《管理信息系统》-3管理信息系统技术基础.ppt

第3章 管理信息系统技术基础,2,学习目标,掌握计算机硬件组成及功能 熟悉网络拓扑结构及组成 了解多媒体音频视频常用技术 掌握计算机软件组成及分类 理解数据库的基本概念 掌握数据库设计的基本方法,3,3.1计算机硬件技术,一个完整的计算机系统是由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成。硬件是计算机的实体，又称为硬设备，是所有固定装置的总称。它是计算机实现其功能的物质基础，其基本配置可分为：主机、键盘、显示器、光驱、硬盘、打印机、鼠标等。软件是指挥计算机运行的程序集，可以按功能将其分为系统软件和应用软件，计算机系统的组成如图3-1所示。,4,3.1.1计算机系统的基本组成,图3-1计算机系统的组成,5,3.1.2计算机硬件各部件的主要功能,硬件是组成计算机的各种物理设备，它包括计算机的主机和外部设备。具体由五大功能部件组成，分别是： 1）运算器 2）控制器 3）存储器 4）输入设备 5）输出设备,6,1.运算器,运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。它的核心部分是加法器。因为四则运算的各种算法都可以归结为加法与移位操作，所以加法器的设计是算术逻辑线路设计的关键。,7,2.控制器,控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。控制器产生各种控制信号，指挥整个计算机有条不紊地工作。 人们通常把运算器和控制器看作一个整体称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）CPU的功能主要有以下四个方面： （1）指令控制-程序的顺序控制，称为指令控制。 （2）操作控制-CPU管理并产生由内部取出的每条指令的操作信号，把各 种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 （3）时间控制-对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。 （4）数据加工-对数据进行算术运算和逻辑运算。 计算机各部分之间的信息传递主要是通过总线（BUS）来实现的，所谓总线就是指能为多个功能部件提供服务的一组公用信息线。,8,3.存储器,存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括原始的输入数据。经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。 一般对计算机存储系统划分为两级： 内存储器（主存储器），如半导体存储器，它的存取速度快，但容量小； 外存储器（辅助存储器），如磁盘存储器，它的存储速度慢，但容量很大。,9,3.存储器,计算机中的存储器是分层结构的，这种层次结构在不同类型的计算机中有所不同，存储层次是在综合考虑容量、速度、价格的基础上建立的存储组合，以便满足系统对存储器在性能与经济两方面的要求。在大型机中一般都配有多种存储器，构成多层的存储层次，称为存储体系。图3-2所示为一种典型的存储层次结构。,10,3.存储器,图3-2存储体系的结构,11,3.存储器,存储器的性能主要包括以下几个方面： (1)存储容量: 在计算机中，将1个二进制位称为“位”（Bit），将8位二进制位称为“字节”（Byte），而将计算机数据存储和传输的基本单位称为“字”（Word），将它所包含的二进制数的位数称为“字长”。存放一个机器字的存储单元，通常称为字存储单元，相应的单元地址叫字地址。而存放一个字节的存储单元，称为字节存储单元，相应的地址称为字节地址。随着存储器不断扩大，人们采用了更大的存储单位如，千字节KB（1024B）、兆字节MB（1024KB），千兆字节GB（1024MB）及兆兆字节TB（1024GB）。 (2)存取时间与存储周期: 存取时间又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期是指连续启动两次独立的存储器操作（如连续两次读操作）所需间隔的最小时间。 (3)功耗及可靠性： 功耗是指每个存储单元所消耗的功率，单位为w/单元，也有用每块芯片总功率来表示功耗的，单位为mw/芯片。可靠性则是指存储器对电子磁场的抗干扰性和对温度变化的抗干扰性。,12,4.输入输出设备,输入输出设备是实现人与计算机之间相互联系的部件。其主要功能是实现人机对话、输入与输出以及各种形式的数据变换等。 输入设备 它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。常见的输入设备有：键盘；指点类输入设备如鼠标、光笔、触摸屏等；扫描类设备如条形码扫描仪、图形扫描仪等；传感类设备如摄像机及其它传感器；语音类设备如话筒等。 输出设备 将计算机中的二进制信息转换为用户所需要的数据形式并输出计算机处理结果的设备。常用的输出设备有：显示器；打印机如点阵打印机、喷墨打印机、热敏打印机、激光打印机等；影像输出系统如各类显示器；语音输出系统如耳机、音箱等。,13,3.1.3存储程序控制系统,“存储程序控制”的概念，是以美籍匈牙利数学家冯诺伊曼为代表的科学家于1946年提出的设计电子数字计算机的一些基本思想，主要包括：由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大基本部件组成计算机，该思想规定了这五个部分的基本功能；采用二进制形式表示数据和指令；将程序和数据事先放在存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行，即存储程序概念。,14,3.1.3存储程序控制系统,图3-3冯诺依曼体系计算机,15,3.1.4计算机网络硬件,信息技术的发展，使得计算机和通信技术相互渗透而且紧密结合。与之相应的是计算机网络的诞生。计算机网络是指利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。