软考系统架构设计师（1）-计算机系统基础

计算机系统概述

计算机系统的定义、组成和分类
定义：用于数据管理的计算机硬件、软件和网络组成的系统
组成：硬件子系统、软件子系统
网络：连接多个计算机以实现计算机间数据交换能力的网络设备–计算机网络

硬件：处理器、存储器、输入设备、输出设备
软件：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。分系统软件和应用软件

• 系统软件：支持应用软件的运行，为用户开发应用软件提供平台支撑的软件
• 应用软件：用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。

计算机硬件

1、冯·诺伊曼（von Neumann）计算机结构：控制单元、运算单元、存储单元、输入设备、输出设备
哈佛（Harvard）结构：指令存储器和数据存储器物理分离，各自拥有独立的存储空间和总线

冯·诺依曼结构和哈佛结构最明显的区别是指令和数据的存储方式。冯·诺依曼结构是一起存，哈佛结构是分开存。

2、处理器（Central Processing Unit）CPU
复杂指令集（complex instruction set computers）：intel、AMD的x86 CPU
简单指令集（reduced instruction set computers）：ARM和power为代表

• 典型的处理器体系结构图

MMU（Memory Management Unit）部件：内存管理单元
GPU（Graphics Processing Unit）图形处理器
DSP（Digital Signal Processor）数字信号处理器
FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程逻辑门整列

3、存储器

• 片上缓存：在处理器核心中直接集成，SRAM结构，容量小，16kB~512kB
• 片外缓存：在处理器核心外的缓存，SRAM结构，容量比片上缓存略大，256kB~4MB
• 主存（内存）：采用DRAM结构，通过总线与处理器相连，容量在数百MB到数十GB
• 外存：磁带、磁盘、光盘等介质器件，访问速度慢，容量大

4、总线
定义：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数据的传输
内总线，系统总线，外总线
数据总线，控制总线，地址总线
并行总线：PCI、PCle、ATA（IDE）
串行总线：USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485

5、接口
定义：同一计算机不同功能层之间的通信规则
显示类接口：HDMI、DVI
音频类接口：TRS、RCA、XLR
网络类接口：RJ45、FC

6、外部设备
鼠标、键盘、显示器、打印机、扫描仪、摄像头等

计算机软件

1、概述
计算机软件系统：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
作用：扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率，分系统软件、应用软件
系统软件：为整个计算机系统配置的不依赖特定应用领域的通用软件，对计算机系统的硬件和软件资源进行控制和管理。
应用软件：为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的软件

2、操作系统
组成：操作系统内核（kernel）和其他许多附加的配套软件组成
内核（kernel）：能提供进程管理（任务管理）、存储管理、文件管理和设备管理等功能
作用：

• 管理计算机中运行的程序和分配各种软硬件资源
• 为用户提供友善的人机界面
• 为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台

操作系统的特征
并发性：宏观上多个程序同时运行，微观上各程序交替、轮流执行
共享性：操作系统中的资源可以被多个并发执行的程序共同使用
虚拟性：把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物
不确定性：进程的执行状态不确定

操作系统的分类

• 批处理操作系统

  分单道批处理和多道批处理

  作业：用户程序，数据，作业说明书

  • 单道批处理操作系统：一次只有一个作业加入内存，作业结束调入同一批的下一个作业
  • 多道批处理操作系统：多个作业同时加入内存，当一个作业调用外部设备时，交出CPU给另一个作业使用
    • 多道批处理系统3个特点：多道、宏观上并行、微观上串行

• 分时操作系统：将CPU的工作时间划分许多很短的时间片，轮流为各终端的用户服务，4个特点：多路性、独立性、交互性、及时性

• 实时操作系统：计算机对信息以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。分实时控制系统和实时信息处理系统

• 网络操作系统：使联网计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合。

• 分布式操作系统：由多个分散的计算机＃连接而成的计算机系统，是网络操作系统的更高级形式。

• 微型计算机操作系统：微机操作系统，如windows、linux、macOS

• 嵌入式操作系统：运行在嵌入式智能设备中，对整个智能硬件以及它所操作、控制的各种部件装置资源等资源进行统一协调、处理、指挥和控制。

  • 主要特点：微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性
  • 易移植性：采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Level，HAL）和板级支撑包（Board Support Package，BSP）的底层技术
  • 常见嵌入式实时操作系统：Vxworks，μClinux、PalmOS、WindowsCE、μC/OS-II、eCos

