计算机硬件知识基础

• 计算机基本硬件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

中央处理器

• CPU：
  1）组成：运算器、控制器、寄存器组和内部总线
  2）功能：程序控制、操作控制、事件控制、数据处理（数据加工处理事CPU最根本的任务，包括算术运行和逻辑运算）
• 运算器：
  1）组成：算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器
  2）功能：算术运算、逻辑运算
• 控制器：
  1）组成：指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、指令译码器
  2）功能：决定计算机运行过程的自动化，保证程序正常运行和处理异常，过程为取指令、指令译码、按指令操作码执行、行程下一条指令地址等
• 指令寄存器：当CPU执行一条指令时，先把指令从内存读取到缓冲寄存器中，再送入指令寄存器暂存
• 程序计数器：在程序开始执行前，将程序的起始地址送入程序计数器，CPU将自动改写程序计数器的值，以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。
• 寄存器：分专用寄存器和通用寄存器，运算器和控制器用的是专用寄存器，作用是固定的
• 多核CPU的最大优点是满足用户同事进行多任务处理等要求

存储器

• 按位置分类：内存（主存）、外存（辅存：磁盘、磁带、光盘等）
• 按构成分类：磁存储器、半导体存储器、光存储器
• 按工作方式分类：读写、只读（固定只读、可编程只读、可擦除可编程只读、电擦除可编程只读、闪速存储器）
• 按访问方式分类：按地址访问、按内容访问
• 按寻址方式分类：随机存储器、顺序存储器、直接存储器

总线

• 总线分类：数据总线、地址总线、控制总线

输入输出控制

• I/O设备分为块设备和字符设备
• CPU与I/O设备中的寄存器或者数据缓冲区通信方式：直接从设备读取或通过内存读取
  1）为每个控制器分配I/O端口，操作系统通过特殊指令和端口从设备读取或者写入数据
  2）将所有控制器的寄存器映射到内存空间，那每个设备的寄存器都有唯一的地址，称为内存映射I/O
• 程序控制I/O
  1）无条件传送：外设总是准备好，无条件接受和输入
  2）程序查询方式：需要通过CPU执行程序查询外设是否准备好
• 中断方式
  1）多中断信号线法
  2）中断软件查询法
  3）菊花链法
  4）总线仲裁法和终端向量表发
• DMA（直接内存存取）方式：指数据在内存与I/O设备直接成块传输，不需要CPU干涉，DMA传输过程中整个系统总线交给了DMAC，在DMA传输数据期间，CPU不能使用总线。过程如下：
  1）外设向DMA控制器啊提出DMA传输请求
  2）DMA控制器向CPU提出请求
  3）CPU在完成当前总线周期后立即对此请求进行响应
  4）DMAC获得对系统总线控制权
  5）DMAC送出地址信号和控制信号
  6）当DMAC将规定的字节数传送完，并撤销对CPU的请求

计算机体系结构

• 按处理机数量分类：单处理系统、并行处理与多处理系统、分布式处理系统
• 按并行程度分类：Flynn分类法、冯泽云分类法、Handler分类法、Kuck分类法

CISC与RISC

• 指令集体系结构是只一个处理器支持的指令和指令的字节编码
  1）CISC（Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）：增强原有指令功能，用更为复杂的指令实现软件的功能硬化，X86就属于CISC

弊端包括：
1.指令集过分庞杂
2.每个复杂指令都需要解析性微程序才能完成，需要多个CPU周期，处理周期长
3.高级语言程序选择目标指令范围大，导致编译程序冗长复杂，难以优化
4.CISC强调完善的中断控制，研制周期长
5.给芯片设计打来困难，成本底稿

2）RISC（Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机）：通过减少指令总数和指令功能，降低硬件设计复杂度，是指令能单周期执行，并通过优化编译提高执行执行速度，ARM属于RISC。

关键技术如下：
1.重叠寄存器窗口技术
2.优化编译技术
3.超流水线及超标量技术
4.硬布线逻辑和微程序相机和在微程序技术中

流水线技术

• 流水线方式：把重复的书按需处理过程分解成若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作
• 流水线种类：
  1）按级别分：部件级、处理机级、系统级
  2）按功能分：单功能流水线、多功能流水线
  3）按联接方式：静态、动态
  4）按是否有反馈回路：线性、非线性
  5）流动顺序：同步、异步
  6）数据表示：标量流水线、向量流水线

