【正文】 第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)1. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)） 屬性：硬件所能處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型、所能支持的尋址方式、CPU的內(nèi)部寄存器、CPU的指令系統(tǒng)、主存的組織與主存的管理、中斷系統(tǒng)的功能、輸入輸出設(shè)備及連接接口、計(jì)算機(jī)特性結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 分類(lèi)：(1)Flynn分類(lèi)法(1966)：指令流、數(shù)據(jù)流、多倍性按指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式分：?jiǎn)沃噶盍鲉螖?shù)據(jù)流(SISD)。單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)。多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)。多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)。 (2)馮式分類(lèi)法(1972)：最大平行度Pm ：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)。 設(shè)每個(gè)時(shí)鐘周期△ti 內(nèi)能處理的二進(jìn)制位數(shù)為pi ，則T個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)平均并行度為：Pa =(∑Pi)/T ， 在T 周期內(nèi)的平均利用率為：u=Pa/Pm=(∑Pi)/(T*Pm)。平均并行度取決于系統(tǒng)的運(yùn)行程度，與應(yīng)用程序無(wú)關(guān)。 按最大并行度進(jìn)行分類(lèi)：字串行、位串行(WSBS):N=1,M=1；字并行、位串行(WPBS):N=1,M1；字串行、位并行(WSBP):N1,M=1；字并行、位并行(WPBP):N1,M1。與計(jì)算機(jī)組成的區(qū)別：前者解決的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總體上、功能上需要解決的問(wèn)題，后者要解決的是邏輯上如何具體實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題；指令系統(tǒng)的確定屬于前者，而指令的具體實(shí)現(xiàn)屬于后者；主存容量及編址方式的確定屬于前者，而具體如何構(gòu)成主存屬于后者。 結(jié)構(gòu)的并行性：內(nèi)容：同時(shí)性、并發(fā)性 并行處理分類(lèi)：存儲(chǔ)器操作并行；處理器操作步驟并行(流水線(xiàn)處理機(jī))；處理器操作并行(陣列處理機(jī))。 指令、任務(wù)、作業(yè)并行（多處理機(jī)、分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)） 并行性的發(fā)展：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)、指令集上并行的的超標(biāo)量處理機(jī)、超級(jí)流水線(xiàn)處理機(jī)、超長(zhǎng)指令計(jì)算機(jī)、多微處理機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)；大規(guī)模并行處理(MPP)的多處理機(jī)系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。：層次結(jié)構(gòu)：CPU寄存器、高速緩存Cache、主存、輔存。 分類(lèi)：按位置分：內(nèi)存與外存；按構(gòu)成材料分：磁盤(pán)存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(元件分雙極型和MOS型；數(shù)據(jù)是否刷新分靜態(tài)SM和動(dòng)態(tài)DM)光盤(pán)存儲(chǔ)器按工作方式分：讀寫(xiě)只讀：固定只讀ROM、可編程只讀PROM、可擦寫(xiě)可編程只讀EPROM、電擦除可編程只讀EEPROM、閃存FM按訪(fǎng)問(wèn)方式分：地址訪(fǎng)問(wèn)和內(nèi)容訪(fǎng)問(wèn)；按尋址方式分：隨機(jī)（RAM）、順序(SAM)、直接(DAM)。相聯(lián)存儲(chǔ)器：工作原理：把數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的某一部分作為關(guān)鍵字，將該關(guān)鍵字與存儲(chǔ)器中的每一單元進(jìn)行比較，找出存儲(chǔ)器中所有與關(guān)鍵字相同的數(shù)據(jù)字。 結(jié)構(gòu)：輸入檢索寄存器：用來(lái)存放要檢索的內(nèi)容（關(guān)鍵字） 屏蔽寄存器：用來(lái)屏蔽不參與檢索的字段 比較器：比較檢索的關(guān)鍵字與存儲(chǔ)體的每一單元 存儲(chǔ)體：存放信息 匹配寄存器：記錄比較的結(jié)果 數(shù)據(jù)寄存器：存放存儲(chǔ)體中某一單元的內(nèi)容 地址寄存器 使相聯(lián)存儲(chǔ)器具有按地址查找的功能 地址譯碼器 作用范圍：高速緩存；虛擬存儲(chǔ)器中做段表、頁(yè)表或快表存儲(chǔ)器；DB和知識(shí)庫(kù)。 