内容简介 本书以中华人民共和国教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会制定的非计算机专业计算机基础课程教学基本要求为指导, 按照计算机基础课程分类分层次组织教学的思路进行编写, 旨在培养学生的计算思维能力 计算机应用能力和提高学生信息技术素养 本书共分 8 章, 主要内容包括计算机与信息社会 计算

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1 普通高等教育 十二五 重点规划教材 计算机系列中国科学院教材建设专家委员会 十二五 规划教材 大学计算机基础 叶斌贺刚主编胡俊鹏杨顺钰段昌敏副主编 北京 科学出版社职教技术出版中心

2 内容简介 本书以中华人民共和国教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会制定的非计算机专业计算机基础课程教学基本要求为指导, 按照计算机基础课程分类分层次组织教学的思路进行编写, 旨在培养学生的计算思维能力 计算机应用能力和提高学生信息技术素养 本书共分 8 章, 主要内容包括计算机与信息社会 计算机系统基础知识 操作系统 (Windows 7) 基础知识 桌面办公软件 (Microsoft Office 2010) 计算机网络与 Internet 基础 多媒体技术基础 数据库技术基础和信息安全基础 为了使读者更好地学习和掌握相关内容, 还出版了 大学计算机基础实训教程 与本书配套使用 本书结构清晰 取材新颖 注重实用 可读性强 全书既重视基本理论 原理 方法和技术的介绍, 又注重应用技能和信息素养的培养和提高 本书适合作为高等院校非计算机专业计算机基础课程的教材, 也可作为全国计算机等级考试的培训教材, 以及办公业务人员的参考用书 图书在版编目 (CIP) 数据大学计算机基础 / 叶斌, 贺刚主编. 北京 : 科学出版社,2014 ( 普通高等教育 十二五 重点规划教材 计算机系列 中国科学院教材建设专家委员会 十二五 规划教材 ) ISBN Ⅰ.1 大 Ⅱ.1 叶 2 贺 Ⅲ.1 电子计算机 - 高等学校 - 教材 Ⅳ.1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2014) 第 号责任编辑 : 戴薇余梦洁 / 责任校对 : 柏连海责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 出版北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : 北京鑫丰华彩印有限公司印刷科学出版社发行各地新华书店经销 * 2014 年 7 月第一版开本 : / 年 7 月第一次印刷印张 :19 1/2 字数 : 定价 :37.80 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 < 丰华 >) 销售部电话 编辑部电话 (VF02) 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

3 目 录 第 1 章计算机与信息社会 计算机的发展历程 计算机的产生 计算机的发展 微型计算机的发展 计算机概述 计算机的特点 计算机的分类 计算机的应用领域 计算机的发展趋势 信息化社会 信息与信息技术 信息技术的发展历程 信息化与信息化社会 信息素养 14 第 2 章计算机系统 计算机中的信息表示 计算机采用二进制编码 二进制信息的计量单位 数制与数制间的转换 二进制数的运算 数值信息在计算机中的表示 非数值信息在计算机中的表示 计算机系统概述 存储程序控制原理 计算机系统的组成 计算机硬件 计算机硬件的组成 30 科学出版社职教技术出版中心 指令系统与中央处理器 存储器 输入 / 输出设备 计算机的工作原理 计算机软件 计算机软件概述 36

4 iv 大学计算机基础 系统软件 应用软件 微型计算机系统 微型计算机的基本结构 微型计算机的硬件配置 微型计算机的性能指标 50 第 3 章操作系统 操作系统概述 操作系统的基本概念 操作系统的功能 进程与处理机管理 内存管理 操作系统的分类 典型操作系统简介 Windows 7 的基本知识与操作 Windows 7 简介 Windows 7 的桌面 菜单 窗口 鼠标和键盘的使用 应用程序管理 安装和卸载应用程序 运行和退出应用程序 创建应用程序的快捷方式 在应用程序之间交换数据 设置文件与应用程序关联 文件管理 文件和文件夹 Windows 资源管理器 文件和文件夹的管理 设备管理 磁盘管理和系统维护 设备及驱动程序的安装 打印机的安装和设置 系统设置 控制面板 外观和个性化 时钟 语言和区域 97

5 目录 v 账户管理 系统和安全 100 第 4 章桌面办公软件 办公自动化概述 办公自动化与办公自动化系统 办公自动化的演变与发展 办公自动化软件和设备 文字处理软件 Microsoft Word Microsoft Word 2010 简介 Microsoft Word 2010 新增功能 文档的基本操作 文档的格式设置 表格 图形对象 样式和模板 页面布局与打印 Word 2010 的其他功能 电子表格软件 Microsoft Excel Microsoft Excel 2010 简介 电子表格的基本操作 工作表的格式化 公式和函数 数据图表 数据管理 页面布局与打印 演示文稿软件 Microsoft PowerPoint Microsoft PowerPoint 2010 简介 演示文稿的基本操作 演示文稿的外观设计 在幻灯片中插入对象 幻灯片的特殊效果 幻灯片的放映与打包 191 科学出版社职教技术出版中心 页面设置与打印 193 第 5 章计算机网络与 Internet 基础 计算机网络概述 计算机网络的形成与发展 计算机网络的基本概念 196

6 vi 大学计算机基础 计算机网络的分类 计算机网络的体系结构 数据通信基础 数据通信模型 数据传输 多路复用技术 计算机网络的组成 网络主体设备 网络传输介质 网络接入设备 网络互联设备 网络软件 Internet 基础 Internet 概述 IP 地址与域名系统 Internet 的接入方式 TCP/IP 协议设置 Internet 连接共享 Internet 的基本服务与扩展应用 WWW 服务 文件传输 电子邮件 搜索引擎 即时通信 电子商务与电子政务 物联网 云计算 233 第 6 章多媒体技术基础 多媒体计算机技术概述 多媒体的基本概念 多媒体技术的特性 多媒体计算机系统的组成 多媒体信息处理的关键技术 多媒体技术的应用领域 多媒体信息处理技术基础 音频信息处理 图形和图像处理 视频信息处理 246

7 目录 vii 动画处理 数据压缩技术 多媒体信息处理工具 音频处理工具 图形和图像处理工具 视频处理与播放工具 二维动画制作 259 第 7 章数据库技术基础 数据库概述 数据库的相关概念 数据库管理系统 数据库系统 数据模型 数据库体系结构 数据库系统的三级模式结构 数据库应用系统体系结构 关系数据库 关系数据库模型 关系运算 关系模型的完整性 关系的规范化 关系数据库标准语言 SQL 概述 SQL 数据定义功能 SQL 数据操作功能 SQL 数据查询功能 数据库新技术 282 第 8 章信息安全基础 信息安全概述 信息安全的基本概念 信息安全的主要威胁源 信息安全等级保护及等级测评 287 科学出版社职教技术出版中心 计算机病毒及其防治 计算机病毒基本知识 计算机病毒的防治 网络安全技术 黑客及其防范技术 291

8 viii 大学计算机基础 防火墙技术 入侵检测技术 信息安全技术 数据加密技术 安全认证技术 访问控制技术 信息安全法规与计算机职业道德 信息安全立法建设 使用计算机网络应遵循的道德规范 298 参考文献 301

9 前 言 大学计算机基础 课程是大学本科的一门公共必修课程, 是根据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会提出的 1+X 课程设置方案开设的第一门计算机基础课程 本书正是根据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会编制的 高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求, 按照计算机基础课程分类分层次教学的总体教学改革思路设计, 并结合编者多年的计算机基础课程教学经验编写而成的 本书共分 8 章, 全面而详细地介绍了计算机基础知识和办公软件 Office 2010 的应用 本书具有以下特色 1. 内容充实 结构清晰 体系完善 教学内容的取舍和组织充分利用了教育部教学指导委员会关于高等学校计算机基础教学发展战略研究报告的成果, 也考虑了目前大多数高校学生计算机知识和应用水平的起点逐年上升的现状对教学改革提出的新要求 全书知识单元结构的组织, 知识点 技能点的筛选, 教学深度的控制, 以及编排体系等更趋完善 本书既介绍了计算机科学与技术的基本原理 基本知识 基本方法和技术, 又反映了当代计算机科学与技术的最新成果 2. 软件版本新 取材新颖 实用性强 为了满足学生参加全国计算机等级考试的需要, 本书介绍了 Windows 7 操作系统平台和较新的桌面办公软件 Microsoft Office 2010, 这些内容的选取具有实用性和针对性 在计算机网络 多媒体技术 信息安全等方面力求体现技术性和应用性 3. 体现分类分层次 目的明确 易教易学 为了满足不同专业学生对计算机知识及计算机应用的不同需求, 同时考虑到学生的计算机基础知识水平的差异性, 以及学生参加全国计算机等级考试的需要, 本书在内容的组织和编排上力求体现分类分层次教学的思路 在保证基本教学要求的前提下, 对于教学要求较高的内容和扩展的内容 ( 文中已在相关章节或段落前用 标出 ), 教师可以针对不同专业学生选讲, 学生可根据自身情况选读 4. 实例丰富 注重实训 强调应用 为全面和系统地培养和提高学生的计算机应用能力, 本书精选了大量的实例进行操作训练 ; 并且在与本书配套的 大学计算机基础实训教程 一书中, 精心设计和选编了供学生实训的实验和习题 这些内容实用性 应用性强, 可帮助学生提升学习效果 本书由叶斌策划和编写大纲, 并由叶斌 贺刚担任主编, 胡俊鹏 杨顺钰 段昌敏担任 副主编 其中, 第 1 章 ~ 第 3 章由叶斌编写, 第 4 章由胡俊鹏 段昌敏编写, 第 5 章和第 8 章由贺刚编写, 第 6 章由杨顺钰编写, 第 7 章由胡俊鹏编写 全书由叶斌 贺刚统稿并审定 本书的出版得到了谢坤武 毕晓玲 黄晓凡等相关人员的热情帮助和大力支持, 编者在编写本书的过程中参考了许多相关著作, 在此一并表示衷心感谢 由于编者学识水平有限, 书中难免存在不足之处, 恳请读者批评指正 科学出版社职教技术出版中心 编者 2014 年 3 月

10 第 1 章 计算机与信息社会 计算机是 20 世纪人类的伟大发明之一, 自诞生至今获得了飞速的发展, 其技术和应用已给社会带来了广泛而深远的影响 特别是在当今信息社会, 计算机已经进入各行各业, 计算机技术及其应用已渗透到科学研究 国防工业 国民经济和社会生活等各个领域, 正在改变着人们传统的工作 学习 生活和思维方式 计算机知识与使用技能也成为了人们工作 学习和生活必备的基本素养之一 1.1 计算机的发展历程 计算机最初是作为一种现代化计算工具而问世的 在人类文明发展的历史长河中, 计算工具也经历了从简单到复杂 从低级到高级的发展演变过程, 而在这一历史演变过程中也自然地孕育了计算机的雏形和设计思想 计算机的产生 计算工具的产生与发展, 可追溯到远古时代 例如, 人类的祖先利用 结绳记事 早在中国古代春秋战国时期 ( 公元前 770~ 公元前 221 年 ) 我们的祖先就已使用竹子制作的算筹进行计数 唐代时已出现早期的算盘, 宋代时已有算盘口诀的记载 西方产业革命推动了计算工具的进一步发展 1621 年, 英国数学家威廉 奥垂德 (William Oughtred) 根据对数原理发明了圆形计算尺 1642 年, 法国物理学家布莱兹 帕斯卡 (Blaise Pascal) 发明了齿轮式加减法器 1673 年, 德国数学家弗里德 威廉 莱布尼茨 (Gottfried Wilhelm Von Leibniz) 设计并制成第一台能实现加 减 乘 除运算的通用机械式计算器 1944 年, 美国哈佛大学应用数学教授霍华德 艾肯 (Howard Aiken) 领导完成了被称为 MarkⅠ 的第一台机电式通用计算机, 其主要元件采用继电器, 是一台可编程序的自动计算机 1946 年 2 月 15 日, 世界公认的第一台通用电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator, 电子数字积分计算机 ) 在美国宾夕法尼亚大学诞生, 如图 1-1 所示 ENIAC 是由美国军方出资 ( 耗资 40 万美元 ) 委托宾夕法尼亚大学斯沃斯莫尔学院电工系的物理学家约翰 莫克利 (John Mauchly) 和工程师普雷斯伯 埃克特 (Presper Eckert) 领导的科研小组研制的, 最初的研制目的是为美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表, 后经多次改进成为能进行各种科学计算的通用计算机 ENIAC 结构庞大, 它长 30.48m, 高 2.44m, 占地 170m 2, 重达 30t 左右, 使用了 个电子管 1500 多个继电器 个电阻器, 功耗达 140kW

11 2 大学计算机基础 图 1-1 第一台电子计算机 ENIAC ENIAC 的运算速度为每秒 5000 次加减法运算 它的存储容量很小, 只能存储 20 个字长 为 10 位的十进制数 虽然这台计算机的性能在今天看来微不足道, 但在当时已是一个创举 ENIAC 的诞生标志着电子计算机时代的到来, 它为以后计算机科学与技术的发展奠定了基础, 具有划时代的历史意义 ENIAC 虽然是第一台正式投入运行的电子计算机, 但它有两个很大的缺点 : 一是不具备 现代计算机的 存储程序, 因为它的存储容量太小, 不足以存储程序 实现自动计算的步骤是靠外部开关 继电器和人工连线来控制的, 运算前需专业人员做大量的准备工作, 往往准备时间大大超过实际计算时间 二是使用的电子管太多, 可靠性较差 1946 年 6 月, 曾担任 ENIAC 研制小组顾问的美籍匈牙利科学家约翰 冯 诺依曼 (John Von Neumann, 图 1-2) 提出了一个拥有全新的存储程序的通用电子数字计算机方案, 即离散变量自动电子计算机 (Electronic Discrete Variable Automatic Computer,EDVAC), 于 1952 年投入运行 该计算机与 ENIAC 相比, 其运算速度是 ENIAC 的 240 倍 更重要的是, 它有两点显著改进, 一是采用二进制表示指令和数据 ; 二是采用了存储程序和程序控制的原理 所以, 冯 诺依曼提出的 EDVAC 计算机结构被称为 存储程序式 计算机结构, 也就是人们通常所说的冯 诺依曼型计算机结构 它奠定了现代计算机的体系结构基础 世界上首台 存储程序式 计算机是由英国剑桥大学于 1949 年 5 月研制成功的 EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator, 电子延迟存储自动计算机 ), 它的研制采用了冯 诺依曼型计算机结构的思想 这一时期还有美国于 1950 年研制成功的 SEAC(Standard Eastern Automatic Computer, 东部标准自动计图 1-2 冯 诺依曼算机 ) 对计算机的产生做出杰出贡献的另一位科学家是英国剑桥大学的阿兰 图灵 (Alan Turing, 图 1-3) 早在 1936 年, 阿兰 图灵为了解决一个纯数学的基础理论问题, 发表了著名论文 论可计算数及其在判定问题中的应用, 提出了 理想计算机 的通用模型, 后来人们称这一模型为 图灵机 现代计算机之父冯 诺依曼曾不止一次地说过 现代计算机的设 科学出版社职教技术出版中心

12 第 1 章计算机与信息社会 3 计思想来源于阿兰 图灵, 且从未说过存储程序型计算机的设计思想是由他本人提出的 冯 诺依曼能把 计算机之父 的桂冠戴在图灵头上, 这既说明了冯 诺依曼的谦虚品德, 也足见图灵对计算机科学的影响之巨大 为了纪念图灵对计算机理论与研究所做出的杰出贡献, 美国计算机协会 (Association for Computing Machinery,ACM) 设立了年度 图灵奖, 该奖项一直是世界计算机科学技术领域的最高荣誉 计算机的发展 自 1946 年世界上第一台计算机问世以来, 以构成计算机硬件的基本逻辑部件所采用的电子元器件特征为标志, 计算机的发展经历了从电子管 晶体管 中小规模集成电路到大规模超大规模集成电路 4 个阶段 这 4 代计算机的硬件 软件 主要性能及主要应用见表 1-1 图 1-3 阿兰 图灵 表 1-1 各代计算机的主要特征 计算机的发展电子元器件运算速度内存储器外存储器相应软件主要应用 纸带 卡片 机器语言 汇编第一代计算机电子管几千至几万次 / 秒水银延迟线磁带 磁鼓等语言 第二代计算机 晶体管 几十万次 / 秒 磁芯 磁盘 磁带 高级语言 监控程序 第三代计算机 中小规模集成电路 几十万至几百万次 / 秒 磁芯 磁盘 磁带 操作系统 结构化程序设计 大规模或超大规模程序设计自动第四代计算机几百万至上亿次 / 秒半导体存储器磁盘 光盘等集成电路化 数据库等 科学计算科学计算 数据处理 事务处理文字 图像处理 系统模拟各个领域 1. 第一代计算机第一代计算机 (1946~1956 年 ) 是电子管计算机 其基本元器件是电子管, 内存储器采用水银延迟线, 外存储器有纸带 卡片 磁带和磁鼓等 由于受当时电子技术的限制, 运算速度仅为几千次到几万次每秒, 而且内存储器容量也非常小 ( 仅为 1000~4000 字节 ) 第一代计算机体积庞大, 造价昂贵 在软件方面, 主要用面向机器的机器语言和汇编语言编程, 工作起来十分烦琐, 因此在使用上很受局限 UNIVAC(Universal Automatic Computer, 通用自动计算机 ) 是第一代计算机的代表 第一台计算机产品于 1951 年交付美国人口统计局使用 它的交付使用标志着计算机从实验室进入了市场, 从军事应用领域转入数据处理领域 2. 第二代计算机第二代计算机 (1957~1964 年 ) 是晶体管计算机 晶体管是一种开关器件, 具有体积小 重量轻 开关速度快 工作温度低 耗电量小 稳定性好等特点 所以, 第二代计算机以晶体管为主要元器件, 内存储器大量使用磁性材料制成的磁心, 每个小米粒大小的磁心可

13 4 大学计算机基础 存储一位二进制代码 ; 外存储器有磁盘和磁带 随着外部设备种类的增多, 计算机的运算速度提高到几十万次每秒, 内存储器容量扩大到几十万字节 与第一代计算机相比较, 晶体管计算机体积小 重量轻 功耗小 速度快 功能强 可靠性高且成本低 这一时期的计算机在软件方面也有了很大发展, 相继出现了各种高级程序设计语言, 还出现了监控程序并发展为后来的操作系统 (Operating System,OS) 其使用范围也由单一的科学计算扩展到数据处理和事务管理等其他领域中 IBM 7000 系列是第二代计算机的代表 3. 第三代计算机第三代计算机 (1965~1970 年 ) 采用小规模集成电路 (Small Scale Integration,SSI) 和中规模集成电路 (Medium Scale Integration,MSI) 集成电路是用特殊的工艺将大量完整的电子元器件集成在一个硅片上 与晶体管电路相比, 集成电路计算机的体积 重量 功耗都进一步减小, 运算速度 运算功能和可靠性则进一步提高 软件在这一时期形成了产业, 特别是操作系统在种类 功能和规模上发展很快, 分时操作系统的出现可以使用户共享计算机资源 此时, 结构化 模块化程序设计的思想被提出, 并且出现了一些结构化程序设计语言 如图 1-4 所示,IBM 360 系列是最早采用集成电路的通用计算机, 也是影响最大的第三代计算机,IBM 公司声称 这是公司历史上宣布的最重要的产品 4. 第四代计算机 图 1-4 IBM 360 系列计算机 随着集成电路技术的不断发展, 单个硅片可容纳电子元器件的数目也在迅速增加 20 世纪 70 年代初期出现了可容纳数千个至数万个晶体管的大规模集成电路 (Large Scale Integration,LSI), 在 70 年代末期又出现了一个芯片上可容纳几万个到几十万个晶体管的超大规模集成电路 (Very Large Scale Integration,VLSI) 利用 VLSI 技术, 能把计算机的核心部件甚至整个计算机都集成在一个硅片上 第四代计算机 (1971 年至今 ) 主要采用大规模集成电路和超大规模集成电路 集成度很高的半导体存储器完全代替了磁心存储器 ; 外存磁盘的存取速度和存储容量大幅度上升, 计算机的速度可达几百万次至上亿次每秒, 而体积 重量和功耗进一步减小, 计算机的性能 科学出版社职教技术出版中心

14 第 1 章计算机与信息社会 5 价格比基本上以每 18 个月翻一番的速度上升 ( 摩尔定律 ) IBM 4300 系列 3080 系列 3090 系列和 9000 系列等都是这一时期的主流产品 从 20 世纪 80 年代开始, 许多国家开展了新一代所谓 智能计算机 的研制工作, 其特点是以人工智能原理为基础, 希望在原有的计算机体系结构模式上能够取得突破, 新一代计算机也称第五代计算机 微型计算机的发展 1971 年, 美国英特尔 (Intel) 公司推出了第一片微处理器芯片 Intel 4004, 如图 1-5 所示 随着更高集成度的超大规模集成电路技术的出现, 微型计算机异军突起, 以迅猛的气势渗透到工业 教育 娱乐 办公等许多领域之中 微型计算机体积小, 使用方便, 能满足社会大众的普遍要求, 性能价格比适当 以 1981 年出现的 IBM 个人计算机为代表, 开始了微型计算机阶段 当今, 微型计算机的应用十分广泛, 几乎随处可见 由于微处理器决定了微型计算机的性能, 根据微处理器的位数和功能, 可将微型计算机的发展划分为 4 个阶段 图 1-5 Intel 位微处理器 4 位微处理器的代表产品是 Intel 4004 及由它构成的 MCS-4 微型计算机 其时钟频率为 0.5~0.8MHz, 数据线和地址线均为 4~8 位, 主要应用于家用电器 计算器和简单的控制等 2.8 位微处理器 8 位微处理器的代表产品有 Intel 8080( 图 1-6) Intel 8085,Motorola 公司的 MC6800, Zilog 公司的 Z80,MOS Technology 公司的 6502 微处理器 较著名的应用有采用 6502 的 APPLEⅡ 微型计算机, 采用 Z80 的 System 3 这一代微型计算机的时钟频率为 1~2.5MHz, 数据总线为 8 位, 地址总线为 16 位, 主要应用于教学 实验 工业控制和智能仪表中 图 1-6 Intel 位微处理器 16 位微处理器的代表产品为 Intel 8086( 图 1-7) 及其派生产品 Intel 8088 等, 应用于著名的 IBM PC 系列计算机, 国内在 20 世纪 90 年代初开始引入 这一代微型计算机的时钟频率为 5~10MHz, 数据总线为 8 位或 16 位, 地址总线为 20~24 位, 其应用扩展到实时控制 实时数据处理和企业信息管理等方面 4.32 位及以上的微处理器 32 位微处理器的代表产品是 Intel 80386( 图 1-8) Intel Intel 及初期的 Pentium 系列 由它们组成的 32 位微型计算机, 时钟频率达到 16~100MHz, 数据总线为 32 位, 地址总线为 24~32 位 这类计算机也称超级微型计算机, 其应用扩展到计算机辅助设计 工程设计及排版印刷等方面

