第五章計(jì)算機(jī)科學(xué)

1、,第五章信息管理的技術(shù)基礎(chǔ)：計(jì)算機(jī)科學(xué),本章學(xué)習(xí)目的,了解計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)體系初步了解計(jì)算機(jī)的硬件知識(shí)初步了解計(jì)算機(jī)的軟件知識(shí)了解數(shù)據(jù)組織的基本知識(shí),本章內(nèi)容,計(jì)算機(jī)學(xué)科的簡(jiǎn)介 機(jī)器體系結(jié)構(gòu) 軟件數(shù)據(jù)組織,5.1 計(jì)算機(jī)學(xué)科的簡(jiǎn)介,學(xué)科的發(fā)展學(xué)科的方法論學(xué)科的知識(shí)體系,,學(xué)科的發(fā)展,計(jì)算學(xué)科的劃分計(jì)算機(jī)學(xué)科稱(chēng)為計(jì)算學(xué)科（Computing Discipline，CD）或計(jì)算科學(xué)（Computing Science，C

2、C），其包括：計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science，CS）、計(jì)算機(jī)工程（Computer Engineering，CE）、軟件工程（Software Engineering，SE）和信息系統(tǒng)（Information Systems，IS）四大分支。發(fā)展的代表階段奠基年代、機(jī)器年代、算法年代、獨(dú)立系統(tǒng)年代、分布式年代、應(yīng)用年代、以人為本年代。知識(shí)體系與發(fā)展 支撐專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ) ：數(shù)學(xué)、電子學(xué)、高級(jí)語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì) 主要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)

3、：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、計(jì)算機(jī)原理、基本邏輯、編譯技術(shù)、操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言與程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理 最新發(fā)展前沿：并行技術(shù)、分布計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程,,,學(xué)科的方法論,理論 主要要素為定義和公理、定理、證明、結(jié)果的解釋。抽象（模型化） 源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)，主要要素為數(shù)據(jù)采集方法和假設(shè)的形式說(shuō)明、模型的構(gòu)造與預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)分析、結(jié)果分析。設(shè)計(jì) 源于工程學(xué)，用來(lái)開(kāi)發(fā)求解給定問(wèn)題的系統(tǒng)和設(shè)備。主要要素為需求說(shuō)明、規(guī)格說(shuō)明、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法、測(cè)試和

4、分析。用來(lái)開(kāi)發(fā)求解給定問(wèn)題的系統(tǒng)。,,學(xué)科的形態(tài)與科學(xué)實(shí)踐的關(guān)系,,,學(xué)科的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐的關(guān)系,,,,學(xué)科的知識(shí)體系-1,知識(shí)體系組成-1離散結(jié)構(gòu)（Discrete Structure，DS）由函數(shù)、關(guān)系和集合、基本邏輯、證明技巧、計(jì)數(shù)基礎(chǔ)、圖與樹(shù)構(gòu)成。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（Programming Foundation，PF）由程序設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)、算法與問(wèn)題求解、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、遞歸、事件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)組成。,,學(xué)科的知識(shí)體系-2,知識(shí)體系組成

5、-2算法與復(fù)雜性（Algorithm and complexity，AL）有算法分析基礎(chǔ)、算法策略、基本算法、分布式算法、可計(jì)算性理論基礎(chǔ)、復(fù)雜性類(lèi)（P類(lèi)和NP類(lèi)）、自動(dòng)機(jī)理論、高級(jí)算法分析、加密算法、幾何算法、并行算法。計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)（computer framework and system ARchitecture，AR）包括數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示、匯編級(jí)機(jī)器組織、存儲(chǔ)系統(tǒng)組織和結(jié)構(gòu)、接口和通信、功能組

6、織、多處理和其它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能提高技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,,學(xué)科的知識(shí)體系-3,知識(shí)體系組成-3操作系統(tǒng)（Operating System，OS）操作系統(tǒng)概述、操作系統(tǒng)原理、并發(fā)性、調(diào)度與分派、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、安全與保護(hù)、文件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng)、容錯(cuò)、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、腳本。網(wǎng)絡(luò)及其計(jì)算（Network and its Computing，NC）網(wǎng)絡(luò)及其計(jì)算介紹、通信與網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全、客戶(hù)-服務(wù)器計(jì)算舉例、構(gòu)建Web應(yīng)

