信息安全導論 CH1

信息安全導論

IntroductiontoInformationSecurity武漢學院信息系第1章計算機組成原理

學習要點：計算機的硬件組成；計算機的馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)；計算機的基本工作過程；計算機的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；計算機的應(yīng)用模式。計算機的發(fā)展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統(tǒng)第1章計算機組成原理1.1計算機的發(fā)展和硬件組成

1.1.1計算機的發(fā)展1.1.2馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)1.1.3存儲器1.1.4中央處理器1.1.5總線1.第一代計算機

（大約從1946年到1959年）

第一代計算機的硬件主要采用電子管。這時的計算機體積非常龐大，價格也很高，運算速度每秒僅幾千次，使用機器語言與符號語言（匯編語言）編寫程序。計算機只能在少數(shù)尖端領(lǐng)域中應(yīng)用，主要用于軍事和科學計算。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.1計算機的發(fā)展2.第二代計算機

（大約從1959年到1965年）

第二代計算機的硬件主要采用晶體管，采用磁芯作為存儲器，外部設(shè)備采用磁盤、磁帶，運算速度每秒幾十萬次。晶體管的體積較電子管的體積小，體積的縮小及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶來了計算機運算速度的提高，存儲容量的增大，功耗的降低以及可靠性的提髙。在軟件方面提出了操作系統(tǒng)的概念，開始使用FORTRAN、COBOL、Lisp等髙級程序語言。第二代計算機不僅用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.1計算機的發(fā)展3.第三代計算機

（大約從1965年到1971年）

第三代計算機的硬件主要采用中、小規(guī)模集成電路，用半導體存儲器代替了磁芯存儲器。集成電路是把若干個元件集成在一個指關(guān)節(jié)大小的半導體基片上，并進行封裝，具有一定功能的電子電路。在這個時期計算機系統(tǒng)軟件也有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的方法。計算機向標準化、多樣化和通用化方向發(fā)展，并開始應(yīng)用于各個領(lǐng)域。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.1計算機的發(fā)展4.第四代計算機

（20世紀70年代開始）

第四代計算機的硬件主要采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，可以把整個處理器制造在一個指甲大小的芯片上，因此計算機的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)成方式有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了個人計算機PC。計算機的各種性能都得到了大幅度的提高，運算速度從每秒幾百萬次到億萬次以上。操作系統(tǒng)不斷完善，出現(xiàn)了C語言、C++等語言，計算機軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，出現(xiàn)了文字處理軟件、電子制表軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，計算機不斷進入人們生產(chǎn)、生活的各個方面，計算機的發(fā)展逐漸進入了以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征的時代。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.1計算機的發(fā)展內(nèi)存部件：存放數(shù)據(jù)和指令算術(shù)邏輯部件：對數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)運算和邏

輯運算控制部件：控制其他部件的動作輸入部件：接收要存儲在內(nèi)存中數(shù)據(jù)輸出部件：把存儲在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)打印或

顯示出來1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.2馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖存儲器是計算機的重要組成部分，分為內(nèi)存（主存）部件和外存（輔存）部件。其功能是存儲信息，保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟，均為用0或1表示的二進制代碼。用一個具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件表示二進制0和1，這種器件稱為存儲單元，它所表示的是二進制數(shù)的一位。位（bit）是二進制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。這些位被組合成8位字節(jié)（Byte），字節(jié)被組合成字。一個二進制數(shù)由若干位組成，當一個數(shù)作為一個整體存入或讀出時，這個數(shù)稱為存儲字。程序和數(shù)據(jù)以二進制的形式存放在存儲體中，它是存儲器的核心部分。為了區(qū)分存儲體中的所有單元，必須將它們逐一編號。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.3存儲器1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.3存儲器

存儲器有兩種基本的操作：一種是讀操作，一種是寫操作。讀操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將讀命令加載到讀寫控制線路上，在讀命令的作用下，存儲器將按照地址寄存器中的地址從相應(yīng)的存儲單元中讀出內(nèi)容送到數(shù)據(jù)寄存器中。寫操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將要寫的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)寄存器中，然后將寫命令加載到讀寫控制線路上，在寫命令的作用下，存儲器將數(shù)據(jù)寫入地址寄存器所指定的對應(yīng)單元中。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.3存儲器根據(jù)存儲材料及使用方法不同，存儲器有各種不同的分類方法。

隨機讀寫存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）順序存儲器直接存取存儲器1.按存儲方式分類1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.3存儲器非永久記憶的存儲器永久記憶性存儲器2.按信息的可保存性分類高速緩沖存儲器主存儲器外存儲器3.按在計算機系統(tǒng)中的作用分類1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.3存儲器

