系统架构设计师——计算机系统基础知识

计算机系统基础知识

计算机硬件基础知识、计算机软件基础知识、计算机语言、多媒体技术等内容

1.1 计算机系统概述

计算机系统的定义与组成
计算机系统（Computer System）是指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。（软件+硬件）

1.2 计算机硬件基础知识

1、冯.诺依曼计算机结构

将计算机硬件划分为运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

2、典型的处理器系统

3、专用处理器

除了通用的处理器，用于专用目的的专用处理器芯片不断涌现，常见的有图形处理器（GPU）、信号处理器（DSP）以及现场可编程逻辑门阵列（FPGA）
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
DSP 专用于实时的数字信号处理，常采用哈佛体系结构

4、指令集系统

典型的处理器根据指令集的复杂程度可分为 复杂指令集（CISC，Complex Instruction Set Computers）与 精简指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computers）两类。
CISC 以 Intel、ADM 的 x86 CPU 为代表
RISC 以 ARM 和 Power 为代表
国产处理器目前有龙芯、飞腾、申威等品牌，常采用 RISC-V、MIPS、ARM 等精简指令集架构

5、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。
根据存储器的硬件结构可分为SRAM、DRAM、NVRAM、FALSH、EPROM、Disk等
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。（其访问速度依次降低、而容量依次提高）

6、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。
按照总线在计算机所处的位置划分为 内总线、系统总线 和 外部总线
目前，计算机总线存在许多种类，常见的有 并行总线 和 串行总线

名称	数据线	特点	应用
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）
串行总线	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）

7、接口

接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则
常见的输入输出接口如 HDMI SATA RS-232 ; 网络接口如 RJ45、FC 等；以及A/D 转换接口等非标准接口

8、外部设备

外部设备也称外围设备，是计算机结构中的非必要设备，但从功能上又常常不可缺少，例如键盘、鼠标、显示器等。虽然种类多样，但都是通过接口实现与计算机主题的连接，并通过指令、数据实现预期的功能。

1.3 计算机软件基础知识

1、计算机软件

计算机软件是指计算机系统中的程序及其文档，是计算任务的处理对象和处理规则的描述。
软件系统是指在计算机硬件上运行的程序、相关的文档资料和数据的集合。
计算机软件可用来扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率
按照软件所起的作用和需要的运行环境不同，通常将计算机软件分为系统软件和应用软件两大类

（1）系统软件

为整个计算机系统配置的不依赖特定应用领域的通用软件，对计算机系统的硬件和软件资源进行控制和管理，并提供运行服务支持

（2）应用软件

指为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的软件，常与具体领域相关联，如教学软件

2、操作系统

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。操作系统通常由操作系统的内核（Kernel）和其他许多附加的配套软件所组成，如用户界面、管理工具、开发工具和常用的应用程序等。

操作系统的作用
- 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
操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性

操作系统的分类
- 批处理操作系统，根据同时执行的作业数又分为单道批处理和多道批处理。
- - 一个作业由用户程序、数据和作业说明书（作业控制语言）3个部分组成
- 分时操作系统，将CPU 的工作时间划分为许多很短的时间片，每个时间片分别为一个终端的用户提供服务或者执行一个作业。
- - 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，对于外来的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快速作出反应，对可靠性要求很高，并且不强制要求用户交互。实时系统的应用非常广泛。
- 网络操作系统，使联网计算机能有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务和接口。特征包括硬件独立性和多用户支持等。
- 分布式操作系统，指为分布式计算机系统配置的操作系统。分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，它保持网络系统所拥有的全部功能，同时又有透明性、可靠性和高性能等特性。
- 嵌入式操作系统，运行在嵌入式只能设备环境中，对整个只能硬件以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一的协调、处理、指挥和控制，特点是微型化、可定制、可靠性和易移植性。常采用硬件抽象层 和 板级支撑包来提高易移植性，常见的嵌入式实时操作系统有 VxWorks、μClinux、PalmOS、WindowsCE、 μC/OS-II 和 eCos 等。
3、数据库
- 数据库（DataBase, DB）是指长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。数据是按一定的格式存放的，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，可为多个用户共享。
  
  数据库分类
  - 关系型数据库
  - 键值（Key-Value）数据库
  - 列存储数据库
  - 文档数据库
4、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序的集中的需求而提出的一种数据库管理信息系统。
- 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。
- 分布式数据库系统的特点是： 数据的集中控制性、数据独立性、数据冗余可控性、场地透明性和场地自治性
5、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想的集合。
文件的组织方法
- 连续结构、链接结构和索引结构
6、网络协议
- 常用的网络协议包括局域网协议（Local Area Network,LAN）、广域网协议（Wide Area Network，WAN）、无线网协议和移动网协议。
- 互联网使用的是 TCP/IP 协议簇
7、中间件
- 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，是基础中间件（分布式系统服务）软件的一大类，属于可复用的软件的范畴
- 通信处理（消息）中间件，保证系统能在不同平台之间通信
- 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
- 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服务中间件，提供Web程序执行的运行时容器
- 安全中间件，用中间件屏蔽操作系统的缺陷，提升安全等级
- 跨平台中间件，为解决特定应用领域的开发设计问题提供的构件库
- 网络中间件，包括网管工具、接入工具等。
8、软件构件
- 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。
- 特点是：包容与复用
- 优点是：易拓展、可复用、并行开发
- 缺点是：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、构件质量影响软件的整体的质量。
1.4 计算机语言
- 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，主要是由一套指令指令组成（表达式、流程控制和集合）。
计算机语言
- 机器语言
- 汇编语言
- 高级语言
- 建模语言