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• 第一章 計算機系統知識
• 計算機系統基礎知識

計算機系統由硬件和軟件組成。

計算機的基本硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部件組成。

存儲器分為內部存儲和外部存儲，前者速度高，容量小，后者容量大，速度慢。

CPU(Central Processing Unit)負責獲取程序指令，對指令進行譯碼并加以執行。

CPU通過執行指令來控制程序的執行順序。

CPU的功能：

程序控制

操作控制

時間控制

數據處理

對內外中斷（異常）做響應。

CPU的組成：運算器、控制器、寄存器組和內部總線等。

運算器由算術邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）、累加寄存器、數據緩沖寄存器和狀態條件寄存器等組成。

運算器接收控制器命令工作。

運算器的功能：

執行所有算術運算

執行所有邏輯運算。

控制器控制整個CPU的工作，它決定了計算機運行過程的自動化。

控制器主要包括指令控制邏輯、時序控制邏輯、總線控制邏輯和中斷控制邏輯等。

指令控制邏輯工作過程：

取指令→指令譯碼→按朱令操作碼執行→形成下一條指令地址

指令的執行分兩種情況，一是順序執行，二是轉移執行。

地址寄存器(AR)保存當前CPU所訪問的內存單元的地址。

指令包含操作碼和地址碼兩部分。

多核CPU每個內核有自己的邏輯單元、控制單元、中斷處理器、運算單元，一級Cache和二級Cache共享或獨有。

多核CPU最大的優點是滿足用戶同時進行多任務處理的要求。

原碼表示法，數值X的原碼記為[X]原，如果機器字長為n，則原碼的定義如下：

若X是純整數，則X原=X ????????????????????????????????????????????????????????????0≤X<12n-1+X???????? ??????????-(2n-1-1)≤X≤0

若X是純小數，則X原X???????????????????????????????????????? 0≤X<120+X?????????????????????? -1<X≤0

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二進制轉十進制https://zh.wikihow.com/%E6%8A%8A%E4%BA%8C%E8%BF%9B%E5%88%B6%E6%95%B0%E8%BD%AC%E5%8C%96%E4%B8%BA%E5%8D%81%E8%BF%9B%E5%88%B6%E6%95%B0

反碼表示法

補碼表示法

移碼表示法

原碼反碼補碼的關系，正數相同，負數的反碼為符號為不變，其余位取反，負數的補碼，符號位不變，其余位取反后+1。

小數點位置不變的數為定點數。

定點整數（純整數）小數點在最低有效數值位之后。

定點小數（純小數）小數點在最高有效數值位之前。

當機器字長為n時，定點數的補碼和移碼可表示2^n個數，而其反碼和原碼能表示2^n-1個數。

浮點數是小數點位置不固定的數，它能表示更大范圍的數。

浮點表示法，N=2EXF，E稱為階碼，F稱為尾數。

一個浮點數的表示不是唯一的，當小數點的位置改變時，階碼也隨著相應改變。

浮點數表示格式：

階符

階碼

數符

尾數

浮點數所能表示的數值范圍主要由階碼決定，所表示的精度則由尾數決定。

IEEE 754工業標準：

(-1)S2E(b0b1b2b3…bp-1)

其中，(-1)S為數符，0表示正數，1表示負數，E為指數（階碼），用移碼表示，(b0b1b2b3…bp-1)為尾數，長度為p位。

所謂碼距，是指一個編碼系統中任意兩個合法編碼之間至少有多少個二進制位不同。

常用校驗碼：奇偶校驗碼（檢錯）、海明碼（檢錯加糾錯）、循環冗余校驗碼。

計算機體系結構

計算機體系結構（Computer Architecture）是指計算機的概念性結構和功屬性。

計算機組織（Computer Organization）是指計算機體系結構的邏輯實現，它包括機器內的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。

計算機實現（Computer Implementation）是指計算機的物理實現。

一個處理器支持的指令和指令的字節級編碼稱為其指令集體系結構（Instruction Set Architecture）。

指令控制方式有順序方式、重疊方式和流水方式。

RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）的基本思想是通過減少指令總數和簡化指令功能降低硬件設計的復雜度，使指令能單周期執行，并通過優化編譯提高指令的執行速度，采用硬布線控制邏輯優化編譯程序。

