002--软考程序员之硬件组成原理
硬件组成原理
一． 数据识别
- 整数的识别方式
1) 原码（8位机为例）
A. 组成：最高位为符号位，剩余位表示数据，符号位0表示正数；1表示负数
B. 例如：00001111（原）15（D）
10101010（原） -42（D）
C. 特点
a) 原码区分正负零（缺点）
例：+0（D）:0000 0000（原）
-0（D）：1000 0000（原）
b) 运算算数运算出错
例：1+（- 1）= 0000 0001
+ 1000 0001
———————–
1000 0010（原）（-2）错误
c) 8位机：正数0000 0000 ~ 0111 1111
0 ~ 127
负数1000 0000~1111 1111
-0 ~ -127
所以[-127 ，127]
d) 16位机：[-32787 ，32787]
e) 32位机：[-2147483647 ，2147483647]
f) n位机：[- (2n – 1 - 1) , 2n – 1 - 1]
2) 补码
A. 组成：最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，正数补码与原码相同，负数补码为符号位为1，剩余位按位取反，末位加1
B. 例： （12 - 14）（补）
= 12（补）+（-14）（补）
=0000 1100 + 1111 0010
=1000 0010（原）
= -2（D）
C. 特点
a) 不区分正负零（优点）
+ 0 0000 0000（补）
-0 0000 0000（补）
b) 范围
n位机：[ - 2 n-1 ，2 n-1 - 1]
c) 计算机中所有整数都使用补码表示
3) 反码
A. 组成
a) 正数：反码 = 原码
b) 负数：原码最高位为1，剩余位按位取反
B. 反码所有特点，同原码
4) 移码
A. 组成：正数及负数先转换为补码，再符号位取反
B. 例：-104（D）
= 11101000（原）
= 10010111 + 1
= 10011000（补）
= 00011000（移）
C. 作用：移码用于表示浮点数中的阶码，又称为偏移量
D. 特点：移码与补码相似
例：3.1415926*************
0.3141 * 101 - 数的分类
1) 定点数
A. 定点整数：小数点位于所有有效位之后，如123
B. 定点小数：小数点位于所有有效位之前，如.123
C. 例：
a) 有8位二进制1111 1111采用不同编码及不同小数点时，其十进制为多少？
1111 1111.（原 定点整数）：-127
1111 1111.（补 定点整数）：-1
1111 1111.（移 定点整数）：127
1.111 1111（原 定点小数）：-127/128
1.111 1111（补 定点小数）：-1/128
1.111 1111（移 定点小数）：127/128
2) 浮点数
A. 概念：小数点位置变化移动
B. 表示：
a) 一般表示：3.14 0.123 36.98
b) 科学计数法：3.14*102 - 浮点数的规格化
1) IEEE754浮点数规格化标准（32位）：浮点数二进制总长32b，数符占1位，阶码共占8位，使用移码表示，偏移量+127，尾数占23位，使用原码表示，并设置为1.***结构且省略整数1
2) 结构
0 1 8 9 31
数符 阶码 尾数
3) 分析
A. 数符：浮点数的符号位，0表示正数，1表示负数
B. 阶码：决定浮点数的范围（大小）
C. 尾数：决定浮点数的精确度
4) 规格化过程
A. 例1：使用IEEE754标准规格化浮点数123.75
a) 将123.75转化为二进制
1231111011
.75.11
123.751111011.11
b) 将1111011.11转化为定点小数1.11101111*26
c) 省略整数1后为.11101111*26
d) 数符：0
阶码：6（D）0000 0110（B）1000 0110（移）1000 0110（移）- 1 = 1000 0101（移）
因为偏移量要+127，所以符号位取反后末尾减1，即 + 127了
e) 尾数1.11101111变为.**结构后为.11101111，
补齐23位， .1110 1111 0000 0000 0000 000
识别方式为原码：1110 1111 0000 0000 0000 000
f) 结果：010000101 11101111000000000000000
B. 例二：对 -63.125进行IEEE754规格化
a) 63.125 111111.001
b) 111111.001转化为定点小数（1.**）：
1.11111001 * 25
c) 数符：1
d) 阶码：5 0000 0101 10000100（移）
e) 尾数：省略整数1为（27位）11111001000000000000000
f) 11000010011111001000000000000000
g) 例：x = -53/64，采用8位定点机器码表示，则x（原），x（补）为多少？
解：x = -53/64 = -106/128 111.01010（原） 10010110（补） - 逻辑运算
1) 逻辑与运算
A. 符号：AND、∩、∧
B. 又称为逻辑乘
C. 作用
a) 置为全0操作：A•0
b) 将二进制部分置为0：将任意数（8位）高4位置为0应执行A•00001111
2) 逻辑或运算
A. 符号：OR、∨、∪、+
B. 又称逻辑加运算
C. 作用：将二进制置为全1：A + 1
3) 异或运算
A. 符号：XOR
B. 又称为半加运算
C. 规则：相同为0，不同为1
D. 作用：测试内存中二进制的值是否相等
4) 取反运算
A. 符号：NOT、A
B. 单目运算符
C. 注意：优先级最高
5) 真值表
A B A
B
A•B AB A + B A+AB
0 0 1 1 0 0 0 0
0 1 1 0 0 1 1 0
1 0 0 1 0 1 1 1
1 1 0 0 1 0 1 1
5. 校验码
1) 作用
A. 增加数据的自校验能力
B. 增加硬件的兼容性及容错能力
C. 保证程序的健壮性
2) 奇偶校验
A. 原则：在数据编码的首部增加一位校验位，只保证整个二进制校验编码中1的个数为奇数个或偶数个
B. 奇校验
a) 形式：编码中二进制1的个数为奇数个
b) 例如：二进制编码0110110的奇校验：10110110
1100111的奇校验：01100111
C. 偶校验
a) 形式：编码中二进制1的个数为偶数个
b) 例如：1110110的偶校验为：11110110
0110011的偶校验为00110011
D. 特点
a) 由于偶校验会出现全0的编码，则奇校验较为常用，一般用于内存设备的数据
b) 奇偶校验只能检错，不能纠错，即不知道出错位置，且偶数个位出错无法检错
例如：原编码 奇校验 10001100
结果编码 奇校验 10111100
3) 海明码（汉明码）（贝尔实验室发明）
A. 原则：在m位数据中交叉引入k位校验位，组成m + k位海明编码
B. 校验位计算公式：m + k + 1 < 2k
例：12位数据位使用 5 位校验位进行海明码校验
解：因为：12 + k + 1 < 2k km = 5
C. 分析数据0110 1001海明校验过程
a) 已知8位数据，则最少使用4位校验位
b) 校验放置位置原则：放置在海明码的2n（n = 0,1,2…….11）结果位置上
P1位置：20 放置在第1位
