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信息技术知识点整理


信息技术知识点整理
傅 宁 121090036 第 1 章 信息技术概述 1.1 信息与信息技术 1.信息是什么?信息是指“事物运动的状态及状态变化的方式” ,它既不是物质也不是能量。 2.客观世界的三大构成要素:信息、物质、能量。 3.信息的性质:普遍性、动态性、时效性、多样性、可传递性、可共享性、快速增长性。 *4.什么是信息处理?信息处理指的是与 信息的收集、加工、存储、传递、施用 相关的行 为和活动。 5.什么是信息技术?信息技术(IT,ICT)指的是用来 扩展人们信息器官功能,协助人们更 有效地进行信息处理 的一类技术。 信息技术包括:①扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术; ②扩展神经系统功能的通信技术; ③扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术; ④扩展效应器官功能的控制与显示技术。 6.现代信息技术的三大特征:①以数字技术(计算机)为基础;②以计算机及其软件为核心; ③采用电子技术(包括激光技术) 。 核心技术:计算机、集成电路、通信、广播、互联网、自动控制、机器人等。 7.什么是信息产业?信息产业 (也称为“电子信息产业”) 是指 信息设备生产制造,以及利 用这些设备进行信息采集、储存、传递、处理、制作与服务的所有行业与部门的总和。 8.什么是信息化?信息化是指由信息技术驱动的经济和社会的变革。信息化的本质是 利用 信息技术帮助社会个人和群体有效利用知识和新思想, 从而能建成充分发挥人的潜力, 实现 其抱负的信息社会。 1.2 数字技术基础 1.什么是比特?比特(b)是数字技术的处理对象,是组成数字信息的最小单位。它只有两 种状态(取值) 。 计算机(包括其它数字设备)中所有信息都使用比特(二进位)表示,只有使用比特 表示的信息计算机才能进行处理、存储和传输。 2.计算机中表示与存储(比特)二进位的方法:电路的高电平状态或低电平状态(CPU) 电容的充电状态或放电状态(RAM) 两种不同的磁化状态(磁盘) 光盘面上的凹凸状态(光盘) 3.用比特表示信息的优点: ① 比特只有 0 和 1 两个符号,具有 2 个状态的器件和装置就能表示和存储比特,而制 造两个稳定状态的电路又很容易 ② 比特的运算规则很简单,使用门电路就能高速度地实现二进制数的算术和逻辑运算 ③ 比特不仅能表示“数”,而且能表示文字、符号、图像、声音,可以毫不费力地相互 组合,开发“多媒体”应用 ④ 信息使用比特表示以后,可以通过多种方法进行“数据压缩”,从而大大降低信息传 输和存储的成本。 ⑤ 使用比特表示信息后,只要再附加一些额外的比特,就能发现甚至纠正信息传输和 存储过程中的错误,大大提高了信息系统的可靠性

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4.存储容量的计量单位:8b=1B(字节 byte,用大写 B 表示) 计算机内存储器容量的计量单位: KB: 1 KB=2^10 字节=1024 B (千字节) MB: 1 MB=2^20 字节=1024 KB (兆字节) GB: 1 GB=2^30 字节=1024 MB (吉字节、千兆字节) TB: 1 TB=2^40 字节=1024 GB (太字节、兆兆字节) 外存储器容量经常使用 10 的幂次来计算: 1MB=10^3 KB =1 000 KB 1GB=10^6 KB =1 000 000 KB 1TB= 10^9 KB = 1 000 000 000 KB 5. 信息是可以传输的,信息只有通过传输和交流才能发挥它的作用。在数字通信技术中, 信息的传输是通过比特的传输来实现的。 近距离传输时直接将用于表示“0/1”的电信号或光信号进行传输(称为基带传输) ,远 距离传输或者无线传输时需要使用调制技术。 传输速率表示每秒钟可传输的二进位数目,常用单位是: 比特/秒(b/s),也称“bps” 。如 2400 bps(2400b/s) 千比特/秒(kb/s),1kb/s=10^3 比特/秒=1 000 b/s 兆比特/秒(Mb/s),1Mb/s=10^6 比特/秒=1 000 kb/s 吉比特/秒(Gb/s),1Gb/s=10^9 比特/秒=1 000 Mb/s 太比特/秒(Tb/s),1Tb/s=10^12 比特/秒=1 000 Gb/s 6. B:二进制 Q:八进制 D:十进制 H:十六进制 2^11=2048 二进制 十进制 2^12=4096 0.1 0.5 2^13=8192 0.01 0.25 2^14=16384 0.11 0.75 2^15=32768 0.001 0.125 2^16=65536 0.011 0.375 2^20=1M 0.101 0.625 2^30=1G 0.111 0.875 2^40=1T 7.数值信息的表示: (1)无符号整数:只表示正整数。n 位二进制数可表示的最大十进制数为 2^n-1。 (2)带符号整数:可以表示正整数、负整数、零。 最高位为符号位, “0”表示“+” , “1”表示“-” n 位二进制数可表示的十进制数范围为-2^(n-1)+1~2^(n-1)-1 上面的表示方法称为“原码” 。带符号整数在计算机内不采用“原码”而采用“补码”的形 式表示。 补码:符号位不变,绝对值部分取反加 1。-43 的原码:10101011 补码:11010101 相同位数的二进制补码可表示的数的个数比原码多一个。 (3)浮点表示:任一个二进制实数 N 均可表示为 N=±S?2P (其中, ±是该数的符号; S 是 N 的尾数;P 是 N 的阶码) +1001.011B = + 0.1001011B?2^100
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-0.0010101=-0.10101*10^(-10) 因此,32 位的单精度浮点数在计算机中可表示为: 符号位 8 位阶码 32 位位数

8.文字符号的表示: 日常使用的书面文字由一系列称为“字符”的书写符号所构成,计算机中常用字符的 集合叫做“字符集” (西文字符集、中文(汉字)字符集) 。 最常用的西文字符集是 ASCII 字符集, 包含 128 个字符, 包括 96 个可打印字符和 32 个控制字符, 每个字符采用 7 个二进位进行编码, 计算机中使用 1 个字节存储 1 个 ASCII 字 符。 ASCII 字符集中 ASCII 码从小到大先数字后小写字母再后大写字母。 9.基本逻辑运算:逻辑加: “或”运算 逻辑乘: “与”运算 取反:否定运算 1.3 微电子技术简介 1.微电子技术是信息技术领域中的关键技术,是发展电子信息产业和各项高技术的基础,它 是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。微电子技术的核心是集成电路技术。 2.电子电路中元器件的发展演变:电子管→晶体管→小规模集成电路→超大规模集成电路 3.什么是集成电路? 集成电路 (IC):是以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺,将晶体管、电阻、电容 等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统。 (1)集成电路的优点:体积小、重量轻;功耗小、成本低;速度快、可靠性高。 (2)集成电路的分类:按用途分:通用集成电路、专用集成电路(ASIC) 按电路的功能分:数字集成电路、模拟集成电路 按晶体管结构、电路和工艺分:双极型(Bipolar)电路、金属 氧化物半导体(MOS)电路· · · · · · 按集成度 ( 芯片中包含的元器件数目 ) 分:小规模集成电路 (SSI) 、中规模集成电路(MSI) 、大规模集成电路(LSI) 、超大规模集成电路(VLSI) 、极 大规模集成电路(ULSI) (3)集成电路的发展趋势:集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管 的尺寸越小,其极限工作频率越高,门电路的开关速度就越快,相同面积的晶片可容纳的晶 体管数目就越多。所以从集成电路问世以来,人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接 线的尺寸上下功夫。 4.什么是 IC 卡? IC 卡(chip card、smart card),又称为集成电路卡,它是把集成电路芯片密封在塑料卡 基片内,使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体 (1)特点:存储信息量大、保密性能强、可以防止伪造和窃用、抗干扰能力强、可靠 性高。 (2) IC 卡的类型:按芯片分类:①存储器卡 ②CPU 卡 按使用方式分类:①接触式 IC 卡 ②非接触式 IC 卡(频射卡、感应卡)

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第 2 章 计算机组成原理 2.1 计算机的组成与分类 1. 1946 年美国宾州大学研制成功第 1 台数字电子计算机 ENIAC(最致命缺点:程序与计算 分离) 2. 第 1~4 代计算机对比 代别 第1代 年代 20 世纪 40 年代中期 ~50 年代末 期 20 世纪 50 年代中后 期~60 年代 中期 20 世纪 60 年代中期 ~70 年代初 期 20 世纪 70 年代中期 以来 使用的主要元器件 CPU:电子管 内存:磁鼓 外设:磁带 CPU:晶体管 内存:磁芯 外设:磁盘 使用的软件类型 使用机器语言(二 进制)和汇编语言 (符号化机器语 言)编写程序 使 用 FORTRAN (第一个高级语 言)等高级程序设 计语言 主要应用领域 科学和工程计算

第2代

开始广泛应用于数据 处理领域

第3代

CPU:中、小规模集 操作系统、数据库 成电路 (SSI、 MSI) 管理系统等普遍使 内存:SSI、MSI 的 用 半导体存储器 CPU:大、超大规模 集 成 电 路 ( LSI 、 VLSI) 内 存 : LSI 、 VLSI 的半导体存储器 软件开发工具和平 台、分布式计算软 件等开始广泛使用 (软件工程)

在科学计算、数据处 理、工业控制等领域 得到了广泛应用 深入到各行各业。家 庭和个人普遍使用计 算机

第4代

3.计算机的逻辑结构 (1)硬件:计算机系统中所有实际物理装置的总称。 软件:在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。 (2)经典计算机的逻辑结构(冯.诺依曼计算机):

存储器

输入设备

运算器和控制器

输出设备

(3) 现代计算机的逻辑结构 输入设备:向计算机输入信息 中央处理器:负责对输入信息进行各种处理 内存储器和外存储器:把程序和数据(包括原始数据、中间运算结果、最终结果等)储 存起来 输出设备:把信息送出计算机 总线与 I/O 接口:用于连接 CPU、内存、外存和各种 I/O 设备并在它们之间传输信息的
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一组共享的传输线及其控制电路,为 CPU 总线(前端总线)和 I/O 总线。

memory

CPU

中央处理器 (运算器及其控制)

