大学信息技术基础教程课件 主题2 信息技术基础

主题2信息技术基础目录页contents2.1计算机系统2.2操作系统简介122.3综合练习3选题背景及意义ONE2.1计算机系统2.1计算机系统想象一下，你每天使用的手机、电脑，背后隐藏着一个怎样的神奇世界？是什么让它们如此智能，快速响应你的指令？这背后离不开科技的力量，更离不开科技工作者的辛勤付出和创新精神。通过本节，来揭开这个谜团，探索计算机系统的奥秘！同时，也请思考，作为新时代的青年，该如何利用所学，为国家科技发展贡献自己的力量。准备好了吗？来一起踏上这场充满发现与思考的旅程吧！目录页contents2.1.1计算机硬件2.1.2计算机工作原理2.1.3计算机软件1232.1.1计算机硬件冯·诺依曼计算机模型运算器控制器存储器输入设备输出设备2.1.1计算机硬件计算机硬件组成计算机硬件从外观可以分为主机、输入设备（键盘、鼠标）、输出设备（显示器）等。主机主要包括CPU（中央处理器）、主板、内存、外存、电源和其他设备（显卡、网卡、声卡）等。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成CPU（中央处理器）中央处理器（CentralProcessingUnit）是计算机系统的核心部件。它的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU的性能高低直接决定了整个计算机系统的运行速度。CPU主要由运算器、控制器、寄存器和内部总线构成。CPU的主要性能指标包括主频、核心数、线程数、缓存（Cache)、制程技术、功耗等。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成主板主板是计算机硬件系统的核心，是一块矩形的电路板，上面有插槽、接口、芯片组、CMOS（互补金属氧化物半导体）等。主板上有多个连接接口和插槽，如SATA接口、USB接口、CPU插槽、PCI插槽、内存插槽、显卡插槽等，用于连接硬盘、显卡、声卡、USB设备等，可实现数据的高速传输和设备的快速响应。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成存储器内存储器内存储器，也称为内存或主存储器，是计算机工作所需的主要部件。它能够快速存入和读出大量的程序和数据代码，存储和提供计算机所需要的工作指令及计算使用的数据。它直接与CPU相连接，储存容量较小但速度快，主要用于存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内存储器包括随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和CMOS存储器。目前，作为内存的半导体存储芯片主要是DRAM（动态随机存储器）。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成存储器外存储器外存储器用于存放那些暂时不使用的程序和数据，它能在断电后仍然保存数据。传统的外存储设备采用直接连接存储技术，如硬盘、软盘、光盘、磁带等。在这中间，硬盘使用最为广泛，包括机械磁盘（HDD）和固态硬盘(SSD)。现代信息存储技术飞速发展，移动存储技术和网络存储技术将成为主流。移动存储主要包括闪存卡、U盘（优盘）、移动硬盘等。网络存储是指将数据存储于网络上的设备或服务中，通过网络将数据传输到用户设备上以供其访问和使用的存储方式。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成其他设备输入设备常用输入设备有键盘、鼠标和扫描仪。输出设备常用输出设备有显示器和打印机。总线与接口CPU内部以及CPU与主板上的各种部件都通过总线相连。CPU的内部总线：数据总线、控制总线、地址总线。外部总线与接口包含如连接硬盘的SATA接口，连接声卡、网卡等的PCI-E接口，以及USB接口。2.1.1计算机硬件计算机硬件组成其他设备显卡显卡是连接显示器和个人计算机主板的重要组件，也是“人机”交互的重要设备。显卡也称为图形处理器（GPU）。网卡网卡又称网络适配器，是计算机与局域网相互连接的设备。声卡声卡也称为音频卡，可将麦克风等声音输入设备采集的模拟声音信号，通过采样、量化、编码的模数转换（A/D），转换为数字信号；同样地，也可将数字信号通过解码，再经过数模转换（D/A）还原为模拟声音信号。2.1.2计算机工作原理二进制编码由于电子元器件的特点，实现两种状态的切换比较容易实现，因此，计算机均采用二进制的形式进行存储和计算。以大家熟悉的十进制数为例，其基数为10，10的次方数称为权，如个位用100表示，十位用101表示，百位用102表示。其他进位制数的表示方法也是一样的。进位制数符基数权区分标志加法规则举例二进制0-122nB逢二进一1011B=1*23+0*22+1*21+1*20=11十进制0-91010nD逢十进一257D=2*102+5*21+7*20十六进制0-9，A-F1616nH逢十六进一5CEH=5*162+12*161+14*160=14862.1.2计算机工作原理二进制编码通过基数加权和，各种进位制数都可以转换成十进制数；而十进制数通过除基取余，倒序读数的方法，可以转换成其他数制形式。如：十进制11D转换为二进制1011B的过程如左图所示，十进制1486D转换为十六进制5CEH的过程如右图所示。