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编辑于2020-11-02 14:41:28计算机系统知识
计算机系统基础知识
计算机系统硬件基本组成
运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备
中央处理器
CPU
功能
程序控制
通过执行指令来控制程序的执行顺序,是CPU的重要功能
数据处理
CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工出来,数据加工处理的结果被人们所利用。所有,对数据的加工处理也是CPU最根本的任务
时间控制
CPU对各种操作进行时间上的控制,即在指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行要个的控制
操作控制
一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成,CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作
组成
运算器
算术逻辑单元(ALU):负责处理数据,实现对数据的算术和逻辑运算
累加寄存器(AC):累加器,是一个通用寄存器,功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区
数据缓冲寄存器(DR):在对内存储器进行读/写操作时,用DR暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字,将不同时间段内的读/写数据隔离。主要作用是作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站;作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲;在单累加器结构的运算器中,数据缓冲寄存器还可兼作为操作数据寄存器
状态条件寄存器( PSW):由算数指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容,主要分为状态标志和控制标志
控制器
指令寄存器(IR):当CPU执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,再送入IR暂存,指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工作,完成所需的功能
程序计数器(PC):具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器。程序的执行分为两种情况:顺序执行,转移执行
地址寄存器(AR):保存当前CPU所访问的内存单元的地址
指令寄存器(ID):指令分为操作吗和地址码两个部分,为了执行任何给定的命令,必须对操作码进行分析。
存储器
专用寄存器
通用寄存器
内部总线
数据表示
校验码
奇偶校验码:常用的有水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平奇偶校验码
海明码:利用奇偶性来纠错的校验方法
循环冗余校验码:用于数据通信领域和磁介质存储系统中
计算机体系结构
计算机体系结构发展
概述
计算机体系结构是指计算机的概念性结构和功能属性
计算机组织是指计算机体系结构的逻辑实现,包括机器内的数据流和控制控制流的组成及逻辑设计等(计算机组成原理)
计算机实现是指计算机组织的物理实现
分类
从宏观上按处理机的数量分类
单处理系统:利用一个处理单元与其他外部设备结合起来,实现存储、计算、通信、输入与输出的系统
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:物理上远距离和松耦合的多计算机系统。其中,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内部总线上传输慢的多,这就是松耦合的含义
从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。将计算机系统的结构分为单指令流、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: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,字串行为并行(WSBP)计算机,字并行位并行(WPBP)计算机四类
Handler分类:按硬件并行程度和计算并行程度分类,把计算机的硬件结构分为三个层次:处理机机、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: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。分为单指令流单执行流(SISE)、单指令流多执行流(SIME)、多指令流单指令流(MISE)和多指令流执行流(MIME)四类
指令系统
指令集体系结构的分类
操作数在CPU中的存储方式,即操作数在主存中取出后保存在什么地方
显示操作数的数量,即在典型的指令中有多少个显示命名的操作数
操作数的位置,即任意一个ALU指令的操作数能否放在主存中,以及如何定位
指令的操作,即在指令集中提供哪些操作
操作数的类型与大小
CISC的主要弊端
指令集过于庞杂
微程序技术是CISC的重要支柱,每条复杂指令要通过执行一段解释性微程序才能完成,因此需要多个CPU周期,降低了处理速度
由于指令系统过于庞大,使高级语言编译程序选择目标指令的范围过大,并使编译程序本身冗长、复杂,从而难以优化编译使之生成真正高效的目标代码
CISC强调完善的中断控制,使动作繁多、设计复杂、研制周期长
CISC给芯片设计带来很多困难,是使芯片种类增多,出错几率增大,成本提高二成品率降低
RISC的关键技术
重叠寄存器窗口技术
优化编译技术
超流水及超标量技术
在微程序技术中结合硬布线逻辑与微程序
指令的流水处理
指令控制的方式
顺序方式
重叠方式
流水方式
流水线的种类
(1)从流水级别上分:部件级、处理级和系统级流水
(2)从流水功能上分:单功能流水线和多功能流水线
(3)从流水连接上分:静态流水线和动态流水线
(4)从流水是否有反馈回路分:线性流水线和非线性流水线
(5)从流水流动顺序上分:同步流水线和异步流水线
(6)流水线的数据表示上分:标量流水线和向量流水线
阵列处理机、并行处理机和多处理机
存储系统
层次结构
分类
按存储器的所在位置分:内存,外存
