信息系统的技术基础

1、第二章 信息系统的技术基础2.1 计算机系统2.1.1 计算机的发展1945年,数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。年 代发 展 情 况1946年至20世纪50年代末电子管计算机20世纪50年代末至60年代中期晶体管计算机20世纪60年代中期至70年代中期集成电路计算机20世纪70年代末至今大规模和超大规模集成电路计算机20世纪80年代开始智能计算机2.1.2 计算机系统的类型按数的表示

2、方式和计算原理分数字计算机：对离散符号表示的数进行操作模拟计算机：对连续变化的物理量进行加工 按功能不同分专用计算机通用计算机超级计算机大型计算机小型计算机微型机工作站2.1.3 计算机中的数据表达方式在计算机内部，为了能够对数据进行处理，所有的数字、字符、符号、文字和图像都必须以二进制数的形式表达，即以和表示。计算机系统中最小的数据操作单元为一位二进制数，称之为一个比特bit在计算机中数据存储的基本单位称为字节byte1byte=8bit十进制数可以转换为二进制数，如：205=1*27+1*26+0*25+0*24+1*23+1*22+0*21+1*20美国国家信息交换标准代码（Americ

3、an Standard Code for Information Interchange），简称ASCII码2.1.4 计算机系统的硬件设备计算机硬件通常是指构成计算机系统的所有物理部件的集合，包括运算器、控制器、主存储器、辅助存储器、输入输出设备、电源等。1、计算机系统的基本结构从原理和基本结构来看，每一个计算机系统在功能上都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成的。运算器和控制器合称为中央处理单元（CPU）系统总线：用于CPU、存储器与各类输入输出设备之间相互交换信息。系统总线：数据信号、地址信号、控制信号2. 中央处理单元由运算器和控制器组成。运算器又称算术逻辑单元A

4、LU（Arithmetic Logic Unit）是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和“与”、“或”、“非”等基本逻辑运算，实现逻辑判断。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，它是计算机系统的神经中枢，它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。计算机硬件的核心 Intel: 486、586（奔腾）、PII、PIII、赛扬II、赛扬III、赛扬IIII酷睿2 、酷睿i3、酷睿i5、酷睿i7 AMD

5、: K6-2、K6-III、K7（毒龙、雷鸟）闪龙、速龙、羿龙、速龙II、羿龙II主频：100MHz、133MHz、266MHz、333MHz、400MHz、1000MHz 、4000MHz3.主存储器存储器主要负责对数据和控制信息的存储，是计算机的记忆单元。存储器分为内存和外存两种。 主存储器也称主存（内存），是在计算机运行过程中用来存储数据和程序指令的。 内存分成只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两种。 辅助存储器也称为外存（硬盘属于外存），用于数据和程序的长久保存。1 KB=210 B1000 B1个汉字 = 2字节2.1.5 计算机软件系统1. 计算机软件的概念与结构计算机

6、指令的集合称为程序，程序和相应的有关文档构成了计算机软件。软件是微机的灵魂。没有安装软件的微机称为“裸机”，无法完成任何工作。微机软件分成系统软件和应用软件两大类系统软件是用来管理计算机中CPU、存储器、通信联接以及各种外部设备等所有系统资源的程序。其主要作用是管理和控制计算机系统的各个部分，使之协调运行，并为各种数据处理提供基础功能。应用软件是用来完成用户所要求的数据处理任务或实现用户特定功能的程序。软件系统软件操作系统语言处理程序数据库管理系统通信管理系统应用软件通用应用软件专用应用软件2. 操作系统（1）操作系统的基本功能操作系统直接管理、调度和控制计算机的所有硬件资源，使其发挥整体功能

