作为软考中级软件设计师的最后一块核心模块，"I/O 技术、总线系统、信息安全、可靠性计算" 涵盖了计算机的 "输入输出""数据传输""安全防护" 和 "稳定性评估"，题型既有理论对比，也有计算应用，需重点掌握 "四类 I/O 方式对比""加密技术" 和 "可靠性公式"。
目录
[一、I/O 技术：CPU 与外设的 "数据交换"](#一、I/O 技术：CPU 与外设的 “数据交换”)
[1.1 四类 I/O 交换方式（按 CPU 干预程度排序）](#1.1 四类 I/O 交换方式（按 CPU 干预程度排序）)
[1.2 核心考点解析](#1.2 核心考点解析)
[（1）程序查询方式："忙等" 效率低](#（1）程序查询方式：“忙等” 效率低)
[（2）中断方式："被动通知" 提效率](#（2）中断方式：“被动通知” 提效率)
[（3）DMA 方式："直接传输" 无 CPU](#（3）DMA 方式：“直接传输” 无 CPU)
[二、总线系统：计算机部件的 "数据高速公路"](#二、总线系统：计算机部件的 “数据高速公路”)
[2.1 总线分类（按连接范围）](#2.1 总线分类（按连接范围）)
[2.2 系统总线的三类总线（高频考点）](#2.2 系统总线的三类总线（高频考点）)
[2.3 常见总线标准](#2.3 常见总线标准)
[三、信息安全：加密与认证的 "核心技术"](#三、信息安全：加密与认证的 “核心技术”)
[3.1 加密技术：对称与非对称的 "本质区别"](#3.1 加密技术：对称与非对称的 “本质区别”)
[（3）数字信封：结合两种加密的 "优势"](#（3）数字信封：结合两种加密的 “优势”)
[3.2 数字签名：确保 "不可否认性"](#3.2 数字签名：确保 “不可否认性”)
[3.3 数字证书与 PKI](#3.3 数字证书与 PKI)
[四、可靠性计算：系统稳定的 "量化评估"](#四、可靠性计算：系统稳定的 “量化评估”)
[4.1 基本概念](#4.1 基本概念)
[4.2 串联系统："一坏全坏"](#4.2 串联系统：“一坏全坏”)
[4.3 并联系统："全坏才坏"](#4.3 并联系统：“全坏才坏”)
一、I/O 技术：CPU 与外设的 "数据交换"
I/O（输入输出）是 CPU 与外设（如键盘、磁盘、打印机）交换数据的过程，软考核心考 "四类数据交换方式的特点对比"，尤其是 "中断方式" 和 "DMA 方式" 的差异。
1.1 四类 I/O 交换方式（按 CPU 干预程度排序）
从 CPU 干预最多到最少：程序查询方式 → 中断方式 → DMA 方式 → I/O 处理机（IOP）方式
| 方式 | 工作原理 | CPU 干预程度 | 并行性 | 硬件复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 程序查询 | CPU 轮询外设状态（"忙等"），就绪后读写数据 | 全程干预（100%） | 串行（CPU 等外设） | 简单（只需状态寄存器） | 低速外设（如打印机、键盘） |
| 中断 | 外设就绪后主动发中断请求，CPU 暂停当前程序处理中断，处理完返回 | 仅中断处理时干预 | 并行（CPU 做其他任务，外设准备数据） | 中等（需中断控制器、中断向量） | 中速外设（如键盘、鼠标、串口） |
| DMA | DMA 控制器接管总线，直接在内存与外设间传数据，仅开始 / 结束通知 CPU | 仅开始 / 结束干预（几乎不干预） | 并行（CPU、DMA、外设并行） | 较高（需 DMA 控制器） | 高速外设（如磁盘、SSD） |
| IOP | 专用 I/O 处理器（IOP）管理所有外设，CPU 仅下达命令 | 几乎不干预（仅发命令） | 完全并行 | 最高（需独立 IOP） | 大型机、多外设系统 |
1.2 核心考点解析
（1）程序查询方式："忙等" 效率低
- 流程：主程序→查询设备 1 状态→未就绪则继续查→就绪则读写→查询设备 2→...→返回主程序；
- 缺点：CPU 时间大量浪费在 "轮询等待"（约 80% 时间），无法并行处理其他任务。
（2）中断方式："被动通知" 提效率
- 核心机制：中断向量（存储中断服务程序的入口地址，CPU 收到中断后，通过中断向量找到处理程序）；
- 处理流程：关中断（防止其他中断打断）→保存现场（寄存器值）→执行中断服务程序→恢复现场→开中断；
- 软考考题："中断向量提供什么信息？" 答案为 "中断服务程序的入口地址"。
（3）DMA 方式："直接传输" 无 CPU
