软考笔记——计算机系统知识

第一章节——计算机系统知识

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一、计算机系统基础知识

1.计算机系统硬件基本组成

• 计算机的基本硬件系统由运算器，控制器，储存器，输入设备，输出设备五大部件组成（冯·诺依曼结构）

• 运算器，控制器等部件被集成在一起统称为中央处理单元（CPU）

• 储存器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器（内存）和外部存储器（硬盘）。内部存储器速度快，容量小，一般用于临时存放程序，数据及中间结果；外部存储器速度慢，容量大，可长期保存程序和数据

• 输入设备和输出设备合称为外部设备（外设），输入设备用于输入原始数据及各种命令，而输出设备则用于输出处理结果。

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2.中央处理单元

• CPU主要由运算器，控制器，寄存器组和内部总线等部件组成

2.1 运算器

2.1.1 运算器的功能

1. 执行算数运算：如加，减，乘，除等基本运算
2. 执行逻辑运算并进行逻辑测试：如与，或，非等逻辑运算

2.1.2 运算器中各组件的功能

1. 算数逻辑单元（ALU：Arithmetic and logic unit）：负责处理数据，实现对数据的算数运算和逻辑运算
2. 累加寄存器（AC：Accumulator）：又称累加器，是一个通用的寄存器，为ALU提供一个工作区，暂存运算结果
3. 数据缓存寄存器（DR：Data Register）：作为CPU和内存，外设之间数据传送的中转站，用于缓冲速度上的差异性，如在对内存进行读/写操作时，用DR暂存由内存读/写的指令或数据字
4. 状态条件寄存器（PSW：Program Status Word）：保存数据/逻辑运算结果的一种状态，主要分为状态标志和控制标志，如运算结果进位标志，溢出标志，中断标志

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2.2 控制器

2.2.1 控制器的功能

• 运算器只能完成运算操作，而整个运算过程是由控制器来完成的，控制器控制整个CPU的工作

• 指令格式：

2.2.2 控制器的组成和特点

1. 指令寄存器(IR)：保存当前正在执行的指令
2. 程序计数器(PC)：指向下一条指令的地址；自增的功能
3. 地址寄存器(AR)：
4. 指令译码器：

2.3寄存器组

寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器。通用寄存器的用途由程序员决定
通用寄存器：当ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

分类	寄存器
程序员可见的寄存器	通用寄存器组，PSW，PC，AC
程序员不可见	IR，DR，AR

2.4 CPU模型

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3.数据表示

3.1 基础知识

3.1.1.进制转换
二进制：由0、1表示的数，逢2进1。如: 10111B或者(10111)2
八进制：由0…7表示的数，逢8进1。如: 27Q或者(27)8
十六进制：由0…和A…F表示的数，逢16进1。如: 17H或者(17)16

3.2.2.单位换算

单位	表示	换算
位	bit，b	1b=二进制的一位
字节	Bytc，B	1B=8bit
千字节	KB	1KB=2^10B
兆字节	MB	1MB-2^10KB
吉字节	GB	1GB-2^10MB
太字节	TB	lTB=2^10GB

3.2 定点数

**小数点位置不变的数。分为纯整数（定点整数），和纯小数（定点小数）。

表示方式：原码，反码，补码，移码**

二进制数据：


原码:二进制表示的码。最高位是符号位。0表示正数，1表示负数。
反码:正数的反码与原码相同，负数的反码是原码的符号位不变,其他位取反。
补码:正数的补码与原码相同，负数的补码等于反码的末尾+1。
移码:补码符号位取反即可。常用于表示浮点数的阶码。

3.3 定点数的加减运算

表示方式	加减运算特点
原码	零的表示不唯一;真值与机器码易转换;加减法运算复杂。
反码	零的表示不唯一;加减法运算稍复杂。
补码	零的表示唯一;加减法运算简单。（可以将减法运算转化为加法运算; 符号位当做数值位直接参与运算;如高位溢出，则直接舍弃)
移码	符号位0为负，1为正;相同真值的移码和补码数值位相同，符号位相反; 移码进行加减法运算时得到的结果是真值的补码形式

