计算机基础知识（第一篇）

计算机硬件

中央处理器CPU

计算机组成结构（Computer Architecture）源于冯·诺伊曼计算机结构，该结构成为现代计算机系统发展的基础。将计算机硬件划分为5个部分：处理器、存储器、总线、接口和外部设备。

CPU的功能

• 程序控制

  CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是CPU的重要功能。

• 操作控制
  一条指令功能的实现需要若干操作信号配合来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往对应的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

• 时间控制
  CPU对各种操作进行时间上的控制，即指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。

• 数据处理

  CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们所利用。所以，对数据的加工处理也是CPU最根本的任务。

此外，CPU还需要对系统内部和外部的中断或异常做出响应，进行相应的处理。

CPU的组成

• 运算器

  执行所有的算术运算，比如加减乘除等；

  算数逻辑单元  ALU（算数运算、逻辑运算）
  累加寄存器    AC （类型：通用寄存器）（存放，在算术的过程中累计的值存在这里）
  数据缓冲寄存器 DR （暂时存放内存的指令或数据，后面与内存打交道）
  状态条件寄存器 PSW（保存指令运行结果的条件码内容，如溢出标志等）
  

• 控制器
  控制整个CPU的工作，概括：保证指令执行、处理异常事件。

  指令寄存器 IR  暂存CPU执行指令，暂存CPU当前正在执行的指令
  程序计数器 PC  存放指令执行地址，下一条指令的地址
  地址寄存器 AR  保存当前CPU所访问的内存地址
  指令译码器 ID  分析指令操作码
  

• 寄存器组

  保存程序的中间结果，也会进行暂存指令。

• 总线

  总线（Bus）是一种传输数据和信号的通道，连接各种计算机组件。

程序员可以通过汇编语言对寄存器进行操作。

进制转换

二进制转十进制

无符号的二进制整数

110 转十进制的思路：
对应的下标：210
1*2的2次方 + 1*2的1次方 + 0*2的0次方  = 4 + 2 + 0 = 6

带符号的二进制整数

带符号，第一位，0：正数，1：负数，后面跟上面一样

小数二进制数

101.011 转十进制的思路：
对应的下标：210.-1-2-3
1*2的2次方 + 0*2的1次方 + 1*2的0次方 . 0*2的-1次方 + 1*2的-2次方 + 1*2的-3次方   = 4 + 0 + 1 . 0 + 0.25 + 0.125 = 5.375
注意：任何数的0次方都是1

十进制转二进制

转换整数的十进制数值为二进制，可以使用除2取余法。

15转换为二进制的思路：
15 ÷ 2 = 7 余 1
7  ÷ 2 = 3 余 1
3  ÷ 2 = 1 余 1
1  ÷ 2 = 0 余 1
二进制：1111

转化小数

小数部分乘以2，得到的结果的整数部分作为二进制小数的第一位，直到小数部分为0，顺序是从上到下。

11.75转换为二进制的思路：
0.75 * 2 = 1.5   整数位是1
0.5  * 2 = 1.0   整数位是1
小数部位二进制：11

数据

定点数

计算机中用来表示带符号整数的四种编码方式包括：

• 原码：最高位表示符号，0表示正数，1表示负数，其余位表示数值
• 反码：正数的反码与原码相同，负数的反码是对该数的每一位取反
• 补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的反码加1
• 移码：移码是对其补码取反，将符号位取反的补码（不区分正负）

      1    -1
原码 0001  1001
反码 0001  1110
补码 0001  1111 (1110 + 1)
移码 1001  0111

反码是计算机系统中的一种表示方式，用于处理负数。

补码是将减法运算转换为加法运算，从而简化运算器设计。

浮点数

表示格式：
阶符 - 阶码（移码）- 数符 - 尾数（补码）

尾数：用补码表示，位数决定精度，位数越多精度越高；

阶码：用移码表示，位数决定范围，位数越多范围越高；

对阶时，小数向大数看齐；

对阶是通过较小数的尾数右移实现的；

校验码

校验码是计算机系统中一种用于验证数据完整性的技术，常见的校验码包括奇偶校验码、循环冗余校验码（CRC）、校验和等。

奇偶校验

是一种错误检测方法，用于检测数据传输过程中的错误。它通过在数据中添加一个奇偶位来保证传输的数据的正确性，可以检查出误码，但不能纠错。

两种方式：

• 奇校验：在传输的数据中，如果数据中的1的个数为奇数，则奇校验位设置为0，否则设置为1。
• 偶校验：在传输的数据中，如果数据中的1的个数为偶数，则偶校验位设置为0，否则设置为1。

模2运算

模2运算是一个对二进制数进行运算的操作，它的原理是将两个二进制数按位进行异或运算。具体来说，对于两个二进制数a和b，模2运算可以表示为a ⊕ b，其中⊕表示异或操作。

在模2运算中，每一位的结果只有两种可能：0和1。如果两个二进制数的对应位相同，那么结果为0；如果对应位不同，结果为1。模2运算常用于校验和计算、差错检测和纠错编码等领域。

例：对于两个二进制数1010和1101，进行模2运算的结果为0111。
1010
1101
----- 结果
0111

CRC循环冗余校验

循环冗余校验是一种用于检测和纠正数据传输中可能出现的错误的技术。它利用一个固定的生成多项式来对数据进行计算，生成一个固定长度的校验码。接收方在接收到数据后，同样使用生成多项式对数据进行计算，并与发送方生成的校验码进行比较，以判断数据是否被传输过程中出现了错误。它在数据通信和存储中广泛应用，如以太网、串行通信协议、磁盘驱动器等。

CRC校验的原理是将数据看作二进制序列，并通过将每一位与生成多项式进行除法运算得到余数。发送方在发送数据时，将生成的校验码附加在数据后面一起发送；接收方在接收到数据后，同样使用生成多项式对数据进行计算，得到一个余数。如果余数为0，则说明数据没有错误；如果余数不为0，则说明数据在传输过程中出现了错误。

算法要求生成多项式必须包含最低次项（1）

例：待发送的信息101001，生产多项式：X^3 +  X^2 + 1，计算编码后的信息：
生产多项式：X^3 +  X^2 + 1 ，得到除数：1*X^3 + 1*X^2 + 0*X^1 + 1*X^0 = 1101
101001，因X^3，需要补3个0,得到：101001000
101001000 ÷ 1101 进行模2运算：
1101  | 101001000   --- 被除数是1开头，第一位是1
1101  | 1101        --- 模2运算
1101  | 0111        --- 结果：第一位是0，去掉，得到1，第二位是1
1101  |  1110       --- 去掉多余0，进行补位（开头是0就需要去掉）
1101  |  1101       --- 模2运算
1101  |  0011       --- 结果：第一位是0，去掉，得到0，第三位是0，
1101  |   0111      ---（开头是0就需要去掉，不需要模2运算）第一位是0，去掉，得到1，第四位是1，
1101  |    1110     --- 去掉多余0，进行补位（开头是0就需要去掉）
1101  |    1101     --- 模2运算
1101  |    0011     --- 结果：第一位是0，去掉，得到0，第五位是0，
1101  |     0110    ---（开头是0就需要去掉，不需要模2运算）第一位是0，去掉，得到1，第六位是1，
1101  |      1100   --- 去掉多余0，进行补位（开头是0就需要去掉）
1101  |      1101   --- 模2运算
1101  |      0001   --- 结果：第一位是0，去掉，得到0，第七位是0，
1101  |       001   ---（开头是0就需要去掉，不需要模2运算）第一位是0，去掉，得到0，第八位是0，
					--- 位数不足4为，结果是：101001 001

海明校验

海明校验是一种用于错误检测和纠正的校验码。它通过添加额外的校验位，可以检测和纠正比特错误。校验码的位置是2^k-1，海明码中的任何一位都是由若干个校验位来校验，被校验的海明位的下标等于所有参与校验该位的校验位的下标之和，而校验位由自身校验；海明校验可以有效地检测和纠正单个比特错误，但对于多个比特错误的检测和纠正能力有限。此外，海明码还存在一定的冗余，会增加数据的传输量。因此，在实际应用中，需要根据具体的需求和信道的特性选择合适的校验码。

例：待发送的信息1010，通过海明校验，奇校验规则下的海明码是？
数据位是n位，校验位数k位，则需要满足公式：2^k-1 = n + k
n=4，计算k值， 2^k-1 = 4 + k --- 2^k = 5 + k 得出 k = 3
公式：2^k-1 ，计算校验位的下标，k=1 下标是1 ， k=2 下标是2 ， k=3 下标是4
数据位是4位，校验位是3位，总共是7位
下标：1  2  3  4  5  6  7
    k1 k2 d1 k3 d2 d3 d4
           1     0  1  0      填充数据位
----------------------------
通过分组得出:
1 k1  d1 d2     d4  --- 1+2=3(d1) 1+4=5(d2) 1+2+4=7(d4) --- 1 0 0 
2 k2  d1    d3  d4  --- 1+2=3(d1) 2+4=5(d3) 1+2+4=7(d4) --- 1 1 0
4 k3     d2 d3  d4  --- 1+4=5(d2) 2+4=5(d3) 1+2+4=7(d4) --- 0 1 0
因奇校验，数据中的1的个数为奇数，则奇校验位设置为0，否则设置为1
k1 --- 1 0 0  ---  0
k2 --- 1 1 0  ---  1
k3 --- 0 1 0  ---  0
下标：1  2  3  4  5  6  7
    k1 k2 d1 k3 d2 d3 d4
    0  1  1  0   0  1  0   
得出海明码是：0110010 

