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1. 计算机系统基础知识

1.1 计算机系统硬件基本组成

• 硬件
• CPU
• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 内部存储器（速度高，容量小）：临时存放程序、数据及中间结果
• 外部存储器（速度慢，容量大）：长期保存程序和数据

• 外设
• 输入设备：输入原始数据及各种命令
• 输出设备：输出计算机运行结果

1.2 中央处理单元CPU

1.2.1 CPU功能

• 程序控制
• 通过执行程序来控制程序的执行顺序（控制器）

• 操作控制
• CPU产生每条指令的操作信号，并将操作信号送往对应的部件，以控制相应的部件按指令的功能要求进行操作（控制器）

• 时间控制
• 控制指令执行过程中，操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序（控制器）

• 数据处理
• 通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理（运算器）

1.2.2 CPU组成

• 运算器：只能完成运算，执行部件
• 算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）
• 处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算
• 累加寄存器（AC，Accumulator Register）
• 运算器的算数逻辑单元执行算数或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，运算的结果存储在AC中
• 数据缓冲寄存器（DR，Data Register,DR）
• 作为CPU和内存、外部设备之间的中转站
• 状态条件寄存器（PSW，Program Status Word）
• 保存各种条件码内容

• 控制器
• 指令寄存器（IR，Instruction Register）
• 当CPU执行指令时，先把它从内存存储器取到缓冲寄存器中，在送入IR暂存。对用户完全透明
• 程序计数器/指令计数器（PC，Program counter）
• 跟踪指令的地址。
• 在顺序执行的加1（PC+1）；在转移执行的时候加上一个位移量
• 地址寄存器（AR，Address Register）
• 保存当前CPU所访问的内存单元的地址
• 指令译码器（ID，Instruction Decoder）
• 指令= 操作码 + 地址码
• 对指令中的操作码进行分析解释

1.3 数据表示

1.3.1 计算机基本单位

1.3.2 进制转换

1. R进制 ➔ 十进制（按权展开求和）
• 每一位数值 × R的位权次方，再累加
• 二进制 10100.01 = 1×2⁴ + 1×2² + 1×2⁻²

2. 十进制 ➔  R进制（短除法）
• 整数部分：除R取余，商为0时，余数倒序输出
• 小数部分：乘R取整，直至积为0（或满足精度）， 整数部分正序输出

 

1.3.3 原码、反码、补码、移码

• 原码：符号位加上真值的绝对值

• 反码：正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位取反

• 补码：正数的补码与其原码相同，负数的的补码则等于其反码的末尾加1

• 移码：将补码的符号位取反

1.3.4 数值表示范围

1.3.5 浮点数表示

1. 运算过程：对阶 > 尾数计算 > 结果格式化

2. 特点
• 一般尾数用补码，阶码用移码
• 阶码 的位数 决定 数的表示范围，位数越多范围越大
• 尾数 的位数 决定 数的有效精度，位数越多精度越高
• 对阶时，小数向大数看齐
• 对阶 是通过 较小数的尾数算术右移 实现的

3. 存储格式

1.4 校验码

1.4.1 奇偶校验码

• 通过在编码中增加一位校验位来使编码中的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶检验），从而使码距变为。

1.4.2 海明码

• 码距 = 2，能检错

• 码距 ≥ 3，有可能纠错

1.4.3 循环冗余校验码（CRC）

2. 计算机体系结构

2.1 计算机体系结构的发展

2.1.1 计算机体系结构的分类

• 按处理机数量（宏观）
• 单处理系统
• 并行处理与多处理系统
• 分布式处理系统

• 按并行程度（微观）
• Flynn分类法
• 冯泽云分类法
• Handle分类法
• Kuck分类法

2.1.2 指令系统

1. CISC与RISC

• RISC，Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机
• CISC，Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机

1. 指令的流水处理
指令的控制方式：顺序方式、重叠方式、流水方式
RISC采用的流水技术有：超流水线，超标量、超长指令字

2. 吞吐率和流水建立时间
吞吐率：单位时间内流水线处理机流出的结果数。对指令而言，指单位时间内执行的指令数。
• 流水线执行总时间 = 一条完整指令的时间 ，n 为指令数
• 流水线(操作)周期：执行时间最长的一段操作的时间

2.2 存储系统

2.2.1 存储器的分类

• 按访问方式：
• 按地址访问的存储器、按内容访问的存储器

• 按存储器所处位置
• 内存：主存，用来存放机器当前运行所需的程序和数据
• 外村：辅存，用来存放当前不窜与运行的大量信息，而在需要时调入内存

• 按存储器的构成材料
• 磁存储器：用磁介质做成
• 半导体存储器：
• 根据所用元件：双极型、MOS型
• 根据数据：静态、动态、
• 光存储器：利用光学方法读/写数据的存储器

