某安全监控设备生产商立项研发高清安全监控解决方案，方案中包括监控设备、配备大容量..

2023年上半年下午试卷案例

第 4 题

知识点	满意度存储器监控录音视频需求分析需求分析阶段音频

某安全监控设备生产商立项研发高清安全监控解决方案，方案中包括监控设备、配备大容量存储器的主机和配套监控软件，小安被任命为项目经理。
在需求分析阶段，项目需要提高监控录像的清晰度，并同步记录音频数据。项目组认为将标清摄像头更换为高清带收音的摄像头成本太高。为了节约成本，项目组准备在原有方案中增加麦克风，并且通过软件对视频数据进行算法处理的方式，提高清晰度。
小安将两种方案细化如下:
方案一:直接更换高清带收音摄像头。高清带收音摄像头价格为60元/个，自带处理数据软件，直接生成720p有声高清数据且夜视也非常清晰。该方案的客户满意度为80%。
方案二:增加麦克风和视频处理算法。标清摄像头价格为23元/个，麦克风价格为1元/个，视频处理算法软件费用折算为2元/个，视频算法软件处理后原标清视频数据的清晰度可以提高，但暗光下的视频无法优化。由于视频数据与音频数据分别单独存储，只能分别查看，此方案的客户满意度仅为35%。

问题：4.1 请结合案例，请指出本项目的两个方案分别存在哪些风险。

问题：4.2 请写出“控制风险”过程的目的。

问题：4.3 请将下面 (1)~(4) 的答案填写在答题纸的对应栏内。组织把风险看作 (1) 给项目和组织目标造成的影响，基于不同的风险态度，组织和(2) 愿意接受不同程度的风险。他们的风险态度受多种因素影响，这些因素大体可分为以下三类:(3) ，(4) 和风险临界值。

知识点讲解

· 满意度

· 存储器

· 监控

· 录音

· 视频

· 需求分析

· 需求分析阶段

· 音频

满意度

满意度是指软件产品在指定的使用环境下，使用户满意的能力。

存储器

计算机系统中包括各种存储器，如CPU内部的通用寄存器组和Cache（高速缓存）、CPU外部的Cache、主板上的主存储器、主板外的联机（在线）磁盘存储器以及脱机（离线）的磁带存储器和光盘存储器等。不同特点的存储器通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系层次结构，位于更高层的存储设备比较低层次的存储设备速度更快、单位比特造价也更高。其中，Cache和主存之间的交互功能全部由硬件实现，而主存与辅存之间的交互功能可由硬件和软件结合起来实现。

存储器的分类

按存储器所处的位置分类

按存储器所处的位置可分为内存和外存。

（1）内存。也称为主存（Main Memory），设在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小、速度快。

（2）外存。也称为辅存，如磁盘、磁带和光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，而在需要时调入内存。

按存储器的构成材料分类

按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

（1）磁存储器。磁存储器是用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带及磁盘等。

（2）半导体存储器。根据所用元器件又可分为双极型和MOS型；根据数据是否需要刷新又可分为静态（Static memory）和动态（Dynamic memory）两类。

（3）光存储器。利用光学方法读／写数据的存储器，如光盘（Optical Disk）。

按存储器的工作方式分类

按存储器的工作方式可分为读／写存储器和只读存储器。

（1）读／写存储器（Random Access Memory，RAM）。它指既能读取数据也能存入数据的存储器。按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）。SRAM比DRAM更快，也贵得多。

（2）只读存储器。工作过程中仅能读取的存储器，根据数据的写入方式，这种存储器又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。

①固定只读存储器（Read Only Memory，ROM）。这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。

②可编程的只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）。其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能再修改。

③可擦除可编程的只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）。其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是写入之前先用紫外线照射15～20分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。

④电擦除可编程的只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）。与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。

⑤闪存（Flash Memory）。闪存是一种非易失性存储器，基于EEPROM，已成为重要的存储技术，为大量电子设备包括数码相机、手机、PDA、笔记本、台式机和服务器等计算机系统提供快速且持久的存储能力。

存储在ROM设备中的程序通常称为固件（Firmware）。例如，当计算机加电后，它会运行存储在ROM中的固件。

按访问方式分类

按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。

按寻址方式分类

按寻址方式可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

（1）随机存储器（Random Access Memory，RAM）。这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。

（2）顺序存储器（Sequentially Addressed Memory，SAM）。访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器。

（3）直接存储器（Direct Addressed Memory，DAM）。介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内则是顺序寻址。

相联存储器

相联存储器是一种按内容访问的存储器。其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合于信息的检索和更新。

