现代计算机技术课件

1、当代计算机技术现代医学方法学讲座一、计算机概论现代计算机的原理冯诺依曼原理程序存储，程序控制要点所有计算任务可以分解为一系列操作步骤自动化执行硬件与软件分离不变与可变的结合电子计算机诞生60年来，计算机系统基本结构没有变美籍匈牙利数学家冯.诺依曼计算机硬件组成数据流控制流存储器运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器电子计算机的问世1946年2月由宾州大学研制成功的ENIAC电子计算机时代的到来 Electronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦18000个电子管保存80个字节计算机的

2、分类按综合性能指标分类巨型机：速度最快、处理能力最强 大型、通用、较快、较强大型机：作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单 工作站：介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜 中央处理器：一个芯片网络计算机：基于Java技术的瘦客户机系统 影响计算机发展的几件大事集成电路的出现1958年，德州仪器公司PC的出现1974年，MITS Altair8800网络和因特网的出现1969年，ARPANET图形界面操作系统的出现1983年，Apple LISA，之后，W

3、indows对性能的需求业务所需例：心脏CT、天气预报等复杂信息类型从科学计算、文字处理、到图像处理、声音识别软件需求的“水涨船高”Windows（Microsoft）+ Intel = Wintel计算机性能首先取决于CPU性能CPU性能的度量：每秒指令数（MIPS）CPU MIPS8086 0.880286 2.780386 1080486 60Pentium 435Pentium II 770晶体管数10K100K1M10M100M197519801985199519902000单位时间执行的指令数百万条/每秒0.1110255004004Pentium每2年芯片能力增长一倍808080

4、888286838684862000年的微处理器摩尔定律手段提高主频主频是CPU工作的节奏，主频越高，速度越快8088：4.77MHz，1978年P4：3.8GHz，2005年，1GHz=1000MHz限制信号延迟：电流传播速度光刻工艺：线宽40nm散热：主频越高，功率越大主频增长已接近尽头明显减缓手段提高并行度提高CPU内部的并行度：部件级并行指令流水线：取指令、分析指令、执行、完成操作多条指令同时在流水线上执行超线程；Hyper Threading提高CPU间的并行度多CPU多核对提高一个程序性能作用有限，主要用于多个程序并行提高系统间的并行度多机系统已成为提供性能的主要手段手段其它从外部

5、看，计算机性能是一个综合化、系统化指标木桶原理：CPU、内存、外设、网络其它手段内存Cache：CPU与内存之间的缓冲磁盘显示卡网卡三、计算机存储容量存储容量存储需求一份10页病历大约：20KB一本30万字的书大约：600KB一幅CT图像：512KB一幅DR胸片图像：15MB存储配置演变IBM PC/XT：内存256KB，硬盘10MB今天PC：内存512MB，硬盘160GB存储容量度量1KB=1024Byte，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB常用存储介质软盘1.44MB，磁介质，速度慢，易损坏光盘CDROM：650MB，光反射介质，速度一般

6、DVD：4GB ，光反射介质，速度一般硬盘500GB，磁介质，随机读写，速度快U盘数百MB到1GB，半导体介质，速度一般磁带400GB，磁介质，顺序读写，查找速度慢、读写速度快内存程序只能在内存中才能执行半导体存储，断电即丢失32位CPU的最大寻址空间4GB，对于服务器不够大ROM固化了软件的存储器，只能读取Cache比内存速度更快，作为CPU与内存之间的缓冲CPUCache内存硬盘特点容量大、速度快速度度量转速服务器：1000015000转/分台式机：7200转/分笔记本：5400转/分磁盘阵列多个物理磁盘组成一个逻辑磁盘硬盘片读写磁头柱面扇区存储体系超大容量存储要求医学影像系统要求：大容量

7、、长时间保存信息访问的时间特性近期数据最常访问存储体系建立原则平衡容量、价格、速度三个因素分级存储快速磁盘阵列+普通磁盘阵列+磁带库自动迁移对外是一个逻辑磁盘，内部数据自动迁移信息系统对计算机可靠性要求7*24小时运行要求医院业务对计算机依赖性越来越高不间断运行要求对服务器可靠性要求远大于对台式机要求具体要求故障率低故障前预警不停机维修信息系统的不可靠因素计算机硬件计算机软件软件中存在的Bug机房环境电源、空调人为操作失误病毒破坏保障可靠的难度数据的继承性可靠性手段冗余+纠错电源1+1或2+1冗余，1个模块故障不影响工作内存ECC校验，检测两位错误，自动纠正1位错误硬盘RAID5，n+1冗余，

8、任何一块硬盘损坏数据不丢失，不影响工作数据校验块可靠性手段（续）故障预警当发现校验错误或达到设定的阀值时报警热插拔更换电源、风扇热插拔更换硬盘热插拔更换、自动恢复数据集群两台以上计算机同时工作故障时自动切换五、计算机软件软件的层次硬件BIOS操作系统平台软件应用软件通用性低高高低价格BIOS：引导系统，最基本的硬件管理操作系统：对内管理硬件，对外提供操作界面平台软件：数据库等软件的开发过程需求分析定义软件的功能：过程、界面系统设计软件的组成、实现的技术路线编码使用计算机语言实现功能设计测试查错、纠错应用商品软件与定制软件商品软件面向多种客户，具有较强的通用性更可靠的质量保证软件版本控制严格价格