P2位置：21 放置在第2位
P3位置：22 放置在第4位
P4位置：23 放置在第8位
海明伪代码（D为数据位，P为校验位）
0 1 1 0 1 0 0 1
D7 D6 D5 D4 P4 D3 D2 D1 P3 D0 P2 P1
12位 11位 10位 9位 8位 7位 6位 5位 4位 3位 2位 1位
c) 校验位值计算
方法一：列表法
P4 P3 P2 P1
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
10 1 0 1 0
11 1 0 1 1
12 1 1 0 0
P1的校验对象：D0、D1、D3、D4、D6
P2的校验对象：D0、D2、D3、D5、D6
P3的校验对象：D1、D2、D3、D7
P1的校验对象：D4、D5、D6、D7
校验位的值：是其校验对象异或的结果
P1 = D0 D1 D3 D4 D6
= 1 0 1 0 1 = 1
P2 = D0 D2 D3 D5 D6
= 1 0 1 1 1 = 0
P3 = D1 D2 D3 D7
= 0 0 1 0 = 1
P4 = D4 D5 D6 D7
= 0 1 1 0 = 0
方法二：第i位校验位连续校验i位，跳跃i位，在连续检验i位……以此类推（i位海明编码的位数从1开始）
d) 海明编码结果：011001001101
D. 特点
a) 海明码既能检错，又能完成纠错
b) 海明码处理效率相对较低，但校验能力较强
4) CRC循环校验
A. 原则：使用r位校验位补在k位数据位之后，组成K+r位CRC检验码
B. 校验位的计算原则：根据多项式结果进行计算
a) 多项式
作用：使计算还原校验位的依据
例如：G（x）= x31 + x30 + …… + x1 + x0
b) 多项式二进制值计算
多项式中必须包括最高权值和最低权值
例：G（x）= x6 + x5 + x2 + 11100101
二进制计算原则：x出现为1，省略为0
例：G（x）= x5 + x3 + x + 1
其多项式二进制为：101011
C. 特点
a) CRC校验只能实现检错，不能实现纠错
b) CRC校验一般用于网络通信系统的数据校验
5) 校验算法的检验能力依赖关系
A. 码距：正确编码系统中两两一组比对不同二进制个数的最小值
码距越大，出错后，错误编码和原编码相同的几率就越低
B. 校验算法的校验能力依赖于编码的码距大小，码距越大，校验能力越强
二． 计算机原理
总线（Bus）
1) 概念：数据通信系统中的公共信息线
2) 分类：
A. 按层次划分
a) 芯片级总线：芯片内部的信号线（CPU、GPU）
b) 元器件级总线：小型板卡中的总线（NIC）
c) 内总线：主板中的总线系统（系统总线）
d) 外总线：连接外部设备的总线（USB：通用串行外部总线）
B. 按传输内容划分
a) 数据总线（DB）
作用：传输数据，其位宽决定一次性通过的二进制位数
注意：数据总线的位宽由CPU的字长决定
例：64位的CPU：指CPU的字长为64
b) 地址总线（AB）
作用：传输内存等设备的空间地址
公式：2n = 容量 （n为AB的位数）
二位二进制00, 01, 10, 114个空间
四位二进制……………………16个空间
32位二进制………………….可以访问232个空间
地址总线宽度决定了内存寻址空间的大小
例：某存储空间描述为32*64M则该存储空间的DB宽度为: 32b ，AB宽度为： 26b
c) 控制总线（CB）
C. 按照工作方式分类
a) 串型总线：适用于远距离，低速率的外部设备
b) 并型总线：适用于近距离，高速率的内部设备
3) 内总线
A. 又称主板总线（系统总线），工作在设备内部主板中
B. 实例：PCI总线
4) 外总线：
A. 连接外部设备的总线
B. 实例：
a) USB（通用串型总线）
版本：USB1.1、USB 2.0、USB3.0（5G5Gbps）
工作原理：+5 data 地
b) IEEE1394火线：传输速率稳定（800M/400M）CPU
1) 作用：CPU用于运算及控制
2) 分析
A. 运算：运算算术运算及逻辑运算（+，-，*，/，%，&&，||，！）
B. 指令的控制
C. 时序控制：指令执行的先后次序
D. 操作控制
3) 组成
A. 运算器（ALU）：算术逻辑运算单元
B. 控制器
C. 寄存器
D. 内部总线（芯片级的
4) 控制器
A. 作用：控制器是CPU进行处理的决策机构
B. 组成：产生动作
C. 分析
a) 指令寄存器：暂存正在执行的指令
b) 指令译码器：对指令进行格式变换，并对其进行分析
c) 时序部件：存储指令执行的先后次序
d) 状态寄存器：存储状态字（如溢出、进位、借位等）
e) 程序计数器：
记录指令执行条数，每执行一条指令加1（计数器）
存储下一条执行指令的地址（重要）
存储中断恢复时的入口地址
f) 微操作发生部件：根据相关信息汇总后，产生执行动作
5) 寄存器
A. 数据类寄存器：累加器
B. 通用寄存器：是唯一一个向程序员用户开放的CPU内部寄存器
C. 地址类寄存器：地址寄存器、PC
D. 状态寄存器：PSW
6) CPU的流水线技术
A. 本质：流水线技术是一种并发执行技术（其实是交替服务，不是同时进行）
B. 串型执行
a) 图：
取址分析执行下一条取址…….
b) 串型执行总时间：每条指令花费时间 * 指令条数
C. 并型执行
a) 图：
指令1: 取址分析执行
指令2: 取址分析执行
指令3： 取址分析执行
b) 执行时形成局部时间重叠
D. 并发执行的时间计算
并发流水线总时间 = 第一条指令执行的全部时间 + （n - 1）* 最大时间间隔
7) CPU的指令集系统
A. CISC指令集
a) 复杂指令集计算系统
b) CISC是早期奔腾CPU的指令集
c) CISC指令集指令条数多，指令种类多（200条以上）
d) 指令集执行效率较低
B. RISC指令集
a) 精简指令集计算系统
b) RISC是对CISC的数量种类的精简（100条以下）
c) RISC支持对大存储器的读取、写入
C. EPIC指令集
a) 简明并型指令集计算机系统
b) 主要针对服务器级别的CPU支持
8) CPU时钟周期计算
A. 时钟周期 = 1 / 时钟频率 （单位：ns）
B. 机器周期 = 时钟周期 * 包含个数
C. 指令周期 = 机器周期 * 包含个数
D. 注意：时钟周期 < 机器周期 < 指令周期（指令周期是指执行一条指令花费的时间）
E. 平均指令执行速率 = 1 / 指令周期（单位：MIPS 即百万指令每秒）
F. 例：某计算机系统中CPU的主频频率为200MHZ，每个机器周期执行2个时钟周期的任务，平均3个机器周期完成一条指令，则时钟周期为多少？平均运算速度为多少？（主振频率 = 时钟频率）
解：时钟周期 = 1 / 200MHZ = 0.005μs = 5ns
机器周期 = 5 * 2 = 10ns
指令周期 = 10 * 3 = 30ns
平均运算速度 = 1 / 30ns = 33.3MIPS
G. 注意：平均浮点指令执行速度：MFLOPS（每秒执行百万浮点指令）存储系统
1) 存储系统组成
A. 图
内存（主存）（DRAM）缓存（SRAM）
辅存
外存（硬盘）
B. 内存
a) DRAM：动态随机读写存储器需要周期性的刷新，才能维持数据的存在，速度相对较慢，价格相对较低
b) SRAM：静态随机读写存储器（缓存），速度快，价格相对较高
C. ROM
