计算机结构 cheatsheet

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

• 网络安全技术：VPN，防火墙，入侵检测，安全扫描

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

CPU时间=程序的CPU时钟周期数 \times (CPU时钟)周期时间

指令数IC

CPI=(程序的CPU)时钟周期数 \div IC

时钟周期数=CPI \times IC

CPU时间=CPI \times IC \times 周期时间

周期时间=1 \div CPU时钟频率

CPU时间=\frac{CPI \times IC}{时钟频率}

指令执行速度：单位MIPS（百万条指令每秒）

MIPS=指令数 \div 执行时间 \div 10^6 = \frac{IC}{CPU时间} \div 10^6 = \frac{时钟频率}{CPI \times 10^6}