第一章计算机系统（上午题）

骑猪看日落 2024-02-05 22:10 11阅读 0赞

### • 计算机硬件系统五大组成部分 ###

 控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备  
 存储器分为内部存储器（内存、容量小、速度快、存放临时数据，断电消失）和外部存储器（硬盘、光盘、容量大、速度慢、长期数据保存）  
 输入设备、输出设备统称外设  
 主机（ CPU + 主存储器）

###    • 中央处理单元 CPU ###

 CPU 组成：由运算器、控制器、寄存器组（读取速度最快）、内部  
总线组成  
 CPU 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（常考）：

>   
>  算数逻辑单元 ALU(Arithmetic logic unit) ：实现对数据的算数和逻辑运算，提供一个工作区  
>  累加寄存器 AC(Accumulator): 运算结果或者源操作数的存放区  
>  数据缓冲寄存器 DR(Data Register): 暂时存放内存的指令或数据  
>  状态条件寄存器 PSW(Program Status Word): 保存指令运行结果的条件吗内容，如溢出标志等

 运算器功能：执行算数运算和逻辑运算  
 控制器：

>   
>  指令寄存器 IR （ Instruction Register ） : 暂存当前CPU 正在执行的指令  
>  程序计数器 PC （ Program Counter ）：存档指令执行地址  
>  地址寄存器 AR （ Address Register ）：保存当前 CPU 所访问的内存地址  
>  指令译码器 ID （ Instruction Decoder）：分析指令操作码

 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  
 程序员可以访问通用寄存器存取数据，也可以访问状态寄存器和程序计数器，但是不能访问指令寄存器

###    • 数据进制转换 ###

 二进制、十六进制（ 0x18F、 18FH ）  
 R 进制转 10 进制 案例： 6 进制 5043 转为十进制 => 36^0 +46^1 + 06^2 + 56^3 => 1107  
 十进制转 R 进制 案例：十进制 200 转 6 进制 => 200/6 =33 余 2 => 33/6 = 5 余 3 => 5/6 = 0 余 5 => 6 进制为余数的从后向前排列 532  
 m 进制转为 n 进制：通过十进制中转

### • 数的表示 ###

 最小数据单位 b( 比特 bit)  
 最小存储单位 1B( 字节 byte)=8b  
 1KB=1024B; 1MB=1024KB; 1GB=1024MB  
**机器数：**各种数值在计算机中表示的形式，特点是使用二进制计数制，数 的 符 号 用 0 和 1 表 示 ， 小 数 点 隐 含 不 占 位 置 （ 例 如+0 （ 0 0000000 ） -0(1 0000000) ）其中第一位是符号为，后七位表示数值位  
**定点表示法：**分为纯小数与纯整数两种，其中小数点不占存储位

**纯小数：**约定小数点在机器数的最高数值位之前  
**纯整数：**约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后  
**真值：**机器数对应的实际数值

###    • 数的编码方式 ###

**原码**：一个数的正常二进制表示 例如 +0 （ 0 0000000 ） -0(10000000)  
**反码：**正数的反码即为原码；负数的反码是在原码的基础上，除了符号位以外，其他各位按位取反（例如如上数值的反码为 +0 （ 00000000） -0 （ 1 1111111 ））  
**补码：**正数的补码即原码；负数的补码是在原码基础上，除了符号位以外，其他各位按位取反，而后在末位 +1 ，若有进位则产生进位+0 （ 0 0000000 ） -0 （ 0 0000000 ）） -0 的补码有溢出  
**移码：**用作浮点运算的阶码，无论正数负数，都是将该原码的补码的首位（符号位）取反得到  
 计算机系统中常采用补码来表示和运算数据，原因是采用补码可以简化计算机运算部件的设计

• 浮点表示（常考）  
 浮点数 N = F \* 2^E, 其中 E 称为阶码 ( 带符号的纯整数 ) ， F称为尾数（带符号的纯小数），类似于十进制的科学记数法

> 例如  
> 101.011=0.101011\*2^3

 浮点数所能表示的数值范围由阶码确定，所表示的数值精度由尾数确定  
 浮点数运算需要先

> 1. 对阶，即将阶码换算成相同的后再计算，小阶向大阶对接，否则会损失尾数的精度
> 
> 2. 尾数计算
> 
> 3. 结果  
> 4. 格式化

 **浮点数存储格式：** | 阶符 | 阶码 | 数符 | 尾数 | ，一般尾数用补码，阶码用移码  
 **规格化浮点数：**将尾数的绝对值限定在 \[0.5, 1\]  
 **浮点数的范围：** M: 尾数补码位 ( 包括数符 ) ， R: 阶码补码位( 包括阶符 ) ，则最大正数 +(1-2^-M+1) \* 2(2R-1 - 1), 最小负数 -1 \* 2(2R-1 - 1)  
 **定点表示法与浮点表示法：**定点表示法分为定点整数和定点小数，定点表示法的小数点不需要占用存储位，总位数相同时浮点表示法可以表示更大的数  
 定点小数在机器字长为 n 的表示范围是定点整数表示范围除以2^n-1