2.1.2计算机工作原理二进制编码由于各种进制数与十进制之间的转换需要用到乘法和除法，计算比较繁琐，而十六进制有着类似于十进制表达比较简短的特点，且十六进制与二进制之间的转换可以通过一位对应四位的方式直接转换，因此，在计算机领域会经常用十六进制数来表达计算机内的二进制数据。根据表的对应关系，十六进制数5DEH转换成二进制10111011110B。如果二进制数转换成十六进制数，则可以从小数点两边分别向左、向右4位分组，最前面和最后面的分组不足4位可以在前面或后面添0，再进行转换，如1101001101.011B，转换为34D.6H。十进制十六进制二进制00000011000122001033001144010055010166011077011188100099100110A101011B101112C110013D110114E111015F11112.1.2计算机工作原理二进制编码在实际应用中，可以使用Windows自带的计算器，用程序员模式完成数制的基本转换。共四种数制，蓝色小块指向当前数制2.1.2计算机工作原理程序和数据的存储冯·诺依曼计算机的工作原理就是程序存储和程序运行。程序以指令的形式被CPU执行，执行程序之前，都需要将其先存储到内存中。内存中的RAM用于存储程序指令和数据，其最基本的空间大小为字节，1个字节（Byte，B）可以存储8位（bit）二进制数。计算机中的内存容量，除了内存本身的空间大小外，还取决于CPU的寻址能力，即CPU与RAM之间的地址总线宽度。例如，地址总线宽度为10，则CPU可以寻址的内存范围为0-210，即0-1023个地址。如果每个地址1个字节，则存储的容量为1024字节。计算机中表示容量大小的单位除了B外，还有（由小至大）KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB等，它们之间的换算关系为210，即1024，如1MB=1024KB，1KB=1024B。2.1.2计算机工作原理指令及其执行计算机程序在计算机中以指令的形式指挥和协调各种软、硬件完成任务。指令由操作码和操作数两部分组成，操作码指示要进行什么操作（如加减乘除和移位等）；操作数指出操作对象的内容或所在地址，大多数情况为地址码。操作码和操作数都是二进制形式，称为机器码。指令的起始地址被存储在程序计数器中，而指令本身则按地址顺序被存储在存储器中。CPU从第一条指令所在地址（称为起始地址）开始，按顺序从存储器中取出一条指令并执行，其具体步骤又细分为：取指令、指令译码、执行指令、存操作结果。这四个步骤被称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行得越快。决定指令周期的最重要的参数是时钟频率（又称主频）。2.1.3计算机软件计算机软件及其分类从软件功能的角度，计算机软件可以分为系统软件和应用软件；从软件版权情况的角度，可以分为开源软件与非开源软件；从是否付费的角度，可分为付费软件和免费软件；从软件安装位置的角度，可以分为客户端软件和服务器端软件、在线软件等。2.1.3计算机软件客户端软件与服务器端软件在局域网范围内，经常会通过安装一套相互配合的客户端软件和服务器端软件来完成某种功能，客户端称为Client，服务器端称为Server，因此这种软件系统体系结构也被称为C/S结构。例如：学校机房中部署的考试系统，便可以是这种结构的软件。这种结构的软件在开发和部署时，可以充分利用两端硬件环境的优势特点，然而，在软件升级时，客户端的软件需要在多台计算机上进行升级，操作相对烦琐。因此，与之相对应的浏览器/服务器（Browser/Server，简称B/S）结构应运而生。这种结构在客户端主要使用浏览器，因此，软件开发、维护的重点就在服务器软件上了。2.1.3计算机软件开源软件与软件生态系统开源软件，即开放源码软件（Open-SourceSoftware,OSS），是成千上万潜在合作者的辛勤工作、自愿放弃自己的时间创造的软件。这类软件的源代码向公众免费提供，任何人都可以根据自己的需要查看、修改和分发。这种模式可促进软件源代码共享与协作开发，从而催生了一个跨越广泛领域的庞大的开源项目生态系统。软件生态系统呈现了软件与开发者之间的关系，是他们在同一生态环境下共同演化的一个社会技术复杂系统。该系统聚焦开源开放的社区化软件开发，揭示了这类软件生态系统的演化机制，探究如何根据整体、协调、循环、自生等生态控制原理来构建健康的软件生态系统。这对于避免“软件生态危机”，提升我国软件产业的生产力水平，具有极其重要的学术价值与现实意义。选题背景及意义TWO2.2操作系统简介2.2操作系统简介你是否想过，当你按下电源键开启你的笔记本电脑，或者解锁你的智能手机，开始工作或娱乐时，是谁在幕后安排所有程序的运行？当你多任务处理，比如一边听音乐一边写文章，是什么确保了音乐不停顿、文稿不丢失？当你安装一个软件，是什么确保它能安全地安装到你的设备上，与其他应用和平共处？答案是：操作系统。它是你的数字生活的“指挥家”，管理着硬件资源，协调各种软件应用，让你能够享受无缝的科技体验。目录页contents2.2.1操作系统的定义2.2.2操作系统的功能2.2.3操作系统的分类2.2.4信创与国产操作系统12342.2.1操作系统的定义操作系统的定义操作系统（OperatingSystem，简称OS）是计算机系统中最重要和最基础的系统软件，是计算机系统的灵魂。操作系统是一组能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能操作系统最主要的目的是为程序提供良好的运行环境，最大限度地提高系统中各种资源的利用率并方便用户的使用。操作系统大致包括五个方面的管理功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口管理。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能1.处理机管理