7、用、網(wǎng)絡(luò)管理、壓縮與解壓縮、多媒體數(shù)據(jù)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)和移動(dòng)計(jì)算。,,學(xué)科的知識(shí)體系-4,知識(shí)體系組成-4程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Programming Language，PL）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言概論、虛擬機(jī)、語(yǔ)言翻譯簡(jiǎn)介、聲明和類(lèi)型、抽象機(jī)制、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、函數(shù)程序設(shè)計(jì)、語(yǔ)言翻譯系統(tǒng)、類(lèi)型系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)義、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，HCI）人機(jī)交互基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單圖形用戶(hù)界面的創(chuàng)建、以

8、人為本的軟件評(píng)估、以人為本的軟件開(kāi)發(fā)、圖形用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)、圖形用戶(hù)界面的編程、多媒體系統(tǒng)的人機(jī)交互、協(xié)作和通信的人機(jī)交互。,,學(xué)科的知識(shí)體系-5,知識(shí)體系組成-5圖形學(xué)和可視化計(jì)算（Graphic and Visual computing，GV）圖形學(xué)的基本技術(shù)、圖形系統(tǒng)、圖形通信、幾何建模、基本圖形繪制方法、高級(jí)圖形繪制方法、先進(jìn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。智能系統(tǒng)（Intelligent System，IS

9、）智能系統(tǒng)基本問(wèn)題、搜索和約束滿(mǎn)足、知識(shí)表示和知識(shí)推理、高級(jí)搜索、高級(jí)知識(shí)表示和知識(shí)推理、主體、自然語(yǔ)言處理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能規(guī)劃系統(tǒng)、機(jī)器人。信息系統(tǒng)（Information System，IS）信息模型和信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模型化、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)語(yǔ)言、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、事務(wù)處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、物理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、信息存儲(chǔ)和信息檢索、超文本和超媒體、多媒體信息和系統(tǒng)、數(shù)字圖書(shū)館。,,學(xué)科的知識(shí)體

10、系-6,知識(shí)體系組成-6軟件工程（Software Engineering，SE）軟件設(shè)計(jì)、使用API、軟件工具和環(huán)境、軟件過(guò)程、軟件需求和規(guī)約（也稱(chēng)規(guī)格說(shuō)明書(shū)）、軟件確認(rèn)、軟件演化、軟件項(xiàng)目管理、基于構(gòu)件的計(jì)算、形式化方法、軟件可靠性、特定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。數(shù)值計(jì)算科學(xué)（Computing of Numerical value，CN）數(shù)值分析、運(yùn)籌學(xué)、建模與模擬、高性能計(jì)算。社會(huì)與職業(yè)問(wèn)題（Societal and professi

11、onal Problems，SP）包括：信息技術(shù)史、信息技術(shù)的社會(huì)環(huán)境、分析方法和分析工具、職業(yè)責(zé)任和道德責(zé)任、基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任。,,,5.2 機(jī)器體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)處理,,比特與觸發(fā)器,比特（bit）的概念一個(gè)比特（bit），也稱(chēng)二進(jìn)制數(shù)（binary digit）是兩個(gè)數(shù)字符號(hào)0和1中的任意一個(gè)，在這里0和1沒(méi)有任何數(shù)字上的意義，而僅僅是兩個(gè)符號(hào)。門(mén)電路的概念 門(mén)電路是具有實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的器件，其在給定兩個(gè)（

12、或一個(gè)）輸入值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)邏輯運(yùn)算的輸出。有四種門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)四種邏輯運(yùn)算或邏輯操作，它們是“與”門(mén)、“或”門(mén)、“異或”門(mén)和“非”門(mén)。觸發(fā)器的概念觸發(fā)器是一種特殊的電路，其產(chǎn)生0或1的輸出值，并保持其輸出值不變，一直到另外的電路來(lái)的信號(hào)使它從當(dāng)前的輸出值改變到另一個(gè)輸出值。 （例圖）,主存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),主儲(chǔ)存器計(jì)算機(jī)主機(jī)（主板）上的存儲(chǔ)設(shè)備被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的主儲(chǔ)存器 比特（bit）的存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)往往利用觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)表示或

