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1、计算机系统基础知识

1.1CPU

• 由运算器和控制器组成

1.1.1运算器

1、分类

• 算术逻辑单元（ALU）：算术运算+逻辑运算
• 累加寄存器（AC）：是通用寄存器，给算术逻辑单元提供工作区
• 数据缓冲寄存器（通常是干扰选项）
• 状态条件寄存器（通常是干扰选项）

2、主要功能

• 算术运算：加减乘除
• 逻辑运算：与或非

1.1.2控制器

• 即保证程序的正确执行，又能处理异常事件

1、分类

• 指令寄存器（IR）
• 程序计数器（PC）
  • 执行方式：顺序执行、转移执行
  • 存储：指令地址
• 地址寄存器（AR）
• 指令译码器（ID）

扩：

• 指令=操作码+地址码
• 执行顺序：指令存入IR，ID识别指令

扩展

• 程序员可访问：通用寄存器、状态寄存器、程序寄存器；不可访问：指令寄存器

1.2计算机基本单位

• 位（比特） bit b（最小的数据单位）
• 字节 byte B 1B = 8b（最小的存储单位）
• 千字节 KB 1KB = 1024B
• 兆字节 MB 1MB = 1024KB
• 吉字节 GB 1GB = 1024MB
• 太字节 TB 1TB = 1024GB

1.3进制

十进制(D)、二进制(B)、八进制(O)、十六进制(H)

1.3.1进制之间的相互转换

• n进制—>十进制：按权展开求和
• 十进制—>n进制：除n取余法（当商为0停止，把余数从下往上写）
• 其他：一位十六进制的数=四位二进制的数，一位八进制的数=三位二进制的数

1.3.2进制加减法

• 加法：逢n进1
• 减法：借1当n

题型

• 内存按字节编址从A(H)到B(H)的区域其存储容量是？KB
  • 计算逻辑：B+1-A=C；C(h)—>D(D)；D÷1024（都转为2进制方便计算）
• 内存按字节编址。若用存储容量为32K×8bit的存储芯片构成地址从A(H)到B(H)的内存，则至少需要？片芯片
  • 计算逻辑：如上题计算出结果后再除32KB
• 设用A位的存储芯片组成B位的存储器（地址单元位C(H)~D(H)，每个芯片的地址空间连续），则地址单元E(H)所在芯片的最小地址编号为？
  • 计算逻辑：
    • 共有多少芯片：B÷A
    • 总存储单元(D)：D+1-C，转为十进制
    • 一个芯片占用的存储单元(D)：总存储单元(D)÷芯片片数
    • 一个芯片占用的存储单元(H)
    • 计算E(H)所在的是第几个芯片，最小地址编码即芯片的起始地址

注：注意提干中的单位

1.4数据表示

• 原码：最高位为符号位
• 反码：最高位为符号位，正数的反码与原码相同，负数的反码是原码除符号位外，其余取反
• 补码：最高位是符号位，正数的补码与原码相同，负数的补码是反码末位加1，0有唯一编码
• 移码：补码的符号位取反，0有唯一编码

注：

• 原码的补码的补码等于原码
• 补码可以简化计算机运算部件的设计（可以使减法向加法一样计算，所以在计算机中用补码表示和运算数据）
• 原码和反码的取值范围是~
• 补码和移码的取值范围是~

1.5浮点数

• 二进制数N表示：；其中E表示阶码，F表示尾数
• 纯尾数（尾数位数固定时）计算需先对阶，小阶对大阶，同时尾数向右移。即小数点向左移（幂小的是小阶）
• 浮点数表示的数值范围取决于阶码，表示的精度取决于尾数
• 阶码用R位移码表示，尾数用M位补码表示时，数值范围是：
  • ~
• 浮点数规格化：要求尾数的绝对值限定在[0.5，1]
• 工业标准IEEE754浮点数格式中阶码采用移码、尾数采用原码
• 定点表示法的小数不单独占用存储位

1.6其他知识点

• 同或：相同为1，不同为0；异或：相同为0，不同为1
• 算术左移是乘操作，算术右移是除操作

2、计算集体系结构

2.1 寻址

分类

• 立即寻址：操作数包含在指令中
• 直接寻址：操作数存放在内存单元中，指令中包含的是操作数所在的存储单元的地址
• 寄存器寻址：
• 寄存器间接寻址
• 间接寻址
• 相对寻址
• 变址寻址

注：

• 1+2计算中，1和2是操作数
• 内存是主存储器

2.2校验码

码距=2（具有检错能力）码距>=3（才可能有纠错的能力）

奇偶校验码

• 奇校验：在编码首位加1或0保证1的个数是奇数，若1的个数传过去后是奇数个则校验没问题，否则校验错误
• 偶校验：在编码首位加1或0保证1的个数是偶数，若1的个数传过去后是偶数个则校验没问题，否则校验错误

共同点：都只能校验除奇数位出错，不能校验偶数位出错。其中奇数位指的是错误的位数是奇数

• 码距：两个合法编码之间至少有多少个二进制位不同，奇校验和偶校验会使两个编码的码距+1（至少是2）
• 特点：只能检错，不能纠错
• 奇偶校验码分类：水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平垂直校验码

海明码

• 概念：利用奇偶性来检错和纠错的校验方法（说明码距至少等于3）
• 公式：数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足以下关系：

