软件设计师（计算机系统）

学习了zst_2001课程总结笔记：https://space.bilibili.com/91286799?spm_id_from=333.337.0.0

计算机系统

• 进制转化

  • R进制转十进制（按权展开法）
    

  • 十进制转R进制（短除法）

    • 十进制D数除R取余数 余数逆序就是

  • 二进制B转八进制O（三位对一位）十六进制H（四位对一位）

• 进制加减法

  • 加法逢R进1 减法借1当R

• 数据表示

  • 首位是符号位 0表示正数 1表示负数

  • 原码、反码、补码正数相等 补码的补码是原码

    • 原码的负数改变符号位
    • 反码的负数是原码取反
    • 补码的负数就是反码+1，满二进一
      • 简化计算机运算的部件设计
    • 移码定义表示浮点数中的阶码，数值就是反码的符号位取反

  • 取值范围

    • 原（反）码定点整数取值范围

    • 原（反）码定点小数取值范围

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    • 补（移）码定点整数取值范围

    • 补（移）码定点小数取值2的n次方范围

  • 浮点数运算
    

    • 浮点数表示取值范围由阶码决定（e）精度由尾数决定
    • 小数点不需要占位
    • 対阶（小指数的往大的对）=》尾数计算=》结果格式化（尾数x.x）第一个x不可以为0需要为有效值
      

• 计算机结构=》主机

  • 主存储器
    • 内部存储
      • 速度高容量小，临时存放临时程序、数据、中间结果
    • 外部存储器
      • 容量大速度慢，长期保存程序和数据
  • CPU
    • 核心，数据加工、算术运算和控制功能和负责获取程序指令，对指令进行译码并加以执行
    • 运算器 执行算术运算跟逻辑运算、逻辑测试（比大小）
      • 算术逻辑单元（ALU） 处理数据、实现数据的算术运算和逻辑运算。里面包含加法器
      • 累加寄存器（AC）给ALU提供一个工作区 存放运算结果
      • 数据缓冲寄存器（DR）暂时存放指令（数据）中转站
      • 状态条件寄存器（PSW）保存内容 标志位：状态的
    • 控制器
      • 指令寄存器（IR）操作码和地址码都应该存入 用户透明 位数取决于字长
      • 程序计数器（PC）
        • 具有寄存信息跟计数功能，又称指令计时器
        • 存放指令地址，程序员可访问
        • 顺序执行修改过程PC+1，转移执行按偏移量
      • 指令译码器（ID）包含操作码跟地址码，识别加减乘除
      • 地址寄存器（AR） 保存当前访问的地址

• 计算机基本单位

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

• 寻址

  • 采用不同寻址方式的目的是扩大寻址空间并提高编程灵活性。
  • 立即寻址（最快的）
    • 操作数就包含在指令中
  • 直接寻址
    • 操作数存放在内存单元，指令中直接给出操作数所在的存储单元的地址。（第三名）
  • 寄存器寻址
    • 操作数存放在某一寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名。（比去内存拿快，第二名）
  • 寄存器间接寻址
    • 操作数存在内存单元，操作数所在的存储单元的地址在某个寄存器中。（第四）
  • 间接寻址
    • 指令中给出的操作数地址的地址（第五）
  • 相对寻址
  • 变址寻址

• 校验码

  • 奇偶校验码

    • 只能检错，不就纠错。只能检测奇数个数位出错，偶数个数位不可以。码距2。
    • 水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码、水平垂直校验码

  • 海明码

    • 利用（多组数位的）奇偶性来纠错检错的校验方法
    • 码距为2，检错能力
    • 码距大于等于3，才可能有纠错能力
      

  • 循环冗余校验码

    • 可以检错，但不能纠错，码距2。
    • 编码长度：k个数据位+r个校验位
    • CRC编码采用模2运算

• RICI与CISC
  

• 流水线

  • 提高设备的利用率
  • 流水线执行时间=一条指令总执行时间+（总指令条数-1）*流水线周期（最长短的时间）
  • 吞吐率=指令条数/流水线执行时间
  • 流水线加速比S=不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间 （越高越好）
  • 流水线的效率S=n个任务占用的时空区/k个流水段的总的时空区

• 存储器

  • 存储系统的层次结构（由上到下）
    • CPU内部通用寄存器 访问速度最快
    • Cache高速缓冲 主要用SRAM静态随机存储器
    • 主存储器
      • （SRAM静态随机存储器、DRAM动态随机存储器–需要周期性的刷新，主存主要由这个构成）
    • 联机磁盘存储器（外存）
    • 脱机光盘、磁盘存储器（外存）
  • 存储器的工作方式
    • 读/写存储器RAM
    • 只读存储器
      • 固定只读存储器ROM
      • 可编程只读存储器PROM
      • 可擦除可编程的只读存储器EPROM
      • 电擦除可编程的只读存储器EEPROM
      • 闪速存储器，闪存（优盘）。
        • 块为单位删除，信息不会丢失
        • 介于EPROM与EEPROM之间
        • 代替ROM不可以代替主存
  • 访问方式分类：地址访问和内容访问
    • 相联存储器是按内容访问的存储器
  • 寻址方式分类
    • 随机存储器RAM
    • 顺序存储器SAM
    • 直接存储器DAM
  • 虚拟存储器
    • 由主存和辅存构成的，里面的CPU有空间（会访问旁边空间的地址）、时间（过段时间会再次访问）局部性

