Jeffrey Wang
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【软考知识总结】计算机组成结构

【软考知识总结】计算机组成结构

前言

本章主要包含计算机硬件组成,CPU 、计算机各个组件,部分信息加密,安全等等

章节大纲

计算机系统

  • 硬件组成
  • CPU
  • 数据表示
  • 校验码

体系结构

  • 指令
  • 存储
  • 输入输出
  • 总线

安全性可靠性

  • 可靠性分析
  • 安全
  • 加密和认证

其中 数据表示、校验码、加密是重点

计算机系统

硬件组成

硬件五大部分,运算器,控制器,存储器,输入设备和输出设备

CPU

CPU 由运算器,控制器,寄存器和内部总线组成 运算器由 算术逻辑单元 ALU,累加寄存器 AC(临时存储逻辑运算数据),数据缓冲寄存器 DR,状态条件寄存器 PSW 组成,用于执行加减乘除和逻辑运算。 控制器由指令寄存器 IR,程序计数器 PC(存放指令地址),地址寄存器 AR,指令译码器 ID,用于程序控制和时序控制。

数据表示

十进制转 R进制,取余然后从下往上排列即可。 M转N进制,用十进制中转即可。 原码:数的正常二进制表示 反码:负数的反码取反,即为对应的数值 补码:负数的补码取反加一 移码: 常用于表示浮点数中的阶码(0.123 * 10^3),这个 3 就是阶码,包含1个符号位和n个数值位,特点是方便比大小 移码计算:偏移量为 2^n - 1,真值(整数)+偏移量即为移码的表示 比如补码 0111 1110,其移码表示 0111 1110 + 0111 1111 = 1011 1101 浮点数规格化的意思就类似 0.12*10^3,二进制上的表现就是 0.101011 * 2^n,小数后第一位不为0,这时候阶码才是对齐的 《阶码,尾数,移码》https://www.jianshu.com/p/180baf2e88d4 移码怎么算啊~? https://www.zhihu.com/question/491056632/answer/2234280842 小数的范围直接除以 2^(n-1),因为留一个1在小数点前,其他的数用二进制表示,补码和移码范围一致 字长指的是 CPU 能同时处理和传输的位数,字(word)用于表示一次性处理事务的固定长度,字的位数就是字长。 浮点数表示法:N = F * 2^E,F 为尾数,E为阶码,类似 101.011 = 0.101011 * 2^3 浮点数由 阶符 + 阶码 + 数符 + 尾数组成,范围由阶码确定,数值精度由尾数确定 规格化表示里,正数的补码为 0.1xxx,负数的补码应为 1.0xxx(取反+1后,第一个小数位还是1) 对阶,两个数的阶码需要相同,小阶码向大阶码看起,阶码加几位,尾数右移几位,注意溢出。 结果做规格化,尾数就可以直接相加 如果阶码(包括阶符)由 R 位移码表示,尾数(包括数符)由 M 位补码表示,则浮点数数值范围: 最大正数:(1-2(-M+1))*2^(2^(R-1) -1) 最小负数:-1*2^(2^(R-1) -1)

校验码

码距指编码 A -> 编码 B 需要改变的位的数,比如 00->01 的码距为1,因为只改变一位

奇偶校验码

奇偶校验码,指的是多一个位来使1的个数为奇数或者偶数,相当于把变化的码距由1变为2,只能校验正确性不能纠错,但有问题,比如刚好改了两个位,奇偶校验是看不出来的。

CRC 校验(重点)

CRC 校验,只能校验不能纠错,原理是把原码除以本源多项式,所得余数即为 CRC 校验码。 实际做题会比较简单,直接拿着数字除即可,多项式有n位,原码后补充 n-1 个0,CRC 结果也需要补齐到 n-1 位,左侧补0。 参考:https://blog.csdn.net/u013073067/article/details/86621770

海明码(重点)

