计算机基本概念

介绍了计算机系统基本组成、数据表示、体系结构、存储系统、输入/输出技术、总线、安全性与可靠性、系统性能评测等相关基本概念。可以用于入门了解，或复习总结。

计算机

• 计算机系统
  • 组成
    • 硬件
      • 运算器
      • 控制器
      • 中央处理单元
      • 存储器
        • 内部存储器
        • 外部存储器
      • 输入设备
      • 输出设备
      • 外部设备
    • 软件
  • 中央处理单元
    • Central Processing Unit
    • 功能
      • 程序控制
      • 操作控制
      • 时间控制
      • 数据处理
      • 中断响应
    • 核心/内核的主要组成
      • 运算器
        • 组成
          • 算术逻辑单元
            • Arithmetic and Logic Unit
          • 累加存储器
            • AC
          • 数据缓冲寄存器
            • DR
          • 状态条件寄存器
            • PSW
      • 控制器
        • 控制
          • 指令控制逻辑
            • 指令寄存器
              • IR
            • 程序计数器
              • PC
            • 地址寄存器
              • AR
            • 指令译码器
              • ID
          • 时序控制逻辑
          • 总线控制逻辑
          • 中断控制逻辑
      • 寄存器组
        • 专用寄存器
          • 即运算器、控制器中的寄存器。
        • 通用寄存器
      • 内部总线
• 数据表示
  • 机器数
    • 定义
      • 各种数值在计算机中表示的形式
        • 采用二进制计数制
          • 小数点是隐含的
        • 机器数对应的实际数值称为数的真值
    • 分类
      • 无符号数
        • 表示正数
        • 分
          • 定点数
            • 定点整数
              • 纯整数
                • 若约定小数点的位置 在机器数的最低位之后
            • 定点小数
              • 纯小数
                • 若约定小数点的位置 在机器数的最低位之前
      • 带符号数
        • 表示
          • 最高位表示正、负的符号位
          • 其余位表示数值
        • 编码
          • 码制
            • 原码
            • 反码
            • 补码
            • 移码
      • 浮点数
        • 表示形式
          • 浮点表示法
          • IEEE 754
  • 校验码
    • 基本思想
      • 把数据可能出现的编码分为
        • 合法编码
        • 错误编码
    • 码距
      • 任意两个合法编码之间间隔的二进制位数
    • 分类
      • 奇偶校验码
        • Parity Codes
      • 海明码
        • Hamming Code
      • 循环冗余校验码
        • Cyclic Redundancy Check
• 体系结构
  • 概述
    • 关系
      • 计算机体系结构
        • Computer Architecture
        • 计算机的概念性结构和功能属性
      • 计算机组织
        • Computer Organization
        • 计算机体系结构的逻辑实现，即计算机组成原理（数据流和控制流的组成及逻辑设计）
      • 计算机实现
        • Computer Implementation
        • 计算机组织的物理实现
  • 分类
    • 宏观上按处理机数量分类
      • 单处理系统
        • Unit-processing System
      • 并行处理与多处理系统
        • Parallel Processing and Multiprocessing System
      • 分布式处理系统
        • Distributed Processing System
    • 微观上按并行程度分类
      • Flynn 分类法
        • 按指令流和数据流的多少进行分类
        • 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
        • 多指令流、多数据流
          • MIMD
      • 冯泽云分类法
        • 按计算机系统在单位时间内能够处理的最大二进制位数分
        • 字串行位串行
          • WSBS
        • 字并行位串行
          • WPBS
        • 字串行位并行
          • WSBP
        • 字并行位并行
          • WPBP
      • Handler 分类法
        • 基于硬件并行程度，计算并行度分
        • 处理机级
        • 每个处理机中的算逻单元级
        • 每个算逻单元中的逻辑门电路级
      • Kuck 分类法
        • 按指令流和执行流及其多重性分
        • 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
        • 多指令流多执行流
          • MIME
