软考中级软件设计师--1.计算机系统知识

计算机组成与结构

参考

• https://www.yuque.com/saodai/ss8tp9
• B站视频

计算机系统知识

计算机系统由两部分组成：硬件、软件

1. 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）

2. 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

3. 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

4. 数的表示 （考得少）

• 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

5. 数的编码方式（不怎么考）

• 原码：一个数的正常二进制表示 例如 +0（0 0000000）-0(1 0000000)
• 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（0 0000000）-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

6.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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 输入输出（I/O）控制方式

• 程序查询方式（程序直接控制方式）：
  1. 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
  2. 一次只能读写一个字
  3. 由 CPU 将数放入内存
• 中断驱动方式：
  1. I/O 设备通过中断信号，主动向CPU 报告 I/O 操作已完成
  2. CPU 与 I/O 外设可并行操作， CPU 利用率提升
  3. 一次只能读写一个字
  4. 由 CPU 将数据放入内存
• 直接存储器存储方式（DMA方式）：
  1. 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
  2. CPU 与 I/O 外设可并行工作
  3. 由外设直接将数据放入内存
  4. 一次读写的单位是块而不是字
  5. 仅在传输数据块的起始和结束需要 CPU 的干预
  6. 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

15. 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

16. 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

17. 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)

18. 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