- 关键特征：块传输 （一次传多个数据，不是单个字）、总线控制权转移（DMA 控制器临时接管总线，CPU 暂时不能用总线）；
- 与中断的区别：中断方式需 CPU 处理数据（如从外设读数据到 CPU，再写回内存），DMA 直接在内存与外设间传数据，CPU 无需参与数据传输。
例题：以下关于中断与 DMA 方式的说法，正确的是？（A. 两者都能实现并行 B. 中断需 CPU 参与数据传输 C.DMA 速度比中断慢 D. 中断无需保存现场）分析：A 正确（中断时 CPU 做其他任务，DMA 时 CPU、DMA 并行）；B 正确（中断需 CPU 读写数据）；C 错误（DMA 更快）；D 错误（中断需保存现场）→ 答案为 AB（2020 年多选题）。
二、总线系统：计算机部件的 "数据高速公路"
总线是连接计算机各部件（CPU、内存、外设）的公共数据通道，软考核心考 "总线分类" 和 "三类系统总线的特点"。
2.1 总线分类（按连接范围）
- 内部总线：CPU 内部连接运算器、控制器、寄存器的总线（如 CPU 内的数据线），速度最快（芯片级）；
- 系统总线：CPU 与主存、高速外设（如显卡）连接的总线（核心考点），分为三类（数据总线、地址总线、控制总线）；
- I/O 总线：连接中低速外设（如键盘、打印机）的总线（如 USB 总线、PCIe 总线），速度低于系统总线。
2.2 系统总线的三类总线（高频考点）
系统总线是 "CPU 与外部高速部件" 的桥梁，三类总线分工明确：
| 总线类型 | 功能 | 传输方向 | 位数特点 | 关键计算 |
|---|---|---|---|---|
| 数据总线（DB） | 传输数据 / 指令（双向） | 双向（CPU↔内存 / 外设） | 与机器字长、存储字长一致（如 64 位 CPU→64 位 DB） | - |
| 地址总线（AB） | 传输内存 / 外设的地址 | 单向（CPU→内存 / 外设） | 地址总线位数 n → 可寻址空间 = 2ⁿ 字节 | 例：32 位 AB→可寻址 2³² 字节 = 4GB |
| 控制总线（CB） | 传输控制信号（如读 / 写命令、中断请求） | 双向（CPU 发命令，外设反馈状态） | 位数不固定（按需设置） | - |
例题：32 位地址总线的计算机，最大可寻址内存容量是多少？计算：2³² 字节 = 4×1024³ 字节 = 4GB → 答案为 4GB（软考中地址总线位数直接决定可寻址空间，单位是字节）。
2.3 常见总线标准
- PCI 总线：早期微型机的系统总线（并行传输）；
- PCIe 总线：当前主流（串行传输，速度快，如 PCIe 4.0）；
- USB 总线：I/O 总线（通用串行总线，连接键盘、U 盘等）；
- SCSI 总线：并行 I/O 总线（连接磁盘、扫描仪等高速外设）。
三、信息安全：加密与认证的 "核心技术"
信息安全模块是软考的高频考点，涵盖 "加密技术""数字签名""数字证书"，需重点掌握 "对称 vs 非对称加密" 和 "数字签名的原理"。
3.1 加密技术：对称与非对称的 "本质区别"
加密的核心是 "密钥"（用于加密 / 解密的字符串），按密钥数量分为两类：
（1）对称加密（单密钥加密）
- 原理 ：加密和解密用相同的密钥（如 A 用密钥 K 加密，B 用 K 解密）；
- 优点：加密速度快、效率高（适合大量数据加密）；
- 缺点：密钥分发困难（A 和 B 需提前交换密钥，人多则效率低）、安全性低（密钥泄露则全盘泄露）；
- 常见算法：DES（56 位密钥）、3DES（DES 的改进）、AES（当前主流，128/192/256 位密钥）；
- 应用场景：加密文件、传输大量数据。
（2）非对称加密（双密钥加密）
- 原理 ：密钥分为 "公钥（Public Key，公开）" 和 "私钥（Private Key，保密）"，成对出现：
- 公钥加密 → 只能用对应的私钥解密（用于加密通信，如 A 用 B 的公钥加密，只有 B 的私钥能解密）；
- 私钥加密 → 只能用对应的公钥解密（用于身份认证，如数字签名）；
- 优点：无需交换密钥（公钥公开）、安全性高（私钥不泄露即可）；
- 缺点：加密速度慢（比对称加密慢 100-1000 倍，不适合大量数据）；
- 常见算法：RSA（应用最广）、DSA（用于数字签名）、ECC（椭圆曲线加密，效率高）；
- 应用场景：加密对称密钥（数字信封）、数字签名。
（3）数字信封：结合两种加密的 "优势"
由于非对称加密慢，对称加密密钥分发难，实际通信用 "数字信封" 解决：
- 发送方生成对称密钥 K，用 K 加密大量数据；
- 发送方用接收方的公钥加密对称密钥 K；