,16,1网络的分类及拓扑结构,(1)网络分类 1)按网络所使用的传输技术分类： 广播式网络 点到点式网络 2)根据网络的覆盖范围与规模分类： 局域网LAN 城域网MAN 广域网WAN,17,1网络的分类及拓扑结构,(2)网络的拓扑结构 1)总线型结构 2)星型结构 3)环型,18,1网络的分类及拓扑结构,总线型结构是局域网最主要的拓扑结构之一，其介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式。即各结点通过相应的网卡直接与公共总线连接。所有的节点都可以通过总线发送或接收信息，但每次只能允许一个节点发送，接收则采用广播式，其他节点允许收听。,图3-4总线型网络的拓扑结构,19,1网络的分类及拓扑结构,星型结构中心节点是主结点。它接收各分散结点的信息并转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。中心节点常采用交换机。,图3-5星型网络的拓扑结构,20,1网络的分类及拓扑结构,环型结构其物理结构为环型，环上有多个站点逐个与环相连，相邻站之间是一种点对点链路。当环正常工作时，令牌作为一种特殊的控制帧。沿物理环单向逐级传送，传送顺序与节点在环中排列顺序相同。某个节点要发送数据帧必须等待令牌的到来，发送完后释放令牌，传给下一节点。,图3-6环形网络的拓扑结构,21,1网络的分类及拓扑结构,22,2网络硬件,（1）网络服务器 服务器（Server）是计算机网络中向其它计算机或网络设备提供某种服务的计算机。按提供服务的不同可以命名为不同服务器名称，如数据库服务器，邮寄服务器，web服务器，打印服务器等。,23,2网络硬件,（2）客户机 客户机是与服务器相对的一个概念。在网络中，客户机是用来接受其它计算机提供的某种服务的用户计算机。客户机与服务器的另外一个区别是两者安装的系统软件或应用软件不同，如某台计算机用于服务器时，需安装Unix或Windows Server等操作系统以及相应的服务器软件，而普通客户机则只需要安装Windows2000、Windows XP等不带服务器软件的系统等。,24,2网络硬件,（3）传输介质 网络中的通信传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤等。,图3-7同轴电缆结构,图3-8双绞线介质,图3-9 光纤结构,25,2网络硬件,（4）网络适配器 网络适配器又称为网卡，是一块插入微机I/O槽或者集成于计算机主板的硬件，如图3-10所示。其主要作用是将计算机数据转换为能够通过介质传输的信号。网卡的主要任务是进行数据的封装和解封、链路管理以及传输数据的编码和译码。,图3-10 PCI总线网卡,26,2网络硬件,（5）中继器 计算机网络中，信号在传输介质中传递时，由于介质的阻抗会使信号愈来愈弱，以至于可能导致信号失真。因此，当网线等网络介质长度超过一定限度后，若想继续传输下去，就必须将信号整理放大，以恢复成原来的波形和强度。中继器就是连接网络线路的一种装置，用于两个网络节点之间的物理信号的双向转发工作，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。,27,2网络硬件,（6）集线器 集线器是中继器的一种形式，但集线器能提供多端口的服务。 集线器是以广播的形式传递网络信息的集线器的工作方式：工作机理是广播，无论是从哪一个端口接收到什么信息包，都以广播的形式将信息包发送给其其余的所有端口。集线器工作时共享带宽式，其带宽由端口平均分配，如总带宽为10Mb/s的集线器，连接4台工作站同时上网时，每台工作站平均带宽仅为10/4=2.5Mb/s。,28,2网络硬件,（7）网桥 网桥时用于两个相似网络连接的设备，如图3-11所示。网桥有在不同网段之间再生信号的功能，它能有效地连接两个局域网，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段。网球通常用于连接数量不多且在同一类型的网段。网桥这种设备看上去有点像中继器，它具有单个输入端口和输出端口。它与中继器不同之处在于就在它能够解析所收发的数据。,29,2网络硬件,图3-11网桥的连接,30,2网络硬件,（8）交换机 交换机又叫交换式集线器，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞。交换机每一端口都有其专用的带宽，如对于10Mb/s的交换式集线器，每个端口都有10Mb/s的带宽，这样改变了集线器只能同时有一对端口工作。因此，交换机提高了网络的实际吞吐量。,31,2网络硬件,（9）路由器 路由器是在网络层实现互连的设备。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于 TCP/IP 的国际互连网络Internet 的主体脉络。路由器的基本功能是，把IP数据报文传送到正确的网络，包括数据报的寻径和传送、维护路由表并与其它路由器交换路由信息、IP 数据报的差错处理及简单的拥塞控制等。 路由器与交换机虽然都是网络通信中常见的设备，而且功能类似，但它们之间还是有明显的区别 。,32,2网络硬件,图3-12 用路由器连接两个不同类型的网络,33,2网络硬件,图3-13 用交换机连接的网络,34,3.2多媒体技术,3.2.1多媒体基本概念 3.2.2音频技术 3.2.3数字图像技术 3.2.4MPEG技术,35,3.2.1 多媒体基本概念,1.多媒体定义及特点 多媒体定义： 多媒体计算机技术（Multimedia Computing Technology，MCT）是计算机综合处理多种媒体信息文本、图形、图像、音频和视频，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。 多媒体特点： 信息交流和传播的媒体 人-机交互式媒体 以数字的形式存储和传输,36,2.多媒体与传统媒体的比较 现在的模拟电视其特性是线性播放，即影视节目是从头到尾播放的，观众是被动者而电视是主动者；多媒体则是由计算机参与的，计算机的交互性特点使得人们可以用键盘、鼠标器、触摸屏、声音等设备，通过计算机程序去控制各种媒体的播放，人与计算机之间，人驾驶多媒体，人是主动者而多媒体是被动者。,37,3 .多媒体的基本概念 （1）超文本(hypertext) 超文本是一种文本。与传统的文本文件相比，它们之间的主要差别是，传统文本是以线性方式组织的，而超文本是以非线性方式组织的。