a) EPROM：可擦除的只读存储器，只能一次写入（特殊波长的紫外线照20分钟，即可完成擦除）
b) EEPROM：电可擦除的只读存储器，是flash rom的前身
2) 内存（内部存储器）也称为主存
A. 作用：存储正在执行的数据，与CPU直接向联系
B. 组成
a) 地址寄存器（AR）：存储访问单元的地址
b) 地址译码器（AD）：地址格式变换，并根据地址寄存器中的值访问，选取内存空间
c) 存储空间：一维线性存储结构，按字节编址
d) 数据寄存器：存取读取的数据
e) 地址总线（ AB）与数据总线（DB）
C. 内存芯片片数计算
a) 内存设备是由一片或多片内存芯片联合构成
b) 内存存储空间计算
公式：空间容量 = （末地址 – 首地址） + 1
内存编址原则：按字节编址、按字编址
字节 = 8位二进制，为内存基本编址单元
字：由多个字节构成，CPU字长为32位，那么一字 = 4B，即与CPU字长有关
若CPU为16位，那么1字 = 2B
若CPU为64位，那么1字 = 8B
c) 内存芯片片数 = W / w * B / b
W:内存设备一个word字个数（word字：存储空间）
B：内存设备一个word字占用二进制位数
w：内存芯片word字个数
b：内存芯片一个word字占用二进制位数
d) 例一：内存设备按字节编址，地址范围从44000H至6BFFFH结束，若使用16K * 8b的内存芯片，则内存存储空间是多少？使用该芯片需要多少片？
解：存储空间 = 1 +（6BFFF - 44000）H = 28000H = 10 1000 0000 0000 0000B = 160K
片数 = 160K / 16K = 10（片）
e) 例二：内存设备按字节编址，地址范围从7FFFFH至A0000H,内存设备存储容量为多少？
解：存储空间 = （A0000 – 7FFFF）+ 1 = 2002H = 10 0000 0000 0000 0010B = 217 + 2
f) 例三：内存设备按字编码，CPU字长32b，内存存储容量为1GB，则可编址单元数是多少？
解：由于CPU字长为32b，1字 = 4B
1GB = 230
所以存储空间：230 / 22 = 228 = 256M字
地址范围： 因为（Y – X）+ 1 = 228
Y – 0000000 = 10000000H – 1
解得 X= 0000000
Y = FFFFFFF
3) cache（缓存）
A. 作用：位于内存与CPU之间的一种小容量的高速缓冲存储器，用于缓解CPU与内存的速度的差异性
B. 特点
a) 容量小：几个字节 ~ 几个MB
b) 速度快
c) 造价高
d) 缓存存储内存常用数据的副本
e) 命中率：处理一段数据时，CPU访问缓存次数在总访问次数中占有的比率
f) 例如：某计算机CPU访问处理一段指令时，访问内存200次，访问cache3800次，则命中率为多大？
解：命中率 = 3800 /（3800 + 200）= 0.95 = 95%
g) 若某设备命中率为100%，则说明缓存设备容量等于内存设备容量（不会出现）
4) 外存（硬盘）
A. 概念：大容量，永久性的外部存储设备
B. 参数：
a) 道密度：磁道半径方向的磁道个数（单位：道 / 毫米）
b) 位密度：磁盘周长方向存储二进制位数（单位：位 / 毫米），虽然每个磁道的周长不同，但是其存储容量却是相同的，因此，同一个磁盘每个磁道的位密度都是不相同的。最内圈的位密度称为最大位密度
c) 磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分，一般情况下，磁盘容量指的是格式化容量
d) 格式化容量 = （磁道数 * 扇区数 * 每扇区存储字节数）* 记录面数
非格式化容量 = 位密度 * 内圈磁道周长 * 每个记录面的磁道数 * 记录面数
例一：某计算机硬盘外直径30cm，内直径20cm，道密度为：10道 / 毫米，每个磁道拥有64个扇区，每个扇区存储1KB信息，该硬盘共拥有5个盘体，问：存储容量为多少？
解：一个记录面的存储容量：
（30 - 20）/ 2 * 10 * 10 * 64 * 1KB = 32000KB = 31.25MB
硬盘容量 = 31.25 （5 2 – 2）= 250MB
注意：多盘体组成的硬件，最上层和最下层记录面不存数据，是保护层
e) 转速：磁盘每分钟旋转速度（RPM） 台式机：7200rpm 笔记本：5400rpm
例如：上例中，若转速为7200rpm，则该硬盘的数据传输速率为多少？
解：数据传输速率 = 磁道数 * 扇区数 * 每一扇区存储字节数 * 转速（单位：MB / s）
速率 =（30 - 20）/ 2 * 10 * 10 * 64 * 1KB * 7200 = 230400000KB / min = 3750MB / s
f) 平均寻道时间：磁头移动到目标磁道上方所花费的时间（单位:ms），由驱动器的性能决定，是个常数，由厂家给出。等待时间是指等待读写的扇区旋转到磁头下方所用时间，一般选用磁道旋转一周所用的时间的一半作为平均等待时间。提高磁盘转速缩短的是平均等待时间
C. 磁盘逻辑结构图
主分区（C盘）
存储空间 逻辑分区1（D盘）扩展分区 逻辑分区2（E盘）逻辑分区n最多到Z盘
- 接口技术
1) 作用：
A. 提供物理插拔接口
B. 提供缓存
C. 提供驱动（程序，供电）
D. 提供数据格式转换
E. 提供CPU控制外设的方式
F. 提供纠错等简单的检验机制
2) 分类
A. 同步接口：接收与发送方同时按照一个时钟周期进行处理（内部设备）
B. 异步接口：一方不确定的发送，另一方随时等待接受（外部设备）
C. 串型或并型接口
3) CPU控制外设的方式
A. 程序查询方式
a) 过程：CPU通过轮询的方式逐一查询外设的准备情况，若准备完毕则立刻控制传输
b) 特点：
通过软件来实现外设控制
CPU利用率较低
是一种主动的查询
B. 中断方式
a) 概念：CPU处理程序时，有外部事件的发生，则CPU暂时中断当前程序处理，从而转向外部事件的执行，完毕后，回到原中断处继续向下执行
b) 过程：
保存现场（保存现场的花费时间叫中断响应时间，时间越小，效率越高）
中断转移（处理外部事件）
恢复现场
C. DMA直接存储器控制方式
a) 作用：通过增加DMAC控制芯片来完成控制外设与内存的数据传输
b) 特点
使用硬件来完成
CPU利用率最高
产品设备造价较高
CPU不参与外设的控制
三． 指令系统 - 格式
1) 图
操作码 操作数地址码
2) 操作码：表示指令的功能（二进制）若使用n为二进制表示指令操作码，则可表示2n条不同的指令
3) 操作数地址码：操作数的值、操作数的地址、结果存放地址 - 寻址方式
1) 概念：如何提供操作数或操作数地址的方式
2) 操作数存储位置
A. 寄存器
B. 内存
C. 外部设备文件
3) 常见寻址方式
A. 立即寻址：操作数存储在指令地址码字段中
B. 寄存器寻址：操作数存储在寄存器中，地址码字段中存储寄存器地址
C. 直接寻址：操作数存储在内存中，地址码字段存储某个内存单元的地址
D. 寄存器间接寻址：操作数存储在内存中，某内存单元地址存储在寄存器中，该寄存器地址存储在地址码字段中
E. 间接寻址：操作数存储在内存第一段空间中，该空间地址存在内存第二段空间中，该空间地址存在指令地址码字段中
操作系统
一． 操作系统
1. 概念：操作系统是一种系统软件，运行于硬件层之上，主要完成计算机软硬件的管理，并向用户提供使用界面
2. 分析
1) 软件分类
