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学习任务

1. 复习Linux命令，特别是man -k, cheat, grep -nr xxx /usr/include
2. 复习vi, gcc, gdb,make的使用
3. 复习教材内容ch01 ch02 ch03 ch04 ch06 ch07
4. 复习前面的考题（答案解析见http://group.cnblogs.com/topic/73060.html） ，下次考试考每次考试错的最多的题目
5. 期中总结发一篇Blog

知识点总结

man命令调用手册页

man <command_name>

手册通常被分为8个区段，要查看相应区段的内容，就在 man 后面加上相应区段的数字即可：

1	一般命令
2	系统调用
3	库函数，涵盖了C标准函数库
4	特殊文件（通常是/dev中的设备）和驱动程序
5	文件格式和约定
6	游戏和屏保
7	杂项
8	系统管理命令和守护进程

man有一个-k 选项用起来非常好，这个选项让你学习命令、编程时有了一个搜索引擎，可以举一反三。结合后面学习的grep 命令和管道，可以多关键字查找：

man -k key1 | grep key2 | grep key3 | ...

grep 命令

管道是一种通信机制，通常用于进程间的通信（也可通过socket进行网络通信），它表现出来的形式就是将前面每一个进程的输出(stdout)直接作为下一个进程的输入(stdin)。

grep命令的一般形式为：

grep [命令选项]... 用于匹配的表达式 [文件]...

使用grep命令查找宏

grep -nr	 /usr/include

cheat 命令

它提供显示Linux命令使用案例，包括该命令所有的选项和简短但尚可理解的功能。

用户权限管理

• 查看用户

  $ who am i
  

  　　

• 创建用户

要创建用户需要 root 权限，要用到 sudo 这个命令。使用这个命令有两个大前提，一是要知道当前登录用户的密码，二是当前用户必须在 sudo 用户组。

$ sudo adduser 用户名

• 用户组
  在 Linux 里面每个用户都有一个归属（用户组），用户组简单地理解就是一组用户的集合，它们共享一些资源和权限，同时拥有私有资源。

查看用户属于的用户组：

$ groups 用户名

或

$ cat /etc/group | sort

将其它用户加入 sudo 用户组：

$ su 当前用户	//获得root权限
$ groups 待添加用户
$ sudo usermod -G sudo 待添加用户		//将用户添加到sudo用户组
$ groups 待添加用户

• 删除用户

  $ sudo deluser 待删除用户 --remove-home
  

  　　

Linux 文件的基本操作

• 新建

  $ touch 文件名
  $ mkdir 目录名
  

  　　

  使用 -p 参数，同时创建父目录（如果不存在该父目录）：

  $ mkdir -p father/son/grandson
  

  　　

• 复制

使用cp（copy）命令复制一个文件或目录到指定目录。

$ cp 文件名 指定目录

要成功复制目录需要加上-r或者-R参数，表示递归复制：

$ cp -r father family

• 删除

使用rm（remove files or directories）命令，删除一个文件或目录：

$ rm test

• 移动文件与文件重命名

使用mv(move or rename files)命令，移动文件（剪切）。

$ mv 源目录文件 目的目录

重命名文件

$ mv 旧的文件名 新的文件名：

Vim编辑器

vim常用基本模式

• 普通模式(Normal mode)

• 插入模式(Insert mode)

• 命令行模式(Command line mode)

游标移动

按键		说明
h		左
l		右（小写L）
j		下
k		上
w		移动到下一个单词
b		移动到上一个单词

插入模式

在普通模式下使用下面的键将进入插入模式，并可以从相应的位置开始输入

命令		说明
i		在当前光标处进行编辑
I		在行首插入
A		在行末插入
a		在光标后插入编辑
o		在当前行后插入一个新行
O		在当前行前插入一个新行
cw		替换从光标所在位置后到一个单词结尾的字符

保存文档

从普通模式输入:进入命令行模式，输入w回车，保存文档。输入:w 文件名可以将文档另存为其他文件名或存到其它路径下

退出vim

从普通模式输入:进入命令行模式，输入wq回车，保存并退出编辑

命令				说明
:q!				强制退出，不保存
:q				退出
:wq!			强制保存并退出
:w <文件路径>	另存为
:saveas 文件路径	另存为
:x				保存并退出
:wq				保存并退出