13、儲(chǔ)存一個(gè)比特。 字節(jié)（byte）的概念 計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器被分成成一個(gè)個(gè)可以管理的存儲(chǔ)單元，其容量用字節(jié)來(lái)代表。1字節(jié)（byte）=8比特（bit）。存儲(chǔ)單元的組織 存儲(chǔ)單元是按照地址來(lái)組織（例圖）；存儲(chǔ)單元內(nèi)是按位來(lái)組織（例圖）。,海量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備-1,海量存儲(chǔ)設(shè)備計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)、磁帶和CD（光盤(pán)）被稱(chēng)為海量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的儲(chǔ)存設(shè)備，海量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)相對(duì)于主儲(chǔ)存器的優(yōu)點(diǎn)是非易失性、大的儲(chǔ)存容量和可以移動(dòng)。 硬盤(pán)（例圖）工作原理：是

14、通過(guò)電磁轉(zhuǎn)換原理來(lái)存儲(chǔ)比特（數(shù)據(jù)）盤(pán)片結(jié)構(gòu)：是一個(gè)薄的旋轉(zhuǎn)盤(pán)片，上面覆蓋一層磁性材料來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟盤(pán)僅有一張盤(pán)片，而硬盤(pán)有多張盤(pán)片。工作過(guò)程：是讀/寫(xiě)磁頭被放在盤(pán)片的上面和/或下面，因此隨著盤(pán)片的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)磁頭在盤(pán)片的上或下表面上的圓圈，也叫磁道（track）上來(lái)回移動(dòng)。通過(guò)讀/寫(xiě)磁頭的位置，不同的同心磁道被訪(fǎng)問(wèn)。衡量磁盤(pán)系統(tǒng)性能的參數(shù)有：尋道時(shí)間（seek time）、旋轉(zhuǎn)延遲（rotation delay or latency

15、 time）、存取時(shí)間（access time）、傳輸速率（transfer rate）。,海量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備-2,光盤(pán)（例圖）工作原理：是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換原理來(lái)存儲(chǔ)比特（數(shù)據(jù)）盤(pán)片結(jié)構(gòu)：光盤(pán)是一個(gè)直徑為12厘米的盤(pán)片，由反射材料和上面的塑料保護(hù)層組成。工作過(guò)程：通過(guò)在盤(pán)的反射層產(chǎn)生變化來(lái)存儲(chǔ)信息，這種信息能利用激光束監(jiān)視光盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)反射表面上的不規(guī)則來(lái)進(jìn)行讀取。磁帶（例圖）工作原理：信息被存儲(chǔ)在一條覆蓋有磁性材料的薄塑料上工作過(guò)程

16、：磁帶在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)（脈沖電流），通過(guò)讀/寫(xiě)磁頭使磁帶的磁性發(fā)生變化，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)讀/寫(xiě)磁頭感應(yīng)磁帶上的磁場(chǎng)變化，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而獲得數(shù)據(jù)。,信息的存儲(chǔ)與表示,文本信息的表示文本信息通常用編碼的形式表示，文本的不同的字符（字母表、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)或漢字字符）被賦予唯一的比特(bit)模式。數(shù)值信息的表示用不同的數(shù)制編碼系統(tǒng)表示，如二進(jìn)制系統(tǒng)是用數(shù)字0和1，進(jìn)位規(guī)則是“逢二進(jìn)一”，而不是傳統(tǒng)的十進(jìn)制來(lái)表示數(shù)

17、值。圖象信息的表示位圖（bit map）技術(shù) 在位圖技術(shù)中，一幅圖像被看作是點(diǎn)的集合，而將每一個(gè)點(diǎn)叫做像素（pixel）；用1或是0，用來(lái)表示相應(yīng)的像素是黑還是白，或者用1和0的組合來(lái)表示像素的不同顏色。矢量技術(shù) 一幅圖像被表示成直線(xiàn)和曲線(xiàn)的集合；用1和0的組合來(lái)表示圖形的位置，幾何圖形的參數(shù)。,二進(jìn)制系統(tǒng),二進(jìn)制加法兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)加法同十進(jìn)制加法類(lèi)似，所不同的是逢二進(jìn)一，而不是逢十進(jìn)一。二進(jìn)制的小數(shù)表示形式同十進(jìn)制一

