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软考高级系统架构师（一）1-3

2024-10-12 16:07:02   0  举报

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软考高级系统架构师考试知识梳理，持续更新

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软考高级系统架构师

高级系统架构师

系统架构

作者其他创作

大纲/内容

自由主题

1、操作系统

前驱图

前驱图和信号量的P、V操作

对于某个节点，输入是P，输出是V（简：进P出V）

示例

是否可以并行执行：横向串行，纵向并行

制约

横向直接制约，斜向间接制约，纵向不制约

间接制约：右下倾斜方向，按照等待设备相互间接制约

是否直接制约：水平方向，按照每个任务后边的程序收到前边任务的直接制约

如上直接制约和间接制约为什么这样命名，是按照什么来命名的？是按照任务来的命名的

信号量

例题

信号量和打印机，信号量代表还有几台可以使用

PCB 进程控制块的组织方式

子主题

磁盘调度

移臂调度

旋转调度

RTOS：实时操作系统 real time operate systerm

接口

与应用程序接口：API

IO：与外部设备之间的接口

I/O（输入/输出）接口是操作系统与外部设备（如硬盘、显示器、键盘、网络设备、打印机等）之间的接口。通过这些接口，操作系统能够控制、管理和与各种外部设备进行数据交换。

I/O（输入/输出）接口是操作系统与外部设备（如硬盘、显示器、键盘、网络设备、打印机等）之间的接口。通过这些接口，操作系统能够控制、管理和与各种外部设备进行数据交换。 ### I/O 接口的作用： 1. **管理设备通信**：    - 操作系统通过 I/O 接口与外部设备进行通信。例如，当你按下键盘上的一个键时，I/O 接口将按键信号传递给操作系统，操作系统再根据按键信号执行相应的操作。 2. **抽象设备细节**：    - 操作系统通过 I/O 接口将设备的具体实现细节抽象为统一的接口，使应用程序无需关心底层硬件的差异。这样，不同的设备可以通过相同的接口与操作系统进行交互。 3. **资源管理**：    - 操作系统通过 I/O 接口管理外部设备的使用，如分配和调度 I/O 资源，确保设备能够在多个进程或线程之间高效共享。 4. **中断处理**：    - 当外部设备需要操作系统的响应时，它可以通过 I/O 接口触发中断信号，操作系统接收到中断后会暂停当前任务并处理设备请求。 ### 操作系统与外部设备的通信方式： 1. **中断驱动**：    - 外部设备在完成某项任务后，通过中断通知操作系统。操作系统中断当前的任务，去处理设备的请求。中断驱动方式有效地减少了 CPU 的空闲等待时间。 2. **轮询**：    - 操作系统通过不断轮询设备的状态寄存器来检查设备是否需要处理。这种方式较为简单，但效率较低，特别是当设备不频繁发出请求时。 3. **直接内存访问 (DMA)**：    - 操作系统通过 DMA 控制器将数据直接从外部设备传输到内存（或从内存传输到设备），而不需要 CPU 的干预。这种方式提高了数据传输的效率。 ### 常见的 I/O 接口类型： - **串行接口**：如 RS-232、USB 等，通常用于鼠标、键盘、打印机等设备。 - **并行接口**：如旧式打印机接口，能够一次传输多个位的数据。 - **网络接口**：如以太网接口，用于与网络设备通信。 - **存储接口**：如 SATA、SCSI 等，用于硬盘、光驱等存储设备。 总之，I/O 接口是操作系统与外部设备之间的桥梁，它负责管理和协调操作系统对硬件设备的访问和控制。

PCI：外围设备互连标准

PCI（Peripheral Component Interconnect）是一种用于计算机主板与外部设备之间连接的硬件总线标准。它最早由英特尔公司在1992年推出，广泛用于连接各种硬件组件，如网卡、声卡、显卡、存储控制器等。 ### PCI的关键特点： 1. **局部总线架构**：    - PCI 是一种局部总线，直接连接到计算机的 CPU 和主内存，提供高速的数据传输能力。相比早期的 ISA 总线，PCI 提供了更高的带宽和更低的延迟。 2. **即插即用（Plug and Play）**：    - PCI 支持即插即用技术，意味着用户可以插入 PCI 设备后，操作系统能够自动识别并配置该设备，无需手动设置 IRQ（中断请求）或 I/O 地址等硬件参数。 3. **总线宽度和速度**：    - 最初的 PCI 总线是 32 位宽，工作频率为 33 MHz，数据传输速度为 133 MB/s。后来发展出了 64 位版本以及更高频率的版本（如 66 MHz），提高了数据传输速度。 4. **多设备支持**：    - PCI 总线可以支持多个设备，采用总线仲裁机制来确保多个设备之间的数据传输不发生冲突。 5. **电源管理**：    - PCI 标准支持电源管理功能，使得系统可以在不使用设备时降低其功耗，进而节省能源。 ### PCI 的发展和替代者： 随着计算机技术的发展，PCI 总线标准逐渐被更高性能的技术取代，如： - **PCI-X**（PCI eXtended）：是 PCI 的改进版，提供了更高的带宽，主要用于服务器和高性能计算设备。 - **PCI Express (PCIe)**：是 PCI 的继任者，采用串行通信方式，提供更高的带宽、更低的延迟，并支持更灵活的设备连接方式。PCIe 是当前主流的计算机硬件接口标准。 ### PCI 的应用场景： - **网络接口卡 (NIC)**：提供计算机网络连接功能。 - **声卡**：处理音频输入和输出。 - **显卡（早期的）**：处理图形显示。 - **存储控制器**：管理硬盘、光驱等存储设备的数据传输。 - **硬件 RAID 卡**：提供磁盘阵列管理功能。 ### 总结： PCI 是一种关键的计算机总线标准，曾在计算机硬件发展中起到重要作用。它通过提供高速的内部连接和灵活的硬件扩展，极大地提升了计算机的性能和可扩展性。尽管 PCI 已逐渐被 PCIe 所取代，但它依然是计算机硬件历史上一个重要的技术节点。

GUI：图形用户界面

GUI（Graphical User Interface，图形用户界面）是一种用户界面，通过图形元素（如窗口、图标、按钮、菜单等）与用户进行交互。与基于命令行的文本用户界面不同，GUI 允许用户通过鼠标、触摸屏等设备直接点击和操作屏幕上的图形元素，直观且易于使用。这种界面形式极大地降低了计算机操作的难度，使得用户不需要记忆和输入复杂的命令。GUI 广泛应用于桌面操作系统、移动设备和各种软件应用中。

是什么

实时操作系统（Real-Time Operating System, RTOS）是一种专门设计用于处理实时应用的操作系统，这些应用需要在严格的时间限制内对外部事件作出响应。

详细

RTOS 的主要特点是其确定性，即在给定的时间内必须完成特定的任务。 ### 实时操作系统的主要特点： 1. **确定性**：    - RTOS 的核心特征是它能够在预定的时间内响应和处理事件。任务调度和资源管理必须是可预测的，以确保系统能够满足实时应用的时间约束。 2. **高优先级任务调度**：    - RTOS 使用优先级调度算法，以确保高优先级的任务在系统中获得最优先的处理。常见的调度算法包括优先级抢占调度、时间片轮转调度和最早截止时间优先（EDF）调度。 3. **最小化中断延迟**：    - RTOS 设计用于最小化中断延迟和任务切换时间，以确保实时任务能够快速响应外部事件。 4. **多任务支持**：    - RTOS 通常支持多任务处理，允许多个实时任务并行运行，并确保每个任务都能够在其指定的时间内完成。 5. **资源管理**：    - RTOS 提供精确的资源管理，防止资源争用导致任务延迟。例如，RTOS 会对任务使用的内存、CPU 和 I/O 进行精细的控制。 ### 实时操作系统的分类： 1. **硬实时系统**：    - 在硬实时系统中，任务必须在严格的时间限制内完成，任何延迟都是不可接受的。例如，航空电子系统和医疗设备通常使用硬实时操作系统。 2. **软实时系统**：    - 在软实时系统中，虽然任务需要在规定的时间内完成，但偶尔的延迟是可以接受的。例如，视频播放和网络通信通常使用软实时操作系统。 ### 常见的实时操作系统： - **FreeRTOS**：一个流行的开源 RTOS，广泛应用于嵌入式系统中。 - **VxWorks**：由 Wind River Systems 开发的商业 RTOS，用于工业控制、通信和军事系统。 - **QNX**：一个基于微内核的 RTOS，广泛应用于汽车、医疗和工业自动化领域。 - **RTEMS**：开源的 RTOS，主要用于航空航天和卫星通信。 ### 实时操作系统的应用场景： - **航空电子系统**：如飞机的飞行控制系统，需要在极短时间内作出响应。 - **工业控制**：如自动化生产线上的控制系统，需要确保设备按照精确的时间顺序操作。 - **汽车电子**：如汽车的防抱死制动系统（ABS），必须在毫秒级的时间内响应传感器信号。 - **医疗设备**：如生命支持系统，必须实时监控和响应患者的生命体征。 实时操作系统在各类关键任务中至关重要，因为它们保证了系统的可靠性和时间敏感性。

进程间的同步和互斥操作：P操作和V操作与信号量

系统存储管理方法

段式管理

逻辑地址转变为物理地址，段表（段号、基地址、段长）。逻辑地样例：(段号，[1，段长])。

操作系统的文件存储方法：

文件索引节点法

例题：如何理解如下问题的答案 问：某文件系统文件存储采用文件索引节点法。假设磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB，每个文件的索引节点中有8个地址项iaddr［o］~iaddr［7］，每个地址项大小为4字节，其中iaddr［o］~iaddr［5］为直接地址索引，iaddr［6］是一级间接地址索引，iaddrl刀是二级间接地址索引。如果要访问icwutil.dll文件的逻辑块号分别为0、260和518，则系统应分别采用（）。 答：直接地址索引、一级间接地址索引和二级间接地址索引