3.4 浮点数

小数点不固定的数。例如：

• 十进制科学计数法：123.456=1.23456×10^2
• 二进制的规格化：1011.10101=1.01110101×2^3
• 二进制N的一般形式：N=2^E×M
• 其中E为阶码（指数），决定二进制的表示范围（阶码约大表示二进制的范围越大)，M为尾数，决定二进制数的精度（尾数长精度高）

3.5 IEEE 754标准

分类	S	E	M
32位浮点数	1	8	32
64位浮点数	1	11	52

其中，32位的浮点数中：

• S是浮点数的符号位，占一位，安排在最高位，S=0表示正数，S=1表示负数。
• E是阶码，占8位，将浮点数的指数真正值e变为阶码E时，应在指数e上加一个固定的偏执常数127，即E=e+127(64位浮点数：E=e+1023)
• M是尾数，放在最低位，占32位，小数点位置放在尾数域最左有效位的右边
• 当尾数M的值不为0时，尾数的最高有效位为1
• 32位浮点数x对应的数值为x=(-1)^S×1.M×2^(E-127)
• 64位浮点数x对应的数值为x=(-1)^S×1.M×2^(E-1023)

3.6浮点数加减法

1. 零操作数处理
2. 求阶差并对阶，小阶向大阶看齐；
3. 尾数求和
4. 规格化处理
5. 舍入处理，在对结果右规时，超出尾数的低部分要进行舍入处理；
6. 溢出判断，判断阶码是否溢出。对于32位浮点数，除去全0和全1的特殊情况，阶码E∈[1,254]

4.校验码

4.1 奇偶校验码

奇偶校验码通过在编码中增加一位校验位，使编码中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。

数据	奇校验	偶校验
10101010	101010101	101010100
11111110	111111100	111111101

4.2 海明码

海明码是一种多重奇偶校验码，具有检错和纠错的功能(考不到)。数据位n，校验位k的关系应满足: n+k+1≤2^k

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二、计算机体系结构

1.计算机体系结构的发展（了解）

1.1 计算机体系结构的分类

从宏观上按照处理机的数量分类

• 单处理系统：利用一个处理单元和其他外部设备结合起来，实现存储，计算，通信，输入和输出等功能的系统
• 并行处理与多处理系统：为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性，将两个以上的处理机互连起来，彼此进行通信协调，便于共同求解一个大问题的计算机系统
• 分布式处理系统：物理上远距离而松耦合的多计算机系统。物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比已不可忽略，在通信线路上的数据传输速率要比在处理机总线上传慢的多。

从微观上按照并行程度分类

• Flynn分类法:1966年，由Flynn提出按指令流和数据流的多少进行分类。将计算机系统结构分为单指令流、单数据流（SISD)，单指令流、多数据流(SIMD)，多指令流、单数据流(MISD)和多指令流、多数据流（MIMD)四类
• 马泽云分类法:1972年由美籍华人马泽云提出按并行度对各种计算机系统进行结构分类。将计算机系统分为字串行位串行(WSBS)计算机、字并行位串行(WPBS)计算机、字串行位并行(WSBP)计算机和字并行位并行（WPBP)计算机四类
• Handler分类法:1977年，德国的汉德勒(Wolfgang Handler)提出一个基于硬件并行程度和计算并行程度的方法，把计算机的硬件结构分为三个层次:处理机级、每个处理机中的算术逻辑单元级、每个算术逻辑单元中的逻辑门电路级
• Kuck分类法:1978年美国的库克(David J.Kuck)提出与Flynn分类法类似的方法，用指令流和执行流及其多重性来描述计算机系统控制结构的特征。主要分为单指令流单执行流（SISE)、单指令流多执行流（SIME)、多指令流单执行流（MISE)和多指令流多执行流（MIME)四类