18、樣，我們小數(shù)點(diǎn)來(lái)將二進(jìn)制數(shù)的小數(shù)和整數(shù)分開(kāi)，在小數(shù)點(diǎn)左邊的是整數(shù)，在小數(shù)點(diǎn)右邊的是小數(shù)。整數(shù)的存儲(chǔ) 用比特模式來(lái)表示數(shù)值的方法，即數(shù)值表示系統(tǒng)不是唯一的，除了二進(jìn)制系統(tǒng)，到目前有許多其它的數(shù)值表示系統(tǒng)，其中許多被用于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。,數(shù)據(jù)壓縮,數(shù)據(jù)壓縮的定義為了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和傳輸?shù)哪康?，減小數(shù)據(jù)的尺寸往往是非常有用的，用于實(shí)現(xiàn)減小數(shù)據(jù)量的技術(shù)被稱(chēng)為數(shù)據(jù)壓縮（data compression）。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)際上是研究數(shù)據(jù)壓縮的算法。

19、 圖形壓縮的格式GIF：CompuServe公司發(fā)明的圖形交換格式（Graphic Interchange Format），其通過(guò)將一個(gè)像素所賦予的顏色減少到256來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。 JPEG：由ISO的聯(lián)合圖形專(zhuān)家組（Joint Photographic Experts Group）制訂的，是一種彩色圖像的壓縮系統(tǒng)。MPEG：ISO的運(yùn)動(dòng)圖像專(zhuān)家組（Motion Picture Experts Group）制訂的，用于對(duì)視頻的

20、編碼（壓縮）。,,一種觸發(fā)器的組成,,,存儲(chǔ)單元的組織,,,字節(jié)的組織,,,磁盤(pán)儲(chǔ)存系統(tǒng),,磁盤(pán)工作過(guò)程示意,,,光盤(pán)劃分的示意,,,光盤(pán)工作過(guò)程示意,,磁帶工作過(guò)程示意,,現(xiàn)代磁帶系統(tǒng),,,,文字表示-ASCII,,,,二進(jìn)制加法,,,,中央處理單元（CPU）,CPU計(jì)算機(jī)內(nèi)執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算（如加法和減法）的電路不是直接連接到機(jī)器的主儲(chǔ)存器的內(nèi)存單元而是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組成部件，稱(chēng)為中央處理單元（Central Processing

21、 Unit，CPU） 。CPU的組成一部分是算術(shù)/邏輯單元（Arithmetic/Logic Unit，ALU），其由執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的電路組成；另一部分是控制單元，其協(xié)調(diào)機(jī)器的活動(dòng)。CPU的工作要素寄存器：為了臨時(shí)存儲(chǔ)信息，CPU包含類(lèi)似于主儲(chǔ)存器的儲(chǔ)存單元，稱(chēng)為寄存器?？偩€(xiàn)（bus）：為了在計(jì)算機(jī)的CPU和主內(nèi)存之間傳遞比特模式，這些單元被一個(gè)稱(chēng)為總線(xiàn)（bus）的線(xiàn)集合所連接。機(jī)器指令：CPU必須執(zhí)行指令才能工作，CUP能夠

22、直接識(shí)別并執(zhí)行的指令稱(chēng)為機(jī)器指令。,程序儲(chǔ)存與執(zhí)行-1,儲(chǔ)存程序的概念 程序可以象數(shù)據(jù)一樣，被編碼和存儲(chǔ)在主內(nèi)存中；控制單元設(shè)計(jì)成從內(nèi)存中提取程序，解碼指令，然后執(zhí)行它們；計(jì)算機(jī)的程序能改變僅僅通過(guò)改變計(jì)算機(jī)內(nèi)存的內(nèi)容，這使得通用計(jì)算機(jī)成為可能。 機(jī)器語(yǔ)言(Machine-language) 計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)來(lái)識(shí)別確定的比特模式作為確定的指令，這種同編碼系統(tǒng)一起的指令的集合被稱(chēng)為機(jī)器語(yǔ)言。機(jī)器指令的編碼通常由兩部分組成：操作碼和

23、操作數(shù)（例圖）。在操作碼中的比特模式表示指令要求的基本操作，在操作數(shù)中的比特模式提供操作碼規(guī)定的操作的更詳細(xì)的細(xì)節(jié)。,程序儲(chǔ)存與執(zhí)行-2,程序執(zhí)行 計(jì)算機(jī)執(zhí)行存儲(chǔ)的程序是通過(guò)需要時(shí)將指令從內(nèi)存拷貝到控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一旦在控制單元，指令被解碼并執(zhí)行。指令從內(nèi)存中取出的順序是同指令存放在內(nèi)存中的順序是一致的，除非由一個(gè)JUMP指令重新指定?？刂茊卧ㄟ^(guò)連續(xù)執(zhí)行一個(gè)稱(chēng)為機(jī)器周期（machine cycle）的算法來(lái)完成它的任務(wù)。機(jī)器