精简：一维二维三维平铺为逻辑地址 数字表示 1024/4 = 256个地址 address0 address1 address2 address3 address4 address5 0-5 address6 6-261 = 6-(5+256) address7 262-65797 = 262-261+256*256 详细解说 理解逻辑块号 518 是否超出了一级间接地址索引的范围需要了解一级间接地址索引的容量和管理方式。下面是详细的解释： ### 计算文件系统中索引容量 1. **数据块和索引块大小**：    - **磁盘数据块大小**：1KB    - **磁盘索引块大小**：1KB    - **每个地址项大小**：4字节    - **索引节点中地址项数**：8个（其中 `iaddr[0]` 到 `iaddr[5]` 是直接地址，`iaddr[6]` 是一级间接地址，`iaddr[7]` 是二级间接地址） 2. **直接地址索引**：    - `iaddr[0]` 到 `iaddr[5]` 可以直接管理 6 个数据块。    - 每个数据块大小为 1KB，所以直接地址索引可以管理 6KB 的数据。 3. **一级间接地址索引**：    - `iaddr[6]` 是一级间接地址索引，它指向一个索引块。    - 每个索引块大小为 1KB，可以存储多个地址项，每个地址项为 4 字节。    - 因此，一个索引块中可以存储：\[ \frac{1 \text{KB}}{4 \text{字节}} = 256 \text{ 个地址项} \]    - 一级间接地址索引可以管理 256 个数据块（因为它指向 256 个数据块地址）。 4. **二级间接地址索引**：    - `iaddr[7]` 是二级间接地址索引，它指向一个索引块，该索引块中存储指向其他一级间接索引块的地址。    - 每个一级间接索引块可以管理 256 个数据块，因此一个二级间接索引块可以管理：\[ 256 \times 256 = 65,536 \text{ 个数据块} \] ### 逻辑块号 518 的访问 1. **逻辑块号 0 到 5**：    - 可以直接通过直接地址索引 `iaddr[0]` 到 `iaddr[5]` 访问。 2. **逻辑块号 6 到 261**：    - 需要使用一级间接地址索引 `iaddr[6]`。因为一级间接地址索引可以管理 256 个数据块，逻辑块号 6 到 261 在这一范围内。 3. **逻辑块号 518**：    - 超出了一级间接地址索引的范围（`262 到65797`），因此需要使用二级间接地址索引 `iaddr[7]`。 ### 结论 逻辑块号 518 超出了一级间接地址索引的范围，因为一级间接地址索引 `iaddr[6]` 能够管理的最大逻辑块号是 511。逻辑块号 518 超出了这个范围，所以需要使用二级间接地址索引 `iaddr[7]` 来管理。 - **逻辑块号 0**：使用直接地址索引。 - **逻辑块号 260**：使用一级间接地址索引（在 6 到 261 范围内）。 - **逻辑块号 518**：使用二级间接地址索引（在262-65797）（超出一级间接地址索引范围）。 通过这些解释，你可以理解为什么不同的逻辑块号需要使用不同类型的地址索引。

例题 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［O~iaddr［7］，每个地址项大小为4字节，其中地址项iaddr［o］~iaddr［5］为直接地址索引，iaddrf6］是一级间接地址索引，iaddrl7是二级间接地址索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为4KB。该文件系统可表示的单个文件最大长度是（）KB。若要访问iclsClient.dll文件的逻辑块号分别为6、520和1030，则系统应分别采用（/）。

逻辑块号计算，即逻辑地址序号计算

// 逻辑地址序号计算 由磁盘索引块4KB得，磁盘索引块 = 4*1024B 由每个地址项大小为4B，一个索引块1024个地址 // 逻辑地址序号计算 0~5 0-5 间接地址索引 6 6-1029 一级索引 7 1030 - (1029+1024*1024)  二级索引 逻辑地址最大序号 1029+1024*1024=1049605

计算文件系统可表示的单个文件最大长度 =（最大逻辑地址序号+1）* 物理块大小

由磁盘索引块4KB得，磁盘索引块 = 4*1024B 由每个地址项大小为4B，一个索引块1024个地址 // 逻辑地址序号计算 0~5 0-5 6 6-1029 7 1030 - (1029+1024*1024) 逻辑地址最大 1029+1024*1024=1049605 由于磁盘数据块大小为4KB，所以最大单个文件长度（大小）为 (1049605+1)*4KB=4198420KB

图示样例 逻辑地址计算如下 1024/4=256 直01234（01234） 一6（5~260） 一7（261~260+256）=（261~516） 二8（517~(256*256+516)）=（517~66052)

逻辑地址从0开始，复合维度降维

分页存储方法

例题

问：某操作系统采用分页存储管理方式，下图给出了进程A和进程B的页表结构，如果物理页的大小为512字节，那么进程A逻辑地址为1111（十进制）的变量存放在（）号物理内存页中（4）？ 答：十进制数1111转化为二进制数为： 10001010111。物理页的大小为512字节，这说明页内地址为9个二进制位，进程A的逻辑地址中，右边的9位是页内地址，左边的2位是页号，即：10001010111。页号为二进制的10，即十进制的2，对应的物理页号为4。

矩阵按行序存放和按列序存放的区别

矩阵按行序存放和按列序存放指的是矩阵元素在内存中的排列方式，这两种存储方式在内存访问模式和性能上存在显著区别。 ### 1. **按行序存放（Row-major Order）** - **存储方式**：   - 在按行序存放时，矩阵的元素按行的顺序依次存储在内存中。   - 例如，对于一个矩阵 \( A[3][3] \)，按行序存放时，内存中元素的排列顺序为：     - \( A[0][0], A[0][1], A[0][2], A[1][0], A[1][1], A[1][2], A[2][0], A[2][1], A[2][2] \) - **访问方式**：   - 按行访问时更有效率，因为连续的内存地址中存储的是同一行的元素，访问这些元素时不会频繁触发页面中断或缓存未命中。 ### 2. **按列序存放（Column-major Order）** - **存储方式**：   - 在按列序存放时，矩阵的元素按列的顺序依次存储在内存中。   - 例如，对于一个矩阵 \( A[3][3] \)，按列序存放时，内存中元素的排列顺序为：     - \( A[0][0], A[1][0], A[2][0], A[0][1], A[1][1], A[2][1], A[0][2], A[1][2], A[2][2] \) - **访问方式**：   - 按列访问时更有效率，因为同一列的元素是连续存储的，不会频繁触发页面中断或缓存未命中。 ### 3. **区别与影响** - **内存访问模式**：   - **按行序存放**：对于按行访问（如遍历行）的操作，内存访问是顺序的，效率高；但按列访问时，可能会导致频繁的缓存未命中或页面中断，因为列间元素在内存中是分散的。   - **按列序存放**：对于按列访问（如遍历列）的操作，内存访问是顺序的，效率高；但按行访问时，可能会导致同样的问题。 - **缓存性能**：   - 在有缓存的系统中（如 CPU 缓存），按行或按列的访问方式会影响缓存的命中率。按行访问更适合按行存放的矩阵，按列访问更适合按列存放的矩阵。 - **具体应用**：   - 一些编程语言如 C、C++ 通常采用按行序存放矩阵，而像 Fortran 则采用按列序存放。选择哪种存储方式通常取决于程序的访问模式及所用语言的标准。 ### 4. **总结** - **按行序存放**：适合频繁按行访问的场景，可以减少页面中断和提高缓存命中率。 - **按列序存放**：适合频繁按列访问的场景，可以提高访问效率。 选择何种存储方式要考虑实际应用的内存访问模式，以优化性能。

系统事物的死锁状态

多线程

制约关系：同步和互斥

由于资源共享与进程合作，并发执行的任务（进程）之间可能产生相互制约关系，这些制约关系可分为两类：竞争与协作。 并发进程之间的竞争关系为互斥，并发进程之间的协作关系体现为同步。 同步是因合作进程之间协调彼此的工作而控制S己的执行速度，即因相互合作，相互等待而产生的制约关系。而互斥是进程之间竞争临界资源而禁止两个y上的进程同时进入临界区所发生的制约关系。

2、数据库系统

内连接符号（通常表示为“⨝”）是关系数据库中用于连接两个关系（表）的符号

关系数据库

连接

关系代数：连接

详解

在关系代数中，连接操作用于将两个关系（表）按照某种条件合并，生成一个包含符合条件的元组的新关系。不同类型的连接有不同的符号和定义： ### 1. **自然连接（Natural Join）** **符号**: \( \bowtie \) **定义**: 自然连接是最常见的连接类型，它基于两个关系中所有共享的属性进行连接。自然连接只保留一次共享属性的值，并且只包括满足连接条件的元组。 **语法**: \( R \bowtie S \) **例子**: 假设有两个关系 \( R \) 和 \( S \)： - \( R \) (EmployeeID, Name, DeptID) - \( S \) (DeptID, DeptName) 自然连接 \( R \bowtie S \) 将基于 \( DeptID \) 属性合并这两个关系，结果将包含 \( EmployeeID \), \( Name \), \( DeptID \), 和 \( DeptName \)。 ### 2. **等值连接（Equi Join）** **符号**: \( \bowtie_{R.A = S.B} \) **定义**: 等值连接是一种基于两个关系中指定的等值条件进行连接的操作。它会生成所有符合条件的元组，并且通常包括所有属性。 **语法**: \( R \bowtie_{R.A = S.B} S \) **例子**: 假设有两个关系 \( R \) 和 \( S \)： - \( R \) (EmployeeID, Name, DeptID) - \( S \) (DeptID, DeptName) 等值连接 \( R \bowtie_{R.DeptID = S.DeptID} S \) 将基于 \( DeptID \) 属性合并这两个关系，结果将包含所有属性 \( EmployeeID \), \( Name \), \( DeptID \), 和 \( DeptName \)。 ### 3. **左外连接（Left Outer Join）** **符号**: \( R \text{ LEFT OUTER JOIN } S \) **定义**: 左外连接包括左表的所有元组和右表中符合连接条件的元组。对于不匹配的右表元组，结果中对应的列将填充 NULL 值。 **语法**: \( R \text{ LEFT OUTER JOIN } S \) **例子**: 假设有两个关系 \( R \) 和 \( S \)： - \( R \) (EmployeeID, Name, DeptID) - \( S \) (DeptID, DeptName) 左外连接 \( R \text{ LEFT OUTER JOIN } S \) 将返回所有来自 \( R \) 的元组，以及那些与 \( R \) 的 \( DeptID \) 匹配的 \( S \) 的元组。如果 \( S \) 中没有匹配的元组，对应的 \( DeptName \) 将是 NULL。 ### 4. **右外连接（Right Outer Join）** **符号**: \( R \text{ RIGHT OUTER JOIN } S \) **定义**: 右外连接包括右表的所有元组和左表中符合连接条件的元组。对于不匹配的左表元组，结果中对应的列将填充 NULL 值。 **语法**: \( R \text{ RIGHT OUTER JOIN } S \) **例子**: 假设有两个关系 \( R \) 和 \( S \)： - \( R \) (EmployeeID, Name, DeptID) - \( S \) (DeptID, DeptName) 右外连接 \( R \text{ RIGHT OUTER JOIN } S \) 将返回所有来自 \( S \) 的元组，以及那些与 \( S \) 的 \( DeptID \) 匹配的 \( R \) 的元组。如果 \( R \) 中没有匹配的元组，对应的 \( EmployeeID \) 和 \( Name \) 将是 NULL。 ### 5. **全外连接（Full Outer Join）** **符号**: \( R \text{ FULL OUTER JOIN } S \) **定义**: 全外连接包括左表和右表中的所有元组，对于不匹配的元组，结果中对应的列将填充 NULL 值。 **语法**: \( R \text{ FULL OUTER JOIN } S \) **例子**: 假设有两个关系 \( R \) 和 \( S \)： - \( R \) (EmployeeID, Name, DeptID) - \( S \) (DeptID, DeptName) 全外连接 \( R \text{ FULL OUTER JOIN } S \) 将返回所有来自 \( R \) 和 \( S \) 的元组，对于那些在一个表中但不在另一个表中存在的元组，结果中对应的列将填充 NULL 值。这些连接操作符在关系数据库中用于综合多个表的数据，满足复杂的查询需求。

