软考高级-系统分析师（系统架构师）思维导图模板

第一章、计算机组成与结构

计算机系统知识

计算机硬件组成

基本组成

CPU

运算器

控制器

存储器

内部存储器

内存

外部存储器

硬盘，光盘

外设

输入设备

输出设备

主机

CPU

主存储器

中央处理单元（CPU）

组成

运算器（主要）

控制器（主要）

寄存器组

内部总线

功能

控制器功能

程序控制

操作控制

时间控制

运算器功能

数据处理

此外

内部组成

运算器

***组成

由算数逻辑单元ALU（实现对数据的算数和逻辑运算）

累加寄存器AC（运算结果或源操作数的存放区）

数据缓冲寄存器DR（暂时存放内存的指令或数据）

状态条件寄存器PSW（保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等）

功能

执行所有的算数运算，如加减乘除等；

执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、比较等

过程

ALU中的数据与AC和PSW中的数据进行运算，结果存储在AC中

控制器

***组成

指令寄存器IR（暂存CPU指令）

程序计数器PC（存放指令执行地址）***

地址寄存器AR（保存当前CPU所访问的内存地址）

指令译码器ID（分析指令操作码）

功能

控制整个CPU的工作，最为重要，包括程序控制、时序控制等

过程

先从PC中获取指令的地址在内存中取出指令，再将获取到的指令存放在IR中，使用ID进行指令译码分析（比如分析出指令是加法或者减法）

指令识别***

CPU依据指令周期的不同阶段来区分二进制指令和数据，因为在指令周期的不同阶段，指令会命令CPU分别去取指令或数据。

取指的时候会取出指令，执行指令的时候会取出数据（操作数）

真题

真题2

数据表示

机器数

无符号数

带符号数

定点表示法

真值

数的编码方式

带符号的编码方式

原码

反码

补码

移码

注意

表示范围

例题

浮点数表示

表示方法

注意

尾数

浮点数的运算

例题

***例题

进制的转换

进制的表示

R进制整数转十进制

例子

十进制转R进制

例子

m进制转n进制

二进制转八进制（直接转换）

二进制转十六进制（直接转换）

小数部分转换不考

算数运算和逻辑运算

逻辑与&&

逻辑或||

异或

逻辑非!

逻辑左移<<

逻辑右移>>

校验码

码距

奇偶校验码

奇校验

偶校验

循环冗余校验码（CRC）

图

例题

真题

海明校验码

例题

校验位的位数和具体的数据位的位数之间的关系

每一位校验码的计算公式

检错和纠错原理

图1

图2

计算机体系结构

体系结构分类法

处理机数量分类

单处理系统（一个处理单元和其他设备集成）

并行处理系统（两个以上的处理机互联）

分布式处理系统（物理上远距离且松耦合的多计算机系统）

Flynn分类法

例题

计算机指令系统

组成

* 计算机指令的组成: 一条指令由操作码和操作数两部分组成，操作码决定要
完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。

表示

* 在计算机中，操作要求和操作数地址都由二进制数码表示，分别称作操作码
和地址码，整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中。

执行过程

* 计算机指令执行过程:取指令一一分析指令一一执行指令三个步骤，首先将
程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存
中取出指令内容存入指令寄存器IR;而后由指令译码器进行分析，分析指令
操作码;最后执行指令，取出指令执行所需的源操作数。

寻址方式

指令寻址方式

顺序寻址方式

当执行一段程序时，是一条指令接着一条指令地顺序执行。

跳跃寻址方式

指下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条
指令直接给出。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。因此，程序计
数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指令地址。

指令操作数的寻址方式

立即寻址方式

指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身。

直接寻址方式

在指令的地址字段中直接指出操作数在主存中的地址。

间接寻址方式

指令地址码字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址。

寄存器寻址方式

指令中的地址码是寄存器的编号。

基址寻址方式

将基址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址，其优点是可以扩大寻址能力。

变址寻址方式

变址寻址方式计算有效地址的方法与基址寻址方式很相似，它是将变址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数的有效地址。

指令系统

复杂指令系统

CISC是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多、长度可变，由微程序实现;

