本章内容提要

介绍计算机的发展过程，计算机的基本组成及各部件的主要功能、指令、程序，软件的概念、软件的分类，计算机网络技术和数据资源的管理技术

本章中心内容

1. 了解计算机的运算基础
2. 理解计算机的软硬件基本知识及相互作用
3. 了解网络和通信的概念和技术
4. 掌握数据的组织方式
5. 掌握数据库的类型、组织结构和设计

课本内容速记

计算机系统的基本组成

硬件系统

• CPU

CPU 是计算机的运算控制中心，是有几千至几千万个晶体管组成的超大规模的集成电路芯片。
计算机所有数据的加工处理都在 CPU中完成。
CPU 负责发出使计算机各部件协调一致地工作的控制信号
技术指标之一是主频，主频越高，CPU 运算速度越快，性能越好
核心部件是： 运算器和控制器

• 运算器

主要功能： 完成对数据的算数运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。
主要操作：在控制器的控制下，运算器对取自内存储器或其它寄存器中的数据按指令码的规定完成指定的基于二进制数的算数运算或逻辑运算，并将结果暂存在内部存储器或者送到存储器中

• 控制器

主要功能：控制运算器、存储器、输入输出设备等部件的协调动作。是计算机指令的解释和执行中心。

• 存储器

主要功能：存储程序和数据
主要操作：通过输入设备将程序和数据放入存储器中，运行程序时，由控制器从存储器中逐一提取指令并加以分析，发出控制命令来完成指令的操作。
单位：字节（bety，B），一个字节由8个二进制位（bit）组成.

• 主(内)存储器

主存储器，又称内存储器，简称内存。
主要功能：计算器运行过程中暂时存放程序和数据的地方
主要操作：计算机运行时，将要处理的程序从外存调入内存，再从内存调入CPU；CPU处理完毕后，将数据送到内存，最后保存到外存。
类型：
随机存储器（random access memory）RAM
常说的内存是指RAM，断电后数据会完全丢失

只读存储器（read only memory）ROM
CPU只存不取，存放一些固定的专用程序或数据

• 外存储器或辅助存储器

常用的外存有硬盘、光盘、U盘。

• 基本输入输出设备

输入设备：用于输入程序和所需处理的原始数据（文本、图像、图形、声音等）。键盘鼠标
输出设备：用于输出计算机的运行结果或数据处理结果。显示器 一英寸=2.54厘米

• 其它外围设备

扫描仪、条形码阅读器，打印机，绘图仪。电话线传递数据的调制解调器，Modem
Modem 是 调制器（modulator）与解调器（demodulator）的缩写，用于实现计算机处理的数字信号与电话线传输的模拟信号之间转换的装置。发送端 通过调制将计算机数字信号转换为模拟信号，接收端 通过解调器将模拟信号转换为数字信号。
数据传输速率是Modem的重要技术指标，单位为bps（位/秒），即每秒传送多少位数据。

软件系统

软件系统是指为运行、管理和维护计算机而编制的各种运行于硬件上的程序、数据和文档的总称。
程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合；
数据是程序处理的对象和结果；
文档是描述操作系统及使用的相关资料；
计算机软件按其功能主要分为应用软件和系统软件两大类

系统软件

系统软件是由一组控制计算机系统并管理其资源的，为应用软件提供支持和服务的程序组成。
两大特点：
一：通用性
其算法和功能不依赖特定的用户
二：基础性
其他软件都是在系统软件的支持下开发和运行的。
系统软件（主要是操作系统）可以看作是用户与计算机的接口，它使应用软件和用户能够控制和访问硬件。
主要功能：启动计算机，存储，加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索、将程序语言翻译成及其语言等。
下面是👇系统软件的功能

操作系统（operating system，OS）

操作系统是管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序系统，由一系列具有不同控制和管理功能的程序组成，直接运行在硬件上，是最基础的系统核心，是系统软件的核心。
操作系统五大功能模块

1. 处理器管理
   1. 当多个程序同时运行时，解决 CPU 的时间分配问题。
2. 作业管理
   1. 完成某个独立任务。
   2. 主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业，并对所有进入系统的作业进行调度和控制，尽可能高效的利用整个系统的资源。
3. 存储器管理
   1. 为各个程序及其使用的数据分配独立的、互不干扰的存储空间。
4. 设备管理
   1. 接受用户提出的使用设备的请求和设备反馈的信息进行设备分配和回收

5. 文件管理

   1. 负责文件的存储、检索、共享和保护，为用户文件操作提供方便

      程序设计语言（四类）

6. 机器语言

   1. 计算机硬件系统唯一能直接识别和执行的程序语言。
7. 汇编语言
   1. 面向机器的低级语言，不具备通用性和可移植性。
8. 高级语言
9. 第四代高级语言

   数据库管理系统（data base menagement system，DBMS）

   数据库（data base system，DBS），数据库是指按照一定联系组织起来的数据集合。
   数据库管理系统（DBMS），能够对数据库和库中程序进行加工、管理的系统软件。
   数据库主要组成：

