软件设计师各知识点归纳.docx

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软件设计师各知识点归纳

软件设计师各知识点归纳

一：

计算机系统组成、操作系统

运算器：

算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器组、多路转换器、数据总线组成。

控制器：

计数器PC、时序产生器、微操作信号发生器，指令寄存器、指令译码器。

CPU的功能：

程序控制、操作控制、时间控制、数据处理（最根本的）。

相联存储器是按内容访问的，用于高速缓冲存储器、在虚拟存储器中用来作段表页表或快表存储器、在数据库和知识库中。

CACHE高速缓存的地址映像方法：

直接地址映像（主存分区，区分块）、全相联映像（主存分块）、组相联映像（主存分区，区分块、块成组，CACHE分块成组）。

替换算法：

随机、先进先出、近期最少用、优化替换算法。

性能分析：

H为CACHE命中率，tc为Cache存取时间、tm为主存访问时间，Cache等效访问时间ta＝Htc+（1-H）tm提高了tm/ta倍。

虚拟存储器由主存、辅存、存储管理单元和操作系统软件组成。

RISC精简指令集：

指令种类少、长度固定、寻址方式少、最少的访内指令、CPU内有大量寄存器、适合流水线操作。

内存与接口统一编址：

都在一个公共的地址空间里，独立使用各自的地址空间。

优点是内存指令可用于接口，缺点内存地址不连续，读程序要根据参数判断访内还是访接口。

廉价冗余磁盘阵列RAID：

0级不具备容错能力但提高了传输率N倍、1级镜像容错技术、2级汉明码作错误检测、3级只用一个检测盘、4级是独立地对组内各磁盘进行读写的阵列，用一个检测盘、5级无专门检测盘。

中断方式处理方法：

多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法（硬件）、总线仲裁法、中断向量表法（保存各中断源的中断服务程序的入口地址）。

直接存储器存取DMA：

内存与IO设备直接成块传送，无需CPU干涉。

根据占据总线方法不同分为CPU停止法、总线周期分时法、总线周期挪用法。

输入输出处理机用于大型机：

数据传送方式有字节多路方式、选择传送方式、数组多路方式。

指令流水线：

操作周期是最慢的操作的时间。

建立时间是达到最大吞吐率的时间。

总线内总线：

ISA、EISA、PCI；外总线：

RS－232（3根线全双工15米）、SCSI（并行外总线、16位、最大320M秒、最多63个设备20米）、USB（4条线480M秒接5层127个设备）、IEEE－1394（串行6条线3.2G秒热插）

