前言

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计算机硬件组成

运算器、控制器、存储设备、输入设备、输出设备

存储器：内部存储器（内存，存储临时数据）、外部存储器（硬盘、固态、光盘，长期存储数据）

输入设备、输出设备合称 外部设备

主机： CPU + 主存储器

中央处理单元CPU

组成：运算器、控制器、寄存器组、内部总线

功能：程序控制、操作控制、时间控制、数据处理等

运算器组成：算术逻辑单元ALU、累加计算器AC【简称累加器，源操作数和结果暂存在此】、数据缓冲寄存器DR、状态条件寄存器PSW

运算器功能：算术运算、逻辑运算及逻辑测试

控制器组成（最重要部件）：指令寄存器IR Instruction Register【暂存CPU指令】、程序计数器PC Program Counter【存储指令的地址】、地址寄存器AR Address Register【CPU访问的内存地址】、指令译码器ID Instruction Decoder【分析指令操作码】

控制器功能：控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制、时序控制等

进制转换

二进制BIN，0b

八进制OCT，7O

十进制DEC，9

十六进制0x或H， 0x18F 18FH

X进制转10进制：

例如18FH，1*16^2+8*16^1+15*16^0=399

10进制转X进制：除X取余，余数倒数。200转八进制

M转N：先转到10进制

直接转换

二进制转八进制（2^3 = 8）：每三位二进制可转为一位八进制，不够在前面补0。

01101b → 001 101 → 1*2^0 1*2^0+1*2^2 = 15(八进制)

二进制转16进制（2^4 = 16）：

101101 → 0010 1101 → 1*2^1 + (1*2^0+1*2^2+1*2^3) = 2D

小数部分的转换：不考

数的表示

机器数：二进制 0 1，有符号，无符号

真值：机器数对应的实际数值

数的编码方式

带符号数：8位寄存器

原码：正常二进制表示，最高位表示符号位。0的源码：+0（0 0000000）、-0（1 0000000）

反码：正数的反码就是原码；负数的反码是在原码基础上，除符号位以外按位取反。0的反码：+0（0 0000000）、-0（1 1111111）

补码：正数的补码还是原码；负数的补码是在原码的基础上，除符号位以外，按位取反再加1，即反码+1，可能会出现进位。0的补码只有一种形式 +0（0 0000000）、-0（1 1111111 + 1 →10 0000000→9位，溢出，存不进去，还是 0 0000000）

移码：用作浮点运算的阶码，无论正负数，原码的补码的首位（符号位）取反

±0的补码和移码相同

浮点数

N = F * 2^E，E阶码（带符号纯整数），F尾数（带符号纯小数）

阶符 阶码 数符 尾数

数值范围由阶码确定，数值精度由尾数确定

尾数采用规格化方法

浮点数的运算：

对阶，使两数阶码相同，小阶看齐大阶，尾数右移尾数计算结果规格化，转换成1.0xxx或者0.1xxx

算术运算和逻辑运算

逻辑与 &

逻辑或 |

亦或⊕：相同为0，不同为1

逻辑非

左移<<：二级制数整体左移n位，高位若溢出则舍去，低位补0

右移>>：二级制数整体右移n位，低位若溢出则舍去，高位补0

校验码

码距：A码转换到B码‘需要改变的位数。例如00到11，需要改变两位，则码距为2。一般而言，码距越大，越利于纠错和检错。

奇偶校验码：在编码中增加1位校验位使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验）。缺陷：只能检测到1位错，且无法纠错（01101 | 0 -> 00111 | 0都是3个1，检测不出来）

循环冗余校验码CRC：能检错不能纠错

x^4+x^3+0*x^2+x^1+x^0 → 11011

在原始报文后加（多项式位数-1）位的0，因此+4个0

从原报文第一位开始，每次用多项式进行模2除法运算，相同为0，不同为1，不产生借位。每次结果舍弃最高位的0，再补够多项式的位数，一直减到最后一位，得出的结果加在原报文后面，整体就是最终编码。

由于不能除尽的数已经被计算出来了，所以发送的数据一定能被多项式除尽。能除尽表示正确。

海明校验码：利用奇偶性来检错和纠错。数据n位，校验位k位：2^k -1>=n+k。

计算机体系结构

S：simple I：instructions D：data M：multiple

多指令：多个控制部分

多数据：多个处理器处理

存储模块，控制部分、处理器有一个多个，它就多个

计算机指令

组成：操作码（要完成的操作）+操作数/地址码（参与运算的数据及所在地址）。整条指令以二进制编码形式存在存储器中。

计算机指令执行过程：取指令–分析指令–执行指令。首先将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR；而后由指令译码器ID进行分析，分析指令操作码；最后执行指令，取出指令执行所需的源操作数。