精简指令系统

RISC是精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现(通用寄存器、硬布线逻辑控制)。

区别

真题

指令流水线

原理

图

RISC中的流水线技术（CISC没有）

超流水线(Super Pipe Line)技术

超标量技术(Super Scalar)技术

超长指令字(Very Long Instruction Word,VLIW)技术

流水线相关计算

流水线周期

流水线执行时间

流水线吞吐率

流水线加速比

标量流水线技术

真题1

真题2

真题3***

存储系统

计算机存储系统的层次结构

两级存储

局部性原理

高速缓存Cache

组成

* Cache由控制部分和存储器组成，存储器存储数据，控制部分判断CPU要访问的数
据是否在Cache中，在则命中，不在则依据一定的算法从主存中替换。

地址映射

直接映像

全相联映像

组组相联映像

例题

cache置换算法

随机算法

先进先出(First In and First Out,FIFO)算法

按调入cache的先后决定淘汰的顺序，即在需要更新时，将最先进入cache的块作为被替换的块。这种方法要求为每块做一记录，记下它们进入cache的先后次序。这种方法容易实现，而且系统开销小。其缺点是可能会把一些需要经常使用的程序块(如循环程序)替换掉。

近期最少使用(Least Recently Used, LRU)算法

LRU算法是把CPU近期最少使用的块作为被替换的块。这种替换方法需要随时记录cache中各块的使用情况，以便确定哪个块是近期最少使用的块。LRU算法相对合理，但实现起来比较复杂，系统开销较大。通常需要对每一块设置一个称为“年龄计数器”的硬件或软件计数器，用以记录其被使用的情况。

最不经常使用页置换(Least Frequently Used (LFU)算法

要求在页置换时置换引用计数最小的页，因为经常使用的页应该有一个较大的引用次数。但是有些页在开始时使用次数很多，但以后就不再使用，这类页将会长时间留在内存中，因此可以将引用计数寄存器定时右移一位，形成指数衰减的平均使用次数。LFU的复杂度以及计数器规模都比LRU大， LRU只关注近期访问情况，而LFU会统计累计访问次数作为淘汰的依据。

优化替换算法

这种方法必须先执行一遍程序，统计cache的替换情况。
有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换

cache命中率及平均时间

影响因素

例图

例题

主存编址

例题**

磁盘

磁盘的结构和参数

磁盘有正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个同心
圆又被划分为多个扇区，数据就被存放在一个个扇区中。

磁头首先要寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区，
才能读取到对应的数据，因此，会产生寻道时间和等待时间。公式为:
存取时间=寻道时间+等待时间(平均定位时间+转动延迟)。

注意:寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间;等待时间为等待读写的扇区转到
磁头下方所用的时间。

磁盘调度算法

磁盘数据的读取时间分为寻道时间+旋转时间，也即先找到对应的磁道，
而后再旋转到对应的扇区才能读取数据，其中寻道时间耗时最长

先来先服务FCFS

最短寻道时间优先SSTF

扫描算法SCAN

单向扫描调度算法CSCAN

例题

图一

图二

例题2

图

输入输出技术

内存与接口地址的编址方法

1.内存与接口地址独立编址方法

2.内存与接口地址统一编址方法

***计算机和外设间的数据交互方式

程序控制(查询)方式

CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。

程序中断方式

外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景。
中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序;中断处理时间指的是从中断
处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口地址。多级中断嵌套，使用堆
栈来保护断点和现场。

DMA方式(直接主存存取)

CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由 DMA控制器来完成，
在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据;CPU响应程序中断方式
请求是在一条指令执行结束时;区分指令执行结束和总线周期结束。***

中断方式的中断流程

中断响应时间

中断处理时间

总线结构（系统）

总线的分类

内部总线

系统总线***（书中只讲了这种总线）

外部总线

单工，半双工，全双工

单工意思是只能在一个方向上传输信息，只能由A传输给B，B不能传输给A

半双工意思是A可以传输给B，B也可以传输给A，但是同一时刻只能有一个方向传输数据

全双工是任意时刻，A可以到B，B也可以到A

例题

计算机可靠性

可靠性指标

平均无故障时间MTTF=1/失效率。（正常能运行多长时间）

平均故障修复时间MTTR=1/修复率。（出现故障之后，要多长时间才能修复）

平均故障间隔时间MTBF=MTTF+MTTR。

系统可用性=MTF/(MTTF+MTTR)*100%。

串并联系统可靠性

串联系统

一个设备不可靠，整个系统崩溃:R=R1×R2×...×Rn (所有设备可靠性相乘)

