软考高级·系统架构设计师 | 二、计算机系统基础知识

文章目录

• • • 计算机系统概述
    • 计算机硬件
    • 计算机软件
    • 嵌入式系统及软件
    • 计算机网络
    • 计算机语言
    • 多媒体
    • 系统工程

计算机系统概述

1. 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。
2. 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，并控制硬件完成指定的功能。
   

计算机硬件

1. 处理器：计算机系统运算和控制的核心部件。
2. 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。
3. 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。
4. 接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。
5. 外部设备 也称为外围设备，是计算机的非必要设备。
   

计算机软件

1. 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
2. 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，其首要作用就是通过 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。
3. 操作系统的特征：并发、共享、虚拟、不确定
4. 操作系统可分为批处理操作系统 、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 和嵌入式操作系统等类型。
5. 数据库 ：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。目前最常见的数据库种类是关系型数据库和非关系型数据库 。根据数据库存储体系分类，还可分为关系型数据库、键值 (Key-Value) 数据库、列存储数据库、文档数据库和搜索引擎数据库等类型。
6. 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
7. 网络协议包括局域网协议 (LAN)、 广域网协议 (WAN)、 无线网协议和移动网协议。互联网使是 TCP/IP协议簇。
8. 中间件：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，可以起承上启下的作用，使应用软件的开发相对独立于计算机硬件和操作系统，并能在不同的系统上运行，实现相同的应用功能。
9. 构件又称为组件，是一个自包容、可复用的程序集。
10. 应用软件是为了利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合，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

嵌入式系统及软件

1. 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。

2. 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并将可配置与可裁减的软、硬件集成于一体的专用计算机系统，需要满足应用对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求。

3. 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。

4. 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 等5层
   

5. 特点:可剪裁性、可配置性、强实时性、安全性、可靠性、高确定

CMM能力成熟度模型是1994年由美国国防部与卡内基-梅隆大学的软件工程研究中心以及美国国防工业协会共同开发和研制的，其目的是帮助软件企业对软件工程过程进行管理和改进，增强开发与改进能力，从而能按时、不超预算地开发出高质量的软件，同时也用于采办方评估和选择软件供应商。2002年推出了能力成熟度模型集成 (CMMI), 把开发模型CMMIDev、 服务模型CMMI-SVC、 采购模型CMMI-ACQ、 人力模型P-CMM等多个领域能力成熟度模型集成到一个框架中去。

计算机网络

1. 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。
2. 计算机网络技术主要涵盖通信技术、网络技术、组网技术和网络工程等四个方面。
3. 网络通常按照网络的覆盖区域 和通信介质等特征来分类，可分为局域网 (LAN)、 无线局域网 (WLAN)、 城域网 (MAN)、 广域网 (WAN) 和移动通信网等。
4. 无线局域网 WLAN(Wireless Local Area Networks) 利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。
5. 广域网是一种将分布于更广区域(比如一个城市、一个国家甚至国家之间)的计算机设备联接起来的网络。它通常是电信部门负责组建、经营和管理，并向社会公众提供通信服务。
6. 广域网由通信子网与资源子网组成。
7. 广域网具有下述特点：(1)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。(2)覆盖范围广，通信的距离远，广域网没有固定拓扑结构。(3)由电信部门或公司负责组建、管理和维护，并向全社会提供面向通信的有偿服务等。
8. 网络设备是连接到网络中的物理实体。网络设备的种类繁多，且与日俱增。基本的网络设备有集线器、中继器、网桥、交换机、路由器和防火墙等。
   

