1.1 计算机系统基础知识

1.1.1 计算机系统硬件的基本组成

计算机的基本硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

运算器、控制器被集成在一起称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit）。用于数据的加工处理，完成各种算术，逻辑运算和控制功能。

存储器分为内部存储器和外部存储器。前者容量小、速度高，一般用于临时存放程序，数据以及中间结果。后者容量大、速度慢，可以尝试保存程序和数据。

输入设备和输出设备统称外设。输入设备用于输入原始数据及各种命令，而输出设备用于输出计算机运行的结果。

1.1.2 中央处理单元

负责获取指令、对指令进行译码并加以执行。

1. CPU的功能
   1. 程序控制。通过执行指令来控制程序的执行顺序，是CPU的主要功能。
   2. 操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
   3. 时间控制。CPU对于各种操作进行时间上的控制，即在指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格的控制。
   4. 数据处理。CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们利用。所以，对数据的加工处理，也是CPU最根本的任务。
      CPU还需要对系统内部和外部的中断（异常），作出响应进行相应的处理。
2. CPU的组成
   
   CPU基本组成结构
   1. 运算器
      运算器的组成：算术逻辑单元、累加存储器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器。
      运算器的主要功能：
      （1）执行所有算数运算，如加减乘除等基本运算及附加运算。
      （2）执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与或非零值测试或两个值的比较等。
      运算器中各组成部件的功能
      （1）算术逻辑单元（ALU）：负责处理数据，实现对数据的运算和逻辑运算。
      （2）累加寄存器（AC）：也称为累加器，是一个通用寄存器，功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术运算或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
      （3）数据缓冲寄存器（DR）：在对内存器进行读/写操作时，用DR暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字，将不同时间段内的读/写数据隔离。主要作用是作为CPU和内存、外部设备之间数据的中转站；在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可以兼作为操作数据寄存器。
      （4）状态条件寄存器（PSW）：由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，主要分为状态标志和控制标志。
   2. 控制器
      运算器只能完成运算，控制器用于控制整个CPU的工作，她决定计算机运行过程的自动化。不仅要保证程序的正确执行，而且还能够处理异常事件。包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑。
      指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作，过程分为取指令，指令译码、按指令操作码执行、形成吓一跳指令地址等步骤。
      （1）指令寄存器（IR）：当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，再送入IR暂存，指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。
      （2）程序计数器（PC）：具有寄存信息、计数两种功能，又被称为指令计数器。程序的执行分为两种情况，一是顺序执行，二是转移执行。
      （3）地址寄存器（AR）：保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
      （4）指令译码器（ID）：指令分为操作码和地址这两个部分，为了执行任何给定的命令，必须对操作码进行分析，以便识别完成所有的操作。
      时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供相应的控制信号。
      总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。
      中断控制逻辑用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。
   3. 寄存器组
      寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器，其作用是固定的。通用寄存器的用途广泛，可由程序员来规定其用途，其数目因处理器不同有所差异。
3. 多核CPU
   核心由又称为内核，是CPU是最主要的组成部分。CPU所有的计算、计算/存储命令、处理数据都由内核来完成。各种CPU内核都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有不同的布局。
   以双核CPU为例，AMD和Intel的双核技术在物理结构上有很大的不同。AMD将两个内核做在一个CPU芯片上，通过直接架构连接起来，集成度更高；Intel则是将两个CPU芯片封装在一起。因此，有人将Intel的方案称为“双芯”，将AMD的方案称为“双核”。

1.1.3 数据表示

各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，机器数的特点是采用二进制，即数据用0和1表示，小数点隐含（不占位置）。机器数对应的实际数值称为数的真值。

1.1.4 效验码

计算机系统在运行时，各部件之间要进行数据交换，为了提高数据在传送过程中的正确性，一个方法是提高硬件电路的可靠性，另一个方法是采用校验码对数据的正确性进行检查甚至纠正。
常用的三种校验码：
（1）奇偶校验码常用的有水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平垂直校验码。
（2）海明码是由贝尔实验室的Richard Hamming设计的，它是利用奇偶性来检错和纠错的校验方法。
（3）循环冗余校验码广泛用于数据通信领域和磁介质存储系统中。

1. 奇偶校验码
   奇偶校验码（Parity Code）是一个简单的校验方法。这种方法通过在数据编码中增加一位校验位，使编码中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。奇校验只能发现奇数个错误为；偶校验只能发现偶数个错误位；奇偶校验只能查错不能纠错。
2. 海明码
   海明码（Hamming Code）是利用奇偶性来差错和纠错的校验方法。
3. 循环冗余校验码
   循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）由两部分组成，左边为信息码（数据），右边为校验码。
   
   CRC的代码格式