1、第二单元：信息系统的集成21计算机系统的组成A、计算机系统的组成与工作原理计算机系统由硬件系统与软件系统组成。硬件系统：由输入设备、运算器、控制器、存储器和输出设备组成；软件系统：由系统软件与应用软件组成。如上图所示，计算机接受指令后，由控制器指挥，从输入设备采集数据，传送到内存储器进行存储，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果保存在存储器中，最后由输出设备输出。B、输入设备：输入设备是向计算机输入数据的设备，是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始的数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。C、输出设备：输出设备可将计算机的运算结果或者中间结果打印
2、或显示输出。D、中央处理器：计算机的运算器与控制器合在一起被称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。运算器是用于加工数据的部件，可以进行算术运算和逻辑运算。算术运算就是数的加、减、乘、除以及乘方、开方等数学运算。逻辑运算包括逻辑判断和逻辑比较等。控制器是计算机的控制部件，负责计算机各个部分自动、协调在工作。中央处理器是计算机的核心部件，它的功能主要包括解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。E、存储设备存储设备是计算机系统的记忆装置，它的主要功能是存放程序和数据。存储器分为内部存储器与外部存储器。内部存储器以分为随机存储器（Random Access Memo
3、ry，RAM）与只读存储器（Read Only Memory，ROM），随机存储器中的数据可以读入，可以写入，断电后存储内容消失。只读存储器中的数据只能读出，不能写入，断电后数据不会丢失。计算机存储数据的基本单位是字节(Byte)，一个字节由8个位(Bit，比特)组成，1位存储一个二进制的0或1，一个字节能存储一个英文字母，二个字节存储一个汉字，1Kb=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1Tb=1024GB。F、系统软件系统软件是具有通用功能的软件，包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统等。系统软件使计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体，而不需要顾及底层每个硬件
4、是如何工作的。操作系统（Operating System，OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都要在操作系统的支持下才能运行。G、应用软件是为了满足用户不同领域、不同问题的应用需求而设计的软件，如各类办公软件、多媒体加工软件、即时通信软件等应用软件。22计算机系统互联将计算机系统互联，可以把地理位置不同，具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来，在网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递。计算机互联构成了计算机网络，计算机网络在信息系统中的作用可分为两大方面，一是计算机网络有助于信息系统内部各设备之
5、间、信息系统的和功能模块之间以及信息系统与用户之间更好地实现信息传输与功能控制；二是计算机网络有助于信息系统之间实现资源共享与信息传输，如智慧城市、医保领域的信息系统。A、计算机网络的类型1、局域网：（Local Area Network，LAN）是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的范围较小。2、城域网：（Metropolitan Area Network ，MAN）是在一个城市范围内的所建立的计算机通信网，传输媒介主要是光纤，网内延时较少，网速非常快。3、广域网：（Wide Area Network，WAN）称为远程网，它所覆盖的范围比较广。B、带宽与网络传输速率计算机网络是以数字的形式传输
6、信号，信息技术中速率是连接在计算机网络上的设备在数字信道上传输数据的速率，称为数据率（data rate）或比特率（bit rate），速率的单位是比特每秒（b/s，目前常用bps表示）。网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最大数据量”，单位是比特每秒。在通信领域和计算机领域，应特别注意数量单位“千”(K)、“兆”(M)、“吉”(G)等的英文缩写所代表的数值。计算机中的数量单位用字节作为度量单位，“千字节”的“千”用大写K表示，它等于2的10次方，即1024，而不是1000。在实际上网应用中，下载软件时常常看到诸如下载速度显示为176KB/s，103KB/s等宽带速率大