相联存储器的结构如下图所示。

相联存储器的结构框图

相联存储器中，输入检索寄存器用来存放要检索的内容（关键字），屏蔽寄存器用来屏蔽那些不参与检索的字段，比较器将检索的关键字与存储体的每一单元进行比较。为了提高速度，比较器的数量应很大。对于位比较器，应每位对应一个，应有2^m×N个，对于字比较器应有2^m个。匹配寄存器用来记录比较的结果，它应有2^m个二进制位，用来记录2^m个比较器的结果，1为相等（匹配），0为不相等（不匹配）。

相联存储器可用在高速缓冲存储器中，在虚拟存储器中用来作为段表、页表或快表存储器，用在数据库和知识库中。

高速缓存

高速缓存（Cache）由快速半导体存储器构成，用来存放当前最活跃的程序和数据，其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。

高速缓存的组成

Cache存储器中控制部分的功能是判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里。

现代CPU中Cache分为了多个层级，如下图所示。

三级Cache示意图

在多级Cache的计算机中，Cache分为一级（L1 Cache）、二级（L2Cache）、三级（L3 Cache）等，CPU访存时首先查找L1 Cache，如果不命中，则访问L2Cache，直到所有级别的Cache都不命中，才访问主存。通常要求L1 Cache的速度足够快，以赶上CPU的主频。如果Cache为两级，则L1 Cache的容量一般都比较小，为几千字节到几十千字节；L2 Cache则具有较高的容量，一般为几百字节到几兆字节，以使高速缓存具有足够高的命中率。

高速缓存中的地址映像方法

在CPU工作时，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中读／写信息。这就需要将主存地址转换成Cache存储器的地址，这种地址的转换称为地址映像。Cache的地址映像有如下3种方法。

（1）直接映像。直接映像是指主存的块与Cache块的对应关系是固定的，如下图所示。

直接映像示意图

在这种映像方式下，由于主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中，因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中记录的主存区号相同，则表明访问Cache命中。一旦命中，由主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache存储器中的块，而块内地址就是主存地址中给出的低位地址。

直接映像方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。例如，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache存储器中有空闲的块也不能利用。

（2）全相联映像。全相联映像如下图所示。同样，主存与Cache存储器均分成大小相同的块。这种映像方式允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。

全相联映像示意图

例如，主存为64MB，Cache为32KB，块的大小为4KB（块内地址需要12位），因此主存分为16384块，块号从0～16383，表示块号需要14位，Cache分为8块，块号为0～7，表示块号需3位。存放主存块号的相联存储器需要有Cache块个数相同数目的单元（该例中为8），相联存储器中每个单元记录所存储的主存块的块号，该例中相联存储器每个单元应为14位，共8个单元。

在地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中相联存储器所有单元中记录的主存块号进行比较，若相同即为命中。这时相联存储器单元的编号就对应要访问Cache的块号，从而在相应的Cache块中根据块内地址（上例中块内地址是12位，Cache与主存的块内地址是相同的）访问到相应的存储单元。

全相联映像的主要优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。

（3）组相联映像。这种方式是前面两种方式的折中。具体方法是将Cache中的块再分成组。例如，假定Cache有16块，再将每两块分为1组，则Cache就分为8组。主存同样分区，每区16块，再将每两块分为1组，则每区就分为8组。

组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。也就是说，主存任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存到Cache的1组中，以此类推。组内的块则采用全相联映像方式，即一组内的块可以任意存放。也就是说，主存一组中的任一块可以存入Cache相应组的任一块中。

在这种方式下，通过直接映像方式来决定组号，在一组内再用全相联映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定的主存区号与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号。

替换算法

替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常用算法有如下几种。

（1）随机替换算法。就是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。

（2）先进先出算法。就是将最先进入Cache的信息块替换出去。

（3）近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。

（4）优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换。

Cache性能分析

Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标，但不是最主要的指标。Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。设H_c为Cache的命中率，t_c为Cache的存取时间，t_m为主存的访问时间，则Cache存储器的等效加权平均访问时间t_a为：

t_a=H_ct_c+（1-H_c）t_m=t_c+（1-H_c）（t_m-t_c）

这里假设Cache访问和主存访问是同时启动的，其中，t_c为Cache命中时的访问时间，（t_m-t_c）为失效访问时间。如果在Cache不命中时才启动主存，则

t_a=t_c+（1-H_c）t_m

Cache的命中率与Cache容量的关系如下图所示。Cache容量越大，则命中率越高，随着Cache容量的增加，其失效率接近0%（命中率逐渐接近100%）。但是，增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。

