01-计算机系统基础（基于第1小时）
软考-系统架构设计师 | 第1篇 架构设计基础 出题形式：单项选择题 | 分值占比：2-6 分 教材参考：第1章 计算机系统基础知识
0. 考点分析
本章为架构设计的"地基"内容，核心考点聚焦在以下 6 个方面：
- 冯·诺依曼结构与哈佛结构（DSP/处理器分类）
- 指令集分类（CISC vs RISC，国产处理器架构）
- 存储层次与存取速度（片上/片外缓存 → 主存 → 外存）
- 总线分类（并行/串行、内/系统/外总线；并行总线表必背）
- 操作系统分类与特征（批处理/分时/实时/网络/分布式/嵌入式）
- UML 四大关系与五种视图（依赖/关联/泛化/实现；用例图三类关系）
1. 核心知识点
1.1 计算机系统组成
- 硬件子系统：机械、电子元器件、磁介质和光介质等物理实体
- 软件子系统：按特定顺序组织的数据和指令，控制硬件完成指定功能
- 软件分类：系统软件（通用、不依赖特定应用）+ 应用软件（面向特定领域）
1.2 冯·诺依曼结构
- 5 大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
- 现代硬件中"控制器 + 运算器"被集成为 CPU
- 哈佛结构：将程序和数据存储器分开，使用两组独立总线，可同时访问，取指和执行完全重叠。DSP 采用哈佛结构
1.3 专用处理器
| 类型 | 全称 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| GPU | Graphics Processing Unit | 数百到数千个内核，并行计算 | 图形渲染、AI 深度学习 |
| DSP | Digital Signal Processor | 哈佛结构，单周期 MAC 指令 | 实时数字信号处理 |
| FPGA | Field Programmable Gate Array | 现场可编程逻辑门阵列 | 硬件原型、定制加速 |
1.4 指令集系统
- CISC（复杂指令集）：以 Intel、AMD 的 x86 为代表
- RISC（精简指令集）：以 ARM、Power 为代表
- 国产处理器：龙芯、飞腾、申威，常采用 RISC-V、MIPS、ARM 架构
1.5 存储层次（速度由快到慢）
| |
- SRAM（静态）：晶体管自锁，速度快、不需刷新、容量小 → 用作 Cache
- DRAM（动态）：电容存储，集成度高、需刷新 → 用作主存
- NVRAM/Flash/EPROM/Disk：非易失性存储
1.6 总线
- 按位置划分：内总线 / 系统总线 / 外部总线
- 并行总线 vs 串行总线（必背表 1.1）：
| 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 | 一条双向或两条单向 | 速率不高，适合长距离连接 | 通信总线（计算机之间/与其他系统） |
1.7 典型接口与外部设备
- 接口：HDMI、SATA、RS-232（输入输出）；RJ45、FC（网络）；A/D 转换（非标准）
- 外部设备：键盘、鼠标、显示器（通过接口与主机连接）
1.8 操作系统
特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性
6 种操作系统分类：
| 类型 | 关键特征 | 备注 |
|---|---|---|
| 批处理 | 单道/多道批处理 | 作业 = 程序 + 数据 + 作业说明书 |
| 分时 | 多路性、独立性、交互性、及时性 | CPU 时间片轮流服务 |
| 实时 | 足够快速度处理 + 高可靠性 | 不强制用户交互 |
| 网络 | 硬件独立性 + 多用户支持 | 共享网络资源 |
| 分布式 | 透明性、可靠性、高性能 | 网络 OS 的更高级形式 |
| 嵌入式 | 微型化、可定制、可靠性、易移植性 | 采用 HAL + BSP |
常见嵌入式 RTOS：VxWorks、μClinux、PalmOS、WindowsCE、μC/OS-II、eCos