7、小字样，因为ISP提供的线路带宽使用的单位是比特（bit），而一般下载软件显示的是字节（Byte）（1Byte=8bit），所以要通过换算，才能得实际值。我们以1M宽带为例，按照换算公式换算一下：1Mb/s=1024*1024b/s=1024Kb/s=1024/8KB/s=128KB/sC、网络协议（传输控制协议/网际协议）网络协议是为了在计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。1、TCP/IP协议：是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则。TCP/IP协议不是一个单一协议，而是一个协议簇。使用TCP/IP协议，需要详细设置IP址、子网掩码、默认网关在、DNS等参
8、数。2、FTP协议（File Transfer Protocol 文件传输协议）FTP包括两个组成部分，一是FTP服务器，二是FTP客户端，FTP服务器存储文件，用户可以用FTP客户通过FTP协议访问FTP服务器资源。FTP地址格式：ftp:/用户名：密码FTP服务器IP地址或域名D、IP地址IP地址是逻辑地址，是指互联网协议地址（Internet Protocol Address，又译为国际协议地址）。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网的每一台主机分配一个逻辑地址。计算机真正的通信是依靠物理地址，主要是能过ARP（Address Resolution Protocol，地
9、址解析协议）将IP地址解析为MAC（）地址，即配适器地址。IPV4地址是一个32位二进制数，由4个8位二进制数组成（4个字节）。用“分十进制”成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。IPV6协议的IP地址：互联网需求不断增长，IPV4协议下的IP地址不足，IPV6协议将替代IPv4协议，IPV6协议中，IP地址的长度是128位（16个字节）。C、子网掩码互联网是由许多小型网络构成的，每个网络上都有许多主机，这样便构成
10、了一个有层次的结构。IP地址在设计时就考虑到地址分配的层次特点，将每个IP地址都分割成网络地址和主机地址两部分，以便于IP地址的寻址操作。用子网掩码(subnetmask)来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机，即将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码由1和0组成，且1和0分别连续。子网掩码也是32位二进制数，左边是网络位，用二进制数字“1”表示对应IP地址位的编码，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示对应主机数的编码，0的数目等于主机位的长度。这样做的目的是为了让掩码
11、与ip地址做按位与运算时用0遮住原主机数，而不改变原网络段数字，而且很容易通过0的位数确定子网的主机数（2的主机位数次方-2，因为主机号全为1时表示该网络广播地址，全为0时表示该网络的网络号，这是两个特殊地址）。如IP地址为100.4.5.6, 子网掩码为255.255.224.0,则两者的关系如图所示依据子网掩码中二进制数1的个数，子网掩码可以采用子网前缀长度表示，如IP地址可以示表示为10.4.5.6/19,其中19表示子网掩码，称为“子网前缀长度”，主机数=2的13次方-2=8190。对于A类地址来说，默认的子网掩码是255.0.0.0；对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0
12、.0；对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。利用子网掩码可以把大的网络划分成子网，即VLSM（可变长子网掩码），也可以把小的网络归并成大的网络即超网。通过计算机的子网掩码判断两台计算机是否属于同一网段的方法是，将计算机十进制的IP地址和子网掩码转换为二进制的形式，然后进行二进制“与”(AND)计算（全1则得1，不全1则得0），如果得出的结果是相同的，那么这两台计算机就属于同一网段。如：IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0，先转换为二进制，然后AND每一位IP 11000000.10101000.00000000.00000001子网掩码1
13、1111111.11111111.11111111.00000000得出AND结果11000000.10101000.00000000.00000000转换为十进制192.168.0.0，这就是网络标识，再将子网掩码反取，也就是00000000.00000000.00000000.11111111，与IP进行AND计算得出结果00000000.00000000.00000000.00000001，转换为10进制，即0.0.0.1，这0.0.0.1就是主机标识。如IP：188.188.0.111，188.188.5.222，子网掩码都设为255.255.254.0，在同一网段吗？先将这些转换成二
