计算机软件技术的基础知识(ppt 97页).ppt

第三章医院信息系统的技术基础 第一节软件技术基础第二节数据库技术基础第三节计算机与网络技术基础 3 1软件技术基础 本节内容 基础知识 数据结构基础 操作系统 编译基础 计算机软件的概念计算机软件就是计算机程序再加上该程序所需的各种文档 软件和程序是不同的概念 程序是使计算机实现所预期的目的而编写的一系列的计算机语言 或命令 的集合 文档是描写程序操作及使用的有关资料 软件作为一种特殊产品 计算机程序和文档是缺一不可的 因此 软件是计算机程序加上该程序所需的各种文档 从广义上讲 软件应包括程序 相应的数据以及有关的知识和文档三部分 数据是指程序能正常加工信息的原料 程序是软件的主体 是可执行部分 由算法和语言组成 基础知识 计算机软件的种类按照不同的原则和标准 可将计算机软件划归不同的种类 一般从应用的角度出发 将软件划分为系统软件和应用软件两大类 1 系统软件系统软件是指对整个计算机系统进行管理 调度 监控 维护的软件 即为其他程序服务的程序的集合 主要包括以下几种 操作系统 语言处理程序 服务程序 数据库管理系统 网络通讯管理程序 2 应用软件应用软件是直接服务于用户的程序系统 它一般包括两类 实用程序 是指为用户特定需要而开发的程序 如订票系统 图书情报检索系统 工作管理系统 辅助教学系统等等 工具软件 是为了用户使用方便而提供的软件工具 如文字表格处理软件EXCEL 字处理软件WORD 电子演示文稿软件POWERPOINT 计算机辅助制图软件AUTOCAD等等 计算机软件技术发展过程 计算机软件技术是随着计算机硬件发展而发展的 计算机产生的早期 人们主要进行计算机硬件的研制 此时编制的软件作为硬件的附属品存在 软件的效率与功能均受到限制 随着硬件技术的发展 对软件技术提出了更高的要求 要使硬件发挥其效率和功能 必须配备完善的软件系统 软件技术作为独立的分支得到迅速和充分的发展 硬件与软件相互依存 相互推动 缺一不可 共同构成了一个计算机系统 从20世纪60年代高级语言出现到今天 软件技术的发展主要经历了三个阶段 1 60年代高级语言阶段20世纪50年代末 JohnBackus首先完成了FORTRAN的编译系统 此后的十年中 不同的应用领域出现了ALGOL60 COBOL LISP等高级语言 直到60年代末出现的PL 1 ALGOL68对这一时期的语言作一总结 此阶段 编译技术代表了整个软件技术 软件工作者追求的主要目标是设计和实现再控制和数据结构方面表现力强的高级语言 这一时期内 编译系统主要靠手工编制 自动化程度低 2 20世纪70年代结构化程序设计阶段20世纪70年代是计算机技术高度发展的时代 这一时期 操作系统软件迅速发展 数据库成为独立的发展领域 计算机网络技术也得以发展 同时 随着计算机应用领域的不断扩大 计算机软件的规模增大 复杂性增加 从而造成软件的可靠性较差 产生了 软件危机 在此种背景下 产生和发展了程序设计方法学和软件工程学 软件工程是指导软件开发和维护的工程科学 它采用工程的概念 原理 技术和方法来开发和维护软件产品 应用软件工程的方法 目的是提高软件产品的质量和软件生产率 降低软件产生开发成本 3 20世纪80年代至今自动程序设计阶段20世纪80年代软件设计技术进入成熟期 向集成化 一体化方向发展 这一时期 集成电路的迅速发展使个人计算机得到了迅速发展 个人计算机与软件工程相结合出现了软件开发环境 称为软件工程支撑环境 又称为CASE computeraidedsoftwareengineering 它支持软件开发和维护的全过程 即从用户需求定义 功能规格说明 设计规格说明 直到可执行代码的全部开发过程 最大程度的借助于计算机系统自动进行 是一个计算机自动管理的巨型系统 同时 程序设计的基本方法进一步得到改善 如产生了第四代语言 4GL 和面向对象的程序设计方法 20世纪80年代以来出现了好多面向对象的程序设计语言 以C 应用最为广泛 C 是C语言的一个超集 它保留了C语言中几乎全部优点 并在此基础之上加上了面向对象的特点 JAVA由C 发展而来 可在Internet网络上分布执行的程序设计语言 JAVA语言的重要特点是可在任何一个硬件和软件平台上运行 具有分布性 可移植性 稳定性 安全性等特点 1 数据 data 是客观事物的符号表示 它能够被计算机识别 储存和加工处理 它是计算机程序加工处理的原料 不仅指一般的整数和实数 而且包括字符串 声音 图像等可被计算机接收和处理的信息 2 数据元素 dataelement 是数据的基本单位 有些情况下 数据元素又称为元素 结点 node 记录 record 有时 一个元素可由若干数据项 dataitem 组成 数据项是数据不可分割的最小数据单位 3 数据对象 dataobject 是具有相同性质的数据元素的集合 数据结构基础 基本概念和术语 4 数据结构 datastructure 是指数据之间的相互关系 即数据的组织形式 它一般包括以下三个方面的内容 a 数据的逻辑结构 logicalstructure 