1.计算机硬件基础
计算机硬件基础
一、数据的表示-----进制的表示以及互转
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十进制转为二进制
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0.265=0.25(2的-2次方) + 0.125(2的-3次方) -
二进制为0.011 -
81=64(2的6次方) + 16(2的4次方) +1(2的0次方), -
二进制表示为: 1010001 -
将小数部分乘2直到最后为1截止,将其进位单令写出为二进制(从上往下写)
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将小数部分用2的-n次方表示
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除二取余,直到商为0,最后一位为高位(从下往上写)
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将十分解为2的n次方写开,按照最高为2的几次方逐次写下去
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整数部分
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小数部分
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二进制与八进制/十六进制转换
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将每位八进制用三位二进制表示 -
将每三位二进制化为0-7,从低位开始转换,位数不足三位最高位补零 -
八进制转二进制: -
二进制转八进制: -
二进制和八进制相互转换
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二进制与十六进制转换
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将每四位二进制化为0-15,从低位开始转换,位数不足四位最高位补零 -
将每位八进制用四位二进制表示,9=9 ,10=0xA,-----BCDE,15=0xF 
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十六进制转二进制:
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二进制转十六进制:
二、计算机体系结构
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冯诺依曼结构
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输入设备是实现操作者与计算机之间互相交流信息的设备，能将人体五官可识别的信息转换成机器可识别的信息。常见的输入设备有鼠标、键盘、语音识别器等 -
输出设备是将计算机的处理结果信息转换为人们可识别的信息的设备。常见的输出设备包括打印机、显示器、绘图仪、语音合成器等。 -
输入设备/输出设备(I/O)
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用于储存数据,运算结果的的设备,有内存和外存之分 -
主存储器(内存) : 指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，不过仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电后，数据会丢失 -
主存用途:提高CPU与外存数据交换的速度,快速存入和读出大量的程序和数据代码，存储和提供计算机所需要的工作指令和计算使用的数据 -
辅助存储器(外存):外存通常是磁性介质或光盘等，能够长期保存信息 -
计算机的指挥系统，用来控制计算机其他组件的运行，是 CPU 的重要组成部分。 -
组成: -
程序计数器（PC）: 存放下一条指令的地址 -
指令寄存器（IR）: 存放当前正在执行的指令 -
指令译码器（ID）: 分析指令中的操作码 -
时序产生器 : 控制各部件之间有序协调 -
地址寄存器(AR) : 保存当前CPU访问的内存地址单元的地址 -
运算器也叫算术逻辑单元(ALU)，负责完成对数据的各种常规运算，如加减乘除，还包括逻辑运算、移位、比较等操作。它是 CPU 的组成元素之一，与控制器共同构成 CPU -
组成: -
算术逻辑单元（ALU）:执行算数和逻辑运算 -
累加器(AC): 暂时存放运算的中间结果 -
数据缓存寄存器(通用寄存器):存放一条指令或是数据 -
状态寄存器: 保存运算中的各种标志位信息 -
多路转换器: 对送入加法器的数据进行选择和控制电路 -
运算器
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控制器
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存储器
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计算机总线:
例如: 一次性可以读取8位二进制,则说明每次读取1字节
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地址总线的宽度:指CPU的寻址范围,若地址总线为n位,则可寻址范围为2的n次方
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也可分为并行总线和串行总线
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概念 : 计算机总线是连接计算机各部件的信息传输线，用于在各个部件之间传输数据、地址和控制信号
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分为: 数据总线,地址总线,控制总线,分别传输数据、地址和控制信号
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总线宽度:CPU一次性可以读取二进制的位数,同时也说明字长
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指令系统
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流水线周期
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流水线时间计算
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各流水线中执行时间最长的那一段 -
n条指令: 一条指令的各部分时间相加 +(n-1)*t(流水线周期) - 复杂指令集运算（CISC）
