06-系统工程与系统性能

Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 +0000

06-系统工程与系统性能（基于第6小时）

软考-系统架构设计师 | 第2篇架构设计专业知识出题形式：单项选择题（含计算题） | 分值占比：2-5 分

0. 考点分析

第6小时主要学习系统工程和系统性能等内容。

根据考试大纲，本小时知识点会涉及单项选择题，约占 2～5 分。本小时内容侧重于概念知识，也会有计算题。根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，考查的知识点多来源于教材，扩展内容较少。

导读小贴士：系统工程是一种方法论，从宏观上对如何创建和管理一个信息化工程提出了理论框架。而系统性能评估和设计是架构师的重要工作之一，所以掌握本小时知识点很重要。本小时的内容比较基础，难度并不大。

1. 核心知识点

1.1 系统工程

定义与特点

系统工程是运用系统方法，对系统进行规划、研究、设计、制造、试验和使用的组织管理技术，是人们用科学方法解决复杂问题的一门技术。

特点：整体性、综合性、协调性、科学性、实践性

5 种主要方法

方法	提出者/时间	核心思想	工作步骤
霍尔三维结构	A.D.Hall, 1969	时间维+逻辑维+知识维	时间 7 阶段 + 逻辑 7 步骤
切克兰德方法	Checkland	“比较"与"探寻”，非"最优化"	7 步骤（认识问题、根底定义、…）
并行工程	—	并行、集成化处理	制造和支持过程并行
综合集成法	钱学森等	简单系统 / 巨系统	整体论、相互联系、有序性、动态
WSR 系统方法	—	物理-事理-人理	7 步（理解意图、…）

霍尔三维结构（重要）

三维组成：

时间维（7 阶段）：规划 → 拟订方案 → 研制 → 生产 → 安装 → 运行 → 更新
逻辑维（7 步骤）：明确问题 → 确定目标 → 系统综合 → 系统分析 → 优化 → 决策 → 实施
知识维：工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等

切克兰德方法 7 步骤

认识问题
根底定义
建立概念模型
比较及探寻
选择
设计与实施
评估与反馈

并行工程（Concurrent Engineering）

对产品及其相关过程（制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术
目标：提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间

综合集成法（钱学森等）

系统分类：简单系统 / 巨系统
开放的复杂巨系统原则：整体论、相互联系、有序性、动态
性质：开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性、巨量性

WSR 系统方法

全称：物理-事理-人理方法论
7 步过程：理解意图 → 制定目标 → 调查分析 → 构造策略 → 选择方案 → 协调关系 → 实现构想

系统工程的生命周期

目的：以有序而且高效的方式建立一个满足利益攸关者需求的框架。

7 个阶段：探索研究 → 概念阶段 → 开发阶段 → 生产阶段 → 使用阶段 → 保障阶段 → 退役阶段

生命周期方法：计划驱动方法、渐进迭代式开发、精益开发、敏捷开发

基于模型的系统工程（MBSE）

建模方法的形式化应用，使建模方法支持系统需求、分析、设计、验证和确认等活动，持续贯穿到所有生命周期阶段

产物：

需求分析阶段：需求图、用例图、包图
功能分析与分配阶段：顺序图、活动图、状态机图
设计综合阶段：模块定义图、内部块图、参数图

MBSE 三大支柱：建模语言、建模工具、建模思路

1.2 系统性能

系统性能评价指标

不同对象的性能指标不同：

对象	主要性能指标
计算机	时钟频率（主频）、运算速度、运算精度、数据处理速率（PDR）、吞吐率
路由器	设备吞吐量、端口吞吐量、全双工线速转发能力、路由表能力、背板能力、丢包率、时延、时延抖动、协议支持
交换机	端口速率、背板吞吐量、缓冲区大小、MAC 地址表大小
网络	设备级、网络级、应用级、用户级、吞吐量
操作系统	系统上下文切换、系统响应时间、系统吞吐率（量）、系统资源利用率、可靠性、可移植性
数据库管理系统	最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数
Web 服务器	最大并发连接数、响应延迟、吞吐量

