软件设计师：计算机系统知识

硬件

CPU

计算机硬件系统由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备组成。

CPU 中央处理单元： 运算器、控制器等。

运算器

算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器(AC)、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器等。

控制器

指令包含操作码和地址码两部分，分析执行一条指令时，操作码、地址码都存入指令寄存器(IR)。

• 指令寄存器（IR）：存放的是从内存中取得指令，就像个中间站一样，不过是存放指令的中间站
• 程序计数器（PC）：存放的是下一条指令的地址(用于跟踪指令地址)，还有计数的功能
• 地址寄存器（AR）：存放的是cpu访问内存单元的地址
• 指令译码器（ID）：是把操作码解析成对应的指令操作

进制

二、八、十、十六进制，进制转换，进制加减法。

例：字节编址从B3000H到DABFFH区域的存储容量为(B3000-DABFF)+1

数据表示

最高位是符号位，0是正，1是负。

• 原码，第一位符号位

[+1]原=0 0000001 [-1]原= 1 0000001

• 反码，第一位符号位，正数反码同原码，负数反码是绝对值按位求反

[+1]反=0 0000001 [-1]反=1 1111110

• 补码，第一位符号位，正数补码同原码同反码，负数补码是反码加1(简化计算机运算部件的设计)

[+1]补=0 0000001 [-1]补=1 1111111

• 移码，补码的符号位取反

[+1]移=1 0000001 [-1]移=0 1111111

当机器字节为n时，定点数的补码和移码可表示 2ⁿ 个数，原码和反码只能表示 2ⁿ-1 个数(0的表示占用了两个编码 +0 -0)

浮点数

浮点表示法，N = 2^E * F，其中E为阶码，F为尾数

阶码决定数值范围，尾数决定精度。阶码采用移码，尾数采用原码表示。尾数的绝对值限定在区间 [0.5,1]

阶符和数符为符号位。

寻址

寻址速度：立即寻址>寄存器寻址>直接寻址>寄存器间接寻址>间接寻址

校验码

• 奇偶校验码：只能检奇偶个数错不能纠错

• 海明码：运用奇偶性来检错和纠错，码距是3，

2^k-1>=n+k，其中k是检验位，n是数据位

码距=2，无纠错能力
码距>=3，有纠错能力

• 循环冗余检验码：码距为2，运用模二运算进行检错不能纠错

RISC 和 CISC

• RISC：精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer)

• CISC：复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer)

流水线

流水线执行时间 = 一条完整指令执行时间 + (n-1) * 一个周期中最长的时间

吞吐率 = 指令条数/流水线执行时间

加速比 = 使用流水线/不使用流水线

存储器

主存 SRAM(静态随机存储器) DRAM(动态随机存储器，周期性刷新) 易失型存储器 断电丢失

虚拟存储体系由主存-辅存两级存储器构成 内存也称为主存 外存也称为辅存

闪存 如U盘 非易失型存储器

相联存储器是一种按内容访问的存储器

Cache

CPU和主存之间，速度快

Cache对于程序员完全透明

容量越大命中率越高

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Cache与主存地址的映射由硬件自动完成

发生块冲突从少到多的顺序：全相联映射–>组相联映射–>直接映射

组相联映射是全相联映射和直接映射的这种，将Cache中的块再分成组

中断

• 中断向量：提供中断服务程序的入口地址
• 中断向量表：所有中断服务的入口地址
• 中断响应时间：从发出中断请求到进入中断服务程序
• 保存现场继续执行主程序

输入输出（IO）控制方式

程序查询方式

中断驱动方式

DMA(Direct Memory Access) 直接存储器访问

传输时由外设直接放入内存，无需CPU干预

DMA传输数据比中断驱动方式传输数据更快

总线

微机中总线分为数据总线、地址总线、控制总线3类。

常见总线如下图：

加密与认证

加密技术 防窃听(被动攻击)

• 对称加密：加密和解密同一把密钥，加解密速度快，密钥分发困难

• 非对称加密：公钥加密私钥解密，公钥可公开，加解密速度慢

• 混合加密：对称加密数据，非对称加密对称密钥

摘要 防篡改

不可逆、抗碰撞

把数据和摘要值一起发送，接收者计算摘要值进行对比，可验证是否被篡改

数字签名 防篡改 防否认 无法防中间人攻击

发送方用私钥对摘要值签名，将签名值放在密文后发送；接收方用公钥验签，可以防篡改和不可否认。

数字证书 保证公钥合法性

• CA：权威证书认证机构

CA对用户个人信息和用户公钥进行签名制作数字证书，用CA公钥可以验证数字证书和该公钥的合法性

加密算法

• 对称算法：DES 3DES RC-5 IDEA AES RC4
• 非对称算法：RSA ECC DSA
• 摘要算法：MD5 SHA1 SHA256

可靠性

• 串联系统可靠性：R=R₁R₂...R_N
• 并联系统可靠性：R=1-(1-R₁)(1-R₂)...(1-R_N)