24、周期由三個(gè)步驟組成：（例圖）,程序儲(chǔ)存與執(zhí)行-2,同其它設(shè)備通訊主內(nèi)存和CUP構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的核心，但它們要同外部設(shè)備一起工作才能完成計(jì)算機(jī)的功能。 通過(guò)控制器通訊計(jì)算機(jī)同其它設(shè)備之間的通訊是通過(guò)一個(gè)中間設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)中間設(shè)備被稱(chēng)為控制器。每種控制器處理一種特殊類(lèi)型的設(shè)備的通訊，如監(jiān)視器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等（例圖）。 通訊形式 并行通訊：若干比特被同時(shí)傳輸，每一個(gè)比特通過(guò)并排的分別的線(xiàn)路，這種技術(shù)能迅速地傳送數(shù)據(jù)，但需

25、要相對(duì)復(fù)雜的通訊通道。串行通訊：是一次傳送一個(gè)比特。這種技術(shù)傳輸速率慢，但要求簡(jiǎn)單的傳輸通道，因?yàn)樗械谋忍囟纪ㄟ^(guò)同一根線(xiàn)傳輸。,,機(jī)器指令組成,,,機(jī)器周期,,外設(shè)控制器,,,5.3 軟件,操作系統(tǒng)算法編程語(yǔ)言軟件工程,,操作系統(tǒng)-1,操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是一組控制和管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源，為用戶(hù)提供便捷使用計(jì)算機(jī)的程序的集合。 操作系統(tǒng)的發(fā)展批處理（batch proce

26、ssing）系統(tǒng)：批處理指通過(guò)將任務(wù)收集起來(lái)形成批量，然后執(zhí)行它們，而不需要用戶(hù)的進(jìn)一步交互（例圖） 交互處理（interactive processing）：交互處理系統(tǒng)允許程序在執(zhí)行時(shí)，用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程終端或工作站，利用對(duì)話(huà)程序同計(jì)算機(jī)交換信息（例圖）。軟件的分類(lèi) 軟件按其功能可以劃分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。依次系統(tǒng)軟件又可以分成工具軟件和操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)又可分為內(nèi)核與外殼（例圖）。,操作系統(tǒng)-2,操作系統(tǒng)的內(nèi)核設(shè)備管理器：其

27、功能是根據(jù)確定的設(shè)備分配原則對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配，使設(shè)備與主機(jī)能夠并行地工作，為用戶(hù)提供良好的設(shè)備使用界面。存儲(chǔ)器管理器：由于多道程序共享內(nèi)存資源，所以其主要任務(wù)是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。進(jìn)程管理器：其主要任務(wù)是對(duì)CPU的時(shí)間進(jìn)行合理地分配，對(duì)CPU的運(yùn)行實(shí)施有效地管理。文件管理器：有效地管理文件的存儲(chǔ)空間，合理地組織和管理文件系統(tǒng)，為文件訪(fǎng)問(wèn)和文件保護(hù)提供更有效的方法及手段。操作系統(tǒng)的外殼操作系統(tǒng)的外殼是指操作系統(tǒng)同用戶(hù)之間

28、的界面。外殼的作用是提供用戶(hù)與機(jī)器之間的通訊（例圖）。窗口管理器是外殼的主要部件。,,批處理系統(tǒng),,,交互處理系統(tǒng),,,軟件分類(lèi),,,操作系統(tǒng)外殼的作用,,,算法的概念-1,算法的定義 算法是一組有序的、無(wú)二義性的、可執(zhí)行的步驟，定義了一個(gè)可以結(jié)束的過(guò)程。 算法的特征有序（ordered）：算法的有序性表現(xiàn)在算法中的步驟必須有一個(gè)利用次序來(lái)精心確定的結(jié)構(gòu)，算法的步驟根據(jù)這個(gè)次序執(zhí)行。可執(zhí)行的（executable）：算法中的步驟

29、必須是可執(zhí)行的。無(wú)二義性（unambiguous)：無(wú)二義性指在一個(gè)算法的執(zhí)行過(guò)程中，在過(guò)程中的狀態(tài)信息必須足以唯一地、完整地確定每一步驟所執(zhí)行的活動(dòng)。可終止性（terminating）：可終止性意味著算法必須定義一個(gè)可終止的過(guò)程，隨著算法的執(zhí)行，過(guò)程必須導(dǎo)向一個(gè)終點(diǎn)。,算法的概念-2,算法的表示 算法和算法的表示是有區(qū)別的，這如同故事和記載故事的書(shū)之間的區(qū)別。一個(gè)算法能用多種方式來(lái)表示。原語(yǔ)和偽碼可以建立一個(gè)算法的表示系統(tǒng)。

