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.諾依曼體系結構；計算機的基本工作過程；計算機的硬件系統和軟件系統；計算機的應用模式。計算機的發展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統第1章計算機組成原理1.1計算機的發展和硬件組成

1.1.1計算機的發展1.1.2馮.諾依曼體系結構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。計算機只能在少數尖端領域中應用，主要用于軍事和科學計算。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.1計算機的發展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，體積的縮小及相關技術的發展，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，還用于數據處理和事務處理，并逐漸應用于工業控制領域。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.1計算機的發展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節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軟件也有了很大發展，出現了操作系統和結構化程序設計的方法。計算機向標準化、多樣化和通用化方向發展，并開始應用于各個領域。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.1計算機的發展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模與超大規模集成電路，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構和構成方式有了很大的發展，出現了個人計算機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。操作系統不斷完善，出現了C語言、C++等語言，計算機軟件產業高度發展，出現了文字處理軟件、電子制表軟件和數據庫管理系統，計算機不斷進入人們生產、生活的各個方面，計算機的發展逐漸進入了以計算機網絡為特征的時代。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.1計算機的發展內存部件：存放數據和指令算術邏輯部件：對數據執行算術運算和邏

輯運算控制部件：控制其他部件的動作輸入部件：接收要存儲在內存中數據輸出部件：把存儲在內存中的數據打印或

顯示出來1.1計算機的發展和硬件組成1.1.2馮.諾依曼體系結構馮.諾依曼體系結構圖存儲器是計算機的重要組成部分，分為內存（主存）部件和外存（輔存）部件。其功能是存儲信息，保存或“記憶”解題的原始數據和解題步驟，均為用0或1表示的二進制代碼。用一個具有兩種穩定狀態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的一位。位（bit）是二進制數的最基本單位，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（Byte），字節被組合成字。一個二進制數由若干位組成，當一個數作為一個整體存入或讀出時，這個數稱為存儲字。程序和數據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計算機的發展和硬件組成1.1.3存儲器1.1計算機的發展和硬件組成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的存儲單元中讀出內容送到數據寄存器中。寫操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將要寫的數據加載到數據寄存器中，然后將寫命令加載到讀寫控制線路上，在寫命令的作用下，存儲器將數據寫入地址寄存器所指定的對應單元中。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.3存儲器根據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.按在計算機系統中的作用分類1.1計算機的發展和硬件組成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行。1.控制器

控制器是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個計算機系統的操作。由于計算機的類型不同、功能不同、結構不同以及規模不同，其控制器也會有不少差別，但其基本組成是相同的，主要由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、中斷機構、總線控制邏輯等構成。1.1計算機的發展和硬件組成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成的算盤，能進行加、減、乘、除等算術運算，還可進行與、或、非等邏輯運算。考慮到電子器件的特性，計算機中通常采用二進制數。二進制數就是以2為基數來計數，即逢二進一。在二進制中只有0和1兩個獨立的數符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應起來，容易實現。

1.1計算機的發展和硬件組成1.1.4中央處理器單總線結構運算器雙總線結構運算器三總線結構運算器計算機的運算器大體有3種結構形式1.1計算機的發展和硬件組成1.1.4中央處理器2.運算器

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

大型的計算機在設計和生產時是作為一個整體來考慮的，CPU只是系統的一個部件。在這樣的計算機系統里，通常使用CPU每秒鐘執行的機器指令數目來量度CPU工作速度。一個較為傳統的單位是MIPS(百萬條指令/每秒）。當然，不同的機器指令的執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的，因此，CPU管理并產生由內存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求執行。1.1計算機的發展和硬件組成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行過程都受到嚴格的時間定時。（4）數據加工

數據加工就是對數據進行算術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。數據加工處理部件由算術邏輯單元、累加寄存器、數據緩沖寄存器和狀態條件寄存器組成，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出的控制信號來指揮的。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.4中央處理器5.CPU的基本結構

