一、计算机系统知识

1.1 计算机硬件组成（冯·诺依曼）

• 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
• CPU：运算器+控制器集成
• 存储器
  • 内存：速度快、容量小，临时存储，断电丢失
  • 外存：速度慢、容量大，长期保存数据
• 外设：输入+输出设备合称

1.2 处理器

• 运算器
  • ALU算术逻辑单元：算术、逻辑运算🔴
  • AC累加寄存器：暂存运算结果
  • DR数据缓冲寄存器：CPU与内存外设中转
  • PSW状态条件寄存器：保存标志位（溢出、中断）🔴
• 控制器：控制CPU整体工作流程
• 寄存器组
  • 通用寄存器：程序员自定义用途
  • 专用寄存器：运算器、控制器内置
  • 程序员可见：PC程序计数器、AC累加器🔴
  • 程序员不可见：IR指令寄存器、DR、AR地址寄存器🔴
• 处理器分类
  • MPU微处理器：嵌入式电路板，体积小成本低
  • MCU微控制器(单片机)：单片化，功耗成本更低🔴
  • DSP数字信号处理器：实时数字信号处理，哈佛架构
  • GPU图形处理器：大量内核，并行计算，AI领域
  • SoC片上系统：整套系统集成在单芯片
  • FPGA现场可编程逻辑门阵列

1.3 指令系统🔴【高频选择题】

• 指令格式：操作码（做什么） + 地址码（操作数地址）
• 寻址方式
  • 顺序寻址：PC程序计数器自增
  • 跳跃寻址：指令给出下一条地址
  • 立即寻址：地址码=操作数本身，速度最快🔴
  • 直接寻址：地址码是内存操作数地址
  • 间接寻址：地址码是操作数地址的地址
  • 寄存器寻址：操作数放在寄存器
  • 寄存器间接寻址：寄存器存内存地址
  • 相对寻址：PC+偏移量
  • 基址寻址：基址寄存器Rb+偏移量🔴
  • 变址寻址：变址寄存器Rx+偏移量🔴
• 指令执行流程：取指令 → 分析指令 → 执行指令🔴
• CPU区分指令与数据：依靠指令周期不同阶段🔴
• 指令集
  • CISC复杂指令集：指令多，可变长，微程序控制
  • RISC精简指令集🔴
    • 指令长度固定，指令种类少
    • 寻址方式少
    • 寄存器数量多，减少访存
    • 硬布线逻辑译码

1.4 存储器🔴【本章最重要模块】

• 存储层次金字塔（速度递减、容量递增、成本递减）
  • 寄存器 → Cache → 主存 → 外存（磁盘/光盘）→磁带
• 局部性原理（Cache理论基础）🔴
  • 时间局部性：刚访问过的数据大概率再次访问
  • 空间局部性：访问数据周边数据大概率被访问
• 存储器分类
  • RAM随机存取存储器（读写）
    • SRAM：用于Cache🔴
    • DRAM：用于主存，需要刷新，断电丢失🔴
  • ROM只读存储器
    • MASK ROM：不可编程
    • PROM：一次可编程🔴
    • EPROM：紫外线擦除
    • EEPROM：电擦除
    • Flash闪存：电擦除，速度最快
• Cache高速缓存
  • 作用：解决CPU与主存速度不匹配，硬件自动完成映射🔴
  • 地址映射方式
    • 全相联：主存块可放Cache任意行；冲突少，硬件复杂
    • 直接映像：主存块号模Cache行数；实现简单，冲突高🔴
    • 组相联映像：结合两者，工程最常用🔴
  • Cache替换算法
    • 随机替换
    • FIFO先进先出
    • LFU访问频次最少替换
    • LRU最近最少使用（命中率最优）🔴
• 磁盘存储器
  • 结构：盘面、磁道、扇区、柱面
  • 存取时间 = 寻道时间 + 旋转等待时间 + 数据传送时间🔴
    • 平均旋转等待时间 = 旋转周期 / 2
  • 磁盘调度算法（目标：减少平均寻道时间）🔴
    • FCFS先来先服务
    • SSTF最短寻道优先
    • SCAN电梯调度算法
    • CSCAN单向扫描算法

1.5 总线

• 按传输信息划分
  • 数据总线：双向，传输数据
  • 地址总线：单向，决定寻址空间大小🔴
  • 控制总线：双向，传输控制信号
• 按连接部件划分
  • 片内总线：CPU芯片内部
  • 系统总线：CPU、主存、IO接口之间
  • 局部总线：少数组件之间
  • 通信总线：外部设备/跨计算机
• 传输格式
  • 并行总线：PCI、ATA；近距离，串扰问题
  • 串行总线：USB、SATA、以太网；适合远距离🔴