这里的非线性是指文本中遇到的一些相关内容可以通过“链接”组织在一起，用户可以很方便地浏览这些相关内容。 （2）超链接(hyper link) 文本中的词、短语、符号、图像、声音剪辑或影视剪辑之间的链接，或者与其他的文件、超文本或超媒体文件之间的链接。词、短语、符号、图像、声音剪辑、影视剪辑和其他文件通常被称为对象或者称为文档元素，因此超链接是对象之间或者文档元素之间的链接。 （3）多媒体与光盘存储器 光盘(CD)存储器在多媒体的发展史上起了相当重要的作用，在网络还不发达的国家里，CD是发行多媒体节目的主要手段。由于多媒体的数据量很大，目前普遍采用的是存储容量比CD大得多的DVD光盘存储器。 Digital Video Disc Digital Versatile Disc,38,3.2.2 音频技术,1.音频信号 声音是通过空气传播的一种连续的波，即声波。它具有普通波所具有的特性，例如反射、折射和衍射等。声音的强弱体现在声波压力的大小上，而音调的高低体现在声音的频率上。音频信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号。 音频信号的一个重要参数就是带宽，它用来描述组成复合信号的频率范围。声音信号的两个基本参数是频率和幅度。信号的频率是指信号每秒钟变化的次数，用Hz表示。 频率小于20 Hz的信号称为次音信号；频率范围为20 Hz20 kHz的信号称为音频(Audio) 信号；,39,2.声音信号数字化 长时间以来，多数电信号的处理一直是用模拟元部件，如通过晶体管、变压器、电阻、电容等对模拟信号进行处理。但是，开发一个具有相当精度、且几乎不受环境变化影响的模拟信号处理元部件是相当困难的，而且成本也很高。人们于是开始研究把模拟信号转变成数字信号，用数字量来表示模拟量，并对数字信号做相应计算。于是，开发模拟运算部件的问题就转变成了开发数字运算部件的问题，这就出现了数字信号处理器(DSP)。DSP与通用微处理器相比，除了它们的结构不同外，其基本差别是DSP有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，如做乘法以及累加求和运算等。,40,在数字域而不在模拟域中做信号处理的主要优点是： 数字信号计算是一种精确的运算方法，它不受时间和环境变化的影响； 表示部件功能的数字运算不是物理上实现的功能部件，而是仅用数字运算去模拟，其中的数字运算也相对容易实现； 可以对数字运算部件进行编程，如需要改变算法或改变某些功能，还可对数字部件进行再编程。,41,3.模拟采样 语音信号是典型的连续信号，不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。在时间上连续是指在一个指定的时间范围里，声音信号的幅值有无穷多个，在幅度上连续是指幅度的数值有无穷多个。我们把在时间和幅度上都是连续的信号称为模拟信号。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。采样得到的幅值是无穷多个实数值中的一个，因此幅度还是连续的。如果把信号幅度取值的数目加以限定，这种由有限个数值组成的信号 就称为离散幅度信号。,42,例如，假设输入电压的范围是0.0V0.7V，并假设它的取值只限定在0、0.1、0.2，0.7共8个值。如果采样得到的幅度值是0.123V，它的取值就应算 作0.1V，如果采样得到的幅度值是0.26V，它的取值就算作0.3，这种数值就称为离散数值。我们把时间和幅度都用离散的数字表示的信号就称为数字信号。如图3-14所示。,图3-14 模拟信号的采样和量化,43,4.采样频率和精度 采样频率的高低是根据奈奎斯特理论和声音信号本身的最高频率决定的。奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音，这叫做无损数字化。采样定律用公式表示为 fs 2f。其中fs为采样频率，f为被采样信号的最高频率。 样本大小是用每个声音样本的位数（bit/s）表示的，它反映度量声音波形幅度的精度。例如，每个声音样本用16位(2字节)表示，测得的声音样本值是在065536的范围里，它的精度就是输入信号的1/65536。样本位数的大小影响到声音的质量，位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多；位数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。根据声音的频带，通常把声音的质量分成5个等级，由低到高分别是电话、调幅(AM)广播、调频(FM)广播、 激光唱盘(CD-Audio)和数字录音带(DAT)的声音。,44,5.声音文件的存储格式 如同存储文本文件一样，存储声音数据也需要有存储格式。目前比较流行的音频文件格式包括以下几种。 （1）CD格式 （2）WAV格式 （3）MP3格式 （4）WMA格式 （5）MIDI格式,45,3.2.3数字图象技术,图像数据压缩主要根据下面两个基本事实来实现的： 一个是图像数据中有许多重复的数据，如果使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量无损压缩技术 另一个事实是人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，也就达到压缩数据的目的有损压缩技术 实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。,46,1. 视觉系统对颜色的感知 可见光是波长在380nm780 nm之间的电磁波，人们看到的大多数光是由许多不同波长的光组合成的。自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B（红，绿，蓝）这3种颜色值之和来确定，它们构成一个3维的 RGB矢量空间。R，G，B的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同。 一幅彩色图像可以看成由许多的点组成的，图像中的单个点称为像素(pixel)，每个像素都有一个值，称为像素值，它表示特定颜色的强度。