内存储器 控制器

总线(bus)
I/O 设 备 通 过 I/O 接口与各自的控制 器连接, 然后由控制 器与I/O总线相连

控制器 I/O接口 输入设备

控制器 I/O接口 输出设备

控制器 外存储器接口 外存储器
storage

与经典计算机结构相比的 3 个变化: 集中控制→分散控制 存储器→内存储器+外存储器 通过 CPU 通信→通过总线进行通信 4. 内存与外存对比 内存储器 (简称内存或主存) 存取速度 存储容量 性质 用途 很快 较小(因单位成本较高) 断电后信息消失 外存储器 (简称外存或辅存) 较慢 很大(因单位成本较低) 断电后信息保持

存放已经启动运行的程序和需 长期存放计算机系统中几乎所有的信 要立即处理的数据 息 CPU 所处理的指令及数据直接 程序及相关数据必须先送入内存后才 从内存中取出 能被 CPU 使用

与 CPU 关系

5.计算机的分类 按内部逻辑结构分类:8 位/16 位/32 位/64 位;单 CPU/多 CPU? ? ? 按性能和价格分类:巨型计算机、大型计算机、小型计算机(服务器) 、个人计算机 (台 式 PC、笔记本 P、C 平板电脑等)、嵌入式计算机 巨型、大型计算机作为服务器使用,个人计算机独立使用或作为客户机使用 个人计算机特点:价格便宜、使用方便、软件丰富、 性能不断提高、 适合办公或家庭使用。

按计算机服务的对象和作用分类:

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类型

服务对象 应用性质 主要特点

分类或应用举例 软件特点 种类多,功能 丰富,用户可自 行装卸

个人计算机 直 接 为 用 通用 户服务

性能/价格比高 工作站 多媒体性能好 台式机 有通用性和可扩展性 笔记本 吞吐率高 可用性好 有可扩展性)

服务器

为 其 它 计 半通用 算机服务

数据库服务器 实时处理和并 Web 服务器 发工作能力 打印服务器 强,可靠性和 ( 企 业 级 , 部 门 安全性好 级? ?) 功能专用、单 一、结构紧凑, 固化在芯片 中,不易修改 和扩充

嵌入式计算 为 其 它 设 专业 机 备服务

价格便宜 手机 功耗低 数码相机 实时处理 MP3 播放器 软件固化, 扩展性差 ? ? ?

2.2 CPU 的逻辑结构与工作原理 1.冯· 诺依曼计算机的结构与原理(图见 P4) (1) 计算机的工作由程序控制,程序是一个指令序列,指令是能被计算机理解和执行的操作 命令; (2) 程序(指令)和数据均以二进制编码表示,均存放在存储器中; (3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ; (4) 指令是由 CPU 一条一条顺序执行的。 2.“存储程序控制” 原理 将问题的解算步骤编制成为程序,程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放 在存储器中。 程序运行时,CPU 从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定, 对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。

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3.什么是指令?指令就是命令,它用来规定 CPU 执行什么操作。指令是构成程序的基本单 位,程序是由一连串指令组成的。指令采用二进位表示,大多数情况下,指令由两个部分组 成:

4.CPU 的组成部分:运算器 ( 对数据进行各种算术或逻辑运算,所以称为算术逻辑部件 (ALU),参加 ALU 运算的操作数通常来自通用寄存器 GPR ,运算结果也送回 GPR)、控制 器和寄存器 5.CPU 的任务:取指令并完成指令所规定的操作。

6. 指令在计算机中的执行过程:指令→指令译码→取数→运算→保存 通常,每一步需要 1 个或几个时钟周期才能完成。 7.什么 4 是指令系统?CPU 可执行的全部指令称为该 CPU 的指令系统,即它的机器语言。 8.CPU 的性能 (1)计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢,计算机性能由许多因素决定,例 如 CPU 的内存、硬盘、显卡等,但通常 CPU 是主要因素 (2)CPU 的性能高低主要表现为 CPU 的速度,有两种衡量方法: 1.每秒钟可执行的指令数目(单位:MIPS、MFLOPS) 2.PC 大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和 3D 游戏等)的运行速度 来测试 CPU 的性能 (3)影响 CPU 性能的主要因素:字长(位数) 、指令系统;{体系结构} 逻辑结构、高速缓存(cache)的容量与结构;{逻辑实现} 主频(CPU 内部时钟频率) 、CPU 总线速率;{物理实现}

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(4)提高 CPU 性能的 3 大措施 1 改进 CPU 结构; 2 提高 IC 速度(主频);3 增加 CPU(核)的数目。 2.3 PC 机的组成 1.主板 (1)主板的作用:安装所有的电子器件、电路与连接件。 扩充卡插槽 (PCI-E x1) 扩充卡插槽 (PCI) 显示卡插槽 (PCI-E x16) BIOS ROM CMOS 存储器 光驱及 硬盘连接器 I/O设备插口

CPU插座 处理器 插座 北桥 芯片 存储器插槽 电源连接器

南桥 芯片

(2)主板内容:见上图 (3)ROM BIOS:存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS) (4)CMOS 存储器:存放硬件配置信息和系统基本参数(日期、时间、口令等) 2.芯片组的作用

CPU芯片
CPU前端总线 图形卡接口 DDR 2 双通道 DDR 2 音频Codec 电话Modem

北桥
MCH

存 储 器

硬盘接口(x2) 以太网接口 键盘 , 鼠标 , 软驱 , 并口,串口等 Super I/O

南桥
ICH5 ROM BIOS

PCI 插槽(≤6个) USB 2.0接口(x8) 电源管理、时钟生成

芯片组是 PC 机各组成部分相互连接和通信的枢纽 北桥芯片:1.存储器控制功能;2.连接 CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽 南桥芯片:1.多种 I/O 设备的控制功能; 2.I/O 总线(PCI 总线) 功能; 3.提供了各种 I/O 接口 3.BIOS (1)什么是 BIOS (Basic Input/Output System)? 中文名为“基本输入/输出系统”,它是存放在主板上只读存储器(ROM)芯片中的

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一组机器语言程序。 (2)功能:诊断计算机故障、启动计算机工作、控制基本外设的输入输出操作(键盘、 鼠标、磁盘读写、屏幕显示等) (3) BIOS 芯片:保存 BIOS 的只读存储器(ROM)芯片 (4)BIOS 芯片中包含的程序:加电自检程序程序(POST) 、系统自举程序(Boot) 、CMOS 设置程序、常用外部设备的驱动程序(Driver) 4.内存储器的分类及应用 内存由半导体存储器芯片组成,芯片有多种类型:

5.主存储器(RAM)的功能与原理

(1)主存是 CPU 可直接访问的存储器,用于存放供 CPU 处理的指令和数据 (2)特点:以字节为单位进行连续编址,每个存储单元为 1 个字节(8 个二进位) (3)存储容量:主存储器中所包含的存储单元的总数(单位:MB 或 GB) (4)存取时间:从 CPU 送出内存单元的地址码开始,到主存读出数据并送到 CPU(或者是 把 CPU 数据写入主存)所需要的时间(单位:ns,1 ns = 10-9 s) (5)PC 机主存储器的物理结构 主存储器由 1~4 个内存条组成 内存条的组成:把若干片 DRAM 芯片焊装在一小条印制电路板上制成 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用

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6.

高速缓存(cache) (1)cache 是一种小容量高速缓冲存储器,它由 SRAM 组成 (2)cache 直接制作在 CPU 芯片内,速度几乎与 CPU 一样快 (3)程序运行时,CPU 使用的一部分数据/指令会预先成批复制在 cache 中,cache 的内容是主存储器中部分内容的映象 (4)当 CPU 需要从内存读(写)数据或指令时,先检查 cache 中有没有,若有,就直 接从 cache 中读取,而不用访问主存储器

7.小结:计算机存储器的层次结构

典型存取时间
1 ns 2 ns 10 ns 10 ms 10 s 寄存器 cache存储器 主存储器(RAM和ROM) 外存储器(软盘、硬盘、光盘) 后备存储器(磁带库、光盘库)

典型容量
<1KB 几个MB

内存储器

几个GB

外存储器 100GB-1TB
10TB-100TB

(1)分析:速度越快,成本较高。 为了获得好的性能/价格比,计算机中各种存储 器组成一个层状的塔式结构,取长补短,协调工作 (2)工作过程: 1)CPU 运行时,需要的操作数大部分来自寄存器 2)如需要从(向)存储器中取(存) 数据时,先访问 cache,如在,取自 cache 3)如操作数不在 cache,则访问 RAM,如在 RAM 中,则取自 RAM 4)如操作数不在 RAM,则访问硬盘,操作数从硬盘中读出→RAM →cache 8. I/O 操作的任务与特点 (1)输入的任务:将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域 (2)输出的任务:将内存储器指定区域的内容送出到输出设备 (I/O 操作也包括外存与内存之间的数据传输) (3)I/O 操作的特点: ①I/O 操作与 CPU 的运算可同时进行 ②多个 I/O 设备的操作也可同时进行工作 ③每类 I/O 设备都有各自的控制器, 它们按照 CPU 的 I/O 操作命令, 独立地控制 I/O 操作的全过程 9.关于计算机中的总线 (1)总线的定义:用于在 CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一 个共享的信息传输通路及其控制部件。 (2)总线的特点:①共享; ②高速 (3)总线的参数:数据通路宽度;总线工作频率;每秒传输次数 总线带宽(最高传输速率)=(数据通路宽度/8) x 总线工作频率 x 传输次数 (4)总线的类型:①CPU 总线(前端总线 FSB) ②存储器总线 ③I/O 总线( 目前使用的是 PCI 和 PCI-E 两种)