存储系统

计算机系统中的存储系统指的是用于存储和访问数据的硬件和软件组件。

存储系统主要包括：

• 主存储器（主存）：也称为内存，是计算机中用于存储程序指令和数据的临时存储器。

• 辅助存储器（外存）：也称为二级存储器，用于长期存储数据和程序。常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、光盘和闪存驱动器等。

• 高速缓存（Cache）：是位于主存储器和处理器之间的存储器层次结构中的一级缓存。高速缓存用于存储最近使用的数据和指令。

• 虚拟存储器：是一种将辅助存储器扩展到主存储器的技术。虚拟存储器使用页面置换算法将主存储器中的数据和指令分成固定大小的页面，当某个页面不再被频繁使用时，可以将其置换到辅助存储器中，以释放主存储器空间。

• 存储器控制器：是连接计算机系统的存储器和处理器的关键组件。存储器控制器负责管理数据在各个存储层次之间的传输和调度。

多级存储结构

• CPU寄存器：位于CPU内部的最快速度的存储器，用于存放指令和数据。寄存器的容量有限，但其访问速度非常快。

• 缓存存储器：位于CPU和主存之间的存储器，用于缓存主存中经常访问的数据和指令。缓存存储器的容量较小，但其访问速度比主存快很多。

• 主存（内存）：用于存放程序和数据的主要存储设备。主存的容量较大，但其访问速度相对较慢。

• 辅助存储器：包括硬盘、磁带等外部存储设备，用于长期存储大量的程序和数据。辅助存储器的容量很大，但其访问速度相对主存较慢。

高速缓存（Cache）与主存的地址映射是由硬件完成的，主存和外存之间是通过软件和硬件结合实现的。

Cache

计算机系统中的缓存（Cache）是一种高速存储器，用于暂时存储来自主存（RAM）的数据，以提高CPU访问数据的速度。缓存采用了快速的SRAM（静态随机访问存储器）技术，与主存相比，它具有更低的访问延迟和更高的带宽。程序员无法对Cache进行操作，

计算机系统中通常存在多级缓存，其中L1缓存是最接近CPU的一级缓存，通常包括数据缓存和指令缓存。L2缓存位于L1缓存之外，其容量较大，但速度稍慢。还可以有更多级的缓存，如L3缓存和L4缓存。缓存的层次结构主要是为了平衡容量和速度两个因素。

使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理：

• 时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用，主要体现是主要是循环。
• 空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用，主要体现是顺序执行的过程。

int[] arr = {1,2,3,4};
int sum = 0;
for(int i=0;i<arr.length;i++){
    sum = sum + arr[i];
}
// arr就是空间局部性 / sum是时间局部性

Cache的地址映像方法

• 直接映射：主存的块与 Cache块的对应关系是固定的；优点：硬件电路设计比较简单；缺点：冲突率较高，灵活性差；
• 全相联映射：主存与 Cache均分成大小相同的块，允许主存的任一块可以调入存储器的任何一个块的空间中；优点：冲突率较低、灵活性好；缺点：电路难于设计和实现，适用于小容量，无法从主存块号中直接获得 Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢；
• 组相联映射：将 Cache中的块再分成组，组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式，直接相联与全相联的折中

Cache替换算法

也是页面淘汰算法，当我们主存的页面调入到Cache中经常会出现冲突，冲突就需要把一些页面淘汰出去，替换我们想要的页面；

• RAND：随机选择一个页面进行淘汰；优点：实现简单，对所有数据公平；缺点：不会有特定数据被频繁淘汰的问题，缺乏策略性；
• FIFO：淘汰最早被缓存的页面；优点：实现简单；缺点：对长时间驻留在缓存中的数据不友好；
• LRU：淘汰最久未使用的页面；优点：适用于热点数据，能够保留经常访问的数据；缺点：实现较复杂，需要维护访问时间的记录；
• LFU：淘汰访问频次最低的页面；优点：适用于长时间内不变的数据，能够保留经常被访问的数据；缺点：对频繁变化的数据不友好，需要计数器实现；
• LRU-K：基于最近一段时间内的访问情况进行淘汰；优点：能够平衡最近访问和长期访问的数据；缺点：实现较复杂，需要维护最近访问的记录；
• LRU-2：维护两个队列，淘汰最久未使用的页面；优点：简化了LRU的实现，提高了淘汰效率；缺点：不适用于有循环访问模式的数据；

Cache的读写过程

如果Cache里的页面被修改，Cache里的数据与主存中的数据会出现不一致的情况，这时候需要下面的方式进行解决：

• 写直达：同时写Cache与内存，这种效率慢，Cache更改，主存中的数据也进行更改；

• 写 回：只写Cache，淘汰页面时，写回内存，这样只写Cache，获取最新从Cache里获取，如果该页被淘汰，会把此时的数据，更新到内存中；

• 标记法：只写入内存，并将标志位清零，若用到此数据，只需要再次调取；这种效率会高，只写内存，在Cache里进行标记，如果后面在用该数据，看到此标记，会从主存中再次获取最新的数据，更新到Cache里使用；

磁盘管理

磁盘的盘面被划分一个个磁道，每个圈就是磁道；一个个磁道又被划分一个个扇区，每个扇区就是磁盘块；

机械磁盘存在两组运动，（旋转运动、线性运动）

• 旋转运动：机械磁盘内部有一个可旋转的磁盘盘片，通过电机驱动，磁盘盘片以高速旋转。数据的读写头会随着盘片的旋转，移动到指定的磁道上进行数据读写操作。

• 线性运动：机械磁盘的读写头不仅可以随着盘片的旋转运动，还可以在磁盘的半径方向上进行线性移动。通过线性运动，读写头可以准确地定位到指定的磁道上进行数据读写操作。

机械磁盘存取时间：

• 寻道时间（Seek Time）：即机械臂从当前位置移动到所需磁道的时间。机械臂的移动速度决定了寻道时间的长短。（移动不同磁道）

• 延迟时间（Latency Time）：即盘片旋转到所需扇区的时间。盘片的转速越高，延迟时间越短。（旋转不同扇区）

• 数据传输时间（Transfer Time）：即数据从磁盘读取或写入的时间。传输时间取决于数据的大小和磁盘的传输速度。

存取时间 = 寻道时间 + 延迟时间 + 数据传输时间

输入输出技术

在计算机系统中，CPU控制主存与外设直接的数据交换的过程。因内存速度快，外设速度慢，有了以下的传输的方式：

直接程序控制

在直接程序控制中，输入输出设备的操作是由计算机系统的程序直接控制的。这种方式CPU经常询问外设是否有数据进行传输，导致缺点：降低了CPU 的效率、对外部的突发事件无法做出实时响应；

程序中断方式

程序中断是指在执行程序的过程中，当需要进行输入输出操作时，会发生中断，将控制权转移到相应的I/O处理程序上，等待I/O操作完成后再将控制权还给原程序。这种方式IO设备准备好，会向CPU发送中断请求信号，CPU会保存正在执行程序的现场，去执行IO设备，处理完再回到被打断的程序，继续执行。使用场景有鼠标、键盘。

DMA

实现高速数据传输。它允许外部设备直接访问计算机的主内存，而不需要经过CPU的介入，从而提高数据传输的速度和效率。这种方式DMA进行负责管理数据的传输和存储，IO设置会发送一个DMA请求给DMA控制器，DMA控制器会占用CPU的总线，直接和内存进行数据传输，而不需要CPU的介入。一旦数据传输完成，DMA控制器会发送一个中断信号给CPU，通知数据传输的完成。使用场景有硬盘、显卡、声卡、视频播放、大规模数据处理。

DMA传输数据时占用系统总线，此时，CPU不能使用总线。

输入/输出处理机（IPO）

也称通道，对外围设备进行统一管理，用于处理与外部设备之间的数据输入和输出；IO不会走CPU和内存，在数据传输中走通道，大大提高CPU工作效率，这种效率是以更多的硬件为代价。

计算机体系结构

计算机体系结构，是指计算机硬件和软件之间的结构和组织方式。

Flynn分类法

是计算机体系结构的分类方法之一，分为单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流(MISD)和多指令流多数据流(MIMD)四种类型。

• SISD：指令流中只包含一条指令，只能处理一个操作数。它是传统的冯·诺依曼计算机体系结构，串行执行指令，早期计算机。

• SIMD：指令流中包含多个相同的指令，可以同时处理多个数据。这种体系结构适用于数据并行计算，如图形处理器(GPU - 显卡)。

• MISD：指令流中包含多条指令，这种体系结构并不常见，主要用于特定领域的应用，如冗余计算和错误检测。

• MIMD：指令流中包含多条指令，每个时钟周期可以同时处理多个数据。这种体系结构适用于任务并行计算，如分布式系统。

CISC与RISC

CISC（复杂）：它使用复杂的指令集，每个指令可以执行多种操作，数据量，使用频率差别大，可变长格式；寻址方式支持多种；实现方式是微程序控制技术（微码，研制周期长，代表：X86。

RISC（精简）：它使用简单的指令集，每个指令只执行一种操作，数量少，使用频率接近，定长格式；寻址方式支持方式少；实现方式是增加了通用寄存器，以硬布线逻辑控制为主，更适合采用流水线；优化编译，有效支持高级语言，代表：RISC-V、ARM。

流水线技术

流水线是指程序执行多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。

如：执行一条指令的过程中，需要经历取指、分析和执行三个步骤。在串行情况下，执行指令取指、分析、执行操作各需要1ms，那么执行3条指令总需要9ms，我们使用流水线进行准并行执行，执行3条指令总需要5ms，可以大大提高时间的利用率。