一个像素值往往用 R，G，B三个分量表示。如果每个像素的每个颜色分量用二进制的1位来表示，则其颜色的分量只有“1”和“0”这两个值。也就是说，每种颜色的强度是100%，或者是 0%。在这种情况下，每个像素所显示的颜色是8种可能出现的颜色之一。,47,2.图像的基本属性 描述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性包含分辨率、像素深度、真/伪彩色、图像的表示法和种类等。,48,(1)分辨率 显示分辨率 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640480表示显示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。 图像分辨率 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。,49,(2)像素深度 像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也可以用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。 例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那么一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是224=16777216种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深,50,3.真彩色与伪彩色 真彩色(true color) 真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。 在许多场合，真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图像的颜色数等224，也常称为全彩色 (full color)图像。而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的，因此在许多场合往往用 RGB 5:5:5来表示，每个彩色分量占5个位，再加1位显示属性控制位，共2个字节，生成的真颜色数目为215 = 32K。 伪彩色(pseudo color) 伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表的入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。,51,4.图像的种类 (1)矢量图与位图 矢量图也称为面向对象的图像，在数学上定义为一系列由线连接的点。 矢量文件中的图形元素称为对象，每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。因此可以在维持其原有清晰度和弯曲度的同时，多次移动和改变它的属性，而不会影响图例中的其它对象。 位图也被称为点阵图像，是把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。 当放大位图时，可以看见构成整个图像的无数单个方块。扩大位图尺寸的效果是增多单个像素，从而使线条和形状显得参差不齐。然而，如果从稍远的位置观看它，位图图像的颜色和形状又显得是连续的。由于位图图像是以排列的像素集合体形式创建的，所以不能单独操作（如移动）局部位图。影响位图文件大小的因素主要有两个：即图像分辨率和像素深度。,52,(2)图像文件格式 BMP图像文件格式 JPEG图像格式 GIF图像格式 TIFF图像格式 PNG格式,53,3.2.4 MPEG技术,1988年，由国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC联合成立的专家组负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码以及它们的同步等标准。这个专家组开发的标准就被称为MPEG标准。MPEG标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度，利用DCT技术以减小图像的空间冗余度，利用熵编码在信息表示方面减小统计冗余度。 MPEG标准主要有五个，分别是MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21。目前主流标准为前三种。MPEG-7与MPEG-21仍处在研发阶段。,54,（1）MPEG1标准 制定于1992年，它是针对1.5Mbps以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码而设计的国际标准，具有CD的音质，质量级别基本与VHS相当，我们熟知的VCD制作格式就是基于MPEG-1。但MPEG-1的编码速率很有限，当编码速率的很高时，其解码后的图象质量有所降低。MPEG-1视频格式的文件扩展名包括.mpg、.mpeg以及VCD光盘中的.dat文件等。由于它能适用于不同带宽的设备，因此MPEG-1也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路(ADSL)，视频点播(VOD)，以及教育网络等。同时，MPEG-1也可被用做记录媒体或是在INTERNET上传输音频。,55,（2）MPEG2标准 该标准制定于1994年，设计目标为高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits/sec间,它在NTSC制式下的分辨率可达720*486。MPEG-2也可提供广播级的视频和CD级的音质。这种格式主要应用在DVD/SVCD的制作上，除了做为DVD的指定标准外，MPEG-2还可用于为广播、有线电视网以及卫星直播提供广播级的数字视频。MPEG-2可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的要求。使用MPEG-2的压缩算法，可以把一部120分钟长的电影压缩到4到8GB的大小。