自然连接和投影运算

考题

最优语句

范式

第一范式

存在非主属性对码的部分依赖

存在非主属性对码的部分依赖为第一范式，不存在则为第二范式

第二范式

不存在非主属性对码的部分依赖

关系模式

R（U，F），R关系模式也就是表，U是属性集，F是函数依赖

候选码

是什么

候选码是所有可能成为主键的候选集合

定义：是能够唯一标识关系中每一个元组的最小属性集合。在这里， A1A5  是候选码，表示使用  A1  和  A5  可以唯一确定关系模式  R  中的每一个元组。

候选关键字

是什么

候选关键字是指这些候选集合中的具体键。候选码的概念更为广泛，候选关键字是它的具体应用。

主键

范式

第二范式（2NF） •关系模式处于第二范式（2NF），如果它符合第一范式（1NF）且每一个非主属性都完全函数依赖于每一个候选码的整个属性集，而不是候选码的部分属性。

示例

假设关系模式R（U，F），属性集U=｛A，B，C｝，函数依赖集F=｛A—>B，B->C｝。若将其分解为P=｛RI （U1，F1），R2（U2，F2）｝，其中U1=｛A，B｝，U2=｛A，C｝。那么，关系模式R、R1、R2分别达到了（第二，第三，第三）

主属性和非主属性：候选码中的属性是主属性，非候选码中的属性是非主属性

分解

分解结果的评估

是否是无损连接

分解后的关系模式进行自然链接是否可以恢复如初，如果可以就是无损连接。

是否保持了函数依赖关系

是否保留了所有的函数依赖关系

详解

为了评估分解的效果，我们需要检查原始关系模式 \( R \) 和分解后的子关系模式 \( R_1 \) 和 \( R_2 \) 的性质，包括是否满足无损连接性和函数依赖的保持情况。给定的数据如下： - 原始关系模式 \( R(U, F) \)   - 属性集 \( U = \{A, B, C\} \)   - 函数依赖集 \( F = \{A \rightarrow B, B \rightarrow C\} \) - 分解：   - \( R_1(U_1, F_1) \) 其中 \( U_1 = \{A, B\} \) 和 \( F_1 = \{A \rightarrow B\} \)   - \( R_2(U_2, F_2) \) 其中 \( U_2 = \{A, C\} \) 和 \( F_2 = \{B \rightarrow C\} \) ### 1. 函数依赖保持情况 分解后的关系模式 \( R_1 \) 和 \( R_2 \) 应该能够保留原始关系模式 \( R \) 中的所有函数依赖。检查一下是否所有的函数依赖 \( A \rightarrow B \) 和 \( B \rightarrow C \) 都在分解后的子关系模式中得到满足： - 对于 \( R_1 \)，其属性集是 \( \{A, B\} \) 并且函数依赖是 \( A \rightarrow B \)。这个依赖在 \( R_1 \) 中是保持的。 - 对于 \( R_2 \)，其属性集是 \( \{A, C\} \) 并且函数依赖是 \( B \rightarrow C \)。注意这里 \( R_2 \) 并不包含 \( B \) 属性，所以 \( B \rightarrow C \) 在 \( R_2 \) 中不适用。 因此，分解后的模式并没有完全保留原始模式的所有函数依赖。 ### 2. 无损连接性 为了验证分解是否无损连接，需要检查是否能通过自然连接操作将 \( R_1 \) 和 \( R_2 \) 恢复为原始关系模式 \( R \)。我们使用无损连接的判定方法： - **无损连接的条件**：   分解 \( R \rightarrow R_1 \) 和 \( R_2 \) 是无损连接的，当且仅当下列条件之一满足：   - \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_1 \) 或者   - \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_2 \)   其中 \( U_1 \cap U_2 \) 是两个子关系模式的公共属性集。 - **在这个例子中**：   - \( U_1 \cap U_2 = \{A\} \)   - \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_1 \) 为 \( A \rightarrow \{A, B\} \)，显然这是对的，因为 \( A \) 确定了 \( A \) 和 \( B \)。   - \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_2 \) 为 \( A \rightarrow \{A, C\} \)，但这里 \( A \) 并不能直接确定 \( C \)。 根据条件 \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_1 \) 成立，因此，分解是无损连接的。 ### 结论 - **函数依赖的保持**：分解没有完全保留所有函数依赖。特别是 \( B \rightarrow C \) 这个依赖在 \( R_2 \) 中没有体现，因此不能保持所有的函数依赖。 - **无损连接性**：分解是无损连接的，因为条件 \( (U_1 \cap U_2) \rightarrow U_1 \) 成立。 综上所述，尽管分解是无损连接的，但它没有完全保留原始关系模式的所有函数依赖。

试题

问：假设关系模式R（U，F），属性集U=｛A，B，C｝，函数依赖集F=｛A—>B，B->C｝。若将其分解为P=｛RI （U1，F1），R2（U2，F2）｝，其中U1=｛A，B｝，U2=｛A，C｝。那么，分解p是否是无损连接，是否保持了函数依赖关系？ 答：是无损连接，没有保持函数依赖关系。

数理逻辑学

量词

量词是数学和逻辑表达中的基本工具，它们帮助我们明确地表达关于集合、命题和关系的精确陈述。 • (\exists): 存在量词。 <div> (forall): 全称量词。</div><div>• 唯一存在量词。 •有界量词: 限定在特定集合中的存在或全称量词。 •混合量词: 存在和全称量词的组合。 •模量词: 可能性和必然性量词（模态逻辑中）。 </div>

关系代数

属性集

函数依赖

阿姆斯特朗公理

阿姆斯特朗公理（Armstrong's Axioms）是一组用于推导关系模式中函数依赖的规则，它们是最基本且最常用的规则。这些公理帮助我们理解和推导所有可能的函数依赖。以下是所有阿姆斯特朗公理的详细讲解： ### 1. 自反律（Reflexivity） - **定义**：如果 \( Y \) 是 \( X \) 的子集，则 \( X \rightarrow Y \) 成立。 - **解释**：一个属性集 \( X \) 自然地确定了它自己所有的子集 \( Y \) 的值。这是因为如果你知道 \( X \) 的值，那么你一定能确定 \( Y \) 的值。 - **示例**：如果 \( X = \{A, B\} \)，那么 \( \{A, B\} \rightarrow A \) 和 \( \{A, B\} \rightarrow B \) 都成立。 ### 2. 增广律（Augmentation） - **定义**：如果 \( X \rightarrow Y \) 成立，那么对于任意属性集 \( Z \)，\( XZ \rightarrow YZ \) 也成立。 - **解释**：如果属性集 \( X \) 确定了属性集 \( Y \)，那么添加一个属性集 \( Z \) 不会改变这种确定关系，即 \( X \) 和 \( Z \) 确定了 \( Y \) 和 \( Z \)。 - **示例**：如果 \( A \rightarrow B \) 成立，那么添加一个属性 \( C \)，可以得到 \( AC \rightarrow BC \) 也成立。 ### 3. 传递律（Transitivity） - **定义**：如果 \( X \rightarrow Y \) 和 \( Y \rightarrow Z \) 成立，那么 \( X \rightarrow Z \) 也成立。 - **解释**：如果属性集 \( X \) 确定了属性集 \( Y \)，而 \( Y \) 又确定了 \( Z \)，那么 \( X \) 自然也确定了 \( Z \)。 - **示例**：如果 \( A \rightarrow B \) 且 \( B \rightarrow C \) 成立，那么 \( A \rightarrow C \) 也成立。 ### 4. 合并率（Union） - **定义**：如果 \( X \rightarrow Y \) 和 \( X \rightarrow Z \) 成立，那么 \( X \rightarrow YZ \) 也成立。 - **解释**：如果属性集 \( X \) 确定了两个属性集 \( Y \) 和 \( Z \)，那么 \( X \) 也会确定 \( Y \) 和 \( Z \) 的并集。 - **示例**：如果 \( A \rightarrow B \) 和 \( A \rightarrow C \) 成立，那么 \( A \rightarrow BC \) 也成立。 ### 5. 分解率（Decomposition） - **定义**：如果 \( X \rightarrow YZ \) 成立，那么 \( X \rightarrow Y \) 和 \( X \rightarrow Z \) 也成立。 - **解释**：如果属性集 \( X \) 确定了两个属性集 \( Y \) 和 \( Z \) 的并集，那么 \( X \) 自然也确定了 \( Y \) 和 \( Z \)。 - **示例**：如果 \( A \rightarrow BC \) 成立，那么 \( A \rightarrow B \) 和 \( A \rightarrow C \) 也成立。 ### 6. 结合律（Pseudo-Transitivity） - **定义**：如果 \( X \rightarrow Y \) 和 \( YZ \rightarrow W \) 成立，那么 \( XZ \rightarrow W \) 也成立。 - **解释**：如果属性集 \( X \) 确定了 \( Y \)，并且 \( Y \) 和 \( Z \) 的组合确定了 \( W \)，那么 \( X \) 和 \( Z \) 的组合也确定 \( W \)。 - **示例**：如果 \( A \rightarrow B \) 和 \( BC \rightarrow D \) 成立，那么 \( AC \rightarrow D \) 也成立。 这些公理是函数依赖的基础，通过它们可以推导出其他的函数依赖，用于设计和优化数据库模式。

数据库设计

四个阶段

数据库设计主要分为用户需求分析、概念结构、逻辑结构和物理结构设计四个阶段。

用户需求分析设计

产出三个文档

需求设计说明书

数据字典

数据流程图

概念结构设计

逻辑结构设计

试题

在逻辑设计阶段j进行关系规范化

做些什么

关系规范化

定义表结构：将ER图转化表结构

外键关系

物理结构设计

是什么

数据库设计可以分为4个主要阶段：①用户需求分析。数据库设计人员采用一定的辅助工具对应用对象的功能、性能、限制等要求所进行的科学分析。②概念设计。概念结构设计是对信息分析和定义，如视图模型化、视图分析和汇总。对应用对象精确地抽象、概括而形成的独立于计算机系统的企业信息模型。描述概念模型的较理想的工具是E-R图。③逻辑设计。将抽象的概念模型转化为与选用的DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑模型，它是物理设计的基础。包括模式初始设计、子模式设计、应用程序设计、模式评价以及模式求精。④物理设计。逻辑模型在计算机中的具体实现方案。

