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输入设备#xff1a;键盘#xff0c;鼠标输出设备#xff1a;显示器#xff0c;打印机...存储器#xff1a;主存储器#xff0c;如内存#xff1b;辅助存储器#xff0c;如外存运算器#xff1a;与控制器一同集成在CPU中控制器#xff1a;与…计算机系统硬件基本组成
输入设备键盘鼠标输出设备显示器打印机...存储器主存储器如内存辅助存储器如外存运算器与控制器一同集成在CPU中控制器与运算器一同集成在CPU中 中央处理单元 CPU
运算器
算术逻辑单元 ALU数据的算术运算和逻辑运算累加寄存器 AC通用寄存器为ALU提供工作区用来暂存数据数据缓冲寄存器 DR写内存时暂存指令或数据状态条件寄存器 PSW存状态标志余控制标志归属于运算器还是控制器存在争议
控制器
程序计数器 PC存储下一条要执行的指令地址指令寄存器 IR存储即将执行的指令地址寄存器 AC保存当前CPU访问的内存地址指令译码器 ID对指令中的操作码字段进行解析时序部件提供时序控制信号
寄存器组
专用寄存器运算器和控制器中的寄存器都是专用寄存器通用寄存器 数据表示
进制
常用进制
2进制使用B表示如10011B表示198进制使用O表示如23O表示1916进制使用H表示如13H表示1910进制使用D表示如19D表示19
使用场景
主存编址计算段页式存储地址转换IP地址转换
进制转换
其他进制 - 10进制 小数点左右两侧处理逻辑相同左侧位权从0开始右侧位权从-1开始位权...(4)(3)(2)(1)(0).(-1)(-2)(-3)(-4)...举两个整数的例子
如23O表示2*8^13*8^019D2是最高位数值8是进制^1是最高位位权最低位同理如1234H表示1*16^32*16^23*16^14*16^04660D
10进制 - 其他进制 除基取余法直到商为0基就是进制数例子
如34H转8进制34/84...2则42O
其他算法
10进制 - 2进制减法记录2的各个位权值然后计算10进制 - 8或16进制(8)421法每3/4位作为一个数值
定点小数 一般指的是(-1,1)区间的数值位权(-1)(-2)(-3)(-4)...例子
如011B表示0*2^(-1)1*2^(-2)1*2^(-3)0*1/21*1/41*1/83/80.375
码制
原码 Sign-Magnitude Representation 通常最高位是符号为0表示整数1表示负数其余位表示该数值
由于0的表示数有两个000...0和100...0所以原码可表示数值个数2 ^ n - 1定点整数表示范围[-2^(n-1)-1,2^(n-1)-1]定点小数表示范围[-(1-2^-(n-1)),1-2^-(n-1)]
反码 Ones’ Complement 符号位同原码。当为正时同原码当为负数时其余各位取反表示该数值
由于0的表示数有两个000...0和111...1所以反码可表示数值个数2 ^ n - 1定点整数表示范围[-2^(n-1)-1,2^(n-1)-1]定点小数表示范围[-(1-2^-(n-1)),1-2^-(n-1)]
补码 Two’s Complement 符号位同原码。当为正时同原码当为负数时其余各位取反后整体1表示该数值
由于0的表示数只有一个000...0所以补码可表示数值个数2 ^ n定点整数表示范围[-2^(n-1),2^(n-1)-1]定点小数表示范围[-1,1-2^-(n-1)]
移码 Excess-K or Offset Binary 补码的符号位取反所以移码可表示数值个数2 ^ n
定点整数[-2^(n-1),2^(n-1)-1]定点小数[-1,1-2^-(n-1)]
浮点数表示 表示格式N R ^ e * M
M表示尾数使用定点小数 位数越多表示精度越高一般使用补码表示IEEE754标准中使用使用原码书写尾数尾数中一般包含数符表示尾数的符号位e表示阶码使用定点整数 位数越多表示范围越大一般使用移码表示阶码中一般包含阶符表示阶码的符号位R表示基数固定为2
浮点数运算
对阶小数向大数看齐通过较小数的尾数右移实现阶码相同尾数计算结果格式化 校验码
奇偶校验码 可检查奇数位的错误不可纠错码距2
校验位1bit一般在头部尾部也行奇校验信息位校验位 1 的个数是奇数偶校验信息位校验位 1 的个数是偶数