流水线计算公式：

流水线周期 = 执行时间最长的一段

理论公式：(t1+t2+…+tk) + (n-1) * Δt ---- (单个执行时间) + 执行条数 - 1 * 流水线周期

实际公式：(k+n-1) * Δt ---- (几个 + 执行条数 - 1) * 流水线周期

流水线的吞吐率：指令总数 / 执行完毕所需的时间（流水线）

最大吞吐率：1 / 最慢阶段的处理时间

加速比：串行执行时间 / 并行执行时间

串行执行时间是指在没有使用流水线时，执行同样任务所需的时间；并行执行时间是指使用流水线后，执行同样任务所需的时间。

例：每个执行分解为取指、分析和执行三步，已知取指5Δt，分析2Δt，执行3Δt，求500条指令全部执行完需要时间？
公式: (t1+t2+…+tk) + (n-1) * Δt  
(5 + 2 + 3) + (500-1) * 5 = 10 + 499 * 5 = 2505

冯诺依曼结构和哈弗结构

• 冯诺依曼结构：

  也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。一般用于PC处理器，i3、i5、i7处理器，指令与数据存储器合并在一起；指令和数据都通过相同的数据总线传输。

  运算器（ALU）负责进行数学和逻辑运算； 控制器（Control Unit）负责指挥和协调各个部件的工作； 存储器（Memory）用于存储程序和数据； 输入设备（Input Device）用于将数据输入计算机； 输出设备（Output Device）用于将计算结果输出。

• 哈佛结构:

  是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构；主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，都是独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问；一般使用于嵌入式系统处理器（DSP）数字信号处理；指令和数据分开存储，可以并行读取，有较高的吞吐量；四条总线：指令和数据的数据总线与地址总线。

总线

总线是一种用于数据传输的物理连接。它可以把不同的组件连接在一起，例如中央处理器(CPU)，内存，输入输出设备等。总线在计算机系统中扮演着重要的角色，它负责传输数据，地址和控制信号。

共享：

在计算机系统中，总线通常被分为数据总线、地址总线和控制总线。不同设备通过这些总线进行数据传输和通信。总线的共享可以在同一时间内让多个设备同时使用总线，实现数据交换和通信。

优点：提高系统的数据传输效率、节约系统成本、方便实现资源共享和协作；

缺点：多个设备共享同一条总线可能会导致总线的带宽不够用，造成数据传输的性能瓶颈、冲突和竞争、设备间的时序问题；

分时：

同一时刻仅允许一个部件向总线发送信息，但允许多个部件同时从总线上接收相同的信息。

• 串行总线：通过在单根线上逐位地传输数据来实现通信，适合传输长距离的数据，传输速度较慢，例如USB、Ethernet等，它们通过串行的方式传输数据。

• 并行总线：并行总线可以在多个设备之间进行并行数据传输，提高数据传输速度和效率，适合传输近距离的数据，适用于需要大量数据传输的应用场景，如多媒体处理、科学计算等。

• 单 工、半双工、双工：

单工通信：是一种通信方式，只允许信息在一个方向传输。发送方只发送信息，而接收方只接收信息，常见于广播电视、广播广告等。
半双工通信：允许信息在两个方向上传输，但只能在不同的时间段进行传输。发送方和接收方交替进行信息的发送和接收，不能同时进行。这种方式的通信效率较高，常见于对讲机、聊天软件等。
双工通信：允许信息在两个方向上同时传输。发送方和接收方可以同时发送和接收信息，不受时间限制。这种方式的通信效率最高，常见于电话、互联网等。

总线的类型：

• 数据总线（双向）DB：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或需要存储的数据。
• 地址总线（单向）AB：用来指定在RAM之中存储的数据的地址。
• 控制总线 CB：将微处理控制单元的信号，传送到周边设备。

加密技术和认证技术

加密技术和认证技术：

• 对称加密技术：

使用相同的密钥对数据进行加密和解密。通信的双方使用相同的密钥，发送方使用该密钥对数据进行加密，接收方使用相同的密钥对加密后的数据进行解密。特点：加密和解密速度快、密钥管理简单。

常用的对称加密算法有：DES、3DES、AES、RC、IDEA、PGP 等。

• 非对称加密技术：

分为公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。

常见的非对称加密算法: RSA、DSA 、ECC(园曲线算法) 等，非对称加密技术还可以用于数字签名。

• 信息摘要：

将任意长度的数据转化为固定长度的摘要（hash）值的过程。它是一种用于确保数据完整性和验证数据一致性的技术。

常见的信息摘要算法包括MD5、SHA-1、SHA-256等。

MD5算法本身并不是安全的，因为它容易受到碰撞攻击。碰撞攻击是指找到两个不同的输入数据产生相同的MD5摘要值的情况。因此，在安全性要求较高的场景中，建议使用更强大的摘要算法，如SHA-256。

• 数字签名：

用于验证数字文档的真实性和完整性。它基于非对称加密算法。使用私钥对文档进行加密生成签名，然后使用对应的公钥对签名进行解密验证。

计算机的可靠性模型：

• 串联系统

串联系统是一个用于评估和预测计算机系统可靠性的模型。它将计算机系统中的各个组件和子系统通过可靠性模型串联起来，形成一个整体的可靠性评估模型，必须全部子系统正常工作，系统才能工作。

可靠性公式：R = R1 * R2 * … * Rn

• 并联系统

假如一个系统由 N 个子系统组成，只要有一个子系统正常工作，系统就能正常工作，这样的系统称为并联系统。

可靠性公式：1 - (1 - R_1) * (1 - R_2) * … * (1 - R_n)

例：系统由3个部件构成，每个部件的千小时可靠度为R，则该系统的构成方式：
3个部件串联：R = R1 * R2 * R3 = R^3
3个部件并联：R = 1 - (1 - R1) * (1 - R2) *(1 - R3) = 1 - （1 - R）^3
前2个部件并联后一个串联：R = 1 - （1 - R）^2 * R

操作系统

操作系统（Operating System）是计算机系统中的核心软件之一，它是管理和控制计算机硬件和软件资源的软件系统。操作系统为用户提供了一个直接与计算机硬件进行交互的界面，同时也是应用程序和硬件之间的桥梁。

操作系统概述

特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性；

功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作用管理；

计算机启动的基本流程为：BIOS - 主引导记录 - 操作系统

进程管理

进程管理是指操作系统对进程进行创建、调度、终止和资源分配等活动的管理。进程是指程序在执行过程中的一个实例，是操作系统分配资源的基本单位。

进程的组成：进程模块唯一标识（PCB）、程序（描述要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）

进程可以存在多个状态，包括运行态、就绪态、阻塞态等。进程可以通过系统调用来进行状态的转换和操作，比如创建新的进程、终止进程、挂起和恢复进程等。

状态：

• 三态图：分别是就绪态、运行态和阻塞态。等待CPU分配时间片；运行态表示进程正在执行；阻塞态表示进程由于某些原因无法继续执行，需要等待某些事件的发生。
• 五态图：在三态图的基础上增加了两个状态，分别是创建态和终止态。创建态表示进程正在被创建，尚未开始执行；终止态表示进程已经执行完毕，即将被销毁。创建态和终止态是进程的生命周期的两个重要阶段。

前趋图

用于表示和描述进程之间的依赖关系的图形化工具，它描述了进程之间的先后顺序和执行的依赖关系。

进程资源图

描述进程所需资源和资源分配情况的图形表示方法；一般R表示资源、P表示进程，R指向P表示资源分配给该进程，P指向R表示该进程请求该资源。

• 阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。
• 非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。

信号量PV操作

同步与互斥

• 互斥：某资源（即临界资源）在同一时间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用；如打印机；
• 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。
• 互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1；该锁有2个状态，打开和关闭；
• 同步：多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题；如公交车；
• 同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量，如公交车有10个座位，10就是同步信号量。

信号量

进程中的信号量是一种用于同步和互斥访问共享资源的机制。它是一个计数器，可以被多个进程共享，并且可以通过两个基本操作来操作它：P（等待）和V（释放）。

P操作（等待操作）：

• 如果信号量的值大于0，表示资源可用，进程可以继续执行，将信号量的值减1。
• 如果信号量的值等于0，表示资源不可用，进程将被阻塞，直到资源可用。

V操作（释放操作）：

• 将信号量的值加1。
• 如果有其他进程因为等待资源而被阻塞，将其中一个被阻塞的进程唤醒.

