计算机系统概述

计算机系统是指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。
它是按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。

冯诺依曼体系计算机结构：

1、计算机硬件组成

冯·诺依曼计算机结构将计算机硬件分为五部分。

• 处理器
• 存储器
• 总线
• 接口
• 外部设备
  但在现实的硬件构成中，控制单元和运算单元被集成为一体，封装成CPU。
  按照传输过程被划分为总线、接口和外部设备。
  

下面分别介绍

• ①、处理器(CPU) （理解记忆）

控制器:是分析和执行指令的部件。
指令寄存器(IR)
指令译码器(ID)
程序计数器(PC)

运算器:负责完成算术、逻辑运算功能。
算术逻辑单元(ALU)
累加寄存器(AC)
通用寄存器组

这里需要记一个知识点 (选择题可能会考 中级的软件设计师就考过)

RISC与CISC

为提高指令执行效率，选择向指令系统中添加更多、更复杂的指令来实现，导致指令集越来越大。这种类型的计算机称为复杂指令集计算机(CISC)。

对指令数目和寻址方式做精简，指令的指令周期相同，采用流水线技术，指令并行执行程度更好，这就是精简指令集计算机
(RISC)。

记住CISC 开头的C是 complex 复杂的意思 就能记住这两个缩写了。

下表为RISC与CISC的区别

	CISC	RISC
指令条数	多	只选取常见的指令
指令复杂度	高	底
指令长度	变化	短、固定
指令执行周期	随指令变化较大	大多数能在一个机器周期完成
指令格式	复杂	简单
寻址方式	多	极少
涉及访问主存指令	多	极少，大部分只有两条存指令
通用寄存器数量	一般	大量
译码方式	微程序控制	硬件电路
对译码系统要求	低	高

• ②、存储器（理解记忆）

RAM:随机存储器，可读/写，只能暂存数据，断电后数据丢失。

SRAM:静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持，读写速度快，生产成本高，多用于容量较小的高速缓冲存储器。例如CPU的高速缓存。

DRAM:动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失，读写速度较慢，集成度高，生产成本低，多用于容量较大的主存储器。例如电脑内存条。

ROM:只读存储器，出厂前用掩膜技术写入，常用于存放BIOS和微程序控制。

EPROM:可擦除的PROM，用某种方法可擦去信息，可写入多次。

E2PROM:电可擦除EPROM，可以写入，但速度慢。

闪速存储器(Flash Memory):其特性介于EPROM与E2PROM之间。但不能进行字节级别的删除操作。

Disk和磁带。

存储器分级体系结构
片上缓存
片外缓存
主存(内存)
外存(辅存)

	CPU寄存器	高速缓存	主存储器	辅助存储器
类型	寄存器	Cache	内存	硬盘、U盘
容量	十多KB至几百KB	一般是几MB至几十MB	几GB至几十GB	数TB至数PB
速度	极快，纳秒级别	非常快，几纳秒至几十纳秒	几十纳秒至几百纳秒	较慢，毫秒级别
价格	非常高	高	一般	便宜

• ③、总线（理解记忆）
  总线(Bus)是指计算机部件间遵循某一特定协议实现数据交换的形式。
  按照总线在计算机中的位置划分为:
  内总线：用于各类芯片内部互连，也可称为片上总线(0n-ChipBus)或片内总线。
  系统总线：是指计算机中CPU、主存、I/0 接口的总线。
  外部总线：是计算机板和外部设备之间，或者计算机系统之间互联的总线，又称为通信总线。

计算机总线有许多种类，常见的有并行总线和串行总线。
并行总线主要包括PCI、PCIe和ATA(IDE)等。
串行总线主要包括USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、 RapidIO和以太网等。

• ④、接口（了解）
  接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。
  常见的包括显示类接口(HDMI、DVI和DVI等)
  音频输入输出类接口(TRS、RCA、XLR等)
  网络类接口(RJ45、FC等)
  PS/2接口，USB接口，SATA接口，LPT打印接口和RS-232接口等:

• ⑤、外部设备（了解）
  常见的外部设备包括:键盘、鼠标、显示器、扫描仪、摄像头、麦克风、打印机、光驱、各型网卡和各型存储卡/盘等。
  在移动和穿戴设备中，常见的包括加速计、GPS、陀螺仪、感光设备和指纹识别设备等。
  在工业控制、航空航天和医疗等领域，包括测温仪、测速仪轨迹球、各型操作面板、红外/NFC等感应设备、各种场强测量设备、功率驱动装置、各型机械臂、各型液压装置、油门杆和驾驶杆等。

