信息系统工程概论课件2

信息系统工程概论(2),符长青博士,第2章计算机系统的基本结构,计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，硬件部分是指计算机系统的物理设备。只有硬件系统的计算机叫裸机，裸机是无法运行的，需要软件的支持。硬件是基础，而软件则是指挥中枢，硬件和软件两者的功能与质量决定了计算机系统的功能和性能。计算机的硬件系统是计算机系统中各种物理设备的总称，主要由主机和外设构成。主机包括中央处理机（CPU）、主板、存储器，外设有输入设备、输出设备等组成,中央处理机（CPU）,CPU即中央处理器，是计算机的头脑，由运算器和控制器组成，是计算机系统的核心部件。运算器又称算术逻辑部件（ALU），是对数据进行加工处理的部件，它在控制器的作用下与内存交换数据，负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其他操作。控制器（CU）是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各部件协调一致地工作。CPU品质的高低，直接决定了一个计算机系统的档次。反映CPU品质的最重要指标是主频和数据处理的位数。主频说明了CPU的工作速度，主频越高，CPU的运算速度越快。CPU传送数据的位数是指计算机在同一时间能同时并行传送的二进制信息位数，即字长。例如16位机、32位机和64位机，是指该计算机中的CPU可以同时处理16位、32位和64位的二进制数据。,主板,主板是一块带有各种插口的大型印刷电路板（PCB），集成有电源接口、控制信号传输线路（称为控制总线）和数据传输线路（称为数据总线）以及相关控制芯片等，它将主机的CPU芯片、存储器芯片、控制芯片、ROMBIOS芯片等各个部分有机地组合起来。此外主板还有连接着软驱、硬盘、键盘、鼠标的I/0接口插座以及供插入接口卡的I/0扩展槽等组件。通过主板，CPU可以控制诸如硬盘、软驱、键盘、鼠标、内存等各种设备。主板的核心是主板芯片组，包含北桥和南桥两组芯片，它们决定了主板的规格、性能和大致功能。北桥芯片位置靠近CPU，连接着CPU、内存、AGP总线，主要决定主板的规格、对硬件的支持、以及系统的性能。它有较高的工作频率，数据处理量非常大，发热量也大，所以要涂抹硅胶，并覆盖有散热片或者风扇进行散热。南桥芯片主要决定主板的功能，主板上的各种接口、PCI总线，以及主板上的其他芯片都归南桥芯片控制。南桥芯片通常裸露在PCI插槽旁边，块头比较大。它的数据处理量不大，不用覆盖散热片。南北桥之间有一条通道，称为南北桥总线。南北桥总线越宽，数据传输越便捷,存储器,存储器是计算机系统内最主要的记忆装置，能够把大量计算机程序和数据存储起来，称为可写，此外也能从其中取出数据或程序，称为可读。存储器按功能可分为主存储器和辅助存储器。主存储器，也称为内存储器（内存），有随机存取存储器（简称RAM）和只读存储器（简称ROM）两种，它读写速度快，直接与CPU交换数据，一般当前运行的程序与使用的数据存放在内存中。RAM能够随时由CPU进行读写，但断电后其中的信息会消失。ROM是只能读出而不能随意写入信息的存储器，断电后其中的信息不会丢失。辅助存储器也称为外存储器（外存），计算机执行程序和加工处理数据时，外存信息送入内存后才能使用，它读写速度相对较慢，但容量可以很大。常用的外存是软磁盘（简称软盘）、硬磁盘（简称硬盘）和光盘等。,输入/输出设备,1输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中，并将它们转换成计算机内部能识别和接受的信息形式。按输入信息的形态可分为字符（含汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。常见的有键盘、鼠标、扫描仪等。2输出设备输出设备的功能可将机器运算结果以人或其它设备能接受的形式送出计算机。目前最常用的输出设备是打印机和显示器等。辅助存储器（磁盘、磁带等）及自动控制和检测系统中使用的模数（A/D）转换装置等设备既可作为输入设备，也可作为输出设备。,计算机总线,总线（BUS）是一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线，能分时地发送和接收各部件的信息。有以下几种类型：（1）按功能划分数据总线：用于传输数据信息。地址总线：用于传送地址信息。控制总线：用于传输控制信号。