Transcript zjjc No1 - 上海市高校计算机应用基础课程

第一章 信息技术基础知识

信息的基本概念和基本特征、信息与数据的区别、信
息在人类社会中的地位。

信息技术发展概况：三个阶段和五个重大变革。

现代信息技术概况：现代信息技术的基础和内容。

信息技术的应用和对社会的影响。

信息安全的隐患和相应的安全措施。
信息与数据

信息（Information）概念由于分析的角度不同
而众说纷纭

数据：
反映客观事物属性的原始事实

信息：
一般认为，信息是客观世界物质及其运动
的属性及特征反映。是按特定的方式组织起来
的事实集合。
信息产业的形成

社会三大资源：物质、能源、信息
现代信息技术发展阶段
信息技术
近代信息技术发展阶段
计算机网络、光纤、卫星通信为主要特征
 信息技术
信息的电传输技术为主要特征
– 在信息的获取、整理、加工、传递、存储
电通信特点 : 传递信息快、远、多
和利用中所采取的技术和方法。
电通信方式 : 有线通信、无线通信、卫
 信息技术的三个发展阶段
星通讯
图1.2.4 现代信息技术的特征：网络、光纤、卫星通信
–
古代信息技术发展阶段
电通信种类
: 电报、有线电话、无线电
一门渗透性、综合性极强的高技术
话、传真、广播、电视
– 近代信息技术发展阶段
现代信息技术处于现代高技术群体中最核心
整个近代信息技术的发展过程就是电信 、最
 现代信息技术发展阶段
先导的地位
革命过程
现代信息技术是以电子技术，尤其是微电子技术为
基础、计算机技术为核心、通信技术为支柱，以信
息应用技术为目标的科学技术群。
现代信息技术的内容
⑴ 信息获取技术
⑵ 信息传输技术（通信技术）
⑶ 信息处理技术（计算机技术）
⑷ 信息控制技术
⑸ 信息存储技术
核心是3C技术
信
息
技
术
的
应
用
对
社
会
生
活
的
影
响
现代信息技术与教育

多媒体技术应用：改变传统教育方式
因特网使用：丰富教育信息资源，促使
教育向资源全球化、教学自主化、个性
化
 网络教育、远程教育、计算机辅助教学：
教育超时空开放，教育社会化和终身化


促使学校管理信息化、数字化、网络化
的定量综合科学管理
信息技术的应用对社会生活的影响

企业管理信息化


电子商务（electronic-basiness EB）
电子商贸（electronic-commerce EC）

电子商务对传统商业体系的影响

办公自动化

科研领域

工业领域（CAD、CAM、FMS）
推动农业现代化进程
家庭生活信息化


信息安全
 信息安全已成为社会普遍关注的问题
信息安全包括两种含义：
– 数据安全、计算机设备安全
信息安全的隐患
1. 计算机犯罪



非法盗用服务功能与黑客
线路窃听
盗窃财产：金融犯罪 、软件盗版
编写“期货精灵”程序的
25岁的“黑客”，因操纵
期货交易而受审。
2. 计算机病毒
3. 计算机设备“无意的”误操作和计算机设备物
理
性破坏
计算机病毒
计算机病毒的定义:
一种人为编制的具有寄生性
的计算机程序，它能在计算
机系统中生存，通过自我复
制进行传播，达到一定条件
时被激活，给计算机系统造
成破坏。
病毒的产生、病毒与反病毒
的斗争、信息战的实例
“蠕虫”病毒使网络流
量急剧增加。
病毒的特点、检测和清除
计算机病毒的特点:
破坏性，隐蔽性，传染性，潜伏性
计算机病毒的分类:
(1)按破坏程度: 良性病毒和恶性病毒
(2)按激活方式及破坏对象：引导型，文件型，
复合型，网络型
病毒的检测和清除程序
 病毒的监测程序 功能:可驻留内存，一旦发

现病毒，发出警报。
微电子技术基本知识
概要

电子管、晶体管及集成电路的最基本的原
理、变迁和发展

计算机工作基本原理、电子计算机的组成

流水线和平行处理的基本概念，存储管理
，以及总线、外设和接口等

计算机的软件系统的有关概念

论述计算机的分类及发展趋势
2.1.1 从电子管到晶体管到集成电路
 电子管
 晶体管
 集成电路
集成电路

“集成电路”(Integrated Circuit，IC)
把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、
实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块
小小的半导体芯片上
1967~1973年
集成度为
1000~10000个
单元
1978年集成度为
10万~100万个单
元，目前已突破
千万单元
（30mm2)
集成电路的设计和制作
1．传统的设计和制造方法