即数据元素之间的逻辑关系 b 数据的存储结构 storagestructure 即数据元素及其关系在计算机存储器内的表示 c 数据的运算 即对数据所作的操作 5 数据类型 datatype 分为基本数据类型和结构数据类型两种 基本数据类型如实数型 整数型 布尔型等 而结构类型如数组 结构体等 算法描述和算法分析数据的运算是通过算法描述的 算法是由若干条指令的有穷序列组成 算法可用自然语言 数学语言 或约定的符号语言来描述 若一个算法用机器可执行的语言来编写 则它就是一个程序 所以算法都以函数或过程的形式表示 即 算法名 参数表 例ins sqlist V i b 在顺序表V中第i个数据元素之前插入b 其中 为注释 对于同一个问题 可以给出多个不同的算法 在这些算法中进行优劣取舍是一个很重要的问题 也就是对算法进行分析的过程 一个算法除了 正确 以外 主要还考虑计算机在执行该算法时所耗费的时间及所占有的存储空间 即时间复杂度和空间复杂度 线性表 1 线性表的定义线性表是一种最简单的和最常用的数据结构 线性表的逻辑结构是由一组数据元素序列构成 其中每一数据元素含有一个或多个数据项 各个数据元素之间存在着线性的逻辑关系 例如英文字母表 A B C D Z 是一个线性表 表中的每一个英文字母是一个数据元素 2 线性表的运算数据的运算是定义在逻辑结构上的 而运算是在存储结构上进行的 对于线性表 常见的基本运算有以下几种 a 存取操作 存取第i个数据元素 以便检查或更新其中的数据项 b 插入操作 在表中的指定位置上 插入一个新的数据元素 c 删除操作 删除表中第i个元素 d 查找操作 按某个关键字的值 查找表中相应的元素 e 排序操作 按给定要求对表中元素重新排列 并非任何时候都需要同时执行以上运算 对于不同问题中的线性表 所需要执行的运算可能不同 一般给出一组基本的运算 对于实际问题中所涉及的更为复杂的运算 可以用基本运算的组合来实现 3 线性表的存储结构线性表的存储结构有两种 顺序存储结构和链式存储结构 顺序存储结构将一个线性表存储到计算机 可以采用许多不同的方法 其中即简单又自然的是顺序存储方法 即把线性表的结点按逻辑次序放在一组地址连续的存储单元里 用这种方法存储的线性表简称为顺序表 顺序表的存储示意如图3 1所示 链式存储结构为了克服顺序表的缺点 可以采用链接方式存储线性表 通常我们把链接方式存储的线性表称为链表 如图3 2所示 由图3 1可知顺序结构存储有以下特点 A 存储结构的存储密度大 存储空间利用率高 B 能够快速 随时访问其中任意元素 C 对该表进行插入或删除操作时 为保证线性表的连续性 则会引起大量数据元素的移动 D 存储容量不宜扩充 由图3 2可见 数据元素之间的逻辑关系是用指针来链接的 对于每个数据元素 除了元素值以外 还有一个指针 或链 用来指示另一个数据元素的地址 我们将这个由数据元素的值和指针组成的总体称为结点 表示一个数据元素 链表中各结点的位置在内存中是任意的 通过指针将它们联系起来 逻辑上最后的结点指针不指向任何地方 常用 表示 操作系统操作系统用来管理和控制计算机硬件和软件资源 并用以方便用户使用并提高系统资源利用率的一组程序 软件 操作系统的功能是管理和控制计算机所有软硬件资源 使系统各部分协调一致的工作 从而达到提高系统资源利用率的目的 计算机系统资源通常有四种 处理机 存储器 外部设备 以及各种程序和数据 相应的操作系统的功能也具有四大功能 处理机管理功能 存储器管理功能 外部设备管理功能 文件管理功能 进程调度 操作系统的功能 a 处理机管理在多道程序系统中 多个程序同时执行 需要对CPU的时间进行合理分配 处理机管理也称为进程管理 通过引入 进程 的概念使CPU有条不紊的工作 使资源得到最充分的利用 主要包括处理中断事件和处理机调度 所谓进程 是指程序的一次执行 进程有三个基本状态 就绪状态 运行状态 阻塞状态 如图3 3所示 b 存储管理内存是除CPU之外最宝贵的资源 而计算机的内存资源是有限的 存储管理主要解决多道程序在内存中的分配 合理利用内存空间 并通过内外存的管理来扩大存储空间 其主要包括 内存的分配 存储扩充 存储保护三个方面 c 设备管理计算机支持多种设备 该管理利用操作系统提供的设备驱动程序 实现对外部设备进行有效管理 负责把外部设备合理地分配给进程 消除各设备忙闲不均的现象 使之有效地工作 其主要功能体现在 分配和驱动外部设备 利用中断 通道 缓冲技术 提高外部设备的使用效率 d 文件管理文件管理是对各类文件进行有序的管理 支持对文件的存储 检索和修改及文件保护 方便用户安全地访问它们 其主要功能为 按名存取文件 有效分配存储空间 文件的共享和保护 用户可通过命令访问各种文件 通常按照操作系统的使用环境 可将其分为三大类 多道批处理系统分时系统 实时系统 2 操作系统的分类 a 多道批处理系统多道批处理系统实质上是 多道程序 和 批处理 的结合 任务 和 作业 是指用户一次上机要求计算机系统完成的工作的总称 多道程序 是指在计算机内存中同时可以存放若干道作业 允许交替地由处理机运行 