循环冗余校验码

• 概念：可以检错，但不能纠错（说明码距=2），在求CRC编码时，采用的是模2运算
• CRC编码格式：在k个数据位后跟r个校验位

RISC和CISC

2.3指令流水处理

指令控制方式

• 顺序执行
• 重叠执行
• 流水执行

考点

• 流水线：第1条指令的执行时间+（n-1）×最长时间段
• 操作周期：最长时间段
• 吞吐率：是最长子过程的倒数
• n条指令执行的吞吐率：n/（第1条指令的执行时间+（n-1）×最长时间段）
• 加速比：不采用流水线的时间/采用流水线的时间

注：

• 第1条指令的执行时间是一条流水线的执行时间
• 指令分解位取指、分析和执行三步

2.4存储器

考点

• 存储器的分类：内存（主存）、外存（辅存）
• 存储系统的层次结构（从下到上的访问速度是越来越快的）
• 主存-DRAM（动态随机存储器-周期性的刷新）；Cache-SRAM（静态随机存储器）
• 闪速存储器（闪存）：以块为单位删除，信息不会丢失，可代替RAM，不能代替主存，类似U盘
• 按寻址方式分类：随机存储器、顺序存储器和直接存储器
• 按内容访问的存储器：相联存储器
• 虚拟存储器是由主存和辅存构成的
• 空间局部性：CPU访问的一个存储单元，未来有可能访问它相邻的存储单元
• 时间局部性：CPU访问了一个地址或指令，在未来可能还访问它

高速缓存（Cache）

特点

• 位于主存和CPU之间
• 容量一般在几千字节到几兆字节之间
• 速度一般比主存快5~10倍
• 对程序员来说是透明的
• 主要存放主存的部分拷贝（副本）信息
• Cache与主存地址的映射是由硬件完成的

替换算法

• Cache命中率：随着Cache容量的增加，其失效率接近0%

地址映像方法

• 直接映像：主存与Cache块的对应关系是固定的（主存分区，Cache的第n块对应主存分区的第n块），冲突大
• 全相联映像：主存和任一块可以调入Cache存储器的任一块的空间，冲突少
• 组相联映像：前两个结合，cache和主存都分组，组之间的对应关系是固定的，组内是随机的，冲突较少
• 冲突大小排序（从小到大）：全相联映像、组相联映像、直接映像

2.5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：出发中断请求到进入中断服务程序之间的时间
• 保存现场：保证返回来时可正常执行原程序

2.6输入输出（IO）控制方式

程序查询方式

• CPU和I/O（外设）只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态。CPU利用率低
• 一次只能读/写一个字
• 由CPU将数放入内存

中断驱动方式

• I/O设备通过中断信号主动报告I/O操作已完成
• CPU和I/O（外设）可并行工作
• CPU利用率得到提升
• 一次只能读/写一个字
• 由CPU将数放入内存

直接存储器方式（DMA）

• CPU和I/O（外设）可并行工作
• 仅在传送数据块的开始和结束时才需要CPU的干预
• 由外设直接将数据放入内存（主存）
• 一次读写的单位为“块”而不是字

2.7总线（性价比低）

• 总线分为数据总线、地址总线和控制总线
• 地址总线的宽度是n时，内存容量是，数据总线的宽度时字长
• 计算机系统中采用总线结构，可减少信息传输线的数量
• 带宽=时钟频率×每个周期的bit（时钟频率200MHz表示200M个周期每秒）

3、安全性、可靠性与系统评测基础知识

3.1加密技术和认证技术

不适用以上两个技术时会出现的问题及对应的解决办法

• 窃听-加密
• 篡改-摘要
• 假冒/否认-数字签名-数字证书

对称加密与非对称加密（加密技术）

对称加密（私有密钥加密/共享密钥加密）

• 只有一把密钥，加密解密是同一把密钥
• 缺点：密钥分发有缺陷（不能保证解密的密钥只有一方有）
• 优点：加密解密速度很快；适合加密大量明文数据
• 加密算法：DES、三重DES、RC-5、IDEA、AES（分组加密）、RC4

非对称加密（公开密钥加密）

• 加密和解密是两把不同的密钥，分别是公钥和私钥
• 特点：用公钥加密就只能用私钥解密（不能通过一把钥匙推出另一把钥匙）
• 优点：可以实现防止窃听的效果；密钥分发没有缺陷
• 缺点：加密解密速度很慢
• 公钥用于加密和认证，私钥用于解密和签名
• 加密算法：RSA、ECC、DSA

混合加密

• 对称密钥加密明文（速度快，先压缩传过去），公钥只加密对称密钥（防止窃听）。为了弥补两种密钥的缺陷

摘要与数据签名（认证技术）

摘要

• 摘要：将发送的明文进行hash算法后得到
• 发现是否被篡改的逻辑：摘要和密文一起发送过去，其中任意一个被修改，最后密文得到的摘要和传过来的都很难相同，若不相同则被篡改
• 算法：MD5（输出结果是128为的散列值）

数字签名

• 数字签名：发送方用自己的私钥对摘要进行签名（加密），得到数字签名
• 发现是否被篡改的逻辑：签名和密文一起发送，接受方用发送发的公钥对数字签名进行验证（解密），（签名只有发送方可认证是否为篡改）
• 是对真是性的保护，确保消息不可否认

数字证数（认证技术）

延申：CA-一个权威机构

数字证书：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

• 可对用户双方的身份进行认证

其他知识点

• 主动攻击：重放、IP地址欺骗、拒绝服务、系统干涉、修改数据命令
• 被动攻击：流量分析、会话拦截

3.2可靠性公式

• 串联系统可靠性公式：
• 并联系统可靠性公式：