三级网络技术第一章 计算机基础1.1计算机系统的组成31.1.1 计算机的特点n信息处理的特性n计算机不是简单的计算器，它主要的功能是对信息的处理。n广泛的适应性n适用于多种行业，不同行业使用不同的软硬件来适应。n计算机的价值观n购买计算机可以满足需要就可以，不必一味追求高性能。n计算机的利弊观n计算机不是万能的，不能完全代替人的工作。41.1.2 计算机的发展阶段n大型机阶段n分为电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路几个发展时期n代表性企业：IBM、富士通、DECn小型机阶段n是对大型机的第一次“缩小化”n代表企业：DEC n代表机型：VAXn微型机阶段n是对大型机的第二次“缩小化”n代表企业：苹果、IBMn客户机/服务器阶段n在20世纪70年代开始出现局域网（局部范围的网络）。n对等网：每台计算机从逻辑上都是平等的。n非对等网络：存在主从关系，也称C/S结构，其中C表示CLIENT客户机；S表示SERVER服务器n互联网阶段n从美国国防部的阿帕网（ARPANET）开始，Internet迅速发展起来5计算机发展的重要事件 n1946年n世界上第一台计算机ENIAC诞生，它是一台电子管的计算机。n1971年n微型计算机诞生，以INTEL公司的4004和4040为标志。n1969年n互联网络的前身ARPANET（阿帕网）诞生。n1991年6月n我国第一条互联专线从中科院的高能物理所（简称高能所）连到斯坦福大学的直线加速器上。标志着中国开始进入互联网领域。n1994年n我国实现了采用TCP/IP的国际互联网的全功能连接。61.1.3 计算机的种类n1传统的分类n巨型机n大型机n中型机n小型机n微型机71.1.3 计算机的种类n2现代的分类n服务器n一般具有强大的处理能力、大容量的存储设备和快速的输入输出通道和联网能力的称为专业级服务器；n需要注意，任何计算机都要可以充当服务器n工作站n一般指图形工作站，主要表现在需要一个较大的显示器和较强的图形处理能力n台式机n一般就指个人电脑。n笔记本n又称便携机，功能与台式机不相上下，但价格较贵n手持设备n又称掌上电脑，如PDA、商务通、第三代手机81.1.4 计算机的应用领域n1科学计算n计算机用于数学问题的计算，是计算机应用最早的领域。n如：解方程组、解微分方程n又称为数值计算n2事务处理n又称为信息管理，用计算机对信息进行收集、加工、存储和传递等工作n如：办公室自动化、企业管理、情报检索等n3过程控制n用计算机对工业生产过程或某种装置的运行过程进行状态检测并实施自动控制n4辅助工程nCAD：计算机辅助设计；CAM：计算机辅助制造；CAT计算机辅助测试；CAE计算机辅助工程；CAI计算机辅助教学91.1.4 计算机的应用领域n5人工智能n利用计算机对人进行智能模拟。它包括用计算机模仿人的感知能力、思维能力和行为能力等。n例如：识别语言、文字、图形以及学习、推理和适应环境的能力等等。n6网络应用n如：电子邮件、WWW服务、资料检索、IP电话、电子商务、电子政务、BBS、远程教育等，n7多媒体应用n如：文化教育、技术培训、电子图书、观光旅游、商用及家庭应用等方面。1.2 计算机硬件组成111.2.1 计算机硬件和软件n1硬件和软件n计算机系统由硬件和软件两部分组成，缺一不可n两者有本质区别n硬件具有原子的特性n而软件具有比特的特性n功能上具有等价性n某个功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现n硬件实现成本很高，但速度很快，软件实现成本较低，但速度较慢n究竟是使用硬件实现还软件，要根据具体情况而定。n发展上具有同步性n往住硬件升级了，软件也了随之升级，反之也然。121.2.1 计算机硬件和软件(续)n2硬件的组成层次n第一层次：芯片n包括微处理器芯片、存储器芯片、I/O芯片等n第二层次：板卡n计算机的主板和各种插卡n第三层次：设备n在设备的机箱内，固定着相关板卡、其他部件以及相应的布线n第四层次：网络n各种计算机设备通过联网设备及传输线缆，形成大大小小的网络131.2.5 计算机的技术指标n目的：n判断一台计算机的优劣n主要技术指标：n位数n速度n容量n带宽n版本n可靠性n141位数n也称字长，是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关，字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。n计算机有8位、16位、32位以及64位之分。n奔腾是32位的，这是指该处理器，特别是其中的寄存器能够保存32位的数据。