软件设计师-----计算机系统

2023-12-08 02:50:44

计算机系统

  • CPU
  • 运算器
    • 运算器组成部件
  • 控制器
    • 控制器组成部件
    • 控制器&运算器对应的真题
  • 计算机基本单位
  • 进制转换
    • n进制转10进制
    • 10进制转n进制
    • 二进制和八进制转换
    • 二进制和十六进制转换
  • 进制加减法
    • 进制加法
    • 进制减法
    • 计算机基本单位&进制转换真题
  • 数据表示
    • 原码
    • 反码
    • 补码
    • 移码
    • 补码特性
    • 原反补移码表示范围
        • 定点整数的范围
    • 数据表示真题
  • 浮点数
  • 规格化浮点数
  • 寻址
    • 寻址真题
  • 奇偶校验码
  • 海明码
  • 循环冗余校验码
    • 校验码真题
  • 精简指令集&复杂指令集
    • 真题
  • 指令流水线
    • 指令流水线真题
  • 存储器
    • 存储器真题
  • Cache高速缓存
    • Cache真题
  • 中断
    • 中断向量
    • 中断响应时间
    • 保存现场
    • 中断真题
  • 输入输出（IO）控制方式
    • 程序查询方式
    • 中断驱动方式
    • 直接存储器方式
    • IO真题
  • 总线
    • 总线真题
  • 加密计数和认证计数
    • 窃听:
    • 篡改
    • 假冒
    • 否认
    • 加密技术
      • 对称加密（私有密钥加密）
      • 非对称加密（公开密钥加密）
      • 混合加密
    • 认证技术
    • 数字证书
    • 真题
  • 加密算法
    • 加密算法真题
  • 可靠性公式
    • 串联系统
    • 并联系统
    • 真题
  • 杂题选讲
  • 总结

CPU

图片描述

  1. 计算机基本硬件系统
  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器
  • 输入设备
  • 输出设备
  1. 中央处理单元（CPU）
  • 运算器 （数据处理 ）
  • 控制器 （程序控制、操作控制、时间控制）
    在这里插入图片描述
  1. CPU的功能（运算器和控制器的功能）
    • 程序控制 （CPU执行指令来控制程序执行顺序）
    • 操作控制 (CPU产生每条指令的操作信号，并将操作信号送往相应的部件)
    • 时间控制 （CPU对各种操作进行时间上的控制）
    • 数据处理 （算术运算和逻辑运算）

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A
对应的描述是操作控制，隶属CPU控制器

运算器

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  1. 运算器
    • 算术逻辑单元 ALU
    • 累加寄存器 AC
    • 数据缓冲寄存器 DR
    • 状态条件寄存器 PSW
  2. 运算器功能
    • 算术运算（加、减、乘、除）
    • 逻辑运算（与、或、非、零值测试）

运算器组成部件

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  1. 算术逻辑单元 ALU
    • 加法器
    • 减法器
    • 乘法器
    • 除法器
  2. 累加寄存器 AC （累加器）
    • 为 算术逻辑单元 ALU 提供工作区
    • 暂存结果和原操作数
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D
累加寄存器 AC （累加器）暂存结果和原操作数

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  1. 数据缓冲寄存器 DR

    • 作为CPU和内存，外部设备之间数据传送的中转站 (数据由CPU->DR->内存)
    • DR暂存内存储器读写的一条指令或一个数据字

  2. 状态条件寄存器 PSW

    • 状态标志
    • 控制标志

控制器

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  1. 控制器不仅保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件

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B

控制器组成部件

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  1. 指令寄存器 IR
    • 存放的是从内存中取得的指令，是存放指令的中间站
    • 指令从： 内存—》DR—》IR
  2. 程序计数器 PC
    • 存放指令的地址，还有计数功能
    • 内容是程序下一条将要执行的指令的地址
  3. 地址寄存器 AR
    • 存放的是CPU访问内存单元的地址
  4. 指令译码器 ID
    • 把操作码解析为指令操作

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C
指令寄存器存储内存中取得的指令，指令包括操作码和地址码
PC存储将要执行指令的地址

控制器&运算器对应的真题

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D
累加寄存器为算术逻辑单元提供数据并暂存运算结果

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B
加法器，减法器等。。。

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B

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B
PC永远存放的是将要执行的下一条指令的地址
累加器存储运算结果

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C

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B
透明：用户不能操作，赶走不到
在汇编语言程序中，程序员可以直接访问通用寄存器以存取数据，可以访问状态字寄存器以获取有关数据处理结果的相关信息，可以通过相对程序计数器进行寻址，但是不能访问指令寄存器。