30、 算法的發(fā)現(xiàn)程序的開(kāi)發(fā)有兩個(gè)活動(dòng)組成，首先發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的算法，然后再將算法表示成程序。實(shí)際上，算法的發(fā)現(xiàn)是軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中更具有挑戰(zhàn)性的工作。發(fā)現(xiàn)算法是找到解決問(wèn)題的方法，而該問(wèn)題的解答是算法所要計(jì)算的。,,編程語(yǔ)言-1,編程語(yǔ)言的作用 編程語(yǔ)言允許我們以既方便人類(lèi)的理解，又便于轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言指令的形式來(lái)表示算法。編程語(yǔ)言在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中將人們從處理寄存器、內(nèi)存地址和機(jī)器周期等錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)節(jié)中解脫出來(lái)，從而能將注意力集中在要解決的問(wèn)

31、題的本質(zhì)上。 編程語(yǔ)言的分類(lèi)從時(shí)間上劃分 第一代：機(jī)器語(yǔ)言第二代：匯編語(yǔ)言第三代：結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言第四代：…從思維邏輯劃分（例圖）,編程語(yǔ)言-2,傳統(tǒng)編程概念在傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中，語(yǔ)句是程序的基本組成。一般，語(yǔ)句劃分為三大類(lèi)：聲明語(yǔ)句、命令語(yǔ)句和注釋語(yǔ)句。聲明語(yǔ)句聲明語(yǔ)句是定義用戶(hù)化的術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)將要在程序中使用，如引用數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱(chēng)。命令語(yǔ)句命令語(yǔ)句描述算法中的步驟。其包括賦值語(yǔ)句、控制語(yǔ)句和過(guò)程調(diào)用語(yǔ)句?？刂普Z(yǔ)句一般包

32、括：分支語(yǔ)句，如if-then-else語(yǔ)句，switch-case語(yǔ)句；循環(huán)語(yǔ)句，如for語(yǔ)句、while語(yǔ)句等。注釋語(yǔ)句注釋語(yǔ)句通過(guò)用人們熟悉的形式來(lái)解釋程序深?yuàn)W的特性來(lái)增強(qiáng)程序的可讀性。,編程語(yǔ)言-3,語(yǔ)言執(zhí)行語(yǔ)言執(zhí)行是將用高級(jí)語(yǔ)言所寫(xiě)的程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以執(zhí)行的形式。翻譯過(guò)程將程序從一種語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成另一種語(yǔ)言的過(guò)程被稱(chēng)為翻譯（translation）。程序在其原始的形式就源程序（source program）；轉(zhuǎn)換后的版本

33、叫目標(biāo)程序（object program）。翻譯過(guò)程由三個(gè)活動(dòng)組成：詞法分析、語(yǔ)法分析和代碼生成，分別由翻譯器中稱(chēng)為詞法分析程序、語(yǔ)法分析程序和代碼生成器來(lái)完成（例圖）。,,程序分類(lèi),,,翻譯過(guò)程,,,軟件工程-1,軟件工程概念 軟件工程涉及軟件生產(chǎn)的各個(gè)方面，從早期的系統(tǒng)定義到軟件投入使用后的系統(tǒng)維護(hù)，之所以稱(chēng)之為軟件工程，是因?yàn)槲覀儗④浖拈_(kāi)發(fā)看作一個(gè)工程過(guò)程。 工程領(lǐng)域是一個(gè)已經(jīng)非常成熟的領(lǐng)域，軟件工程初衷就是要借鑒工程領(lǐng)域

34、的成熟管理技術(shù)來(lái)管理復(fù)雜的大型軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。軟件工程與傳統(tǒng)工程的區(qū)別構(gòu)件的重用性系統(tǒng)的容錯(cuò)性質(zhì)量的可度量性,軟件工程-2,軟件工程的基本思想用科學(xué)的知識(shí)和技術(shù)原理來(lái)定義、開(kāi)發(fā)、維護(hù)軟件；用工程科學(xué)的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行費(fèi)用估算、制定進(jìn)度、制定計(jì)劃和方案；用管理科學(xué)的方法和原理進(jìn)行生產(chǎn)的管理；用數(shù)學(xué)的方法建立軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種模型和算法。軟件工程的目標(biāo)付出較低開(kāi)發(fā)成本，達(dá)到要求的功能，取得較好的性能；按時(shí)完成開(kāi)發(fā)任務(wù)，及時(shí)交付使