3、数据库系统
定义：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。
类型：关系型数据库、键值数据库、列存储数据库、文档数据库、搜索引擎数据库

• 关系型数据库
  • 3要素：数据结构、数据操作、完整性约束
  • 数据库设计特点：静态结构设计与动态行为设计分离；试探性；反复性；多步性
  • 4类设计方法：直观设计法、规范设计法、计算机辅助设计法、自动化设计法
  • 常用设计方法：基于3NF设计方法，实体联系（E-R）模型设计方法、基于视图概念设计方法、面向对象设计方法、敏捷数据库设计方法
  • 设计步骤：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、应用程序设计、运行维护
    • 需求分析：对现实世界要处理的对象进行调查，收集基础数据及其处理方法。
    • 数据库概念结构设计：对用户信息加以分析、聚集、概括，常用E-R方法，设计局部E-R模型、设计全局E-R模型、全局E-R模型优化
    • 逻辑结构设计：确定数据模型，将E-R图转换为指定的数据模型，确定用户完整性约束，确定用户视图
    • 物理结构设计：对已确定的数据库逻辑结构，利用DBMS设计出一个高效的、可实现的数据库物理结构
    • 应用程序设计：选择设计方法、制定开发计划、选择系统架构和设计安全性策略
    • 运行维护：数据库的转储和恢复，数据库的安全性和完整性控制，数据库性能的监督、分析和改造，数据库的重组和重构
• 分布式数据库：针对地理上分散，而管理上又需要集中管理的需求提出的一种数据管理信息系统。满足分布性、逻辑相关性、场地透明性、场地自治性
  • 特点：数据的集中控制性、数据独立性、数据冗余可控性、场地自治性、存取有效性
  • 4层结构模式：全局外层、全局概念层、局部概念层、局部内层
  • 应用：分布式计算、数据仓库、数据复制
• 数据库管理系统：Oracle、IBM BD2、Sybase、Microsoft SQL Server
  • 大型数据库管理系统特点：
    • 基于网络环境的数据库管理系统
    • 支持大规模的应用
    • 提供的自动锁功能使得并发用户可以安全而高效地访问数据
    • 可以保证系统的高度安全性
    • 提供方便而领过的数据备份和恢复方法
    • 提供多种维护数据完整性的手段
    • 提供方便易用的分布式处理功能

4、文件系统
定义：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，专门负责管理和存取文件信息的软件机构

• 文件类型
  • 按文件的性质用途分：系统文件、库文件、用户文件
  • 按信息保存期限分：临时文件、档案文件、永久文件
  • 按文件的保护方式分：只读文件、读/写文件、可执行文件、不保护文件
  • Unix系统将文件分：普通文件、目录文件、设备文件
• 文件系统类型：FAT、VFAT、NTFS、Ext2、HPFS

文件的逻辑结构：从用户角度看到的文件组织形式

• 有结构的记录式文件
• 无结构的流式文件

文件的物理结构：文件在文件存储器上的存放方式

• 连续结构：顺序结构，将逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块上
• 链接结构：串联结构，逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理快上，用指针指向下一个物理块
• 索引结构：逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块上，系统为每个文件建立索引标
• 多个物理块的索引表：有两种组织方式，链接文件和多重索引方式

文件的存取方式和存储空间的管理

• 文件存取方法：
  • 顺序存取：对文件中的信息按顺序依次进行读/写
  • 随机存取：对文件中的信息可以按任意的次序随机读/写
• 文件存储空间管理
  • 空闲区表，适合连续文件结构
  • 位示图，每一位对应一个物理块，取值0和1表示空闲和占用，位示图大小由磁盘空间大小决定，适合各种物理结构

• 空闲块链，每个空闲物理块有指针指向下一个空闲物理块，所有空闲物理块形成一个链表
• 成组链接发，UNIX采用此方法，将空闲块分组
• 文件共享
  • 硬链接：两个文件目录表目指向同一索引结点的链接，删除文件前需要先删除硬链接
  • 符号链接：建立新的文件或目录与原来的文件或目录的路径名进行映射，可跨文件系统
• 文件保护
  • 存取控制矩阵：一张二维表，列出用户及文件，记录可读R、可写W、可执行X等组合
  • 存取控制表：UNIX采用这种方式，将用户分3类，文件主、同组用户、其他用户
  • 用户权限表：以用户或用户组位单位记录可存取的文件集
  • 密码：使用密码来确定对文件读取的权限