7、。 （2）操作系统的类型1）批处理操作系统2）分时操作系统3）实时操作系统4）个人计算机操作系统5）网络操作系统6）分布式操作系统 （3）操作系统的功能1）CPU管理2）存储管理3）设备管理4）文件管理5）用户接口管理3. 程序设计语言程序设计语言是一组用来定义计算机程序的语法规则。它是一种被标准化的交流工具，用来向计算机发出指令。 通常我们将程序设计人员用程序设计语言编写出来的程序称为源程序，将可以直接由计算机执行的程序称为目标程序或可执行程序，编译系统是将源程序翻译成目标程序的特殊程序。程序设计语言的主要分类有：（1）机器语言（2）汇编语言（3）高级语言（4）第四代语言（5）面向对象的程序

8、设计语言（6）标记语言4、系统开发工具 软件开发工具的范围大致可以描述为：在高级程序设计语言的基础上，为提高软件开发的质量和效率，从规划、分析、设计、测试、成文和管理各方面，对软件开发者提供各种不同程度的帮助的一类广泛的软件。 在高级程序设计语言之后，软件技术进一步发展的产物； 目的在于在开发软件过程中给予人们各种不同方面、不同程度的支持或帮助；2.1.6 计算机系统的发展趋势1、高性能计算机美国研制高性能计算机的顶尖科学家托玛斯·斯特林提出了千万亿次超高性能计算机的轮廓，认为千万亿次超高性能计算机将采用超导处理器，机内通信也采用超导技术；存储器分几个层次，其中有光全息存储，采用多线

9、程技术。2、量子计算机新的发展方向 顾名思义，量子计算机就是以量子力学原理直接进行计算的计算机。量子计算机结合了21世纪许多杰出的发现和成果，实现量子计算机是二十一世纪科学技术的最重要的目标之一。3、网格计算（Grid Computing）技术 网格是将分布在不同地理位置的计算资源包括CPU、存储器、数据库等，通过高速的互联网组成充分共享的资源集成，从而提供一种高性能计算、管理及服务的高性能计算资源。4、微计算机的发展CPU高效能、多核化 ，新标准提升内存性能 ，存储技术智能化 2.2 计算机网络技术基础 2.2.1 计算机网络的组成及主要功能1、计算机网络的组成计算机网络是将地理位置不同、并

10、具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和通信线路连接起来，以实现相互通信与资源共享的系统。计算机网络系统由主计算机系统、终端设备、通信设备和通信线路四大部分构成。计算机网络可以划分成资源子网和通信子网两级子网。 2、计算机网络的主要功能 资源共享均衡负荷及分布处理 信息的快速传输与集中处理 网络用户的通信与合作 综合信息服务 2.2.2 数据通信的基本概念 1、数据通信过程数据通信系统是计算机网络的重要组成部分，其主要任务是将地理位置不同的计算机或终端设备连接起来，高效率地完成数据传输、信息交换和通信处理的任务。 任意两台计算机之间进行数据通信的简化模型，如下图所示。 数据通信系统简化模型

11、计算机通 信处理机数据信号数据信号通信处理机计算机转换器转换器通信信道数据信号2、数据通信系统的基本组成 数据通信系统的基本组成要素为计算机、通信处理机、数据信号转换器、通信信道（即传输介质）及通信协议。3、数据通信的主要性能指标 传输速率 ：每秒钟能够传输数据代码的位（bit）数，单位为比特/秒带宽 ：指信道能够传送信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差误码率：二进制码在传输过程中被传错的概率，当所传送的数据序列为无限长时，它近似地等于被传错的二进制码数与所传的二进制总码数的比值。2.2.3 计算机网络的结构与类型1、网络拓扑结构网络中的节点相互连接的方式和形式称为网络拓扑

12、，网络的拓扑结构主要有以下几种： 星型结构 环型结构总线结构总线优点：节点增加和拆缷十分方便，便于网络的调整或扩充，所需线路很少，布线容易，可靠性高，某个节点出故障对整个系统影响小，响应速度快，共享资源能力强； 缺点：故障隔离困难，如果线路发生故障，则整个总线断开，不能正常工作。2、类型从网络的拓扑结构划分，可以分为集中式网络、分散式网络和分布式网络。 从网络的使用对象可分为公用网和专用网。 从网络的交换方法划分，可以将计算机网络分为电路交换、报文交换、分组交换和混合交换。从网络覆盖范围的大小，可以分为局域网（Local Area Network ,LAN）、城域网（Metropolitan

