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2 普通高等教育 十二五 规划教材中国科学院教材建设专家委员会规划教材 大学计算机基础 张高亮主编谭华山刘云杰蒋明宇副主编副主编郑志华先强何丽副主编 北京

3 内容简介 本书根据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会于 2009 年 8 月颁布的 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 理工类大学计算机基础课程教学要求和全国高等学校非计算机专业学生计算机等级考试教学大纲要求编写而成, 适用于高等学校大学计算机基础课程教学 本书共分为 7 章, 内容包括计算机基础知识 操作系统 办公软件 Office 2007 计算机网络基础 多媒体技术基础 数据库与软件工程基础 信息技术与信息安全 本书内容丰富 层次清晰 通俗易懂 图文并茂, 可作为高等学校计算机基础课程的教学用书, 也可作为计算机爱好者学习计算机知识和操作的辅助教材 本书配套教材 大学计算机基础实践 ( 谭华山 张高亮主编 ) 同期出版, 内容包括上机实践和习题指导 本书配有电子教案及丰富的网络教学资源, 请访问精品课程网站 计算机基础教学网 ( 图书在版编目 (CIP) 数据大学计算机基础 / 张高亮主编. 北京 : 科学出版社,2012 ( 普通高等教育 十二五 规划教材 中国科学院教材建设专家委员会规划教材 ) ISBN Ⅰ.1 大 Ⅱ.1 张 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 (2012) 第 号责任编辑 : 吕燕新李太铼 / 责任校对 : 柏连海责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 耕者设计工作室 科学出版社发行各地新华书店经销 * 2012 年 9 月第一版开本 : / 年 9 月第一次印刷印张 :20 3/4 字数 : 定价 :35.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 双青 ) 销售部电话 编辑部电话 (HP) 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

4 前 言 当前世界经济正在从工业经济向知识经济转变 知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化 信息社会需要培养的是 专业 + 信息 的人才 计算机技术是信息技术的核心, 计算机教育的重要性被提到了空前的高度 本书是根据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会于 2009 年 8 月颁布的 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 理工类大学计算机基础课程教学要求和全国高等学校非计算机专业学生计算机等级考试教学大纲要求编写而成, 兼顾基础知识 基本技能与应用能力培养, 力求妥善处理好理论与应用 深度与广度等关系 本书由长期从事计算机基础课程教学工作的教师, 根据实际教学内容, 集丰富的教学经验编写而成 本书知识体系结构合理 条理清楚 描述准确 语言流畅, 内容由浅入深 循序渐进 通俗易懂 图文并茂, 注重培养学生的实际操作能力 本书知识难度适中, 兼顾基本技能训练, 加强了计算机网络技术 多媒体技术 信息技术三大模块, 为拓展学生的知识面和提高计算机应用能力打下基础 本书共分为 7 章 : 第 1 章计算机基础知识, 第 2 章操作系统, 第 3 章办公软件 Office 2007( 文字处理 Word 2007 电子表格 Excel 2007 演示文稿 PowerPoint 2007), 第 4 章计算机网络基础, 第 5 章多媒体技术基础, 第 6 章数据库与软件工程基础, 第 7 章信息技术与信息安全 本书配套教材 大学计算机基础实践 ( 谭华山 张高亮主编 ) 同期出版, 内容包括上机实践和习题指导 本书配有电子教案及丰富的网络教学资源, 请访问精品课程网站 计算机基础教学网 ( 本书第 1 章由张高亮和何丽编写, 第 2 章由谭华山编写, 第 3 章由张高亮编写, 第 4 章由刘云杰编写, 第 5 章由蒋明宇编写, 第 6 章由先强编写, 第 7 章由郑志华编写 全书由重庆师范大学张高亮负责组织 策划 统稿等工作 本书在编写过程中, 得到了重庆师范大学同仁的大力支持, 在此表示衷心的感谢! 金无足赤, 人无完人, 由于编者水平有限, 书中难免存在不足或疏漏之处, 敬请读者批评指正

5 目 录 第 1 章计算机基础知识 计算机概述 计算机的发展 计算机的特点 分类及应用 计算机系统的组成与工作原理 计算机系统 硬件系统 计算机工作原理 软件系统 计算机系统性能指标 计算机信息处理 数制 数值数据处理及运算 西文字符处理 中文信息处理 34 第 2 章操作系统 操作系统基础 操作系统概念 操作系统发展 操作系统分类 常用操作系统简介 Windows XP 基本知识 Windows 发展 Windows XP 特点 Windows XP 安装 启动 退出 Windows XP 键盘 鼠标操作 Windows XP 中英文输入 Windows XP 基本操作 桌面及任务栏 窗口组成及其操作 菜单 工具栏及快捷方式 对话框 应用程序启动和退出 剪贴板 62

6 iv 目 录 帮助系统 Windows XP 资源管理 应用程序管理 文件和文件夹管理 Windows 系统维护 控制面板 磁盘管理 设备管理 系统属性 磁盘清理 碎片整理 常用软件介绍 Internet Explorer Outlook Express Windows Media Player Windows Movie Maker 命令提示符 画图 记事本 计算器 录音机 压缩 / 解压缩工具 WinRAR 87 第 3 章办公软件 Office 文字处理 Word 办公自动化及文字处理概述 Word 2007 概述 文档处理 文档编辑 排版设计 文档修饰功能 样式与模板 表格处理 图形处理 电子表格 Excel Excel 2007 基本知识 工作表基本操作 Excel 2007 图表功能 Excel 2007 数据管理 综合实例 152 大学计算机基础

7 目 录 v 3.3 演示文稿 PowerPoint PowerPoint 2007 概述 创建演示文稿 编辑幻灯片内容 幻灯片外观设计 建立交互式演示文稿 动画效果设计 幻灯片放映 171 第 4 章计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络基本知识 计算机网络体系结构 计算机网络传输介质 数据通信技术 现代通信技术 计算机局域网 局域网特点和体系结构 局域网组成 局域网协议和访问控制方法 网络互连设备 Windows 网络功能 网络组件 网上邻居使用 网络共享资源设置 网络远程管理 Internet 基础 Internet 概述 Internet 基本知识 Internet 提供服务 网页制作软件 SharePoint Designer SharePoint Designer 概述 超级链接 图像控制 表格处理 框架技术 226 第 5 章多媒体技术基础 多媒体技术基础知识 多媒体技术基本概念 多媒体技术特性 229

8 vi 目 录 多媒体技术应用 多媒体关键技术 多媒体信息计算机处理 音频信息处理 图形图像信息处理 视频信息处理 多媒体计算机系统 多媒体计算机系统组成 常见多媒体设备介绍 多媒体应用系统 常用应用开发软件 流媒体播放工具 RealPlayer 图形图像处理软件 Photoshop 动画制作软件 Flash 270 第 6 章数据库与软件工程基础 数据库及应用基础 数据库基本概念 数据管理技术 关系数据模型 Access 2007 数据库基础 软件工程基础 软件工程概述 软件开发 289 第 7 章信息技术与信息安全 信息科学与信息技术 信息及信息科学 信息技术 信息系统 信息安全 信息安全概述 信息安全技术 计算机病毒 信息素养与知识产权保护 信息素养 知识产权保护 319 主要参考文献 321 大学计算机基础

9 第 1 章 计算机基础知识 人类历史的长河已进入到了 21 世纪, 信息技术正以前所未有的速度飞速地发展, 计算机和互联网的出现改变了人们以往的学习 生活和工作方式 掌握以计算机和网络技术为核心的信息技术基础知识, 并具有较强的应用能力和信息素养, 是现代大学生必备的基本素质 1.1 计算机概述 计算机的发展计算机 (Computer) 是一种能快速 高效 自动地完成信息处理的数字化电子设备 它能按照人们编写的程序对原始输入数据 ( 信息 ) 进行加工处理 存储和传送, 以便获得所期望的输出信息, 从而利用此信息来提高工作效率和改善人们的生活质量 正是由于计算机具有人脑所特有的存储 记忆 逻辑判断 计算等能力, 它又被称为 电脑 1. 计算工具的演变在人类漫长的文明发展进程中, 我们的前辈们发明了许许多多用于计算的工具 早期具有历史意义的计算工具有以下几种 算筹计算工具的源头可以上溯至 2000 多年前的春秋战国时代, 古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具 算盘在计算机已被普遍使用的今天, 起源于唐朝 流行于宋朝的我国古老算盘不仅没有被废弃, 反而因其灵便 准确等优点, 在许多国家方兴未艾 所以, 人们往往把算盘的发明与古代四大发明相提并论, 认为算盘也是中华民族对人类的一大贡献 计算尺英国数学家奥特瑞德 (William Oughtred) 于 1622 年根据对数表设计的计算尺, 可执行加 减 乘 除 指数 三角函数等运算 计算尺一直沿用到 20 世纪 70 年代才被计算器取代 加法器法国哲学家 数学家帕斯卡 (Blaise Pascal) 于 1642 年发明了世界上第一个加法器, 它采用齿轮旋转进位方式执行运算, 但只能做加法运算 计算器 1673 年, 德国数学家莱布尼茨 (Gottfried Leibniz) 在帕斯卡的基础上设计并制造了一种能演算加 减 乘 除和开方的计算器 差分机和分析机 1812 年, 英国剑桥大学查尔斯 巴贝奇 (Charles Babbage) 教授首先设计出了差分机, 并在 1822 年制成了机器的一小部分 开机计算后, 其工作的准