Cache容量与命中率的关系

在指令流水线中，Cache访问作为流水线中的一个操作阶段，Cache失效将影响指令的流水。因此，降低Cache的失效率是提高Cache性能的一项重要措施。当Cache容量比较小时，容量因素在Cache失效中占有比较大的比例。降低Cache失效率的方法主要有选择恰当的块容量、提高Cache的容量和提高Cache的相联度等。

虚拟存储器

在概念上，可以将主存存储器看作一个由若干个字节构成的存储空间，每个字节（称为一个存储单元）有一个地址编号，主存单元的该地址称为物理地址（physical address）。当需要访问主存中的数据时，由CPU给出要访问数据所在的存储单元地址，然后由主存的读写控制部件定位对应的存储单元，对其进行读（或写）操作来完成访问操作。

现代系统提供了一种对主存的抽象，称为虚拟存储（virtual memory），使用虚拟地址（virtual address，由CPU生成）的概念来访问主存，使用专门的MMU（Memory Management Unit）将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。设主存容量为4GB，则其简化后的访问操作和内存模型如下图所示。

内存模型及使用虚拟地址访存示意图

虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化的处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户。因此，用户在使用时，操作的是虚拟设备，无需关心底层的物理环境，从而可以充分利用基于异构平台的存储空间，达到最优化的使用效率。

外存储器

外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存才可访问。外存储器主要由磁表面存储器（如磁盘、磁带）、光盘存储器及固态硬盘（采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器）构成。

磁盘存储器

硬盘是最常见的外存储器。一个硬盘驱动器内可装有多个盘片，组成盘片组，每个盘片都配有一个独立的读／写头。

为了正确地存储信息，将盘片划成许多同心圆，称为磁道（track）。将一个磁道沿圆周划分为若干段，每段称为一个扇区（sector），每个扇区内可存放一个固定长度的数据块，如512字节。一组盘片的所有记录面上相同序号的磁道构成一个柱面（cylinder）。

硬盘的寻址信息由硬盘驱动号、柱面号、磁头号（记录面号）、数据块号（或扇区号）以及交换量组成。

磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间（access time）主要包括以下三个部分：寻道时间（seek time）、旋转时间（rotational latency）和传送时间（transfer time）。

（1）寻道时间。为了读取某个目标扇区的内容，需要将读／写头移动到包含目标扇区的磁道上，这称为寻道时间T_seek。显然，寻道时间与读／写头的移动速度以及其之前的位置有关。通过数千次对随机扇区的寻道操作求平均值来测得平均寻道时间，一般为3～9ms。

（2）旋转时间。一旦读／写头定位至期望的磁道，就等待目标扇区旋转到读／写头的下方，该时间依赖于读／写头到达目标扇区前盘面的位置和旋转速度。在最坏情况下，读／写头刚好错过目标扇区，就必须等待磁盘旋转一周。因此，最大旋转延迟时间T_{max rotaion}为磁盘旋转速度的倒数，平均旋转时间T_{avg rotai}_on为最大旋转延迟时间的一半。

（3）传送时间。当目标扇区的第一个位位于读／写头下方时，就可以开始读或写该扇区的内容了。一个扇区数据的传送时间依赖与旋转速度和每磁道的扇区数目，因此可以粗略估算一个扇区的平均传送时间T_a_{vg transfer}为磁盘旋转速度的倒数乘以每磁道扇区数的倒数。

现代磁盘构造复杂，大容量磁盘采用多区记录技术，将柱面的集合分割成不相交的子集，每个子集称为一个记录区。每个记录区包含一组连续的柱面，一个及记录区中每个柱面的每条磁道有相同数量的扇区，扇区数由最靠近盘片中心的磁道所能包含的扇区数决定。

一个磁盘上可以记录的最大位数称为其最大容量。最大容量由记录密度、磁道密度和面密度决定。

记录密度是指每英寸磁道的段中可以存储的位数。磁道密度是盘片半径方向上每英寸的磁道数。面密度则是记录密度与磁道密度的乘积。

磁盘最大容量等于每扇区字节数×每磁道平均扇区数×每盘面磁道数×每盘片记录面数×盘片数。

磁盘通常以千兆字节（GB）或兆兆字节（TB）为单位来表示磁盘容量，且1GB=10⁹B，1TB=10¹²B。

磁盘控制器必须对磁盘进行格式化后才能存储数据。格式化后的容量通常小于最大容量。

光盘存储器

根据性能和用途，光盘存储器可分为只读型光盘（CD-ROM）、只写一次型光盘（WORM）和可擦除型光盘。只读型光盘是由生产厂家预先用激光在盘片上蚀刻不能再改写的各种信息，目前这类光盘的使用很普遍。只写一次型光盘是指由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘，写入方法是利用聚焦激光束的热能，使光盘表面发生永久性变化而实现的。可擦除型光盘是读／写型光盘，它是利用激光照射引起介质的可逆性物理变化来记录信息。