海明码:原理是通过奇偶校验位,以及固定位填充数据扩大码距,从而达到校验和纠错的目的。 校验位于从低往高数,2^n 方位都是校验位,从0次方开始,1/2/4/8/16,其余位用于填充数据。 基于这个原理有个结论,海明码的校验位 k,数据位 n 满足 2^k > n+k,因为 2^k 是临界点,对应下一个校验码。 具体的算法就是,每一个校验位对应 2^k,那么其左侧的包含 2^k 的所有数据都要拿过来做顺序的疑惑,详见截图。 位于从右往左数位于第四位的校验码,即为 5/6/7 这三个位的值异或而来,1 xor 0 = 1, 1 xor 1 =0,也可以理解为奇数个 1为1,偶数个1 为0,因为 5 = 4 + 1, 6 = 4 + 2, 7 = 4 + 2 + 1 同理,位于从右往左数位于第二位的校验码,就要找解构后包含 2 的位,即为 3/6/7 异或而来,所以为0 再同理,位于第一位的校验码,找解构后包含1的位,即 3/5/7 异或而来,所以为 1 如果接收方发现数据位算出来的校验位非全0(因为算上校验位和校验位对应的位,一定是偶数个1),那么接收方拿到的校验位,比如是 100,那么就说明第 4 位数据有误,需要翻转。 为啥只有一位呢,因为错误的那个位,对应的所有校验位都是错的,比如 7 错了,那么包含他的校验位 4/2/1 都会错,因为 7 = 4 + 2 + 1,而 4/2/1 都错,也就是 111 相当于对应的 2^n 方拼接起来 4 + 2 + 1 = 7。 但这样只能纠错一位,如果两个位都错了,得出来的结果就有问题了。

体系结构

Flynn 分类法,两个指标,指令流和数据流,指令 Instruction,数据 Data,单 Sing,多 M,所以分为 SISD/SIMD/MISD/MIMD 四种类型。 指令对应的是控制部分,数据对应的是处理器,而内存模块是只要指令和数据存在一个是多个,那么就需要是多个。 所以多指令,单数据这个模型不实际,因为指挥者有多个,数据处理却只有一个,但对应后端关联一下,nodejs 这种事件轮询机制,redis 这种单线程处理请求的模式却有点像这个特点。

指令

指令由操作码和操作数组成,指令执行过程,取指->分析->执行 指令寻址 - 顺序,直接从 PC(程序计数器)一条条读取 - 跳跃,特殊的 jump 操作码,跳转到指定的指令上 操作数寻址 - 立即寻址,操作数即为值 - 直接寻址,给到主存地址 - 间接寻址,给到主存地址,其主存对应存放值的真实地址 - 寄存器寻址,存寄存器编号 重点 指令系统,CISC(复杂指令集),RISC(精简指令集) 特点 - CISC 指令数量多,使用频率差距大,可变格式,多种寻址方式,微程序控制实现,成本高 - RISC 指令数量少,使用频率差不多,格式少,寻址方式少,寄存器多,硬件实现逻辑,适合指令流水线,可以进行编译优化,支持高级语言 指令流水线是指 取指->分析->执行 这三个过程可以叠加在同一时间并行执行,A指令分析时,B指令就可以取指了。 流水线周期,指的是 取指->分析->执行 中最长过程的执行事件,因为这三个执行过程会相互影响和等待。 指令执行时间,n个指令的总执行时间为 一个完整的指令执行时间 + (n-1) * 流水线周期 吞吐率,指令执行数量/指令执行时间 加速比,不适用流水线时间/用了流水线的时间 如果有超标量流水线,比如同时能3个一起执行,那么总执行时间为 一个完整指令执行时间 + ceil((n-1)/3) * 流水线周期