10 2 第 1 章计算机基础知识 确性达到了计划的要求 1834 年, 巴贝奇在研制差分机的过程中, 看到了制造一种新的 在性能上大大超过差分机计算的可能性, 他把这个未来的机器称为分析机 巴贝奇设计的分析机有三个主要部分 : 第一部分是由许多轮子组成的保存数据的存储库 ; 第二部分是对数据进行各种运算的装置 ; 第三部分是对操作顺序进行控制, 并对所要处理的数据及输出结果加以选择的装置, 它相当于现代计算机的控制器 同时, 在多年的研究制造实践中, 巴贝奇写出了世界上第一部关于计算机程序的专著 巴贝奇是国际计算机界公认的 当之无愧的计算机之父 计算机科学的奠基人是英国科学家阿兰 图灵 (Alan Mathison Turing,1912~1954) 在二战期间, 为了能彻底破译德国的军事作战密电, 图灵设计并制成了真空管机器 Colossus, 进行了多次成功的破译, 为反法西斯战争做出了卓越的贡献 他对计算机科学的主要贡献有两个方面 : 一是建立了图灵机 (Turing Machine,TM) 模型, 奠定了可计算理论的基础 ; 二是提出图灵测试, 阐述了机器智能的概念 图灵机的概念是现代可计算性理论的基础 图灵证明 : 只有 TM 能解决的计算问题, 实际计算机才能解决 ;TM 不能解决的计算问题, 实际计算机也无法解决 TM 的能力概括了数字计算机的计算能力 因此, 图灵机对计算机的一般结构 可实现性和局限性都产生了深远影响 1950 年 10 月, 图灵在哲学期刊 Mind 上发表了一篇著名论文 Computing Machinery and Intelligence ( 计算机器与智能 ) 他指出, 如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别, 那么这台机器就具有智能 今天, 人们把这个论断称为图灵测试 (Turing Test) 它奠定了人工智能的理论基础 为纪念图灵对计算机科学做出的巨大贡献, 美国计算机学会 (ACM) 于 1966 年创立了 图灵奖, 专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人 由于图灵奖对获奖条件要求极高, 评奖程序又是极严, 一般每年只奖励一名计算机科学家, 只有极少数年度有两名合作者或在同一方向做出贡献的科学家共享此奖 因此, 它是计算机界最负盛名 最崇高的一个奖项, 有 计算机界的诺贝尔奖 之称 美籍华人姚期智由于在计算理论方面的突出贡献, 于 2000 年获得了图灵奖 另一个被称为现代计算机之父的是美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (Von Neumann, 1903~1957) 他和他的同事们研制出了人类第二台计算机 EDVAC, 对后来计算机在体系结构和工作原理方面都产生了重大影响 在 EDVAC 中采用了 存储程序 的概念, 以此概念为基础的各类计算机统称为 冯 诺依曼机 六十多年来, 虽然计算机系统从性能指标 运算速度 工作方式 应用领域等各方面都与当时的计算机产生了很大差别, 但其基本结构并没有变, 都属于冯 诺依曼机 但是, 冯 诺依曼自己也承认, 他的关于计算机 存储程序 的想法来自图灵 2. 计算机的发展阶段世界上公认的第一台电子计算机于 1946 年 2 月诞生于美国宾夕法尼亚大学, 取名为 ENIAC(Electronic Numeric Integrator and Calculator), 即电子数字积分计算器, 两位主要研制人为埃克特 (J. Eckert) 和莫克利 (J. Mauchly) 在 ENIAC 的实际制造过程中, 莫克利是总设计师, 埃克特则承担总工程师的角色 ENIAC 大约由 个电子管 大学计算机基础

11 1.1 计算机概述 个继电器组成, 每小时耗电 100~150kW, 占地 170 平方米, 重 30 吨, 平均每秒钟运算 5000 次浮点加法 ENIAC 本身存在两大缺点 : 一是没有存储器 ; 二是没有太明晰的 CPU 概念 ENIAC 的发明仅仅表明计算机的问世, 为现代计算机在体系结构和工作原理上奠定了基础 第一款商用计算机是 1951 年开始生产的 UNIVAC 计算机 1948 年 12 月,ENIAC 的两个发明人埃克特和莫克利创立了自己的计算机公司 埃克特 - 莫克利计算机公司 (EMCC), 生产 UNIVAC 计算机, 于 1951 年 6 月 14 日正式移交给了美国人口普查局, 用于公众领域的数据处理 莫克利和埃克特以及他们的 UNIVAC 奠定了计算机工业的基础 从 1946 年第一台计算机诞生以来 ( 图 1-1), 计算机的体积不断变小, 但性能 速度却在不断提高 按其采用的物理元件, 一般将现代计算机的发展分成以下几个阶段 图 1-1 第一台计算机 ENIAC 1) 第一代计算机 (1946~1957): 电子管时代这一时期的计算机是以电子管作为逻辑元件, 其主要特点是 : 运算速度几千次至几万次 / 秒 ; 主存储器是延迟线或磁鼓等 ; 使用机器语言, 主要用于数值计算 由于计算机采用电子管, 因此, 其体积很大 运算速度慢 存储容量小 价格昂贵 软件简单 可靠性不高, 从而使计算机的应用受到很大的限制 2) 第二代计算机 (1958~1964): 晶体管时代这一时期的计算机是以晶体管作为逻辑元件 其主要特点是 : 运算速度几万次至几十万次 / 秒 ; 主存储器以磁芯存储器为主 ; 开始使用磁盘作为辅助存储器 ; 软件系统开始使用高级程序设计语言和操作系统 晶体管的平均寿命 耗电量 运算速度以及机械强度均比电子管优越, 使得计算机的体积变小 耗电减少 价格降低 速度加快 可靠性提高, 从而使计算机的应用得到进一步发展 除科学计算外, 计算机已开始被用来进行数据处理和过程控制 3) 第三代计算机 (1965~1970): 中小规模集成电路时代这一时期的计算机是以小规模集成电路 (Small Scale Integration,SSI) 和中规模集成电路 (Middle Scale Integration,MSI) 作为逻辑元件 其主要特点是 : 运算速度平均几十万至几百万次 / 秒 ; 主存储器开始使用半导体存储器 ; 外部设备 操作系统和高级语言得到进一步的发展和完善, 机型开始多样化 系统化, 从而提高了计算机的效率 半导体集成技术的使用, 使计算机的体积 耗电量进一步减小, 可靠性和运算速度提高, 总体性能较第二代提高了一个数量级 ; 再加上配套的外部设备 高级语言和操作系统的进一步发展和完善, 计算机在科学计算 数据处理和过程控制等方面的应用更为广泛 4) 第四代计算机 (1971~): 大规模集成电路时代这一时期的计算机是以大规模集成电路 (Large Scale Integration,LSI) 及超大规模集成电路 (VLSI) 作为逻辑元件 其主要特点是 : 运算速度几百万次至几亿次 / 秒 ; 主