阵列处理机：

单指多数据流SIMD，同步同时执行同一指令。

多处理机：

多指多数据，多处理机互连应满足高频带、低成本、方式多样、在不规则通讯下连接的无冲突性。

四种结构：

总线式、交叉开关、多端口存储器结构、开关枢纽式。

并行处理机：

单指令多数据流，分布存储和共享存储两种结构。

特点资源重复、连接模式、专用性（与算法联系）、复合性。

信息安全五要素：

机密性、完整、可用、可控性、可审查性。

安全等级：

三类技术安全性、管理安全性、政策法规安全性。

《可信计算机系统评测标准》TCSEC/TDI分4组7级。

A1可验证安全设计、B3安全域、B2结构化安全保护、B1标记安全保护、C2受控访问控制、C1初级、D最低无安全功能。

安全威胁：

对资源的机密性、完整性、可用性、合法性造成危害。

两类故意和偶然（主动&被动）。

加密技术的两个元素：

算法和密钥。

对称加密即私密加密，加解密使用相同的密钥DES；非对称加密即公密加密RSA，加密公开解密保密，适合少量数据加密；不可逆加密。

常用加密算法：

DES算法采用56位密钥对64位数据加密密钥太短、三重DES效果相当于密钥长度加倍；RC5算法RSA采用此算法；IDEA密钥是128位。

密钥管理：

密钥产生由权威认证机构CA中心、公开密钥体系PKI、密钥分发中心KDC。

认证技术主要解决通讯双方身份认可。

PKI技术是信息安全技术的核心，也是电子商务的关键和基础技术（包括加密、数字签名、数据完整机制、数字信封、双重数字签名）。

密钥备份恢复仅限解密密钥，私密不备份。

PKI采用证书进行公钥管理，PKI把公钥密码和对称密码结合起来，保证网上数据安全传输。

机密性（不被偷看）、完整性（不被篡改）、有效性（不被否认）。

PKI标准化有两个方面：

RSA的机密密钥标准PKCS和工业基础协议PKIX。

Hash函数：

输入不同长度字符返回定长串，即Hash值。

它可以在数字签名中解决验证签名和用户身份验证、不可抵赖性的问题。

信息摘要即数字指纹，它用于创建数字签名，对于特定文件信息摘要是唯一的，常用Hash函数有MD2、MD4、MD5他们都产生128位摘要。

数字签名使用发送方密钥对，使用发送方私密加密，接受方用发送方的公密解密，是一对多关系；数字加密使用接受方密钥对，公钥加密，私密解密、是多对一的关系。

SSL安全协议：

即安全套接层协议，用于保证通讯安全系数。

提供三方面的服务：

用户和服务器的合法认证、机密数据以隐藏被传送的数据、保证数据的完整性（采用Hash函数和机密共享技术保证数据完整性）。

数字时间戳技术：

提供电子文件的日期和时间信息的安全保护。

时间戳包括三部分：

需加时间戳的文件的摘要、DTS收到文件的日期和时间、DTS的数字签名。

解决局域网安全问题的技术：

①划分网段、局域网交互技术、VLAN，②加密、数字签名、认证和VPN技术，③防火墙，④入侵检测技术⑤网络安全扫描技术。

计算机的可靠性：

衡量一个计算机系统可靠性R、可用性A、可维修性S。

平均无故障时间MTBF＝1/λ

串连系统可靠性R＝R1*R2；失效率λ＝λ1＋λ2

并联系统：

R＝1－（1－R1）（1－R2）

总失效率＝1/（（1/λ）*∑（1/1..n））

计算机性能评测方法：

时钟频率、指令执行速度、等效指令速度法、数据处理速率、核心程序法。

四个特征：

并发、共享、虚拟性、不确定性。

五大管理功能：

进程、文件、存储、设备、作业管理。

三态模型：

运行、就绪、阻塞。

操作系统内核包含支撑功能（中断处理、时钟管理、原语操作）、资源管理功能（进程、存储、设备管理）。

引起阻塞的原因：

启动某个IO操作、新数据尚未到底、无新工作可作。

互斥临界区的管理原则：

有空则进、无空等待、有限等待、让权等待。

信号量机制有整型信号量、记录型、信号量集机制。

公用信号量：

实现互斥，等于临界资源数目；

私用信号量实现同步。

P（－1）V（＋1）。

进程的高级原语通信的类型有：

共享存储系统、消息传递系统、管道通信。

管程实现同步机制的基础是条件结构。

进程调度：

三级调度高级调度（长调度、作业调度、接纳调度）、中级调度（对换调度）、低级调度（进程调度）。

调度方式：

先来先服务、时间片轮转、优先级调度、多级反馈调度算法。

优先级的确定：

I/O型最高优先级、计算型进程减少调度次数、主要是CPU处理的进程、为适应一个进程在不同时间段的运行特点，I/O完成时，提高优先级；时间片用完时降低优先级。

死锁产生的原因：

资源竞争及进程推进顺序非法。

产生死锁的四个必要条件：

互斥条件、请求保持、不可剥夺条件、环路条件。

死锁的处理：