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10. I/O 接口 (1)I/O 接口:I/O 设备与主机之间的连接器。包括:插头/插座的形式、通讯规程和 电器特性等 (2)分类: 从数据传输方式来分:串行(一次只传输 1 位) 、并行(多位一起进行传输) 从是否能连接多个设备来分:总线式(可连接多个设备) 、独占式(只能连接 1 个设备) 从是否符合标准来分:标准接口 (通用接口) 、专用接口 (专用接口) *PC 机常用 I/O 接口 名称 串行口 并行口(增强式) USB(1.0) USB(1.1) USB(2.0) IEEE-1394a IEEE-1394b IDE SATA 显示器输出接口 PS/2 接口 红外线接口 串行,双向 并行,双向 串行,双向 并行,单向 1 串行,双向 最多 63 1~4 数据传输方式 串行,双向 并行,双向 可连接的设备数目 1 通常连接的设备 鼠标器,MODEM 打印机,扫描仪 键盘,鼠标器,数码 相机,移动盘等 外接硬盘,数字视频 设备,扫描仪等 数字视频设备 硬盘,光驱,软驱 硬盘,光驱 显示器 键盘或鼠标 键盘,鼠标器,打印 机等

最多 127

11. USB 接口 (1)通用串行总线式接口(Universal Serial Bus ) (2)高速、可连接多个设备、串行传输 12. 小结 1:I/O 总线,I/O 控制器,I/O 接口与 I/O 设备的关系

I/O控制器 芯片组 CPU 内存 PCI插槽 主板

主 板 插 槽

IDE接口 硬盘 光驱 I/O总线

机 箱 机箱 插座 机箱 插座

I/O设备 I/O设备 I/O设备
I/O接口

键盘 鼠标器 打印机 扫描仪 显示器 麦克风 网线

I/O控制器 板卡 (扩充卡) 插座

(1)I/O 设备通常都是物理上相互独立的设备,它们一般通过 I/O 接口与 I/O 控制器(或 I/O 总线)连接 (2)I/O 控制器通过扩展卡或者南桥芯片与 I/O 总线连接 (3)I/O 总线经过北桥芯片与内存、CPU 连接
11

13.

小结 2: I/O 总线,I/O 控制器,I/O 接口与 I/O 设备的关系

2.4 常用输入设备 (1)键盘:早期:机械式键盘 (2)鼠标:早期:机电式鼠标 (3)数码相机:

现在:电容式键盘 现在:光电式鼠标

数码相机原理图
光 信 号 模拟 电信号 数字 信号

镜 头

CCD 阵列

A/D 转换

图像 处理 与 数据 压缩

图像 数据

存 储 器

图像 数据

PC机 接口 电路 打印机 电视机

光信号聚焦在 CCD或 CMOS成像芯片上,并 由成像芯片转换成电信 号。 成像芯片的像素 数目越多,图像的分辨 率就越高
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使用嵌入式处理器 和数字信号处理器 (DSP)对图像进行色 彩处理和数据压缩 等处理,然后将图 像以JPEG格式表示

使用闪烁存储器做 成的可插拔的存储 卡。种类很多,如 SD卡、XD卡、CF 卡、Memory Stick 卡和MMC卡

USB 接口或 1394接 口

2.4 常用输入设备

数码相机的主要性能指标:CCD 像素数目、存储器容量 2.5 常用输出设备 1.计算机显示器 (1)作用:是计算机必不可少的图文输出设备,它能将数字信号转化为光信号,使文字 和图像在屏幕上显示出来 (2)组成与分类:

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(3) LED 背光显示器 3 大优点:功耗小对比度大色彩鲜艳
(4)显示器的性能参数:①显示屏尺寸与屏幕宽高比;②显示分辨率:水平像素个数?垂 直像素个数;③刷新速率;④响应时间;⑤亮度和对比度 ;⑥背光源类型 :LED 或荧 光灯管;⑦辐射和环保。 (5)显示器的新发展:3D 立体显示器、有机发光二极管(OLED)可弯曲显示器 2.显示控制器(显卡) 独立显卡:以扩展卡形式插在机箱中 显卡的类型 集成显卡 显示使用的存储器需占用内存的一部分 显卡集成在 主板上 绘图处理器包含在北桥芯片中,功能较弱

显示存储器
(VRAM) 显示器

与北桥 芯片的 接口

CPU
北桥芯片

绘图处理器
显示控制电路

内存条

(显示卡)

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显示卡与显示器的工作过程
CPU将需要显示 的图文内容从内 存传送到显示卡 显卡上的绘图处 理器在显示存储 器中生成被显示 内容的映像,然 后由数模转换器 将数字映像转换 为红、绿、蓝三 路信号

红、绿、蓝三 路信号通过电 缆线送到CRT

红、绿、蓝三路 信号控制电子枪 发射出相应的3 个电子束轰击显 像管的荧光屏
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当电子束轰击显 像管荧光屏背面 的磷光点时,屏 幕上便显示出彩 色的图像和文字

2.5 常用输出设备

显卡的性能指标 绘图处理器(图形引擎)类型 显存容量 128MB~2GB,大多采用 DDR2, GDDR3 或 GDDR4 存储器组成 主机接口 AGP x4, x8 PCI-E x16(4GB/s ) 显示器接口: VGA 接口(D-Sub 接口) :模拟接口 DVI 接口:数字接口 HDMI 全高清多媒体接口(以无压缩方式传送 1920 x 1200 的数字视频 信号和 5.1 声道音频信号) 3.打印机 (1)作用:将程序、数据、字符、图形打印输出在纸上 (2)类型:针式打印机、激光打印机、喷墨打印机 (3)针式打印机 类型:属于击打式打印机 优点:耗材成本低,能多层套打,适合于票据打印 缺点:打印质量不高,工作噪声很大,速度慢 应用:银行、证券、邮电、商业等领域 用于打印存折和票据 等 (4)激光打印机 类型:属于非击打式打印机 原理:激光技术与复印技术的结合 优点:分辨率较高,打印质量好 速度高,噪声低 价格适中 缺点:彩色输出价格还比较高

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接口:过去是并行口,目前流行使用 USB 接口 应用:办公室和家庭应用

激光打印机工作原理
激 光 束 偏 转 装 置 感 光 鼓 潜 像 电 子 照 相 辐红 射外 定 影线 热
打印 输出

激光器

调制电压 调制驱动电路 1001101 …… 打印内容

纸输入
硒鼓表面被激光照 射产生电荷而吸附 炭粉,从而生成输 出图像的潜像 将墨粉印在 纸上

不断旋转的反射镜 把经过调制的激光 束反射到感光鼓 (硒鼓)上

纸被加热加 压后,墨粉 将固定在纸 面上

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2.5 常用输出设备

(5)喷墨打印机 类型:非击打式打印机,大多为彩色打印 优点:可以打印近似全彩色图像,经济,效果好,低噪音,使用低电压,环保 缺点:墨水成本高,消耗快 应用:家庭及办公 2.6 外存储器 1.PC 机的外存储器 (1)硬盘存储器 功用:长期(非易失性)保存二进制信息 特点:可读可写 容量很大(当前台式 PC:250GB~1000GB) 可靠性高 成本极低(当前:0.5GB~1GB/元) 技术发展很快,容量将更大,成本会更低 磁盘存储器的信息存储原理:盘片旋转,磁头写入和读出信息,磁性材料粒子的两种不同 磁化方向,分别表示记录的是“0”还是“1” 磁盘的磁道: 磁盘表面被分为许多同心圆,每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有 一个编号,最外面的是 0 磁道. 磁盘的扇区: 每个磁道被划分为若干段(段又叫扇区) ,每个扇区的存储容量均为 512 字节。每个扇区都有一个编号 注:所谓磁盘的格式化操作,就是在盘面上划分磁道和扇区,并在扇区中填写扇区号 等信息的过程 信息的平均存取时间: 磁盘上的信息以扇区为单位进行读写,平均存取时间为: T = 寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间 寻道时间——磁头寻找到指定磁道所需时间(大约 5ms)
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旋 转 等 待 时 间 —— 指 定 扇 区 旋 转 到 磁 头 下 方 所 需 要 的 时 间 ( 大 约 4 ~ 6ms) 4200/5400/7200/10000rpm) 数据传输时间——(大约 0.01ms/扇区)

(转速:

硬盘存储器的结构
移动臂
用来固定磁头并可带 动磁头沿盘片径向高 速移动,以便定位到 指定的“柱面”

主轴

带动盘片 高速旋转

柱面

所有盘片上相同半 径处的所有磁道构 成一个“柱面”

硬盘片 磁头
磁头浮在高速旋转 的盘片上,它负责 盘片上数据的写入 或读出

接口
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控制电路
2.6 外存储器

硬盘存储器的性能指标 (1)容量:以 GB 为单位,目前硬盘单碟容量约为几百个 GB (2)平均存取时间:在几 ms~几十 ms 之间,由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数 据传输速率所决定 (3)缓存容量:原则上越大越好,通常为几 MB~几十 MB (4)数据传输速率 外部传输速率指主机从(向)硬盘缓存读出(写入)数据的速度,与采用的 接口类型有关 内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度, 转速越高内部传输速率越快 (5)与主机的接口:以前使用:并行 ATA(PATA)接口 当前流行:串行 ATA(SATA)接口 关于硬盘的 SATA 接口 前几年 PC 大多使用并行 ATA 接口 Ultra ATA100 或 Ultra ATA133 接口,传输速率最高分别为 100MB/s 和 133MB/s 近两年开始大量采用 SATA 接口(150~300MB/s) 串行传输方式,工作频率高(1.5GHz-3GHz) 低电平差分信号,内嵌时钟信号 传输线长度增加,插头插座体积缩小 使用硬盘应注意什么? ①正在对硬盘读写时不能关掉电源 ②保持使用环境的清洁卫生,注意防尘;控制环境温度,防止高温、潮湿和磁 场的影响