设计策略

在数据库设计中，制定合理的设计策略是确保数据库性能、可扩展性、安全性和维护性的重要步骤。常见的数据库设计策略包括以下几个方面： ### 1. **需求分析**    - **理解业务需求**：在设计数据库之前，必须详细了解业务需求、用户需求以及系统的功能要求。这包括理解需要存储的数据类型、数据量、访问模式等。    - **确定数据模型**：根据业务需求，选择合适的数据模型（例如，关系型模型、文档型模型、图形数据库等）来满足系统需求。 ### 2. **概念设计**    - **实体-关系（ER）模型**：使用ER图来描述系统中的实体、属性和实体之间的关系。概念设计阶段的目标是以一种高层次的方式来建模业务数据。    - **识别主键**：为每个实体定义主键，确保每个记录都能被唯一标识。 ### 3. **逻辑设计**    - **规范化**：应用数据库规范化规则（如1NF、2NF、3NF等）来消除冗余数据，确保数据的完整性和一致性。规范化的目标是减少数据冗余和更新异常。    - **定义表结构**：将ER模型转化为具体的数据库表结构，定义字段、数据类型、约束条件等。    - **外键关系**：确定表之间的外键关系，以维护数据的参照完整性。 ### 4. **物理设计**    - **选择存储结构**：根据数据的访问模式和性能要求，选择合适的存储结构（如B树、哈希表、索引组织表等）。    - **索引设计**：根据查询频率和性能需求设计适当的索引，确保查询效率。索引的选择应权衡查询速度和插入/更新操作的效率。    - **分区设计**：对于大规模数据库，考虑使用分区技术（如水平分区、垂直分区）来提高查询性能和管理效率。    - **数据库参数调优**：根据硬件配置和应用场景，调整数据库系统的参数设置，如内存分配、缓存策略等，以优化性能。 ### 5. **安全性和权限管理**    - **用户角色和权限**：根据不同用户或用户组的角色，定义访问权限，确保数据的安全性和隐私性。    - **审计和日志记录**：启用审计功能，记录数据库访问和操作日志，以便于监控和追踪。 ### 6. **备份与恢复策略**    - **定期备份**：设计并实施定期备份策略，以防止数据丢失。备份可以包括全量备份、增量备份和差异备份。    - **灾难恢复**：制定并测试灾难恢复计划，以确保在发生故障时能够快速恢复数据库。 ### 7. **性能优化**    - **查询优化**：分析并优化常用查询，确保它们能够高效执行。包括索引使用、查询重写、避免不必要的全表扫描等。    - **缓存机制**：使用数据库缓存或应用层缓存来减少数据库的负载，提升响应速度。    - **分布式数据库设计**：在需要处理海量数据或高并发访问时，考虑使用分布式数据库或数据库集群技术。 ### 8. **维护和监控**    - **定期维护**：包括数据库统计信息更新、碎片整理、索引重建等，以保持数据库的高效运行。    - **实时监控**：通过监控工具实时监控数据库的性能、错误日志、连接数等指标，及时发现和解决问题。 ### 9. **文档化**    - **数据库文档**：确保数据库设计有充分的文档支持，包括数据字典、ER图、规范化过程说明、备份恢复计划等。这有助于团队协作和后续维护。 通过遵循这些数据库设计策略，可以确保数据库系统不仅能够满足当前的业务需求，还能够在未来的扩展和优化中保持高效、安全和可维护。

事务

两段锁协议

**两段锁协议**（Two-Phase Locking, 2PL）是数据库并发控制中常用的一种协议，它保证了事务在并发执行时的**可串行化**，即执行的结果与某种顺序的串行执行相同。两段锁协议分为两个阶段：**扩展阶段**和**收缩阶段**。 ### 1. **扩展阶段（Growing Phase）**    - 在扩展阶段，事务可以**获取**任何类型的锁（共享锁或排他锁），但**不能释放**锁。    - 在这个阶段，事务不断请求并获得所需的资源锁，直到它不再需要新的锁为止。    - 当事务第一次释放锁时，扩展阶段就结束了。 ### 2. **收缩阶段（Shrinking Phase）**    - 在收缩阶段，事务可以**释放**已持有的锁，但**不能再获取**任何新的锁。    - 事务开始释放它在扩展阶段获得的锁，并最终释放所有持有的锁。 ### **工作原理** 两段锁协议的关键在于，所有的锁获取操作都必须发生在释放锁之前。通过这种方式，确保了事务在整个执行过程中，不会因为锁的获取和释放而产生冲突，从而实现事务的串行化。 ### **优点** - **串行化保证**：两段锁协议确保了事务的执行结果与某个串行执行的结果相同，从而保证了数据库的一致性。 - **广泛应用**：2PL 是数据库管理系统中最常用的并发控制协议之一。 ### **缺点** - **可能导致死锁**：由于事务在扩展阶段不断请求锁，可能会出现多个事务相互等待资源的情况，导致死锁。 - **低并发性**：在某些情况下，两段锁协议可能导致系统的并发性降低，特别是在高负载或高并发的场景下。 ### **举例说明** 假设有两个事务 T1 和 T2： - **T1** 需要锁定资源 A 和 B； - **T2** 需要锁定资源 B 和 C。 根据两段锁协议： 1. T1 首先获取 A 的锁，再获取 B 的锁，执行操作后，开始释放锁。 2. T2 必须等到 T1 释放 B 的锁后，才能获取 B 的锁，然后获取 C 的锁并执行操作。 这样，通过两段锁协议，确保 T1 和 T2 不会因为同时访问资源 B 而产生冲突，最终的执行结果与事务的某种串行顺序相同。 ### **变种：严格两段锁协议（Strict 2PL）** 严格两段锁协议是两段锁协议的一个变种，它进一步要求： - 事务在**提交**或**回滚**之前，不能释放任何锁。 严格两段锁协议比标准的两段锁协议更强，它不仅保证串行化，还可以防止**级联回滚**。

实体-关系模型（ER模型）转换为关系模式

将**实体-关系模型（ER模型）**转换为**关系模式**是数据库设计过程中的一个关键步骤。这个过程涉及将ER图中的实体、属性和关系转换为关系数据库中的表、字段和外键等元素。以下是实体转换成关系模式的一般步骤： ### 1. **实体转换为关系**    - **每个实体类型**转换为一个关系（表）。    - **实体的属性**转换为关系中的列（字段）。    - **实体的主键**属性在关系中变为该表的主键。    **示例**：    - ER模型中有一个 `学生` 实体，包含 `学号`（主键）、`姓名`、`年龄` 和 `专业` 属性。    - 转换为关系模式时，得到一个表 `学生(学号, 姓名, 年龄, 专业)`，其中 `学号` 是主键。 ### 2. **弱实体转换为关系**    - **弱实体类型**也转换为一个关系（表）。    - **弱实体的属性**转换为关系中的列。    - 弱实体依赖于强实体，因此它的**主键**通常由它自身的部分标识符和强实体的主键组成。    **示例**：    - `订单` 实体依赖于 `客户` 实体，`订单` 的主键由 `订单号`（弱实体标识符）和 `客户ID`（强实体主键）组成。    - 转换后的关系为 `订单(订单号, 客户ID, 其他属性)`，其中 `客户ID` 是外键。 ### 3. **一对一关系（1:1）**    - 将**两端实体的主键**作为外键加入对方的关系中。    - 可以选择在其中一方添加外键，并将此外键设置为唯一约束（UNIQUE），或者将两个实体合并成一个关系。    **示例**：    - `教师` 实体和 `办公室` 实体之间存在 1:1 关系，每个教师有且只有一个办公室。    - 可以在 `教师` 表中添加 `办公室ID` 作为外键，或在 `办公室` 表中添加 `教师ID` 作为外键，并将其设为唯一。 ### 4. **一对多关系（1:N）**    - 将**“一”方的实体的主键**作为外键添加到“多”方的关系中。    **示例**：    - `部门` 实体和 `员工` 实体之间是 1:N 关系，每个部门有多个员工。    - 在 `员工` 表中添加 `部门ID` 作为外键来表示员工所属的部门。 ### 5. **多对多关系（M:N）**    - 为多对多关系创建一个**中间关系表**。    - 该表包含参与关系的两个实体的主键，分别作为外键。通常这两个主键组成中间表的复合主键。    **示例**：    - `学生` 实体和 `课程` 实体之间存在 M:N 关系，一个学生可以选修多门课程，一门课程可以有多个学生选修。    - 创建一个中间表 `选课(学号, 课程ID)`，`学号` 和 `课程ID` 都作为外键，且组成复合主键。 ### 6. **属性的处理**    - **简单属性**：直接转换为关系中的列。    - **复合属性**：将复合属性拆分为多个简单属性，每个简单属性作为关系中的列。    - **多值属性**：为多值属性创建一个独立的关系表，该表的主键为原实体的主键和多值属性的值。    **示例**：    - `教师` 实体有一个多值属性 `电话号码`。    - 创建一个 `教师电话号码(教师ID, 电话号码)` 表，其中 `教师ID` 是外键，`电话号码` 是多值属性的值。 ### 7. **自关联关系**    - 对于自关联（如员工的上级和下级关系），通常在同一个关系（表）中添加一个外键，引用同一表的主键。    **示例**：    - `员工` 表中有一个自关联关系 `上级员工`，可以在 `员工` 表中添加 `上级员工ID` 列，引用 `员工` 表的主键 `员工ID`。 ### 8. **实现约束**    - 确保关系模式中的所有实体和属性都正确地实现了**约束条件**，如唯一性约束、外键约束、非空约束等。 通过这些步骤，ER模型中的所有实体、属性和关系都可以被系统地转换为关系数据库中的表结构，从而建立起一个符合规范的关系数据库。

