1，计算机系统基础
2024-10-17 11:08:04 0 举报AI智能生成
计算机系统基础知识
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大纲/内容
计算机硬件
冯诺依曼计算机结构
运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备
典型处理器系统结构
典型处理器体系结构示意图
专用处理器
图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）
GPU 常有数百个或数千个内核，经过优化可并行运行大量计算
信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）
专用于实时的数字信号处理，常采用哈佛体系结构
现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）
指令集系统
复杂指令集（Complex Instruction Set Computers，CISC）
CISC 以 Intel、AMD 的x86 CPU 为代表
精简指令集（Reduced Instruction Set Computers，RISC）
RISC 以 ARM 和 Power 为代表
存储器
存储器是利用半导体、磁、光等介质制成用于存储数据的电子设备
根据硬件结构，可分为SRAM、DRAM、NVRAM、Flash、EPROM、Disk
BIOS使用的是Flash ROM
按照与处理器的物理距离可分为 4 个层次：片上缓存、片外缓存、主存（内存）、外存
访问速度依次降低，而容量依次提高
总线
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，即以一种特定格式按照规定的控制逻辑实现部件间的数据传输。
按照总线在计算机中所处的位置划分为内总线、系统总线和外部总线。
计算机总线存在许多种类，常见的有并行总线和串行总线
串行总线
常见的有I2C、SPI、RS232、UART、USB
一条双向数据线或两条单向数据线
速率不高，但适合长距离连接
通信总线（计算机之间或计算机与其他系统间
并行总线
多条双向数据线
有传输延迟，适合近距离连接
系统总线（计算机各部件）
常见的有STD、PC总线、IEEE488总线
接口
接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。
常见的有输入输出接口如 HDMI、SATA、RS-232 等；网络接口如 RJ45、FC 等；以及 A/D 转换接口等非标准接口。
外部设备
计算机软件
操作系统
描述：操作系统是计算机系统的资源管理者，包含对系统软、硬件资源实施管理的一组程序
作用：
管理计算机中运行的程序和分配各种软、硬件资源。
为用户提供友善的人机界面。
为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台。
特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性
分类：
批处理操作系统
分时操作系统
特点：多路性、独立性、交互性和及时性
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
嵌入式操作系统
特点：微型化、可定制、可靠性和易移植性
常采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）和板级支撑包（Board Support Package，BSP）来提高易移植性
分布式数据库系统
分布式数据库系统（Distributed DataBase System，DDBS）是针对地理上分散，而管理上又需要不同程度集中的需求而提出的一种数据管理信息系统。
满足分布性、逻辑相关性、场地透明性和场地自治性的数据库系统被称为完全分布式数据库系统。
特点是数据的集中控制性、数据独立性、数据冗余可控性、场地自治性和存取的有效性。
文件系统
文件（File）是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。
文件系统是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，是专门负责管理和存取文件信息的软件机构。
文件类型：
按性质和用途分类可将文件分为系统文件、库文件和用户文件。
按信息保存期限分类可将文件分为临时文件、档案文件和永久文件。
按保护方式分类可将文件分为只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件。
UNIX 系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件（特殊文件）。
文件的存取方法：通常有顺序存取和随机存取两种方法。
文件组织方法：有连续结构、链接结构和索引结构，还有多重索引方式。
磁盘分配表（Disk Allocation Table）
文件存储空间管理的数据结构
有空闲区表、位示图和空闲块链3种
网络协议
常见网络协议：
局域网协议（Local Area Network，LAN）
广域网协议（Wide Area Network，WAN）
无线网协议
移动网协议
中间件
定义：中间件（Middleware）是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
分类：
通信处理（消息）中间件，保证系统能在不同平台之间通信，例如 MQSeries。