15 6 大学计算机基础 图 1-7 Intel 8086 图 1-8 Intel 计算机概述 计算机的特点 计算机具有以下主要特点 (1) 运算速度快 计算机的运算速度已从初期的几千次每秒 ( 如 ENIAC 计算机 ) 发展到现在高达千万亿 次每秒 ( 如中国首台国产千万亿次超级计算机 天河一号, 具备每秒 1206 万亿次的峰 值速度和每秒 万亿次的 Linpack 实测性能 ) 如此高的计算性能, 不仅极大地提高了工 作效率, 而且使许多极其复杂的科学问题的求解得以实现 (2) 存储容量大 计算机具有大容量的存储器, 能用于存储大量的计算机程序和数据, 如目前的微型计算 机的内存储器容量可达到 2GB 以上 利用计算机的外存储设备, 还可长期保存海量数据, 如利用若干张光盘可以保存一座图书馆的全部内容 (3) 计算精度高 由于计算机内部采用二进制数进行计算, 只要增加计算机内用以表示数值的二进制位 数, 则计算精度就能得到提高 另外, 采用先进的算法, 也能达到所需求的高精度运算 例如, 圆周率 π 值的计算, 在发明计算机前的 1500 多年中经过数代科学家的人工计算, 其精度只达到小数点后的几百位, 而利用计算机计算可达到小数点后的 2000 位甚至更高 (4) 具有逻辑判断能力计算机的运算器具有算术运算和逻辑运算功能, 所以, 计算机能够进行逻辑推理和证明 计算机所具有的逻辑判断能力使得计算机能够模仿人类的某些智能活动, 从而实现人工智能 (5) 具有自动工作能力人们在利用计算机处理实际问题时, 事先根据解决问题的步骤编制出相应的计算机程序并存储在计算机中, 当向计算机发出运行命令后, 计算机便在程序的控制下自动执行程序中的指令直到完成指定的任务, 其工作过程不需要人工操作和干预 (6) 通用性强 应用广泛使用计算机时, 无需深入了解其内部组成结构和工作原理, 因而无论是专业人员还是非专业人员都能十分方便地使用计算机 而计算机通过执行不同功能的程序即可完成不同的工作任务 所以, 计算机提供的功能通用性强, 能应用于社会各个领域 科学出版社职教技术出版中心

16 第 1 章计算机与信息社会 计算机的分类 计算机发展到今天, 已是种类繁多, 可以从不同的角度对其进行分类 1. 按处理的数据分类 (1) 数字计算机数字计算机所处理的数据 ( 以电信号表示 ) 是离散的, 称数字量, 如职工人数 工资数据等 处理之后, 仍以数字形式输出到打印纸上或显示在屏幕上 目前, 常用的计算机都是数字计算机 (2) 模拟计算机模拟计算机所处理的数据是连续的, 称模拟量 模拟量以电信号的幅值来模拟数值或某物理量的大小, 如电压 电流 温度等都是模拟量 能够接受模拟数据, 经过处理后, 仍以连续的数据输出的计算机称模拟计算机 一般而言, 模拟计算机不如数字计算机精确 模拟计算机常以绘图或量表的形式输出 (3) 混合计算机混合计算机集数字计算机与模拟计算机的优点于一身, 它可以接受数字量或模拟量的运算, 最后以离散的数字量或连续的模拟量为输出结果 2. 按使用范围分类 (1) 通用计算机通用计算机适用于一般的科学运算 学术研究 工程设计和数据处理等广泛用途的计算 通常所说的计算机均指通用计算机 (2) 专用计算机专用计算机是为适应某种特殊应用而设计的计算机 它的运行程序不变 效率较高 速度较快 精度较好, 但只能作为专用 例如, 飞机的自动驾驶仪 坦克上火控系统中用的计算机都属于专用计算机 3. 按性能及规模大小分类按性能及规模大小分类是最常规的计算机分类方法, 所依据的性能及规模主要包括存储容量 ( 记忆数据的多少 ) 运算速度( 处理数据的快慢 ) 及允许同时使用一台计算机的用户多少和价格等 根据这些性能可以将计算机分为巨型计算机 大型计算机 小型计算机 微型计算机和工作站 (1) 巨型计算机巨型计算机是目前功能最强 速度最快 价格最贵的计算机, 一般用于解决如气象 航天 能源 医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算 巨型计算机一般安装在专门研究机构中, 可供几百个用户同时使用 这种计算机价格昂贵, 被称为国家级资源, 能体现一个国家的综合科技实力 目前, 世界上只有少数几个国家能生产巨型计算机 IBM 公司的 深蓝 美国克雷公司生产的 Cray-1 Cray-2 和 Cray-3 等都是著名的巨型计算机 我国自主研制的 天河一号 天河二号 银河 Ⅱ 型 10 亿次机及曙光 型机属于巨型计算机

17 8 大学计算机基础 (2) 大型计算机 大型计算机也有很高的运算速度和很大的存储量, 并支持多用户 当然, 大型计算机在 量级上不及巨型计算机, 价格也比巨型计算机低 大型计算机通常像一个家族一样形成系列, 如 IBM 4300 系列 IBM 9000 系列等 这类计算机通常用于大型企业 商业管理或大型数据库管理系统中, 也可作为大型计算机网络中的主机 (3) 小型计算机小型计算机规模比大型计算机要小, 但仍能支持几十个用户同时使用 这类计算机价格便宜, 适合于中小型企事业单位使用 例如,DEC 公司生产的 VAX 系列 IBM 公司生产的 AS/400 系列等都是典型的小型计算机 (4) 微型计算机微型计算机最主要的特点是小巧 灵活 便宜, 不过通常一次只能供一个用户使用, 所以微型计算机也称个人计算机 (Personal Computer,PC) 近几年又出现了体积更小的计算机, 如笔记本式计算机 膝上型计算机 掌上微型计算机等 (5) 工作站工作站与功能较强的高档微型计算机之间的差别不很明显 与微型计算机相比, 它有较大的存储容量和较高的运算速度, 而且配备大屏幕显示器 工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域 不过, 随着计算机技术的发展, 各类计算机之间的差别有时也不那么明显了 例如, 现在高档计算机的内存容量比前几年的小型计算机甚至比大型计算机的内存容量还要大得多 随着网络时代的到来, 网络计算机的概念也应运而生 其主要宗旨是适应计算机网络的发展, 降低计算机的制造成本 这种计算机只能联网运行而不能单独使用, 它不需要配置硬盘, 所以价格较低 计算机的应用领域 在当今信息社会, 计算机已经进入各行各业, 计算机技术及其应用已渗透到社会的各个领域并产生了极其深远的影响 概括起来, 计算机的应用领域主要表现在以下几个方面 1. 科学计算 科学计算也称数值计算 计算机是进行科学计算的一种工具, 所解决的是科学研究和工程技术中提出的一些复杂的数学问题, 因为一些十分庞大的科学计算仅依靠其他计算工具有时难以解决 例如, 高能物理方面的研究 气象预报及人造卫星轨道计算等都离不开计算机的精确计算 如果没有计算机系统高速而又精确的计算, 许多现代科学都是难以发展的 2. 数据处理 科学出版社职教技术出版中心 数据处理也称信息处理, 是现代化管理的基础 它不仅可用于处理日常事务, 还能支持科学的管理与决策 一个企业从市场预测 情报检索, 到经营决策 生产管理, 无不与数据的处理有关 直到今天, 数据处理在所有计算机应用中仍稳居第一位, 耗费的机时大约占到全部计算机应用的 2/3

18 第 1 章计算机与信息社会 9 3. 过程控制过程控制也称实时控制, 是指用计算机采集各类生产过程中的实时数据, 把得到的数据按照预定的算法进行处理, 然后反馈到执行机构去控制相应的后续过程 它是生产自动化的重要技术和手段 例如, 在冶炼车间可将采集到的炉温 燃料和其他数据传送给计算机, 由计算机按照预定的算法进行计算, 并确定温度的控制或加料的多少等 过程控制可以提高自动化程度, 加快工序流转速度, 减轻劳动强度, 提高生产效率, 节省生产原料, 降低生产成本, 保证产品质量的稳定 在制造业大发展的今天, 过程控制具有广泛的市场需求, 是计算机应用的重要领域 4. 计算机辅助工程计算机辅助工程是计算机的另一个重要应用领域, 其特点是涵盖领域广阔 它不仅应用于产品和工程辅助设计, 而且还包括计算机辅助设计 (Computer Aided Design,CAD) 计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing,CAM) 计算机辅助测试(Computer Aided Testing,CAT) 计算机辅助教学(Computer Aided Instruction,CAI) 和办公自动化 (Office Automation,OA) 等 5. 人工智能人工智能 (Artificial Inteligence,AI) 是指计算机模拟人类某些智力行为的理论 技术和应用 随着智能机器人的研制成功, 机器人可以代替人的部分脑力和体力劳动, 特别是人难以完成的工作 智能模拟是一门涉及许多学科的边缘学科 人工智能是引起争论最多的学科之一 6. 计算机技术在新兴领域的应用随着计算机技术的迅猛发展, 计算机在一些新兴领域的广泛应用, 给社会生活带来了巨大的变化 1) 计算机语音和字符识别功能 计算机语音识别功能是指使用计算机接收人的语言命令, 是计算机应用领域中的重要研究方向 语音识别已应用于口令指挥 办公自动化和计算机语言接口等方面 特别是最新的 声纹识别 技术, 通过语音信号提取代表说话人身份的相关特征, 从而识别出说话人的身份, 可广泛应用于军事 国家安全和各产业领域 计算机的字符识别功能是通过扫描仪等光学输入设备读取印刷品上的文字图像信息 这一功能的出现, 可以部分地代替键盘输入汉字的功能, 是高速快捷的文字输入方法 新出现的语音输入 手写笔和扫描仪等技术拓宽了计算机用户群和应用领域 2) 计算机图形技术和图像处理功能在科研和生产中的广泛应用 计算机图形技术是用计算机生成 显示和绘制图形的技术 计算机图形技术不仅能快速 准确 规范地制作大量的机械图 建筑图 电路图和地理图等, 成为计算机辅助设计的重要内容, 而且可以制作运动图形和三维图形, 使原来绘图做不到的事得以实现 由于图形直观形象, 因而也常被作为人机交互方式用于各种应用软件 计算机图像处理是用计算机对光学图像进行接收 提取信息, 加工变换, 模式识别及存

19 10 大学计算机基础 储显示的过程 一旦计算机获取了光学图像的足够信息, 就可以进行图像增强 图像压缩 图像复原 图像分割和图像识别等 采用模式识别方法, 对某些从远距离传送来的模糊不清的图像, 可消除干扰, 增强对比度, 使其清晰可观 计算机图像处理技术最先用于地面卫星遥感 气象预报等领域, 在医学检验图像的分析显示上发展很快, 在生产自动控制 罪证辨识以至服饰发型设计中也得到广泛的应用 3) 现代化的计算机信息检索系统改变了传统的资料管理检索手段 计算机信息检索是指利用计算机存储和检索信息 具体而言, 就是指人们在计算机或计算机检索网络的终端机上, 使用特定的检索指令 检索词和检索策略, 从计算机检索系统的数据库中检索出所需的信息, 继而再由终端设备显示或打印的过程 4) 计算机多媒体技术在人类工作与生活的各方面获得应用 多媒体技术融计算机 声音 文本 图像 动画 视频和通信等多种功能于一体, 借助日益普及的高速信息网, 可实现计算机的全球联网和信息资源共享, 因此被广泛应用在咨询服务 图书 教育 通信 军事 金融 医疗等诸多领域, 并正潜移默化地改变着人们的生活方式 计算机的发展趋势 未来的计算机将以超大规模集成电路为基础, 向巨型化 微型化 网络化 多媒体化与智能化的方向发展 1. 巨型化 巨型化是指计算机的运算速度更高 存储容量更大 功能更强 在许多领域都需要这样的计算机, 如模拟核实验 破解人类基因等 一个国家的巨型计算机的研制水平在一定程度上标志着该国的计算机技术水平 目前正在研究的巨型计算机运算速度可达千万亿次每秒 2. 微型化 微型化是指计算机向功能齐全 使用方便 体积微小 价格低廉的方向发展 计算机的微型化可以拓展计算机的应用领域, 如医疗中的诊断 手术, 军事上的 电子苍蝇 蚂蚁士兵 等 只有计算机微型化, 才能使计算机日益贴近日常生活, 推动计算机文化的普及 3. 网络化 计算机网络是现代通信技术与计算机技术结合的产物 计算机网络可以方便快捷地实现数据传输 资源共享, 可以方便人们的信息交流与相互沟通, 提高工作效率 目前, 世界上规模最大 覆盖面最广 信息资源最丰富的计算机互联网上的主机已达 4.5 万亿台 所以, 从单机走向联网是计算机应用发展的必然趋势和结果 4. 多媒体化 科学出版社职教技术出版中心 传统的计算机处理信息的主要对象是字符和数字, 人们通过键盘 鼠标和显示器对文字和数字进行交互 而在人类生活中, 更多的是图形 图像 声音 文字等多种形式的信息 由于数字化技术的发展能进一步改进计算机的表现能力, 使现代计算机可以集图形 图像 声音 文字处理于一体, 使人们面对有声有色 图文并茂的信息环境, 这就是通常所说的多

20 第 1 章计算机与信息社会 11 媒体计算机技术 多媒体计算机技术使信息处理的对象和内容发生了深刻变化 5. 智能化智能化是利用计算机来模拟人的思维过程, 并利用计算机程序来实现这些过程 人们把用计算机模拟人脑力劳动的过程称为人工智能 例如, 进行数学定理的证明 进行逻辑推理 理解自然语言 辅助疾病诊断 实现人机对弈 密码破译等, 都可利用人们赋予计算机的智能来完成 计算机高度智能化是人们长期不懈的追求目标 1.3 信息化社会 由于以计算机技术 通信技术和控制技术为核心的信息技术的飞速发展和广泛应用, 人类社会正由工业社会全面进入信息社会 随着信息化在全球的快速推进, 人们对信息的需求也正在快速增长, 信息产品和信息服务对于各个国家 地区 企业 家庭 个人都不可缺少, 信息技术 (Information Technology,IT) 已成为支撑当今经济活动和社会生活的基石 信息与信息技术 1. 信息当今社会正处于信息时代, 人们越来越多地接触和使用信息, 信息的重要性已经得到全社会的普遍认同 然而, 什么是信息却没有一个确切的 统一的定义 长期以来, 人们把信息看成 消息 的同义词, 简单地将信息定义为能够带来新内容 新知识的消息 但是后来发觉这种说法并不能代表 信息 一词的准确含义 因为信息不同于消息, 消息只是信息的外壳, 信息则是消息的内核 ; 信息不同于信号, 信号是信息的载体, 信息则是信号所载荷的内容 ; 信息不同于数据, 数据只是记录信息的一种形式, 信息则是数据经过加工处理而提升后的结果 那么, 究竟什么是信息?1998 年, 在世界银行推出的 1998 年世界发展报告 知识促进发展 中, 对数据 信息和知识的区别进行了阐述, 报告指出 : 数据是未经组织的数字 词语 声音 图像等, 是原始的 不相关的事实 信息是以有意义的形式加以排列和处理的数据 ( 有意义的数据 ), 是被给予一定的意义和相互联系的事实 知识是用于生产的信息 ( 有意义的信息 ) 信息经过加工处理应用于生产, 才能转变成知识 数据是形成信息的基础, 也是信息的组成部分, 数据只有经过加工处理 建立相互关系并给予明确的意义后才能形成信息 要使数据提升为信息, 则需要对其进行采集与选择 组织与整序 压缩与提炼 归类与导航 而要使信息提升为知识, 还需要对信息内容进行挖掘与提炼 分析与比较 归纳与概括 判断与推论 2. 信息技术对于信息技术的理解, 因人们的侧重点 ( 使用的目的 范围 层次 ) 不同而表述有所差

21 12 大学计算机基础 异 一般而言, 信息技术是指利用计算机 网络通信 广播电视等各种硬件设备 软件工具及相关科学技术与方法, 对图形 图像 文字 声音等各种信息进行获取 变换 存储 传输 显示 识别 提取 控制 加工与利用等技术的总称 概括而言, 信息技术是在信息科学的基本原理和方法指导下扩展人类信息功能的技术, 是人类管理 开发和利用信息资源的所有方法与技术手段的总和 当今信息化社会所提及的信息技术, 可以看成是计算机技术 通信技术 网络技术及多媒体技术相互渗透 相互作用 相互融合的一门多学科交叉的综合型技术 并且, 信息技术有如下两个主要特征 1) 信息技术具有技术的一般特征 技术性, 具体表现为方法的科学性 工具设备的先进性 技能的熟练性 经验的丰富性 作用过程的快捷性 功能的高效性等 2) 信息技术具有区别于其他技术的特征 信息性, 具体表现为信息技术的服务主体是信息, 核心功能是提高信息处理与利用的效率 效益 由信息的秉性决定信息技术还具有普遍性 客观性 相对性 动态性 共享性 可变换性等 信息技术的发展历程 信息技术的发展经历了 5 个阶段, 即 五次革命 第一次信息技术革命是人类大脑器官思维能力及语言表达能力的形成 语言成为人类交流思想和传播信息的工具 第二次信息技术革命是文字的创造和使用 大约在公元前 3500 年, 文字成为了人类交流和传播信息的载体, 使得信息能够保存并广泛传播, 超越了时间和地域的局限 文字的出现, 是第一次信息载体和传播手段的重要革命 第三次信息技术革命是造纸术 印刷术的发明和应用 造纸术和印刷术均是中国人引以为傲的发明 大约在公元 1040 年, 宋代的毕昇发明了活字印刷术, 印刷术的发明和应用, 使信息和知识得以大量生产 复制和传播, 使书籍 报刊成为信息记载和传播的重要媒体 第四次信息技术革命是电报 电话 广播和电视的发明和普及应用 19 世纪 30 年代, 电报和电话的发明大大突破了人们交流信息的时空界限, 是人类信息传递手段的又一次重要革命 第五次信息技术革命是计算机与现代通信技术的发展与应用 20 世纪 40 年代, 计算机的诞生及其应用是第五次信息技术革命的一个最重要的标志, 特别是以计算机技术 通信技术 网络技术及多媒体技术为基础的信息技术, 能够综合处理图形 图像 文字 声音等信息, 极大地丰富了信息处理与交互的生动性和表现力 第五次信息技术革命是信息处理与传播手段的伟大革命, 对人类社会产生了空前的影响, 信息产业也应运而生 信息化与信息化社会 1. 信息化 科学出版社职教技术出版中心 信息化 的概念是在 20 世纪 60 年代初开始提出的 而关于信息化的表述, 中国学术界和相关政府部门作过较长时间的研讨 有人认为, 信息化就是计算机 通信和网络技术的现代化 ; 有人认为, 信息化就是从物质生产占主导地位的社会向信息产业占主导地位的社会

22 第 1 章计算机与信息社会 13 转变发展的过程 ; 有人则认为, 信息化就是从工业社会向信息社会演进的过程 通信经济学中所谓的信息化, 是指社会经济的发展, 从以物质与能源为经济结构的重心, 向以信息为经济结构的重心转变的过程 从信息管理学的角度看, 所谓信息化是指在现代信息技术广泛普及的基础上, 社会和经济的各个方面发生深刻的变革, 通过提高信息资源的管理和利用水平, 在各种社会活动的功能和效率上得到大幅提高, 从而达到人类社会新的物质和精神文明水平的过程 1997 年召开的首届全国信息化工作会议, 对信息化和国家信息化作了如下定义 : 信息化是指培育 发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程 国家信息化就是在国家统一规划和组织下, 在农业 工业 科学技术 国防及社会生活各个方面应用现代信息技术, 深入开发 广泛利用信息资源, 加速实现国家现代化进程 实现信息化就要构筑和完善 6 个要素 ( 开发利用信息资源, 建设国家信息网络, 推进信息技术应用, 发展信息技术和产业, 培育信息化人才, 制定和完善信息化政策 ) 的国家信息化体系 综上所述, 一般认为, 信息化是指信息技术和信息产业在经济和社会发展中的作用日益加强, 并发挥主导作用的动态发展过程 它以信息产业在国民经济中的比重 信息技术在传统产业中的应用程度和信息基础设施建设水平为主要标志 信息化代表了一种信息技术被高度应用, 信息资源被高度共享, 从而使得人的智能潜力及社会物质资源潜力被充分发挥, 个人行为 组织决策和社会运行趋于合理化的理想状态 同时, 信息化也是信息技术产业发展与信息技术在社会经济各部门扩散的基础之上, 不断运用信息技术改造传统的经济 社会结构, 从而通往如前所述的理想状态的一段持续的过程 2. 信息化社会信息化社会与后工业社会的概念没有什么原则性的区别 信息化社会也称信息社会, 是脱离工业化社会以后, 信息将起主要作用的社会 在农业社会和工业社会中, 物质和能源是主要资源, 人们所从事的是大规模的物质生产 而在信息社会中, 信息成为比物质和能源更为重要的资源, 以开发和利用信息资源为目的的信息经济活动迅速扩大, 逐渐取代工业生产活动而成为国民经济活动的主要内容 信息经济在国民经济中占据主导地位, 并构成社会信息化的物质基础 以计算机 微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉 信息技术在资料生产 科研教育 医疗保健 企业和政府管理及家庭中的广泛应用, 对经济和社会发展产生了巨大而深刻的影响, 从根本上改变了人们的生活方式 行为方式和价值观念 信息化社会表现为如下 5 个特点 1) 在信息化社会中, 信息 知识成为重要的生产力要素, 和物质 能量一起构成社会赖以生存的三大资源 2) 信息化社会以信息经济 知识经济为主导的, 它有别于农业社会以农业经济为主导, 工业社会以工业经济为主导的经济 3) 在信息化社会, 劳动者的知识成为基本要求 4) 科技与人文在信息 知识的作用下更加紧密地结合起来 5) 人类生活不断趋向和谐, 社会可持续发展