  • 指令系统
    • 概念
      • 指令集体系结构
        • Instruction Set Architecture
        • 一个处理器支持的指令和指令的字节级编码
    • 分类
      • 从体系结构分类的依据
        • 操作数在CPU中的存储方式
        • 显式操作数的数量
        • 操作数的位置
        • 指令的操作
        • 操作数的类型与大小
      • 按暂存机制分类
        • 堆栈
          • Stack
        • 累加器
          • Accumulator
        • 寄存器组
          • a set of Registers
    • 发展途径
      • CISC
        • Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机
      • RISC
        • Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机
    • 流水处理
      • 控制方式
        • 顺序方式
        • 重叠方式
        • 流水方式
      • 流水线的种类
      • 流水的相关处理
  • 并行处理
    • 并行性
      • 同时性
        • 两个或两个以上的事件在同一时刻发生
      • 并发性
        • 两个或两个以上的事件在同一时间间隔内连续发生
    • 分类
      • 存储器操作并行
      • 处理器操作步骤并行（流水线处理机）
      • 处理器操作并行（阵列处理机）
      • 指令、任务、作业并行（多处理机、分布处理系统、计算机网络）
• 存储系统
  • 存储系统的层次结构
    • CPU内
      • 通用寄存器组
      • Cache（高速缓存）
        • Cache与主存之间的交互功能全部由硬件实现。
    • CPU外
      • Cache
      • 主存储器
      • 联机磁盘存储器
      • 脱机存储器
  • 分类
    • 按位置分
      • 内存（主存）
      • 外存（辅存）
    • 按材料分
      • 磁存储器
      • 半导体存储器
      • 光存储器
    • 按工作方式分
      • 读/写存储器
        • 随机存储器，Random Access Memory，RAM
      • 只读存储器
        • 固定只读存储器
          • Read Only Memory，ROM
        • 可编程的只读存储器
          • Programmable Read Only Memory，PROM
        • 可擦除可编程的只读存储器
          • Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM
        • 电可擦除可编程的只读存储器
          • Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM
        • 闪速存储器
          • Flash Memory
    • 按访问方式分
      • 按地址访问的存储器
      • 按内容访问的存储器
    • 按寻址方式分
      • 随机存储器
        • Random Access Memory，RAM
      • 顺序存储器
        • Sequentially Addressed Memory，SAM
      • 直接存储器
        • Direct Addressed Memory，DAM
  • 相联存储器
    • 是一种按内容访问的存储器
    • 用途
      • 高速缓冲存储器
      • 虚拟存储器中的段表、页表、快表存储器
  • 关于 高速缓存
    • 概念
      • 用来存放当前最活跃的程序和数据
    • 功能
      • 存储器部分
        • 用来存放主存的部分副本信息
      • 控制部分
        • 判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，若在即命中。 命中时直接对Cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里
    • 地址映像(/映射)
      • CPU工作时，送出的是主存单元的地址。所以从Cache存储器读/写信息时，需要将主存地址转换成Cache存储器的地址
      • 方法
        • 直接映像
          • 主存的块与Cache块的对应关系是规定的。
        • 全相联映像
          • 主存的块会调入Cache中的任一块。
        • 组相联映像
          • 组采用直接映像，块采用全相联映像。
    • 替换算法
      • 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
  • 关于 虚拟存储器
    • Virtual Memory
    • 概念
      • 是现代系统提供的一种对主存的抽象
      • 是一种逻辑存储器
        • 实质是对物理存储设备进行逻辑优化的处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户
    • 使用专门的 MMU 将虚拟地址转换为主存储器的物理地址后访问主存
      • Memory Management Unit。 虚拟地址，Virtual Address，由CPU生成。
  • 外存储器
    • 磁表面存储器
      • 磁盘
        • 组成
          • 盘片组
            • 每个盘片都配有一个独立磁头。
            • 圆柱面
