第1章 计算机系统知识
1.1 计算机系统基础知识
1.1.1 计算机系统硬件基本组成
计算机系统是由【硬件】和【软件】组成的。P1
计算机的基本硬件系统由【运算器】、【控制器】、【存储器】、【输入设备】和【输出设备】5大部件组成。P1
【CPU】是硬件系统的核心。P1
【运算器】、【控制器】等部件被集成在一起统称为中央处理单元(CPU)。P1
存储器分为【内部存储器】和【外部存储器】。P1
1.1.2 中央处理单元
【CPU】是计算机系统的核心部件，它负责获取程序指令、对指令进行译码并加以执行。P1（提示：英文缩写）
【中央处理单元】是计算机系统的核心部件，它负责获取程序指令、对指令进行【译码】并加以【执行】。P1（提示：中文）
1 CPU的功能
(1)【程序控制】。(2)【操作控制】。(3)【时间控制】。(4)【数据处理】。此外，CPU还需要对系统内部和外部的【中断】(【异常】)做出响应，进行相应的处理。P1
2 CPU的组成
CPU主要由【运算器】、【控制器】、【寄存器组】和【内部总线】等部件组成。P1
1）运算器
运算器由【ALU】、【AC】、【DR】和【PSW】等组成。P2（提示：英文缩写）
【运算器】由【算术逻辑单元】、【累加寄存器】、【数据缓冲寄存器】和【状态条件寄存器】等组成。P2（提示：中文）
【ALU】：算术运算，逻辑运算。P2（提示：英文缩写）
【算术逻辑单元】：算术运算，逻辑运算。P2（提示：中文）
【AC】：为ALU提供一个工作区。例如，在执行一个减法运算前，先将被减数取出暂存在这个部件中。P2（提示：英文缩写）
【累加寄存器】：为ALU提供一个工作区。例如，在执行一个减法运算前，先将被减数取出暂存在这个部件中。P2（提示：中文）
【DR】：暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字。作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站。P3（提示：英文缩写）
【数据缓冲寄存器】：暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字。作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站。P3（提示：中文）
【PSW】：主要分为状态标志和控制标志。P3（提示：英文缩写）
【状态条件寄存器】：主要分为状态标志和控制标志。P3（提示：中文）
2）控制器
【控制器】一般包括【指令】控制逻辑、【时序】控制逻辑、【总线】控制逻辑和【中断】控制逻辑等几个部分。P3
【指令】控制逻辑要完成【取指令】、【分析指令】和【执行指令】的操作，其过程分为【取指令】、【指令译码】、【按指令操作码执行】、【形成下一条指令地址】等步骤。P3
控制器用到的寄存器：(【IR】)、(【PC】)(又称【指令计数器】)、(【AR】)、(【ID】)。P3（提示：英文缩写）
控制器用到的寄存器：【指令寄存器】、【程序计数器】(又称【指令计数器】)、【地址寄存器】、【指令译码器】。P3（提示：中文）
【时序控制逻辑】要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。P3
【总线逻辑】是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。P3
【中断控制逻辑】用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。P4
3）寄存器组
【寄存器组】可分为【专用寄存器】和【通用寄存器】。P4
运算器和控制器中的寄存器是【专用】寄存器，其作用是固定的。P4
【通用】寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，其数目因处理器不同有所差异。P4
3 多核CPU
【核心】又称为【内核】，是CPU最重要的组成部分。P4
1.1.3 数据表示
1）原码、反码、补码和移码
【反码】：对于-1，先求1的原码00000001；然后取反11111110。P5计算
【补码】：对于-1，先求1的原码00000001；然后取反加一11111111。P5计算
【移码】：对于-1，先求1的原码00000001；然后取反加一11111111；最后符号位取反01111111。对于1，先求1的原码00000001；然后符号位取反10000001。-0和+0一样，都是10000000。P5计算
2）定点数和浮点数
（1）定点数
【定点数】：【定点整数】、【定点小数】。P6
带符号数的范围：【原码】和【反码】一样，【补码】和【移码】一样。P7表
（2）浮点数
【浮点数】由【阶符】、【阶码】、【数符】、【尾数】组成。P7
在浮点表示法中，阶码为带符号的【纯整数】，尾数为带符号的【纯小数】。P7
浮点数所能表示的数值范围主要由【阶码】决定，所表示数值的精度则由【尾数】决定。P7
浮点数的阶码(包括1位阶符)用R位的【移码】表示，尾数(包括1位数符)用M位的【补码】表示。P7
1.1.4 校验码
绍常用的3种校验码：【奇偶校验码】、【海明码】和【循环冗余校验码】。P10
1 奇偶校验码
常用的奇偶校验码有3种：【水平】奇偶校验码、【垂直】奇偶校验码和【水平垂直】校验码。P10
水平偶校验示例：
1011001 0
1100100 1
0101110 0
垂直偶校验示例：
10110010
11001001
01011100
00100111（这一行是每列的奇偶校验位）
水平垂直偶校验码示例：
1011001 0
1100100 1
0101110 0
0010011 1（这一行是每列的奇偶校验位）
【水平垂直偶校验码】也叫【汉明码】，也叫【纵横奇偶校验】。P10，网上查到的
2 海明码
海明码的构成方法是在数据位之间的特定位置上插入k个校验位，通过扩大【码距】来实现检错和纠错。P10