普通模式下输入Shift+zz即可保存退出vim

删除文本

进入普通模式，使用下列命令可以进行文本快速删除

命令		说明
x		删除游标所在的字符
X		删除游标所在前一个字符
Delete	同x
dd		删除整行
dw		删除一个单词（不适用中文）
d$或D	删除至行尾
d^		删除至行首
dG		删除到文档结尾处
d1G		删至文档首部

在命令之前加上数字，表示一次删除多行，如：2dd表示一次删除2行

gcc编译器

常用选项

-c		只编译不链接，生成目标文件.o
-S		只编译不汇编，生成汇编代码
-E		只进行预编译，不做其他处理
-g		在可执行程序中包含标准调试信息
-o file	将file文件指定为输出文件
-v		打印出编译器内部编译各过程的命令行信息和编译器的版本
-I dir	在头文件的搜索路径列表中添加dir目录

库选项

• -static 进行静态编译，即链接静态库，禁止使用动态库
• -shared 1.可以生成动态库文件
  2.进行动态编译，尽可能的链接动态库，没有动态库时才会链接同名静态库
• -L dir 在库文件的搜索路径列表中添加dir目录
• -lname 链接称为libname.a或者libname.so的库文件。
  如果两个库文件都存在，根据编译方式是static还是shared进行链接
• -fPIC 生成使用相对地址的位置无关的目标代码，
• (-fpic) 然后通常使用gcc的-static选项从该pic目标文件生成动态库文件。

编译过程

• 预处理：gcc –E hello.c –o hello.i; gcc –E调用cpp 生成中间文件
• 编 译：gcc –S hello.i –o hello.s; gcc –S调用ccl 翻译成汇编文件
• 汇 编：gcc –c hello.s –o hello.o; gcc -c 调用as 翻译成可重定位目标文件
• 链 接：gcc hello.o –o hello ; gcc -o 调用ld** 创建可执行目标文件

gdb调试

使用GCC编译时要加“-g”参数

基本命令

• gdb programm(启动GDB)
• b 设断点（4种断点：行断点、函数断点、条件断点、临时断点）
• run 开始运行程序
• bt 打印函数调用堆栈
• p 查看变量值
• c 从当前断点继续运行到下一个断点
• n 单步运行
• s 单步运行
• quit 退出GDB

四种断点：

• 行断点

  b [行数或函数名] <条件表达式>

• 函数断点

  b [函数名] <条件表达式>

• 条件断点

  b [行数或函数名] <if表达式>

• 临时断点

  tbreak [行数或函数名] <条件表达式>

Makefile

Makefile的一般写法：

test(目标文件): prog.o code.o(依赖文件列表)
tab(至少一个tab的位置) gcc prog.o code.o -o test(命令)	
.......

使用带宏的 Makefile

Makefile还可以定义和使用宏(也称做变量)，从而使其更加自动化，更加灵活，在Makefile中定义宏的格式为：

macroname = macrotext

使用宏的格式为：

$(macroname)

书本知识汇总

第1章 计算机系统漫游

信息就是位十上下文

查看源文件可以用od 命令 ：

od -tc -tx1 hello.c

操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介。
它提供三个基本的抽象：

1）文件是对I/O的抽象；

2）虚拟存储器是对主存和磁盘的抽象；

3）进程是对处理器、主存抽象和I/O设备的设备最后，网络提供了计算机系统之间通信的手段。从特殊系统的角度来看，网络就是一种I/O设备。

第2章 信息的表示和处理

小端法“高对高，低对低”大端与之相反。

布尔代数：二进制是计算机编码存储和操作信息的核心。

C语言中的位级运算：C语言支持按位的布尔运算。与、或、非、异或、同或
C语言中的逻辑运算：&&与  ||或  ！非
C语言中的移位运算：x<<k：左移k位； X>>k：右移k位