14、进制188.188.0.11110111100.10111100.00000000.01101111188.188.5.22210111100.10111100.00000101.11011010255.255.254.011111111.11111111.11111110.00000000分别AND，得10111100.10111100.00000000.0000000010111100.10111100.00000100.00000000网络标识不一样，即不在同一网段。D、公有地址与私有地址公有地址（Public address）由国际互联网络信息中心（Internet Network i
15、Information Center）负责。这些IP地址分配给那些向国际互联网络信息中心提出申请的组织机构。通过IP地址可以访问互联网。私有地址（Privatte address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。以下是留用的内部私有地址：A类 10.0.0.010.255.255.255B类 172.16.0.0172.31.255.255C类 192.168.0.0192.168.255.255E、默认网关当信息由计算机发出时，信息将送到一个连接网络的路由器中，路由器的接口必须设置一个IP地址作为计算机的默认网关。如果目的地设备与计算机在同一网络内，不需要路由器向外转发；如果目的地设
16、备与计算机不在同一网络内，信息将发到默认网关（路由器），路由器会根据路由表将信息发送到目的在设备。F、DNS服务器在互联网中计算机通信必须使用IP地址，DNS (Domain Name System，域名系统)服务器主要用于域名解析，即将主机名解析为IP地址。 互联网中的DNS服务器是一个分层结构，由很多DNS服务器组成，里面的数据库事先存放指存放了各种域名或主机名对应的IP地址。当用户计算机发出域名请求时，DNS服务器就会返回对就的IP地址。计算机要想能访问互联网时，必须在配置IP地址时配置“首选DNS服务器”的IP地址，或设为“自动获得DNS服务器地址”。DNS服务器的IP地址一般由ISP
17、（互联网服务提供商）提供。 G、域名IP地址是Internet主机的作为路由寻址用的数字体标识，人不容易记忆。因而产生了域名这一种字符型标识。域名（英语：DomainName），简称域名、网域，是由一串用点分隔的名字组成的Internet上某一台计算机或计算机组的名称，用于在数据传输时标识计算机的电子方位（有时也指地理位置）。一个完整的域名由2个或2个以上的部分组成，各部分之间用英文的句号“.”来分隔。其基本格式是：主机名.机构名.网络名.地区域或行业域名。最后一个“.”的右边部分称为顶级域名(TLD，也称为一级域名)，最后一个“.”的左边部分称为二级域名(SLD)，二级域名的左边部分称为三级
18、域名，以此类推，每一级的域名控制它下一级域名的分配。因特网的顶级域名分为两大类：1.以所从事的行业领域作为顶级域名-即“行业域名”.COM-商业.NET-网络服务机构.GOV-政府机构.EDU-教育机构.ORG-民间团体或组织2.以国别作为顶级域名-即“地区域名”国家代码由两个字母组成的顶级域名，如.cn，.uk，.de和.jp称为国家代码顶级域名(ccTLDs)，其中.cn是中国专用的顶级域名,其注册归CNNIC管理,以.cn结尾的二级域名我们简称为国内域名。23 无线局域网的组建无线局域网是采用无线通信技术实现的网络，与有线网络的不同之处是采用了无线电技术取代了网线。1、网络设备（1）网卡
19、：安装在计算机或终端设备上，是连接计算机与和传输介质的接口。网卡分为无线网卡与有线网卡。有线网卡通过网线（双绞线）等传输介质连接交换机。（2）交换机：具备自动寻址能力和数据交换作用。从源端口接受的信息经过内部处理后转发至指定端口，连接在同一交换机上的各个设备处在同一网络之中。（3）路由器：.路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。（4）网络连接 网络连接是通过网线等传输介质把网络设备连接起来，构成网络。2、无线网络的概念无线网络由无线网卡、接入控制设备（AC）、无线接入点（无线AP）、计算机和有关设备组成。特点是使用无线通信技术将计算机
20、设备互连，构成互相通信和实现网络资源共享的网络体系，网络的构建和终端的移动更加灵活。3、无线局域网标准无线局域网遵循IEEE 802.11标准，该标准定义了如何使用免授权的工业、科学和医疗频段的射频（RF）作为无线链路，规定了发送及接受技术。参与无线局域网标准的组织有三个：ITU-R（管理RF频段的分配），IEEE（规定如何调制射频来传送信息），Wi-F联盟（确保不同供应商生产的设备可相互操作）。4、无线网络基础架构组件（1）无线网卡：终端无线网络设备，是采用无线信号进行数据传输的终端。（2）无线接入点：是使用无线设备（手机、笔记本电脑等设备）的用户进入网络的接入点，与其他无线接入点或者主无线