RISC的關鍵技術如下：

重疊寄存器窗口技術。

優化編譯技術。

超流水及超標量技術。

硬布線邏輯與微程序相結合在微程序技術中。

流水（Pipelining）技術是吧并行性或并發行嵌入到計算機系統里的一種形式，它把重復的順序處理過程分解為若干個子過程，每個子過程能在專用的獨立模塊上有效地并發工作。

解決流水局部性相關的兩種方法：推后法和通路法。

解決流水全局性相關的3種方法：猜測轉移分支、加快和提前形成條件碼、加快段循環程序的處理。

RISC中采用的流水技術有3種：超流水線、超標量以及超長指令字。

吞吐量就是指單位時間內流水線處理機流出的結果數。

如果子過程所用時間不一樣，則吞吐量為最長子過程的倒數，即：

p=1/max{?t1?t2…?tm}

達到最大吞吐量的時間為建立時間：

T0=m?t0

并行性包括同時性和并發性。其中，同時性是指兩個或兩個以上的事件在同一時刻發生，并發行是指兩個或兩個以上事件在同一時間間隔連續發生。

Cache和主存之間交互功能全部由硬件實現，而主存和輔存之間的交互功能可由硬件和軟件結合來實現。

內存設在主機內或主板上，用來存放機器當前運行所需要的程序和數據。容量小，速度快。

外存（輔存）用來存放不參加運行的大量信息。

按構成存儲器的材料可分為磁存儲器、半導體存儲器和光存儲器。

半導體存儲器根據元件可分為雙極型和MOS型；根據數據是否要刷新又可分為靜態（Static Memory）和動態（Dynamic Memory）。

相聯存儲器是一種按內容訪問的存儲器。其工作原理是把數據的某一部分作為關鍵字，按順序寫入信息，讀出時并行地將該關鍵字與存儲器中地每一單元進行比較，找出存儲器中所有與關鍵字相同地數據字，特別適合于信息地檢索與更新。

高速緩存用來存放當前最活躍的程序和數據，其特點是：

位于CPU和主存之間

容量一般在幾K字節到幾M字節之間。

速度一般比主存快5~10倍，由快速半導體存儲器構成。

其內容是主存局部域地副本。

地址映像：在CPU工作時，送出地是主存單元地地址，而應從Cache存儲器中讀寫信息。這就需要將主存地址轉換成Cache存儲器地地址。

地址映射地三種方式：

直接映射，是指主存地塊與Cache塊地對應關系是固定的。優點是地址變換簡單，缺點是不夠靈活。

全局相聯映射。優點是主存地塊調入Cache地位置不受限制，十分靈活。缺點是無法從主存塊號中直接獲得Cache地塊號，變換比較復雜，速度比較慢。

組相聯映射。

替換算法的目標是使Cache獲得盡可能高地命中率，常用地有以下幾種：

隨機替換算法。

先進先出算法。

近期最少使用算法。

優化替代算法。

降低Cache失效率的方法主要有選擇恰當的塊容量、提高Cache的容量和提高Cache的相聯度等。

虛擬存儲器實際上是一種邏輯存儲器，實際是對物理存儲設備進行邏輯化處理，并將統一的邏輯視圖呈現給用戶。

磁盤存儲器由盤片、驅動器、控制器和接口組成。

磁盤容量計算方式：

非格式化容量=面數X（磁道數/面）X內圓周長X最大位密度

格式化容量=面數X（磁道數/面）X（扇區數/面）X（字節數/扇區）

磁盤陣列是由多臺磁盤存儲器組成的一個快速、大容量、高可用的外存子系統。常見的為廉價冗余磁盤陣列（RAID）。

直接程序控制是指外設數據的輸入/輸出過程實在CPU執行程序的控制下完成的。分為無條件傳送和程序查詢方式兩種情況。

直接內存存取（DMA）是指數據在內存與I/O設備間的直接成塊傳送。

中斷處理方法常見的有：

多中斷信號線法。

中斷軟件查詢法。

菊花鏈法。

總線仲裁法。

中斷向量表法。

總線分類：數據總線、地址總線和控制總線。

數據總線（DB）用來傳送數據信息，是雙向的。DB的寬度決定了CPU和計算機其他設備之間每次交換數據的位數。

地址總線（AB）用于傳送CPU發出的地址信息，是單向的。AB的寬度決定了CPU的最大尋址能力。

控制總線（CB）用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。CB整體是雙向的，每一條的信息傳遞是單項且確定的。