扩展一个数字的位表示：在不同字长的整数之间转换又保持数值不变。

0扩展：简单的在表示的开头加0。
符号扩展：将补码数字转换成更大类型的数据。规则在表中添加最高有效位的值的副本。

IEEE浮点表示：标准 V=(-1)^sM2^E

符号：s  决定这个数是正数还是负数。
尾数：M 二进制小数。
阶码：E  对浮点数加权，权重是2 的E次幂。

将浮点数的位划分成三段分别进行编码：

一个单独的符号位直接编码符号。
K位的阶码字段exp=ek-1……e1e0编码阶段
N位小数字段

舍入：浮点运算只能近似的表示示数运算想要找到最接近x的值就是舍入，问题的关键在于在两个可能的值中间确定舍入方向。

向偶数舍入：也叫向最接近的值舍入。是默认方法。
将数字向上或向下舍入使的结果的最低有效数字是偶数。
其他三种方式产生实际值的确界。

第3章 程序的机器级表示

ISA：

指令集体系结构，机器级程序的格式和行为，它定义了处理器状态、指令的格式以及每条指令对状态的影响。

程序计数器（通常称为PC，用%eip表示），指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。

整数寄存器文件：存储地（对应于C语言的指针）或整数数据。

条件码寄存器：保存着最近执行的算数或逻辑指令的状态信息，用来实现控制或者数据流中的条件变化。

浮点寄存器：用来存放浮点数据。

编译过程：

• C预处理器插入宏和头文件：gcc -E xxx.c -o xxx.i

• 编译器产生源代码的汇编代码：gcc -S xxx.i -o xxx.s

• 汇编器化成二进制目标代码：gcc -c xxx.s -o xxx.o

• 链接器生成最终可执行文件：gcc xxx. -o xxx

• 用objdump -d xxx.o -o xxx.s 反汇编

栈

1 遵循“后进先出”的原则
2 push压栈，pop出栈
3 栈顶：总是从这端插入和删除元素
4 栈顶元素的地址是最低的
5 栈指针%esp保存着栈顶元素的地址

算术和逻辑操作

加载有效地址：实际是将有效地址写入目的操作数，目的操作数必须是寄存器。

一元操作：只有一个操作数，可以是寄存器也可是存储器位置。

二元操作：源操作数是第一个，可以是立即数、寄存器、存储器
		 目的操作数是第二个，可以是寄存器、存储器
		 两个不能同时为存储器。

移位：第一个是移位量，用单个字节编码（只允许0-31位的移位），可以是立即数或者放在单字节寄存器%cl中
	 算术右移SAR，填上符号位；逻辑右移SHR，填上0。
	 目的操作数可以是一个寄存器或存储器。

控制中最核心的是跳转语句：

有条件跳转（实现if,switch,while,for）
无条件跳转jmp(实现goto)

条件码寄存器

描述了最近的算术或逻辑操作的属性，可以检测这些寄存器来执行条件分支指令
常用条件码：CF ZF SF OF
注意leal不改变任何条件码

IA32通过程序栈来实现过程调用。栈用来：

传递过程参数
存储返回信息
保存寄存器
本地存储

最顶端的栈帧以两个指针界定，寄存器%ebp为帧指针，寄存器%esp为栈指针。程序执行时，栈指针可以移动，大多数信息的访问都是相对于帧指针的。

栈向低地址方向增长。

call指令

指明被调用过程起始的指令地址，效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。

ret指令

从栈中弹出地址，并跳转到这个位置，使用这个指令栈指针要指向call指令存储返回地址的位置。

函数返回值存在%eax中

第4章 处理器体系结构

Y86指令

• movl：irmovl、rrmovl、mrmovl、rmmovl，分别 显式地指明源和目的地的格式。第一个字母表明源的类型，i（立即数）、r(寄存器)或m（存储器 ），第二个字母代表目的，可以是r或者m。

• OPl（整数操作指令）：addl、subl、andl和xorl。只对寄存器数据进行操作，同时还设置条件码。

• jXX（跳转指令）：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg,根据分支指令的类型和条件码的设置来选择分支。

• cmovXX（条件传送指令）：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge和comvg，与寄存器-寄存器传送指令rrmovl一样，但只有当条件码满足所需要的约束时才会更新目的寄存器的值。

• call和ret：call指令将返回地址入栈，然后跳转到目的地址。ret指令从这样的过程调用中返回。

• pushl和popl：入栈和出栈。

• halt：停止指令的执行。

指令编码

指令的字节级编码规则：高4位为代码部分，低四位为功能部分，功能值只有在一组相关指令共用一个代码时才有用。

8个程序寄存器当中，每个都有相应的0~7的寄存器标识符。程序寄存器存在CPU中的一个寄存器文件中，这个文件就是一个小的、以寄存器ID作为地址的随机访问存储器。

附加寄存器指示符字节：指定一个或者两个寄存器。

附加4字节的常数字：作为irmovl的立即数数据，rmmovl和mrmovl的地址指示符的偏移量，以及分支指令和调用指令的目的地址。

Y86异常

状态码：描述程序执行的总体状态。

值		名字		含义
1		AOK		正常操作
2		HLT		处理器执行halt指令（指令停止）
3		ADR		遇到非法地址
4		INS		遇到非法指令

逻辑设计和硬件控制语言HCL

实现一个数字系统需要的三个组成部分：计算对位进行操作的函数的组合逻辑、存储位的存储器元素，以及控制存储器元素更新的时钟信号。

Y86顺序实现

取指：从存储器读取指令字节，地址为程序计数器（PC）的值。指令指示符字节两个四位部分，称为icode（指令代码）和ifun（指令功能）。vaIP（下一条指令的地址）=PC+已取出指令的长度。