1.6 输入输出技术🔴高频考点

• 4种I/O交换方式
  1. 程序查询方式
     • CPU轮询外设状态；CPU串行等待，浪费CPU；低速外设
  2. 程序中断方式🔴
     • 外设就绪发中断，CPU暂停当前任务；CPU外设并行；
     • 需要CPU保存现场；按字传输
     • 多级中断：高优先级可打断低优先级；同级不可嵌套🔴
  3. DMA直接内存存取🔴最高频
     • DMA控制器接管总线；内存与外设直接块传输；
     • 仅开始、结束需要CPU干预；不需要CPU执行指令搬运数据
     • 适合高速设备大批量块数据传输
  4. 通道方式(IOP输入输出处理机)
     • 独立I/O处理机；大型机、外设多场景；硬件成本高
• 看门狗电路（补充）
  • 软件跑飞、卡死自动复位重启🔴

    

二、操作系统

2.1 操作系统概述

• 定义：管理软硬件资源、组织工作流程、提供用户接口
• 两大作用🔴
  • 资源管理，提升系统效率
  • 改善人机交互，友好接口
• 四大特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性🔴
• 五大功能：进程、存储、设备、文件、作业管理
• 操作系统分类
  • 批处理、分时、实时、网络、分布式、微机、嵌入式
  • 嵌入式OS五大特点🔴
    • 微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性
  • 嵌入式初始化顺序：片级初始化 → 板级初始化 → 系统初始化🔴

2.2 进程管理🔴【本章重中之重】

• 进程组成：程序、数据、PCB进程控制块🔴
• 进程状态模型
  • 三态：运行态、就绪态、阻塞态🔴
    • 运行→就绪：时间片到
    • 运行→阻塞：等待某事件
    • 阻塞→就绪：等待事件发生
    • 就绪→运行：被调度
  • 五态：新建态、就绪态、运行态、阻塞态、终止态
• 进程间通信
  • 同步：合作进程直接制约🔴
  • 互斥：争夺临界资源间接制约；临界资源如打印机🔴
  • 信号量与P、V操作（原子操作）🔴
    • P：申请资源 S=S‑1；S<0进程阻塞
    • V：释放资源 S=S+1；S≤0唤醒阻塞进程
    • 互斥信号量初值一般=1；生产者消费者模型
  • 前趋图：有向无环图，表达任务先后、并行关系🔴
• 进程调度
  • 调度方式
    • 可剥夺：高优先级进程抢占CPU
    • 不可剥夺：进程主动释放CPU才调度🔴
  • 三级调度🔴
    • 高级调度（作业调度）：后备→内存
    • 中级调度（对换调度）：内外存交换进程
    • 低级调度（进程调度）：就绪→CPU，最活跃
  • 调度算法
    • FCFS先来先服务：利于长作业、CPU繁忙型
    • 时间片轮转：提升响应时间，分时系统
    • 优先级调度：选优先级高进程
    • 多级反馈调度：时间片轮转+优先级结合🔴
• 死锁🔴【高频】
  • 定义：多个进程互相等待对方资源无限阻塞
  • 4个必要条件：互斥、请求保持、不可剥夺、环路等待🔴
  • 死锁4类处理策略
    • 死锁预防：破坏4个必要条件之一
    • 死锁避免：银行家算法🔴
    • 死锁检测：允许死锁，定时检测
    • 死锁解除：剥夺资源、撤销进程
  • 资源计算公式
    • 发生死锁最大资源：n*(R‑1)
    • 不死锁最小资源：n*(R‑1)+1🔴
• 线程🔴
  • 线程：调度最小单位；进程：资源拥有最小单位🔴
  • 同进程线程：共享进程资源（代码、全局变量、打开文件）；线程私有：栈指针、寄存器🔴
  • 引入线程目的：降低切换开销，提升并发度