n计算机中数据的常用单位：n位（bit）：计算机中最小的数据单位，指的是二进制数的一位，也称为“比特”。一位只能存放一个二进制数，即“0”或“1”。n字节（Byte）：计算机存储容量的基本单位，计算机存储容量的大小是用字节的多少来衡量的。一个字节等于8位，即：lB=8bit。n字（word）：由一个或若干个字节组成，通常为16位，因此32位是一个双字长，64位是两个双字长。15十进制、二进制、十六进制n十进制：n日常生活中使用，逢十进一n二进制：n计算机内部采用的二进制，逢二进一n如：1010，相当于是十进制10，读作“幺零幺零”n十六进制：n二进制太长，容易写错，用一个十六进制数据表示四位二进制。n对应关系：n0：0000；1：0001；2：0010；3：0011；nA：1010；B：1011；C：1100；D：1101；nE：1110；F：1111n例如：CD211100 1101 0010 0001162速度n每秒钟执行的指令条数来表示n单位：MIPS（Million Instructions Per Second）n含义：单字长定点指令的平均执行速度，即每秒执行一百万条指令n例如：经典奔腾的处理速度可达到300MIPS。n每秒执行浮点指令的平均数目来表示n单位：MFLOPS（Million FLOating Instruction Per Second）n含义：每秒执行一百万条浮点指令。n常用的单位还有GFLOPS、TFLOPS等，转换关系是：n1TFLOPS=103GFLOPS=106MFLOPS173容量n不仅影响着存储程序和数据的多少，也影响着这些程序的运行速度n单位是字节，英文为Byte，缩写为B。n常用的单位还有KB、MB、GB、TB等，它们之间的关系是：n1TB=210GB=220MB=230KB=240Bn磁盘存储器除了存储容量外，还有一些特殊的指标：n平均寻道时间：磁头沿着盘径移动到达需要读写的那个磁道花费的平均时间。n平均等待时间：需要读写的扇区旋转到读写磁头下面花费的平均时间。n数据传输速率：磁头找到所需读写的扇区后，每秒钟可以读出或写入磁盘的字节数。184数据传输率n也常称为带宽，反映计算机的通信能力n单位：bps (bits per second)，即每秒传输1位或1比特n常用单位有Kbps、Mbps、Gbps，换算关系是：1Gbps=103Mbps=106Kbps=109bpsn与衡量内存或磁盘容量区别：1TB=210GB=220MB=230KB=240B195版本n不同时期有不同的型号和版本，型号和版本号往往能简单地放映出性能的优劣；n例如：Windows 2008要比Windows 2003作了不少的改进，Office 2003在Office 2000的基础上进行的功能的扩充；n型号和版本号往往具体商业色彩，不能算作技术指标。206可靠性nMTBF：nMean Time Between Failures，平均无故障时间n多长时间系统发生一次故障，反映了计算机系统的可靠性nMTTR：nMean Time To Repair，平均故障修复时n修复一次故障所需的时间，反映了计算机系统的可维修性nMTBF时间很长，MTTR时间很短，说明系统的可靠性高211.2.3 微处理器芯片的技术特点 n微处理器的发展n奔腾芯片的技术特点n安腾芯片的技术特点22微处理器的发展n8位机时代：nIntel 8080nMotorola的6800、Zilog的Z80等。n16位机时代nIntel 8088：准16位芯片，内部体系结构是16位的，与外部设备的通信却采用8位总线nIBM-PC芯片，用于个人计算平台n促进了DOS和Lotusl-2-3等软件的成长n32位机时代：n奔腾机，成为运行Windows 9x/2000/XP及大量PC应用软件的重要平台n与奔腾竞争的芯片还有AMD公司的K6、Cyrix公司的MII以及IDT公司的WinChip芯片等23奔腾芯片的技术特点n1超标量（Superscalar）技术n通过内置多条流水线来同时执行多个处理，实质是以空间换取时间。n在经典奔腾中，由两条整数指令流水线（U指令流水线和V指令流水线）和一条浮点指令流水线组成。n2超流水线（Super pipeline）技术n通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。n经典奔腾的每条整数流水线都分为4级流水，即指领预取、译码、执行、写回结果。n浮点流水线可分为8级流水，前4级与整数流水线相同，后4级则包括两级浮点操作、一级四舍五入及写回浮点运算结果、一级为出错报告n3分支预测n流水线断流，从而必须重新取指令，这就影响了处理速度。