系统架构设计专业技能 · 系统工程与系统性能

系列文章目录

系统架构设计专业技能 · 网络技术（三）
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系统架构设计高级技能 · 软件架构设计（一）【系统架构设计师】
系统架构设计高级技能 · 系统质量属性与架构评估（二）【系统架构设计师】
系统架构设计高级技能 · 软件可靠性分析与设计（三）【系统架构设计师】

现在的一切都是为将来的梦想编织翅膀，让梦想在现实中展翅高飞。
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一、系统工程

1.1、系统工程概念

【系统工程】 是一种组织管理技术。
【系统工程】 是为了最好的实现系统的目的，对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构进行分析研究的科学方法。
【系统工程】 从整体出发、从系统观念出发、以求 整体最优。
【系统工程】 利用计算机作为工具，对系统的结构、元素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。
【系统工程】 是一种现代的科学决策方法。

1.2、系统工程方法

系统工程是运用系统方法，对系统进行规划、研究、设计、制造、试验和使用的组织管理技术，是人们用科学法解决复杂问题的一门技术。

系统工程方法的特点：整体性、综合性、协调性、科学性和实践性。

系统工程方法分为：霍尔的三维结构、切克兰德法、并行工程、综合集成法、WSR系统方法。

1.2.1 霍尔的三维结构

霍尔的三维结构 是美国系统工程专家霍尔（A.D.Hall）等人与1969年提出的一种系统工程方法论，形成了由 时间维、逻辑维、和知识维 组成的三维空间结构。

时间维：分为规划、拟定方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段；
逻辑维：包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施7个逻辑步骤；
知识维：包括工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等知识和技能。

1.2.2 切克兰德方法

切克兰德方法 的核心 不是“最优化”而是“比较”与“探寻” 。将工作过程分为 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7个步骤 。

1.2.3 并行工程

并行工程方法 是对产品及其相关 过程（包括制造过程和支持过程）进行并行 、集成化处理的系统方法和综合技术，目标是提高质量、减低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

1.2.4 综合集成法

钱学森等提出从系统的本质出发可以把系统分为 简单系统和巨系统 两大类。开放复杂巨系统的一般基本原则： 整体论、相互联系、有序性、动态 ，主要性质是开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性和巨量性。

1.2.5 WSR系统方法

WSR系统方法 是 物理 - 事理 - 人理 方法论的简称。具有中国传统哲学的思辨思想，是多种方法的综合统一，属于定性与定量分析综合集成的东方系统思想。一般工作过程可理解为理解意图、制定目标、调查分析、构造策略、选择方案、协调关系和实现构想7步。

1.3 系统工程的生命周期

对系统工程生命周期进行定义的目的是以有序而且高效的方式建立一个满足利益有关者的需求框架。

系统工程的生命周期阶段 包括探索研究、概念阶段、开发阶段、生产阶段、使用阶段、保障阶段和退役阶段。

生命周期方法 有：计划驱动方法、渐进迭代式开发、精益开发和敏捷开发。

1.4 基于模型的系统工程

基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE） ，MBSE是建模方法的形式化应用，以使建模支持系统需求、分析、设计、验证和确认等活动，持续贯穿到所有生命周期阶段。

产物包括 ：
在需求分析阶段，产生需求图、用例图以及包图；
在功能分析与分配阶段，产生顺序图、活动图及状态机图；
在设计综合阶段，产生模块定义图、内部块图及参数图等；

系统工程的三大支柱 ：
建模语言、建模工具和建模思路。

二、系统性能

2.1 系统性能指标（评价）

系统性能评价指标是软件、硬件的性能指标的集成。其中：

• （1）评价计算机主要性能指标有 时钟频率（主频）、运算速度、运算精度、数据处理速率（Processing Data Rate，PDR）、吞吐率 等。

• （2）评价路由器的主要性能指标有设备吞吐量、端口吞吐量、全双工线速准发能力、路由表能力、背板能力、 丢包率、时延、时延抖动、协议支持 等。评价交换机所依据的性能指标有端口速率、背板吞吐量、缓冲区大小、MAC地址表大小等。

• （3）评价网络性能指标有 设备性能指标、网络级性能指标、应用级性能指标、用户级性能指标和吞吐量 。

• （4）评价操作系统的性能指标有 系统上下文切换、系统响应时间、系统的吞吐率（量）、系统资源利用率、可靠性和可移植性 。

• （5）衡量数据库管理系统主要的性能指标有 最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数 等。

• （6）评价Web服务器的主要性能指标有 最大并发连接数、响应延迟和吞吐量 。

2.2 性能计算

性能计算

主频和CPU时钟周期：

主频又称为CPU时钟频率，时钟周期是时钟频率的倒数。
如主频为1GHz，则说明1秒钟有1G个时钟周期，每个时钟周期为1ns。
主频 = 外频 * 倍频
总线周期：

也就是一个访存储器或IO端口操作所用的时间
指令周期：

取出并执行一条指令的时间，若干个机器周期组成
平均执行周期数：

CPI表示每条计算机指令执行所需的时钟周期，有时简称为指令的平均周期数
CPI平均执行周期数 = 执行程序所需要的时钟周期数 / 所执行的指令条数
MIPS指令平均运算执行速度：

每秒处理的百万级的机器语言指令数，主要用于衡量标量机性能
MFLOPS：

• 每秒百万个浮点操作，不能反映整体情况，只能反映浮点运算情况
• 主要用于衡量向量机性能

指令平均时钟数 ＝（指令条目数 × 指令时钟数）/ 总指令条目数
指令平均运算（执行）速度 ＝ 1/指令平均时钟数 × 时钟频率，注，单位MIPS

2.3 性能设计

2.3.1 性能调整

性能调整查找和消除瓶颈组成。

对于数据库系统：
性能调整主要包括 CPU/内存使用状况、优化数据库设计、优化数据库管理以及进程/线程状态、硬盘I/O及剩余空间、日志文件大小 等。

对于应用系统：
性能调整主要包括应用 系统的可用性、响应时间、并发用户数以及特定应用的系统资源占用 等。

2.3.2 阿姆达尔（Amdahl）解决方案

阿姆达尔定律：计算机系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所获得的系统性能改变程度，取决于这种方式所占总执行时间的比例。

加速比 = 使用增强部件时完成整个任务的时间 / 不使用增强部件时完成整个任务的时间

新的执行时间 = 原来的执行时间 X [ (1 - 增强比例) + 增强比例 / 增强加速比 ]

总加速比 = 原来的执行时间 / 新的执行时间 = 1 / [ (1 - 增强比例) + 增强比例 / 增强加速比 ]

2.4 性能评估

（1）基准测试程序

大多数情况下，为测试新系统的性能，用户必须依靠评价程序来评价机器的性能。

基准测试程序（Benchmark）的定义:
应用程序中用的最多、最频繁的那部分核心程序 作为评价计算机性能的标准程序。

下面列出4种评价程序，它们的评测的准确度依次递减：
真实的程序、核心程序、小型基准程序和合成基准程序。

基准测试程序有：
整数测试程序Dhrystone、浮点测试程序Linpack、Whetsone基准测试程序、SPEC基准测试程序和TPC基准程序。

（2）Web服务器的性能评估

Web服务器的性能评测方法有:
基准性能测试、压力测试和可靠性测试。

（3）系统监视

系统监视的方法通常有 ：
系统内置命令、查阅系统日志、可视化技术 3种方式。