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1、第一章 计算机系统知识1. 计算机体系结构（计算机系统结构） 属性：硬件所能处理的数据类型、所能支持的寻址方式、CPU的内部寄存器、CPU的指令系统、主存的组织与主存的管理、中断系统的功能、输入输出设备及连接接口、计算机特性结构类型。 分类：(1)Flynn分类法(1966)：指令流、数据流、多倍性按指令流和数据流的不同组织方式分：单指令流单数据流(SISD);单指令流多数据流(SIMD);多指令流单数据流(MISD);多指令流多数据流(MIMD)。 (2)冯式分类法(1972)：最大平行度Pm ：指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。 设每个时钟周期ti 内能处理的二进制位数为
2、pi ，则T个时钟周期内平均并行度为：Pa =(Pi)/T ， 在T 周期内的平均利用率为：u=Pa/Pm=(Pi)/(T*Pm)。平均并行度取决于系统的运行程度，与应用程序无关。 按最大并行度进行分类：字串行、位串行(WSBS):N=1,M=1；字并行、位串行(WPBS):N=1,M1；字串行、位并行(WSBP):N1,M=1；字并行、位并行(WPBP):N1,M1。与计算机组成的区别：前者解决的问题是计算机系统总体上、功能上需要解决的问题，后者要解决的是逻辑上如何具体实现的问题；指令系统的确定属于前者，而指令的具体实现属于后者；主存容量及编址方式的确定属于前者，而具体如何构成主存属于后者。
3、 结构的并行性：内容：同时性、并发性 并行处理分类：存储器操作并行；处理器操作步骤并行(流水线处理机)；处理器操作并行(阵列处理机)。 指令、任务、作业并行（多处理机、分布式系统、计算机网络） 并行性的发展：精简指令集计算机(RISC)、指令集上并行的的超标量处理机、超级流水线处理机、超长指令计算机、多微处理机系统、数据流计算机；大规模并行处理(MPP)的多处理机系统和多计算机系统。2.存储系统：层次结构：CPU寄存器、高速缓存Cache、主存、辅存。 分类：按位置分：内存与外存；按构成材料分：磁盘存储器半导体存储器(元件分双极型和MOS型；数据是否刷新分静态SM和动态DM)光盘存储器按工作方
4、式分：读写只读：固定只读ROM、可编程只读PROM、可擦写可编程只读EPROM、电擦除可编程只读EEPROM、闪存FM按访问方式分：地址访问和内容访问；按寻址方式分：随机（RAM）、顺序(SAM)、直接(DAM)。相联存储器：工作原理：把数据或数据的某一部分作为关键字，将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字。 结构：输入检索寄存器：用来存放要检索的内容（关键字） 屏蔽寄存器：用来屏蔽不参与检索的字段 比较器：比较检索的关键字与存储体的每一单元 存储体：存放信息 匹配寄存器：记录比较的结果 数据寄存器：存放存储体中某一单元的内容 地址寄存器 使相联存储器具有
5、按地址查找的功能 地址译码器 作用范围：高速缓存；虚拟存储器中做段表、页表或快表存储器；DB和知识库。 高速缓存：含义：存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本。特点：容量小，速度快，由快速半导体存储器构成，内容是主存局部域的副本，对程序员是透明的。 组成：控制部分：判断CPU要访问的信息是否在cache存储器中，若在为命中，反之没命中。存储部分：存放主存的部分复制（副本）信息。 地址映像：含义：将主存地址转换成cache存储器的地址。方法：直接映像：优点：地址变换简单；缺点：灵活性差全相联映像：优点：主存的块调入Cache的位置灵活，不受限制； 缺点：无法从主存块号中直接获得Cach
6、e的块号，变换复杂，速度较慢。组相联映像：组用直接映像方式；块用全相联映像方式 替换算法：目标：使cache获得最高的命中率。 类型：随机替换、先进先出、近期最少使用、优化替换 性能分析：等效访问时间ta =Htc+(1-H)tm ，速度提高倍数r=tm/ta （H为命中率，tc为存取时间，tm为主存的访问时间）虚拟存储器：含义:是由主存、辅存、存储管理单元及操作系统中存储管理软件组成的存储系统。 分类：页式：页表硬件少，查表速度快，主存零头少；缺点：分页无逻辑意义，不利于存储保护段式:优点：段的界限分明，支持程序的模块化设计，易编译、修改、保护程序段，便于多道程序的共享；缺点：段的长度不一，
7、主存利用率不高，产生大量内存碎片，造成浪费，段表庞大，查表速度慢。段页式：优点：兼有前两者的优点；缺点：地址变换速度慢。 外存：磁盘存储器：构成：盘片、驱动器、控制器和接口。 类型：软盘、硬盘 光盘存储器：类型：只读型、只写一次型、可擦除型。 组成：光学、电学和机械部件 特点：记录密度高；存储容量大；采用非接触式读/写信息；信息可长期保持； 采用多通道记录时数据传送率可超过200MB/S；制造成本低；对机械结构的精度要求不高；存取时间较长。 磁盘阵列技术：磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成，一个快速大容量高可靠的外存子系统。 常见为廉价冗余磁盘阵列（RAID）,分为6级。3.计算机指令结构: CI