批处理 是指用户与作业之间没有交互作用 用户不能直接控制作业的运行 即一批经过合理组织的作业一旦提交给计算机系统 其执行由计算机系统控制 多道批处理系统具有自动化程度高 资源利用率高 作业吞吐量大等特点 多应用在大中型计算机系统中 其缺点是交互性差 b 分时系统分时系统是一种多用户操作系统 它是将中央处理机 CPU 的处理时间进行分割 即把工作时间分割成一个个时间片 每个用户轮流使用时间片 一台计算机为一组终端用户服务 每个用户通过终端控制程序的运行 由于时间片分割很小 每个用户感觉不到时间上的等待或滞留 如同自己独立占用一台计算机一样 分时系统具有良好的人机交互性 用户使用方便 其主要应用于中小型系统 c 实时系统实时系统是指要求系统及时响应外部事件的请求 在规定的时间内完成对该事件的处理并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作 实时系统包括实时过程控制和实时信息处理两种 前者主要应用于工业生产的过程控制 而后者主要应用于信息处理系统 如查询系统 订票系统等 以上三类操作系统可以根据实际需要组合使用 实现最佳功能 随着计算机系统结构的变化 操作系统技术也有了进一步的发展 产生了一些具有特点的操作系统 如个人计算机操作系统 分布式操作系统和网络操作系统 个人计算机操作系统是一个单用户交互式的操作系统 它以文件管理为主 具有简单的设备管理功能 并向用户提供了一组功能丰富的键盘操作命令 分布式操作系统是指由多台计算机组成的一个系统 相互协作地完成一个任务 任意两台计算机之间可以交换信息 无主次之分 系统资源为所有用户共享 网络操作系统是为网络中各台计算机之间提供通信和资源共享 除了具有常规操作系统功能外 还具有网络管理功能 3 常用操作系统简介 WindowsWindows以其灵活方便的窗口操作 弹出式菜单以及命令对话框 为用户使用计算机提供了方便 并为人们广泛接受 它从1990年由Microsoft公司推出Windows3 0 先后进行了多次改版 如Windows3 1 Windows98 WindowsNT Windows2000 WindowsXP等 其中Windows95以上版本具有网络管理功能 还具有友好的人机界面 功能强大的应用程序 多任务并行处理的功能等诸多优点 所以深受用户欢迎 UNIXUNIX操作系统是一个通用的 交互的分时系统 适用于小型机和微型机 它由美国贝尔实验室1969年研制的 其特点是结构紧凑 功能强大 使用方便 易于扩充 修改维护和移植 它主要由两部分组成 内核和外壳 shell语言 其内核部分负责进程管理 文件管理 存储管理 设备管理等 而外壳语言是用来控制 使用内核以及语言处理程序和软件工具 LinuxLinux是目前最流行的操作系统之一 是UNIX的PC版 它从1991年芬兰人LinuxTorvalds创建至今发展迅速 它具有占用空间小 高效 健壮和功能强大等特性 特别是可以免费使用和源代码开放 为用户广泛接受 其中的RedHatLinux版是一个杰出的代表 它在Linux基础上开发了许多优秀的软件和工具 并提供了最新软硬件的技术支持 编译基础 1 编译程序的作用 人们利用计算机可以进行复杂的科学计算 工业过程控制 企业管理和办公自动化等工作 计算机在上述各领域的应用都是在计算机硬件和系统软件支持下 运用某种高级语言编制出程序并在该环境下运行来实现的 在计算机上执行一个高级语言程序 一般要分为两步 第一步 用一个编译程序将高级语言程序翻译成机器语言程序 第二步 运行所得的机器语言程序并求得计算结果 编译程序就是将某一种语言 源语言 程序翻译成另一种语言 目标语言 程序 即进行符号转换 程序的编译与运行如图3 4所示 2 编译程序的组成与结构 虽然各高级语言的特点不同 其编译程序也有差别 但各编译程序的基本结构均相似 编译程序的结构可按编译的五个阶段分模块进行设计 如图3 5所示 图3 5中编译过程源程序的各种信息被保留在各种不同的表格里 编译各阶段的工作都涉及到构造 查找 更新各种有关表格 编译程序的工作 从输入源程序到输出目标程序的整个过程 是很复杂的 这个过程一般可分为五个阶段 词法分析 语法分析 中间代码生成 代码优化 目标代码生成 上述编译程序工作过程的五个阶段不是每个阶段都必不可少的 在实际应用中有些阶段可以省去 若编译程序对优化没有要求 可省去代码优化 若要加快编译速度 可将中间代码生成阶段省去 3 2数据库技术基础 数据库技术产生于20世纪60年代中期 是数据管理的最新技术 是计算机科学的重要分支 它的出现极大地促进了计算机应用向各行业渗透 从而不难看出数据库技术的重要性所在 1 数据库系统概述 数据库技术的新发展 1 数据库系统概述 1 数据库技术的基本概念数据 Data 通常是指用符号记录下来的 可以识别的信息 信息是关于现实世界事物存在的方式或运动状态的客观反映 数据库 DataBase 简称DB 是指按一定方式组织起来的相互关联的数据集合 如人事档案数据库 图书资料数据库 药品管理数据库等 数据库管理系统 