5、网络协议：局域网LAN、广域网WAN、无线网协议、移动网协议

6、中间件

• 通信处理（消息）中间件
• 事务处理（交易）中间件
• 数据存取管理中间件
• Web服务器中间件
• 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

7、软件构件
构件：一个自包容、可复用的程序集

• 构件组装模型：利用软件构件进行搭积木式的开发

  • 设计构件组装→建立构件库→构建应用软件→测试与发布
  • 优点：易扩展、可重用、并行开发
  • 缺点：需要经验丰富的架构设计师、快速开发与质量属性之间妥协、构件质量影响软件整体质量

• 商用构件标准规范

  • CORBA（Common Object Request Broker Architecture）：公共对象请求代理架构，分3个层次，

    对象请求代理，公共对象服务、公共设施

    • 对象请求代理（Object Request Broker，ORB）规定了分布对象的定义和语言映射，实现对象间的通信和互操作，是分布对象系统的“软总线”
    • 在ORB之上定义了很多公共服务
    • 公共设施定义了构件框架，提供可直接为业务对象使用的服务，规定业务对象有效协作所需的协定规则

  • J2EE：EJB中bean分会话bean、实体bean、消息驱动bean

  • DNA 2000：采用DCOM/COM/COM+作为标准的构件

8、应用软件

• 通用软件

• 专用软件：按照不同领域用户的特定应用要求专门设计开发的软件

嵌入式系统及软件

1、嵌入式系统的组成及特点
嵌入式系统：为了特定应用开发并将信息处理过程和硬件过程结合在一起的专用计算机系统
嵌入式软件：可运行在嵌入式系统中的程序及开发这些程序的环境或工具的总称
组成：嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件、应用软件
特点：

• 专用性强
• 技术融合
• 软硬一体软件为主
• 比通用计算机资源少
• 程序代码固化在非易失存储器中
• 需专门开发工具和环境
• 体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强
• 对安全性和可靠性要求高

2、嵌入式系统分类

• 实时系统
  • 强实时
  • 弱实时
• 安全攸关系统
  • 安全攸关系统
  • 非安全攸关系统

3、嵌入式软件的组成及特点
运行环境→目标机
开发环境→宿主机
目标机和宿主机之间通过串口、网络、JTAG的方式进行通信

嵌入式系统分5层：

• 硬件层：为系统提供运行支撑的硬件环境，微处理器、存储器、I/O接口、总线、电源
• 抽象层：实现对硬件进行抽象，为上层提供虚拟的硬件抽象（Hardware Abstract Layer，HAL），板级支撑包（Borad Support Package，BSP）是硬件驱动软件
• 操作系统层：对硬件资源、软件资源进行调度和管理
• 中间件层：位于操作系统之上，管理计算机资源和网络通信
• 应用层：嵌入式系统的具体应用

主要特点：

• 可剪裁性，常采用的设计方法：静态编译、动态库、控制函数流程
• 可配置性，采用数据驱动、静态编译、配置表的设计方法
• 强实时性，采用表驱动、配置、静/动态结合、汇编语言的设计方法
• 安全性，采用编码标准、安全保障机制、FMECA（故障模式、影响及危害性分析）的设计方法
• 可靠性，采用容错技术、余度设计、鲁棒性设计的设计方法
• 高确定性，采用静态分配资源、越界检查、状态机、静态任务调度的设计方法

与传统软件开发方法的差异

• 嵌入式开发是在宿主机上开发，生成二进制代码卸载到目标机或固化在目标机存储器中
• 嵌入式开发强调软/硬件协同工作时的效率和稳定性
• 嵌入式开发的结果需要固化在目标系统的存储器或处理器内部存储器资源中
• 嵌入式开发需要专门的开发工具、目标系统和测试设备
• 嵌入式开发对实时性、安全性、可靠性要求较高
• 嵌入式开发需要充分考虑代码规模
• 在安全攸关系统中的嵌入式软件，要满足某些领域对设计和代码审定

4、安全攸关软件的安全性设计
DO-178B
3个方面的指导：

• 软件生命周期过程目标
• 为满足上述目标要进行的活动
• 证明上述目标已经达到的证据，即软件生命周期数据

3个因素：目标、过程、数据
目标：一共66个目标，分A~E5个等级
过程：软件生命周期分软件计划过程、软件开发过程、软件综合过程
数据：软件生命周期中产生的文档、代码、报表、记录等所有产品
软件开发过程分4个子过程