计算机语言

1. 计算机语言 (Computer Language) 是指用于人与计算机之间交流的一种语言，是人与计算机之间传递信息的媒介。计算机语言主要由一套指令组成，而这种指令一般包括表达式、流程控制和集合三大部分内容。
2. 机器语言是最早使用的程序设计语言，是第一代计算机语言，是计算机自身具有的"本地语"。
3. 机器语言指令是一种二进制代码 ，由操作码 和操作数两部分组成。计算机是通过执行指令来处理各种数据的。
4. 指令包：操作码，操作数的地址，操作结果的存储地址，下条指令的地址。
5. 汇编语言：人们很容易读懂并理解程序在做什么，编程、纠错及维护都变得方便。程序设计人员用汇编语言写出的程序，代码短、省空间、效率高。
6. 常见的高级语言包括C、C++、Java、VB、C#、Python、Ruby等。下面介绍几种常见的高级语言。
7. C：20世纪70年代由美国 Bell 实验室为描述UNIX 操作系统而开发的一种系统描述语言。 C 语言同时具有汇编语言和高级语言的优点：语言简洁紧凑，使用方便灵活，运算符极其丰富，可移植性好，可以直接操作硬件，生成的目标代码质量高，程序执行效率高。
8. C++： 美国Bell实验室于1980年开始对 C 语言进行改进和扩充，引入面向对象程序设计思想，并于1983年将这个扩充的C 语言正式命名为 C++。C++不仅保持了 C 语言简洁、高效和可取代汇编语言等优点，而且还在模块化结构的基础上增加了对面向对象程序设计的支持
9. Java：1991年美国 SUN公司提出的面向计算机网络、完全面向对象的程序设计语言。Java语言的口号是"一次编写，处处运行"。
10. Python是一种结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的脚本语言，由荷兰人吉多·范罗苏姆 (Guido van Rossum) 于1989年设计，1991年公开发布了Python 的第1个版本。

• 建模语言

1. UML 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。

2. UML 由3个要素构成： UML 的基本构造块 (事物、关系)、图(支配基本构造块如何放置在一起的规则)和运用于整个语言的公用机制。

3. 事物：UML 中有4种事物：结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。

4. 结构事物：类 (Class)、 接口 (Interface)、 协 作 (Collaboration)、 用 例 (UseCase)、 主动类 (Active Class)、 构件 (Component)、 制 品 (Artifact) 和结点 (Node)。

5. 分组和注释事物
   

6. 关系：UML中有4种关系：依赖、关联、泛化和实现

7. UML 2.0 提供了13种图，分别是类图、对象图、用例图、序列图、通信图、状态图、活动图、构件图、部署图、组合结构图、包图、交互概览图和计时图。序列图、通信图、交互概览图和计时图均被称为交互图。
   

8. UML 5种视图：用例视图、逻辑视图、进程视图、实现视图和部署视图，其中的用例视图居于中心地位。

多媒体

1. 媒体 (Media) 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.

2. 媒体可分为感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存储媒体和传输媒体。

3. 多媒体系统通常由硬件和软件组成。其中，多媒体硬件主要包括计算机主要配置和外部设备以及与各种外部设备的控制接口。
   

4. 视频技术 包括视频数字化 和视频编码技术两个方面

5. 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

6. 视音频编码 ：通过视频文件格式来实现的，如常见的*.mpg、.avi、 .mov、mp4、.rm、*ogg和 *tta等

7. 编解码器指的是能够对一个信号或者一个数据流进行变换的设备或者程序。

8. 视音频压缩 方法有上百种，这些方法总体上可归类为有损 (Lossy ) 压缩 和无损(Lossless) 压缩两类

• 通讯技术

1. 通信技术是多媒体系统中的一项关键技术，是指将信息从一个地点传送到另一个地点所采取的方法和措施。
2. 数据传输信道 是指通信的物理介质，包括同轴电缆、双绞线、光纤、越洋海底电缆、微波信道、短波信道、无线通信和卫星通
   信等

• 数据压缩技术

1. 数据压缩的算法：
   1. 即时压缩和非即时压缩，即时/非即时压缩的区别在于信息在传输过程中被压缩还是信息压缩后再传输，即时压缩一般应用在影像、声音数据的传送中。即时压缩常用到专门的硬件设备，如压缩卡等。
   2. 数据压缩和文件压缩。数据压缩是专指一些具有时间性的数据，这些数据常常是即时采集、即时处理或传输的。而文件压缩是指对将要保存在磁盘等物理介质的数据进行压缩。
   3. 无损压缩与有损压缩。无损压缩是利用数据的统计冗余进行压缩，通常无损压缩的压缩比比较低。而有损压缩是利用了人类对视觉、听觉对图像、声音中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩的过程中损失一定的信息。
2. 流行的几种编码格式已形成国际编码标准：
   1. 静态图像压缩编码的国际标准：联合图像专家小组标准 (Joint Photographic Experts Group,JPEG) 是一种对静态图像压缩的编码算法。
   2. 动态图像视频编码标准 (MPEG)：运动图像专家组 (Moving Picture Experts Group,MPEG) 是专门制定多媒体领域内的国际标准的一个组织。
   3. 视频编解码器标准 (H.26L)：。 H.26L 旨在提供更高的压缩效率和更灵活的网络适应性，以及增强对于差错的健壮性，适用于可视电话和视频会议等实时视频通信应用。