13、Area Network ,MAN）、广域网（Wide Area Network ,WAN）和互联网。3、局域网与广域网(1) 计算机局域网及其组成 计算机局域网（Local Area Network, LAN），是在小范围内将许多数据通信设备以高速线路互连，进行数据通信的计算机网络。 局域网络一般由传输介质、网络适配器、网络服务器、用户工作站和网络软件等组成。(2) 计算机广域网及主要技术 广域网（Wide Area Network, WAN）是能够将地理位置相距较远的多个计算机系统通过通信线路连接起来实现数据通信的计算机网络。广泛应用的广域网络技术有：数字程控交换机分组交换公共数据网综合业

14、务数字网ISDN互联网（INTERNET）2.2.4 网络体系结构与协议在数据交换过程中，应有一套数据交换所必须遵循的规则，按照彼此认可的规则行事，才能顺利进行通信。这些在通信过程中必须遵循的规则就是通信协议或规程（Protocol）。计算机网络系统功能强，规模庞大，为了简化通信功能的设计和实现，通常采用高度结构化的分层设计方法，将复杂的通信功能分解成一组功能明确、相对独立并且易于操作的层次功能，依靠各层次之间的功能组合，完成整个通信功能 。分层结构中的每一层都有相应的协议，以指导本层功能的完成。网络的这种分层结构与各层协议的集合就构成了计算机网络的体系结构。1、ISO/OSI参考模型国际标准

15、化组织ISO在70年代后期提出的开放系统互连参考模型OSI（Open Systems Interconnection），简称为ISO/OSI参考模型，规定了一个七层的网络通信协议，七层协议的参考模型如图所示: 2、TCP/IP协议 TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）是当今最流行、应用最广泛的事实上的工业标准。在TCP/IP体系结构中，网络模型被分为四层：应用层、传输层、网络层、网络接口层。 IP地址：是用来唯一标识互联网计算机的逻辑地址。 IPv6TCP协议：传输控制协议 UDP协议：用户数据报协议 FTP协议：文件传送协议 HTTP协议域名系统：域名类似于互联网上的门牌号码，是用于识

16、别和定位互联网上计算机的层次结构式字符标识，与该计算机的互联网协议地址（IP地址）直相对应。TCP/IP互联网中所实现的层次型名字管理机制叫做域名系统（简称DNS），其中每个结构称为域，最后形成的具有层次结构的名字称为域名。例如，2.2.5 互联网及其应用1、互联网的产生与发展 互联网（Internet），又译为因特网，是由美国国防部于1969年建立的高级研究项目部门网ARPANET网发展而来的 。到九十年代初，网络规模急剧膨胀，已超出了NSF（美国国家科学基金委员会Natioanl Science Foundation）的管理与控制能力，网络进入了自我发展状态，形成了现在的互联网。在信息技术

17、发展的推动和应用需求的牵引下，互联网也在发生着巨大变化，主要体现在：1) 网络速度将逐渐提高2) 覆盖范围不断扩大，并渗透到社会生活的各个方面3) 更多的通信方式，包括有线和无线等4) 管理和技术不断发展并且进一步规范化5) 网络资源急剧膨胀2、互联网的主要技术(1) 超文本链接：超链接以非线性的方式将信息呈现给用户。(2) 统一资源定位器(URL)：使用数字和字母来代表网页文件在网上的唯一地址，从而帮助用户在互联网的信息海洋中查找到所需要的资料。(3) 浏览器与WEB服务器WEB浏览器最基本的功能是解释HTML文档，并把它们以正确的格式显示在用户的计算机上。 WEB服务器软件在主机上安装和运