1.9 数据库
- 分类：关系型 / 键值（Key-Value） / 列存储 / 文档数据库
- 分布式数据库系统（DDBS） 4 大特性：分布性、逻辑相关性、场地透明性、场地自治性（满足四性 = 完全分布式）
- 数据特征：集中控制性、数据独立性、数据冗余可控性、场地自治性、存取有效性
1.10 文件系统
- 文件分类（按性质）：系统文件、库文件、用户文件
- 文件分类（按保护）：只读、读/写、可执行、不保护
- 文件分类（按期限）：临时文件、档案文件、永久文件
- UNIX 文件：普通文件、目录文件、设备文件
- 存取方法：顺序存取、随机存取
- 组织方法：连续结构、链接结构、索引结构、多重索引
- 存储空间管理：磁盘分配表（空闲区表、位示图、空闲块链）
1.11 中间件（Middleware）
应用软件与操作系统之间的标准化编程接口和协议，8 大类：
- 通信处理（消息）中间件 —— MQSeries
- 事务处理（交易）中间件 —— Tuxedo
- 数据存取管理中间件
- Web 服务器中间件 —— Tomcat、JBOSS
- 安全中间件
- 跨平台和架构的中间件
- 专用平台中间件
- 网络中间件（网管、接入工具）
1.12 软件构件
- 两大特性：自包容 + 可重用（搭积木式开发）
- 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妥协；构件质量影响整体
- 商用构件标准：
- CORBA（OMG）：ORB + 公共对象服务 + 公共设施；用 IDL 定义接口
- J2EE（SUN）：EJB 是构件标准；Bean 分会话 Bean、实体 Bean、消息驱动 Bean
- DNA 2000（Microsoft）：DCOM/COM/COM+
1.13 计算机语言
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 机器语言 | 第一代，“本地语”；指令 = 操作码 + 操作数 |
| 汇编语言 | 机器语言符号化；语句 = 名字 + 操作符 + 操作数 + 注释；伪指令如 DB/DW/DD/SEGMENT/PROC |
| 高级语言 | C/C++/Java/Python |
| 建模语言 | UML（3 要素：基本构造块、图、公用机制） |
| 形式化方法 | Z 语言（“状态-操作"风格，集合论+数理逻辑） |
1.14 UML 核心（高频考点）
4 种事物：
- 结构事物：类、接口、协作、用例、主动类、构件、制品、节点
- 行为事物：交互、状态机、活动
- 分组事物：包
- 注释事物：注解
4 种关系：
| 关系 | 含义 | 关键词 |
|---|---|---|
| 依赖 | 一个事物变化影响另一个 | “使用” |
| 关联 | 拥有的结构关系；特例：聚合、组合 | “拥有” |
| 泛化 | 特殊/一般；子可替代父 | “is-a” |
| 实现 | 接口与实现类/构件之间；用例与协作之间 | “实现” |
聚合 vs 组合：
- 聚合：部分可属于多个整体；生命周期不同
- 组合：部分只能属于一个整体；生命周期相同
14 种图（UML 2.0）：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、制品图、组合结构图、包图、交互概览图、计时图
5 种视图：用例视图、逻辑视图、进程视图、实现视图、部署视图（用例视图居中心）
用例图三类关系（必考）：
| 关系 | 触发条件 | 例子 |
|---|---|---|
| 包含（include） | 多个用例共用相同动作 | “课程学习” → “检查权限” |
| 扩展（extend） | 基用例有多种分支场景 | “课程学习” → “缴纳学费” |
| 泛化 | 多个用例共性抽象为父用例 | “课程注册” → “网络注册” |
1.15 多媒体技术
- 4 大特征：多维化、集成性、交互性、实时性
- 关键技术：视音频技术、通信技术、数据压缩技术、VR/AR 技术
