第 2 章 计算机系统基础知识#

对应大纲：科目 1-1 计算机系统基本知识｜教材 P24–P104｜优先级 ★★★★｜综合知识估分 10～14 分
读法：本章是「选择题粮仓」，只背结论和公式，不背原理推导。9 个小节里 2.5 网络、2.2 硬件、2.9 性能是三大得分点。

一、知识框架#

计算机系统基础知识
├─ 2.1 概述：定义、组成、分类
├─ 2.2 硬件：冯·诺依曼｜处理器(CPU/GPU/DSP/FPGA, CISC/RISC)｜存储器(片上/片外/主存/外存)
│         ｜总线(内/系统/外部)｜接口｜外设
├─ 2.3 软件：OS｜数据库｜文件系统｜网络协议｜中间件｜软件构件｜应用软件
├─ 2.4 嵌入式系统及软件：组成特点｜分类｜软件特点｜安全攸关软件(DO-178)
├─ 2.5 计算机网络：基本概念｜通信技术｜网络技术｜组网技术｜网络工程
├─ 2.6 计算机语言：组成｜分类(机器/汇编/高级/建模/形式化)
├─ 2.7 多媒体：概述｜关键技术(视音频/通信/压缩/VR·AR)
├─ 2.8 系统工程：概述｜五大方法｜生命周期｜MBSE
└─ 2.9 系统性能：指标｜计算｜设计(Amdahl)｜评估

二、必背要点#

2.1 计算机硬件#

冯·诺依曼结构五部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
核心思想：存储程序 + 程序按地址顺序执行。瓶颈：总线瓶颈（冯·诺依曼瓶颈）。

处理器类型对比

CISC vs RISC（每年都考）

存储层次（从上到下：容量增大、速度降低、成本降低）

总线：内总线（CPU 内部）、系统总线（CPU 与内存/IO 之间，含数据/地址/控制三总线）、外部总线（设备间，如 USB、PCIe）。

2.2 操作系统#

四大特征：并发、共享、虚拟、异步。
（注意：并发 ≠ 并行。并发是宏观同时、微观交替；并行是真正同时，需多核。）

五大功能：处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。

进程 vs 线程：进程是资源分配单位，线程是 CPU 调度单位；同进程内线程共享地址空间与文件描述符，独享栈和寄存器。

死锁四必要条件：互斥、请求并保持、不可剥夺、循环等待。处理策略：预防（破坏条件）、避免（银行家算法）、检测与解除、忽略。

2.3 数据库与文件系统#

• 三级模式：外模式（视图）、模式（逻辑）、内模式（物理）；两级映像：外/模式映像（保证逻辑独立性）、模式/内映像（保证物理独立性）。
• 文件系统：目录结构（树形）、分配方式（连续、链接、索引）、空闲空间管理（位示图、空闲链表）。
• 位示图计算：字号 = 块号 ÷ 字长（从 0 计），位号 = 块号 mod 字长。

2.4 计算机网络（重点）#

OSI 七层 vs TCP/IP 四层

常用端口（高频）

组网设备对比

网络性能指标：速率（bps）、带宽、吞吐量、时延（发送+传播+处理+排队）、时延带宽积、往返时间 RTT、利用率。

2.5 计算机语言#

UML 五种视图（Kruchten 4+1）

2.6 嵌入式系统（与第 16 章联动，此处只背基础）#

2.7 系统工程（易被忽略但稳定出题）#

系统工程生命周期 7 阶段：探索研究 → 概念 → 开发 → 生产 → 使用 → 保障 → 退役。
四类方法：计划驱动、渐进迭代式开发、精益开发、敏捷开发。

MBSE 三大支柱：建模语言（SysML）、建模工具、建模思路（方法）。

2.8 系统性能#

性能指标

三个必会计算（考点密集）

1. Cache 平均访问时间

t = h × t_c + (1 − h) × t_m

其中 h 为命中率，t_c 为 Cache 访问时间，t_m 为缺失时的主存访问时间。
若同时考虑缺失时先访问 Cache 再访问主存，则 t = t_c + (1 − h) × t_m。

2. Amdahl 定律（加速比上限）

加速比 S = 1 / ((1 − f) + f / k)

f = 可并行/可优化部分比例，k = 该部分的加速倍数。
结论：串行部分决定加速上限，k→∞ 时 S_max = 1/(1−f)。

3. 可靠性（串并联）

串联：R = R₁ × R₂ × … × Rₙ      （越串越不可靠）
并联：R = 1 − (1−R₁)(1−R₂)…(1−Rₙ)  （越并越可靠）
MTBF / (MTBF + MTTR) = 可用性 A

性能设计四手段：系统调整、Amdahl 解决方案（识别热点、优化高频路径）、响应特性优化、负载均衡。

性能评估方法：基准测试程序（最常用）、Web 服务器性能评估、系统监视。

三、易混淆概念对比#

四、常见考法与出题角度#

案例题角度：性能瓶颈分析（Amdahl + 负载均衡）、网络架构设计（分层 + 冗余）、嵌入式实时性（调度算法选择）。

五、速记与自测#

速记

• 冯·诺依曼五件套：运、控、存、入、出
• OS 四特征：并、共、虚、异
• 死锁四条件：互、请、不、循
• RISC 四定：定长指令、定长周期、少寻址、多寄存器
• 系统工程五法：霍、切、并、综、W
• Amdahl：串行定上限
• 可靠性：串乘、并反

自测

1. Cache 命中率 95%，Cache 访问 2ns，主存 100ns（缺失时先访 Cache 再访主存），平均访问时间是多少？
2. 某程序 60% 可并行、并行度无限，最大加速比是多少？
3. 三个可靠度 0.9 的部件并联，系统可靠度是多少？

答案：1. 2 + 0.05×100 = 7ns；2. 1/(1−0.6) = 2.5；3. 1−0.1³ = 0.999。