信息技术导论课件复习资料.doc

信息技术导论第一章 信息、信息科学与信息技术香农（信息论创始人）认为：信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。香农提出：信息的传播过程是“信源”（信息的发送者）把要提供的信息经过“信道”传递给“信宿”（信息的接收者），信宿接收这些经过“译码”（即解释符号）的信息符号的过程。 信源编码 信道译码信宿设X为一离散随机变量，在集合中取值，其概率分布为在公式中，对数的底数从理论上而言可以取任何数。当底数为2时，信息的计量单位为比特（bit），即二进制单位。信息熵是从整个信息源的统计特性来考虑的，它从平均的意义上来表示信息源的总体信息测度，它表示信息源 X 在没有发出消息以前，信宿对信息源 X 存在着平均不确定性。香农的信息度量公式排除了对信息主观上的含意。根据上述公式，同样一个消息对任何一个收信者来说，所得到的信息量都是一样的。小结熵就是描写不肯定性大小的量 熵越大不确定性就越大香农信息论的局限性首先，香农对信息的定义的出发点是假定事物状态可以用一个以经典集合论为基础的概率模型来描述。然而实际存在的某些事物运动状态要寻找一个合适的概率模型往往是非常困难的。对某些情况来讲，是否存在这样一个模型还值得探讨。其次，这个定义和度量不考虑收信者的主观特性和主观意义，也撇开了信息的具体含义、具体用途、重要程度和引起后果等因素。这与实际情况不完全一致。u 问题分析香农信息论存在的问题，主要是由于狭义信息论没有解决信息的语义问题和有效性问题。 语义信息是指当认知主体在获得信息时，不仅要知道“是什么形式”，而且还要理解“是什么意思”。也就是说，信息的具体含义是什么。香农定义并没有解决语义信息的度量问题。这样，它的适用范围就受到严重的限制。 u 广义信息论：广义信息论超出了通讯技术的范围来研究信息问题，它以各种系统、各门科学中的信息为对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的取得、计量、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。 广义信息论，包括了狭义信息论的内容，但其研究范围却比通讯领域广泛得多，是狭义信息论在各个领域的应用和推广，因此，它的规律也更一般化，适用于各个领域，所以它是一门横向学科。 广义信息论，人们也称它为信息科学。l 数据、消息、信号与信息的区别1，数据：是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。 数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系 。从这个意义上，信息和数据的区别可以理解为：数据是未加工的信息，而信息是数据经过加工以后的能为某个目的使用的数据，信息是数据的内容或诠释。将数据加工为信息的过程称为信息加工或处理。 数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是在某个区间内连续的值。2，消息：信息是包含在消息中的抽象量，消息是具体的，其中蕴含着信息。 按照香农理论，在通信过程中，信息总是经过编码(符号化)成为消息以后，才能经由媒介传播的，而信息的接收者收到消息后，总是要经过译码(解读)才获取其中的信息的。3， 信号：把消息变换成适合信道传输的物理量，这种物理量称为信号。信号携带着消息，它是消息的运载工具。信号是数据的电磁或光脉冲编码。 信号可以分为模拟信号和数字信号。 模拟信号是一种随时间而连续变化的信号。 数字信号则是在时间上的一种离散信号。l 信息的特点u 信息的不灭性。信息产生后，其载体可以变换，如一本书、一张光盘，但信息本身并没有被消灭。 u 信息的复制性。信息可以廉价复制，可以广泛传播。 u 信息的时效性。某些信息的价值具有很强烈的时效性。如金融信息，战时信息。 信息的基本作用1， 人类认识世界及其发展规律的基础 2， 客观世界与人类社会发展进程中不可缺少的资源要素（物质、能源与信息是客观世界的三大要素） 3，科学技术转化为生产力的桥梁与工具 4， 管理和决策的主要参考依据 5， 经济建设和发展的保证（信息可以创造财富） 6， 1.2 信息科学7， “科学”的定义科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论。 科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事求是，而不是脱离现实的纯思维的空想。 规律，是指客观事物之间内在的本质的必然联系。 因此，科学是建立在实践基础上，经过实践检验和严密逻辑论证的，关于客观世界各种事物的本质及运动规律的知识体系。科学产生技术，技术推动科学二者相互促进，密切相关u 科学、技术与工程的界定“科学”是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系, 是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。科学理论内容必须符合客观实际，要逻辑严谨，没有矛盾，能够指导实践。它由已知的观测和实验事实总结而来，又必须具有预测的能力，能够在其适用的范围内预测可能发生的新现象，并通过科学实验验证其预测。预测与验证是确立一个新理论和其适用范围时必须采用的方法。 “技术” ：技术是在科学的指导下，通过总结实践的经验而得到，在生产过程和其他实践过程中广泛应用的，从设计、装备、方法、规范到管理等各方面的系统知识。 在生产实践活动中，人类对技术，也就是“怎么做?”不断积累了经验。几千年前，在农业、医疗、建筑、陶瓷、金属冶炼等方面就已经发展了高度的技能。 技术直接指导生产、服务生产，是现实的生产力，也是一种商品。简言之，一切能够在市场上有竞争力，获得市场承认，推动市场发展的知识都可以称为技术。 “工程” ：工程是人类有组织地综合运用多门科学技术进行的大规模改造世界的活动，它除了要考虑技术的先进性和可行性，还要考虑成本和质量，做到经济、实用、美观，要考虑对环境的影响，以避免污染。它的成功有赖于多种科学技术的综合集成和科学的管理。 信息科学：信息和控制是信息科学的基础和核心。 1， 定义1： 信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理、显示、识别和利用的科学，是一门结合了数学、物理、天文、生物和人文等基础学科的新兴与综合性学科”。2，定义2： 以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。u 信息科学的研究内容与体系，可将信息科学研究的基本内容归纳为五个方面： 1， 探讨信息的基本概念和本质。2， 研究信息的数值度量方法。3， 阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再 生、表示、施效(控制)等过程的一般规律。4， 揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理5， 寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。信息科学的基本科学体系，从信息科学研究内容分为三个层次： u 信息科学的哲学层次，其中包括信息的哲学本质、智能的哲学本质、信息与反映的关系、信息与认识的关系、人工智能与人类智能的关系等等。u 信息科学的基础理论层次，它的主要任务是研究信息的一般理论。u 信息科学的技术应用层次，主要研究如何应用信息科学理论在技术上拓展人类的信息功能（特别是其中的智力功能）的问题。信息技术：信息技术的定义(人们对信息技术的定义，因其使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述）： 定义1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。定义2：现代信息技术“以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征”。 定义3：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、存储、变换、显示和传输文字、数值、图像以及声音信息，包括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。定义4：信息技术指“应用在信息加工和处理中的科学，技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方法和技巧的应用；计算机及其与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。”定义5：信息技术包括信息传递过程中的各个方面，即信息的产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等技术。定义6：从技术的本质意义上讲，信息技术就是能够扩展人的信息器官功能的一类技术。扩展人类的信息器官功能的信息技术u 人的信息器官主要包括以下四类 感觉器官，包括视觉器官、听觉器官、嗅觉器官、味觉器官、触觉器官和平衡感觉器官等； 传导神经网络；它又可以分为导入神经网络利导出神经网络等； 思维器官，包括记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等； 效应器官，包括操作器官(手)、行走器官(脚)和语言器官(口)等。u 信息技术的“四基元”，根据上面给出的信息技术的定义和相应的分析，我们可以明确信息技术的四项基本内容，这就是“信息技术四基元”，即： (1) 感测技术感觉器官功能的延长。 (2) 通信技术传导神经网络功能的延长。 (3) 计算机和智能技术思维器官功能的延长。 (4) 控制技术效应器官功能的延长。由信息技术的定义6可以引出两个比较具体的定义，即： 信息技术是指能够完成信息的获取、传递、加工、再生和施用等功能的类技术； 信息技术是指感测、通信、计算机和智能以及控制等技术的整体。信息技术的发展u 迄今为止，人类社会发生过四次信息技术革命 第一次革命是人类创造了语言和文字，接着现出了文献。 第二次革命是造纸和印刷术的出现。 第三次革命是电报、电话、电视及其他通讯技术的发明和应用。 第四次革命是电子计算机和现代通讯技术在信息工作中的应用。u 信息技术的核心及支撑技术，信息技术的核心技术就是它的“四基元”：计算机与智能技术、通信技术、感测技术及控制技术。计算机与智能技术 .通信技术：现代通信技术主要包括数字通信、卫星通信、微波通信、光纤通信等。传感技术控制技术：智能控制技术当前主要包括以下几个方面：模糊控制技术 。专家控制技术。