这种视频格式的文件扩展名包括.mpg、.mpeg以及DVD光盘上的.vob文件等。,56,（3）MPEG4标准 MPEG4是为了播放流式媒体的高质量视频于1998年制定的，它不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，而且更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG4利用很窄的带宽，通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。利用MPEG4的高压缩率和高的图像还原质量可以把DVD里面的MPEG2视频文件转换为体积更小的视频文件。经过这样处理，图像的视频质量下降不大但体积却可缩小几倍，目前MPEG-4最有吸引力的地方在于它能够保存接近于DVD画质的小体积视频文件。另外，这种文件格式还包含了以前MPEG压缩标准所不具备的比特率的可伸缩性、交互性甚至版权保护等一些特殊功能。这种视频格式的文件扩展名包括.asf、.mov等。,57,3.3 计算机软件系统,从广义上说，软件系统是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序和数据的总和。计算机的一个基本特点就是程序存储和程序控制，计算机的任何工作都有赖于程序的运行，离开了软件系统，计算机的硬件系统也就变得毫无意义了。因此只有配备了软件系统的计算机才能称为一个完整的计算机系统。软件系统通常可以分为系统软件和应用软件两大类。软件系统的组成如图3-15所示。,58,图3-15计算机软件组成,59,系统软件是为计算机提供管理、控制、维护和服务等各项功能，充分发挥计算机效能和方便用户使用的各种程序的集合。系统软件主要包括：操作系统、语言编译解释系统、服务性程序和数据库管理系统等。,3.3.1系统软件,60,1操作系统 操作系统的主要功能就是对计算机的各种资源如CPU、存储器、外部设备等进行管理，包括进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理等部分。通俗地讲，操作系统就是计算机自己管理自己的软件，操作系统为用户提供了一整套的操作命令，用户通过这些命令可以非常方便地使用计算机的各种资源。目前比较常用的操作系统有Windows、Unix、OS/2等。另外，随着计算机网络的出现和发展，又出现了一些适应于计算机网络运行环境的网络操作系统，如Netware、Windows NT等。这些网络操作系统在单机操作系统的功能基础上又增加了网络管理的功能。,61,2语言编译解释系统 编译和解释是两种不同的转换过程 编译是将源程序一次性转换成由机器语言组成的程序，这种转换的过程叫编译，负责编译的系统软件称为编译软件或编译程序，经过编译的机器语言程序在运行时可以脱离开源程序和编译程序，直接控制计算机的运行，目前大多数高级语言程序都是采用这种编译的方式。 解释是将源程序逐条进行转换，转换一条执行一条，这种转换的过程叫解释，负责转换的系统软件称为解释软件或解释程序，用这种高级语言编写的程序在运行时不能脱离解释程序，因此它占用的内存空间较大，且运行的速度也较慢，但这种方法容易进行错误检查和程序的调试，并可以方便地设置程序运行的断点，因此多用来做为程序设计的入门语言。,62,3服务性程序 主要包括一些诊断程序、检测调试程序、各种软件工具、各种开发制作平台及各种设备驱动程序等。 数据库管理系统主要是用于对数据库进行组织、整理、查询、修改等工作。作为信息管理中的核心软件，本章后面将重点对此展开描述。,63,3.3.2应用软件,应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种： 1.用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包 2.文字处理软件包(如Office 系列) 3.图像处理软件包(如Photoshop等) 4.各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件,64,3.4 数据库管理系统,数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是信息系统软件中至关重要的一个环节，也是数据库系统的核心，它位于用户与操作系统之间，为用户及应用程序提供访问数据库的方法。DBMS包括数据库的建立、查询、更新及各种数据控制。目前典型的数据库管理系统有Oracle、Sybase、DB2、SQL Server以及Visual Foxpro等。,65,3.4.1数据管理技术的发展,数据库技术主要研究如何科学合理地组织数据以及如何高效地访问数据。随着计算机软硬件的发展，计算机用于数据管理经历了人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。,66,1人工管理阶段 在20世纪50年代以前，数据处理的特征是无数据管理及完全分散的手工方式。它表现在：无外存储器或只有磁带外存，输入输出设备简单；无操作系统，无文件管理系统，无管理数据的软件；数据是程序的组成部分，数据不独立。修改数据必须修改程序。处理时，数据随程序一道送入内存，用完后全部撤出计算机，不能保留；数据大量重复，不能共享；文件系统尚未出现，程序员必须自行设计数据的组织方式。,67,2文件系统阶段 1.外存有了很大的发展，除磁带机外，还出现了大容量的硬盘和灵活的软磁盘。输入、输出能力大大加强。 2.系统软件方面出现了操作系统、文件管理系统和多用户的分时系统，出现了专用于商业事务管理的高级语言，可以进行文件处理，也可以进行非数值处理。 3.数据管理方面，实现了数据对程序的一定的独立性。文件逻辑结构向存储结构的转换由软件系统自动完成，系统开发和维护工作得到减轻 。 4.文件类型已经多样化。由于有了直接存取设备，就有了索引文件、链接文件、直接存取文件等，而且能对排序文件进行多种检索；数据存取以记录为单位等等。,68,3数据库系统阶段 数据库系统的特点是： (1)面向全组织的复杂数据结构。 (2)数据冗余度小，易于扩充。 (3)数据与程序独立。 (4)统一的数据控制功能。