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1.2 指令系统

(1)指令格式：
操作码指定要完成的操作或功能，地址码指定参与操作的操作数的地址

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(2) 指令的寻址方式：

• 顺序寻址：下一条指令的地址由程序计数器PC给出，PC每次自增+1
• 跳跃寻址：下一条指令的地址由指令本身给出

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(3) 操作数的寻址方式：

• 立即寻址：指令的地址码字段不是操作数的地址，而是操作数本身，速度最快
• 直接寻址：指令的地址码字段给出操作数在内存的地址（操作数在内存中）
• 间接寻址：指令的地址码字段给出操作数在内存的地址的地址（操作数在内存中）
• 寄存器寻址：指令的地址码字段给出操作数在寄存器的编号（操作数在寄存器中）
• 寄存器间接寻址：指令的地址码字段给出寄存器的编号，寄存器中所存的内容为操作数在内存额地址（操作数在内存中）
• 相对寻址：指令的地址码字段是一个偏移量，这个偏移量加上程序计数器的值即为操作数在内存的地址
• 基址寻址：指令的地址码字段是一个偏移量，这个偏移量加上基址寄存器的值即为操作数在内存的地址
• 变址寻址：指令的地址码字段是一个偏移量，这个偏移量加上变址寄存器的值即为操作数在内存的地址

操作数寻址方式速度比较：

计算机指令执行过程：

• 计算机指令执行过程：取指令->分析指令->执行指令三个步骤，首先将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR;之后由指令译码器进行分析，分析指令操作码;最后取出指令执行所需的源操作数，执行指令。
• CPU如何区分指令和数据：CPU根据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据，因为在指令周期的不同阶段，指令会命令CPU分别去取指令或数据

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(4) 指令的分类：

• CISC指令集：复杂指令集，各条指令按顺序串行执行

• RISC指令集：精简指令集，减少指令总数，采用优化编译，硬布线，重叠寄存器窗口等技术

特性	CISC	RISC
指令数目	多	少
指令长度	可变长指令	大部分等长指令
控制器复杂性	复杂	简单
寻址方式	较丰富，提高编程的灵活性	较少，以提高效率
编程便利性	指令多编程灵活	编程量更大，采用较多的通用寄存器
实现方式	为程序控制技术	采用硬布线逻辑控制优化编译程序，采用流水线技术

(5) 指令的流水处理

**指令流水线原理：**将指令的执行划分成若干个过程段，每个过程段由不同的部件进行处理

指令流水线计算：

• 非流水线执行时间：一条指令执行的时间×指令总数
• 流水执行时间：第一条指令执行时间+（n - 1）×最长流水段时间，n为指令总数
• 加速比：非流水方式与流水方式所用时间之比
• 流水线的操作周期：为最长流水段时间
• 流水线的吞吐率：为最长流水段时间的倒数
• 连续n条指令的吞吐率：指令总数/总时间

2.存储系统

2.1 存储器的层次结构

存储器分级的目的：构建容量大，速度快，成本低的存储系统

2.2 存储器的分类

(1) 随机存储器（RAM）
静态随机存储器SRAM，用于Cache；
动态随机存储器DRAM，用于主存；

特性	SRAM	DRAM
储存元	触发器	电容器
主要用途	Cache	主存
操作	读/写	读/写/周期性刷新
存储速度	快	稍慢
存储容量	小	大
成本	稍高	低
芯片集成率	高	低

(2) 只读存储器（ROM）=>(MAC,U盘)

ROM分类	擦除方式	擦除速度	可编程速度
固定只读存储器	无	无	无
可编程只读存储器	-	较慢	一次
可擦除可编程只读存储器	紫外线照射	较慢	较少
电擦除可擦除可编程储存器	电擦除	较快	100W次左右
闪速存储器（闪存 如U盘）	电擦除	最快	较少

2.3 高速缓存Cache

(1) Cache原理
高速缓存Cache位于CPU与主存之间，用于储存当前的程序和数据

• Cache的功能：解决CPU和主存之间的速度不匹配问题
• Cache的理论依据：程序的局部性原理

CPU对主存中的指令和数据的访问，在一小段时间内，总是集中在一小块存储空间里。
**①时间局部性:**最近被访问过的指令和数据很可能会被再次访问;
**②空间局部性:**最近访问过的指令和数据往往集中在一小片存储区域中。

(2) 主存与Cache的地址映射
在CPU工作时，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中读/写信息。这就需要将主存地址转换为Cache的地址，这种地址的转化称为地址映像。由硬件自动完成映射。

