1 計算機系統(tǒng)知識

1.1 計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

1.1.1 計算機硬件

計算機硬件由：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部件組成。

CPU的功能包括：程序控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)處理，對系統(tǒng)內(nèi)部和外部中斷（異常）做出響應(yīng)。

1.1.2 CPU

CPU由：運算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等部件組成。

運算器由：算術(shù)邏輯單元ALU、累加寄存器AC、數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR和狀態(tài)條件寄存器PSW等組成，主要功能是：算數(shù)運算、邏輯運算。

控制器控制CPU工作，決定計算機運行過程的自動化，包括：指令寄存器IR、程序計算器PC、地址寄存器AR、指令譯碼器ID。

寄存器組分為：專業(yè)寄存器和通用寄存器，運算器和控制器中的寄存器是專用寄存器，作用是固定的，通用寄存器用途廣泛并可有程序員規(guī)定其用途。

1.1.3 數(shù)據(jù)表示

機器字長為n時：

• 原碼和反碼可表示的整數(shù)范圍：-(2^n-1-1) ~ 2^n-1-1
• 原碼和反碼可表示的小數(shù)范圍：-(1-2^-(n-1)) ~ 1-2^-(n-1)
• 補碼和移碼可表示的整數(shù)范圍：-2^n-1 ~ 2^n-1-1
• 補碼和移碼可表示的小數(shù)范圍：-1 ~ 1-2^-(n-1)

浮點數(shù)的數(shù)值范圍由階碼決定，精度由尾數(shù)決定。為了充分利用尾數(shù)表示更多數(shù)字，通常采用規(guī)格化浮點數(shù)，將尾數(shù)絕對值限定在[0.5, 1]。

浮點數(shù)運算對階：使兩個數(shù)的階碼相同，把階碼小的數(shù)右移。

1.1.4 校驗碼

奇偶校驗碼：碼距為2，可以檢測奇數(shù)位不能檢測偶數(shù)位，包括：水平奇偶校驗碼、垂直奇偶校驗碼、水平垂直奇偶校驗碼。

海明碼：利用奇偶性檢錯和糾錯，k個校驗位，2k-1≥n+k。

循環(huán)冗余校驗碼：k個數(shù)據(jù)位+r個校驗碼，采用模2運算，不能糾錯。

1.2 計算機體系結(jié)構(gòu)

1.2.1 計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展

Flynn分類法：單指令單數(shù)據(jù)流SISD、單指令多數(shù)據(jù)流SIMD、多指令單數(shù)據(jù)流MISD、多指令多數(shù)據(jù)流MIMD，MISD理論上是不存在的。

CISC：復(fù)雜指令計算機，功能更強、速度慢，需要多個CPU周期。

RISC：精簡指令計算機，功能較少、速度快，可單周期執(zhí)行，關(guān)鍵技術(shù)：重疊寄存器窗口技術(shù)、優(yōu)化編譯技術(shù)、流水線、硬布線。

RISC的流水線技術(shù)包括：超流水線SPL、超標量SS、超長指令字VLIW。

1.2.2 存儲系統(tǒng)

按存儲器位置：

• 內(nèi)存：也稱主存，設(shè)在主機或主板，容量小、速度快。
• 外存：也稱輔存，如磁盤、磁帶、光盤等，存放當前不參加運行的大量信息，需要時調(diào)入內(nèi)存。

按存儲器的構(gòu)成材料：

• 磁存儲器：如磁芯、磁帶、磁盤。
• 半導(dǎo)體存儲器：根據(jù)數(shù)據(jù)是否需要刷新分為靜態(tài)和動態(tài)兩類。
• 光存儲器：如光盤。

按存儲器的工作方式：

• 讀寫存儲器RAM
• 只讀存儲器ROM：固定只讀存儲器ROM、可編程只讀存儲器PROM、可擦除可編程只讀存儲器EPROM、電擦除可編程只讀存儲器EEPROM、閃速存儲器FM。

按訪問方式：

• 按地址
• 按內(nèi)容：相聯(lián)存儲器

按尋址方式：

• 隨機存儲器RAM：訪問任何一個存儲單元的時間是相同的。
• 順序存儲器SAM：訪問數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)位置有關(guān)，如磁帶。
• 直接存儲器DAM：介于隨機存取和順序存取之間，如磁盤。

高速緩存Cache位于CPU和主存之間，速度比主存快5-10倍，由快速半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，對程序員是透明的。

虛擬存儲器是一種邏輯存儲器，實質(zhì)是對物理存儲設(shè)備進行邏輯化處理，使用CPU生成的虛擬地址來訪問主存，使用專門的內(nèi)存管理單元MMU將虛擬地址轉(zhuǎn)為物理地址來訪問主存。

1.2.3 輸入輸出技術(shù)

直接內(nèi)存存取DMA：數(shù)據(jù)在內(nèi)存和IO設(shè)備間直接成塊傳說，不需要CPU的干涉，只需要在開始和結(jié)束時進行處理，實際操作由DMA硬件直接完成。

無條件傳送、利用查詢傳送和利用中斷傳送都需要CPU執(zhí)行程序，限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。

1.2.4 總線結(jié)構(gòu)

總線包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。

數(shù)據(jù)總線DB用來傳輸數(shù)據(jù)，是雙向的，DB的寬度決定了CPU和計算機其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)的位數(shù)。

地址總線AB用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向的，AB的寬度決定了CPU的最大尋址能力。

控制總線CB用來傳送控制信號、時序信號和狀態(tài)信息等，每條線是單向的但作為整體是雙向的。

1.3 計算機安全

1.3.1 計算機安全概述

影響數(shù)據(jù)安全的因素：內(nèi)部因素、外部因素。

1.3.2 加密和認證技術(shù)

對稱加密（私人密鑰技術(shù)）

• DES：用56位密鑰對64位數(shù)據(jù)加密
• 3DES：用兩個56位密鑰加密
• RC5
• IDEA：類似于3DES，使用128位密鑰加密。
• AES：分組加密，密鑰可用128、192和256位。

非對稱加密（公開密鑰技術(shù)）

• 加密（數(shù)字加密）：公鑰加密、私鑰解密

• 認證（數(shù)字簽名）：私鑰簽名（加密）、公鑰認證（解密）

• RSA

1.3.3 計算機可靠性

可靠性：從開始運行倒某時刻的時間內(nèi)能正常運行的概率。