计算机硬件基础

这是一个关于计算机硬件基础(1)的思维导图，主要概述了计算机的发展历程、系统组成、硬件基础以及存储系统的相关知识。从计算机的发展历史来看，它经历了从第一代电子管计算机时代到第五代集成电路计算机时代的演变。每一代计算机都有其显著的特点和里程碑式的发展。介绍了计算机系统的组成和工作原理，包括计算机的硬件和软件部分。硬件部分涉及了基本字长、存储容量、运算速度等性能指标，而软件部分则与硬件紧密相关，共同构成了完整的计算机系统。

计算机硬件基础

• 第一章：计算机系统概述
  • 1.1计算机发展概述
    • 1.1.1计算机发展历史
      • 第一代电子管计算机时代 第二代晶体管计算机时代 第三代集成电路计算机时代 第四代大规模集成电路计算机时代
    • 1.1.2微型计算机
      • 微型机把运算器和控制器等做在一块集成电路芯片上，也是计算机的核心，简称为CPU
      • 微型计算机系统： 以微型计算机为中心，配以相应的外围设备以及控制微型机工作的软件
  • 1.2计算机系统的组成和工作原理
    • 1.2.1计算机的硬件
      • 硬件的核心是CPU
        • CPU包括Cache，运算器，控制器
    • 1.2.2计算机的软件
      • 软件的核心是操作系统
      • 软件分为系统软件和应用软件两大类
        • 1.系统软件
          • 操作系统
          • 语言处理程序
            • 机器语言：计算机可以直接识别
            • 汇编语言：将机器用助记符表示的编程语言
            • 高级语言：与机器无关的编程语言
          • 数据库系统
        • 2.应用软件
    • 1.2.3计算机的硬件和软件的关系
      • 软件和硬件的逻辑等价原理
    • 1.2.4计算机的工作原理
      • 一条指令的执行有三步：
        • 1.取指令：根据程序计数器PC的值从内存中取出指令，送到指令寄存器IR，之后PC自动加1，指向下一条指令的地址
        • 2.分析指令：对IR中的指令操作码译码
        • 3.执行指令：取出操作数后，执行指令操作码规定的操作。
  • 1.3计算机的性能指标
    • 1.3.1基本字长
      • 基本字长：是指计算机的CPU一次可以处理的一组二进制数的位数
    • 1.3.2存储容量
      • 存储容量：是指计算机等级存储系统可以存放的二进制数的位数或字节数
      • 常见的存储容量的换算关系：
        • 2¹⁰B=1024B=1KB 2²⁰B=1024KB=1MB 2³⁰B=1024MB=1GB 2⁴⁰B=1024GB=1TB 2⁵⁰B=1024TB=1PB 2⁶⁰B=1024PB=1EB
    • 1.3.3运算速度
      • 运算速度：是描述计算机工作快慢的指标
        • MIPS，MFLOPS，CPU主频，CPI
        • CPU主频指CPU使用的时钟脉冲的频率
          • 1MHz主频，时钟周期是1us
          • 1GHz主频，时钟周期是1ns
        • CPI是指每条指令从取值到该条指令执行完毕需要多少个时钟周期
• 第二章
  • 2.1带符号数的编码
    • 原码
      • 符号位：0表示“+”，1表示“-”
      • 8位字长原码表示整数的范围：-127～+127
      • [+0]原＝00000000 [-0]原＝10000000
    • 反码
      • 正数的反码：与原码相同
      • 负数的反码：符号位的规定与原码相同，数值位逐位取反
      • 8位字长反码表示整数的范围：-127～+127
      • [+0]反＝00000000 [-0]反＝11111111
    • 补码
      • 正数的补码：与原码相同
      • 负数的补码：符号位的规定与原码相同，数值位逐位取反再加1
      • 8位字长补码表示整数的范围：-128～+127
      • [+0]补＝00000000 [-0]补＝00000000
    • 移码
      • 符号位取反的补码，一般用于表示浮点数的阶码
      • 8位字长移码表示整数的范围：-128～+127
      • [+0]移＝10000000 [-0]移＝10000000
  • 2.2定点数据表示
    • 定点整数
      • 原码和反码定点整数表示范围
      • 补码和移码定点整数范围
    • 定点小数
    • 无符号数
  • 2.3浮点数据表示
  • 2.4补码的加减运算及溢出判断
  • 2.5移位运算
• 第三章
• 第四章
• 第九章
• 第七章
  • 7.1存储系统概述
    • 存储器的分类
      • 按CPU的关系分
        • 内存
        • 外存
      • 按存储介质分
        • 半导体存储器
        • 磁表面存储器
        • 光盘存储器
      • 按存储方式分
        • 随机存储器RAM （CPU可直接编址访问）
          • 静态RAM：比较稳定，读写速度快，用作高速缓存
          • 动态RAM：容量大，用作主存
        • 只读存储器ROM （只读信息，不能写信息）
          • 掩膜式ROM
          • PROM
          • EPROM
        • 直接存取寄存器
          • 磁盘
          • 光盘
      • 按存取作用分
        • 高速缓存（Cache）
        • 主存
        • 辅助存储器
      • 按保存信息的时间分
        • 永久性存储器（非易失性存储器）
          • 只读、磁盘、光盘、U盘存储器
        • 非永久性存储器（易失性存储器）
          • 随机存储器
  • 7.2随机存储器RAM
    • 静态随机存储器SRAM
      • 机制：双稳触发器，双稳电路 优点：稳定性好，速度快，不需要刷新 缺点：容量小，功耗大 应用：Cache
    • 动态随机存储器DRAM
      • 机制：电容存储电荷 优点：片容量高，功耗低 缺点：需要刷新 应用：主存
  • 7.3只读存储器ROM
    • ①掩膜只读存储器MROM
    • ②可编程只读存储器PROM
    • ③可擦可编程只读存储器EPROM
    • ④闪存E²PROM
  • 7.4主存储器容量的扩充
    • ①位扩展
    • ②字扩展
    • ③字位同时扩展
    • ④存储器模块
  • 7.5提高存储系统性能的技术
    • 7.5.1高速缓存Cache
      • 地址映像
        • 直接映像
          • 规则：主存中的一块只能映射到Cache的一个特定块中
        • 全相联映像
          • 规则：主存中的任意一块可以映射到Cache中的任意一块
        • 组相联映像
          • 规则：主存的组到Cache组直接采用直接映射方式，在两个对应的组内采用全相联映射方式。
    • 7.5.2虚拟存储器
      • 采用全相联映像方式
      • 采用LRU替换算法
      • 类型
        • 页式
        • 段式
        • 段页式
    • 7.5.3并行存储器
  • 7.6外存储器
    • 优点：存储容量大，价格低，可长期保存信息
    • 7.6.1硬盘存储器
      • 组成：磁盘片、硬盘驱动器、硬盘控制器
    • 7.6.2光盘存储器
    • 7.6.3U盘存储器
    • 7.6.4固态硬盘存储器
• 第六章
• 第五章