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第二章计算机与网络技术 第一节计算机的基本原理与体系构成第二节计算机网络技术复习思考题二 第一节计算机的基本原理与体系构成 电子计算机的发展演变 1946年第一台可操作的电子数字计算机由美国宾西法尼亚大学的JohnMauchly和J P Eckert研制成功 1956年我国第一台电子计算机在长沙工学院研制成功 标志着我国电子计算机技术研究与发展的开端 计算机技术经历了五代的更新换代 如表2 1所示 第一代计算机 1951 1958年是真空电子管计算机时代 其基本电子元件是电子管 内存储器采用水银延迟线 外存储器有纸带 卡片 磁鼓 磁带等 运算速度为每秒几千次至几万次基本运算 内存容量仅几千字 计算机程序设计语言还处于最低阶段 要用二进制码表示的机器语言进行编程 工作十分繁琐 因此 第一代电子计算机体积庞大 耗电多 难维护 并且造价很高 第二代计算机 1959 1963年是晶体管电子计算机时代 其基本电子元件由晶体管取代了电子管 此时内存的元件大量使用磁性材料制成的磁芯存储器 外存有了磁盘 磁带 外设种类增加 计算机运算速度从每秒几万次提高到几十万次 内存容量扩大到几十万字 与此同时 计算机软件有了较大发展 出现了高级程序设计语言 管理程序及各种调试 诊断程序 批处理系统也已逐步形成 与第一代计算机比较 晶体管计算机体积小 成本低 逻辑功能强 可靠性大大提高 第一节计算机的基本原理与体系构成 电子计算机的发展演变 第一节计算机的基本原理与体系构成 电子计算机的发展演变 第三代计算机 1964 1979年是集成电路电子计算机时代 集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中 由几十个甚至上百个电子元器件组成逻辑电路 用这些称为小规模集成电路 small scaleintegration SSI 的器件作为计算机的主要逻辑器件 这是第三代电子计算机的标志 第三代计算机的运算速度进一步提高 每秒可达几十万次到几百万次 磁芯存储器进一步发展 体积缩小 价格降低 软件逐渐完善 多道和分时系统的出现标志着操作系统的正式形成 并出现了多种高级语言 这一时期 计算机同时向品种多样化 机种系列化发展 计算机性能和可靠性有了极大提高 第四代计算机 从1979至今称为大规模集成电路电子计算机时代 大规模集成和超大规模集成技术能在一个芯片上集成成千上万个晶体管和其他电路元件 由集成度很高的半导体存储器代替了早年的磁芯存储器 存储容量从几兆字节发展到几千兆字节 存取速度也大大加快 LSI和VLSI技术使微处理器的开发获得成功 它能使CPU的全部线路 集成在一个芯片上 并达到每秒可以处理百万条指令的速度 带有微处理器的微型计算机和各种外围设备 以及易于使用的系统软件和应用软件包 组成了微型计算机系统 随着计算机的广泛应用 计算机网络已成为第四代计算机的标志 第一节计算机的基本原理与体系构成 电子计算机的发展演变 第五代计算机 将在21世纪初期诞生 其主体是向着体积更小 速度更快 性能更强更可靠 购买与维护成本更低的方向发展 表2 1计算机各个时代主要和特征与能力 第一节计算机的基本原理与体系构成 硬件系统是计算机物理设备的总称 也叫做硬设备 通常是由有形的电子的 机械的 磁性的或光的元器件或装置组成 计算机硬件系统一般由中央处理器 存储器 输入输出设备几大部分组成 如图2 1所示 第一节计算机的基本原理与体系构成 二 计算机的基本构成 一 电子计算机的硬件系统 中央处理器中央处理器 centralprocessingunit CPU 是计算机系统最主要的部件 它由运算器和控制器两个主要部分组成 第一节计算机的基本原理与体系构成 一 电子计算机的硬件系统 运算器 运算器是由算术逻辑单元 累加器 状态寄存器和通用寄存器组成 控制器 控制器是计算机的神经中枢 它按照主频的节拍产生各种控制信息 以指挥整个计算机工作 存储系统数据储存是计算机信息系统必须具备的一大主要功能 计算机信息系统基本上是依靠一级存储器 主存储器 和二级存储设备来实现存储功能的 主存储器计算机的主存储器主要是由半导体存储器组成 半导体存储器按其性能和用途可以分成只读存储器即ROM