主題2信息技術基礎目錄頁contents2.1計算機系統2.2操作系統簡介122.3綜合練習3選題背景及意義ONE2.1計算機系統2.1計算機系統想象一下，你每天使用的手機、電腦，背后隱藏著一個怎樣的神奇世界？是什么讓它們如此智能，快速響應你的指令？這背后離不開科技的力量，更離不開科技工作者的辛勤付出和創新精神。通過本節，來揭開這個謎團，探索計算機系統的奧秘！同時，也請思考，作為新時代的青年，該如何利用所學，為國家科技發展貢獻自己的力量。準備好了嗎？來一起踏上這場充滿發現與思考的旅程吧！目錄頁contents2.1.1計算機硬件2.1.2計算機工作原理2.1.3計算機軟件1232.1.1計算機硬件馮·諾依曼計算機模型運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備2.1.1計算機硬件計算機硬件組成計算機硬件從外觀可以分為主機、輸入設備（鍵盤、鼠標）、輸出設備（顯示器）等。主機主要包括CPU（中央處理器）、主板、內存、外存、電源和其他設備（顯卡、網卡、聲卡）等。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成CPU（中央處理器）中央處理器（CentralProcessingUnit）是計算機系統的核心部件。它的主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU的性能高低直接決定了整個計算機系統的運行速度。CPU主要由運算器、控制器、寄存器和內部總線構成。CPU的主要性能指標包括主頻、核心數、線程數、緩存（Cache)、制程技術、功耗等。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成主板主板是計算機硬件系統的核心，是一塊矩形的電路板，上面有插槽、接口、芯片組、CMOS（互補金屬氧化物半導體）等。主板上有多個連接接口和插槽，如SATA接口、USB接口、CPU插槽、PCI插槽、內存插槽、顯卡插槽等，用于連接硬盤、顯卡、聲卡、USB設備等，可實現數據的高速傳輸和設備的快速響應。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成存儲器內存儲器內存儲器，也稱為內存或主存儲器，是計算機工作所需的主要部件。它能夠快速存入和讀出大量的程序和數據代碼，存儲和提供計算機所需要的工作指令及計算使用的數據。它直接與CPU相連接，儲存容量較小但速度快，主要用于存放當前運行程序的指令和數據，并直接與CPU交換信息。內存儲器包括隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）和CMOS存儲器。目前，作為內存的半導體存儲芯片主要是DRAM（動態隨機存儲器）。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成存儲器外存儲器外存儲器用于存放那些暫時不使用的程序和數據，它能在斷電后仍然保存數據。傳統的外存儲設備采用直接連接存儲技術，如硬盤、軟盤、光盤、磁帶等。在這中間，硬盤使用最為廣泛，包括機械磁盤（HDD）和固態硬盤(SSD)。現代信息存儲技術飛速發展，移動存儲技術和網絡存儲技術將成為主流。移動存儲主要包括閃存卡、U盤（優盤）、移動硬盤等。網絡存儲是指將數據存儲于網絡上的設備或服務中，通過網絡將數據傳輸到用戶設備上以供其訪問和使用的存儲方式。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成其他設備輸入設備常用輸入設備有鍵盤、鼠標和掃描儀。輸出設備常用輸出設備有顯示器和打印機。總線與接口CPU內部以及CPU與主板上的各種部件都通過總線相連。CPU的內部總線：數據總線、控制總線、地址總線。外部總線與接口包含如連接硬盤的SATA接口，連接聲卡、網卡等的PCI-E接口，以及USB接口。2.1.1計算機硬件計算機硬件組成其他設備顯卡顯卡是連接顯示器和個人計算機主板的重要組件，也是“人機”交互的重要設備。