• 数据库（DB）
• 数据库管理系统
• 相应的应用程序

数据库类型（按数据模型的不同）：

• 层次型
• 网状型

• 关系型

  工具软件

  服务性程序，在系统开发和维护时使用的程序，包括编辑程序，链接程序，计算机测试和诊断程序。

  应用软件

  为解决各类实际问题而设计的程序系统称之为应用程序。根据其不同的服务对象，又可分为通用软件和专用软件两类

• 通用软件

  • 为解决大多数人需要而设计的，如文字处理，表格处理，office，word
• 专用软件
  • 针对某些用户的特殊需求，具有特殊功能的程序

    计算机通信与网络

    计算机通信是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进行信息传递的方式和过程。是计算机技术与通信技术相融合的产物。

网络系统的历史和发展

1946年，世界上第一台电子数字计算机 ENIAC 诞生。

计算机网络发展四个阶段

• 第一阶段 20世纪50年代
  • 面向终端的计算机网络
  • 共享主机，主从关系明显
• 第二阶段 20世纪60年代
  • 数据通信网络，以美国 ARPA网（ARPANet）为代表的阶段。
  • ARPA 网是世界上第一个以资源共享为主要目的的计算机网络，它是Internet的前身。（ARPA 民用科研部分演化成目前的 Internet）
• 第三阶段 20世纪70年代
  • 开放的标准化网络
  • 国际标准化组织（international Organization for Standardization，IOS）成立工作组
  • 制定以层次结构为基础的开放系统互联参考模型，促进来网络的标准化和开放性。
• 第四阶段 20世纪90年代
  • Internet 时代
  • 交换信息，共享资源
  • 中国网络用户突破4.5亿

    计算机网络的概念

网络介质：数据传输的物理通道，如电缆，光纤，微波，微信通信等；
协议：网络设备件进行通信的一组约定，如 FDDI 、IEEE802.3、IEEE802.4等；
节点：网络中某分支的端口或网络中若干条分支的交汇点；
链路：两个相邻节点之间的通信线路；

计算机网络的分类

• 按照传输方式（两种）
  • 直接式： 两部计算机直接连接进行通信。可以是点对点，可以是点对多。
  • 间接式：通信双方必须通过交换网络进行传输。

• 按通信覆盖地域的广度（三种）

  • 局域网
  • 城域网
  • 广域网

    计算机网络系统的组成和功能

    

    网络操作系统（NOS）

    网络操作系统是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊操作系统，它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加来网络操作功能。

    网络协议

    网络协议是网络设备之间进行通信的语言和规范。常用的网络协议有 IPX，TCP/IP，NetBEUI、NWLink。TCP/IP是Internet 使用的协议。

    计算机网络的功能

    计算机网络的主要功能有数据通信、资源共享、分布处理、提高兼容性和安全性

    数据通信

    计算机的基本功能。用来快速传送计算机与终端，计算机与计算机之间的各种数据。

    资源共享

    主要有硬件资源共享、软件资源共享、用户间信息交换三个方面。
    硬件共享，打印机。软件共享，web应用。信息交换，电邮。

    分布处理

    根据各个计算机的负载情况，实时地分配任务，及时调整任务，从而提高处理问题的实时性，充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力。

    提高兼容性和安全性

    网络标准化使其兼容性进一步提高，从而大大地扩展了系统性能，提高了处理能力。同时利用软件或物理的手段进行权限限制，很大程度上保证来安全性。

    常用的计算机网络应用系统

• 管理信息系统

• 办公自动化系统
• 信息检索系统
• 分布式控制系统
• 计算机集成与制造
• 电子数据交换系统
• 信息服务系统
• 电子收款系统

数据资源管理相关

广义的资源管理包括文件组织、数据库、数据规划和数据管理。
数据处理是管理活动的最基本内容，也是管理信息系统的基本功能。
进行数据处理需要考虑三方面：

1. 数据在计算机中的存储方式
2. 有利于数据的存储和采用的数据结构

3. 从已组织好的数据中检索数据的方法

   数据处理（八个方面）

4. 数据收集：根据需求收集相关的数据

5. 数据转换：将各种世纪数据用计算机能够处理的代码表述
6. 数据的筛选、分组和排序
7. 数据的组织：将数据按照逻辑关系组织起来，并按照一定的存储方式存储在计算机的存储器中
8. 数据的运算：算数运算和逻辑运算
9. 数据存储
10. 数据检索
11. 数据输出