机器学习技术 信息技术主要支撑技术-微电子技术 信息技术的发展必须具备两个基本的条件： 一是快速，即短时间里可收集或传输大量信息； 二是体积小，携带起来方便，在任何场合都能使用。 1.4 信息科学（技术）与相关学科的关系u 计算科学 计算科学（或计算机科学）是对描述和变换信息的算法过程,包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统的研究。 系统科学 u 信息哲学：信息与哲学的联姻u 认知科学与认知心理学u 第二章 计算与计算科学u 2.1 计算的本质 计算就是符号串的变换。从一个已知的符号串开始，按照一定的规则，一步一步地改变符号串，经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串，这种变换过程就是计算。 算法是求解某类问题的通用法则或方法，即符号串变换的规则。 u 如果我们把一切都看作是信息，那么更精确的讲，计算就是对信息的变换！ u 图灵机是一种抽象计算模型（如图），1用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。u 图灵最大的贡献：把算法这样一个基本的、深刻的概念用他的图灵机模型讲清楚了。 u 人们称图灵为：计算机理论之父。正是因为图灵奠定的理论基础，人们才有可能发明20世纪以来甚至是人类有史以来最伟大的发明：计算机。 u 计算学科的定义：计算学科是对描述和变换信息的算法过程进行的系统研究，包括理论、分析、设计、实现和应用等。 计算学科包括对计算过程的分析以及计算机的设计和使用。u 什么是人工智能人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作，也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟 人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。 u 有趣的图灵测验 图灵提出一个假想：一个人在不知情的条件下，通过一种特殊的方式，和一台机器进行问答，如果在相当长时间内，他分辨不出与他交流的对象是人还是机器，那么，这台机器就可以认为是能思维的。这就是“图灵测试”（Turing Test）u 计算机学科逐渐形成了在“计算机科学与技术”一个专业之下分为计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术等四个专业方向的新格局。 计算机科学(Computer Science-CS) 计算机工程(Computer Engineering-CE) 软件工程(Software Engineering-SE) 信息技术(Information Technology-IT) 计算机科学（Computer Science ，简称CS） 信息系统（Information System，简称IS） 软件工程（Software Engineering，简称SE） 计算机工程（Computer Engineering，简称CE） 信息技术（Information Technology ，简称IT） u 计算机科学学科与知识领域u 计算机科学(CS)学科涉及很宽的范围，包括了计算的理论、算法和实现，以及机器人技术、计算机视觉、智能系统、生物信息学和其他新兴的有前途的领域。u 计算机科学是计算各学科的基础，计算机科学专业培养的学生，更关注计算的理论基础和算法，并能从事软件开发及其相关的理论研究。u CS知识领域01. 离散结构(Discrete Structures) 02. 程序设计基础(Programming Fundamentals) 03. 算法和复杂性(Algorithms & Complexity) 04. 程序设计语言(Programming Languages) 05. 计算机结构与组织 (Computer Architecture & Organization) 06. 操作系统(Operating Systems) 07. 人-机交互(Human-Computer Interaction) 08. 图形学与可视计算 (Graphics & Visual Computing) 09. 智能系统(Intelligent Systems) 10. 信息管理(Information Management) 11. 网络计算(Network Computing) 12. 软件工程(Software Engineering) 13. 数值计算科学(Computational Science) 14.社会和职业问题 (Social & Professional Issues) u 计算机工程学科与知识领域，计算机工程(CE)学科是对现代计算系统和由计算机控制的有关设备上的软件与硬件的设计、构造、实施和维护进行研究的学科。 u 计算机工程的基础包含计算、数学、科学及工程的理论与原理，并运用这些理论与原理，解决在硬件、软件、网络的设计以及其他过程中的技术问题。u 计算机工程专业培养的学生，更关注设计并实施集软件和硬件设备为一体的系统，如嵌入式系统。 CE知识领域01.计算机体系结构和组织02.计算机系统工程03.电路和信号04.数据库系统05.数字逻辑06.数字信号处理07.电子学08.嵌入式系统09.算法和复杂性 10.人机交互11.计算机网络12.操作系统13.程序设计基础14.