DataBaseManagementSystem 简称DBMS 是用户与操作系统之间的一层管理软件 它为用户或应用程序提供访问数据库的方法 包括数据库的建立 查询 更新及对各种数据的控制 数据库系统 DataBaseSystem 简称DBS 是实现有组织地 动态地存储大量关联数据 方便多用户访问的计算机软件 硬件和数据资源组成的系统 即它是采用了数据库技术的计算机系统 数据库技术 是在操作系统的文件系统的基础上发展起来的 它是研究数据库的结构 存储 设计 管理和使用的一门软件学科 2 数据描述和数据模型 数据描述 是数据处理中的一个重要环节 从事物的特征到计算机中的具体表示 实际上经历了三个领域 现实世界 信息世界 机器世界 现实世界的数据描述主要是对原始数据进行综合工作 取出数据库系统所需要研究的数据 如各种报表 单据 查询格式等 信息世界的数据描述 是人们将现实世界在人脑中的反映用文字或符号表示出来 它需要用以下一些基本术语来实现 实体 entity 实体是指客观存在并相互区别的事物 实体集 entityset 具有相同性质的同类实体的集合 属性 attribute 实体具有许多特性 每一个特性称为属性 每一个属性有一个取值范围 即值域 主键 key 唯一标识实体的属性集为主键 机器世界中的信息是以数据形式存储的 其数据描述需要用以下术语表示 字段 field 标记实体属性的命名单位称为字段 或数据项 它是可命名的最小数据单位 记录 record 字段的有序集合称为记录 一般用一个记录描述一个实体 文件 file 同一类记录的汇集称为文件 文件是描述实体集的 主键 key 能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集 称为文件的主键 现实世界中 事物是相互联系的 这种联系必然在信息世界中体现出来 即实体是相互有联系的 实体的联系有两类 一类是实体内部的联系 即同一记录内部各个字段之间的联系 另一类是实体与实体之间的联系 即实体中记录之间的联系 而实体之间的联系比较复杂 其相应的数据结构也比较复杂 这类联系在数据库技术中应用较多 实体间的联系有两种 一是同一实体集中实体之间的联系 记录之间的联系 二是不同实体集间的实体联系 文件之间的记录与记录的联系 它有以下三种情况 一对一联系 记作1 1 例如学校与校长之间 火车的座位与乘客之间的联系都是一对一联系 一对多联系 记作1 N 例如一个学校有多名学生 而每个学生均在同一所学校学习 学校与学生之间就是一对多的联系 多对多联系 记作M N 例如课程与学生之间 一个学生可选多门课程 而每一门课程有多名学生选修 课程与学生之间是多对多的联系 数据模型数据模型是现实世界数据特征的抽象 由于计算机不可能直接处理现实世界中的事物 人们必须先把具体事物转换成计算机能够处理的数据 在数据库中音乐数据模型来抽象 表示和处理现实世界中的信息 数据库系统均是基于某种数据模型的 不同的数据模型 实际上是提供给我们模型化信息的不同工具 数据模型是数据库系统的核心和基础 根据模型应用的不同目的 可将模型划分为两类 概念模型和数据模型 概念模型概念模型又称信息模型 它是按照用户的观点来对信息建模 主要用于数据库设计 概念模型的表示方法很多 其中最常用的是P P Chen于1976年提出的实体联系方法 该方法用ER图来描述现实世界的概念模型 ER方法也称为ER模型 ER方法提供以下四种基本工具来实现ER图 A 矩形框 表示实体类型 B 菱形框 表示联系类型 C 椭圆型框 表示实体类型和联系类型的属性 对于键的属性 在属性名下画一横线 D 直线 表示联系类型和相关实体类型之间的联系 并在直线端部标注其种类 1 1 1 N M N 例如一个具体的ER图 图3 6所示 数据模型数据模型是按计算机系统的观点对数据建模 主要用于数据库管理系统的实现 它主要包括 层次模型 关系模型 网状模型和面向对象模型等 层次模型 用树型结构表示实体类型和实体间联系的数据模型 如图3 7所示 关系模型 用表格结构表达集与实体间联系的数据模型 如表3 1所示 网状模型 用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型 如图3 8所示 面向对象模型 用对象和类来表示实体类型和实体间联系的数据模型 如图3 9所示 表 关系模型示意图 3 数据库的体系结构数据库的体系结构分为三级 内部级 概念级 外部级 如图3 10所示 外部级是最接近用户的一级 是每个用户所能看到的数据库内容 它是整个数据库的一部分 称为用户视图或外部视图 每个外视图的具体表示称为外模式 又称子模式 概念级观察到的是整个数据库的全部信息 称为全局视图 全局视图的具体表示称为概念模式 简称模式 内部级是最接近存储设备的一级 从这一级观察到的数据库就是被存储的数据库 称为内视图 内视图的具体表示称为内模式 又称为物理模式 用户A用户B用户C外模式外模式外模式概念模式内模式数据库外部级概念级内部级图3 10数据库系统的体系结构数据库的三级体系结构是数据库的三个抽象级别 