（2）按位置划分机内总线：总线在计算机主机内，包括两类：内部总线和外部总线机外总线：主机与外部设备接口相连的总线，是外设的接口标准（3）按范围划分局部总线：在传统的ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线，如PCI总线。系统总线：计算机内部各部件(插板)之间进行连接和传输信息的一组信号线，例如ISA、EISA、MCA、VESA、PCI及AGP等通信总线：系统间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线,计算机接口,根据外部设备与I/O模块交换数据的方式，系统接口可以分为串行和并行接口两种。串行接口一次只能传送1位信息，而并行接口一次就可传送多位信息（一般为8位倍数）。串行通信又可以分为异步通信方式和同步通信方式两种。并行接口数据传输效率高，控制简单，通常用于高速数据通道街口，但是它所需连线很多，不适于远距离传输。串行通信连线少，适合于长距离传送，但是控制复杂而且传输速度较慢。常见的设备接口有以下几种。（1）ST506（2）ESDI（3）IDE（4）SCSI（5）PCMCIA（6）P1394（7）USB,计算机存储体系,1内存编址2高速缓冲存储器（Cache）3廉价磁盘冗余阵列RAID（1）RAID0级（无冗余和无校验的数据分块）（2）RAID1级（磁盘镜像阵列）（3）RAID2级（采用纠错海明码的磁盘阵列）（4）RAID3级和RAID4级（采用奇偶校验码的磁盘阵列）（5）RAID5级（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）（6）RAID6级（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）（7）RAID7级（具有最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列）（8）RAID10级（高可靠性与高性能的组合）,计算机基本输入输出系统（BIOS）,1BIOS的功能（1）自诊断程序（2）CMOS设置程序（3）系统自举装载程序（4）驱动程序和中断服务2BIOS与CMOS的区别CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片。它存储了计算机系统的实时钟信息和硬件配置信息等。系统在加电引导机器时，要读取CMOS信息，用来初始化计算机各个部件的状态。它靠系统电源和后备电池来供电，系统掉电后其信息不会丢失。BIOS中系统设置程序是完成参数设置的手段，而CMOS是系统参数存放的地方。因此，准确的说法是通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。,计算机数字编码,1原码：正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，数值部分保持不变。用原码进行加法可得到正确结果，但进行减法结果不对。2反码：符号0表示正数，符号1表示负数。把原码对除符号位外的其余各位逐取反就产生了反码。反码的减法结果正确，但加法结果不对。3补码：符号0表示正数，1表示负数。正数的补码和原码相同，负数的补码是将数值部分按位取反，再在最低位加1。补码的补码就是原码。补码加法和减法结果都正确，因此补码是最适合进行数字加减运算的。4移码：1表示正数，0表示负数。移码是在补码的基础上把首位取反得到的。移码常用于表示阶码。,计算机字符编码,1ASCII码2汉字编码（1）汉字输入码数字编码：区位码。音码：全拼、智能ABC、双拼。形码：五笔字型、表形码、笔划码、首尾码。音形码：自然码。（2）汉字机内码机内码与国家标准GB2312-80汉字字符集有简明的对应关系（3）汉字字形码点阵字型矢量字形轮廓字形,计算机字符编码（ASCII码）,ASCII码是“美国标准信息交换代码”的简称，用于给西文字符编码。这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128个字符，目前在国际上广泛流行。ASCII码是7位二进制编码，而计算机的基本存储单位是字节（byte），一个字节包含8个二进制位（bit）。因此，ASCII码的机内码要在最高位补一个0。后来，IBM公司把ASCII码的位数增加一位，用8位二进制数构成一个字符编码，共有256个符号。扩展后的ASCII码除了原先的128个字符之外，又增加了一些常用的科学符号和表格线条。