社会和职业问题15.软件工程16.VLSI设计与构造17.离散结构SE知识领域01. 计算的本质02. 数学与工程基础03. 职业训练04. 软件建模与分析05. 软件设计06. 软件验证07. 软件进化08. 软件过程09. 软件质量10. 软件管理11. 系统与应用专题u 信息技术学科的知识领域，信息系统（IS）学科，是指如何将信息技术的方法与企业生产和商业流通结合起来，以满足这些行业需求的学科。 信息技术（IT）学科，广义上，它包括了所有计算技术的各个方面，在此专指作为一门学科的信息技术。它侧重在一定组织及社会环境下，通过选择、创造、应用、集成和管理的计算技术来满足用户的需求。 u 信息技术更关注于“信息技术”的“技术”层面，而信息系统则侧重于“信息技术”的“信息”层面。IT知识领域：01.信息技术基础02.人机交互03.程序设计基础04.信息保障与安全05.信息管理06.集成程序设计技术07.计算机网络08.平台技术09.系统管理与维护10.系统集成和体系结构11.信息技术与社会环境12.系统和技术 第三章 信息处理机器：计算机系统技术3.1从历史走向未来计算机的发展史现代计算机的“史前”时代（-1946）PASCAL的机械计算机，1642-1643年，PASCAL发明了一个用齿轮运作的加法器。（最多可以把8位长的数字加起来） 1674年，德国数学家莱布尼茨改进了PASCAL 计算机，提出了“二进制”数的概念。莱布尼茨 (1646-1716) Inventor of Binary Arithmetics and Calculus 冯.诺依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理。 冯.诺依曼结构由五大部分组成： 存储器 运算器 控制器 输入设备 输出设备。 今天，人们把具有这样一种工作原理和基本结构的计算机统称为“冯诺依曼型计算机”。第一台现代电子数字计算机的诞生1946年2月5日，世界上第一台真正的现代电子数字计算机“ENIAC” （Electronic Numerical Integrator And Computer） 冯诺依曼-电子计算机之父，是因为冯诺依曼提出了现代计算机的体系结构。 冯诺依曼起草了 一份新的设计报告，对电子计算机进行了脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写是“EDVAC” (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 著名的“101页报告”1945年6月，冯 诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，直到今天，仍然被认为是现代计算机科学发展里程碑式的文献。 明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系 还有两个非常重大的改进，即： （1）采用了二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制； （2）建立了存储程序，指令和数据可一起放在存储器里，并作同样处理简化了计算机的结构，大大提高了计算机的速度计算机组成结构（两种说法）： 五部分：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 三部分： CPU（运算器、控制器）、 存储器（内部存储器和外部存储器 ）、 I/O设备（输入设备、输出设备）现代计算机发展的四个阶段：采用电子管计算机的第一代计算机（19461957）；采用晶体管的第二代电子计算机（19581964）；采用集成电路的第三代计算机（19651970） ；使用超大规模集成电路的第四代计算机（1970年-至今）摩尔定律u 摩尔定律是指集成电路IC上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。 u 摩尔定律是由英特尔(Intel)公司创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。 到底什么是“摩尔定律”？归纳起来，主要有以下三种“版本”：1，集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。2，微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。3，用一个美元所能买到的计算机的性能，每隔18个月翻两番。 摩尔定律的演化摩尔第二定律：摩尔定律提出30年来，集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。1995年，Intel董事会主席罗伯特诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年，摩尔在经济学家杂志上撰文写道：“现在令我感到最为担心的是成本的增加，这是另一条指数曲线”。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。 新摩尔定律：近年来，国内IT专业媒体上又出现了新摩尔定律 的提法，则指的是我国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度，大约每半年就翻一番！