顯卡也稱為圖形處理器（GPU）。網卡網卡又稱網絡適配器，是計算機與局域網相互連接的設備。聲卡聲卡也稱為音頻卡，可將麥克風等聲音輸入設備采集的模擬聲音信號，通過采樣、量化、編碼的模數轉換（A/D），轉換為數字信號；同樣地，也可將數字信號通過解碼，再經過數模轉換（D/A）還原為模擬聲音信號。2.1.2計算機工作原理二進制編碼由于電子元器件的特點，實現兩種狀態的切換比較容易實現，因此，計算機均采用二進制的形式進行存儲和計算。以大家熟悉的十進制數為例，其基數為10，10的次方數稱為權，如個位用100表示，十位用101表示，百位用102表示。其他進位制數的表示方法也是一樣的。進位制數符基數權區分標志加法規則舉例二進制0-122nB逢二進一1011B=1*23+0*22+1*21+1*20=11十進制0-91010nD逢十進一257D=2*102+5*21+7*20十六進制0-9，A-F1616nH逢十六進一5CEH=5*162+12*161+14*160=14862.1.2計算機工作原理二進制編碼通過基數加權和，各種進位制數都可以轉換成十進制數；而十進制數通過除基取余，倒序讀數的方法，可以轉換成其他數制形式。如：十進制11D轉換為二進制1011B的過程如左圖所示，十進制1486D轉換為十六進制5CEH的過程如右圖所示。2.1.2計算機工作原理二進制編碼由于各種進制數與十進制之間的轉換需要用到乘法和除法，計算比較繁瑣，而十六進制有著類似于十進制表達比較簡短的特點，且十六進制與二進制之間的轉換可以通過一位對應四位的方式直接轉換，因此，在計算機領域會經常用十六進制數來表達計算機內的二進制數據。根據表的對應關系，十六進制數5DEH轉換成二進制10111011110B。如果二進制數轉換成十六進制數，則可以從小數點兩邊分別向左、向右4位分組，最前面和最后面的分組不足4位可以在前面或后面添0，再進行轉換，如1101001101.011B，轉換為34D.6H。十進制十六進制二進制00000011000122001033001144010055010166011077011188100099100110A101011B101112C110013D110114E111015F11112.1.2計算機工作原理二進制編碼在實際應用中，可以使用Windows自帶的計算器，用程序員模式完成數制的基本轉換。共四種數制，藍色小塊指向當前數制2.1.2計算機工作原理程序和數據的存儲馮·諾依曼計算機的工作原理就是程序存儲和程序運行。程序以指令的形式被CPU執行，執行程序之前，都需要將其先存儲到內存中。內存中的RAM用于存儲程序指令和數據，其最基本的空間大小為字節，1個字節（Byte，B）可以存儲8位（bit）二進制數。計算機中的內存容量，除了內存本身的空間大小外，還取決于CPU的尋址能力，即CPU與RAM之間的地址總線寬度。例如，地址總線寬度為10，則CPU可以尋址的內存范圍為0-210，即0-1023個地址。如果每個地址1個字節，則存儲的容量為1024字節。計算機中表示容量大小的單位除了B外，還有（由小至大）KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB等，它們之間的換算關系為210，即1024，如1MB=1024KB，1KB=1024B。2.1.2計算機工作原理指令及其執行計算機程序在計算機中以指令的形式指揮和協調各種軟、硬件完成任務。指令由操作碼和操作數兩部分組成，操作碼指示要進行什么操作（如加減乘除和移位等）；操作數指出操作對象的內容或所在地址，大多數情況為地址碼。操作碼和操作數都是二進制形式，稱為機器碼。指令的起始地址被存儲在程序計數器中，而指令本身則按地址順序被存儲在存儲器中。CPU從第一條指令所在地址（稱為起始地址）開始，按順序從存儲器中取出一條指令并執行，其具體步驟又細分為：取指令、指令譯碼、執行指令、存操作結果。這四個步驟被稱為一個指令周期，指令周期越短，指令執行得越快。決定指令周期的最重要的參數是時鐘頻率（又稱主頻）。