它将数据的具体组织留给DBMS去做 用户只抽象地处理数据 而不必关心数据在计算机中的表示和存储 为了实现三个级别的转换 DBMS在三个级别之间提供了两个层次的映像 即外模式 概念模式映像和概念模式 内模式映像 2 数据库技术的新发展数据库技术是计算机软件领域的一个重要分支 经过三十多年的发展经历了第一代 层次和网状数据库 和第二代 关系数据库 已形成了相当规模的理论体系和应用技术 随着相关学科的不断发展和应用领域的不断延伸 数据库技术也产生了许多新的分支 如模糊数据库 时空数据库 内存数据库 全息数据库 多媒体数据库 主动数据库 并行数据库 工作流数据库等等 1 多媒体数据库 multimediadatabase 多媒体是指各种信息载体 即媒体 的复合体 近年来 媒体的数字化技术有了很大发展 声音 图象 视频 音频采样 模 数转换及存储技术的发展为多媒体的计算机处理和应用提供了可能 各种独立媒体的数据库技术 如文本库 图形库 图像库等 的发展和研究为多媒体数据库系统的研究和开发提供了基本技术保障 多媒体DBS 就是把组织在不同媒体上的数据一体化 其中较有影响的数据库有以下几种 2 主动数据库 activedatabase 主动数据库具有除了提出被动服务功能外 还具有让数据库主动进行服务的功能 主要是通过把一些规则预先嵌入DBS的办法来实现 3 并行数据库 paralleldatabase 并行数据库技术起源于20世纪70年代的数据库机 databasemachine 的研究 它致力于开发数据库操作的时间并行性和空间并行性 关系模型仍是其研究基础 基于对象模型的并行数据库则是重要的研究方向 在冰箱数据库领域 仍有大量问题需要研究 4 工作流数据库 workflowdatabase 企业内有三类处理过程 物料处理 信息处理 商务处理 前两种处理是传统的常规处理 提高企业生产力水平的关键因素在于商务处理 商务处理注意提高企业中人员的协调性 它处理工作的请求 何人何时做何工作以及汇报工作完成情况 评价工作的满意程度等 工作流管理系统是为了支持企业内的商务管理而提出的 联机分析处理 onlineanalysisprocessing OLAP OLAP提供给用户面向目标的模型交互功能 当用户想到某个问题时 通过和系统的交互会话 进行即时的数据操作 获得有启发 有创见的发现 OLAP不但是一种交互式的辅助决策方法 同时又是一种面向数据的分析方法 它是对关系数据库的一种改进 关系数据库的基础是关系代数中定义的运算 这些关系运算不能给用户提供向数据深层进行分析的能力 而OLAP则提供了一系列新的数据分析功能 当前 数据库技术的发展面临前所未有的挑战 出现了许多新问题新概念 下面就目前数据库技术的几个新的研究方向和概念做一简要的介绍 数据挖掘 datadrilldown 在多维数据库中 每个维中的数据彼此之间还有逻辑关系 用户可以用 数据挖掘 的功能来找到他需要的数据 数据挖掘是OLAP中的一项重要功能 它能帮助高层主管快速地在他们所需要的详细水平上检索有关数据 数据仓库 datawarehouse 数据仓库是指一个对历史数据进行处理的集成化的数据收集和信息处理机构 在一般情况下 数据仓库的数据输入部分是来自一个操作性的环境 该部分的作用是将这个环境中的数据传送到另一个物理上相分离的数据存储机构中去 而数据仓库则不断地对信息系统中的数据进行整理 从而辅助决策者有效地发现问题 数据仓库包括四个主要特征 面向主题 集成化 时变性和非活性 3 3计算机与网络技术基础 计算机与网络技术的飞速发展 已极大地推动了科技进步和生产力的发展 它已深入到人类生活的各个领域 并产生着巨大的影响 尤其是随着计算机技术和网络技术的飞速发展 不仅为信息系统的发展提供了有利的物资基础 也为信息系统的研制开发提供更有价值的理论依据 本节主要内容 1 计算机系统概论2 计算机网络概述3 数据通信基础4 局域网技术 1 计算机系统概论 1 计算机发展概况从1946年全世界第一台计算机 ENIAC 在美国问世以来 随着制造计算机所采用的电子器件的发展 它经历了四代 并向第五代计算机发展 第一代 1946 1957 电子管时代 计算机采用电子管作为基本元件 主存储器为磁鼓 编程语言为机器语言或汇编语言 主要用于科学计算 代表机型有ENIAC UNIVAC IBM701等 第二代 1956 1964 晶体管时代 采用晶体管作为计算机的基本元件 内存采用磁芯 外存采用磁盘 编程语言有了高级语言 如FONTRAN COBOL语言等 并产生了操作系统 应用领域由科学计算扩大到数据处理 自动控制等方面 代表机型有 UNIVAC IBM701等 第三代 1965 1970 集成电路时代 采用中 小型规模集成电路作为基本元件 内存采用磁芯 操作系统已逐渐成熟 功能得到了增强 成为计算机系统的一部分 由软件系统和硬件系统共同组成计算机系统 应用领域更加广泛 代表机型有 PDP 11 IBM360 第四代 1970年至今 大规模集成电路时代 采用大 超大规模集成电路作为基本元件 内存储器采用半导体 使集成电路体积大大减小 