18、行，负责响应浏览器的请求，在指定位置查找所需的信息或资源，并将该信息或资源发送给WEB浏览器。 (4) 超文本标记语言（HTML）与可扩展标记语言（XML）HTML是一个简单的标记语言，它主要用来描述WEB文档的结构。 同HTML相比，XML没有太多固定的标签，而是允许用户根据需要自我创建自定义标签。(5) 页面技术 层叠样单（CSS）技术是一种格式化网页的标准方式，它可以克服常规HTML网页不能同时为具有一定逻辑含义的多个内容设置统一格式的缺陷。层叠样式表CSS实现了格式和结构的分离，从而可对页面的布局给予更多的控制。 3、互联网的基本功能(1) 通信交流 1) 电子邮件2) 网上专题组或新

19、闻组3) 网上交谈 (2) 远程主机登录 (3) 信息检索与服务 (4) 网络在线服务 2.3 数据管理2.3.1 数据管理概述1、信息与数据信息就是事物之间相互联系、相互作用的状态的描述，它可以帮助我们消除对事物的不确定性。在信息处理中，信息载体上反映信息内容且可被接收者（人或机器）识别的物理符号称为数据。数据是信息的具体表现形式。它更加形象、具体。信息是数据的含义。2、数据组织的层次数据项：具有确定逻辑意义（即可描述信息内容）的数据的最小单位。记录：具有一定关系的数据项的一个有序集合。文件：同类记录的有序集合。数据库：数据库是存贮起来的相关数据的集合。2.3.2 数据库技术与数据库系统一、

20、数据库概述现实世界。它是客观存在的事物及其相互联系，客观存在的事物分为“对象”和“性质”两个方面，同时事物之间有广泛的联系。 信息世界。它是客观存在的现实世界在人们头脑中的反映。 数据世界。对信息世界中的有关信息经过加工、编码、格式化等具体处理，便进入了数据世界。 二、信息模型1、信息模型的要素信息模型的主要要素是实体与联系。实体：任何客观存在的事物均可以是实体，可以指实际的东西，也可以指概念性的东西。联系：是指客观存在的事物之间的相互关系，通常是指实体集与实体集之间的关系。实体分为两个层次：个体与实体集属性由属性名和属性值来描述。属性名表示实体的性质的类型；属性值描述特定实体（个体)的具体性

21、质。2. 两个实体集之间相互联系的方式(1)一对一联系(2)一对多联系 (3)多对多联系 E-R(实体-联系)法：是一种信息结构的图示法，它主要描述实体集之间的联系，又称E-R图。E-R图中使用的图形符号有： 实体集 属性 联系三、数据模型一个数据模型实质上是一组向用户提供的规则，这组规则规定了数据是如何组织的，其结构怎样以及相应地允许进行哪些操作。一个数据库的数据模型包含以下三个组成部分：a. 一组规定的用以构造数据库的基本数据结构类型。b. 一组数据操作或推导规则。c. 完整性约束规则。1. 数据模型与信息模型的关系信息模型和数据模型要素的对应关系如下：实体记录 实体型记录型实体集文件 个

22、体特定记录属性数据项 属性名数据项型属性值数据项值2. 常见数据模型概述(1)层次模型 A1A1A1A1A1A1A1A1A1A1(2)网状模型(3)关系模型1)关系模型的概念关系模型将数据的逻辑结构归纳为满足一定条件的二维表的形式，称为一个关系，关系由关系框架和若干元组组成，一个元组实际上就是二维表中的一行内容。组成元组的元素是分量，如果关系中的元组由N个分量组成，则称此关系为N元关系。 2)关系模型的数据结构关系模型具有的最大特点是描述的一致性，即无论对实体集还是实体集之间的联系，均可以用关系来描述。 3)关系的规范化关系中每个数据项必须是一个不可分的数据项。列是同质的，即每一列所有数据项类