循环冗余校验码 CRCCyclic Redundancy Check 可检错不可纠错
校验位生成多项式决定余数0表示正确一般在尾部模2除法异或运算——不同为1不进位不借位求余将余数拼接在信息位后 若信息码字为 111000110生成多项式 G(x)x^5x^3x1则计算出的 CRC 校验码为(11001)步骤如下
将生成多项式的系数作为除数(101011);生成多项式的最高幂次数(5)作为检验码的位数。将信息码左移生成多项式的最高幂次数(5)位作为被除数。执行模 2 除法即异或操作。等到(5 位)余数即为校验码不足左侧补0。
海明校验码 可检错可纠错
公式2^r -1 m rm信息位的个数求 r 的最小值校验码位置1 2 4 8 16 ...采用分组奇偶校验分组交叉可确定出错位置 以10位数据为例其海明码表示D9D8D7D6D5D4P4D3D2D1P3D0P2P1中,其中Di(0≤i≤9)表示数据位P(1≤j≤4)表示校验位数据位D9由P4、P3和P2进行校验(从右至左D9的位序为14即等于842因此用第8位的P4、第4位的P3和第2位的P2校验)数据位D5由()进行校验。 共14位D914842D5, 1082 Flynn分类 根据指令流、数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类通常称为Flynn分类法
SISD单指令单数据SIMD单指令多数据MISD多指令单数据很少见MIMD多指令多数据 CISC与RISC 指令系统类型 指令 寻址方式 实现方式 其他 CISC 数量多使用频率差别大可变长格式 支持多种 微程序控制技术 研制周期长 RISC 数量少使用频率接近定长格式大部分为单周期指令操作寄存器只有Load/Store操作内存 支持方式少 增加了通用寄存器硬布线逻辑控制为主适合采用流水线 优化编译有效支持高级语言
复杂指令集 CISCComplex Instruction Set Computing
指令数量多使用频率差别大可变长格式支持多种寻址方式微程序控制技术(微码)研制周期长
精简指令集 RISCReduced Instruction Set Computing
指令数量少使用频率接近定长格式大部分为单周期指令操作寄存器只有Load/Store 操作内存支持方式少量寻址方式以寄存器寻址为主增加了通用寄存器;硬布线逻辑制为主;适合采用流水线优化编译有效支持高级语言 流水线技术 流水线技术的前提是个操作可并行如某条指令的取指不影响其他指令的分析与执行并且每条指令相同阶段耗时一致下面介绍流水线技术中的一些概念
流水线建立时间第一条执行执行时间长度
流水线周期后续的指令完成时间长度执行时间最长的一段
流水线执行时间第一条指令时长 (n - 1) * 流水线周期
理论公式(t1 t2 ... tk) (n - 1) * t没有答案时使用实践公式实践公式k * t (n - 1) * tk每条指令操段数量例如上面的取址、分析、执行k3t流水线周期执行时间最长的一段
流水线吞吐率单位时间内流水线完成任务量TP指令条数/流水线执行时间
流水最大吞吐率TPlim(n/(k * t (n - 1) * t))1/t
流水线加速比需要固定执行指令条数不用流水线时长/使用流水线时长
超流水线技术细化流水线增加级数和提供主频。以时间换去空间。
超标量技术内装多条流水线来同时执行多个处理。以空间换时间。
超长指令技术提高软件的作用简化硬件设计性能提高。 寻址
指令寻址方式
顺序地址顺序执行跳跃由本条指令指出下一条指令地址指令格式操作码字段 地址码字段操作码MOV ADD JMP
操作数寻址方式
立即寻址方式操作数直接在指令中速度快灵活性差直接寻址方式指令中存放的是操作数的地址间接寻址方式指令中存放了一个地址这个地址对应的内容是操作数的地址寄存器寻址方式寄存器存放操作数寄存器间接寻址方式寄存器内存放的是操作数的地址隐含寻址方式操作数存放在累加器AC中
有没有一种方式寄存器中存放了一个地址这个地址对应的内容是操作数的地址 存储系统
层次化存储体系
辅助存储器外存硬盘光盘U盘等其容量能达到TB级别内存随机存储器RAM只读存储器ROM其容量能达到GB级别Cache按内容存取其容量能达到MB级别CPU中寄存器最快容量小成本高其容量能达到B级别虚拟存储体系内存外存三级存储体系Cache内存外存