光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。其特点是记录密度高、存储容量大、采用非接触式读／写信息（光头距离光盘通常为2mm）、信息可长期保存（其寿命达10年以上）、采用多通道记录时数据传送率可超过200Mb/s、制造成本低、对机械结构的精度要求不高、存取时间较长。

固态硬盘

固态硬盘（Solid State Disk，SSD）的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质；另一种是采用DRAM作为存储介质。

基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，其主体是一块PCB板，板上最基本的配件就是控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑，其作用有两个：一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷；二是承担数据中转的作用，连接闪存芯片和外部SATA或USB接口。不同主控芯片差异很大，在数据处理能力、算法，对闪存芯片的读写控制方面会有非常大的不同，直接会导致固态硬盘产品在性能上差距很大。

一个闪存由多个块、每块由多页组成，通常页的大小为512B～4KB，块的大小为32～128页。在闪存中，数据是以页为单位读写的。只有在一个页所在的块被整体擦除后，才能写入该页。写一个块重复写入限定次数（例如100000）后，该块就会磨损坏而不能再使用。如果一个固态硬盘的主控芯片中磨损逻辑处理得好，就可以用很多年。

SSD的读操作比写操作要快，顺序读写操作比随机读写操作要快。进行随机写操作时，要擦除整块，因此需要较长的时间。另外，如果写操作试图修改一个包含其他有用数据的块，则需要将有用数据复制到一个新擦除的块中，然后才能进行写入操作。

固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘基本相同，外形和尺寸也基本与普通的2.5英寸硬盘一致。

固态硬盘虽然价格仍较为昂贵，容量较低，但是由于具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，因此常作为传统机械式硬盘的替代品使用。

磁盘阵列技术

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disk，RAID）。

虽然RAID包含多块硬盘，但从用户视角看则是一个独立的大型存储设备。RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势，实现远超出任何一块单独硬盘的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外，RAID还可以提供良好的容错能力。RAID技术分为几种不同的等级，分别可以提供不同的速度、安全性和性价比。

目前，常见的RAID如下表所示。

廉价冗余磁盘阵列

除此之外，上述各种类型的RAID还可以组合起来，构成复合型的RAID，此处不再赘述。

存储域网络

存储域网络是连接服务器与存储设备的网络，它能够将多个分布在不同地点的RAID组织成一个逻辑存储设备，供多个服务器共享访问，如下图所示。通过网络将一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等，构成了存储域网络（Storage Area Network，SAN）。这样的网络不仅解决服务器对存储容量的要求，还可以使多个服务器之间可以共享文件系统和辅助存储空间，避免数据和程序代码的重复存储，提高存储器的利用率。另外，SAN还实现了分布式存储系统的集中管理，降低了大容量存储系统的管理成本，提高了管理效率。

SAN的结构

监控

主要包括故障监控和性能、流量、负载等状态监控，这些监控关系到集群的健康运行及潜在问题的及时发现与干预。

（1）服务故障、状态监控：主要是对服务器自身、上层应用、关联服务数据交互监控；例如针对前端Web Server，就可以有很多种类型的监控，包括应用端口状态监控，便于及时发现服务器或应用本身是否崩溃、通过ICMP包探测服务器健康状态，更上层可能还包括应用各频道业务的监控，这些只是一部分，还有多种监控方式，依应用特点而定。还有一些问题需解决，如集群过大，如何高性能地进行监控也是一个现实问题。

（2）集群状态类的监控或统计，为合理管理调优集群提供数据参考，包括服务瓶颈、性能问题、异常流量、攻击等问题。

录音

使用录音室中的录音软件Steinberg Cubase 5，选择“新建工程”选项，新建一个空白文件夹，打开录制界面后，在右侧空白处右击选择“添加音频轨道”选项，单击“确定”按钮，即可添加一个音频轨道。单击“走带录制”按钮即可开始录制。录制结束后，选择“文件”→“导出”→“选定的轨道”→“复制”选项，将文件保存在同一路径下新建的文件夹内，再单击“确定”按钮即可。

录音时，要提前将文字讲稿按照上一步录制的视频过一遍，一是检查文字稿有无错误，二是可以将视频与文字进行匹配。在录制的过程中，如果是纸质的讲稿，注意不要边讲话边翻页，因为翻页的声音会被一同录进去，翻页时不读讲稿，以便后期的编辑。