中央處理器，通常簡稱CPU(CentralProcessingUnit)，是控制器和運算器的總稱，主要負責指令解釋和執(zhí)行。1.控制器

控制器是發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。由于計算機的類型不同、功能不同、結(jié)構(gòu)不同以及規(guī)模不同，其控制器也會有不少差別，但其基本組成是相同的，主要由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、中斷機構(gòu)、總線控制邏輯等構(gòu)成。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器2.運算器

運算器由核心部件，即算術(shù)邏輯部件ALU(ArithmeticLogicUnit)、寄存器（Register）、總線（Bus）等組成。運算器就好比一個由電子線路構(gòu)成的算盤，能進行加、減、乘、除等算術(shù)運算，還可進行與、或、非等邏輯運算?？紤]到電子器件的特性，計算機中通常采用二進制數(shù)。二進制數(shù)就是以2為基數(shù)來計數(shù)，即逢二進一。在二進制中只有0和1兩個獨立的數(shù)符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應(yīng)起來，容易實現(xiàn)。

1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器單總線結(jié)構(gòu)運算器雙總線結(jié)構(gòu)運算器三總線結(jié)構(gòu)運算器計算機的運算器大體有3種結(jié)構(gòu)形式1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器2.運算器

（1）單總線結(jié)構(gòu)運算器1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器（2）雙總線結(jié)構(gòu)運算器1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器（3）三總線結(jié)構(gòu)運算器1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器3.CPU的處理速度

大型的計算機在設(shè)計和生產(chǎn)時是作為一個整體來考慮的，CPU只是系統(tǒng)的一個部件。在這樣的計算機系統(tǒng)里，通常使用CPU每秒鐘執(zhí)行的機器指令數(shù)目來量度CPU工作速度。一個較為傳統(tǒng)的單位是MIPS(百萬條指令/每秒）。當然，不同的機器指令的執(zhí)行時間并不一定相同，但是MIPS這種描述簡單直觀，也能大致上表示出CPU的主要性能，所以仍然廣泛使用。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器4.CPU基本功能

（1）指令控制

程序的順序控制稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的順序不能任意顛倒，必須嚴格按程序規(guī)定的順序進行。（2）操作控制—條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求執(zhí)行。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器4.CPU基本功能

（3）時間控制

對各種操作實施時間上的定時稱為時間控制。在計算機中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個執(zhí)行過程都受到嚴格的時間定時。（4）數(shù)據(jù)加工

數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算處理并進行邏輯測試，例如零值測試、兩個值的比較等。數(shù)據(jù)加工處理部件由算術(shù)邏輯單元、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成，相對控制器而言，運算器接受控制器的命令而進行動作，即運算器所進行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器5.CPU的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)緩沖寄存器指令寄存器程序計數(shù)器累加寄存器狀態(tài)條件寄存器地址寄存器1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.4中央處理器總線是在計算機系統(tǒng)各組成部件之間傳送數(shù)據(jù)的一組公共信號線的集合?？偩€可以分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是指在CPU內(nèi)部連接寄存器、運算器、控制器進行數(shù)據(jù)傳送所使用的總線；外部總線是連接CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備接口各種部件，進行信息傳送的總線，也稱為系統(tǒng)總線。1.1計算機的發(fā)展和硬件組成1.1.5總線計算機的發(fā)展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統(tǒng)內(nèi)容提綱1.2

計算機的基本工作過程

1.2.1指令格式1.2.2指令尋址方式1.2.3指令執(zhí)行過程指令的內(nèi)容由兩部分組成，即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼，后者稱為地址碼。操作碼字段表示指令的操作特性與功能，指出指令所進行的操作，如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等，設(shè)計如下指令操作碼。指令操作碼指令操作碼加法001取整101減法010存數(shù)110乘法011打印111除法100停機0001.2計算機的基本工作過程1.2.1指令格式指令操作碼1.二地址指令