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③防止硬盘受震动,工作时不要移动机器 ④及时对硬盘内容进行整理,包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等 ⑤防止计算机病毒对硬盘的破坏,对硬盘定期进行病毒检测 移动硬盘 工作原理与固定硬盘相同 存储容量较大(30GB~160GB、320GB) 采用 USB 或 IEE1394 接口,即插即用,支持热插拔(必须先停止工作) 小巧而便于携带 速度快,安全可靠 (2)U 盘、存储卡和固态硬盘 U盘 采用 Flash 存储器(闪存)芯片,体积小,重量轻 容量按需要而定(几十 MB~几十 GB) ,具有写保护功能 数据保存安全可靠,使用寿命长 使用 USB 接口,即插即用,支持热插拔(必须先停止工作) 读写速度比较快 可以模拟光驱和硬盘启动操作系统 存储卡 原理与 U 盘相同,也使用闪存芯片(flash memory)做成 长方形或正方形的卡片状,使用印刷插头,不使用 USB 插头 使用读卡器才能对存储卡进行读写 存储卡的主要种类: CF 卡 MMC 卡 SD/SDHC 卡(包括 Mini SD 卡、Micro SD 卡) Memory Stick 卡(MS 卡) 用途:数码相机、游戏机、手机、MP3 播放器 固态硬盘(SSD) 固态硬盘(Solid State Disk、Solid State Drive)是使用 NAND 型闪存做成的外 存储器 用途:在便携式计算机中代替传统的硬盘 外形与常规硬盘相同,如 1.8 英寸、2.5 英寸或 3.5 英寸,与主机的接口也相互 兼容 存储容量:64GB~128GB 或更大 优点:低功耗、无噪音、抗震动、低热量,读写速度也快于传统硬盘 存在问题:成本:高于常规的硬盘 寿命:Flash 存储器都有一定的写入寿命、寿命到期后数据会读不出 来且难以修复 (3)光盘存储器 光盘存储器的发展 分代 年代 名称 激光类型 存储容量

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第1代 第2代 第3代

1982 1995 2006

CD 光盘存储器 DVD 光盘存储器 BD 光盘存储器

红外光 红光 蓝光

650MB 4.7GB 25GB

选讲:光盘驱动器的工作原理 驱动器由光头、光头驱动机构、盘片驱动机构、控制电路等组成 激光器发出的激光经过透镜聚焦后到达光盘, 从光盘上反射回来的激光束沿原来 的光路返回,到达激光束分离器后反射到光电检测器,由光电检测器把光信号变成电信号, 再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据 为什么 DVD 容量比 CD 大得多? 1) 更小的凹点长度(~2.08x), 2) 数据轨道间隔更紧密 (~2.16x), 3) 采用较短波长的 635nm 或 650nm 的红色激光, 使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别 能力. 4) 数据区域稍大一点(~1.02x), 5) 更有效的信道比特调制 (~1.06x), 6) 更有效的纠错码(~1.32x), 7) 较少的段开销(~1.06x). 光盘驱动器的类型 按信息读写能力分 只读光驱 可写光驱(光盘刻录机) 按可处理盘片类型进一步分成: CD 只读光驱 CD 刻录机 DVD 只读光驱 DVD 刻录机 DVD 只读/CD 刻录机组合而成的“康宝” BD(Blue-ray Disc)只读光驱 BD 刻录机 按存储容量与读写特性分: CD 盘片 只读盘片(CD-ROM) 一次性可写盘片(CD-R) 可擦写盘片(CD-RW) DVD 盘片 只读盘片(DVD) 一次性可写盘片(DVD-R, DVD+R) 可擦写盘片(DVD-RW, DVD+RW DVD-RAM ) 蓝光盘片 只读盘片(BD) 一次性可写盘片(BD-R) 可擦写盘片(BD-RE) 资料:DVD 刻录机和 DVD 光盘的容量 DVD 刻录盘目前有 2 大类、5 种规格:
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一次性可写:DVD-R、 DVD+R 可擦写:DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW SuperMulti DVD 刻录机能够兼容上述大部或全部盘片

第3章

计算机软件

3.1 软件概述 1.什么是计算机软件?计算机系统=硬件+软件,计算机通过软件才能进行信息处理

用户
应用软件 操作系统
Basic Input/Output System

BIOS

硬 件
什么是程序(program) ?程序是告诉计算机做什么和如何做的一组指令(语句),这 些指令(语句)都是计算机能够理解并能够执行的一些命令 程序的特性: ① 用于完成某一确定的信息处理任务 ② 使用某种计算机语言描述如何完成该任务 ③ 预先存储在计算机中,启动运行后才能完成任务 程序与数据的关系 程序所处理的对象和处理后得到的结果统称为数据 (分别称为输入数据和输出数据) 程序必须处理合理的输入数据,否则不会产生有意义的输出 程序和数据有相对性 程序与软件是什么关系? ①软件往往指的是设计比较成熟、功能比较完善、具有某种使用价值、且有一 定规模的程序 ②软件既包含程序、也包含与程序相关的数据和文档: 程序是软件的主体 数据指的是程序运行过程中处理的对象和必须使用的一些参数 (如三角 函数表、英汉词典等) 文档指的是与程序开发、维护及操作有关的一些资料(如设计报告、维 护手册和使用指南等) “软件” 强调的是产品、 工程、 产业或学科等宏观方面的含义, “程序” 更侧重技术层面的含义 ③软件和程序本质上相同,在不会发生混淆的场合,软件和程序两个名称经常 混用,并不严格加以区分

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2. 计算机软件的特性 1.不可见性(是无形的,不能被人们直接观察、欣赏和评价) 2. 适用性(可以适应一类应用问题的需要 ) 3. 依附性(依附于特定的硬件、网络和其他软件 ) 4. 复杂性(规模越来越大,开发人员越来越多,开发成本也越来越高) 5. 无磨损性(功能和性能一般不会发生变化 ) 6. 易复制性(可以非常容易且毫无失真地进行复制 ) 7. 不断演变性(软件的生命周期 ) 8. 有限责任(有限保证) 9. 脆弱性(黑客攻击、病毒入侵、信息盗用??) 3.计算机软件的分类 按产权性质:商品软件、共享软件、自由软件 按软件用途:应用软件、系统软件 计算机软件与知识产权 软件是智力活动的成果,受到知识产权(版权)法的保护 版权授予软件作者(版权所有者)享有下列权利:拷贝、发布、修改、署名、出售?? 保护知识产权的目的: 确保脑力劳动成果受到奖励,鼓励人们进行发明创造 购买一个软件,用户仅仅得到了该软件的使用权,并没有获得它的版权 随意进行软件拷贝和分发是一种违法行为 从软件知识产权对软件进行分类 商品软件 共享软件(shareware) (也称为试用软件 demoware) 具有版权,可免费试用一段时间,允许拷贝和散发(但不可修改) ,试用期 满后需交费才能继续使用 自由软件 (Free Software)(≈开放源代码软件) 用户可共享, 并允许随意拷贝、 修改其源代码, 允许销售和自由传播。 但是, 对软件源代码的任何修改都必须向所有用户公开, 还必须允许此后的用户享 有进一步拷贝和修改的自由 免费软件(Freeware) (≠ Free Software) 无需付费即可获得的软件。例如 PDF 阅读器、Flash 播放器等 自由软件很多是免费软件;免费软件不全是自由软件 软件的许可证(license) 软件许可证也称为“许可证协议”,它规定了计算机软件使用方式的法律合同, 软件使用有哪些额外的限制,有哪些额外的权利等 许可证的类型: 单用户许可证 多用户许可证 并发用户许可证 定点(fixed site)许可证 许可证的形式: 拆封许可证

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最终用户许可证 (不能再次出售、只能安装在 1 台计算机上、不得进行反汇编、反编译、不得将其 组成部分分散在多台计算机上使用、不得出租或出借??) 从用途对计算机软件分类 应用软件:专门用于帮助最终用户解决各种具体应用问题的软件 分类(按开发方式):定制应用软件 通用应用软件 (几乎所有领域、 所有人都需要使用; 设计精巧,易学易用;商品化,价格较低) 系统软件:不是为了解决某种具体应用,而是为了: 给用户使用计算机提供方便 给应用软件的开发与运行提供支持 使计算机有效、安全、可靠地运行 通用应用软件的类别与功能 类 别 功 能 流行软件举例 文本编辑、文字处理、桌 Word 、 Adobe Acrobat 、 WPS 、 面排版等 FrontPage 等 表格定义、数值计算和统 计、绘图等 Excel 等 、

文字处理软件 电子表格软件 图形图像软件 媒体播放软件 网络通信软件 演示软件 信息检索软件

图像处理、几何图形绘制、 AutoCAD 、 Photoshop 动画制作等 CorelDraw、3DS MAX 等

播放各种数字音频和视频 Media Player 、 Real Player 、 文件 Winamp 等 电子邮件、聊天、IP 电话 等 投影片制作等 在数据库和因特网中查找 需要的信息 等 PowerPoint 等 Google,天网,百度等 Outlook,Lotus Notes 棋类游戏、扑克游戏等 Outlook Express、MSN、QQ、ICQ

个人信息管理软 记事本、日程安排、通讯 件 录、邮件 游戏软件 游戏、教育和娱乐

启发:成功软件的经验是什么? 它们都具有如下特点: 1 它们能替代现实世界已有的其他工具,而且使用起来比已有工具更方便有效 2 它们能完成已有工具很难完成甚至完全不可能完成的工作,扩展了人们的能力 3 成功的市场运作和售后服务 4 不断前进、不断发展(功能、技术、性能等) 关于系统软件 什么是系统软件? 系统软件是为了给用户使用计算机提供方便、为应用软件提供支持、使计算机 安全可靠地运行的必不可少的软件
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举例: 基本输入/输出系统(BIOS) 操作系统(如 Windows、Unix、Linux 等) 程序开发工具与环境(如 C 语言编译器等) 数据库管理系统(DBMS) 实用程序(Utility,如磁盘清理程序、备份程序、杀毒软件、防火墙等) 系统软件有哪些特性? 1. 与计算机硬件有密切的关系,能对硬件进行统一的控制、调度和管理; 2. 具有通用性,能为多种应用软件的开发和运行提供支持与服务 3. 在任何计算机系统中,系统软件都是必不可少的 4. 在购买计算机时, 通常计算机供应厂商会提供给用户一些最基本的系统软 件,否则计算机无法工作。 最重要的系统软件有哪些? 操作系统(OS)OS 是最重要的系统软件,几乎所有计算机都需要 OS 功能上也包含 BIOS 在内 程序设计语言处理系统:编译器、解释器、汇编程序(汇编器) 、开发工具与平台、 数据库管理系统(DBMS) 实用程序 3.2 计算机操作系统 什么是操作系统(OS)? 没有安装任何软件的计算机称为裸机, 裸机是无法使用的 操作系统是用于执行各种具有共性和基础性操作的软件,是最重要的一种系统 软件,几乎所有计算机都要安装 OS OS 为用户提供了一个操作使用计算机的友善的用户界面 OS 屏蔽了计算机中几乎所有物理设备的技术细节,为开发和运行其他软件提供 了一个高效、可靠的平台
操作系统虚拟机