P操作，S = S -1 ，当S<0，代表资源已经用完，该进程会进入进入阻塞（进程队列），

V操作，S = S +1，当S<=0，代表已释放资源，需要将阻塞（进程队列）里的进程进行唤醒。

死锁

死锁是指两个或多个进程在互相等待对方所占有的资源而无法继续向前推进的情况。

死锁计算问题：系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*（R-1）。其不发生死锁的最小资源数为n*（R-1）+1。

线程

是计算机中最小的执行单元，是进程内的一个独立执行流程。

存储管理

页式存储

我们的程序往往大于内存的容量，因此在执行时，并不会一次性将所有内容都装入内存。相反，程序会被分为若干个固定大小的页，通常为4K。然后将这些页离散存储到内存中，而内存则按块划分。为了将程序中的页映射到内存中的块进行存储，我们使用页表。

在进程中，我们使用逻辑地址（虚地址）来表示地址，而在内存中，我们使用物理地址（实地址）来表示地址。

优点：能够实现程序的非连续存储、提高了内存利用率；缺点：页表管理和地址转换开销较大、需要频繁进行页面调度和页表更新。

例：某计算机系统页面大小4K，它逻辑地址十六进制1D16H，它物理地址十六进制地址是？
页 块
0 1
1 3
2 4
物理地址是：3D16H

页面置换算法

当内存不足时，操作系统需要选择一个页面将其从内存中置换出来，为新的页面腾出空间。

• 最优算法 (OPT)：优点：理论上的最佳效率，保证未来执行的页面都是即将访问的，缺点：无法实现；
• 先进先出算法 (FIFO)：优点：算法简单，易于实现，缺点：即页数越多，缺页率越高；
• 最近最少使用算法 (LRU) ：优点：基于局部性原理，效率高，不会产生抖动现象，缺点：需要维护额外的数据结构，计算量较大；

快表

是存储管理中的一种高速缓存，快表将页表存在于Cache，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快；慢表是将页表存于内存上。因此慢表需要访问两次内存才能取出数据。

段式存储

它将程序的逻辑地址空间划分为多个不同大小的段，每个段包含了一组相关的逻辑地址和段号。与页式存储不同是，每段物理大小不同；地址表示：（段号，段内偏移），其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，因此地址对应真正内存地址是段号对应的基地址+段内偏移。

优点：灵活性、安全性、共享性；缺点：产生内碎片，存在大量不连续的空闲空间。

段页式存储

它是一种结合了段式存储和页式存储的存储管理方式，主要用于操作系统的存储管理。在段页式存储中，内存被划分为若干个大小不等的段，每个段又被划分为若干个大小相等的页，每个页的大小是固定的。段和页都有一个唯一的标识符，用于访问和管理。

优点：空间浪费小、存储容易、能动态连接；缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降。

存储管理

页式存储

我们的程序往往大于内存的容量，因此在执行时，并不会一次性将所有内容都装入内存。相反，程序会被分为若干个固定大小的页，通常为4K。然后将这些页离散存储到内存中，而内存则按块划分。为了将程序中的页映射到内存中的块进行存储，我们使用页表。

在进程中，我们使用逻辑地址（虚地址）来表示地址，而在内存中，我们使用物理地址（实地址）来表示地址。

优点：能够实现程序的非连续存储、提高了内存利用率；缺点：页表管理和地址转换开销较大、需要频繁进行页面调度和页表更新。

例：某计算机系统页面大小4K，它逻辑地址十六进制1D16H，它物理地址十六进制地址是？
页 块
0 1
1 3
2 4
物理地址是：3D16H

页面置换算法

当内存不足时，操作系统需要选择一个页面将其从内存中置换出来，为新的页面腾出空间。

• 最优算法 (OPT)：优点：理论上的最佳效率，保证未来执行的页面都是即将访问的，缺点：无法实现；
• 先进先出算法 (FIFO)：优点：算法简单，易于实现，缺点：即页数越多，缺页率越高；
• 最近最少使用算法 (LRU) ：优点：基于局部性原理，效率高，不会产生抖动现象，缺点：需要维护额外的数据结构，计算量较大；

快表

是存储管理中的一种高速缓存，快表将页表存在于Cache，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快；慢表是将页表存于内存上。因此慢表需要访问两次内存才能取出数据。

段式存储

它将程序的逻辑地址空间划分为多个不同大小的段，每个段包含了一组相关的逻辑地址和段号。与页式存储不同是，每段物理大小不同；地址表示：（段号，段内偏移），其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，因此地址对应真正内存地址是段号对应的基地址+段内偏移。

优点：灵活性、安全性、共享性；缺点：产生内碎片，存在大量不连续的空闲空间。

段页式存储

它是一种结合了段式存储和页式存储的存储管理方式，主要用于操作系统的存储管理。在段页式存储中，内存被划分为若干个大小不等的段，每个段又被划分为若干个大小相等的页，每个页的大小是固定的。段和页都有一个唯一的标识符，用于访问和管理。

优点：空间浪费小、存储容易、能动态连接；缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降。

设备管理

负责管理计算机系统中的各种硬件设备，包括输入设备、输出设备和存储设备等。设备管理的主要任务包括设备的分配、控制和调度。

设备分类：

数据组织分类：

• 块设备：以固定大小的块为单位进行数据传输的设备；如：硬盘，固态硬盘；
• 字符设备：以字符为单位进行数据传输的设备；如：键盘，鼠标，打印机；

资源分配分类：

• 独占设备：一次只能被一个程序使用的设备；如：硬盘，串口；
• 共享设备：可以被多个程序同时使用的设备；如：打印机；
• 虚拟设备：通过软件模拟出来的设备；如：虚拟机的虚拟硬盘，虚拟网络适配器；

传输速率分类：

• 低速设备：传输速率较慢的设备；如：鼠标，键盘；
• 中速设备：传输速率适中的设备；如：打印机；
• 高速设备：传输速率较快的设备；如：硬盘，固态硬盘；

输入输出：

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束。

文件管理

操作系统中的文件管理是指操作系统对文件的创建、存储、删除和访问等操作的管理。文件是操作系统中的基本单位，用于存储和组织数据。

索引文件

文件管理中的索引文件是一种特殊的文件，它记录着其他文件的位置和相关信息。索引文件的作用是加快文件的定位和访问速度。

分为：直接索引、多级索引、哈希索引；

直接索引，每个文件都有一个索引项，记录起始位置和长度等信息；多级索引，每个文件都有一个索引块，每个索引项又可以指向其他索引块，从而构成一个多级索引结构。

例：文件索引节点有8个地址项，每个地址项大小4字节，其中前5个为直接索引，2个为一级索引，1个为二级索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小为1KB，若访问文件逻辑块为5和518，则系统应分别采用什么类型索引？表示单个文件最大长度是多少KB？
索引结构 类型 文件逻辑块
 0 --- 直接索引 1
 1 --- 直接索引 2
 2 --- 直接索引 3
 3 --- 直接索引 4
 4 --- 直接索引 5
 5 --- 一级索引 1024/4 = 256
 6 --- 一级索引 1024/4 = 256
 7 --- 二级索引 256*256 = 65536
 得出
 文件逻辑块5（需要+1，下标是从0开始） 是一级索引，
 文件逻辑块518（5+256+256 = 517 < 518） 是二级索引，
 最大长度是 5 + 256 + 256 + 65536 = 66053

树形文件

树形文件是一种常见的文件组织结构，它类似于文件系统中的目录树形结构。

在这个树形结构中，每个文件或目录都有一个唯一的路径来标识它们的位置。

• 相对路径：相对路径是相对于当前工作目录的路径。
• 绝对路径：绝对路径是从根目录开始的完整路径，用于准确定位文件或目录的位置。
• 全文件名：全文件名是文件的完整名称，包括文件名和扩展名。它不包括路径信息，只是文件的唯一标识。

文件属性：

R：只读文件属性；A：存档属性；S系统文件；H隐藏文件

空间存储

• 空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录。

• 空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配。

• 成组链接法：既分组，每组内又链接成链表，是上述两种方法的综合。

• 位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图。

  例：位示图法的某文件管理系统在磁盘上建立位置图，记录磁盘的使用情况，磁盘上的物理块依次是0,1,2...，共32位，每一位对应文件存储器上的一个物理块，取0和1，代表空闲和占有，假设4195号物理块分配给某文件，该物理块的使用情况在位示图中第几个字中，系统应该将该字的第几个位置是多少？
  字--代表行
  0 1 2 3 4 5 ... 32
  (4195 + 1 (下标从1开始) ) / 32 = 131.125 , 该物理块的使用情况在位示图中第132个字中,131放不下，因为有小数点。
  系统应该将该字的第3个位置是1 （131）- 代表3位， 0 1 2 3
  

操作系统和设备管理

微内核操作系统

• 单体内核：将图形、设备驱动以及文件系统等全部在内核中实现，运行在内核状态和同一个地址空间；优点：减少进程间通信的系统开销，获得较高的运行效率；缺点：内核庞大，占用资源较多，安全性不好；
• 微内核：只实现基本功能，将图形系统、文件系统等放在内核之外；优点：内核精简，系统可靠性较高，适用于分布式系统；缺点：用户状态和内核状态需要频繁切换，导致系统效率不如单体内核；

嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是专门为控制和管理特定硬件（通常是专用硬件）而设计的操作系统。这些系统通常用在需要高度优化和可靠性的环境中，如消费电子、工业控制、汽车电子、通讯设备等。

特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪可配置；

实时嵌入式操作系统的内核服务：异常和中断管理、计时器服务、I/O管理；

常见的嵌入式实时操作系统：VxWorks、RT-Linux、QNX、pSOS；

嵌入式系统初始化过程：芯片级初始化 - 板卡级初始化 - 系统级初始化；

虚设备和SPOOLING技术

• 虚设备：虚设备是一种抽象的设备概念，它不对应任何实际的物理硬件，而是通过软件模拟出来的设备。例如，虚拟打印机、虚拟磁盘等都是通过软件来模拟相应的物理设备功能，实现数据的处理或存储。
• SPOOLing 技术：是一种用于管理输入/输出设备的缓冲技术，通常用于打印服务或其他批量数据处理服务。SPOOLing 的核心思想是将数据存储在一个临时存储区（通常是硬盘），然后按顺序逐步发送到相应的设备。
  主要好处包括：提高效率、减少等待时间、增加系统的吞吐量。

计算机网络

网络互联模型

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享。

计算机网络功能：数据通信、资源共享、管理集中化、实现分布式处理、负载均衡。

网络性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、利用率；

网络非性能指标：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性、可维护性；

计算机网络划分：

分布范围划分：局域网、城域网、广域网；

拓扑结构划分：总线型拓扑、星型拓扑（通常是交换机或路由器）、环型拓扑、树型拓扑、分布式拓扑（网状拓扑）

OSI（开放系统互联）模型：

• 物理层：负责传输原始比特流（二进制位传输），涉及到物理设备及介质（如电缆、光纤）。设备：中继器、集线器。
• 数据链路层：确保无错误的帧传输，负责帧的封装和物理地址寻址，以及错误检测和修正。设备：交换机、网桥。
• 网络层：处理数据包从源到目的地的传输和路由选择，使用逻辑地址（如IP地址）。设备：路由器。
• 传输层：提供端到端的数据传输服务，主要协议包括TCP和UDP。设备：网关。
• 会话层：互连主机通信，管理用户的会话，控制建立、维护和终止会话。设备：网关。
• 表示层：数据的表示，确保一个系统的数据在另一个系统上能被正确解析和表示，涉及数据格式化以及加密和解密。设备：网关。
• 应用层：为应用程序提供网络服务，如HTTP、FTP、SMTP等协议的支持。设备：网关。