约束

完整性约束

分类

完整性约束分为

实体完整性约束

其中实体完整性约束可以通过Primary Key指定，

参照完整性约束

参照完整性约束通过Foreign Key指定，

用户自定义完整性约束

属性自身的约束

某些简单的约束可以通过Check、Assertion等实现。

属性和属性之间的约束

针对复杂的约束，系统提供了触发器机制，通过用户编程实现。

详解

在数据库设计中，**约束**是指对数据库表中数据的一些限制条件，用于确保数据的完整性、一致性和准确性。约束有助于防止非法数据的输入，并维护数据库的业务规则和数据质量。以下是数据库设计中常见的几种约束类型： ### 1. **主键约束（Primary Key Constraint）**    - **定义**：主键约束用于唯一标识表中的每一行记录。一个表只能有一个主键。    - **特性**：主键列的值必须唯一，且不能包含空值（NULL）。    - **作用**：保证每一行记录的唯一性。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 学生 (        学号 INT PRIMARY KEY,        姓名 VARCHAR(50)    );    ``` ### 2. **外键约束（Foreign Key Constraint）**    - **定义**：外键约束用于在两个表之间建立关系，确保表中的值与另一个表的主键或唯一键相对应。    - **特性**：外键列的值要么是NULL，要么必须存在于关联表的主键或唯一键列中。    - **作用**：维护数据的参照完整性，防止插入不一致的数据。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 订单 (        订单号 INT PRIMARY KEY,        学号 INT,        FOREIGN KEY (学号) REFERENCES 学生(学号)    );    ``` ### 3. **唯一约束（Unique Constraint）**    - **定义**：唯一约束用于确保表中的某列或某些列的值在所有记录中是唯一的。    - **特性**：一个表中可以有多个唯一约束，允许 NULL 值（但 NULL 值之间不进行唯一性比较）。    - **作用**：防止重复数据的插入。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 教师 (        教师ID INT PRIMARY KEY,        邮箱 VARCHAR(100) UNIQUE    );    ``` ### 4. **非空约束（NOT NULL Constraint）**    - **定义**：非空约束用于确保列中的值不能为空。    - **特性**：该列必须有有效数据，不能存储 NULL 值。    - **作用**：保证列中每一行数据都有有效值。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 学生 (        学号 INT PRIMARY KEY,        姓名 VARCHAR(50) NOT NULL    );    ``` ### 5. **检查约束（Check Constraint）**    - **定义**：检查约束用于对列中的值设置具体的条件，只有满足条件的值才能插入到表中。    - **特性**：检查条件可以是简单的条件表达式或更复杂的逻辑。    - **作用**：保证数据的有效性和合理性。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 学生 (        学号 INT PRIMARY KEY,        年龄 INT CHECK (年龄 >= 18)    );    ``` ### 6. **默认约束（Default Constraint）**    - **定义**：默认约束用于指定列的默认值，当插入数据时，如果没有为该列提供值，则使用默认值。    - **特性**：可以为列指定一个常量值或函数作为默认值。    - **作用**：简化数据输入，并确保列在没有明确赋值时具有合理的默认值。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 学生 (        学号 INT PRIMARY KEY,        注册日期 DATE DEFAULT CURRENT_DATE    );    ``` ### 7. **唯一索引（Unique Index）**    - **定义**：唯一索引是用于加速查询的索引，并且确保索引列中的值是唯一的。    - **特性**：类似于唯一约束，但更多地用于优化查询性能。    - **作用**：除了保证唯一性外，还能提高数据库的查询性能。    **示例**：    ```sql    CREATE UNIQUE INDEX idx_教师邮箱 ON 教师(邮箱);    ``` ### 8. **域约束（Domain Constraint）**    - **定义**：域约束是指对列中的值进行约束，限制其必须属于特定的值集合或范围。    - **特性**：可以通过枚举或范围定义来限制数据的取值范围。    - **作用**：防止不符合业务规则的数据被插入。    **示例**：    ```sql    CREATE TABLE 学生 (        学号 INT PRIMARY KEY,        性别 CHAR(1) CHECK (性别 IN ('M', 'F'))    );    ``` 通过合理设置这些约束，可以有效地提高数据库的完整性、可靠性和安全性，防止错误数据的产生，并确保数据库系统的稳定运行。

触发器

详解

**触发器**（Trigger）是数据库中一种特殊的存储程序，它在特定的数据库事件发生时自动执行。触发器通常用于自动执行某些操作，以维护数据的一致性、完整性或执行审计、日志记录等功能。 ### 触发器的基本概念 - **触发事件**：触发器的执行由某些数据库操作触发，这些操作包括 `INSERT`、`UPDATE` 和 `DELETE`。每当指定的事件发生时，触发器会自动执行。   - **触发时间**：触发器可以在指定的时间点执行：   - **BEFORE** 触发器：在执行触发事件之前执行。   - **AFTER** 触发器：在执行触发事件之后执行。 - **触发操作**：触发器定义了在触发事件发生时要执行的具体操作，这些操作可以包括插入、更新、删除等数据库操作，或者调用存储过程。 ### 触发器的类型 根据触发事件和触发时间的不同，触发器可以分为以下几种类型： 1. **BEFORE INSERT 触发器**    - 在插入新数据到表之前触发。    - 通常用于验证或修改插入的数据。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER before_insert_student    BEFORE INSERT ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 确保年龄不能低于18岁        IF NEW.年龄 < 18 THEN            SET NEW.年龄 = 18;        END IF;    END;    ``` 2. **AFTER INSERT 触发器**    - 在数据插入到表之后触发。    - 常用于记录日志、更新相关表或其他审计操作。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER after_insert_student    AFTER INSERT ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 在日志表中记录插入操作        INSERT INTO 日志 (操作类型, 操作描述)        VALUES ('INSERT', CONCAT('学生 ', NEW.学号, ' 被插入'));    END;    ``` 3. **BEFORE UPDATE 触发器**    - 在更新表中的数据之前触发。    - 可以用于验证或修改将要更新的数据。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER before_update_student    BEFORE UPDATE ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 如果姓名为空，则不允许更新        IF NEW.姓名 IS NULL THEN            SIGNAL SQLSTATE '45000'            SET MESSAGE_TEXT = '姓名不能为空';        END IF;    END;    ``` 4. **AFTER UPDATE 触发器**    - 在表中的数据被更新之后触发。    - 可用于更新关联表、记录更改日志或触发其他操作。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER after_update_student    AFTER UPDATE ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 在日志表中记录更新操作        INSERT INTO 日志 (操作类型, 操作描述)        VALUES ('UPDATE', CONCAT('学生 ', NEW.学号, ' 被更新'));    END;    ``` 5. **BEFORE DELETE 触发器**    - 在从表中删除数据之前触发。    - 用于检查或阻止删除操作。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER before_delete_student    BEFORE DELETE ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 如果学生有未完成的订单，不允许删除        IF EXISTS (SELECT 1 FROM 订单 WHERE 学号 = OLD.学号 AND 状态 = '未完成') THEN            SIGNAL SQLSTATE '45000'            SET MESSAGE_TEXT = '该学生有未完成的订单，不能删除';        END IF;    END;    ``` 6. **AFTER DELETE 触发器**    - 在从表中删除数据之后触发。    - 用于记录删除操作或同步删除相关数据。    **示例**：    ```sql    CREATE TRIGGER after_delete_student    AFTER DELETE ON 学生    FOR EACH ROW    BEGIN        -- 在日志表中记录删除操作        INSERT INTO 日志 (操作类型, 操作描述)        VALUES ('DELETE', CONCAT('学生 ', OLD.学号, ' 被删除'));    END;    ``` ### 触发器的应用场景 1. **数据完整性维护**：通过触发器可以在数据操作前后进行数据验证，确保数据符合业务规则。     2. **自动化业务规则执行**：可以自动执行某些业务逻辑，例如当订单完成时自动更新库存。 3. **审计和日志记录**：触发器可以在数据变更时自动记录日志，以跟踪数据库中的所有更改。 4. **复杂数据同步**：在表间进行复杂的数据同步操作，如在一张表中删除记录时自动删除相关联表中的记录。 ### 触发器的优缺点 **优点**： - **自动执行**：触发器自动执行，无需手动调用或担心遗漏。 - **集中化控制**：业务逻辑可以集中在数据库层，确保所有相关操作遵循相同规则。 **缺点**： - **调试困难**：由于触发器是自动执行的，可能难以调试，特别是在复杂的数据库操作中。 - **性能开销**：触发器会增加数据库操作的额外开销，尤其是在大量数据变更时，可能影响性能。 - **可维护性**：如果触发器逻辑复杂，可能会使数据库维护变得困难。 ### 触发器的使用注意事项 - **性能影响**：在设计触发器时，需谨慎考虑其可能对性能的影响，尤其是在高频率的数据库操作中。 - **避免递归触发器**：避免在触发器中执行操作导致同一个触发器再次被触发，可能导致递归和死循环。 - **文档记录**：为触发器编写详细的文档，以便维护和理解系统中触发器的行为。 通过使用触发器，可以在数据库中实现复杂的自动化数据处理和业务逻辑控制，确保数据的正确性和一致性。