计算机硬件

为什么需要操作系统? 分配系统中的资源 管理存储器空间 控制基本的输入/输出操作 监测计算机运行和故障 维护计算机安全 进行计算机之间的通信

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方便用户的操作使用 提供应用程序开发平台 操作系统的重要作用 三个主要作用: 1 为运行的程序管理和分配各种软硬件资源 2 为用户提供友善的人机界面(图形用户界面) 3 为开发和运行应用程序提供高效率的平台 其它辅助功能:显示系统状态 处理软硬件错误 保护系统安全 基本输入输出系统(BIOS) BIOS 是存放在主板上只读存储器(flash ROM)中的一组程序(也称为 firmware, 固 件) 主要包含 4 个部分: 加电自检程序 (诊断计算机故障) 系统自举(装入)程序 (装入并启动 OS 工作) CMOS 设置程序 (设定和修改计算机配置) 基本外围设备的驱动程序 (控制基本的 I/O 操作) 计算机断电后,BIOS 程序和 CMOS 中的数据仍保持不变 需要时 BIOS 程序可以升级(update) BIOS 和操作系统的启动过程
⑤ 装入引导程序

RAM
⑥ 执 行 引 导 程 序

硬盘


⑦ 装入操作系统 读

CMOS
③从

出 引 导 何处 程 启动 序 ? ② 执行自举装入程序

ROM BIOS

CPU

开机启动 BIOS 工作时,按下 Del 键(或 F2 或 F8 健),即可进入 BIOS 中的 CMOS 设置程 序在 3.2.1 多任务处理 什么是任务,什么是多任务处理? “任务”指的是要计算机做的一件事, 计算机执行一个任务通常就对应着运行一个应用 程序 “单任务处理”与“多任务处理” 单任务处理:前一个任务完成后才能启动后一个任务的运行,任务是顺 序执行的 多任务处理(Multitasking):允许计算机同时执行多个任务,任务是并 发执行的

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多任务处理举例:编辑 PPT 讲稿 + 播放音乐 + 收发邮件 多任务处理的优点: 大大提高了用户的工作效率 大大提高了计算机的使用效率 如何知道有哪些任务在运行? 每启动一个应用程序,OS 就会打开一个相应的窗口,通常一个窗口就是一个 任务 每启动一个应用程序, OS 就会在任务栏上显示一个相应的任务按钮(程序按钮), 通常一个按钮就是一个任务 窗口可以放大或缩小,甚至可以“最小化”,但任务的运行不受其影响 使用“任务管理器”程序可以了解每个任务的运行情况 什么是前台任务与后台任务? 前台任务:能接受用户输入(击键或按击鼠标)的窗口只能有一个,称为活动窗口, 它所对应的任务称为前台任务 后台任务:除前台任务外,所有其它任务均为后台任务 前台任务与后台任务的区别:前台任务对应的窗口(活动窗口)位于其它窗口的前面 活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深(深蓝色) 前台任务与后台任务的共同点:都在计算机中运行 前台任务与后台任务的切换: 为了输入信息到某个后台任务中去, 必须切换窗口(单 击要激活的后台任务窗口的任何部位, 或单击任务栏中对应的任务按钮) 如何结束任务的运行? 每一个应用程序运行时都要占用大量的系统资源(存储器、CPU、屏幕等),所以当 不再需要某个应用程序运行时,就应该退出这个应用程序,释放它所占用的资源 多数应用程序都设计成交互式控制的方式,所以运行完毕后必须由用户退出该程 序。 Windows XP 中退出应用程序的几种方法: 最快速的方法,是左击应用程序窗口右上角的红色“叉子”按钮 左击窗口左上角的控制按钮,在弹出菜单中选择“关闭” 在应用程序的“文件”菜单中,选择“退出” 通过 OS 的任务管理器,强迫结束任务 OS 如何支持多任务处理? ? 为什么可以实现多任务处理? CPU 速度极高,且有时不止 1 个,必须并且可以充分发挥 CPU 的效能 CPU 与 I/O(外围设备)可以并行工作,CPU 不必等待 I/O 完成 各个外围设备之间可以并行工作 ? 实现多任务处理要解决哪些问题? 任务多,CPU 少,如何管理和调度 存储器空间如何分配和管理 I/O 设备和 I/O 操作如何管理和控制 ? 谁来解决上述问题? 不是应用程序自己,而是操作系统(OS) ! CPU 的管理(处理器管理) 目的:让 CPU 轮流为所有任务服务

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原则:公平性;优先级;负载均衡 方法:按时间片轮转(10-20ms 为 1 个时间片 ) 按优先级调度 Windows 中的处理器管理 Windows 为了确保每个已经启动的任务都有机会运行,它采用“抢先式”多任务处理技 术: 由硬件计时器大约每 10-20ms 发出 1 次中断信号, Windows 立即暂停当前正 在运行的任务,查看当前所有的任务,选择其中的一个交给 CPU 去运行 只要时间片结束,不管任务有多重要,也不管它执行到什么地方,正在执 行的任务就会被强行暂停执行 上述的任务调度,每秒钟要进行几十次~几百次 实际上,操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的,它们一起参与 CPU 时间 的分配。当然,不同程序的重要性不完全一样,它们获得 CPU 使用权的优先级也有区别 附:多任务处理与多核 CPU CPU 瞬间可同时执行的线程(任务)数目: 单核 CPU:1 双核 CPU:2 四核 CPU:4 3.2.3 存储管理和虚拟存储器 操作系统运行时内存的态势

用 户
正在运行的 应用程序 用户 接口外壳 应用 程序 1 应用 程序 2 应用 程序 3 应用 程序 k

应用程序接口 (API)

操 作 系 统

窗口 管理

设备 管理

文件 管理

存储 管理

处理器 管理

内 存 储 器

文件系统,网络通信程序 设备驱动程序

其它计算机硬件
系统运行时内存储器的布局 内存储器空间划分为 2 个部分:系统区和用户区,用户区用来存放正在运行的应用 程序

应用程序 1

操作系统区 用户区

应用程序 2 应用程序 3 应用程序 4 应用程序 5

内存储器

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每个应用程序运行时均有属于它自己的存储器空间, 用来存储它自己的程序代码和数据 “存储管理”需要解决哪些问题? 1.为每个任务分配存储空间,任务结束之后收回存储空间 2.对存储空间进行保护 保护操作系统所在区域不被应用程序修改 保护每个应用程序的私有区域不被其他程序修改 3.对存储空间进行扩充,使应用程序的存储空间不受实际存储容量大小的限制 解决方案——虚拟存储器(Virtual Memory) 虚拟存储器的设计思想 每个程序都在各自的虚拟空间中工作 程序运行时,若程序和数据在物理内存,就直接访问物理内存 若程序和数据不在物理内存,则把它们从虚拟内存装入物理内存后再使用 每个程序启动运行后, 只有一部分代码和数据装入内存中, 其余都放在硬盘的一个专门 区域中,该区域称为 “虚拟内存” 特点:1)整个过程自动完成; 2)程序可用内存容量超过实际物理容量;3)多个程序 互不干扰

虚拟存储器的工作过程
虚 拟 存 储 空 间
进程运行需访问某个页面中的内容时,若该 页面在物理内存,就直接访问物理内存 页面1 页面2 直接 页面3 访问 页面4 查



页面k

页 表

存 若物理内 换 需 已满, 页 一 出 从交换区 读出一页

页面不在 物理内存

交换 区作 为物 理内 存的 补充

每个进程都在各自的虚 存空间中工作,虚存空 间分成许多页,程序和 数据就安排在一个个“页 面”中 23

Windows XP 的虚拟存储器 Windows XP 操作系统中: 每个程序的虚存空间最大可达到 4GB 页面的大小通常是 4KB 虚拟内存是系统盘根目录下的一个名为 pagefile.sys 的文件,其大小和位 置用户可设置 使用“任务管理器”可以查看: 总的物理内存大小 可用物理内存大小 总的虚拟内存大小

· · · ·

物理内存
虚存空间中的页面 一部分在物理内 存,一部分在硬盘 中的虚拟内存,它 们均登记在页表中

磁盘中的 交换区 (虚拟内存 )

? 特点: 1)由硬件和 OS自动完成,对程 序员透明; 2)程序可用内存容量允许超 过实际物理容量; 3)多个进程互不干扰 ? 根据:程序的局部性原理
3.2 操 作系 统

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可用虚拟内存大小等 3.2.4 文件及其管理 “文件”概念的由来 外存储器的存取特性:适合于批量数据的存取,不适合单个数据存取 外存储器的使用特性:1 每次从外存读出(或写入)的对象是一个程序或一个文档、一 张图片、一封邮件、一首歌曲? ? ? 2 按对象的名字进行存取操作,而不是按地址存取 在操作系统中使用“文件”来组织外存储器中的信息,并使用“文件”作为外存的存取 单位 什么是文件(file) ? 程序和数据通常都存储在外存储器中,为了便于存取和管理,它们都组织成 “文件(file)” 文件是存储在外存储器中的一组相关信息的集合, 例如: 一个程序、 一张图片、 一只 MP3 歌曲、一封邮件 每个文件均有自己的“文件名”,用户(或软件)使用文件名读出/写入(称 为“存取”) 外存储器中的文件 文件的名字由两部分组成:(主文件名) [.扩展名] Windows XP 的文件 允许使用长文件名,即文件名最多可包含 255 个中文或西文字符 英文字母的大、小写只在形式上加以区分,实际上不予区别 (例如: Text.DOC 与 text.doc 是同一个文件) 常用程序文件的扩展名:.exe .com .dll .bat 常用数据文件的扩展名:
F ile T yp e T ext 文本文件 S ound 声音文件 G ra p h ic s 图形、图像文 F ile E x te n s io n .tx t .w a v, .m id , .vo c .b m p , .p c x , .tif, .w m f, .jp g , .g if .flc , .fli, .a vi, .m p g .h tm l, .h tm