CP/IP模型：

• 链路层（或网络接入层）：处理与物理网络的接口，负责在物理网络中传输数据。
• 网络层（或互联网层）：负责数据包从源到目的地的传输和路由选择，IP协议位于此层。
• 传输层：提供端到端的通信控制，TCP和UDP协议都在此层操作。
• 应用层：包含所有高级协议，提供具体的应用服务，如HTTP、FTP、DNS等。

网络层协议：

在网络层中，多种协议共同工作以确保数据正确地从源主机路由到目的主机。这包括处理路由选择、地址解析、错误报告和多播组管理等任务。

常见网络协议：

• IP
  IP协议是网络层的核心，负责将数据包从源主机发送到目的主机。它为数据包提供逻辑地址（即IP地址），使得数据能够在复杂的网络中找到正确的路径。
  特性：无连接、不可靠、数据分片和重组；
• ICMP
  ICMP用于发送控制消息，如错误报告（目的地不可达、通信超时等）和操作查询（如ping命令用于检测网络连通性）。
• ARP
  ARP用于将网络层的IP地址解析为链路层的物理地址（如以太网MAC地址）。当一个主机需要向同一局域网中的另一个主机发送数据时，它需要知道目标的物理地址。
• RARP
  RARP用于将链路层的物理地址解析为网络层的IP地址。这主要在无盘工作站启动时使用，工作站通过广播自己的物理地址来请求其IP地址。
• IGMP
  IGMP用于管理多播组成员，并允许主机报告其多播组的成员身份信息给本地路由器。

传输层协议：

• TCP（传输控制协议）
  特性：可靠性、面向连接、全双工通信、流量控制、拥塞控制；
  适用场景：需要高可靠性的应用，如网页浏览、文件传输、电子邮件等。
• UDP（用户数据报协议）
  特性：无连接、不可靠性、快速传输、报头开销小；
  适用场景：适合对实时性要求高的应用，如视频会议、在线游戏和某些类型的语音传输、广播和多播传输。

应用层协议：

基于TCP的协议：

• FTP
  功能：FTP 是一个用于在网络上进行文件传输的协议，支持双向传输，提供用户认证功能。
  特点：可靠性高，保证文件完整性，通过控制和数据连接进行通信。
• HTTP
  功能：HTTP 用于在Web服务器和客户端浏览器之间传输网页内容，如文本、图像和其他类型的多媒体文件。
  特点：请求/响应模式，无状态，使用SSL/TLS变为HTTPS以提供加密的安全连接。
• SMTP 和 POP3
  功能：SMTP 用于发送邮件，POP3 用于接收邮件。
  特点：SMTP 仅用于发送邮件到服务器或从一个服务器传送到另一个服务器；POP3 用于从服务器下载邮件到本地客户端。
• Telnet
  功能：用于远程登录，让用户可以在本地计算机上通过命令行界面控制远程计算机。
  特点：基于文本的交互，不提供数据加密，已逐渐被更安全的SSH替代。

基于UDP的协议：

• TFTP
  功能：一个简单的文件传输协议，通常用于小型设备或系统的引导过程中。
  特点：非常简单，没有复杂的认证机制，使用最小的开销，适用于不需要高安全性的场景。
• DHCP
  功能：动态主机配置协议， 基于UDP， 基于C/S模型， 为主机动态分配 IP地址， 有三种方式：固定分配 、动态分配 、 自动分配 。
  特点：动态配置，减少手动配置错误和地址冲突。
• DNS
  功能：将域名解析为IP地址，使得用户可以通过易于记忆的域名访问网站。
  特点：是整个互联网的基础设施之一，支持多级缓存以提高解析效率。
• SNMP
  功能：用于网络设备的管理和监控。
  特点：允许管理员远程收集设备状态信息和改变设备配置，以适应网络管理需求。

IP地址及子网

IP地址主要有两种版本：IPv4 和 IPv6。

IPv4 地址

这是目前最为广泛使用的版本。一个IPv4地址由32位二进制数构成，通常被分为四个字节，每个字节代表一个十进制数（0-255），四个数之间用点（.）分隔。例如，192.168.1.1。

二进制表示：每个十进制组（点分隔的）对应一个八位的二进制数。
例：，192.168.1.1 在二进制中表示为 11000000.10101000.00000001.00000001。
常见的二进制转十进制
10000000   128
00001011   11
00000011   3
00001111   31
二进制转十进制快速方法：
00000001 1 
00000010 2
00000100 4
00001000 8
00010000 16
00100000 32
01000000 64
10000000 128
-------------------
00000001 1
00000011 3
00000111 7
00001111 15
00011111 31
00111111 63
01111111 127

IP地址划分

逻辑上，IP地址分为网络号和主机号，依据网络号位数不同，可以将IP地址分为以下几类：

分类	十进制	二进制（网络号）	主机号
A类	0.0.0.0	0	0000000
	127.255.255.255	0	1111111
B类	128.0.0.0	10	000000
	191.255.255.255	10	111111
C类	192.0.0.0	110	00000
	223.255.255.255	110	11111
D类	224.0.0.0	1110	0000
	239.255.255.255	1110	1111
E类	240.0.0.0	1111	0000
	255.255.255.255	1111	1111

IP地址 = 网络号 + 主机地址

例子：一个C类IP地址：192.168.1.1，那么网络号：192.168.1.0、主机地址：0.0.0.1
网络号是子网中最小的地址，主机地址该网段中主机的地址编号，把网络号想象成街道地址，把主机地址想象成门牌号，两者结合的IP地址就是具体的家庭地址（电脑主机）。

无分类编址 ：即不按照A B C类规则，自动规定网络号，无分类编址格式为：IP地址/网络号，

例子：
128.168.0.11/20表示的IP地址为128.168.0.11， 其网络号占20位， 因此主机号占 32-20=12位， 也可以划分子网。

特殊 IP地址：

• 公有地址 ： 通过它直接访问因特网。 是全网唯一的IP地址。
• 私有地址 ： 属于非注册地址，专门为组织机构内部使用，不能直接访问因特网，所示为私有地址范围 ：

类别	IP地址范围	网络号	网络数
A类	10.0.0.0 - 10.255.255.255	10	1
B类	127.16.0.0 - 172.31.255.255	172.16 - 172.31	16
C类	192.168.0.0 - 192.168.255.255	192.168.0 - 192.168.255	256

网络号	主机号	源地址使用	目的地址使用	意思
0	0	可以	不可以	本网络上的本主机
全1	全1	不可以	可以	本网络上进行广播
Net-ID	全1	不可以	可以	对net-ID上所有的主机进行传播
127	非全0或全1	可以	可以	用测试，127.0.0.1
169.154	非全0或全1	可以	可以	Windows主机DHCP服务器故障分配

子网及子网掩码

子网划分是为了更有效地使用较大的IP地址块（如B类地址）而进行的。通过这种方式，大型网络可以被细分成更小、更易于管理的网络块。在IP地址中，原有的主机部分的一些位被重新划分用作子网号，从而允许管理员基于实际需要来划分网络。

子网掩码：是用来确定IP地址中哪部分属于网络地址（包括子网号）哪部分属于主机地址的一个值。作用：将某个IP地址划分成“网络地址”和“主机地址”两部分。

子网掩码通过和IP地址的“与”运算，求出主机地址是多少。

地址组成：通过子网划分后，IP地址由“网络号 + 子网号 + 主机号”组成。网络号和子网号的组合用来识别特定的子网，而主机号则用来识别子网内的具体设备。

注意点：子网号可以为全0或全1；主机号不能为全0或全1；全0用于表示网络本身，全1用于表示该网络的广播地址。

A类的子网掩码：255.0.0.0
B类的子网掩码：255.255.0.0
C类的子网掩码：255.255.255.0

超网：
或称为路由聚合，是子网划分的逆过程。它涉及将多个小网络合并成一个更大的网络；

例：假设有四个连续的C类网络：
192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24, 192.168.3.0/24, 192.168.4.0/24。
这些可以被聚合成一个更大的网络192.168.1.0/22，该网络覆盖了从192.168.0.0到192.168.3.255的所有地址。

子网的网络地址：

将IP地址和其对应的子网掩码逐位进行“与”运算 ， 可得到对应的子网的网络地址。公式：网络地址 = IP & 子网掩码

例: IP地址是136.34.5.56 ，子网掩码是255.255.255.0
得出该主机所在子网的网络号为 136.34.5.0
注意：与运算 
 0 1 0 0 1 
 1 1 0 1 1 
得出 0 1 0 0 1
例：
IP地址是 202.112.14.137，子网掩码是255.255.255.224
网络地址是202.112.14.128，子网号是128
主机地址是202.112.14.137 

因此路由器在相互之间交换信息的时候 ， 除了要给出目的地址和下一跳地址外，还需要给出该目的网络的子网掩码。

例：IP地址：131.1.123.24/27 与 IP地址： 131.1.123.43/27 是否在同一网段？
/27代表前27位都是网络号，主机号是5位，因此将24与43 分别转换成二进制：
000 11000
001 01011
前3位不一样，不再同一个网段