• 全相联映像:主存中的任意一个块可以与Cachc中的任意一行相对应。
• 直接映像:Cache中一行固定对应主存中的多行。如主存块号对Cache总行数求模。
• 组相联映像:前两种方式的结合。将Cache进行分组，组间采用直接映射方式，组内采用全相联映射方式。

特点	全相联映像	直接映像	组相联映像
映射方法	多对多	一对多	一组对多
优点	冲突概率小，Cache利用率不高	硬件实现简单，成本低，地址变换速度快	综合前两者的优点，应用普遍
缺点	硬件难实现，且需要访问速度快， 成本高的相联存储器	冲突概率高，且Cache空间利用率低	-
适用场合	小容量Cache	大容量Cache	-

2.4 虚拟存储器，磁盘

虚拟存储器由主存，辅存和软件组成
磁盘：

• 存取时间：寻道时间+旋转等待时间+数据传送时间
• 寻道时间:将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间
• 旋转等待时间:寻道完成后至磁道上需要访问的信息
  到达磁头下的时间，平均等待时间为磁盘旋转一周所需时间的一半数据传送时间:读取数据所需的时间
• 数据传送时间：读取数据所需的时间

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3.输入/输出技术

CPU与外围设备之间的信息交换方式
IO接口与外设之间的信息交换
CPU与I/O接口之间的信息交换：

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DMA方式
• 通道方式

3.1 程序查询方式

CPU执行程序来轮询查询外设的状态，判断外设是否准备好接受数据或向CPU输入数据。
特点

• CPU与外设串行工作
• 硬件结构简单
• CPU大量时间都在查询和等待，资源浪费较多
• 需要CPU保存现场，由CPU将数据放入内存
• 一次读写单位为字

适用场合： 低速外设或CPU任务不繁忙的情况

3.2程序中断方式

**中断：**CPU展示中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完成后自动返回原程序的功能和技术。
**中断方式：**当I/O接口与外设交换数据过程中，CPU无须等待；当交换数据完成时，I/O接口产生中断，通知CPU处理数据

特点

• CPU与外设可并行工作
• 但硬件结构相对复杂一些，服务开销时间大
• 需要CPU保存现场，由CPU将数据放入内存
• 一次读写单位为字

适用场合

• 微型机中随机出现的服务
• 对I/O处理的实时性要求很高的系统

中断向量：中断服务程序的入口地址
中断响应时间： 从发出中断请求到开始进入中断处理程序
保存现场： 为了正确返回原程序继续执行

3.3 DMA方式

直接内存存取（DMA），DMA控制器接管总线的控制权，数据交换不经过CPU，直接在内存和I/O设备间进行块传送。
特点

• CPU与外设可并行工作
• 尽在传送数据块的开始和结束时才需要CPU的干预
• 不需要CPU保护现场
• 由外设直接将数据放入内存（或相反）
• 一次读写单位为块，传送一个数据占用一个存储周期
  适用场合： 微型机中 内存与高速外围设备进行大批量的数据交换

3.4 输入/输出处理机IOP（通道方式）

由通道（输入输出处理机IOP）管理外围设备。
特点

• 大大提高的CPU的效率
• 但需要更多的硬件
  适用场合： 处理外设较多，规模较大的情形（大型机）

4.总线结构

总线（Bus）是指计算机中，设备和设备之间传输信息的公共数据通道。
总线的分类如下
（1）内部总线：CPU内部连接运算器，控制器，各寄存器部件之间的总线。
（2）系统总线（外部总线）：CPU与计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线

按系统总线传输信息内容不同，又可分为三类：数据总线，地址总线，控制总线

• 数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长，存储字长有关。
• 地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址的空间大小有关
• 控制总线： 传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（外设）返回CPU的反馈信号

（3）I/O总线：中低速I/O设备相互连接的总线

常见的总线

• PCI总线: PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线，采用并行传输方式。
• SCSI总线: 小型计算机系统接口（SCSI）是一条并行外总线，广泛用于连接软硬磁盘、光盘、扫描仪等。
• RS-232C(串行外总线) 、USB（串行外总线)、IEEE-1394（串行外总线)、IEEE-488（并行外总线）等。