readonlymemory 和随机存取存储器即RAM randomaccessmemory 两大类 第一节计算机的基本原理与体系构成 一 电子计算机的硬件系统 只读存储器 ROM 是指只能从中读出信息 不能写入信息的存储器 常用它存放计算机的启动程序 自检程序及磁盘引导程序等 第一节计算机的基本原理与体系构成 一 电子计算机的硬件系统 主存储器 随机存取存储器 RAM 是指任意时刻可以从任意存储单元读出信息 或将信息写入任意存储单元 而读写信息所需的时间与存储单元的位置无关的存储器 二级存储器也称为外部存储器 主要包括磁带 磁盘和光盘等 磁带属于顺序存取介质 虽然容量大 价格低 但由于只能顺序存取 存取速度慢 已经逐步被淘汰 磁盘属于随机存取介质 也具备容量大 价格低的优点 并且可以直接存取 存取速度快 光盘是相对此较新的存储介质 目前微型计算机上使用的光盘称为只读CD片 即CD ROM compactdisk readonlymemory 光盘存储容量大 一般一张4 7英寸密质盘片 储存大约超过500M字节的信息 第一节计算机的基本原理与体系构成 一 电子计算机的硬件系统 存储系统二级存储器 计算机键盘与显示终端从技术上定义 任何通过通信连结到计算机的设备都可以称之为终端 最普通最大量的用户与计算机的交互方式是采用键盘输入数据 用视频向用户显示输出 并可在输入到计算机前进行编辑 第一节计算机的基本原理与体系构成 输入 输出设备外围设备是所有输入 输出设备和二级存储设备的通称 一 电子计算机的硬件系统 点触式 pointing 设备这是另一种发布命令 进行决策选择和响应视频提示的较好的设备 这种设备通过移动光标可以让你方便进行菜单或象标选择 目前有电子鼠标器 电子游戏机中常使用的操纵杆以及触摸感应屏幕等 打印输出击打式打印机 它是通过表达一个基本元素 点或字符 的打印机械击打色带 在纸的表面印下字符 一般来说 这种打印机的速度比较慢 每秒约几百个字符 非击打式打印机 如激光打印机 laserprinters 和喷墨打印机 inkjetprinters 激光打印机具有没有噪音 速度快 约每分钟5 200页 的优点 喷墨打印机的速度稍慢于激光打印机 第一节计算机的基本原理与体系构成 输入 输出设备 计算机笔终端用户可以使用类似于笔一样的设备直接在视频屏幕或其他类型的表面上写字 画画 例如光笔就是一种笔状设备 视频输入 输出视频影像可以作为输入 也可以作为输出 例如来自录像机 摄像机的影像都可以数字化 并压缩储存在磁盘和光盘中 绘图仪 绘图仪能在纸上画图 因而也列入打印输出设备 计算机软件系统是指计算机各种程序的集合 信息系统依靠软件资源帮助终端用户使用计算机硬件 将数据资源转换成各类信息产品 软件用于完成数据的输入 处理 输出 存储及控制信息系统的活动 计算机软件总体上划分为系统软件和应用软件两大类 其软件系统的构成如图2 所示 第一节计算机的基本原理与体系构成 二 电子计算机的软件系统 第一节计算机的基本原理与体系构成 1 系统软件计算机系统软件是指那些管理与支持计算机系统资源及信息处理操作的程序总和 系统软件可以分为系统管理程序 系统支持程序 系统开发程序三类 操作系统 operatingsystem OS 操作系统是一台计算机最基本也是最重要的软件包 它管理CPU的操作 控制计算机系统的输入 输出 存储资源的分配及一切活动 当计算机执行用户应用时提供各种服务 是用户和计算机硬件之间软件层面中必不可少的一部分 操作系统有五大功能 用户界面 资源管理 任务管理 文件管理 实用程序与支持服务 第一节计算机的基本原理与体系构成 二 电子计算机的软件系统 第一节计算机的基本原理与体系构成 1 系统软件程序设计语言程序设计语言是人们描述计算机执行某一个功能过程运用某一种语言的总称 世纪50年代初 程序设计语言经历了计算机机器语言 第一代 汇编语言 第二代 高级语言 第三代 的更新换代 现在正向着第四代使用自然的 非过程化语言的方向发展 二 电子计算机的软件系统 机器语言早期的计算机不配置任何软件 这时的计算机称为 裸机 baremachine 裸机只认得 0 和 1 两种代码 程序设计人员只能用一连串的 0 和 1 构成的机器指令码来编写程序 这就是机器语言程序 机器语言是以采用二进制代码为基础的 