計算機組成原理和體系結構

• 數據的表示
• • n進制轉十進制
  • 十進制轉n進制 使用短除法
  • 二進制轉八進制和十六進制
  • 原碼、反碼、補碼以及移碼
  • 浮點數運算
• 計算機結構
• 計算機體系結構分類 - Flynn
• CISC 和 RISC
• 流水線
• • 流水線計算
  • • 流水線時間計算
    • 流水線吞吐率計算
    • 流水線的加速比計算
    • 流水線的效率
• 計算機層次化存儲結構
• • Cache的概念
  • 主存的分類
  • 磁盤工作原理
  • 計算機的總線
• 系統可靠性分析與設計
• • 串聯系統和并聯系統
  • 模冗余系統和混合系統
• 差錯控制
• • 校驗碼的概念
  • 循環（CRC）校驗碼
  • 海明校驗碼

數據的表示

n進制轉十進制

• 例如二進制轉十進制：10100.01 = 1x2^4 +1x2^2 + 1x2^-2
• 例如七進制轉十進制：604.01 = 6x7^2 + 4x7^0 + 1x7^-2

十進制轉n進制 使用短除法

• 例如將94轉為二進制

二進制轉八進制和十六進制

• 二進制轉八進制只需要對二進制數從右邊開始每三個一組轉成八進制，最高位如果不足三位數就在最左邊補0。
• 二進制轉十六進制只需要對二進制數從右邊開始每四個一組轉成16進制，最高位如果不足四位就在最左邊補0。
• 我們可以對十六進制轉成二進制，只需要將每個位拆成4位二進制數就得到對應對二進制，然后對轉成的二進制從右邊到左邊三位劃分就轉成八進制了。

原碼、反碼、補碼以及移碼

從上圖中可以看出 ，原碼是不適合做計算的！因為原碼是1-1居然等于10000010。

• 原碼總共八位，首位為符號位。正數的符號位為0，負數的符號位為1。
• 反碼：正數的反碼就是其本身，負數的反碼是符號位不變，其他位取反。
• 補碼：正數的補碼就數其本身，負數的補碼是其反碼的基礎上加1。
• 移碼：在補碼的基礎上將符號位取反。

數值表示范圍 由于負數的補碼在其反碼的基礎上加1，所以范圍會比其他數多1。

浮點數運算

浮點數運算首先要將指數統一，然后尾數進行相互計算，最后格式化結果(小數點前不超過1位數)。

• 例如 ： 1.0x 10^3 + 1.19x10^2 = 1.0 x10^3 + 0.119x10^3 = 1.119x10^3;

  計算機結構

計算機體系結構分類 - Flynn

CISC 和 RISC

流水線

流水線是指在程序執行時多條指令重疊進行操作的一種準并行 處理實現技術。各種部件同時處理是針對不同指令而言的，它們可同時為多條指令的不同部分進行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均執行速度。

流水線計算

流水線時間計算

流水線吞吐率計算

表示一個流水線的周期

流水線的加速比計算

流水線的效率

計算機層次化存儲結構

Cache的概念

主存的分類

磁盤工作原理

讀取磁盤的時候磁頭還是會接著旋轉的！

計算機的總線

系統可靠性分析與設計

串聯系統和并聯系統

• 串聯系統：只要其中一個環節出現問題，整個系統都不能運行了。
  • 可靠度：把每個環節的可靠度相乘就是總可靠度。
  • 失效率：把每個環節的失效率（1 - 環節可靠度）相加。（近似公式，當子系統比較多，且失效率極低的情況下使用）
• 并聯系統：只要有一個環節不出現問題，系統都可以運行。（當且所有環節故障，才不能運行）

  • 可靠度：1 減去 所有環節失效率之積。

  • 失效率：1 減去 總可靠度

模冗余系統和混合系統

差錯控制

校驗碼的概念

• 檢錯：檢查出錯誤
• 糾錯：檢查出錯誤，并且糾錯。
• 碼距：例如 11 和 00 ，11要變成00 最少需要變化兩個位，所以最小碼距為2.

循環（CRC）校驗碼

可以做檢錯，但是不可以做糾錯的校驗碼。

• 模2除法： 兩個二進制相除時做 異或操作！
• 下圖中 x^ 4 +x^3+x+1 ,意思是在 2^?4、2^3、 2^1 、 2^0 這些位上為1,即 11011 。
• 在原始報文后面添加多項式位數減1個數 的0.
• 然后進行模2除法，將得到余數（對應位數），替換原始報文后添加的0.
• 這樣就求出進行CRC編碼后的結果。
• 將得到的結果和前面多項式的值11011進行模2除法，如果余數為0則表示對了。

海明校驗碼

通過 2^r = x+r+1確定校驗碼為r位（x為信息位的個數），位置為 2^0 ~2^r .

注意： 信息位的位置分配是從高位到低位依次存放

注意： 海明校驗碼是放在2的冪次位上的

第三步：確定校驗位的值

校驗原則：被校驗的海明位的下標等于所有參與校驗該位的校驗位的下標之和

然后將校驗碼校驗的信息位的位置記錄下來：

r1: 3, 5, 7
r2: 3, 6, 7
r3: 5, 6, 7

然后做對應信息位的異或運算(異或的運算法則為：0⊕0=0，1⊕0=1，0⊕1=1，1⊕1=0（同為0，異為1）)

r1: 1 xor 1 xor 1 = 1
r2: 1 xor 0 xor 1 = 0
r3: 1 xor 0 xor 1 = 0

代入表格得到

注意：按照從低位到高位的排列順序得到海明碼：1010101

總結

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