【软考-架构师】一、结构设计基础

一、计算机系统基础知识

定义：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。
分类：计算机系统可划分为硬件子系统和软件子系统两部分。硬件由机械、电子元器件、磁介质和光介质等物理实体构成；软件是一系列按照特定顺序组织的数据和指令，控制硬件完成指定的功能。

硬件组成：根据冯·诺依曼结构，计算机硬件主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。其中，控制单元和运算单元通常被集成为中央处理器（CPU）。
处理器（CPU）：
- 组成：CPU由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓存寄存器（DR）、状态条件寄存器（PSW）、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）及时序部件等组成。
- 类型：包括GPU（图形处理器）、DSP（数字信号处理器）、SoC（片上系统）、FPGA（现场可编程逻辑门阵列）、MPU（微处理器）、MCU（微控制单元，即单片机）等。
- 指令集：分为CISC（复杂指令集）和RISC（精简指令集）两种。CISC以Intel、AMD的x86为代表，RISC以ARM和Power为代表，且RISC已成为计算机指令集发展的趋势。
存储器：
- 类型：包括ROM（只读存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）、DRAM（动态随机存取存储器）、NVRAM（非易失性随机访问存储器）、Flash、EPROM（可擦可编程只读存储器）、Disk（磁盘）等。
- 分级存储体系：按与处理器的物理距离可分为片上缓存、片外缓存、主存和外存四个层次。
- 性能优化：Cache的使用是突破冯·诺依曼瓶颈（CPU与存储速度不匹配问题）的关键，依据是程序的局部性原理（时间局部性和空间局部性）。

软件分类：根据功能和用途的不同，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件包括操作系统、数据库管理系统、编译系统等，而应用软件则是为了解决特定问题而开发的软件。
编程语言：包括低级语言（如机器语言和汇编语言）和高级语言（如C、C++、Java、Python等）。高级语言更接近人类自然语言，易于编写和理解，但需要编译或解释成机器语言才能执行。
操作系统：是计算机系统的核心软件，负责管理硬件和软件资源。掌握操作系统的基本原理和常见操作系统的特点及应用场景是架构师必备的技能之一。

网络体系结构：包括OSI模型和TCP/IP协议栈等。OSI模型将网络划分为七层，而TCP/IP协议栈则简化为四层。了解这些模型的结构和每层的功能对于理解网络通信过程至关重要。
网络设备：包括路由器、交换机、防火墙等。这些设备在网络中扮演着不同的角色，共同实现数据的传输和控制。
网络协议：是网络通信的基础，规定了数据传输的格式、顺序、错误检测与纠正等机制。常见的网络协议包括IP协议、TCP协议、UDP协议等。

定义：嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它通常由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式处理器：是嵌入式系统的核心部件，负责执行程序代码和控制整个系统的运行。常见的嵌入式处理器包括ARM、MIPS、PowerPC等。这些处理器通常具有低功耗、高性能、体积小等优点，能够满足嵌入式系统对处理器性能的特殊要求。
存储系统：包括ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）、Flash等。这些存储器用于存储程序代码、数据和运行结果等。嵌入式系统的存储系统通常具有容量小、速度快、可靠性高等特点。
外围设备：包括I/O接口、定时器、中断控制器、DMA（直接内存访问）控制器等。这些外围设备为嵌入式系统提供了与外部世界交互的接口，能够实现对外部设备的控制和管理。

嵌入式操作系统：是嵌入式系统的关键组成部分，负责管理硬件和软件资源，提供任务调度、中断处理、内存管理等功能。常见的嵌入式操作系统包括Linux、μC/OS-II、FreeRTOS等。这些操作系统通常具有可移植性、可配置性、实时性等特点，能够满足嵌入式系统对操作系统的特殊要求。
支撑软件：包括编译器、调试器、模拟器等。这些支撑软件为嵌入式系统的开发和调试提供了必要的工具和环境，能够提高开发效率和系统性能。
应用软件：是嵌入式系统的最终表现形式，用于实现系统的特定功能。应用软件的开发需要基于嵌入式操作系统和硬件平台进行，同时需要考虑系统的实时性、可靠性、安全性等要求。

开发环境：包括交叉编译器、集成开发环境（IDE）等。交叉编译器能够在宿主机上编译出针对目标机的可执行代码；IDE则提供了代码编辑、编译、调试等一站式开发服务，能够提高开发效率。
调试工具：包括JTAG调试器、仿真器等。这些调试工具能够实现对嵌入式系统的在线调试和故障排查，是嵌入式系统开发过程中不可或缺的工具。

嵌入式系统广泛应用于各个领域，包括消费电子、汽车电子、工业自动化、航空航天、医疗电子等。随着物联网、人工智能等技术的不断发展，嵌入式系统的应用领域还将不断拓展和深化。

定义：计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它通过通信线路和通信设备将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。
功能：计算机网络的主要功能包括数据通信、资源共享、分布式处理以及提高系统的可靠性和可用性。

OSI模型：开放系统互连参考模型（OSI模型）将网络划分为七层，从低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都建立在下一层提供的服务之上，并为上一层提供服务。
TCP/IP协议栈：TCP/IP协议栈是互联网的基础协议栈，它将网络划分为四层，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP协议栈与OSI模型在层次划分上有所不同，但两者在功能上大致对应。