因此具有程序不经翻译就能被计算机直接理解和执行 效率高 执行速度快的最大优点 高级语言高级语言是直接使用英语字母和数学表达式等人们熟悉的自然语言编写程序的语言 如Basic Pascal Cobol等语言都属于高级语言 高级语言具有便于理解 记忆和掌握 短小精悍 便于编写 易于查找错误和修改以及通用性强等优点 高级语言不能被计算机直接识别和执行的 必须先翻译成用机器指令表示的目标程序才能执行 翻译的方式有两种 一是解释方式 二是编译方式 第一节计算机的基本原理与体系构成 汇编语言汇编语言又称符号语言 其指令的操作码和操作数地址全部都用符号表示 大大方便了记忆 但它仍然是一种面向机器的程序设计语言 用汇编语言书写的程序 称为汇编语言源程序 保持了机器语言执行速度快的优点 解释方式的优点是灵活 占用的内存少 但比编译方式要占用更多的机器时间 并且执行过程一步也离不开翻译程序 编译方式的优点是执行速度快 但占用内存多 并且不灵活 若源程序有错误 必须将错误全部修正后再重新编译和从头执行 要求程序员有较高的程序设计水平 第一节计算机的基本原理与体系构成 解释方式使用的翻译软件是解释程序 interpreter 它把高级语言源程序一句句地翻译为机器指令 每译完一句就执行一句 当源程序翻译完后 目标程序也执行完毕 编译方式使用的翻译软件是编译程序 compiler 它将高级语言源程序整个地翻译成用机器指令表示的目标程序 使目标程序和源程序在功能上完全等价 然后执行目标程序 得出运算结果 高级语言 第四代语言第四代语言 4GL语言 是一种十分接近英语和其他人类语言的自然语言 大多数第四代语言让用户和程序员使用非过程化的语言说明他们的要求 而由计算机决定实现这个要求的指令序列 因此有助于用户和程序员简化程序设计的过程 节约开发程序的时间 第一节计算机的基本原理与体系构成 简单地说 大多数其他程序设计语言将数据元素从执行它们的过程或活动中分离 而面向对象的语言 却要把数据与过程 或活动 结合起来与对象相联系 因此一个对象把数据和在这些数据上执行的活动组织在一起 例如一个对象可以是关于一个雇员的数据以及所有对这些数据执行的操作 如酬金的计算 或者对象也可以是在视屏显示窗口以图形形式出现的数据 再加上在对象上可以执行的活动 如C和C 就是一种易于使用 并且是一种很有效的 面向图形用户接口的程序设计语言 目前计算机行业的某些专家已提到将使用人工智能技术实现用户需求的语言定为第五代语言 应用软件应用软件是指那些综合用户信息处理需求的 直接处理特定应用的程序 应用程序一般分为工具软件包和功能应用设计程序 第一节计算机的基本原理与体系构成 二 电子计算机的软件系统 工具软件包是人工设计普遍使用的一种软件 如字处理软件 电子表格处理软件 图形绘制软件等等 功能设计软件是用户根据具体需要而设计的一种应用程序 如会计信息系统 市场营销系统 人事管理信息系统 图书资料管理信息系统等等 一 计算机网络的概念 从计算机网络发展史可以看出 究竟什么是计算机网络 不同的时期 从不同的角度出发有各种不同的理解 一般认为 计算机网络是一种地理上分散的 具有独立功能的多台计算机通过通信设备和线路连接起来 在配有相应的网络软件 网络协议 网络操作系统等 的情况下实现资源共享的系统 1970年 美国信息处理学会联合会把计算机网络定义为 以能够相互共享资源 硬件 软件和数据等 的方式连接起来 并各自具备独立功能的计算机系统的集合 第二节计算机网络技术 数据通信能力通信或数据传送 是计算机网络的最基本功能之一 网络系统中的各计算机之间能快速可靠地相互传送数据及信息 根据需要可以对这些数据信息进行分散 分组 集中管理或处理 第二节计算机网络技术 二 计算机网络的功能与特点 均衡负荷互相协作通过网络可以缓解用户资源缺乏的矛盾 使各资源的 忙 与 闲 得到合理调整 例如 当某台计算机任务很重时 可以通过网络将某些任务传送给空闲的计算机去处理 资源共享充分利用计算机资源是组建计算机网络的重要目的之一 资源共享包括数据 软件和硬件资源共享 分布处理在计算机网络中 用户可以根据问题的性质 选择网内最适合的资源来处理 使问题得到快速而经济的解决 第二节计算机网络技术 二 计算机网络的功能与特点 提高计算机的可靠性计算机网络系统能实现对差错信息的重发 