• Cache高速缓存

  • 重点：cache与主存地址的映射是由硬件自动完成
  • 存放最活跃的程序和数据，在cpu与主存之间，比主存块5-10倍，容量几千字节到几兆字节。对于程序员是透明（看不到的）
  • cache存储器用来主存的部分拷贝（副本）信息，CPU一般先从这里面找有没有自己想要的，有就命中（拿），没有就去内存拿。内存一般会把部分的程序数据给cache。
    • 替换算法为了让cache尽可能高的命中率，容量越大，命中率越高（逐渐接近百分百）。当cache容量满后需要跟内存替换CPU所需要内容。
      • 随机替换算法
      • 先进先出算法
      • 近期最少算法
      • 优化替换算法
  • 高速缓存的地址映像
    • cpu工作送出的是主存单元的地址，而应从cache存储器中读写信息，所以需要将主存地址转换成cache地址存储器的地址。
    • 直接映像 冲突多
      • 主存的块跟cache块一一对应
    • 全相联映像 冲突少
      • 主存任一块都可以去cache的任何一块
    • 组相联映像 冲突较少
      • 组是对应的，组里面的块任意选。

• 中断

  • 执行程序过程中，遇到急需处理的事件。然后进行：
    • 响应中断请求
    • 中断服务程序
    • 返回源程序
  • 中断向量（断点）提高中断服务程序的入口地址
  • 中断响应时间：发出中断请求开始到中断服务程序
  • 去执行急需处理的事件时需要保存现场，返回来执行源程序
    • 使用堆栈来保存

• 输入输出（I/O）控制方式

  • 程序查询方式（程序直接控制方式）
    • CPU和I/O（外设）只能串行工作，CPU利用率低
      • CPU给I/O模块发出读命令 CPU=》I/O
      • 读I/O模块的状态 I/O=》CPU
      • I/O模块读取字给CPU
      • CPU往存储器写入
    • 一次只能读/写一个字
    • 由CPU将数放入内存
  • 中断驱动方式
    • CPU和I/O（外设）可并行工作，CPU利用率得到提升
      • CPU干其他事了，等I/O读完了
      • I/O设备通过中断信号主动向CPU报告操作完成
      • CPU则开始检查状态，将数据存放内存
    • 一次只能读/写一个字
  • 直接存储器存储方式（DMA）
    • CPU和I/O（外设）可并行工作
      • CPU给I/O模块发出读命令 CPU=》DMA
      • 读完DMA跟CPU发信号，让它响应中断
    • 开始和结束才需要CPU的干预
      • 一个总线周期结束才响应MDA请求
      • 传送一个数据都需要占用一个存储周期
    • 一次读写的单位为“块”而不是字
    • 由外设直接将数据存入内存

• 总线（了解即可，考一分或者没有）

  • 减少信息传输线的数量
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 控制总线
  • 常见总线
    • SCSI总线
      • 并行外总线 适合近距离高速数据传输
      • 串行适合长距离数据传输
    • PCI总线 并行内总线
    • ISA总线
    • EISA总线

• 加密技术与认证技术

  • 认证处理、拒绝服务访问、系统干涉、修改数据命令、重放、IP地址欺骗属于主动攻击
  • 加密处理、流量分析、会话拦截属于被动攻击
  • 明文
    • 窃听 加密技术解决
      • 对称加密（私有密钥加密）
        • 加密解密是同一把密钥（只有一把）
        • 密钥分发有缺陷
        • 加密解密速度很快，适合大量明文数据
      • 非对称加密（公开密钥加密）
        • 加密解密不是同一把密钥（公钥和私钥）
        • 每个人都有别人的公钥，用接收方的公钥加密明文
        • 用公钥加密只能用私钥解密
        • 用私钥加密只能用公钥解密
        • 不能通过一把推出另外一把
        • 防止窃听的效果
        • 密钥分发没有缺陷
        • 加密解密速度慢
      • 混合加密
        • 先对称加密（把对称密钥也放进去）在拿接收方的公钥进行非对称加密
    • 篡改 摘要
      • 通过hash算法生成摘要发送过去
      • 接收方对内容进行hash算法得出摘要，两个摘要再进行对比。
    • 假冒 数字证书
      • CA（权威机构）给每个人发公钥，用户把自己公钥给CA申请数字证书（用户的信息证书的信息、用户的公钥 最后用自己的私钥加密 CA自己有备份）
    • 否认 数字签名
      • 通过hash算法生成摘要并用自己的私钥数字签名（加密）然后一起发送过去
      • 接收方先拿发送方公钥解密（确定是对方发送后），然后对内容进行hash算法得出摘要，两个摘要再进行对比。

• 加密算法

  • 对称密钥算法（私钥、私有密钥加密算法）（共享密钥加密算法）
    • DES 3DES RC-5 IDEA AES RC4
  • 非对称密钥算法（公钥、公开密钥算法）
    • RSA ECC DSA
  • Hash函数
  • MD5摘要算法
  • SHA-1安全散列算法

• 可靠性公式

  • 串联系统
    • R=R1R2R3…Rn
  • 并联系统
    • R=1-(1-R1)(1-r2)…(1-Rn)