- VR/AR 4 种形式：桌面式、分布式、沉浸式、增强式
2. 关键概念速查
| 概念 | 定义/说明 | 常见考点 |
|---|---|---|
| 冯·诺依曼结构 | 5 部件：运算器、控制器、存储器、输入、输出 | 与哈佛结构对比 |
| 哈佛结构 | 程序/数据分开，两组独立总线 | DSP 采用 |
| CISC / RISC | 复杂/精简指令集 | x86 vs ARM、国产处理器 |
| DMA / Cache / MMU | 直接存取/高速缓存/内存管理 | 处理器体系结构图 |
| 寄存器组 | CPU 内速度最快的存储部件 | 速度排序题 |
| 位示图 | 用一位 0/1 表示一个区块状态 | 文件存储空间管理 |
| HAL | 硬件抽象层 | 嵌入式 |
| BSP | 板级支持包 | 嵌入式 |
| 包含关系 | 多个用例共用相同动作 | 用例图 |
| 扩展关系 | 基用例的多种分支 | 用例图 |
| 泛化关系 | 子用例继承父用例 | 用例图 |
| CORBA | OMG 的构件标准，ORB+服务+设施 | 商用构件 |
| EJB | J2EE 构件标准 | 商用构件 |
| Z 语言 | 形式化语言，强类型 | 形式化方法 |
3. 典型例题
从源文本"练习题"中精选 3 道最具代表性题目
例题 1：DSP 处理器结构
题目：目前处理器市场中存在 CPU 和 DSP 两种类型的处理器，分别用于不同的场景，这两种处理器具有不同的体系结构，DSP 采用（ ）。 A．冯·诺依曼结构 B．哈佛结构 C．FPGA 结构 D．与 GPU 相同的结构
答案：B
解析：DSP 芯片为达到快速进行数字信号处理的目的，一般采用哈佛结构。哈佛结构将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据，并有两组总线连接到处理器核，可同时访问，得以实现单周期的 MAC 指令。
例题 2：实时信号处理
题目：（ ）是专用于实时的数字信号处理的处理器。 A．DSP B．CPU C．GPU D．FPGA
答案：A
解析：DSP 专用于实时的数字信号处理，常采用哈佛体系结构；CPU 是通用处理器；GPU 偏重并行图形计算；FPGA 是可编程逻辑门阵列。
例题 3：UML 用例图关系
题目：在线学习系统中，课程学习和课程考试都需要先检查学员的权限，“课程学习"与"检查权限"两个用例之间属于 （1） ；课程学习过程中，如果所缴纳学费不够，就需要补缴学费，“课程学习"与"缴纳学费"两个用例之间属于 （2） ；课程学习前需要课程注册，可以采用电话注册或网络注册，“课程注册"与"网络注册"两个用例之间属于 （3） 。 （1）A．包含关系 B．扩展关系 C．泛化关系 D．关联关系 （2）A．包含关系 B．扩展关系 C．泛化关系 D．关联关系 （3）A．包含关系 B．扩展关系 C．泛化关系 D．关联关系
答案：A B C
解析：
- 包含关系：多个用例共用相同动作（“课程学习"必须"检查权限”）
- 扩展关系：基用例的多种分支（“缴纳学费"是"课程学习"的可选分支）
- 泛化关系：子类继承父类共性（“电话注册"“网络注册"都是"课程注册"的子用例）
4. 高频考点
本章最常考的内容集中在 4 个方向：
- 计算机组成原理：冯·诺依曼 5 部件、DSP 哈佛结构、CISC vs RISC、存储层次速度排序（寄存器组 > Cache > 内存 > Flash/Disk）、并行/串行总线区别
- 操作系统分类：6 种 OS 类型及其特征（尤其实时系统、嵌入式系统的高可靠性/可裁剪性）；嵌入式 RTOS 常见名称（VxWorks、μC/OS-II 等）
- UML 三要素与四种关系：依赖/关联/泛化/实现 含义区分；用例图三类关系（include/extend/泛化）几乎年年必考
- 中间件与软件构件：8 类中间件 + 3 大商用构件标准（CORBA/J2EE/DNA 2000），区分 EJB 中的会话/实体/消息驱动 Bean