视频

视频是动态的画面序列，这些画面以超过每秒24帧的速度播放，便可以使观察者产生平滑、连续的视觉效果。视频类似于我们熟知的电影和电视，有声有色。电影采用了每秒24幅画面的播放速度，电视采用了每秒25幅或30幅画面的播放速度。视频图像可来自于录像带、影碟、电视、摄像机等，这些模拟视频信号可通过视频采集卡转换成数字视频信号，以便计算机进行处理和存储。

需求分析

需求分析的方法种类繁多，不过如果按照分解的方式不同，可以很容易地划分出几种大类型：

（1）结构化分析方法。本节后续内容将详细讨论SA的内容。

（2）面向对象分析方法。将在10.3节中进行详细介绍。

（3）面向问题域的分析（Problem Domain Oriented Analysis, PDOA）方法。PDOA更多地强调描述，而少强调建模。它的描述大致分为关注问题域和关注解系统的待求行为这两个方面。问题框架是PDOA的核心元素，是将问题域建模成为一系列相互关联的子域。也可以把问题框架看作是开发上下文图，但不同的是上下文图的建模对象是针对解系统，而问题框架则是针对问题域。也就是说，问题框架的目标就是大量地捕获更多有关问题域的信息。PDOA方法现在还在研究阶段，并未广泛应用。

业务流程分析

业务流程分析的目的是了解各个业务流程的过程，明确各个部门之间的业务关系和每个业务处理的意义，为业务流程的合理化改造提供建议，为系统的数据流程变化提供依据。

业务流程分析的步骤如下：

（1）通过调查掌握基本情况。

（2）描述现有业务流程（绘制业务流程图）。

（3）确认现有业务流程。

（4）对业务流程进行分析。

（5）发现问题，提出解决方案。

（6）提出优化后的业务流程。

在业务流程图中使用的基本符号如下图所示。

数据流图

DFD是结构化分析中的重要方法和工具，是表达系统内数据的流动并通过数据流描述系统功能的一种方法。DFD还可被认为是一个系统模型，在信息系统开发中，一般将它作为需求说明书的组成部分。

业务流程图符号

DFD从数据传递和加工的角度，利用图形符号通过逐层细分地描述系统内各个部件的功能和数据在它们之间传递的情况，来说明系统所完成的功能。具体来说，DFD的主要作用如下：

（1）DFD是理解和表达用户需求的工具，是系统分析的手段。由于DFD简明易懂，理解它不需要任何计算机专业知识，因此通过它同客户交流很方便。

（2）DFD概括地描述了系统的内部逻辑过程，是系统分析结果的表达工具，因而也是系统设计的重要参考资料，是系统设计的起点。

（3）DFD作为一个存档的文字材料，是进一步修改和充实开发计划的依据。

在DFD中，通常会出现4种基本符号，分别是数据流、加工、数据存储和外部实体（数据源及数据终点）。数据流是具有名字和流向的数据，在DFD中用标有名字的箭头表示。加工是对数据流的变换，一般用圆圈表示。数据存储是可访问的存储信息，一般用直线段表示。外部实体是位于被建模的系统之外的信息生产者或消费者，是不能由计算机处理的成分，它们分别表明数据处理过程的数据来源及数据去向，用标有名字的方框表示。下图是一个典型的DFD示例。

办理取款手续的DFD

为了表达数据处理过程中的数据加工情况，用一个DFD是不够的。稍微复杂的实际问题，在DFD中常常出现十几个甚至几十个加工。这样的DFD看起来很不清楚。层次结构的DFD能很好地解决这一问题。按照系统的层次结构进行逐步分解，并以分层的DFD反映这种结构关系，能清楚地表达整个系统。

下图给出分层DFD的示例。数据处理S包括3个子系统1、2、3。顶层下面的第一层DFD为DFD/L1，第二层的DFD/L2.1、DFD/L2.2及DFD/L2.3分别是子系统1、2和3的细化。对任何一层数据流图来说，它的上层图称为父图，在它下一层的图则称为子图。

分层数据流图

概括地说，画DFD的基本步骤，就是“自顶向下，逐层分解”。检查和修改的原则如下：

（1）DFD中的所有图形符号只限于前述4种基本图形元素。

（2）顶层DFD必须包括前述4种基本元素，缺一不可。

（3）顶层DFD中的数据流必须封闭在外部实体之间。

（4）每个加工至少有一个输入数据流和一个输出数据流。

（5）在DFD中，需按层给加工框编号。编号表明了该加工处在哪一层，以及上下层的父图与子图的对应关系。

（6）规定任何一个数据流子图必须与它上一层的一个加工对应，两者的输入数据流和输出数据流必须一致。此即父图与子图的平衡。

（7）可以在DFD中加入物质流，帮助用户理解DFD。

（8）图上每个元素都必须有名字。

（9）DFD中不可夹带控制流。

数据字典

数据字典是关于数据的信息的集合，也就是对DFD中包含的所有元素的定义的集合。DFD和数据字典共同构成系统的逻辑模型。没有DFD，数据字典难以发挥作用；没有数据字典，DFD就不严格。只有把DFD和对DFD中每个元素的精确定义放在一起，才能共同构成系统的规格说明。