A. 系统软件：操作系统
B. 应用软件：独立功能
C. 支撑软件：开发软件的工具软件（VC++6.0）
2) 管理对象
A. 软件资源：软件安装、卸载、使用、升级等
B. 硬件资源：CPU运行时间片管理、内存存储空间管理
3. 操作系统任务
1) 进程管理：CPU运行时间、进程通信等
2) 内存管理：内存的管理方式（分页、分段、段页）
3) 文件管理：管理磁盘的存储文件（目录）
4) 设备管理：管理计算机外设（识别、驱动、控制等）
4. 操作系统的安装
1) Window：95/98、me、XP、vista、7、8、10
2) Linux：内核 + 第三方软件
A. Redhat：企业首选
B. Centos：企业和学习首选（免费）
C. Ubuntu（乌班图）：基于Debian的桌面版
D. 中标麒麟（中国）
E. Fedora：Redhat的新技术体验版
二． 进程管理
1. 进程管理
1) 进程的概念：正在执行的程序称为进程
2) 程序：静态，执行会有结果
进程：动态，正在执行
3) 组成
A. 进程名：见名知意
B. PCB：进程控制块（控制模块）
a) 进程现场信息
b) 进程PCB控制信息
c) 进程的通信信息
C. 程序：进程执行的功能
D. 数据：进程执行时运算对象
2. 进程的三态转换
1) 概念：
A. 运行：正在运行
B. 就绪状态：除CPU资源，其他资源已全部获得，等待被调度执行
C. 阻塞（等待）：需要较多资源，一般为：需I/O时执行了P操作时会变为阻塞状态
2) 三态转换图
A. 图
CPU时间片
I/O结束
等待调度
需I/O
B. 注意：
a) 就绪 阻塞
b) 阻塞 运行
3) 五态转换图
CPU时间片
I/O结束等待调度 释放资源
需I/O
- 进程通信
1) 进程间关系
A. 互斥关系：多个进程之间存在资源争用性，资源所属必须唯一性
P1 P2
B. 同步关系：代表多个进程之间的的协同工作关系，进程间有必要的消息通信
P1 P2
消息
2) P,V,S信息量机制
A. 作用：解决进程间同步和互斥
B. 组成
a) P操作、V操作
b) S信号量是一个整形变量，并附带一个等待队列
C. P操作
a) 格式：P（S）
b) 意义：申请资源，即执行：S = S – 1
c) 若S > 0表示剩余资源数
d) 若S == 0表示无空间资源
e) S < 0其绝对值表示等待队列中的等待进程数，当前无空闲资源
D. V操作
a) 格式：V（S）
b) 意义：释放资源，即执行：S = S + 1
c) 若S > 0表示空间资源数
d) 若S <= 0表示释放一个资源，并分配给等待队列中第一个等待进程，其开始执行，当前绝对值表示等待进程数
E. 信号量S表示范围
a) 公式：[-(n - s), s]
b) 分析：n表示进程数，S表示信号量的初值
c) 例如：由6个并发进程需执行，信号量初值是4，则信号量表示范围[ - (6 - 4) , 4 ]
F. 使用PVS信号量机制描述进程的互斥
P1 s=1 P2
P（S）
V（S）
P（S）
V（S）
互斥
G. 使用PVS信号量机制描述进程的同步
a) 例：生产者 – 消费者问题
生产者P1生产产品，消费者P2消费产品。现今状态为：生产者生产产品送入缓冲区，消费者从缓冲区中取出产品进行消费，使用PVS描述控制过程
生产者P1————————————消费者P2
生产产品————————————-等待
P（S1）S1=0占用 ————————————P(S2) S2=-1等待
送入产品————————————-等待
V（S2）S2=0，P2执行———————————取产品
等待————————————-V（S1）S1=1
P1 P2
P2 P1
P1 P2
P（S1）
V（S2）
P（S2）
V（S1）
同步
H. 注意
a) 进程间同步互斥的区别
互斥：同一个进程中，P与V操作成对出现
同步：两个进程中，P与V操作交叉成对出现
b) 进程信号量S设置必须准确，如进程互斥中S = 0，则出现两个进程都进入等待状态，而双方都在等待对方释放资源，该状态称为死锁
4. 进程的死锁
1) 概念：两个及两个以上的进程双方都等待对方释放资源，但已占有的资源又不会主动释放，该状态称为死锁（进程数 >= 2）
2) 死锁的必要条件
A. 互斥条件：一个资源在一个时间段内只能被一个进程所使用（不能破坏）
B. 保持和等待条件：一个进程获得部分资源，申请新资源时被拒绝，已占有的资源又不愿释放（不能破坏）
C. 不可剥夺条件：进程一旦占有资源，除非主动释放，否则无法强制剥夺（可以破坏，设置优先级，但系统不稳定）
D. 环路等待：多个进程形成环路链，当前进程占有一个进程需要申请的资源（可以破坏，设置合理的进程执行顺序）
E. 例：系统中有3类资源，R1,R2,R3资源总量数为9，8，5，此时系统中有5个并发进程P1,P2,P3,P4,P5，已分配资源数和最大所需资源数如下表
最大所需单元 已分配资源数
R1 R2 R3 R1 R2 R3
P1 6 5 2 1 2 1
P2 2 2 1 2 1 1
P3 8 0 1 2 1 0
P4 1 2 1 1 2 0
P5 3 4 4 1 1 3
问1：若系统按照P1P2P4P5P3顺序执行，是否会发生死锁，分析过程
问2：若系统按照P2P4P5P1P3顺序执行，是否会发生死锁，分析过程
解：分析：资源总数为9,8,5，已分配7,7,5，剩余R1,R2,R3的资源数为2,1,0，问一中先执行P1，已分配1,2,1，还需5,3,1，才能执行，此时总剩余资源为2,1,0，全部分配后，P1还无法执行，进入等待状态，P2执行时已无剩余资源，则也无法执行，也进入等待状态，以此类推，剩余进程都无法执行，死锁发生。
问2中，P2先执行时，还需要一个R2资源，剩余资源足够，分配后P2进程执行，完毕后释放全部占有资源，以此类推，每个进程都能执行，完毕后释放的资源都能满足下一个进程的执行，不会发生死锁
3) 不发生死锁的资源数计算
A. 原则：不全部分分配资源的进程数只剩一个，则不会发生死锁现象
B. 若进程数为n，每个进程需i个资源，则不发生死锁的资源数为：（n - 1）* i
C. 例一：系统中共有6个并发进程，每个进程都需3个资源才能执行，不发生死锁的资源数为多少？
解：总资源数 = （6 - 1）* 3 = 15
D. 例二：系统共有5个并发进程，每个进程都需要2个资源才能执行，进程中，一个位于运行状态，2个位于就绪状态，2个位于阻塞状态，则不发生死锁的资源数为多少？
解：总资源数 = （5 – 1 - 1）* 2 = 6
因为一个在运行状态不用分配资源
E. 例三：系统中共有6个资源，有3个并发进程共享其资源，每个进程至少需要几个资源才会出现死锁？
解：x *（3 - 1）= 6
解得：x = 3
三． 内存管理
1. 任务：管理内存的空间申请、释放、共享、安全等功能
2. 结构：一维线性连续存储空间按字节编址
3. 分区管理
1) 概念：将内存划分为若干个大小不等的区域，每个程序占有一个区域，并限定于该区域中执行
2) 分类
A. 固定分区：将空间划分成大小不等区域，每个程序分配一个区域，对于小作业而言，分区内部会有剩余空间，称为内碎片，造成浪费
B. 可变分区：按照程序要求进行空间划分，经过多次不连续分配后，剩余自由分配过小，不能分配给任何程序，该空间小分区称为外碎片，造成浪费
C. 地址重定向分区管理：同可变分区多次不连续分配后，产生外碎片，此时会进行移动靠拢操作，进行碎片合并，同时地址发生变化，需进行重定向