• 软件需求过程
• 软件设计过程
• 软件开发过程
• 集成过程

软件综合过程分4个子过程

• 软件验证过程
• 软件配置管理过程
• 软件质量保证过程
• 审定联络过程

DO-178与CMMI差异

• CMMI从过程改进视角，对软件开发的技术与管理提出要求，DO-178从适航审定视角，对软件开发的技术与管理过程提出要求
• CMMI主要由实践组成，从各行业最佳实践的抽象提炼，DO-178过程主要由目标、活动与数据组成
• CMMI集成了系统、软件、硬件等视角，DO-178聚焦软件

计算机网络

主要涵盖通信技术、网络技术、组网技术、网络工程4个方面
1、计算机网络基本概念
计算机网络的功能：

• 数据通信：最重要的功能之一，指按照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个通信结点之间传递信息的通信方式
• 资源共享：主要目的之一，计算机资源包括硬件资源、软件资源、数据资源
• 管理集中化
• 实现分布式处理
• 负荷均衡：指工作负荷被均匀的分配给网络上各台计算机系统。

性能指标

• 速率：连接在网络上的主机或设备在数字信道上传送数据的速率，重要的性能指标指一，单位是b/s（比特每秒）
• 带宽：
  • 指一个信号具有的频带宽度，单位是赫兹（千赫、兆赫、吉赫）
  • 在计算机网络中，带宽表示网络的先通信线路传送数据的能力，单位是b/s（比特每秒）
• 吞吐量，表示单位时间内通过某个网络的数据量
• 时延：指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，也称延迟或迟延，由发送延迟、传播延迟、处理延迟、排队延迟等组成
• 往返时间（RTT）：表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
• 利用率：
  • 信道利用率：信道被利用的概率，以百分数表示
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

非性能指标

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可拓展性和可升级性
• 易管理性和维护性

2、通信技术
信道：分物理信道和逻辑信道

• 物理信道由传输介质和设备组成，根据传输介质的不同，分为无线信道和有线信道
• 逻辑信道是指在数据发送端和接收端存在的一条虚拟线路，可以是有连接或无连接的。逻辑信道以物理信道为载体

信道
信息传输就是信源和信宿通过信道收发信息的过程，信源发出信息，发信机负责将信息转换成合适在信道上传输的信号，收信机将信号转换成信息发给信宿。

• 信道是信息的传输通道
• 发信机接收信源发送的信息，进行编码和调制，将信息转化成适合在信道上传输的信息，发送到信道上
• 收信机负责从信道上接收信号，进行解调和译码，将信息恢复出来发送给信宿
• 香农公式。信道容量就是信道的最大传输速率，可通过香农公式计算得到

C表示信道容量，单位b/s
B表示信号带宽，单位Hz
S表示信号平均功率，单位W
N表示噪声平均功率，单位W
S/N表示信噪比，单位dB（分贝）

提升信道容量可以使用比较大的带宽，降低信噪比或使用比较小的带宽，升高信噪比

信号变换
发信机进行的信号处理包括信源编码、信道编码、交织、脉冲成形和调制。收信机进行的信号处理包括解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码

复用技术和多址技术

• 复用技术：在一条信道上同时传输多路数据的技术，TDM时分复用、FDM频分复用、CDM码分复用
• 多址技术：一条线路上同时传输多个用户数据的技术，在接受端把多个用户的数据分离，TDMA时分多址、FDMA频分多址、CDMA码分多址

多路复用技术是多址技术的技术

5G通信网络

• 基于OFDM优化的波形和多址接入
• 实现可扩展的OFDM间隔参数配置
• OFDM加窗提高多路传输效率
• 灵活框架设计
• 大规模MIMO
• 毫米波
• 频谱共享
• 先进的信道编码设计

3、网络技术
局域网

• 网络拓扑
  • 星状结构：传输速度快、结构简单、建网容易、便于控制，但可靠性低、网络共享能力差
  • 树状结构：分级的集中式网络，网络成本低，结构简单
  • 总线结构：将各个结点设备和一根总线相连
  • 环形结构：将各结点通过一条首尾相连的通信链路连接起来，形成一个闭合环形结构网，单向流动，不便于扩充，系统响应延时长，信息传输效率较低
  • 网状结构：网络布线较为烦琐，建设成本高，控制方法复杂
• 以太网技术
  • 以太网帧结构
    • DMAC表示目的终端MAC地址
    • SMAC表示源MAC地址
    • Length/Type字段长度为2字节，该字段值大于1500，表示数据帧类型，小于1500时，表示数据帧的长度
    • DATA/PAD表示具体的数据，最小长度必须不小于64字节
    • FCS是帧校验字段，用于判断数据帧是否出错
      