数据字典的设计包括：数据流设计、数据元素字典设计、数据处理字典设计、数据结构字典设计和数据存储设计。这些设计涵盖了数据的采集和范围的确定等信息。在数据字典的每一个词条中应包含以下信息：名称、别名或编号、分类、描述、何处使用。

对加工的描述是数据字典的组成内容之一，常用的加工描述方法有结构化语言、判定树及判定表。

（1）结构化语言：介于自然语言和形式语言之间的一种半形式语言，在自然语言基础之上加了一些限度，使用有限的词汇和有限的语句来描述加工逻辑。结构化语言是受结构化程序设计思想启发而扩展出来的。结构化程序设计只允许3种基本结构。结构化语言也只允许3种基本语句，即简单的祈使语句、判断语句和循环语句。与程序设计语言的差别在于结构化语言没有严格的语法规定，与自然语言的不同在于它只有极其有限的词汇和语句。结构化语言使用3类词汇：祈使句中的动词、数据字典中定义的名词及某些逻辑表达式中的保留字。

（2）判定树：若一个动作的执行不只依赖一个条件，而与多个条件有关，那么这项策略的表达就比较复杂。如果用结构化语言的判断语句，就有多重嵌套，层次一多，可读性就会下降。用判定树来表示，可以更直观一些。

（3）判定表：一些条件较多、在每个条件下取值也较多的判定问题，可以用判定表表示。判定表能清晰地表达复杂的条件组合与应做动作之间的对应关系，判定表的优点是能够简洁、无二义性地描述所有的处理规则。但判定表表示的是静态逻辑，是在某种条件取值组合情况下可能的结果，它不能表达加工的顺序，也不能表达循环结构，因此判定表不能成为一种通用的设计工具。

需求分析阶段

. 确定软件的可靠性目标；

. 分析可能影响可靠性的因素；

. 确定可靠性的验收标准；

. 制定可靠性管理框架；

. 制定可靠性文档编写规范；

. 制定可靠性活动初步计划；

. 确定可靠性数据收集规范。

音频

声音信号

声音是通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声波在时间和幅度上都是连续的模拟信号，通常称为模拟声音（音频）信号。

1）声音的3个指标

声音主要有音量、音调和音色3个指标。

.音量（也称响度）：声音的强弱程度取决于声音波形的幅度，即取决于振幅的大小和强弱。

.音调：人对声音频率的感觉表现为音调的高低，取决于声波的基频。基频越低，给人的感觉越低沉，频率高则声音尖锐。

.音色：人们能够分辨具有相同音高的不同乐器发出的声音，就是因为它们具有不同的音色。一个声波上的谐波越丰富，音色越好。

2）声音信号的带宽

对声音信号的分析表明，声音信号由许多频率不同的信号组成，通常称为复合信号，而把单一频率的信号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽（bandwidth），它用来描述组成声音信号的频率范围。PC处理的音频信号主要是人耳能听到的音频信号（audio），它的频率范围是20~20kHz。可听声包括如下内容。

.话音（也称语音）：人的说话声，频率范围通常为300~3400Hz。

.音乐：由乐器演奏形成（规范的符号化声音），其带宽可达到20~20kHz。

.其他声音：如风声、雨声、鸟叫声、汽车鸣笛声等，它们起着效果声或噪声的作用，其带宽范围也是20Hz~20kHz。

3）幅度和频率

声音信号的两个基本参数是幅度和频率。幅度是指声波的振幅，通常用动态范围表示，一般用分贝（dB）为单位来计量。频率是指声波每秒钟变化的次数，用Hz表示。

声音信号的数字化

声音信号的数字化即用二进制数字的编码形式来表示声音。最基本的声音信号数字化方法是采样一量化法，可以分成以下3个步骤。

1）采样

采样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的信号。在某些特定时刻获取的声音信号幅值叫作采样，由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。一般是每隔相等的一小段时间采样一次，其时间间隔称为采样周期，它的倒数称为采样频率。为了不产生失真，采样频率不应低于声音信号最高频率的二分之一。因此，语音信号的采样频率一般为8kHz，音乐信号的采样频率则应在40kHz以上。采样频率越高，可恢复的声音信号分量越丰富，其声音的保真度越好。