控制器组成（最重要部件）：指令寄存器IR Instruction Register【暂存CPU指令】、程序计数器PC Program

Counter【存储指令的地址】、地址寄存器AR Address Register【CPU访问的内存地址】、指令译码器ID

Instruction Decoder【分析指令操作码】

指令寻址方式（执行方式）

指令寻址方式

顺序寻址：跳跃寻址：jump

指令操作数的寻址方式

立即寻址方式：指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身直接寻址方式：指令的地址码字段直接指出操作数在主存中的地址间接寻址方式：指令的地址码字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址寄存器寻址方式：指令中的地址码是寄存器编号…

★指令系统

CICS：复杂指令系统，兼容性强，指令繁多、长度可变，由微程序实现；RICS：精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现（通用寄存器、硬布线逻辑控制）

指令流水线

原理：将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段

★流水线相关计算

流水线周期：指令分成不同的执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期。

流水线执行时间：1条指令总执行时间+（总指令条数 -1）*流水线周期。

流水线吞吐率：总指令条数/流水线执行时间。

流水线加速比：不使用流水线总执行时间/使用流水线总执行时间。

超标量流水线技术

存储系统

层次结构：

CPU内部通用寄存器

Cache

主存储器（内存）

联机磁盘存储器（外存）（硬盘、固态等）

脱机光盘、磁盘存储器（U盘、光盘等）

从上到下：速度↓价格↓容量↑

计算机采用分级存储体系的目的是为了解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题。

两级存储：Cache-主存、主存-外存

局部性原理：在CPU运行时，所访问的数据会趋向于一个较小的局部空间地址内，包括以下两个方面：

时间局部性原理：在相邻的时间里会访问同一个数据项。（例如循环体）空间局部性原理：在相邻的空间地址会被连续访问。（例如数组、列表等数据结构）

使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理

高速缓存Cache

高速缓存Cache用于存储当前最活跃的程序和数据，直接与CPU交互，位于CPU和主存（即内存）之间，容量小，速度是内存的5-10倍，由半导体材料构成。其内容是主存内容的副本拷贝，对于程序员来说是透明的。

Cache由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断CPU要访问的数据在不在Cache中，在则命中，不在则根据一定的算法从主存中替换。

地址映射：在CPU工作时，送出的是主存的单元地址，而读写操作应在Cache存储器中。这就需要将主存单元地址转换为Cache存储器地址，称为地址映射，由硬件自动完成，分为3类：

直接映射：地址变换简单但不灵活，容易资源浪费。例如第0块已经映射到Cache中，主存其他第0块映射都会被阻塞，因此最容易发生块冲突

全相联映射：主存中任一块都与Cache任一块对应，因此可以随意调入Cache任何位置，但地址变换复杂，速度较慢。因为主存可以调入Cache任一块，只有Cache满了之后才会发生块冲突，因此是最不容易发生块冲突的映射方式。

组相联映射：上面两者组合

Cache地址映射的块冲突概率：直接映射 > 组相联映射 > 全相联映射

Cache命中率

当CPU所访问的数据在Cache中，称为Cache命中，从Cache中读取数据，否则在主存中读取数据。

程序中大部分指令是：顺序存储、顺序执行

主存编址

通过以下例题讲解：

例题：（上半年真题）地址编号从80000H到BFFFFH且按字节编址的内存容量为（5 ）KB,若用16K*4bit的存储器芯片构成该内存，共需（ 6 ）片。

解析：1Byte字节 = 8bit位K：1024 k：1000内存单元个数 = 地址编号大 - 小 + 1 = （BFFFFH - 80000H + 1）= 40000H2^10 = 1024内存容量 = 内存单元个数 * 每个内存单元的大小 = 40000H * 1B = 40000H个字节 = 4*16^4个字节 = 4* (2^4)^4 = 2^18B = 2^8KB = 256KB16K*4bit = 8K * 8b = 8KB256KB / 8KB = 32块

总线结构

从广义上讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线，通常分为三类：

内部总线：内部芯片级别的总线，芯片与处理器之间通信的总线系统总线：是板级总线，用于计算机内各部分之间的连接，具体分为 数据总线（并行数据传输位数）、地址总线（系统可管理的内存空间的大小，x86 2^32=4G，x64 2^64）、控制总线（传输控制命令）。代表的有ISA总线、EISA总线、PCI总线外部总线：设备一级的总线，微机和外部设备的总线。代表的有RS232（串行总线）、SCSI（并行总线）、USB（通用串行总线，即插即用，支持热插拔）

