架构-计算机系统基础知识

硬件

冯诺依曼结构，整体结构可如图

• 控制器
• 运算器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备
  

处理器

运算器和控制器是处理器的核心部件
指令集：复杂指令集CISC、精简指令集RISC
常见处理芯片：图形处理器GPU，信号处理器DSP，可编程逻辑门阵列FPGA等

存储

存储器：用于存储数据的电子设备。
按硬件接口分分：

• SRAM
• DRAM
• NVRAM
• Flash
• EPROM
• Disk

按与处理器的物理距离分：

• 片上缓存：在处理器核心中，一般为SRAM，快速读取，容量小，16kB-512kB，可分一级或二级
• 片外缓存：在处理器核心外，需要交换互联开关，一般SRAM，256kB-4MB，称为L2Cache或L3Cache，平台Cache
• 主存（内存）：DRAM，独立部件/芯片，通过总线与处理器连接。需要持续供电，数百MB-数十GB
• 外存：磁带、磁盘、Flash等，速度慢、容量大、掉电仍保存数据
  SRAM、DRAM掉电数据丢失。SRAM读取10-20ns，直接通过晶体管状态，面积大，成本高；DRAM读取50ns，通过充放电
  

总线

总线：计算机内部间遵循某一特定协议实现数据交互的形式。总线之间通过桥 实现连接，它是一种特殊的外设，主要实现总线协议间的转换

• 内总线：用于芯片内部互联，又称片上总线、片内总线
• 系统总线：
  • 狭义上：CPU、主存、IO接口的总线
  • 广义上：经由系统总线再次级联的总线，常称为局部总线
• 外部总线：计算机板和外部设备，计算机系统之间互联的总线，又称通信总线

性能指标

• 总线带宽
• 总线服务质量QoS
• 总线时延
• 总线抖动

类型

• 并行总线：PCI、PCIe和ATA（IDE）
• 串行总线：USB、SATA、CAN、RS-232、RS-485、RapidIO和以太网

接口
接口是同一计算机不同功能层之间的通信规则

• 显示类接口：HDMI、DVI、VGA
• 音频输入输出类接口：TRS、RCA、XLR
• 网络类接口：RJ45、FC
• PS/2接口
• USB接口
• SATA接口
• LPT打印接口
• RS-232接口

对于总线而言，一种总线可能存在多种接口

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，对硬件和软件资源进行控制和管理，为用户使用和其他软件运行提供服务
• 应用软件：为某类应用需要或解决特定问题涉及的软件。如图形图像处理、财务软件、游戏软件和各种软件包等；

操作系统

见后续

数据库

见后续

文件

文件：具有符号名的，在逻辑上具有完整意义的一组相关信息的集合。是一种抽象机制，隐藏了硬件和实现细节，

• 文件体：文件真实的内容
• 文件说明：操作系统为了管理文件所用到的信息，包括文件名、文件内部表示、文件类型、存储地址、文件长度、访问权限、建立时间和访问时间等

文件系统：实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，专门管理和存储文件信息的软件机构。功能 有：按名存取、统一的用户接口、并发访问和控制、安全性控制、优化性能、差错恢复。

• 性质和用户：系统文件、库文件、用户文件
• 保存期限：临时文件、档案文件、永久文件
• 保护方式：只读、读/写、可执行、不保护
• UNIX：普通文件、目录文件、设备文件（特殊文件）

文件结构：

• 逻辑结构
  • 有记录的记录式文件：所有的记录通常都描述一个实体集，记录的长度分定长和不定长
  • 无结构的流式文件：文件体为字节流。通常采用顺序访问方式，读写可以任意长度
• 物理结构
  • 连续结构（顺序结构）
  • 链接结构（串联结构）
  • 索引结构
  • 多个物理块的索引表（链接文件和多重索引方式）

读取方式
读取方式是指读/写文件存储器上的一个物理块的方法。

• 顺序存取
• 随机存取

外存空闲空间管理
数据结构通常称为磁盘分配表；
管理方法：

• 空闲区表。 连续未分配区域称为空闲区。
  操作系统为磁盘外存上的所有空闲区建立一张空闲表，每个表项对应一个空闲区。
• 位示图。 外存上建立一张位示图，记录文件存储器使用情况。
  每一位对应文件存储器上的一个物理块，用0和1表示空闲和占用。
• 空闲块链。每个空闲物理块指向下一个空闲物理块的指针，构成一个链表。
• 成组链接法。 UNIX采用该方法。
  实现时系统将空闲块分成若干组，每100个空闲块未一组，每组第1个空闲块等级了下一组的物理块号和空闲块总数。

文件共享

• 硬链接：两个文件目录表目指向同一个索引结点的链接，也称基于索引结点的链接。
  * 硬连接是指不同文件名与同一个文件实体的链接。不利于删除
• 符号链接：建立新的文件或目录，并与原来文件或目录的路径名进行映射。

文件保护
对文件的保护长采用存取控制的方式

• 存取控制矩阵
• 存取控制表（Linux使用，列出一个文件的所有权限用户）
• 用户权限表（列出一个用户能够访问的所有文件）
• 密码

中间件

中间件：应用软件与操作系统之间使用的标准化编程接口和协议，承上启下作用，使应用软件的开发相对独立于计算机硬件和操作系统，能在不同的系统上运行。

• 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：为网络上虚拟缓存存取、格式转换、解压等带来方便
• Web服务器中间件
• 安全中间件
• 跨平台和架构中间件
• 专用平台中间件
• 网络中间件：包括网管、接入、网络测试、虚拟社区和虚拟缓存等；

构件
构件又称为组件，自包容、可复用的程序集。构件是一个程序集或者一组程序的集合。这个集合向外提供统一的访问接口，外部只能通过接口访问，不能直接访问内部。
搭积木式开发，即构建组装模型：

构件标准规范

• 对象管理组织（OMG）的CORBA
  • 对象请求代理：
  • 公共对象服务
  • 公共设置
• Sun的J2EE
• Microsoft DNA（Windows 分布式集成网络应用体系结构）