2）量化

量化处理是把在幅度上连续取值（模拟量）的每一个样本转换为离散值（数字量）表示，因此量化过程有时也称为A/D转换（模数转换）。量化后的样本是用二进制数来表示的，二进制数位数的多少反映了度量声音波形幅度的精度，称为量化精度，也称为量化分辨率。例如，每个声音样本若用16位（2B）表示，则声音样本的取值范围是0~65 536；精度是1/65 536；若只用8位（1B）表示，则样本的取值范围是0~255，精度是1/256。量化精度越高，声音的质量越好，需要的存储空间也越多；量化精度越低，声音的质量越差，而需要的存储空间越少。

3）编码

为了便于计算机的存储、处理和传输，按照一定的要求对采样和量化处理后的声音信号进行数据压缩和编码，即选择某一种或者几种方法对它进行数据压缩，以减少数据量，再按照某种规定的格式将数据组织成为文件。

声音的表示

计算机中的数字声音有两种不同的表示方法：一种称为波形声音（也称为自然声音），通过对实际声音的波形信号进行数字化（采样和量化）而获得，能高保真地表示现实世界中任何客观存在的真实声音，波形声音的数据量比较大；另一种是合成声音，它使用符号（参数）对声音进行描述，然后通过合成的方法生成声音。

波形声音信息是一个用来表示声音振幅的数据序列，它是通过对模拟声音按一定间隔采样获得的幅度值，再经过量化和编码后得到的便于计算机存储和处理的数据格式。

未经压缩的数字音频数据传输率可按下式计算：

数据传输率（b/s）=采样频率（Hz）×量化位数（bit）×声道数

数据传输率以每秒比特（b/_s）为单位；采样频率以Hz为单位；量化以比特（b）为单位。

波形声音经过数字化后所需占用的存储空间可用如下公式计算：

声音信号数据量=数据传输率×持续时间／8（B）

数字语音的数据压缩方法主要有以下三种。

（1）波形编码。波形编码是一种直接对取样量化后的波形进行压缩处理的方法。波形编码的特点是通用性强，不仅适用于数字语音的压缩，而且对所有使用波形表示的数字声音都有效，可获得高质量的语音，但很难达到高的压缩比。

（2）参数编码。参数编码（也称为模型编码）是一种基于声音生成模型的压缩方法，从语音波形信号中提取生成的话音参数，使用这些参数通过话音生成模型重构出话音。它的优点是能达到很高的压缩比，缺点是信号源必须已知，而且受声音生成模型的限制，质量不太理想。

（3）混合编码。波形编码虽然可提供高质量的语音，但数据率比较高，很难低于16kb/s；参数编码的数据率虽然可降低到3kb/s甚至更低，但它的音质根本不能与波形编码相比。混合编码是上述两种方法的结合，它既能达到高的压缩比，又能保证一定的质量。

数字语音压缩编码有多种国际标准，如G.711、G.721、G.726、G.727、G.722、G.728、G.729A、G.723.1、IS96（CDMA）等。

在国际标准MPEG中，先后为视频图像伴音的数字宽带声音制定了MPEG-1 Audio、MPEG-2 Audio、MPEG-2AAC、MPEG-4 Audio等多种数据压缩编码的标准。MPEG处理的是10~20 000Hz频率范围的声音信号，数据压缩的主要依据是人耳的听觉特性，特别是人耳存在着随声音频率变化的听觉域，以及人耳的听觉掩蔽特性。

声音合成

由计算机合成的声音，包括语音合成和音乐合成。

1）语音合成

语音合成目前主要指从文本到语音的合成，也称为文语转换。语音合成从合成采用的技术讲可分为发音参数合成、声道模型参数合成和波形编辑合成，从合成策略上讲可分为频谱逼近和波形逼近。

（1）发音参数合成。发音参数合成对人的发音过程进行直接模拟，它定义了唇、舌、声带的相关参数，如唇开口度、舌高度、舌位置、声带张力等。由这些发音参数估计声道截面积函数，进而计算声波。由于人发音生理过程的复杂性，理论计算与物理模拟之间的差异，语音合成的质量暂时还不理想。

（2）声道模型参数合成。声道模型参数合成基于声道截面积函数或声道谐振特性合成语音，如共振峰合成器、LPC合成器。国内外也有不少采用这种技术的语音合成系统。这类合成器的比特率低、音质适中。为改善音质，发展了混合编码技术，主要手段是改善激励，如码本激励、多脉冲激励、长时预测规则码激励等，这样，比特率有所增大，同时音质得到提高。作为压缩编码算法，该合成广泛用于通信系统和多媒体应用系统中。

