一、计算机系统概述

计算机系统是指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。
它是按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。

冯诺依曼体系计算机结构：

1.1计算机硬件组成

冯·诺依曼计算机结构将计算机硬件分为五部分。

• 处理器
• 存储器
• 总线
• 接口
• 外部设备
  但在现实的硬件构成中，控制单元和运算单元被集成为一体，封装成CPU。
  按照传输过程被划分为总线、接口和外部设备。
  

下面分别介绍

• ①、处理器(CPU) （理解记忆）

控制器:是分析和执行指令的部件。
指令寄存器(IR)
指令译码器(ID)
程序计数器(PC)

运算器:负责完成算术、逻辑运算功能。
算术逻辑单元(ALU)
累加寄存器(AC)
通用寄存器组

这里需要记一个知识点 (选择题可能会考 中级的软件设计师就考过)

RISC与CISC

为提高指令执行效率，选择向指令系统中添加更多、更复杂的指令来实现，导致指令集越来越大。这种类型的计算机称为复杂指令集计算机(CISC)。

对指令数目和寻址方式做精简，指令的指令周期相同，采用流水线技术，指令并行执行程度更好，这就是精简指令集计算机
(RISC)。

记住CISC 开头的C是 complex 复杂的意思 就能记住这两个缩写了。

下表为RISC与CISC的区别

	CISC	RISC
指令条数	多	只选取常见的指令
指令复杂度	高	底
指令长度	变化	短、固定
指令执行周期	随指令变化较大	大多数能在一个机器周期完成
指令格式	复杂	简单
寻址方式	多	极少
涉及访问主存指令	多	极少，大部分只有两条存指令
通用寄存器数量	一般	大量
译码方式	微程序控制	硬件电路
对译码系统要求	低	高

• ②、存储器（理解记忆）

RAM:随机存储器，可读/写，只能暂存数据，断电后数据丢失。

SRAM:静态随机存储器，在不断电时信息能够一直保持，读写速度快，生产成本高，多用于容量较小的高速缓冲存储器。例如CPU的高速缓存。

DRAM:动态随机存储器，需要定时刷新以维持信息不丢失，读写速度较慢，集成度高，生产成本低，多用于容量较大的主存储器。例如电脑内存条。

ROM:只读存储器，出厂前用掩膜技术写入，常用于存放BIOS和微程序控制。

EPROM:可擦除的PROM，用某种方法可擦去信息，可写入多次。

E2PROM:电可擦除EPROM，可以写入，但速度慢。

闪速存储器(Flash Memory):其特性介于EPROM与E2PROM之间。但不能进行字节级别的删除操作。

Disk和磁带。

存储器分级体系结构
片上缓存
片外缓存
主存(内存)
外存(辅存)

	CPU寄存器	高速缓存	主存储器	辅助存储器
类型	寄存器	Cache	内存	硬盘、U盘
容量	十多KB至几百KB	一般是几MB至几十MB	几GB至几十GB	数TB至数PB
速度	极快，纳秒级别	非常快，几纳秒至几十纳秒	几十纳秒至几百纳秒	较慢，毫秒级别
价格	非常高	高	一般	便宜

• ③、总线（理解记忆）
  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。
  按照总线在计算机中的位置划分为:
  内总线：用于各类芯片内部互连，也可称为片上总线(0n-ChipBus)或片内总线。
  系统总线：是指计算机中CPU、主存、I/0 接口的总线。
  外部总线：是计算机板和外部设备之间，或者计算机系统之间互联的总线，又称为通信总线。

计算机总线有许多种类，常见的有并行总线和串行总线。
并行总线主要包括PCI、PCIe和ATA(IDE)等。
串行总线主要包括USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、 RapidIO和以太网等。

• ④、接口（了解）
  接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。
  常见的包括显示类接口(HDMI、DVI和DVI等)
  音频输入输出类接口(TRS、RCA、XLR等)
  网络类接口(RJ45、FC等)
  PS/2接口，USB接口，SATA接口，LPT打印接口和RS-232接口等:

• ⑤、外部设备（了解）
  常见的外部设备包括:键盘、鼠标、显示器、扫描仪、摄像头、麦克风、打印机、光驱、各型网卡和各型存储卡/盘等。
  在移动和穿戴设备中，常见的包括加速计、GPS、陀螺仪、感光设备和指纹识别设备等。
  在工业控制、航空航天和医疗等领域，包括测温仪、测速仪轨迹球、各型操作面板、红外/NFC等感应设备、各种场强测量设备、功率驱动装置、各型机械臂、各型液压装置、油门杆和驾驶杆等。

1.2、计算机软件

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。(记忆 可能会考选择题)
计算机软件用来扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率。

计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。

系统软件包括:操作系统、程序设计语言翻译系统，中间件、数据库管理系统和网络软件等。

应用软件是指为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的软件，如图形图像处理软件、财务软件等。

结构如下：( 自下而上 需要记忆)

• 操作系统介绍
  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，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。

操作系统特点：
(1)并发性:是指在一段时间内，宏观上有多个程序同时运行，但实际上在单CPU的运行环境，每一个时刻只有一个程序在执行。
(2)共享性:共享是指操作系统中的资源被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占。
(3)虚拟性:是指把一个物理实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。
(4)不确定性:是指在多道程序环境中，允许多个进程并发执行但由于资源有限，在多数情况下进程的执行不是一贯到底的，而是“走走停停”。