IPV6

目的是为了解决IPv4的若干局限性，如地址空间耗尽、路由表急剧膨胀、缺乏对服务质量（QoS）的支持、本身不提供任何安全机制、以及移动性差等问题。这一新的设计方案被称为下一代IP。

优势：IPV6有更大的地址空间、使用更小的路由表、增加组播支持与对流支持、加入自动配置支持、具有更高的安全性。

IPV4到IPV6的过渡技术：

• 双协议栈技术：网络设备能够处理IPv4和IPv6数据包，从而实现两种协议的平滑过渡。
• 隧道技术：通过将IPv6数据包封装在IPv4数据包中来实现的，从而允许IPv6数据包“隧穿”IPv4网络。
• 翻译技术：翻译技术涉及在IPv4和IPv6网络之间转换IP头信息，以及必要时修改数据包的内容，以确保协议间的互操作性。这种方式需要使用特殊的网关设备，这些设备在两种协议间转换数据包。

域名系统DNS

端口：

格式为“网络地址•主机地址.端口地址”。其中网络和主机地址合称为IP地址；端口地址则对应TCP或UDP的端口，标识上层应用程序的访问点。在TCP/IP网络中，大多数公共应用进程的端口号都是由IANA指定的，通常小于1024，用户进程使用的端口号一般大于1024。

域名系统：

它使得我们可以通过易记的域名来访问网站，而不需要记住复杂的IP地址。DNS的基本功能是将域名转换为与之对应的IP地址。

DNS系统的组成：

• 根域名服务器：互联网地址簿的最顶层，负责全球顶级域的管理（如.com、.net、.org等）
• 顶级域名服务器（TLD服务器）：负责管理在根服务器下一级的顶级域名（如.com、.edu等）的信息
• 权威域名服务器：具体负责某个域名的服务器，存储该域名的所有相关记录，包括IP地址
• 递归服务器：通常由互联网服务提供商（ISP）提供，它为用户的设备提供DNS查询服务，帮助解析域名到IP地址
• 主机：属于最低层域名 ，处于域名树的叶子端 ，代表各类主机提供的服务

DNS使用UDP协议 ，较少情况下使用TCP协议。域名系统由三部分构成： DNS名字空间、域名服务器、DNS客户机。

二级域名：

顶级域下面是二级域，这是正式注册给组织和个人的唯一名称，例如www.microsoft.com中的microsoft 就是微软注册的域名。

在二级域之下，组织机构还可以划分子域 ，使其各个分支部门都获得一个专用的名称标识， 例如：www.sales.microsoft.com中的sales是微软销售部门的子域名称。注意：一个域名的长度通常不超过63 个字符 ，最多不能超过255个字符。

域名查询： 递归查询、迭代查询

网络规划与设计

网络系统建设

网络建设工程可分为网络规划、 网络设计和网络实施三个环节。

网络设计

• 采用先进、成熟的技术
• 遵循国际标准，坚持开放性原则
• 网络的可管理性
• 系统的安全性
• 灵活性和扩充性
• 系统的稳定性和可靠性
• 经济性：网络规划应保质保量按时完成，同时减少失误和浪费。
• 实用性

网络规划

• 接入层：接入层是网络中直接面向用户，用于连接或访问网络的部分。

用户连接：允许终端用户连接到网络。
互访需求：解决相邻用户之间的互访需求。
带宽提供：为用户访问提供足够的带宽。
地址认证：负责用户的IP地址和MAC地址的认证。
用户认证：进行用户身份验证。
计费管理：管理用户的网络使用和计费。
信息收集：收集用户的IP地址、MAC地址、访问日志等信息

• 汇聚层：汇聚层位于核心层和接入层之间，起到连接这两层的桥梁作用。

作为多台接入层交换机的汇聚点。
完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤和寻址、以及执行其他数据处理任务。
汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的交换速率。

• 核心层：网络主干部分，称为核心层。

核心层主要目的在于通过高速转发通信，提供优化、可靠的骨干传输结构。
通过高速转发通信，提供优化和可靠的骨干传输结构。
核心层交换机应用有更高的可靠性，性能和吞吐量，核心层只完成数据交换的特殊任务。

综合布线系统

它是一个用于传输语音、数据、影像和其他信息的标准结构化布线系统， 是建筑物或建筑群的传输网络，它使语言和数据通信设备、交换设备和其他信息管理系统彼此相连接。综合布线的热物理结构采用模块化设计和分层星型拓步结构。

它有6个独立的子系统：

• 工作区子系统

包括工作区内的终端设备至信息插座之间的设备，如信息插座、连接软线、适配器、计算机、网络集散器、电话、报警探头、摄像机、监视器、音响等。

实现工作区终端设备与水平子系统的信息插座之间的互联。

• 水平子系统

布置在同一楼层上，从信息插座延伸到配线间的跳线架。

将干线子系统的线路延伸到用户工作区，并将用户工作区引至管理子系统。为用户提供满足国际标准的语音及高速数据传输要求的信息点出口。

• 设备间子系统

包括设备间中的电缆、连接跳线架及相关支撑硬件、防雷电保护装置等。

连接中央主配线架与各种不同设备。是整个配线系统的中心单元，布放、造型及环境条件的考虑直接影响信息系统的运行及维护灵活性。

• 垂直（干线）子系统

采用大对数的电缆馈线或光缆，两端分别端接在设备间和管理间的跳线架上。

实现主设备间至各层管理间的连接，特别是在位于中央点的公共系统设备处提供多个线路设施。连接计算机设备、程控交换机（PBX）、控制中心与各管理子系统间。

• 管理子系统

安装有线路管理器件及各种公用设备。

实现整个系统的集中管理。是干线子系统和水平子系统的桥梁，同时为同层组网提供条件。

• 建筑群子系统

采用架空或地下电缆管道或直埋敷设的室外电缆和光缆互连。

将多个建筑物的数据通信信号连接成一体的布线系统。支持提供楼群之间通信所需的硬件。

其他网络知识

通信技术

通信技术将数据从一个节点传送到另一个节点的过程。通信技术是计算机网络的基础。

信道分类：

• 物理信道：由传输介质和设备组成，分为：无线信道（无线局域网、卫星通信）、有线信道（光纤、同轴电缆、双绞线）
• 逻辑信道：在数据发送端和接收端之间存在的虚拟线路，可以是有连接的（如TCP）或无连接的（如UDP）。逻辑信道依赖物理信道作为其载体。

信号处理：

发信机处理：信源编码、信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制；

收信机处理：解调、采样判决、去交织、信道译码、信源译码；

数据传输技术：

• 复用技术：在一条信道上同时传输多路数据。
• 多址技术：在一条信道上同时传输多个用户的数据，并在接收端将它们分离。

5G网络特征：

• 服务化架构：更灵活的网络功能部署，允许更多定制的服务和优化的网络管理。
• 网络切片：允许运营商为不同类型的服务创建独立的网络架构，在同一物理设施上提供多种网络。

交换技术

交换机是网络中一个关键设备，它在数据转发、网络管理和维持网络通信效率中发挩着至关重要的作用，因此网络中转发通常离不开交换机。

交换机的基本功能：

• 集线功能：

  提供多个端口，允许多台设备通过线缆连接至交换机，常用于构建星型网络拓扑，从而中心化网络管理和增强信号强度。

• 中继功能：

  在转发帧时，交换机会重新生成不失真的电信号，确保数据传输质量和距离。

• 桥接功能：

  在内部端口上应用统一的转发和过滤逻辑，确保数据流向正确，并有效地利用网络资源。

• 隔离冲突域功能：

  通过将网络分割为多个冲突域，每个冲突域都拥有独立的带宽，从而提高整体网络的带宽利用效率和减少数据包冲突。

交换机实现的关键功能：

• 转发路径学习：

  交换机通过监听进入的数据帧来学习源MAC地址，并将这些地址与对应的端口映射关系存储在MAC地址表中。这使得交换机能够有效地定向数据帧的转发。

• 数据转发：

  当数据帧到达时，交换机会检查其目的MAC地址，并在MAC地址表中查找对应的端口。如果找到，数据帧将被转发到指定的端口。

• 数据泛洪：

  如果目的MAC地址不在MAC地址表中，或者帧是广播或多播帧，交换机会将数据帧发送到除源端口外的所有其他端口，这种做法称为泛洪。

• 链路地址更新：

  MAC地址表不是静态的，交换机会定期（例如每300秒）更新地址表，以适应网络中设备的变动，确保地址表的准确性和最新性。

路由技术

路由器是网络中的关键设备，负责在不同网络之间转发数据包。

路由器的主要功能：

• 异种网络互连：

  路由器能够连接使用不同子网协议的网络，如不同类型的局域网或广域网。

• 子网协议转换：

  实现不同网络协议之间的转换，使得各种网络设备能够通信。

• 数据路由：

  根据路由规则将数据包从一个网络转发到另一个网络。路由决策基于路由表中的信息。

• 速率适配：

  通过使用缓存和流量控制协议，调整不同网络间的数据传输速率。

• 隔离网络：

  防止广播风暴，并通过实现防火墙功能来提高网络安全。

• 报文分片和重组：

  当数据包大小超过网络接口的最大传输单元（MTU）时，进行分片；在目的地将分片的数据包重新组合。

• 备份和流量控制：

  包括主备线路的自动切换和复杂的流量控制策略，以确保网络的稳定性和高效性。

备份和流量控制：

路由器通过维护一个路由表来决定数据包的下一跳地址。这个路由表可以手动配置（静态路由），也可以通过动态路由协议自动更新。路由器接收从一个网络接口来的数据包，并根据目的地址决定其转发的下一跳。