###    • 寻址 ###

 **立即寻址：**操作数包含在指令中  
 **直接寻址：**操作数存在内存单元中，指令中给出操作数所在存储单元的地址  
 **寄存器寻址：**操作数存在某一个寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名，比直接寻址要快，寄存器 " 距离 " CPU 更近  
 **寄存器间接寻址：**操作数存在内存单元中，寄存器中存放了操作数所在的内存地址，指令中则存了寄存器名，也就是说寻址路径 指令 -> 寄存器 -> 内存  
 **间接寻址：**指令中给出操作数地址的地址  
 **寻址效率：**立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址  
 **采用不同寻址方式的目的：**扩大寻址空间，提高编程灵活性

###    • 校验码 ###

 **码距：**指一个编码系统中，两个合法编码之间至少有多少个二进制不同  
 **奇偶校验码：**在编码中增加一个校验位来使 1 的个数为奇数或者为偶数，码距为 2  
 奇偶校验只能校验错误不能纠正错误  
 **海明码：**一种利用奇偶性来纠错的校验方法，码距为 3 ，设数据位有n 位，校验位有 k 位，则 n 与 k 必须满足以下关系： 2^k-1 >=n+k  
 **循环冗余校验码 (CRC)：**可以检错但不能纠错，码距为 2 ，由 k 个数据位 + r 个校验位组成，校验码由信息码产生，校验码位数越多校验能力越强，求 CRC 编码时，采用模二运算

###    • RISC 和 CISC ###

 **RISC:** 精简指令集计算机，指令少，复杂度低，指令长度固定，寻址方式少，通用寄存器数量多，支持流水线技术，采用硬布线控制逻辑，组合逻辑控制器  
 **CISC ：**复杂指令集计算机，指令多，复杂，指令长度变化，寻址方式复杂多样，通用寄存器数量一般，也支持流水线技术，使用微程序控制技术

###    • 流水线技术 ###

 **流水线：**多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术  
 **指令分为三个部分：**取指 -> 分析 -> 执行  
 一条完整指令的执行时间 = 取指时间 + 分析时间 + 执行时间  
 **流水线周期：**指令步骤中所花时间最长的一段，例如：取指 1ms ->分析 3ms -> 执行 2ms 则流水线周期为 3ms ，表示除了第一条外，后边的指令都只需要多花 3ms 就能完成  
 **流水线总共用时：**理论公式：一条完整指令完成时间 + ( 指令总数 -1)\* 流水线周期；实践公式：给第一条指令充分的时间，及第一条指令的每一个步骤都用一个流水线周期的时间  
 **吞吐率：**指单位时间内流水线所完成的任务数量，计算公式：指令条数 / 流水线总共用时，最大吞吐率 = 1 / 流水线周期  
 异步控制会延长时间，降低性能，每次操作结束后要发出结束信号

###    • 存储器 ###

 **按照所处位置分类：**内存；外存  
 **按工作方式分类：** 读 \\ 写存储器 RAM ；只读存储器 ROM  
 **按访问方式分类：**按内容访问存储器（例如：相连存储器），按地址访问存储器  
 **按寻址访问存储器：**随机存储器、顺序存储器、直接存储器  
 闪存，一种只读存储器 ROM ，删除时以块为单位删除，类比为 U盘  
 虚拟存储器，由主存 + 辅存 组成  
 存 储 系 统 的 层 次 结 构 ， 由 内 而 外 ： CPU 内 部 通 用 寄 存 器 >Cache(SRAM 静态随机存储器 ) >主 \\ 内存储器 (DRAM 动态随机存储器，需要周期性刷新来保持数据 ) >外存储器  
 **空间局部性：**若一个存储单元被访问，则其临近的存储单元在不久的将来也很可能被访问，这种特性就是空间局部性  
 **时间局部性：**若一个存储单元被访问，则这个单元在以后也可能被再次访问，这种特性就是时间局部性

###    • Cache 高速缓存 ###

 **Cache 高速缓存：**位于 CPU 与 主存之间，用来存放当前最活跃的程序和数据（主存的部分拷贝信息），速度比主存块 5~10 倍，对程序员来说是透明的（程序员不可操作）  
 Cache 容量越大，命中率越高，逐渐接近 100% ，但是随着容量变大， Cache 成本和命中时间也在增大  
 替换算法：目标是使 Cache 获得更高的命中率

>   
>  随机替换算法  
>  先进先出算法  
>  近期最少使用算法  
>  优化替换算法

 Cache 中的地址映像方法

>   
>  地址映像： CPU 工作时送出的主存地址，而要从 Cache 中读写信息，就需要将主存地址换算成 Cache 地址，这种转换称为地址映像  
>  直接映像：主存分区， Cache 分块，主存每个区有与 Cache 相同的分块，主存每个区的块与 Cache 的块的对应关系时固定的，硬件电路简单，但是冲突率高  
>  全联映像 ： 主 存不 分 区 ，主 存与 Cache 按照 相同 的大 小分块Cache 的块可以对应任意的主存上的块，电路设计难，只适用于小容量的 Cache，冲突率低  
>  组相连映像：是直接相连与全联映像的折中，先分组，组与组之间的直接映像，组内是全联映像  
>  发生冲突概率：全联映像《 组相连映像 《 直接映像  
>  Cache 与 主存之间的映射是由硬件自动完成的