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B
指令译码器就是对指令中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的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。

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B
控制器不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件

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A
CPU操作控制：在这里插入图片描述

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B

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C
保存 指令的地址—》PC
AR保存的是CPU访问的内存单元的地址

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C
PC保存指令的地址，而地址包括操作码和地址码，所以通过PC找到指令在就找到操作码了。
IR只是存放内存中取得的指令，无法找到具有某一个指令（需要PC来找）

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B

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A

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A

计算机基本单位

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进制转换

n进制转10进制

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按权展开求和法

10进制转n进制

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除n取余法

二进制和八进制转换

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二进制和十六进制转换

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一位8进制数字等于三位2进制数字

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一位16进制数字等于四位2进制数字

进制加减法

进制加法

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逢n进1

进制减法

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借1当n

计算机基本单位&进制转换真题

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B
大地址减去小地址，再由B转KB
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运算小技巧
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B
先求地址总数，在统一单位，最后做除法
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B
先求需要多少个芯片，在求出每一片芯片的起始地址，得到区间范围，就可以得出答案
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说明每一片的区间的范围是1024在这里插入图片描述
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D 求区间B数目，再单位换算
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单位换算

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B C
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A
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D
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B
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C
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B
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D B
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数据表示

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  1. 机器数
    • 带符号数
      • 原码
      • 反码
      • 补码
    • 无符号数
      • 纯整数
      • 纯小数

原码

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反码

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补码

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正数的原码、反码、补码一致
关注负数的反码，补码

移码

在补码的基础上，符号位取反
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补码特性

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补码的补码是原码

原反补移码表示范围

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定点整数的范围

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原码范围同反码范围

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负数的补码可以表示-128

  • 应为-127补码是1000 0001
  • -128补码就是1000 0000

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移码的表示范围同补码

数据表示真题

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C
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B
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转换为2进制后，发现最高位为1，表示该数是负数
由补码的补码是原码的原码
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C
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B

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B

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B
先16进制转2进制
然后看最高位确定正负
如果是正，直接补码等于原码（正数原码反码补码一致）
如果是负数，对补码求补码，得到原码
最后求x
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负数求原码，就是补码的补码（原，反，补都可以通过看第一位确定符号（只有移码变了符号位））
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D
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负数多表示了一个 -128

浮点数

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小阶码向大阶码对齐 ，浮点数（尾数）向右移
只损失最后面的低位，精度损失较少
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浮点数所能表示的数值范围主要由阶码决定，所表示数值的精度则由尾数决定。

  • /
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规格化浮点数

规格化就是将尾数的绝对值限定在区间[0.5,1]
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B
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最小负数在这里插入图片描述
最大正数在这里插入图片描述

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C D
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A

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B
小数点不占存储位
阶码越大，可表示的数字就很大

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A
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定点整数的表示范围是A （定点数的补码和移码表示2的n次幂个数）

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B
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B
阶码位数=阶符位数+阶码值位数=1+6=7
尾数位数=数符位数+尾数位数=1+8=9
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D
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大阶向小阶对齐，然后尾数左移的结果：损失5600精度 （0.01）为单位
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小阶向大阶对齐，尾数右移结果，损失0.34精度（0.0001）为单位
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B

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B
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尾数部分就表示二进制的0.0000 0000 01
关于阶码部分：在这里插入图片描述
关于尾数F部分：在这里插入图片描述
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寻址

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根据地址寻找操作数的过程叫寻址
重点考察前5个
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速度：立即寻址>寄存器寻址>直接寻址>寄存器间接寻址>间接寻址

寻址真题

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D

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A
转移指令：在这里插入图片描述

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B

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C
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C
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A

奇偶校验码

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不管奇校验还是偶校验，只能检测出奇数个位数出错的情况，
码距为2.
只能检查错误，不能纠正错误

  1. 奇偶校验码
    • 水平奇偶校验码
    • 垂直奇偶校验码
    • 水平垂直奇偶校验码
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海明码

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海明码的码距为3,可以检错和纠错
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C
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循环冗余校验码

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可以检查错误，但不能纠正错误
码距为2
数据位K+校验位r
模2运算

校验码真题

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A
海明码码距不能为1
CRC不能纠错
CRC码距为2

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A
=1什么都干不了；=2检错；=3纠错
海明码可以检错也能纠错
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C这是奇偶校验码的定义

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A
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C
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C
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C
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D
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B

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A
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D
模2运算–》CRC