21、接入点连接，以扩大无线覆盖范围。客户设备通过无线接入点进行通信。（3）无线路由器：可以充当接入点、以太网交换机和路由器的角色。许多家用的无线路由器实际上都是三合一的设备，家用无线路由器一般含有一个WAN口和四个LAN口。路由器上的WAN用于连接外网或者连接宽带运营商的设备。路由器上的LAN口用来连接内网（局域网）中的设备，主要是计算机、交换机等设备。24 基于物联网的信息系统A、传感器传感器是一种检测装置，能感受被测量的信息，将感受到的信息按一定规律转化为电信号或其他所需形式，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。1、传感器的功能 传感器的功能与人类五大器官的功能大致对应如下（1
22、）光敏传感器-视觉（2）声敏传感器-听觉（3）气敏传感器-嗅觉（4）化学传感器-味觉（5）压敏传感器、热敏传感器-触觉2、常见传感器：位移传感器、形变传感器、重力传感器、加速传感器、湿度传感器、温度传感器、超声波测距传感器等3、智能传感器：智能传感器可以模拟人的感官的大脑的协调动作，它是一类具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理交换信息的能力，是传感器与微处理器相集合的产物。B、现代信息系统离不开传感器人们从外界获取信息必须借助感觉器官，但在研究自然现象和规律 以及生产活动时，单靠自身的感觉器官远远不够。传感器弥补了人类自身感觉器官的不足。在信息系统中，获取准确可靠的
23、信息尤为重要，而传感器是信息系统获取自然和生产领域信息的主要途径与手段。在基础研究中，传感器具有更为突出的地位。对如超高温、超低 温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等各种极端技术的研究， 没有相适应的传感器是不可能的。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、 资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护等极其广泛的领域。可以说， 从茫茫太空到浩瀚海洋，几乎每-个现代化的项目都离不开传感器。相比键盘、鼠标等传统的信息输人设备，传感器具有获得信息的速 度快、精度高、灵敏度高、自动化等优势，已成为信息系统与外部世界. 连接的重要方式。C、物联网的概念物联网，顾名思义是“物物相连的
24、互联网”，英文名称是：“Internetofthings（IoT）”。物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。国际电信联盟(ITU)发布的ITU互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智
25、能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。2009年9月欧盟RFID和物联网研究项日组认为，物联网是未来互联网的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和互操作的通信协议，且具有自配置能力的、动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具 有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口实现与信息网络的无 缝整合。1.物联网的感知层。感知层是物联网的基础，是联系现实物理世界与虚拟信息世界的纽带。感知层设备主要分为自动感知设备( RFID、传感器、GPS、智能家电设备、智能检测设备等)与人工生成信息设备(智能手机、PDA、计 算机等)。智能机器人具有很强的对外部环境的感知能力、自适应与协 同能力、对问题
26、的智能处理能力，在不远的将来也会进人物联网。2.物联网的网络层。网络层也称“传输层”，将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层，相当于人的神经系统。为了使物联网能应对各种复杂的环境，就需要各种不同的应用。目前，物联网的网络层都是基于现有的通信网和互联网建立的。3.物联网的应用层。物联网的应用层可进一步分为管理服务层与行业应用层。管理服务层通过中间件实现了感知硬件与应用软件物理的隔离与逻辑的无缝连接，提供海量数据的高效、可靠地汇聚、整合与存储，通过数据挖掘、智能数据处理与智能决策计算，为行业应用层提供安全的网络管理与智能服务。行业应用层主要包括业务中间件和行业应用领域。4.支持物联网的
27、共性技术。支持物联网且涉及感知层、网络层与应用层的共性技术是信息安全、网络管理、对象名称解析服务、服务质量。D、物联网应用的相关技术1.传感器技术:与信息采集相关的重要技术。2. RFID标签: RFID技术是融合了无线射频技术和嵌人式技术的综合技术，RFID在自动识别物品、物流管理等方面有着广阔的应用前景。3.嵌入式系统技术:集计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术于一体的复杂技术。小到手机，大到航空航天的卫星系统，以嵌人式系统为特征的智能终端产品随处可见。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业的发展。4.移动通信技术:覆盖范围较广，为物联网提供可靠、低成本且不受接人设备位