性能指标计算

4 种方法：定义法、公式法、程序检测法、仪器检测法

1. MIPS（每秒百万次指令数）

$$MIPS = \frac{指令条数}{执行时间 \times 10^6}$$

2. 峰值计算

$$理论浮点峰值 = CPU 主频 \times CPU 每个时钟周期执行浮点运算的次数 \times 系统中 CPU 数$$

3. 等效指令速度法（吉普森 Gibson 法）

早期用加法指令的运算速度来衡量计算机速度
后发展为各指令的运算时间乘以占比
典型占比：
- 加、减法指令：50%
- 乘法指令：15%
- 除法指令：5%
- 程序控制指令：15%
- 其他指令：15%

$$等效指令时间 T = \sum_{i=1}^{n} W_i \times T_i$$

$W_i$：第 i 种指令的使用占比
$T_i$：第 i 种指令的运算时间

性能调整

性能调整 = 查找和消除瓶颈

系统类型	调整内容
数据库系统	CPU/内存使用状况、优化数据库设计、优化数据库管理、进程/线程状态、硬盘 I/O 及剩余空间、日志文件大小
应用系统	应用系统的可用性、响应时间、并发用户数、特定应用的系统资源占用

阿姆达尔（Amdahl）定律

核心：计算机系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所获得的系统性能改变程度，取决于这种方式所占总执行时间的比例。

$$加速比 = \frac{使用增强部件时完成整个任务的时间}{不使用增强部件时完成整个任务的时间}$$$$新的执行时间 = 原来的执行时间 \times [(1-增强比例) + \frac{增强比例}{增强加速比}]$$$$总加速比 = \frac{原来的执行时间}{新的执行时间} = \frac{1}{(1-增强比例) + \frac{增强比例}{增强加速比}}$$

两个关键因素：

增强比例（≤ 1）：能被改进并增强的部分在总执行时间中所占的比例
增强加速比：使用增强执行方式后，任务执行速度的提高倍数

性能评估

基准测试程序（Benchmark）

定义：应用程序中用得最多、最频繁的那部分核心程序
准确程度（递减）：真实的程序 → 核心程序 → 小型基准程序 → 合成基准程序
常见基准测试程序：
- 整数测试程序 Dhrystone
- 浮点测试程序 Linpack
- Whetstone 基准测试程序
- SPEC 基准测试程序
- TPC 基准程序

Web 服务器性能评测

3 种方法：基准性能测试、压力测试、可靠性测试

系统监视 3 种方式

系统内置命令
查阅系统日志
可视化技术

2. 关键概念速查

概念	定义/说明	常见考点
系统工程 5 特点	整体性/综合性/协调性/科学性/实践性	必考
霍尔三维结构	时间+逻辑+知识	1969 年提出
时间维 7 阶段	规划/拟订/研制/生产/安装/运行/更新	研制阶段做方案和生产计划
逻辑维 7 步骤	明确问题/确定目标/系统综合/系统分析/优化/决策/实施	必考
切克兰德方法	“比较"与"探寻”，非"最优化"	7 步骤
钱学森综合集成	简单系统/巨系统	4 原则+5 性质
WSR 方法	物理-事理-人理	7 步
系统工程生命周期 7 阶段	探索/概念/开发/生产/使用/保障/退役	—
MBSE 三大支柱	建模语言/工具/思路	—
评价计算机指标	主频/运算速度/精度/PDR/吞吐率	必考 PDR
评价路由器指标	设备吞吐量/端口吞吐量/丢包率/时延/抖动	区分路由 vs 交换
评价数据库指标	最大并发事务/最大连接数/负载均衡	必考
MIPS 公式	指令条数/(执行时间×10^6)	计算题
浮点峰值	CPU 主频 × 每周期浮点次数 × CPU 数	计算题
阿姆达尔定律	总加速比 = 1/[(1-Fe)+Fe/Se]	计算题
Dhrystone	整数基准	SPEC/TPC/Whetstone/Linpack