23 14 大学计算机基础 信息素养 1. 信息素养的内涵 信息素养 (Information Literacy) 的本质是全球信息化需要人们具备的一种基本能力, 也是人们对信息社会的一种适应能力 信息素养所表现的是对信息的获取与识别 加工与处理 管理与评价 开发与利用及信息的意识与道德等方面的一种综合能力 所以, 信息素养是一个内容丰富的概念, 它不仅包括利用信息工具和信息资源的能力, 还包括选择 获取 识别信息, 加工 处理 传递信息并创造信息的能力 信息素养涉及各方面的知识, 是一个特殊的 涵盖面很宽的能力, 它包含人文的 技术的 经济的 法律的诸多因素, 和许多学科有着紧密的联系 具体来说, 信息素养主要包括 4 个方面的内容 (1) 信息意识信息意识即人的信息敏感程度, 是人们对自然界和社会的各种现象 行为 理论观点等, 从信息角度的理解 感受和评价 通俗地讲, 面对不懂的东西, 能积极主动地去寻找答案, 并知道到哪里 用什么方法去寻求答案, 这就是信息意识 信息时代处处蕴藏着各种信息, 能否很好地利用现有信息资料, 是人们信息意识强不强的重要体现 使用信息技术解决工作和生活问题的意识, 是信息技术教育中最重要的一点 (2) 信息知识信息知识既是信息科学技术的理论基础, 又是学习信息技术的基本要求 掌握信息知识, 才能更好地理解与应用信息 信息知识不仅体现着学生所具有的信息科学知识和技术的丰富程度, 而且还制约着他们对信息知识的进一步掌握 (3) 信息能力信息能力包括信息系统的基本操作能力, 信息的采集 传输 加工处理和应用的能力, 以及对信息系统与信息进行评价的能力等 这也是信息时代重要的生存能力 身处信息时代, 如果只是具有强烈的信息意识和丰富的信息常识, 而不具备较高的信息能力, 还是无法有效地利用各种信息工具去搜集 获取 传递 加工 处理有价值的信息, 不能提高学习效率和质量, 无法适应信息时代的要求 信息能力是信息素质诸要素中的核心, 人们必须具备较强的信息能力, 不然难以在信息化社会中生存和发展下去 (4) 信息道德培养学生具有正确的信息伦理道德修养, 要让学生学会对媒体信息进行判断和选择, 自觉地选择对学习 生活有用的内容, 自觉抵制不健康的内容, 不组织和参与非法活动, 不利用计算机网络从事危害他人信息系统和网络安全 侵犯他人合法权益的活动 这也是信息素养的一个重要体现 信息素养的 4 个要素共同构成一个不可分割的统一整体 信息意识是先导, 信息知识是基础, 信息能力是核心, 信息道德是保证 2. 信息素养的基本要求 科学出版社职教技术出版中心 我们正处于信息时代, 信息的重要性已经得到全社会的普遍认同, 正受到越来越多人们

24 第 1 章计算机与信息社会 15 的重视 为了适应信息化社会的发展, 应该从以下方面去培养自己的信息素养, 提高自己的能力素质 1) 能够有效地和高效地获取信息 2) 能够熟练地和批判地评价信息 3) 能够精确地和创造性地使用信息 4) 能够独立地和自主地学习, 并能探求与个人兴趣有关的信息 5) 能够高效地查询信息 存储信息 提取信息 表达信息, 能欣赏作品和其他对信息进行创造性表达的内容, 并能进行知识创新 6) 自觉学习 培养和提高信息文化环境中公民的道德 情感 法律意识和社会责任, 为社会的文明 进步做出贡献 上述 6 个方面概括了信息素养所要求的基本内容 其中, 学会自主学习, 学会与不同专业背景的人在交流和协作中学习, 学会运用现代信息技术有效地和高效地学习, 学会在研究和创造中学习等 这些学习能力是当今信息社会中的基本生存能力, 也是培养和提高信息素养的目的所在

25 第 2 章 计算机系统 现代计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 5 个基本部分组成, 其基本结构仍然采用冯 诺依曼型计算机结构, 即计算机的硬件设计仍建立在 存储程序 和 采用二进制 的基础上 硬件只提供了计算机工作的 物质基础 ; 而计算机的正常运行 维护 控制 管理及应用, 还要依赖于计算机软件 所以, 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统构成的 本章从硬件系统和软件系统两个方面介绍计算机系统的基本组成及其基本工作原理 2.1 计算机中的信息表示 探讨数据信息在计算机内部以何种形式进行存储和运算, 其目的在于如何使计算机的物理器件实现容易 结构简单 性能高效 计算机采用二进制编码 在现代计算机中, 所有的信息, 包括程序 ( 指令序列 ) 数值型数据 非数值型数据( 字符 图形 图像 声音 动画等 ) 均采用二进制编码形式进行存储 传送及运算处理 并且通过对这些数据采用不同的编码规则, 使计算机能识别这些不同的信息 在二进制系统中只有两个数码, 即 0 和 1 因此, 不论是程序还是数据, 实际上都是采用一定的编码规则和转换方法处理以后, 用 0 和 1 组成的一串二进制代码来表示的 因为在计算机内部, 信息的表示依赖于机器硬件电路的工作状态, 信息采用什么形式表示, 会影响到计算机的结构和性能 之所以在计算机内部采用二进制, 是因为它有以下 4 个优点 (1) 易于物理实现具有两种稳定状态的物理器件很多, 也容易实现, 如电压的高与低 晶体管的导通与截止 电容的充电与放电等, 而这两种状态恰好可以用来表示二进制中的 0 和 1 如果计算机中采用十进制, 则需要 10 种稳定状态的物理电路, 要制造出这样的物理器件是很困难的 (2) 运算规则简单数学推导证明, 对 R(R 为基数, 如二进制数基数为 2, 十进制数基数为 10) 进制数进行算术求和或求积运算, 其运算规则有 R(R+1)/2 种 采用二进制进行求和或求积的运算规则仅有 3 种, 而采用十进制则分别有 55 种 因此, 采用二进制简化了运算器等物理器件的设计 科学出版社职教技术出版中心

26 第 2 章计算机系统 17 (3) 机器可靠性高由于电压的高与低 电流的有与无所显示的两种状态泾渭分明, 因此采用二进制码的传递抗干扰能力强, 工作可靠性高 (4) 便于逻辑运算二进制编码不仅可运用于数据信息的数字化编码, 还可以方便地运用于计算机的逻辑运算和逻辑判断功能的实现 因为二进制仅有的两个数码 0 和 1 正好与逻辑量 真 和 假 相对应, 便于表示 二进制信息的计量单位 计算机内部任何数据信息都被表示成二进制编码, 信息的单位常采用 位 字节 和 字 等计量形式 1. 位二进制数据的每一位 (0 或 1) 称一个 比特 (bit), 或称 位元, 简称 位, 通常用 b 表示 位是组成二进制信息的最小单位, 也是计算机中处理 存储和传输信息的最小单位 2. 字节 8 个二进制位组成一个 字节 (Byte), 即 1Byte=8b, 通常用 B 表示字节 字节是二进制信息组织和存储的基本计量单位, 也是计算机体系结构的基本单位 3. 字 字 (word) 用来表示被处理信息的单位, 一般用来度量各种数据类型的宽度 ( 二进制位数 ) 在计算机内部, 字 作为一个整体被存取 传送和处理 通常计算机系统结构设计者必须考虑一台机器将提供哪些数据类型, 每种数据类型的数据宽度为多少, 因此就要给出一个基本的 字 的宽度 例如, 在 C 语言中, 一个短整型整数占一个 字 的宽度 (16b), 而一个长整型整数占两个字的宽度 (32b) 计算机的存储器 ( 包括内存储器和外存储器 ) 的存储容量 ( 用于表示存储器的大小 ) 通常以 字节 为单位 由于存储器的存储容量都相当大, 通常使用比 字节 或 字 大得多的度量单位, 常用的有以下 4 种 千字节 (KB),1KB=2 10 B=1024B; 兆字节 (MB),1MB=2 20 B=1024KB; 吉字节 (GB),1GB=2 30 B=1024MB; 太字节 (TB),1TB=2 40 B=1024GB 4. 字长一个 字 中所包含的二进制位数 ( 字 的宽度 ) 称字长 (word length) 实际上, 字长是指 CPU 在一次操作中能处理的二进制数据的最大位数, 它体现了一条指令所能处理数

27 18 大学计算机基础 据的能力 例如, 一个 CPU 的字长为 16 位, 则每执行一条指令 CPU 可以处理 16 位二进制 数据 字长是计算机硬件设计的一个指标, 它代表了机器的精度 字长越宽, 表示计算机的运 算精度就越高, 数据处理能力就越强 根据运算精度的要求不同, 字长都设计为字节的整数倍, 如 2 个字节 (16b) 4 个字节 (32b) 8 个字节 (64b) 等 数制与数制间的转换 1. 数制的概念 数制又称计数制, 是用一组固定的数码和统一的规则来表示数值的方法 人们在生产实践和日常生活中, 创造了很多种表示数的方法, 这些数的表示规则即为数制 按进位方式计数的数制称进位计数制 例如, 人们习惯使用十进制数 ; 计算机中使用二进制表示 ; 而钟表计时中,1 小时等于 60 分 1 分等于 60 秒, 则为六十进制等 数据无论采用哪种进制表示, 都涉及 3 个基本要素, 即数码 基数和位权 数码 : 数制中用于表示基本数值大小的数字符号, 如 0,1,2,,9 等 基数 : 数制中允许使用的数码的个数 例如, 十进制数有 10 个数码, 基数为 10; 二进制数有两个数码, 基数为 2 位权 : 是以基数为底的幂 一个数的大小, 除与所使用的数码本身的大小有关外, 还与该数码所在数位有关 ( 与位权有关 ) 例如, 十进制数 可按位权展开为 = 一般而言, 对于一个 R 进制数, 有以下计数规则 1) 基数为 R, 进位规则是 逢 R 进一 2) 包含 R 个数码, 具体数码符号为 0,1,2,,R-1 3) 位权为 R i 具体而言, 小数点前第一位的位权为 R 0, 小数点前第二位的位权为 R 1, 小数点后第一位的位权为 R 1, 小数点后第二位的位权为 R 2, 依此类推 4) 可按位权展开成为多项式 例如, 二进制数 101.0l 的按位权展开为 = 八进制数 的按位权展开为 307.4= 十六进制数 F2B 的按位权展开为 F2B= 常用的几种数制 常用的数制有二进制 (Binary) 八进制(Octal) 十进制(Decimal) 和十六进制 (Hexadecimal) 它们的计数规则与表示形式见表 2-1 表 2-1 常用数制及其表示 进位制二进制八进制十进制十六进制逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一规则借一当二借一当八借一当十借一当十六 科学出版社职教技术出版中心

28 第 2 章计算机系统 19 续表 进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制 基数 R=2 R=8 R=10 R=16 基本符号 0,1 0,1,2,3,4,5,6,7 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 位权 2 i 8 i 10 i 16 i (101.01) 2 (37.23) 8 (259.12) 10 (5A2F) 16 表示形式 (101.01) B (37.23) O (259.12) D (5A2F) H (B) 37.23(O) (D) 5A2F(H) 表 2-1 中, 十六进制的基本符号 A~F( 或 a~f) 分别对应十进制的 10~15, 这是为了编码时避免产生歧义 3. 数制间的转换二进制 八进制 十六进制和十进制都是计算机中常用的数制, 因此有必要了解在一定数值范围内这几种数制之间的对应表示形式, 以便于它们之间的相互转换 表 2-2 列出了 0~ 15 这 16 个十进制数与其他 3 种数制的对应关系 表 2-2 各数制之间的对应关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 A B C D E F (1)R 进制数转换为十进制数 值相加 将一个 R 进制数转换为十进制数的方法是按位权展开, 然后按十进制运算方法将各项数 例 2-1 将二进制数 ( ) 2 转换成十进制数 ( ) 2 = = =(53.625) 10 例 2-2 将八进制数(147.2) 8 转换成十进制数

29 20 大学计算机基础 (147.2) 8 = = =(103.25) 10 例 2-3 将十六进制数(A3.2) 16 转换成十进制数 (A3.2) 16 = = =( ) 10 (2) 十进制数转换为 R 进制数将十进制数转换为 R 进制数的方法是, 整数部分和小数部分分别转换, 然后将转换后的结果值相加 整数部分的转换方法 : 用十进制整数除 R 倒序取余数, 直到商为 0 具体步骤是, 把十进制整数除以 R 得一商数和一余数 ; 再将所得的商除以 R, 又得到一个新的商数和余数 ; 如此不断地用 R 去除所得的商数, 直到商等于 0 为止 倒序 的含义是第一次得到的余数为转换后的最低有效位, 最后一次得到的余数为转换后的最高有效位 小数部分的转换方法 : 用十进制小数乘 R 顺序取整数 具体步骤是, 把十进制小数乘以 R 得一整数部分和一小数部分 ; 取出其整数部分, 再用 R 乘所得的小数部分, 又得到一整数部分和一小数部分, 再取出其整数部分 ; 如此不断地用 R 去乘所得的小数部分, 直到所得小数部分为 0 或达到要求的精度为止 将每次取出的整数部分按得到的顺序排列就是相应 R 进制小数的各位数字 顺序 的含义是第一次得到的整数部分为转换后的最高有效位, 最后一次得到的整数部分为转换后的最低有效位 例 2-4 将十进制数( ) 10 转换成为二进制数 1 将整数部分 (215) 10 换成为二进制整数 : 结果 :(215) 10 =( ) 2 2 将小数部分 (0.6875) 10 换成为二进制小数 : 最高位 最低位 科学出版社职教技术出版中心

30 第 2 章计算机系统 21 结果 :(0.6875) 10 =(0.1011) 2 3 最后结果 :( ) 10 =( ) 2 需要说明的是, 并不是任意一个十进制小数都能完全精确地转换成二进制小数, 一般可根据精度要求截取到某一位小数即可 也就是说, 不可能用有限位二进制数字来精确地表示一个十进制小数 所以, 将一个十进制小数转换成二进制小数时通常只能得到近似表示 (3) 二进制 八进制和十六进制数的相互转换 1) 二进制数转换为八进制数 转换方法 : 以二进制数的小数点为界, 整数部分从右向左, 小数部分从左向右, 每 3 位二进制数划为一组, 如果不足 3 位, 则分别在整数部分的最高位 ( 最左端 ) 和小数部分的最低位 ( 最右端 ) 补 0 然后, 将每组 (3 位 ) 二进制数用对应的 1 位八进制数表示, 对应关系见表 2-2 例 2-5 将二进制数( ) 2 转换成为八进制数 根据上述转换方法, 将 ( ) 2 作如下分组 : ( ) 2 =( ) 2 =( ) 8 2) 八进制数转换为二进制数 转换方法 : 顺序不变, 将每位八进制数用 3 位二进制数表示即可 例 2-6 将八进制数(715.62) 8 转换成为二进制数 (715.62) 8 =( ) 2 = ( ) 2 3) 二进制数转换为十六进制数转换方法 : 以二进制数的小数点为界, 整数部分从右向左, 小数部分从左向右, 每 4 位二进制数划为一组, 如果不足 4 位, 则分别在整数部分的最高位 ( 最左端 ) 和小数部分的最低位 ( 最右端 ) 补 0 然后, 将每组 (4 位 ) 二进制数用对应的 1 位十六进制数表示, 对应关系见表 2-2 例 2-7 将二进制数( ) 2 转换成为十六进制数 ( ) 2 =( ) 2 =(753.B8) 16 4) 十六进制数转换为二进制数转换方法 : 顺序不变, 将每位十六进制数用 4 位二进制数表示即可 例 2-8 将十六进制数(6AF.C5) 16 转换成二进制数 ( 6 A F. C5 ) 16 =( ) 2 =( ) 2 5) 八进制数与十六进制数之间的转换 八进制数与十六进制数之间的相互转换, 可通过二进制数作为中间桥梁来实现, 即将八进制数 ( 十六进制数 ) 转换为二进制数, 再将二进制数转换为十六进制数 ( 八进制数 ) 例 2-9 将八进制数(75.62) 8 转换成为十六进制数 (75.62) 8 =( ) 2 =( ) 2 =( 3 D. C 8 ) 二进制数的运算 1. 二进制数的算术运算 二进制数的算术运算包括加 减 乘 除四则运算, 其运算规则如下

31 22 大学计算机基础 加法规则 :0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=10( 向高位进位 ) 减法规则 :0-0=0;0-1=1( 向高位借位 );1-0=1;1-1=0 乘法规则 :0 0=0;0 1=0;1 0=0;1 1=1 除法规则 :0 1=0;1 0( 无意义 );1 1=1 2. 二进制数的逻辑运算 计算机具有逻辑运算功能, 参与逻辑运算的运算量称逻辑量 逻辑量的取值只有两种 : 真 和 假 二进制数的两个数码 1 和 0 正好与其对应, 如用 1 表示 真, 则用 0 表示 假 二进制数的逻辑运算是按位进行的 ( 位运算 ), 不像加减运算那样有向高位进位或借 位的情况 逻辑运算主要有 非 与 ( 又称逻辑乘 ) 或 ( 又称逻辑加 ) 异或 等几种运算, 其运算规则如下 非 运算规则 ( 运算符用 - 表示 ): 0=1; 1 =0 与 运算规则 ( 运算符用 表示 ):0 0=0;0 1=0;1 0=0;1 1=1 或 运算规则 ( 运算符用 表示 ):0 0=0;0 1=1;1 0=1;1 1=1 异或 运算规则 ( 运算符用 表示 ):0 0=0;0 1=1;1 0=1;1 1= 数值信息在计算机中的表示 数据在计算机中都是以二进制形式表示的, 但往往不是直接存储它们的二进制值 当存 储一个数值型数据时, 除了要考虑该数的数值如何表示以外, 还要考虑它的数符 ( 正号 负号 ) 如何表示, 小数点如何表示, 甚至还要考虑如何表示更有利于计算机实现, 如何表示使表数范围更大 精度更高等 1. 机器数 在计算机中, 数据是用有限的二进制位数 ( 如 16b 32b 等 ) 来存储的 通常把一个数的最高位定义为符号位, 并用 0 表示正,1 表示负, 称其为数符 ; 其余位用于表示数值 通常将机器内部存放的正负符号数码化的数称机器数 ; 把机器外部由正负符号表示的数称真值数 例如, 真值为 ( ) B 的机器数为 ( ) B, 最高位的 1 表示数符为负号, 后面的 才是数值 机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制 字长和数据类型确定了, 则机器数能表示的数值范围也就确定了 例如, 若表示一个整数, 字长为 8 位, 则最大的正数为 , 最高位为符号位, 即最大值为 +127 若数值超出 127, 就要 溢出 机器数有两个基本特点 : 一个是数的正负符号数码化, 另一个是二进制的位数受计算机硬件的限制 2. 原码 反码和补码 科学出版社职教技术出版中心 为了改进机器数的运算方法和简化运算器的硬件结构, 人们研究了多种机器数的编码方

32 第 2 章计算机系统 23 法, 常见的编码方法有原码 反码和补码 而为了运算方便起见, 现在的计算机基本上都采用补码形式运算 这 3 种编码方法都是将最高位作为符号位, 用 0 表示正, 用 1 表示负 下面以 8 位表示一个整数为例来介绍原码 反码和补码 (1) 原码原码的编码方法 : 最高位作为符号位,0 表示正数,1 表示负数 其余位作为数值部分, 且数值部分用二进制数的绝对值表示 例如,+57 和 -57 的原码表示分别为 [+57] 原 = [-57] 原 = 用原码表示时, 虽然数的真值和它的原码表示之间的对应关系简单, 但原码本身的运算逻辑复杂, 所以不常使用 (2) 反码反码的编码方法 : 正数的反码与其原码相同 负数的反码是在其原码的基础上保持符号位不变, 其余各位按位取反 例如,+57 和 57 的反码表示分别为 [+57] 反 = [-57] 反 = 虽然计算机中得到反码非常方便, 但是反码用于计算还是比较麻烦, 因此实际上很少使用, 通常只是将反码作为求补码过程的中间形式 (3) 补码补码的编码方法 : 正数的补码与其原码相同 负数的补码是将其原码除符号位以外的各位先按位取反, 然后在最低位加 1, 即负数的补码 = 负数的反码 +1 例如,+57 和 -57 的补码表示分别为 [+57] 补 = [-57] 补 = 由于补码可以用相同的运算规则来进行各种运算, 使运算简化, 并且运算逻辑的实现也比较容易, 所以大多数计算机系统都采用补码编码方法 3. 数的定点表示和浮点表示若同时考虑计算机内数的正负符号和小数点位置, 则将数的表示分成定点小数 定点整数与浮点数 3 种形式 (1) 定点小数定点小数, 是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数 纯小数一般把小数点固定在最高位的左边, 最高位仍然为符号位, 如图 2-1 所示 按此规则, 任何一个纯小数都可以写成 N=N S N-1N-2 N M 图 2-1 定点小数的表示

33 24 大学计算机基础 其中,N S 为符号位, 即在计算机中用 M+1 个二进制位表示 1 个小数, 最高 ( 最左 )1 个二进制位表示数符 ( 0 表示正号, 1 表示负号 ), 后面的 M 个二进制位表示该小数的数值 小数点不用明确表示出来, 因为它总是固定在符号位与最高数值位之间 对用 M+1 个二进制位表示的小数来说, 其值的范围为 N 1-2 -M 定点小数表示法主要用在早期的计算机中 (2) 定点整数定点整数所表示的数据的最小单位为 1, 小数点固定在数值最低一位的右边, 如图 2-2 所示 整数又分为带符号数和不带符号数两类 对于带符号的整数, 最高位仍然为符号位, 可以写成 N=N S N N N N 1 N 2 N 1. 图 2-2 定点整数的表示 其中,N S 为符号位, 对于用 N+1 位二进制位表示的带符号整数, 其值的范围为 N 2 N -1 对于不带符号的整数, 所有的 N+1 个二进制位均看成是数值, 此时数值表示范围为 0 N 2 N+1-1 在计算机中, 数据一般用 8 位 16 位或 32 位来存储, 所以定点数表示的范围和精度都有限, 在进行数值计算时, 往往采用浮点数 (3) 浮点数计算机在处理实型数据时, 面临的一个问题是小数点如何表示 实际上系统并不是用一位二进制数来表示小数点的, 而是采用浮点数表示形式来隐含设定小数点的位置 所谓浮点数是指一个数的小数点的位置可以浮动 浮点表示法对应于科学 ( 指数 ) 计数法, 如果一个实数 X 采用二进制浮点形式, 则可表示为 X=±M 2 ±N 其中,M 称实数 X 的尾数, 一般采用二进制纯小数的形式 ( 如 0. ) M 代表了 X 的全部有效数字,M 的位数反映了数据的精度 N 称 X 的阶码, 表示 2 的多少次方 N 通常采用二进制整数形式,N 的大小决定了数的范围 M 前面的 ± 称数符,N 前面的 ± 称阶符 例如, 二进制数 X= , 则可表示为如下几种形式 X= = = 科学出版社 -10 = 在计算机中, 一个浮点数的存储格式如图 2-3 所示 图 2-3 浮点数的存储格式 职教技术出版中心