A n im a tio n /V id e o 动画 /视频文件 W eb d o c u m e n ts Web 网页文件

文件的组成和文件说明信息 每一个文件都由 2 部分组成
文件名等说明信息 文件内容

文件名等说明信息: 文件名和文件扩展名 文件大小(长度) 在磁盘上存放的起始位置 文件时间(创建时间、最近修改时间、最近访问时间等) 文件创建者 文件属性(系统文件、隐藏文件、存档文件、只读文件、压缩、加密、编制索引) 选讲:文件属性在文件管理中的作用

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“系统”属性 表示该文件属于操作系统,删除时系统会给出警告,资源管理器若 不特别设置为“显示全部文件” 时不会在文件列表中显示 “隐藏”属性 若资源管理器设置为“不显示隐藏文件”,则不会在文件列表中显 示出来 “存档”属性 文件尚未存档的标识,“文件备份程序”通过该属性来决定是否对 它进行备份,新建的或备份后又修改过的文件,其存档属性为 1,执行备份操作后 存档属性为 0; “只读”属性 该文件不能修改,若进行修改必须以不同的文件名保存 “压缩”属性 文件数据保存到外存时进行数据压缩 “加密”属性 对文件内容进行了加密,以进行保护 文件在磁盘中如何存储? 磁盘分成两个区域:目录区和数据区。目录区用于存放文件的目录,即文件说明 信息。数据区用于存放文件的内容。 目录实质上是一张 “文件名-存放位置” 的对照表 从磁盘上读出一个文件时,先在目录区中找出该文件的存放位置,然后再按此位 置,从磁盘的数据区中读出该文件内容。 Windows XP 的文件组织 文件目录在 Windows 中称为文件夹 每个逻辑盘(物理盘或硬盘上的分区)是一个根文件夹 文件夹中既可包含文件,也可包含文件夹 (子文件夹),子文件夹又可存放文件 和子文件夹, 形成树状多级文件夹结构 为什么使用多级文件夹? 1)有利于文件分类存储 2)允许文件同名(在不同文件夹中时) 3)便于文件共享和保护 Windows XP 中文件如何定位? 计算机中的每个文件都有一个确定的位置 文件的位置由存放文件的逻辑驱动器号、文件路径以及文件名组成: 驱动器号(盘符) + 文件路径 + 文件名 从根文件夹到文件所在文件夹所顺序经过的一串文件夹,其间用“\”相互隔开 文件管理和文件系统 ? 文件系统是 OS 的一个组成部分, 它负责管理计算机中的文件, 使用户(和程序)能很 方便地进行文件的存取操作 ? 文件系统需要解决的问题: 有效管理外存储器的存储空间 实现对文件方便而快速的按名存取 对硬盘、光盘、优盘、存储卡等不同外存储器实现统一管理 统一本地文件/远程文件的存取操作 实现文件的安全存取 3.2.5 设备管理 OS 中的“设备管理”程序负责: 对系统中的各种输入输出设备进行管理 处理用户(或应用程序)的输入/输出请求,方便、有效、安全地完成输入/输

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出操作 3.2.6 常用操作系统介绍 操作系统的四种类型 (1)PC 机使用的操作系统一般都具有多任务处理功能 (2)网络服务器上安装运行的是“网络操作系统”,特点是: 具有强大的多用户并发处理能力 支持多种网络通信功能,提供专门的网络应用服务 安全性强,可靠性好 (3)军事指挥和武器控制系统、电网调度和工业控制系统、证券交易系统等, 安装运行的 是“实时操作系统”,特点是: 对外部事件能在允许的时间范围内快速作出响应, 具有很高的可靠性和安全性 (4)嵌入式计算机应用中运行的是“嵌入式操作系统”,特点是: 快速、高效、具有实时处理功能 代码非常紧凑,存储器需求小 微软 Windows 操作系统的演变 特点:①提供了多任务处理能力 ②采用图形用户界面,简化计算机操作 ③在个人计算机上广泛使用 对 Windows 操作系统的分析 (1)Windows 操作系统垄断了 PC 机 OS 市场的 90%左右的份额 (2)Windows 流行的原因: 有大量第三方软件和硬件产品(各种应用软件和显卡、鼠标器、打印机等) 开发了多种版本,不同版本适应不同的硬件平台和用户群体 (3)对 Windows 的批评: 可靠性不够高:不稳定,系统会越来越慢,甚至死机 安全性不够好:存在安全漏洞,容易受到病毒、蠕虫、木马和其他攻击的侵扰 关于 UNIX 和 Linux 操作系统 UNIX 操作系统 (1)最早由 Bell 实验室开发成功,在大学和科研单位广泛使用,因特网也首先在 UNIX 系统上流行 (2)特色: ①结构简练、功能强大、可移植性好、可伸缩性和互操作性强、网络通信功能 强、安全可靠等。 ② 针对不同机型(个人计算机、工作站、服务器、大型机和巨型机) ,UNIX 有许多不同版本的产品 (3)直到 Linux 开始流行,UNIX 系统一直是使用最广泛、影响最大的主流操作系统之 一 Linux 发行版及其应用 (1)Linux 发行版就是常所说的“Linux 操作系统”,它包括 Linux 内核,安装工具, 各种 GNU 软件以及其他一些自由软件 (2)发行版是为了各种不同领域不同目的而开发的,用户遍及商业、政府、教育以及 家庭等不同领域 (3)Linux 操作系统在网络服务器、个人计算机、巨型机、嵌入式系统(如手机、游戏

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机、电子书阅读器、路由器等)中发挥了巨大的威力 (4)全球现在已经有超过 300 个 Linux 发行版,最普遍使用的发行版有十多个 附 1:智能手机的操作系统 什么是智能手机(Smart Phone) ? 可以自行安装和卸载应用软件的手机 智能手机的特点: 安装有手机 OS,功能可扩展 具备无线接入互联网的能力 支持多任务处理 具有 PDA 和多媒体功能 3G 智能手机 3G 智能手机的功能: 电话,短信,PIM,WiFi 和 3G 无线上网,GPS,电子邮件,Web 浏览器,多 媒体播放,照相,收音机,手机电视等 3G 智能手机的配置要求: 1.高速 CPU 芯片。功能强大、功耗低、具有多媒体处理能力 2.存储容量大并可扩展。GPS 导航图需要超过 1GB 的存储空间 3.良好的用户界面,配备面积较大的触摸显示屏 4.支持广播方式的 CMMB 手机电视 5.支持 GPS 导航 6.配备大容量电池,电量的消耗都是一个大问题,必须要配备高容量的电池,1500mAh 是标准配备。 安卓(Android)操作系统 Google 两年前推出,属于以 Linux 为基础的开放源代码操作系统 ,是自由及开放 源代码软件 支持的处理器类型:ARM、MIPS、Power Architecture、Intel x86 采用 Android 系统的手机厂商: 宏达电、三星电子、摩托罗拉、乐喜金星、索尼爱立信、华为等 2010 年末数据显示,Android 已经超越称霸十年的诺基亚(Nokia)Symbian OS,跃 居全球智能手机平台首位 Android 也在平板电脑市场急速扩张 版本:2.3.3(手机)和 3.0(平板) Apple iOS 操作系统 iOS 是苹果公司为 iPhone 、iPod touch、iPad 及 Apple TV 开发的操作系统,占 用约 240MB 的存储空间 用户界面:使用多点触控直接操作。控制方法包括:滑动、轻按、挤压及旋转 支持硬件:基于 ARM 架构的 CPU 限制:JAVA Flash SVG 附 2:磁盘空间管理 磁盘存储空间的结构 磁盘存储空间可以看作是由大量扇区(512B)组成的 1 维阵列 存储容量= 扇区总数 x512 字节/109(单位:GB)

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0 1 2 3 …..

MBR

分区 #1

分区 #2

分区#3

不使用区域

一个硬盘可以划分为几个分区(Partition),分区所包含的扇区号应连续,分区相互间 应无重叠 每个分区称为 1 个逻辑驱动器,它有自己的盘符,用户可以将它视同为 1 个物理存储器 不同的分区可以安装不同的操作系统 ? 硬盘上开始的几个扇区,用于管理目的。其中 0#扇区特别重要,称为主引导扇区 (Master Boot Record,MBR),它包含如下 3 部分内容:

Boot Loader (446 bytes) Partition Table (64 bytes)
signature (2 bytes)

(共512字节)
Boot Loader(446 bytes): 自举装入程序在计算机启动时被 BIOS 读出并执行,由它再 读出相应分区中引导扇区内的引导程序,CPU 执行引导程序即可再从磁盘上读入系统启动文 件,从而启动操作系统 Partition Table (64 bytes): 指出每个分区的起始扇区号和包含的扇区数目,操作 系统的类型 每个硬盘分区的空间划分 硬盘在格式化或分区时,软件会自动将每个分区均划分为如下 5 个部分: 引导扇区包含如下信息: 主引导扇区MBR 引导程序及系统启动文件的文件名 文件系统的类型 引导扇区 簇的大小 文件分配表FAT1 根目录允许的最大目录项数目 文件分配表FAT2 文件分配表(FAT) 2 份: 第 1 根目录区(FDT) 用于记录数据区的使用情况 分 根目录区: 区 数据区 包含该分区根目录中所有文件及文件夹的说明信息 (以簇为分配单位) 数据区: 划分为数以百万计的簇,存放该分区所有文件和文件夹的数 据 其 它 分 区