按存储器的构成材料分:磁存储器,半导体存储器,光存储器
按存储器的工作方式分:读/写存储器,只读存储器
按访问方式分:按地址访问存储器,按内容访问存储器
按寻址方式分:随即存储器,顺序存储器,直接存储器
相联存储器
高速缓存
高速缓存的组成部分:控制部分和存储部分
高速缓存中的地址映像方法:直接映像、全相映像、组相映像
替换算法:常用的替换算法有随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法、优化替换算法
高速缓存的性能分析:命中率是Cache的一个重要指标,但不是最重要指标。Cache的命中率与Cache容量的关系是:容量越大,命中率越高
多级Cache:在多级Cache计算机中分为一级、二级等
虚拟存储器
页式虚拟存储器
段式虚拟存储器
段页式虚拟存储器
外存储器
磁盘存储器:磁盘存取速度较快,具有较大的存储容量,是目前广泛使用的外存储器。硬盘就是最常见的外存储器
光盘存储器:是一种采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息的新型存储装置。根据性能和用途,分为只读型光盘(CD-ROM)、只写一次光盘(WORM)和可擦除型光盘
磁盘阵列技术
输入/输出技术
微型计算机中常用的内存与接口的编址方法
直接程序控制
中断方式
直接存储器存储方式
输入/输出处理机(IOP)
总线结构
总线的定义与分类:一般来说,任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。总线一般分为三类:内部总线,系统总线,外部总线
系统总线:系统总线的性能直接影响计算机的性能。常见的标准包括ISA总线,EISA总线,PCI总线
外部总线:RS-232C,SCSI总线,USB,IEEE-1394,IEEE-488等
计算机安全
计算机安全概述
信息安全的基本要素
机密性
完整性
可用性
可控性
可审查性
计算机的安全安全等级
TCSEC
CTCPEC
FC
ITSEC
CC
安全威胁
影响数据安全的因素
外部因素
内部因素
加密技术和认证技术
加密技术
对称加密
数据加密标准(DES):主要采用替换和移位的方法加密
三重DES(3DES,又称TDEA):在DES的基础上采用三重DES,效果相当于将密钥的长度加倍
RC-5:RC-5是在RCF2040中定义的,RSA数据安全公司很多产品都是使用RC-5
国际数据加密算法(IDEA):在DES算法的基础上发展起来的,类似于三重DES
高级加密标准(AES):给予排列和置换的运算。排列是对数据重新进行安排,置换是将一个数据单元替换为另一个数据单元
非对称加密
公开密钥
私有密钥
认证技术
PKI的基本构成部分
认证机构:CA
数字证书库:存储已签发的数字证书及公钥
密钥备份及恢复系统:用户如果丢失密钥,将无法对数据进行解密,为避免这种情况,PKI提供了备份和恢复密钥的机制
证书作废系统:证书在有效期以内也存在被作废的可能,原因是密钥介质丢失或用户身份变更等。为实现这一点,PKI提供证书作废系统
应用接口:一个完整的PKI必须提供良好的应用接口系统,使各种应用能够以安全、一致、可信的方式和PKI交互,以确保安全网络环境的完整性和易用性
数字签名
数字签名的主要过程
(1)信息发送者使用一个单向散列函数(Hash函数),对信息产生信息摘要
(2)信息发送者使用自己的密钥签名信息摘要
(3)信息发送者把信息本身和已签名的信息摘要一起发送出去
(4)信息接收者使用与发送者相同的单向散列函数(Hash函数),对接收的信息生成新的信息摘要,在使用发送者的公钥对信息进行验证,来确定信息发送者的身份和信息是否被修改
数字加密的主要过程
(1)当信息发送者需要发送信息时,首先生成一对密钥,用该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,再用这对称密钥解密被发送方加密的密文,得到真正的报文
CPU
功能
程序控制
通过执行指令来控制程序的执行顺序,是CPU的重要功能
数据处理
CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工出来,数据加工处理的结果被人们所利用。所有,对数据的加工处理也是CPU最根本的任务
时间控制
CPU对各种操作进行时间上的控制,即在指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行要个的控制
操作控制
一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成,CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作
组成
运算器
算术逻辑单元(ALU):负责处理数据,实现对数据的算术和逻辑运算
累加寄存器(AC):累加器,是一个通用寄存器,功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区
数据缓冲寄存器(DR):在对内存储器进行读/写操作时,用DR暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字,将不同时间段内的读/写数据隔离。主要作用是作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站;作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲;在单累加器结构的运算器中,数据缓冲寄存器还可兼作为操作数据寄存器
状态条件寄存器( PSW):由算数指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容,主要分为状态标志和控制标志
控制器
指令寄存器(IR):当CPU执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,再送入IR暂存,指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工作,完成所需的功能
程序计数器(PC):具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器。程序的执行分为两种情况:顺序执行,转移执行
地址寄存器(AR):保存当前CPU所访问的内存单元的地址
指令寄存器(ID):指令分为操作吗和地址码两个部分,为了执行任何给定的命令,必须对操作码进行分析。
存储器
专用寄存器
通用寄存器
内部总线