高速緩存：含義：存放當(dāng)前最活躍的程序和數(shù)據(jù)，作為主存局部域的副本。特點(diǎn)：容量小，速度快，由快速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器構(gòu)成，內(nèi)容是主存局部域的副本，對(duì)程序員是透明的。 組成：控制部分：判斷CPU要訪(fǎng)問(wèn)的信息是否在cache存儲(chǔ)器中，若在為命中，反之沒(méi)命中。存儲(chǔ)部分：存放主存的部分復(fù)制（副本）信息。 地址映像：含義：將主存地址轉(zhuǎn)換成cache存儲(chǔ)器的地址。方法：直接映像：優(yōu)點(diǎn)：地址變換簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：靈活性差全相聯(lián)映像：優(yōu)點(diǎn)：主存的塊調(diào)入Cache的位置靈活，不受限制； 缺點(diǎn)：無(wú)法從主存塊號(hào)中直接獲得Cache的塊號(hào)，變換復(fù)雜，速度較慢。組相聯(lián)映像：組用直接映像方式；塊用全相聯(lián)映像方式 替換算法：目標(biāo)：使cache獲得最高的命中率。 類(lèi)型：隨機(jī)替換、先進(jìn)先出、近期最少使用、優(yōu)化替換 性能分析：等效訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間ta =Htc+(1H)tm ，速度提高倍數(shù)r=tm/ta （H為命中率，tc為存取時(shí)間，tm為主存的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間）虛擬存儲(chǔ)器：含義:是由主存、輔存、存儲(chǔ)管理單元及操作系統(tǒng)中存儲(chǔ)管理軟件組成的存儲(chǔ)系統(tǒng)。 分類(lèi)：頁(yè)式：頁(yè)表硬件少，查表速度快，主存零頭少；缺點(diǎn)：分頁(yè)無(wú)邏輯意義，不利于存儲(chǔ)保護(hù)段式:優(yōu)點(diǎn)：段的界限分明，支持程序的模塊化設(shè)計(jì)，易編譯、修改、保護(hù)程序段，便于多道程序的共享；缺點(diǎn)：段的長(zhǎng)度不一，主存利用率不高，產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片，造成浪費(fèi)，段表龐大，查表速度慢。段頁(yè)式：優(yōu)點(diǎn)：兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)：地址變換速度慢。 外存：磁盤(pán)存儲(chǔ)器：構(gòu)成：盤(pán)片、驅(qū)動(dòng)器、控制器和接口。 類(lèi)型：軟盤(pán)、硬盤(pán) 光盤(pán)存儲(chǔ)器：類(lèi)型：只讀型、只寫(xiě)一次型、可擦除型。 組成：光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械部件 特點(diǎn)：記錄密度高；存儲(chǔ)容量大；采用非接觸式讀/寫(xiě)信息；信息可長(zhǎng)期保持； 采用多通道記錄時(shí)數(shù)據(jù)傳送率可超過(guò)200MB/S；制造成本低；對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度要求不高；存取時(shí)間較長(zhǎng)。 磁盤(pán)陣列技術(shù)：磁盤(pán)陣列是由多臺(tái)磁盤(pán)存儲(chǔ)器組成，一個(gè)快速大容量高可靠的外存子系統(tǒng)。 常見(jiàn)為廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列（RAID）,分為6級(jí)。: CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)RISC：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)作用：簡(jiǎn)化了CPU的控制器，提高了處理速度。特點(diǎn)：指令種類(lèi)少；指令長(zhǎng)度固定，格式種類(lèi)少；采用硬布線(xiàn)控制邏輯；復(fù)雜尋址方式少（寄存器尋址方式、立即數(shù)尋址方式以及相對(duì)尋址方式）；設(shè)置最少的訪(fǎng)內(nèi)指令；在CPU內(nèi)部設(shè)置大量的寄存器；非常適合流水線(xiàn)操作。：：1） 內(nèi)存與接口地址獨(dú)立(隔離)的編址方法：優(yōu)點(diǎn)：地址清楚，在編程或讀程序中很易使用和辨認(rèn)。缺點(diǎn)：用于接口的指令太少，功能太弱。2） 內(nèi)存與接口地址統(tǒng)一(混合)的編址方法：優(yōu)點(diǎn)：原則上用于內(nèi)存的指令全部可用于接口，大大地增強(qiáng)了接口的操作功能。指令不區(qū)分內(nèi)存或接口指令。缺點(diǎn)：地址空間分為兩部分，使內(nèi)存地址不連續(xù)。內(nèi)存與接口指令相同，讀程序時(shí)指令難辨認(rèn)。 ：無(wú)條件傳送程序查詢(xún)方式：缺點(diǎn)：降低了CPU的效率；對(duì)外部的突發(fā)事件無(wú)法做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。 ：缺點(diǎn)：CPU必須等待I/O系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)的性能?chē)?yán)重下降。 