35、用；軟件易于移植，可靠性高，維修費(fèi)用低。,軟件工程-3,軟件工程的研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容包括開(kāi)發(fā)技術(shù)和管理技術(shù)兩個(gè)方面。開(kāi)發(fā)技術(shù)主要研究軟件開(kāi)發(fā)方法、開(kāi)發(fā)過(guò)程、開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。開(kāi)發(fā)管理主要研究軟件管理、軟件經(jīng)濟(jì)和軟件心理。軟件工程所解決的問(wèn)題包括軟件的費(fèi)用、可靠性、可維護(hù)性、軟件生產(chǎn)效率和軟件的重用問(wèn)題。軟件工程的實(shí)施內(nèi)容軟件工程規(guī)定了獲取、供應(yīng)、開(kāi)發(fā)、操作和維護(hù)軟件時(shí)，要實(shí)施的過(guò)程、活動(dòng)和任務(wù)。,軟件工程-4,軟件生命周期軟

36、件生命周期（例圖）表示了這樣一個(gè)事實(shí)，即一旦軟件被開(kāi)發(fā)，它就進(jìn)入使用和修改的循環(huán)，在軟件生命的剩余部分一直繼續(xù)。 軟件開(kāi)發(fā)工作內(nèi)容（例圖）分析：軟件生命周期的開(kāi)發(fā)階段是從分析開(kāi)始。分析的主要目的是確定計(jì)劃的系統(tǒng)的用戶(hù)的需求。設(shè)計(jì)：分析關(guān)注的是系統(tǒng)應(yīng)該做什么，設(shè)計(jì)關(guān)注的是系統(tǒng)將如何完成這些目標(biāo)。在設(shè)計(jì)中，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被確定。實(shí)施：實(shí)施包括實(shí)際地編寫(xiě)程序，建立數(shù)據(jù)文件和開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試：測(cè)試是同實(shí)施緊密相連的，其目的是盡量減少軟件

37、中存在的錯(cuò)誤，使軟件能正常、高效地工作。,,軟件生命周期,,,軟件開(kāi)發(fā)階段的工作內(nèi)容,,,,5.4 數(shù)據(jù)組織,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu),,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-1,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，前者的尺寸和形態(tài)是固定的，而后者的尺寸和形態(tài)是不固定的。靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-數(shù)組數(shù)組是在內(nèi)存中將數(shù)據(jù)以稱(chēng)作同類(lèi)數(shù)組的矩形排列來(lái)存儲(chǔ)的，其占據(jù)了內(nèi)存中連續(xù)的、大小不變的內(nèi)存單元。 一維數(shù)

38、組是將數(shù)組中的每個(gè)元素利用它在數(shù)組中的位置來(lái)引用比較方便，這個(gè)位置被稱(chēng)為叫索引。（例圖）兩維以上數(shù)組是被轉(zhuǎn)換成，按一維數(shù)組的形式來(lái)存儲(chǔ)的。根據(jù)轉(zhuǎn)換的方式不同，分為以行為主序或以列為主序。（例圖）,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-2,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-表連續(xù)表：將整個(gè)表存儲(chǔ)在一個(gè)連續(xù)地址的單個(gè)內(nèi)存區(qū)域（圖例），連續(xù)表因?yàn)楹?jiǎn)單而方便，但有若干缺點(diǎn)，如插入和刪除都不方便。鏈接表：將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在散布的、用指針聯(lián)起來(lái)的若干個(gè)小的內(nèi)存單元區(qū)域（例圖）。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-堆

39、棧堆棧是一個(gè)特殊的表，其所有數(shù)據(jù)的插入和刪除都是在結(jié)構(gòu)的尾部。這種限制的結(jié)構(gòu)是最后進(jìn)入的元素總是最先移出的元素，這導(dǎo)致了堆棧被稱(chēng)為后進(jìn)先出（Last-In，F(xiàn)irst-Out，LIFO）結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-隊(duì)列隊(duì)列是一種特殊的表，在其中所有的數(shù)據(jù)插入在一端，而所有的數(shù)據(jù)刪除在另一端。隊(duì)列概念的實(shí)質(zhì)是這樣一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)象被處理按照它們到達(dá)的次序，即先進(jìn)先出（First-In，F(xiàn)irst-Out）。,,一維數(shù)組的存儲(chǔ),,,兩維數(shù)組的存儲(chǔ)

