软件设计师备考自用（一）

youhai
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计算机系统基础

1.CPU

CPU功能： 程序控制、操作控制、时间控制、数据处理、对系统内外部中断或异常进行响应和处理
CPU组成：

  • 运算器
    • 算术逻辑单元（ALU）：负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。
    • 累加寄存器（AC）：作为运算过程中的一个中间件；存放运算结果。当算术逻辑单元进行算术或逻辑运算时，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AC中，再从内存中取出减数，然后同AC的内容相减，将所得结果送回AC中。
    • 数据缓存寄存器（DR）：作为CPU和内存、外部设备之间数据传输的中转站；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以兼做为操作数寄存器。
    • 状态条件寄存器（PSW）
  • 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。
    • 程序计数器（PC）：PC的内容是程序第一条指令的地址，执行指令时，CPU自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。
    • 地址寄存器（AR）：保存当前CPU所访问的内存单元的地址。因为CPU与内存操作速度不匹配。
    • 指令译码器（ID）
  • 寄存器组
  • 内部总线等部件

2. 原码、反码、补码、移码

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3. 浮点数

如果浮点数的阶码（包括一位阶符）用R位的移码表示，尾数（包括一位数符）用M位的补码表示，则这种浮点数所能表示的数值范围如下：

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  • IEEE规定，浮点数的规格化是指浮点数阶码用移码表示，尾数用原码表示
  • 浮点数-->当机器字长为n时，定点数（包括定点小数和定点整数）的补码和移码可表示2的n次方个数，而其原码和反码只能表示2的n次方-1个数

4. 寻址

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5.校验码

  • 奇偶校验码

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无论是奇校验还是偶校验都只能检测出奇数位出错的情况而不能发现偶数位出错的情况

码距是指一个编码系统中任意两个合法编码之间至少有多少个二进制位不同，故码距始终为2

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  • 海明码

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  • 循环冗余校验码（不考计算）

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6.RISC（reduced）/CISC（complex）

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7.指令流水线简单计算过程

第一条指令执行时间+（n-1）*max（输入/计算/输出）

image.png 假设n=100，
顺序执行时间=（0.1+0.2+0.3）* 100=60s
流水线执行时间=（0.1+0.2+0.3）+99*0.3=30.3s
加速比= 不采用流水线/采用流水线 = 60/30.3 = 1.98 操作周期=最长时间段 （上图为0.3s）
吞吐率=1/操作周期（一条指令的吞吐率）=n/流水线执行时间（n条指令的吞吐率）

8.存储器

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存储器的分类：
按存储器所处位置：内存、外存
按构成材料：磁存储器、半导体存储器、光存储器
按工作方式：读/写存储器（RAM）、只读存储器（ROM固定只读存储器、PROM可编程只读、EPROM可擦除可编程只读、EEPROM电擦除可编程只读、flash闪存）
按访问方式：按地址访问、按内容访问（相联存储器）
按寻址方式：随机、顺序、直接

高速缓存地址映像方法：直接映像、全相联映像、组相联映像

Cache与主存地址的映射是由硬件自动完成的

9.中断

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中断向量：提供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进入中断服务程序
保存现场：中断请求处理完成后，返回执行源程序

10.输入输出（I/O）控制方式

  • 程序查询方式
    CPU和I/O设备（外设）只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，CPU长期处于忙等状态，CPU利用率低；
    一次只能读/写一个字；
    由CPU将数放入内存。 image.png
  • 中断驱动方式
    I/O设备通过中断信号主动向CPU报告I/O操作已完成；
    CPU和I/O（外设）可并行工作；
    CPU利用率将得到提升； 一次只能读/写一个字； 由CPU将数据放入内存。 image.png
  • 直接存储器方式（DMA） CPU和I/O（外设）可并行工作；
    仅在传送数据块的开始和结束时才需要CPU的干预；
    由外设直接将数据放入内存；
    一次读写的单位为“块”而不是字。 image.png

11.总线

总线带宽=每个时钟周期传输的数据位数*时钟频率
PCI总线是并行内总线，SCSI总线是并行外总线

12.加密技术与认证技术

加密技术（针对窃听问题）：

  • 对称加密（私有密钥加密）：加密和解密是同一把密钥，只有一把密钥
    缺点：密钥分发有缺陷
    优点：加密解密速度很快，适合加密大量明文数据

  • 非对称加密（公开密钥加密）：加密和解密不是同一把密钥，一共有两把密钥，分别是公钥和私钥。
    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一把。
    用接收方的公钥加密明文可以实现防止窃听的效果。
    优点：密钥分发没有缺陷
    缺点：加密解密速度很慢

  • 混合加密：对称和非对称加密结合
    先用对称加密方式加密明文，以保证数据传输的速度，再使用非对称加密方式对已加密明文和对称加密密钥一起用接收方的公钥加密，这样既保证了数据传输的效率又实现了防止窃听的效果。

认证技术（针对篡改、假冒、否认问题）：

  • 摘要：将发送的明文进行hash算法后得到摘要，放在密文后一起发送过去，与接收方解密后的明文进行相同的hash算法得到的摘要进行对比，如果一致，则没有篡改，否则有篡改。

  • 数字签名：发送方用自己的私钥对摘要进行签名（加密），得到数字签名放在密文后一起发送过去，接受方用发送方的公钥对数字签名进行验证（解密）如果验证成功则该消息没有被假冒且不能否认，否则该消息的真实信为假冒发送。

  • 数字证书（解决发送方和接收方互相不知道对方公钥已被篡改的情况）：用户向CA机构申请数字证书将个人信息和公钥发给CA机构，CA机构颁给用户数字证书，数字证书用CA的私钥进行签名（加密）用CA的公钥验证（解密）数字证书得到用户的公钥。
    CA：权威机构

认证技术处理主动攻击，加密技术处理被动攻击

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（公钥、公开密钥加密）算法：

  • RSA
  • ECC
  • DSA

其他算法：
Hash函数
MD5摘要算法（对任意长度的输入计算得到的结果长度为128位）
SHA-1安全散列算法

13.可靠性公式

（1）串联系统

image.png （2）并联系统

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