文章目錄
- 1.1 計算機系統基礎知識
- 1.1.1 計算機系統硬體基本組成
- 1.1.2 中央處理單元
- 1.1.3 資料表示
- 1.1.4 校驗碼
- 1.2 計算機體系結構
- 1.2.1 計算機體系結構的發展
- 1.2.2 存盤系統
- 1.2.3 輸入輸出技術
- 1.2.4 總線結構
- 1.3 安全性，可靠性與系統性能測評
- 1.3.1 計算機安全概述
- 1.3.2 加密技術和認證技術
- 1.3.3 計算機可靠性
- 1.3.4 計算機系統的性能評價
1.1 計算機系統基礎知識
1.1.1 計算機系統硬體基本組成
1.1.2 中央處理單元
中央處理單元(CPU)：計算機系統的核心部件，它負責獲取程式指令，對指令進行譯碼并加以執行
1.CPU的功能
2.CPU的組成
CPU主要由運算器，控制器，暫存器組和內部總線等部件組成
(1) 運算器
(2) 控制器
控制器用于控制整個CPU的作業，決定了計算機運行程序的自動化， 它不僅要保證程式的正確執行，而且要能夠處理例外事件
- 指令暫存器(IR)：保存當前正在執行的一條指令
- 程式計數器(PC)：用于存放下一條指令所在單元的地址的地方
- 地址暫存器(AR)：保存當前CPU所訪問的記憶體單元的地址
- 指令譯碼器(ID)：對指令的操作碼欄位進行分析解釋，識別該指令規定的操作，向操作控制器發出具體控制信號，控制各部件作業，完成所需功能
(3) 暫存器組
1.1.3 資料表示
- 原碼，反碼，補碼，移碼
符號位：如果機器字長為n，則最高位（或最左邊的第一位是符號位：0表示正號，1表示負號) ，
原碼：原碼就是符號位加上真值的絕對值, 即用第一位表示符號, 其余位表示數值絕對值. 如果機器字長n=8
| 數值 | 原碼 | 數值 | 原碼 |
|---|---|---|---|
| +0 | 00000000 | -0 | 10000000 |
| +1 | 00000001 | -1 | 10000001 |
| +127 | 01111111 | -127 | 11111111 |
| +45 | 00101101 | -45 | 10101101 |
| +0.5 | 0<>1000000 | -0.5 | 1<>1000000 |
反碼：正數的反碼與原碼相同，負數的反碼則是其絕對值按位取反，
| 數值 | 反碼 | 數值 | 反碼 |
|---|---|---|---|
| +0 | 00000000 | -0 | 11111111 |
| +1 | 00000001 | -1 | 11111110 |
| +127 | 01111111 | -127 | 10000000 |
| +45 | 00101101 | -45 | 11010010 |
| +0.5 | 0<>1000000 | -0.5 | 1<>01111111 |
補碼：正數的補碼與其原碼相同，負數的的補碼則等于其反碼的末尾加1，
| 數值 | 補碼 | 數值 | 補碼 |
|---|---|---|---|
| +0 | 00000000 (唯一) | -0 | 00000000 |
| +1 | 00000001 | -1 | 11111111 |
| +127 | 01111111 | -127 | 10000001 |
| +45 | 00101101 | -45 | 11010011 |
| +0.5 | 0<>1000000 | -0.5 | 1<>1000000 |
移碼：只要將補碼的符號位取反便可獲得相應的移碼表示，
| 數值 | 移碼 | 數值 | 移碼 |
|---|---|---|---|
| +1 | 10000001 | -1 | 01111111 |
| +127 | 11111111 | -127 | 00000001 |
| +45 | 10101101 | -45 | 01010011 |
| +0 | 10000000 | -0 | 10000000 |
- 數值表示范圍
機器字長為n時各種碼制表示的帶符號數的范圍
| 碼制 | 定點整數 | 定點小數 |
|---|---|---|
| 原碼 | - (2n-1-1) ~ + (2n-1-1) | - (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1)) |
| 反碼 | - (2n-1-1) ~ + (2n-1-1) | - (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1)) |
| 補碼 | -2n-1 ~ +(2n-1-1) | -1 ~ +(1-2-(n-1)) |
| 移碼 | -2n-1~ +(2n-1-1) | -1 ~ +(1-2-(n-1)) |
3. 浮點數表示
N = 尾數x基數指數
例如 3.14 X 103
a. 運算程序
對階 > 尾數計算 > 結果格式化
b. 特點
- 一般尾數用補碼，階碼用移碼，
- 階碼的位數決定數的表示范圍，位數越多范圍越大，
- 尾數的位數決定數的有效精度，位數越多精度越高，
- 對階時，小數向大數看齊，
- 對階是通過較小數的尾數算術右移實作的，
c. 存盤格式
1.1.4 校驗碼
- 奇偶校驗碼
可以檢錯，不能糾錯
通過在編碼中增加一位校驗位來使編碼中1的個數為奇數（奇校驗）或者為偶數（偶校驗），從而使碼距變為2， - 海明碼
可以檢錯和糾錯
在資料位之間的特定位置上插入k個校驗位，通過擴大碼距來實作檢錯和糾錯，
設資料位是n位，校驗位是k位，則n和k必須滿足：2k- 1 ≥ n + k， - 回圈冗余校驗碼(CRC）