并联系统

所有设备都不可靠，整个系统才崩溃:R=1-(1-R1)×(l-R2)×...×(l-Rn)

混合系统

N模冗余系统

N模冗余系统由N个（N=2n+1）相同的子系统和一个表决器组成，
表决器把N个子系统中占多数相同结果的输出作为系统的输出，如
图所示。在N个子系统中，只要有n+1个或n+1个以上子系统能正
常工作，系统就能正常工作，输出正确的结果。

例题

第二章、系统配置与性能评价

性能指标

计算机***

主要指标

时钟频率（主频）；运算速度；运算精度；内存的存储容量；存储器的存取周期；
数据处理速率PDR（processingdatarate）；吞吐率；各种响应时间；各种利用率；
RASIS特性（即：可靠性Reliability、可用性Availability、可维护性Sericeability、
完整性和安全性Integraity and Security）；平均故障响应时间；兼容性；可扩充性；性能价格比。

可靠性或可用性

可靠性或可用性:计算机系统能正常工作的时间，其指标可以是能够持续工作的时间长度(例如，平均无故障时间)，也可以是在一段时间内，能正常工作的时间所占的百分比;

处理能力或效率

第一类指标是吞吐率(系统在单位时间内能处理正常作业的个数)，

第二类指标是响应时间(从系统得到输入到给出输出之间的时间)，

第三类指标是资源利用率，即在给定的时间区间中，各种部件(包括硬设备和软件系统)被使用的时间与整个时间之比。

主频和CPU时钟周期***

定义

主频又称为时钟频率，时钟周期是时钟频率的倒数。如主频为1GHZ，说明1秒有1G个时钟周期，每个时钟周期为1/1G=1ns

主频=外频*倍频

CPU的工作频率（主频）包括两个部分：外频和倍频，两者的乘积就是主频。

外频

所谓外频，就是外部频率，指的是系统总线效率。

倍频

倍频的全称是倍频系数，倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。
最初CPU主频和系统总线速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术业也就相应产生。

作用

它的作用是使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。

指令周期

总线周期

关系

MIPS

真题

真题2

路由器

对路由评价的主要性能指标有：设备吞吐量、端口吞吐量、全双工线速转发能力、背靠背帧数、路由表能力、背板能力、丢包率、时延、时延抖动、VPN支持能力、内部时钟精度、队列管理机制、端口硬件队列数、分类业务带宽保证、PSVP、IP DIFF Serv、CAR支持、冗余、热插拔组件、路由器冗余协议、网管、基于Web的管理、网关类型、带外网管支持、网管粒度、计费能力/协议、分组语音支持方式、协议支持、语言压缩能力、端口密度、信令支持。

交换机

网络***

评价网络的性能指标有：设备级性能指标；网络级性能指标；应用级性能指标；用户级性能指标；吞吐量。

操作系统***

评价操作系统的性能指标有：系统的可靠性、系统的吞吐率（量）、系统响应时间、系统资源利用率、可移植性。

数据库管理系统***

衡量数据库管理系统的主要性能指标包括数据库本身和管理系统两部分，有：数据库的大小、数据库中表的数量、单个表的大小、表中允许的记录（行）数量、单个记录（行）的大小、表上所允许的索引数量、数据库所允许的索引数量、最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等等。

web服务器***

性能指标

评价Web服务器的主要指标有：最大并发连接数、响应延迟、吞吐量。

web服务器常见性能评测方法

压力测试

强度测试

负载测试

并发测试（容量测试）

可靠性测试

性能评价方法

时钟频率法

时钟频率法:以时钟频率高低衡量速度。一般来说，主频越高，速度越快。

指令执行速度法

指令执行速度法:用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度，表示机器运算速度的单位是MIPS（百万条指令每秒），KIPS（千条指令每秒，上个世纪的运算单位，相差一千倍）。