而且专家们预言，这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素： “一是技术，二是经济” 美国一家名叫CyberCash公司的总裁兼CEO丹林启说，“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”。持类似观点的人也认为，摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。世界上第一台个人计算机：1984年1月24日:发布AppleMacintosh计算机。使用Macintosh图形用户界面。 3.2 微型计算机系统与微处理器计算机系统硬件与软件硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。 软件系统则是指管理计算机软件系统和硬件系统资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，广义地说，软件系统还包括电子的和非电子的有关说明资料，说明书、用户指南、操作手册等。随着微处理器设计、制造技术的不断提高和更新换代，推动了微机系统的迅猛发展。目前，微机的性能在某些方面已经达到甚至超过了小型机,并且普遍采用双核处理器。3.3 计算机存储系统及工作原理半导体存储器及其存储单元寻址 从存取功能上可以分为两大类。 只读存储器(ROM，即Read Only Memory)随机存储器(RAM，即Random Access Memory) RAM控制器负责向RAM芯片输出行地址还是列地址，行与列地址的信息由RAS（Row Address Select）或CAS(Column Address Select)信号确定。 如果需要将数据“写”到RAM中，则处理器会发出一个“写”信号到CPU中，通过系统总线，到达RAM单元。这些RAM单元然后就按行或列地址将这些信息数据存储到指点定的栅格中。 当CPU需要读取RAM中的数据，则会向RAM发出请求信号，这些信号中包含地址信息，以确定数据在那些栅格中的位置。只读存储器-ROM ：ROM可分为掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等几种不同类型。 掩模ROM是采用掩模工艺制作而成，在出厂时内部存储的数据就已经“固化”在里边了，所以数据不允许用户修改。 PROM 指的是“可编程只读存储器” 这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”EPROM 指的是“可擦写可编程只读存储器” 。 它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。 EEPROM 指的是“电可擦除可编程只读存储器”，它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。 Flash memory 指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点。随机存储器-RAM RAM又分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两大类静态随机存储器的工作原理计算机系统工作时，将运行时要经常存取的一些数据从系统内存读取到Cache中，而CPU会首先到Cache中去读取数据（或写入数据），如果Cache中没有所需数据（或Cache已满，无法再写入），则再对系统内存进行读写，另外Cache在空闲时也会与内存交换数据， 动态存储器的工作原理 动态随机存储器DRAM需要定时充电，即通常所说的刷新，来保持数据的完整性，通常用来组成大容量的内存储器。非易失性存储器非易失性存储器，那就是指那些断电后数据仍然能保留的半导体存储器。对这类存储器，业界统称为非易失性随机硬盘存储系统：硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上。磁盘阵列：磁盘阵列是将若干个硬磁盘机按一定的要求组成一个快速、超大容量的存储系统，数据是分配存储在各个硬磁盘机上。 光盘存储系统光存储介质的概念：对光存储介质最基本的要求,就是存储单元的某种性质可以用某种方法改变以代表被存储的数据,同时这种性质可用光的方法检测出来。 当前几乎所有的光存储器都检测反射光而不是透射光。最常用的方法是存储单元的光反射率代表存储的信号(1或0)。 多次可写光盘存储器：这种光盘允许用户一次或多次写入数据，并可随时往盘上追加数据，直到盘满为止。信息写入后则变成只读状态，不可再作修改，主要用于重要数据的长期保存。3.4 计算机输入/输出设备输入设备 键盘 、鼠标 、扫描仪、触摸屏、手写输入设备、数码相机、数字摄像机 输出设备 显示器、打印机、绘图仪等3.5 微型计算机的总线及接口标准计算机总线 总线（BUS）是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分用于连接CPU、主存和I/O控制器的总线称为外部设备总线或外部总线，简称为总线。常见的总线有： 片内总线 在集成电路芯片内部，用来连结各功能单元的信息通路，例如CPU 芯片中的内部总线，它是连接算逻单元ALU 及各种通用、专用寄存器之间的信息通路。 局部总线 在印刷电路板上实现各芯片之间连接的公共通路，例如CPU 及其支持芯片与所在电路板的局部资源之间的通道。