设计和绘制电子线路图

集成电路的线路图转绘成芯片布局图

分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图

数字化成“掩膜（Mask）”图纸

在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、
光刻、酸洗、烧结

芯片测试、切割、分档 、引脚焊接、封装
2．使用硬件设计语言



硬件描述语言
Hardware Discription Language，HDL
可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时
关系，比传统电路图更有效的表示电路的特性
用HDL设计集成电路时，设计文件是用HDL语言
编写的源程序。
– 便于保存、便于修改和阅读方便
– 能全自动生产、避免大量的差错
使用硬件设计语言HDL的设计方法及特点

TOP DOWN设计方法(三层描述)

HDL语言设计硬件的主要优点
集成电路用于电路设计
为了加快电路设计的速度，除直
接用HDL等语言帮助制造专用的集成电
路外，一般还可以利用集成电路作为模
块和分立元件进行组合以完成电路设计
。 主要有：
可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件
– Programmable Logic Controller，
PLC 或
Programmable Logic Device，PLD
– 用于设计用户专用集成电路芯片
微电子工业的几个热点

半导体工艺已经达到0.18微米及更小

Hardware Description Language(HDL)

印刷电路板的自动设计 —— ORCAD

数字信号处理机 —— DSP
 一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号
被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视
频和音频数字化信息。
 应用领域：
通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自
动控制、医疗、家用电器等 。
微电子技术展望

电子元器件和线路越来越 小、细，集成
度越来越高，芯片运行的速度越来越高快
人的头发
Intel 80386
100微米
1.20微米工艺
33MHz
Intel 80486
0.80微米工艺
100MHz
Intel Pentium
0.60微米工艺
200MHz
Intel P II
0.35微米工艺
500MHz
Intel P III
0.25微米工艺
800MHz
最近已经达到
0.13微米
2 GMHz
目前集成电路制造商进军
≤0.1微米工艺

摩尔定律 ：集成度每18个月翻一番，而
价格保持不变甚至下降
计算机基本结构和原理
了解计算机 基本工作原理、基本结
构及其发展的趋势，将有利于在计算机技术
高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。

计算机系统的基本组成：硬件和软件

硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备
、输出接口和设备、以及存储器等

软件组成：程序、文件以及有关的文档资料
计算机基本工作原理
1．基本组成
组成：存储器、运算器、控制器、输入设
备与输出设备等五大部分
 运算器、控制器制作在同一芯片内合称“
中央处理器（CPU）
 早期的以控制器、运算器为机器的中心

– 快速中央处理在等待慢速的外围设备
– 控制器的负担过重

现计算机改成以主存储器为中心
– 系统的输入／输出与CPU的运算并行
– 多种输入和输出并行
计算机基本工作原理
2．二进制编码
计算机内部采用二进制编码

原因：二值器件（如开/关）物理上容易实现
“是”和“否”二种状态的判断最为简单和稳定

常用数制
进位制
规则
基数
数符
权
形式表示

二进制
逢二进一
r=2
0,l
2i
B
八进制
逢八进一
r=8
0,1,…,7
8i
O
十进制
逢十进一
r=10
0,1,…,9
10i
D
十六进制
逢十六进一
r=16
0,1,…,9,A,B,C,D,E,F
16i
H
进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和
计算机基本工作原理
3．程序和数据的存储
 程序存储
和 程序控制
 存储器基本存储单元
 地址、地址总线和寻址能力
 计算机存储器极其作用
– 高速缓存
– 主存(内存）
– 辅存(外存)
计算机基本工作原理
4．指令系统
指令 用来指挥硬件动作的命令
 指令组成

– 操作码：指示要进行什么操作
– 操作数：指定操作对象 ，0-3个

寻址方式
–
–
–
–

立即数
直接地址
间接地址
变址
指令集
计算机基本工作原理
5．指令执行
由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条
，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕
 程序计数器（PC）
指令译码
取指令
 指令执行步骤：

–
–
–
–
取指令
指令译码
执行指令存
操作结果
指令周期
 CPU的时钟频率

存操作结果
执行指令
一般情况下，每完成一条指令，指令计
数器加一
图 指令的执行
流水线和平行处理
并行计算是为提高计算机的运行速
度而始终不变的基本思想之一。
 并行计算的基本途径：
– 流水线并行方式：时间上实现并行处理
– 多处理机并行方式 ：空间上实现并行处理
流水线和平行处理
1．流水线

