信息系统的技术基础

第二章信息系统的技术基础2.1 计算机系统2.1.1 计算机的发展1945年,数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。年代发展情况1946年至20世纪50年代末电子管计算机20世纪50年代末至60年代中期晶体管计算机20世纪60年代中期至70年代中期集成电路计算机20世纪70年代末至今大规模和超大规模集成电路计算机20世纪80年代开始智能计算机2.1.2 计算机系统的类型2.1.3 计算机中的数据表达方式在计算机内部，为了能够对数据进行处理，所有的数字、字符、符号、文字和图像都必须以二进制数的形式表达，即以１和０表示。　　计算机系统中最小的数据操作单元为一位二进制数，称之为一个比特bit在计算机中数据存储的基本单位称为字节byte1byte=8bit十进制数可以转换为二进制数，如：205=1*27+1*26+0*25+0*24+1*23+1*22+0*21+1*20　　美国国家信息交换标准代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），简称ASCII码2.1.4 计算机系统的硬件设备计算机硬件通常是指构成计算机系统的所有物理部件的集合，包括运算器、控制器、主存储器、辅助存储器、输入输出设备、电源等。1、计算机系统的基本结构从原理和基本结构来看，每一个计算机系统在功能上都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成的。运算器和控制器合称为中央处理单元（CPU）系统总线：用于CPU、存储器与各类输入输出设备之间相互交换信息。系统总线：数据信号、地址信号、控制信号2.中央处理单元由运算器和控制器组成。　　运算器又称算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和“与”、“或”、“非”等基本逻辑运算，实现逻辑判断。　　控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，它是计算机系统的神经中枢，它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。计算机硬件的核心Intel:486、586（奔腾）、PII、PIII、赛扬II、赛扬III、赛扬IIII…酷睿2、酷睿i3、酷睿i5、酷睿i7AMD:K6-2、K6-III、K7（毒龙、雷鸟）闪龙、速龙、羿龙、速龙II、羿龙II主频：100MHz、133MHz、266MHz、333MHz、400MHz、1000MHz……、4000MHz3.主存储器存储器主要负责对数据和控制信息的存储，是计算机的记忆单元。存储器分为内存和外存两种。主存储器也称主存（内存），是在计算机运行过程中用来存储数据和程序指令的。内存分成只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两种。辅助存储器也称为外存（硬盘属于外存），用于数据和程序的长久保存。1KB=2^10B≈1000B1个汉字=2字节2.1.5 计算机软件系统1.计算机软件的概念与结构计算机指令的集合称为程序，程序和相应的有关文档构成了计算机软件。软件是微机的灵魂。没有安装软件的微机称为“裸机”，无法完成任何工作。微机软件分成系统软件和应用软件两大类　　系统软件是用来管理计算机中CPU、存储器、通信联接以及各种外部设备等所有系统资源的程序。其主要作用是管理和控制计算机系统的各个部分，使之协调运行，并为各种数据处理提供基础功能。　　应用软件是用来完成用户所要求的数据处理任务或实现用户特定功能的程序。　2.操作系统（1）操作系统的基本功能　　操作系统直接管理、调度和控制计算机的所有硬件资源，使其发挥整体功能。（2）操作系统的类型1）批处理操作系统2）分时操作系统3）实时操作系统4）个人计算机操作系统5）网络操作系统6）分布式操作系统（3）操作系统的功能1）CPU管理2）存储管理3）设备管理4）文件管理5）用户接口管理3.程序设计语言程序设计语言是一组用来定义计算机程序的语法规则。它是一种被标准化的交流工具，用来向计算机发出指令。通常我们将程序设计人员用程序设计语言编写出来的程序称为源程序，将可以直接由计算机执行的程序称为目标程序或可执行程序，编译系统是将源程序翻译成目标程序的特殊程序。Image程序设计语言的主要分类有：（1）机器语言（2）汇编语言（3）高级语言（4）第四代语言（5）面向对象的程序设计语言（6）标记语言4、系统开发工具软件开发工具的范围大致可以描述为：在高级程序设计语言的基础上，为提高软件开发的质量和效率，从规划、分析、设计、测试、成文和管理各方面，对软件开发者提供各种不同程度的帮助的一类广泛的软件。在高级程序设计语言之后，软件技术进一步发展的产物；目的在于在开发软件过程中给予人们各种不同方面、不同程度的支持或帮助；2.1.6 计算机系统的发展趋势1、高性能计算机美国研制高性能计算机的顶尖科学家托玛斯·斯特林提出了千万亿次超高性能计算机的轮廓，认为千万亿次超高性能计算机将采用超导处理器，机内通信也采用超导技术；存储器分几个层次，其中有光全息存储，采用多线程技术。2、量子计算机——新的发展方向顾名思义，量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机。量子计算机结合了21世纪许多杰出的发现和成果，实现量子计算机是二十一世纪科学技术的最重要的目标之一。3、网格计算（GridComputing）技术网格是将分布在不同地理位置的计算资源包括CPU、存储器、数据库等，通过高速的互联网组成充分共享的资源集成，从而提供一种高性能计算、管理及服务的高性能计算资源。