局部性原理 局部性原理是层次化存储结构的支撑
时间局部性刚被访问的内容立即被访问循环的体现空间局部性刚被访问的内容临近的空间很快被访问顺序的体现数组
存储器分类
按存储器位置分类
内存外存
按存取方式分类
按内容存取 相联存储器Cache按地址存取 随机存取存储器内容顺序存取存储器磁带直接存取存储器磁盘
按工作方式分类
随机存取存储器RAM内存DRAM掉电内容丢失定时刷新只读存储器ROMBIOS
其他概念
SRAM静态随机存取存储器不需要定时刷新EEPROM电可擦可编程只读存储器
Cache
命中率 命中率会随着容量的扩大而提高但并非线性的命中率主要由映射方式决定
平均访问时间 命中率*Cache访问时间非命中率*主存访问时间默认包含了访问Cache不命中的时间 主存与Cache之间的地址映射有硬件直接完成映射方式如下
直接相联映像硬件电路简单冲突率很高cache内分块主存中分区区内分块cache内的块只与主存中块号相同的块相联。全相联映像冲突率低cache内分块主存中分块cache内的块可以和主存中任意块相联。组相联映像前两者折中cache内分组组内分页主存中分区区内分组组内分页cache内的页只与主存中与其组号相同的组内任意页相连组间使用直接相联组内使用全相联。
替换算法
LRULeast Recently UsedLFULeast Frequently UsedFIFOFirst-In, First-OutRandom ReplacementMRUMost Recently UsedARCAdaptive Replacement Cache2QClock Algorithm
主存编址计算
存储单元一般是8bit每个存储单元都有一个地址存储单元个数最大地址-最小地址1按字编址这个和系统位数有关按字节编址8bit一个存储单元总容量存储单元个数*编址内容总片数总容量/每片容量 磁盘调度
概述 磁盘中有多个盘面盘面两面都可存储信息使用磁头从盘面读取信息每个盘面可分成多个扇区每个盘面可分成多个圆形磁道在不同盘面上的相同位置的扇区成为柱面读信息时由多个磁头同时读就会读取同一柱面信息为什么要有扇区扇区将磁道分块应该是读块信息传输块信息处理块信息...
调度操作
移臂调度寻找柱面磁道按照调度算法调度旋转调度寻找扇区按照单向循环寻找
调度算法
先来先服务FCFS最短寻道时间优先SSTF可能产生“饥饿”现象扫描算法SCAN双向扫描又称“电梯算法”循环扫描CSCAN单向扫描
时间
寻道时间移动到磁道时长移臂调度旋转延迟时间移动到扇区时长旋转调度数据传输时间读扇区时长 输入/输出技术
数据传输控制方式
程序控制查询方式CPU主动查询外设是否完成数据传输影响CPU效率程序中断方式CPU无需等待数据传输完成后进行中断CPU响应中断。中断请求信号保存现场断点中断向量表 中断响应时间从发出中断请求到进入中断程序间的时长中段处理时间中断开始处理到中断处理结束的时长DMA直接内存访问CPU处理初始化后将总线控制权交给DMACDMAC进行高速、批量的数据交换DMAC完成后将总线交给CPU。CPU完成一个总线周期后才会响应DMA请求
编址方式
内存与接口地址独立编址方法指令也不同用于接口的指令太少功能太弱内存与接口地址统一编址方法用于内存的指令也可用于接口 总线结构
通信类型
分时双工半双工在同一时刻仅允许一个设备发送同时允许多个设备接收单工只能是一个方向上传输信息全双工任意时刻都可双向通信一般为一条线发一条线收
分类
按照连接方式分类
内部总线芯片级别的总线外部总线设备级总线。RS232(串行总线)SCSI(并行总线)USB(通用串行总系)
按照功能分类
系统总线扳级总线。ISAEISAPCI数据总线在CPU和RAM间传递数据地址总线定位RAM中的数据控制总线将微处理器控制单元的信号传送到周边设备
按照结构分类
串行总线慢长距离波特率可变可使用程序查询与中断并行总线快短距离单总线设计复杂性能降低 加密技术和认证技术
加密技术
对称加密
数据加密标准DES56位三重DES112位RC-5国际数据加密算法IDEA128位高级加密标准AESKerberos鉴定身份的协议 秘钥分发中心KDCAS认证服务器TGS票据授予服务器访问流程客户端想KDC请求所要访问目标服务器的服务访问票据客户端拿着票据访问目标服务器。