• 按存储器的工作方式：
• 读/写存储器(Random Access Memory，RAM)： 读取数据+存入数据
• 只读存储器
• ROM (Read Only Memory) 固定只读存储器
• PROM (Programmable Read Only Memory) 可编程的只读存储器，内容可有用户一次性写入，写入之后不能再修改
• EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 可编程可擦除只读存储器。读出、写入、写入后修改
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 电擦除可编程只读存储器
• FM (Flash Memory) 闪存，其特性介于EPROM 和EEPROM之间，类似于EEPROM

• 按寻址方式：
• RAM，随机存储器
• SAM，顺序存储器
• DAM，直接存储器
寻址方式：
• 立即寻址： 操作数 就包含 在指令中
• 直接寻址： 操作数 存放 在内存单元中 ， 指令中 直接 给出操作数 所在存储单元的 地址
• 寄存器 址： 操作数 存放 在 某一 寄存器中 ， 指令 中 给出 存放操作数的 寄存器名
• 寄存器间接寻址： 操作数 存放 在内存单元中 ， 操作数 所在存储单元 的地址在 某个 寄存器中
• 间接寻址： 指令 中 给出操作数地址的地址
• 相对寻址： 指令地址码给出 的是一个 偏移量 （可正可负)， 操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量
• 变址寻址：操作数地址等于 变址寄存器 的内容 加偏移量
寻址速度：立即寻址 > 寄存器寻址 > 直接寻址 > 寄存器间接寻址 > 间接寻址

2.2.2 相联存储器

2.2.4 高速缓存 Cache

• Cache
• 用来存放当前最活跃的程序和数据
• 对程序员来说是透明的
• 组成部分
• 控制部分：
• 存储部分

• Cache中的地址映像方法
• 直接映像：主存的块与Cache块的对应关系是固定的
• 全相联映像：允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中
• 组相联映像：是前两种方式的折中方案，即 组采用直接映像、块采用全相联映像方式
• 发生块冲突从少到多的顺序：全相联映像 ➺ 组相联映射 ➺ 直接映射

2.3 输入输出技术

2.3.1 直接程序控制

• 输入输出过程 是 在CPU执行程序的控制下完成的

• CPU和 I/O（外设）只能串行工作

2.3.2 中断方式

• 中断
• 计算机在执行程序过程中，当遇到急需处理的事件时，暂停当前正在运行的程序，转去执行有关服务程序，处理完后自动返回源程序，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
• 保存现场：返回执行源程序
• 多级中断使用堆栈来保护现场最有效

• 中断驱动方式
• CPU 和 I/O（外设）可并行工作

2.3.3 直接存储器存取方式(DMA)

• CPU 和 I/O（外设）可并行工作

• 一次读写的单位为”块“而不是字

2.4 总线

• 微机中的总线分为 数据总线 、地址总线 、控制总线
• 数据总线(DB)：传送 数据信息，双向
• 地址总线(AB)：传送 CPU发出的地址信息，单向
• 控制总线(CB)：传送 控制信号、时序信号和状态信息等，双向线表示

3. 计算机安全

3.1 加密技术和认证技术

3.1.1 加密技术

• 对称加密 （私钥 / 私有密钥）
• 算法：DES、3DES、RC-5、IDEA、AES、RC4
• 加密和解密是同一个密钥，且只有一个密钥
• 密钥分发有缺陷
• 加密解密速度很快，适合加密大量明文数据

• 非对称加密（公钥 / 公开密钥）
• 算法：RSA、ECC、DSA
• 加密和解密不是同一把密钥，一共有两把密钥，分别是公钥、私钥
• 不能通过一把推出另一把
• 用接收方的公钥加密明文，可以实现防止窃听的效果
• 密钥分发没有缺陷，加密解密速度很慢

对称密钥（私钥、私有密钥加密）算法 （共享密钥加密算法）	非对称密钥（公钥、公开密钥加密）算法
DES	RSA
3DES	ECC
RC-5	DSA
IDEA	ㅤ
AES	ㅤ
RC4	ㅤ

3.1.2 认证技术

• 数字签名 是用 私钥签名 ，公钥验证 ，一般是 对信息摘要 进行 签名

• 数字签名是 非对称加密算法 的一种方法来 保证信息不会被篡改

• CA：权威机构

• 用户向CA机构申请数字证书将个人信息和公钥发给CA机构，CA机构颁给用户数字证书， 数字证书用 CA的私钥进行签名 （加密），用 CA的公钥验证 （解密）数字证书得到用户的公钥

3.2 计算机可靠性

• 可靠性（R）
• 串联系统：
• 并联系统：