2、计算机软件

软件系统是指在计算机硬件系统上运行的程序、相关的文档资料和数据的集合。(记忆 可能会考选择题)
计算机软件用来扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率。

计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。

系统软件包括:操作系统、程序设计语言翻译系统，中间件、数据库管理系统和网络软件等。

应用软件是指为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的软件，如图形图像处理软件、财务软件等。

结构如下：( 自下而上 需要记忆)

• 操作系统介绍
  操作系统是计算机系统的资源管理者，它包含对系统软、硬件资源实施管理的一组程序，通过 CPU管理、存储管理、设备管理和文件管理对各种资源进行合理地分配，改善资源的共享和利用程度，最大限度地发挥计算机系统的工作效率，提高计算机系统在单位时间内处理工作的能力。

操作系统特点：
(1)并发性:是指在一段时间内，宏观上有多个程序同时运行，但实际上在单CPU的运行环境，每一个时刻只有一个程序在执行。
(2)共享性:共享是指操作系统中的资源被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占。
(3)虚拟性:是指把一个物理实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。
(4)不确定性:是指在多道程序环境中，允许多个进程并发执行但由于资源有限，在多数情况下进程的执行不是一贯到底的，而是“走走停停”。

操作系统的分类
批处理操作系统
分时操作系统
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
微型计算机操作系统
嵌入式操作系统

前趋图 （考选择题 ☆☆☆☆☆）
前趋图是一个有向无循不图(DAG)，用来描述进程之间执行的前后关系。

前趋图的两个元素

• 结点：表示一个程序段或进程，或一条语句
• 有向边: 表示结点之间的偏序或前序关系
  Pi → Pj ，Pi 是 Pj 的直接前趋，Pj 是 Pi 的直接后继

图示：

这个知识点会考个选择题

例如：
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无环图，记为:→={ (Pi ， Pj) { Pi must complete before Pj may start}，假设系统中进程P={P1, P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8} , 且进程的前趋图如上图所示，那么该前趋图可记为？

答案：
→={ (P1,P2), (P1,P3), (P1,P4), (P2,P3), (P2,P5), (P3,P4), (P3,P6), (P4,P7), (P5,P6), (P5,P8), (P6,P7), (P7,P8)}

解析： 根据图片 从小到大按照箭头顺序排列即可 ， 例如P1到P2\P3\P4都有箭头 就先把P1的列完，再依次列P2的。

数据库
数据库(DB)是指长期存储在计算机内、有组织、统一管理的相关数据的集合
常见的数据库是关系型数据库和非关系型数据库。还可分为关系型数据库、键值(Key-根据数据库存储体系分类居库、文档数据库和搜索引擎数据库等Value)数据库、列存储数类型。

例如 Web开发经常使用的Oracle、MySQL、PostgreSQL、SQLServer等 都是关系型数据库。

文件系统

文件是指具有文件名的逻辑上具有完整意义的相关信息的集合，现代os中通过文件系统来组织和管理计算机中存储的数据。

• 文件的结构:
  文件的逻辑结构。从用户观点出发所观察到的文件组织形式它又可以分为两类:
  有结构的记录式文件(excel文件);
  无结构的流式文件(源程序、视频文件)。

文件的物理结构。
又称为文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。与存储介质的存储性能和采用的外存分配方式有关。

文件的物理结构(外存分配方式): （会考选择题 ☆☆☆☆☆）

• 连续分配
• 链接分配
• 索引分配
  单级索引方式
  多级索引方式
  混合索引方式

例：
某文件系统文件存储采用文件索引节点法。假设文件索引节点中有8个地址项iaddr[0]~iaddr[7]，每个地址项大小为4字节，其中地址项iaddr[0]~iaddr[4]为直接地址索引，iaddr[5]、iaddr[6]是一级间接地址索引，iaddr[7]是二级间接地址索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB，若要访问iclsclient.dll文件的逻辑块号分别为1、518，则系统应分别采用()。
A.直接地址索引、直接地址索引
B.直接地址索引、一级间接地址索引
C.直接地址索引、二级间接地址索引
D.一级间接地址索引、二级间接地址索引