• 流水线计算

  
  image.png
  image.png

阵列处理机、并行处理机和多处理机

• 并行性包括同时性和并发性：
  1）同时性：两个或两个以上的时间同一时刻发生
  2）并发性：两个或两个以上时间在同一时间间隔内连续发生
• 并行处理可分为以下几类：
  1）存储器操作并行
  2）处理器操作步骤并行（流水线处理机）
  3）处理器操作并行（阵列处理机）
  4）指令、任务、作业并行（多处理机、分布处理系统、计算机网络）

存储系统

• 存储器结构：CPU寄存器、高速缓冲存储器、主存（内存）、磁盘、磁带与光盘
• 高速缓存用来放当前最活跃的程序和数据
  1）容量在几千字节-几兆
  2）速度比主存快5-10倍，由快速半导体存储器构成
  3）内容是主存的局部副本，对程序员透明
• Cache的地址映像方法：直接映像、全相联映像、组相联映像
• 高速缓存替换算法：随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法、优化替换算法
• 磁盘阵列是有多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统

1）RAID-0是一种不具备容错能力的磁盘阵列，其平均故障间隔时间是单个磁盘存储器的N分之一，但数据传输率是单个盘存储器的 N倍
2）RAID-1：采用镜像容错改善可靠性
3）RAID-2：采用海明码作错误检测
3）RAID-3：减少了用于检验的磁盘存储器的台数，从而提高了有效容量，一般只用一个检验盘
4）RAID-4：可独立地对组内各磁盘进行读写的磁盘阵列，该阵列也只用一个检验盘
5）RAID-5：不设置专门的检验盘，同一台磁盘上既记录数据也记录检验信息，这就解决了前面多台磁盘机争用一台检验盘的问题
6）RAID-6：采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，使在两个盛盘出现故障时仍然能够正常工作。在进行写操作时，RAID-6分别进行两个独立的校验运算形成两个独立的冗余数据，写入两个不同的磁盘

计算机安全

• 计算机系统中的三类安全指的是：技术安全性、管理安全性、政策安全性
• 安全评估准则包括：
  1）《可信计算机系统评估准则》
  2）《可信计算机产品评估准则》
  3）《联邦（最低安全要求）评估准则》
  4）《信息技术安全评估准则》
  5）《信息技术安全评估通用准则》 - 纳入国际标准
• 信息安全基本五要素：机密性、完整性、可用性、可控性、可审查性

• 加密技术：
  1）对称加密：文件加解密用的是相同密钥对称加密算法包括 - 数据加密标准算法DES、三重DES、RC-5、高级加密标准AES
  2）非对称加密：需要有2个密钥，一个是公开密钥，一个是私有密钥，两者可分别用于加解密，加解密过程需要配对使用。不适用用于文件加解密，只适合少量数据。RAS是公钥加密算法的一种

  
  image.png
• 密钥管理包括：密钥产生、密钥备份、密钥恢复和密钥更新
• SSL协议提供服务包括：
  1）用户和服务器的合法认证
  2）加密数据以隐藏呗传送的数据
  3）保护数据的完整性
• 提高计算机的可靠性一般采取：提高元器件质量和发展容错技术
• 性能评测方法：时钟频率、指令执行速度、等效指令速度法、数据处理速率法（PRD值越大，机器性能越好）、核心程序法

核心程序法以外的所有评估方法主要针对CPU，核心程序法可以综合评测整个计算机中的各个结构的性能

• 系统可靠性数学模型：
  1）串联系统：由N个子系统组成，只有当每个子系统都正常工作，系统才能正常运作

串联系统可靠性R度衡量值计算公式：R=R₁R ₂...Rₙ
串联系统失效率计算公式：λ=λ1+λ2+...+λn

2）并联系统：由N个子系统组成，只要有一个子系统正常运作，则系统正常运作

并联系统可靠性R度衡量值计算公式：R=1-(1-R₁)(1-R₂)...(1-Rₙ)