1 计算机系统知识

1.1 计算机系统基础知识

1.1.1 计算机硬件

计算机硬件由：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。

CPU的功能包括：程序控制、操作控制、时间控制、数据处理，对系统内部和外部中断（异常）做出响应。

1.1.2 CPU

CPU由：运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。

运算器由：算术逻辑单元ALU、累加寄存器AC、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW等组成，主要功能是：算数运算、逻辑运算。

控制器控制CPU工作，决定计算机运行过程的自动化，包括：指令寄存器IR、程序计算器PC、地址寄存器AR、指令译码器ID。

寄存器组分为：专业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，作用是固定的，通用寄存器用途广泛并可有程序员规定其用途。

1.1.3 数据表示

机器字长为n时：

• 原码和反码可表示的整数范围：-(2^n-1-1) ~ 2^n-1-1
• 原码和反码可表示的小数范围：-(1-2^-(n-1)) ~ 1-2^-(n-1)
• 补码和移码可表示的整数范围：-2^n-1 ~ 2^n-1-1
• 补码和移码可表示的小数范围：-1 ~ 1-2^-(n-1)

浮点数的数值范围由阶码决定，精度由尾数决定。为了充分利用尾数表示更多数字，通常采用规格化浮点数，将尾数绝对值限定在[0.5, 1]。

浮点数运算对阶：使两个数的阶码相同，把阶码小的数右移。

1.1.4 校验码

奇偶校验码：码距为2，可以检测奇数位不能检测偶数位，包括：水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码、水平垂直奇偶校验码。

海明码：利用奇偶性检错和纠错，k个校验位，2k-1≥n+k。

循环冗余校验码：k个数据位+r个校验码，采用模2运算，不能纠错。

1.2 计算机体系结构

1.2.1 计算机体系结构发展

Flynn分类法：单指令单数据流SISD、单指令多数据流SIMD、多指令单数据流MISD、多指令多数据流MIMD，MISD理论上是不存在的。

CISC：复杂指令计算机，功能更强、速度慢，需要多个CPU周期。

RISC：精简指令计算机，功能较少、速度快，可单周期执行，关键技术：重叠寄存器窗口技术、优化编译技术、流水线、硬布线。

RISC的流水线技术包括：超流水线SPL、超标量SS、超长指令字VLIW。

1.2.2 存储系统

按存储器位置：

• 内存：也称主存，设在主机或主板，容量小、速度快。
• 外存：也称辅存，如磁盘、磁带、光盘等，存放当前不参加运行的大量信息，需要时调入内存。

按存储器的构成材料：

• 磁存储器：如磁芯、磁带、磁盘。
• 半导体存储器：根据数据是否需要刷新分为静态和动态两类。
• 光存储器：如光盘。

按存储器的工作方式：

• 读写存储器RAM
• 只读存储器ROM：固定只读存储器ROM、可编程只读存储器PROM、可擦除可编程只读存储器EPROM、电擦除可编程只读存储器EEPROM、闪速存储器FM。

按访问方式：

• 按地址
• 按内容：相联存储器

按寻址方式：

• 随机存储器RAM：访问任何一个存储单元的时间是相同的。
• 顺序存储器SAM：访问数据和数据位置有关，如磁带。
• 直接存储器DAM：介于随机存取和顺序存取之间，如磁盘。

高速缓存Cache位于CPU和主存之间，速度比主存快5-10倍，由快速半导体存储器构成，对程序员是透明的。

虚拟存储器是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化处理，使用CPU生成的虚拟地址来访问主存，使用专门的内存管理单元MMU将虚拟地址转为物理地址来访问主存。

1.2.3 输入输出技术

直接内存存取DMA：数据在内存和IO设备间直接成块传说，不需要CPU的干涉，只需要在开始和结束时进行处理，实际操作由DMA硬件直接完成。

无条件传送、利用查询传送和利用中断传送都需要CPU执行程序，限制了数据传输速度。

1.2.4 总线结构

总线包括：数据总线、地址总线、控制总线。

数据总线DB用来传输数据，是双向的，DB的宽度决定了CPU和计算机其他设备交换数据的位数。

地址总线AB用于传送CPU发出的地址信息，是单向的，AB的宽度决定了CPU的最大寻址能力。

控制总线CB用来传送控制信号、时序信号和状态信息等，每条线是单向的但作为整体是双向的。

1.3 计算机安全

1.3.1 计算机安全概述

影响数据安全的因素：内部因素、外部因素。

1.3.2 加密和认证技术

对称加密（私人密钥技术）

• DES：用56位密钥对64位数据加密
• 3DES：用两个56位密钥加密
• RC5
• IDEA：类似于3DES，使用128位密钥加密。
• AES：分组加密，密钥可用128、192和256位。

非对称加密（公开密钥技术）

• 加密（数字加密）：公钥加密、私钥解密

• 认证（数字签名）：私钥签名（加密）、公钥认证（解密）

• RSA

1.3.3 计算机可靠性

可靠性：从开始运行倒某时刻的时间内能正常运行的概率。