此时产生了微处理机 同时数据库技术和网络技术得到了很大发展 应用领域更加扩大 并逐渐深入家庭 代表机型 VAX 11 IBM PC等 第五代 从20世纪80年代开始研制以知识库为集成基础 能够进行逻辑推理 判断 决策的智能计算机 该时代又称为智能计算机时代 2 计算机系统组成1946年冯 诺依曼提出了计算机模型的 存储结构 概念 它奠定了计算机结构的基础 即计算机硬件的基本组成 计算机硬件系统结构主要有五部分组成 运算器存储器控制器输入设备输出设备 2 计算机网络概述 1 计算机网络的形成和发展计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物 计算机网络的形成与发展经历了四个阶段 具有通信功能的单机阶段 这一阶段形成了计算机网络的雏形 具有通信功能的多机阶段 这一阶段属于面向终端的计算机通信网 以资源共享为目的的计算机与计算机互联网络阶段 Internet和高速互联网络发展阶段 2 计算机网络的分类计算机网络的分类方法较多 通常按照计算机网络覆盖的地理范围将其划分为三类 局域网 城域网 广域网 局域网LAN localareanetwork 将有限范围内 如一个学校 一幢大楼 一个单位 的各种计算机 终端 外部设备互联而成的网络 城域网MAN metropolitanareanetwork 覆盖几十公里范围内的企业 单位的多个计算机局域网互联而成的网络 它是介于局域网和广域网之间的一种高速网络 广域网WAN wideareanetwork 又称为远程网 它覆盖几十公里到几千公里的范围 即覆盖一个国家 地区 或几个洲的国际性互联网络 3 计算机网络的组成与结构计算机网络要完成数据处理与数据通信两大功能 那么从它的结构上可以分为两个部分 负责数据处理向网络用户提供各种网络资源和网络服务的资源子网和负责数据转发通讯的子网 如图3 11所示 外层为资源子网 资源子网资源子网由主计算机系统 终端 终端控制器 联网外设 各种软件资源组成 主计算机 Host 主计算机为本地用户访问网络其他主计算机设备 共享资源提供服务 同时为网中其他用户共享本地资源提供服务 它是资源子网的重要组成单元 通过高速通信线路与通信子网的通信控制机相连 终端终端是用户访问网络的界面 终端可以是仅具有简单输入和输出功能的子终端 也可以是带有微处理器的智能终端 它可以通过主机连入网中 也可以直接同通信控制处理机接入网中 通信子网通信子网由通信控制处理机 通信线路与其他通信设备组成 完成全网数据传输 转发等功能 通信控制处理机CCP communicationcontrolprocessor 通信处理机又称前端处理机或节点处理机 它是一种专用计算机 一般由小型计算机或微型机配置通信控制硬件和软件所组成 通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点 其主要功能是 网络接口存储 转发网络控制 局域网中 集线器成为了一种典型的通信控制处理机 而广域网中使用较多的通信控制处理机是路由器 通信线路通信线路是通信控制处理机之间 通信控制处理机与主计算机之间提供通信信道 它可以是架空明线 双绞线 同轴电缆或光缆等有线线路 也可以是微波 无线信道和卫星信道等 4 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构 反映出网络中各个实体之间结构关系 拓扑设计是建设计算机网络的第一步 也是实现各种网络协议的基础 它对网络性能 系统可靠性 和通信费用有很大影响 计算机网络的拓扑结构主要有四种类型 星型拓扑 环型拓扑 树型拓扑 网状型拓扑 如图3 12所示 星形拓扑在星形拓扑结构中 结点通过点到点的通信线路与中心结点相连 中心结点控制全网的通信 任何两结点之间的通信必须通过中心结点 星形拓扑结构简单 易于实现 便于管理 但是网络可靠性较差 中心结点的故障可能造成全网的瘫痪 且中心结点的管理与维护往往比较复杂 环形拓扑在环形拓扑结构中 结点通过点到点的通信线路连接成闭合环路 环中数据可沿一个方向逐站传递 也可向两个方向传送 环可以建为双环 即主副环 一旦主环出现故障 由副环代替其工作 环形拓扑结构简单 传输延时确定 但是网络的可靠性较差 环中任何一个结点出现故障 都可能造成网络瘫痪 为保证环的正常工作需要较复杂的环环管理和环维护 增加环结点和撤除环结点都比较复杂 树形拓扑树形拓扑可以看成是星形拓扑的外延 在树形拓扑结构中 结点是按照层次进行连接的 信息交换主要是在上 下两结点之间进行 相邻或同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小 树形拓扑结构适用于汇集信息的应用要求 网状形拓扑在网状形拓扑结构中 结点之间的连接是任意的 没有规律 网状形拓扑结构的主要优点是系统可靠性高 但结构复杂 必须采用路由器 选择算法与流量控制方法 目前 广域网基本都是采用网状形拓扑结构 图3 12计算机网络拓扑类型 5 计算机网络的体系结构 网络协议与体系结构计算机网络的资源子网中的多台计算机 