路由协议分类：

• 内部网关协议 (IGP)：在单一自治系统内部使用的路由协议，如RIP, OSPF, 和EIGRP。
• 外部网关协议 (EGP)：用于不同自治系统之间的路由决策，最常见的例子是BGP（边界网关协议）。

传输介质

双绞线：

双绞线是网络布线中广泛使用的一种电缆类型，通过将两根铜线以特定的方式缠绕来减少电磁干扰。这种缠绕有助于抵消电磁干扰，特别是来自相邻线缆和外部源的干扰

• 无屏蔽双绞线（UTP）

  特点：价格低、安装简单、可靠性相对较低。应用场景：广泛应用于办公室、学校和家庭网络中。

  分为：
  CAT3：支持最高10 Mbps速率，早期用于电话系统和10BASE-T网络
  CAT4：支持最高16 Mbps速率，已基本淘汰
  CAT5：支持最高100 Mbps速率，适用于快速以太网（100BASE-TX）
  CAT5e：支持最高1000 Mbps（1 Gbps）速率，用于千兆以太网（1000BASE-T），具有更好的抗干扰性能
  CAT6：同样支持最高1000 Mbps速率，在部分设置中支持高达10 Gbps（条件严格，距离较短），用于替代CAT5e，提供更优的性能和频率响应
  

• 屏蔽双绞线（STP）

  特点：价格高、安装复杂、可靠性高。应用场景：用于工业环境或近距离电源线和无线设备的地区，其中电磁干扰可能影响数据传输的场合。

在布置以太网线（双绞线）时，确实存在两种主要的接线标准，这些标准指定了八根颜色编码的线如何按顺序插入RJ-45连接器（通常称为水晶头）。这两种标准分别是T568A和T568B。

光纤：

光纤是现代通信网络中用于高速数据传输的关键介质，特别是在需要远距离传输和高带宽的应用场景中。光纤通过使用光而不是电信号来传输数据，从而提高传输效率并减少干扰。

光纤类型：

• 多模光纤 (MMF)

  特点：纤芯半径：较大；通常使用发光二极管（LED）作为光源；成本低、传输效率和可靠性较低；适用范围：适合短距离传输，例如在校园网、数据中心内部连接。

  传输距离：与传输速率有关：
  100 Mbps时，最长可达2公里
  1000 Mbps时，最长可达550米
  

• 单模光纤 (SMF)

  特点：纤芯半径：很小；采用激光二极管（LD）作为光源；成本高、传输距离远、可靠性高；传输距离可达5公里或更远，具体距离依赖于具体的系统设计和光源性能。

多模光纤：适用于办公楼、校园、数据中心内部的网络布线，特别是距离较短且成本预算有限的情况。

单模光纤：适用于连接城市之间或跨越广泛地区的长距离网络传输，以及高速数据服务如ISP后干线连接。

无线信道：

无线信道是通过空气而不是通过物理介质（如电缆）传输数据的通信方式。无线信道主要利用无线电波和红外光波两种形式的电磁波进行数据传输。

• 无线电波

  无线电波是一种电磁波，其频率范围从约3 kHz至300 GHz。（广播电视、移动通信、无线网络、卫星通信）

• 红外光波

  红外光波是一种较短的电磁波，波长范围从大约700 nm到1 mm。（直线传输、数据传输、遥控器通常使用红外信号来控制电视、空调）

通信方式和交换方式

通信方向：

• 单工通信：数据只能从一个方向传输，无法回传。

  应用实例：电台只发送信号，听众只接收信号，无法通过同一频道发送信号。

• 半双工通信：设备A和设备B可以互相通信，但是在同一时刻，数据只能单向流动。

  应用实例：对讲机：使用者通过对讲机交谈时，一方讲话时另一方必须听，无法同时进行讲话。

• 全双工通信：设备A和设备B可以在任意时刻互相通信，支持同时双向数据流。

  应用实例：电话通话、网络通信

同步方式：

• 异步传输：数据以独立的单元进行传输，每个单元（通常是字符）前后添加起始位和停止位。
  特点：起始位和停止位、资源浪费、传输效率降低；
  适用场景：适用于数据量较小且通信间隔不规则的情况，如键盘和鼠标数据传输。
• 同步传输：以数据块为单位进行传输，通常通过同步帧来标记数据块的开始和结束。
  特点：高效率、同步帧
  适用场景：适合传输大量数据，如文件传输、多媒体数据流。
• 串行传输：数据以单一线路逐位传输，每次传输一位数据。
  特点：低速设备适用、远距离传输，适用于广域网。
  适用场景：适用于长距离通信和成本敏感的应用，如因特网数据传输。
• 并行传输：多条数据线同时传输多位数据。
  特点：高速传输、成本高、受限于距离
  适用场景：适用于计算机内部或其他硬件设备间的短距离、高速数据传输。

异步和同步传输分别优化了不同的通信场景，其中异步传输适用于间歇性数据传输，同步传输适合持续的大量数据流。串行和并行传输则是从物理线路角度定义数据的传输方式，串行传输适用于成本和距离要求较高的场景，而并行传输适用于速度要求更高的局部连接。

交换方式：

• 电路交换
  特点：建立持久的物理连接或专用电路通道。
  面向连接：通信前需要建立连接，通信结束后释放连接。
  实时性高：由于有固定的传输路径，延迟较低，适合实时性要求高的应用。
  链路利用率低：即使数据不传输，连接依然占用带宽资源。
  应用场景：传统的电话通信和一些实时音视频通信。

• 报文交换
  特点：以完整的报文为单位进行存储-转发。
  面向无连接：每个报文独立传输，包含完整的目标地址信息。
  延时存在：报文在每个节点被完整接收后存储、检错、转发，增加了传输延时。
  可靠性高：节点对报文进行检错，错误报文被丢弃。
  应用场景：早期的电子邮件传输和某些网络协议。

• 分组交换
  特点：将数据切割成小的分组进行存储-转发。
  时延较小：相较于报文交换，分组较小，减少了在每个节点的处理时间。

  数据报：
  无连接：每个分组独立选择路径，包含完整的目标地址。
  不可靠：分组独立传输，可能会丢失或错序，需要上层协议处理。
  应用场景：互联网的IP协议。
  
  虚电路：
  面向连接：建立虚拟连接，所有分组沿此路径传输。
  可靠：通过预先建立的路径，保证分组顺序和传输的可靠性。
  应用场景：某些特定的网络环境和协议，如帧中继。
  
  信元交换（ATM）：
  面向连接：基于虚拟电路的概念。
  可靠：固定长度的信元简化了节点处理，提高了传输效率。
  特点：信元固定长度（53字节），其中5字节为头部，48字节为数据域。
  应用场景：宽带集成服务数字网(B-ISDN)。
  

电路交换：适用于实时性要求高的语音视频通信，但资源利用效率低。
报文交换：适合可靠性要求高的场景，但存在较大延时。
分组交换：时延小，资源利用高，是现代网络（尤其是互联网）的主要交换方式，包括数据报方式的无连接不可靠传输，虚电路和信元交换的面向连接可靠传输。

网络存储技术

主流的网络存储技术主要有三种，分别是直接附加存储（DAS）、 网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）

直接附加存储

也被称服务器附加存储（SAS），是一种将存储设备直接连接到服务器的存储解决方案。通过标准接口将存储设备如硬盘或固态驱动器直接连接到计算机或服务器的系统。

适用环境：地理分布分散的服务器、特定应用的直接连接需求、数据库和应用服务器的高性能需求；

网络附加存储

采用 NAS 技术的存储设备不再通过 I/O 总线附属于某个特定的服务器，而是通过网络接口与网络直接相连 ， 由用户通过网络访问。

特点：专用设备、优化架构、数据中心、直接访问；

优势：易于管理、即插即用功能、响应速度和传输率；

存储区域网络

是一个高速且专用的网络，连接存储设备与服务器，主要用于数据中心和需求高的企业级应用。

特点：高速子网、块级存储、独立网络；

优势：性能提升、可扩展性、管理与备份优化；

网络存储技术

主流的网络存储技术主要有三种，分别是直接附加存储（DAS）、 网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）

直接附加存储

也被称服务器附加存储（SAS），是一种将存储设备直接连接到服务器的存储解决方案。通过标准接口将存储设备如硬盘或固态驱动器直接连接到计算机或服务器的系统。

适用环境：地理分布分散的服务器、特定应用的直接连接需求、数据库和应用服务器的高性能需求；

网络附加存储

采用 NAS 技术的存储设备不再通过 I/O 总线附属于某个特定的服务器，而是通过网络接口与网络直接相连 ， 由用户通过网络访问。

特点：专用设备、优化架构、数据中心、直接访问；

优势：易于管理、即插即用功能、响应速度和传输率；

存储区域网络

是一个高速且专用的网络，连接存储设备与服务器，主要用于数据中心和需求高的企业级应用。

特点：高速子网、块级存储、独立网络；

优势：性能提升、可扩展性、管理与备份优化；

计算机知识

计算机语言

计算机语言的基本组成：表达式（算术运算、数据赋值）、流程控制（条件判断、循环控制）、集合（数组、列表）

类别分解：机器语言、汇编语言、高级语言

机器语言

机器语言是所有计算机语言的基础，直接与硬件交互。组成元素：操作码、操作数的地址、操作结果的存储地址、下条指令的地址。

指令格式：

• 三地址指令：指令中的第一个地址（A1）和第二个地址（A2）分别确定第一个和第二个操作数，第三个地址（A3）用于存储操作后的结果。
• 二地址指令：指令中的第一个地址（A1）确定第一个操作数，第二个地址（A2）同时用作第二个操作数和结果的存储。
• 单地址指令：操作数存储在指定的地址（A）中，操作结果通常隐含在一个特定的寄存器中。
• 四地址指令：第一个地址（A1）和第二个地址（A2）分别确定两个操作数，而第三个（A3）和第四个地址（A4）用于存储执行操作后的结果。