从而增强了可靠性 提高可靠性还表现在计算机网络中的各台计算机可以通过网络彼此互为后备机 一旦某台计算机出现故障 故障机的任务就可由其他计算机代为处理 避免了在单机无后备的使用情况下某台计算机故障导致系统瘫痪的现象 局域网LAN LocalAreaNetwork 局域网指网中的计算机结点是分布在短距离的地理范围内 一般不超过 公里 或建筑物内 并完全置于用户管辖之下的计算机网络 第二节计算机网络技术 三 计算机网络的分类 计算机网络的类型 可以按不同的标准划分 按网络涉辖范围分类计算机网络按其涉辖范围的大小可划分为三类 局域网 广域网和城域网 广域网WAN WideAreaNetwork 广域网也叫远程网 广域网是指网中结点分布不受地理范围和距离限制 连接若干个局域网的大型计算机网络 广域网又有两个特殊分类 企业网与全球网 企业网指的是大型企业内的网络 全球网指的是横跨全球的网络 1989年第一个真正的 可公共商用的全球网诞生了 它就是大名鼎鼎的Internet 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 城域网是指作用范围界于广域网和局域网之间 地理范围从几十公里至上百公里 其作用范围常常是覆盖一个城市 第二节计算机网络技术 按网络涉辖范围分类 三 计算机网络的分类 1 总线形结构网络中的各个节点都挂接在一条公共总线上 这条总线是任意节点之间通信的公共信道 该网络结构的突出特点是拓扑形式简单和易于扩充 如果一个节点发生故障 不会影响网络的正常工作 而且设备简单 安装简便 一般适用于局域网 第二节计算机网络技术 二 按拓扑结构分类 三 计算机网络的分类 计算机网络的拓扑结构 是从拓扑学的观点讨论网络的结点和传输链路构成的各种网络几何构形 2 星形结构星形结构以中心计算机为核心 分别连接若干个终端机的网络 这种网络控制简单 建网容易 但可靠性差 一旦中心节点发生故障会造成整个网络不能工作 另外 所有通信信息都经过中心节点 中心节点的处理速度成为系统的 瓶颈 4 环形结构环形结构中所有节点通过通信信道连接成一闭合回路 任何节点只有一个输入接口和一个输出接口 这种网连接简单 通信时没有路径选择问题 但它的数据平均传输延时大 可靠性低 当网络中任意一个节点或一段信道出现故障时 会导致整个网络不能工作 第二节计算机网络技术 二 按拓扑结构分类 三 计算机网络的分类 3 树形结构树形结构的网络是一种分级集中式网络 子网节点的连接形式如同树枝的分叉 子网的两端为根节点和叶节点 这种分级式网络拓扑 适合于上下级之间通信的场合 同级节点之间很少或没有通信要求 这种网络关系明确 但网络管理复杂 增加数据传输延时 5 分布式结构分布式网络没有固定的连接形式 网络中的信息流向是随机的 路径是根据各个节点的动恋情况进行选择的 因此它是网络中控制最复杂 软件最多的一种结构 耗资巨大 组建周期长 故很少在局域网中使用 一般用于广域网 第二节计算机网络技术 按拓扑结构分类 三 计算机网络的分类 第二节计算机网络技术 开放系统互连OSI是指为了在终端设备 计算机 人 网络和处理机之间交换信息所需要的标准化协议 为了将不同计算机厂家的计算机及设备连成网络 做到无论其设备向部结构如何 都能确保通信双方正确地通信与对话 这就要求信息的内容 格式 传输顺序等有一整套的规则 标准和约定 这就是所谓的协议 Protocol 对于非常复杂的网络协议一般采用层次式结构 所谓层次式结构是将一个复杂的系统设计问题划分成层次分明的一组组容易处理的干问题 各层执行自已所承担的任务 层与层之间有接口 为层与层之间的组合提供通道 层次结构设计是结构设计中主要的设计方法之一 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 计算机网络的分层及其协议的集合构成了计算机网络的体系结构 CNA ComputerNetworkArchitecture 1977年 国际标准化组织ISO提出了一种不基于特定机型 操作系统或公司的网络体系结构 即 开放系统互连参考模型 TheReferenceModelOfSystemInterconnection 简称OSI OSI定义了异种机连网的标准框架 为连接分散的 开放 系统提供了基础 