鸵鸟政策、预防政策（静态分配法、资源有序分配法）、避免政策（安全状态和银行家算法）、检测与解除死锁。

线程也称为轻型进程：

目的是提高系统内程序并发程度、提高吞吐量。

线程作为调度和分配的基本单位，基本不拥有资源；

进程作为独立分配资源的单位。

线程可以创建线程，同一进程有多个线程。

存储管理的功能：

主存的分配和回收、提高主存的利用率、存储保护、主存扩充。

可变分区的四种算法：

最佳适应（保留最大空白区）、最差适应（不易产生碎片）、首次适应（最易合并相邻空白区）、循环首次适应。

解决碎片的方法是拼接即紧凑。

地址重定位是逻辑地址被转成主存物理地址的过程。

可重定位分区是解决碎片问题的简单有效的方法。

分页存储管理：

页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。

地址变换机构的基本任务是利用页表把用户程序中的逻辑地址变换成主存中的物理地址。

快表：

硬件实现，有一组联想高速存储器组成。

两级页表机制：

外层页表即页目录存放页表的物理地址，内层页表页的物理块号。

分段存储管理：

便于编程、分段共享、分段保护、动态链接、动态增长。

段页式存储管理。

虚拟存储管理：

根据程序运行局部性原理，具有请求调入和置换功能；特征：

离散性、多次性、对换性、虚拟性。

请求分页的硬件支持：

缺页中断特点：

在指令执行期间产生和处理（一般中断在后）、返回时回到该指令的开始重新执行该指令（一般中断回到下一条）、一条指令可产生多次缺页中断。

虚拟存储的页面置换算法减少抖动颠簸：

最佳置换、先进先出FIFO、最近最久未使用LRU、最近未用算法NUR。

工作集：

驻留内存，是进程集合。

设备管理：

目标提高设备利用率。

I/O系统组成：

设备、控制器、通道、总线、I/O软件。

块设备（磁盘）：

传输率高、可寻址、DMA方式。

字符设备（终端、打印机）：

传输率低、不可寻址、中断方式。

中速（各种打印机）高速设备（磁带磁盘光盘）。

设备管理的主要技术：

中断技术、DMA、通道、缓冲技术。

I/O软件的目的是设备独立性和统一命名。

分四层：

中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的系统软件（功能统一接口、设备命名、保护、缓冲、错误处理、存储分配释放）、用户级软件（I/O调用、格式化I/O、Spooling）。

通道：

目的是使数据独立于CPU。

字节多路通道、数组选择通道、数组多路通道。

DMA技术：

指主存与I/O设备间直接成块传送，只需CPU启动信号，不需CPU干涉。

缓冲技术：

目的提高外设利用率，解决CPU与IO速度不匹配、减少中断频率放宽中断相应时间的限制、提高CPU与IO的并行。

Spooling假脱机技术使独占设备变成多台虚拟设备，由预输入程序、缓输出技术、井管理程序、输入输出井组成。

磁盘调度目标是使平均寻道时间最短。

常见文件系统FAT32NTFSHPFSVXT2VFAT。

文件控制块FCB是由基本信息（名、物理地址）、存取控制信息、使用信息组成。

FCB的集合称为目录。

磁盘分配表是外存空闲空间管理的数据结构。

空闲空间管理方法有空闲区表、位示图、空闲块链、成组链接法。

文件共享：

硬链接ln名新名、软链接ls–s。

作业由程序、数据、作业说明书组成。

作业的四种状态：

提交、后备、执行、完成。

作业调度算法：

先来先服务、短作业先服务、相应比高优先、优先级调度、均衡调度算法。

网络操作系统：

有三类集中式、客户服务器模式、对等模式。

常见：

NT、Unix、SunOS、Hpox、aix、linux。

嵌入式操作系统：

微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性（硬件抽象层HAL屏蔽了硬件平台的差异），常见：

WinCE、VxWorks、pSOS、PalmOS、C/OS-

Unix采用三级索引、四种寻址方式。

文件系统布局：

引导块、超级块、索引结点区、数据存储区。

进程控制语句：

Fork创建、Exec执行、Exit结束、Signal相应事件、Kill发送软中断信号。

进程调度采用动态优先数调度算法。

采用分页式虚拟存储机制，二次机会页面替换算法。

文件系统与设备驱动程序的接口通过设备开关表控制。

正则表达式符号：

.任意字符*前一字符的多次出现[]选一个^否定$行尾\转义符“”忽视特殊字符\<字首匹配\>字尾匹配。

SHELL变量：

IFS分割符LOGNAME、$0本程序名$#参数个数、$*所有位置参数、$@双引号内保持不变、$?

上一命令的返回码、$$当前命令的进程、$!