精简指令集&复杂指令集

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复杂 complex
精简 Reduced

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真题

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A

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A

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A

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A

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B
应为RISC寄存器多，所以C是对的

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D
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指令流水线

吞吐率 = 指令条数/【一条完整指令的时间+（n-1 x 流水线周期】
流水线的总共时间 = 一条完整指令的时间+（n-1 x 流水线周期

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流水线执行的时间如下：
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指令流水线真题

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D
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最长时间段=流水线中最慢一段所需的时间
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断流后，分母变大了，加速比变小了
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每个阶段时间一致，则效率最大化

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C

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B
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A
流水线只能提高设备利用率，同时执行多条指令，但不能提高单条指令的执行速度
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相比顺序执行，流水线方式提高系统吞吐率
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B
*吞吐率 = 指令条数/【一条完整指令的时间+（n-1）流水线周期】

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C D
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C
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D
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B
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D
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B
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存储器

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  1. 存储器按位置分类
    • 内存 （主存）
    • 外存 （辅存）
  2. 存储器按照构成材料分类
    • 磁存储器
    • 半导体存储器
    • 光存储器
  3. 存储器按工作方式分类
  • 读/写存储器 RAM
  • 只读存储器
    - ROM
    - PROM
    - EPROM
    - EEPROM
    - Flash Memory (以块为单位删除、信息不会丢失、代替ROM、不能代替主存)
  1. 按访问方式分类
    • 按地址访问的存储器
    • 按内容访问存储器 （相联存储器）
  2. 按寻址方式分类
    • 随机存储器
    • 顺序存储器
    • 直接存储器
  3. 虚拟存储器
    • 由主存和辅存构成
  4. CPU的空间局部性和时间局部性
    • 空间局部性：CPU访问了某个内存单元的信息后，在不久的将来，可能会访问该单元相邻的存储单元信息。
    • 时间局部性：CPU访问了某个内存单元的信息后，在不久的将来，可能会再次访问它。
  5. 主存 = 动态随机存储器 = DRAM ( 周期性的刷新来保持数据)
  6. Cache = 静态随机存储器 = SRAM

存储器真题

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B
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C

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C
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A

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A

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A
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C

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C
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Flash Memory是ROM的一种类型

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B
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Cache高速缓存

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替换算法
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Cache地址映像算法

  1. 直接映像 （冲突大）
  2. 全相联映像 （冲突小）
  3. 组相联映像 （冲突较小）

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组和组之间是直接映像，组内的每一块是全相联映像
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高速缓存Cache对程序员来说是透明的

Cache真题

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B
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A
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A

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A
Cache设置和主存没有关系
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非线性增长

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B
Cache设置和主存没有关系
不能扩容
只能提高访问内存速率
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A
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A

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A

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D

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C

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D

中断

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中断向量

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通过中断向量，找到中断服务程序。
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中断向量表

中断响应时间

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保存现场

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中断真题

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C

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D
关于 多级堆栈嵌套
中断程序1先执行，然后中断程序2来抢占了1的执行权
分析断点和现场
先保护现场1，在保护现场2
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恢复现场：先恢复2在1，就出现问题了（和保存现场不一致）
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如果使用堆栈保存，就没有这个问题
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D
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B C

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c

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D

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C

输入输出（IO）控制方式

程序查询方式

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中断驱动方式

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相比程序查询方式，引入了中断

CPU给IO设备读命令后，就去处理其他任务了（这样IO和CPU都在并发执行不同任务）

IO设备给CPU一个中断信号，叫CPU停止正在处理的任务，保存现场后，处理IO设备的中断

直接存储器方式

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相比中断驱动方式：

  • 一次读写单位为“块”
  • 数据由外设直接放入内存（不要CPU暂存了）
  • 程序中断方式需要CPU保存现场，DMA方式不需要

IO真题

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C

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B

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B

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A
中断方式在数据传输阶段需要CPU干预，DMA方式不需要
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DMA一次一个块，所以最快
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C
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D
直接存储器存取： DMA
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C
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D
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D
DMA直接由外设放入内存，不需要CPU干预
只在开始和结束传输数据块才用到

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C

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C

总线

内容多，考的偏，分值底
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  1. 总线分类

    • 数据总线
    • 地址总线
    • 控制总线
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  2. 常见总线类别（11种）

    • ISA总线
    • EISA总线
    • PCI总线 （并行内总线）
    • PCI Express总线
    • 前端总线
    • RS-232C
    • SCSI总线 （并行外总线）
    • SATA
    • USB
    • IEEE-1394
    • IEEE-488总线

