1. 计算机系统概述

• 冯·诺依曼体系结构
• 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
• 核心思想：程序与数据均以二进制形式存储，按顺序执行指令。
• 计算机层次结构
• 硬件层 → 微程序层 → 指令集层 → 操作系统层 → 应用层。

2. 数据的表示与运算

• 数值表示
• 原码、反码、补码（解决减法问题）。
• 浮点数：IEEE 754标准（符号位、阶码、尾数）。
• 逻辑运算
• 与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）。
• ALU（算术逻辑单元）
• 实现加减乘除、逻辑运算的核心部件。

3. 存储系统

• 存储器层次结构
• 寄存器 → 高速缓存（Cache）→ 主存（RAM）→ 外存（磁盘）。
• 局部性原理：时间局部性、空间局部性。
• 主存储器
• SRAM（速度快、成本高） vs DRAM（密度高、需刷新）。
• Cache映射方式
• 直接映射、全相联映射、组相联映射。

4. 中央处理器（CPU）

• CPU组成
• 运算器：执行算术逻辑运算。
• 控制器：生成控制信号（取指、译码、执行）。
• 寄存器组：PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）、ACC（累加器）等。
• 指令周期
• 取指 → 译码 → 执行 → 访存 → 写回。
• 流水线技术
• 通过并行执行指令阶段提高效率，可能遇到数据冒险、控制冒险。

5. 指令系统

• 指令格式
• 操作码 + 地址码（立即数、寄存器、内存地址）。
• 寻址方式
• 立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、基址寻址等。
• CISC vs RISC
• CISC（复杂指令集）指令多且复杂，RISC（精简指令集）指令少且高效。

6. 输入输出系统

• I/O接口
• 实现外设与主机的数据交换（如串口、USB）。
• 中断机制
• 外设通过中断信号请求CPU处理，CPU保存现场后响应。
• DMA（直接存储器访问）
• 不通过CPU，外设与内存直接传输数据。

7. 总线系统

• 总线分类
• 数据总线（传输数据）、地址总线（指定地址）、控制总线（传输控制信号）。
• 总线仲裁
• 集中式（如链式查询、计数器定时查询） vs 分布式。

8. 性能优化

• 并行处理
• 多核CPU、超线程技术、GPU加速。
• Cache优化
• 增大块大小、提高关联度、预取技术。

实例：一条指令的执行过程

1. 取指：PC指向内存地址，读取指令到IR。
2. 译码：解析操作码和操作数。
3. 执行：ALU完成计算或逻辑操作。
4. 访存：读取或写入内存数据。
5. 写回：将结果保存到寄存器或内存。