？偣彩占?/span>6768個(gè)漢字，占用空間216576 Bytes。
（4）CPU
CPU從邏輯上可以劃分成3個(gè)模塊，分別是控制器、運算器和內部寄存器，這三部分由CPU內部總線(xiàn)連接起來(lái)。如下所示：
控制器：控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，對協(xié)調整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據用戶(hù)預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。
運算器：是運算器的核心?？梢詧绦兴阈g(shù)運算(包括加減乘數等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個(gè)值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來(lái)指揮的，所以它是執行部件。
內部寄存器：包括CPU片內緩存和寄存器組，是CPU中暫時(shí)存放數據的地方，里面保存著(zhù)那些等待處理的數據，或已經(jīng)處理過(guò)的數據，CPU訪(fǎng)問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪(fǎng)問(wèn)內存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪(fǎng)問(wèn)內存的次數，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專(zhuān)用寄存器和通用寄存器。專(zhuān)用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途，通用寄存器的數目因微處理器而異。這個(gè)是我們以后要介紹這個(gè)重點(diǎn)，這里先提一下。
我們將上圖細化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：
總的來(lái)說(shuō)，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操作碼的規定，對數據進(jìn)行運算處理，直到程序執行完畢為止。
上圖中我沒(méi)有畫(huà)總線(xiàn)，只是用邏輯方式對其進(jìn)行呈現。原因早期Intel的微處理器，諸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)復用技術(shù)，即將部分(或全部)地址總線(xiàn)與數據總線(xiàn)共用CPU的一些引腳。例如8086外部地址總線(xiàn)有20根，數據總線(xiàn)復用了地址總線(xiàn)的前16根引腳。復用的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)雖然可以少CPU的引腳數，但卻引入了控制邏輯及操作序列上的復雜性。所以，自80286開(kāi)始，Intel的CPU才采用分開(kāi)的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)。
不管是復用還是分開(kāi)，對我們理解CPU的運行原理沒(méi)啥影響，上圖沒(méi)畫(huà)總線(xiàn)的目的就是怕有些人太過(guò)于追求細節，一頭扎下去，浮不起來(lái)，不能從宏觀(guān)上藐視敵人。
OK，總結一下，CPU的運行原理就是：控制單元在時(shí)序脈沖的作用下，將指令計數器里所指向的指令地址(這個(gè)地址是在內存里的)送到地址總線(xiàn)上去，然后CPU將這個(gè)地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對于執行指令過(guò)程中所需要用到的數據，會(huì )將數據地址也送到地址總線(xiàn)，然后CPU把數據讀到CPU的內部存儲單元(就是內部寄存器)暫存起來(lái)，最后命令運算單元對數據進(jìn)行處理加工。周而復始，一直這樣執行下去，天荒地老，?？葜€，直到停電。
如果你對這段話(huà)還是覺(jué)得比較暈乎，那么就看我們老師是怎么講的：
1、取指令：CPU的控制器從內存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個(gè)樣子滴：
操作碼就是匯編語(yǔ)言里的mov,add,jmp等符號碼；操作數地址說(shuō)明該指令需要的操作數所在的地方，是在內存里還是在CPU的內部寄存器里。
2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應進(jìn)行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數在哪里(操作數的地址)。
3、 執行指令，分兩個(gè)階段“取操作數”和“進(jìn)行運算”。
4、 修改指令計數器，決定下一條指令的地址。
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