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系统架构师-计算机组成和操作系统学习笔记

CPU

计算机硬件基本系统有五大部分组成：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备。

存储器分为内部存储器（即内存，容量小，速度快，临时存放数据）和外部存储器（即硬盘，光盘等，容量大，速度慢，长期保存数据）

中央处理单元组成：由运算器，控制器，寄存器组，内部总线。

中央处理单元功能：实现程序控制，操作控制，时间控制，数据处理功能。

运算器组成：算术逻辑单元ALU（实现对数据的算术和逻辑运算）累加寄存器AC（运算结果或源操作数的存放区）数据缓冲寄存器DR（暂时存放内容的指令或数据）状态条件寄存器PSW（保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志）。

运算器功能：执行所有的算术运算，如加减乘除等。执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与，或，非，比较等。

控制器组成：指令寄存器IR（暂存CPU执行指令），程序计数器PC（存放下一条执行地址），地址寄存器AR（保存当前CPU所访问的内存地址），指令译码器ID（分析指令操作码）等组成。

控制器功能：控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制，时序控制等。

寻址方式

常用的寻址方式有

立即寻址：操作数就包含在指令中。

直接寻址：操作数存放在内存单元中，指令中直接给出操作数所在的存储单元的地址

寄存器寻址：操作数存放在某一寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名。

寄存器间接寻址：操作数存放在内存单元中，操作数所在存储单元的地址在某个寄存器中。

间接寻址：指令中给出操作数地址的地址。

寻址速度由快倒慢依次为：立即寻址，寄存器寻址，直接寻址，寄存器间接寻址，间接寻址

校验码

码距：所谓码距，是指一个编码系统中任意两个合法编码之间有多少个二进制位不同。

奇偶校验码（只能检一位错，并且不能纠错）

奇偶校验码是一种简单有效的检验方法，这种方法通过在编码中增加一位检验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验），从而使码距变成2。

循环冗余校验码CRC（只能检错，不能纠错）

循环冗余校验码广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统。它利用生成多项式为k个数据位产生r个检验位来进行编码，其编码长度为k+r。

CRC是由两部分组成，左边为信息位（数据），右边为检验码。若信息码占k位，则检验码占n-k为，检验码是由信息码产生的，检验码的位数越多，改代码的检验能力就越强。在求CRC编码时，采用的是模2运算（按位运算，不发生借位和进位）。

海明码

海明码是一种利用奇偶性来检错和纠错的校验方法。海明码的构成方法是在数据位之间的特定位置上插入k个检验位，通过扩大码距来实现检错和纠错。

计算机体系结构分类

Flynn分类法

指令系统

CISC是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多，长度可变，由微程序实现。

RISC是精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现（通用寄存器，硬布线逻辑控制）

指令流水线

流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行最长的为段位流水线周期。

流水线执行时间：1条指令的总执行时间+（总指令条数-1）*流水线周期

流水线吞吐率：总指令条数/流水线执行时间

流水线加速比：不使用流水线总执行时间/使用流水线总执行时间。

设备管理

设备分类方式

按数据组织分类：块设备，字符设备。

资源分配角度分类：独占设备，共享设备和虚拟设备。

数据传输率分类：低速设备，中速设备和高速设备。

I/O软件层次结构（越往上越和硬件无关）

输入输出技术

程序控制（查询）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。

程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较强的场景。

中断响应时间是指从发出中断请求到开始进入中断处理程序。

中断处理时间是指从中断处理程序开始到中断处理结束，中断向量提供中断处理程序的入口地址。

多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场。

DMA方式（直接主存存取）：CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。

磁盘调度

磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。常用的磁盘调度算法如下：

先来先服务FCFS：根据进程请求访问磁盘的的先后顺序进行调度。此算法的优点是公平，简单，且每个进程都能依次得到处理，缺点是平均寻道时间长。最短寻道时间优先SSTF：请求访问的磁道与当前磁头所在磁道距离最近。使得每次的寻道时间最短。但不能保证平均寻道时间最短。扫描算法SCAN：又称“电梯算法”，磁头在磁盘上双向移动，其会选择离磁头当前所在磁道最近请求访问的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似。单向扫描算法CSCAN:与SCAN不同的是