2.3 存储管理🔴

• 存储器层次：寄存器→Cache→主存→外存→磁带
• 地址重定位🔴
  • 逻辑地址（虚拟地址）、物理地址（实际内存地址）
  • 静态重定位：装入时完成地址转换
  • 动态重定位：程序运行时完成转换
• 分区存储管理
  • 固定分区：静态，产生内部碎片
  • 可变分区（动态分区）🔴
    • 首次适应、循环首次适应、最佳适应、最差适应
    • 产生外部碎片
  • 可重定位分区：移动程序合并碎片
• 分页存储管理🔴
  • 页：逻辑空间等分；块：物理内存等分；页≠块
  • 快表：Cache存放常用页表项，加速地址转换🔴
  • 页面置换算法🔴
    • 最佳OPT（理想）、FIFO、LRU最近最少未使用、最近未用NRU
  • 逻辑地址拆分：页号 + 页内地址；页内地址不变只替换页号
• 分段存储管理
  • 段依据逻辑功能划分，段长度不等；便于共享保护🔴
  • 分页：物理划分，页大小固定；分段：逻辑划分
• 段页式存储🔴
  • 先分段，段内再分页；兼顾分页、分段优点；管理开销大，速度下降

2.4 设备管理

• I/O软件目标：设备独立性、统一命名🔴
• I/O关键技术
  • 通道技术：通道独立执行I/O程序，减轻CPU负担
  • DMA：内存外设成块直接传输，少CPU干预🔴
  • 缓冲技术🔴
    • 目的：缓解CPU‑IO速度差；减少中断；提升并行
    • 单缓冲、双缓冲计算题（软考计算题考点）
  • Spooling假脱机🔴
    • 将独占设备模拟虚拟共享设备；典型：打印机输出井

2.5 文件管理🔴

• 文件逻辑结构
  • 流式文件（无结构：txt二进制）🔴
  • 记录式文件（有结构：数据库表）
• 文件物理结构：连续、链接、索引（UNIX三级索引）🔴
  • 直接索引、一级间接、二级间接、三级间接索引计算题
• 文件目录
  • FCB文件控制块：文件目录项，实现按名存取🔴
  • 一级目录：不允许重名
  • 二级目录MFD+UFD：支持不同用户重名🔴
  • 多级（树形）目录：Windows/Linux采用
• 磁盘空闲空间管理🔴
  • 空闲区表、位示图Bitmap（计算题高频）🔴
  • 空闲块链表、成组链接法（UNIX）🔴

2.6 作业管理

• 作业组成：程序、数据、作业说明书🔴
• 作业四状态：提交、后备、执行、完成
• JCB作业控制块：作业存在唯一标志🔴
• 作业调度算法🔴
  • FCFS先来先服务
  • 短作业优先
  • 响应比高优先 Rp=1+等待时间/执行时间🔴
  • 优先级调度、均衡调度
• 性能指标
  • 周转时间 = 等待时间+执行时间
  • 带权周转时间=周转时间/执行时间🔴

    

三、数据库设计

3.1 数据库基本概念🔴

• 基础名词
  • DB数据库：长期存储、有组织、可共享数据集
  • DBS数据库系统：数据库+硬件+软件+人员
  • DBMS数据库管理系统：DDL/DML/运行管理/存储维护/网络通信🔴
  • DBMS分类：RDB关系、OODB面向对象、ORDB对象‑关系
• 三级模式（一个库：1内、1概念、多个外）🔴
  • 内模式(存储模式)：物理存储，对应存储文件，只有1个🔴
  • 概念模式(模式)：全局逻辑结构，对应基本表，只有1个🔴
  • 外模式(用户/子模式)：用户视图，对应视图，可有多个🔴
• 两级映像 & 数据独立性🔴
  • 模式/内模式映像 → 物理独立性（物理存储变，应用程序不变）🔴
  • 外模式/模式映像 → 逻辑独立性（表逻辑结构变，应用程序不变）🔴
• 数据库设计6大阶段🔴
  1.需求分析：产出DFD、数据字典、需求说明书（信息/处理/系统要求）
  2.概念结构设计：绘制E‑R图；分E‑R图冲突：属性冲突、命名冲突、结构冲突🔴
  3.逻辑结构设计：E‑R图转关系模式，完整性约束，用户视图
  4.物理结构设计：确定存储结构、数据分布、访问方式
  5.数据库实施：建库、调试程序、数据入库、试运行
  6.运行维护：评价、调优、修改

3.2 数据模型 & E‑R模型🔴

• 两类数据模型
  • 概念模型(E‑R)：用户视角，用于数据库设计
  • 基本数据模型：计算机视角，供DBMS实现
• 数据模型三要素：数据结构、数据操作、完整性约束🔴
• E‑R模型组成
  • 实体【矩形】；联系【菱形】；属性【椭圆】🔴
  • 联系类型
    • 1:1一对一；1:n一对多；m:n多对多，产生独立关系模式🔴
  • 属性分类🔴
    • 简单/复合属性；单值/多值属性；NULL属性；派生属性（不存储，计算得到）🔴
  • 弱实体：必须依赖另外一个实体才能存在（家属依赖职工）🔴
• E‑R图转关系模式规则🔴
  • 每个实体转1个关系模式
  • 1:1：任意一方主键加入另一方做外键
  • 1:n：一端主键加入多端作为外键
  • m:n：新建独立关系，属性=两端实体主键+联系自身属性🔴