28、置限制的互联手段。5.计算机网络技术:能提供异构网络互联、异构网络管理。6.智能数据处理技术:包括信息融合、中间件与应用软件、海量数据存储与搜索、数据挖掘与知识发现。7.智能控制技术:包括环境感知技术、规划与决策、智能控制方法。8.位置服务技术:包括位置信息的获取、定位技术、位置服务方法。9.云计算技术:云计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无须人为参与。10.信息安全技术:包括感知层安全、网络层安全、应用层安全、隐私保护技术。E、物联网离不开控制技术无人驾驶汽车是在物联网的世界中产生的。无人驾驶汽车通过车载传感器感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道 路、车辆位置和障碍物信息
29、来控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够 安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车根据已有的交通和地图等信息，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标，不需要司机做出驾驶决定。无人驾驶汽车能够较好地减少因人为失误而导致的事故。F、大数据与物联网的关系.物联网产生大数据，大数据助力物联网。物联网数据本身就是一种大数据，是通过大量传感器收集的。数据的分析、处理必须要跟上物联 网的设备的运作节奏。所以，物联网推动了大数据的发展。G、物联网的应用领域物联网的应用领域有智能家居、智能交通、智能医疗、智能电网、智能物流、农业物联网、智能电力、智能安防、智能汽车、智能建筑、 智能水务、智能商业、智能工业等。随着信
30、息技术的发展，信息系统的功能也越来越多。大数据驱动下的信息系统关乎每个人的生活。如以前的天气预报只预测天气，但现今的天气预报会为公众提供更多的信息，如气象指数、空气污染指数、穿衣指数等，甚至对是否有利于运动，对发型及妆容的影响都有说明。这是能让普通百姓切身感受到的智慧生活。未来，关乎人们衣食住行的方方面面都会变得更加智能。2.5远程控制系统的组建目前，远程控制已冲破工程技术领域，延伸到生物神经网络领域、信息网络领域、经济领域、社会领域等，计算机网络远程控制趋于成熟，并已经应用于各种网络系统。例如:空间飞行器和地面相应设施构成的空间信息网络系统；汽车、火车、轮船和飞机组成的交通网络系统；为电力供
31、应形成的供电网络系统；天气预报的天地-体化网络系统；等等。1.控制系统。所谓控制(control)，是指为了改善系统的性能或达到某个特定的目的，通过对系统输出信号的采集和加工而产生控制信号并施加给系统的过程。控制系统则是一种由诸多因素以特定的内在结构方式而联结起来的动态系统，由控制部分和被控对象组成。控制部分-般由传感器( sensor)、控制器( controller )和执行器( actuator )组成。控制系统的例子很多。人就如一个控制系统，眼睛就像传感器，完成信息反馈，使人体系统通过不断地修正行为而做出各种正确的动作。再如，一台全自动洗衣机能连续检查衣物是否洗净、在洗净衣物之后能自动
32、切断电源。2.远程控制。人们可以通过简单的终端机完全地控制网络另一端的受控机，从而完成强大的控制功能，获取受控机的信息，我们将这种方式称为远程控制。其应用范围非常广泛，无论是对大型服务器的维护还是对小型局域网络的控制，都具有非常重要的应用价值。3.数字监控系统。数字监控系统是将监控头采集到的图像转换成数字信号并传送到计算机中进行处理的信息技术设施。我们可以通过软件对各种监控图像及报警信息、检测数据等进行智能化的分类处理，也可以根据不同的要求确定监控报警操作流程。2.6小型信息系统的组建1.信息系统。信息系统是一系列相互关联的对数据和信息进行收集(输人)、操作、存储(处理)与传播(输出)，并提供
33、反馈机制以实现其目标的元 素或组成部分的集合。信息系统的功能包括信息的输人、存储、处理、输出和控制。2.传感器。传感器是一-种检测装置，相当于人的感觉器官，对于信息的获取至关重要。它能感受到被测量的信息，并将其按照一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，是信息获取和信息转换的重要手段，是实现现代化 则量和自动控制的主要环节。传感器的结构如图2.6.1所示。3.红外线传感器。红外线传感器是光敏传感器的一种，能够接收红外线光信号并将其转换成电信号后输出，其原理如图2.6.2所示。生活中常见的应用红外线传感器的物件有红外线遥控器、红外线体温计和自动感应门等4.超声波传感器。超声波传感器是-种常用的非接触式传感器，利用它可以精确地检测与障碍物的距离，从而实现根据距离的变化做出相应的动作反应。5.开源硬件Arduino。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，它就像一台微型计算机的主机一样，可以通过编程来进行信息的智能化处理。