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簇(Cluster)和文件分配表 FAT (1)磁盘数据空间的分配单位是 2n 个扇区,称为“簇” ,簇的大小与磁盘分区容 量的大小有关: 软盘的簇固定为 512 字节(n=0) 硬盘的簇可以是 2 或 4KB,40GB 以上硬盘,簇可以 8KB 以上 (2)若某分区容量为 40GB,簇大小为 8KB,则一共有 5 000 000 个簇 (3)每一个簇都有一个簇号(12/16/32/64 位)。簇号是分区中所有簇的顺序号,从 簇号很容易计算出磁盘上属于该簇的物理扇区的位置 (4) 文件分配表(FAT)是用来记录数据空间分配情况的一张表, 它指出每个簇是“使 用”、“空闲”或“损坏”。其中“空闲”簇和“坏”簇分别用“全 0”和“全 1” 表示,其它数值表示“已分配” (5)FAT 在格式化时自动生成,一式两份(一份为备份),坏簇在磁盘格式化过程中 发现并进行登记,只要 1 个扇区有问题整个簇就不能使用 数据空间中簇的分配方法 (1)磁盘分区中数据空间是用来存储文件(和子文件夹)数据的,将簇分配给各个文 件的方法主要有 3 类:连续分配、索引分配、链接分配 (2)链接分配的优点: 可以分散在任何地方,空间利用率高 简单,只需记录文件的起始簇号 文件的扩展很容易 Windows 系统磁盘空间的分配 每个文件分配若干簇,同一文件所有簇的簇号组织成一个“数字链”,其起始 簇号在 FDT 中指出,FAT 表中该簇的状态值则是下一个簇的簇号,???,直至最 后一个簇,文件的最后 1 个簇状态值为“EOF”,例如: MYFILE 的簇是:9-16-1-10-25 共 5 个簇 YOURS 的簇是:26-29-24-17 共 4 个簇 文件目录表 FDT (1)根目录区存放文件目录表(File Directory Table,简称 FDT) ,FDT 中可以包 含多达 512 个表项 (2) FDT 表的每个表项长度为 32 字节, 每个表项用于记录包含在根目录中的文件(和 文件夹)的说明信息: 文件(文件夹)的名字(含扩展名) 该文件(文件夹)在数据区中的存放起始簇号 日期、时间、所有者、使用属性等信息 注:文件的说明信息保存在该文件所在的目录中,而文件内容则存放在数据区中,两者是分 开存放的, 文件操作的实现 (1)读出文件 文件系统先在 FDT 中查找有无该文件,若有,再检查该文件的读、写 和保护属性,如有口令保护,核实口令后,再按起始簇号计算出扇区号,从该扇区开始 读出文件内容 (2)保存文件 文件系统在 FDT 中查找有无同名文件: ? 如果没有,则在 FDT 中增加 1 个表项,同时在 FAT 中找一个空闲的簇号作为 存储该文件内容的起始簇号,并登记在 FDT 中。然后,按照 FAT 中指出的空 闲簇号,在数据区的相应位置处存储文件数据

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? 如果在 FDT 中发现存在同名文件,则征求用户同意后,可在文件原来所分配 的簇中写入新的文件数据(即覆盖原同名文件的数据) ,并修改 FDT 中该文 件表项的一些说明信息 (3)删除文件 文件系统在 FDT 中查找有无该文件,若有,是否受到保护,若无保护, 则删除 FDT 中该文件的表项,并将原先该文件占用的簇,在 FAT 表中全部设置为空闲状 态 虚拟文件系统 系统中有多种不同的外存储器,相应有多种不同的文件系统,如 FAT16、FAT32 (DOS, Windows) NTFS (NT, XP, Win2000) CDFS,UDF(CD 和 DVD 光盘) UFS, UFS2 (Unix) Minix、EXT、EXT2 (Linux) 不同文件系统的基本思想都是一致的,都是通过文件和目录两个抽象概念建立它们 各自的管理机构 虚拟文件系统向用户和程序员提供统一的接口来使用各种不同的文件系统: 统一的编程接口(API) 统一的操作使用

3.3 算法和程序设计 3.3.1 算法 计算机求解问题的步骤 (1) 确定并理解问题; (2) 寻找解决问题的方法与步骤,并将其表示成算法(Algorithm) ; (3) 使用某种程序设计语言描述该算法(编程), 并编译成目标程序和进行调试; (4) 运行程序,获得问题的解答; (5) 进行评估,改进算法和程序 1. 什么是算法?算法是解决问题的方法与步骤 关于算法的三方面问题 (1)如何确定算法(算法设计)? (2)如何表示算法(算法表示)? (3)如何使算法更有效(算法分析)? 2.算法的表示 文字叙述、流程图表示、伪代码描述 文字(自然语言)描述 “比较A与B的重量,若A=B,则C是伪造的;否则再比较A与C的重量,若A =C,则B是伪造的;否则A是伪造的。” 缺点:容易产生歧义,很难 “精确”地进行表达 叙述冗长,很难清楚地表达算法的逻辑流程 流程图表示 (1)流程图由结点和有向边构成,它描述了算法所执行操作的顺序及执行操作的条 件 (2)流程图符号 :

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端点符

处理

判断

预定义功能

(3)比文字描述简明,但当算法比较复杂时,理解困难,容易产生错误 伪代码描述 伪代码(Pseudo code)是用来描述算法的一种语言,它既类似于自然语言,又使用与 程序设计语言相似的方法描述算法 优点: 结构清晰, 代码简单, 可读性好, 可以容易地以任何一种编程语言(Pascal, C, Java 等)实现 3. 算法的分析 算法分析的基本内容 (1)正确性:给定有效输入后,经过有限时间的计算,产生正确的输出结果 (2)简单性 ? 算法是否容易理解,是否容易验证其正确性,程序是否容易调试 ? 简单的算法效率不一定高,要在保证一定效率的前提下力求算法简单 (3)时间复杂性(Time Complexity) :当问题的规模 n 充分大时,运行该算法所需要 的时间的数量级表示 (4)空间复杂性(Space Complexity) :除原始数据之外,额外占用的存储空间的大 小 选讲:选择排序算法的时间复杂性 假设参加排序的整数有 n 个 (1)比较操作的次数:在第 i 趟排序中选出最小整数时,需做 n-i 次比较操作,因此, 总的比较操作次数为:n(n-1)/2 = (n2 -n)/2 (2)移动操作的次数:最好情况(原始数据已经排序)时,移动次数为 0 最坏情况(原始数据逆序排列)时,每趟均要执行交换操作(3 次传送),总的移动次数取最大 值为:3(n-1) 所以,直接选择排序的时间复杂性 为 O(n2) 关于算法的小结 (1)算法是计算机软件的灵魂 ①计算机的通用性是因为它能运行各种各样的程序,而程序之所以能解决问题,是 因为它所体现了正确的算法 ②算法所解决的是一类问题而不是一个特定的问题,例如 排序(sort)可以是表格内容的排序,也可以是文件夹中文件的排序,可以按 数字或文字排序,也可以按日期排序,等等 查找(search)可以在文档中查找某个单词或在硬盘中查找某个文件, 也可在 Web 上查找某个网页,等等 ③开发计算机应用的核心是:根据实际问题给出解题的算法,然后再将该算法在计 算机上实现(即开发成为软件) (2)计算机算法的 4 个特点

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① ② ③ ④

目的:完成某个特定的信息处理任务 必须满足的性质: 确定性:算法中每一步操作的含义必须清楚明确,无二义性 能行性:算法中有待实现的操作都是计算机可执行的,即必须在计算机的能力范围 之内 有穷性:算法在执行了有限步操作后必须结束 算法结束后至少产生一个输出(包括参量或状态的变化)

3.3.2 程序设计语言 机器语言、汇编语言、高级程序设计语言 1.什么是程序设计语言? 什么是程序?程序是为了用计算机解决某个问题而采用程序设计语言编写的一个指 令序列 什么是程序设计语言? 语言的目的是用于通信 程序设计语言用于人与计算机之间的通信 程序设计语言是由人使用但计算机可以理解的一种语言 程序设计语言用于编制程序,表达需要计算机完成什么任务和怎样完成任 务,然后交给计算机去完成 程序设计语言填补了人与计算机交流的鸿沟 2.计算机中使用多种“语言” ①程序设计语言:主要用于描述算法 机器语言、汇编语言、高级语言 ②数据描述语言:主要用于描述数据(文档、音乐、图形、图像、视频等)的规范、 结构和文件格式 HTML、XML、MIDI、MP3、OpenGL、JPEG、MPEG?? ③脚本语言:用于编写嵌入在文档中的程序的程序设计语言 VBA、VBScript、JavaScript ④计算机通信语言(通信协议) :用于描述计算机-计算机之间的会话(请求-应答) 的语法和语义 HTTP、POP3、SMTP、 FTP、 Telnet、TCP、IP?? ⑤数据库语言:用于数据操作,如 SQL 语言 ?? 3.机器语言 (1)机器语言就是计算机的指令系统 (2)指令是使用二进制编码表示的 (3)用机器语言编程序, 也就是直接使用二进制代码编写程序 (4)优点:可以直接被计算机执行 (5)缺点: ①记不住、难理解、效率低、不易维护 ②不同的机器语言程序,相互不兼容 (6)现在已不直接用机器语言编制程序! 4.汇编语言 (1)用助记符号来表示机器指令中的操作符与操作数

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(2)优点:操作数直接使用十进制 程序相对容易理解 (3)缺点:大型程序难以开发 依赖于具体计算机 5.高级程序设计语言 (1)目的:克服汇编语言的缺陷,提高编程和维护的效率 (2)特点: ①接近人们日常使用的自然语言(主要是英语)容易理解、记忆和使用 ②可在不同计算机上通用 ③对使用的符号、词汇、语法和语义等各种语言成分都有严格的规定 (3)意义:使程序设计的难度降低,导致了计算机的发展进入新的阶段 高级程序设计语言的发展 50 年代:Fortran,ALGOL 60 年代:COBOL 语言,BASIC 语言 70 年代:Pascal 语言,C 语言 80 年代: Ada 语言,PROLOG 语言,LISP 语言 90 年代起:面向对象语言 C++、 JAVA、C#等 6.FORTRAN 语言 FORTRAN 是 FORmula TRANslation (公式翻译)的缩写词,它是一种主要用于数值 计算的面向过程的程序设计语言。FORTRAN 语言的特点是接近数学公式,简单易用 目前最新的国际标准是 FORTRAN 2008 7.BASIC 和 Visual Basic 语言 BASIC 语言的特点是简单易学 Visual BASIC(VB)语言是微软公司基于 BASIC 发展而来的一种程序设计语言,特点 是: ①是一种可视化的、面向对象的、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计 语言 ②具有高效率、简单易学及功能强大的特点 ③可以高效、快速地开发 Windows 环境下功能强大、图形界面丰富的应用 软件 资料:VBA 和 VBScript VBA(Visual Basic for Application) (1) VB 的子集, 包含在 Office 软件 (如 Word、 Excel、 Access、 Power Point) 中 (2)用途:扩展 Office 软件的功能 (3)特点:寄生于已有的应用程序(如 Word) ,不需要另外的开发环境, 也不能生成.exe 文件,所开发出来的程序(称为“宏”)必须由它的宿主 程序调用才能运行 VBScript 语言 (1)也是 VB 的子集,嵌入在 HTML 文档中使用 (2)所编写的脚本程序可以扩充网页的功能,例如: 动态修改网页的内容和控制文档的展现 检验用户的输入信息是否正确等 8.Java 语言