半双工总线：同一时刻只能由一个方向上传输信息

全双工总线：同一时刻可以在两个方向上传输信息

系统可靠性分析

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

平均故障间隔时间 MTBF = MTTF + MTTR

系统可用性 = MTTF / (MTTF + MTTR) * 100%

串联系统：一个设备不可靠，整个系统崩溃 R = R1 * R2 * R3 * … * Rn

并联系统：所有设备都不可靠，系统才会崩溃，因此需要用不可靠率计算 R = 1 - (1-R1)(1-R2)(1-R3)* … * (1-Rn)

混合系统：划分串并联再计算

网络安全概述

五大基本要素：

保密性：不暴露给未授权者（包括最小授权原则、防暴露、信息加密、物理保密）完整性：保证数据传输过程中无误，接收和发送数据相同，包括安全协议、校验码、密码校验、数字签名、公证等手段可用性：保证合法的用户能以合法手段来访问数据，包括综合保障（IP过滤、业务流控制、路由选择控制、审计跟踪）可控性：整个网络处于可控状态不可抵赖性：保证参与者无法抵赖

安全威胁分类：

加密技术-保密性

明文

密文

加密

解密

加密算法：一般是公开的，包括两大原则：代换（转换为其他数据）、置换（打乱明文顺序）

密钥

对称加密技术：

加解密密钥相同，也称为共享密钥加密技术，属于不公开密钥加密。

缺点：安全性不够高（只有一个密钥），且密钥分发困难（密钥需要传输给接收方，安全保密问题）

优点：加密速度快，非常适合大数据量的加密

常见对称加密算法：

DES：替换+移位、56位密钥、64位数据块、速度快、密钥易产生

3DES（3重DES）：两个56位密钥K1、K2

加密：K1加密 → K2解密 → K1加密

解密：K1解密 → K2加密 → K1解密

AES：用于替换AES，要求是“至少与3DES一样安全”

RC：RC4、RC5

IDEA算法：128位密钥、64位数据块、比DES的加密性好、对计算机性能要求相对低，PGP（优良保密协议）

非对称加密技术：

又称为公开密钥技术，密钥有一对：公钥、私钥，公钥是公开的，私钥只有自己知道，公钥加密、私钥解密

优点：公钥公开不用担心密钥传输的安全问题

缺点：密钥多、计算量大，不适合加密大数据量

常见非对称加密算法：即 公开密钥加密算法

RSA：512/1024位密钥，计算量极大，难破解

Elgamal：其基础是Diffie-Hellman密钥交换算法

ECC：椭圆曲线算法

背包算法

Rabin

D-H

DSA：512/1024位密钥

信息摘要-完整性

消息认证

将数据通过哈希函数生成一段特征信息

信息摘要特点：不管数据多长，产生的摘要信息长度不变；输入数据一旦变更，计算出的信息摘要一定会改变；单向性，只能通过数据产生信息摘要。

算法：MD5（产出128位）、SHA（安全散列算法，产出160位，安全性更高）

问题：由于算法都是公开的，如果原数据和信息摘要都被篡改，接收方就无能为力了。该问题通过数字签名技术解决。

数字签名-不可抵赖性

加密、信息摘要只能保证数据传输过程中的保密性和完整性

数字签名属于非对称加密体制，主要功能：不可否认、报文鉴别、报文的完整性

数字证书

数字证书又称为数字标识，由用户申请，证书签证机关CA对其核实签发的，对用户的公钥的认证。上述加解密、数字签名、信息摘要都是基于原发送方正确的前提下，如果发送方本身就是假的就无法校验了，这就需要数字证书来对发送方身份验证。

现在数字证书版本大多为X.509

原理：发送方向CA申请数字证书数字证书是经过CA数字签名的，也即CA使用私钥加密，接收方先下载CA的公钥，去验证数字证书的真伪。

数字证书格式：序列号、版本号、签名算法、发行者ID、发行者、主体ID、有效期、公钥

PKI公钥基础设施

PKI公钥基础设施是提供公钥加密和数字签名服务的系统或平台，目的是为了管理密钥和证书。一个机构通过采用PKI框架管理密钥和证书就可以建立一个安全的网络环境。

PKI主要包括四个部分：X.509格式的证书、CA操作协议、CA管理协议、CA政策制定

PKI的基础技术包括加密、数字签名、数据完整性机制、数字信封、双重数字签名等。

一个PKI应用系统至少包含以下部分：

公钥密码证书管理黑名单的发布和管理密钥的备份和恢复自动更新密钥自动管理历史密钥支持交叉认证