處理方法：多中斷信號(hào)線(xiàn)法、中斷軟件查詢(xún)法、菊花鏈法、總線(xiàn)仲裁法、中斷向量表法。 優(yōu)先級(jí)控制：當(dāng)不同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求時(shí)，CPU應(yīng)優(yōu)先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)最高的中斷源；中斷嵌套。 ：在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，CPU讓出總線(xiàn)的控制權(quán)，由硬件中的DMA控制器接管總線(xiàn)控制權(quán)。 (IOP):功能：提高主機(jī)的工作效率。 數(shù)據(jù)傳送方式：字節(jié)多路方式、選擇傳送方式、數(shù)組多路方式：指令流水線(xiàn)：將一條指令分解成一連串執(zhí)行的子過(guò)程，在CPU中變一條指令的串行子過(guò)程為若干條指令的子過(guò)程在CPU中重疊執(zhí)行。 采用時(shí)間重疊技術(shù)。 流水技術(shù)的特點(diǎn)：流水線(xiàn)可分成若干個(gè)相互聯(lián)系的子過(guò)程；實(shí)現(xiàn)子過(guò)程的功能所需時(shí)間盡可能相等；形成流水處理需要一段準(zhǔn)備時(shí)間；指令流發(fā)生不能順序執(zhí)行時(shí)，會(huì)使流水過(guò)程中斷，再形成流水過(guò)程則需要時(shí)間。 分類(lèi)：計(jì)算機(jī)流水線(xiàn)技術(shù)包括指令流水線(xiàn)和運(yùn)算操作流水線(xiàn)。 流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)：按完成的功能分：?jiǎn)喂δ芰魉€(xiàn)、多功能流水線(xiàn) 按同一時(shí)間內(nèi)各段間的連接方式分：靜態(tài)流水線(xiàn)、動(dòng)態(tài)流水線(xiàn) 按數(shù)據(jù)表示分：標(biāo)量流水處理機(jī)、向量流水處理機(jī) 流水線(xiàn)處理機(jī)的主要指標(biāo)：吞吐率：指單位時(shí)間里流水線(xiàn)處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)。建立時(shí)間:T0=m△t0阻塞流水線(xiàn)情形引起：執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令和共享資源沖突。：含義：任何連接兩個(gè)以上電子元器件的導(dǎo)線(xiàn)。 分類(lèi)：芯片內(nèi)總線(xiàn)元件級(jí)總線(xiàn) 內(nèi)(系統(tǒng))總線(xiàn)：專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)：ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）總線(xiàn)、 EISA總線(xiàn)、 PCI總線(xiàn) 外(通信)總線(xiàn)：RS232C：（串行）傳輸線(xiàn)較少、傳送距離遠(yuǎn)、多種可供選的傳送速率、較好的抗干擾性。SCSI總線(xiàn)：（并行）USB：（串行）支持即插即用，并支持熱插拔IEEE1394（串行）支持即插即用，并支持熱插拔：陣列(并行)處理機(jī)：將重復(fù)設(shè)置的多個(gè)處理單元按一定方式連成陣列，在單個(gè)控制部件控制下，對(duì)分配給自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并行地完成一條指令所規(guī)定的操作。 SIMD計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：設(shè)計(jì)目標(biāo)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活；處理單元間信息傳送的步驟盡可能少。 類(lèi)型：立方體單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)、PM2I單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)、混洗交換單級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 多處理機(jī)：互連條件：高頻帶、低成本、連接方式的多樣性、在不規(guī)則通信情況下連接的無(wú)沖突性分類(lèi)：異構(gòu)型(非對(duì)稱(chēng)型)、同構(gòu)型(對(duì)稱(chēng)型)、分布式處理系統(tǒng)。 