2.1.3計算機軟件計算機軟件及其分類從軟件功能的角度，計算機軟件可以分為系統軟件和應用軟件；從軟件版權情況的角度，可以分為開源軟件與非開源軟件；從是否付費的角度，可分為付費軟件和免費軟件；從軟件安裝位置的角度，可以分為客戶端軟件和服務器端軟件、在線軟件等。2.1.3計算機軟件客戶端軟件與服務器端軟件在局域網范圍內，經常會通過安裝一套相互配合的客戶端軟件和服務器端軟件來完成某種功能，客戶端稱為Client，服務器端稱為Server，因此這種軟件系統體系結構也被稱為C/S結構。例如：學校機房中部署的考試系統，便可以是這種結構的軟件。這種結構的軟件在開發和部署時，可以充分利用兩端硬件環境的優勢特點，然而，在軟件升級時，客戶端的軟件需要在多臺計算機上進行升級，操作相對煩瑣。因此，與之相對應的瀏覽器/服務器（Browser/Server，簡稱B/S）結構應運而生。這種結構在客戶端主要使用瀏覽器，因此，軟件開發、維護的重點就在服務器軟件上了。2.1.3計算機軟件開源軟件與軟件生態系統開源軟件，即開放源碼軟件（Open-SourceSoftware,OSS），是成千上萬潛在合作者的辛勤工作、自愿放棄自己的時間創造的軟件。這類軟件的源代碼向公眾免費提供，任何人都可以根據自己的需要查看、修改和分發。這種模式可促進軟件源代碼共享與協作開發，從而催生了一個跨越廣泛領域的龐大的開源項目生態系統。軟件生態系統呈現了軟件與開發者之間的關系，是他們在同一生態環境下共同演化的一個社會技術復雜系統。該系統聚焦開源開放的社區化軟件開發，揭示了這類軟件生態系統的演化機制，探究如何根據整體、協調、循環、自生等生態控制原理來構建健康的軟件生態系統。這對于避免“軟件生態危機”，提升我國軟件產業的生產力水平，具有極其重要的學術價值與現實意義。選題背景及意義TWO2.2操作系統簡介2.2操作系統簡介你是否想過，當你按下電源鍵開啟你的筆記本電腦，或者解鎖你的智能手機，開始工作或娛樂時，是誰在幕后安排所有程序的運行？當你多任務處理，比如一邊聽音樂一邊寫文章，是什么確保了音樂不停頓、文稿不丟失？當你安裝一個軟件，是什么確保它能安全地安裝到你的設備上，與其他應用和平共處？答案是：操作系統。它是你的數字生活的“指揮家”，管理著硬件資源，協調各種軟件應用，讓你能夠享受無縫的科技體驗。目錄頁contents2.2.1操作系統的定義2.2.2操作系統的功能2.2.3操作系統的分類2.2.4信創與國產操作系統12342.2.1操作系統的定義操作系統的定義操作系統（OperatingSystem，簡稱OS）是計算機系統中最重要和最基礎的系統軟件，是計算機系統的靈魂。操作系統是一組能有效地組織和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能操作系統最主要的目的是為程序提供良好的運行環境，最大限度地提高系統中各種資源的利用率并方便用戶的使用。操作系統大致包括五個方面的管理功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理、用戶接口管理。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能1.處理機管理

計算機系統可以只有一個CPU芯片，也可以有多個CPU（多核）芯片。在多道程序環境下，處理機的分配和運行都以進程為基本單位，因而對處理機的管理可歸結為對進程的管理。所謂進程，是程序的執行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。多個進程之間可以并發執行和交換信息。處理機管理的主要功能就是進程何時創建、何時撤銷，對各進程的運行進行協調，進程之間進行信息交換，以及按照一定的算法把處理機分配給進程。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能2.存儲器管理存儲器管理是為了給多道程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用以及提高存儲器的利用率，并能從邏輯上擴大內存。