操作系统的分类
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
嵌入式操作系统

前趋图 （考选择题 ☆☆☆☆☆）
前趋图是一个有向无循不图(DAG)，用来描述进程之间执行的前后关系。

前趋图的两个元素

• 结点：表示一个程序段或进程，或一条语句
• 有向边: 表示结点之间的偏序或前序关系
  Pi → Pj ，Pi 是 Pj 的直接前趋，Pj 是 Pi 的直接后继

图示：

这个知识点会考个选择题

例如：
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无环图，记为:→={ (Pi ， Pj) { Pi must complete before Pj may start}，假设系统中进程P={P1, P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8} , 且进程的前趋图如上图所示，那么该前趋图可记为？

答案：
→={ (P1,P2), (P1,P3), (P1,P4), (P2,P3), (P2,P5), (P3,P4), (P3,P6), (P4,P7), (P5,P6), (P5,P8), (P6,P7), (P7,P8)}

解析： 根据图片 从小到大按照箭头顺序排列即可 ， 例如P1到P2\P3\P4都有箭头 就先把P1的列完，再依次列P2的。

数据库
数据库(DB)是指长期存储在计算机内、有组织、统一管理的相关数据的集合
常见的数据库是关系型数据库和非关系型数据库。还可分为关系型数据库、键值(Key-根据数据库存储体系分类居库、文档数据库和搜索引擎数据库等Value)数据库、列存储数类型。

例如 Web开发经常使用的Oracle、MySQL、PostgreSQL、SQLServer等 都是关系型数据库。

文件系统

文件是指具有文件名的逻辑上具有完整意义的相关信息的集合，现代os中通过文件系统来组织和管理计算机中存储的数据。

• 文件的结构:
  文件的逻辑结构。从用户观点出发所观察到的文件组织形式它又可以分为两类:
  有结构的记录式文件(excel文件);
  无结构的流式文件(源程序、视频文件)。

文件的物理结构。
又称为文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。与存储介质的存储性能和采用的外存分配方式有关。

文件的物理结构(外存分配方式): （会考选择题 ☆☆☆☆☆）

• 连续分配
• 链接分配
• 索引分配
  单级索引方式
  多级索引方式
  混合索引方式

例：
某文件系统文件存储采用文件索引节点法。假设文件索引节点中有8个地址项iaddr[0]~iaddr[7]，每个地址项大小为4字节，其中地址项iaddr[0]~iaddr[4]为直接地址索引，iaddr[5]、iaddr[6]是一级间接地址索引，iaddr[7]是二级间接地址索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB，若要访问iclsclient.dll文件的逻辑块号分别为1、518，则系统应分别采用()。
A.直接地址索引、直接地址索引
B.直接地址索引、一级间接地址索引
C.直接地址索引、二级间接地址索引
D.一级间接地址索引、二级间接地址索引

答案： C

解析：
每个地址项大小为4字节 即4B 1KB = 1024B
所以1kB 有256个地址项
由于 磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB
所以如下图所示

存储空间的管理
一般有两种方式

• 空闲区表
  记录空闲区序号 第一个空闲块号 空闲块的数量 以及状态

序号	第1个空闲块号	空闲块数	状态
1	10	30	可用
2	20	40	可用
3	30	50	可用

• 位示图 （常考 ☆☆☆☆☆）
  0表示未分配 1表示已分配
  

中间件
中间件，作为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，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 ，在不同的系统上运行，实现相同的功能。

常见的中间件：
(1)消息中间件 例如：RabbitMQ、Kafka等

消息中间件:是以消息为载体进行通信的中间件，利用高效可靠的消息机制来实现不同应用间大量的数据交换。
分两类:消息队列和消息传递。通过这两种消息模型可以在复杂的网络环境中高可靠、高效率的实现安全的异步通信。

(2)事务处理(交易)中间件 例如：seata

事务处理(交易)中间件:主要功能是提供联机事务处理所需要的通信、并发访问控制、事务控制、资源管理、安全管理、负载平衡、故障恢复等服务。事务式中间件支持大量客户进程的并发访问，可靠性高、扩展性强，主要应用于电信、金融、飞机订票系统大量客户的领域。 Web应用中经常需要使用事务中间件来处理分布式事务问题。

(3)数据存取管理中间件 例如：MyCat
(4)Web服务器中间件 例如：Tomcat ，Nginx等
(5)安全中间件 例如：Shiro 、SpringSecurity
(6)跨平台和架构的中间件
(7)专用中间件
(8)网络中间件

软件构件
构件又称为组件，是一个自包容、可复用的一组程序的集合，构件对外提供统一的访问接口，只能通过接口来访问构件，不能直接操作构件内部。构件的两个重要特性是自包容(不依赖其他构件)与可重用。

软件构件的组装模型的开发过程

应用软件

应用软件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。按照应用软件的开发方式和适用范围，应用软件可再分成通用应用软件和定制应用软件两大类。

类别	功能	举例
文字处理软件	处理文字、排版	Word、WPS
电子表格	设计表格、计算、统计、制表	Excel、WPS
图形处理软件	图像处理、绘图	AutoCAD、Photoshop
多媒体播放软件	播放各类媒体文件	PotPlayer、RealPlayer
网络通信软件	电子邮件、即时聊天、视频、直播、会议	Outlook、MSN、Facebook、X、QQ、Instagram
演示软件	幻灯片演示	PowerPoint、WPS
检索软件	检索信息	Google、百度、ChatGPT
个人信息管理软件	记事本、通讯录	NotePad++、记事本
游戏	娱乐	扫雷、扑克、原神、DNF

未完待续。。。