,69,3.4.2数据库系统构成,数据库是以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合，它以最少的数据冗余为多种应用服务，使程序与数据具有较高的独立性。20世纪70年代，数据库技术有了很大发展，出现了许多基于层次或网状模型的商品化数据库系统，并广泛应用在企业管理、交通运输、情报检索、军事指挥、政府管理和辅助决策等各个方面。这一时期，关系模型的理论研究和软件系统研制取得了很大进展。数据库发展至今，几乎所有新开发的数据库系统都支持关系型数据库。,70,数据库系统是由计算机系统、数据、数据库管理系统和有关人员组成的具有高度组织的总体。数据库系统的主要组成部分有: 1.计算机系统 计算机系统指用于数据库管理的计算机硬软件系统。数据库需要大容量的主存以存放和运行操作系统、数据库管理系统程序、应用程序以及数据库、目录、系统缓冲区等，在辅助存储器方面，则需要大容量的直接存取设备。此外，系统应具有较高的网络功能。 2.数据库 数据库既有存放实际数据的物理数据库，也有存放数据逻辑结构的描述数据库。 3.数据库管理系统 数据库管理系统是一组对数据库进行管理的软件，通常包括数据定义语言及其编译程序数据操纵语言、编译程序以及数据管理例行程序。 4.人员 为了保证数据库的完整性、明确性和安全性，必须有人来对数据库进行有效的控制。行使这种控制权的人叫数据库管理员。他们负责建立和维护模式，提供数据的保护措施和编写数据库文件。,71,3.4.3实体与数据模型,现实世界 指人们头脑之外的客观世界，它包含客观事物及其相互联系。 观念世界 又称信息世界是现实世界在人们头脑中的反映。客观事物在观念世界中称为实体，为了反映实体和实体的联系，可以采用实体联系模型，关于实体间联系我们在后面会专门谈及。 机器世界 是信息世界中信息的数据化。现实世界中的事物及其联系，在机器世界中用数据模型描述。 从现实世界、观念世界到机器世界是一个认识的过程，也是抽象和映射的过程。与此相对应，设计数据库也要经历类似的过程，即数据库设计的步骤包括用户需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计四个阶段。其中:概念结构设计是根据用户需求设计数据库模型，所以称它为概念模型。概念模型可用实体联系模型表示。逻辑结构设计是将概念模型转换成某种数据库管理系统 (DBMS)支持的数据模型。物理结构设计是为数据模型在设备上选定合适的存储结构和存取方法。,72,1实体及联系 在信息世界中，涉及到的主要概念有： 实体。实体是指客观存在并可相互区分的事物。实体可以是具体的人或事，也可以是抽象的概念和联系，例如一名教师，一门课等。同类型的实体集合称为实体集。 属性。实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。例如学生实体可以由学号，姓名，性别，年龄等属性组成。 联系。现实世界的事物总是存在着这样或那样的联系，这种联系必然要在信息世界中得到反映。在信息世界中，事物之间的联系可分为两类：一是实体集内部的联系，如组成实体的各属性之间的关系；另一种是实体集之间的联系，这里我们主要讨论后者。,73,(1)一对一联系(1:1) 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系.记为1：n。例如，在学校里一个班级只有一个正班长，而一个班长只在一个班中任职，则班级与班长之间具有一对一联系。 (2)一对多联系(1:n) 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n=0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1:n。 例如，一个班级中有若干名学生，而每个学生只在一个班级中学习，则班级与学生之间具有一对多联系。 (3)多对多联系(m:n) 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n=0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m=0)与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m:n。例如，一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可以同时选修多门课程，则课程与学生之间具有多对多联系。,74,图3-16两个实体集之间的三类联系,75,2数据模型 数据模型是对客观事物及其联系的数据化描述。在数据库系统中，对现实世界中数据的抽象、描述以及处理等都是通过数据模型来实现的。数据模型是数据库系统设计中用于提供信息表示和操作手段的形式构架，是数据库系统实现的基础。,76,目前，在实际数据库系统中支持的数据模型主要有三种:层次模型、网状模型和关系模型。 （1）层次模型 数据库系统最早出现的模型。层次数据模型的提出，主要是基于现实世界中很多事物是按层次组织起来的。这种模型中最基本的数据关系就是层次关系，并以树状结构表示，它描述的两个记录型之间一对多的关系。,77,（2）网状模型 这种数据模型是一种比层次模型更具普遍性的结构，它去掉了层次模型的两个限制，允许多个结点没有双亲结点，允许结点有多个双亲结点，这和层次模型比较起来更加接近客观实际，也能够更为直接地描述现实世界。但其缺点是实现起来很复杂。,78,（3）关系模型 关系模型是建立在数学概念的基础上，应用关系代数和关系演算等数学理论处理数据库系统的方法。系统而严格地提出关系模型的是美国IBM公司的E.F.Codd。他从1970年起连续发表了多篇论文，奠定了关系数据库的理沦基础。从用户的观点来看，在关系模型下，数据的逻辑结构是一张二维表。每一个关系为一张二维表，以一个文件的方式存储。实体间的联系均通过关系进行描述。,79,例如表3-1用8行6列的二维表表示了某工厂的设备清单关系。,表3-1设备清单关系,80,关系模型中的主要术语有: 关系:一个关系对应于一张二维表。 元组:表中一行称为一个元组，也称为记录。 属性:表中一列称为一个属性，或者称为字段。每列的名字即为属性名或字段名。 主码:也称主关键字，是表中的某个属性或属性组，它的值惟一地标识一个元组，如表3-1中，编号即为设备清单表的主码。 