事务处理（交易）中间件，实现协调处理顺序、监视和调度、负载均衡等功能，例如Tuxedo。
数据存取管理中间件，为不同种类数据的读写和加解密提供统一的接口。
Web 服务器中间件，提供 Web 程序执行的运行时容器，例如 Tomcat、JBOSS 等。
安全中间件，用中间件屏蔽操作系统的缺陷，提升安全等级。
跨平台和架构的中间件，用于开发大型应用软件。
专用平台中间件，为解决特定应用领域的开发设计问题提供构件库。
网络中间件，包括网管工具、接入工具等。
软件构件
定义：构件又称为组件，是一个自包容、可复用的程序集，这个集合整体向外提供统一的访问接口，构件外部只能通过接口来访问构件，而不能直接操作构件的内部。
特性：两个最重要的特性是自包容与可重用
优点：易扩展、可重用、并行开发
缺点：需要经验丰富的设计师、快速开发与质量属性之间需要妥协、构件质量影响软件整体的质量
商用构件的标准规范有：
OMG 的公共对象请求代理架构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）
SUN 的 J2EE
Microsoft 的 DNA 2000
计算机语言
定义：计算机语言（Computer Language）是指人与计算机之间用于交流的一种语言，主要由一套指令组成，而这套指令一般包括表达式、流程控制和集合三大部分内容。
分类：
机器语言
由计算机所能直接理解和执行的所有指令组成。指令格式由操作码和操作数两部分组成。
汇编语言
汇编语言在机器语言的基础上采用英文字母和符号串来表达指令，是机器语言的符号化描述。
每条语句均由名字、操作符、操作数和注释 4 个字段（Fields）组成
高级语言
建模语言
建模语言主要指的是统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）
3要素：
UML 的基本构造块（事物、关系）
事物
结构事物
定义：名词、静态部分，用于描述概念或物理元素
包括：
类（Class）
接口（Interface）
协作（Collaboration）
用例（UseCase）
主动类（Active Class）
构件（Component）
制品（Artifact）
节点（Node）
行为事物
定义：动词，描述了跨越时间和空间的行为
包括：
交互（Interaction）
状态机（State Machine）
活动（Activity）
分组事物
包是最常用的分组事物，结构事物、行为事物甚至其他分组事物都可以放进包内
注释事物
注释即注解，用来描述、说明和标注模型的任何元素
关系
依赖关系
其中一个事物（独立事物）发生变化会影响另一个事物。依赖关系是一种使用的关系。
关联关系
是一种拥有的关系，关联提供了不同类的对象之间的结构关系，它在一段时间内将多个类的实例连接在一起。
特例：
聚合关系
表示类之间的整体与部分的关系，其含义是“部分”可能同时属于多个“整体”，“部分”与“整体”的生命周期可以不相同
组合关系
表示类之间的整体与部分的关系。与聚合关系的区别在于，组合关系中的“部分”只能属于一个“整体”，“部分”与“整体”的生命周期相同，“部分”随着“整体”的创建而创建，也随着“整体”的消亡而消亡。
泛化关系
泛化是一种特殊/一般关系，特殊元素（子元素）的对象可替代一般元素（父元素）的对象
实现关系
在两种情况下会使用实现关系：一种是在接口和实现它们的类或构件之间；另一种是在用例和实现它们的协作之间
图（支配基本构造块如何放置在一起的规则）
定义：图是一组元素的图形表示，大多数情况下把图画成顶点（代表事物）和弧（代表关系）的连通图。
分类：
类图
类图展现了一组对象、接口、协作和它们之间的关系
对象图
用例图
用例图（Use Case Diagram）展现了一组用例、参与者（Actor）以及它们之间的关系
状态图
活动图
构件图
部署图
制品图
组合结构图
包图
序列图
通信图
交互概览图
计时图（定时图）
运用于整个语言的公用机制
5种视图：
用例视图、逻辑视图、进程视图、实现视图、部署视图，其中的用例视图居于中心地位
形式化方法和形式化语言
形式化方法
定义：形式化方法是把概念、判断、推理转化成特定的形式符号后，对形式符号表达系统进行研究的方法
分类：
根据描述方式分为：
模型描述
性质描述
根据表达能力分为：
模型方法
代数方法
进程代数方法
逻辑方法
网络模型方法
形式化方法的开发过程贯穿软件工程的整个生命周期
形式化语言
Z 语言是一种形式化语言，具有“状态—操作”风格，借助模式来表达系统结构。建立于集合论和数理逻辑的基础上，是一个强类型系统，可以使用自然语言。
多媒体技术
媒体与多媒体
媒体是承载信息的载体，即信息的表现形式（或者传播形式），如文字、声音、图像、动画和视频等。
多媒体的4个特征：
多维化，即媒体的多样化
集成性，多媒体与设备集成，也与信息和表现集成
交互性，可向用户提供更有效的控制和使用信息的手段
实时性，音频和视频等信息具有很强的时间特性
多媒体系统的关键技术
视、音频技术
视频技术包括视频数字化和视频编码技术两个方面；音频技术包括音频数字化、语音处理、语音合成及语音识别 4 个方面
通信技术
包括数据传输信道技术和数据传输技术
数据压缩技术
包括即时压缩和非即时压缩、数据压缩和文件压缩、无损压缩与有损压缩等
虚拟现实（Virtual Reality，VR）/增强现实（Augmented Reality，AR）技术
VR/AR 技术主要分为桌面式、分布式、沉浸式和增强式 4 种
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