12 4 第 1 章计算机基础知识 存储器仍为半导体存储器 ; 外部设备和操作系统等更进一步发展, 机型向巨型化和微型化方向发展 大规模及超大规模集成电路的出现, 大大提高了硅片上电子元件的集成度, 可把计算机的核心部分 运算器和控制器一起集成在一块极小的芯片上, 从而使计算机的整体性能更为增强 运算速度更快 价格降低 随着各种外部设备 系统软件和应用软件的空前发展, 计算机的应用已渗透到各个领域, 同时, 这也为计算机的网络化创造了条件 5) 第五代计算机 : 智能型时代智能型计算机不是按其物理元件进行划分, 而是着眼于处理功能 其使用的基本元件仍是超大规模集成电路, 但计算机的主要功能从信息处理上升为知识处理, 使计算机具有人的某些智能, 这是与第四代计算机相比最本质的区别 一般认为, 第五代计算机 ( 即智能型计算机 ) 应具有以下几方面功能 : 具有处理各种信息的能力 能对声音 文字 象图像等形式表达的信息进行识别和处理 具有一定的学习 联想 推理和解释问题的能力 具有对人类自然语言的基本理解能力和对自然语言编写的程序的处理能力 只需把要处理或计算的问题用自然语言写出要求及说明, 计算机就能理解其意图, 按人的要求进行处理或计算, 而不需要专门的计算机算法语言把处理过程与数据描述出来 对第五代计算机来说, 人们希望告诉它要 做什么, 而不必告诉它 怎么做 人工智能方面研究已有近五十年历史, 其应用已取得了较大的成就 最典型实例是, 美国 IBM 公司研制的 深蓝 超级计算机, 在 1997 年与前国际著名的国际象棋特级大师帕斯卡罗夫进行对弈中, 取得了两胜一负的战绩 3. 计算机新技术计算机新技术的发展日新月异, 当前发展迅速且将具有重要影响的新技术主要有云计算 嵌入式计算机和中间件技术等 1) 云计算云计算 (Cloud Computing) 是基于互联网的相关服务的增加 使用和交付模式, 通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源 云计算是网格计算 (Grid Computing) 分布式计算(Distributed Computing) 并行计算 (Parallel Computing) 效用计算(Utility Computing) 网络存储(Network Storage Technologies) 虚拟化(Virtualization) 负载均衡(Load Balance) 等计算机技术和网络技术融合发展的产物 它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统, 并借助 SaaS PaaS IaaS MSP 等先进的商业模式把其强大的计算能力分布到终端用户手中 云计算的一个核心理念就是通过不断提高 云 的处理能力, 进而减少用户终端的处理负担, 最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备, 并能按需享受 云 的强大计算处理能力 云计算的特点是将计算分布在大量的分布式计算机上, 而非本地计算机或远程服务器中, 企业数据中心的运行将与互联网更相似 这使得企业能够将资源切换到需要的应大学计算机基础

13 1.1 计算机概述 5 用上, 根据需求访问计算机和存储系统 云计算的结构如图 1-2 所示 图 1-2 云计算结构云计算具有超大规模 虚拟化 高可靠性 通用性 高可扩展性 按需服务 极其廉价等优势 目前, 云计算已经来到了我们的身边, 逐渐进入我们的学习 生活和工作中 谷歌 微软等已经为用户提供了基于个人云计算平台的在线办公软件, 能够进行在线文档管理 在线文档编辑 在线相册浏览等功能 云计算的蓝图已经呼之欲出 几年后, 只需要一台笔记本或者一个手机, 我们就可以通过网络服务来实现我们的需求, 甚至包括完成超级计算这样的任务 2) 嵌入式计算机嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件, 嵌入到应用系统之中的计算机 嵌入式计算机与通用计算机相比, 在基本原理方面没有本质的差异, 主要区别在于系统和功能软件集成与计算机硬件系统之中 也就是说, 系统的应用软件与硬件一体化, 类似于主板上 BIOS 的工作方式 嵌入式系统应具有的特点是 : 可靠性要求高, 如在恶劣的环境或突然断电的情况下, 要求系统仍然能够正常工作 ; 许多应用要求实时处理, 嵌入式操作系统必须要满足这一需求 ; 嵌入式系统中的软件代码一般都固化在只读存储器或闪存中, 也就是说软件要求固态化存储 嵌入式系统主要由嵌入式处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及特定的应用程序 4 部分组成, 是集软硬件于一体的 可独立工作的 器件, 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 目前嵌入式计算机已广泛用于各种家用电器, 如手机 电冰箱 全自动洗衣机 数字电视机 数字照相机等 3) 中间件技术中间件 (Middleware) 是处于操作系统和应用程序之间的软件, 也有人认为它应该属于操作系统中的一部分 人们在使用中间件时, 往往是一组中间件集成在一起, 构成

14 6 第 1 章计算机基础知识 一个平台 ( 包括开发平台和运行平台 ), 但在这组中间件中必须要有一个通信中间件, 即中间件 = 平台 + 通信 这个定义也限定了只有用于分布式系统中才能称为中间件, 同时还可以把中间件与支撑软件和实用软件区分开来 在中间件诞生之前, 企业多采用传统的客户机 / 服务器的模式 通常是一台计算机做客户机使用, 运行应用程序, 另外一台计算机做服务器, 运行数据库系统 这种模式的缺点是加剧了客户机和服务器的负担, 其系统拓展性也较差 到了 20 世纪 90 年代初, 出现了一种新的思想 : 在客户机和服务器之间增加了一组服务, 这组服务 ( 应用服务器 ) 就是中间件 这些组件是通用的, 都是基于某一标准的, 所以它们可以被重用, 其他应用程序可以使用它们提供的应用程序接口调用组件, 完成所需的操作 例如, 连接数据库使用 ODBC 就是一种标准的数据库中间件, 它是 Windows 操作系统自带的服务 集成化中间件产品是未来的发展趋势 随着应用集成和数据集成的推广, 企业将沉淀更多可用的信息资产, 在此基础上, 商业智能产品将有一个新的回归热潮 商业智能技术 人工智能技术 元数据管理技术 信息可视化技术和 XML( 可扩展标记语言 ) 等标准进行融合, 将有可能在商业智能领域出现新型的中间件产品, 其主要作用是对大量信息资产进行有效的定位检索和维护管理, 以及信息资产价值的挖掘 4. 未来新型计算机从采用的物理元件来说, 目前计算机的发展仍处于第四代水平 计算机尽管还将朝着微型化 巨型化 网络化和智能化方向发展, 但是, 目前仍然属于冯 诺依曼机, 在体系结构方面并没有大的突破 然而, 人类的追求是无止境的, 人们一刻也没有停止过研究更好 更快 功能更强的计算机 从目前的研究情况看, 未来新型计算机将在下列几个方面取得实质性的突破 1) 光计算机光计算机是一种利用光作为信息传输介质的计算机, 具有超强的并行处理能力和超高速的运算速度, 是现代计算机望尘莫及的 目前, 光计算机的许多关键技术, 如光存储技术 光存储器 光电子集成电路等都已取得重大突破 2) 生物计算机 ( 分子计算机 ) 生物计算机采用由生物工程技术产生的蛋白质分子构成的生物芯片 在这种芯片中, 由于信息是以波的形式传播, 芯片的运算速度比当今最新一代计算机快 10 万倍, 其能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一, 并且拥有巨大的存储能力 3) 量子计算机量子计算机应用的是量子比特, 可以同时处在多个状态 刚进入 21 世纪之际, 人类在研制量子计算机的道路上取得了新的突破 美国的研究人员已经成功地实现了 4 量子位逻辑门, 取得了 4 个锂离子的量子缠结状态 计算机的特点 分类及应用 1. 计算机的特点 从第一台计算机诞生至今仅有六十多年时间, 其发展之迅速 应用之广泛, 是与计 大学计算机基础