  • 最小帧长：以太网帧的最小长度为64字节，如实际数据不足64字节，则高层协议进行填充，数据域长度上限可灵活设置，但通常为1500字节
  • 最大传输距离，以太网没有最大传输距离限制
  • 流量控制
    • 半双工方式：通过反压（Back-Pressure）技术实现
    • 全双工方式：遵循IEEE 802.3标准

无线局域网（WLAN）：利用无线技术传输数据

• WLAN标准
  • IEEE 802.11 速度1~2Mb/s，采用无连接协议
  • IEEE 802.11b 速度11Mb/s
  • IEEE 802.11a 速度54Mb/s
  • IEEE 802.11g 速度54Mb/s，兼容IEEE 802.11b ，2.4GHz频段
  • IEEE 802.11n 速度200Mb/s
• WLAN拓扑结构
  • 点对点型
  • HUB型，用户设备简单，维护费用低，网络管理单一
  • 完全分布型，暂无具体应用，处于理论探讨阶段

广域网（WAN）：由通信子网和资源子网组成，通信子网由通信结点设备和连接这些设备的链路组成。资源子网主要是指网络资源设备

• 广域网相关技术
  • 同步光网络（Synchronous Optical Networking ，SONET）：使用光纤进行数字化信息通信的一个标准
  • 数字数据网（Digital Data Network ，DDN）：利用数字信道提供半永久性连接电路以传输数据，具有传输速率高、传输质量高、协议简单、连接方式灵活
  • 帧中继（Frame Relay，FR）：高性能广域网技术，运行于OSI/RM的物理层和数据链路层，具有吞吐量高，时延低，适合突发性业务
  • 异步传输技术（Asynchronous Transfer Mode，ATM）：以信元为基础的面向连接的分组交换和复用技术，具有高速数据传输率
• 特点:
  • 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
  • 覆盖范围广，通信的距离远，广域网没有固定拓扑结构
  • 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
• 分类
  • 公共传输网络：一般由政府电信部门组建、管理和控制，可以分电路交换网络和分组交换网络两类
  • 专用传输网络：由单个组织或团体自己建立、使用、控制和维护的私有通信网络
  • 无线传输网络：主要是移动无线网，典型：DSM、TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000、LTE、5G

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）

• 核心层：主要提供高宽带的业务承载和传输，完成和已有网络的互联互通，特征为宽带传输和高速调度
• 汇聚层：给业务接入结点提供用户业务数据的汇聚和分发处理，实现业务的服务等级分类
• 接入层：利用多种接入技术，进行宽带和业务分配，实现用户的接入

移动通信网

• 5G网络的主要特征
  • 服务化结构
  • 网络切片

4、组网技术

• 集线器：从一个端口接收到的数据被转送到其他所有端口，不管接收的系统是否需要
• 中继器：工作于OSI物理层，接收并识别网络信号，然后再生信号，将其发送到其他分支上
• 网桥：工作于OSI数据链路层，包含中继器的功能和特性
• 交换机：工作于OSI数据链路层，具备自动寻址和交换的功能，有避免端口冲突、提高网络吞吐的能力
• 路由器：工作于OSI网络成，可以在多个网络上交换和路由数据包，路由表包含网络地址、连接信息、路径信息和发送代价等属性，常用于广域网或广域网和局域网的互联
• 防火墙：作为网络的门户，为网络的安全运行提供保障

网络协议

• 开放系统互连模型

• OSI协议集
  
• TCP/IP协议集，主要特性为逻辑编址、路由选择、域名解析、错误检测和流量控制、应用程序支持
  • 因特网协议（IP）
  • 传输控制协议（TCP）
  • 用户数据报协议（UDP）
  • 虚拟终端协议（TELNET），端口：23
  • 文件传输协议（FTP），端口：20/数据传输，21/控制
  • 电子邮件传输协议（SMTP），端口：25，SSL-465
  • 网上新闻传输协议（NNTP）
  • 超文本传输协议（HTTP），端口：80，HTTPS-443
• ISO/OSI模型与TCP/IP模型对比
  

交换技术
交换机功能：

• 集线功能：提供端口达到星状拓扑部署的目的
• 中继功能：在转发帧时重新产生不失真的电信号
• 桥接功能：在内置端口使用相同的转发和过滤逻辑
• 隔离冲突域功能：将局域网划分多个冲突与，每个冲突域都有独立的带宽，以提高宽带的利用效率

