第一章、计算机系统概述 计算机硬件的基本组成 冯诺依曼结构基本思想 现代计算机的基本组成 中央处理器CPU（运算器+控制器） 数据通路 算术逻辑单元ALU 控制器 存储器 内存 主存储器main memory 高速缓冲存储器cache 外存 辅助存储器 磁盘存储器 固态硬盘 海量后背存储器 磁带存储器 光盘存储器 外部设备（I/O设备） I/O模块=I/O接口 I/O控制器=I/O适配器=设备控制器 例如：键盘接口、打印机适配器、显示控制器、网络控制器 总线 地址线 数据线 控制线 计算机软件概述 软件 应用软件 电子邮件收发软件、多媒体播放软件、游戏软件、炒股软件文字处理软件、电子表格软件、演示文稿制作软件等 系统软件 操作系统（如 Windows、UNIX、 Linux、macOS） 语言处理系统（如Visual Studio、GCC） 翻译程序 编译程序 汇编程序 解析程序 数据库管理系统（如 Oracle） 各类实用程序（如磁盘碎片整理程序、备份程序） 计算机系统的层次结构 用户层次 最终用户 系统管理员 应用程序员 系统程序员 编程语言 高级语言 大部分编程语言 JavaScript C/C++ 其他 低级语言 汇编语言 机器语言 程序开发与执行过程 从源码程序到目标程序 冯诺依曼结构模型机 程序和指令的关系 指令集体系结构 指令分类 取数指令 存数指令 ALU指令 其他 指令构成 操作码字段 地址码字段 指令的执行过程 计算机系统性能评价 考量一台计算机系统性能的两个基本指标 吞吐率 响应时间 用CPU执行时间进行评估 执行时间 cpu时间 用户CPU执行时间 系统cpu执行时间 其他时间 等待I/O时间 执行其他程序时间 重要指标 时钟周期 时钟频率 CPI cpu执行时间 = 程序所含时钟周期数 / 时钟频率 cpu执行时间 = 程序所含时钟周期数 * 时钟周期 程序总时钟周期数 = 程序所含指令条数 * cpi 用执行速度进行评估 定点指令运行速度 MIPS 峰值MIPS 相对MIPS 浮点操作速度 MFLOPS PFLOPS 其他 用基准程序进行评估 基准程序 第二章、数据的表示和运算 数制和编码 进制 2、8、10、16进制 进制之间的转换 定点数编码 原码、补码、反码、移码 整数的表示 无符号 带符号 实数的表示 浮点数 尾数 阶和阶码 规格化数 左规 右规 非数值数据的编码表示 逻辑值 字符数据 西文字符 ASCII码 中文字符 汉字的输入码 字符集和汉字内码 汉字的子模点阵码和轮廓描述 数据的宽度和存储 数据宽度与单位 数据的存储和排列顺序 大端排列 MSB 小端排列 LSB 数据校验码 奇偶校验、海明校验、循环冗余校验 加法器和算术逻辑部件 全加器 加法器 带标志加法器 补码加法器 算术逻辑部件 定点乘法运算 原码乘法运算 补码乘法运算 定点除法运算 原码除法运算 补码除法运算 浮点数运算 浮点加减运算 浮点乘除运算 第三章、指令系统 指令格式设计 指令信息 操作码 源操作数及其地址 结果的地址 下条指令地址 指令地址码的个数 零地址指令 单地址指令 二地址指令 三地址指令 操作数类型 指针或地址 数值数据 位、位串、字符和字符串 逻辑（布尔）运算 指令系统设计 寻址方式 立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器直接寻址 寄存器间接寻址 变址寻址 用于数组 相对寻址 如指令的相对跳转 基址寻址 如逻辑地址到物理地址的换砖 操作类型 算术与逻辑运算指令 移位指令 传送指令 寄存器之间、内存和寄存器之间 串指令 顺序控制指令 CPU控制指令 输入输出指令 操作码编码 定长操作码编码 扩展操作码编码 指令系统设计风格 按操作数位置指定风格来分 累加器型指令系统 栈型指令系统 通用寄存器型指令系统 Load/Store型指令系统 按指令格式的复杂度来分 CISC RISC MIPS指令集 指令系统实例——MIPS指令集及其汇编语言 程序的机器级表示 第四章、中央处理器 程序执行概述 数据通路基本结构和定时 数据通路基本工作原理 总线结构数据通路 单周期数据通路 流水线方式下指令的执行 基本原理 取指令（IF） 指令译码（ID） 取操作数（OF） 执行（EX） 写回（WB） MIPS流水线 取指 译码/取数， 取的数为寄存器中的数 执行 访存 写回 控制器设计基本原理 硬连线控制器 微程序控制器 微程序 微指令 微命令 微地址 控制存储器CS 微程序定序器的实现 计数器法 断定法（下址字段法） 指令流水线中的冒险处理 结构冒险 数据冒险 控制冒险 分支冒险 高级流水线基本原理 超流水线技术 多发射流水线 任务 指令打包 冒险处理 分类 静态多发射 VLIW处理器 超长指令字 动态多发射 超标量处理器 超标量流水线 动态流水线调度 乱序执行 异常和中断 内部异常 故障 非法操作码、除零、缺页故障 陷阱(自陷) 系统调用、程序下的断点 终止 abort 外部中断 I/O中断 第五章、存储器层次结构 存储器概述 存储器分类 按存取方式 随机取存存储器 顺序取存存储器 直接取存存储器 相联存储器（内容访问存储器） 按存储元件 半导体存储器 磁表面存储器 光盘存储器 按信息可改性 可读可写存储器 只读存储器 按断电后可否保存信息 易失（挥发）性存储器 非易失（不挥发）性存储器 主要性能指标 存储器容量 存取时间 存储周期 存储器带宽 存储器层次结构 寄存器 1ns、1KB 高速缓存cache 2ns、4MB 主存储器（RAM和ROM） 10ns、500MB~4GB 辅助存储器（硬盘） 10ms、40GB~500GB 海量后备存储器（磁带库、光盘库） 10s、10TB~100TB 半导体随机存取存储器 静态RAM 六管静态MOS管存储元件 动态RAM 单管动态MOS管存储元件 存储器芯片的扩展及其与CPU的连接 半导体只读存储器和Flash存储器 掩膜只读存储器 可编程只读存储器 可擦除可编程只读存储器 Flash存储器 电擦除电改写只读存储器 高速缓冲存储器（cache） 程序访问的局部性 时间局限性 空间局限性 cache性能 命中率 缺失率 命中时间 缺失损失 平均访问时间 cache行与主存块之间的映射 直接映射 全相联映射 组相联映射 替换算法（或称淘汰策略） 先进先出算法 最近最少用算法 最不经常用算法 随机替换算法 虚拟存储器 分页式虚拟存储器 页表 纸质转换 快表 CPU访存过程 分段式虚拟存储器 段页式虚拟存储器 第六章、互连及输入输出组织 输入设备和输出设备 键盘 鼠标器 打印机 显示器 外部存储器 磁表面存储器 硬盘存储器 硬盘驱动器 硬盘控制器 记录格式 主要技术指标 未格式化容量 柱面数 数据传输率 响应时间 寻道时间 旋转等待时间 数据传输时间 平均等待时间 磁盘平均存取时间 冗余磁盘阵列 U盘与固态硬盘 外设与CPU，主存的互连 I/O接口 I/O数据传送控制方式