软件设计师笔记系列（一）

前言
在日常生活和工作中，我们依赖于各种各样的计算机系统来完成一系列复杂的任务。计算机系统不仅仅是硬件设备的集合，它还包括一系列用于协调硬件工作的软件和协议。了解计算机系统的基础知识，包括其构造和功能，是理解现代技术世界的关键步骤。在这一章节中，我们将探讨计算机系统的核心组件和原理，从中央处理单元（CPU）的功能和组成，到数据表示、存储系统、计算机体系结构的发展和安全认证技术等方面。通过深入理解这些基本概念，我们可以更好地理解计算机系统的工作机制和其在我们生活中的作用。

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第一章 计算机系统知识（5~6分）

1.1 计算机系统基础知识

1.1.2中央处理单元

中央处理单元（CPU)是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

例：计算机执行指令的过程中，需要由A 产生每条指令的操作信号并将信号送往相应的部件进行处理，以完成指定的操作。（2019年上半年）

A. CPU 的控制器　　　B. CPU的运算器

C. DMA 控制器　　　　D. Cache 控制器

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

运算器由算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成。

例：在CPU中，常用来为ALU执行算术逻辑运算提供数据并暂存运算结果的寄存器是**D **.(2014年上半年）

A. 程序计数器　　　　B. 状态寄存器

C. 通用寄存器　　　　D. 累加寄存器

2)控制器

控制器用于控制整个 CPU 的工作，它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。

例：在 CPU 中，B 不仅要保证指令的正确执行，还要能够处理异常事件。(2012年下半年)

A. 运算器　　　　　B. 控制器

C. 寄存器组　　　　D. 内部总线

例：计算机指令一般包括操作码和地址码两部分，为分析执行一条指令，其 C。(2010年上半年)

A. 操作码应存入指令寄存器（IR)，地址码应存入程序计数器（PC）

B. 操作码应存入程序计数器（PC），地址码应存入指令寄存器（IR）

C. 操作码和地址码都应存入指令寄存器（IR）

D. 操作码和地址码都应存入程序计数器（PC）

1.1.3 数据表示

按权展开求和　n进制 -> 十进制　　每一位八进制数与三位二进制数对应

除n取余法　十进制 -> n进制　　每一位十六进制数与四位二进制数对应

计算机的基本单位

位（比特）bit b　字节byte B 千字节 KB 兆字节 MB 吉字节 GB 太字节 TB

1 B = 8 b 1 KB = 1024 B 1 MB = 1024 KB 1 GB = 1024 MB 1 TB = 1024 GB

补码再取补码等于源码。

±0的移码相同

采用补码可以简化计算机运算部件的设计。

寻址(P 20)：

• 立即寻址：操作数就包含在指令中。
• 直接寻址：操作数存放在内存单元中，指令中直接给出操作数所在存储单元的地址。
• 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。
• 寄存器间接寻址：操作数存放在内存单元中，操作数所在存储单元的地址在某个
  寄存器中。
• 间接寻址：指令中给出操作数地址的地址。
• 相对寻址：指令地址码给出的是一个偏移量（可正可负)，操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量。
• 变址寻址：操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量。

1.1.4 校验码

1. 奇偶校验码：只能检错，不能纠错
2. 海明码：码距 = 2 ，检错能力 码距 >= 3，才有可能有纠错能力
3. 循环冗余校验码： 可以检错，但不能纠错

1.2 计算机体系结构

1.2.1 计算机体系结构的发展

CISC (Complex Instruction Set Computer) 和 RISC (Reduced Instruction Set Computer)

	RISC精简指令集计算机	CISC复杂指令集计算机
指令种类	少、精简	多、丰富
指令复杂度	低（简单）	高（复杂）
指令长度	固定	变化
寻址方式	少	复杂多样
实现（译码）方式	硬布线控制逻辑（组合逻辑控制器）	微程序控制技术
通用寄存器数量	多、大量	一般
流水线技术	支持	支持

1.2.2 存储系统

1. SRAM（静态随机存储器）
2. DRAM（动态随机存储器）
3. RAM（读/写存储器）
4. ROM（只读存储器）
5. PROM（可编程的只读存储器）

按寻址方式分类

• 随机存储器（RAM）
• 顺序存储器（SAM）
• 直接存储器（DAM）

Cache 与主存地址的映射是由硬件自动完成的
数据总线：数地控，数据总线、地址总线和控制总线

指令的流水线处理

1.顺序方式 2.重叠方式 3.流水方式

中断

输入输出(I/O)控制方式

1. 程序查询方式

• CPU和 I/O（外设）只能串行工作 CPU需要一直轮询检查，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

2. 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 利用率得到提升

• 一次只能 读/写 一个字

• 由 CPU 将数据放入内存

3. 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
  

1.3 全性、可靠性与系统性能评测基础知识

1.3.2 加密技术和认证技术

加密技术与认证技术

• 加密技术：
  1. 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
     密钥分发有缺陷 1. 加密解密速度很快 2. 适合加密大量明文数据
  2. 非对称密钥（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
     密钥分发没有缺陷 1.加密解密速度很慢
  3. 混合加密
• 认证技术：
  1. 摘要：将发送的明文进行Hash算法后得到的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。
  2. 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
     接收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，否则该消息的真实性为假冒发送。
  3. 数字证书：用户向CA（权威机构）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。

认证是处理主动攻击

对称密钥（私钥、私有密钥加密）算法（共享密钥加密算法）	非对称密钥（公钥、公开密钥加密）算法
DES	RSA
3DES	ECC
RC-5	DSA
IDEA	Hash函数
AES	MD5 摘要算法（128位散列值）
RC4	SHA-1 安全散列算法

1.3.3 计算机可靠性

计算机可靠性模型

串联系统：

$R=R_1{R}_2\cdot \cdot \cdot Rn$

并联系统：

$R=1-(1-R_1)(1-R_2)\cdot \cdot \cdot (1-Rn)$

总结

经过这一章节的学习，我们已经对计算机系统的基本构造和工作原理有了深刻的理解。我们探讨了CPU的核心功能和组成，理解了数据的不同表示方式和转换方法，同时也了解了计算机体系结构的历史和发展。通过对不同的存储系统和I/O控制方式的学习，我们学到了计算机如何有效地管理和存储数据。最后，我们还介绍了一些基本的安全和认证技术，包括加密技术和认证技术，帮助我们更好地保护数据和信息安全。希望这一章节能为您提供一个坚实的基础，为深入探讨更多高级主题做好准备。

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