3) 分页管理
A. 产生原因：分区管理需要一般连续存储空间，会产生碎片，造成浪费，应使用不连续的存储空间管理方式
B. 页的概念
a) 页是一种存储空间格式
b) 页的结构：
31 12 11 0
页员 页内地址
页员：可分页数，占20位，可以分为220
页内地址：表示页的容量，占12位，一个页容量为212 ，即4K
C. 页的使用方式
a) 程序：分页，并进行编号，形成逻辑页号
b) 内存：分页，并进行编号，形成物理页员（块员）
D. 页表（全称：页面变换表）
a) 作用记录逻辑页号与物理页号的映射关系
b) 例：
逻辑页号 物理页号
0 3
1 9
2 1
3 29
4 12
c) 注意：实际页表中会省略逻辑页号列，
原因：逻辑页号列总是从0号页开始编号
E. 页的装入
a) 方式：将程序页按照页表离散的装入到物理页中
b) 例如
逻辑页号 物理页号
0 1
1 0
2 5
3 8
程序
0页
1页
2页
3页
0页
1页
2页
3页
4页
5页
6页
7页
8页
……
c) 装入过程图
逻辑地址
页号
页内地址
T 相同
物理页号
……
块号 页内地址
d) 例如：某分页管理系统中，页的容量为4K，已知逻辑地址为1D16H，查询页表后物理地址为多少？
解：
页表
0页
3页
45页
1页
1D16H有1为页号，D16为页内地址，所以物理地址为3D16H
4) 段式存储
A. 产生原因：由于页式管理中是以空间为中心，没考虑程序结构完整性，对于某些页会产生业内碎片，某些程序函数会出现跨页现象，则产生段式管理
B. 管理原则
a) 程序：分段，以函数结构为基准，保证程序结构完整性
b) 内存：动态分配
C. 段的结构
a) 结构图
31 16 15 0
段号 段内地址
b) 段号：表示可分段数，占16位，可分为216个段，即64K个段
段内地址：表示段的容量，占16位，一个段容量为216，为64K
c) 注意：由于内存采用动态管理，则会产生外碎片
5) 段页式管理
A. 管理方式：程序分段，保证结构完整性；内存分页，一个逻辑段对应多个物理页
B. 结构图
段号 页号 页内地址
C. 注意：段页式管理有页内碎片
四． 虚拟存储
1. 概念：当物理内存空间不足时，从外存（硬盘）中借出空间，当做内存使用，是内存的一种扩充技术
2. 本质：从外存中借出空间，只能满足存储不能执行，此时程序分为两部分，一部分位于物理内存可执行，另一部分位于虚拟内存中等待被置换
3. 虚拟内存容量：最小值为本物理内存大小，最大值为物理内存容量的2倍
计算机网络
一． 基本概念
1. 网络的概念
1) 使用传输介质互联起来，遵循相同的通信协议，以资源共享为目的的自治计算机集合
2) 分析
A. 目的：资源共享
B. 手段：遵循相同协议
C. 组成：自治计算机（无论是否联网都能独立处理信息）
2. 网络分类
1) 按地理范围分类
A. WAN（广域网）
a) 范围：网络直径50KM以上
b) 关注：数据的完整及正确（CRC校验、MD5校验）
c) 特点
传输介质：光缆、无线卫星通信
拥有完整的通信协议和设备接口
拥有合理的网络计费服务
B. MAN（城域网）
a) 概念：一个城市范围内的公共服务机构网络的互联
b) 互联对象是LAN（局域网）
c) 特点
传输介质：光缆、双绞线
速率：100mbps、1000mbps
作用：连接广域网与局域网，起到互联、网络负载均衡等作用
C. LAN（局域网）
a) 范围：5KM以内
b) 传输速率：10mbps、100mbps、1000mbps、10Gbps
c) 特点
范围小，易于创建、修改、扩展
关注：资源共享的深度（种类、数量）
2) 按照通信性质
A. 广播式网络（LAN）
a) 概念：一方发送，多方接收
b) 网络模型
总线型 环型
树型 网状
c) 特点
网络中有公共的总线，作为通信信道
总线一个瞬间只能允许一个信号使用
会产生冲突：多个节点产生节点争用
总线型网络解决冲突的方法：CSMA/CD
环型网络解决冲突方法：令牌机制
B. 点对点式网络（WAN）
a) 特点：存储转发与路由选择
b) 网络模型（拓扑）：网状（混合型）
c) Internet是点对点式的网络一个实例
3. 网络通信技术参数
1) 数据传输速率
A. 公式：S = 1 / T
B. 分析
a) S：速率，单位：bps（b / s）
例：10mbps 位 /8 1.2~1.6MB/s
100mbps /8 11MB/S
b) T：发送1bit所需的时间
c) 例如：某网络中设备发送1比特需要10-9秒，则网络速率是多少？
解：S = 1 / 10-9
=109bps = 1Gbps
2) 误码率
A. 概念：在正常工作的数据通信系统中，二进制被传错的概率
B. 误码率 = 错误码元 / 总码元（码元：二进制位）
C. 特点
a) 误码率：一种可靠性参数
b) 误码率越小，则系统设备造价越高
c) 误码率不能达到0
d) 常见网络误码率
WAN：10-6，需要纠错和完整性校验设备
LAN：10-12，基本无错
4. 网络通信协议
1) 网络分层模式
A. 意义：由于一次性解决通信难度较大，则采用分步解决的方法，每一步使用最恰当的技术来实现，所有步骤都解决完毕，则通信亦可解决
B. 特点
a) 每一层使用最恰当的技术实现
b) 上层使用下层的功能，各层之间通过接口进行通信
c) 某层发生改变，不影响其他层的使用
2) ISO-OSI协议
A. ISO（国际标准化组织）制定的实现网络通信的协议，OSI（互联、开放参考模型）
B. OSI协议特点
a) 共分为7层
b) OSI协议是一种虚拟性框架式的协议，只规定了应具备哪些网络功能，没有介绍怎样实现功能
C. 协议具体功能
a) 应用层（7）：开启网络服务，代理用户进行网络传输———软件
b) 表示层（6）：数据格式变换，加密 / 解密、压缩 / 解压缩
c) 会话层（5）：建立会话连接并管理连接
d) 传输层（4）：选择传输方式，通过端口号建立端到端的连接
e) 网络层（3）：设置IP地址，选择最恰当的下一投递路径（路由选择）————-设备
f) 数据链路层（2）：纠错，流量控制
g) 物理层（1）：选择传输介质进行透明的传输比特流，接口电器转换等————–线缆
3) TCP\IP协议
A. 产生原因：由于OSI协议某些层关系重复，某些功能无法实现，则删减合并形成事实工业中的协议————TCP\IP协议
B. 特点
a) 事实工业协议
b) 免费与操作系统绑定
c) 提供易于修改的逻辑地址———-IP地址
C. OSI与TCP\IP的映射关系
OSI TCP\IP
应用层 应用层
表示层
会话层
传输层 传输层
网络层 互联层
数据链路层 主机-网络层
物理层
D. TCP\IP协议各层子协议
HTTP FTP DNS TELNET SMTP POP3 ……
TCP UDP
IP
底层物理协议
二． LAN
1. LAN三要素
1) LAN拓扑
A. 拓扑：使用几何学的原理来描述一个网络的构成
B. 网络拓扑决定：网络结构、传输速率、网络造价
C. LAN拓扑：总线型、环型、树型、星型
2) 介质访问控制方法
A. 作用：用于解决广域网网络冲突的方法
B. 分类：CSMA/CD、令牌
3) 传输介质
2. 传输介质
1) 分类
A. 有线
a) 铜介质：双绞线、同轴电缆
b) 光介质：光纤
B. 无线
a) 红外线
b) 微波通信
c) 扩频通信
2) 双绞线
A. 概念：由8根子线，两两相互缠绕，有绝缘橡胶外皮的铜介质传输线缆
B. 特点