答案： C

解析：
每个地址项大小为4字节 即4B 1KB = 1024B
所以1kB 有256个地址项
由于 磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB
所以如下图所示 （注意逻辑块号 是从0开始的）

如上图所示
1、518 所在的逻辑块号 分别是 直接地址索引、二级间接地址索引

存储空间的管理
一般有两种方式

• 空闲区表
  记录空闲区序号 第一个空闲块号 空闲块的数量 以及状态

序号	第1个空闲块号	空闲块数	状态
1	10	30	可用
2	20	40	可用
3	30	50	可用

• 位示图 （常考 ☆☆☆☆☆）
  0表示未分配 1表示已分配
  

中间件
中间件，作为应用软件与各种操作系统之间使用的标准化编程接口和协议，起承上启下的作用，使应用软件的开发相对独立于计算机硬件和操作系统 ，在不同的系统上运行，实现相同的功能。

常见的中间件：
(1)消息中间件 例如：RabbitMQ、Kafka等

消息中间件:是以消息为载体进行通信的中间件，利用高效可靠的消息机制来实现不同应用间大量的数据交换。
分两类:消息队列和消息传递。通过这两种消息模型可以在复杂的网络环境中高可靠、高效率的实现安全的异步通信。

(2)事务处理(交易)中间件 例如：seata

事务处理(交易)中间件:主要功能是提供联机事务处理所需要的通信、并发访问控制、事务控制、资源管理、安全管理、负载平衡、故障恢复等服务。事务式中间件支持大量客户进程的并发访问，可靠性高、扩展性强，主要应用于电信、金融、飞机订票系统大量客户的领域。 Web应用中经常需要使用事务中间件来处理分布式事务问题。

(3)数据存取管理中间件 例如：MyCat
(4)Web服务器中间件 例如：Tomcat ，Nginx等
(5)安全中间件 例如：Shiro 、SpringSecurity
(6)跨平台和架构的中间件
(7)专用中间件
(8)网络中间件

软件构件
构件又称为组件，是一个自包容、可复用的一组程序的集合，构件对外提供统一的访问接口，只能通过接口来访问构件，不能直接操作构件内部。构件的两个重要特性是自包容(不依赖其他构件)与可重用。

软件构件的组装模型的开发过程

应用软件

应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的软件。按照应用软件的开发方式和适用范围，应用软件可再分成通用应用软件和定制应用软件两大类。

类别	功能	举例
文字处理软件	处理文字、排版	Word、WPS
电子表格	设计表格、计算、统计、制表	Excel、WPS
图形处理软件	图像处理、绘图	AutoCAD、Photoshop
多媒体播放软件	播放各类媒体文件	PotPlayer、RealPlayer
网络通信软件	电子邮件、即时聊天、视频、直播、会议	Outlook、MSN、Facebook、X、QQ、Instagram
演示软件	幻灯片演示	PowerPoint、WPS
检索软件	检索信息	Google、百度、ChatGPT
个人信息管理软件	记事本、通讯录	NotePad++、记事本
游戏	娱乐	扫雷、扑克、原神、DNF

3、嵌入式系统及软件

嵌入式系统的组成及特点：
嵌入式系统(Embedded System)是为了特定应用而专门构建且将信息处理过程和物理过程紧密结合为一体的专用计算机系统。它对功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等综合性能要求严格。

嵌入式软件是指可运行在嵌入式系统中的程序代码和帮助这些软件开发所用的工具或环境软件的总称。

嵌入式系统的组成
一般嵌入式系统由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。
(1)嵌入式处理器
(2)相关支撑硬件
(3)嵌入式操作系统
(4)支撑软件
(5)应用软件

嵌入式系统的特点
(1)专用性强。
(2)技术融合。
(3)软硬一体软件为主。
(4)比通用计算机资源少。
(5)程序代码固化在非易失存储器中。
(6)需专门开发工具和环境。
(7)体积小、价格低、工艺先进、性价比高、配置要求低、实时性强。
(8)安全性和可靠性要求高。

嵌入式系统的分类
根据不同用途可将嵌入式系统划分为
嵌入式实时系统

• 强实时(Hard Real-Time)系统
• 弱实时(WeakReal-Time)

系统嵌入式非实时系统
从安全性要求，嵌入式系统可分为:

• 安全攸关系统(Safety-Critical或 Life-Critical)
• 非安全攸关系统

包含关系：

嵌入式软件的组成及特点 （可能会考选择题 ☆☆☆☆☆）
组成：
嵌入式系统软件组成架构采用层次化结构，并且具备可配置、可剪裁能力。
从现代嵌入式系统观看，把嵌入式系统分为硬件层、抽象层、操作系统层、中间件层和应用层。

特点：

• (1)可剪裁性
• (2)可配置性
• (3)强实时性
• (4)安全性
• (5)可靠性
• (6)高确定性

例：
嵌入式实时操作系统与一般操作系统相比具备许多特点，以下不属于嵌入式实时操作系统特点的是( )。

A.可剪裁性 B.实时性 c.通用性 D.可固化性

答案： C

解析:嵌入式实时操作系统主要有以下特点
(1)微型化
(2)代码质量高
(3)专业化
(4)实时性强
(5)可裁减、可配置

安全攸关软件的安全性设计
美国电气和电子工程协会(IEEE)将安全攸关软件定义为:“用于一个系统中，可能导致不可接受的风险的软件

软件安全等级与目标关系表 举例
航空器作为一个复杂的系统，对软件安全性有着非常高的要求，不同的软件安全等级对飞行安全的影响程度不同

等级	失效状态	简要说明	目标数量
A级	灾难性的	软件异常会导致的后果是:航空器无法安全飞行和着陆	66
B级	危害性的	软件异常会导致的后果是:严重降低了航空器或机组在克服不利运行情况时的能力	65
C级	严重的	软件异常会导致的后果是:显著降低了航空器或机组在克服不利运行情况时的能力	56
D级	不严重的	软件异常会导致的后果是:轻微降低了航空器或机组在克服不利运行情况时的能力	28
E级	没有影响的	软件异常会导致的后果是:不会影响航空器或机组任何能力	0

4、计算机网络

网络的基本概念
计算机网络是利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，并依靠网络软件及通信协议实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络技术涵盖通信技术、网络技术、组网技术和网络工程等四个方面。

计算机网络的功能

• 数据通信:依照一定的通信协议，利用数据传输技术在通信结点间传递信息的一种通信方式。
• 资源共享:包括硬件资源、软件资源和数据资源。管理集中化:通过管理信息系统、办公自动化系统实现日常工作的集中管理。
• 实现分布式处理:通过算法将大型的综合性问题交给不同的计算机同时进行处理。
• 负载均衡:指工作负荷被均匀地分配给网络上各台计算机系统。

网络相关指标
1)性能指标
(1)速率
网络速率指的是连接在计算机网络上的主机或通信设备在数字信道上传送数据的速率，速率的单位是 b/s。

(2)带宽
“带宽”有两种不同的意义

• 指一个信号具有的频带宽度。如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是 3.1kHz。单位是赫兹。
• 表示网络通信线路传送数据的能力，单位时间内从一个结点到另一个结点所能通过的“最高数据率"。此处带宽单位是 b/s。

(3)吞吐量
表示单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络额定速率的限制。

(4)时延
时延是指数据(报文、分组)从网络(链路)的一端传送到另一端所需的时间。网络中的时延由以下部分组成

• 发送时延:又称为传输时延，指从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间
• 传播时延:电或光信号在传输介质传播一定距离所花费的时间
• 处理时延:检查分组首部和决定将分组导向何处所需要的时间
• 排队时延:在队列中，分组在等待传输时，它经受排队时延

(5)往返时间。
往返时间(RTT)也是一个重要的网络性能指标，它表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认(接受方收到数据后便立即发送确认总共经历的时间。

(6)利用率
利用率有信道利用率和网络利用率两种信道利用率指信道被利用的概率(即有数据通过)，通常以百分数表示。完全空闲的信道利用率是零
网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。

2)非性能指标

• (1)费用
• (2)质量
• (3)标准化
• (4)可靠性
• (5)可扩展性和可升级性
• (6)易管理和维护性

通信技术
计算机网络是利用通信技术将数据从一个结点传送到另一结点的。通信技术是计算机网络的基础。
信道可分为物理信道和逻辑信道:
物理信道由传输介质和设备组成，根据传输介质的不同，分为有线信道和无线信道。