这些资源包括在板资源及插在板上局部总线扩展槽上的功能扩展板上的资源等 系统总线 又称为内总线，是指模块式微型计算机机箱内的底板总线，用来连接构成微型机的各插件板，它可以是多处理器系统中各CPU 板之间的通信通道，也可以是用来扩展某块CPU 板的局部资源，或为总线上所有CPU 板扩展共享资源之间的通信通道。 通信总线 又称为外总线，用于微机系统与系统之间，微机系统与外部设备如打印机、盘驱动设备或微机系统与智能仪器、仪表之间的通信通道，总线数据传输方式可以是并行(如打印机)或串行，如IEEE488，SCSI，RS232C 等。ISA 是工业标准体系结构(Industrial Standard Architecture)的缩写 SCSI 总线：目前微机中普遍使用的SCSI 总线也引起人们的重视。SCSI 是Small compute system interface，即小型计算机系统接口的缩写。它用于计算机与磁带机、软磁盘机、硬磁盘机、CD-ROM、可重写光盘、扫描仪、通信设备和打印机等外围设备的连接。 数据的传输方式基本分为两种， 一种是用一条线（或一对线）用来传送数据，这种叫串行传输接口。计算机行业中最早出现的串行接口标准是RS232标准。 如果用几条线来同时传输数据，这就叫做并行接口。 除了传统接口形式外，随着计算机技术的发展，现在又出现了许多新的接口标准。如SCSI，USB等。 USB( Universal Serial Bus)是一种通用串行总线接口。 第四章计算机软件系统不装任何软件的计算机称为硬件计算机或“裸机”u 4.1 软件的性质及发展史u 定义： 计算机软件是在计算机上运行的各种程序、要处理的各类数据以及有关文档的总称。 u 这里提到的程序是按照事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发维护和使用有关的各种图文资料。文档是软件“质”部分，程序则是文档代码化的表现形式。软件的性质1. 表现形式不同 ：硬件是有形产品。 软件具有抽象性。软件记录在纸上、内存、磁盘、光盘等物理存储介质上，但无法看到软件本身的形态，只能通过运行、使用、观察和判断，才能了解其功能、性能等。 2. 生产方式不同 ：软件是复杂度最高的工业产品之一。 软件涉及各行各业，软件开发涉及其他领域知识，对软件工程师要求高 ，软件开发技术进步，但仍然依赖手工作坊式开发方法，效率很低，可复制 3. 维护方式不同 硬件容易磨损和老化。 软件需要随硬件、环境、需求的变化修改，有可能导入更多错误、使软件失效甚至退化，在修改成本过高时，软件可能被抛弃 4. 软件的复杂性和规模不断增加 软件成本非常高，软件开发需要投入大量、高强度脑力劳动，成本、风险都很大。 计算机软件代码长度膨胀。比如微软windows 4000多万行代码。 u 50年代前后，程序员主要使用机器语言编程-称为软件设计的“石器时代”。为便于阅读，后来将机器代码以英文字符串来表示，出现了汇编语言。 u 1956年，FORTRAN语言（主要用于：科学和工程计算）标志着高级语言时代的到来。 u 60年代-70年代，结构化软件技术（以Pascal/COBOL/C/SQL关系数据库为标志）-设计思想：采用模块分解与功能抽象和自顶向下、分而治之的方法，有效地将一个复杂的程序系统设计任务分解成许多易于控制和处理的子程序，便于开发和维护。 u 20世纪60年代，曾出现严重软件危机。 u 为提高软件质量，伴随着结构化软件技术而出现的软件工程方法，使软件工作的范围从只考虑程序的编写到考虑从定义、编码、测试到使用、维护等整个软件生命周期。 u 软件不仅包括程序，还包括分析、设计、实现、维护和所有文档，使编程工作只占软件开发工作量的20-30%。 软件技术发展的中期（20世纪80年代） u 图形技术有了迅速发展（图形用户界面GUI，从Apple公司Lisa、Macintosh到Microsoft公司Windows，1985、1987、1990、1995、1998、2000，到UNIX/Linux系统的X Windows） u 面向对象技术（SmalltalkC+)的出现与发展。 - 现实世界中的事物抽象到问题空间，称为“对象”。对象被定义为“对一组信息和在其上的操作”，其中信息就是数据，它反映的对象的属性状态，操作则是对对象的处理。引入了类、对象、继承、封装、重用等概念，对象与对象之间的相互作用是通过消息来实现的。 - 随着分析和建模技术的发展，面向对象技术形成了OOAOODOOP,形成了完整的软件 开发方法学。 网络计算时代的开始 (20世纪90年代至今) u 1993年，美国纽约人杂志上的漫画：说明网络社会是一个虚拟的空间，同时也表明我们正处于网络计算的时代。 u Internet的普及，提供了一个基本的网络计算结构，即计算模式从集中式的主机环境转变为分布式的C/S（客户/服务器）环境。 u WWW的普及，软件架构从C/S模式向B/S（浏览器/服务器）模转变。用户使用浏览器软件就可以访问文本、图像、声音等信息，用户端无需专用软件，减轻了系统维护和升级的成本和工作量。 u 信息搜索引擎，彻底改变了人们获取信息的方式。 u 统一的软件开发方法UDP（United Software Development Process),以用例（Use Case)作为系统需求的核心表示，并驱动整个开发过程的完成，从而保证最终得到的系统正是用户所需产品。 