域:一个属性的取值范围。 关系模式:对某一关系的描述，用关系名 (属性1，属性2，属性n)来表示。,81,3关系规范化理论 对于一个学生登记表，其关系模式为学生登记（学号，系名，系负责人，课程名，成绩）。其中学号作为唯一标识该关系的主码，它决定了系名属性，系名又决定了系负责人属性，学号和课程号决定了成绩属性。然而，这个模式却存在若干问题，比如： 如果一个系刚成立而尚无学生，或者虽然有了学生但尚未安排课程，就无法把这个系及其负责人的信息存入数据库。即产生了插入异常。 反过来，如果某个系的学生全部毕业了，在删除该系学生选修课程的同时，把这个系及其负责人的信息也丢掉了，即产生了删除异常。 冗余太大。比如，每一个系负责人的姓名要与该系每一个学生的每一门功课成绩出现的次数一样多。这样，一方面浪费存储，另一方面，系统要付出很大的代价来维护数据库的完整性。比如某系负责人更换后，就必须立即修改有关的每一个元组。,82,关系的规范化是指在关系模型中，关系必须满足一定的给定条件。 规范化理论研究的是关系模式中各属性之间的依赖关系及其对关系模式性能的影响，从而进一步研究关系模式应该具备的性质和设计方法。规范化理论既给我们提供了判别关系模式优劣的标准，也为数据库设计工作提供了严格的理论依据。这个理论是E.F.Codd在l971年提出的。他及后来的研究者为数据结构定义了六种规范化模式 (Normal Form,简称范式)。范式表示了关系模式的规范化程度，也即满足某种约束条件的关系模式。 一般根据满足约束条件的不同来确定范式。如满足最低要求，则为第一范式 (Frist Normal Form，简称lNF)。符合lNF而又进一步满足一些约束条件的成为第二范式(2NF)，等等。,83,(1)第一范式( l NF ） 第一范式要求，在一个关系模式中，元组中每一个分量都必须是不可分割的数据项，我们再以一个学生关系为例，如表3-2所示：,表3-2学生关系表,84,由于1NF要求元组中的每一个分量都必须是不可分割的最小数据项，显然这个关系不符合第一范式，我们可以对该关系模式进行如下的规范化使之满足1NF，如表3-3所示。,表3-3 满足1NF的学生关系表,85,(2)第二范式（2NF ) 第二范式要求，一个关系模式不仅要满足1NF，而且所有的非主属性必须完依赖于主码。例如，对上述表3-3，该学生关系的主码是“学号”和“课程号”的组合，由于这个关系中存在的“姓名”属性仅仅依赖于“学号”这个单一的属性，而部分依赖于（学号，调号）主码，因此该关系模式不满足2NF。我们可以将这个关系模式进行模式分解，分为表3-4和表3-5所示的两个关系，这样就可将其规范化为满足 2NF 的关系模式了。,86,3-4 学生关系表,表3-5 学生成绩表,87,第三范式（3 NF）要求一个关系模式不仅要满足第二范式，而且不存在非主属性对任何主码的传递依赖。例如，在表3-4的学生关系中，学号是主码，非主属性“系主任”传递依赖于主码“学号”（“系主任”直接依赖于“系别”属性），因此该关系模式不属于3NF。我们可以将该关系模式分解为表3-6和表3-7所示的学生关系表和系别表。就可将该关系模式规范化至3NF。,88,表3-6 学生关系表,表3-7 系别表,89,4数据库的设计 对于信息系统开发者而言，根据企业用户的需求及企业环境，基于指定的数据库管理系统，设计数据库的逻辑模型并建立起最终数据库，就是一个从现实世界向计算机数据世界转换的过程。数据库设计的步骤一般包括以下几个组成部分。 (1)对现实世界进行需求分析 (2)建立信息世界中E-R(实体-关系)模型 (3)从E-R图导出计算机世界的关系数据模型,90,(1)对现实世界进行需求分析 这是指对现实世界要处理的对象，包括组织，部门企业等进行详细调查，调查的重点是数据和对数据的处理，以此获得每个信息使用者对数据库的要求。具体做法为： 了解组织机构情况，为分析信息流做准备； 了解各部门业务情况，调查各部门输人和使用的数据及处理数据的方式与算法； 确定数据库的信息组成及计算机系统应实现的功能。,91,(2)建立信息世界中E-R(实体-关系)模型 这一步通过对现实世界的需求分析，应用描述实体间关系的E-R图建立信息世界中的实体、属性和实体间联系的概念模型，从而转人信息世界。 概念模型的建立一般做法是先建立分E-R图，然后综合分E-R图，产生总E-R图。,92,(3)从E-R图导出计算机世界的关系数据模型 E-R图转化为关系数据模型原则如下： E-R图中每个实体，都相应地转换为一个关系，该关系应包括对应实体的全部属性，并应根据该关系表达的语义确定出关键字，因为关系中的关键字属性是实现不同关系联系的主要手段。 对于E-R图中联系，根据不同的联系方式，或将联系反映在关系中，或将联系转换成一个关系。,93,某学院教学管理的数据库模型的设计 设计“系和教师关系”的分E-R图 假设该学院下设四个系：管理科学与工程系、会计系、工商管理系和旅游管理系。每个系有一名系主任主管工作。那么我们可以将“系”设为一个实体，该实体的关系模式为：系（系号，系名，系主任姓名、办公地点，电话）。其中系号是主码。如图3-17（a）所示。,图3-17（a）,94,假设该学院聘请了一定数量的专职教师。我们将“教师”也设为一个实体，该实体关系模式为：教师（编号，姓名，专长）。其中教师的编号是主码。如图3-17（b）所示。,图3-17（b）,95,假设学院聘请教师后，分配到各系。而且一个系配有多名教师，而一名教师只能属于一个系。这样“系”实体与“教师”实体之间就是一对多(1：m)的“分配”联系。如图3-17(c)所示。,图3-17（c）,96, 设计“学生和课程关系”的分E-R图 假设学院每年招收新生，并将他们分配到各个专业。则可以将“学生”设为一个实体，该实体具有诸如学号、姓名、性别、年龄、系代号等属性，其中学号是主码。 假设学院制订了教学计划，设置多项课程。则可以将“课程”设为一个实体，该实体具有诸如课程号、课程名、学分等属性，其中课程号为主码。 假设学生根据专业要求，每年学习多门课程，每门课程可以被多个学生选修，学生必须参加考试获得考试成绩。 假设一名教师可以上多门课，一门课可以由多名教师讲授，而且教师在完成教学任务后，会被学生和院里评估。我们可以依照这些假设，参照前面的做法，画出学生和课程关系等分E-R图，进而得出该学院教学管理E-R图如图3-18所示（图中相关属性已略）。