计算机组成原理

数据的表示与运算

原码，反码，补码以及JAVA中的基本数据类型

• 原码：人看的二进制，符号位 + 真值，不能做减法，0表示正数，1表示负数
• 反码：过渡编码，负数数值位取反
• 补码：计算机实际使用的编码，负数 = 反码 + 1，正数的原码，反码，补码都一样。
• Java 所有整数（byte/short/int/long）底层全是 补码 存储！
• byte 取值范围是 -128 ~ 127，对应的补码二进制 10000000 ~ 01111111，因为最高位表示 正负，当127+1 的时候，最高位就变成1了，也就变成了-128，是一个负数了，所以说必须要增加位数，使用short变成16位 0000 0000 1000 0000，这样最高位又是0表示正数了。

ASCII / Unicode / UTF-8

• ASCII：只管英文，最早的字典。
• Unicode：全球统一大字典，给所有字符分配一个唯一编号（码点）。
• UTF-8：Unicode 的实现 / 存储方式（可变长编码），互联网通用标准。

存储系统

存储器的层次结构

• CPU寄存器 → L1/L2/L3 Cache(高速缓存) → 主存(内存RAM) → 外存(SSD/HDD/磁盘/对象存储)
• CPU 运算只认寄存器，不能直接读写外存；所有数据必须逐层向上加载：外存→主存→Cache→寄存器 → CPU 执行计算缺一层就触发访存失效 / 缺页 / 缓存未命中，性能断崖下跌。

性能根基，局部性原理

两大核心局部性

• 时间局部性,刚用过的数据，短时间内大概率还要再用,把刚用的数据留在高速缓存里，不立刻淘汰。
• 空间局部性,用到某个地址的数据，它相邻 / 附近地址的数据，大概率马上也要用,预加载相邻数据、按块 / 按行缓存、内存对齐、批量预取。

Cache 核心机制

• 缓存命中 / 未命中：命中：数据在 Cache 里 → 极速读取；未命中（Cache Miss）：去下层主存取，回填 Cache，延迟暴增。
• 缓存行（Cache Line）CPU 不是读单个字节，是按64B/128B 整块拉数据（利用空间局部性）。
• 替换算法LRU（最近最少使用）：贴合时间局部性，淘汰最久不用的数据（Redis、JVM 缓存、操作系统页缓存全在用）。
• 写直达 / 写回：解决 Cache 与主存数据一致性。

CPU 与指令系统

总线系统

输入输出（I/O）系统