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计算机结构 cheatsheet

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esse LL
修改于 2024-04-16 23:44:11
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文章被收录于专栏:计算机基础计算机基础

高速缓存

命中时直接对cache存储器寻址,时间tc

未命中时,主存寻址并且读入cache,时间tm

平均访存时间ta在tc和tm之间,取决于命中率

  • 提高命中率:替换算法 LRU最近最少使用

地址映像:主存地址转换成cache地址,直接映像 全相联 组相联

  1. 直接映像(Direct Mapping)

主存被划分为若干个与Cache大小相同的块。Cache也被划分为若干行,每行的大小与主存块相同。主存的块号直接映射到Cache的行号,通常是通过将主存块号的一部分直接用作Cache行号

实现简单,硬件开销小。冲突概率高,多个主存块竞争一个Cache行时命中率会下降

  1. 全相联映像(Fully Associative Mapping)

主存的任何块都可以映射到Cache的任何行,没有固定的映射关系。CPU访问主存时,Cache控制器会检查所有Cache行,看是否有与主存块匹配的标记

冲突概率最低,实现复杂,硬件开销大,因为需要比较所有Cache行的标记。访问Cache时可能需要较长的时间,因为需要搜索整个Cache空间

  1. 组相联映像(Set Associative Mapping)

Cache行被分为若干组,主存的块首先映射到一个特定的组,然后在该组内寻找空闲的行来存储。通常主存块号的一部分用于确定组号,另一部分与Cache行内的标记进行比较

当多个主存块映射到同一组时在组内竞争行,不同组之间不会有冲突

虚存

CPU访问虚拟地址,空间大于主存的物理地址

页式page:固定页长,通过页表查找物理地址

段式segment:段长不固定,段间不连续存在碎片

段页式:逻辑分段,主存分页,每个段管理页表

页面替换:LRU

磁盘阵列

RAID 冗余独立磁盘阵列Redundant Independent Disk Arrays,用于数据存储和恢复,多个硬盘组合,数据分散

  • RAID 0(条带化):分散存储但无冗余校验,仅提高性能
  • RAID 1(镜像):冗余备份,牺牲一半的存储容量
  • RAID 5:分散存储和奇偶校验
  • RAID 6:双重奇偶校验冗余
  • RAID 10:镜像到两组驱动器,每组使用条带化

指令系统

复杂指令集CISC

编译过程简单,寻址方式多

精简指令集RISC

机器周期T更小,更容易通过流水线优化

支持寻址:寄存器 立即数 相对寻址

输入输出系统

  • 数据交换:程序主动控制 中断 DMA

程序主动控制:循环访问状态

中断:优先级,嵌套处理

DMA:内存和IO之间整块传输,不经过CPU

流水线

任务重叠执行

  • 指令流水线:取指 译码 取操作数 执行

指令的获取(IF - Instruction Fetch):处理器从指令缓存(Instruction Cache)或主存中取指令暂存到指令寄存器(IR)中等待解码,更新PC(程序计数器)为下一条待取指令的地址

指令的解码(ID - Instruction Decode):解码器会解析IR中的指令,识别其操作码和操作数,操作数可能是立即数、寄存器地址或内存地址

操作数的获取(OF - Operand Fetch):操作数在寄存器中可以立即读取;如果在内存中则访问内存

指令的执行(EX - Execute):处理器根据指令类型和操作数执行运算,暂存执行结果

结果写回(WB - Write Back):计算结果会被写回寄存器或内存中

  • 性能:

吞吐率:单位时间执行的指令数

冲突:数据冒险、结构冒险和控制冒险

有条件跳转指令:流水线停顿

异常和中断:错误或外部请求时响应

总线结构

芯片内总线 元器件总线 内总线 外总线

芯片内总线,CPU内部高度集成,寄存器之间、算术逻辑部件(ALU)与控制部件之间传输数据

元器件总线涉及电路布局、信号完整性以及电磁兼容性

内总线,系统总线分为数据总线、地址总线和控制总线,连接CPU、内存、I/O设备等,常见有ISA EISA PCI

外总线,通信总线用于计算机与外部设备之间,串行硬件简单,传输距离远

并行

  • 时间重叠 资源重复 资源共享

时间重叠:多个处理过程在时间上错开,轮流使用同一套硬件设备的各个部件,减少等待时间,提高整体吞吐量,指令流水属于时间重叠

资源重复:增加硬件资源,相同的硬件资源被重复设置,从而同时处理多个任务,多处理机系统和陈列式处理机属于资源重复

资源共享:通过软件方法使多个任务轮流使用同一套硬件设备,操作系统任务调度属于资源共享

计算机安全

  • 信息安全的基本要素:

保密性:信息不被未授权的第三方获取

完整性:信息不被篡改

可用性:系统能够正常工作可访问

可控性:信息在传输范围和存放空间内的可控

不可否认性:参与者无法否认或抵赖,可审查性

计算机的安全等级

  • 加密技术:

对称:AES(高级加密标准)DES(数据加密标准)3DES(三重数据加密算法)

非对称:

RSA(基于密钥的长度和大数分解)

椭圆曲线加密(ECC)基于椭圆曲线,计算效率更高

Diffie-Hellman密钥交换算法

DSA数字签名算法

  • 认证技术:

用户名口令

信息摘要Message Digest

公钥PKI

私钥签名,公钥验证

安全套接字层SSL:通信加密,身份认证

  • 计算机病毒:

传染性:通过网络、文件共享、USB驱动器传播

隐蔽性:隐藏在合法程序或文件中,使用加密或变形来隐藏绕过检测

潜伏性:可以在特定的日期、时间或系统事件触发恶意行为

破坏性:恶意行为包括删除文件、破坏系统数据、占用系统资源等

网络病毒:通过计算机网络传播,感染可执行文件或利用网络协议漏洞进行攻击。

文件病毒:感染扩展名为COM、EXE、SYS等类型的文件。

引导型病毒:感染计算机启动扇区或硬盘系统引导扇区,影响计算机的正常启动

计算机可靠性

串联系统:概率的乘积

并联系统:1-所有失效概率的乘积

处理器性能公式

指令数IC

指令执行速度:单位MIPS(百万条指令每秒)

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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