存储

金字塔型是为了解决容量和速度的矛盾,从上到下,容量+,速度-。 为什么要做缓存,因为存储有局部性原理,也就是 CPU 在运行时,会倾向于访问较小的局部空间地址。

  • 时间局部性原理,如果一个数据项正在被访问,不短的将来,可能会被再次访问
  • 空间局部性原理,一个数据被访问,与之相邻的数据可能被再次访问

因为 CPU 访问 cache 的时候,用的是主存地址,那么缓存需要将主存地址映射到自己的空间内以查看是否存在,这个映射由硬件完成,主要有如下几种方案。

  • 直接映射法,将主存分为 M个区和 N个块,缓存也分块分组,直接对应到主存的某块内存,缺点是浪费资源,因为有些分组可能用得很少
  • 全相连映射法,主存直接分块,缓存记录这是在主存的哪个块,可以随意映射,缺点是慢,但不容易冲突
  • 组相连映射法,结合上述两者,先给主存和缓存分组分块,然后在每一组内,进行不固定块的全相联映射,确保一个组内尽可能高的利用率,但又不至于数据规模过大导致缓存读写缓慢。

存储相关的计算

如何计算主存容量呢,容量 = 内存单元 * N字节编址,做下单位转换即可 需要用多少存储芯片,主存容量除以存储芯片容量即可

总线

总线分三类

  • 内部总线,芯片级别总线,芯片与处理器间通信的总线
  • 系统总线,连接各个组件
    • 数据总线,并行处理数据的大小
    • 地址总线,可管理内存的大小
    • 控制总线,传递控制命令
  • 外部总线,设备一级的,SCSI/USB 等

安全性可靠性

可靠性分析

平均无故障时间 MTTF = 1/失效率 平均故障修复时间 MTTR = 1/修复率 平均故障间隔 MTBF = MTTF + MTTR 系统可用性 MTTF/(MTTF + MTTR) * 100% 串联、并联、混合,串联是一个不可靠,全都不可靠,并联是全部不可靠才会让系统不可靠,混合就是两个可靠性公式组合在一起。 串:R=R1*R2; 并:R=1- (1-R1)*(1-R2) 混:R=R1*(1- (1-R2)*(1-R3))

网络安全

网络安全五要素

  • 保密性,最小授权,信息加密,物理加密
  • 完整性,传输正确无误
  • 可用性,合法用户能以合法的方式访问数据
  • 可控性,控制授权范围内信息流向及行为方式
  • 不可抵赖性,信息参与者不能否认自己的行为,参与者身份真实有效

网络安全分类

  • 重放攻击 ARP
  • 拒绝服务 DOS
  • 窃听
  • 业务流分析
  • 信息泄露
  • 破坏信息完整
  • 非授权访问
  • 假冒
  • 旁路攻击
  • 授权侵犯,不是按照设计的授权去做应该做的事
  • 木马
  • 陷阱门,隐藏逻辑
  • 抵赖(侵犯不可抵赖性)

加密和认证

常见对称加密算法:

  • DES
  • 3DES
  • AES
  • RC-5
  • IDEA 算法

常见非对称算法:

  • RSA
  • PGP
  • ECC 椭圆曲线
  • Elgamal
  • 背包算法、Rabin、D-H 等

数字签名

基于非对称加密,信息发送方私钥加密报文签名,公钥公开出去,接收方用公钥解密得到可信的报文签名即可。 由 CA 认证过的数字证书,以避免信息发送方的公钥私钥被替换,用户会从 CA 下载公钥,并用 CA 的公钥验证真实性。 PKI 公钥基础设施 KMC(Key Mangement Center,密钥管理中心) KMI,由 KMC 提供的密钥管理服务 三大功能 - 核实发送者报文签名,验证来源真实姓 - 发送方无法抵赖对报文的签名 - 数据摘要能正常的被公钥解密则表明未被篡改

总结

计算机组成结构是比较重点的一个章节,分值比较高,主要复习大学时期组成原理以及部分网络原理的内容。

本文作者:Jeffrey Wang
本文链接:https://blog.wj2015.com/2022/03/27/%E3%80%90%E8%BD%AF%E8%80%83%E7%9F%A5%E8%AF%86%E6%80%BB%E7%BB%93%E3%80%91%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BB%84%E6%88%90%E7%BB%93%E6%9E%84/
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