流水线特征
过程被分成时间相等或成倍比的若干工序，分
别固定在顺序排列工位进行

流水线目的
提高效率

计算机流水线
执行四个步骤的四个执行部件同时执行不同指
令的相应处理，理想情况下，速度可提高四倍。
流水线和平行处理
2．流水线中的技术问题
 计算机流水线比工业生产流水线复杂
 计算机流水线的问题与处理
– 指令多样：多流水线
– 每条指令的步骤数不同：按最多步骤、延迟技术
– 各个步骤花费时间不同：化时长的分解成小步骤
– 指令间的数据相关性：避免发生、相关性预测
– 指令会发生跳转 ：取消、重取指令
流水线和平行处理
3．并行处理
并行处理的概念和实例
 并行处理的关键

– 问题分解
– 各个部分能相互交换信息达到“协同”工作
– 较高的性能价格比

并行处理 实施方案
– 多处理机系统
– 阵列计算机系统

– 多计算机系统
– 脉动阵列计算机系统等
实例：曙光公司生产的天演系列和天潮系列计算机
系统
100 ¸öÊý
1
2
3
4
5
50
1
2
2
13
1
2
7
4
2
1
2
2
4
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24
25
11
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6
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1
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6
50
存储器及其管理
 存储器器件的基本要求
– 能表示两个状态（电路、磁性体、光器件 ）
– 能保持状态的稳定 （磁性体最佳）
– 在控制条件下可以实现状态转换

存储器器件变革
– 电子器件
40年代，速度快，容量小，不能停电
– 磁芯存储器 50年代
– 半导体存储器 60年代 、速度快、体积小、耗电省
存储器及其管理
1．存储器器件的变革


目前常用内存半导体存储器类型
– DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小
– SRAM：集成度低、成本高、功耗较大
不同模式的DRAM
– 快速页模式（FPM，Fast Page Mode）
– 扩充数据输出（EDO ，Extended Data Out）
– 错误校验与纠正（ECC ，Error Checking and
Correcting）
– BEDO（Burst EDO）
– 同步动态RAM （SDRAM ，Synchronous Dynamic
RAM）
– RDRAM（Rambus DRAM）和DDR RAM（Double Date
Rate RAM）
存储器及其管理
2．现代存储技术
移动存储设备
 闪存卡：
–
–
–
–
Compact Flash (CF)卡
Smart Media (SM)卡
Multi Media Card(MMC)
索尼公司的Memory
Stick(MS)
– Scan Disk(SD)
存储器及其管理
2．现代存储技术
移动存储设备

磁光技术移动存储产品：
–
–
–
–
–
磁阻技术的ORB
结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的MO
体积小巧的Click!
IBM的Microdrive
使用了DVD技术的Dataplay
存储器及其管理
2．现代存储技术
移动存储设备

闪盘 ：
– 深圳朗科公司开发的优盘(OnlyDisk)
– 华旗资讯的爱国者迷你王(MiniKing)等
存储器及其管理
3．存贮器的层次结构
 计算机系统对存储器的要求：容量、速
度
 计算机内存储器的层次结构形式：
– Cache
– Memory
– disk
辅存
主存
软盘
硬盘
高速缓存
CPU
光盘
图 2-2-24
磁带等
存储器的层次结构
存储器及其管理
4．多级高速缓存

目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾

多级高速缓存
– 第一级Cache：在CPU的芯片内外部连线用内部连线替
代提高对Cache的存取速度，容量小
– 第二级Cache：在片外，安装在主板上，容量为256K
字节或512K字节

Cache的“命中率”的问题

各级缓存和内存间内容保持一致的问题
– 同步更新内存内容
– 滞后更新内容的方法
存储器及其管理
5．虚拟存储技术
 目的：扩大内存容量
 方法：
– 暂时不用的内存数据存入外存
—虚拟内存
– 需要时从外存调入内存运行
 得失：增加内存容量、降低运行速度
总线、外设和接口
1．总线和多重总线
 总线频繁的数据信息交换
的公共通道
 类型：数据总线、地址总线、控制总线
 总线的管理：申请、等待、判定、交用
 独立双重总线（Dual
Independent Bus）
– Pentium II芯片中实现
– 前端总线：微处理器和主存间的信息交换
– 后端总线：微处理器和高速缓存间信息交换
总线、外设和接口
2．外部设备
 外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机
 输入设备：键盘和鼠标
 输出设备：显示器和打印机
 其他设备：
绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、
数码照相机、声卡、音响等等
总线、外设和接口
2．外部设备
接连接存储设备(Direct Access Storage ，DAS)
硬盘：目标高速、大容量，已达单碟 40GB 100GB
– 常用接口标准：
EIDE（ Enhanced Integrated Drive Electric）接口
SCSI（Small Computer System Interface）接口