3、计算机硬件基础及嵌入式系统

硬件基础

串行总线

特点

1、串行总线适宜长距离传输数据。但串行总线有半双工、全双工之分，全双工是一条线发一条线收。

2、串行总线传输的波特率在使用中可以改变。

3、串行总线的数据发送和接收可以使用多种方式，程序查询方式和中断方式都可以。

4、串行总线是按位（bit）传输数据的，其数据的正确性依赖于校验码纠正。

处理器

DSP、GPU、CPU的区别

**DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）**、**GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）**和**CPU（Central Processing Unit，中央处理器）**是三种不同类型的处理器，各自针对不同的应用场景进行了优化，下面是它们的主要区别。 ### 1. **用途** - **CPU**：   - **通用性**：CPU是计算机系统的核心处理单元，设计用于处理各种通用计算任务。它负责执行操作系统、应用程序和系统服务，是通用计算的主要执行者。   - **任务处理**：CPU适合处理复杂的逻辑运算、控制任务、多任务处理等，是现代计算机的核心组件。 - **GPU**：   - **并行处理**：GPU最初设计用于处理图形计算，特别是3D渲染，它具有大量并行处理单元，能够同时处理大规模的数据流。这使得它在图形处理和大规模并行计算（如科学计算、机器学习、数据分析）中表现出色。   - **图形渲染**：GPU擅长处理像素、顶点和纹理等大量平行计算任务，因此在视频游戏、图形设计、深度学习等领域得到了广泛应用。 - **DSP**：   - **专用信号处理**：DSP专门设计用于实时处理数字信号，例如音频、视频和通信信号。它擅长执行线性代数运算、滤波和变换等高效重复计算任务。   - **实时应用**：DSP常用于通信系统、音频设备、医疗成像和自动控制系统中，强调低延迟和高效信号处理。 ### 2. **架构特点** - **CPU**：   - **复杂控制单元**：CPU拥有复杂的控制单元和多级缓存，能够有效管理和调度多任务。   - **通用指令集**：支持丰富的通用指令集，能够处理从算术运算到逻辑控制的广泛任务。 - **GPU**：   - **大规模并行架构**：GPU的架构包含数千个小型处理核心，设计用于同时处理大量简单的计算任务（如矩阵运算），尤其擅长大规模数据并行处理。   - **高内存带宽**：GPU通常具有高内存带宽，以支持高速数据传输，满足高要求的图形和计算任务。 - **DSP**：   - **专用指令集**：DSP拥有专门为信号处理设计的指令集，特别优化了乘累加（MAC）等操作，这些操作在信号处理算法中非常常见。   - **实时性优化**：DSP的架构注重低延迟和确定性执行时间，适合实时数据处理。 ### 3. **执行效率** - **CPU**：   - **通用计算效率高**：适合处理复杂、多样的任务，但在处理大规模并行任务时效率可能不如GPU。   - **多任务处理**：CPU能够有效管理并执行多任务操作，支持复杂的操作系统和应用程序。 - **GPU**：   - **并行计算能力强**：在需要同时处理大量简单任务（如图形渲染、矩阵运算）时，GPU表现出色，计算速度极快。   - **图形处理和科学计算**：特别擅长图形处理和科学计算中的并行任务，如机器学习的模型训练。 - **DSP**：   - **信号处理效率高**：在处理实时信号任务（如音频、视频处理）时，DSP具有高效、低延迟的优势。   - **低功耗高性能**：DSP在特定领域内可以在较低功耗下实现高性能。 ### 4. **应用场景** - **CPU**：   - **广泛应用**：从桌面计算机、服务器到移动设备，CPU都是计算任务的核心组件，适用于几乎所有计算任务。 - **GPU**：   - **图形处理**：广泛用于视频游戏、3D渲染、图形设计等领域。   - **并行计算**：在深度学习、科学计算、数据挖掘等需要大规模并行处理的领域，GPU也被广泛采用。 - **DSP**：   - **数字信号处理**：常用于音频、视频处理，通信设备（如基站、调制解调器）、自动控制系统、医疗设备等实时信号处理场景。 ### 5. **能耗** - **CPU**：通常功耗较高，尤其是在处理复杂任务时。现代CPU通过多核和节能技术来平衡性能与能耗。 - **GPU**：GPU在执行大规模并行计算时，功耗相对较高，特别是在处理复杂图形或训练大型神经网络时。 - **DSP**：DSP通常具有较低的功耗，特别是在嵌入式系统或便携设备中使用时，能够在有限的能耗下提供高效的信号处理。 ### **总结** - **CPU**是通用的计算核心，擅长处理复杂、多样的计算任务，广泛应用于计算设备中。 - **GPU**擅长处理大规模并行任务，特别是在图形处理和科学计算中表现出色，适用于图形渲染和机器学习等领域。 - **DSP**是专门设计用于实时数字信号处理的处理器，在音频、视频处理和通信等领域有显著优势，具有低功耗、高效能的特点。 这三种处理器各自的设计目标和优化方向不同，具体使用时应根据需求选择合适的处理器类型。

子主题

体系结构

有哪些

处理器市场上有多种体系结构（Architecture），这些体系结构通过不同的设计理念和指令集来优化处理器的性能、功耗和应用场景。以下是主要的处理器体系结构： ### 1. **CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算）**    - **代表**：x86架构（Intel和AMD处理器）。    - **特点**：      - **复杂指令集**：CISC架构包含丰富且复杂的指令集，每条指令可以执行多个低级操作（如内存访问、算术操作等）。      - **指令长度不固定**：指令长度可以不固定，这允许更复杂的操作在单条指令内完成。      - **硬件实现复杂**：由于指令集复杂，硬件解码器和执行单元也相对复杂，但能够更直接地实现高级编程语言的功能。    - **应用场景**：主要用于通用计算设备，如个人电脑、服务器和一些嵌入式系统。 ### 2. **RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算）**    - **代表**：ARM架构、MIPS架构、RISC-V架构。    - **特点**：      - **精简指令集**：RISC架构采用少量且简单的指令集，强调指令执行速度，每条指令通常在一个时钟周期内完成。      - **固定指令长度**：大多数RISC指令长度固定，指令解码和执行更加简单高效。      - **硬件实现相对简单**：RISC架构的设计使得处理器核心更为简单，功耗更低，适合移动设备和嵌入式系统。    - **应用场景**：广泛用于智能手机、平板电脑、嵌入式设备、IoT设备等需要高能效比的场合。 ### 3. **VLIW（Very Long Instruction Word，超长指令字）**    - **代表**：Itanium（英特尔IA-64架构）、TI DSP（德州仪器的DSP）。    - **特点**：      - **并行执行**：VLIW架构允许多条操作指令在一条超长指令字中并行执行，利用指令级并行性来提高处理器性能。      - **编译器优化依赖性强**：VLIW架构的性能高度依赖编译器的优化能力，因为编译器需要调度指令来最大化利用处理器资源。    - **应用场景**：主要用于专用处理器，如DSP（数字信号处理器）以及一些高性能嵌入式系统。 ### 4. **EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computing，显式并行指令计算）**    - **代表**：Intel Itanium（IA-64架构）。    - **特点**：      - **显式并行**：EPIC架构旨在通过显式指令并行性来提高性能，编译器在编译阶段明确指令的并行性。      - **复杂性**：与VLIW类似，但在硬件上增加了更多复杂性，支持更高的并行度。    - **应用场景**：由于架构复杂性和软件支持的挑战，EPIC在市场上的应用相对有限，主要用于某些高性能计算领域。 ### 5. **MIMD（Multiple Instruction, Multiple Data，多指令多数据流）**    - **代表**：现代多核处理器架构（如x86-64、ARM Cortex-A系列）。    - **特点**：      - **多核架构**：MIMD架构支持多个独立处理核心，每个核心可以同时执行不同的指令集，对不同的数据流进行处理。      - **高并行性**：MIMD架构非常适合并行计算任务，在多任务处理、多线程编程中表现出色。    - **应用场景**：广泛用于多核CPU、服务器、高性能计算、GPU等。 ### 6. **SIMD（Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据流）**    - **代表**：GPU（NVIDIA的CUDA架构、AMD的Radeon架构）、一些CPU的向量扩展（如Intel的AVX指令集）。    - **特点**：      - **数据并行处理**：SIMD架构能够同时对多个数据进行相同的操作，非常适合处理矢量计算、矩阵运算等任务。      - **并行度高**：在图形处理、科学计算、机器学习等领域，SIMD通过高并行度显著提高处理速度。    - **应用场景**：主要用于图形渲染、视频编码、科学计算和深度学习等领域。 ### 7. **专用处理器架构**    - **代表**：DSP（数字信号处理器）、FPGA（现场可编程门阵列）、ASIC（专用集成电路）。    - **特点**：      - **专用性强**：这些处理器架构专门设计用于特定任务，性能和功耗经过优化，非常适合处理特定类型的计算任务。      - **高效性**：在特定应用场景中，专用处理器可以比通用处理器提供更高的性能和更低的功耗。    - **应用场景**：用于通信系统、音频处理、图像处理、信号处理、工业控制等领域。 ### 8. **异构计算架构**    - **代表**：CUDA（NVIDIA）、OpenCL（Khronos Group）。    - **特点**：      - **多种处理单元结合**：异构计算架构结合了不同类型的处理单元（如CPU、GPU、DSP），以便在一个系统中利用每种架构的优势。      - **任务分担**：通过在不同的处理器上分担计算任务，异构计算能够在复杂应用中提供高效的计算性能。    - **应用场景**：主要用于高性能计算、人工智能、深度学习、多媒体处理等需要不同类型计算资源的场景。 ### **总结** 处理器市场上存在多种体系结构，涵盖了从通用计算到专用处理的各个领域。不同的体系结构根据特定的计算需求和应用场景进行了优化。CISC和RISC是两种最主要的通用计算架构，而GPU的SIMD架构则在图形处理和并行计算中占据主导地位。DSP等专用架构在信号处理和嵌入式系统中表现突出，而异构计算架构则结合了多种处理单元以最大化性能和效率。

考题

DSP采用什么结构：哈佛j结构

主频

概括

CPU的工作频率（主频）包括两个部分：外频与倍频，两者的乘积就是主频。 所谓外频，就是外部频率，指的是系统总线频率。倍频的全称是倍频系数，倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。最初CPU主频和系统总线速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就相应产生。它的作用是使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。 本题中外频200MHz，倍频13，所以主频=200MHz*13=2.6GHZo

两部分

外频

倍频

主频=外频 * 倍频

流水线

指令流水线执行时间

指令流水线执行时间计算注意点，1、第一条指令执行时间为各个段执行时间总和，2、非第一条指令执行时间等于各段中执行时间最长的时间

例题详见吞吐率例子

最大吞吐率计算

最大吞吐率

最大吞吐率 = 1/流水线周期时间（最长慢流水线阶段）P(max)

流水线周期时间

流水线周期时间 = 最慢流水线阶段

例题

问：某计算机系统采用5级流水线结构执行指令，设每条指令的执行由取指令（2At）、分析指令（1At）、取操作数（3At）、运算（1At）和写回结果（2At）组成，并分别用5个子部件完成，该流水线的最大吞吐率为（）？ 答：最大吞吐率 = 1/3 指令/At 最大吞吐率计算 •流水线结构：题目提到系统采用5级流水线结构，并且每条指令经过的五个阶段分别为：取指令（IF）、分析指令（ID）、取操作数（OF）、运算（EX）、写回结果（WB）。 •每个阶段的延迟： •IF = 2At •ID = 1At •OF = 3At •EX = 1At •WB = 2At •流水线周期时间：最大吞吐率取决于最慢的流水线阶段，也就是取操作数（OF）阶段所需的时间。 •所以，流水线周期时间 = 3At。 •最大吞吐率：在流水线满负荷运行的情况下，最大吞吐率为1个指令/周期。 •最大吞吐率 = 1 / 流水线周期时间 = 1 / 3At = 1/3 指令/At。

多个指令的吞吐率计算

指令流水线的吞吐率定义为：吞吐率TP=指令数/执行时间。

例题： 注意点，指令流水线执行时间计算注意点，1、第一条指令执行时间为各个段执行时间总和，2、非第一条指令执行时间等于各段中执行时间最长的时间 问：某指令流水线由5段组成，各段所需要的时间如下图所示。At、3At、At、2At 、At连续输入100条指令时的吞吐率为（）。 答：指令流水线的吞吐率定义为：吞吐率TP=指令数/执行时间。 该流水线开始运行后，第二条指令的第一段就与第一条指令的第二段就开始重叠执行。流水线的建立时间为第一条指令的执行时间，此后每3At 就执行完一条指令，因此执行100条指令的时间 # (t+3t+t+2t+t) + (100-1) *3t=305t。