3.3 关系代数🔴【计算题高频】

• 基础术语
  • 域、笛卡尔积、元组（记录）、属性（字段）
  • 候选码、主码(主键)、主属性、非主属性、外码🔴
  • 三类关系：基本表、查询表、视图表（虚表）
  • 三类完整性约束🔴
    • 实体完整性：主属性不能为NULL
    • 参照完整性：外键为NULL或等于对方主键
    • 用户自定义完整性：业务自定义约束
• 5种基本关系代数运算🔴
  • 并∪：属性结构相同，取全部元组，去重
  • 差−：属于R，不属于S
  • 广义笛卡尔积×：R与S所有元组全部组合，列数相加
  • 投影π【垂直选列】：挑选部分属性列🔴
  • 选择σ【水平选行】：挑选满足条件元组🔴
• 扩展关系代数运算🔴
  • 交∩：同时属于R、S；R∩S = R‑(R‑S)
  • 连接：θ连接、等值连接、自然连接（去掉重复列）🔴
  • 除÷：同时做行+列筛选
  • 广义投影：带算术运算投影
  • 外连接🔴
    • 左外连接⟗：保留左边全部元组，右边无匹配填NULL
    • 右外连接⟖：保留右边全部元组，左边无匹配填NULL
    • 全外连接：左外 ∪ 右外

3.4 SQL语言

• SQL组成：DDL定义、DML操纵、DQL查询、DCL访问控制🔴
• SQL与三级模式：视图=外模式；基本表=概念模式；存储文件=内模式🔴
• 索引
  • 索引作用：加速查询、加速表连接、order by/group by优化、唯一性约束🔴
  • 聚簇索引：索引顺序 = 物理存储顺序；修改聚簇索引改变内模式🔴
  • 非聚簇索引：索引顺序与物理存储无关
• 视图View：虚表，只保存定义，不存储真实数据🔴

3.5 关系数据库设计理论🔴【选择计算题重点】

• 函数依赖🔴
  • (X \to Y)：X可以唯一确定Y
  • 部分函数依赖：码的一部分就可以确定某个属性🔴
  • 传递函数依赖：X→Y，Y→Z，Y不能反推X🔴
  • Armstrong公理系统🔴
    • A1自反律；A2增广律；A3传递律
    • 导出规则：合并、伪传递、分解规则🔴
  • 求候选码：入度为0属性，遍历全部属性集合🔴
• 范式（从低到高：1NF⊃2NF⊃3NF⊃BCNF⊃4NF）🔴
  • 1NF：属性原子不可再分🔴
  • 2NF：消除非主属性对码的部分函数依赖🔴
  • 3NF：消除非主属性对码的传递函数依赖🔴
  • BCNF：消除主属性对码的部分、传递依赖（修正3NF）🔴
  • 4NF：消除多值依赖
• 模式分解两个评判标准🔴
  • 无损连接：分解后可以还原全部原始信息
  • 保持函数依赖：原有函数依赖不丢失🔴

3.6 数据库控制功能🔴

• 事务 & ACID四大特性🔴
  • A原子性：全部执行或全部回滚
  • C一致性：事务前后数据状态一致
  • I隔离性：多个事务互相隔离
  • D持久性：提交之后永久生效
  • 语句：Begin Transaction；Commit提交；Rollback回滚🔴
• 并发操作带来三类问题🔴
  • 丢失修改；不可重复读；读脏数据（根源破坏隔离性）🔴
• 并发控制：封锁技术
  • X排他锁：读写独占；其他事务不能加锁
  • S共享锁：可以多个事务读；不可写🔴

3.7 数据库安全与故障恢复🔴

• 四类故障
  • 事务内部故障；系统故障（软故障，断电OS崩溃）；介质故障（磁盘损坏硬故障）；病毒🔴
• 备份转储方式🔴
  • 静态转储（冷备）：备份期间禁止修改；动态转储（热备）：备份同时业务正常运行🔴
  • 海量（完全）转储；增量转储；差量转储
  • 日志文件：记录每一次修改，故障恢复核心🔴