- 将 "加密的数据 + 加密的 K" 一起发给接收方（称为 "数字信封"）；
- 接收方用自己的私钥解密 K，再用 K 解密密文。
3.2 数字签名：确保 "不可否认性"
数字签名用于验证 "信息是否被篡改" 和 "发送者身份是否真实"，核心是 "私钥签名，公钥验证"（软考高频考点）。
流程：
- 发送方用Hash 函数（如 MD5、SHA-1）对原始信息生成 "信息摘要"（固定长度，不同信息摘要不同）；
- 发送方用自己的私钥对摘要加密（这就是 "数字签名"）；
- 发送方将 "原始信息 + 数字签名" 发给接收方；
- 接收方用同样的 Hash 函数对原始信息生成新摘要；
- 接收方用发送方的公钥解密数字签名，得到原摘要；
- 对比新摘要和原摘要：一致则信息未篡改，且发送者身份真实（只有发送方的私钥能签名）。
例题：数字签名的验证过程需要使用什么密钥？（A. 发送方私钥 B. 发送方公钥 C. 接收方私钥 D. 接收方公钥）分析：数字签名是 "私签公验"→ 验证用发送方公钥 → 答案为 B。
3.3 数字证书与 PKI
- 数字证书：由 CA（认证机构，如阿里云 CA）签发的 "身份凭证"，包含：发送方公钥、身份信息、CA 签名（确保证书未篡改）；
- PKI（公钥基础设施）：以非对称加密为核心，由 CA、数字证书、密钥管理组成的安全体系，用于保障网络通信安全。
四、可靠性计算：系统稳定的 "量化评估"
可靠性是 "系统在规定时间内正常运行的概率"，软考考 "串联系统" 和 "并联系统" 的可靠性计算，公式简单但需注意 "失效概率" 的转换。
4.1 基本概念
- 可靠度 R：系统正常运行的概率（如 R=0.9 表示 1000 小时内 90% 概率正常）；
- 失效概率 F：系统故障的概率（F=1-R）。
4.2 串联系统："一坏全坏"
- 结构：组件 1→组件 2→...→组件 n（串联，如电脑的 CPU、内存、主板串联，任一坏则电脑坏）；
- 可靠性公式：R_total = R₁ × R₂ × ... × Rₙ（所有组件都正常，系统才正常）；
- 特点：组件越多，可靠性越低（类似 "木桶效应"）。
4.3 并联系统："全坏才坏"
- 结构：组件 1、组件 2、...、组件 n 并联（如服务器的双电源，两个都坏才断电）；
- 可靠性公式：R_total = 1 - (1-R₁) × (1-R₂) × ... × (1-Rₙ)（1 减去所有组件同时失效的概率）；
- 特点：组件越多，可靠性越高。
例题：2000 台设备运行 1000 小时，有 4 台失效，求千小时可靠度？计算：正常设备数 = 2000-4=1996 → R=1996/2000=0.998 → 答案为 0.998（2022 年真题）。
例题：两个可靠度均为 0.9 的组件，串联和并联的可靠性分别是多少？串联：0.9×0.9=0.81；并联：1-(1-0.9)×(1-0.9)=0.99 → 答案为 0.81 和 0.99。
五、存储编址计算（补充考点）
除了上述内容，软考还常考 "内存编址计算"，核心是 "地址范围与容量的关系"。
公式：
- 内存容量 = 高地址 - 低地址 + 1（注意：地址是十六进制或十进制，需统一进制）；
- 芯片数量 = 总容量 / 单芯片容量（注意单位统一，如 1B=8bit）。
例题：内存地址从 A0000H 到 CFFFFH，求容量？计算：CFFFFH - A0000H + 1 = 30000H（十六进制）→ 30000H 转十进制 = 3×16⁴=3×65536=196608B=192KB → 答案为 192KB。
小结：核心考点与备考建议
- 必背考点 ：
- I/O 方式对比（中断 vs DMA）；
- 系统总线（地址总线位数→可寻址空间，数据总线→机器字长）；
- 加密技术（对称 vs 非对称，数字签名 "私签公验"）；
- 可靠性公式（串联乘积，并联 1 - 失效乘积）；
- 解题技巧 ：
- 遇到 "I/O 方式" 题，按 "CPU 干预程度" 和 "适用外设速度" 判断；
- 遇到 "加密" 题，记住 "对称快但密钥难，非对称慢但安全，数字签名用私钥"；
- 遇到 "可靠性" 题，先判断串联 / 并联，再套公式；
- 备考建议：该模块知识点较杂，建议用 "表格对比"（如 I/O 方式、加密技术）和 "公式默写"（可靠性、地址计算）强化记忆，结合真题练习提升解题速度。
至此，软考中级软件设计师的四大核心模块（计算机系统基础、体系结构、存储系统、I/O 与安全可靠性）已全部梳理完毕。建议大家结合每篇的 "小结" 和真题，重点突破高频考点和易错点，祝大家备考顺利！