• 虚拟现实（VR）/增强现实（AR）技术

虚拟现实 (Virtual Reality,VR) 又称人工现实、临境等，是近年来十分活跃的技术领域，是多媒体发展的更高境界， V R 技术涵盖了传统多媒体技术的所有内容。

1. VR是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，让人有种身临其境的感觉。
2. V R采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉、味觉及嗅觉的感知系统，用户可以用人的自然技能与这个生成的虚拟实体进行交互操作，其概念包含3层含义。
   • 虚拟实体是用计算机生成的一个逼真的实体。
   • 用户可以通过人的自然技能(头部转动、眼动、手势或其他身体动作)与该环境交互。
   • 要借助一些三维传感设备来完成交互动作，常用的有头盔立体显示器、数据手套、数据服装和三维鼠标等。
3. 增强现实 (Augmented Reality,AR) 技术是指把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道和触觉等),通过模拟仿真后，再叠加到现实世界中被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验 。增强现实的出现与计算机图形图像技术、空间定位技术和人文智能 (Humanistic Intelligence) 等技术的发展密切相关。
   1. 计算机图形图像技术。增强现实的用户可以戴上透明的护目镜，透过它看到整个世界，连同计算机生成而投射到这一世界表面的图像，从而使物理世界的景象超出用户的日常经验之外。这种增强的信息可以是在真实环境中与之共存的虚拟物体，也可以是实际存在的物体的非几何信息。
   2. 空间定位技术。为了改善效果，增强现实所投射的图像必须在空间定位上与用户相关。当用户转动或移动头部时，视野变动，计算机产生的增强信息随之做相应的变化。
   3. 人文智能。该技术以将处理设备和人的身心能力结合起来为特点，并非仿真人的智能，而是试图发挥传感器、可穿戴计算等技术的优势，使人们能够捕获自己的日常经历、记忆及所见所闻，并与他人进行更有效的交流。
   4. VR/AR技术发展至今：数据采集与优化传输技术、交互与情形实时再现技术。

系统工程

1. 系统工程是一种组织管理技术。所谓系统，首先是把要研究的对象或工程管理问题看作一个由很多相互联系、相互制约的组成部分构成的总体，然后运用运筹学的理论和方法以及电子计算机技术，对构成系统的各组成部分进行分析、预测和评价，最后进行综合，从而使该系统达到最优。
2. 系统工程方法是一种现代的科学决策方法，也是一门基本的决策技术。
3. 霍尔的三维结构 ：时间维 、逻辑维 和知识维 组成的三维空间结构
   1. 时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段。
   2. 逻辑维是指时间维的每个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序，包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施7个逻辑步骤。。
   3. 知识维需要运用包括工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等各种知识和技能。
4. P. 切克兰德把霍尔方法论 称为"硬科学"的方法论，他提出了自己的方法论，并把它称之为"软科学"方法论：切克兰德方法将工作过程分为7个步骤：
   1. 认识问题。收集与问题有关的信息，表达问题现状，寻找构成和影响因素及其关系，以便明确系统问题结构、现存过程及其相互之间的不适应之处，确定有关的行为主体和利益主体。
   2. 根底定义。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。根底定义的目的是弄清系统问题的关键要素以及关联因素，为系统的发展及其研究确立各种基本的看法，并尽可能选择出最合适的基本观点。
   3. 建立概念模型。在不能建立精确数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。概念模型来自于根底定义，是通过系统化语言对问题抽象描述的结果，其结构及要素必须符合根底定义的思想，并能实现其要求。
   4. 比较及探寻。将现实问题和概念模型进行对比，找出符合决策者意图且可行的方案或途径。有时通过比较，需要对根底定义的结果进行适当修正。
   5. 选择。针对比较的结果，考虑有关人员的态度及其他社会、行为等因素，选出现实可行的改善方案。
   6. 设计与实施。通过详尽和有针对性的设计，形成具有可操作性的方案，并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。
   7. 评估与反馈。根据在实施过程中获得的新认识，修正问题描述、根底定义及概念模型等。