非对称加密
RSA512位ECCElganal背包算法RbinD-H
信息摘要
MD5128位SHA-1160位
认证技术
数字签名
公钥加密认证解密证书中的数据私钥解密签名解密证书中的数据
数字证书 CA机构颁发给服务端包含服务端公钥。其中部分使用CA私钥加密CA签名客户端使用CA公钥进行对服务端证书的认证。
X.509#DER 二进制格式证书常用后缀.cer .crtX.509#PEM 文本格式证书常用后缀.pem有的证书内容是只包含公钥服务器的公钥如.crt、.cer、.pem有的证书既包含公钥又包含私钥服务器的私钥如.pfx、.p12证书机构CA负责生成和签署数字证书注册机构RA负责验证申请数字证书的用户身份 可靠性
平均失效间隔时间 MTBFMean Time Between FailureMTBFMTTFMTTR平均失效等待时间 MTTFMean Time To Failure平均失效修复时间 MTTRMean Time To Restoration/Repair可靠性一般使用MTTF/(MTTF 1)表示可用性一般使用MTBF/(MTBF MTTR)表示可维护性一般使用1/(MTTR 1)表示 性能指标
字长和数据通路宽度与总线宽度有关主存容量和存取速度多大内存DDR3主频与CPU时钟周期2.4GHz时钟周期是其倒数CPI与IPC每条指令使用的时钟周期每个时钟周期执行的指令条数MIPS与MFLOPS每秒执行百万条指令每秒执行百万条浮点数运算指令吞吐量与吞吐率单位时间内执行指令条数响应时间RT与完成时间TAT从指令开始请求到响应完成时间完成时间就是从开始处理到处理完成的时间兼容性响应时间、并发用户/并发、点击率、吞吐量、TPS/QPS、PV/UV
计算机 时钟频率运算速度运算精度内存容量存储器存储周期数据处理速率吞吐率各种响应时间各种利用率RASIS特性可靠性可用性可维护性完整性和安全性平均故障时间兼容性可扩展性性能价格比
路由器 设备吞吐量端口吞吐量丢包率时延时延抖动
网络 设备级性能指标网络级性能指标应用级性能指标用户级性能指标端口吞吐量数据丢包率
操作系统 系统的可靠性系统的吞吐率系统响应时间系统资源利用率可移植性
数据库管理系统 数据库大小数据库中表的数量单个表大小表中允许的记录行数单个记录大小表上允许的索引数量数据库允许的索引数量最大并发事务处理能力负载均衡能力最大连接数查询语句性能
WEB服务器 最大并发连接数响应时间吞吐量可用性 性能评价
常用方法
时钟频率指令执行速度等效指令速度法数据处理速率
基准程序测试
真实程序核心程序小型基准程序合成基准程序
上述评价程序评测准确程度依次递减
应用最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序
运行一个标准程序对多种计算机系统进行检查以比较和评价它们的性能
对计算机进行负载测试就是运行某种诊断程序加大负载检查哪个设备会发生故障。
在程序模块测试后进行的集成测试主要测试各模块之间的接口是否正常起作用。
白盒测试就是根据程序内部结构和内部逻辑测试其功能是否正确。
事务处理性能委员会 TPC Transaction Processing Performance Council
基准程序用以评测计算机在事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持系统等方面的性能
该基准程序的评测结果用每秒完成的事务处理数TPC来表示
TPC-A基准程序规范用于评价在OLTP环境下的数据库和硬件的性能不同系统之间用性能/价格比进行比较
TPC-B测试的是不包括网络的纯事务处理量用于模拟企业计算环境
TPC-C是专门针对联机事务处理系统OLTP的测试标准
TPC-D、TPC-H和TPC-R测试的都是决策支持系统其中TPC-R允许有附加的优化选项
TPC-E测试的是大型企业信息服务系统。
TPC-W是基于Web 应用的基准程序用来测试一些通过Internet进行市场服务和销售的商业行为所以TPC-W可以看作是一个服务器的测试标准。
阿姆达尔解决方案
主要用于系统性能改进的计算中
计算机系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所获得的系统性能改变程度取决于这种方式被使用的频率或所占总执行时间的比例
