操作系统
处理器硬 件的支持
存储管理
所有处理器都或多或少具备 这种能力，如虚拟存储器管 理硬件和进程管理硬件。 这些硬件包括专用寄存器、 缓冲器以及完成基础资源管 理任务的电路。
操作系统支持
操作系统的另一个重要功能是存储管理。 大多数当代操作系统都包含虚拟存储器的 功能，虚拟存储器有两个优点：
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进程在主存中运行时不需 要将程序的全部指令和数 据一次性地装入主存
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输入/输出
计算机系统的 I/O 体系结构是 系统与外部世界的接口
输入/输出
I/O 体系结构
这种体系结构提供了一种控制计算机 与外部世界交互的系统化方式，并向 操作系统提供有效地管理 I/O 行为的 必要信息。
输入/输出
3 种基本的 I/O 技术
编程式 I/O (Programmed I/O) 技术，即在请求 I/O 操作的程序 的直接和连续的 控制下所发生的 I/O 操作
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CPU结构和功能
处理器包括用户可见的寄存 器和控制/状态寄存器
CPU结构和功能
用户可见寄存器是指，用 户使用机器指令显式或隐 式可访问的寄存器。它们 可以是通用寄存器，也可 以是用于定点或浮点数、 地址、变址和段指针这样 的专用寄存器。
控制和状态寄存器用于控 制 CPU 的操作。一个明显 的例子是程序计数器，另 一重要的例子是程序状态 字（PSW）。
中断驱动式 I/O (Interrupt-driver I/O) 技术，即程 序发出 I/O 命令 后继续执行，直 到被 I/O 硬件中 断，通知它 I/O 操作完成
除了处理器和一组存储器模块外，计算机系统 的第三个关键部件是一组输入 / 输出模块。每 个模块连接到系统总线或中央交换器，并且控 制一个或多个外围设备。一个 I/O 模块不是简 单地将设备连接到系统总线的一组机械连接器， 而是包含了执行设备与系统总线之间通信功能 的逻辑。
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程序可用的总存储空间可以大大 超过系统的实际主存容量
虽然存储管理是用软件完成的，但操作 系统依赖于处理器中的硬件支持，包括 分页管理硬件和分段管理硬件
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计算机算术
数的表示方法（二进制格式） 基本算术运算（加减乘除）
计算机算术
计算机算数涉及的两个基本方面是数的表示方法（二进制格式）和基本算术运 算（加减乘除）的算法。这两个方面既适用于整数算术、也适用于浮点算术。
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计算机的演变和性能
计算机的发展历史主要由提高处理器速 度、减小部件尺寸、增大存储容量、加 快 I/O 能力和速度来表征
计算机的演变和性能
导致处理器速度大幅度提高的一个关键因素是，缩减微处理器部件的尺 寸，即减少部件间的距离，从而提高速度。 然而近年来在速度上的真正增益却是来自于处理器的组成，这包括流水 线处理技术和并行执行技术的大量使用，以及推测执行技术的使用（推 测执行技术可使将来可能需要的指令提前探测性的执行）。所有这些技 术的出发点是，最大限度地使处理器保持运行状态。
PSW包含各种状态和条件 位，例如反映最近一次算 术运算结果的标志位、中 断允许位和指示 CPU 当前 运行于特权模式下还是用 户模式下的状态位。
CPU结构和功能
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处理器采用指令 流水方式来加速 指令的执行。
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从本质上讲，流水是将 指令周期分解成几个连 续出现的阶段，如取指 令、译码指令、确定操 作数地址、取操作数、 执行指令和写结果操作
栈的基本操作是 PUSH 和 POP，以及 在栈顶部一或两个位 置上完成的操作。一 般来说，栈都实现为 从高地址向低地址增
长。
字节可以寻址的处理 器可分为大端（big endian）、小端（little endian）、双端（biendian）这几类。如果 多字节的数值是以最 高有效字节存于最低 地址值的字节来顺序 存储，则称为大端； 如果它们是以最低有 效字节存于最低地址 值的字节来顺序存储， 则称为小端。既支持 大端又支持小端的处 理器是双端处理器。
opcode
操作数引用方式指定 如何寻找被操作数据 的寄存器或存储器的 位置。数据类型可以 是地址、数值、字符
或逻辑数据。
指令集：特征和功能
各类处理器中的一个 普遍的体系结构是栈 stack 的使用，栈对程 序员是可见的或是不 可见的。栈用于管理 过程的调用和返回， 也可用来提供另一种 寻址存储器的方式。
内部存储器
动态 RAM（DRAM） 静态 RAM（SRAM）
内部存储器
半导体随 机存取存
储器
两种基 本形式
存储器系统中通常都使用纠错技术，这包括添加一些 与原数据位成函数关系的冗余位来构成纠错码。如果 出现错误位，纠错码会检测并通常能纠正该错误位。