加速比计算

非流水线总执行时间

各阶段之和

流水线执行总时间

假设10条指令，非流水线总执行时间+流水线周期时间 * (10-1)

极速比

加速比 = 非流水线执行时间 / 流水线执行时间

考题

问：某计算机系统采用5级流水线结构执行指令，设每条指令的执行由取指令（2At）、分析指令（1At）、取操作数（3At）、运算（1At）和写回结果（2At）组成，并分别用5个子部件完成。若连续向流水线输入10条指令，则该流水线的加速比为（/）。 答：加速比 = 2.5。 加速比计算 •单流水线执行时间：如果不使用流水线，每条指令执行的总时间为所有阶段的时间之和。 •非流水线总执行时间 = 2At + 1At + 3At + 1At + 2At = 9At。 •流水线执行时间：在使用流水线的情况下，总执行时间由填充阶段的时间（4个阶段的时间）和后续指令的时间（每条指令3At）组成。 •由于第一条指令需要5个阶段完成，因此执行10条指令的流水线总执行时间为：9At + 9 * 3At = 9At + 27At = 36At。 •加速比：加速比 = 非流水线执行时间 / 流水线执行时间 = (10 * 9At) / 36At = 90At / 36At = 5/2 = 2.5。

非流水线时间

流水线时间

第一指令启动阶段需要耗费五个阶段的时间即一条指令的非流水线总时间Sum(P1+...+Pn)

DMA（直接存储器访问）

是什么

DMA方式是一种不经过CPU而直接在外设与内存间进行的数据交换控制方式。在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA 控制器来处理数据的传送，数据传送完之后再把信息反馈给CPU即可。

工作方式

DMA工作方式是在主存和外设之间建立起直接的数据通路。

 RISC（精简指令系统计算机）

特点

RISC的特点是 指令格式少， 寻址方式少且简单。 指令长度固定，指令种类尽量少 增加寄存器数目，以减少访存次数 用硬布线电路实现指令解码，以尽快完成指令译码

输入输出

两种数据传输方式

分类

单缓冲

双缓冲

例题

考点

计算单缓冲花费时间

单缓冲工作原理图

计算双缓冲花费时间

双缓冲工作原理图

例题

例题：某计算机系统输入/输出采用双缓冲工作方式，其工作过程如下图所示，假设磁盘块与缓冲区大小相同，每个盘块读入缓冲区的时间T为10us，缓冲区送用户区的时间M为6us，系统对每个磁盘块数据的处理时间C为2us。若用户需要将大小为10个磁盘块的Docl文件逐块从磁盘读入缓冲区，并送用户区进行处理，那么采用双缓冲需要花费的时间为（）us，比使用单缓冲节约了（）us时间。

问：计算单缓冲花费时间

答：采用单缓冲的工作过程如图（a）所示。当第一块数据送入用户工作区后，缓冲区是空闲的，可以传送第二块数据。这样第一块数据的处理C1与第二块数据的输入T2是可以并行的，依次类推，如图（b）所示。 系统对每一块数据的处理时间为：Max （C,T）+M。因为，当T>C时，处理时间为M+T；当T<C时，处理时间为M+C。本题每一块数据的处理时间为10+6=16，Docl文件的处理时间为16x10+2=162uS，比使用单缓冲节约了162-108=54us时间。

问：计算双缓冲花费时间

答： 双缓冲的工作特点是可以实现对缓冲区中数据的输入T和提取M，与CPU的计算C，三者并行工作。双缓冲的基本工作过程是在设备输入时，先将数据输入到缓冲区1，装满后便转向缓冲区2。所以双缓冲进一步加快了I/O的速度，提高了设备的利用率。 在双缓冲时，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max（C，T）。如果C<T，可使块设备连续输入；如果C>T，则可使系统不必等待设备输入。本题每一块数据的处理时间为10，采用双缓冲需要花费的时间为10×10+6+2=108。

计算过程： 单工：n * (M + Max(C,T)) + Min(C,T) = 10*(6+10)+2=162 双工：M + n * Max(C,T)) + Min(C,T) =6+10*(10)+2=108 162-108=54

分析

已知

CPU计算时间，即数据处理时间2

缓冲区输入时间10

缓冲区提取时间6

数据块数量10

公式

n各数据块处理时间的

单缓冲

n*(M+Max(C,T)+Min(C,T)

10*(6+10)+2=162

双缓冲

M+n*Max(C,T)+Min(C,T)

6+10*10+2=108

嵌入式系统

基础

嵌入式处理器

嵌入式微处理器（MPU）

嵌入式微处理器（MPU）是嵌入式系统硬件层的核心，大多工作在为特定用户群专用设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

微控制器（MCU）

嵌入式微控制器（Embedded MicrocontrollerUnit,EMCU）的典型代表是单片机，单片机从诞生之日起，称为嵌入式微控制器。它体积小，结构紧凑，作为一个部件安装在所控制的装置中，主要执行信号控制的功能。

数字信号处理器（DSP）

数字信号处理器（digital signal processor） 由大规模或超大规模集成电路芯片组成，是用来完成某种信号处理任务的处理器。它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理能力不断提高。

片上系统（SOC）

片上系统（System-on-a-chip）指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，一般包括中央处理器（CPU）、存储器，以及外围电路等。SOC是与其他技术并行发展的，如绝缘硅（SOI），它可以提供增强的时钟频率，从而降低微芯片的功耗。

处理器

类型

Cortex-M3

不具备内存管理单元(MMU)

嵌入式操作系统uc/OS-2，可以在其上运行

软件设计

低功耗控制

软件设计层面的功耗控制主要可以从以下方面展开： 1.软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件的匹配，考虑硬件因素。 2.编译优化，采用低功耗优化的编译技术。 3.减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化。 4.用“中断”代替“查询”。 5.进行电源的有效管理。

板级支持包（BSP）

例题

在嵌入式操作系统中，板级支持包BSP作为对硬件的抽象，实现了硬件有关性，操作系统有关性。

是什么

详

板级支持包（BSP））是介于主板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层，一般认为它属于操作系统一部分，主要是实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好地运行于硬件主板。在嵌入式系统软件的组成中，就有BSP。BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP 相对于某一CPU来说尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的，所以写BSP一定要按照该系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改）。这样才能与上层OS保持正确的接口，良好地支持上层OS。BSP主要功能为屏蔽硬件，提供操作系统及硬件驱动，具体功能包括：1.单板硬件初始化，主要是CPU的初始化，为整个软件系统提供底层硬件支持。2.为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序。3.定制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境。4.初始化操作系统，为操作系统的正常运行做好准备。板级支持包（BSP，也称为硬件抽象层HAL）一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置等功能，它主要具有以下两个特点。①硬件相关性，因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。②操作系统相关性，不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此不同操作系统具有特定的硬件接口形式。

嵌入式操作系统设计

特点

嵌入式操作系统是应用于嵌入式系统，实现软硬件资源的分配，任务调度，控制、协调并发活动等的操作系统软件。 它除了具有一般操作系统最基本的功能如多任务调度、同步机制等之外，通常还会具备以下适用于嵌入式系统的特性： 面向应用，可以进行检查和移植，以支持开放性和可伸缩性的体系结构； 强实时性，以适应各种控制设备及系统； 硬件适用性，对于不同硬件平台提供有效的支持并实现统一的设备驱动接高可靠性，运行时无须用户过多干预，并处理各类事件和故障； 编码体积小，通常会固化在嵌入式系统有限的存储单元中。

用来进行CPU的调试接口：JTAG

JTAG是一个调试接口，用来供开发人员调试 CPU的工作状态。JTAG软件通过该接口控制CPU来调试CPU以及读写Flash。

看门狗

看门狗（WatchDog）是嵌入式系统中一种常用的保证系统可靠性的技术，（看门狗定时超时）会产生看门狗中断。

嵌入式操作系统

分类

RTOS：实时操作系统：Real Time Operation System

1、大多数RTOS调度算法都是抢占方式（可剥夺方式） 2、任务是RTOS中最重要的操作对象，每个任务在RTOS的调度下由CPU分时执行。任务的调度目前主要有时间分片式、轮流查询式和优先抢占式三种，不同的RTOS可能支持其中一种或几种，其中优先抢占式对实时性的支持最好。 在非实时系统中，调度的主要目的是缩短系统平均响应时间，提高系统资源的利用率，或优化某一项指标；而实时系统中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足他们的时间约束，及时对外部请求做出响应。

特点

概：在宿主机上必须采用交叉编译器来生成目标机的可执行代码 详：在嵌入式系统开发中，由于嵌入式设备不具备足够的处理器能力和存储空间，程序开发一般用 PC（宿主机）来完成，然后将可执行文件下载到嵌入式系统（目标机）中运行。 当宿主机与目标机的机器指令不同时，就需要交叉工具链（指编译、汇编、链接等一整套工具）。

硬件抽象层

硬件抽象层是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化。它隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多种平台上进行移植。

嵌入式实时操作系统

一个嵌入式实时操作系统（RTOS）的评价要从很多角度进行，如体系结构、API的丰富程度、网络支持、可靠性等。其中，实时性是RTOS评价的最重要的指标之一，实时性的优劣是用户选择操作系统的一个重要参考。 严格地说，影响嵌入式操作系统实时性的因素有很多，如常用系统调用平均运行时间、任务切换时间、线程切换时间、信号量混洗时间（指从一个任务释放信号量到另一个等待该信号量的任务被激活的时间延迟）、中断响应时间等。 任务执行时间不是反映RTOS实时性的评价指标。

磁盘阵列

RAID5

是什么

RAID 5（独立磁盘冗余阵列 5）是一种常见的存储技术，利用分布式奇偶校验来实现数据的冗余和故障恢复。它能够在多块硬盘中同时存储数据和奇偶校验信息，即使其中一块硬盘故障，数据仍然可以通过奇偶校验信息进行恢复。