15 1.1 计算机概述 7 算机本身所具有的特点是分不开的 计算机的特点主要有以下几个方面 1) 运算速度快计算机是由可高速运行的电子元件组成的, 能够以很快的速度进行运算 计算机运算速度可达到每秒几千万次 几百亿次, 甚至几万亿次, 使得过去许多无法解决的问题迎刃而解 比如,24 小时内的天气预报, 计算机能在较短的时间内算出, 这是其他任何计算工具难以实现的 随着计算机电子元件速度的提高及计算机体系结构的发展, 计算机的速度还会有更大程度的提高 2) 存储能力强在计算机内部有一个专门的记忆部件 存储器 它具有存储大量数据 信息的能力, 且能够准确无误地长期保存和快速读取, 从而保证了计算机能够自动高速地运行 计算机的这种存储信息的 记忆 能力, 使它能成为信息处理的有力工具 3) 计算精度高 可靠性强计算机中的数据 信息采用了数字化的表示方法, 因此, 计算机的计算精度主要取决于计算机内物理元件对数据表示的数的位数 通常, 一台计算机进行运算的精度可达十进制数的十几位 只要字长 ( 即二进制位数 ) 增加或采用软件扩大表示数的位数, 计算机精度还可进一步提高 计算机内部采用二进制数存储和计算, 在传输和处理时不易出差错, 从而具备了高可靠性 4) 具有逻辑判断能力计算机不仅能够进行算术运算, 而且能够进行逻辑运算 比如, 判断一个数大于零还是小于零 判断某事件的对错等都称为逻辑判断 有了逻辑判断能力, 计算机就能进行诸如资料分类 情报检索 逻辑推理和定理证明等具有逻辑加工性质的工作, 大大扩展了计算机的应用范围 5) 运行自动化自动连续地高速运行是计算机和其他信息处理工具的本质区别 计算机采用的是 存储程序和程序控制 的工作方式, 因此, 它不仅能够存储数据, 也能够存储程序, 其内部操作运算是根据人们事先编制的程序在控制器的控制下自动执行的, 一般不需要人工进行干预 6) 通用性强计算机均采用 存储程序和程序控制 式工作原理, 具有通用性 只要在计算机中存入不同的程序, 它就能执行并完成不同的任务 任何复杂繁重的信息处理任务, 只要能抽象出其数学模型, 都可以使用程序来描述 从这一点来讲, 计算机可以实现的功能是无穷多的 程序可以由用户编写, 也可以由厂家提供, 其内容灵活多样, 易于变化 特别是通过采用数字化编码技术, 计算机已应用到若干传统领域, 并在不断扩大新的应用领域 2. 计算机的分类计算机按其性能指标可分为巨型机 大中型机 小型机 微型计算机和服务器等

16 8 第 1 章计算机基础知识 计算机的性能指标主要是指计算机的运算速度 字长 存储容量 指令系统类型 输入输出能力 软件配置等各方面的综合 1) 巨型计算机巨型计算机也称为超级计算机 尖端计算机 它是一种高性能的计算机, 具有运算速度极快 效率极高 软硬件非常齐备 功能极强等众多优点, 其主要性能指标位于各类计算机之首 它主要应用于尖端科学研究以及军事技术等方面, 是衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志之一 在军事上, 巨型计算机可用于战略防御系统 大型预警系统和航天测控系统等 ; 在民用方面, 可用于大区域中长期天气预报 大面积物探信息处理系统 大型科学计算和模拟系统等 近年来, 我国巨型机研发也取得了很大的成绩, 先后推出了 曙光 联想 等代表国内最高水平的巨型机系统, 并在国民经济的关键领域得到了应用 联想 深腾 6800 实际运算速度为每秒 万亿次, 峰值运算速度为每秒 万亿次 我国 2009 年自主研发的首款个人高性能计算机 曙光 PHPC100, 最高运算速度达到每秒 2500 亿次 2) 大中型计算机大中型机在运算速度和规模上不如巨型机, 但是, 其结构较之简单一些, 价格却便宜得多, 从而使得其应用范围较巨型机广泛, 主要应用于事务处理 商业管理 信息管理 大型数据库及数据通讯等方面 3) 小型计算机 ( 工作站 ) 小型机较大中型计算机运算速度和规模均差一些, 但小型机具有体积小 价格低 性能价格比高等优点, 使之在各个行业普遍受欢迎 小型机与现在的高档微型机相比, 其运算速度 存储容量 外部设备和软件的完善程度均强一些, 所以, 它仍具有一定的市场潜力 4) 微型计算机微型计算机简称微机, 也称为个人计算机 (Personal Computer,PC) 它是大规模集成电路发展的产物, 具有体积小 价格低 功耗小 可靠性高 运算速度较快 性能和适用性强等特点 目前, 微型计算机主要可分成 4 类 : 台式机 笔记本 个人数字助理 (PDA) 和平板电脑 (Pad) 5) 服务器服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统 从硬件上来说, 一台普通微机也可以充当服务器, 关键是它要安装网络操作系统 网络协议和各种服务软件 根据提供的服务, 服务器可以分为文件服务器 数据库服务器 Web 服务器等类型 由于计算机技术及微电子技术的迅猛发展, 上述分类的界限愈来愈不明显 现在, 高档微型计算机的性能远远超过早期的大型计算机 计算机正朝着巨型化 微型化 网络化及智能化方向发展 3. 计算机的应用随着计算机的迅猛发展, 其应用领域已渗透到国民经济各个部门及社会生活的各个大学计算机基础

17 1.1 计算机概述 9 方面 其应用主要体现在以下几个方面 1) 科学计算在科学技术与工程设计中, 存在着大量的类型繁多的数学计算问题 利用计算机的高速度 大容量和连续运算的特点, 可实现人工无法实现的各种科学计算, 如 : 大型水坝的设计 卫星轨道的计算 中长期天气预报 高性能的物理研究等, 可起到缩短计算周期 提高效率 降低成本 优化方案等作用 ( 比如,1948 年, 美国原子能研究中心有一项计划要做 900 万道题的运算, 需要 1500 名工程师连续工作一年的时间, 结果使用一台初期的计算机, 只用 150 小时就完成了 ) 计算机的运行能力和逻辑判断的性能改变了某些学科传统的研究方法, 促成了计算力学 计算物理 计算化学 生物控制论和按需要设计新材料等学科的出现 2) 信息处理人类社会中的各种信息, 需要及时地采集 存储并按各种需要加以整理 分类 统计, 把它们加工成人们需要的形式, 也就是说, 需要对信息加以处理, 才能使之得以利用 信息处理已成为当代计算机的主要任务, 是现代化管理的基础 目前, 计算机处理信息主要表现在办公自动化 文字处理 激光照排 辅助企业管理 医疗诊断与咨询 文献检索 专家系统和决策系统等方面 3) 过程控制过程控制是指采用计算机对连续的工业生产过程进行自动控制 利用计算机实现单机或整个生产过程的控制, 不仅可以大大提高自动化水平, 减轻劳动, 而且可以提高控制的准确性, 提高产品质量和成品合格率 目前, 计算机过程控制系统在冶金 电力 石油化工 机械制造 航空航天等生产领域得到了广泛应用, 并取得了明显的效益 4) 计算机辅助工程计算机辅助工程主要包括 CAD CAI CIMS 等方面 计算机辅助设计 (Computer Aided Design,CAD) 是用计算机帮助设计人员进行设计 目前,CAD 技术应用广泛, 例如, 建筑设计 机械设计 大规模集成电路设计 飞机 / 船舶设计等均采用了 CAD 技术 CAD 技术不但减轻了设计人员工作量, 提高了设计速度, 更重要的是提高了设计质量 计算机辅助教学 (Computer Aided Instruction,CAI) 是利用计算机来辅助完成教学活动, 以提高教学质量 计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacture System,CIMS) 是指以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理与产品开发制造的新一代制造系统 它将企业生产 经营的各个环节, 从市场分析 经营决策 产品开发 加工制造到管理 销售 服务等视为一个整体, 即以充分的信息共享, 促进制造系统和企业组织的优化运行, 其目的在于提高企业的竞争能力及生存能力 CIMS 通过将管理 设计 生产 经营等各个环节的信息集成后进行优化分析, 从而确保企业的信息流 资金流 物流能够高效 稳定地运行, 最终使企业实现整体最优效益 5) 多媒体应用多媒体应用, 是一种以交互方式将数字 文本 图形 图像 音频 视频等多种媒体信息, 经过计算机设备的获取 操作 编辑 存储等综合处理后, 将这些媒体信息以