34 第 2 章计算机系统 25 在浮点数表示中, 数符和阶符都各占 1 位, 阶码的位数随数值表示的范围而定, 尾数的位数则依据数的精度要求而定 采用浮点数的主要目的是扩大实数的表示范围 应当注意 : 浮点数的正负由尾数的数符确定, 而阶码的正负只决定小数点的位置, 即决定浮点数的绝对值大小 非数值信息在计算机中的表示 非数值信息包括字符 ( 如普通可打印字符 控制符号 图形符号等 ) 图形 图像 声音 视频等 由于计算机中的信息都采用二进制表示, 所以这些信息都必须经过数字化后, 以某种二进制编码形式在计算机中存储及处理 1. 西文字符编码用以表示字符的二进制编码称字符编码 计算机中常用的字符编码有如下 3 种 1)ASCII(American Standard Code for Information Interchange, 美国信息交换标准代码 ) 这是微型计算机系统普遍采用的一种字符编码, 被国际标准化组织 (International Organization for Standardization,ISO) 接收为国际标准, 因此 ASCII 是目前国际上比较通用的信息交换码 2)EBCDIC(Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, 扩展的二进制编码的十进制数交换码 ) 该编码是在 BCD 码基础上扩展而来的,BCD 码有 4 位 6 位编码, 而 EBCDIC 码由 8 位组成, 可表示 256 个符号 EBCDIC 码主要用于 IBM 系列大型机 3)Unicode 编码 它是可以用于世界上任何一种语言文字和符号的字符编码方案 Unicode 采用 16 位编码, 能够表示 多个字符或符号 Unicode 编码与现今通用的 ASCII 码完全兼容, 目前已经在 Windows 2000/XP OS/2 Office 2000 等软件中使用 ASCII 是基于拉丁字母的一套计算机编码系统 ASCII 有 7 位码和 8 位码两种版本,7 位码称基本 ASCII, 是国际通用的 ;8 位码为扩充 ASCII 基本 ASCII 用 7 位二进制数表示 1 个字符的编码, 其编码范围为 B~ B, 共有 2 7 =128 个不同的编码值, 相应地可以表示 128 个不同的字符 基本 ASCII 表见表 2-3 表中对大小写英文字母 阿拉伯数字 标点符号及控制符等特殊符号规定了编码, 共 128 个编码, 每个编码值都对应一个字符, 将其称为该字符的 ASCII 值, 用于在计算机内部表示该字符 例如, 数字 0 的 ASCII 值为 48(30H), 字母 A 的 ASCII 值为 65(41H), a 的 ASCII 值为 97(61H) 等 常用的数字字符 大小写字母字符的 ASCII 值按从小到大的顺序依次为数字字符 大写字母字符 小写字母字符 从表中还可以看到, 在 128 个编码中有 33 个为控制符的编码 (00H~1FH 和 7FH), 另有 95 个可打印字符编码 (20H~7EH) 在计算机内部用 1 个字节 (8 位二进制位 ) 存放一个 7 位 ASCII 码, 将最高位置设置为 0

35 26 大学计算机基础 表 2-3 标准 ASCII 字符集 字符十进制十六进制字符十进制十六进制字符十进制十六进制字符十进制十六进制 NUL 0 00 SP ` SOH 1 01! A a STX 2 02 " B b ETX 3 03 # C c EOT 4 04 $ D d ENQ 5 05 % E e ACK 6 06 & F f BEL 7 07 ' G g BS 8 08 ( H h HT 9 09 ) I i LF 10 0A * 42 2A J 74 4A j 106 6A VT 11 0B B K 75 4B k 107 6B FF 12 0C, 44 2C L 76 4C l 108 6C CR 13 0D 45 2D M 77 4D m 109 6D SO 14 0E. 46 2E N 78 4E n 110 6E SI 15 0F / 47 2F O 79 4F o 111 6F DLE P p DC Q q DC R r DC S s DC T t NAK U u SYN V v ETB W w CAN X x EM Y y SUB 26 1A : 58 3A Z 90 5A z 122 7A ESC 27 1B ; 59 3B [ 91 5B { 123 7B FS 28 1C < 60 3C \ 92 5C 124 7C GS 29 1D = 61 3D ] 93 5D } 125 7D RS 30 1E > 62 3E ^ 94 5E ~ 126 7E VS 31 1F? 63 3F _ 95 5F Del 127 7F 2. 汉字编码 科学出版社职教技术出版中心 ACSII 只对英文字母 数字和标点符号进行编码 为了在计算机内表示汉字 处理汉字, 同样也需要对汉字进行数字化编码 计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程, 这些编码主要包括汉字信息交换码 汉字输入码 汉字机内码 汉字字形码及汉字地址码等 (1) 汉字信息交换码汉字信息交换码是指国家标准 GB 信息交换用汉字编码字符集基本集,

36 第 2 章计算机系统 27 也称国标码 国标码是用于汉字信息处理系统之间或汉字信息处理系统与通信系统之间进行信息交换的汉字代码, 它是为使系统 设备之间进行信息交换时能够采用统一的形式而制定的编码, 是目前国内所有汉字系统的统一标准 1) 常用汉字及其分级 国标码有 7445 个字符编码, 每个编码对应一个字符 其中, 有 682 个非汉字图形符号 ( 如序号 数字 罗马数字 英文字母 日文假名 俄文字母和汉语注音等 ) 和 6763 个汉字代码 汉字代码又分成一级常用字 3755 个和二级次常用字 3008 个 一级常用汉字按汉语拼音字母顺序排列, 二级次常用字按偏旁部首排列, 部首依笔画多少排序 2) 两个字节存储一个国标码 由于一个字节只能表示 2 8 =256 种编码, 显然用一个字节不可能表示全部汉字的国标码, 所以一个国标码采用两个字节来表示 3) 国标码的编码范围 为了中英文兼容,GB 规定, 国标码中, 所有字符 ( 包括符号和汉字 ) 的每个字节的编码范围与 ASCII 表中的 95 个字符编码相一致, 所以, 其编码范围是 2020H~7E7EH 4) 区位码 国标码把 7445 个字符放置在一个 的阵列中 阵列的每一行称一个汉字的 区, 用区号表示 ; 每一列称一个汉字的 位, 用位号表示, 区号和位号分别用两位十进制数表示 因此, 区号范围是 01~94, 位号范围也是 01~94 这样, 一个汉字在表中的位置可用它所在的区号与位号来确定 一个汉字的区号与位号的组合就是该汉字的 区位码 区位码的形式是高两位为区号, 低两位为位号 例如, 中 字的区位码是 5448, 即 54 区 48 位 区位码与每个汉字之间具有一一对应的关系 国标码在区位码表中的安排 :1~ 15 区是非汉字图形符号区 ;16~54 区是一级常用汉字区 ;56~87 区是二级次常用汉字区 ; 88~94 区是保留区, 可用来存储自造字代码 实际上, 区位码也是一种输入法, 其最大的优点是一字一码的无重码输入法, 最大的缺点是难以记忆 (2) 汉字输入码汉字输入码是为了将汉字输入计算机而编制的代码, 也称外部码 目前汉字主要是经标准键盘输入计算机的, 所以汉字输入码都是由键盘上的字符或数字组合而成的 现在流行的汉字输入码的编码方案有许多, 如全拼输入法 双拼输入法 自然码输入法 五笔输入法 搜狗拼音输入法等 这些编码方案可归纳为 3 类 : 音码 形码和音形结合码 根据汉字的发音特征进行编码的称音码, 如全拼 双拼等 ; 根据汉字的字形特征进行编码的称形码, 如五笔输入法 ; 以拼音为主, 辅以字形字义进行编码的称音形结合码, 如自然码等 对于同一个汉字, 不同的输入法有不同的输入码 例如, 中 字的全拼输入码是 zhong, 其双拼输入码是 vs, 而五笔的输入码是 kh 这些不同的输入码通过输入字典转换统一到标准的国标码之下 (3) 汉字机内码汉字机内码是为在计算机内部对汉字进行存储 处理而设置的汉字编码, 它应能满足在计算机内部存储 处理和传输的要求 当一个汉字被输入计算机后就转换为汉字机内码, 然后才能在机器内传输 处理 汉字机内码的形式也多种多样 目前, 对应于国标码一个汉字的机内码也用两个字节存储, 并把每个字节的最高二进制位置 1 作为汉字内码的标识, 以免与单字节的 ASCII 产生歧义 也就是说, 国标码的两个字节, 每个字节最高位置 1, 即转换为汉字机内码

37 28 大学计算机基础 (4) 汉字字形码 将国标汉字字符集的所有字符的形状描述信息集合在一起, 称汉字字形信息库, 简称汉 字库 目前, 汉字字形的产生方式大多是点阵方式 将方块汉字等分成有 n 行 n 列的格子, 称其为点阵 凡笔画所到的格子点为黑点, 对应 用二进制数 1 表示, 否则为白点, 对应用二进制数 0 表示 因此, 一个汉字的字形就 可用一串二进制数表示了 字形码 : 字库中每一个汉字字形信息的编码, 称字形码 例如,16 16 汉字点阵有 256 个点, 需要 256 位二进制位来表示一个汉字的字形码, 这样就形成了汉字字形码, 也即汉字 点阵的二进制数字化 图 2-4 是 中 字的 点阵字形示意图 在计算机中,8 个二进制位组成一个字节, 它是对 存储空间编址的基本单位 可见, 一个 点阵的字 形码需要 =32 字节存储空间 ; 同理,24 24 点 阵的字形码需要 =72 字节存储空间 ;32 32 点 阵的字形码需要 =128 字节存储空间 点阵中行 列数划分越多, 字形的质量越好, 锯齿 现象也就越小, 但存储汉字字形码所占用的存储容量也图 2-4 中 字的 点阵字形示意越大 汉字的点阵字形的缺点是放大后会出现锯齿现象, 很不美观 中文 Windows 下广泛采用了 TrueType 字形码, 这是一种矢量表示方式, 它采用了数学方法来描述一个汉字的字形码, 这种字形码可以实现无级放大而不产生锯齿现象 汉字字形通常分为通用型和精密型两类 通用型汉字字形点阵分成 3 种 : 1) 简易型 :16 16 点阵 2) 普通型 :24 24 点阵 3) 提高型 :32 32 点阵 精密型汉字字形用于常规的印刷排版, 由于信息量较大 ( 字形点阵一般在 以上 ), 通常采用信息压缩存储技术 (5) 汉字地址码汉字地址码指每个汉字字形码在汉字字库中的相对位移地址 汉字库中, 字形信息都是按一定顺序 ( 大多数按国标码中汉字的排列顺序 ) 连续存放在存储介质中的, 所以汉字地址码也大多是连续有序的, 而且与汉字机内码间有着简单的对应关系 例如, 需要向输出设备输出汉字时, 必须通过地址码, 才能在汉字库中找到所需字型码, 最终在输出设备上显示出汉字字形 (6) 各种汉字代码之间的关系汉字的输入 处理和输出的过程, 实际上是汉字的各种编码之间的转换过程, 或者说汉字编码在系统有关部件之间流动的过程 图 2-5 表示了汉字编码在汉字信息处理系统中的位置及它们之间的关系 在汉字的显示和打印输出过程中, 首先根据该汉字机内码找出该汉字字形码在汉字库中的地址码, 然后按地址码从字库中取出汉字字形码, 实现汉字的显示或打印输出 科学出版社职教技术出版中心

38 第 2 章计算机系统 29 图 2-5 汉字编码在信息处理系统中的位置及它们之间的关系 3. 多媒体信息编码图形 图像 声音 视频 动画等多媒体信息也可以存储到计算机中, 但这些信息都要经过数字化后, 采用某种编码形式来表示 多媒体信息的获取 数字化 编码方法与媒体的特性和硬件设备有关, 比较复杂 例如, 一个图形可以用图形原语 ( 如直线 矩形 圆等 ) 和它们的属性 ( 如圆心坐标 半径 颜色编码 ) 来描述 ; 而一个静态图像可以用一个像素点矩阵来描述, 其中每一个像素点的颜色又可用定长的二进制编码来表示 有关多媒体信息处理技术将在第 6 章详细介绍 2.2 计算机系统概述 一个完整的计算机系统包括硬件系统 ( 以下简称 硬件 ) 和软件系统 ( 以下简称 软件 ) 两大部分 硬件是指组成计算机的物理装置, 由各种电子元器件 机械部件和设备构成 硬件是计算机进行工作的物质基础 软件是指运行在计算机硬件设备上的各种程序 这些程序所使用的数据及相关文档资料的总称 存储程序控制原理 存储程序控制原理是由冯 诺依曼提出的 存储程序控制原理的基本思想如下 1) 采用二进制形式表示数据和指令 2) 将要执行的程序 ( 指令序列 ) 和要处理的数据预先存放到计算机的内存储器中, 使计算机能够自动地从内存储器中取出指令执行, 从而实现计算机自动地工作 3) 计算机由运算器 控制器 (control unit,cu) 存储器 (memory unit) 输入设备 (input device) 和输出设备 (output device) 五大基本部件组成, 确定了这五大部件的基本功能 冯 诺依曼的计算机设计思想最重要之处在于明确地提出了 存储程序 的概念, 他的全部设计思想实际上是对 存储程序 概念的具体化 最早实现 存储程序 的计算机是 EDSAC, 而最早采用二进制的计算机是 EDVAC 现代计算机发展至今已经历了 4 代, 尽管硬件技术的发展日新月异, 体系结构也有了多种演变, 但就其本质而言, 仍然还是遵循冯 诺依曼型计算机的体系结构思想 也就是说, 存储程序控制原理仍然是现代计算机的基本工作原理, 冯 诺依曼也因此被誉为 现代计算机之父

39 30 大学计算机基础 计算机系统的组成 计算机系统由硬件和软件组成, 如图 2-6 所示 图 2-6 计算机系统的组成 图 2-6 描述了一个完整的计算机系统 其中, 硬件是支撑软件工作的基础, 没有足够的 硬件支持, 软件则无法正常工作 而软件是计算机的大脑和灵魂, 没有装备任何软件的计算机通常称 裸机, 仅裸机本身几乎不能完成任何功能, 它既不能帮助用户解决实际问题, 也不方便用户使用计算机 所以, 硬件和软件二者相辅相成, 缺一不可 2.3 计算机硬件 本节介绍计算机硬件的组成, 各组成部件的基本功能 基本结构及计算机的基本工作原理 计算机硬件的组成 根据冯 诺依曼 存储程序 工作原理思想, 计算机的硬件由五大部件组成 : 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 一般而言, 运算器 控制器和内存储器是计算机的主要部分, 因此常常将这 3 个部件合在一起称主机 ; 而输入设备 输出设备和外存储设备合在一起称外围设备 ( 以下简称 外设 ) 计算机硬件的组成结构及信息流如图 2-7 所示 原始数据或程序由输入设备输入到内存储器保存 ; 当程序被执行时, 控制器从内存储器一条一条地取出指令, 然后根据指令的性质产生相应的控制信号, 从而控制相关部件有条不紊地工作 ; 运算器与内存储器之间可以双向传送要处理的数据或运算结果 数据可以从外存储器读入到内存储器, 也可以将内存储器中的数据写入外存储器 ( 存盘 ); 计算结果由输出设备完成输出 科学出版社职教技术出版中心

40 第 2 章计算机系统 31 图 2-7 计算机硬件系统组成及信息流示意 注 : 代表数据流 ; 代表控制流 指令系统与中央处理器 1. 指令系统 指令 : 指示计算机硬件完成某种基本操作的命令 机器指令 : 能被计算机直接识别 执行的指令, 是对计算机进行程序控制的最小单位 指令系统 : 一台计算机能执行的所有指令的集合 指令实际上是一串二进制代码, 它有规定的编码格式, 一条指令的组成分为操作码和操作数两部分 操作码规定该指令要执行的操作种类, 如加 减 读 写 传送等 ; 操作数是指操作的对象 操作数部分用来指定参加运算的数其本身或操作数所在的地址 运算结果存放的地址 下一条指令的地址等 指令的一般格式如图 2-8 所示 一台计算机可以有几十到几百条指令, 这些指令按功能的不同, 一般分为以下几种类型 1) 数据处理类指令 : 用于完成对数据进行算术运算或逻辑运算 图 2-8 指令的一般格式 2) 数据传送类指令 : 用于在存储器之间 寄存器之间 存储器与寄存器之间 内存储器不同单元之间传送数据 3) 输入 / 输出类指令 : 用于实现主机与输入 / 输出设备之间的数据传送 4) 程序控制类指令 : 用于改变程序中指令执行的顺序, 实现对程序执行流程的控制 5) 其他指令 : 用于完成某些特定功能, 如动态停机指令 空操作指令 系统特权指令等 对不同类型的计算机而言, 其指令系统的指令数目和种类也不完全相同 因此, 指令系统影响着计算机的硬件结构, 决定着计算机的性能, 也反映硬件对软件的支持程度 2. 中央处理器 运算器和控制器合称 CPU(Central Processing Unit, 中央处理器 ) 通常 CPU 和通用寄存器被集成在一块集成电路芯片上 CPU 是计算机的核心部件, 一般而言,CPU 品质的高低决定了计算机系统的档次, 而 CPU 有两个最重要的品质标志 : 一个是 CPU 一次操作能够

41 32 大学计算机基础 同时处理的二进制数据的位数 ( 字长 ), 如人们通常所说的 32 位机 64 位机等 ; 另一个就 是 CPU 的主频 ( 时钟频率 ), 主频越高, 运算速度就越快 (1) 运算器 运算器是对数据进行加工处理的部件, 其功能是执行算术运算和逻辑运算 运算器主要由算术逻辑部件 (Arithmetic Logic Unit,ALU) 通用寄存器组 控制电路及连接各部件的数据通路组成 计算机中最主要的工作是运算处理, 大量的数据运算处理任务是在运算器中完成的 所以, 运算器的性能指标是衡量整个计算机性能的重要因素之一, 而与运算器相关的性能指标有机器字长和运算速度 (2) 控制器控制器是指挥控制计算机各部件协同工作的部件, 它是计算机的神经中枢和指挥中心, 计算机就是在控制器的控制之下有条不紊地进行工作的 控制器的基本功能是, 从存储器中逐条取出指令, 分析指令, 根据指令功能产生相应的控制信号作用于其他各个部件, 并控制相应部件完成指令要求的基本操作 控制器主要由以下几个部件组成 1) 程序计数器 (Program Counter,PC): 产生下一条要执行的指令在存储器中的地址 当顺序执行程序中的指令时, 每取出一条指令, 程序计数器就自动加 1, 从而产生下一条指令的地址 ; 当程序开始运行或改变程序中指令执行的顺序时, 则直接将起始地址或转移地址送入程序计数器便可, 这就是计算机能够自动工作的基础 2) 指令寄存器 (Instruction Register,IR): 用于存放从存储器中取出的指令 3) 指令译码器 (Instruction Decoder,ID): 用于对指令寄存器中指令的操作码部分进行 翻译 ( 译码 ), 弄清楚该条指令要执行什么操作 ( 如加 减 传送等 ) 4) 时序控制部件 : 以时钟脉冲为基础, 产生指令执行过程中所需的时序信号 5) 微操作控制部件 : 综合时序信号 指令译码信息等, 产生指令执行所需的操作控制信号, 从而控制系统各个部件的工作 控制器的组成结构如图 2-9 所示 科学出版社图 2-9 控制器的组成结构 职教技术出版中心

42 第 2 章计算机系统 存储器 存储器是计算机的记忆装置, 其基本功能是存储程序和数据 存储器通常分为内存储器和外存储器 内存储器也称主存储器, 简称 内存 或 主存 ; 外存储器又称辅助存储器, 简称 外存 或 辅存 通常用 存储容量 来衡量存储器的大小 所谓 存储容量, 是指存储器能够存储信息的总字节数 常用的存储容量单位有 KB MB GB TB 等 1. 内存储器内存储器用来存放当前运行的程序和要处理的数据 内存储器可直接与 CPU 交换信息 ; 而外存储器中的程序和数据需要运行和处理时, 必须预先存入内存储器才能被计算机执行 内存储器的特点是, 存取速度快但存储容量相对较小 内存储器按其功能和存储信息的原理又可分成两大类, 即随机存取存储器 (Random Access Memory,RAM) 和只读存储器 (Read Only Memory,ROM) (1) 随机存取存储器随机存取存储器用来存放用户要执行的程序和数据 通常所说的内存储器就是指 RAM, 它是程序和数据的临时存放地和中转站, 从外设输入的信息都要通过它与 CPU 交换 RAM 的特点是,CPU 对其既可以读出 ( 取出 ) 数据, 也可以写入 ( 存入 ) 数据 但是, 一旦关机或断电, 则 RAM 中的信息会全部丢失 因此, 用户在操作计算机的过程中应养成随时存盘的习惯, 以防断电丢失数据 (2) 只读存储器只读存储器的特点是,CPU 对它只能读出而不能随便写入数据 ROM 中的信息一般是由计算机制造商写入并经固化处理的, 用户一般无法修改 并且 ROM 中的信息不会因计算机断电而丢失 因此,ROM 中通常存放一些重要的 无需修改且经常使用的系统管理程序, 如系统加电自检 引导和基本输入 / 输出系统 (Basic Input-Output System,BIOS) 等程序, 计算机一通电立刻执行其中的程序,ROM BIOS 就是指含有这种基本输入 / 输出程序的 ROM 芯片 2. 高速缓冲存储器随着计算机技术的发展,CPU 的主频不断提高, 但内存储器的存取速度明显慢于 CPU 的速度, 严重影响了计算机的运行速度, 高速缓冲存储器 (Cache) 就是为了解决 CPU 与内存之间速度不匹配而采取的一项重要技术 这项技术是在 CPU 与内存储器之间设置一个小容量但高速度的存储器以起到缓冲作用 在微型机配置中, 为了提高计算机性能, 往往还分多级设置 Cache, 如图 2-10 所示 通常将一级 Cache( 如 64KB 缓存 ) 内嵌在 CPU 芯片上, 将二级 Cache( 如 512KB 缓存 ) 固化在主板上 一般来说, 程序的执行在一段时间内总是集中于指令代码的一个小范围内, 当 CPU 访问内存储器时, 若将当前急需执行和使用频繁的这段代码及要处理的数据从内存复制到 Cache 中, 则高速缓存便可满足 CPU 访问内存储器的要求 只要程序的执行还在这段代码范围内,CPU 对内存储器的访问就演变成了对 Cache 的访问, 从而使得 CPU 可以不必增加等待时间而保持高速操作, 提高了计算机系统的整体性能

43 34 大学计算机基础 图 2-10 Cache 设置示意 3. 外存储器 外存储器主要用来存放一些暂时不用而又需长期保存的程序或数据 当需要执行外存储 器中的程序或处理外存储器中的数据时, 必须通过 CPU 输入 / 输出指令, 将其调入 RAM 中 才能被 CPU 执行处理 目前广泛使用的微型计算机外存储器主要有软磁盘 硬磁盘 光盘 及闪存盘等 外存储器的特点是, 存储容量大 ( 如现今硬盘容量可达 320GB 500GB 或 1TB 2TB, 一张光盘容量为 700MB) 可以长期保存程序或数据 价格便宜, 但外存储器的存取速度相 对较慢 4. 访问内存储器 对内存储器的访问包括 读 ( 也称 取 ) 操作和 写 ( 也称 存 ) 操作 读 内 存储器实际上是将内存储器单元中的数据进行复制的过程, 原内存储器单元中的数据仍然保留 ; 写 内存储器则是删除原内存储器单元中的数据, 向其写入新的数据, 即原内存储器单元中的数据被覆盖 (1) 地址内存储器是由许许多多等长的存储单元线性排列组织的, 通常一个存储单元为 8bit(1 字节 ) 为了方便访问内存储器, 对每个存储单元 ( 每个字节 ) 给定一个唯一的编号, 称该编号为存储单元的地址, 即对内存储器按字节编址进行管理 CPU 采取按地址访问内存储器的工作方式 (2) 内存储器的组成与 读 / 写 操作内存储器主要由存储体 (Memory Bank,MB) 地址寄存器(Memory Address Register, MAR) 地址译码器(Memory Address Decoder,MAD) 数据寄存器(Memory Data Register, MDR) 和读 / 写控制电路 (read/write control circuit) 等部件组成, 各部件的基本功能如下 1) 存储体 : 由许许多多存储单元组成 通常一个存储单元由 8 个存储元件组成, 每个存储元件可存储 1 位二进制数 2) 地址寄存器 : 用于存放来自地址总线的 要访问的内存储器单元的地址 ( 指令地址或操作数地址 ) 3) 地址译码器 : 对地址寄存器所提供的地址码进行译码, 以便 选中 地址码所指定的存储单元 4) 数据寄存器 : 用于暂时存放从存储单元中读出的数据 ( 或指令 ); 或者用于暂时存放从数据总线传来的要写入存储单元的数据 5) 读 / 写控制电路 : 根据控制总线传来的 读 / 写 内存储器的命令信号, 对指定存储单元实施 读 操作或 写 操作 内存储器的组成及 读 / 写 操作原理如图 2-11 所示 科学出版社职教技术出版中心