23、型相同。各行相异，不允许有重复的行，行的次序任意。满足上述要求的关系，叫关系的第一范式。四、数据库的结构为便于设计、使用和管理，提高数据与应用程序之间的独立性，采用分级的方法，婚数据库的结构划分在四个级次，即：局部逻辑级、全局逻辑级、存储级和物理级。1.模式：也叫概念模式，它是全局逻辑级的，是数据库的整体逻辑结构。这种模式对应的数据库是概念级的数据库。2.外模式：也称子模式，它是局部逻辑级的结构，是用户可以看到并获准使用的那部分数据的逻辑结构，因此又叫用户视图。3.内模式：内模式是数据库的存储结构，是为了提高模式对存储设备的独立性而设立的。4.物理数据库：数据库的物理级指数据库在物理存储设备上

24、的组织。在这个级次中的记录是物理记录或块，它是物理存取的基本单位。五、数据库系统的构成1.数据库系统的构成(1)硬件(2)软件 操作系统、数据库管理系统 、应用软件包和应用程序(3)人员 系统分析员、系统程序员、应用程序员、数据库管理员(4)数据库2.数据库管理系统(DBMS Database Management System)(1)DBMS的功能定义数据库、管理数据库、维护数据库、数据通信(2)DBMS的组成数据描述语言及其翻译程序、数据操纵语言及其翻译程序、数据库管理例行程序 1)数据描述语言(DDL ，Data Description Language)为了对数据库中的数据进行存取，应

25、用程序员和数据库管理员（DBA，Database Administrator都必须正确地描述数据以及数据之间的联系，DBMS根据这些数据定义从物理记录导出全局逻辑记录，进而导出应用程序所需的记录。DDL分为：模式DDL：是DBA用来定义数据库整体逻辑结构即数据库的模式的。物理DDL：用来定义数据的物理存储方式，由用户使用。 2)数据操纵语言(DML，Data Manipulation Language)DML是DBMS提供应用程序员存储、检索、修改、删除数据库中数据的工具，又称为数据子语言(DSL, domain specific language )。3)数据库管理例行程序语言处理程序各级模

26、式的DDL的翻译处理程序、DML处理程序、查询语言解释程序、数据库控制语言系统运行控制程序系统总控程序、存取控制程序、并发控制程序、保密控制程序、数据完整性控制程序、数据存取的维护程序、通信控制程序日常管理与服务性程序数据装入程序、工作日志程序、性能监测程序、数据库重组织程序、系统恢复程序2.3.3 关系数据库1、关系数据库的特点 1）简单、灵活、易用 2）关系数据语言具有较好的非过程化特性，从而面向非专业用户，同时应用系统的开发效率也大大提高 3）有更高的数据独立性 4）易于对数据库的重组和控制，简化了DBA的工作 5）易于实现各种不可预计的随机查询 6）理论基础好，数据库的研究更加科学化

27、7）易于向推理系统和知识库系统扩展和综合2、关系操作语言关系数据语言分为关系代数、关系演算和SQL（1）关系操作集合：提供了可以对数据进行的操作的描述。关系操作分两类：第一类包括：选择（Select）、投影（Project）、接连（Join）、并（Union）、交（Intersection）、差（Difference）、查询（Query）等第二类包括：添加（Insert）、删除（Delete）、更新（Update）等（2）SQL语言SQL(结构化查询语言：Strucured Query Language)是一种兼有关系代数和关系演算二者之特点的数据库语言。3、关系数据语言的特点（1）一体化 （

28、2）数据操纵的单一性 （3）非过程化程度高 （4）处理集合数据4、SQL的特点、作用与应用（1）标准化（2）应用的广泛性和可移植性（3）语言简单、易学易用（4）一种语法结构适用于两种使用方式（5）动态数据定义（6）支持客户/服务器结构（7）强大的技术支持 5.常用的SQL命令（1）建立表命令Create table | dbf <表名1>(<字段名1><字段类型>字段长度,小数位数) null | not null 例：定义数据库中二维表的结构 Create table 配件库存 (配件号c(10) not null , 配件名c(20) , 来源c(20)