18 10 第 1 章计算机基础知识 单独或合成的形态表现出来的技术和方法 它将图形 图像和声音结合起来表达客观事物, 在方式上非常生动 直观, 易被人们接受 多媒体技术是以计算机技术为核心, 将现代声像技术和通信技术融为一体, 以追求更自然 更丰富的接口界面, 因而其应用领域十分广泛 它不仅覆盖计算机绝大部分应用领域, 同时还拓宽了新的应用领域, 如可视电话 视频会议系统等 6) 电子商务电子商务是指利用计算机和网络进行的新型商务活动 它作为一种新型的商务方式, 将生产企业 流通企业以及消费者和政府带入了一个网络经济 数字化生存的新天地, 它可让人们不再受时间 地域的限制, 以一种非常简捷的方式完成过去较为繁杂的商务活动 根据交易双方的不同, 电子商务可分为三种形式 : (1)B2B: 交易双方都是企业, 这是电子商务的主要形式 (2)B2C: 交易双方是企业和消费者 (3)C2C: 交易双方都是消费者 在一个拥有数十亿台互联计算机的时代, 电子商务的发展对于一个公司而言, 不仅仅意味着一个商业机会, 还意味着一个全新的全球性的网络驱动经济的诞生 7) 智能模拟智能模拟包括人工智能 (Artificial Intellegence,AI) 和虚拟现实两个方面 人工智能主要研究如何用计算机来 模仿 人的智能行为, 即使计算机具有思维和学习的能力 虽然计算机的能力在许多方面远远超过了人类, 但是真正要达到人的智能还是非常遥远的事情 目前, 一些智能系统已经能够替代人的部分脑力劳动, 获得了实际的应用, 尤其是在机器人 专家系统 模式识别等方面 虚拟现实是指利用计算机来生成一种模拟环境, 通过多种传感设备使用户 投入 到该环境中, 实现用户与环境直接进行交互的目的 这种模拟环境是用计算机来构造具有丰富色彩的立体图像, 它可以是某一特定现实世界的真实写照, 也可以是纯粹构想出来的世界 目前, 虚拟现实获得了迅速的发展和广泛的应用 总之, 计算机在人类社会各个领域得到广泛应用, 对人类社会的发展产生了重大而深远的影响 这也标志着人类已开始步入以计算机为主要工具的信息社会和知识经济时代 1.2 计算机系统的组成与工作原理 随着计算机技术的飞速发展, 计算机应用已渗透到社会的各个领域 为了更好地使用计算机, 需要了解计算机系统的硬件 软件 工作原理等相关基本知识 计算机系统一个完整的计算机系统是由硬件系统 ( 简称硬件 ) 和软件系统 ( 简称软件 ) 两大部分组成的, 如图 1-3 所示 大学计算机基础

19 1.2 计算机系统的组成与工作原理 11 图 1-3 计算机系统组成硬件是指构成计算机中的物理设备实体, 如计算机的中央处理器 ( 又称 CPU, 由运算器与控制器组成 ) 内外存储器 输入设备和输出设备等 软件是指计算机所使用的各种程序的集合及有关的文档资料, 这些程序是用计算机语言编制的, 它包括计算机本身运行所需的系统软件和用户为解决某应用领域实际问题所需的应用软件 在计算机系统中, 对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线 软件实现的功能可以用硬件来实现, 称为硬化或固化 例如, 微机的只读存储器 ROM 芯片中就固化了系统的引导程序 同样, 硬件实现的功能也可以用软件来实现, 称为硬件软化 例如, 在多媒体计算机中, 视频卡用于对视频信息进行处理 ( 包括获取 编码 压缩 存储 解压缩和回放等 ), 而现在大多数计算机都通过软件 ( 如播放软件 ) 来实现此功能 对某些功能是用硬件还是用软件实现, 与系统价格 速度 所需存储量及可靠性等诸多因素有关 一般来说, 同一功能用硬件实现时, 速度快 所需存储量较少, 但灵活性和适应性差, 且成本较高 ; 用软件实现时, 可提高灵活性和适应性, 但这通常是以降低速度来换取的 计算机系统的硬件和软件是相辅相成, 缺一不可的 硬件是基础, 硬件本身只是一台 裸机, 无法工作 软件是灵魂, 只有硬件本身, 而没有相应软件的机器就无法工作 只有当硬件和软件很好地协调配合, 才能有效地发挥计算机所具有的功能, 来解决用户需要解决的实际问题, 达到为用户服务的目的 硬件系统 1946 年, 美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (Von Neumann) 在一篇题为 关于电子计算机逻辑设计的初步讨论 的学术报告中, 提出了 存储程序 的概念, 并且进行了论证 其主要观点可归结为以下几点 (1) 计算机硬件应由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五大部分组成的体系结构, 如图 1-4 所示

20 12 第 1 章计算机基础知识 图 1-4 计算机硬件结构 (2) 计算机中处理的数据模型是由二进制数所表示的指令和数据 (3) 将事先编制好的程序和原始数据一并存入计算机的存储器中, 启动计算机, 在不受人工干预的情况下, 计算机自动地 高速地从存储器中取出指令并且执行 ( 被归纳为 : 二进制 存储程序 程序控制 ) 的思想 冯 诺依曼的上述思想奠定了现代计算机体系结构的基础 六十多年来, 虽然计算机系统从性能指标 运算速度 工作方式 应用领域等各方面都与当时的计算机产生了很大差别, 但其基本结构并没有变, 所以, 现代计算机又统称为冯 诺依曼计算机 现在流行的微型计算机, 其基本结构都是由主机 键盘和显示器构成 台式计算机的主机安装在主机箱内, 在主机箱内有中央处理器 CPU 内存储器 系统主板 硬盘及驱动器 CD-ROM 驱动器 电源 显示器适配器 ( 又称显示卡或图形加速卡 ) USB 接口等 为了能综合处理多媒体信息, 通常可能还有音频 视频处理设备 各种媒体输入 / 输出设备等 例如, 摄像机 话筒 录像机 录音机 扫描仪 视频卡 声卡 家电控制卡 通信卡 操纵杆 触摸屏等 下面, 我们将以微型计算机硬件情况为例来介绍一台计算机的硬件系统 1. 中央处理器 CPU 在计算机系统中, 运算器和控制器统称为中央处理器, 简称 CPU(Central Processing Units) 现在流行的微型计算机中, 运算器和控制器并不是两个独立的部件, 而是被集成在一块芯片上, 构成微处理器 1) 运算器运算器又称算术逻辑单元 (Arithmetic and Logic Unit,ALU), 由数据寄存器 累加器 算术逻辑部件 辅助电路等组成, 主要功能是进行算术运算和逻辑运算 计算机中最主要的工作是运算, 大量的数据运算任务都是在运算器中进行的 在计算机中, 算术运算是指加 减 乘 除等基本运算 ; 逻辑运算是指逻辑判断关系, 常用逻辑运算有 与 或 和 非 通常以每秒钟能够完成的算术运算次数来衡量一台计算机的计算速度 运算器的运算速度是非常快的, 因此, 计算机才有高速处理信息的能力 运算器中的数据取自于内存储器, 运算后的结果又送回内存储器 运算器对内存储器的读写操作是在控制器的控制之下进行的 大学计算机基础

21 1.2 计算机系统的组成与工作原理 13 2) 控制器控制器由程序计数器 指令寄存器 指令译码器 时序部件和微操作控制部件等组成, 是计算机的 神经中枢 和 指挥中心, 它从内存依次取出指令, 对其译码, 并按每条指令所规定的功能, 向整个系统发出相应的控制信号, 实施对其他部件的控制, 使计算机各部件统一协调地动作 在整个计算机运行过程中, 大致可分为内部操作和外部操作 内部操作是指内存与 CPU 之间的通信 ( 或数据传递 信号传递 ); 外部操作是指输出 输入设备与内存间的通信 ( 或数据传递 信号传递 ) 可以说,CPU 是计算机运行的核心, 是计算机的中枢神经, 无论是内部操作还是外部操作, 都离不开 CPU 的运算 判断和处理 因为系统的所有计算 比较和判断都是在 CPU 内完成的 由图 1-4 计算机硬件结构 可以看出 : 在控制器的控制指挥下, 外部操作通过输入设备将指令 数据等传递到内存储器中, 再由运算器处理后返回内存, 通过输出设备输出结果, 达到工作的目的 CPU 一般有通用 CPU 和嵌入式 CPU 两种类型 通用 CPU 和嵌入式 CPU 的区别, 主要在于应用模式的不同 一般来说, 通用 CPU 追求高性能, 功能比较强, 能运行复杂的操作系统和大型应用软件 嵌入式 CPU 则强调处理特定应用问题的高性能, 主要用于运行面向特定领域的专用程序, 配备轻量级操作系统, 在功能和性能上有很大的变化范围, 比如用于手机 数码相机等 3) 微处理器微型计算机一般采用通用 CPU, 最具代表性的产品是美国 Intel 公司的微处理器系列, 其型号先后有 Pentium ( 奔腾 ) Celeron( 赛扬 ) Itanium( 安腾 ) Xeon( 至强 ) Core( 酷睿 ) 等产品, 功能越来越强, 工作速度越来越快, 内部结构越来越复杂, 从每秒钟完成几十万次基本运算发展到上亿次, 每个微处理器包含的半导体电路元件也从 2300 个发展到数千万个, Pentium4 微处理器已集成了 4200 万个晶体管 CPU 产品并非只由 Intel 公司一家生产, IBM Apple Motorola AMD Cyrix 等也是著名的微处理器产品的生产公司 图 1-5 分别为 Intel 公司的酷睿 2 Duo AMD 公司的羿龙 II X6 和我国国产的龙芯 1 号三款 CPU 外形图 图 1-5 CPU 外形图 CPU 型号是计算机主要技术指标之一, 人们习惯用 CPU 的档次来大体表示微型计算机的规格 例如, 使用了 Pentium4 CPU 的微型计算机便成为 Pentium4 机型, 装有 K8 CPU 的微型计算机称为 K8 机型 另外, 衡量 CPU 性能的主要技术指标还有字长 (CPU 内部各寄存器之间一次能够传递的数据位 ) 位( 图 1-5 中 Intel 公司的酷睿 2 为