在二地址指令中將X地址的操作數(shù)與Y地址的操作數(shù)執(zhí)行OPR操作，將結(jié)果數(shù)送于Y地址2.單地址指令

為了進一步縮短機器指令碼的長度，以節(jié)省存儲器空間，減少訪問內(nèi)存的次數(shù)。還可以從指令碼中再去掉一個操作數(shù)地址，結(jié)果在指令碼中僅剩下一個操作數(shù)地址碼了。但是大多數(shù)運算操作必須有兩個操作數(shù)(二元運算），這就可以利用硬件來隱含地提供另一個操作數(shù)和結(jié)果數(shù)的地址。提供隱含操作數(shù)的硬件稱之為累加器。OPRXYOPRX1.2計算機的基本工作過程1.2.1指令格式1.立即尋址立即尋址是為一條指令確定一個操作數(shù)的最簡單方法。在立即尋址方式中，指令的地址碼作為實際的操作數(shù)。立即的含義是指在同一時間內(nèi)，指令本身被取出來時，操作數(shù)也同時被取出來了，這個操作數(shù)立即就可以使用了。2.直接尋址指令中的地址碼就是操作數(shù)的實際地址，即按照這個地址能夠從存儲器中直接取得操作數(shù)，這樣的尋址方式稱為直接尋址方式。由于在直接尋址方式中給出的操作數(shù)地址與程序本身所在的位置無關(guān)，因此又叫絕對尋址方式。1.2計算機的基本工作過程1.2.2指令尋址方式3．間接尋址在指令中的地址碼不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的內(nèi)存單元地址，這個地址稱為間接地址。利用間接地址的尋址方式稱為間接尋址方式。1.2計算機的基本工作過程1.2.2指令尋址方式八進制地址八進制內(nèi)容助記符020250000CLA021010010ADD10

表中列出了由兩條指令組成的一個簡單程序。下面通過CPU執(zhí)行這一程序的過程，即通過每一條指令取指令階段與執(zhí)行指令階段的分解動作，來具體認識每一條指令的指令周期（假定，程序已裝入內(nèi)存中）。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執(zhí)行過程簡單程序1.取第一條指令CLA程序計數(shù)器PC的內(nèi)容020被裝入總線地址寄存器；程序計數(shù)器內(nèi)容加1，變成021，為取下一條指令做好準備；地址寄存器的內(nèi)容被放到地址總線上，經(jīng)地址總線送到內(nèi)存地址寄存器；所選存儲器單元020中的內(nèi)容經(jīng)過數(shù)據(jù)總線，傳送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器；數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送到指令寄存器；指令寄存器中的操作碼被譯碼或測試；CPU識別出指令內(nèi)容是CLA，至此，取指令階段結(jié)束。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執(zhí)行過程2.執(zhí)行CLA指令階段操作控制器發(fā)送一控制信號給算術(shù)邏輯運算單元ALU；ALU響應(yīng)該控制信號，將累加寄存器的內(nèi)容全部清零，從而執(zhí)行了CLA指令。3.取下一條指令ADD該過程與取第一條指令相同；取指結(jié)束后，程序計數(shù)器的內(nèi)容變成022，指令寄存器中已經(jīng)存好ADD指令并進行譯碼。數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送到指令寄存器；1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執(zhí)行過程4.執(zhí)行ADD10指令階段把指令寄存器中的地址碼部分(10)裝入地址寄存器，其中10為內(nèi)存中存放操作數(shù)的地址；把地址寄存器中的操作數(shù)的地址(10)發(fā)送到地址總線上；在存儲器單元10中讀出操作數(shù)，假定該數(shù)是8，并經(jīng)過數(shù)據(jù)總線傳送到緩沖寄存器；執(zhí)行加操作：由數(shù)據(jù)緩沖寄存器得來的操作數(shù)8可送往ALU的一個輸入端，將等候在累加器內(nèi)的另一個操作數(shù)（因為CLA指令執(zhí)行結(jié)束后累加器內(nèi)容為零）送往ALU的另一個輸入端，于是ALU將兩數(shù)相加，產(chǎn)生運算結(jié)果為0+8=8。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執(zhí)行過程計算機的發(fā)展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統(tǒng)內(nèi)容提綱1.3

計算機系統(tǒng)1.3.1硬件和軟件1.3.2應(yīng)用模式1.系統(tǒng)系統(tǒng)是指由若干個既相互區(qū)別，又相互聯(lián)系、相互作用、相互影響、相互依存的成分所組成的一個有機整體。習慣把組成計算機系統(tǒng)的所有成分分為兩大部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。1.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件和軟件外部存儲器：硬盤、軟件、光盤等輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標、掃描儀等輸出設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖儀等其他設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器等外部設(shè)備運算器控制器中央處理器ROMRAM內(nèi)存儲器主機硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)服務(wù)程序：檢查、診斷、排錯系統(tǒng)軟件通用應(yīng)用軟件：如：Office辦公軟件等專用應(yīng)用軟件：用戶程序應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)1.3計算機系統(tǒng)1.3.1硬件和軟件計算機系統(tǒng)2.硬件硬件是組成計算機的硬件部件的總稱。如前所述，CPU是計算機的中樞，負責執(zhí)行運算和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的全過程。其中，運算器用于執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破骺刂婆c協(xié)調(diào)運算、存儲、輸入輸出等數(shù)據(jù)處理動作的啟動和執(zhí)行