译码：从寄存器文件读入最多两个操作数，得到valA和/或valB。

执行：算数逻辑单元（ALU）根据ifun的值执行指令指明的操作，计算存储器引用的有效地址，或者增加或减少栈指针。得到的值称为valE。也可根据条件码执行跳转。

访存：将数据写入存储器，或者从存储器读出数据。读出的值为valM。

写回：最多可以写两个结果到寄存器文件。

更新PC：将PC设置成下一条指令的地址。

第6章 存储器层次结构

SRAM与DRAM的对比：

SRAM					DRAM
不需要刷新				以纳秒为周期刷新
存取速度快				存取速度慢
对光电噪声不敏感		                光电因素易导致电压改变
晶体管多密集度低		                电容小，密集度高
功耗贵代价高			        功耗低

• 访问主存

  • 总线：数据流通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM之间传送。是一组并行的导线，能携带地址、数据和控制信号。

  • 总线事务：CPU和主存之间的数据传送的过程。读事务，从主存传数据到CPU；写事务，从CPU传数据到主存。

  • I/O桥：将系统总线的电子信号翻译成存储器总线的电子信号。系统总线连接CPU和I/O桥，控制总线连接I/O桥和主存。

磁盘存储

• 磁盘构造：磁盘由盘片构成，表面覆盖着磁性记录材料，中央有一个可以旋转的主轴 ，旋转速率大约为5400-15000每分钟。磁盘的每个表面是一组称为磁道的同心圆组成，每个磁道被划分为一组扇区，扇区之间由一些间隙隔开，间隙存储用来标识扇区的格式化位。

• 磁盘容量由以下技术因素决定：

  • 记录密度（位/英寸）:磁道一英寸的段中可以放入的位数。

  • 磁道密度（道/英寸）：从盘片中心出发半径上一英寸的段内可以有的磁道数

  • 面密度（位/平方英寸）：记录密度与磁道密度的乘积。

• 磁盘操作：磁盘用读/写头来读写存储在磁性表面的位，而读写头连接到一个传动臂 一端，通过移动转动臂将读写头定位在磁道上的机械运动称为寻道。磁盘以扇区大小的块来读写数据，对扇区的访问时间有三个主要的组成部分：

  • 寻道时间：转动臂将读/写头定位到包含目标扇区的磁道上所需时间。

  • 旋转时间：驱动器等待目标扇区的第一个位旋转到读/写头下的时间。最大为1/RPM，平均旋转时间是Tmax的一半。

  • 传送时间：读写并传送该扇区内容的时间。平均传送时间为：1/RPM*1/平均扇区数

• 逻辑磁盘块：现代磁盘将盘面的构造视为一个B个扇区大小的逻辑块序列，磁盘控制器维护着逻辑块号和实际磁盘扇区之间的映射关系。逻辑块号可识别为一个盘面、磁道、扇区三元组，唯一的标识了相对应的物理扇区。内存可以看成字节数组、磁盘可以看成块数组。

• 连接到I/O设备：所有的I/O设备都是通过I/O总线连接到CPU和主内存。有三种不同类型：

  • 通用串行总线：一个广泛的使用标准，用于连接各种外围I/O设备。

  • 图形卡（或适配器）：包含硬件和软件逻辑，代表CPU在显示器上画像素。

  • 主机总线适配器： 将一个或者多个磁盘连接到I/O总线，使用一个特别的主机总线接口定义的通信协议。

• 访问磁盘：CPU使用一种称为存储器映射I/O的技术向I/O设备发出命令，地址空间中为I/O设备通信保留的地址称为I/O端口。

固态硬盘

固态硬盘是一种基于闪存的存储技术。一个硬盘包由一个或者多个闪存芯片和内存翻译层组成，闪存芯片替代旋转磁盘中的机械驱动器，而闪存翻译层将对逻辑块的请求翻译成对底层物理设备的访问