主要包括內存分配和回收、內存保護、地址映射和內存擴充等功能。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能3.設備管理設備管理的主要任務是完成用戶進程提出的輸入輸出請求，為用戶進程分配所需的輸入輸出設備，并完成指定的操作，提高CPU和輸入輸出設備的利用率，提高輸入輸出速度，方便用戶使用設備等。為了完成這些任務，主要包括緩沖管理、設備分配、設備處理等功能。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能4.文件管理計算機中的信息都是以文件的形式存在的，操作系統中負責文件管理的部分稱為文件系統。文件管理的主要任務是為了方便用戶使用，對用戶文件和系統文件進行管理，并要保證文件的安全。包括文件存儲空間的管理、目錄管理及文件讀寫管理和保護等。文件命名時有一定的規范，文件名稱一般由文件名和擴展名組成，文件名和擴展名之間用“.”分隔。文件名可以由英文字符、漢字、數字、空格以及符號等組成，但是不能含有以下字符：\/:*?"<>|。擴展名是標識文件類型的重要方式，跟隨不同類型文件自動取名，并由相應的軟件打開。同一類型的文件可能用多個軟件均能打開。2.2.2操作系統的功能【例2-2-1】在C盤新建文件夾“練習”，在該文件夾中創建文本文件“python學習筆記.txt”，其內容為“學習記錄”。并創建一個指向記事本的快捷方式，快捷方式的名稱為“記事本”。參考步驟：（1）雙擊桌面上“此電腦”，打開資源管理器，雙擊C盤。（2）空白處單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“新建/文件夾”，輸入文件夾名“練習”。（3）雙擊打開“練習”文件夾，空白處單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“新建/文本文檔”，修改文檔的文件名為“python學習筆記.txt”，雙擊打開“python學習筆記.txt”，輸入內容，并選擇菜單“文件/保存”。（4）“練習”文件夾中，空白處單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“新建/快捷方式”，彈出“創建快捷方式”對話框，鍵入對象的位置為“C:\windows\system32\notepad.exe”，單擊“下一步”，鍵入快捷方式的名稱為“記事本”，單擊“完成”。說明：在建立好快捷方式、文件、文件夾等后，可以通過快捷菜單中的命令來設置其屬性。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能5.接口管理為了方便用戶對操作系統的使用，操作系統向用戶提供了接口。該接口分為兩類，一類是用戶接口，用戶通過該接口向作業發出命令以控制作業的運行，有命令行方式、批命令方式、圖形用戶接口三種形式。另一類是程序接口，是為用戶程序在執行中訪問系統資源而設置的，是用戶程序取得操作系統服務的唯一途徑，編程人員可以使用它們來請求操作系統提供服務。2.2.2操作系統的功能操作系統的功能5.接口管理不同操作系統提供給用戶的接口不盡相同，目前操作系統多數都會提供圖形用戶接口，并可進行個性化的設置。展示幾種操作系統的圖形用戶接口界面。macOS操作系統鴻蒙操作系統統信操作系統Windows操作系統2.2.3操作系統的分類操作系統的分類根據不同的分類原則，操作系統可以有多種分類方式。基于設計目標，可以分為批處理操作系統、分時操作系統、實時操作系統；基于處理方式，可以分為單處理器操作系統和多處理器操作系統；基于用戶和任務，可以分為單任務操作系統和多任務操作系統、單用戶操作系統和多用戶操作系統；基于應用場景，可以分為服務器操作系統、并行操作系統、網絡操作系統、分布式操作系統、微機操作系統、手機操作系統、嵌入式操作系統、傳感器操作系統等。2.2.3操作系統的分類操作系統的分類以基于用戶和任務的分類為例。單用戶單任務操作系統是只允許一個用戶登錄，且只允許用戶程序運行一個任務。單用戶多任務操作系統是只允許一個用戶登錄