,计算机字符编码（汉字编码）,中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码（GB80-2312）共收录了汉字、图形、符号等7445个，并根据汉字的常用程度确定了一级和二级汉字字符集。这么多的汉字都必须用不同的二进制数表示，一个字节显然不够了，所以采用了称为国标码的编码方式。字符集中的任何一个汉字或符号都用两个7位二进制数表示，在计算机中占2个字节，每个字节的高位为0。（1）汉字输入码数字编码：区位码。音码：全拼、智能ABC、双拼。形码：五笔字型、表形码、笔划码、首尾码。音形码：自然码。（2）汉字机内码机内码与国家标准GB2312-80汉字字符集有简明的对应关系（3）汉字字形码点阵字型矢量字形轮廓字形,计算机操作系统,操作系统（OS）是用户和计算机之间的界面。1操作系统的功能（1）处理机管理（进程管理）（2）存储管理（3）设备管理（4）信息管理（文件管理）（5）用户管理（作业管理）2操作系统的分类（1）网络操作系统（2）分时操作系统（3）批处理操作系统（4）实时操作系统（5）分布式操作系统,虚拟存储器,1、虚拟存储技术：在内存中保留一部分程序或数据，在外存（硬盘）中放置整个地址空间的副本。程序运行过程中可以随机访问内存中的数据或程序，但需要的程序或数据不在内存时，就将内存中部分内容根据情况写回外存，然后从外存调入所需程序或数据，实现作业内部的局部转换，从而允许程序的地址空间大于实际分配的存储区域。2、虚拟存储器的分类（1）单一连续分区（2）固定分区（3）可变分区（4）可重定向分区（5）非请求分页式（6）请求分页式（7）段页式2局域性原理3工作集理论,计算机应用软件的概念,应用软件即是提供某种特定功能的软件，它们一般都运行在操作系统之上，由专业人员根据各种需要开发。如业务应用软件，杀毒软件，文字处理软件，学习软件，游戏软件，上网软件等。软件是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。一套完整的计算机系统包含了计算机硬件系统和软件系统，其中软件系统包括了基本输入输出系统（BIOS），操作系统（OS）和应用软件系统三部分。,计算机体系结构,1计算机的分类（1）单指令流单数据流（SISD）（2）单指令流多数据流（SIMD）（3）多指令流单数据流（MISD）（4）多指令流多数据流（MIMD）2并行计算机系统（1）超级标量处理机（2）超级流水线处理机（3）超长指令字处理机（4）向量处理机（5）多处理机系统（6）大规模并行处理机（7）对称多处理机3精简指令系统计算机,精简指令系统计算机（RISC）,精简指令系统计算机（RISC）是相对于传统的复杂指令系统计算机（CISC）而言的，早期的CPU全部是CISC架构，要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。RISC则是计算机系统只有少数指令，但是每个指令的执行时间相当短，CPU可用很高的频率来运算，提高运算速度。RISC的特点：（1）指令数量少（2）指令的寻址方式少（3）指令长度固定，指令格式种类少（4）只提供了Load/Store指令访问存储器（5）以硬布线逻辑控制为主（6）单周期指令执行（7）优化的编译器,系统可靠性分析,（1）平均无故障时间可靠度为R(t)的系统的平均无故障时间MTTF定义为从t0时到故障发生时系统持续运行时间的期望值。（2）平均故障修复时间可用度为A（t）的系统平均故障修复时间MTTR可以用类似于求MTTF的方法求得。（3）平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF常常与MTTF发生混淆。因为两次故障（失败）之间必然有修复行为，因此，MTBF中应包含MTTR。对于可靠度服从指数分布的系统，从任一时刻到达故障的期望时间都是相等的，因此有：MTBF=MTTR+MTTF在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为MTBFMTTF。,系统可靠性计算,对于系统的可靠性计算，需要掌握串联系统和并联系统的可靠性计算的方法。（1）串联系统假设一个系统由n个子系统组成，当且仅当所有的子系统都能正常工作时，系统才能正常工作，这种系统称为串联系统。（2）并联系统一个系统由n个子系统组成，只要有一个子系统能正常工作，系统就能正常工作。在并联系统中只有一个子系统是真正需要的，其余n-1个子系统称为冗余子系统，随着冗余子系统数量的增加，系统的平均无故障时间也增加了。（3）混联系统混联系统是指由串联和并联两种结构混合组成的系统。,容错技术,容错是指系统在其某一组件故障存在的情况下不