3.8 补充拓展考点🔴

• 数据仓库（4个特征）🔴
  • 面向主题、集成、相对稳定、反映历史变化；用于决策分析OLAP
  • 和业务数据库对比：数据库面向事务；数仓面向主题历史数据
• 分布式数据库🔴
  • 分片：水平分片（按行切分）、垂直分片（按列切分）🔴
  • 分布透明性
    • 分片透明：不知道如何分片
    • 位置透明：不知道物理存放位置🔴
    • 复制透明：不知道副本位置
    • 逻辑透明：不关心局部数据模型
• 大数据4V：Volume大量、Velocity高速、Variety多样、Value价值密度低🔴

  

四、嵌入式系统及软件

4.1 嵌入式系统概述🔴

• 定义：以应用为中心、计算机技术为基础，软硬件可配置裁剪的专用计算机系统
• 五大约束要求🔴：功能、可靠性、成本、体积、功耗
• 系统五大组成
  • 嵌入式处理器：民用/工业/军用三档次，抗恶劣环境、低功耗、体积小
  • 相关支撑硬件：存储器、定时器、总线、I/O接口、专用硬件
  • 嵌入式操作系统：资源管理，具备实时、可剪裁、安全特性
  • 支撑软件：库，为应用提供开发调试公共服务
  • 应用软件：完成特定业务目标
• 嵌入式系统八大特点🔴
  • 专用性强；技术融合；软硬一体软件为主；资源受限
  • 程序固化在非易失存储器（Flash/ROM），不是磁盘🔴
  • 需要专门开发工具环境，无自开发能力；体积小性价比高；高可靠安全
• 系统分类
  • 按实时：强实时、弱实时、非实时🔴
  • 按安全：安全攸关系统（失效会伤亡/重大财产损失）、非安全攸关🔴

4.2 嵌入式软件五层架构🔴【考试高频】

1. 硬件层：微处理器、ROM/SDRAM/Flash、A/D D/A I/O、总线电源时钟
2. 抽象层（硬件抽象层HAL + BSP板级支持包）🔴

• BSP板级支持包：介于硬件与OS之间；包含BootLoader + 设备驱动🔴
• BSP四大功能：单板硬件初始化；设备驱动与中断；定制OS；初始化操作系统

1. 操作系统层：嵌入式OS、任务/存储/通信/时间管理、文件系统、GUI、网络组件
2. 中间件层：数据库、DDS/CORBA、OpenGL、虚拟机；连接独立应用的桥梁
3. 应用层：工业控制、物联网、军事、移动设备业务软件

4.3 BootLoader引导加载程序🔴

• 地位：上电后第一段运行的软件，内核启动之前执行
• 三阶段初始化流程🔴
  1. 片级初始化：纯硬件；初始化CPU核心寄存器、工作模式、总线
  2. 板级初始化：软硬件结合；CPU以外外设，串口、定时器、内存控制器，建立内存映射
  3. 系统级初始化（加载内核）：把OS镜像从Flash拷贝到内存，跳转内核入口

4.4 设备驱动程序

• 本质：一组库函数，向上提供访问硬件接口
• 基本功能：硬件启动、关闭、启用、停用；读硬件、写硬件

4.5 嵌入式软件

• 软件分类
  • 系统软件：驱动、嵌入式OS、中间件
  • 应用软件：上层业务软件
  • 支撑软件：交叉编译器、仿真调试等开发工具
• 嵌入式软件六大关键特性🔴
  • 可剪裁性：删减不需要模块；手段：静态编译、动态库
  • 可配置性：适配不同运行场景；手段：数据驱动、配置表
  • 强实时性：任务必须规定时限完成
  • 安全性：事故发生防护；FMECA故障模式分析
  • 可靠性：容错、余度、鲁棒设计
  • 高确定性：行为可预期；静态资源分配、状态机、静态调度

4.6 嵌入式系统两种典型架构🔴

1. 层次化模式架构

• 封闭型：只能调用本层或者直接下层；封装好，可移植好，性能差
• 开放型：可以调用所有下层；性能好，破坏封装，移植性差

1. 递归模式架构

• 用于复杂系统持续分解；两种工作流
  • 自顶向下：从整体需求逐步拆解到子模块
  • 自底向上：从底层组件逐步组装上层系统

4.7 嵌入式操作系统EOS🔴

• 核心特点：可剪裁、可移植、强实时、紧凑精炼、高质量代码、可固化、弱交互、高确定性🔴

❌不具备：通用性

• 分类
  • 实时RTOS：VxWorks、Nucleus（工业控制、军工）
  • 非实时消费类：Android、iOS、WinCE

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