基本交换原理

• 转发路径学习：根据数据帧收集到的源MAC地址建立MAC地址表
• 数据转发：根据建立的MAC地址表进行数据转发
• 数据泛洪：如需要转发的MAC地址不在地址表中，则向所有端口转发，就是泛洪，广播帧和组播帧向所有端口转发
• 链路地址更新：MAC地址表定时更新一次

交换机协议
交换机组网为保障链路可靠性采用多条物理链路连接设备时回产生环路，需要生成树协议（STP）来解决链路环路问题
为提高链路可靠性，可采用链路聚合协议

路由技术
功能：

• 异种网络互连
• 子网协议转换
• 数据路由
• 速率适配
• 隔离网络
• 报文分片和重组
• 备份、流量控制

路由原理：接收来源网络中的数据包，根据数据包的目的地转发到下一个地址

路由协议

• 内部网关协议（IGP）：自治系统内部的路由协议，分距离矢量路由协议和链路状态路由协议
  • 距离矢量路由协议采用距离向量算法，小型网络使用，易于配置和管理，应用广泛
  • IS-IS和OSPF采用的链路状态算法，大型网络使用
• 外部网关协议：最初采用的EGP，为简单的树形拓扑结构，有局限性，后来采用边界网关协议BGP

5、网络工程
主要三个环节：网络规划、网络设计、网络实施
网络规划：网络需求分析、可行性分析、对现有网络分析
网络设计：网络总体目标确定、总体设计原则确定、通信子网设计、设备选型、网络安全设计
网络实施：设备采购、工程实施计划、网络设备验收、设备安全和调试、系统试运行和切换、用户培训

计算机语言

分机器语言、汇编语言、高级语言3大类

机器语言
机器语言的指令格式
二进制代码，由操作码和操作数组成，一条指令包含：

• 操作码：说明操作的性质及功能
• 操作数的地址：CPU通过该地址获取需要的操作数
• 操作结果的存储地址：对操作数处理产生的结果保存的地址
• 下条指令的地址：使用程序计数器保存指令地址，每执行一条指令，程序计数器的指令地址就+1；当执行转移指令时，则用转移地址修改程序计数器的内容

根据地址域涉及的地址数量分：

• 三地址指令：地址域中A1、A2确定第1、第2操作数地址，A3确定结果地址
• 二地址指令：地址域中A1确定第1操作数，A2确定第2操作数和结果地址
• 单地址指令：A确定第1操作数，固定使用某个寄存器存放第2操作数和结果
• 零地址指令：堆栈型计算机中，操作数存放在堆栈顶，结果也是放入栈顶
• 可变地址数指令：地址域涉及的地址数量随操作定义而改变

汇编语言
汇编语言的语句格式

• 指令语句：机器指令语句，汇编后产生相应的机器代码，基本指令有ADD、SUB和AND等。指令语句分传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令’位移指令、转移指令、处理控制指令等
• 伪指令语句：在汇编源程序时完成某些工作的指令，如为变量分配存储单元地址等，与指令语句的区别是伪指令语句经汇编后不产生机器代码，指令语句汇编后产生对应的机器代码，伪指令语句在源程序被汇编时完成，指令语句的操作需要在程序运行时完成
• 宏指令语句：将多次重复使用的程序段定义为宏

指令语句和伪指令语句格式

• 名字字段
• 操作符字段
• 操作数字段
• 注释字段

高级语言：C、C++、java、python

建模语言
UML：一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言
UML组成要素
1）事物：结构事物、行为事物、分组事物、注释事物

• 结构事物：UML模型中的名词，表示模型的静态部分，描述概念或物理元素，包括类、接口、协作、用例、主动类、构件、制品、结点
• 行为事物：对象或交互在生命周期内响应时间所经历的状态序列，交互、状态机、活动是UML模型中的基本行为事物
• 分组事物：UML模型的组织部分，最主要的分组事物是包（Package）
• 注释事物：UML模型的解释部分，用来描述、说明和标注模型的任何元素，注解（Note）是主要的注释事物