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(1)由 SUN Microsystem 公司于 1995 年发布的一种面向对象的、用于网络环境的 程序设计语言 (2)基本特征: 适用于网络分布环境 具有一定的平台独立性 安全性和稳定性好 (3)应用举例: 从网络下载到浏览器中运行的跨平台小程序 Java applets 便携式数字设备(如手机)中的应用程序 9.C 语言和 C++语言 (1)C 语言是 1972~1973 年间由 AT&T 公司 Bell 实验室开发而成 (2) C 语言兼有高级语言的优点和汇编语言的效率, 有效地处理了简洁性和实用性、 可移植性和高效性之间的矛盾 (3)C++语言以 C 语言为基础发展而成,既有数据抽象和面向对象能力,运行性能 高,又能与 C 语言兼容,因而 C++语言迅速流行,成为当前面向对象程序设计的主 流语言 3.3.3 程序设计语言处理系统 程序设计语言的翻译程序 把甲语言编写的程序翻译为等价的乙语言编写的程序。其中甲语言程序称为源程 序,乙语言程序称为目标程序

源程序

翻译程序

目标程序

常用的有下列几种:
高级语言 源程序 编译程序 (编译器) 机器语言或汇编 语言目标程序

汇编语言 源程序
高级语言 源程序

汇编程序 (汇编器)
解释程序 (解释器)

机器语言 目标程序
边解释边执行, 不产生目标程序

编译程序与解释程序的区别 解释:解释器直接解释并且执行源语言程序,不产生目标程序(相当于“口译”) 编译:把源程序编译为机器语言目标程序后,再由计算机运行(相当于“笔译”)
源程序 编译器 目标程序 计算机

源程序 解释器 计算机

编译方式

解释方式
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编译程序的处理过程
编译程序 源程序 .c .h 目标程序 .obj 程序库 可执行代码 .exe 链接程序

1.编辑

2.编译

3.链接

4.运行

最终用户安装在计算机中使用的软件, 都是这些软件的可执行代码, 用户一般不会得到 开发厂商的源程序(源代码) 附:计算机软件技术 计算机软件技术有哪些内容?

程序设计语言 编译技术 软件及实现技术 计算机 软件技术 软件开发方法与技术 操作系统 数据库技术 软件工具 算法和数据结构 程序设计方法 软件工程
第4章 算机网络与因特网 4.1 数字通信入门 4.1.1 数字通信的基本原理 什么是通信(COMMUNICATION)? ? 广而言之,通信就是信息的(远距离)传递与交流 ? 现代通信——使用电波或光波传递信息的技术,也称为电信(telecommunication) , 如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ 等 ? 通信的要求:远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便 通信的发展历史:

电 报
1836

电 话
1876

越洋 无线 电报
20世纪初

无线 广播
1918

黑白 电视
1938

彩色 电视
1940’s

计算机 网络
1960’s

通信系统的模型——通信的三要素

信 信源(宿) 号

信道

信 号 信宿(源)
38

信源(宿):发送信息的设备 信道:信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿 信宿(源):接收信息的设备 信号:被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输 有线电话 信源/信宿 信号形式 电话座机 移动电话 手机 计算机通信 计算机

话 音 经 电 话 机 话 音 经 电 话 机 转 换 编码并打包后的数字 转 换 成 为 变 化 成 为 压 缩 编 码 后 的 信号 的电流信号 数字信号 电 话 线 和 中 继 无线电波、基站等 双绞线、集线器、路 器等传输设备 由器、光纤等

信道构成

模拟信号与数字信号 通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进行传输 电信号(或光信号) 有两种形式: (1)模拟信号形式: 通过连续变化的物理量(如信号的幅度)来表示信息, 例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号; (2)数字信号形式: 使用有限个状态(一般是 2 个状态)来表示(编码)信息, 例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号 需使用物理介质进行信号传输的是有线通信,例如:金属导体(双绞线、同轴 电缆) ,传输电流信号、光导纤维(简称光纤) ,传输光信号 在自由空间进行信号传输的是无线通信,传输的是电磁波信号 介质类型 双绞线 有 线 通 信 同轴电缆 特点 应用

成本低,易受外部高频电磁波干 固定电话本地回 扰,误码率较高;传输距离有限 路、计算机局域网 传输特性和屏蔽特性良好,可作为 固定电话中继线 传输干线长距离传输载波信号,但成本 路、有线电视接入 较高 传输损耗小, 通讯距离长, 容量大, 电话、电视等通信 屏蔽特性好,不易被窃听,重量轻,便 系统的远程干线,计算 于铺设。缺点是强度稍差,精确连接两 机网络的干线 根光纤比较困难 使用微波、红外线、激光等,建设 广播,电视,移动 费用低,抗灾能力强,容量大,无线接 通信系统,计算机无线 入使得通信更加方便 .但易被窃听、易 局域网 受干扰

光缆

无 线 通 信 自由空间

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双绞线 (1)双绞线——两根相互绞合成均匀螺纹状的导线组成的一条传输线路。 多根这样的 双绞线捆在一起,外面包上护套,构成双绞线电缆。 (2)原理:利用电流(电压)传输信息 (3)双绞线分类 3 类线(10 Mb/s);5 类线(100Mb/s);6 类线(200Mb/s) 无屏蔽双绞线 (UTP);屏蔽双绞线 (STP) 同轴电缆 同轴电缆分类 基带同轴电缆(50Ω )——以前在以太网中使用 宽带同轴电缆(75Ω )——有线电视网使用
金属屏蔽 外绝缘层

内层导线 绝缘体

同轴电缆

光纤与光缆 光导纤维(光线的入射角足够大时,就会出现全反射,重复此过程,光就沿着光纤 传播下去)

纤芯 包层 保护层

光缆 (包含多根光纤)
多根光纤 保护层 防止光泄漏的吸收外壳 起保护作用的防护层 外绝缘层

光纤通信原理 光纤通信:利用光波携带信息在光纤中传输,达到通信目的

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0/1信号对光波进行调制
光纤 驱动 电路 光源 光调 制器 中继器 光纤 放大 电路 光检 测器 输出 电路

电信号

电信号

发送单元(电/光转换)

传输单元

接收单元(光/电转换)

数字信号(电信号)驱 动一个光源(半导体激 光器或发光二极管), 发出光信号

调制后的光信号通过光纤 进行传输,为补偿光纤线 路的损耗,每隔一定距离 要接入中继器

光信号经放大后由光检 测器(半导体光电管) 进行检测、解调,再转 换成电信号之后输出

优点: ①通信容量大:一束光每秒能传输 2.5G 或 10Gb 信息! ②传输距离远:无中继距离超过几十公里 ③保密性强,信息不易泄露 无线通信 无线通信:利用电磁波携带信息在自由空间中传播,进行通信 微波通信 微波:300MHz~300GHz 范围内的电磁波,波长为 1 m~1mm 特点:①直线传播,不能沿地球表面传播(无绕射性) ,需要每隔几十公里设立一个中 继站 ②容量大、可靠性高 ③建设费用低 ④抗灾能力强 应用:长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视(HDTV)等 卫星通信 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一种微波通信 优点:通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定 缺点:造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅 180 颗 赤道上方高度为 35800 公里的地方为地球同步轨道,卫星的运行周期与地球自转一圈的 周期相同,在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约 120°, 3 颗同步 定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积,进行二十四小时的全天候通信 选讲:卫星通信的重要应用——GPS 例——美国研制 GPS 系统 24 颗卫星在 1.2 万公里高空以 12 小时的周期绕地球运行 地面任意点在任何时刻都可同时观测到 4 颗以上卫星 原理:由于卫星的位置是精确可知的,通过地面接收机可测得与卫星的距离,利用 三维坐标中的距离计算公式,就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程) 定位精度:民用大约十米,军用可高得多 GPS 卫星接收机 根据用途有:导航型、测地型、授时型等 产品形式:独立的 GPS 导航仪,也可集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放器、甚至手 表中

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个人移动通信

个人移动通信
? 移动对象相互间的通信,如手机、无绳电话、寻呼系统等

移动电 话交换 中心 基站 移动台 (手机)
2012- 12-1 2

公用电话网

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移动通信原理 每 10km~20km 的区域称为单元(形似蜂窝) ,每个单元中心高处建有一个基站,所 有单元既相互分割,又彼此交叠,形成整个移动通信服务网 位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号,并接收基站发给它的信号 所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下,同一单元内同一时刻的不同手 机使用不同的频率与基站进行通信,相互不影响 第二代移动通信(2G) (1)使用频段:900MHz/1800MHz,传输的是数字化的语音/文字信号 (2)我国使用的 2 种标准(制式) : GSM(欧洲移动通信系统,也称全球通、全数字系统) 中国移动、中国联通经营的 GSM 网已基本覆盖县级市 移动的接入号段有:134~139、150~152、158、159 联通的接入号段有:130-132、155-156 CDMA (码分多址接入,Code Division Multiple Access) 抗干扰能力强,系统容量大,接通率高,噪声小, 中国电信, 接入号为 133、153 不足: (1)数据传输速率过低(9.6kb/s 或 57kb/s) ,仅适合传输语音和文字 (2)容量有限,不能满足发达地区手机用户高度密集的要求

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