【海明码】：设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足以下关系： 2 k ≥ n + k 2^k≥n+k 2k≥n+k。P10
3 循环冗余校验码
循环冗余校验码是由两部分组成的，左边为【信息码】(【数据】),右边为【校验码】。P12
1.2 计算机体系结构
1.2.1 计算机体系结构的发展
1 计算机系统结构概述
【体系结构】由【结构】、【组织】、【实现】、【性能】4个基本方面组成。P13
【结构】指计算机系统各种硬件的互连。P13
【组织】指各种部件的动态联系与管理。P13
【实现】指各模块设计的组装完成。P13
【性能】指计算机系统的行为表现。P13
【计算机体系结构】(Computer Architecture)是指计算机的概念性结构和功能属性。P13
【计算机组织】(Computer Organization)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流的组成以及逻辑设计等(常称为计算机组成原理)。P13
【计算机实现】(Computer Implementation)是指是指计算机组织的物理实现。P13
2 计算机体系结构分类
从【宏观】上按处理机的数量进行分类，分为【单处理系统】、【并行处理与多处理系统】和【分布式处理系统】。P13
【单处理系统】(Uni-processing System)。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、输入与输出等功能的系统。P13
【并行处理与多处理系统】(Parallel Processing and Multiprocessing System)。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，以便共同求解一个大问题的计算机系统。P13
【分布式处理系统】(Distributed Processing System)。指物理上远距离而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得多，这也正是松耦合的含义。P13
从【微观】上按并行程度分类，有【Flynn分类法】、【冯泽云分类法】、【Handler分类法】和【Kuck分类法】。P13
Flynn把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】)4类。P13
冯泽云把计算机系统分成字串行位串行(【WSBS】)计算机、字并行位串行(【WPBS】)计算机、字串行位并行(【WSBP】)计算机和字并行位并行(【WPBP】)计算机4类。P14
汉德勒把计算机的硬件结构分为3个层次：【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】。P14
Kuck把系统结构分为单指令流单执行流(【SISE】)、单指令流多执行流(【SIME】)、多指令流单执行流(【MISE】)和多指令流多执行流(【MIME】)4类。P14
3 指令系统
一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为其【ISA】。P14（提示：英文缩写）
一个处理器支持的【指令】和指令的【字节级编码】称为其【指令集体系结构】。P14（提示：中文）
1）指令集体系结构的分类
按【暂存机制】分类，根据在CPU内部存储操作数的区别，可以把指令集体系分为3类：【堆栈】、【累加器】和【寄存器组】。P14
【GPR】的关键性优点是编译程序能有效地使用寄存器，无论是计算表达式的值，还是从全局的角度使用寄存器来保存变量的值。P14（提示：英文缩写）
【通用寄存器】的关键性优点是编译程序能有效地使用寄存器，无论是计算表达式的值，还是从全局的角度使用寄存器来保存变量的值。P14（提示：中文）
2）CISC和RISC
RISC的关键技术：①重叠寄存器【窗口】技术。②【优化编译】技术。③【超流水】及【超标量】技术。④【硬布线逻辑】与【微程序】相结合在微程序技术中。P15
3）指令的流水处理
【指令控制方式】有【顺序方式】、【重叠方式】和【流水方式】3种。P16
【顺序方式】是指各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取下一条指令，而且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。P16
【重叠方式】是指在解释第K条指令的操作完成之前就可以开始解释第K+1条指令。P16
【流水方式】是模仿工业生产过程的流水线(如汽车装配线)而提出的一种指令控制方式。P17
①从流水的【级别】上，可分为【部件级】、【处理机级】以及【系统级】的流水。P17
②从流水的【功能】上，可分为【单功能】流水线和【多功能】流水线。P17
③从流水的【连接】上，可分为【静态流水线】和【动态流水线】。P17
④从流水是否有【反馈回路】，可分为【线性】流水线和【非线性】流水线。P17
⑤从流水的【流动顺序】上，可分为【同步】流水线和【异步】流水线。P17
⑥从流水线的【数据表示】上，可分为【标量】流水线和【向量】流水线。P17
解决【局部性相关】有两种方法：【推后法】和【通路法】。P17
由于流水时机器同时解释多条指令，这些指令可能有对同一主存单元或同一寄存器的“【先写后读】”的要求，这时就出现了【相关】。P17
这种相关包括【指令相关】、【访存操作数相关】以及【通用寄存器组相关】等，它只影响相关的两条或几条指令，而且最多影响流水线的某些段推后工作，并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，影响是局部的，所以称为【局部性相关】。P17
【推后法】是推后对相关单元的读，直至写入完成。P17