廣泛應用于資料通信領域和磁介質存盤系統中，它利用生成多項式為k個資料位產生r個校驗位來進行編碼，其編碼長度為k+r，
回圈冗余校驗碼是由兩部分組成的，左邊為資訊碼（資料），右邊為校驗碼，若資訊碼占k位，則校驗碼就占n-k位，其中，n為CRC碼的字長，所以又稱為（n，k）碼，校驗碼是由資訊碼產生的，校驗碼位數越多，該代碼的校驗能力就越強，在求CRC編碼時，采用的是模2運算，
1.2 計算機體系結構
1.2.1 計算機體系結構的發展
- 計算機體系結構的分類
- Flynn分類法
| 體系結構型別 | 結構 | 關鍵特性 | 代表 |
|---|---|---|---|
| 單指令流單資料流（SISD） | 控制部分：一個 處 理 器： 一個 主存模塊：一個 | 單處理系統 | |
| 單指令流多資料流（SIMD） | 控制部分：一個 處 理 器： 多個 主存模塊：多個 | 各處理器以異步的形式執行同一條指令 | 并行處理機 陣列處理機 超級向量處理機 |
| 多指令流單資料流（MISD） | 控制部分：多個 處 理 器： 一個 主存模塊：多個 | 被證明不可能，至少是不實際 | 目前沒有，有文獻稱流水線計算機為此類 |
| 多指令流多資料流（MIMD） | 控制部分：多個 處 理 器： 多個 主存模塊：多個 | 能夠實作作業，任務，指令等各級全面并行 | 多處理機系統 |
- 指令系統
a. 指令集體系結構(ISA)：一個處理器支持的指令和指令的位元組級編碼稱為其指令集體系結構，
b. CISC和RISC
CISC和RISC是指令集發展的兩種途徑，
| 指令系統型別 | 指令 | 尋址方式 | 實作方式 | 其他 |
|---|---|---|---|---|
| CISC（復雜指令集計算機） | 數量多，使用頻率差別大可變長格式 | 支持多種 | 微程式控制技術 | 研制周期長 |
| RISC（精簡指令集計算機） | 數量少，使用頻率接近定長格式，大部分為單周期指令操作暫存器，只有Load/Store操作記憶體 | 支持方式少 | 增加了通用暫存器硬部線邏輯控制為主適合采流水線 | 優化編譯有效支持高級語言 |
c. 指令的流水控制
RISC采用的流水技術有：超流水線，超標量和超長指令字，
d. 吞吐率和流水建立時間
吞吐率是指單位時間內流水線處理機流出的結果數，對指令而言，就是單位時間內執行的指令數，
1.2.2 存盤系統
- 存盤器的分類
- 相聯存盤器
相聯存盤器是一種按內容訪問的存盤器，
- 高速快取
- 虛擬存盤器
虛擬存盤器技術是把很大的程式(資料)分成許多較小的塊，全部存盤在輔存中，運行時把要用到的程式(資料)塊先調入主存，并且馬上就要用到的程式塊從主存調入高速快取，這樣就可以一邊運行程式，一邊進行所需程式(資料)塊的調進或調出，
- 外存盤器
- 磁盤陣列技術
磁盤陣列是由多臺磁盤存盤器組成的一個快速，大容量，高可靠的外村子系統，常見的磁盤陣列稱為廉價冗余磁盤陣列(RAID)，
1.2.3 輸入輸出技術
- 微型計算機中最常用的記憶體與介面的編址方式
- 直接程式控制
直接程式控制是值外設資料的輸入/輸出程序是在CPU執行程式的控制下完成的，
- 中斷方式
中斷方式即由程式控制I/O的方法，缺點在于CPU必須等待I/O系統完成資料的傳輸任務，而且要定期查詢I/O系統的狀態，確認傳輸是否完成，因此大大降低了整個系統的性能，
a. 中斷處理方法
b. 中斷優先級控制
- 直接存盤器存盤方式
- 輸入/輸出處理機(IOP)
IOP資料傳送的方式包括位元組多路方式，選擇傳送方式和陣列多路方式，
1.2.4 總線結構
一般來說，任何連接兩個以上電子元器件的導線都可以稱為總線，微機中的總線分為資料總線、地址總線、控制總線，
1.3 安全性，可靠性與系統性能測評
1.3.1 計算機安全概述
計算安全指的是計算機資產安全，是要保證這些計算機資產不受自然和人為的有害因素的威脅和危害，
- 資訊安全的基本要素
- 安全威脅
威脅 說明 授權侵犯 為某一特權使用一個系統，卻將該系統用作其他未授權的目的 拒絕服務 對資訊或其他資源的合法訪問被無條件地拒絕，或者推遲與時間密切相關的操作 竅聽 資訊從被監視的通信程序中泄露出去 資訊泄露 資訊被泄露或暴露給某個未授權的物體 截獲/修改 某一通信資料項在傳輸程序中被改變、洗掉或替代 假冒 一個物體(人或系統)假裝成另一個物體 否認 參與某次通信交換的一方否認曾發生過此次交換 非法使用 資源被某個未授權的人或未授權的方式使用 人員疏忽 一個授權的人為了 金錢或利益，或者由于粗心將資訊泄露給未授權的人 完整性破壞 通過對資料進行未授權的創建、修改或破壞，使資料的一致性受到損壞 媒體清理 從廢棄的或列印過的媒體中獲得資訊 物理入侵 一個入侵者通過物理控制而獲得對系統的訪問 資源耗盡 某一資源(如訪問埠)被故意超負荷使用，導致其他用戶的服務被中斷
1.3.2 加密技術和認證技術
- 加密技術
a. 對稱加密演算法
b. 非對稱加密演算法
? 與對稱加密演算法不同，非對稱加密演算法需要兩個密鑰：公開密鑰和私有密鑰，兩者是一對，如果公開密鑰對資料進行加密，只有用對應的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對資料進行加密，只有用對應的公開密鑰才能解密，
- 認證技術
a. PKI的基本構成
b. 數字簽名
1.3.3 計算機可靠性
- 串聯系統可靠性（R）與失效率（λ）
- 并聯系統可靠性（R）與失效率（μ）
1.3.4 計算機系統的性能評價
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