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信息物理系统 CPS

定义

CPS通过集成先进的感知、计算、通信、空制等信息技术和自动控制技术,构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高的按需响应、快速迭代、动态优化。效协同的复杂系统实现系统内资源配置和运行

目的

实现资源优化配置

关键目标

数据的自动流动

体系架构

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单元级

一个智能部件,最小单元

系统级

多个最小单元通过工业网络连接起来的系统

SoS 级

多个系统级CPS的有机组合构成

技术体系

总体技术

全局相关的

支撑技术

环境相关的

核心技术

业务场景相关

核心要素

一硬、一软、一网、一平台

应用场景

智能设计、智能生产、智能服务、智能应用

流水线

单缓冲区

(各步骤时间之和) + (块数 - 1) * 缓冲区时间

双缓冲区

(各个骤时间之和) + (块数 - 1)* 最长时间

50 + 80 + 10 + (9) * 80

模式分解

是否保持函数依赖

是否能复原为原本的函数依赖

  • 冗余依赖不进行推导

是否无损

分解后是否能还原

  • 还原必须包括同名属性列
  • 同名属性列是决定属性

表格法

有一行全为钩的就认为还原

公式法

交集推差集

只适用于两个表

R = ABC

F = {A->B}

分解 = {R1(AB),R2(AC)}

R1 ∩ R2 = A

R1 - R2 = B

R2 - R1 = C

得出 A->B 和 A->C

其中 A->B 满足原本的函数依赖,所以无损

并发控制

事务 ACID

  • 原子性
  • 一致性
  • 隔离性
  • 持久性

产生的并发问题

  • 丢失更新 一级封锁协议预防 加写锁
  • 脏读 二级封锁协议预防 加读锁,读取完毕释放
  • 不可重复读 三级封锁协议预防 加读锁,事务完毕后释放

安全性

  • 用户标识与鉴定
  • 存取控制(权限控制)
  • 密码存储与传输
  • 视图的保护
  • 审计

数据备份

  • 完全备份
  • 增量备份:比上次备份增加的内容
  • 差量备份:比上次完全备份增加的内容

故障与恢复

  • 事物本身的可预期故障
  • 事务本身的不可预期故障
  • 系统故障 ,扫描检查点,已提交的事务 放入 redo,未完成 undo 撤销
  • 介质故障

数据库优化

  • 硬件, CPU、内存、硬盘等
  • 系统软件,各种参数,进程优先级
  • 数据库设计
    • 表与视图,规范化与反规范化
    • 索引,提高查询效率,减少插入修改删除效率
    • SQL语句,各类操作
  • 应用软件,连接池
  • 分布式数据库-通信代价

求候选键

  • 找入度为0的属性
  • 如果不满足上面的条件,则尝试便利中间节点(既有入度,也有出度),并入上面的条件,直至该集合能便利所有节点

部分函数依赖

如果候选键是一个合集,且一部分非主属性依赖于候选键的一部分,为部分函数依赖

传递函数依赖

A-> B,B->C 则 A->C

Armstrong 公里

自反率

Y∈X∈U
U={ABC}
X={AB}
Y={A}
则,X-> Y
身份证号与姓名 可以确认姓名,身份证号也可以确认姓名.

增广律

若 Z ∈ U 且 X->Y,则 XZ->YZ

传递率

A-> B,B->C 则 A->C
学号可以推出系号,系号可以推出系名,那么学号可以推出系名

合并规则

如果 X->Y,X->Z 则 X->YZ

伪传递规则

如果 X->Y,WY->Z,则WX->Z

分解规则

如果 X-Y 且 Z ∈ Y,则 X-> Z

范式

第一范式

属性都是不可分的原子值

第二范式

消除非主属性候选键部份依赖

单属性候选键不会出现这类问题,只有候选键可能存在这种可能

完全依赖于主键,不存在部分依赖

学号、课程号、成绩、学分

学号,课程号-> 成绩

课程号-> 学分

没有课程的情况下,无法插入学分信息

如果课程没有人报名,那么没有课程信息

解决办法:将课程号与学分单独提取到一张表

第三范式

消除非主属性候选键传递依赖

学校、身份证号、系号、系名 满足第三范式,因为不存在对非主属性的传递依赖

学号、姓名、系号、系名

学号-> 系号

系号-> 系名

学号-> 系名

其中系名依赖于非主属性系号,所以存在对非主属性的传递依赖,不满足第三范式

解决办法:系号、系名 单独组表

BC范式

完全依赖于候选键

不解决

数据库

关系模型相关概念

  • 目或者度: 关系模式种属性的个数
  • 候选键、候选码,唯一表述元组,且无冗余,类似 学号与身份证号
  • 主键:从候选键从任意挑一个
  • 主属性与非主属性: 组成候选键的属性为主属性,其余为非助兴
  • 外键、外码: 其他实体的主键在本实体的属性
  • 全码: 所有的属性都是候选键

