软件设计师——第一章 计算机网络概述

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

1.1.2 中央处理单元

中央处理单元(CPU)：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
1.CPU的功能

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
(1) 运算器

(2) 控制器
控制器用于控制整个CPU的工作，决定了计算机运行过程的自动化。 它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件

• 指令寄存器(IR)：保存当前正在执行的一条指令
• 程序计数器(PC)：用于存放下一条指令所在单元的地址的地方
• 地址寄存器(AR)：保存当前CPU所访问的内存单元的地址
• 指令译码器(ID)：对指令的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体控制信号，控制各部件工作，完成所需功能
  (3) 寄存器组
  

1.1.3 数据表示

1. 原码，反码，补码，移码
   符号位：如果机器字长为n，则最高位（或最左边的第一位是符号位：0表示正号，1表示负号) 。
   原码：原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示数值绝对值. 如果机器字长n=8

数值	原码	数值	原码
+0	00000000	-0	10000000
+1	00000001	-1	10000001
+127	01111111	-127	11111111
+45	00101101	-45	10101101
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>1000000

反码：正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位取反。

数值	反码	数值	反码
+0	00000000	-0	11111111
+1	00000001	-1	11111110
+127	01111111	-127	10000000
+45	00101101	-45	11010010
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>01111111

补码：正数的补码与其原码相同，负数的的补码则等于其反码的末尾加1。

数值	补码	数值	补码
+0	00000000 (唯一)	-0	00000000
+1	00000001	-1	11111111
+127	01111111	-127	10000001
+45	00101101	-45	11010011
+0.5	0<>1000000	-0.5	1<>1000000

移码：只要将补码的符号位取反便可获得相应的移码表示。

数值	移码	数值	移码
+1	10000001	-1	01111111
+127	11111111	-127	00000001
+45	10101101	-45	01010011
+0	10000000	-0	10000000

2. 数值表示范围
   机器字长为n时各种码制表示的带符号数的范围

码制	定点整数	定点小数
原码	- (2n-1-1) ~ + (2n-1-1)	- (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1))
反码	- (2n-1-1) ~ + (2n-1-1)	- (1-2-(n-1)) ~ +(1-2-(n-1))
补码	-2n-1 ~ +(2n-1-1)	-1 ~ +(1-2-(n-1))
移码	-2n-1~ +(2n-1-1)	-1 ~ +(1-2-(n-1))

3. 浮点数表示
N = 尾数x基数^指数
例如 3.14 X 10³

a. 运算过程
对阶 > 尾数计算 > 结果格式化
b. 特点

• 一般尾数用补码，阶码用移码。
• 阶码的位数决定数的表示范围，位数越多范围越大。
• 尾数的位数决定数的有效精度，位数越多精度越高。
• 对阶时，小数向大数看齐。
• 对阶是通过较小数的尾数算术右移实现的。
  c. 存储格式
  

1.1.4 校验码

1. 奇偶校验码
   可以检错，不能纠错
   通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验），从而使码距变为2。
2. 海明码
   可以检错和纠错
   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。
   设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足：2^k- 1 ≥ n + k。
3. 循环冗余校验码(CRC）
   广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统中。它利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位来进行编码，其编码长度为k+r。
   

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。若信息码占k位，则校验码就占n-k位。其中，n为CRC码的字长，所以又称为（n，k）码。校验码是由信息码产生的，校验码位数越多，该代码的校验能力就越强。在求CRC编码时，采用的是模2运算。

1.2 计算机体系结构

1.2.1 计算机体系结构的发展

1. 计算机体系结构的分类
   
2. Flynn分类法

体系结构类型	结构	关键特性	代表
单指令流单数据流（SISD）	控制部分：一个 处 理 器： 一个 主存模块：一个		单处理系统
单指令流多数据流（SIMD）	控制部分：一个 处 理 器： 多个 主存模块：多个	各处理器以异步的形式执行同一条指令	并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机
多指令流单数据流（MISD）	控制部分：多个 处 理 器： 一个 主存模块：多个	被证明不可能，至少是不实际	目前没有，有文献称流水线计算机为此类
多指令流多数据流（MIMD）	控制部分：多个 处 理 器： 多个 主存模块：多个	能够实现作业，任务，指令等各级全面并行	多处理机系统