44 第 2 章计算机系统 输入 / 输出设备 图 2-11 内存储器的组成结构及读 / 写操作示意 输入 / 输出 (Input /Output,I/O) 设备是计算机系统不可缺少的组成部分 1. 输入设备输入设备用来接收用户输入的程序和数据, 并将这些信息转变为计算机可以识别的二进制形式存储 常见的输入设备有键盘 鼠标 触摸屏 扫描仪 手写板 麦克风 数码相机及摄像头等 2. 输出设备输出设备用于将计算机处理后的数据 运算结果等内部信息转变为人们习惯接受的形式 ( 如字符 表格 图形 图像 声音等 ) 常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 一般而言, 外存储器既是输入设备又是输出设备, 如磁盘驱动器 磁带机 闪存盘等 计算机的工作原理 1. 程序程序是一系列有序的指令的集合 这里所说的 有序 与计算机在求解某一实际问题时所采取的操作步骤有关, 也就是说, 程序中的指令须根据求解问题的操作步骤来安排 由高级语言或汇编语言编写的程序称源程序 ; 由机器语言 ( 机器指令 ) 编写的程序称目标程序 由于计算机能直接识别和执行的是机器指令, 因此, 源程序必须翻译成目标程序之后才能被计算机执行 2. 计算机执行指令的过程计算机在工作过程中主要有两种信息流 : 数据流和控制流 数据流是指待处理的原始数据 运算的中间结果及结果数据 源程序等 控制流是指由控制器对指令进行分析 译码解释后向各部件发出的控制命令 数据流信息通过输入设备预先输入到计算机的内存储器保存, 然后根据需要将要处理的数据由内存储器传送到运算器运算, 运算后的中间结果及结果

45 36 大学计算机基础 数据又存入内存储器, 或者通过输出设备输出 控制流信息则是在执行一条条指令的过程中产生的 计算机执行指令的过程可分为以下 4 个步骤 1) 取指令 : 控制器按照程序计数器中的地址 ( 指令在内存储器中的地址 ), 从内存储器中取出指令, 并送到控制器中的指令寄存器中 2) 分析指令 : 由控制器中的译码器对指令寄存器中的指令进行分析和译码, 根据指令的操作码确定执行什么操作, 根据地址码确定操作数的地址 3) 执行指令 : 根据分析和译码的结果, 在时序控制部件的作用下, 由微操作控制部件向计算机的各部件发出完成该操作的控制信号, 执行该指令的功能 4) 执行完一条指令后, 程序计数器加 1, 形成下一条指令的地址 ; 若遇到转移指令, 则将转移地址码送入程序计数器 然后回到步骤 1), 进入下一条指令的取指阶段 3. 计算机的工作过程 图 2-12 计算机自动工作过程 2.4 计算机软件 实际上, 计算机的工作过程就是高速地执行指令的过程, 也是自动执行程序的过程 通过上述对指令执行过程的分析, 便可初步了解计算机的工作原理 计算机的基本工作原理可概括如下 1) 冯 诺依曼提出的 存储程序原理 思想决定了计算机的自动工作 ( 自动计算或自动处理 ) 过程, 就是执行预先存储的计算机程序的过程 2) 程序是指令的有序集合 因此, 执行计算机程序的过程实际上是逐条执行指令的过程, 即不断地取指令 分析指令 执行指令, 然后取下一条指令 分析指令 执行指令, 如此重复操作, 直至执行到停机指令 3) 指令的逐条执行是由计算机的硬件实现的, 可顺序完成取指令 分析指令 执行指令所规定的操作, 并为取下一条指令准备好指令的地址 计算机的自动工作过程如图 2-12 所示 本节介绍计算机软件的发展 软件的组成及软件的分类 常用软件的基本功能 计算机软件概述 1. 计算机软件的发展 科学出版社职教技术出版中心 软件的发展受到计算机硬件发展和应用的推动和制约, 其发展过程大致分为 3 个阶段 (1) 第一阶段这一阶段 (1946~1956 年 ) 是从第一台计算机上的第一个程序出现到实用的高级语言

46 第 2 章计算机系统 37 出现 这一时期, 计算机的应用以科学计算 ( 数值计算 ) 为主, 计算量较大, 但输入输出量不大 机器结构 以 CPU 为中心, 存储器较小, 编制程序的工具为机器语言 ( 机器语言为低级语言 ), 突出的问题是程序设计与程序编制工作复杂 烦琐 易出错 因此重点考虑程序本身, 使它占用内存小, 运行时间短, 从而提高效率 这时尚未出现 软件 一词 (2) 第二阶段第二阶段 (1956~1968 年 ) 是从实用的高级程序设计语言出现到软件工程出现以前 这一时期的计算机除了科学计算外, 还应用于大量数据处理问题, 虽计算量不大, 但输入输出量较大 机器结构转向 以存储器为中心, 出现了大量存储器, 增加了许多输入输出设备 为了充分利用和管理这些资源, 出现了 操作系统 ; 为了提高程序设计人员的工作效率, 出现了高级语言 ; 为了适应大量的数据处理, 出现了数据库 (Database,DB) 及其管理系统 这时, 人们也开始认识到了文档的重要性, 出现了 软件 一词 随着软件规模的不断增大 软件复杂性的不断提高, 甚至出现了人们难以控制的局面, 即所谓软件危机 为了克服危机, 人们意识到软件开发方法的重要性并采取了多种方法, 特别是出现了 软件工程 的概念 (3) 第三阶段软件工程出现 (1965 年 ) 至今为第三阶段 对于一些复杂的大型软件, 采用个体或者合作的方式进行开发不仅效率低 可靠性差, 且很难完成, 必须采用工程方法才能适用 因此, 从 20 世纪 60 年代末开始, 软件工程得到了迅速发展, 随后还出现了 计算机辅助软件 软件自动化 系统等 目前, 人们除了研究和改进软件传统技术外, 还在着重研究以智能化 自动化 集成化 并行化及自然化为标志的软件工程技术 2. 计算机软件的作用 根据冯 诺依曼计算机的 存储程序控制 原理这一重要特征, 可以确定的是计算机的工作是由存储在其内部的程序指挥控制的 因此, 计算机程序或软件的质量将极大地影响到计算机性能的发挥, 特别是并行处理技术及精简指令集计算机 (Reduced Instruction Set Computer,RISC) 的出现, 更加显现出软件的重要地位和作用 具体而言, 计算机软件有以下 3 个方面的作用 1) 软件在计算机系统中起着指挥 控制和管理的作用 计算机系统中的各种硬件资源和软件资源, 必须由相应的软件 ( 特别是操作系统 ) 来统一控制和管理 2) 软件是用户与计算机硬件之间的接口界面 用户使用计算机及与计算机进行交互的方式, 主要通过软件 ( 如操作系统 应用程序 ) 3) 软件是计算机体系结构设计的主要依据 计算机系统中的某些功能, 既可以由硬件实现, 也可以由软件完成 为了改进 优化系统的性能, 降低系统的成本, 使计算机系统具有较高的整体效率, 在设计计算机时必须考虑软件与硬件的结合, 以及用户对软件的要求 3. 计算机软件的分类 计算机软件一般可分为系统软件和应用软件, 如图 2-6 所示 系统软件通常负责管理 控制和维护计算机的各种软硬件资源, 并为用户提供一个友好的操作界面和工作平台 常见的系统软件主要包括操作系统 程序设计语言 语言处理程序 数据库系统 系统实用程序 ( 如连接装配程序 系统诊断程序 纠错程序 防木马防病毒程序等 ) 网络操作系统 网络协议等

47 38 大学计算机基础 应用软件一般是由专业人员为各种应用目的而开发的软件 常见的应用软件有办公自动 化软件 图形图像处理软件 计算机辅助工程软件 ( 如计算机辅助教学 计算机辅助设计 工程计算软件等 ) 游戏软件等 系统软件 1. 操作系统 操作系统是直接运行在裸机上的最基本 最核心的系统软件之一, 计算机和其他软件必须在操作系统的支持下才能运行 操作系统的功能是控制和管理计算机系统的所有硬件资源和软件资源 ; 合理地组织计算机的工作流程 ; 为方便用户使用计算机提供一个友好的界面 不同操作系统的体系结构和界面形式存在很大差异, 但一般都具有处理机管理 ( 进程管理 ) 存储管理 文件管理 设备管理等基本功能 目前, 常见的微型计算机上的操作系统有 Windows Linux DOS UNIX Mac OS 等 用于移动通信的手机上的操作系统有 Apple 公司开发的 iphone OS 系统 Google 公司开发的基于 Linux 平台的安卓 (Android) 系统 Microsoft 开发的 Windows Phone 系统等 2. 程序设计语言 程序设计语言 ( 计算机语言 ) 经历了从机器语言 (machine language) 汇编语言(assembly language) 到高级语言 (high-level programming language) 的发展历程 在这一发展过程中, 程序设计语言的功能在不断完善, 描述问题的方法也更加贴近人类的思维方式 并且, 程序设计语言正朝着自然化 智能化的方向在不断发展 (1) 机器语言机器语言是计算机诞生和发展初期所使用的计算机语言 机器语言也称二进制代码语言, 是一串串由 0 和 1 组成的指令码, 计算机可以直接识别, 不需要进行任何翻译 每台机器的指令, 其格式和代码所代表的含义都是有硬性规定的, 不同的计算机设备有不同的机器语言 所以, 机器语言是从属于硬件设备的, 是面向机器的语言 在计算机发展初期, 人们直接使用机器语言来编写程序, 那是非常复杂和烦琐的工作, 效率低且容易出错, 同时要求编程人员非常熟悉计算机硬件 现如今, 机器语言已不再是程序员的编程语言, 但机器语言仍然是计算机硬件唯一能直接识别并能执行的语言 (2) 汇编语言汇编语言诞生于 20 世纪 50 年代初期, 为了减轻程序员使用机器语言编程的工作量和难度, 人们进行了一种有益的改进, 用一些助记符 ( 如英文字母串 ) 来表示每一条机器指令的二进制代码串 例如, 用 ADD 代表加法指令, 用 SUB 代表减法指令, 用 MOV 代表数据传送指令等 人们将这种用助记符来表示机器指令的程序设计语言称为汇编语言 由于容易阅读 便于理解和记忆, 方便纠错及维护程序, 汇编语言比机器语言前进了一步 但是, 计算机是不认识这些助记符号的, 这就需要一个特殊的程序, 专门负责将这些符号翻译成二进制的机器语言, 这种翻译程序被称为汇编程序 汇编语言都是针对特定的计算机或计算机系统设计的, 对机器硬件的依赖性仍然很强, 也是面向机器的语言 因此, 用汇编语言编写的程序移植性不好, 但由于汇编语言与机器硬 科学出版社职教技术出版中心

48 第 2 章计算机系统 39 件结合紧密, 针对计算机特定硬件而编制的汇编语言程序, 能准确发挥计算机硬件的功能和特长, 程序精练 代码效率高, 所以至今仍是一种常用而强有力的软件开发工具 (3) 高级语言高级语言出现于 20 世纪 50 年代中期, 这种语言接近于数学语言或人的自然语言, 同时又不依赖于计算机硬件, 编写的程序能在所有机器上通用 可读性更好, 语言的功能更强, 编程也更加方便 1954 年, 第一个完全脱离机器硬件的高级语言 FORTRAN 问世了 多年来, 共有几百种高级语言出现, 有重要影响 较为流行的有几十种, 其中使用较普遍的有 FORTRAN ALGOL COBOL BASIC LISP PROGLOG SNOBOL APL Pascal C Ada 等 这些计算机程序设计语言的主要应用特点见表 2-4 表 2-4 程序设计语言的主要应用特点 出现年代语言名称主要应用特点 20 世纪 50 年代 20 世纪 60 年代 20 世纪 70 年代 FORTRAN ALGOL COBOL BASIC LISP PROGLOG SNOBOL APL Pascal C Ada 科学和工程计算领域中的主流语言, 具有简洁 高效和完善的 I/O 功能适合科学和工程计算的语言引入了独立于机器的数据描述概念, 适用于进行数据处理简单易学, 易普及, 是大多数程序员接触到的第一门计算机语言应用于人工智能领域的列表处理语言应用于人工智能领域的语言应用于文本处理领域的语言涉及矩阵运算的科学计算领域的语言结构化程序设计语言 语法严谨 结构规范, 适合教学用的语言功能强大的结构化程序设计语言 具有丰富的运算符 控制结构和数据类型具有嵌入式风格 模块化设计的通用程序设计语言 高级语言编写的程序称高级语言源程序, 源程序必须翻译成目标程序之后才能被计算机执行, 承担翻译任务的翻译程序被称为编译程序或解释程序 为了便于了解机器语言 汇编语言和高级语言程序设计的复杂度, 下面举例求解 1+1=? 的问题, 所使用的程序设计语言如图 2-13 所示 MOV AX, 1 ADD AX, 1 main () { printf("%d", 1+1); } (a) 机器语言 (b) 汇编语言 (c) 高级语言图 2-13 求解 1+1=? 问题的程序设计语言高级语言是 面向过程语言 (procedure oriented language) 顾名思义, 程序员必须将求解问题的过程和步骤在程序中描述出来, 通知计算机

49 40 大学计算机基础 (4) 面向对象程序的设计语言 高级语言的发展也经历了从早期语言到结构化程序设计语言, 从面向过程语言到面向对 象语言 (object oriented language) 的发展历程 面向对象 (object oriented) 的概念是 20 世纪 80 年代初开始提出的, 它是相对 面向过程 的一次革命 面向对象不仅仅作为一种 语言, 更作为一种方法论贯穿于软件设计的各个阶段 面向对象观点认为, 世界是由一个个的对象组成, 而周围所发生的一切是对象间相互作用的结果 在面向对象程序设计中, 有几个重要的基本概念, 如 类 对象 封装 继承 多态 等 利用类来创建对象, 而对象具有属性, 对象还具有功能, 程序的功能就是通过各个对象自身的功能和相互作用得以实现 当前流行的面向对象语言有 C++ VB(Visual Basic) Delphi Java C# 等 以这些语言为载体的面向对象技术在系统程序设计 数据库 多媒体应用 Web 应用等诸多领域得到了广泛的应用 面向对象程序设计思想也已经主导程序设计语言的发展 (5) 非过程化的程序设计语言高级语言的下一个发展目标是面向应用, 即只需要告诉计算机你要干什么, 程序就能自动生成算法, 自动进行处理, 这就是非过程化的语言 用户使用这种语言, 不必关心问题的求解算法和对处理过程的描述, 只需说明要完成的工作及工作条件, 计算机就能给出用户所要的结果, 而原来费时费力的编程工作则主要由系统来完成, 因此非过程化的语言比过程化语言使用起来更加方便 例如, 结构化查询语言 (Structured Query Language,SQL) 即属于非过程化的语言 3. 语言处理程序 计算机可直接识别并执行的只能是目标程序, 因此, 语言处理就是将源程序翻译 ( 或转换 ) 成目标程序, 而完成这一翻译工作的即是语言处理程序 语言处理程序共有 3 种 : 汇编程序 编译程序和解释程序 语言处理程序除了要完成语言间的转换外, 一般还要进行语法 语义等方面的检查 汇编程序将汇编语言源程序翻译成目标程序, 这一翻译过程称汇编 汇编通常是将一条汇编语言指令翻译成一条机器语言指令的过程 编译程序将高级语言源程序翻译成目标程序, 这一翻译过程称编译 对编译而言, 往往需要将一条高级语言的语句转换成若干条机器语言指令, 因为高级语言的结构比汇编语言复杂得多 解释程序是边扫描 边翻译 边执行的翻译程序, 解释过程不产生目标程序 翻译程序将高级语言源程序逐句地读入, 逐句地分析和解释, 逐句地执行 语言处理程序采用两种方式工作 : 编译方式和解释方式 编译方式将整个源程序翻译成目标程序 ( 扩展名为.obj 的程序 ), 然后再通过连接程序, 将目标程序与各模块 ( 如系统库函数 用户自定义函数或过程等 ) 连接装配成一个完整的可执行目标程序 ( 扩展名为.exe 的可执行程序 ), 如图 2-14 所示 采用编译方式的语言有汇编语言 FORTRAN 语言 Pascal 语言 C 语言及现今流行的 Visual C++ VB Delphi 等 科学出版社职教技术出版中心

50 第 2 章计算机系统 41 图 2-14 高级语言源程序的编译过程 解释方式将高级语言源程序逐句解释执行, 但解释过程中并不生成目标程序, 如图 2-15 所示 采用解释方式的语言有早期的 Basic 语言 QBasic 语言等 图 2-15 高级语言源程序的解释过程 4. 数据库系统数据库系统 (DataBase System,DBS) 由数据库 数据库管理系统组成 数据库系统不但能存储大量的数据, 而且还能对数据进行操纵, 如增加数据 删除数据 检索数据 修改数据 排序数据 合并数据 统计数据等 数据库是指按照一定数据模型存储的数据集合 它是一个有组织 有共享 长期存储和统一管理数据的计算机软件系统 数据库管理系统 (Database Management System,DBMS) 是一种操纵和管理数据库的大型软件, 用于建立 使用和维护数据库 DBMS 对数据库进行统一的管理和控制, 以保证数据库的完整性和安全性 用户通过 DBMS 访问数据库中的数据, 数据库管理员也通过 DBMS 进行数据库的维护工作 应用软件 用户为解决某一特定问题而研制 开发或购买的各种计算机软件称应用软件 它是为满足用户不同领域 不同问题的应用需求而编写的软件 常用的应用软件有办公自动化软件 ( 如 Microsoft Office 2010 金山 WPS Office 2012 等 ) 绘图软件( 如 AutoCAD 3ds Max Photoshop 高华 CAD 软件等 ) 工程计算软件 网络应用软件等 2.5 微型计算机系统 自 20 世纪 70 年代开始, 由于大规模集成电路和超大规模集成电路技术的迅猛发展, 微型计算机的结构不断得到优化, 性能飞速提高, 而价格不断降低, 使微型计算机迅速得到普及, 并作为个人计算机进入到人们的日常生活 学习和工作中, 微型计算机已经成为一个不可或缺的设备, 在社会的各个领域中发挥着重要的作用 微型计算机大体分为台式机和便携式计算机两种

51 42 大学计算机基础 微型计算机的基本结构 微型计算机的硬件结构与冯 诺依曼计算机的结构无本质区别, 其硬件仍然由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五大部件组成 但微型计算机的系统结构也有其自身的特点, 通常采用总线形结构 1. 总线形结构总线是系统各部件之间传输数据的公用通道 采用总线形结构形式, 具有系统结构简单 各部件连接规范 系统扩展及更新容易 可靠性高等优点 所以, 总线技术是目前微型计算机中广泛采用的连接方法 早期的微型计算机采用的是单总线形结构, 如图 2-16 所示 这种结构由于系统的所有设备部件均挂在单总线上, 在同一时刻只能在两个设备部件之间传送数据, 这就限制了单总线只能采用分时传送操作, 因而使得系统的数据传输效率和速度受到限制 为了克服单总线形结构的这一缺点, 目前较高档的微型计算机采用的是面向 CPU 或面向内存储器的双总线形结构, 还有的微型计算机采用多总线形结构 图 2-16 微型计算机总线形结构示意 我们通常用总线宽度和总线频率来表示总线的特征 总线宽度为一次能并行传输的二进制位数, 即 32 位总线一次能传送 32 位数据,64 位总线一次能传送 64 位数据 总线频率则用来表示总线的速度, 目前常见的总线频率为 66MHz 100MHz 133MHz 或更高 2. 总线的分类 (1) 按总线传送信息的类别分类 1) 地址总线 (Address Bus,AB): 传送地址信息 地址是识别信息存放位置的编号, 内存储器的每个存储单元及 I/O 接口中不同的设备都有各自不同的地址 地址总线是 CPU 向内存储器和 I/O 接口传送地址信息的通道, 它是自 CPU 向外传输的单向总线 地址总线的位数决定了可以直接寻址的内存范围 2) 数据总线 (Data Bus,DB): 传送系统中的数据或指令 数据总线是双向总线, 一方面作为 CPU 向内存储器和 I/O 接口传送数据的通道 ; 另一方面, 它是内存储器和 I/O 接口向 CPU 传送数据的通道 数据总线的位数 ( 或宽度 ) 与 CPU 的字长一致 3) 控制总线 (Control Bus,CB): 传送控制信号 控制总线是 CPU 向主存储器和 I/O 接口发出命令信号的通道, 又是外界向 CPU 传送状态信息的通道 科学出版社职教技术出版中心

52 第 2 章计算机系统 43 (2) 按总线的层次结构分类 1)CPU 总线 : 用来连接外部控制芯片 2) 存储总线 : 连接到存储控制器和内存储器的总线 3) 系统总线 : 也称 I/O 通道总线, 用来与 I/O 扩充插槽上的各扩充接口卡连接 4) 外部总线 : 用来连接外设控制芯片 (3) 按系统总线的标准分类自 IBM PC 问世以来, 随着微处理器技术的飞速发展, 计算机的应用领域不断扩大, 随之相应的总线技术也得到不断创新, 系统总线主要有如下 4 种 1)ISA(Industrial Standard Architecture, 工业标准体系结构 ) 总线 :AT/286 时代所定义的 8/16 位总线, 故又被称为 AT BUS, 它的工作频率最慢, 主要用于早期的微型计算机中 2)PCI(Peripheral Component Interconnect, 外设部件连接 ) 总线 :Intel 公司 1991 年推出的局部总线标准 PCI 总线是一种 32 位 ( 可扩展为 64 位 ) 的并行总线, 很多声卡 网卡和 SCSI 卡都采用此接口 PCI 总线的工作频率为 33MHz, 也有个别的 PCI 总线工作在 66MHz, 最大传输速率可达 533MB/s PCI 总线的优点是结构简单 成本低 设计容易 PCI 总线的缺点是带宽有限, 且多个设备共享带宽 3)AGP(Accelerated Graphics Port, 图形加速端口 ) 总线 : 一种专为图形加速显示卡设计的总线 AGP 插槽 ( 用于连接显卡 ) 在主板上靠近 CPU 插座附近, 它通过专用的 AGP 总线直接与北桥芯片相连 AGP 总线提供的带宽比 PCI 总线高得多, 所以 AGP 显卡的传输速率大大超过与其他设备共享总线的 PCI 显卡 AGP 接口也从最初的 AGP 1 /2 发展到现在的 AGP 4 /8, 速度越来越快, 功耗也越来越高 4)PCI-E(PCI Express) 总线 : 近年来 Intel 提出的新一代总线和接口标准 与 PCI 总线及更早期的计算机总线共享并行架构相比,PCI-E 总线是一种点对点串行连接的设备连接方式, 每个设备都拥有自己独立的数据连接通道, 不需要向整个总线请求带宽, 而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率, 达到 PCI 所不能提供的高带宽 微型计算机的硬件配置 微型计算机 ( 图 2-17) 硬件从外观上看, 其组成是 主机 + 外设, 一套基本的微型计算机硬件是由主机箱 显示器 键盘和鼠标组成, 还可以增加一些外设, 如打印机 音箱等 在主机箱内部, 一般包含主板 (main board) CPU 内存储器 硬盘驱动器 光盘驱动器 各种接口卡 ( 适配器插件 ) 和电源等 其中,CPU 和内存储器构成微型计算机的 主机 ; 主机部分再配上所需要的外设 ( 如键盘 鼠标 显示器 音频视频设备等 ), 便组成一个完整的微型计算机硬件 图 2-17 微型计算机 1. 主板主板又称母板 (mother board) 或系统板 (system board), 如图 2-18 所示 它是一台微型计算机的核心连接部件, 微型计算机硬件的其他部件都是直接或间接通过主板相连的 主