局部性

• 时间局部性(temporal locality)：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中）。

• 空间局部性(spatial locality)：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。

  • 一个连续向量中，每隔k个元素进行访问，被称为步长为k的引用模式，具有步长为1的引用模式称为顺序引用模式，随着步长增加空间局部性下降。

  • 双重嵌套循环按照行优先顺序读取数组元素。（因为C数组在存储器中是按照行顺序来存放的）

存储器层次结构

存储器层次结构中的缓存

高速缓存是一个小而快速的存储设备，作为存储在更大、更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。每一层存储器被划分成连续的数据对象片，称为块，每个块都有唯一的对象和名字。数据总是以块大小为传送单元在第k层和第k+1层之间来回拷贝。

• 缓存命中：当程序需要第k+1层的某个数据对象d时，首先在当前存储的第k层的一个块中查找d，如果d刚好在第k层中，则称为缓存命中。

• 缓存不命中：如果k层中没有缓存数据d，则称为缓存不命中，此时要从k+1层取出包含d的块，可能会覆盖（替换/驱逐）现在的一个块（牺牲块）。决定该替换哪个快是缓存的替换策略来控制的。（例如，随机替换策略/LRU策略）

• 缓存不命中的种类

  • 强制性不命中/冷不命中：第k层缓存是空的（冷缓存），只是短暂的状态，不会在反复访问存储器使得缓存暖身之后的稳定状态出现。

  • 冲突不命中：第k+1层的第i块，必须放置在第k层的块（i mod 4）中，这种限制性的放置策略引起冲突不命中。

高速缓存存储器

通用的高速缓存存储器结构

高速缓存的大小C = S * E * B。

• s个组索引位：一个无符号整数，说明字必须存储在哪个组中。

• t个标记位：组中的哪一行包含这个字。

• b个块偏移位：在B个字节的数据块中的字偏移。

高速缓存参数的性能影响

• 不命中率：不命中数量/引用数量

• 命中率：1-不命中率

• 命中时间：从高速缓存传送一个字到CPU所需的时间，包括组选择，行匹配，字抽取的时间。

• 不命中处罚：由于不命中所需要的额外时间。

影响性能的因素

1. 高速缓存大小的影响：较大的高速缓存可能会提高命中率，但使大存储器运行的更快是更难一些的。

2. 块大小的影响：较大的块能利用程序中可能存在的空间局部性，帮助提高命中率；但块越大意味着高速缓存行较少，损害时间局部性。

3. 相联度的影响：相联度较大（E值较大）优点是降低了高速缓存由于冲突不命中出现抖动的可能性，但成本较高。

4. 写策略的影响：直写高速缓存易实现，而且能使用独立于高速缓存的写缓冲区，用来更新存储器，不命中开销小。写回高速缓存引起的传送比较少，允许更多的到存储器的宽带用于执行DMA的I/O设备。越下层越可能使用写回。

期中个人总结

课程进行到一半，学习上的不足还是有很多。通过期中总结，把过去已经学习了的知识点重新复习了一遍，之前不熟悉或者不理解的地方，在复习的时候也有重新理解并反复消化。

个人认为定时的回头复习是很重要的，遗忘的速度很快，因此课堂的测试很重要，可以帮助我们重新巩固一遍上周的知识，从而明白自己的漏洞在哪里。因此，我也有越来越认真的面对每一次测试，当做是对自己上一周学习的检验。

书读一遍是不够的，代码敲打一遍也是不够的，必须要反复练习消化，才能真正掌握知识。

这门课程的学习过程中，我逐渐理解了学习的方法，在于效率，学习的时间有限，如何在有限的时间内提高掌握知识的效率，是很重要的。而学习也不是一个一蹴而就的事情，是需要付出脑力劳动，循序渐进，由表及里，慢慢浸透的过程。从一开始的一无所知，到现在的课程期中，我都在不断琢磨改善自己的学习方法。

同时我们也和老师在不断磨合，老师的任务要求、测试、课堂讲解，促进了我们的学习，也让我们在学习的时候没有误入歧途。

我认为老师在课上提前点拨下一周重点，并且重复上一周重点，是很有效的。

之前的家庭作业没有跟上，之后会努力跟上全部作业的。谢谢老师。

20135210——信息安全系统设计基础期中学习总结

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