总线真题

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A

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A
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地址总线宽度决定内存容量大小（2的32次幂就是4G）
数据总线宽度决定字长

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C
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C
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C
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B

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C
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C
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并行总线：速度快、短距离传输（长距离成本高） 、数据一位一位传输、数据线一根
串行总线：速度慢、长距离传输成本低、数据多位传输、数据线多根

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D

加密计数和认证计数

典型的安全威胁：

窃听:

信息从被监视的通信过程中泄露出去
通过加密技术来解决

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篡改

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通过摘要解决
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假冒

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通过数字签名解决、数字证书解决
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否认

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通过数字签名解决
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加密技术

对称加密（私有密钥加密）

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非对称加密（公开密钥加密）

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混合加密

将对称加密和非对称加密混合使用、
适合传输大量数据使用、
步骤：

  1. 先使用（对称加密），得到（对称加密得到的密文）；
  2. 然后使用（接收方的公钥）非对称加密（对称加密得到的密文）和（对称密钥），得到（非对称加密得到的密文）
  3. 接收方使用私钥解密，得到对称加密的密钥和密文
  4. 最后使用对称加密的密钥解密密文，得到数据

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认证技术

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摘要：接收方对比接受的摘要和Hash算法得到的摘要是否相同（防止篡改）

  • 摘要一般结合数字签名使用

数字签名：用自己的私钥对摘要签名（加密（摘要是由Hash算法得到的））

  • 用发送方的私钥签名，用发送方的公钥认证
  • 对摘要签名
  • 是一种保证信息不被篡改的方法
  • 用A的私钥对数字签名解密，如果可以解密，则表示信息由A发过来的，解决了假冒和否认俩个问题
  • 在这里插入图片描述

数字证书

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数字证书：第三方CA机构使用自己的私钥对用户的公钥进行数字签名，保证这个用户的公钥不被篡改，然后接受方使用CA的公钥进行解密得到发送方的公钥，和发送方用户信息
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真题

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A,D
公钥体系：公开密钥–》非对称加密
公加验，私解签

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D
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确保是不是A发过来的（真实性）

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A

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D
在这里插入图片描述

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BA
发送方私钥签名，发送方公钥验证

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A

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C
CA私钥签名，CA公钥验证

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B

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A
C
M是带A的数字签名的消息，用发送方的私钥签名，用发送方的公钥认证，所以用A的公钥认证

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A

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D
私钥是不可能互换的
CA的公钥权威性比用户自己的权威性高

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A,D
数字签名主要用于确保消息不可被否认（发送方私钥进行签名）
数字证书主要用于用户身份认证（用户将个人信息和公钥给CA机构，CA机构颁发数字证书）
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在这里插入图片描述和用户个人信息

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A,B

加密算法

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加密算法真题

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D
摘要：防止内容被第三方篡改(通过对比摘要是否相同)
在这里插入图片描述数字证书解决
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D
公开密钥：非对称加密算法

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A
数字签名是用于非对称密钥中的一个技术
在这里插入图片描述
MD5：摘要算法

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D
大量明文传输：对称密钥算法里面找
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B

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B B
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D
不属于公开密钥加密算法：对称加密

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C
被动攻击：C获取了发送方AB的消息
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加密防止被动攻击
认证防止主动攻击

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B
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C
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可靠性公式

串联系统

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并联系统

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真题

一般出题是并联和串连结合
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D
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D

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B (答案有问题)，以如下公式为准
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C

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C

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A
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杂题选讲

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A
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B
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D
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运算结果的俩个符号位指的是：01（正数相加的情况） 上溢出
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这样逻辑或和逻辑异或都可以为1
（负数的情况） 下溢
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下溢出10
上溢出01
异或为1

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D
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C

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C,D
机房安全—物理线路安全
入侵安全—网络安全
漏洞补丁安全—系统安全
数据库安全—应用安全

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A
B
主动攻击： 重放、IP地址欺骗、拒绝访问‘、拒绝服务攻击、系统干涉、修改数据命令
被动攻击：会话拦截、流量分析

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D
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A
左移：乘操作
右移：除法=操作

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A
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C
网络安全：在这里插入图片描述
物理安全：在这里插入图片描述

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A
0x是（H）16进制
判断a的底四位是否全为0，先假设a为在这里插入图片描述
对于0x000F和A求逻辑与运算如下：
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C,B
在这里插入图片描述平均CPI
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总结

命题范围：1到5题偏多、6到10题偏少
考前重点刷近期的题

，


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