等效指令速度法

等效指令速度法:也称为吉普森混合法(Gibson mix)或混合比例计算法，是通过各类指令在程序中所占的比例(Wi)进行计算得到的，特点是考虑各类指令比例不同。攻击各类指令在程序中所占比例，并进行折算，是一种固定比例法。

数据处理速率(processing Data Rate,PDR)法

采用计算PDR值的方法来衡量机器性能，PDR值越大，机器性能越好。
PDR与每条指令和每个操作数的平均位数以及每条指令的平均运算速度有关。

综合理论性能法CTP

综合理论性能法CTP:是美国政府为限制较高性能计算机出口所设置的运算部件综合性
能估算方法。CTP用MTOPS (Million Theoretical Operations Per Second，每秒百万次理
论运算)表示。
CTP的估算方法是，首先算出处理部件每个计算单元(例如，定点加法
单元、定点乘法单元、浮点加单元、浮点乘法单元等)的有效计算率，再按不同字长
加以调整，得出该计算单元的理论性能，所有组成该处理部件的计算单元的理论性能
之和即为CTP。

基准程序法***

整数测试程序

同一厂家的机器，采用相同的体系结构，用相同的基础程序测试，得到的MIPS值越大，一般说明机器速度越快。

浮点测试程序

指标MFLOPS(理论峰值浮点速度)

SPEC基准程序(SPEC Benchmark)

重点面向处理器性能的基础程序集，将被测计算机的执行时间标准化，
即将被测计算机的执行时间除以一个参考处理器的执行时间

TPC基准程序

用于评测计算机在事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持系统等方面的性能。
其中，TPC-C是在线事务处理（On-line Transaction Processing，OLTP）的基
准程序，TPC-D是决策支持的基准程序。TPC-E作为大型企业信息服务的基准程序。

评价程序

大多数情况下，为了测试新系统的性能，用户必须依靠评价程序来评价机器的性能。
下面列出了4种评价程序，
它们评测的准确程度依次递减：真实的程序、核心程序、小型基准程序、合成基准程序。

真实的程序

核心程序

小型基准程序

合成基准程序

真题

阿姆达尔解决方案

阿姆达尔(Amdahl)定律主要用于系统性能改进的计算中。
阿姆达尔定律是指计算机系统中对某一部件采用某种更快
的执行方式所获得的系统性能改变程度，取决于这种方式
被使用的频率，或所占总执行时间的比例。

阿姆达尔定律定义了采用特定部件所取得的加速比。假定我们使用某种增强部件，
计算机的性能就会得到提高，那么加速比就是图一式子所定义的比率。

图一

图二

例题

第三章、操作系统知识

操作系统概述

定义

能有效地组织和管理系统中的各种软/硬件资源，合理地组织计算机系统工作流程，
控制程序地执行，并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。

操作系统既提供了与用户交互的接口，也提供了与应用程序交互的接口。
用户可以通过菜单，命令，窗口与操作系统进行交互，而应用程序可以通过系统调用（如调用系统api）来与操作系统交互。

作用

通过资源管理提高计算机系统的效率

改善人机界面向用户提供友好的工作环境

特征

并发性

共享性

虚拟性

不确定性（异步性）

功能

进程管理

实质上是对处理机的执行“时间”进行管理，采用多道程序等技术将CPU的时间合理地分配给每个任务，
主要包括进程控制、进程同步、进程通信和进程调度。

文件管理

主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制。

存储管理

存储管理是对主存储器“空间”进行管理，主要包括存储分配与回收、存储保护、地址映射(变换)和主存扩充。

设备管理

设备管理。实质是对硬件设备的管理，包括对输入/输出设备的分配、启动、完成和回收。

作业管理

包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。

分类

批处理操作系统

单道批处理和多道批处理(主机与外设可并行)。

分时操作系统

一个计算机系统与多个终端设备连接。将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片，轮流为各个终
端的用户服务。

实时操作系统

实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出
快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。

网络操作系统

是使联网计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集
合。三种模式:集中模式、客户端/服务器模式、对等模式。