8、SC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机作用：简化了CPU的控制器，提高了处理速度。特点：指令种类少；指令长度固定，格式种类少；采用硬布线控制逻辑；复杂寻址方式少（寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式）；设置最少的访内指令；在CPU内部设置大量的寄存器；非常适合流水线操作。4.输入输出技术：1.微机最常用的内存与接口的编址方式：1） 内存与接口地址独立(隔离)的编址方法：优点：地址清楚，在编程或读程序中很易使用和辨认。缺点：用于接口的指令太少，功能太弱。2） 内存与接口地址统一(混合)的编址方法：优点：原则上用于内存的指令全部可用于接口，大大地增强了接口的操作功能。指令不区分
9、内存或接口指令。缺点：地址空间分为两部分，使内存地址不连续。内存与接口指令相同，读程序时指令难辨认。 2.直接程序控制：无条件传送程序查询方式：缺点：降低了CPU的效率；对外部的突发事件无法做出实时响应。 3.中断方式：缺点：CPU必须等待I/O系统完成数据传输任务，整个系统的性能严重下降。 处理方法：多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法、中断向量表法。 优先级控制：当不同优先级的多个中断源同时提出请求时，CPU应优先响应优先级最高的中断源；中断嵌套。 4.DMA方式：在进行数据传送时，CPU让出总线的控制权，由硬件中的DMA控制器接管总线控制权。 5.输入输出处理机(IOP)
10、:功能：提高主机的工作效率。 数据传送方式：字节多路方式、选择传送方式、数组多路方式5.流水线：指令流水线：将一条指令分解成一连串执行的子过程，在CPU中变一条指令的串行子过程为若干条指令的子过程在CPU中重叠执行。 采用时间重叠技术。 流水技术的特点：流水线可分成若干个相互联系的子过程；实现子过程的功能所需时间尽可能相等；形成流水处理需要一段准备时间；指令流发生不能顺序执行时，会使流水过程中断，再形成流水过程则需要时间。 分类：计算机流水线技术包括指令流水线和运算操作流水线。 流水线结构的分类：按完成的功能分：单功能流水线、多功能流水线 按同一时间内各段间的连接方式分：静态流水线、动态流水线
11、 按数据表示分：标量流水处理机、向量流水处理机 流水线处理机的主要指标：吞吐率：指单位时间里流水线处理机流出的结果数。建立时间:T0=mt0阻塞流水线情形引起：执行转移指令和共享资源冲突。6.总线结构：含义：任何连接两个以上电子元器件的导线。 分类：芯片内总线元件级总线 内(系统)总线：专用标准：ISA（工业标准）总线、 EISA总线、 PCI总线 外(通信)总线：RS-232C：（串行）传输线较少、传送距离远、多种可供选的传送速率、较好的抗干扰性。SCSI总线：（并行）USB：（串行）支持即插即用，并支持热插拔IEEE-1394（串行）支持即插即用，并支持热插拔7.多处理机与并行处理：阵列(
12、并行)处理机：将重复设置的多个处理单元按一定方式连成阵列，在单个控制部件控制下，对分配给自己的数据进行处理，并行地完成一条指令所规定的操作。 SIMD计算机的互联网络：设计目标：结构简单、灵活；处理单元间信息传送的步骤尽可能少。 类型：立方体单级互连网络、PM2I单级互连网络、混洗交换单级互联网络 多处理机：互连条件：高频带、低成本、连接方式的多样性、在不规则通信情况下连接的无冲突性分类：异构型(非对称型)、同构型(对称型)、分布式处理系统。 结构：总线式结构（单总线、多总线、分级式、环式）、交叉开关结构、多端口存储器结构、开关枢纽式结构 特点：结构灵活性、程序的并行性、并行任务派生、进程同步
13、、资源分配和任务调度 并行处理机：结构：具有分布式存储器的并行处理机结构：具有共享存储器的并行处理机结构 特点：资源重复、连接模式、专用性、复合性 8.计算机安全：信息安全的基本要素：机密性、完整性、可用性、可控性、可审查性 安全等级：A1可验证安全设计、B3安全域、B2结构化安全保护、B1 标记安全保护、C2 受控访问控制、C1 自主安全保护、D 无安全功能 安全威胁：类型：故意；偶然 实例：授权侵犯、拒绝服务、窃听、信息泄露、截获/修改、假冒、否认、 非法使用、人员疏忽、完整性破坏、媒体清理、物理入侵、资源耗尽 影响数据安全的因素：内部、外部9.数据加密技术：含义：对明文（未经加密的数据）按照某种加密算法（数据的变换算法）进行处理，而形成难以理解的密文（经加密后的数据）。内容：加