a) 传输距离：任意两节点间最长100米，使用中继器时，最多4次中继即500米
b) 速度
一类线：传输语音（电话线）
二类线：过度
三类线：过度
四类向：16mbps
五类线：100mbps
六类线：1000mbps
C. 网线制作
a) 材料：六类UTP、水晶头、网线钳
b) 线序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕
3) 光纤
A. 概念：又称为石英纤维管，通过光的反射进行传输信号
B. 分类
a) 单模光纤：直线传输，使用激光做光源
b) 多模光纤：通过不同角度的光全反射进行传输，LED作为光源
- 交换式局部网
1) 特点
A. 核心设备：局域网交换机
B. 交换机局域网中每个设备独占最大带宽
C. 交换式局域网每个端口都是一个冲突域（集线器所有端口为一个冲突域）
2) 局域网交换机
A. 作用：可以建立所有端口之间的并发传输
B. LAN Switch使用LAN专用地址—-MAC地址，作为设备地址
C. MAN地址
a) 别名：硬件地址、网卡地址、NIC地址、物理地址
b) 作用：表示局域网中设备位置
c) 组成：48b二进制组成，十六进制表示（两两一组，横杠作为间隙，共6对）
d) 例如：00-E0-4C-7D-FF-AE
e) 浏览方法：开始运行CMDipconfig/all
D. 交换机工作原理
a) 图
1 2 3 4
端口
端口号-MAC地址映射表
端口号 MAC地址
1 00-E0-4C-7D-FF-F1
2 ————————
3 00-4C-7D-EB-55-08
4 ————————-
b) 原理：发送方将接收方的MAC地址封装到数据帧中后启动发送，在端口直连的缓冲区中暂存，再交由核心交换电路进行“根据MAC地址查询接收方端口号”的活动，找到后将数据帧传送到目的计算机
4. 设备小结
1) 原则：某设备工作在OSI协议的某层，就具有该层的及以下层的所有功能
2) 设备作用
设备名 工作层 功能
集线器 物理层 连接设备（总线）
中继器 物理层 放大信号，延长传输距离
交换机 数据链路层 连接设备，并发传输
网桥 数据链路层 地址过滤，划分子网
路由器 网络层 路由选择，存储转发
网关 应用层 协议翻译、转换、异型网、互联
三． Internet
1. 组成
1) 协议：TCP\IP
2) 传输介质：光缆
3) 共享资源
4) 客户机/服务器（C/S）
2. 接入方式
1) 电话线接入
A. 速率：56kbps 8KB/S
B. 核心设备：modem调制解调器，进行数模转换
2) ADSL（非对称数字用户线路）
A. 速率：
a) 上行：640Kbps 下行：9Mbps
B. 非对称性：上行与下行不同
3. IP地址（IPV4、IPV6）
1) 特点
A. 是一种逻辑地址，可修改
B. 一个IP地址表示一个唯一的连接
C. 一个IP地址只能对应一个设备，一个设备可以拥有多个IP地址
2) 组成：32b二进制组成，点分十进制表示法表示。
例如：192.168.1.1
即：11000000 10101000 00000001 00000001
3) 分类
类别 第一字节 主机数 NET:HOST 应用
A 1~126 224~2 1:3 大型网络
B 128~191 216~2 2:2 中型网络
C 192~223 28~2 3:1 小型网络
D 留 作 它 用
E
4) 特殊IP
A. 网络地址
a) 作用：表示网络位置及名称
b) 方法：网络号 + 0组成
c) 例如：IP地址为192.168.1.100
类别：C类
NET:HOST：3:1
网络地址：网络号不变，主机号以0补上：192.168.1.0
例：133.25.92.16的网络地址为133.25.0.0
d) 网络地址相同不一定能通信，不同时无法通信
B. 回送地址
a) 作用：网络测试，测试协议等软件是否配置正确
b) 组成：127.X.X.X
X不能都为0或255
如：127.0.0.0错误
127.0.0.1正确
C. 广播地址
a) 直接广播地址
作用：对外网进行全网广播
方法：对方网络号 + 255
b) 有限广播地址
作用：对本网进行发送广播
方法：255.255.255.255
D. 本地地址
a) 作用：LAN网设置IP地址时使用
b) 方法：10.X.X.X 192.168.X.X
5) 本地IP配置方法
A. 网络共享中心更改适配器设置选择网卡单击右键属性双击TCP\IP使用下面的IP地址
B. IP地址：与路由器地址必须为同一子网（192.168.1.2~192.168.1.254）
C. 子网掩码：255.255.255.0
D. 默认网关：路由器地址（192.168.1.1）
E. 首选DNS地址：路由器地址（192.168.1.1）
谷歌：8.8.8.8
中国工信部：114.114.114.114
阿里：119.29.29.29
4. 子网掩码
1) 概念：是一种类IP地址格式的编号，用于帮助IP地址计算网络地址及主机号，是一种工具、参照
2) 组成：
A. 32位二进制，点分十进制表示
B. 二进制中有左到右为连续二进制1，之后为连续二进制0
C. 例：255.255.255.0
11111111 11111111 11111111 00000000
255.240.255.0是错误的，因为0和1交叉了
3) 意义
A. 子网掩码中，二进制1对应的IP位，表示网络号，0对应的IP位表示主机号
例如：IP：130.1.2.3
子网掩码：255.255.0.0
B. 网络地址：IP地址与子网掩码二进制状态按位逻辑与
例如：192.168.1.100
–子网：255.255.255.0
与后：网络号：192.168.1.0
主机地址：IP地址与子网掩码的反码逻辑与
4) 子网划分
A. IP = 网络号 + 子网号 + 主机号
B. 划分方式：在子网掩码二进制中由左向右增加二进制1
C. 例如：有IP地址段192.168.1.0，子网掩码255.255.255.192，分析网络构成
a) 划分子网数：个数 = 2n（n：子网掩码中二进制1增加个数），即4个子网
b) 每个子网合法主机个数：2m – 2（m：子网掩码二进制中剩余0的个数），即62个
c) 合法子网地址
块数 = 256 – 子网掩码最后一位十进制
即：256 – 192 = 64
所以第一子网：192.168.1.0
第二子网：192.168.1.64
第三子网：192.168.1.128
第四子网：192.168.1.192
d) 每个子网的广播地址：下一子网地址 – 1
第一子网广播：192.168.1.63
第二子网广播：192.168.1.127
第三子网广播：192.168.1.191
第四子网广播：192.168.1.255
e) 每个子网的合法主机范围
第一子网：192.168.1.1192.168.1.62
第二子网：192.168.1.65192.168.1.126
第三子网：192.168.1.129192.168.1.190
第四子网：192.168.1.193192.168.1.254
例：192.168.1.0 255.255.255.240（240:11110000）子网个数 = 24=16个 主机数 = 24 – 2 = 14个
子网地址：因为块数 = 256 -240 = 16，所以
192.168.1.0
192.168.1.16
192.168.1.32
192.168.1.48
…………………….