分布式操作系统

分布式计算机系统是由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主、次之分，
任意两台计算机可以通过通信交换信息。

微机操作系统

简称微机操作系统，常用的有Windows、MacOS、Linux。

嵌入式操作系统

特点

微型化

从性能和成本角度考虑，希望占用的资源和系统代码量少，如内存少、字长短、运行速度有限、能源少(用微小型电池)。

可定制

从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理器平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用需要。

实时性

嵌入式操作系统主要应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及关键要害领域需要迅速响应的场合，所以对实时性要求较高。

可靠性

系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施。

易移植性

为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层和板级支撑包的底层设计技术。

初始化过程

◆嵌入式系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为:片级初始化>板级初始化>系统初始化。

软件设计功耗

软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件的匹配，考虑硬件因素

编译优化，采用低功耗优化的编译技术

减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化

用"中断"代替"查询"

进行电源的有效管理

微内核操作系统***

真题

进程管理

进程的组成

进程控制块PCB(唯一标志)

程序(描述进程要做什么)

数据(存放进程执行时所需数据)

基础状态

三态图***

五态图

真题

前趋图

可知，A B C可以并行执行，但是必须ABC都执行完之后，才能执行D，
这就确定了两点：任务间的并行、任务间的先后顺序。

进程资源图

P代表进程，R代表资源。R方框中有几个圆球就表示
有几个这种资源，在图中，R1指向P1，表示R1有一
个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要
请求一个R2资源才能执行。

阻塞节点

非阻塞节点

死锁

真题

同步和互斥

临界资源

各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。

临界区

指进程中对临界资源实施操作的那段程序。本质是一段程序代码。

互斥

某资源(即临界资源)在同一时间内只能由一个任务单独使用，
使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用;如打印机。

同步

多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不
存在资源是否单独或共享的问题;如自行车和汽车。

互斥信号量

对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1。

同步信号量

对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量。

信号量操作

p操作

p操作:申请资源，S=S-1，若S>=0,
则执行P操作的进程继续执行;若S<0，则置该进
程为阻塞状态(因为无可用资源)，并将其插入阻塞队列。

V操作

V操作:释放资源，S=S+1，若S>0，则执行V操作的进程继续执行;若S<=0，则从阻塞
状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列(此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以
继续执行)，然后执行V操作的进程继续。

图

生产者和消费者的问题***

三个信号量:互斥信号量S0(仓库独立使用权)，同步信号量S1(仓库空闲个数)，同步信号量S2(仓库商品个数)。生产者流程: 生产一个商品S P(S0) 将商品放入仓库中 V(S2) V(S0) 消费者流程: P(S0) P(S2) 取出一个商品 V(S1) V(S0)

例题1

图1

图2

图3

例题2

图1

图2

进程调度

进程调度算法

先来先服务FCFS

时间片轮转

优先级调度

多级反馈调度

图

死锁

产生条件***

解决方法

死锁资源计算

真题

银行家算法真题

线程

传统进程的两个属性

引入线程的原因

真题

图1

解析

存储管理

分区存储管理

固定分区

可变分区

可变分区的算法

首次适应法

最佳适应法

最差适应法

循环首次适应法

图

可重定位分区

页式存储管理

图

优缺点

真题

页面置换算法

淘汰原则

快表

真题

图1

段式存储管理

图

优缺点

真题

段页式存储管理

图1

图2

文件管理

概述

信息项

文件管理系统

文件的类型

文件的结构

物理结构

逻辑结构

索引文件结构

图1

真题

文件目录

三类信息

基本信息类

存取控制信息类

使用信息类

相对路径与绝对路径

全文件名

图1

真题

文件存储空间管理

空闲区表法

图

位视图

图

空闲链表法

成组链接法

真题

设备管理

设备管理概述

设备的分类

按数据组织分类

按照设备功能分类

资源分配角度分类

数据传输速率分类

设备管理的任务

设备管理的功能

IO软件

IO软件的层次结构

设备管理技术

虚设备和SPOOLING技术

图1

图2

真题

输入输出技术

真题

第四章、数据库技术基础