2）关系：依赖、关联、泛化、实现

• 依赖：两个事物间的语义关系。一个事物变化会影响另一个事务的语义，用有方向的虚线表示
• 关联：一种结构关系，描述一组链，链是对象之间的连接，聚集是一张特殊类型的关联，描述整体和部分间的结构关系
• 泛化：一种特殊/一般关系，特殊元素（子元素）的对象可替代一般元素（父元素）的对象，用带空心箭头的实线表示
• 实现：类元之间的语义关系，一个类元指定了另一个类元保证执行的契约。接口和实现它们的类或构件之间；用例和实现它们的协作之间，用空心箭头虚线表示

3）图：一组元素的图形表示，有13种图：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、计时图。其中序列图、通信图、交互概览图、计时图均称交互图

• 用例图：用例之间有扩展关系和包含关系；参与者与用例之间有关联关系；用例与用例、参与者与参与者之间有泛化关系
• 两种方式使用用例图
  • 对系统的语境建模
  • 对系统的需求建模

UML5种视图

• 用例视图：描述系统的功能需求，方便找出用例和执行者；主要包括用例图；对此关心的人员包括客户、分析者、设计者、开发者、测试者
• 逻辑视图：描述如何实现系统内部的功能；系统的静态结构和因发送消息而出现的动态协作关系，包含类图、对象图、状态图、顺序图、合作图、活动图
• 进程视图：描述系统的并发性，并处理这些线程间的通信和同步；主要包括状态图、顺序图、合作图、活动图、构件图、配置图；对此关心的人员有开发者和系统集成者
• 实现视图：描述系统代码构件组织和实现模块及它们之间的依赖关系；主要包含构件图；对此关心的人员有设计者、开发者、测试者
• 部署视图：定义系统中软硬件的物理体系结构及连接、哪个程序或对象驻留在哪台计算机上执行；主要包含部署图；对此关心人员有开发者、系统集成者、测试者

形式化语言
1）形式化规格说明语言
主要流派：

• 公理方法，利用前置条件与后置条件描述程序的行为
• 基于集合论和一阶谓词演算的mate-IV语言和Z语言，这种语言已广泛用于书写大型软件的规格说明与设计
• 代数规格说明，是关于抽象数据类型的代数描述
• 进程描述语言，用于描述开发进程的行为

2）形式化方法的分类

• 根据描述方法，分模型描述的形式化方法和性质描述的形式化方法
  • 模型描述的形式化方法通过构造一个数学模型来直接描述系统或程序
  • 性质描述的形式化方法通过对目标软件系统中不同性质的描述来间接描述系统或程序
• 根据表达能力
  • 模型方法：对系统状态和改变系统状态的动作直接给出抽象定义，并进行显示描述
  • 代数方法：通过定义不同操作系统的关系，隐式地描述操作
  • 进程代数方法：通过一个显式模型来描述并发过程，将并发性归为非确定性，通过交错语义来表示系统行为
  • 逻辑方法：通过描述程序状态规范和时间状态规范的逻辑方法来描述系统特性
  • 网络模型方法：通过独立描述网络中每一个结点，显式地给出系统的并发模型

形式化方法的开发过程贯穿软件工程的整个生命周期

Z语言是一种形式化语言，具有“状态-操作”风格，借助模式来表达系统结构。建立于集合论和数理逻辑的基础上，是一个强类型系统，可以使用自然语言。

多媒体

概述：媒体是承载信息的载体，即信息的表现形式。
感觉媒体：用户接触信息的感觉形式
表示媒体：信息的表示形式
表现媒体：显示媒体，指表现和获取信息的物理设备
存储媒体：用于存储表示媒体的物理介质
传输媒体：传输表示媒体的物理介质

多媒体的重要特征：

• 多维化：指媒体的多样化。提供了多维化信息空间下的交互能力和获得多维化信息空间的方法
• 集成性：集成性不仅指多媒体设备集成，而且指多媒体信息集成或表现集成
• 交互性：交互性是人们获取和使用信息时变被动为主动的重要标志
• 实时性：指多媒体技术中涉及的媒体会随着时间的变化而变化

多媒体系统的基本组成
硬件：包括计算机主要配置和外部设备以及各种外部设备的控制接口
软件：多媒体驱动软件、多媒体操作系统、多媒体数据处理软件、多媒体创作工具软件、多媒体应用软件

多媒体系统的关键技术

• 视音频编码：对视音频数据进行传输和存储，编码后的封装是通过视频文件格式来实现的
• 视音频压缩方法：分有损压缩和无损压缩两类

通信技术：将信息从一个地点传送到另一个地点采取的方法和措施

数据压缩技术：

• 即时压缩和非即时压缩：区别在于信息在传输中被压缩还是信息压缩后再传输
• 数据压缩和文件压缩：数据压缩指具有时间性的数据，文件压缩是指将要保存在磁盘的数据进行压缩
• 无损压缩与有损压缩：无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，压缩比较低。有损压缩利用人类对视觉、听觉对图像、声音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