工作原理

特点

RAID 5（独立磁盘冗余阵列 5）是一种常见的存储技术，利用分布式奇偶校验来实现数据的冗余和故障恢复。它能够在多块硬盘中同时存储数据和奇偶校验信息，即使其中一块硬盘故障，数据仍然可以通过奇偶校验信息进行恢复。 ### RAID 5 的特点： 1. **数据分布与奇偶校验**：RAID 5 将数据分成块，并将这些数据块和奇偶校验信息分布存储在多个磁盘上。奇偶校验信息不是集中存储在某一块磁盘上，而是分布在所有磁盘中，从而避免了单点故障。 2. **最低需求**：RAID 5 至少需要三块硬盘才能实现。一般情况下，n块硬盘中的 (n-1) 块用于存储数据，剩下的一块硬盘相当于奇偶校验信息。 3. **冗余与容错**：如果任意一块硬盘发生故障，RAID 5 能够利用剩余的硬盘数据和奇偶校验信息重新构建丢失的数据。这种设计保证了系统的容错能力。 4. **性能与容量**：RAID 5 具有较好的读取性能，因为数据分布在多个硬盘上，允许并行读取。写入性能则略低，因为每次写入数据时都需要计算和写入奇偶校验信息。RAID 5 的有效存储容量为硬盘总容量减去一块硬盘的容量。 ### RAID 5 的优势： - **容错能力**：任意一块硬盘发生故障时，数据不会丢失，可以通过奇偶校验重建数据。 - **空间利用率较高**：相比 RAID 1（镜像），RAID 5 的空间利用率高得多，因为只浪费了一块硬盘的空间用于奇偶校验。 ### RAID 5 的缺点： - **重建时间长**：如果某块硬盘出现故障，重建数据的过程可能耗时较长，尤其是当硬盘容量较大时，恢复时间会更长。 - **性能影响**：写入操作由于需要更新奇偶校验，性能相对较低，尤其是高写入场景时。 ### 使用场景： RAID 5 通常适用于需要一定容错能力和存储效率的应用场景，如文件服务器、数据库服务器和企业存储系统，尤其是以读取为主的环境。 尽管 RAID 5 提供了较好的容错能力，但在现代环境下，随着数据量的增加和硬盘容量的提高，许多企业更倾向于选择 RAID 6 或其他更加健壮的存储方案来提高数据安全性。

RAID5阵列容量计算公式：

当N块磁盘组成阵列，阵列容量 = (N-1) * Max(size1,size2,...,sizeN)

例题

假如有3块容量是80G的硬盘做RAID5阵列，则这个RAID 5的容量是（）； 答：160G 而如果有2块80G的盘和1块40G的盘，此时RAID 5的容量是（）。 答：80G

计算机的分级存储体系

例题

问：计算机为什么要采用分级存储体系？（即采用这种体系的目的是什么）答：为了解決存储的容量、价格和速度之间的矛盾。

是什么

存储体系结构包括不同层次上的存储器，通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系结构。例如，田高速缓存（Cache）、主存储器（MM）和辅助存储器构成的3层存储器层次结构存如下图所示。接近CPU的存储器容量更小、速度更快、成本更高，辅存容量大、速度慢，价格低。采用分级存储体系的目的是解決存储的容量、价格和速度之间的矛盾

**计算机分级存储体系**（Hierarchical Storage System）是指通过将不同存储介质按速度、容量、成本和存取频率等特性进行分级，从而构建一个高效、经济的存储系统。分级存储的基本理念是将最常访问的数据存放在速度最快的存储介质上，而较少访问的数据存放在较慢但容量更大且成本较低的存储设备上。这个存储体系旨在优化存储性能和成本之间的平衡。 ### 分级存储体系的层级通常如下： 1. **寄存器（Register）**    - **位置**：最接近 CPU    - **速度**：最快    - **容量**：最小（一般为几百字节到几千字节）    - **特性**：寄存器是 CPU 内部的高速存储单元，用于暂存即将被处理的数据和指令。由于寄存器直接与 CPU 打交道，速度极快，适用于存放当前操作数或指令。 2. **一级缓存（L1 Cache）**    - **位置**：通常集成在 CPU 内核中    - **速度**：非常快    - **容量**：较小（一般为数十 KB）    - **特性**：一级缓存存储 CPU 最近使用的指令和数据，避免频繁访问主存。它有助于减少 CPU 和内存之间的等待时间。 3. **二级缓存（L2 Cache）**    - **位置**：与 CPU 同一封装，可能与内核分离    - **速度**：较快    - **容量**：比一级缓存大（一般为几百 KB 到数 MB）    - **特性**：二级缓存作为一级缓存的扩展，用于缓存一级缓存未命中的数据。其作用是提高数据访问速度，避免过多访问主存。 4. **三级缓存（L3 Cache）**    - **位置**：通常位于多核 CPU 的共享缓存中    - **速度**：略慢于二级缓存，但仍非常快    - **容量**：大于一级、二级缓存（通常为数 MB 到几十 MB）    - **特性**：三级缓存是多个 CPU 核心共享的缓存，进一步减少对主存的访问次数，提高整体系统性能。 5. **主存（RAM，内存）**    - **位置**：位于主板上，连接 CPU    - **速度**：比缓存慢，但仍相对较快    - **容量**：中等（GB 级别）    - **特性**：主存储器用于存放程序和数据，CPU 需要通过总线与主存进行通信。虽然主存的访问速度相对于缓存慢，但容量远大于缓存，适合存储当前正在运行的程序和大量临时数据。 6. **固态硬盘（SSD）/硬盘（HDD）**    - **位置**：系统的二级存储设备    - **速度**：SSD 快于 HDD，HDD 较慢    - **容量**：大（GB 到 TB 级别）    - **特性**：SSD 和 HDD 作为外部存储设备，通常用于存储操作系统、程序、用户数据等。SSD 的速度比传统 HDD 快得多，但 HDD 的成本更低，容量更大。 7. **远程存储或云存储**    - **位置**：位于网络中的远程服务器或数据中心    - **速度**：取决于网络带宽和延迟，通常较慢    - **容量**：几乎无限（TB 到 PB 级别）    - **特性**：远程或云存储通常用于存放不常访问的冷数据，备份数据或归档。由于其容量几乎无限，适合大规模数据存储，但访问速度比本地存储慢。 8. **磁带库（Tape Storage）/离线存储**    - **位置**：外部、离线设备    - **速度**：最慢    - **容量**：大（PB 级别）    - **特性**：磁带库和其他离线存储通常用于长时间的归档和备份。它们的成本最低，适合存储不常用的历史数据，但访问速度非常慢，需要手动或机械装置访问。 ### 分级存储的作用： - **提高性能**：通过将高频访问的数据存放在速度更快的存储设备上，减少数据访问延迟，从而提高系统整体性能。 - **降低成本**：存储层级越高，存储设备的速度越慢但容量越大、成本越低。因此，合理分配数据可以降低存储系统的整体成本。 - **优化资源利用**：分级存储体系能够根据数据的使用频率和重要性，将数据动态迁移到合适的存储层级上，最大化利用存储资源。 这种分级存储体系将存储介质的性能与数据访问的需求相匹配，帮助计算机系统在性能、容量、成本之间取得平衡。

计算机

分类

按照指令集的复杂程度

复杂指令集计算机 CISC Complex Instruction Set Computer

一般而言，采用CISC技术的CPU，其芯片设计复杂度更高

精简指令集计算机 RISC Reduced Instruction Set Computer

采用RISC技术，指令系统中的指令种类和寻址方式更少

在RISC中，更适合采用硬布线逻辑执行指令

Cache

Cache的设计思想是在合理的成本下提高命中率

详细介绍

在计算机系统中，常选用生产与运行成本、存储容量和读写速度各不相同的多种存储介质，组成一个统一管理的存储器系统，使每种介质充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，满足使用要求。 高速缓存Cache用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本，其特点是：容量一般在几KB到几MB之间；速度一般比主存快5到 10倍，由快速半导体存储器构成；其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。 替换算法的目标就是使Cache获得最高的命中率。常用算法有随机替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法和优化替换算法。 Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标，但不是最主要的指标。Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。Cache的命中率与Cache容量的关系是：Cache容量越大，则命中率越高，随着Cache容量的增加，其命中率逐渐接近100%。但是增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。

虚拟存储器

虚拟存储器发生页面失效时，需要进行外部地址变换，即实现（虚地址到辅存物理地址）的变换。

总线

挂接在总线上的多个部件（只能分时向总线发送数据，但可同时从总线接收数据）

计算机执行程序时，在一个指令周期的过程中，为了能够从内存中读指令操作码，首先是将（程序计数器（PC））的内容送到地址总线上。

程序计数器：保存着当前正在执行指令的内存地址

详

**程序计数器**（Program Counter，简称 PC），是一种用于存储当前执行指令的内存地址的寄存器。它在计算机体系结构中起着关键作用，尤其是在指令执行过程中的控制流管理。程序计数器的主要功能包括以下几个方面： 1. **跟踪当前执行的指令**：    程序计数器保存着当前正在执行指令的内存地址。当 CPU 执行指令时，它会从程序计数器中读取当前指令的地址，从内存中取出该指令并执行。 2. **控制指令的顺序执行**：    每执行完一条指令后，程序计数器会自动增加，指向下一条指令的地址。这样，CPU 就可以按照程序编写的顺序执行指令。 3. **跳转与分支控制**：    在执行跳转指令（如 `goto`、`call`、`branch` 等）时，程序计数器会根据这些指令将其值修改为新的目标地址，从而实现程序的跳转或函数调用。 4. **中断处理**：    当发生中断时，程序计数器的值会被保存，以便在处理完中断后可以恢复原程序的执行，从程序中断的地方继续执行。 简单来说，程序计数器的主要作用就是指示 CPU 当前要执行哪一条指令，并控制程序的执行流程。

半双工总线可在两个方向上轮流传输信息，全双工总线可在两个方向上同时传输信息

内存

题型：指定容量的内存，使用指定的存储器芯片进行存储，需要的存储器的片数

例题

内存按字节编址，利用8KX4b的存储器芯片构成84000H到8FFFFH的内存，共需（12）片。

计算方法一 多少个单元：8FFFFH-84000H + 1=C000H=12*16^3=49,152个单元， 总容量：即49,152B=48KB 单个芯片大小：8KX4b=8KX0.5B=4KB 片数=总量/单个芯片的容量=48KB/4KB=12片 计算方法二 多少个单元：8FFFFH-84000H + 1=C000H=12*16^3=12*(2^4)^3个单元=12*(2^4*4)个单元=12*2^12个单元 总容量：即12*2^12X8b 单个芯片大小：8KX4b=4KX8b=4*2^10X8b=2^12X8b 片数=总量/单个芯片的容量=12*2^12X8b/1*2^12X8b=12片

磁盘

磁盘读取数据块所需时间

例题

某磁盘磁头从一个磁道移至另一个磁道需要10ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均移动距离为10个磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和2ms，则读取一个100块的文件需要（20200）ms的时间。

解： 每块换道时间：10*10ms=100ms 每块旋转延迟时间：100ms 每块传输时间：2ms 每块所需时间(100+100+2)ms=202ms 100块文件所需的时间=100*202ms=20200ms

计算机系统

计算机系统中同步和异步的场景

异步

I/O接口与打印机交换信息则通常采用基于缓存池的异步方式。

同步

CPU访问内存通常是同步方式； CPU与1/0接口交换信息通常是同步方式； CPU与PCI总线交换信息通常是同步方式；

输入输出方式