一、概述
- 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 …
- 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） - 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）。
- 计算机的层次
- 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）
二 、组成
- 计算机的总线与I/O设备
a.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（细分为：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。
b.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
c.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。
d.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）： - 计算机的存储器
a.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）
b.存储器的层次结构 - 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。 - c.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。
d.计算机的辅助存储器
e.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）。 - 计算机的CPU
a.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））
b.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）。
c.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）。
d.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。
三、计算
- 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 - 二进制数据的表示方法
a.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。
b.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。 - c.二进制的反码表示法
- 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。 - d.小数的二进制补码表示
- 上述两个整数的反码补码计算规律同样适用。
- 二进制数据的运算
a.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。
b.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）。 - 举两个小栗子计算题（整数和小数）：
- 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： - c.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： - d.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。