光盘：
– CD-ROM、CD-R（WORM）、CD-RW（E-R/W）
– DVD
– 常用接口标准：IDE
总线、外设和接口
2．外部设备
显示器、显示卡、键盘和鼠标
 显示器
参数：尺寸、分辨率、材料类型
 显示卡
– 总线类型：ISA、EISA、VISA和PCI 显卡
– 二维、三维加速显示卡
– 显示内存的型号（DRAM、EDO DRAM、VRAM
、WRAM）和容量
 键盘：101/102键
、Windows 、无线键盘
 鼠标：机械的、光电的、无线遥控
总线、外设和接口
2．外部设备
打印机和扫描仪
 打印机：
– 点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机
– 性能指标：打印分辨率dps、打印速度ppm
 扫描仪
– 性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数 、
扫描幅面 、扫描速度
 手持式扫描仪
总线、外设和接口
2．外部设备
其他设备

声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音
– 技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号处
理器（DSP）、波表（Wave Table）合成、Internet连
接的功能

调制解调器：电话线上网
– 技术指标：速率、差错控制标准 、数据压缩标准 、传
真（FAX）功能、兼容性

网卡
总线、外设和接口
3．主机板上的ISA到PCI总线
PC(PC/XT)总线：8位扩展总线
 PC/AT总线 ：16位扩展总线
 ISA总线 ： 16位扩展总线
 MCA总线：IBM、32位、强化仲裁
 EISA总线 ：
 VL-Bus总线 :和微处理器直连、同速、显示
 PCI总线 : 不直连（PC桥）
 VL-Bus 2.0 总线 ：64位、更高传输速率、ISA兼容
 PCMCIA总线 ：小、薄、轻环境下的总线系统

总线、外设和接口
4．硬盘接口类型及选择


最早的是ST-506和ESDI
IDE(Intelligent Device Electronics, 智能设备电子接口)
– 控制部分设置到硬件驱动器中
– 最多支持两个硬盘，每个硬盘的容量最大为528MB
– 它的传输速率达到15MB/s

EIDE（Enhanced Intelligent Device Electronics）
– 支持四台存储设备，存储容量突破528MB限制
– 传输速率可达到12MB/s一18MB/s，传送带宽32位

SCSI（Small Computer System Interface）接口
– 是一种系统级接口，可以连接各种不同的设备
– 一个SCSI接口可支持多台设备
5．从RS232C到USB

RS232C：通用的串行端口

USB：通用串行总线（Universal Serial Bus）由Intel提出的一种新型
接口标准，目前已是主流规范
– 使所有的低速设备都可以连接到统一接口上
– 支持功能传递，可以相互连接成串
– USB接口本身就提供动力来源
– 具有即插即用功能
– 以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设
– 最大数据传输速率为12Mbps
– USB 2.0的数据传输速率可达到480Mbps

IEEE 1394：
– 另一个用于高速传输数据的串行接口标准
– 数据传输速率可达到400Mbps。
计算机系统结构的分类

按器件分：电子管；晶体管；集成电路；大规模、超大规
模集成电路计算机等

按大小分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机

按用途分：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服
务器、家用计算机等。

按数据类型分：定点机、浮点机、向量机、堆栈机

按处理机个数和种类分：单处理机、并行处理机、多处理
机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线
处理机。

按指令的复杂程度分：复杂指令集计算机和简单指令集计
算机
计算机系统结构的分类
按并行度分类：比较流行和合理的分类
 指令流和数据流
 单指令流单数据流计算机（SISD）
 单指令流多数据流计算机（SIMD）
 多指令流单数据流计算机（MISD）
 多指令流多数据流计算机（MIMD）
计算机系统结构的分类
按指令的复杂程度把计算机划分
 复杂指令集计算机CISC
（Complex Instruction Set
Computing）
 简单指令集计算机RISC
（Reduced Instruction set
Computing）
计算机系统及应用