计算机系统可以只有一个CPU芯片，也可以有多个CPU（多核）芯片。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。所谓进程，是程序的执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。多个进程之间可以并发执行和交换信息。处理机管理的主要功能就是进程何时创建、何时撤销，对各进程的运行进行协调，进程之间进行信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能2.存储器管理存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用以及提高存储器的利用率，并能从逻辑上扩大内存。主要包括内存分配和回收、内存保护、地址映射和内存扩充等功能。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能3.设备管理设备管理的主要任务是完成用户进程提出的输入输出请求，为用户进程分配所需的输入输出设备，并完成指定的操作，提高CPU和输入输出设备的利用率，提高输入输出速度，方便用户使用设备等。为了完成这些任务，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理等功能。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能4.文件管理计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理的主要任务是为了方便用户使用，对用户文件和系统文件进行管理，并要保证文件的安全。包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。文件命名时有一定的规范，文件名称一般由文件名和扩展名组成，文件名和扩展名之间用“.”分隔。文件名可以由英文字符、汉字、数字、空格以及符号等组成，但是不能含有以下字符：\/:*?"<>|。扩展名是标识文件类型的重要方式，跟随不同类型文件自动取名，并由相应的软件打开。同一类型的文件可能用多个软件均能打开。2.2.2操作系统的功能【例2-2-1】在C盘新建文件夹“练习”，在该文件夹中创建文本文件“python学习笔记.txt”，其内容为“学习记录”。并创建一个指向记事本的快捷方式，快捷方式的名称为“记事本”。参考步骤：（1）双击桌面上“此电脑”，打开资源管理器，双击C盘。（2）空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“新建/文件夹”，输入文件夹名“练习”。（3）双击打开“练习”文件夹，空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“新建/文本文档”，修改文档的文件名为“python学习笔记.txt”，双击打开“python学习笔记.txt”，输入内容，并选择菜单“文件/保存”。（4）“练习”文件夹中，空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“新建/快捷方式”，弹出“创建快捷方式”对话框，键入对象的位置为“C:\windows\system32\notepad.exe”，单击“下一步”，键入快捷方式的名称为“记事本”，单击“完成”。说明：在建立好快捷方式、文件、文件夹等后，可以通过快捷菜单中的命令来设置其属性。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能5.接口管理为了方便用户对操作系统的使用，操作系统向用户提供了接口。该接口分为两类，一类是用户接口，用户通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行，有命令行方式、批命令方式、图形用户接口三种形式。另一类是程序接口，是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径，编程人员可以使用它们来请求操作系统提供服务。2.2.2操作系统的功能操作系统的功能5.接口管理不同操作系统提供给用户的接口不尽相同，目前操作系统多数都会提供图形用户接口，并可进行个性化的设置。展示几种操作系统的图形用户接口界面。macOS操作系统鸿蒙操作系统统信操作系统Windows操作系统2.2.3操作系统的分类操作系统的分类根据不同的分类原则，操作系统可以有多种分类方式。基于设计目标，可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统；基于处理方式，可以分为单处理器操作系统和多处理器操作系统；基于用户和任务，可以分为单任务操作系统和多任务操作系统、单用户操作系统和多用户操作系统；基于应用场景，可以分为服务器操作系统、并行操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、微机操作系统、手机操作系统、嵌入式操作系统、传感器操作系统等。2.2.3操作系统的分类操作系统的分类以基于用户和任务的分类为例。单用户单任务操作系统是只允许一个用户登录，且只允许用户程序运行一个任务。单用户多任务操作系统是只允许一个用户登录