（3）波形编辑语音合成。波形编辑语音合成技术是指直接把语音波形数据库中的波形级联起来，输出连续语流。这种语音合成技术用原始语音波形替代参数，而且这些语音波形取自自然语音的词或句子，它隐含了声调、重音、发音速度的影响，合成的语音清晰自然。该合成质量普遍高于参数合成。

2）音乐合成

音乐是用乐谱进行描述并由乐器演奏而成的。乐谱的基本组成单元是音符（notes），最基本的音符有7个，所有不同音调的音符少于128个。

音符代表的是音乐，音乐与噪声的区别主要在于它们是否有周期性。音乐的要素有音调、音色、响度和持续时间。

.音调指声波的基频，基频低，声音低沉；基频高，声音高昂。

.响度即声音的强度。

.一首乐曲中每一个乐音的持续时间是变化的，从而形成旋律。

.音乐可以使用电子学原理合成出来（生成相应的波形），各种乐器的音色也可以进行模拟。

电子乐器由演奏控制器和音源两部分组成。

（1）演奏控制器。演奏控制器是一种输入和记录实时乐曲演奏信息的设备。它的作用是像传统乐器那样用于演奏，驱动音源发声，同时它也是计算机音乐系统的输入设备。其类型有键盘、气息（呼吸）控制器、弦乐演奏器等。

（2）音源。音源是具体产生声音波形的部分，即电子乐器的发声部分。它通过电子线路把演奏控制器送来的声音合成起来。最常用的音源有以下两类。

.数字调频合成器（FM）：FM是使高频振荡波的频率按调制信号规律变化的一种调制方式。

.PCM波形合成器（波表合成法）：这种方法是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，再将它们放在一个波形表中，合成音乐时以查表匹配方式获取真实乐器波形。

MIDI

MIDI是音乐与计算机结合的产物。MIDI（Musical Instrument Digital Interface）是乐器数字接口的缩写，泛指数字音乐的国际标准。

MIDI消息实际上就是乐谱的数字表示。与波形声音相比，MIDI数据不是声音而是指令，因此它的数据量要比波形声音少得多。例如30分钟的立体声高品质音乐，用波形文件无压缩录制，约需300MB的存储空间；同样的MIDI数据，则只需200KB，两者相差1500倍之多。另外，对MIDI的编辑很灵活，可以自由地改变曲调、音色等属性，波形声音就很难做到这一点。波形声音与设备无关，MIDI数据是与设备有关的。

声音文件格式

1）Wave文件（.WAV）

WAV是微软公司的音频文件格式，它来源于对声音模拟波形的采样。用不同的采样频率对声音的模拟波形进行采样可以得到一系列离散的采样点，以不同的量化位数（8位或16位）把这些采样点的值转换成二进制数，然后存入磁盘，这就产生了声音的WAV文件，即波形文件。利用该格式记录的声音文件能够和原声基本一致，质量非常高，但文件数据量却大。

2）Module文件（.MOD）

MOD格式的文件里存放乐谱和乐曲使用的各种音色样本，具有回放效果优异、音色种类无限等优点。

3）MPEG音频文件（.MP3）

MP3是现在最流行的声音文件格式，因其压缩率大，在网络可视电话通信方面应用广泛，但和CD唱片相比，音质不能令人非常满意。

4）RealAudio文件（.RA）

RA格式具有强大的压缩量和较小的失真，它也是为了解决网络传输带宽资源而设计的，因此主要目标是压缩比和容错性，其次才是音质。

5）MIDI文件（.MID/.RMI）

MID是目前较成熟的音乐格式，实际上已经成为一种产业标准，General MIDI就是最常见的通行标准。文件的长度非常小。RMI可以包括图片标记和文本。

6）Voice文件（.VOC）

Creative公司波形音频文件格式，也是声霸卡（Sound Blaster）使用的音频文件格式。每个VOC文件由文件头块（Header Block）和音频数据块（Data Block）组成。文件头包含一个标识版本号和一个指向数据块起始的指针。数据块分成各种类型的子块。

7）Sound文件（.SND）

Sound文件是NeXT Computer公司推出的数字声音文件格式，支持压缩。

8）Audio文件（.AU）

Audio文件是Sun Microsystems公司推出的一种经过压缩的数字声音文件格式，它是互联网上常用的声音文件格式。

9）AIFF文件（.AIF）

AIF是Apple计算机的音频文件格式。利用Windows自带的工具可以把AIF格式的文件转换成Microsoft的WAV格式的文件。

10）CMF文件（.CMF）

CMF是Creative公司的专用音乐格式，与MIDI差不多，音色、效果上有些特色，专用于FM声卡，兼容性较差。

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