53 44 大学计算机基础 板要完成微型计算机系统的管理和协调, 支持 CPU 各种功能接口卡和各总线接口的正常 运行, 它是微型计算机的 总司令部 主板包括以下 3 个重要组成部分 图 2-18 微型计算机系统的主板 (1) 芯片组主板芯片组 (chipset) 也称逻辑芯片组, 如图 2-19 所示 芯片组是与 CPU 相配合的系统控制集成电路, 一般为两个集成电路, 用于接收 CPU 指令, 控制内存储器 总线和接口等 芯片组由北桥 (North Bridge) 芯片和南桥 (South Bridge) 芯片组成 所谓北桥 南桥, 是根据两个芯片在主板上的位置来说的 北桥芯片是 CPU 与外设之间联系的纽带, 南桥芯片负责管理中断及 DMA 通道, 其作用是让所有的信息都能有效地传递 AGP DRAM PCI 插槽和南桥等设备通过不同的总线与它相连 主要芯片厂家有 Intel( 英特尔公司 ) SIS( 矽统科技 ) VIA( 威盛电子股份有限公司 ) 等 (a) (b) (c) (d) 图 2-19 主板芯片组 科学出版社职教技术出版中心 (2)BIOS 芯片 BIOS 芯片是一个内部 固化 了基本输入 / 输出指令系统的只读存储器,BIOS 芯片是 一块装入了系统启动和自检程序的 EPROM Erasable Programmable Read Only Memory, 可擦除可编程只读存储器或 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, 电可擦除可编程只读存储器集成电路 ) BIOS 程序在开机后由 CPU 自动顺序执行, 使系统进

54 第 2 章计算机系统 45 入正常工作状态, 并引导操作系统 (3) 各种插槽 / 接口 主板上有很多种类的插槽或接口, 是为方便系统各设备部件连接或系统扩充而提供的, 主要有 CPU 插槽 内存插槽 PCI 插槽 AGP 插槽 PCI-E 插槽 IDE 接口 SATA 接口 鼠标键盘接口 USB 接口 串 / 并行接口等 2.CPU CPU 也称微处理器, 是微型计算机系统的核心部件, 也是整个系统最高的执行单位 它负责整个系统指令的执行 数学与逻辑运算 数据的存储与传送及对内对外输入与输出的控制 图 2-20 所示为一款 Intel 公司的 CPU 产品 主频是 CPU 的主要性能指标, 以赫兹 (Hz) 为基本单位 CPU 主频的高低 CPU 内部的结构及指令处理的方式都关系着 CPU 处理指令的速度 在相同的结构下,CPU 的主频越高, 其速度越快, 当然价格也越高 3. 内存条 将多个存储器芯片并列焊接在一块长方形的电路板上称内存条, 如图 2-21 所示 微型计算机中的内存条实际上就是随机存储图 2-20 CPU 器, 用来存储程序与数据的部件 现在的内存条主要分为以下 3 种 1) 同步动态随机存取存储器 (Synchronous Dynamic RAM, SDRAM) 这是一种与 CPU 实现外频时钟同步的内存模式, 一般都采用 168Pin 的内存模组, 工作电压为 3.3V 所谓时钟同步是指内存储器能够与 CPU 同步存取数据, 这样可以取消等待周期, 减少数据传输的延时, 因此可提升计算机的性能和效率 2) 二倍速率 (Double Data Rate,DDR) 同步动态随机存图 2-21 内存条取存储器 作为 SDRAM 的换代产品, 它具有两大特点 其一, 速度是 SDRAM 的 2 倍 ; 其二, 采用了 DLL(Delay Locked Loop, 延时锁定回路 ) 提供一个数据滤波信号 这是目前内存储器市场上的主流模式 3) 高频动态随机存取存储器 (Rambus Dynamic RAM,RDRAM) 这是 Rambus 公司独立设计完成的一种内存模式, 速度一般可以达到 500~530Mb/s, 是 DRAM 的 10 倍以上 但使用该内存储器后, 内存控制器需要进行相当大的改变, 因此它们一般应用于专业的图形加速适配卡或者电视游戏机的视频内存储器中 4. 外存储器 (1) 硬盘硬盘由若干个磁性圆盘片组成, 磁性圆盘片的盘基是用硬质金属制成的, 所以称硬盘 硬盘是计算机的主要存储设备, 其特点是存储容量大 存取速度快 单位容量性价比高 硬

55 46 大学计算机基础 盘一般由磁盘片 磁头 (head) 步进电动机 外壳 数据线接口 电源接口等组成 硬盘的盘片和精密的伺服机构被密封在硬盘驱动器中, 如图 2-22 所示 硬盘在工作时, 驱动电 动机带动硬盘片做圆周旋转, 其转速极高, 一般有 3600/5400/7200r/min 等 磁头在传动臂的带动下悬浮在磁盘表面上 ( 一般只有 0.3~0.6μm) 做径向往复运动, 从而可以访问到盘片上每一个存储单元 [ 每一个磁道 (Track) 每一个扇区 (Sector)] 目前市场上的硬盘按采 用的接口分类, 一般有 ESDI 硬盘 IDE 硬盘 EIDE 硬盘 SCSI 硬盘和 SATA 硬盘 目前微型计算机上使用的为 SATA 硬盘 如图 2-23 所示, 有关硬盘驱动器的一些术语和基本概念如下 图 2-22 硬盘驱动器的构造及外观 图 2-23 硬盘内部结构示意 磁头 : 又称读写头, 为读写磁道数据的装置, 盘片有上下两面, 故有上下磁头 磁道 : 盘片存放数据的同心圆轨道 盘片最外圈的磁道为 0 磁道 文件分配表 (File Allocation Table,FAT): 是盘片内部管理文件分配的存储单元的一种系统, 它记录着磁盘片的容量和文件存储空间的分配情况 磁道密度 (Track Density): 沿盘片同心圆半径区域每英寸所含的磁道数 扇区 : 将每个磁道分成几个小区域, 此区域称扇区 一般每个扇区可存放 512B 的数据 柱面 : 盘片各面上半径相同的磁道围成的面为柱面 磁盘转速 (r/min): 磁盘盘片每分钟旋转的次数 盘片容量的计算 : 软盘总容量 = 磁道数 扇区数 磁盘面数 (2) 扇区字节数 (512B) 硬盘总容量 = 磁头数 柱面数 扇区数 扇区字节数 (512B) (2) 光盘光盘是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型信息存储设备, 它具有容量大 体积小 易于长期保存且价格低等优点, 其应用非常广泛 常用的光盘有如下几种 1) 只读型光盘, 即只读存储器光盘 (Compact Disc-Read Only Memory,CD-ROM) 这种光盘的盘片是由生产厂家预先写入数据或程序, 出厂后用户只能读取, 而不能写入和修改 2) 一次写入型光盘 (CD-Recorder,CD-R): 只能写入一次, 写入后不能擦除和修改, 以后可以反复读出 科学出版社职教技术出版中心

56 第 2 章计算机系统 47 3) 可擦写型光盘 (CD-Rewriteable,CD-RW): 可重复刻录的光盘, 是目前较新的品种 4) 数字多功能光盘 (Digital Versatile Disc,DVD): 新一代光盘, 它具备光盘的多种功能, 与其他光盘大小相同, 而且可呈现良好的画质与音效 DVD 光盘有 3 种格式, 即 DVD-R (DVD-Recordable, 只读数字光盘 ) 和 DVD-WO(DVD-Write Once, 单次写入光盘 ) 和 DVD-RAM(DVD-Random Access Memory, 可重复写入的光盘 ) CD-ROM 光盘的容量常见的为 700MB,DVD 光盘存储容量常见的为 4.7GB, 最高可达 17.8GB 光盘驱动器简称光驱 ( 图 2-24) 是读取光盘上二进制数据的设备, 主要的部分就是激光发生器和光监测器 它采用与激光唱片相同的技术, 将激光束聚集成约 1μm 的光斑, 在盘面上读写数据 如果光盘不反射激光, 则代表那里有一个小坑, 那么微型计算机就能读出 1 ; 如果激光被反射回来, 则代表那里是一个平面, 微型计算机就能读出 0 当光盘在光驱中高速转动时, 激光头在电机的控制下前后移动, 从而读取数据 光驱的一个重要技术指标是 倍速, 倍速是以基准数据图 2-24 光盘驱动器传输率 150KB/s( 平均 150 千字节每秒 ) 来计算的,CD-ROM 光驱的 1 倍速就是 150KB/s,DVD-ROM 光驱的 1 倍速是 1.3MB/s 市场上常见的 CD-ROM 光驱有 40 倍速 50 倍速等,DVD-ROM 光驱有 16 倍速 32 倍速等 (3) 便携式存储设备 1) 移动硬盘 移动硬盘以其高速 可靠 大容量 ( 如 320GB 500GB 等 ) 轻巧便捷等优点赢得了用户的青睐 移动硬盘在结构上与硬盘相似, 只是通过相关设备将 IDE 接口转换成 USB 接口连接到计算机, 因此可以随身携带, 使用方便 2) 闪存盘闪存盘是一种小型便携式存储器 其采用半导体存储介质来存储数据, 其存储容量由最早的几百 KB 到现在的 GB 级 ( 如 8GB 16GB 等 ) 以上, 通过微型计算机的 USB 接口连接 它具有体积小 携带方便 数据安全 可靠性高等优点, 正在取代软磁盘而成为最便捷 使用最广泛的存储设备 5. 输入设备 (1) 键盘键盘是实现人机对话最基本的输入设备, 也是计算机与外界交换信息的主要途径 1) 键盘的分类 按键盘键数区分 : 常用键盘有 101 键盘和 104 键盘 按内部结构区分 : 键盘分为机械式键盘和电容式键盘 机械式键盘的优点是使用寿命长, 但击键响声大, 故障率较高 ; 电容式键盘击键声音小, 灵敏度高, 稳定性强, 使用寿命长, 缺点是维修不太容易 因此, 电容式键盘是目前广泛使用的一种键盘 2) 键盘的分区 键盘按其功能可划分为功能键区 主键盘区 编辑控制键区和数字小键盘区, 另外还有一个状态提示灯区, 如图 2-25 所示

57 48 大学计算机基础 图 2-25 键盘 功能键区 : 键盘的第一排一共 16 个键 Esc 键的作用是退出或取消 F1 键 ~Fl2 键是功 能键, 一般软件都是用这些键来作为软件的功能热键, 如 Fl 键为帮助键,F2 键为存盘等 主键盘区 : 这部分键位的安排与英文打字机类似, 主要负责英文 汉字及一些标点符号 和特殊字符的输入 编辑控制键区 : 用于控制和快速移动光标 数字小键盘区 : 用于快速输入数字, 由主键盘区和编辑控制键区中最常用的一些键组合而成, 适合右手单独操作 其中的 Num Lock 键是数字输入和编辑控制状态之间的切换键 当 Num Lock 指示灯亮时, 数字小键盘区处于数字输入状态 ; 反之则处于编辑控制状态 状态提示灯区 :3 个提示灯对应 3 个双态键,Num Lock 提示灯对应 Num Lock 键,Caps Lock 提示灯对应英文大写字母锁定键 Caps Lock 键,Scroll Lock 提示灯对应屏幕滚动锁定键 Scroll Lock 键 3) 键盘上常用键位的功能见表 2-5 表 2-5 键盘部分常用键位的功能 按 键 中文名称 功能说明 Tab 制表定位键 光标插入点向后跳一定字符的距离 Caps Lock 大写字母锁定键 按此键,Caps Lock 指示灯亮, 表示当前为大写输入状态 ; 再按此键, Caps Lock 指示灯灭, 表示当前为小写输入状态 Shift 上挡键 ( 换挡键 ) 按此键不放, 再按某一字符键, 则可输入该键顶行的符号 ; 按此键不放, 再按下某一字母键, 则可改变该字母的大小写 Ctrl 控制键 一般不单独使用, 通常与其他键组合成复合控制键 Alt 辅助键 与其他键组合成特殊功能键或复合控制键 Win 键 按此键后, 弹出 开始 菜单 Backspace 退格键 按此键, 删除当前光标插入点前的一个字符 Enter 回车键 用于确认 执行命令或编辑环境中的换行 右键菜单键 在支持右键菜单的窗口中按下此键, 相当于右击 RrtScn SysRq 截屏键 屏幕硬复制 Scroll Lock 屏幕锁定键 当屏幕显示的内容快速翻滚时, 按此键, 可将屏幕的内容锁定 Pause Break 暂停键 使运行中的程序暂停 Insert 插入键 在插入和改写两种状态间转换 Delete 删除键 按此键, 删除当前光标插入点后的一个字符 科学出版社职教技术出版中心

58 第 2 章计算机系统 49 续表按键中文名称功能说明 Home 开头键按此键, 光标插入点移到句首 End 结尾键按此键, 光标插入点移到句尾 (2) 鼠标鼠标是利用本身的平面移动来控制和显示屏幕上光标移动的位置, 并向主机输送用户所选信号的一种手持式的常用输入设备 用鼠标作为输入设备, 可以极大地方便软件的操作, 实现良好的人机交互, 尤其适用于图形环境 ( 如 Windows OS/2 等操作系统 ) 的使用 目前市面上鼠标种类繁多, 根据鼠标的按钮数目可分为两键鼠标和三键鼠标 ; 根据鼠标的工作原理可分为机械式鼠标 光电式鼠标和无线鼠标 (3) 触摸屏触摸屏是一种新型输入设备, 一般由透明材料制成, 安装在显示器的前面, 它将用户的触摸位置转变为计算机的坐标信息, 输入到计算机中 触摸屏简化了计算机的使用, 是目前最简单 方便 自然的一种人机交互方式, 广泛应用于公共信息的查询和多媒体应用领域 (4) 扫描仪扫描仪是一种高精度的光电一体化的输入设备, 它能将原始的图片 照片 胶片及各类文稿资料的图像信息输入到计算机中 扫描仪的类型一般有平台式扫描仪 手持式扫描仪和滚筒式扫描仪等 扫描仪的主流接口是 USB 接口 6. 输出设备 (1) 显示器与显卡 1) 显示器也称监视器 (monitor), 是计算机系统最重要的标准输出设备, 也是人与计算机交流的主要渠道 常见的显示器有 CRT(Cathode Ray Tube, 阴极射线管 ) 显示器和 LCD(Liquid Crystal Display, 液晶显示器 ) 显示器的尺寸以屏幕对角线的长度来表示, 常见的有 14 英寸 15 英寸 17 英寸 19 英寸和 21 英寸等 CRT 显示器主要由电子枪 线圈 金属隔板 磷化荧光粉层和玻璃屏幕五大部分组成 其中, 电子枪能产生 2.5 万伏高压, 产生高能电子光束, 并正确引导电子光束打到镜面上的磷光物质, 从而产生亮点, 同时控制电子光束的强度, 即可产生不同的亮度 彩色显示器具有红 绿 蓝 3 支电子枪, 即可产生不同的颜色 当显示器接收到由计算机显卡或由电视信号发射器所传出来的影像信号时, 电子枪会从屏幕的左上角开始向右方扫描, 由上至下依序扫射下来, 如此反复的扫描即构成我们看到的影像 LCD 显示器也称液晶显示器 LCD 显示器的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体, 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线, 透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向, 将光线折射出来产生画面 2) 显卡又称显示器适配卡, 它是连接主机与显示器的接口卡, 其作用是将主机的输出信息转换成字符 图形和颜色等信息, 传送到显示器上显示 显卡基本上都是由显示主芯片 显示缓存 ( 以下简称 显存 ) BIOS 数字模拟转换器(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter,RAMDAC) 显卡的接口, 以及卡上的电容 电阻等组成的

59 50 大学计算机基础 多功能显卡还配备了视频输出及输入, 供特殊需要 显卡按采用的图形芯片划分, 可以分为单色显卡 彩色显卡 2D 图形加速卡和 3D 图 形加速卡 显卡的主要性能指标如下 1) 显示分辨率 (resolution): 视频图像所能达到的清晰度, 由每幅图像在显示屏幕的水平和垂直方向上的像素点数来表示 例如, 某显示分辨率为 , 就是说水平方向上有 640 个像素 (Picture Element,Pixel) 垂直方向上有 480 个像素 2) 像素组成显示屏幕上的点, 是显示画面的最小组成单位 3) 点距 (dot pitch): 显示屏幕上同色荧光点的最短距离, 它决定着像素的大小和显示图像的清晰度 通常点距有 0.39mm 0.31mm 0.28mm 0.26mm 0.25mm 及 0.20mm 等几种规格 4) 刷新频率 (refresh rate): 在显卡输出的同步信号控制下, 显示器电子束先对屏幕从左到右进行水平扫描, 然后又很快地从下到上进行垂直扫描, 这两遍扫描完成后才组成一幅完整的画面, 这个扫描的速度就是刷新频率, 意思就是每秒屏幕画面更新的次数 刷新频率越高, 显示画面的闪烁就越小 (2) 打印机打印机是计算机系统重要的标准输出设备 打印机主要的性能指标有两个 : 一是打印速度, 单位是 ppm, 即每分钟打印的页数 (A4 纸 ); 二是分辨率, 单位是 dpi, 即每英寸的点数 分辨率越高, 打印质量越好 目前, 打印机的种类主要有针式打印机 喷墨式打印机 激光式打印机等 微型计算机的性能指标 微型计算机的性能涉及体系结构 指令系统 软硬件配置等多种因素, 技术指标很多, 因此, 评价一台微型计算机的性能, 要结合多种因素综合分析 一般而言, 微型计算机主要有下列技术指标 1. 运算速度 运算速度是衡量 CPU 工作快慢的指标, 它与 CPU 运算时的主频有关, 还与内存储器的存取周期 硬盘的工作速度及计算机的字长有关 计算机运算速度的描述一般以每秒完成多少次运算来表示 ( 如 天河一号 具备每秒 1206 万亿次的峰值速度 ), 或者以每秒执行指令多少条来表示 ( 如 6MIPS, 表示每秒执行 6 百万条指令 ) 2. 字长 字长是 CPU 一次可以同时处理的二进制位数 字长主要影响计算机的精度和速度, 字长越宽, 计算精度越高, 处理能力越强 目前微型计算机字长有 8 位 16 位 32 位和 64 位等 3. 内存容量 科学出版社职教技术出版中心 内存容量是衡量计算机存储能力的指标 容量越大, 表示存储程序和数据的能力越强, 则计算机处理信息的能力就越强 表示存储容量的单位有 KB MB GB 和 TB 等

60 第 2 章计算机系统 输入 / 输出数据传输速率输入 / 输出数据传输速率决定了可用的外设和与外设交换数据的速度 通过提高输入 / 输出数据传输速率可以提高计算机系统的整体性能 5. 可靠性可靠性指计算机连续无故障运行时间的长短 可靠性好, 表示无故障运行时间长

61 第 3 章 操作系统 计算机系统是由硬件和软件构成的, 软件又分为系统软件和应用软件两类, 而操作系统 是一个最基本也是最重要的系统软件 操作系统在计算机的整个工作过程中发挥了极其重要的 不可替代的作用, 它为人们建立各种各样的应用环境奠定了基础 现代计算机系统都无一例外地配置一种或多种操作系统, 以便为用户提供功能强大 高效便捷的工作环境 3.1 操作系统概述 操作系统的基本概念 计算机系统中有 CPU 内存储器 外存储器和各种各样的输入 / 输出设备, 通常称硬件资源 它还可能有多个用户同时运行他们各自的程序, 共享着大量数据, 这些程序和数据通常被称为软件资源 从微观上看, 使用计算机就是使用其各种硬件资源和软件资源, 通常又将二者统称为系统资源 从资源管理的角度看, 操作系统是对整个计算机系统的硬件资源和软件资源实施控制和管理的一组程序 ( 或程序集合 ), 它为用户合理地使用计算机系统提供灵活 方便的接口 操作系统能合理 有效地组织计算机工作流程, 并利用系统资源为用户提供各种服务功能 它是最基本的, 但又是十分庞大的系统软件, 也是每个计算机用户必须学会使用的一种软件 从用户的角度看, 用户最不喜欢 裸机 这种工作环境, 因为裸机上没有任何软件可以用来协助解决用户提出的各种各样的使用要求, 只能依靠精通计算机的专家直接对计算机硬件进行操作来完成用户提出的请求, 而这一工作是极其烦琐和复杂的 因此, 为了方便用户使用计算机, 通常要为计算机配置各种软件去扩充计算机的功能, 在 裸机 上配置了操作系统后就构成了操作系统虚拟机 操作系统的核心在 裸机 上运行, 而用户程序则在扩充后的计算机 ( 虚拟机 ) 上运 图 3-1 计算机系统层次结构 操作系统的功能 行 所以, 操作系统是用户与计算机之间的接口 当 科学出版社职教技术出版中心 有了操作系统的支持后, 计算机才能运行其他的软件 图 3-1 表示了操作系统与软硬件的层次关系, 而最外层即为用户 操作系统作为计算机系统资源的管理者, 它的主要功能是对计算机的软硬件资源进行合