：目前x86架构微处理器 - 精简指令集运算（RISC）
:ARM,UNIX、Linux、MacOS以及包括iOS、Android、WindowsPhone、Windows -
立即寻址: 操作数为立即数(直接存放在地址中的数据,可直接使用,不需要通过地址查询)-----速度最快 -
直接寻址: 通过地址获取,相应地址内的值进行相关操作–访问内存 -
寄存器寻址: 通过获取寄存器地址,获取寄存器中存储的值-----访问寄存器 -
寄存器间接寻址: 先通过寄存器获取其内存储的地址,再通过该地址,获取地址内的值-----访问寄存器中存放的操作数的地址 -
操作码: 指明该指令要完成的操作,如 取数,做加法,输出数据等 -
操作数: 指明操作数的内容或所在存储单元的地址 -
指令的组成: 操作码+操作数
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寻址方式: 采用多种寻址方式,便于扩大寻址空间,提高编程的灵活性
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两种指令集系统
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流水线技术
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相关术语
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时钟周期(振荡周期):时钟频率的倒数,是计算机中最基本最小的时间单位,(CPU完成一个基本动作所花费的时间) -
CPI 平均指令周期数,平均每条指令所需要的时钟周期 -
MIPS: 每秒处理百万级的机器语言指令数
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存储系统
CPU最先从寄存器文件中获取数据,其次是从缓存中获取,再次从内存中获取,最后从外从中获取,
寄存器与高速缓存（Cache）间的数据交换流程
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当CPU需要数据时，会先向寄存器发出请求。若寄存器中没有所需数据，CPU会转而访问高速缓存（Cache）。Cache接收到请求后，会根据地址信息在自身存储区域内进行查找。若Cache命中，即Cache中存在所需数据，则将数据快速传输给CPU，同时可能会更新数据在Cache中的存储位置和状态信息；若Cache未命中，则需要从主存中获取数据。获取数据后，不仅要将数据传送给CPU，还会把该数据及其相邻数据块一同存入Cache，以便后续可能的访问，这是基于局部性原理，提高后续数据访问的命中率 -
Cache未命中时，会向主存发出数据请求。主存接收到请求后，根据地址定位到相应的数据存储位置，将数据取出并传输给Cache。Cache接收到数据后，会根据自身的替换策略，若Cache已满，选择合适的数据块进行替换，将新的数据存入Cache。在数据传输过程中，为保证数据的准确和完整性，可能会有校验机制。同时，主存和Cache之间的数据传输会遵循一定的协议和时序，以确保高效稳定的通信------实现方式为硬件 -
当程序运行需要的数据和指令不在主存中时，会触发从辅存到主存的数据加载操作。操作系统会根据程序的请求，从辅存（如硬盘、固态硬盘等）中读取相应的数据和指令。辅存将数据读出后，通过数据总线传输到主存。当主存空间不足时，操作系统会根据一定的算法（如页面置换算法），选择部分暂时不用的数据和指令，将其从主存写回到辅存，释放主存空间，以便为新的数据和指令腾出位置。在这个过程中，数据的读写操作需要考虑辅存的读写特性，如硬盘的寻道时间、旋转延迟等，以优化数据交换效率-------实现方式为软硬件结合
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主存存储: 存放指令和数据,并由中央处理器CPU直接随机存取,主要由随机存储器RAM和只读存储器ROM组成,主要为DRAM组成 
ROM 存储基本输入输出系统（BIOS）程序。BIOS 是一组固化到计算机内主板上一个 ROM 芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
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采用随机存取的方式, 对每个存储单元进行编址,通常以1B(1个字节=8bit)为单位表示,即每个字节一个地址,8位2进制数,地址编号一般位16进制,基本存储单位为字节 ,地址总线和地址编号相对应
地址总线和地址编码紧密相关，二者共同在计算机系统的寻址过程中发挥重要作用。地址总线是CPU与内存间传递地址信息的通道，是“门牌号指示牌”，其位数（n）决定了最大寻址空间（2^n），如32位地址总线支持4GB内存，64位支持18EB的超大空间，总线越宽，可访问的内存空间越大。
地址编码则是对内存或外设的每个存储单元进行编号的方式，是地址信息的具体表现形式。CPU通过地址总线发送地址编码，来选择要访问的特定存储单元或外设。例如在程序中对外设地址进行写入数据时，MCU的地址线上传输的就是外设的地址编码，通过这个编码选中外设并进行写入操作；读取外设数据时，MCU的地址线上同样也是外设的地址编码，以此实现片选功能，让外设将数据传输到数据总线上
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Cache 高速缓存寄存器位于CPU和主存之间,容量小,但是速度快,通常由SRAM组成 -
局部性原理,将主存中可能被访问的内容调入速度更快的Cache中,解决CPU和主存之间速度不匹配的问题,提升计算机性能 -
SRAM是一种静态随机存取存储器，其存储单元由多个晶体管组成一个锁存器（Flip - Flop）结构，利用锁存器的两个稳定状态来存储二进制数据（0或1）。只要保持通电，锁存器就能一直保持存储的数据，无需像DRAM（动态随机存取存储器）那样定期刷新。当写入使能信号write_en为高电平时，在时钟上升沿时，将data_in写入到SRAM数组中的给定地址。当时钟信号clk上升沿发生或SRAM数组或地址address发生变化时，sram_out从SRAM数组中选择所需的数据并输出 -
硬盘:存储文件和数据,掉电不丢失 -
固态硬盘(SSD):采用闪存芯片进行数据存储，没有机械部件,速度快,价格贵 -
机械硬盘:(HDD):机械结构的特性,速度慢,价格便宜 地址。当时钟信号clk上升沿发生或SRAM数组或地址address发生变化时，sram_out从SRAM数组中选择所需的数据并输出 -
硬盘:存储文件和数据,掉电不丢失 -
固态硬盘(SSD):采用闪存芯片进行数据存储，没有机械部件,速度快,价格贵 -
机械硬盘:(HDD):机械结构的特性,速度慢,价格便宜
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