动态 RAM（DRAM）：存取速度慢、价格更低廉 ，并且集成度较高，一般用于主存储器。
因此 I/O 模块是必须的，它有两大主要功能
通过系统总线或中央交换器与处理器和存储器连接 通过专用数据线与一个或多个外设连接
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操作系统支持
操作系统是控制程序在处理器 上执行和管理该处理器资源的
软件
操作系统支持
进程调度
操作系统最重要的功能之一是 进程或任务的调度，操作系统 决定在给定时间内运行哪个进 程。一般情况下，硬件不断中 断运行进程，使操作系统做出 新的调度裁决，从而使处理器 时间被几个进程公平分配。
其一，有限的 指令集并具有 固定格式；
其三，强调对指 令流水线的优化。
其二，大量的 寄存器或利用 编译器来优化 寄存器的使用；
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超标量处理器
指令级并行性和超标量 处理器
超标量处理器
每条流水线由多个段（stage）组 成，因此每条流水线能同时处理 多条指令。多流水线引入了新一 级并行性，允许同时处理多个指 令流。
直接存储器存取 (DMA) 技术，即一 个专门的 I/O 处理 器接管 I/O 操作的 控制，在 I/O 设备 与存储器之间直接传 送大量数据
输入/输出
为什么不把外设直接连接到系统总线上，原因如下：
各种外设的操作方法是不同的，将控制一定范围的外设的必要逻辑合并到某个处理器 内是不现实的 外设的数据传送速度一般比存储器或处理器慢得多，因此，使用高速的系统总线直接 与外设通信是不切实际的 另一方面，某些外设的数据传送速率比存储器或处理器要快，同样，若不适当管理， 则速度失配将导致无效 外设使用的数据格式和字长度通常与处理器不同
计算机功能和互连的顶层视图
指令周期的组成如下
首先取指令，随后取零个或多个操作数，再后存零个或多个操作 数，最后是中断检查（若中断允许）。
概述
计算机系统的主要部件
（处理器、主存、I/O 模块）为了交换数据和控制信号，需要进行 互连。最流行的互连方式是使用多条线组成的共享系统总线。在 当今系统中，通常采用层次式总线来改善性能
COMPUTER
计算机组成与体系结构
从性经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面 的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和 固件的功能。
广义（现代）的计算机体系结的构概念，它除了包括经典的计算机体 系结构的概念范畴（指令集结构），还包括计算机组成和计算机实现 的内容
磁盘至今仍然是最重要的外部 存储器
外部存储器
从个人计算机到大型机， 乃至超级计算机，都广 泛使用活动式磁盘和固
定式磁盘（硬盘）。
磁盘至今仍然是最重要 的外部存储器。
为了实现更高的性能和 更好的可用性，服务器 以及更大的系统使用 RAID 磁盘技术。
RAID 使用了多个磁盘 座位数据存储设备的并 行阵列的一系列技术， 并具有内在冗余性来弥 补磁盘故障。
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指令集：寻址和指令
寻址方式和指令格式
指令集：寻址和指令
指
操作数
令
引用
一是指令中含有操作数的实际值（立即数） 二是指令中含有对操作数地址的引用
单各种指令集使用类型广泛的寻址方式。这包括直接寻址（操作数地址在指令 的地址字段中）、间接寻址（地址字段指向一个存储位置，此位置含有操作数 地址）、寄存器寻址、寄存器间接寻址，以及各种形式的偏移寻址（寄存器值 加上地址值产生操作数地址）。 指令格式定义了指令中字段的布局。指令格式设计是一件非常复杂的事情，要 考虑到诸多因素，如指令长度是定长还是变长，指派给操作码和每个操作数引 用的位数，以及如何确定寻址方式等。
总线的设计要素包括
仲裁（以集中式或分布式控制来裁决是否允许把型号发送到总线 上）、时序（总线上的信号是与中央时钟同步，还是基于最近传 送事件的异步传送）和宽度（地址线条数和数据线条数）
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Cache存储器
计算机的存储器 被组织成层次结 构
Cache存储器
最顶层（最靠近处理器的一层）是处理器内的寄存器。 接下来是一级或多级的高速缓存，当使用多级 cache 时，它们分别标记为 L1, L2 等。再往下的是主存，它 通常由动态随机存储器 DRAM 构成，所有这些都被 认为是系统内部的存储器。存储层次继续划分外部存 储器，下一层通常是固定硬盘，再往下的是可装卸的 存储设备，如光盘、磁带机等。
CAL
浮点数表示成一个数（有效值，significant） 乘以一个定值（基值，base） 的某个整数 幂（指数，exponent）。浮点数能够表示很 大的数和很小的数。
大多数处理器都实现了 IEEE 754 标准， 用于浮点表示和浮点运算。IEEE 754 定义了 32 位和 64 位两种浮点数格式。
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指令集：特征和功能
计算机指令最重要的元素是 操作码（opcode）
指令集：特征和功能
opcode
计算机指令最重要的 元素是操作码
（opcode），它指明 将完成的操作、源和 目的操作数的引用方 式，并通常隐式指明 下一条指令的来源。