192.168.1.240
5) 子网掩码的表示
A. 标准子网掩码
a) A类：255.0.0.0
b) B类：255.255.0.0
c) C类：255.255.255.0
B. 精简表示法：如192.168.1.0\24（IP地址\子网掩码1的个数）
5. 路由器（Router）
1) 作用：工作在OSI协议的网络层，用于进行路由选择，存储转发
2) 工作原理
A. 核心软件：路由表，是由（N，R）两列组成的表格，N列表示目的网络地址，R列表示投递地址
B. 路由表记录组成
序号 N R
1 192.168.1.0 192.168.1.1
2 10.0.0.0 10.0.0.1
3 20.0.0.0 40.0.0.1
4 30.0.0.0 50.0.0.1
…… …… ……
a) 直接投递：目的主机就在本网，直接投递即可，结束通信
b) 下一跳步：数据包经过下一路由的一次转发，结束通信
c) 默认路由：目的网络不在路由表中，则随机选择一个地址进行转发
6. Internet服务
1) WWW（world wide wed）万维网
A. 传输协议：HTTP（超文本传输控制协议）端口：80
B. 使用TCP模式进行传输
C. 使用C/S结构进行工作
D. URL：统一资源定位符，用于描述网址
例：http://www.baidu.com.cn/index.htm
http：传输协议
www.baidu.com：域名
index.htm：文件名
cn：国家
2) E-mail电子邮件
A. 传输协议
a) 发邮件：SMTP（简单邮件传输协议端口号：25）———————-客户机邮件服务器
b) 收邮件：POP3（邮件协议3端口号：110）—————————-邮件服务器客户机
B. 电子邮件地址格式：用户名@域名
用户名中间不能有空格
例：Foxandy@163.com
3) DNS域名解析
A. 域名分类命名管理
a) 拓扑：倒置的树型
b) 分类：
商业组织：com
政府部门：gov
教育机构：edu
军事部门：mil
网络中心：net
cn：中国
us：美国
uk：英国
hk：香港
B. 解析方式
a) 组成：域名解析需要一组既独立又协作的域名解析服务器来完成
b) 拓扑：倒置的树型
c) 作用：域名映射为IP地址
d) 方式
递归解析：提出一次解析申请
反复解析：提出多次申请
4) FTP（文件传输协议）
A. 作用：上传，下载
B. 端口号：21（TCP端口）
C. 工作模式：C/S结构
5) ping：发出ICMP请求与响应类型报文
多媒体
一． 多媒体
- 概念：利用计算机技术将文本、图形、声音、动画和电视等多种媒体综合起来，使用多种信息建立逻辑连接，并能对它们进行获取、压缩、处理、存储、集成的交互性系统
- 多媒体信息分类
1) 感觉媒体：直接作用于人的感觉器官，如：声音、图像、图片
2) 表示媒体：传输感觉媒体的中介媒体，即编码。如：ASCII码、JPEG、MPEG、GB2312、海明码
3) 表现媒体：信息I/O的媒介设备，即设备，如：键盘、扫描仪、显示器、打印机
4) 存储媒体：存储表示媒体的存储设备。如：硬盘、光盘、内存
5) 传输媒体：传输表示媒体的介质。如：双绞线、光纤、同轴电缆、微波、红外线
6) 例：动画：感觉媒体
手机触摸屏：表现媒体
海明码：表示媒体
IC卡：存储媒体
二． 音频 - 声音的信号指标
1) 响度：又称为“音量”，表示声音大小
2) 声调：表示声音低沉或尖锐
3) 音色：描述声音的特色 - 声音信号的频率
1) 语音：300HZ~3400HZ
2) 音乐：20HZ~20KHZ（人耳的听觉范围）
3) 其他：自然界声音（同上） - 声音数字化过程
1) 采样
A. 概念：将时间连续的模拟信号转换为时间离散的、幅度连续的信号（AD）
B. 采样率
a) 概念：每隔一段时间进行采样的时间间隔倒数
b) 原则：采样率不得低于声音信号最高频率的2倍（40KHZ）
2) 量化
A. 概念：使用几位二进制数据来表示声音信号
B. 量化精度：也称为量化分辨率（如：8b、16b、24b、32b……）
3) 编码
A. 概念：使用压缩标准对声音信号进行编码，且形成固定格式的声音文件
B. 分类
a) 无损压缩（熵压缩）：结果文件可以还原
b) 有损压缩：结果文件不可还原 - 声音数据量计算
1) 数据传输速率(b/s) = 采样率(HZ) * 量化精度(b) * 声道数
2) 数据量（B） = 数据传输速率 * 持续时间 / 8
3) 例一：某系统语音信号的量化精度为8b，使用2.0声道输出，计算每小时产生的数据量为多少MB？
解：速率 = 3400 * 8 * 2 = 54400 b/s
数据量 = 54400 * 60 * 60 / 8 = 24MB
4) 例二：某CD光盘存储立体声音乐，采样率为44.1KHZ，量化精度为16b，计算一小时数据量为多少MB？使用几张CD光盘存储？
解：速率 = 44100 * 16 * 2 = 1411200 b/s
数据量 = 1411200 * 60 * 60 / 8 = 621MB
CD一般容量为700MB
所以需要1个光盘
三． 图形图像 - 基本概念
1) 彩色概念
A. 物体由于内部物质的不同，受光照后反射或折射出来，成为能被人感知的彩色视觉
B. 三要素
a) 亮度：彩色明暗深浅程度，如投射仪的单位：流明
b) 色调：彩色类别
c) 饱和度：彩色的浓度
C. 彩色空间
a) RGB：绿红蓝，显示设备的基标准
b) CMYK：青色、品红、黄色、黑色
2) 图形图像的表示
A. 矢量图形（适用于表示艺术字、工程制图的线框型图）
a) 概念：使用数学的方式来描述一幅图形
b) 特点：可以任意放大、缩小、旋转、变形等
B. 位图图像
a) 概念：使用像素点来表示的图画
b) 特点：显示速度快，放大会失真，一般用于表示细腻的、层次感较强、色彩丰富的、包含大量细节的图像，如：风景、人物照片等
3) 图像的属性
A. 分辨率
a) 显示分辨率：显示设备上的像素数目
b) 例如：1920 * 1080
c) 图像分辨率：组成一副图像的像素密度，单位dpi，即每英寸像素点数。例如：72dpi
d) 注意：显示分辨率 > 图像分辨率，否则只能显示局部图像
B. 图像深度
a) 概念：存储每个像素需要的二进制位数，用于表示图像颜色数或灰度级别
b) 公式：2n = 颜色种类（n表示深度）
C. 图像存储数据量 = 分辨率 * 深度 / 8（单位：B）
a) 例一：图像分辨率为1024 * 768，深度为16b，则存储数据量为多少KB？
解：容量 = 1024 * 768 * 16 / 8 / 1024 = 1536KB
b) 例二：一副分辨率为320 * 240的256色未压缩图像所占用存储空间为多少KB？
解：深度 = log2256 = 8
所以容量 =（320 * 240 * 8 / 8）/ 1024 = 75KB
c) 屏幕刷新频率：影响屏幕闪亮
四． 常见数据格式 - 图像格式：BMP、JPG、PNG、GIF、TIFF、PCX、wmf、dif
- 视频格式：MP4、AVI、mkv、mov、RM、RMVB
- 声音：mp3、MPEG-1、wav、RA、VOC、AIF、MOD、SID、AV
软件工程
一． 软件基本概念
- 概念：程序、数据、相关文档的完整集合是计算机系统相互依存的一部分
- 分类
1) 系统软件：操作系统
2) 应用软件：完成独立的功能
3) 支撑软件：开发软件的工具软件（VC++6.0） - 软件工程三要素
1) 工具：软件开发、管理、文档生成的工具软件
2) 方法：软件工程项目管理的技术手段（模型）
3) 过程：软件开发各个环节的管理和控制 软件开发的生命周期
1) 组成：三大时期，八大阶段
2) 图软件定义期
软件开发期
运行维护期
- 软件开发模型
1) 瀑布模型
A. 原则：严格按照固定顺序进行开发
B. 特点
a) 瀑布模型适用于需求分析清晰的环境下使用
b) 瀑布模型是一种重量级开发模型（重文档）
c) 若需求分析出错，软件修改时代价最大
2) 原型模型
A. 快速原型模型
a) 过程：快速建立原型软件用户试用修改软件试用……最终软件抛弃重新开发
b) 特点
适用于需求不清晰环境下使用
对软件开发人员的经验要求较高
是一种“抛弃式”的开发方式
B. 演化模型
a) 过程：同上最终软件基础上继续完善
b) 注意：是一种“渐进式”的开发方式
C. 增量模型
a) 原则：将开发的软件划分为若干个增量模块，分别进行设计、集成、测试
b) 特点
软件体系结构开放
增量模块应用简单
加入新增量模块，不能破坏已有产品
增量模块划分较为困难，依赖于开发人员经验
3) 螺旋模型
A. 螺旋模型 = 瀑布模型 + 演化 + 风险分析
B.