国际编码标准

• JPEG
• MPEG
• H.26L

系统工程

系统工程方法的特点：整体性、综合性、协调性、科学性、实践性

霍尔的三维结构：时间维、逻辑维、知识维

切克兰德方法：软科学，核心不是“最优化”而是“比较”与“探寻”，分7个步骤，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

并行工程方法：对产品及其相关过程进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术

综合集成法：

• 分简单系统、巨系统、简单巨系统、复杂巨系统
• 整体论原则、相互联系原则、有序性原则、动态原则
• 开发的复杂巨系统主要性质：开发性、复杂性、进化与涌现性、层次性、巨量性
• 主要特点：
  • 定性研究与定量研究有机结合，贯穿全过程
  • 科学理论与经验知识结合
  • 应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究
  • 根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起来
  • 必须有大型计算机系统支持，不仅有管理信息系统、决策支持系统等功能，还要有综合集成的功能

WSR系统方法：物理-事理-人理方法论的简称，工作过程分7步，理解意图、制定目标、调查分析、构造策略、选择方案、协调关系和实现构想

系统工程的生命周期
探索性研究阶段：识别利益攸关者的需求，探索创意和技术
概念阶段：细化利益攸关者的需求，探索可行概念，提出有望实现的解决方案
开发阶段：细化系统需求、创建解决方案的描述，构件系统，验证并确认系统
生产阶段：生产系统并进行检验和验证
使用阶段：运行系统以满足用户需求
保障阶段：提供持续的系统能力
退役阶段：存储、归档或退出系统

生命周期方法

• 计划驱动方法：特征在于整个过程始终遵守规定流程的系统化方法，特别关注文档化的完整性、需求的可追溯性以及每种表示的事后验证。
• 渐进迭代式开发（IID）：适用于较小的、不太复杂的系统，重点在于灵活性，通过剪裁突出了产品开发的核心活动
• 精益开发：一种整体性的范式，聚焦于向客户交付最大价值并使浪费活动最小化
• 敏捷开发：关键目标在于灵活性，当风险可接受时允许从序列中排除选定的事件。

基于模型的系统工程（MBSE）
在需求分析阶段，产生需求图、用例图及包图；在功能分析与分配阶段，产生顺序图、活动图及状态机图；在设计综合阶段，产生模块定义图、内部块图及参数图
三大支柱分别是建模语言、建模工具、建模思路
建模语言

系统性能

计算机的性能指标：时钟频率、运算速度、运算精度、内存大小、数据处理速率、吞吐率、响应时间、RASIS特性（可靠性（reliability）、可用性（Availability）、可维护性（serviceability）、完整性和安全性（Integrity and security））、平均故障响应时间等
路由器性能指标：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、时延抖动等
交换机性能指标：端口速率、背板吞吐量、缓冲区大小、MAC地址表大小等
网络性能指标：设备级性能指标、网络级性能指标、应用级性能指标、用户级性能指标、吞吐量
操作系统性能指标：系统上下文切换、系统响应时间、系统吞吐率、系统资源利用率、可靠性、可移植性
数据库管理系统性能指标：最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等
Web服务器性能指标：最大并发连接数、响应延迟、吞吐量

性能指标计算：

• 每秒百万次指令数（MIPS）
  • MIPS=指令次数/（执行时间 * 106）
• 峰值计算：每秒完成的浮点计算最大次数，包括理论浮点峰值和实测浮点峰值
  • 理论浮点峰值=CPU主频 * CPU每个时钟周期执行浮点运算的次数 * 系统中CPU数
• 等效指令速度法或吉普森法

性能调整

• 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

阿姆达尔解决方案：计算机系统中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。

性能评估

• 基准测试程序：依靠评价程序来评价机器的性能，4种评价程序的准确度依次递减，真实的程序 > 核心程序 > 小型基准程序 > 合成基准程序
  *把应用程序种用的最多、最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序，称为基准测试程序。*
• Web服务器性能评估：最大连接并发数、响应延迟、吞吐量，常见的性能评测方法：基准性能测试、压力测试、可靠性测试
• 系统监视：
  • 系统本身系统的命令
  • 系统记录文件查阅系统在特定时间的运行状态
  • 集成命令、文件记录和可视化技术