n在奔腾芯片上内置了一个分支目标缓存器，用来动态地预测程序分支的转移情况，从而使流水线的吞吐率能保持较高的水平24奔腾芯片的技术特点(续)n4双Cache的哈佛结构：指令与数据分开nCache：即高速缓冲存储器，为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的，介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快n经典奔腾有两个8KB的超高速缓存，一个用于缓存指令，一个用于缓存数据，这就大大提高了访问Cache的命中率n5固化常用指令n把常用指令改用硬件实现n6增强的64位数据总线n内部总线是32位，与存储器之间的外部总线增为64位n突发模式下，一个总线周期装入256位的数据25奔腾芯片的技术特点(续)n7采用PCI标准局部总线nPCI：外围部件接口标准nVESA：视频电子标准协会制定的nPCI标准要比VESA标准n8错误监测及功能冗余校验技术n内部错误检测功能：在内部多处设置偶校验，以保证数据传输的正确n功能冗余校验技术：通过双工系统的运算结果比较，判断系统是否出现异常操作，并提出报告n9内建能源效率技术n当系统不进行工作时，自动进入低耗电的睡眠模式n10支持多重处理n许多超级计算机都是用大量的CPU芯片组成的多重处理系统n奔腾提供的数据一致性以及存储器的定序存取功能，使它适合于多级环境下数据的交换和任务的分配26安腾芯片的技术特点n64位n安腾是64位芯片，奔腾是32位n使用EPIC技术nCISC：复杂指令计算，用于80386、80486nRISC：精简指令计算，用于奔腾nEPIC：简明并行指令计算，用于安腾。271.2.4 主机板与插卡n1主板组成n主板是包括CPU、存储器、总线、插槽以及电源等五大部分。n2主板分类：n（1）按CPU芯片分类，如486主板、奔腾主板、奔腾4主板等。n（2）按CPU插座分类，如Socket7主板、Slot1主板等。n（3）按主板的规格分类，如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板等。n（4）按存储器容量分类，如16 M主板、32 M主板、64 M主板等。n（5）按芯片集分类，如TX主板、LX主板、BX主板等。n（6）按是否即插即用分类，如PnP主板、非PnP主板等。n（7）按系统总线的带宽分类，如66MHz主板、100MHz主板等。n（8）按数据端口分类，如SCSI主板、EDO主板、AGP主板等。n（9）按扩展槽分类，如EISA主板、PCI主板、USB主板等。n（10）按生产厂家分类，如联想主板、华硕主板、海洋主板等。281.2.4 主机板与插卡(续) n网卡也称适配卡，是组网的关键部件，它是最常用的插卡之一。网卡插在主板的扩展槽内，一方面与计算机连接，另一方面与传输电缆连接，其功能为：n实现与主机总线的通信连接，解释并执行主机的控制命令；n实现数据链路层的功能，如形成数据帧、差错检验、发送接收等；n实现物理层的功能，如对发送信号的传输驱动、对进来信号的侦听与接收、对数据的缓存以及串行、并行转换等。1.3 计算机软件组成301.3.1 软件的基本概念n程序：指令序列n体现了用户要求计算机做什么、怎样做，每一套指令序列均以某种代码形式储存于存储器中n软件不能简单地理解为就是程序，包括：n程序n数据n文档n所有使用软件的技能311.3.2 应用软件的种类n1按照用途分类按照用途，软件可以分为系统软件和应用软件。n系统软件是贴近硬件的低层软件，操作系统及与其相关的实用软件都属于系统软件；高级语言编程环境也是系统软件的一大分支，它涉及编译或解释程序，与低层机器语言有关。n应用软件则是运行在系统软件之上的高层软件。应用软件按具体用途的不同又可分为：字处理软件、数据库软件、搜索引擎软件、压缩软件、多媒体软件、防病毒软件等。321.3.2 应用软件的种类(续)n2按照授权分类n商业软件。商业软件是由软件公司生产的商品性质的软件，必须购买才能使用，称为正版软件。常用的Windows、Microsoft Office都是商业软件。n共享软件。共享软件一般不是免费的，版权为软件作者所保留，但可以自由复制、试用和传播。互联网上有很多共享软件，在未注册之前通常会有一定的功能限制，如使用时间限制、次数限制、功能不完全等。用户在试用共享软件认为满意后，可以向软件作者支付一定的注册费用，获得该软件相应版本的使用授权，即成为正式版用户。如WinZip、ACDSee等都是共享软件。n自由软件。自由软件都是免费的，并且由作者提供源代码，使用者可以自主复制、自由修改软件，如Linux操作系统。