u UML - Unified Modeling Language u 1997年，OMG组织（Object Management Group）发布了统一建模语言UML。UML的目标之一就是为开发团队提供标准通用的设计语言来开发和构建计算机应用。UML提出了一套统一的标准建模符号。通过使用UML，IT专业人员能够阅读和交流系统架构和设计规划-就像建筑工人使用的建筑设计图一样。 u UML成为“标准”建模语言的原因之一在于，它与程序设计语言无关 软件之变-21世纪的软件技术u “随需应变”的面向构件的软件开发。-打破了原有软件基于代码层开发的固有模式，采用“搭积木”方式生成软件的构件技术可以实现软件复用、快速实现像硬件那样的任意装配定制，以满足各种业务需求。 u 以Internet/Intranet技术为主的网络软件，以及数据挖掘、人工智能、网格计算、云计算，中间件技术、面向构件技术、面向对象的数据库等软件新技术层出不穷。软件工具不断出现和完善、软件过程正在逐步成熟。 u 内容处理成为瓶颈、语义处理成为需要突破的关键技术。语义研究的目标是在整个网络上实现将程序视同为数据。目前的浏览器已能做到不区分本地和远程的数据，将来可能实现的基于语义的操作系统应做到不区分本地和远程的程序，即广义冯.诺依曼机。（冯.诺依曼结构最大的贡献是提出了单机上把程序视为数据的存储式计算机模型） u 随需应变 软件构件技术u 计算机软件系统是一个分层的软件结构，包括系统软件层、支持软件层和应用软件层，其最底层是计算机硬件 1.系统软件 2.支持软件 3.应用软件 4，硬件层4.2 操作系统 定义：操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。 任务：是管理好计算机的全部软硬件资源，提高计算机的利用率；担任用户与计算机之间的接口，使用户通过操作系统提供的命令或菜单方便地使用计算机。 u 操作系统的功能u 从资源管理的角度来看，操作系统的功能主要分为： 处理机管理 存储管理 I/O设备管理 文件系统 用户接口 OS引导过程与原理 STEP 1: 上电 上电是指按下计算机的电源按钮让计算机开始加电运行。这个过程与计算机的硬件电路关系非常密切，因为计算机加电的第一个状态是由硬件电路决定的，加电后第 一个状态主要由计算机处理器(CPU)生产商决定，对于x86系列的CPU，一加电就将指令寄存器设置为：0ffff:0000，表示CPU开始从 0ffff:0000这个内存中取出一条指令执行，通常在0ffff:0000处是一条地址转跳指令，转向BIOS的入口。由于BIOS是固化在内存中的，所以，一加电后，CPU可以直接读取BIOS中的指令。 u STEP 2:自检 进入BIOS后，BIOS的主要功能包括以下两项：第一项功能是进行计算机自检，第二项功能是加载引导扇区。 BIOS进行自检的工作主要是检查计算机是否出现异常，是否可以继续运行下去，这一部分与引导过程本身关系不大，它只是引导过程中的一个步骤， BIOS中与引导关系密切的是上面提到的BIOS的第二 项功能，即加载引导扇区，这一项工作的主要内容是把磁盘的引导扇区的内容加载到内存中来，并且转跳到引导程序的第一条指令 u STPE3: 加载引导扇区(Boot Loader) 硬盘与软盘都有引导扇区，引导扇区就是软盘或硬盘的第一个逻辑扇区，即软盘或硬盘的第0个磁头第0个磁道第1个扇区。软盘的结构比硬盘简单，在软盘上，一 般只有一个分区，也就是可以装载一个操作系统，所以在软盘的第一个逻辑扇区就可以把操作系统加载到内存中，而硬盘则不同，由于硬盘的总容量比较大，所以硬 盘被分为几个分区，理论上讲每个分区都可以安装一个操作系统，所以在每个分区上都有一个用于加载本分区的引导扇区，因此硬盘的引导扇区比软盘复杂，它不是 立即加载操作系统而是加载分区上的引导扇区，然后由分区上的引导扇区加载本分区上的操作系统。u STEP4: 加载操作系统(OS Loader) 对于软盘来讲，引导扇区中的引导程序就是用于加载操作系统。所谓加载操作系统，也就是把操作系统从磁盘拷贝到内存。因此引导程序首先必须知道操作系统在磁 盘的位置，由于此时还没有文件系统，这时引导程序必须通过绝对位置来访问，也就是操作系统在磁盘的开始扇区和结束扇区。操作系统在磁盘的位置与操作系统的 安装程序有关，操作系统的安装程序把操作系统从安装盘拷贝到计算机的磁盘上。引导程序把操作系统从磁盘拷贝到内存。 u STEP5: 运行操作系统引导程序把操作系统拷贝到内存后所要做的第一件事就是转跳到操作系统的第一条指令，这样，操作系统就开始运行了。 u 4.2.2 处理机（CPU）管理u 中断处理 处理器管理的第一项工作是处理中断事件。中断，是指CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应，即CPU暂停正在执行的程序，保留现场（CPU当前的状态）后自动转去执行相应的处理程序，处理完该事件后再返回断点，继续执行被“打断”的程序 引起中断的事件称为中断源 中断源向CPU提出进行处理的请求称为中断请求 发生中断时，被中断的暂停点称为断点 u 处理器调度u 处理器管理的第二项工作是处理器调度。在单用户单任务情况下，处理器管理十分简单；在多道程序或多用户情况下，组织多个作业或任务执行时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。近年来设计出各种多处理器系统，处理器调度更加复杂。 