最近后台进程号、$-Shell标识位组成的字符串。

Win2000系统：

用户态即目态只能执行特权指令，核心态即管态可执行任何指令并改变状态。

四类进程：

系统支持进程、服务进程、环境子系统、应用程序。

子系统动态链接库是服务进程和应用进程和系统交互的凭借。

NTFS使用64位簇进行索引。

进程对象属性包括进程标识、资源访问令牌、进程的基本优先级。

采用二级页表结构来转换物理地址和虚拟地址。

IO设备虚拟界面，将所有读写数据看成送往虚拟文件的字节流。

体系结构分三层：

IO系统层、设备驱动层、硬件抽象层HAL。

2.3操作系统基础知识

2.3.1主要知识点

掌握操作系统的类型、功能、层次结构和进程概念，以及作业、处理机、存储、文件和设备等管理的原理和方法。

2.3.1.1操作系统类型和功能

根据使用环境和对用户作业的处理方式划分，操作系统的基本类型可以分为批处理操作系统、分析操作系统和实时操作系统3大类型。

分时操作系统使多个用户同时以会话方式控制自己程序的运行，每个用户都感到似乎各自有一台独立的、支持自己请求服务的系统。

实时系统往往是专用的，系统与应用很难分离，常常紧密结合在一起。

实时系统并不强调资源利用率，而更关心及时性（时间紧迫性）、可靠性和完整性。

实时系统又分成实时过程控制与实时信息处理两种。

网络环境下的操作系统又分成网络操作系统和分布式操作系统。

分布式操作系统要求一个统一的操作系统，负责全系统的资源分配和调度，为用户提供统一的界面。

它是一个逻辑上紧密耦合的系统。

而网络操作系统用户则需指明欲使用哪一台计算机上的哪个资源。

操作系统主要有5个功能模块：

处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口。

2.3.1.2进程和进程管理

（1）进程

进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。

也就是说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。

相对于程序，进程是一个的概念，而程序是静态的概念，是指令的集合，因而进程具有动态性和并发性。

在操作系统中进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位，注意，现代操作系统中还引入了线程（Thread）这一概念，它是处理器分配资源的最小单位。

（2）进程的状态及其转换

多道系统中，进程的运行是时走时停的。

它在处理器上的交替运行，使它的运行状态不断地变化着，最基本的状态有3种，即运行、就绪和阻塞。

·运行：

正占用处理器。

·就绪：

只要获得处理器即可运行。

·阻塞：

正等待某个事件的发生。

（3）进程控制块

进程是一个动态的概念，在操作系统中，引入数据结构--进程控制块（简记为PCB）来标记进程。

PCB是进程存在的唯一标志，PCB描述了进程的基本情况。

从静态的观点看，进程由程序、数据和进程控制块组成；从动态的观点看，进程是计算机状态的一个有序集合。

程序是进程运行所对应的运行代码，一个进程对应于一个程序，一个程序可以同时对应于多个进程，这个程序代码在运行过程中不会被改变，常称为纯码程序或可重入程序，他们是可共享的程序。