    数据组织

    数据结构

    数据结构是指数据的存储结构以及在此结构上的运算或操作。数据结构严格来说可分为数据的逻辑结构和物理结构

    数据的逻辑结构

    逻辑结构是指数据间的逻辑关系，逻辑结构包括

• 线性结构

• 非线性结构

  物理结构

  物理结构又称存储结构，是数据元素在计算机存储器中的存储方式，一般有4中：

• 顺序存储

• 链接存储
• 索引存储
• 散列存储

  逻辑结构相同的数据可因存储结构的不同而得到

对于给定的逻辑结构需要一种合适的存储结构，以便在计算机中存储。这种对应关系称之为**映像**

文件组织 （文件系统）

数据文件的概念：

数据文件，简称文件，是为了某一特定的目的而形成的同类记录的集合。

记录：

记录是文件中可存取的最小单位，它是有数据处理的某一对象有关的数据项构成的。

数据项：

组成数据系统文件中可使用的最小单位，其作用是描述一个数据处理对象的某些属性。

数据文件的组织方式：（四种）

1. 顺序文件
2. 索引文件
3. 链表文件
4. 倒排文件

   数据库技术

   解决传统的文件处理系统的问题，例如数据冗余、数据不一致、数据结构不一致、数据查找不灵活等。

   数据库处理系统：

   具有完善的数据字典和数据模型，数据相对独立，具有方便的接口，完整的数据控制和较强的灵活性。一般包括以下三个功能。

• 数据库开发
  • 利用数据定义语言 DDL 开发并说明数据库的结构及数据内容，相互关系。并把这些信息存储在数据字典的专门的数据库中
• 数据库查询
  • 查询数据的语言，常用的结构化查询语言（SQL）

• 数据库维护

  • 数据保护功能
  • 保证安全性、完整性、并发控制和数据库恢复。

    数据库设计

    信息是人们对客观世界各种事务特征的反映，数据则是表示信息的一种符合。
    数据库设计步骤：（四个阶段）

• 用户需求分析

• 概念结构设计
  • 根据用户需求设计的数据库模型，也成为概念模型。
• 逻辑结构设计
  • 将概念模型转换为某种数据库关系系统支持的数据模型
• 物理结构设计
  • 为数据模型选择合理的存储结构和存储方法

    实体联系模型

1. 实体
   1. 具体或抽象的事物
2. 属性
   1. 实体具有的某种特征
3. 联系
   1. 信息世界反映现实世界的事物之间的联系

      数据模型

      对客观事物及其联系的数据化描述。
      数据模型可以对现实世界中的数据进行抽象、描述以及处理。
      数据模型是数据库系统设计中的形式架构
      是数据库系统实现的基础。
      数据模型主要有三大类

• 层次型
• 网状模型

• 关系模型 ：目前最重要的

  数据设计规范化 略～

• 属性之间的依赖关系

• 关系模式性能的
• 数据存储的异常

  简答

  Q： 什么是计算机网络？

  计算机网络是用通信介质把分布在不同地理位置的计算机和其他网络设备链接起来，实现信息互通和资源共享的系统。

  Q：什么是服务器？

  指网络上拥有更强的处理能力、更多的内存和硬盘空间，用于管理共享资源的计算机。
  ps：客户机是指网络中请求其他计算机或服务器上的资源或服务的计算机。

  Q：未来网络发展的基本技术趋势

1. 朝着低成本微计算机所带来的分布式和智能化方向发展，即客户面/服务器（Client/Server，CS）结构；
2. 朝适应多媒体通信、移动通信的方向发展；
3. 朝网络结构适应网络互联，扩大规模以至于更加全球化的方向发展

   Q：第一台计算机问世时间？

   A：20实际40年代中期，1946年。

   Q：计算机系统的发展历程？

   1945 10-10-15-至今

• 第一代计算机（1945～1955）：真空管和插件版
• 第二代计算机（1955～1965）：晶体管和批处理系统
• 第三代计算机（1965～1980）：集成电路芯片和多道程序
• 第四代计算机（1980～至今）：个人计算机

• 计算机系统的普及和发展

  Q：计算机系统的信息编码

• 计算机系统中的数值的表示形式

  • 十进制：字母标识-D ：日常使用十进制
    • 10个数码（0-9）
    • 逢十进一
  • 二进制：字母标识-B
    • 两个数码（0-1）
    • 逢二进一
  • 八进制：字母标识-Q
    • 八个数码（0-7）
    • 逢八进一
  • 十六进制：字母标识-H
    • 十六个数码（0-9，A-F）
    • 逢十六进一

      Q：计算机中的字符编码

      字符编码

      计算机中的所有字符都必须使用二进制编码来表示。
      大多数计算机采用美国信息交换标准码（american standard code for information interchange，ASCII）
      ASCII 码采用七位二进制编码，可以表示128个字符，最高位为0（或置为校验码）

      汉字编码

      中国国家标准，用连续的两个字节表示，每个字节最高位为1

Q：冯·诺依曼结构计算机主要思想

1946年，冯·诺依曼 提出存储程序原理，其主要思想：
将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步地进行处理。冯·诺依曼结构计算机包括五大部分：运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备。

Q：计算机采用二进制的主要原因

1. 二进制只有0-1 两种状态，与计算机所用的逻辑期间的两种状态相吻合，技术上容易实现
2. 二进制运算规则简单，适用于计算机进行逻辑运算
3. 二进制数与十进制数之间的转换不复杂，容易实现
4. 总结：运算简单、实现方便、成本低。