软件设计师教程的总结与复习资料
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P m ：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△t i 内能处理的⼆进制位数为p i ，则T个时钟周期内平均并⾏度为：P a =(∑P i)/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,M>1；
字串⾏、位并⾏(WSBP):N>1,M=1；字并⾏、位并⾏(WPBP):N>1,M>1。
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。
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，
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按地址查的功能
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Cache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t a =Ht c+(1-H)t m ，速度提⾼倍数r=t m/t a
（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，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: CISC：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)：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
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=m△t0
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(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、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
模块化设计的优点安全等级：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：加密/解密算法：算法的设计通常需要满⾜3个条件：可逆性、密钥安全和数据安全。
密钥管理：产⽣、备份、恢复、更新，多密钥管理
元素：算法和密钥
类型：对称（私⼈密钥）加密：⽂件加密和解密使⽤相同的密钥。使⽤简单快捷，密钥较短，破译困难。
数据加密标准（DES）算法、三重DES(TDEA)、RC-5、国际数据加密算法（IDEA）⾮对称（公共密钥）加密：以（RSA）算法为代表，加密密钥可公开，解密密钥要保密。
保密性较好，消除了最终⽤户交换密钥的需要，加密和解密花费时间长，速度慢，只适合对少量数据加密。
10.认证技术：认证⽅：帐户名/⼝令认证、使⽤摘要算法认证、基于PKI(公钥架构)的认证
公钥架构PKI系统：PKI 技术是信息安全技术的核⼼
组成部分：认证机构（CA）、数字证书库、密钥备份及恢复系统、证书作废系统、应⽤接⼝
标准化：公钥加密标准PKCS、公钥基础设施协议
⽬的：通过⾃动管理密钥和证书，为⽤户建⽴起⼀个安全的⽹络运⾏环境，使⽤户可在多种应
⽤环境下⽅便地使⽤加密和数字签名技术，从⽽保证⽹上数据的机密性、完整性、有效性。
HASH函数与信息摘要
数字签名：信息发送者使⽤以单向散列（Hash）函数对信息⽣成信息摘要；信息发送者使⽤⾃⼰的私钥签名
信息摘要；信息发送者把信息本⾝和已签名的信息摘要⼀起发送出去；信息接受者通过使⽤与
信息发送者使⽤的同⼀个单向散列函数对接受的信息本⾝⽣成新的信息摘要，再使⽤信息发送
者的公钥对信息摘要进⾏验证，以确认信息发送者的⾝份和信息是否被修改过。
数字加密：当信息发送者需要发送信息时，先⽣成⼀个对称密钥，⽤该密钥加密要发送的报⽂；信息发送者
⽤信息接受者的公钥加密上述密钥；信息发送者将第⼀步和第⼆步的结果结合在⼀起传给信息
接受者，再⽤此对称密钥解密被发送⽅加密的密⽂，得到真正的原⽂。
SSL安全协议（安全套接层协议）：
主要服务：⽤户和服务器的合法性认证；加密数据以隐藏被传送的数据；保护数据的完整性
实现过程：接通阶段、密码交换阶段、会谈密码阶段、检验阶段、客户认证阶段、结束阶段数字时间戳技术：时间戳是⼀个经加密后形成的凭证⽂档
组成部分：需加时间戳的⽂件的摘要；DTS收到的⽇期和时间；DTS的数字签名
产⽣过程：⽤户先将需要加时间戳的⽂件⽤Hash编码加密形成摘要，再将该摘要发送
到DTS，DTS在加⼊了收到⽂件摘要的⽇期和时间信息后再对该⽂件加密（数
字签名），送回⽤户。
11.计算机可靠性：元器件的可靠性：开始阶段：器件⼯作处于不稳定期，失效率较⾼；-------筛选元器件
第⼆阶段：器件进⼊正常⼯作期，失效率最低，基本保持常数；
第三阶段：器件开始⽼化，失效率⼜重新提⾼-------“浴盆曲线”
与失效率的关系：R(t)=e-λt
主要指标：平均⽆故障时间：MTBF=1/λ（λ为失效率）
平均修复时间MTRF ：正常⼯作的概率A=MTBF/（MTBF+MTRF）
RAS技术：可靠性R、可⽤性A 、可维修性S
可靠性数学模型：串联系统：R=2-（1-R1）（1-R2）…（1-Rn）
λ=λ1+λ2+…+λn
并联系统：R=R1×R2×…×Rn
N模冗余系统：
计算机系统的性能评价：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、
核⼼程序法
基准测试程序：整数测试程序、浮点测试程序、SPEC基准程序、TPC基准程序
计算机故障诊断技术：故障：永久性、间歇性、瞬间性
内容：故障检测、故障定位
主要⽅法：对电路直接进⾏测试的故障定位测试法、“检查诊断程序”法、微诊断法计算机容错技术：⽅法：时间冗余，元器件冗余
发展：简单的双机备份：热备份（双重系统）、冷备份（双⼯系统）

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