數據緩沖寄存器指令寄存器程序計數器累加寄存器狀態條件寄存器地址寄存器1.1計算機的發展和硬件組成1.1.4中央處理器總線是在計算機系統各組成部件之間傳送數據的一組公共信號線的集合。總線可以分為內部總線和外部總線。內部總線是指在CPU內部連接寄存器、運算器、控制器進行數據傳送所使用的總線；外部總線是連接CPU、內存、I/O設備接口各種部件，進行信息傳送的總線，也稱為系統總線。1.1計算機的發展和硬件組成1.1.5總線計算機的發展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統內容提綱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指令執行過程指令的內容由兩部分組成，即操作的性質和操作的地址。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、存數等，設計如下指令操作碼。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地址的操作數與Y地址的操作數執行OPR操作，將結果數送于Y地址2.單地址指令

為了進一步縮短機器指令碼的長度，以節省存儲器空間，減少訪問內存的次數。還可以從指令碼中再去掉一個操作數地址，結果在指令碼中僅剩下一個操作數地址碼了。但是大多數運算操作必須有兩個操作數(二元運算），這就可以利用硬件來隱含地提供另一個操作數和結果數的地址。提供隱含操作數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。立即的含義是指在同一時間內，指令本身被取出來時，操作數也同時被取出來了，這個操作數立即就可以使用了。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，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地址與程序本身所在的位置無關，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的地址，而是存放操作數地址的內存單元地址，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執行這一程序的過程，即通過每一條指令取指令階段與執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，程序已裝入內存中）。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執行過程簡單程序1.取第一條指令CLA程序計數器PC的內容020被裝入總線地址寄存器；程序計數器內容加1，變成021，為取下一條指令做好準備；地址寄存器的內容被放到地址總線上，經地址總線送到內存地址寄存器；所選存儲器單元020中的內容經過數據總線，傳送到數據緩沖寄存器；數據緩沖寄存器的內容經數據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識別出指令內容是CLA，至此，取指令階段結束。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執行過程2.執行CLA指令階段操作控制器發送一控制信號給算術邏輯運算單元ALU；ALU響應該控制信號，將累加寄存器的內容全部清零，從而執行了CLA指令。3.取下一條指令ADD該過程與取第一條指令相同；取指結束后，程序計數器的內容變成022，指令寄存器中已經存好ADD指令并進行譯碼。數據緩沖寄存器的內容經數據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指令執行過程4.執行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為內存中存放操作數的地址；把地址寄存器中的操作數的地址(10)發送到地址總線上；在存儲器單元10中讀出操作數，假定該數是8，并經過數據總線傳送到緩沖寄存器；執行加操作：由數據緩沖寄存器得來的操作數8可送往ALU的一個輸入端，將等候在累加器內的另一個操作數（因為CLA指令執行結束后累加器內容為零）送往ALU的另一個輸入端，于是ALU將兩數相加，產生運算結果為0+8=8。1.2計算機的基本工作過程1.2.3指令執行過程計算機的發展和硬件組成計算機的基本工作過程計算機系統內容提綱1.3

計算機系統1.3.1硬件和軟件1.3.2應用模式1.系統系統是指由若干個既相互區別，又相互聯系、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的所有成分分為兩大部分：硬件系統和軟件系統。1.3計算機系統1.3.1硬件和軟件外部存儲器：硬盤、軟件、光盤等輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀等輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀等其他設備：調制解調器等外部設備運算器控制器中央處理器ROMRAM內存儲器主機硬件系統操作系統程序語言處理系統數據庫管理系統服務程序：檢查、診斷、排錯系統軟件通用應用軟件：如：Office辦公軟件等專用應用軟件：用戶程序應用軟件軟件系統計算機系統1.3計算機系統1.3.1硬件和軟件計算機系統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，負責執行運算和控制系統數據處理的全過程。其中，運算器用于執行算術運算和邏輯運算。控制器控制與協調運算、存儲、輸入輸出等數據處理動作的啟動和執行