安全性、可靠性與系統性能評測基礎知識

計算機系統中的三類安全性是指技術安全性、管理安全性和法律安全性。

所謂安全威脅是指某個人、物、事件對某一資源的機密性、完整性、可用性或合法性造成危害。

數據加密技術的關鍵在于加密解密算法和密鑰管理。

對數據加密技術分為兩類：對稱加密（私鑰加密）和非對稱加密（公鑰加密）。

對稱加密技術的特點是文件加密和解密使用相同的密鑰。

常用的對稱加密技術有如下幾種：

數據加密標準（DES）算法。主要采用替換和移位的方法加密。

三重DES（3DES，或稱TDEA）。

RC-5。是由Ron Rivest（公鑰算法創始人之一）在1994年開發出來的。

國際數據加密算法（IDEA）。

高級加密算法（AES）算法。

非對稱加密算法需要兩個密鑰：公鑰和私鑰。

密鑰管理主要是指密鑰對的安全管理，包括密鑰產生、密鑰備份、密鑰備份和恢復、密鑰更新等。

認證技術主要解決網絡通信過程中通信雙方的身份認可。

PKI是一種遵循既定標注的密鑰管理平臺，能夠為所有網絡應用提供加密和數字簽名等密碼服務所必須的密鑰和證書管理體系。

完整的PKI系統必須具有權威認證機構（CA）、數字證書庫、密鑰備份及恢復系統、證書作廢系統、應用接口等基本構成部分。

PKI的基礎技術包括加密、數字簽名、數據完整性機制、數字信封和雙重數字簽名等。

PKI標準化的兩個方面，一個是RSA公司的PKCS，第二個是Internet工程任務組和PKI工作組的PKIX。

Hash函數提供了這樣一種計算過程：輸入一個長度不固定的字符串，返回一串固定長度的字符串，又稱Hash值。

MD5算法具有以下特性：

壓縮性。任意長度的數據，算出的MD5值長度都是固定的。

容易計算。

抗修改性。對元數據進行任何改動，所得到的MD5值都有很大區別。

強抗碰撞。已知原數據和其MD5值，想找到一個具有相同MD5值得數據是非常困難的。

SSL（安全套接字）協議最是Netscape Communication公司設計開發的，主要用于提高應用程序之間得安全系數。

SSL概念：一個保證任何安裝了安全套接字的客戶和服務器間事務安全的協議，它設計所有TC/IP應用城西。

計算機系統的可靠性是指從它開始運行（t=0）到某時刻t這段時間內能正常運行的概率，用R(t)表示。所謂失效率，是指單位時間內失效的元件數與元件總數的比例，用λ表示，當λ為常數時，可靠性與失效率的關系為：

R(t)=eλt

兩次故障之間系統能正常工作的時間的平均值為平均無故障時間，即

MTBF=1λ

通常用平均修復時間MTRF來表示計算機的可維修性，即計算機的維修效率，指從故障發生到機器修復平局所需要的時間。計算機的可用性是指計算機的作用效率，它以系統在執行任務的任意時刻能正常工作的概率A表示，即

A=MTBFMTBF+MTRF

計算機可靠性模型

串聯系統：

可靠性R=R1R2?RN

失效率λ=λ1+λ2+?+λN

并聯系統：

R=1-(1-R1)(1-R2)?(1-RN)

失效率μ=11λj=1N1j

N模冗余系統：

R=i=n+1NjN×R0i1-R0N-1

其中jN表示從N個元素中取j個元素的組合數。

提高計算機可靠性的措施：

提高元器件質量，改進加工工藝與工藝結構，完善電路設計。

發展容錯技術，使得計算機硬件有故障的情況下，計算機仍能繼續運行，得出正確的結果。

計算機系統性能評測常用方法：

時鐘頻率。

指令執行速度。

等效指令速度法。

數據處理速率（PDR）法。PDR法采用計算PDR值得方法來衡量機器性能，PDR越大，機器性能越好。

核心程序法。

基準程序法（Benchmark）。

整數測試程序。

浮點測試程序。

SPEC基準程序。

TPC基準程序。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的软考中级软件设计师教程（第5版）知识点笔记第一章计算机系统知识持续更新中...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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