系统分析师学习笔记(1):计算机系统(上)

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学习系统分析师又想起了被408、概率论、离散数学这些支配的恐惧，看的头疼。

1、计算机系统系统层次结构

可划分为硬件层、系统层和应用层

2、存储器系统

存储器系统主要有4个性能指标，分别是存取时间、存储器带宽、存储器周期和数据传输率。

（1）主存储器

主存储器(Main Memory)简称主存或内存，主存可分为随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)和只读存储器(Read Only Memory,ROM)。

1)随机存取存储器既可以写入也可以读出，但断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。RAM 又可分为DRAM (Dynamic RAM, 动态 RAM) 和 SRAM(Static RAM,静态RAM)两种。DRAM的信息会随时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新，以维持信息不丢失;SRAM在不断电的情况下，信息能够一直保持而不会丢失信息。

2)只读存储器的内容只能随机读出而不能写入。其特点是信息一旦写入ROM，即使断电，写入的内容也不会丢失。ROM一般用于存放系统程序BIOS(Basic Input Output System,基本输入输出系统)、专用的子程序，或用作函数发生器、字符发生器及微程序控制器中的控制存储器。

（2）辅助存储器

常用的辅存有磁带存储器、硬盘存储器、磁盘阵列和光盘存储器等。

（3）磁盘阵列

廉价磁盘冗余阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks,RAID)

1）RAID 0 - 条带化 (Striping)

数据组织方式：将数据分割为固定大小的“条带”，并按固定顺序循环分布到阵列中的所有物理磁盘上。不存在冗余数据。

性能：通过并发I/O操作，实现了极高的顺序和随机读写吞吐量。

容量：有效容量为所有成员磁盘容量之和 (N * 单盘容量)。

容错性：无容错能力。任一成员磁盘故障将导致整个逻辑卷数据不可用，数据丢失概率随磁盘数量增加而线性上升。

应用场景：对I/O性能有极高要求、且数据可重建或非关键的非生产环境，如图形渲染工作站、高速暂存区。

2）RAID 1 - 镜像 (Mirroring)

数据组织方式：将写入的数据生成完全相同的副本，并同步写入到两个或更多（通常为两个）的物理磁盘上。各磁盘存储内容完全一致。

性能：写性能通常与单盘相当（需等待所有镜像写入完成）。读性能可提升，因读请求可在多个镜像间负载均衡。

容量：有效容量为单个成员磁盘的容量 (总容量 / 镜像数)。标准双盘镜像的利用率为50%。

容错性：高。可容忍(N-1)个磁盘故障（N为镜像组总磁盘数），只要有一个镜像存活，数据即完整。

应用场景：操作系统盘、关键交易日志、以及任何需要极高可用性和快速恢复的小容量关键数据存储。

3） RAID 5 - 带分布式奇偶校验的条带化 (Block-Level Striping with Distributed Parity)

数据组织方式：结合了条带化与奇偶校验冗余。数据块与对应的奇偶校验信息以循环方式分布在阵列所有磁盘上。奇偶校验块由同一条带内其余数据块通过异或(XOR)运算生成。

性能：读性能优秀（支持并发）。写性能因需计算和更新奇偶校验而存在“写惩罚”，尤其是小写操作。

容量：有效容量为 (N - 1) * 单盘容量，其中N为磁盘总数。即损失一块磁盘容量用于存储奇偶校验信息。

容错性：可容忍任意一块磁盘故障。故障后，可通过其余磁盘上的数据和奇偶校验信息重建数据。

应用场景：通用文件与应用程序服务器、中等规模的数据库、内容存储等需要平衡性能、容量与成本的场景。

4）RAID 6 - 带双分布式奇偶校验的条带化 (Block-Level Striping with Double Distributed Parity)

数据组织方式：RAID 5的扩展。每个条带内包含两个独立的奇偶校验块，采用如里德-所罗门码等更复杂的算法生成。

性能：读性能优秀。写惩罚比RAID 5更严重，因为需要计算和更新两组奇偶校验。

容量：有效容量为 (N - 2) * 单盘容量。损失两块磁盘容量用于存储校验信息。

容错性：可容忍任意两块磁盘同时故障。在磁盘容量大、重建时间长的阵列中，显著降低了在重建期间发生第二块磁盘故障导致数据丢失的风险。

应用场景：大容量归档存储、对数据可靠性要求极高的环境、或使用高容量近线SATA磁盘的阵列。

5）RAID 10 (RAID 1+0) - 镜像条带集 (A Stripe of Mirrors)

数据组织方式：一种嵌套或混合RAID级别。首先将磁盘两两组成RAID 1镜像对，然后将这些镜像对组合成RAID 0条带。

性能：兼具RAID 1的快速读和RAID 0的高并发写优势，整体I/O性能优异。

容量：有效容量为 (总磁盘数 / 2) * 单盘容量。利用率为50%。

容错性：可容忍多个磁盘故障，只要这些故障不发生在同一个RAID 1镜像对内。若一个镜像对的两块盘都故障，则整个阵列数据丢失。

应用场景：高性能数据库（如OLTP）、虚拟化主机、以及其他需要高I/O吞吐和高可靠性的关键业务应用。

（4）网络存储技术

常用的网络存储技术主要有直接附加存储(DirectAttachedStorage,DAS)、网络附加存储(NetworkAttached Storage,NAS)和存储区域网络(StorageArea Network, SAN)。

3、输入输出系统

输入输出系统简称I/O系统，它由I/O设备、I/O接口(I/O控制器)、I/O控制管理软件等组成。I/O系统将各种I/O设备有效地入计算机系统，将计算机外部信息输入到计算机内部(简称为输入操作)，以便进行加工处理;将计算机内部存储和加工处理的信息输出到计算机之外(简称为输出操作),以提供给计算机外部设备使用。

在计算机中，I/O系统可以有5种不同的工作方式，分别是程序控制方式、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式、I/O处理机。

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