40、（行為主序）,,,連續(xù)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,,鏈接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,,文件結(jié)構(gòu)-1,文件的概念信息以大的單元存儲(chǔ)在海量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)被稱(chēng)為文件（files）。 海量?jī)?chǔ)存設(shè)備的物理特性決定了這些文件的存儲(chǔ)和提取是以多個(gè)字節(jié)單位進(jìn)行的。 物理記錄（physical record）遵守一個(gè)儲(chǔ)存設(shè)備的物理特性的數(shù)據(jù)塊叫做物理記錄，儲(chǔ)存在海量?jī)?chǔ)存中的文件典型的是由許多物理記錄組成。邏輯記錄（logical record）自然產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊叫做邏輯記錄邏

41、輯記錄的尺寸通常不匹配海量?jī)?chǔ)存設(shè)備決定的物理記錄，結(jié)果是若干個(gè)邏輯記錄放置在單個(gè)物理記錄中，或者一個(gè)邏輯記錄被分割到兩個(gè)或多個(gè)物理記錄之間（例圖）。緩沖區(qū)（buffer） 緩沖區(qū)是主內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)專(zhuān)門(mén)的區(qū)域，其大得足以容納若干個(gè)物理記錄，用來(lái)作為物理記錄與邏輯記錄重新編組的地方。,文件結(jié)構(gòu)-2,順序文件（Sequential Files）順序文件是這樣的一種文件，對(duì)其的訪(fǎng)問(wèn)是從頭到尾，仿佛文件中的信息被排列成一行。順序文件的例

42、子有音頻文件、視頻文件、包含程序的文件、以及包含文本的文件。 文本文件（text files）文本文件，它是一個(gè)順序文件，它的每一個(gè)記錄由單個(gè)的“可打印的”字符組成。“可打印的”表示我們不僅包括文字、字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，而且包括諸如回車(chē)、進(jìn)行等控制代碼。索引文件（indexed file） 由一個(gè)條目表組成，表中的每個(gè)條目包含一個(gè)記錄的確定特性（也許是一個(gè)關(guān)鍵域值）和該記錄的位置。這個(gè)索引文件通常存儲(chǔ)在同文件相同的海量?jī)?chǔ)存

43、設(shè)備上。為了從文件中讀取一條記錄，索引被首先傳遞到主內(nèi)存，用于搜索適當(dāng)?shù)臈l目。,,物理記錄與邏輯記錄,,,,數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)-1,數(shù)據(jù)庫(kù)的概念數(shù)據(jù)庫(kù)主題是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件結(jié)構(gòu)的綜合。現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用兩個(gè)方面的技術(shù)來(lái)獲得一個(gè)單獨(dú)的、海量的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其能表現(xiàn)出服務(wù)許多應(yīng)用的多種數(shù)據(jù)組織。 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)與文件結(jié)構(gòu)的比較文件結(jié)構(gòu)是一維儲(chǔ)存系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，信息是從一個(gè)單獨(dú)的視角來(lái)表示的。 數(shù)據(jù)庫(kù)術(shù)語(yǔ)描述多維數(shù)據(jù)的集合，在這個(gè)集合中，數(shù)據(jù)之間存在著聯(lián)系

44、，因此信息能從不同的視角來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。 數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)集成、共享、統(tǒng)一管理（例圖）提高數(shù)據(jù)的一致性、減少數(shù)據(jù)的冗余。數(shù)據(jù)庫(kù)的缺點(diǎn) 對(duì)敏感數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)控制問(wèn)題如數(shù)據(jù)的收集權(quán)限問(wèn)題、數(shù)據(jù)濫用問(wèn)題等等,數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)-2,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的分層方法為了隱藏?cái)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是根據(jù)抽象的層次來(lái)構(gòu)建的（例圖）。應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)使用者的數(shù)據(jù)映像是由應(yīng)用軟件產(chǎn)生的，應(yīng)用軟件利用交互的方式和應(yīng)用領(lǐng)域中的術(shù)語(yǔ)同用戶(hù)通訊。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)