进程控制块保存进程状态、进程性质（如优先程度）、与进程有关的控制信息（如参数、信号量和消息等）、相应队列和现场保护区域等。

进程控制块随着进程的建立而产生，随着进程的完成而撤消。

PCB是操作系统核心中最主要的数据结构之一，它既是进程存在的标志和调度的依据，又是进程可以被打断并能恢复运行的基础。

操作系统核心通过PCB管理进程，一般PCB是常驻内存的，尤其是调度信息必须常驻内存。

（4）进程管理

在操作系统中有许多进程，它们对应着不同的或相同的程序，竞争地使用着系统的资源。

进程管理涉及到进程控制、队列管理和进程调度等。

进程的生命过程从它被创建时开始，直至任务终止而撤消，其间会经历各种状态的转换，它们都是在操作系统控制下完成的。

操作系统提供了对进程的基本操作，也称为原语。

这些原语包括创建原语、阻塞原语、终止原语、优先级原语和调度原语。

进程调度即处理器调度，它的主要功能是确定在什么时候分派处理器，并确定分给哪一个进程。

在分时系统中，一般有一个确定的时间单位（时间片）。

当一进程用完一个时间单位时，就发生进程调度，即让正在运行的进程改变状态并转入就绪队列的队尾，再由调度原语将绪队列的首进程取出，投入运行。

进程调度的方法基本上分为两类：

非剥夺调度与剥夺调度。

所谓非剥夺调度是指一旦某个作业或进程占有了处理器，别的进程就不能把处理器从这个进程手中夺走；相反，如果别的进程可将处理器从这个进程手中夺走则是剥夺调度。

进程调度的算法采用服务于系统目标的策略，对于不同的系统与系统目标，常采用不同的调度算法，如先来先服务、优先数调度和轮转法等。

（5）管程

管程是一种并发性的构造，包括用于分配一个特定的共享资源或一组共享资源的数据和过程。

为了完成分配资源的功能，进程必须调用特定的管程入口。

许多进程可能打算在不同的时间进入管程，但在管程边界上严格地实施互斥，在某一时刻，只允许一个进程进入。

当管程中已有一个进程时，其他希望进入管程的进程必须等待。

这种等待是由管程自动管理的。

管程中的数据或者是管程中所有的全局变量，或者是某个特定过程的局部变量。

所有这些数据只能在管程内访问，在管程外的进程无法访问管程内的数据，这叫做信息掩蔽。

2.3.1.3存储管理

现代计算机系统中的存储系统常是多级存储体系，至少有主存（内存）和辅存（外存）两级，有的系统有更多级数。

主存大小由系统硬件决定，是实实在在的存储，它的存储容量受到实际存储单元的限制。

虚拟存储（简称虚存）不考虑实际主存的大小和数据存取的实际地址，只考虑相互有关的数据这间的相对位置，其容量由计算机的地址的位数决定。

2.3.1.4设备管理

设备管理是对计算机输入/输出系统的管理。

其主要任务有：

实现对外部设备的分配和回收；启动外部设备；控制输入/输出设备与处理器或主存间交换数据；实现对磁盘的调度；处理设备的中断；实现虚拟设备等。

外部和主存之间常用的传输控制方式有4种：

程序控制方式、中断方式、直接存储访问（DMA）方式和通道方式。

2.3.1.5文件管理

（1）文件系统

操作系统的文件系统包括两个方面：

一方面包括负责管理文件的一组系统软件，另一方面包括被管理的对象文件。

文件系统的主要目标是提高存储器的利用率，接受用户的委托，实施对文件的操作。

主要问题是管理辅助存储器，实现文件丛名字空间到辅存地址空间的转换，决定文件信息的存放位置、存放形式和存放权限，实现文件和目录的操作，提供文件共享能力和安全设施，提供友好的用户接口。