汇编语言

汇编语言是一种低级编程语言，旨在与机器语言非常接近，同时提供比机器代码更高的可读性和管理便捷性。它是面向机器的程序设计语言，广泛应用于电子计算机、微处理器、微控制器以及其他可编程设备。

语句类型：

• 指令：指令是汇编语言中最基本的语句类型，用于描述计算机执行的具体操作。
• 伪指令：伪指令是用于控制汇编器操作的语句，不是真正的机器指令。
• 宏指令：宏指令是一种特殊的指令，用于定义可重用的代码块。

高级语言

是一类设计用来提高程序员编程效率、改善代码可读性、可维护性和可移植性的编程语言。它们高度抽象化，与特定计算机硬件体系结构无关，更接近自然语言。

语言类型：

• 面向过程的语言：遵循自上而下的程序设计方法，强调程序作为一系列按步骤执行的过程或功能模块。（C语言）
• 面向对象的语言：基于“对象”的概念，将程序视为对象的集合，每个对象包括数据和操作这些数据的方法。（Java、C++）
• 泛型语言：支持泛型程序设计，允许在保持类型安全的条件下使用变量类型。（Python）

建模语言

建模语言是一种专门用于描述、设计和构建计算机系统、软件、网络等技术的工具。它可以采用图形化或文本形式，帮助开发人员理解和构建复杂的系统架构。

类型和形式：

• 图形语言：使用图表和符号来表示系统或软件的结构和行为。
• 文本语言：使用文本代码来描述系统的构建和行为。（如SQL用于数据库，HDL）

建模语言是软件和系统开发不可或缺的工具，它通过提供清晰的视图和描述帮助设计师理解复杂系统的构造和运作。统一建模语言（UML）作为一种图形建模语言，特别适合于需要高度组织和结构化的软件开发项目。

形式化语言

是一种使用精确的语法和语义来描述程序和系统的工具。它转换概念、判断和推理为特定的形式符号，并通过这些符号来研究表达系统。形式化语言不仅是程序设计的基础，还是验证程序正确性的关键依据。

分类：

• 形式逻辑语言：广泛用于描述计算机程序或系统的行为和性质，如逻辑推演、证明；
• 自动机理论语言：用于算法设计、复杂系统行为的建模和分析，以及在理论计算机科学中的各种研究；
• 程序设计语言：用于实际编程，描述程序的语法和语义，从而指导计算机执行具体任务；
• 描述性语言：用于描述计算机系统的结构和行为。

多媒体

分类：

• 感觉媒体：指的是用户通过感官接触信息的形式，这些感官包括视觉、听觉、触觉等。
• 表示媒体：指的是信息的具体表现形式，如图像、声音和视频等。电影中的视频和音频，或者数字摄影中的图像。
• 显示媒体（也称表现媒体）：指用于表现和获取信息的物理设备，分为输入和输出媒体。（键盘、鼠标、扫描仪、话筒和摄像机）。
• 存储媒体：指用于存储表示媒体内容的物理介质。（硬盘、USB闪存驱动器、光盘、以及内存设备如ROM和RAM）。
• 传输媒体：指用于传输表示媒体内容的物理介质。（电缆、光纤和无线电波）。

多媒体特征：多维化、集成性、交互性、实时性。

虚拟现实 (VR) /增强现实 (AR) 技术：

是一种先进的计算机仿真技术，它通过创建一个高度逼真的虚拟环境，允许用户以一种身临其境的方式进行体验和互动。VR 技术整合了视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉的模拟，使得用户可以通过自然的人体动作与虚拟世界进行交互。

VR 技术的关键组件：头戴式显示器（HMD）、数据手套和数据服、三维鼠标与其他输入设备、音频系统、触觉反馈技术；

VR和AR技术主要分为：桌面式、分布式、沉浸式、增强式；

数据采集与优化传输技术：

• 数据采集：精确捕捉自然现象（如光照、火焰、动态地形等）的数据。使用全向相机、高速摄像机和激光扫描设备等高级仪器来获取环境和对象的详细信息。
• 优化数据传输技术：实现低功耗、低延时和高效率的数据传输。确保数据传输的可靠性和实时性，这对于维持虚拟环境的连续性和交互响应速度至关重要。

交互与情境实时再现技术：

• 交互技术：通过操作控制杆等设备，用户可以感受到基于虚拟对象运动的反作用力，从而获得更加真实的机械运动体验。使用配备传感器的3D数据手套等，可捕捉手掌和手指的形态、温度等信息，使用户能够对虚拟对象进行移动、抓取和触摸等操作。
• 情景实时再现技术：跟踪定位技术、高效可靠的渲染技术、逼真的显示技术。

系统工程

系统工程是一种综合性的工程管理方法，它利用计算机作为主要工具，对系统的结构、元素、信息和反馈进行详细分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。

系统之系统（System of Systems, SoS）

是将多个独立但相关联的子系统组合成一个更大的整体系统，以实现更加复杂和强大的功能。每个子系统自身可以独立运作，具有自己的组件、接口和功能。

系统工程方法

是一种现代的科学决策方法，也是一门基本决策技术，它针对主要问题、主要情况和全过程，运用有效工作进行全面的分析和处理。

霍尔的三维结构

霍尔的三维结构模型是对系统工程方法论的一种深入解释，它精确地展示了系统工程的复杂性和全面性。这一模型特别强调了系统工程方法在系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等方面的特点。

三维空间结构：

• 时间维：指的是系统工程过程中的时间序列，涵盖从项目启动到完成的所有阶段。
• 逻辑维：涉及系统工程中必须遵循的逻辑步骤，从问题定义到解决方案实施和评估。
• 知识维：包括完成系统工程所需的各种专业知识和技能。

霍尔模型的七个阶段：需求分析、概念设计、初步设计、详细设计、实施、运行和维护、评估和改进；

逻辑步骤的七个环节：项目启动、计划制定、组织和资源配置、执行、控制和监督、测试和验证、项目关闭；

切克兰德方法

是一种处理社会经济系统问题的方法论，将需求确定清楚，难以按价值系统的评价准则设计出符合这种需求的最优系统方案。它强调的不是寻找“最优化”方案，而是通过“比较”和“探寻”来改善现状。

该方法的七个步骤：认识问题、根底定义、 建立概念模型、比较及探寻、选择、设计与实施、评估与反馈；

并行工程方法

是一种先进的系统方法和综合技术，是对产品以及相关过程进行并行，集成化处理的系统方法和综合技术，它要求产品开发人员从设计开始就考虑产品生命周期的全过程。并行工程的主要目标是提高产品质量、降低成本、缩短开发周期和加速产品上市时间。

核心特点：整合设计与开发过程、跨功能团队合作、信息系统与技术支持

综合集成法

综合集成法由钱学森等人提出，是一种处理开放的复杂巨系统的先进方法，它从定性到定量全面整合了问题解决的多个方面。这种方法论在现代科学条件下代表了对问题认识方法的一次重要进步，尤其适用于那些规模庞大、结构复杂且持续演化的系统。

基本原则：整体论原则、相互联系原则、有序性原则、动态原则；

主要性质：开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性、巨量性；

方法特点：

• 定性与定量研究的结合
• 科学理论与经验知识的融合
• 应用系统思想进行跨学科研究
• 宏观与微观研究的统一
• 大型计算机系统的支持

WSR(物理-事理-人理) 系统方法

它通过整合物理元素、事理过程和人理关系的有效配置，来解决复杂的问题。这种方法论强调对物理条件、事实逻辑和人际关系的深入理解和应用，是一种跨学科的分析和解决问题的工具。

七个工作步骤：理解意图、制定目标、调查分析、构造策略、选择方案、协调关系、实现构想：

WSR方法论是一种高度实用的系统方法，它通过对物理环境、事务过程和人际关系的深入分析，为解决复杂问题提供了全面的视角和实用的解决策略。这种方法强调整体性考虑和跨学科整合，使之能够广泛应用于各种复杂问题的解决中。

系统工程生命周期

• 探索性研究阶段：识别利益相关者的需求，探索创意和技术
• 概念阶段：细化利益相关者的需求，探索可行概念，提出有望实现的解决方案
• 开发阶段：细化系统需求，创建解决方案的描述，构建系统，进行系统验证并确认
• 生产阶段：生产系统并进行检验和验证
• 使用阶段：运行系统以满足用户需求
• 保障阶段：提供持续的系统能力
• 退役阶段：安全存储、归档或退出系统

生命周期方法：

• 计划驱动方法：遵循固定流程，强调文档完整性、需求追溯性和事后验证
• 渐进迭代式开发：提供初始能力，然后连续交付以达到期望系统，适合需求不明确的简单系统
• 精益开发：聚焦于最大化客户价值，最小化浪费，是一种动态的、知识驱动的、以客户为中心的过程
• 敏捷开发：强调灵活性，欢迎需求变更，迭代快速交付，与业务人员密切合作

基于模型的系统工程 (MBSE)

它利用形式化的建模方法在整个系统生命周期中支持各种活动，包括需求分析、设计、验证和确认等。MBSE的三大支柱分别是建设语言、建模语言、建模思想。

系统工程过程中三个阶段分别产生三种图：

• 需求分析阶段产生：需求图、用例图、包图
• 功能分析与分配阶段：产生顺序图、活动图及状态机图
• 设计综合阶段：模块定义图、内部块图及参数图