【通路法】设置相关专用通路，使得不必先把运算结果写入相关存储单元，再从这里读出后才能使用，而是经过相关专用通路直接使用运算结果，以加快速度。P17
转移指令(尤其是条件转移指令)与它后面的指令之间存在关联，使之不能同时解释。执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降，比局部性相关的影响要严重得多，所以称为【全局性相关】。P18
解决【全局性相关】有3种方法：【猜测转移分支】、【加快和提前形成条件码】、【加快短循环程序】的处理。P18
RISC中采用的【流水技术】有3种：【超流水线】、【超标量】以及【超长指令字】。P18
【吞吐率】是指单位时间内流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。如果流水线的子过程所用时间不一样，则吞吐率 p p p应为最长子过程的倒数，即 p = 1 / m a x { Δ t 1 , Δ t 2 , ⋯ , Δ t m } p=1/max\{Δt_1,Δt_2, ⋯ ,Δt_m\} p=1/max{
Δt1,Δt2,⋯,Δtm}。P18
流水线开始工作，需经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是【建立时间】。若m个子过程所用时间一样，均为 Δ t 0 Δt_0 Δt0,则建立时间 T 0 = m Δ t 0 T_0=mΔt_0 T0=mΔt0。P18
4 阵列处理机、并行处理机和多处理机
【并行性】包括【同时性】和【并发性】。P19
【同时性】是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生。P19
【并发性】是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内连续发生。P19
1.2.2 存储系统
1. 存储器的层次结构
2. 存储器的分类
按存储器所处的位置可分为【内存】和【外存】。P20
【内存】也称为【主存】。P21
【外存】也称为【辅存】。P21
按构成存储器的材料可分为【磁存储器】、【半导体存储器】和【光存储器】。P21
按存储器的工作方式可分为【读/写存储器】（【RAM】）和【只读存储器】。P21
只读存储器又可细分为【ROM】、【PROM】、【EPROM】和【EEPROM】等类型。P21
按访问方式可分为按【地址】访问的存储器和按【内容】访问的存储器。P22
按寻址方式可分为【随机】存储器、【顺序】存储器和【直接】存储器。P22
按寻址方式可分为【RAM】、【SAM】和【DAM】。P22（提示：英文缩写）
3. 相联存储器
【相联存储器】是一种按【内容】访问的存储器。P22
4. 高速缓存
Cache的地址映像有如下3种方法：【直接】映像、【全相联】映像、【组相联】映像。P24
【直接】映像是指主存的块与Cache块的对应关系是【固定】的。P24
【直接】映像方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。例如，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache存储器中有空着的块也不能利用。P25
【直接】映像只要主存地址中的主存区号与Cache中记录的【主存区号】相同，则表明访问Cache命中。P25
【全相联】映像的主要优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。P26
【全相联】映像，在地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中相联存储器所有单元中记录的【主存块号】进行比较，若相同即为命中。P25
【组相联】映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。P26
【替换算法】的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。P26
替换算法常用算法有【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。P26
这里假设Cache访问和主存访问是同时启动的：P26
平均访问时间 = 缓存命中率 ∗ 缓存存取时间 + ( 1 − 缓存命中率 ) ∗ 主存存取时间 平均访问时间=缓存命中率*缓存存取时间+(1-缓存命中率)*主存存取时间 平均访问时间=缓存命中率∗缓存存取时间+(1−缓存命中率)∗主存存取时间
如果在Cache不命中时才启动主存，则P26
平均访问时间 = 缓存存取时间 + ( 1 − 缓存命中率 ) ∗ 主存存取时间 平均访问时间=缓存存取时间+(1-缓存命中率)*主存存取时间 平均访问时间=缓存存取时间+(1−缓存命中率)∗主存存取时间
5. 虚拟存储器
现代系统提供了一种对主存的抽象，称为【虚拟存储】(Virtual Memory),使用【虚拟地址】(Virtual Address,由CPU生成)的概念来访问主存，使用专门的【MMU】(Memory Management Unit)将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。P27
6. 外存储器
【外存储器】主要由【磁表面存储器】(如磁盘、磁带)、【光盘存储器】及【固态硬盘】(采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器)构成。P28
【硬盘】的寻址信息由【硬盘驱动】号、【圆柱面号】、【磁头号】(【记录面号】)、【数据块号】(或【扇区号】)以及【交换量】组成。P29
7. 磁盘阵列技术
【磁盘阵列】是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。P30
现在常见的磁盘阵列称为【廉价冗余磁盘阵列】(【RAID】)。P30