###    • 中断 ###

 **中断：**遇到急需处理的事件时，暂停当前正在运行的程序，转去执行有关程序，处理完后返回源程序，这个过程称为中断  
 **中断向量：**提供中断服务程序的入口地址  
 **中断响应时间：**发出中断请求开始到进入中断服务程序，这一段时间  
 **保存现场目的：**为了能正确的返回被中断的程序然后继续执行

###    • 输入输出（ I/O ）控制方式 ###

 程序查询方式（程序直接控制方式）：

>   
>  CPU 和 I/O 只能串行工作， CPU 需要一直轮询检查状态，长期处于忙等状态， CPU 利用率低  
>  一次只能读写一个字  
>  由 CPU 将数放入内存

 中断驱动方式：

>   
>  I/O 设备通过中断信号，主动向 CPU 报告 I/O 操作已完成  
>  CPU 与 I/O 外设可并行操作， CPU 利用率提升  
>  一次只能读写一个字  
>  由 CPU 将数据放入内存

 直接存储器存储方式（ DMA 方式）：

>   
>  CPU 向 I/O 模块发出数据读写的命令，然后 CPU 就可以做其他事情， I/O 模块与内存建立直接的数据通路， I/O 模块操作完成后，通过中断信号告知 CPU  
>  CPU 与 I/O 外设可并行工作  
>  由外设直接将数据放入内存  
>  一次读写的单位是块而不是字  
>  仅在传输数据块的起始和结束需要 CPU 的干预  
>  CPU 在一个总线周期结束时响应 DMA 的请求，每传输一个数据都要占用一个存储周期  
>  由 I/O 设备提出的中断请求是可屏蔽中断，电源掉电是不可屏蔽中断

###    • 总线 ###

 **总线：**链接计算机有关部件的一组信号线，是计算机用来传送信息代码的公共通道  
 **总线分类：**数据总线，地址总线，控制总线  
 **总线的优点：**简化系统结构，减少连接线数目，便于接口设计，便于故障诊断和维修，同时降低了成本  
 **总线带宽计算：**时钟频率 \* 每秒传送的字节  
 **地址总线宽度计算：**地址总线的宽度表明 CPU 的寻址能力，与内存大小相关，内存多大就需要多宽的地址总线，例如： 内存容量为4GB -> 2^32 B -> 地址总线宽度为 32  
 **数据总线宽度计算：**数据总线宽度就是处理机的字长  
 **PCI ：**并行内总线，系统总线； SCSI: 并行外总线

###    • 加密技术与认证技术 ###

• 加密解决的问题：窃听  
• 认证解决的问题：篡改、假冒、否认  
• 加密技术

>   
>  **对称加密：**加密解密用的是同一把秘钥，且只有一把秘钥；加解密速度快，适合大量明文数据，秘钥分发有缺陷  
>  **非对称加密：**加解密不是同一把秘钥，一共有两把秘钥（公钥私钥）；加解密速度慢，秘钥分发没缺陷，公钥私钥之间不可推算  
>  **混合加密：**就是将对称加密与非对称加密混合使用：先用对称加密将大量明文数据加密，再用非对称公钥对“对称加密的秘钥”加密，并随着加密明文一起传给接收方，接收方使用非对称的私钥解密出 “对称加密的秘钥”，再用 “对称加密的秘钥” 解密明文

• 认证技术

>   
>  **摘要：**将发送的明文 Hash 算法后得到摘要，放在密文后一起发送过去，与接收方解密后的明文 Hash 算法的摘要结果对比，一致则没有篡改  
>  **数字签名：**在摘要的基础上，对摘要进行私钥签名，接收方通过公钥对数字签名进行解密，可以判定是否被篡改，假冒，否认，用来验证消息来源的真实性  
>  **数字证书：**使用第三方机构 CA 的私钥来对用户的公钥进行数字签名，来保证公钥不被篡改，接收方用 CA 的公钥解密来得到发送方的公钥  
>  用数字证书来认证用户身份，用数字签名来防篡改、假冒、否认

• 加密算法

>   
>  对称加密算法（私钥，私有秘钥加密，共享秘钥加密算法）  
>  DES 3DES RC-5 IDEA AES RC4  
>  非对称加密算吗（公钥，公开秘钥加密）  
>  ECC RSA DSA  
>  Hash 函数、 MD5 摘要算法、 SHA-1 安全散列算法

• 系统可靠性  
 设一个系统由 N 个子系统组成，子系统的可靠性分别为 R1 R2 R3  
 串联系统可靠性： R = R1R2R3  
 并联的系统可靠性： R = 1 - (1-R1)(1-R2)(1-R3)  
• 其他  
 指令寄存器的位数取决于指令字长  
 计算机分级存储速度依次为： CPU 内部通用寄存器 > Cache >内存 >外存  
 安全需求：

>   
> 物理线路安全 – 机房安全  
> 网络安全 – 入侵检测  
> 系统安全 – 漏洞补丁管理  
> 应用安全 – 数据库安全