22 14 第 1 章计算机基础知识 64 位 ) 主频[CPU 内核 ( 整数和浮点运算器 ) 电路的实际运行频率, 也称做 CPU 内频 ] 外频(CPU 总线频率, 是由主板为 CPU 提供的基准时钟频率 ) 等 Intel 公司生产的微处理器主要用于台式计算机 便携式计算机和移动 PC 服务器和工作站, 以 Pentium 系列为主 表 1.1 列出了当前 Intel 公司微处理器的主要性能 表 1.1 Intel 高性能 CPU CPU 型号 Celeron Pentium 4 Itanium 2 Xeon Core 2 双核 Core 2 四核 主要性能 2.8GHz 主频,400MHz 总线频率 3.73GHz 主频,800MHz 总线频率 1.66GHz 主频,667MHz 总线频率 3.06GHz 主频,533MHz 总线频率 3.0GHz 主频,1333MHz 总线频率 2.83GHz 主频,1333MHz 总线频率 我国国产 CPU 龙芯, 是中国科学院计算技术研究所研制的以通用 CPU 为核心并兼顾嵌入式 CPU 特点的新一代 64 位 CPU, 如图 1-5 所示 2001 年 5 月, 在中科院计算所知识创新工程的支持下, 龙芯课题组正式成立 2002 年 8 月 10 日, 首片龙芯 1 号研制成功,2003 年 10 月 17 日, 龙芯 2 号研制成功,2008 年末 4 核龙芯 3 号研制成功 4 核龙芯 3 号采用 65nm 工艺 主频 1GHz 晶体管数目达到 4.25 亿个 龙芯 3 号早期是一款 4 核处理器, 并增加专门服务于 Java 程序的协处理器, 以提高 Linux 环境下 Java 程序的执行效率, 指令缓存追踪技术等 龙芯 3 号最终将实现对内峰值每秒 500~ 1000 亿次的计算速度 国产 CPU 龙芯的诞生, 标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了 零 的突破, 打破了我国长期依赖国外 CPU 产品的无芯的历史, 也标志着国产安全服务器 CPU 和通用的嵌入式微处理器产业化的开始 2. 主板主板又称为系统板 母板, 是安装在主机箱内的一块集成电路板, 是微型计算机中各种设备的连接载体, 是 PC 机的主要核心部件之一, 其档次的高低决定了是否能充分发挥 CPU 的性能 PC 机主板采用开放式结构, 由 CPU 插座 ( 槽 ) 主板芯片集(CHIPSET) Cache ( 高速缓存 ) BIOS( 基本输入输出系统 ) 内存条插槽 PCI 插槽 ( 供声卡 网卡 内置 Modem 等插入 ) AGP 插槽 ( 主要供 AGP 显卡插入 ) IDE1 与 IDE2 接口 ( 用于连接硬盘与光驱, 一个 IDE 接口可连接 1~2 个硬盘或光驱 ) USB 接口 ( 通用串行总路线接口, 用于连接优盘 数码相机等 ) COM1 与 COM2 接口 ( 用于连接 COM 接口鼠标或外置 Modem 等串行接口的外围设备 ) LPT1-2 接口 ( 用于连接打印机等并行接口的外围设备 ) 等组成, 如图 1-6 所示 微型计算机通过主板将 CPU 等各种部件和外部设备有机地结合起来, 形成一套完整的系统 PC99 技术规格规范了主板的设计要求, 提出主板各接口必须采用有色识别标志, 以方便识别 大学计算机基础

23 1.2 计算机系统的组成与工作原理 15 图 1-6 系统主板目前, 计算机主板生产也跟显示器 硬盘 CPU 等一样越来越专业化, 世界上 PC 兼容机主板的最大生产基地是中国台湾, 国内流行的主板品牌有 ASUSTEK( 华硕 ) ABIT( 升技 ) FIC( 大众 ) DATAEXPERT( 联讯 ) ELITEGROUP( 精英 ) ATREND ( 中凌 ) SOYO( 梅捷 ) MSI( 微星 ) GIGABYTE( 技嘉 ) Intel( 英特尔 ) 等 3. 存储器存储器的功能是用来存放程序和数据, 是计算机中各种信息存储和交流的中心 可根据需要随时向存储器存取数据, 通常, 将信息存入存储器中称为 写 操作 ; 从存储器中取出信息称为 读 操作 存储器是由许多存储单元组成的, 为使计算机能识别这些单元, 给每个单元一个编号, 这些编号称为 地址, 计算机就是根据地址来访问存储器的 就如同在旅馆中要知道某人所住的唯一房间号, 才能找到该人一样 存储器容量是用来含金量一个存储器中存储数据内容大小的, 其基本单位是字节 (Byte,B), 每个字节由 8 个二进制位 (bit) 组成, 即 1 B=8 bit 为了方便描述, 比字节大的容量单位还有 :KB MB GB TB 其换算关系为:1 KB=2 10 B=1024 B, 1 MB=2 20 B=1024 KB,1GB=2 30 B=1024 MB,1 TB=2 40 B=1024 GB 计算机的存储器分为内存储器和外存储器两种类型 1) 内存储器内存储器简称内存, 又称主存储器, 通常由半导体材料制成 用户通过输入设备输入的程序和数据送入内存 ; 控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存, 运算的中间结果和最终结果保存于内存 ; 输出设备输出的信息来源于内存 ; 内存中的信息如要长久保存应送到外存储器中 总之, 内存要与计算机的各个部件打交道, 进行数据传送 因此, 内存的存储速度直接影响着计算机的运算速度 内存储器分为只读存储器 随机存储器和高速缓冲存储器 3 种 (1) 只读存储器 只读存储器 (Read Only Memory,ROM) 容量较小, 通常用来存放一些不能改写而用于管理机器本身的监控程序和其他基本的服务程序 ROM 中的信息一般是厂商在制造时写入的 如主板上的基本输入输出系统 BIOS(Basic Input/Output System) BIOS 是一个小型指令集合, 在开机时,CPU 首先执行 BIOS 中的指令来搜索