u 为了实现处理器调度的功能，操作系统引入了进程的概念，处理器的分配与执行都以进程为单位；随着并行处理技术的发展，操作系统又引入了线程的概念。 u 对处理器的调度最终归结为对进程和线程的管理。u 进程进程的状态运行态（Running）：进程占有CPU，并在CPU上运行就绪态（Ready）：一个进程已经具备运行条件，但由于无CPU暂时不能运行的状态（当调度给其CPU时，立即可以运行）等待态（Blocked）：阻塞态、挂起态、封锁态、冻结态、睡眠态指进程因等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态。即使CPU空闲，该进程也不可运行u 进程进程的状态及其转换进程状态转换：对用户是透明的。 在进程运行过程中，由于进程自身进展情况及外界环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相互转换： 就绪运行：进程被调度程序选中 运行就绪：时间片用完 运行等待：等待某事件发生 等待就绪：等待的事件已发生u 进程进程控制块PCB 定义(PCB: Process Control Block)系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知进程存在的唯一标志进程与PCB是一一对应的 进程=程序+数据+进程控制块程序：描述进程要实现的功能数据：程序操作的对象进程控制块：进程的“灵魂”，保存所有进程的地址信息，可以找到所有进程存储器是计算机系统的重要资源之一。存储管理是指存储器资源（主要指内存和外存）的管理。 存储管理主要功能如下： 存储分配。根据用户程序需要给它分配存储器资源 存储共享。让内存中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率。 存储保护。把不同用户程序相互隔离起来互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护用户程序存放在存储器中的信息不被破坏。 存储扩充。物理内存容量有限，难以满足用户程序的需求，存储管理从逻辑上来扩充内存储器，为用户提供一个比内存实际容量大得多的使用空间。u 虚拟存储器是操作系统提供的一个假象的特大存储器。它不是物理上扩大内存空间，而是逻辑上扩充了内存容量，用户可以使用比实际物理内容大得多的虚拟存储容量。 u 4.2.4 设备管理 u 4.2.5 文件管理uu 文件是在逻辑上具有完整意义的并赋有名称的信息集合体。 u 文件系统，就是操作系统中负责操纵和管理文件的一整套设施，它实现文件的建立、读写、修改、共享和保护等操作，还负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。 u 操作系统的主要特性u 1. 并发性 并发性（Concurrence）是指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。 u 2. 共享性 共享指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的进程所使用。 u 3. 异步性 在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，由于资源有限而进程众多，多数情况，进程的执行不是一贯到底，而是“走走停停” u 第四章计算机软件系统u 操作系统的分类u 1. 单用户操作系统2. 批处理操作系统3. 分时操作系统4. 实时操作系统5. 网络操作系统6. 分布式操作系统7. 个人计算机操作系统 8. 嵌入式操作系统 9. 并行操作系统u WebOS(Web-based Operating System) 是一种基于浏览器的虚拟的操作系统u 用户通过浏览器在WebOS上访问基于Web的在线应用（Web Application）常见的应用程序包括：1，浏览器2，简单文档编辑3，媒体播放4，实现技术 多采用Ajax或Flash技术构造, B/S结构 所有用户数据存放在Server端，用户在Server端有个人数据空间 运行在WebOS上的应用程序多需要重新定制u 4.3 应用软件1.科学和工程计算软件，如MATLAB ；2.字表处理软件，如Word, Excel ；3.图形图像处理软件，如Photoshop 4.网络应用软件，如Internet Explorer ；5.应用数据库软件，如Oracle, MySQL 4.4 程序设计语言与语言处理程序u 程序设计语言是软件系统的重要组成部分，程序语言的进化史可分为机器语言、汇编语言、高级语言三个阶段。u 机器语言: 由二进制代码组成、面向机器的指令序列u 汇编语言 ：符号化了的机器语言。u 高级程序设计语言：接近于自然语言、易于理解、面向问题。u FORTRAN语言,1956年，第一个被广泛使用。 u BASIC语言，1964年，较早出现且至今仍有较大影响。 u COBOL语言，1960年，面向行业的管理软件开发。 u Pascal语言，1970年正式发布，第一个系统地体现结构化程序设计思想的语言。 u C语言，1972年，UNIX系统语言工具，至今广泛使用。 u 语言处理程序是将用程序设计语言编写的源程序转换成机器语言的形式，使计算机能够运行它。 u 编译程序用来完成这种转换，并进行语法、语义等方面的检查，编译程序统称为语言处理程序，分为： u 1. 汇编