结点 之间要进行通信 各个结点之间就需要不断地交换数据 要保证各结点之间交换数据的有序和正确 就必须制定一个网络数据交换的规则 约定与标准 这种规则 约定和标准称为网络协议 protocol 开发系统互连参考模型开发系统互连参考模型OSI RM opensysteminterconnection referencemodel 是由国际标准化组织ISO和国际电报电话咨询委员会CCITT共同制定的 根据层次化模型的设计原则 将网络整个通信功能划分为七个层次 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 TCP IP参考模型及协议ARPANET是最早出现的计算机网络之一 它是由美国国防部高级研究计划局ARPA提出并构建的 其主要目的是希望许多宝贵的主机和通信控制机及通信线路在战争中一旦部分遭到破坏 而其他部分仍能正常工作 它要求一种灵活的网络体系结构 实现异构网的互联 网络协议TCP IP正是在此需要的基础上发展而来 虽然TCP协议和IP协议都不是OSI标准 但它们是目前最流行商业化协议 并被公认为当前的工业标准 TCP IP协议出现后 TCP IP参考模型也在1974年由Kahn提出 TCP IP参考模型可以分为四个层次 应用层 传输层 互联网层和网络接口层 6 网络技术的发展 Internet与IntranetInternet是指全球最大的计算机网络的集合体 由全世界几万个网络互连而成 它们共同遵守TCP IP协议 TCP IP包括一系列的计算机网络协议 核心协议是传输控制协议TCP和Internet网络协议IP 凡是遵守TCP IP协议的网络 与Internet网络互连就可以成为全球互连网的一部分 Internet是世界上规模最大 用户最多 影响最大的计算机互连网 Intranet与Internet的联系在于 Intranet是使用Internet技术组建的企业内部网 Intranet要与Internet互连才能发挥作用 Intranet与Internet的区别在于 Intranet是一种企业内部网 而Internet是一种公众信息网 Internet允许任何人从任何一个人站点访问它的资源 而Intranet内部信息必须严格加以保护 它必须通过放火墙与Internet连接起来 一个典型的企业Intranet一般包括以下几部分 浏览器 浏览器的作用是让所有使用统一界面来访问的用户来访问各种Internet资源 并与之相互作用 Web服务器 服务器上不仅有WWW信息 还可能有企业数据库等 它可以支持几种不同的业务 域名服务器 域名服务器的作用是将Internet网站的名称影射为IP地址 Proxy服务器 Proxy服务器作为代理软件 是从Internet传输企业信息到企业外部的唯一出口 为管理内部网络和实现内外隔绝提供了保险措施 防火墙 防火墙是由硬件和软件网关构成 通过限制外部接入内部系统而保护内部信息 ISDN随着通信技术的高速发展 实现通信业务的可视化 智能化和个人化已成为发展方向 CCITT提出了将语音 数据 图像等业务综合在一个网内 建立综合业务数字网ISDN integrateservicedigitalnetwork 在ISDN中 用户使用一条电话线 一个电话号 只需提出申请 就可以加入ISDN中 实现用户多种业务信息的的综合通信服务 它采用数字信道 因而具有较高的通信质量和可靠性 ISDN在发展过程中 分成两类 窄带综合业务数字网N ISDN NarrowbandISDN 和宽带综合业务数字网B ISDN BroadbandISDN B ISDN是将语音 数据 静态和动态图像的传输以及N ISDN所有服务综合在一个通信网中 满足从低传输速率到高传输速率的大范围的非实时 实时突发性传输的要求 网络安全与防火墙随着计算机网络的飞速发展 网络中的安全问题日趋严重 当资源共享广泛应用于政府 军事 科研 经济各个领域 网络用户来自社会各个阶层时 大量在网络中存储和传输的数据就需要保护 这些数据在存储或传输过程中 都有可能被盗用 暴露或篡改 要设计一个成功的网络系统 就必须针对对网络安全构成威胁的各种因素 研究出确保网络信息系统安全的机制 网络安全机制涉及到 网络安全策略与数据加密 数字签名 第三方确认 Internet防火墙 firewall 等安全技术 3 数据通信基础 1 数据通信的基本概念1 数据在数据通信中 通常将被传输的二进制的代码称为数据 如11001010 将其中的 1 或 0 称码元 2 信号数据通信研究的是电信号在计算机之间的传输 按照发送端所产生的信号形式 将信号分成两类 模拟信号 连续的信号 如声音信号 压力信号等 数字信号 离散的信号 如计算机通信中 0 1 组成的信号 信号在不同的计算机之间传送时 可采用模拟信号方法 也可以采用数字信号方法 还可以将其分成两大类 基带信号 是将数字信号1或0直接用两种不同电压来表示 并送到线路上传输的信号 宽带信号 是将基带信号进行调制后 形成的频分复用模拟信号 基带信号进行调制后 其频谱调整到较高的频率处 