              • 所有记录面上相同序号的磁道构成一个圆柱面。
            • 磁道
              • 盘片上划分的许多同心圆。从外向里编号，最外一圈为0。
            • 扇区
              • 一个磁道沿圆周等分为若干段，每段称为一个扇段或扇区。每个扇区存放一个固定长度的数据块。
    • 固态硬盘
    • 光盘存储器
  • 磁盘阵列技术
    • 分类
      • 独立磁盘冗余阵列
        • Redundant Array of Independent Disks，RAID
  • 存储器网络
    • 大型服务器系统中，把一个或多个服务器与多个存储设备连接起来的网络
      • Storage Area Network，SAN
• 输入/输出技术
  • 编址方法
    • 内存与接口地址 独立编址方法
    • 内存与接口地址 统一编址方法
  • 传输过程方法
    • 直接程序控制
      • 无条件传送
      • 程序查询方式
    • 中断方式
      • 多中断信号线法
      • 中断软件查询法
      • 菊花链法
      • 总线仲裁法
      • 中断向量表法
    • 直接存储器存取方式
      • Direct Memory Access
  • 输入/输出处理机
    • 通道
      • 是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器
        • Input/Output Processor，IOP
    • 外围处理机
      • Peripheral Processor Unit，PPU
      • 是通道方式的进一步发展
• 总线
  • 概念
    • 总线是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道
      • Bus
  • 分类
    • 数据总线
      • Data Bus
      • 传送数据信息，是双向的
    • 地址总线
      • Address Bus
      • 传送CPU发出的地址信息，是单向的
    • 控制总线
      • Control Bus
      • 传送控制信号、时序信号和状态信息等，整体是双向的
• 安全性、可靠性
  • 安全
    • 安全等级
      • 三类安全性
        • 技术安全性
        • 管理安全性
        • 政策法律安全性
    • 安全威胁
    • 影响数据安全的因素
      • 内部因素
        • 可采用多种技术对数据加密； 制定数据安全规划； 建立安全存储体系，包括容量、容错数据保护和数据备份等； 建立事故应急计划和容灾措施； 重视安全管理，制定数据安全管理规范；
      • 外部因素
        • 可将数据分成不同的密级，规定外部使用人员的权限； 设置身份认证、密码、设置口令、设置指纹和声纹笔迹等多种认证； 设置防火墙，为计算机建立一道屏障，防止外部入侵破坏数据： 建立入侵检测、审计和追踪，对计算机进行防卫； 建立计算机物理环境的保障、防辐射、防水和防火等外部防灾措施；
  • 加密技术
    • 技术关键
      • 加密/解密算法 和 密钥管理
    • 过程
      • 数据加密
        • 用 加密算法 和 加密密钥，将 明文 变换为 密文
      • 数据解密
        • 用 解密算法 和 解密密钥，将 密文 变换为 明文
    • 密钥体制
      • 对称密钥体制
        • 对称加密算法
          • 算法
            • 数据加密标准
              • Digital Encryption Standard，DES
            • 三重DES
              • 3DES，TDES
            • RC-5
              • Rivest Cipher 5
            • 国际数据加密算法
              • International Data Encryption Adleman，IDEA
            • 高级加密标准
              • Advanced Encryption Standard，AES
      • 非对称密钥体制
        • 非对称加密算法
          • 说明
            • 密钥有两个
              • 公开密钥
                • PublicKey
              • 私有密钥
                • PrivateKey
            • 用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥解密； 如果用私有密钥对数据进行加密，只有用对应的公有密钥解密；
          • 算法
            • RSA
              • Rivest, Shamir and Adleman
    • Hash 函数
      • Hash（哈希）函数
      • 概念
        • 输入一个长度不固定的字符串，返回一串固定长度的字符串，又称 Hash值
        • 单向Hash函数用于产生 信息摘要（Message Digest）
      • 函数
        • MD5
  • 可靠性
    • 概述
      • 计算机系统的硬件故障通常是由元器件的失效引起的
    • 可靠性模型
      • 串联系统
      • 并联系统
      • N 模冗余系统
    • 措施
      • 提高元器件质量
      • 发展容错技术
• 系统性能评测
  • 常用方法
    • 时钟频率
    • 指令执行速度
    • 等效指令速度法
    • 数据处理速率法
    • 核心程序法
  • 基准测试程序
    • 整数测试程序
    • 浮点测试程序
    • SPEC 基准测试程序
    • TPC 基准程序