（2）文件的结构和组织

文件的结构是指文件的组织形式。

从用户观点所看到的文件组织形式，称为文件的逻辑结构；从实现观点考查文件在辅助存储器上的存放方式，常称为文件的物理结构。

文件的逻辑组织是为了方便用户使用。

一般文件的逻辑结构可以分为两种：

无结构的字符流

文件和有结构的记录文件，后者也称为有格式文件。

优化文件的物理结构是为了提高存储器的利用效率和降低存取时间。

文件的存储设备通常被划分为大小相同的物理块，物理块是分配和传输信息的基本单位。

文件的物理结构是指文件在存储设备上的存储主法。

文件的物理结构涉及文件存储设备的组块策略和文件分配策略，决定文件信息在存储设备上的存储位置。

2.3.1.6作业管理和用户界面

作业（Job）是系统为完成一个用户的计算任务或一次事务处理所做的工作的总和。

操作系统中用来控制作业的进入、执行和撤消的一组程序称为作业管理程序，这些控制功能也能通过把作业步细化、通过进程的执行来实现。

用户的作业可以通过直接的方式，由用户自己按照作业步顺序操作；也可以通过间接的方式，由用户事先编写作业步依次执行的说明，一次交给操作系统，由系统按照说明依次处理。

前者称为联机方式，后者称为脱机方式。

一般操作系统提供两种作业控制方式，一种为联机作业方式，另一种为脱机作业方式。

联机作业方式是通过直接输入作业控制命令来提交和运行用户作业。

脱机作业方式是通过作业控制语言（JCL，也称为作业控制命令）编写用户作业说明书。

在这种方式中，用户不直接干预作业的运行，而是把作业与作业说明书一起交给系统（称为提交）。

作业调度主要是从后备状态的作业中挑选一个（或一些）作业投入运行。

根据不同的调度目标，有不同的算法。

作业调度算法有许多种，它们与进程调度相似，有的适宜于单道系统，有的适宜于多道系统。

它们是先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、响应比（HRN）高者优先和成先级调度等。

2.3.1.7其他管理

（1）死锁问题

如果一个进程正在等待一个不可能发生的事件，则称该进程处于死锁状态。

系统发生死锁是指一个或多个进程处于死锁状态。

产生死锁的主要原因是共享的系统资源不足，资源分配策略和进程的推进顺序不当。

系统资源既可能是可重用的永久性资源，也可能是消耗性的临时资源。

处于死锁状态的进程不能继续运行又占有了系统资源，阻碍其他进程的运行。

对待死锁的策略

主要有：

①死锁的预防。

不让任一产生死锁的必要条件发生就可以预防死锁。

②死锁的避免。

这种策略不对用户进程的推进顺序加以限制，在进程申请资源时先判断这次分配安全否，只有安全实施分配，典型的算法是银行家算法。

③死锁的检测。

这种策略采用资源请求分配图的化简方法来判断是否发生了不安全状态。

资源请求分配图是一种有向图，表示进程与资源之间的关系。

死锁的检测是在需要的时刻执行的，当发现系统处于不安全状态时，即执行死锁的解除策略。

④死锁的解除。

解除死锁的基本方法是剥夺。

一种方法是把资源从一些进程处剥夺分给别的进程，被剥夺资源的进程则需回退到请求资源处重新等待执行；另一种主法是终止一个进程，剥夺其全部资源，以后再重新运行被终止的进程。

（2）多重处理器系统与线程

多重处理系统的主要目标是为了提高系统的处理能力，也是为了提高系统的可靠性。

多重处理系统的操作系统除了具有单处理器操作系统的功能以外，还应提供处理器的负载平衡、处理器发生故障后的结构重组等功能。

一般多重处理系统的操作系统可以分为主从式、分离执行式和移动执行式3类。

对称多处理器系统SMP是由若干同构甚至相同的处理器构成的一个系统。

Solaris和WindowsNT等操作系统支持SMP系统。

操作系统提供了线程（Thread）机制以发挥多个处理器的作用。

在多线程系统中，一个进程可以由一个或多个线程构成。

进程是资源分配的基本单位，也是被保护的基本单位。

一个进程对应于一个保存进程映象的虚地址空间，每一线程可以独立运行一个进程的线程共享这个进程的地址空间。

有多种方法可以实现多线程系统，一种方法是核心级线程，另一种方法是用户级线程，也可以把两者组合起来。

2.3.1.8操作系统的结构

（1）无序结构法，又称整体结构或模块组合结构。

它以大型表格和队列为中心，操作系统的各部分程序围绕着表格运行，整个系统是一个程序。

这种操作系统常称为面向过程的操作系统。

（2）层次结构法是把一个大型复杂的操作系统分解成若干个单向依赖的层次，由多层的正确性保证操作系统的可靠性。

层次结构清晰，且有利于系统功能的增加或删改。

（3）面向对象的操作系统基于面向对象程序设计的概念，采用了各种不同的对象技术。

在计算机系统中对象是操作系统管理的信息和资源的抽象，是一种抽象的数据类型。

可以把对象作为系统中的最小单位，由对象、对象操作、对象保护组成的操作系统，就是面向对象的操作系统。

如WindowsNT中有执行体对象（进程、线程、文件和令牌等）和内核对象（时钟、事件和信号等）。

（4）微内核结构法把系统的公共部分抽象出来，形成一个底层核心，提供最基本的服务，其他功能以服务器形式建立在微内核之上。

它具有良好的模块化和结构化特征，模块之间和上

下层之间通过消息来通信。

建立在微内核上的服务器可以根据不同的需要构造，从而形成不同的操作系统，如WindowsNT操作系统。

2.3.1.9常用操作系统

UNIX系统是一个分时操作系统。

它利用最内层硬件提供的基本服务，向外层提供全部应用程序所需要的服务。

应用程序组可以构成应用子系统，如UNIX系统的源代码控制系统（SCCS）、图形（X-Window、Motif）等。

WindowsNT系统是20世纪90年代的操作系统技术，适用于高档工作站平台、局域网服务器或者主干计算机。

WindowsNT支持对称处理