这样每一路基带信号占用不同的频段 一条线路传输多路信号 它们不会相互干扰 因而提高了线路的利用率 同样 数据传输方式按照数据传输的信号类型也相应地分为 基带传输和宽带传输 3 信道信道一般用来表示向某一方向传送信息的线路 因此 一条通信线路至少包含一条发送信道和一条接收信道 按照信道上所允许传输的信号类型 可将信道分为 模拟信道 传送模拟信号的信道 数字信道 传送数字信号的信道 4 调制解调器调制 将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制 完成调制功能的设备称为调制器 modulator 解调 将模拟信号转换为数字信号的过程称为解调 完成解调功能的设备称为解调器 demodulator 5 数据通信方式从通信双方的信息交互的方式上 可以分为以下三种方式 单工通信 只能沿一个方向通信来发送信息而没有反方向的交互 如无线电广播 计算机与打印机之间的数据传输等 半双工通信 通信双方都可以发送 接收 信息 但不能同时双向发送 全双工通信 通信双方都可以同时发送和接收信息 全双工通信效率最高 6 多路复用技术多路复用是计算机网络中的一种重要的技术 它是指在一条物理通信线路上建立多条通信信道的技术 多路复用技术一般可分为以下三种基本形式 频分多路复用 FDM 它是将多路信号的每一路信号用不同的载波频率进行调制 且各个载波占有的频率范围是不同的 即各个信道所占用的频带不相互重叠 相邻信道之间用警戒频带隔离 使得各个信道能独立地传输一路信号 波分多路复用 WDM 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用 波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率广播信号的合成与分解 时分多路复用 TDM 它时以信道传输时间作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用 2 数据通信系统的主要技术指标1 数据传输速率 它有两种度量单位 波特率 是指数据通信系统中 每秒传输的波形个数 其单位是 波特 band 比特率 是指数据通信系统中 每秒传输的二进制位数 其单位是比特 秒 b s 2 误码率 它是指二进制符号在传输系统被传错的概率 近似等于被传错的二进制符号数与所传输的二进制符号总数的比值 计算机网络通信系统中 要求网络误码率低于10 9 3 信道容量 它是指信道能传输信息的最大能力 用单位时间内最大可传输的比特数表示 它取决于信道频带F 可使用时间T及信 噪比S N 信道容量和传输速率之间应满足以下关系 信道容量 传输速率 3 传输介质传输介质是信息传输的载体 它是通信子网中的重要组成部分 其种类很多 但基本可分为两类 一类是有线介质 架空明线 双绞线 同轴电缆 光纤等 另一类是无线介质 微波 卫星通信等 以上几种常用传输介质的性能比较如表3 2所示 表3 2传输介质的性能比较 4 局域网技术 1 局域网的主要技术特点局域网技术目前发展最为迅速 并在企业 机关的管理信息系统与信息服务领域中得到了广泛的应用 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题 也是目前技术发展最快的领域之一 从局域网的应用角度看 局域网主要的技术特点有以下几点 1 局域网覆盖有限的地理范围 它适用于机关 公司 校园等有限的范围内的计算机 终端与各种信息处理设备连网的需求 2 局域网有较高的数据传输速率 10M 100Mb s 误码率较低的高质量数据传输环境 数据传输速率高达1Gbps 1000Mb s 的高速局域网正在发展中 3 局域网一般属于一个单位所有 易于建立 维护 扩充 4 决定局域网特性的主要技术要素有三点 网络拓扑 传输介质与介质访问控制方法 5 局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类 共享介质局域网和交换局域网 2 局域网标准及其工作原理 IEEE802标准IEEE于80年2月成立了局域网标准委员会 简称IEEE802委员会 专门从事局域网标准化工作 并制定了IEEE802标准 IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层 它将数据链路层划分为逻辑链路控制LLC子层与介质访问控制MAC mediaaccesscontrol 子层 局域网的基本工作原理IEEE802 2标准定义的共享介质局域网有以下三类 采用CSMA CD介质访问控制方法的总线形局域网 采用TokenBus介质访问控制方法的总线形局域网 采用TokenRing介质访问控制方法的环形局域网 上述三种局域网分别遵守IEEE802 3 IEEE802 4 IEEE802 5标准 目前 应用最为广泛的一类局域网是基带总线形局域网 即以太网 Ethernet Ethernet的核心技术是它的随机争用型介质访问控制方法 即带有冲突检测的载波侦听多路访问