結(jié)構(gòu)：總線(xiàn)式結(jié)構(gòu)（單總線(xiàn)、多總線(xiàn)、分級(jí)式、環(huán)式）、交叉開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)、多端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、開(kāi)關(guān)樞紐式結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活性、程序的并行性、并行任務(wù)派生、進(jìn)程同步、資源分配和任務(wù)調(diào)度 并行處理機(jī)：結(jié)構(gòu)：具有分布式存儲(chǔ)器的并行處理機(jī)結(jié)構(gòu)：具有共享存儲(chǔ)器的并行處理機(jī)結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：資源重復(fù)、連接模式、專(zhuān)用性、復(fù)合性 ：信息安全的基本要素：機(jī)密性、完整性、可用性、可控性、可審查性 安全等級(jí)：A1可驗(yàn)證安全設(shè)計(jì)、B3安全域、B2結(jié)構(gòu)化安全保護(hù)、B1 標(biāo)記安全保護(hù)、C2 受控訪(fǎng)問(wèn)控制、C1 自主安全保護(hù)、D 無(wú)安全功能 安全威脅：類(lèi)型：故意；偶然 實(shí)例：授權(quán)侵犯、拒絕服務(wù)、竊聽(tīng)、信息泄露、截獲/修改、假冒、否認(rèn)、 非法使用、人員疏忽、完整性破壞、媒體清理、物理入侵、資源耗盡 影響數(shù)據(jù)安全的因素：內(nèi)部、外部：含義：對(duì)明文（未經(jīng)加密的數(shù)據(jù)）按照某種加密算法（數(shù)據(jù)的變換算法）進(jìn)行處理，而形成難以理解的密文（經(jīng)加密后的數(shù)據(jù)）。內(nèi)容：加密/解密算法：算法的設(shè)計(jì)通常需要滿(mǎn)足3個(gè)條件：可逆性、密鑰安全和數(shù)據(jù)安全。密鑰管理：產(chǎn)生、備份、恢復(fù)、更新，多密鑰管理 元素：算法和密鑰 類(lèi)型：對(duì)稱(chēng)（私人密鑰）加密：文件加密和解密使用相同的密鑰。使用簡(jiǎn)單快捷，密鑰較短，破譯困難。數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）算法、三重DES(TDEA)、RC國(guó)際數(shù)據(jù)加密算法（IDEA）非對(duì)稱(chēng)（公共密鑰）加密：以（RSA）算法為代表，加密密鑰可公開(kāi)，解密密鑰要保密。保密性較好，消除了最終用戶(hù)交換密鑰的需要，加密和解密花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，速度慢，只適合對(duì)少量數(shù)據(jù)加密。：認(rèn)證方：帳戶(hù)名/口令認(rèn)證、使用摘要算法認(rèn)證、基于PKI(公鑰架構(gòu))的認(rèn)證公鑰架構(gòu)PKI系統(tǒng)：PKI 技術(shù)是信息安全技術(shù)的核心組成部分：認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA）、數(shù)字證書(shū)庫(kù)、密鑰備份及恢復(fù)系統(tǒng)、證書(shū)作廢系統(tǒng)、應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)化：公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)PKCS、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)議目的：通過(guò)自動(dòng)管理密鑰和證書(shū)，為用戶(hù)建立起一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，使用戶(hù)可在多種應(yīng)用環(huán)境下方便地使用加密和數(shù)字簽名技術(shù)，從而保證網(wǎng)上數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、有效性。HASH函數(shù)與信息摘要數(shù)字簽名：信息發(fā)送者使用以單向散列（Hash）函數(shù)對(duì)信息生成信息摘要；信息發(fā)送者使用自己的私鑰簽名信息摘要；信息發(fā)送者把信息本身和已簽名的信息摘要一起發(fā)送出去；信息接受者通過(guò)使用與信息發(fā)送者使用的同一個(gè)單向散列函數(shù)對(duì)接受的信息本身生成新的信息摘要，再使用信息發(fā)送者的公鑰對(duì)信息摘要進(jìn)行驗(yàn)證，以確認(rèn)信息發(fā)送者的身份和信息是否被修改過(guò)。數(shù)字加密：當(dāng)信息發(fā)送者需要發(fā)送信息時(shí)，先生成一個(gè)對(duì)稱(chēng)密鑰，用該密鑰加密要發(fā)送的報(bào)文；信息發(fā)送者用信息接受者的公鑰加密上述密鑰；信息發(fā)送者將第一步和第二步的結(jié)果結(jié)合在一起傳給信息接受者，再用此對(duì)稱(chēng)密鑰解密被發(fā)送方加密的密文，得到真正的原文。SSL安全協(xié)議（安全套接層協(xié)議）： 主要服務(wù)：用戶(hù)和服務(wù)器的合法性認(rèn)證；加密數(shù)據(jù)以隱藏被傳送的數(shù)據(jù)；保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性 實(shí)現(xiàn)過(guò)程：接通階段、密碼交換階段、會(huì)談密碼階段、檢驗(yàn)階段、客戶(hù)認(rèn)證階段、結(jié)束階段數(shù)字時(shí)間戳技術(shù)：時(shí)間戳是一個(gè)經(jīng)加密后形成的憑證文檔 組成部分：需加時(shí)間戳的文件的摘要；DTS收到的日期和時(shí)間；DTS的數(shù)字簽名 產(chǎn)生過(guò)程：用戶(hù)先將需要加時(shí)間戳的文件用Hash編碼加密形成摘要，再將該摘要發(fā)送到DTS，DTS在加入了收到文件摘要的日期和時(shí)間信息后再對(duì)該文件加密（數(shù)字簽名），送回用戶(hù)