8. 存储域网络
在大型服务器系统的背后都有一个网络，把一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等，构成了【SAN】。P31（提示：英文缩写）
在大型服务器系统的背后都有一个网络，把一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等，构成了【存储域网络】。P31（提示：中文）
1.2.3 输入/输出技术
1. 微型计算机中最常用的内存与接口的编址方法
计算机系统中存在多种内存与接口地址的编址方法，常见的是下面两种：内存与接口地址【独立】编址和内存与接口地址【统一】编址。P31
2. 直接程序控制
【直接程序控制】是指外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方式分为【无条件传送】和【程序查询方式】两种情况。P32
3. 中断方式
在系统中具有多个中断源的情况下，常用的处理方法有多【中断信号线法】(Multiple Interrupt Lines)、【中断软件查询法】(Software Poll)、【菊花链法】(Daisy Chain)、【总线仲裁法】和【中断向量表法】。P32
4. 直接存储器存取方式
【DMA】是指数据在内存与I/O设备间的直接成块传送。P34（提示：英文缩写）
【直接内存存取】是指数据在内存与I/O设备间的直接成块传送。P34（提示：中文）
5. 输入/输出处理机(IOP)
通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为【IOP】,它分担了CPU的一部分功能，可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。P35（提示：英文缩写）
【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】,它分担了CPU的一部分功能，可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。P35（提示：中文）
【PPU】方式是通道方式的进一步发展。P35（提示：英文缩写）
【外围处理机】方式是通道方式的进一步发展。P35（提示：中文）
1.2.4 总线结构
1. 总线的分类
微机中的总线分为【数据】总线、【地址】总线和【控制】总线3类。P35
【DB】用来传送数据信息，是双向的。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，也可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。P35（提示：英文缩写）
【数据总线】用来传送数据信息，是双向的。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，也可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。P35（提示：中文）
【数据总线】的宽度决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数。P35
【AB】用于传送CPU发出的地址信息，是单向的。P36（提示：英文缩写）
【地址总线】用于传送CPU发出的地址信息，是单向的。P36（提示：中文）
【地址总线】的宽度决定了CPU的最大寻址能力。P36
【CB】用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。P36（提示：英文缩写）
【控制总线】用来传送【控制信号】、【时序信号】和【状态信息】等。P36（提示：中文）
2. 常见总线
1.3 安全性、可靠性与系统性能评测基础知识
1.3.1 计算机安全概述
【计算机安全】是一个涵盖非常广的课题，既包括【硬件】、【软件】和【技术】，又包括【安全规划】、【安全管理】和【安全监督】。P38
1. 计算机的安全等级
2. 安全威胁
【授权侵犯】：为某一特权使用一个系统的人却将该系统用作其他未授权的目的。P39表
【拒绝服务】：对信息或其他资源的合法访问被无条件地拒绝，或推迟与时间密切相关的操作。P39表
【窃听】：信息从被监视的通信过程中泄漏出去。P39表
【信息泄露】：信息被泄漏或暴露给某个未授权的实体。P39表
【截获/修改】：某一通信数据项在传输过程中被改变、删除或替代。P39表
【假冒】：一个实体(人或系统)假装成另一个实体。P39表
【否认】：参与某次通信交换的一方否认曾发生过此次交换。P39表
【非法使用】：资源被某个未授权的人或者未授权的方式使用。P39表
【人员疏忽】：一个授权的人为了金钱或利益，或由于粗心将信息泄露给未授权的人。P39表
【完整性破坏】：通过对数据进行未授权的创建、修改或破坏，使数据的一致性受到损坏。P39表
【媒体清理】：信息被从废弃的或打印过的媒体中获得。P40表
【物理入侵】：一个入侵者通过绕过物理控制而获得对系统的访问。P40表
【资源耗尽】：某一资源(如访问端口)被故意超负荷地使用，导致其他用户的服务被中断。P40表
3. 影响数据安全的因素
影响数据安全的因素有【内部】和【外部】两类。P40
1.3.2 加密技术和认证技术
1. 加密技术
rsa
2. 认证技术
1.3.3 计算机可靠性
1. 计算机可靠性概述
2. 计算机可靠性模型
常见的系统【可靠性】数学模型有以下3种：【串联系统】、【并联系统】、【模冗余系统】。P49
1.3.4 计算机系统的性能评价
1. 性能评测的常用方法
【性能评测】的常用方法：【时钟频率】、【指令执行速度】、等【效指令速度法】、【数据处理速率法】(【PDR】)、【核心程序法】。P51
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