完整性约束

  • 实体完整性约束: 主属性唯一且不能为空
  • 参照完整性约束:关系与关系之间的引用,主要是外键,要么是其他实体的主键,要么是空值
  • 用户自定义完整性约束: 应用环境决定,比如 性别:要么0 要么 1

逻辑结构设计

ER图向关系模式的转换

  • 实体向关系模式的转换,实体一定是一个关系模式
  • 联系向关系模式的转换

关系模式的规范化

确定完整性约束(保证数据的正确性)

用户视图的确定(提高数据的安全性和独立性)

  • 根据数据流图确定处理过程使用的视图
  • 根据用户类别确定不同用户使用的视图

应用程序设计

联系类型

  • 1对1
  • 1对多
  • 多对多

关系代数

S1 01 02 03
S2 01 04 05

交集

S1 ∩ S2 = 01

并集

S1 ∪ S2 = 01 02 03 04 05

差集

S1 - S2 = 02 03

差集

S2 - S1 = 04 05

笛卡尔积

S1 X S2 = 01 01 04 05 02 01 04 05 03 01 04 05
可以异构
列数为两者之和
行数为两者乘积
列号一版从1开始

投影

Π,派
Πsno,sname(S1) ,表示展示表 sno,sname 这两列的所有记录或元组
选择属性列
会改变表的结构

选择

σ ,sigma
σ sno=No00003(S1) ,表示选择表名为S1,列明 sno 为 No00003 的记录或元组
选择符合的行数

自然连接

S1 ⋈ S2 join
列数为两者之和减去重复的
行数为两个表里面所有的同名属性列取值相等的行数
可以从 笛卡尔积-> 选择->投影的方式转换而来
性能优于笛卡尔积

进程状态

三态模型

运行

CPU正在执行该线程,一个CPU同时只能执行一个线程,多余的线程会进入就绪或者等待状态,运行状态的线程可以转换为就绪状态,与等待状态

就绪

所有资源准备就绪,进入等待队列,有计算资源就可以进入运行状态。

等待

运行时发生了需要等待的事情,这时候CPU会被阻塞,例如IO事件,即使CPU分配给该进程也无法使用,等待的事件发生后,仅需就绪状态,不可以直接运行

进程调度算法

时间分片

每个进程均匀按固定的时间片执行

先来先到

谁先排队,谁先执行

短作业优先

执行时间段的先执行,部分长作业可能会一直无法执行

优先级执行

设定好进程的优先级,分为动态和静态。

响应比优先

计算进程的等待时间与进程的来到时间,综合了先来先到与短作业优先的算法,高响应比的优先执行

抢占式 & 非抢占式

如果高优先级的进程到了,抢占式会踢出现在执行的进程,交给高优先级的进程。非抢占式则不会

操作系统原语 PV操作

信号量

当前资源的数量,全局的,原子性的

P操作

申请资源,信号量减1,如果信号量小于0,代表没有资源,需要进入阻塞队列进行等待

V操作

释放资源,信号量加1,判断信号量是否小于等于0,如果小于等于0,意味着有队列在排队,将阻塞队列里面最先进入的进程放到就绪队列

操作系统

人机接口
应用软件与硬件的接口
控制程序运行
管理软件硬件数据资源
为应用程序提供一个高效率的开发平台

主要管理资源

进程管理
存储管理
文件管理
作业管理
设备管理

总线

分时共享的半双工 传送线路

可以同时接收数据,但是发送只能分时发送

通过总线复用可以减少信号线数量,用较少的信号线传输更多的数据

芯片内总线

系统总线(数据总线、控制总线、地址总线)