最后根据该关系模型的设计进行相应完善，便可以在计算机上实现数据库的建立。,97,图3-18 教学管理E-R图,98,5关系模型数据库的操作 目前针对关系数据库的操作广泛采用的是结构化查询语言 SQL ( Structured Query Language )来完成。SQL 是一种功能强大的数据库语言，用于执行数据库的基本操作，主要包括基本表的建立与删除、数据查询及更新等。 (1)基本表的建立与删除 建立基本表的语句格式为： CREATE TABLE (列名1类型 ，列名2类型)，这里的类型是指表的属性字段的数据类型。常用的类型有CHAR(字符型)，INT(整型)，NUMERIC(数值型)，DATETIME(日期时间型)等。 修改基本表定义的语句格式为： ALTER TABLE ADD 列名类型 删除基本表的语句为： DROP TABLE ,99,(2)数据查询 SQL的核心语句是数据库查询语句，其一般格式为： SELETE FROMWHERE GROUP BYORDER BY ASC/DESC 其语句含义是，根据WHERE子句中的条件表达式，从指定表中找出满足条件的元组 (记录)，按目标列选出元组分量形成结果表。ORDER 子句确定结果表按指定的列名2按升序 (ACS)或降序 (DESC)排序。GROUPBY子句将结果按列名1分组，每个组 (所有列名1值相同的为一组)产生结果表中一个元组。,100,(3)数据更新 SQL的数据更新语句包括数据修改、删除和插入三种操作。 数据修改 (UPDATE)。UPDATE语句的一般格式为： UPDATE SET =，= WHERE 其功能是修改指定表中满足条件的元组，将指定的列名1的值用表达式1的值替换，将指定的列名2的值用表达式2的值替换等等。 数据删除 (DELETE)。DELETE语句的一般格式为： DELETE FROM WHERE 其功能是删除指定表中满足条件的元组。 （数据)插入 (INSERT）。INSERT语句的一般格式为： INSERT INTO (， ) VALUES(， ) 其功能是向指定表中插入一个元组且使得列名1的值为常量1，列名2的值为常量2等等。,101,例如，要对表3-6的学生登记表中的数据查询工商管理系的学生信息，可以表示为： SELECT * FROM 学生登记表 WHERE 系别“工商管理” 将学号是“002”的学生年龄设为20岁，将学生“王义”的信息（“008”，“王义”，19，“工商管理”）插入学生登记表，可以分别用下列语句实现。 UPDATE 学生登记表 SET 年龄20 WHERE 学号=“002” INSERT INTO 学生登记表 VALUES (“008”，“王义”，19，“工商管理”),表3-6 学生关系表,102,6数据库的保护 为了保证数据的安全可靠和正确有效，数据库管理系统还必须提供统一的数据保护功能，主要包括数据的安全性、完整性、并发控制和数据库恢复等内容。 数据的安全性是指保护数据库以防止不合法的使用所造成的数据泄露、更改和破坏。数据的安全可通过对用户进行标识和鉴定、存取控制、操作系统级安全保护等措施得到一定的保障。 数据的完整性是指数据的正确性、有效性与相容性。关系模型的完整性有实体完整性、参照完整性及用户定义的完整性。 (1)实体完整性。 (2)参照完整性。 (3)用户定义的完整性。,103,并发控制是指当多个用户同时存取、修改数据库时，为了防止发生互相干扰而得到错误的结果并使数据库的完整性遭到破坏，而对多用户的并发操作加以控制、协调。 数据库恢复是指当计算机软、硬件或网络通信线路发生故障而破坏了数据或对数据库的操作失败使数据出现错误或丢失时，系统应能进行应急处理，把数据库恢复到正常状态。,104,7数据仓库技术（Data Warehouse，DW） (1) 数据仓库的定义 数据仓库的创始人WHInmon在其Building the Data Warehouse一书中，给出了数据仓库的定义：数据仓库是一个面向主题的、集成的、不可更新的、随时间不断变化的数据集合，用来支持管理人员的决策。,105,(2)数据仓库系统的结构 数据仓库系统不仅仅只包含海量的数据，它的另一个重要组成部分就是分析工具。包括联机分析处理和数据挖掘工具。 联机分析处理技术及工具 联机分析处理(OLAP) E.F.Codd在1993年提出来的，主要用于对大量多维数据的动态综合、分析和归纳。OLAP中的一个主要操作是“多维分析”，即通过对信息的多种可能的观察形式进行快速、稳定、一致和交互性的存取，允许管理决策人员对数据进行深人分析。OLAP现在广泛应用于市场和销售分析、网站点击率分析、数据库营销、预算、财务报告与整合、管理报告、质量分析等各种领域。,106,在数据仓库中，多维分析常以多维数组的形式来表示。一个多维数组可以表达为：数组名(维1，维2维n，变量)。不同的维体现了人们观察数据角度的不同。图3-20给出了一个多维视图的示例，它体现了不同时间，不同区域，不同渠道以及相关销售额的情况。,图3-20多维视图示例,107,数据挖掘（Data Mining，DM） 数据挖掘是从数据中发现有用的信息或知识的技术。它应用一系列技术从大型数据库或数据仓库的数据中提取人们感兴趣的信息和知识，这些知识或信息往往是隐含的、事先未知而潜在有用的，提取的知识可以表示为概念、规则、规律、模式等形式。 数据挖掘技术涉及数据库技术、人工智能技术、机器学习、统计分析等多种技术，它使DSS系统跨入了一个新阶段。传统的DSS系统通常是在某个假设的前提下通过数据查询和分析来验证或否定这个假设，而数据挖掘技术能够自动分析数据，进行归纳性推理，从中发掘出数据间潜在的模式，或产生联想，建立新的业务模型帮助决策者调整市场策略，找到正确的决策。,108,本章思考题,1.什么是系统软件，什么是应用软件，试举例说明。 2.什么是存储程序控制的思想？ 3.按通信信道的类型分类，网络拓扑结构有哪几类？你使用的计算机属于哪一类，为什么？ 4.交换机和路由器有何区别？ 5.常用的声音，图像，视频格式有哪些？ 6.数据库系统和文件系统的根本区别是什么？ 7.举例说明不符合数据库范式理论会带来哪些不良后果？ 8.假定学生关系表为Student(学号, 姓名, 年龄, 所在学院, 学院地点, 学院电话)，它符合第几范式？如何修改