62 第 3 章操作系统 53 理而有效的管理和调度, 提高计算机系统的整体性能, 为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口 具体而言, 操作系统有以下基本功能 1.CPU 与进程管理 CPU 是执行程序 ( 包括系统程序和用户程序 ) 的核心部件, 因为任何程序只有占用 CPU 才能得到运行 处理机管理主要解决的是对 CPU 的分配调度策略 分配实施和资源回收等问题, 以便在多道程序 多用户或单用户多任务的情况下, 各个程序都能够得到合理的运行安排 所以, 管理好 CPU 提高 CPU 的使用效率就成为操作系统的核心任务 管理 CPU 的目的是更高效地执行程序, 而正在执行的程序就是 进程 (process) 传统的操作系统以进程为基本单位进行处理机调度和资源分配, 因此, 对处理机的管理实际上也是对进程的管理, 通过进程管理, 协调多道程序之间的 CPU 分配调度 冲突处理和资源回收 进程管理与 CPU 管理密不可分 2. 存储管理存储管理解决的是内存储器的分配 保护和扩充的问题 计算机要运行程序就必须有一定的内存空间, 任何程序只有被装入内存储器后才有可能获得 CPU 并运行 存储管理应实现以下基本功能 1) 内存分配 : 当多个程序都在运行时, 如何分配内存空间才能最大限度地利用有限的内存空间为多个程序服务 2) 内存保护 : 当多个程序驻留在内存储器中时, 应保证系统及各程序在自己的存储区域内运行而不相互冲突 3) 内存扩充 : 当内存储器容器不够时, 如何利用外存储器将暂时用不到的程序和数据保存到外存储器上去, 而将急需使用的程序和数据读入到内存储器中来 3. 设备管理设备管理主要负责对计算机系统中的输入 / 输出设备等各种外设的分配 回收 调度和控制, 以及输入输出等操作 此外, 设备管理应为用户提供一个良好的界面, 使用户不必涉及具体设备的物理特性即可方便 灵活地使用这些设备 设备管理应实现以下基本功能 1) 设备分配 : 按一定的设备分配策略对设备进行分配 2) 设备传输控制 : 实现物理的输入 / 输出操作 3) 设备独立性 : 用户程序中的设备不必涉及实际使用的物理设备的特性 4) 缓冲管理 : 在内存储器中为各设备开设缓冲区, 以解决慢速输入 / 输出设备与高速 CPU 之间速度不匹配的矛盾 5) 虚拟设备 : 实现一台物理设备成为虚拟的多台逻辑设备, 以满足多个用户进程对设备的需要 4. 文件管理文件管理支持文件的存储 检索 修改 删除等操作, 解决文件的共享 保密 保护等

63 54 大学计算机基础 问题 操作系统一般都要提供功能强大的文件系统 文件管理也称信息管理 文件管理应实现以下基本功能 1) 文件存储空间管理 : 负责对磁盘存储空间的分配与回收 2) 目录管理 : 目录是为方便文件管理而设置的数据结构, 它能为用户提供按名访问文件的功能 3) 文件操作管理 : 实现文件的读写 检索 修改 删除等操作 4) 文件保护 : 提供文件的共享 保密 保护等功能 5. 作业管理 作业管理解决的是允许谁来使用计算机和怎样使用计算机的问题, 它负责控制用户作业的调入 执行和结束, 作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境, 使用户能够有效地组织自己的工作流程 在操作系统中, 把用户请求计算机完成一项完整的工作任务称为一个作业 当有多个用户同时要求使用计算机时, 允许哪些作业进入 不允许哪些进入 对于已经进入的作业应当怎样安排它的执行顺序, 这些都是作业管理的任务 作业管理又称接口管理, 包括任务管理 界面管理 人机交互 图形界面 语音控制和虚拟现实等 进程与处理机管理 进程 (process) 是程序在 CPU 上的一次执行过程, 是系统进行资源 ( 包括软硬件资源 ) 分配和调度的一个独立单位 操作系统对每一个执行的程序都会创建一个进程, 一个进程就代表一个正在执行的程序 操作系统正是采用进程的概念来描述一个程序的执行过程 记录执行程序的相关信息, 并实现对一个正在执行的程序的管理 1. 进程和程序的关系 进程和程序是既有区别又有联系的两个概念, 它们的区别和联系如下 1) 程序是指令的有序集合, 以文件形式存储, 如源程序 可执行程序等 程序本身没有任何运行的含义, 它是一种静态的概念 而进程是程序在 CPU 上的一次执行过程, 它是动态的概念 程序文件可以长期保存, 而进程有它自己的生命周期, 它有另外一套不同于程序文件的操作 例如, 可以创建一个进程 ( 运行一个程序时 ), 执行一个进程 ( 因获得资源而调度 ), 挂起一个进程 ( 因得不到资源而暂停一个程序的执行 ), 撤销一个进程 ( 终止一个程序的执行 ), 也可以在进程之间进行切换 ( 如在两个运行的程序之间来回操作 ) 2) 程序是构成进程的组成部分之一, 一个进程存在的目的就是对应其所对应的程序 如果没有程序, 则进程就失去了存在的意义 3) 进程是一个能独立运行的单位, 能与其他进程并行地活动 所以, 进程是可以参与并执行的程序 2. 进程的基本状态 科学出版社职教技术出版中心 一般而言, 一个进程并不是自始至终一直不停地运行到底, 而是与并发执行中的其他多个进程存在相互制约关系 所以, 进程有着 执行 暂停 执行 的活动特点 进程在其活

64 第 3 章操作系统 55 动周期有 3 种基本状态, 即就绪状态 执行状态和等待状态 1) 就绪状态 : 存在于 CPU 调度队列中的那些进程 处于就绪状态的进程除了 CPU 外, 其他所需资源已全部满足, 一旦得到 CPU, 进程就可立即执行 2) 执行状态 : 正在 CPU 上运行的进程所处的状态 当一个进程处于执行状态时,CPU 就会执行该进程的指令代码 并且在一个 CPU 上, 同一时刻最多有一个进程处于执行状态 3) 等待状态 : 当一个进程由于等待某个事件发生 ( 如等待输入输出操作的完成 ) 而暂时停止执行时, 则该进程处于等待状态 ( 又称阻塞状态或挂起状态 ) 处于等待状态的进程即使给它 CPU 时间, 它也无法执行, 因为其他运行条件尚未满足 进程是动态的, 而并非固定处于某个状态, 它将随着自身的推进和外界条件的变化而发生状态变迁 进程状态变迁及其变迁的可能因素, 可用进程调度与状态变迁图进行简单描述, 如图 3-2 所示 从图中可以看出, 状态之间的转换及其相互转换的典型原因 图 3-2 进程调度与状态变迁由此可见, 进程与 CPU 管理的中心工作就是进程调度, 即按照一定的策略将 CPU 动态地分配给某个就绪的进程 3. 调度时机什么情况下发生进程调度呢? 一般而言, 调度时机有以下几种可能 1) 正在执行的进程执行完毕,CPU 出现空闲, 系统会从就绪队列中选择一个进程转入执行状态 2) 正在执行的进程由于需要等待输入 / 输出设备或其他事件的发生, 由执行状态转换为等待状态, 系统会对 CPU 进行再分配 3) 在分时系统中, 当正在执行的进程已用完规定的时间片 ( 一次可占用 CPU 的时间长度 ), 会让出 CPU 而重新进入就绪队列, 系统会对 CPU 重新分配 4) 在抢先式调度策略下, 当就绪队列中出现更高优先级的进程时, 系统会立即剥夺当前执行进程的 CPU 使用权, 而让更高优先级的进程立即进入执行状态 4. 进程调度算法操作系统会采取一定的调度策略来解决如何进行进程调度的问题, 常采用的比较典型的进程调度算法如下 1) 优先级调度算法 : 当创建进程时由系统指定其优先级, 处于就绪状态的各进程在进程就绪队列中依据优先级排序, 优先级最高的进程排在队首, 一旦 CPU 出现空闲, 系统就将 CPU 分配给排在队首的进程 2) 循环轮转调度算法 : 为了防止某个正在执行的进程长期占用 CPU, 系统规定一个时

65 56 大学计算机基础 间片, 每个进程被调度时分得一个时间片 当这一时间片用完时, 交出 CPU 的使用权, 该 进程由执行状态转为就绪状态并进入就绪队列, 等待下一次的 CPU 分配 在分时系统中, 时间片轮转法则 就是循环轮转调度规则 3) 抢先式调度算法 : 这是一种可剥夺调度方式 当就绪队列中出现更高优先级的进程 ( 比当前处于执行状态的进程优先级还高 ) 时, 则当前执行的进程便立即停止并转入就绪队 列, 而将 CPU 让给更紧迫的进程 在抢先式调度策略下, 操作系统可以让紧迫的进程不用 等待而立即得到 CPU 内存管理 1. 内存管理的功能 内存储器和 CPU 一样是计算机系统的重要资源 它为操作系统 系统程序和用户程序 共享, 任何程序的执行都需要访问内存储器中存储的指令和数据 为了使内存储器得到充分 有效的利用, 并为用户提供尽可能的方便, 操作系统必须对内存资源实施有效的管理 内存管理的功能主要包括 3 个方面的内容 (1) 内存分区与存储保护内存分区是为了满足运行多道程序而设计的一种分区存储管理办法, 它允许多个用户程序共享内存空间, 而每个程序都运行在自己的分区中 内存分区有固定分区法和动态分区法两种 固定分区法是将内存储器分成若干固定尺寸的区域, 除操作系统本身占用一个分区外, 其余每个分区可容纳一个程序 而动态分区法是根据程序所需内存空间的大小动态划分的, 且可以在内存储器不断地分配和回收过程中, 随时对分区进行调整 动态分区可有效提高内存储器的利用率 内存管理在分区的基础上还要实现存储保护, 保证各道程序只能在各自的分区内活动, 互不影响 存储保护的目的是防止用户程序之间 用户程序与系统程序之间互相干扰 (2) 内存储器的分配与回收当一个程序需要运行时, 系统根据内存储器的实际使用情况, 并按照一定的分配策略, 将某一空闲的内存区域分配给程序 当程序结束运行时, 系统回收该程序所占用的内存空间, 使它成为自由区域, 以便再次分配 (3) 扩充内存储器内存管理采用虚拟存储技术, 可以让用户程序的大小不受内存储器容量的限制, 即使在用户程序比实际物理内存储器还要大的情况下, 程序也能正常运行 2. 虚拟存储器 任何一个程序的执行都必须先将其装入内存储器,CPU 是按内存储器地址取指执行的 为了能够运行更大的程序, 尤其是在多道程序系统中, 内存储器资源显得十分紧张, 这就需要扩充内存储器的容量 由于现今软件的规模越来越大, 内存储器容量的扩充总是有限的 那么, 如何用有限的 较小的内存储器运行更大的程序呢? 目前广泛采用的是 虚拟存储技术 这项技术是将内存储器和一部分外存空间构成一个整体并统一管理起来, 系统就像为用户提供了一个存储容量比实际物理内存储器大得多的存储器, 这个存储器被称为 虚拟存储器 科学出版社职教技术出版中心

66 第 3 章操作系统 57 虚拟存储技术的原理是基于这样一个现实 : 程序运行时, 在一段时间内仅仅执行程序代码的一部分, 不会涉及程序的全部代码 甚至于在程序的一次执行过程中, 有些代码完全不涉及 例如, 在使用 Word 处理软件编辑一个文档时, 有许多功能并没有用到, 则相应的代码也就执行不到 所以, 系统只需将程序当前执行所涉及的代码装入实际内存储器即可, 而其余部分可根据需要再临时调入, 没有必要把程序的全部代码都同时装入实际内存储器 在虚拟存储系统中, 一个程序执行时首先被调入虚拟存储器 ( 实际上是放入外存储器中的某一特殊空间 ), 然后就由操作系统的内存储器管理程序进行管理和调度 操作系统将虚拟存储器和实际内存储器分成若干页, 并根据一定的算法, 将实际执行到的那部分程序代码调入内存储器 ( 称 页进 ) 如果内存储器已满, 系统会设法腾出一些内存空间, 必要时还需将内存储器中最近很少使用的一些内容送回虚拟存储器 ( 称 页出 ), 然后再将当前要执行的代码调入内存储器 因此, 操作系统会通过页进 页出, 实现要执行的程序代码都能在内存储器中 3. 缓冲存储器缓冲技术是用来解决在两种不同速度的设备之间传输数据时能平滑传输过程的常用技术 例如,CPU 和输入 / 输出设备间速度存在很大差别, 为了解决这一矛盾, 可在它们之间设计一个能存储一定量数据的存储装置或存储区, 以便保存输入 / 输出数据, 这样既能使输入 / 输出设备保持忙碌状态, 又能及时向 CPU 提供输入数据, 且可以有效提高 CPU 的利用率 缓冲存储器就是用来暂时存放数据的一种存储装置, 实现方法可采用硬件缓冲或软件缓冲, 一般大都采用软件缓冲 软件缓冲区是指用来临时存放数据的一块内存区域, 其用途非常广泛 例如, 流媒体文件在播放前都要经过缓冲处理, 缓冲是在实际播放内容之前将一定量的信息发送到计算机上的过程 当网络拥塞造成数据流暂时中断时, 播放机就可以利用缓冲区中的信息弥补这些间隙 当网络拥塞异常严重时, 就会在播放文件的过程中察觉到数据流的中断, 这是因为缓冲区已空并且还未接收到其他信息 操作系统的分类 随着计算机软硬件技术的不断发展, 已经形成了各种类型的操作系统, 以满足不同的应用要求 从不同的角度分类, 可以得到不同类型的操作系统 常用的分类标准及类型有下列 4 种 1. 按用户界面分类 1) 命令行界面操作系统 命令行界面操作系统是一种字符界面的操作系统 用户与操作系统的交互方式是, 由用户在命令提示符后面键入命令并按 Enter 键后, 计算机便做出相应的动作 典型的命令行操作系统有 MS-DOS(Microsoft Disk Operating System, 微软磁盘操作系统 ) Novell Netware 等 2) 图形用户界面 (Graphics User Interface,GUI) 操作系统 这类操作系统的用户界面为窗口图形, 其中的元素有菜单 按钮 列表框 对话框等, 每个文件 文件夹或应用程序也都可以用图标表示 用户与操作系统的交互方式主要是由用户通过鼠标对菜单命令 命令按钮或图标等对象的单击或双击来实现的, 也可以通过快捷键实现 这种方式由于无需记忆命令关键字及其语法格式, 所以操作起来非常方便 典型的图形用户界面操作系统有 Windows 95/98/NT/2000/XP/7 Linux 的 X 图形用户界面等

67 58 大学计算机基础 2. 按支持的用户数分类 1) 单用户操作系统 单用户操作系统由一个用户独占计算机系统资源, 它只能完成一 个用户的服务请求, 如 MS-DOS Windows 95/98 等即为单用户操作系统 2) 多用户操作系统 多用户操作系统支持多个用户同时联机使用计算机系统, 通常它 是由一台主机连接若干终端组成的一个工作环境 多用户操作系统能为多个用户提供服务 完成多个用户提交的任务, 如 UNIX Xenix Windows Server 2000 等即为多用户操作系统 3. 按支持的任务数分类 1) 单任务操作系统 这类操作系统只允许用户一次提交一个任务, 待该任务执行完毕后才能提交下一个任务, 如 MS-DOS 4.0 以下版本的操作系统 2) 多任务操作系统 多任务操作系统中, 系统可以同时接收并处理用户一次提交的多个任务, 如 UNIX Xenix Windows 95/98/NT/2000/XP Linux 等 4. 按系统功能特点分类 (1) 批处理系统在批处理系统环境下, 用户一般不直接操纵计算机, 而是把程序 数据和作业说明一次提交给系统操作员, 由系统操作员组织好作业并按规定的格式输入计算机, 作业一旦进入系统处理, 则与外部不再发生交互 批处理系统追求的目标是最大限度地发挥计算机资源的效率 大作业吞吐量和作业流程的自动化 (2) 分时操作系统分时操作系统的主要特点是将 CPU 的运行时间划分成时间片, 采用时间片轮转的方式处理多个用户的服务请求 即按照某个轮转次序给每个用户或每个任务分配一段 CPU 时间, 用于各自的处理 计算机的高速运算和并行工作的特点, 使每个用户感觉不到是在与其他用户同时使用同一台计算机, 就好像他自己独占了整台计算机系统一样 分时操作系统有 UNIX Xenix 等 (3) 实时操作系统实时操作系统则要求系统能够对输入计算机的请求, 在规定的时间内做出响应和处理 一般而言这个时间是很短的, 如果超出时间范围则将失去实时处理的时机和意义 实时操作系统的一个主要特点是及时响应, 即每一个信息接收 分析 处理和发送的过程必须在规定的时间限制内完成 ; 另一个主要特点是有高可靠性 (4) 网络操作系统计算机网络是通过通信设备将地理上分散的各台具有自治功能的计算机互联起来, 实现信息交换 资源共享的系统 网络操作系统的主要功能则是把网络中各台计算机配置的各自的操作系统有机地联合起来, 实现网络管理 通信 共享网络资源, 以及提供网络安全和多种网络应用服务, 协调各个主机上任务的运行 网络操作系统通常用在计算机网络系统中的服务器上 常用的网络操作系统有 Windows NT Windows Server 2000/2003 Novell Netware 等 (5) 分布式操作系统分布式操作系统用于管理分布式系统资源 分布式系统是由多台计算机通过网络连接在 科学出版社职教技术出版中心

68 第 3 章操作系统 59 一起组成的系统 系统中的计算机无主次之分, 任意两台计算机可以通过远程过程调用交换信息, 系统中的资源被提供给所有用户共享, 一个程序可分布在几台计算机上并行地运行, 相互协调完成一个共同的任务 分布式操作系统的引入主要是为了增强系统的处理能力 节省投资 提高系统的可靠性 典型操作系统简介 1.MS-DOS MS-DOS 是由 Microsoft 公司研发的配置在 PC 上的一个单用户命令行界面的操作系统 Microsoft 公司从 1981 年 8 月发表第一个版本 DOS 1.0 以来, 主要历经了 2.0~ ~ ~6.22(1994 年 6 月 ) 和 7.0(1995 年 8 月 ) 等 DOS 更新版本, 其功能不断得到增强, 从 DOS 4.0 版本开始支持多任务 DOS 自推出后, 便成为 20 世纪 PC 上安装最为普及的操作系统 2.Windows Windows 是 Microsoft 公司研发的一个基于图形用户界面 (Graphics User Interface,GUI) 的操作系统 由于 Windows 界面风格直观 形象 生动, 操作方法灵活方便 易学易用, 因此,Windows 已经成为目前装机最为普及的操作系统 Microsoft 公司从 1983 年 12 月首次推出 Windows 1.0 以来, 相继推出了 Windows 3.x Windows 95/98 Windows NT Windows 2000 Professional Windows 2000 Server Windows XP Windows Vista 和 Windows 7 等功能特点不同的操作系统 3.UNIX UNIX 是 1969 年由美国电话电报公司的贝尔实验室推出的一种多用户多任务的操作系统, 它可运行在不同厂商制造的各种型号的微型计算机或大型计算机上 UNIX 是一个分时操作系统, 主要用于 客户机 / 服务器 (Client/Server,C/S) 体系中 4.Linux Linux 由 UNIX 发展而来, 与 UNIX 兼容, 是一个性能稳定的多用户多任务的网络操作系统, 它还支持多进程和多 CPU Linux 源代码开放, 用户可以通过 Internet 免费获取 Linux 及其生成工具的源代码, 因而任何人都可以参与 Linux 的开发, 并且能够使 Linux 实现特定的功能 开发商们利用 Linux 的核心程序, 再加上外挂程序, 便有了现在各种 Linux 版本的操作系统 我国自己开发的有红旗 Linux 蓝点 Linux 等 5.Mac OS Mac OS 又称苹果操作系统, 是运行在 Apple 公司自己的机器 Macintosh 系列计算机上的操作系统 Mac OS 是首个在商用领域取得成功的图形用户界面的操作系统, 广泛用于桌面出版和多媒体应用等领域

69 60 大学计算机基础 6.Novell Netware Novell 是 PC 网络环境的先驱 Novell Netware 诞生于 1983 年, 它是第一个实现 PC 之 间文件共享的非 UNIX 的网络操作系统 从它诞生至今,Netware 已经有了许多版本, 如 Netware 2.x/3.x/4.0/5.0/5.1 等, 其功能也从基本的文件和打印共享服务到高质量的目录服务 安全服务 Web 及应用程序服务 Novell Netware 主要用于构建局域网 3.2 Windows 7 的基本知识与操作 Windows 7 简介 1.Windows 7 的新特征 Windows 7 是 Microsoft 公司在 Windows Vista 基础上推出的一款非常成功的操作系统产 品, 同以往的 Windows 版本相比,Windows 7 在性能 易用性 可靠性 安全性及兼容性等 方面都有很大提高 Windows 7 主要有以下新特征 1) 透明的操作 :Windows 7 中透明的操作有两层意义, 一是指系统的界面有一种晶莹 剔透的感觉, 界面更加整洁 ; 另一个是指 Windows 7 会更加有效地处理和归类用户的数据, 为用户带来最快捷的个人数据服务, 方便用户管理自己的信息 2) 便捷的连接 :Windows 7 提供了非常便捷的连接功能, 不仅可以帮助用户快捷地完 成网络连接, 直接接入 Internet, 而且能够紧密和快捷地将其他的计算机 所需要的信息及 电子设备无缝连接起来成为一体 3) 加固的安全 :Windows 7 为用户带来经过改善的安全措施, 将会比以往的操作系统 更加安全地保护计算机不受病毒的侵害 2.Windows 7 的版本 Microsoft 公司针对不同的用户推出了 6 个版本的 Windows 7, 见表 3-1 表 3-1 Windows 7 的版本 版本功能特点 简易版 (Windows 7 Starter) 家庭普通版 (Windows 7 Home Basic) 家庭高级版 (Windows 7 Home Premium) 专业版 (Windows 7 Professional) 是功能最少的版本, 缺少 Aero 特效, 没有 64 位支持 Windows 媒体中心和移动中心等, 对 更换桌面背景有限制 一般用于装配低端机 是简化的家庭版, 支持多显示器, 限制部分 Aero 特效, 有移动中心, 没有 Windows 媒体中 心和远程桌面, 缺少 Tablet 支持, 只能加入而不能创建家庭网络组等 仅在如中国 印度 巴西等新兴市场投放 面向家庭用户, 满足家庭娱乐需求, 包含所有桌面增强和多媒体功能, 如 Aero 特效 多点触 控功能 媒体中心 创建家庭网络组 手写识别等 不支持 Windows 域 Windows XP 模式 多语言 可用于全球范围 科学出版社职教技术出版中心 面向爱好者和小企业用户, 满足办公开发需求, 包含加强的网络功能, 如活动目录和域支持 远程桌面 网络备份 位置感知打印 加密文件系统 演示模式 Windows XP 模式等功能, 64 位版本可支持更大内存 (192GB) 该版本可通过全球定牌生产合作厂商和零售商获得