29、 , 价格n(7,2) , 数量n(5) )（2）向表中增加行（记录）使用INSERT语句可以向表中增加一行或一行中部分列的值。INSERT INTO 表名(<字段1>,<字段2>,)VALUES (<表达式1>,<表达式2>,)例：INSERTINTO配件库存VALUES( “B0501”, “轮轴” ，“883厂” ，280 , 50）（3）更新表中的数据内容对表中某行的数据，可按要求进行更新。UPDATE <表名> SET <字段名1>=<表达式1> , <字段名2>=<表达式2>

30、 WHERE<条件表达式>例：UPDATE配件库存SET数量100 WHERE配件号”B0501“（4） 删除表中的行（记录）DELETEFROM<表名> WHERE<条件表达式> 例： DELETEFROM配件库存WHERE数量0（5）从表中检索数据SELECT ALL | DISTINCT <选项1>, <选项2>,FROM <表名1> ,<表名2>, WHERE<条件表达式> ORDER BY<关键字表达式> ASC | DESC例：SELECT顾客名，订单号，配件号，数量FROM

31、订单WHERE顾客名“张三”2.3.4 面向对象数据库、对象关系数据库与多媒体数据库1、面向对象数据库（Objected-oriented Database）满足两个标准：它是一个数据库系统，具备数据库的基本功能，如数据共享、事务处理等；它同时也是一个面向对象系统，充分支持完整的面向对象概念和机制，如用户自定义数据类型、自定义函数及对象封闭等。2. 对象关系数据库从传统的关系数据库加以扩展，增加面向对象特性，把面向对象技术与关系数据库相结合，可建立对象关系数据库。它既支持已被广泛应用的SQL，具有良好的通用性，又具有面向对象特性，支持复杂对象和复杂对象的行为。3. 多媒体数据库多媒体是多种媒体

32、的有机组合（综合）。多媒体技术是计算机交互式综合处理多种媒体信息文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接、集成为一个系统并具有交互性。多媒体的关键特性：信息载体的多样性、交互性和集成性多媒体数据库系统是指能够存储、查询和管理多媒体数据的数据库系统，实现对格式化和非格式化的多媒体数据的存储、管理和查询。数字、字符等称为格式化数据，文本、图形、图像、声音、视频等称为非格式化数据（1）多媒体数据的特征1）数据量巨大2）数据类型繁多3）各数据类型间的差别较大a. 处理方法的不同b. 空间占用差别大c. 时间特性的差别，使信息的组织方法不同4）多媒体数据的输入输出设备复杂（2）多媒体数据库方法1）

33、扩展关系数据库方法 对关系数据库的基本模型条件不变的情况下，增加新的数据类型2）NF方法只是对关系数据库的扩展，未对关系模型进行扩充3）面向对象的方法2.3.5 数据仓库与数据挖掘1. 数据仓库的概念（1）数据仓库的定义与特点数据仓库就是一个面向主题的、集成的、不可更新的、随时间不断变化的数据集合，它用以支持企业或组织的决策分析处理。a.数据仓库中面向主题的。主题是一个在较高层次将数据归类的标准，每一个主题基本对应一个宏观的分析领域。b.数据仓库是集成的。在数据进入数据仓库之前，要经过加工与集成，即数据抽取和挖掘，统一原始数据中的所有矛盾之处。c.数据仓库是稳定的。数据仓库反映的是历史数据的内容，而不是处理联机数据，因而是极少更新或根本不更新的。d.数据仓库是随时间变化的。1、数据仓库内的数据时限要远远长于操作型环境中数据时取2、 操作型环境包含当前数据，而数据仓库中的数据都是历史数据3、 数据仓库的数据