计算机系统组成：计算机硬件和计算机软件

计算机软件分两大类：系统软件和应用软件

系统软件：
– 为运行计算机而必须的最基本的软件
– 功能：管理各种资源，人机交互，高级语言的解释、编译
、基本的系统维护调试等

应用软件
– 为完成某种具体的应用性任务而编制的软件
计算机系统及应用
应用程序
编译、汇编、支撑
操作系统
裸机
图 计算机系统的层次结构
操作系统

不同类型的计算机操作系统也往往不同
– Apple的New iMac计算机：Mac OS X
– IBM RS/6000 44P Model 170 ：AIX Version 4.3

60年代初出现的监控程序是操作系统的前身

1964年IBM公司推出 IBM OS/360

AT&T公司从60年代末到70年代初研制了UNIX操作系统 ，是
操作系统发展史上的重大事件。

单用户、单任务→向单用户、多任务→多用户、多任务

在计算机内部操作系统的管理下，各个工作都被设置成一个
个相对独立的程序，也称为“进程”（Process）
操作系统
1．操作系统的基本功能
一、管理、调度计算机系统的资源
– 处理器管理
– 输入输出设备管理
– 存储器管理
– 信息管理
二、提供友好的界面和良好的服务
– 操作系统是用户与计算机的接口
– 提供软件开发的各个阶段所需的工具软件
– 提供庞大的可调用的程序库
– 提供重用技术以方便用户调用这些软件模块
操作系统
2．多道程序设计技术的基本特性
在计算机的主存中存放多道用户和任务为目标
的进程，他们同时处于运行状态并共享系统的资源。
原由： CPU同常用的输入输出设备（如打印机、磁盘等）
之间速度的差距太大
目的：提高CPU的利用率，充分发挥并行性
途径：直接控制输入输出工作转交给“通道”
– 并行性：并行运行、协调关系、避免干扰
– 共享性：允许共享所有系统资源
操作系统
3．操作系统的类型
按硬件大小：大型机操作系统、小型机操作系统和微型
机操作系统
按用户数：单用户操作系统和多用户操作系统
按任务：单任务操作系统和多任务操作系统
按使用和技术相结合的角度：
–批处理操作系统
–分时操作系统
–实时操作系统
–网络操作系统
计算机语言和工具类软件
和操作系统一起用于开发应用软件的
– 计算机语言的编译或解释程序
– 连接程序、查错程序等
和 操 作 系 统 一 起 参 与 管 理 计 算 机 系 统 的 软 件
计算机系统的管理软件，也称为“支撑软件
– 系统管理工具
– 网络管理工具
– 各种驱动程序和软件开发工具等
计算机语言和工具类软件
1．计算机语言
计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言
高级语言解释方式：编译和解释
程序设计的方法
– “面向过程”（Process-Oriented） ：流程
– “面向结构”（Structure-Oriented）：模块/实体
FORTRAM、Pascal、COBOL、C
– “面向对象”（Object-Oriented）：对象、实体/事件
Visual Basic、Java、C++
选用高级语言
计算机语言和工具类软件
2．工具软件
实用工具是系统软件的一个组成部分，用来帮
助用户更好地控制、管理和使用计算机的各种资源。
开发工具：用于开发程序
系统工具软件：帮助管理系统
网络工具软件
帮助管理网络
网络工具软件
帮助管理网络
驱动程序
帮助连接外部设备
应用软件
应用软件进行大致的分类
– 信息管理类
– 字、表处理软件
– 教育软件
– 游戏软件
– 翻译软件
– 杀毒软件
– 多媒体类
–图形图像处理类
– 其他
嵌入式系统
嵌入式系统（Embedded
System）是一种小型
的计算机系统，它被嵌入在某种具体的电子设备之
中。
嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分：
– 硬件：包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和
I/O端口、图形控制器等
– 软件：包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）
和应用程序，往往会把这两种软件组合在一起
嵌入式系统已经被广泛应用嵌入式设备中
嵌入式系统
1．嵌入式计算机系统的特点
（1）面向特定应用
（2）量体裁衣、高效率设计
（3）软件被固化
（4）开发工具和环境
（5）较长的生命周期
嵌入式系统
2．嵌入式操作系统概述
QNX
Windows CE
VxWorks
pSOS
Palm OS
OS-9
DeltaSystem
Hopen
嵌入式系统
2．嵌入式系统的发展趋势
（1）嵌入式处理器向64位过渡
（2）嵌入式Linux操作系统
（3）联网成为必然趋势
（4）实现微小尺寸、微功耗和低成本
（5）提供精巧的多媒体人机界面
计算机发展趋势

结构的改革
–流水线、平行处理
智能仿真
–神经网络、模糊逻辑、多值逻辑
新材料、新技术
–生物计算机、光计算机、量子计算机