4. 指令系统
   a. 指令集体系结构(ISA)：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。
   
   b. CISC和RISC
   CISC和RISC是指令集发展的两种途径。

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其他
CISC（复杂指令集计算机）	数量多，使用频率差别大可变长格式	支持多种	微程序控制技术	研制周期长
RISC（精简指令集计算机）	数量少，使用频率接近定长格式，大部分为单周期指令操作寄存器，只有Load/Store操作内存	支持方式少	增加了通用寄存器硬部线逻辑控制为主适合采流水线	优化编译有效支持高级语言

c. 指令的流水控制

RISC采用的流水技术有：超流水线，超标量和超长指令字。
d. 吞吐率和流水建立时间
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。

1.2.2 存储系统

1. 存储器的分类
   
2. 相联存储器
   相联存储器是一种按内容访问的存储器。
   
3. 高速缓存
   
4. 虚拟存储器
   虚拟存储器技术是把很大的程序(数据)分成许多较小的块，全部存储在辅存中。运行时把要用到的程序(数据)块先调入主存，并且马上就要用到的程序块从主存调入高速缓存。这样就可以一边运行程序，一边进行所需程序(数据)块的调进或调出。
   
5. 外存储器
   
6. 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，高可靠的外村子系统，常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列(RAID)。

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式
   
2. 直接程序控制
   直接程序控制是值外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。
   
3. 中断方式
   中断方式即由程序控制I/O的方法，缺点在于CPU必须等待I/O系统完成数据的传输任务，而且要定期查询I/O系统的状态，确认传输是否完成。因此大大降低了整个系统的性能。
   a. 中断处理方法
   
   b. 中断优先级控制
   
4. 直接存储器存储方式
   
5. 输入/输出处理机(IOP)
   IOP数据传送的方式包括字节多路方式，选择传送方式和数组多路方式。

1.2.4 总线结构

一般来说，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。微机中的总线分为数据总线、地址总线、控制总线。

1.3 安全性，可靠性与系统性能测评

1.3.1 计算机安全概述

计算安全指的是计算机资产安全，是要保证这些计算机资产不受自然和人为的有害因素的威胁和危害。

1. 信息安全的基本要素
   
2. 安全威胁

   威胁	说明
   授权侵犯	为某一特权使用一个系统，却将该系统用作其他未授权的目的
   拒绝服务	对信息或其他资源的合法访问被无条件地拒绝，或者推迟与时间密切相关的操作
   窍听	信息从被监视的通信过程中泄露出去
   信息泄露	信息被泄露或暴露给某个未授权的实体
   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
   假冒	一个实体(人或系统)假装成另一个实体
   否认	参与某次通信交换的一方否认曾发生过此次交换
   非法使用	资源被某个未授权的人或未授权的方式使用
   人员疏忽	一个授权的人为了 金钱或利益，或者由于粗心将信息泄露给未授权的人
   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
   媒体清理	从废弃的或打印过的媒体中获得信息
   物理入侵	一个入侵者通过物理控制而获得对系统的访问
   资源耗尽	某一资源(如访问端口)被故意超负荷使用，导致其他用户的服务被中断

1.3.2 加密技术和认证技术

1. 加密技术
   
   a. 对称加密算法
   
   b. 非对称加密算法
   ​ 与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥和私有密钥。两者是一对，如果公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，只有用对应的公开密钥才能解密。
   
2. 认证技术
   a. PKI的基本构成
   
   b. 数字签名
   

1.3.3 计算机可靠性

1. 串联系统可靠性（R）与失效率（λ）
   
2. 并联系统可靠性（R）与失效率（μ）
   

1.3.4 计算机系统的性能评价