所谓开放系统的含义是 任何信息系统 主要是计算机系统 只要遵循这一国际标准进行构造 它就可以与世界上所遵循同个标准的其它系统互连和互通 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 1 分层不要太多 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 一 OSI参考模型分层原则 2 层次的划分要便于标准化 3 各层次的功能要尽可能相对独立 对技术或处理上明显不同的功能应建立独立的层次 4 类似的功能要尽可能放在同一层内 5 各层的划分要便于层与层之间的衔接 各层的界面应设置在信息穿过接口最少的地方 6 扩充某一层的功能或协议不能影响其他层 7 根据需要 可以在同一层同再设置若干个子层次 8 对每一层仅建立它的相邻上下层的近界 二 OSI参考模型及其各层功能分布OSI为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架 国际标准化组织ISO7498文件 对它作了详细的规定和描述 OSI参考模型采用分层结构化技术 将整个网络的通信功能分为7层 由低层至高层分别是 物理层 数据链路居 网络层 传送层 会话层 表示展 应用层 它的分层结构如图2 4所示 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 第二节计算机网络技术 2 数据链路层 datalinklayer 数据键路层为第二层 它要将第三层 网络层 送来的数据按某个规程协议 将数据组装成一定的数据格式 帧 然后将帧交给物理层发送给对方 或将物理层送来的数据去掉帧的包装后送交网络层 数据链路层要对所传送的数据进行差错校验 似保证数据通信的正确性 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 l 物理层 physicallayer 物理层是OSI模型的最低一层 也是在同等层之间直接连接 交换信息的唯 一层 物理层传输的是原始数据 未经加工的二进制位流 第二节计算机网络技术 数据链路层必须具有下列功能 帧同步 它能识别帧的起始和结束 差错控制 链路层必须有查错和纠错功能 也就是说具有出错处理能力 数据流量控制 发送站的发送速度必须与接收站的接收速度相匹配 四 开放系统互连 OSI 模型 3 网络层 networklayer 网络层又被称为通信子网层 它是通信子网与高层结构的界面 负责控制通信子网的操作 这些操作主要包括 主机与通信子网之间的接口特性 报文分组的信息交换 通信子网的路由选择等 第二节计算机网络技术 5 会话层 sessionlayer 所谓 会话 是指任意两个用户 或进程 之间的逻辑联系 会话层的主要功能是为两个主机上的用户进程建立会话连接 并使用这个连接进行通信 4 传送层 transportlayer 传送层为第四层 又被称为主机 主机层 它的基本功能是接收会话层 第五层 发来的数据 根据需要把数据分割成许多很小的单位 并保证所有的数据单位正确地到达另一端的传送层 四 开放系统互连 OSI 模型 7 应用层应用层为用户进程提供访问OSI环境的手段 本层协议提供直接为端户用户服务的功能 这些功能包括 网络的完整透明性 操作用户资源的物理配置 分布式信息服务等等 第二节计算机网络技术 四 开放系统互连 OSI 模型 6 表示层 presentationlayer 表示层的用途是为应用层 第七层 提供可以选择的各种服务 如为用户提供转换服务 此外 数据压缩 数据加密等是表示层提供的典型服务 一 Novell的发展Novell是美国最大的网络系统软件公司之一 20世纪80年代初 Novell公司就开始研制生产微机局域网系统 并于1983年推出著名的Novell网 如今Novell网已成为局域网 LAN 中的出色代表 在欧美LAN市扬一直保持着绝对优势 在亚太地区也很受重视 在1988年的汉城奥运舍上 美国国家广播公司 NBC 建立了一个由125台PC机组成的大型Novell网络系统 我国1990年第十一届亚运会 选用Novell网并取得了成功 Novell网络是一种基于微机局域网基础上发展起来的网络 由网络接口卡 简称网卡 与媒体 网络工作站 网络