331.3.3 程序、文档与软件开发n软件开发过程n软件生命周期n软件产品从提出、实现、使用维护、停止使用到退役的过程n计划阶段n问题定义n可行性研究n开发阶段n开发初期：需求分析、总体设计、详细设计n开发后期：编码、测试n运行阶段n软件维护341.3.3 程序、文档与软件开发(续)n编程语言n机器语言n使用二进制代码编写程序，也称低级语言n汇编语言n用助记符代替二进制代码n高级语言n远离机器硬件，越来越抽象n高级语言有BASIC、FORTRAN、COBOL、PASCAL、C等。n解释程序：输入一句，翻译一句，执行一句，如BASICn编译程序：整个源程序进行全部翻译转换，产生出机器语言的目标程序，如FORTRAN、COBOL、PASCAL、C1.4 多媒体技术基础361.4.1 多媒体的基本概念n1什么是多媒体技术n多媒体：Multiple+ Medium= Multimedian对文本、声音、图像和图形进行处理、传输、存储、播放的集成技术n特点n信息媒体的多样性、集成性和交互性n唇同步n相关音频流与视频流之间的同步371.4.1 多媒体的基本概念(续)n2多媒体的基本组成n侧重接口和硬件技术n把各种不同的电子媒体连接成一个相互作用的整体n侧重算法和软件技术n以交互控制方式，把文本、图形、图像和声音集成于一体，将结果综合地、实时地表现出来n多媒体计算机（MPC）n具有CD-ROMn具有A/D和D/A转换功能n具有高清晰的彩色显示器n具有数据压缩与解压缩的硬件支持381.4.2 数据压缩与解压缩技术 n1数据压缩基础n一幅图像的数据量图像宽度图像高度图像深度n例如：1024768，56636色的一幅图像的数据量：102476816/8=1.5MBn压缩技术：多媒体技术处理的信息量十分庞大，计算机总线的传送量有限，因此要对数据进行压缩。信息论是压缩的理论基础，从信息论的角度看，压缩就是去掉信息中的冗余，即去掉确定的和可推知的信息，而保留不确定的信息。391.4.2 数据压缩与解压缩技术(续) n2压缩方法的种类n按照压缩前后图像的差别可分为：无损压缩和有损压缩。n按照压缩的原理可分为熵编码、源编码和混合编码。具体又分信息熵编码法、预测编码法、变换编码法和矢量编码法。其中，只有熵编码是无损编码，其他都是有损编码。401.4.2 数据压缩与解压缩技术(续) n3国际压缩标准nJPEGn适合于连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像的国际标准nMPEGn包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统3部分nMPEG要考虑到音频和视频的同步n电视质量的视频和音频压缩形式，位速为1.5MbpsnMPEG标准已经有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21。nH.26x系列n包括H.261、H.262、H.263、H.264等标准。P64是CCITT的H.261号建议，该标准的目标是可视电话和电视会议，H.262等同于MPEG-2标准，H.263适合可视电话，H.264则与MPEG-4类似。411.4.3 超媒体与流媒体的概念 n超文本n传统的文本是线形的、顺序的n超文本是非线形、非顺序的n超媒体n结点和表示结点之间联系的链组成的有向图（网络），便于用于户浏览n结点：表达信息的基本单位n链接：建立结点之间信息联系的指针n流媒体技术n流媒体技术是对多媒体文件边下载、边播放的传输技术。421.4.4 多媒体软件的应用多媒体软件主要包括多媒体播放软件和多媒体制作软件。n常用的多媒体播放软件有Windows Media Player、暴风影音、RealPlayer、RealONE Player、豪杰超级解霸等。大多数用户使用多媒体播放软件来收听、收看多媒体节目。n多媒体制作软件包括文字编辑软件、图像处理软件、动画制作软件、音频处理软件、视频处理软件以及多媒体创作或著作软件等。43常用的多媒体制作软件n文字编辑软件：如Microsoft Word、金山的WPS等n图像处理软件：如Photoshop、CorelDraw、Graphic Suite等。n动画制作软件：如Flash、3Dmax、Maya、Poser、Admator Pro、Animator Studio、Premiere等。n音频处理软件：Real Jukebox、Easy CD-DA Extractor等属于声音数字化转换软件；Goldware、Cool Edit Pro等属于声音编辑软件；Windac 32、L3Enc等属于声音压缩软件。n视频处理软件：如Windows自带的Movie Maker、Adobe公司的Premiere Pro、Ulead公司的VideoStudio等。n多媒体创作软件：如PowerPoint、Authorware等。