24 16 第 1 章计算机基础知识 磁盘上的操作系统文件 早期 ROM 不能修改或更新数据, 而随技术的发展,ROM 中数据已经可以更新 为保存计算机系统中最重要的基本输入输出系统 (BIOS) 系统设置信息 自检和系统自举程序, 并反馈诸如设备类型 系统环境等信息, 近年来, 微机上采用电可擦写 ROM(EEPROM) 或 Flash ROM 的存储元件, 构成了 ROM BIOS 现在的主板还在 BIOS 芯片加入电源管理 CPU 参数系统监控 PnP( 即插即用 ) 病毒防护等功能 (2) 随机存储器 随机存储器 (Random Access Memory,RAM) 是一种既可以 读 又可以 写, 断电后数据会自动丢失的存储器 相对于 ROM 来说,RAM 容量大得多, 是通常我们所说的主存储器 目前, 在微型计算机上广泛采用动态随机存储器 (DRAM) 作为主存 DRAM 的特点是数据信息以电荷形式保存在电容器内, 由于电容器的放电回路的存在, 超过一定的时间后, 存放在电容器内的电荷就会消失, 故必须对电容器进行周期性刷新来保持数据 DRAM 具有功耗低 集成度高 成本低的特点 DRAM 中 SDRAM( 同步动态随机存储器 ) 是目前奔腾计算机系统普遍使用的内存形式, 它的刷新周期与系统时钟保持同步, 使 RAM 和 CPU 以相同的速度同步工作, 取消等待周期, 减少了数据存取时间 DDRRAM 是双倍速率的 SDRAM, 它使用了更多 更先进的同步电路, 它的速度是标准 SDRAM 的两倍 而 RDRAM( 存储器总线式动态随机存储器 ) 被广泛的应用于多媒体领域 DRAM 主要用于主存储器 ( 俗称内存条 ) 的制造 需要插在系统主板的内存插槽上使用 目前, 常用的内存条的引脚为 168 芯或 184 芯, 一个内存条的容量有 256MB 512MB 1GB 2GB 等不同规格, 如图 1-7 所示 根据其用途来分有 :PC 机内存图 1-7 PC 机内存条条 笔记本电脑内存条 打印机内存条 服务器内存条 绘图仪内存条等 (3) 高速缓冲存储器 Cache 高速缓冲存储器(Cache) 是介于 CPU 和内存之间的一种可高速存取信息的芯片, 是 CPU 和 RAM 之间的桥梁, 用于解决它们之间的速度冲突问题 如今,CPU 的速度越来越快, 访问数据周期甚至达到了几纳秒 (ns, 表示 1ns=10-9 s), 而 RAM 访问数据的周期最快也需要 50ns 计算机在工作时,CPU 频繁地和内存交换信息, 当 CPU 从 RAM 中读取数据时, 就不得不进入等待状态, 放慢它的运行速度, 因此极大地影响了计算机的整体性能 为有效地解决这一问题, 在微型计算机上也采用了高速缓冲存储器 (Cache) 技术 Cache 是介于 CPU 和 RAM 之间的一种可高速存取信息的芯片, 是 CPU 和 RAM 之间的桥梁, 用于解决它们之间的速度冲突问题 Cache 一般采用静态随机存取储存器 (SRAM) 构成, 其访问速度是 DRAM 的 10 倍左右 作为高速存储器实体的 Cache 按其功能通常分为两类 ;CPU 内部的 Cache 和 CPU 外部的 Cache CPU 内部的 Cache 也称为一级 Cache, 它是 CPU 内核的一部分, 负责在 CPU 内部的寄存器与外部 Cache 之间的缓冲 CPU 外部的 Cache 是相对于 CPU 以外的独立部件, 主要用于弥补 CPU 内部大学计算机基础

25 1.2 计算机系统的组成与工作原理 17 Cache 容量过小, 负责整个 CPU 与内存之间的缓冲 CPU 的 Cache 容量 形式和速度是 CPU 的重要技术指标之一, 它直接影响到 CPU 的工作效率, 并在很大程度上决定了该 CPU 的价格 2) 外存储器外存储器简称外存, 又称辅助存储器, 主要用来长期存放 暂时不用 的程序和数据 通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据, 只和内存 RAM 交换数据 常用的外存有硬盘 光盘 优盘等 外存中的数据一般不能直接送到运算器, 只能成批地将数据先送到内存, 再进行处理 外存储器与内存储器相比, 具有存储容量大 性价比高 脱机情况下可永久保存信息等优点, 但速度较内存储器慢得多 (1) 硬盘 硬磁盘简称硬盘, 如图 1-8 所示, 是存储容量最大的外部存储器, 硬盘及驱动器是固定在一起的, 安置于机器内, 通过专用线缆与主板上的 IDE 接口相连, 具有存储容量大 信息存取速度快 密封性好 工作寿命长等特点 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金或玻璃材质制成 硬盘采用全密封结构的金属外壳, 工作时, 内部盘片的转速高达 5400~10000 转 / 分钟 ( 当前一般为 7200 转 / 分钟 ), 内部数据传输速率可达 1000Mb/s 外部数据传输速率可达 300Mb/s, 图 1-8 硬盘是一个怕震动的精密设备 目前, 常用的硬盘容量有 160GB 320GB 600GB 1TB 2TB 4TB 等, 比较常见的硬盘品牌有希捷 西部数据 日立 三星等 还有一种外置式的移动硬盘, 主要是由硬盘和硬盘盒两部分组成, 一般采用 USB 接口与主板相连 (2) 软盘存储器 软盘存储器系统由软磁盘片与软盘驱动器组成 软盘是早期经常使用的一种外存储器, 具有价格便宜 携带方便等优点 根据盘片尺寸大小和密度不同分为 3.5HD(1440kB) 3.5DD(720kB) 5.25HD(1200kB) 5.25DD (360KB) 四种规格 软盘被划分为一个个密度不同的同心圆 ( 称为磁道 ), 再沿软盘的半径方向把各个磁道划分为若干个弧形区域 ( 称为扇区, 一般 1 个扇区能存储 512 个字节的数据 ), 最后才把扇区分给每个要使用软磁盘的文件和数据, 小于等于 512 个字节的文件存储在一个扇区中, 大的文件被分割存储在多个扇区中 划分磁道 扇区的工作称为磁盘的格式化 磁盘的格式化还要在磁盘上标明磁道的数目 扇区的大小 检查并标注坏磁道等信息 软盘提供了一个写保护装置 写保护虽然对读取数据没有一点影响, 但可以防止数据写入操作, 也就避免了病毒对磁盘文件的侵害 当写保护口打开时, 表示对磁盘进行写保护, 以防止数据写入 ; 当写保护口关闭时, 表示对磁盘未进行写保护, 这时可以写入数据 要使用软盘, 必须由软盘驱动器进行驱动 软盘驱动器通常由直流电机 步进电机 磁头和相应驱动器电路组成

26 18 第 1 章计算机基础知识 (3) 光盘存储器 光盘存储器是用激光技术在特制的圆形盘片扇区内高密度地存取信息的装置 由光盘片和光盘驱动器构成 光盘驱动器对光盘的读写速度慢于硬盘, 但快于软驱 ; 光盘的可靠性高 容量大 价格便宜 光盘外观如图 1-9 左图所示 图 1-9 光盘及光盘驱动器按光盘的读写性能, 可分为只读型与可读写型 只读光盘的数据采用压模方法压制而成, 用户只能读取上面的数据, 而不能写入或修改光盘上的数据 它适宜用于大量的 通常不需要改变的数据信息的存储, 如软件 电子出版物 数码相片等的存储 常用的光盘格式, 我们将在第 5 章中进行介绍 光盘驱动器简称光驱, 分为只读光盘驱动器 CD-ROM 可读写光盘驱动器 CD-RW 和 DVD 刻录机, 主要功能是驱动和读写光盘, 它是多媒体电脑中的重要设备 根据数据传输率, 光盘驱动器又分为单倍速 双倍速 8 倍速 24 倍速 32 倍速 50 倍速等 刻录机的外观和普通光驱差不多, 只是其前置面板上通常都清楚地标识着写入 复写和读取三种速度 光驱外观如图 1-10 右图所示 (4) 优盘 优盘 (USB Flash Disk) 又称 U 盘 闪存盘等, 中文全称 USB( 通用串行总线 ) 接口的闪存盘, 用于存储照片 资料 影像, 体积较小, 实现了便携式移动存储 ; 大大提高了办公效率 优盘具有小巧 便于携带 存储容量大 价格便宜 重量极轻 性能可靠 即插即用等许多优点 随着技术的成熟和批量生产, 其价格已较便宜 目前, 一般优盘容量有 2GB 4GB 8GB 16GB 32GB 64GB 等, 如图 1-10 所示 优盘结构中无任何机械式装置, 抗震性能极强 另外, 闪存盘还图 1-10 优盘具有防潮防磁 耐高低温等特性, 安全可靠性很好 优盘作为计算机上实用的移动存储设备, 它采用 USB 接口, 可用于存储任何的数据文件和在计算机间方便地交换文件 由于优盘没有机械读写装置, 避免了移动硬盘容易碰伤 跌落等原因造成的损坏 其可擦写 100 万次的性能更是大大加强了数据的安全性, 部分款式的优盘还具有加密等功能 4. 输入设备输入设备将数据 程序等转换成计算机能接受的二进制编码, 并将它们送入内存 常用输入设备有键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪等, 如图 1-11 所示 大学计算机基础

