01-计算机系统基础

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

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）

1
2


寄存器组 → Cache（片上/片外）→ 主存（内存）→ 外存（Disk）
容量反向递增：速度越快，容量越小

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

计算机系统 on Liangweidong's blog