传输方式

并行传输

短距离

串行传输

长距离,多种传输方式,可以调整比特率,正确方式靠校验码完成

计算机传输方式

程序查询

分为全量发送与程序查询,会一直占用CPU,无法做别的事情,实现简单,硬件开销小,CPU利用率低,IO效率低。

中断方式

相比于程序查询,使用CPU中断的方式可以减轻CPU的压力,IO传输完成后,CPU再恢复现场,继续执行后面的步骤。CPU跟IO可以同步执行,一般类似键盘鼠标

DMA

CPU与IO之间增加一个DMA控制器,IO不直接与CPU打交道,而是跟主存,CPU跟IO可以同步执行,极大提高了效率,一般认为硬盘是DMA的方式

CPU 处理器结构

冯诺依曼结构,指令与数据不区分,用同样的总线,一般的通用电脑

哈佛结构,区分指令与数据,使用4条总线,可以并行传输,较高的数据吞吐率,主要用于嵌入式。DSP

指令集

复杂指令集

数量多,可变长格式,使用微码控制,支持多种寻址方式,代表为X86

精简指令集

数量少,定长格式,使用硬件电路实现,适合流水线,增加了通用寄存器,比较少的寻址方式,大部分为单周期操作,代表为arm

操作系统分类

批处理系统

单道批,多道批,输入一个或多个文档,宏观上可以并行,围观是穿行

分时操作系统

CPU事件分片的方式去运行,每个用户感觉自己都拥有完整的操作系统

实时操作系统

高可靠的系统,一般用于嵌入式,需要在规定事件内相应

网络操作系统

linux、windows server,在网络上共享内容的操作系统

分布式操作系统

网络操作系统的进阶,透明、高可靠、高性能

微机操作系统

windows、linux,多进行、多用户、多CPU的操作系统

嵌入式操作系统

高可靠,可移植性,硬件定制

进程

程序块、数据块、PCB(进程信息)
表舒服、状态、等一列东西

电子政务

电子政务的主体主要有 政府(Govment),企事业单位(Business),民众(Citizen),公务员(Emplyee) ,确认一下单词拼写是否有错误

一些特殊情况,比如人口信息,地理信息等,基本都为政府与政府。其他情况,要看谁是主动方

G2G: 政府对政府,主要业务可能会涉及到人口信息,地理信息采集等
G2B: 发放各种证照,例如营业执照,许可证
B2G: 缴税,向政府提供服务等
G2E: 政府内部系统
G2C: 发放各种执照,提供公共信息,比如天气
C2G: 公民对政府,主要是纳税,报警灯

第二版

电子政务的主体有:政府(Government)、企事业单位(Business)、公民(Citizen)、公务员(Employee)

除了人口信息与地理信息外,对应关系主要看谁是主体
G2E: 政府对公务员,主要是政府内部系统
G2G: 政府对政府,主要是基础信息采集,比如人口信息,地理信息。各级政府之间的决策与汇报
G2B: 政府对企业,发放各种证照,比如营业执照,各类许可证
B2G: 企业对政府,缴税、承接政府工程、向政府提建议、申诉
G2C: 政府对公民,提供社区公安,水、火、天灾等信息,发放各类牌照,比如户口,驾驶证(信息主要是公共安全信息,包括水、火、天灾等)
C2G: 公民对政府,向政府纳税与各类费用,向政府提建议,报警等

专家系统(ES)

人工智能的一个分支,录入专家的知识与经验,处理该领域的问题,并决策。

专家系统可以自己做决策
与一般通用系统不一样的地方在于,不仅可以处理字符还能处理符号,结果一些非结构性问题。因知识库的不同,解决的问题领域也不同。

核心

知识库:存储该领域的知识与经验
推理机: 推理系统,主要用于规则解释
综合数据库:辅助功能,主要解决一些中间状态,比如推理过程中的结果
知识获取:知识库通过知识获取功能得到专家的知识与经验
解释器:主要面向人机接口

第二遍

专家系统是一个具有专家知识和经验的人工只能系统,可以帮助用户决策并解决问题

与通用系统不一样的点

该系统不光可以解决问题,而且可以还可以分析结果,并做决策

除了数字还可以分析符号

不光解决结构化问题,有可以解决非结构化问题,且能解决不确定的问题

跟通用系统不太一样的地方,因知识库的不同,针对的领域也会不同

核心

知识库:存储专家知识经验
推理机:规则解释器
综合知识库:辅助功能,比如用于存放推理过程中的状态,中间结果等
知识录入:知识库通过该接口获得专家的知识与经验,主要有内容的编辑还有自学习功能(获取,不是录入)
解释器:主要面向与人机接口

更正:知识获取,而不是知识录入。