4、微计算机的发展CPU高效能、多核化，新标准提升内存性能，存储技术智能化2.2 计算机网络技术基础2.2.1 计算机网络的组成及主要功能1、计算机网络的组成计算机网络是将地理位置不同、并具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和通信线路连接起来，以实现相互通信与资源共享的系统。计算机网络系统由主计算机系统、终端设备、通信设备和通信线路四大部分构成。计算机网络可以划分成资源子网和通信子网两级子网。2、计算机网络的主要功能资源共享均衡负荷及分布处理信息的快速传输与集中处理网络用户的通信与合作综合信息服务2.2.2 数据通信的基本概念1、数据通信过程数据通信系统是计算机网络的重要组成部分，其主要任务是将地理位置不同的计算机或终端设备连接起来，高效率地完成数据传输、信息交换和通信处理的任务。任意两台计算机之间进行数据通信的简化模型，如下图所示。数据通信系统简化模型计算机Ａ通信处理机数据信号数据信号通　信处理机计算机Ｂ转换器转换器通信信道数据信号2、数据通信系统的基本组成数据通信系统的基本组成要素为计算机、通信处理机、数据信号转换器、通信信道（即传输介质）及通信协议。3、数据通信的主要性能指标传输速率：每秒钟能够传输数据代码的位（bit）数，单位为比特/秒带宽：指信道能够传送信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差误码率：二进制码在传输过程中被传错的概率，当所传送的数据序列为无限长时，它近似地等于被传错的二进制码数与所传的二进制总码数的比值。2.2.3 计算机网络的结构与类型1、网络拓扑结构网络中的节点相互连接的方式和形式称为网络拓扑，网络的拓扑结构主要有以下几种：星型结构环型结构总线结构　　总线优点：节点增加和拆缷十分方便，便于网络的调整或扩充，所需线路很少，布线容易，可靠性高，某个节点出故障对整个系统影响小，响应速度快，共享资源能力强；缺点：故障隔离困难，如果线路发生故障，则整个总线断开，不能正常工作。2、类型　从网络的拓扑结构划分，可以分为集中式网络、分散式网络和分布式网络。从网络的使用对象可分为公用网和专用网。　从网络的交换方法划分，可以将计算机网络分为电路交换、报文交换、分组交换和混合交换。从网络覆盖范围的大小，可以分为局域网（LocalAreaNetwork,LAN）、城域网（MetropolitanAreaNetwork,MAN）、广域网（WideAreaNetwork,WAN）和互联网。3、局域网与广域网(1)计算机局域网及其组成计算机局域网（LocalAreaNetwork,LAN），是在小范围内将许多数据通信设备以高速线路互连，进行数据通信的计算机网络。局域网络一般由传输介质、网络适配器、网络服务器、用户工作站和网络软件等组成。(2)计算机广域网及主要技术广域网（WideAreaNetwork,WAN）是能够将地理位置相距较远的多个计算机系统通过通信线路连接起来实现数据通信的计算机网络。广泛应用的广域网络技术有：数字程控交换机分组交换公共数据网综合业务数字网ISDN互联网（INTERNET）2.2.4 网络体系结构与协议在数据交换过程中，应有一套数据交换所必须遵循的规则，按照彼此认可的规则行事，才能顺利进行通信。这些在通信过程中必须遵循的规则就是通信协议或规程（Protocol）。计算机网络系统功能强，规模庞大，为了简化通信功能的设计和实现，通常采用高度结构化的分层设计方法，将复杂的通信功能分解成一组功能明确、相对独立并且易于操作的层次功能，依靠各层次之间的功能组合，完成整个通信功能。分层结构中的每一层都有相应的协议，以指导本层功能的完成。网络的这种分层结构与各层协议的集合就构成了计算机网络的体系结构。1、ISO/OSI参考模型国际标准化组织ISO在70年代后期提出的开放系统互连参考模型OSI（OpenSystemsInterconnection），简称为ISO/OSI参考模型，规定了一个七层的网络通信协议，七层协议的参考模型如图所示:Image2、TCP/IP协议TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）是当今最流行、应用最广泛的事实上的工业标准。在TCP/IP体系结构中，网络模型被分为四层：应用层、传输层、网络层、网络接口层。IP地址：是用来唯一标识互联网计算机的逻辑地址。IPv6TCP协议：传输控制协议UDP协议：用户数据报协议FTP协议：文件传送协议HTTP协议域名系统：域名类似于互联网上的门牌号码，是用于识别和定位互联网上计算机的层次结构式字符标识，与该计算机的互联网协议地址（IP地址）直相对应。TCP/IP互联网中所实现的层次型名字管理机制叫做域名系统（简称DNS），其中每个结构称为域，最后形成的具有层次结构的名字称为域名。例如， 互联网及其应用1、互联网的产生与发展互联网（Internet），又译为因特网，是由美国国防部于1969年建立的高级研究项目部门网——ARPANET网发展而来的。到九十年代初，网络规模急剧膨胀，已超出了NSF（美国国家科学基金委员会NatioanlScienceFoundation）的管理与控制能力，网络进入了自我发展状态，形成了现在的互联网。　　在信息技术发展的推动和应用需求的牵引下，互联网也在发生着巨大变化，主要体现在：1)网络速度将逐渐提高2)覆盖范围不断扩大，并渗透到社会生活的各个方面3)更多的通信方式，包括有线和无线等4)管理和技术不断发展并且进一步规范化5)网络资源急剧膨胀2、互联网的主要技术(1)超文本链接：超链接以非线性的方式将信息呈现给用户。(2)统一资源定位器(URL)：使用数字和字母来代表网页文件在网上的唯一地址，从而帮助用户在互联网的信息海洋中查找到所需要的资料。(3)浏览器与WEB服务器WEB浏览器最基本的功能是解释HTML文档，并把它们以正确的格式显示在用户的计算机上。WEB服务器软件在主机上安装和运行，负责响应浏览器的请求，在指定位置查找所需的信息或资源，并将该信息或资源发送给WEB浏览器。(4)超文本标记语言（HTML）与可扩展标记语言（XML）HTML是一个简