9、相对较低个性化功能相对不足定制软件面向特定客户，量体裁衣现场开发质量不如商品软件价格相对较高通用性差尽可能选择商品软件软件的兼容性硬件容易换、软件不容易换成熟的软件隐含着知识的积累、习惯的养成一种硬件上已经形成的成千上万的软件是一笔巨大的财富软件兼容性成为市场的巨大惯性Wintel拥有了累积式的市场资源80 x86软件包袱有时也成为限制技术进步的原因新技术难以采用如：IBM OS/2与Windows之争，安腾与至强之争软件开发的困难“没有银弹”IBM的资深专家Brooks博士在一篇论文中讲到：在近十年内，没有任何单独的软件工程进展可以使软件生产率有数量级的提高软件的个性化与硬件不同，不同行业、

10、不同部门的应用软件千差万别，无法通过统一的生产获得对应用软件需求的认识永远要靠人工获得对工作流程、领域知识的认知过程是一项创造性活动由需求到软件仍然需要人工编写计算机自身无法自动编写程序代码软件开发的不可见性六、数字媒体数字媒体概念概念数字媒体是指以二进制数的形式记录、处理、传播、获取过程的信息载体，这些载体包括数字化的文字、图形、图像、声音、视频影像和动画等感觉媒体优势便于存储、处理、传输不会损耗主要技术图像采集：直接数字化、扫描压缩技术：无损压缩、有损压缩再现：播放软件数字化图像以点阵（pixel）来表达图像图像质量空间分辨率深度（颜色）分辨率：8bit、24bit（真彩色）、32bit压

11、缩算法及压缩比医学影像原始图像，一般要求无损压缩，压缩比大约2:1参考图象，无明显改变有损压缩，压缩比大约10:1JPEG介绍静态图像压缩格式有损压缩压缩比：10:140:1最常用的表示格式数码相机网络显示MPEG-1介绍动态视频音频压缩格式为CD光盘介质定制的视频和音频压缩格式有损压缩播放码率：1.5Mbps特点：码率较低，图像质量较差用于VCD播放机，MP3播放机MPEG-2介绍动态图像压缩格式通常用来为广播信号提供视频和音频编码有损压缩最大码率约：10.4Mbps特点：码率高，图像质量好用于DVD播放机不适用于网络传输MPEG-4/H.264介绍动态图像压缩格式针对网络传输，网络带宽不固

12、定有损压缩相同图像质量下，码率为MPEG-2的一半特点：码率较低，图像质量好，适应性强用于网络传输、视频监控、数字电视七、计算机网络基础网络化计算信息和资源共享的需要PC把计算能力从计算中心带到了桌面，网络把人们互连到一起计算机解决了信息快速处理的问题，网络解决了信息快速传递的问题信息传递、数据资源共享、硬件资源共享网格计算网络就是计算机SUN公司前总裁麦克尼利 1987年提出目前，未联网的计算机已越来越少使用计算机就是在使用网络上的资源网络的组成计算机：网络资源用户端计算机、服务器端计算机通信介质双绞线、同轴电缆、光缆、无线网络设备交换机、路由器、网卡网络软件网络协议、文件共享、数据传输等网

13、络服务网络设备网卡将计算机连接通信介质、 接入网络的设备交换机将计算机互联、负责点与点之间数据传递的设备路由器负责为数据传递选择路径的网络之间的连接设备网络介质双绞线10M1000M/s，距离100米适合楼内布线，广泛使用同轴电缆10M，距离500米已很少使用光缆10M万兆/s，距离450米至2公里适合楼宇之间布线无线11M/s或54M/s，距离无遮挡100米3G约3M/s，受信号、共享影响建筑物内网络结构接入层交换机汇聚层交换机双绞线互联园区网络结构核心交换机光纤互联ADSL上网下行：512Kb/秒上行：64Kb/秒3G无线上网中国移动TD-SCDMA理论速率，上行：384K，下行：2.8M

14、中国电信CDMA2000理论速率，上行：1.8M，下行：3.1M中国联通WCDMA理论速率，上行：5.75M，下行：14.4M八、因特网因特网概述历史1969年，美国国防部建立ARPA网1985年，美国NSF在ARPA基础上采用TCP/IP协议建成因特网国际互联Internet：网际网、互联网、因特网服务WEB浏览FTP文件传送TELNET远程登录电子邮件IP地址IP网络上计算机的唯一标识每台计算机都不相同全球统一分配格式为4个用点号分隔的整数，形如：xxx.xxx.xxx.xxx结构：网络部分+计算机地址我院地址：B类A类18162432网络号网络号机器号机器号C类机器号网络号011010I

15、P地址（续）IP V6将IP地址由32位扩展到128位“让每一粒沙子都拥有一个地址”与原有设备及软件不兼容解决地址不够用的其他方法内部地址与外部地址转换信息如何传递54域名解析域名是地址的助记符域名构成主机名.机构名.二级域名.一级域名域名解析域名在访问时要先转换为地址代理为什么要使用代理IP地址分配：不够用，内外地址转换网络安全：内外隔离网络管理：访问权限及日志管理，网络计费内容缓冲：提高速度工作原理弊端降低了速度阻止了某些类型的应用邮件系统邮件服务器Internet 上提供电子邮件收发服务的计算机。分为邮件发送服务器（SMTP）和邮件接收服务器（POP或POP3）提供邮箱，即：信件存储邮件客户端阅读和写邮件WEB邮件：本地不存储，直接通过浏览器查阅邮件服务器上的邮件本地邮箱：如Outlook，将邮件取回到本地九、网络安全网络安全威胁威胁的种类计算机不能正常运行：速度下降、反复重起、死机存储信息失密威胁最主要来源黑客攻击：导致网络和计算机瘫痪病毒：导致失泄密蠕虫病毒：冲击波、震荡波病毒木马病毒复杂的网络安全形势有组织的网络战：美军、台军个体黑客网络多起失泄密案件黑客攻击利用网上多台计算机向目标主机发起攻击大量计算机成为“僵尸”被黑客控制木马病毒成为泄密主要途径公共网络误区一：“保密与我