逻辑信道是指在数据发送端和接收端之间存在的一条虚拟线路可以是有连接的或无连接的。
逻辑信道以物理信道为载体。

香农公式
（之前大学 学过一门专业课叫 信号与系统 电子信息工程专业的课 里面比这些知识深入的多 目前讲的这些基本上全是基本概念）

信道容量就是信道的最大传输速率，可通过香农公式计算得到。

C代表信道容量 单位是 b/s
B代表信号带宽，单位是 Hz
S代表信号平均功率，单位是 W
N代表噪声平均功率，单位是 W
S/N代表信噪比，单位是 dB(分贝)

例：
设信道带宽为4000Hz，信噪比为30dB，按照香农定理，信道容量为()。
A. 4Kb/s
B. 1.6Kb/s
C. 40Kb/s
D.120Kb/s

答案： C

解析：
根据香农公式

C=4000xlog2(1+S/N)
其中 信噪比 S/N 和分贝的换算公式为
dB = 10X lg（S/N）
带入数据 30 = 10 x lg(S/N)
S/N = 1000
带入香农公式

C = 4000 x log2 (1+1000) 约等于 4000 x 9.97 ( log2 (1+1000) 就是2的多少次方 等于 1001)

C 约等于 40000 b/s 40Kb/s

复用技术和多址技术

• 1)复用技术
  复用技术是指在一条信道上同时传输多路数据的技术，如TDM时分复用、FDM 频分复用和CDM码分复用等。
  ADSL使用了FDM的技术，语音的上行和下行占用了不同的带宽。

• 2)多址技术
  多址技术是指在一条线上同时传输多个用户数据的技术，在接收端把多个用户的数据分离(TDMA时分多址、FDMA频分多址和CDMA码分多址)。

网络技术
网络通常按照网络的覆盖区域和通信介质等特征来分类，分为: （可能会考选择题 软件设计师就考过类似题目）

• 局域网(LAN)
• 无线局域网(WLAN)
• 城域网(MAN)
• 广域网(WAN)
• 移动通信网

1.局域网(LAN)
局域网中常见的传输媒介有双绞线、细同轴电缆、微波、射频信号和红外线等。主要特点：

• 距离短
• 速度快
• 高可靠性
• 成本较低
  常见的局域网拓扑结构是 星型 和总线型

网络拓扑结构示例图：

以太网技术
以太网(Ethernet)是一种计算机局域网组网技术。IEEE 802.3 标准给出了以太网的技术标准。
以太网是当前应用最普遍的局域网技术

(1)以太网结构
最大帧长为1518字节（最大的数据帧为1500字节），最小帧长为64字节，如果不足则需要加入填充位。
帧头设有32位用于进行CRC32校验，参与校验的是帧头中除前导字段和帧起始符之外的部分。

以太网帧结构图

无线局域网(WLAN)
无线局域网是以无线通信为传输方式的局域网，是实现移动计算机网络的关键技术之一。
无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，来部分或全部代替传统局域网中的有线传输介质。架设无线局域网
需要无线网卡和访问接入点AP。
与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。

WLAN标准

广域网(WAN)
广域网是一种将分布于更广区域(如一个城市、一个国家甚至国家间) 的计算机设备联接起来的网络。由通信子网与资源子网组成。

• 通信子网由通信结点设备和连接这些设备的链路组成。
• 资源子网主要指网络资源设备，如业务服务器、用户计算机、网络存储系统、网络上运行的各种软件资源、数据资源等。

广域网的特点

• 主要提供面向数据通信的服务，支持用户使用计算机进行远距离的信息交换。
• 覆盖范围广，通信的距离远，广域网没有固定拓扑结构。
• 由电信部门或公司负责组建、管理和维护，向全社会提供有偿服务。

城域网(MAN)
在单个城市范围内所建立的计算机通信网，覆盖范围介于局域网和广域网之间。
城域网的主要技术是DQDB（分布式队列双总线），即IEEE802.6。
DQDB是由双总线构成的，所有的计算机都连接在上面。

移动通信网
移动通信技术经历了五个发展时期
第一代移动通信系统是模拟通信，采用的是FDMA（频分多址）
调制技术，其频谱利用率低；
第二代移动通信系统是数字通信系统，采用的是TDMA（时分多
址）的数字调制方式，对系统的容量限制较大；
第三代移动通信技术(3G)则采用了CDMA（码分多址）数字调制技
术，能够提供大容量、高质量、综合业务、软切换的要求；
第四代移动通信技术(4G) 。包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。
第五代移动通信技术(5G)。

未完待续。。。