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三、安全性，可靠性与系统性能评测

1.计算机的安全概述

信息安全的基本要素：机密性，完整性，可用性，可控性和可审查性

2.加密技术和认证技术

2.1 对称加密

采用对称密码编码技术，加密和解密的密钥相同，不公开加密算法。优点是加密快，加密过程简单，缺点是加密强度不高（只有一个密钥），密钥分发困难，保密性较差。
常见的对称加密算法：DES，3DES，AES，RC-5，IDEA

2.2非对称加密

非对称加密算法需要两个不同的密钥：公开密钥和私有密钥。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。公钥体系也就是公开加密算法，即非对称加密。

优点是无需交换密钥，保密性好。缺点是仅适用少量数据加密，加密速度慢，时间长，常用来加密对称加密算法的密钥。（数字信封原理）

常见非对称加密算法：RSA，DSA，ECC

2.3 数字签名

对称加密技术与非对称加密技术的应用。

数字加密的主要过程:
(1）当信息发送者需要发送信息时，首先生成一个对称密钥，用该对称密钥加密要发送的报文;
(2) 信息发送者用信息接收者的公钥加密上述对称的密钥;
(3）信息发送者将上述两个步骤的结果集合在一起传给信息接收者，称为数字信封;
(4）信息接收者使用自己的私钥解密被加密的对称密钥，再用此对称密钥解密被发送方加密
的密文，最后得到真正的原文。

数字签名的主要过程:
(1）信息发送者使用一个单项散列函数(Hash函数）对信息生成信息摘要;
(2）信息发送者使用自己的私钥签名信息摘要;
(3）信息发送者把信息本身与已签名的信息摘要一起发送出去;
(4）信息接受者使用与发送者相同的单项散列函数（Hash函数）对接收的信息生成新的信息摘要，再使用发送者的公钥对信息摘要进行验证，以确认信息发送者的身份和信息是否被修改过。

• 数字信封运用了对称加密技术和非对称加密技术，本质是使用对称密钥加密数据，非对称密钥加密对称密钥，解决了对称密钥的传输问题。
• 信息摘要的特点:无论数据多长，都会产生固定长度的信息摘要;任何不同的输入数据，都会产生不同的信息摘要;单向性，即只能由数据生成信息摘要，不能由信息摘要还原数据。常见的信息摘要算法:MD5(产生128位的输出)、SHA-1(安全散列算法，产生160位的输出，安全性更高）
• 数字签名，用发送方的私钥签名，用发送方的公钥验证消息的真实性，发送方不可否认。

2.4 公钥基础设施PKI

公钥基础设施(Public Key Infrastructure，PKI) 是以非对称加密技术为基础，以数据机密性、完整性、身份认证和行为不可抵赖性为安全目的，来实施和提供安全服务的具有普适性的安全基础设施。

• **数字证书:**一个数据结构，是一种由一个可信任的权威机构签署的信息集合。在不同的应用中有不同的证书。如X.509证书必须包含下列信息:(1)版本号(⑵序列号(3)签名算法标识符(4)认证机构(5)有效期限(6)主题信息(7)认证机构的数字签名(8)公钥信息。
• 公钥证书主要用于确保公钥及其与用户绑定关系的安全。这个公钥就是证书所标识的那个主体的合法的公钥。任何一个用户只要知道签证机构的公钥，就能检查对证书签名的合法性。如果检查正确，那么用户就可以相信那个证书所携带的公钥是真实的，而且这个公钥就是证书所标识的那个主体合法的公钥。例如驾照
• 签证机构CA:负责签发证书、管理和撤销证书。是所有注册用户所信赖的权威机构，CA在给用户签发证书时要加上自己的数字签名，以保证证书信息的真实性。任何机构可以用CA的公钥来验证该证书的合法性。

3.计算机的可靠性

系统的可靠性是指系统在给定时间间隔内正常运行的概率
串联系统可靠性：R = ${\sum }_{i=1}^n$Ri

并联系统可靠性：R = 1-${\sum }_{i=1}^n$(1-Ri)