3. 典型例题

题目1：霍尔等人于 1969 年提出了系统方法的三维结构体系，通常称为霍尔三维结构，这是系统工程方法论的基础。霍尔三维结构以时间维、（1）维、知识维组成的立体结构概括性地表示出系统工程的各阶段、各步骤以及所涉及的知识范围。其中时间维是系统的工作进程，对于一个具体的工程项目，可以分为 7 个阶段，在（2）阶段会做出研制方案及生产计划。

（1）A．空间 B．结构 C．组织 D．逻辑（2）A．规划 B．拟定 C．研制 D．生产

答案：D B

解析：霍尔的三维结构，是美国系统工程专家霍尔等人于 1969 年提出的一种系统工程方法论，形成了由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。时间维分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新 7 个时间阶段，各阶段工作如下： ①规划阶段：调研、程序设计，目的在于谋求活动的规划与战略。 ②拟订方案：提出具体的计划方案。 ③研制阶段：作出研制方案及生产计划。 ④生产阶段：生产出系统的零部件及整个系统，并提出安装计划。 ⑤安装阶段：将系统安装完毕，并完成系统的运行计划。 ⑥运行阶段：系统按照预期的用途开展服务。 ⑦更新阶段：提高系统功能，取消旧系统而代之以新系统，或改进原有系统。

注意：题目问的是"做出研制方案及生产计划"对应的阶段是拟订（即"拟订方案"提出具体的计划方案，然后"研制"是做出研制方案及生产计划），按解析答案应为B 拟定。

题目2：对计算机评价的主要性能指标有时钟频率、（1）、运算精度和内存容量等。对数据库管理系统评价的主要性能指标有（2）、数据库所允许的索引数量和最大并发事务处理能力等。

（1）A．丢包率 B．端口吞吐量 C．可移植性 D．数据处理速率（2）A．MIPS B．支持协议和标准 C．最大连接数 D．时延抖动

答案：D C

解析：性能指标是软、硬件的性能指标的集成。在硬件中，包括计算机、各种通信交换设备、各类网络设备等；在软件中，包括操作系统、协议以及应用程序等。评价计算机的主要性能指标有时钟频率（主频）、运算速度、运算精度、数据处理速率（PDR）、吞吐率等。衡量数据库管理系统的主要性能指标有最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等。

题目3：峰值 MIPS（每秒百万次指令数）用来描述计算机的定点运算速度，通过对计算机指令集中基本指令的执行速度计算得到。假设某计算机中基本指令的执行需要 5 个机器周期，每个机器周期为 3μs，则该计算机的定点运算速度为（）MIPS。

A．8 B．15 C．0.125 D．0.067

答案：D

解析：峰值 MIPS 是衡量 CPU 速度的一个指标。根据题干描述，假设某计算机中基本指令的执行需要 5 个机器周期，每个机器周期为 3μs，则该计算机每完成一个基本指令需要 5×3=15μs，根据峰值 MIPS 的定义，其定点运算速度为 1/15=0.067MIPS。特别需要注意单位"μs"和"百万指令数"，在计算过程中恰好抵消。

$$MIPS = \frac{指令条数}{执行时间 \times 10^6} = \frac{1}{5 \times 3 \times 10^{-6} \times 10^6} = \frac{1}{15} ≈ 0.067$$

4. 高频考点

霍尔三维结构：时间+逻辑+知识（必考），时间维 7 阶段、逻辑维 7 步骤
评价计算机性能指标：主频、运算速度、运算精度、数据处理速率 PDR、吞吐率
评价数据库性能指标：最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数（必考）
MIPS 公式：MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10⁶)
阿姆达尔定律公式：总加速比 = 1 / [(1-增强比例) + 增强比例/增强加速比]（必考计算题）
基准测试程序准确程度递减：真实程序 → 核心程序 → 小型基准程序 → 合成基准程序
Dhrystone 是整数测试程序、Linpack 是浮点测试程序
切克兰德方法核心是"比较"与"探寻"，不是"最优化"
WSR 三理：物理-事理-人理（东方系统思想）
生命周期 7 阶段：探索/概念/开发/生产/使用/保障/退役

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