70 第 3 章操作系统 61 版本功能特点 续表 企业版 (Windows 7 Enterprise) 旗舰版 (Windows 7 Ultimate) 是面向企业市场的高级版本, 满足企业数据共享 管理 安全等需求, 包含多语言包 UNIX 应用支持 BitLocker 驱动器加密 分支缓存 (branch cache) 等 该版本通过与 Microsoft 公司有软件保证合同的公司进行批量许可出售拥有其他版本的所有功能, 与企业版基本相同, 仅在授权方式及其相关应用与服务上有所区别, 主要面向高端用户和软件爱好者 专业版和家庭高级版用户可以付费通过 Windows 升级服务升级到旗舰版 3.Windows 7 的安装 (1) 安装 Windows 7 的软硬件需求 1)CPU:32 位或 64 位, 最低 1GHz 2) 内存储器 : 至少 1GB( 基于 32 位 ) 或 2GB( 基于 64 位 ) 3) 硬盘空间 : 至少 16GB( 基于 32 位 ) 或 20GB( 基于 64 位 ), 且文件系统采用 NTFS 4) 显卡 : 支持 DirectX 9 且显存容量至少为 128MB 5) 显示器 : 分辨率至少在 , 低于该分辨率则无法正常显示部分功能 (2) 安装 Windows 7 的方法 1) 全新安装, 指在没有安装任何操作系统的计算机上安装 Windows 7 方法是, 首先在 BIOS 芯片中设置从光盘或闪存盘 (Windows 7 支持从闪存盘进行安装 ) 进行引导, 然后将 Windows 7 安装盘放入光驱或将闪存盘 ( 需事先将闪存盘制作成安装盘 ) 插入 USB 接口, 计算机将自动运行安装程序 安装过程中, 用户按照屏幕提示只需简单地操作即可完成 2) 升级安装 如果计算机中安装有 Windows XP 或 Windows Vista 系统, 可以将其升级为 Windows 7, 而原系统中的设置, 包括用户账户 用户文档及其他第三方软件都会被保留 方法是, 首先启动 Windows XP 或 Windows Vista, 使用具有管理员权限的账户登录, 然后将 Windows 7 安装光盘放入光驱, 系统会自动运行并弹出安装向导界面, 单击 现在安装 按钮进行安装即可 3) 多系统安装 如果用户需要安装多个版本的 Windows 操作系统, 则按照由低到高的版本顺序安装即可 例如, 安装完 Windows XP 之后再安装 Windows Windows 7 的桌面 1. 桌面桌面 (desktop) 是指 Windows 7 显现的整个屏幕界面, 如图 3-3 所示 桌面是 Windows 用户与计算机之间交互的接口界面,Windows 中几乎所有的操作都是在桌面上完成的 用户可根据喜好选择不同的桌面背景, 桌面上可以布置各种图标 ( 如 计算机 回收站 Internet Explorer 等 ), 桌面的底部有任务栏 Windows 7 的桌面有许多全新的改进, 如外观 Aero 特效 增强的任务栏等, 这些改进大大提高了操作效率和用户体验 特别是 Windows 7 提供的 Aero 特效功能, 它是 Microsoft 公司从 Windows Vista 开始重新设计的用户界面,Windows 7 界面继承了该风格, 而且技术更加成熟 Aero 特效是一种可视化系统主体效果, 主要体现在任务栏 标题栏等位置的毛

71 62 大学计算机基础 玻璃效果 Aero 的透明效果不仅仅是为了美观, 它可以使用户将更多的精力集中在关键内 容上, 而且能够使操作更加简洁 图 3-3 Windows 7 的桌面 2. 图标 Windows 7 系统提供的图标不仅十分精致, 而且具有更加实用的文件预览功能 Windows 7 的超大图标或大图标在显示文件夹时会抓取其中文件的快照, 在显示 Office 文档 PDF 文档和图片等文件时可以实现预览, 方便用户查看, 如图 3-4 所示 3. 任务栏 图 3-4 Windows 7 的图标预览功能 任务栏是位于桌面底部的条状显示区域,Windows 7 的任务栏包含 开始 按钮 窗口 按钮和通知区域等, 如图 3-5 所示 任务栏的主要功能是显示用户所打开的程序窗口对应的 图标按钮, 通过单击这些按钮实现显示或隐藏窗口 切换窗口及关闭窗口等 图 3-5 Windows 7 的任务栏 1) 开始 按钮 : 单击该按钮可以打开 开始 菜单 科学出版社职教技术出版中心 2) 窗口按钮栏 : 位于任务栏的中间区域, 它又分为未运行程序图标按钮和已运行程序 图标按钮两部分 Windows 7 将原来的快速启动工具栏与任务栏上的程序窗口按钮进行了整 合, 未运行程序和已运行程序一目了然, 单击未运行程序图标按钮, 可启动对应的程序, 其

72 第 3 章操作系统 63 图标会变成运行程序窗口图标按钮形式 3) 语言栏 : 显示当前的输入法状态 4) 通知区域 : 显示包括电源 网络 音量 时钟及其他一些特定程序和计算机设置的图标 5) 显示桌面 按钮 : 这是 Windows 7 提供的一个特效按钮, 通过 Aero PeeK 桌面的完全透明效果可以直接查看桌面 当鼠标指针移到该按钮上, 可预览桌面 ; 单击该按钮可快速返回桌面 这样可避免频繁地进行最小化和还原操作 4. 设置任务栏用户可以对任务栏外观 屏幕上的任务栏位置 任务栏上的按钮是否合并 通知区域的显示状态及是否使用 Aero PeeK 预览桌面等属性进行设置 其方法是, 在任务栏空白处右击, 在弹出的快捷菜单中选择 属性 命令, 则弹出 任务栏和 开始 菜单属性 对话框, 如图 3-6 所示, 然后针对对话框中的相关项目进行设置 菜单 图 3-6 设置任务栏属性 菜单是一种用结构化方式组织的操作命令的集合, 有利于用户综合了解系统的性能 通过菜单的层次布局, 复杂的系统功能就能轻松地为用户所接受, 使操作 Windows 系统更直观 简单和方便 菜单上的每个命令都由文字组成, 部分菜单命令还带有图标或快捷键 1. 开始 菜单 开始 菜单是计算机程序文件夹和系统设置的主菜单 Windows 7 的 开始 菜单如图 3-7 所示, 在菜单的左侧显示的是常用程序列表, 右侧是 Windows 内置功能区域 常用程序列表主要显示用户使用频率较高的应用程序, 而且系统会根据程序的使用频率动态排列 可以将常用程序列表中的某一项目附到 开始 菜单, 或从列表中删除, 方法是通过右击, 在弹出的快捷菜单中选择操作 (1) 开始 菜单的基本操作 1) 启动程序 : 单击常用程序列表中程序的快捷方式启动程序 ; 若常用程序列表中没有

73 64 大学计算机基础 显示要启动的程序, 则将鼠标指针移到 开始 菜单中的 所有程序 项, 停留约 2 秒或单 击, 在弹出的程序菜单中找到相应的应用程序的快捷方式, 单击启动程序 图 3-7 Windows 7 的 开始 菜单 2) 打开常用文件夹 : 在 开始 菜单的右侧 Windows 内置功能区域, 单击要打开的系 统文件夹 3) 搜索程序和文件 : 用户在搜索文本框中输入标题可查找计算机中的文件 文件夹或 网络中的计算机 4) 设置计算机环境 : 在 开始 菜单的右侧 Windows 内置功能区域, 单击要打开的系 统设置文件夹, 如 控制面板 设备和打印机 等, 使用相应的系统设置工具进行设置 5) 获取 Windows 帮助信息 :Windows 的联机帮助技术提供了内容丰富的帮助信息, 借 助它用户随时可以得到帮助信息 6) 切换用户 注销 锁定 重新启动 睡眠 : 鼠标指针指向 关机 右侧的箭头, 在 其下级菜单中选择相应的操作 (2) 设置 开始 菜单 用户也可以对 开始 菜单的外观和行为, 菜单上的项目 图标和链接及最近打开的程 序和项目是否显示等属性进行设置 ( 自定义 ) 方法是, 在任务栏空白处右击, 在弹出的快捷菜单中选择 属性, 则弹出 任务栏和 开始 菜单属性 对话框, 如图 3-8 所示 要自定义 开始 菜单, 则单击 自定义 按钮, 弹出如图 3-9 所示的 自定义 开始 菜单 对话框, 然后针对对话框中的相关项目进行设置 2. 菜单的种类 科学出版社职教技术出版中心 从操作的角度来划分, 菜单分为 开始 菜单 菜单栏菜单 控制菜单和快捷菜单 开始 菜单是 Windows 7 最大的菜单, 其内容可以由用户动态地改变 菜单栏菜单一般是指某个窗口标题栏下面的一组菜单 控制菜单是指单击标题栏左端或者在标题栏上单击后弹出的菜单 快捷菜单是指用户右击后弹出的菜单 它们的功能和打开方法见表 3-2

74 第 3 章操作系统 65 图 3-8 设置 开始 菜单属性 图 3-9 自定义 开始 菜单 表 3-2 四类菜单 菜单项目 开始 菜单 控制菜单 菜单栏菜单 快捷菜单 功能 Windows 7 的命令 控制窗口的大小 位置等命令 应用程序的命令 作用于对象的命令 打开 单击 开始 按钮 按 键单击窗口左上角或在标题栏单击菜单名或按 Alt+ 字母或按 Ctrl+ Esc 组合键上右击组合键 右击对象 对于菜单上的菜单项目, 按 Alt 键和菜单名右侧的英文字母所组成的组合键, 就可以起到与鼠标单击该命令相同的效果 菜单上有许多标记, 见表 3-3 表 3-3 菜单项目附加标记一览表 表示方法含义 高亮显示条快捷键暗淡 ( 灰色 ) 后带 前有 前有 后有组合键后有 表示鼠标光标当前指向的命令可以使用键盘直接按键选择命令当前不能使用的菜单选项单击该项后会弹出一个对话框, 需要更进一步的信息输入, 才能执行命令类似于开关, 具有打开或关闭程序的功能, 称选中标记, 控制某些功能的开关, 再选择一次表示取消选中选项标记, 用于切换选择命令项的不同状态 若选择分组菜单中的某一个且只能是一个选项, 则同时取消此前选择的状态使用该菜单命令的快捷键当鼠标光标指向时, 会打开一个子菜单 窗口 Windows 是一个基于图形用户界面的操作系统, 它的图形用户界面是以窗口技术为基础的, 用户管理和操作计算机的所有工作都在窗口中进行 Windows 的窗口一般分为应用程序窗口 文档窗口和对话框 应用程序窗口是应用程序运行时的工作界面, 如启动计算器或 Word 程序后所看到的 计算器 窗口或 Word 工作窗口 文档窗口是基于应用程序的, 如打开一个 Word 文档, 则同时也打开了 Word 工作窗口 对话框是窗口的特殊形式, 是 Windows

75 66 大学计算机基础 与用户交互的主要界面形式, 是人机间进行信息交流的重要途径 1. 窗口的组成 以 计算机 窗口为例,Windows 7 窗口的一般组成如图 3-10 所示 图 3-10 窗口的组成 1) 标题栏 : 位于窗口顶部, 用于显示本窗口对应的应用程序名或文档名称 标题栏的 右端有 3 个按钮, 分别是 最小化 最大化 ( 向下还原 ) 和 关闭 按钮 2) 地址栏 : 用于输入 显示文件的地址 用户可通过单击地址栏右边 按钮或地 址中文件夹名后面的 按钮来选择地址 ; 也可以直接在地址栏中输入以路径表示的地址 ( 包括网址 ), 以便访问本地或网络资源 3) 搜索框 : 类似的搜索框在 Windows 7 中随处可见, 它用于输入搜索关键字 Windows 7 中的搜索框具备动态搜索功能, 即当用户输入部分关键字的时候, 系统就已经开始搜索, 随着输入关键字的增多, 搜索的结果会自动筛选, 直到搜索完毕, 显示出结果 4) 菜单栏 : 显示的是 Windows 7 的菜单栏菜单 用户可单击某菜单名或按 Alt+ 热键 ( 菜单名后面的字母 ) 打开其下级菜单选择所需要的命令 5) 智能工具栏 : 工具栏中存放着常用的操作按钮, 通过工具栏, 可以实现文件的新建 打开 共享和调整视图等操作 在 Windows 7 中, 工具栏上的按钮会根据查看内容的不同而动态地显示最匹配的选项, 但一般有 组织 共享 视图 和 新建文件夹 等项目 通过 组织 按钮可以实现文件或文件夹的剪切 复制 粘贴 删除 重命名等操作, 如图 3-11 所示 通过 视图 按钮可以调整文件窗格中图标的显示方式, 如图 3-12 所示 6) 导航按钮 : 用于在浏览记录中导航 7) 导航窗格 : 用于更快捷地在不同文件夹之间切换浏览 该窗格中的内容又归为以下几个类别 科学出版社职教技术出版中心

76 第 3 章操作系统 67 1 收藏夹 : 可以将频繁访问的资源地址添加到 收藏夹 中保存, 方便以后再访问 2 库 : 是专用的虚拟视图, 用于收集硬盘上不同位置的文件, 并将其显示为一个集合, 而无须从其存储位置移动这些文件 3 计算机 : 为用户提供了一个文件夹的 树形结构, 方便用户快速浏览计算机上所有存储设备中的全部文件和文件夹 4 网络 : 用于浏览本机所在局域网的网络资源 图 3-11 组织 工具按钮 图 3-12 视图 工具按钮 8) 文件窗格 : 用于显示所打开窗口的主题和内容, 一般由文件或文件夹图标 垂直滚 动条 水平滚动条等组成 在文件窗格中, 可以设置调整图标的显示方式 排序等 9) 细节窗格 : 用于显示所选取项目的详细信息 10) 分隔条 : 鼠标指针指向分隔条, 指针会变为左右箭头状, 然后左右拖动以改变导航 窗格和文件窗格的大小 2. 窗口的操作 窗口具有下列基本操作 1) 移动窗口 : 鼠标指针指向窗口的标题栏, 拖动窗口到屏幕上所需的位置 2) 改变窗口大小 : 鼠标指针指向窗口的边框或四角, 鼠标指针形状自动变成双向箭头的指针, 此时来回拖动窗口边框或四角之一, 即可改变窗口的大小 3) 最大化窗口 : 单击标题栏右端的最大化按钮或双击标题栏, 窗口即可扩大到整个桌面, 此时最大化按钮变成还原按钮 另外,Windows 7 中还可以利用 Aero 特效, 方法是, 用鼠标指针将窗口的标题栏移动到屏幕的顶部, 可以直接将该窗口最大化 4) 还原窗口 : 当窗口最大化以后, 单击标题栏右端的还原按钮或双击标题栏, 即可使窗口恢复至原来的大小 也可以利用 Aero 特效, 方法是, 用鼠标指针将窗口的标题栏向下拖动, 窗口可从最大化状态恢复为原始大小 5) 最小化窗口 : 单击标题栏右端的最小化按钮, 窗口在桌面上被隐藏 此时窗口对应的图标按钮仍然在任务栏上, 单击该按钮又可显示该窗口 6) 关闭窗口 : 单击标题栏右端的关闭按钮或双击窗口左上角, 窗口在屏幕上消失, 此时窗口对应的图标按钮也在任务栏上消失 3. 窗口的切换 用户可打开多个窗口, 但只能有一个活动窗口 ( 当前处于前台工作的窗口 ) 若要在不

77 68 大学计算机基础 同程序窗口间切换, 则采用下述方法之一即可 1) 在任务栏上单击代表该窗口的图标按钮 2) 按 Alt+Tab 组合键可在最近打开的两个窗口间切换 ; 按 Alt+Esc 组合键, 则在多个被打开的窗口间循环切换 3) 使用任务栏按钮预览进行切换, 将鼠标指针移到任务栏上程序对应的图标按钮上, 将会出现已打开窗口的预览, 然后在相应的窗口预览上单击即可进行切换, 如图 3-13 所示 图 3-13 使用任务栏按钮预览进行切换 4) 使用 Aero 3D 效果窗口切换, 方法是按住 +Tab 组合键, 出现如图 3-14 所示的 Aero 3D 界面效果, 反复按 Tab 键, 窗口 ( 包括桌面 ) 依次向前滚动, 释放按键, 即可切换到最前面的窗口 4. 窗口排列窗口排列分为层叠窗口 堆叠显示窗口 并排显示窗口和显示桌面 在任务栏上空白处右击, 弹出快捷菜单如图 3-15 所示 用户执行菜单中相应的命令设置窗口的排列方式 5. 对话框 图 3-14 Aero 3D 效果窗口切换图 3-15 窗口的排列方式 对话框通常用于获取用户输入信息 配置系统 简短的信息显示和程序运行警告等 对 话框的一般特征是不能改变大小 没有菜单 没有对应的任务栏图标按钮 如图 3-16 所示为 打印 对话框 科学出版社职教技术出版中心 Windows 的对话框通常由多种控制部件组成, 其作用各不相同 常见的控制部件有以下 几种 1) 复选框 : 形状为一个方框, 单击该框, 则框内将出现 状符号 ( 为选中状态 ),

78 第 3 章操作系统 69 或去掉 状符号 一组复选项中可以有多个都处于选中状态 2) 单选按钮 : 形状为一个圆圈, 用来在一组选项中选择一个 ( 多选一 ) 单击单选按钮后, 圆圈内将出现一个 符号, 表示该项被选中 3) 文本框 : 用于输入文本信息 图 3-16 打印 对话框 4) 列表框 : 可以显示多个选项, 由用户选择其中一项或多项 当不能全部显示列表框的选项内容时, 可以利用滚动条来帮助查看 5) 下拉列表框 : 右侧有一个下拉按钮, 单击该按钮, 将打开下拉列表供用户选择 当选项较多时, 会出现滚动条, 可以单击滚动按钮来查看和选择 6) 滑块 : 通过左右 ( 或上下 ) 拖动滑块可以改变数值的大小, 一般用于调整参数 7) 命令按钮 : 用于执行一段特定的功能, 如查找 删除 确定 取消等, 单击命令按钮可立即执行相应的命令 如果命令按钮呈现淡灰色, 表示当前该按钮所对应的功能无效, 即不可选 ; 如果一个命令按钮上的命令名后面跟有省略号 ( ), 表示单击该按钮将弹出一个对话框 8) 数字增减按钮 : 可以通过单击数字增减按钮来改变数字增减框内数字的大小, 也可以在数字增减框中直接输入数字 9) 帮助按钮 : 单击帮助按钮, 鼠标光标变成帮助选择光标, 然后再单击需要提供帮助信息的对象, 系统便弹出包含帮助信息的显示条 10) 选项卡 : 通过单击选项卡的标题, 可以在对话框中所列举的几组功能中选择一组 例如, 为 查找和替换 对话框中的 3 个选项卡 鼠标和键盘的使用 1. 鼠标的操作使用鼠标是操作 Windows 最简便的方式 一般而言, 鼠标有左 中 右 3 个按键 ( 有的只有左 右两个按键 ), 中间的按键通常是不用的 通过控制面板中的鼠标图标可以交换

79 70 大学计算机基础 左 右按键的功能 下面是有关鼠标操作的常用术语 1) 单击 : 按鼠标左键, 立即释放 需要特别注意的是, 单击 是指单击鼠标左键 2) 右击 : 按鼠标右键, 立即释放 右击后, 通常会弹出一个快捷菜单 快捷菜单是执 行命令的最便捷的方式 几乎所有的菜单命令都有对应的快捷菜单命令 3) 双击 : 快速地进行两次单击操作 4) 指向 : 在不按鼠标按键的情况下, 移动鼠标指针到预期位置 指向 操作通常有两 种用法 : 一是打开子菜单, 如当用鼠标指针指向的菜单项后面带有 符号时, 就会弹出级联菜单 ; 二是突出显示, 当用鼠标指针指向某些按钮时会突出显示一些文字来说明该按钮的功能 5) 拖动 : 在按鼠标按键不松开的同时移动鼠标指针 拖动前, 先把鼠标指针指向想要拖动的对象, 然后拖动, 结束拖动操作后松开鼠标按键 除特别说明外, 拖动 时按住鼠标左键 2. 键盘的操作 键盘除了可以进行文本录入以外,Windows 还为键盘定义了许多快捷键, 以便完成某项操作功能 用得最多的键盘命令形式是键名 1+ 键名 2, 如 Ctrl+Shift 在某些特殊的场合, 使用快捷键操作可能要比使用鼠标操作来得方便 表 3-4 列出了一些常用的键盘操作快捷键及其功能 表 3-4 常用快捷键功能 键 位 功 能 键 位 功 能 Enter 确认 Ctrl+X 剪切 Esc 取消 Ctrl+C 复制 Delete 删除 Ctrl+V 粘贴 Tab 在对话框中切换到下一项 Shift+Tab 在对话框中切换到上一项 Prt Scn 将屏幕画面复制到剪贴板 Alt+PrtScn 将活动窗口画面复制到剪贴板 Ctrl+Esc 打开 开始 菜单 Alt+F4 关闭当前窗口 Ctrl+Space 中英文输入法切换 Shift+Space 半角 / 全角切换 Ctrl+Shift 不同输入法间切换 Alt+Tab 在最近打开的两个窗口间切换 Ctrl+. 中英文标点符号切换 Alt+Esc 在打开的窗口间循环切换 Ctrl+Alt+Delete 启动任务管理器 Alt+ 菜单栏字母 打开窗口菜单栏菜单 3.3 应用程序管理 安装和卸载应用程序 1. 安装应用程序 科学出版社职教技术出版中心 根据应用程序的安装文件所处的位置不同,Windows 应用程序可以从光盘安装 从硬盘安装 从闪存盘安装及从 Internet 安装 Windows 应用程序的安装过程都非常相似, 通常是先运行安装向导, 然后在向导的提示下, 用户只需进行必要的安装选择或输入少量的信息, 系统将自动完成安装工作

80 第 3 章操作系统 71 (1) 从光盘安装如果从光盘安装应用程序, 先将光盘插入光驱, 安装程序将自动运行, 进入安装向导窗口, 然后按向导提示进行安装 若安装程序未自动运行, 则打开光盘, 将显示光盘内容, 在其中找到应用程序的安装文件 ( 一般文件名为 Setup.exe) 后, 直接双击, 则运行安装向导 从硬盘安装或从闪存盘安装应用程序的方法与从光盘安装方法相似 (2) 从 Internet 安装在浏览器中搜索到要安装的应用程序文件, 若要立即安装程序, 单击 打开 或 运行 按钮, 然后按照屏幕提示进行操作 若要以后安装该程序, 则单击 保存 按钮, 将安装文件下载到本地计算机的硬盘上, 然后从硬盘安装该程序 2. 卸载应用程序从计算机中卸载一个应用程序, 不能简单地从该程序的安装文件夹中采用删除文件的办法去卸载应用软件, 而要用专门的卸载工具 ( 卸载程序 ) 完成卸载任务 (1) 使用应用软件自带的卸载程序卸载应用软件在计算机中安装成功后, 一般会同时添加该软件的卸载程序 ( 通常文件名为 Uninstall.exe), 运行此卸载程序, 即可从计算机中卸载该应用软件 (2) 使用 控制面板 中的卸载程序卸载在 控制面板 窗口中, 单击 卸载程序, 会打开 程序和功能 窗口, 如图 3-17 所示 在窗口的应用程序列表框中, 选定需要卸载 ( 或更改 修复 ) 的应用程序, 然后单击工具栏上的 卸载 ( 或 更改 修复 ) 按钮, 则可完成对应的工作 运行和退出应用程序 图 3-17 程序和功能 窗口 用户需要完成某项任务, 就必须运行具有相应功能的应用程序 应用程序文件即为可执行文件, 常见的应用程序文件的扩展名为.exe.com.bat 等 应用程序可以根据实际需要随时安装和卸载 1. 运行应用程序运行 ( 启动或打开 ) 应用程序的常用方法有以下 4 种