4) XP方法（极限编程）
A. 是一种“轻量化”的软件开发模型
B. 价值观：沟通、反馈、简单、勇气
C. 特点
a) 小型发布：多次发布新版本，客户试用提供反馈意见，提高满意度
b) 结对编程：两人一组，一人编写，另一方在旁检查，之后交换角色
c) 拥有重构程序的勇气
二． 需求分析
1. 功能：解决软件做什么的问题，确定软件的功能任务
2. 结构化分析方法（SA）
1) 原则：自上而下、逐层进行功能分解
2) 工具：数据流图、数据字典、判定表/判定树
3) 数据流图（DFD）
A. 作用：是一种描述软件数据处理过程的工具图形，是需求理解逻辑模型的图形表示，是一种功能的建模
B. 图形组成
a) 加工：
b) 数据流：
c) 存储文件：
d) 外部实体（软件之外的人或物）：
C. 例如：银行取款业务DFD
帐卡
取款 存折
存折 取款
现金付款信息 年月日
4) 数据字典（DD）：是对数据流图中包含元素功能定义的解释
5) 判定表/判定树
A. 作用：对数据流图的逻辑判断补充
B. 判定树
a) 关系：从属关系、并列关系、选择关系
b) 例：某投运管理系统中发货情况判定树
欠款>60天拒单
金额>¥50
检查发货单
金额<=¥50
C. 判定表
a) 原则：若为多条件，应使用判定表
b) 组成
三． 软件设计的基本原理
- 抽象：将事物本质的共性提取出来，暂时忽略细节和差异，是共性的总结
- 模块化：将一个大型软件划分为若干个完成单一功能的模块，降低开发难度
- 模块独立性
1) 耦合性：模块之间关系紧密程度的度量
A. 非直接耦合：模块之间没有没有联系
B. 数据耦合：通过参数传递简单数据
C. 标记耦合：模块之间传递数据及相关数据结构
D. 控制耦合：模块传递的数据包含用于控制模块内部逻辑的信息
E. 外部耦合：模块与软件外部环境有关
F. 公共耦合：多个模块引用一个全局数据
G. 内容耦合：一个模块可以修改另一个模块内部数据，有部分代码重叠
2) 内聚性：模块内部元素之间关系紧密程度的度量
A. 功能内聚：模块完成单一功能，各部分协同工作，缺一不可
B. 顺序内聚：模块内各元素按顺序执行
C. 通信内聚：模块内各元素都依赖于一个数据结构
D. 过程内聚：模块内元素按特定顺序执行
E. 瞬时内聚：各元素必须在同一时间执行
F. 逻辑内聚：各元素完成逻辑上相关的一组任务
G. 偶然内聚：各元素完成一组没有联系或松散联系任务
3) 结论：一个好的软件，应实现模块的独立性为：高内聚，低耦合 - 信息屏蔽：模块应隐蔽具体实现细节
四． 概要实际
- 作用：对软件进行体系结构设计，确定系统的接口，功能模块的划分，模块调用关系设计，模块参数设计
- 程序结构图（SC）
1) 图形：
模块：
数据流：
控制流：
2) 图形基本结构
A. 基本结构
B. 顺序结构
C. 循环结构
D. 顺序结构
3) 术语
A. 上级模块、从属模块：上下两层模块a与b，a调用b，则a为上层模块，b为从属模块
B. 深度：控制的层数
C. 宽度：调用下级模块数最多的层
D. 扇出：一个模块直接调用其他模块的个数（1 ：m）
E. 扇入：多个模块同时调用一个模块的个数（m ：1）
F. 原子模块：树型图中最后一层（叶子）模块
G. 例如：简单的财务系统管理软件SC图
4) 注意
A. 提高模块独立性
B. 模块规模适中（深度）
C. 扇入适中：扇入过大，模块功能分散，过小则功能集中
D. 扇出适中：扇出过大，依懒性过强，过小则功能过于复杂
五． 详细设计
1. 作用：确定模块的算法及局部数据结构
2. 工具：程序流程图、N-S盒图、PAD图、HIPO图
3. 程序流程图
1) 图形组成
A. 或 ：控制流
B. ：加工处理
C. ：逻辑判断
2) 基本形式
A. 顺序结构
B. 选择结构
C. 循环结构
a) while循环
b) do-while型循环
D. 多级嵌套选择结构
1) 例如：简单货物托运费计算问题，设货物重量为x，客户信息为y，输入x，y后计算，如果0 < X <= 15（设为条件一），则公式1计算，在循环3次完成同样的“记账”和输出
如果X > 15（设为条件二），则公式2计算，在循环3次完成同样的“记账”和输出
六． 软件测试
- 作用：软件测试是为了发现错误而执行程序的过程
- 测试准则
1) 所有测试都要追溯到用户需求
2) 严格制定测试计划，排除随意性
3) 充分注意测试时的集群现象
4) 回避原则：第三方测试，开发者回避
5) 不能进行穷举测试（不能发现软件所有错误）
6) 妥善保存测试相关文档以便于维护 - 测试方法分类
1) 按是否执行程序
A. 静态测试
a) 组成：代码检查、结构分析等
b) 方法：人工进行
c) 特点：主要检查代码逻辑性、语法（30% ~ 70%）
B. 动态测试
a) 方法：上机运行检查结果
b) 特点：通过使用测试用例检查软件错误，是一种逆向工程
2) 按是否可查看内部代码
A. 白盒测试（结构性测试）
a) 特点：将程序看作“透明盒子”，测试人员完全知道内部代码及逻辑
b) 方法
语句覆盖
判定覆盖
逻辑覆盖测试
判断/条件覆盖
组合条件覆盖
路径覆盖
基本路径测试
B. 黑盒测试（测试功能）
a) 特点：把软件看成不透明盒子，完全不考虑内部结构及算法，只检查功能和结果是否正确
b) 方法：等价划分法、边界值测试、错误猜测
3) 按测试阶段
A. 单元测试
a) 目标：测试软件最小单位——模块
b) 特点：一般由开发人员进行测试
B. 集成测试（组装测试）
a) 目标：多个模块组成程序进行测试
b) 特点：主要进行模块间参数及通信等问题的测试
C. 确认测试
a) 目标：测试软件是否与需求分析描述的功能一致
b) 特点：一般由用户或开发人员进行测试
α测试：指在开发人员的指导下，用户在开发者的场所进行测试（“受控的测试”）
β测试：由用户单独测试（“不受控的测试”）
D. 系统测试：软件安装在设备上在用户真实的工作环境进行软硬件测试
E. 回归测试：软件修改后，防止引入新错误，而进行的测试
七． 软件维护：软件交付使用后至被淘汰前的整个时期内，为了修改错误或满足新需求而修改的活动
- 分类
1) 改正性维护（正确性维护）：修改软件的隐蔽错误（25%）
2) 适应性维护：由于外部环境发生变化，而修改软件的活动（20%）
3) 完善性维护：为了扩充软件功能或完善原软件功能而修改软件的活动（5%）
4) 预防性维护：为了提高软件可靠性和可维护性，为了将来进一步改进软件而打下基础做的修改软件的活动（50%）
八． 加密学
- 关键概念
1) 明文：原始信息
2) 密文：加密后消息
3) 加解密算法
4) 密钥：加解密关键参数 - 加密方式
1) 对称加密算法：加解密共用一个密钥，DES，56位密钥，64位一分组
2) 非对称加密算法（公钥加密算法）
A. 原则
a) 加解密方各有1对密钥
b) 公钥：任何人都可获取
c) 私钥：存储在个人设备上
d) 公钥与私钥互为加解密
B. 方式
a) 发送方A：A私钥加密，接收方B：A的公钥解密（用于数字签名）
b) 发送方A：B公钥加密，接收方B：B的私钥解密（用于私密性）
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