27 1.2 计算机系统的组成与工作原理 19 图 1-11 键盘 鼠标 扫描仪键盘是最常用最基本的一种输入设备 用户的各种命令 程序和数据的输入主要是通过它来实现的 键盘是由数字 字母 符号 功能及控制键组成的, 每个键都有其唯一代码, 当用户按下某键时, 键盘驱动电路发出一串代码, 由其控制电路接收并向 CPU 发出通知, 请求 CPU 读入内存 鼠标器 (Mouse) 简称鼠标, 也是一种常用的输入设备, 用于图形窗口界面的操作, 一般连接在微机的串行通讯口上 在某些特定的环境下, 它比键盘更有效, 使用更方便 更直观 鼠标分为电容式 光电式 机械式鼠标 鼠标一般有左 右两个按键, 中间的纵横滚轮供翻页使用 扫描仪 (Scanner) 是通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示 编辑 存储和输出的数字化输入设备 它可以将照片 文本页面 图纸 美术图画 照相底片 菲林软片, 甚至纺织品 标牌面板 印制板样品等三维对象作为扫描对象提取其图像 5. 输出设备输出设备用来将存放在内存中由计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字 字符 图像 声音等形式显示 打印或播放出来 常用的输出设备有显示器 打印机 绘图仪 音响等 输入设备和输出设备简称 I/O 设备, 又称为外部设备 1) 显示器显示器是计算机必备的输出设备之一, 其作用是把计算机处理的数据信息变成各种直观的文字及图形输出 目前, 显示器主要分为阴极射线管显示器 ( 简称 CRT) 和液晶显示器 ( 简称 LCD) 两类, 如图 1-12 所示 图 1-12 显示器

28 20 第 1 章计算机基础知识 显示器与计算机主机的连接需要显示卡 ( 显示控制适配器 ) 显示卡通常插在扩展槽上, 用于主板和显示器之间的通信 在早期的微型计算机中, 显示器所显示的内容是由 CPU 直接提供的,CPU 首先要将待显示的数据传送到显示卡的显示缓冲区, 然后再将数据传送到显示器上 显示卡只起一种传递作用, 对复杂图形或高质量的图形处理将占用更多的 CPU 时间, 造成计算机性能的下降, 现在的显示卡上都集成了图形处理芯片组, 让显示卡具备图形处理能力 因此可以减少 CPU 处理图形的负担, 从而提高了计算机的整体性能, 多媒体功能也就更容易实现了 目前, 主板一般具有集成显示卡功能, 使用 RAM 的少部分作为显示缓冲存储器, 只是在图形图像等处理方面效果没有独立显示卡效果好, 但能达到常用要求 常用的 LCD 和 CRT 显示器均为彩色显示器, 其尺寸由对角线长度决定, 性能主要与分辨率与刷新频率有关 分辨率 ( 清晰度 ) 一幅画面中所能显示出的水平点数和垂直点数的多少, 一般以像素为单位来表示, 方式为水平分辨率 垂直分辨率 像素越多, 画面越清晰 一般将显示器分辨率设置为 位真彩色 ( 每一像素点可显示颜色的二进制位数 ) 刷新频率也称场扫描频率 垂直扫描频率 (Vertical), 是指显示器能适应垂直同步信号的频率, 即显示器自左上角至右下角, 完成一幅画面的速度 当前的彩显垂直扫描频率在 45~160Hz, 若超过 72Hz 就无闪烁感, 一般可选择为 75Hz 96Hz 和 120Hz 如果显示器能在不同的频率下工作, 只要软件支持, 选择高频较好 2) 打印机打印机是计算机最基本的输出设备之一 目前, 使用的打印机主要有针式打印机 喷墨打印机 激光打印机, 如图 1-13 所示 图 1-13 打印机针式打印机由打印头和色带组成, 打印头中藏有打印针 在进行打印时, 打印针撞击色带, 将色带上的墨印到纸张上, 形成文字和图形 针式打印机工作时噪声较大, 而且打印质量不好, 但是具有价格便宜 能进行多层打印等特点, 在银行 超市中使用较广泛 喷墨打印机利用采用特殊技术的换能器将带电的墨水喷出, 由偏转系统控制很细的喷嘴喷出微粒射线, 从而在纸上绘出文字或者图像 喷墨打印机体积很小 重量轻 噪声低 打印精度较高, 特别是其彩色印刷能力很强, 但打印成本较高, 适于小批量打印 激光打印机利用激光扫描主机送来的信息, 将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜 大学计算机基础

29 1.2 计算机系统的组成与工作原理 21 像, 并转换成磁信号, 使碳粉吸附在纸上, 经显影后输出 这种打印机打印速度快 印刷质量好 无噪声 近年来, 彩色的喷墨和激光打印机已普及, 其图像输出已达到照片级质量水平 6. I/O 总线与接口 1)I/O 总线 I/O 总线是计算机中的传输数据信号的通道 总线的传输方式是并行的, 所以也称并行总线 所谓 I/O(Input/Output, 输入 / 输出 ) 总线就是 CPU 与 I/O 设备互联, 并提供外设访问内存储器和 CPU 资源的通道 在 I/O 总线上通常传输数据 地址和控制三种信号 传输数据信号的总线称为数据总线, 传输地址信号的总线称为地址总线, 传输控制信号的总线称为控制总线, 所以 I/O 总线由这三种总线构成 总线就像 高速公路, 总线上传输的数字信号则被视为高速公路上的 车辆 显然, 在单位时间内公路上通过的 车辆 数直接依赖于公路的宽度与质量 因此,I/O 总线技术成为微型计算机系统结构的一个重要方面 微型计算机中的总线分为内部总线 系统总线和外部总线三个层次 内部总线位于 CPU 芯片内部, 用于连接 CPU 的各个组成部件 ; 而系统总线是指主板上连接微型计算机中各大部件的总线 ; 外部总线则是微型计算机和外部设备之间的总线, 通过该总线和其他设备进行信息与数据交换 如果按系统总线内所传输的信息种类, 系统总线包含有三种不同功能的总线 数据总线 (Data Bus,DB) 用于 CPU 与内存或 I/O 接口之间的数据传递, 其条数取决于 CPU 的字长, 信息传送时双向的 ( 可送入到 CPU, 也可用 CPU 送出 ) 地址总线 (Address Bus,AB) 用于传送存储单元或 I/O 接口的地址信息, 信息传送时单向的, 其条数决定了计算机内存空间的范围大小, 既 CPU 能管辖的内存数量 控制总线 (Control Bus,CB) 传送控制器的各种控制信息, 条数由 CPU 字长决定 微型计算机采用开放体系结构, 由多个模块构成一个系统 一个模块往往就是一块电路板 为了方便总线与电路板的连接, 总线在主板上提供了多个扩展槽与插座, 任何插入扩展槽的电路板都可通过总线与 CPU 连接, 这为用于自己组合可选设备提供了方便 目前, 常用的系统总线技术有 PCI(Peripheral Component Interconnect, 外部设备互连 ) 总线 AGP(Advanced Graphics Port, 加速图形接口 ) 总线 2) 计算机与外部设备的接口外部总线通常以接口形式表现, 是外部设备与计算机连接的端口 串行接口分为 9 针和 25 针两种, 常用于连接鼠标和调制解调器 串行接口被赋予专门的设备名 COM1 COM2 等, 在一个方向一次只能传输一位数据 并行接口有 25 个导电的小孔, 由于并行接口常用于连接打印机, 所以常被称为打印口或并行打印机适配器, 被赋予专门的设备名 LPT, 为区别同一台计算机上的多个并行端口, 依次为 LPT1 LPT2 并行接口可同时传输 8 路信号, 因此能够一次并行传送完整的一个字节的数据 并行接口和串行接口都必须在软件控制下才能按需要输入或输出数据 USB 接口通用串行总线接口 USB(Universal Serial Bus) 是一种新型的输入输出

30 22 第 1 章计算机基础知识 总线接口 通用串行总线 USB 接口提供电源,USB 设备可以起集线器作用, 通过集线器可同时连接 127 台输入输出设备, 包括显示器 键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数码相机 数码摄像机 打印机 绘图仪和调制解调器等外部设备 其 USB1.1 规范的最大数据传输率为 12Mb/s,USB2.0 规范的最大数据传输率为 480Mb/s 像并行和串行接口一样,USB 也需要在软件控制下才能正常工作,Windows 支持通用串行总线接口功能 USB 接口支持热插拔 即插即用功能, 传输速率较高, 是目前外部设备与主机相连的主流接口方式 计算机工作原理根据冯 诺依曼机 存储程序 的概念, 计算机的工作过程实际上就是执行指令和程序的过程 1. 指令和程序指令是能被计算机识别并执行的二进制代码, 完成某一特定的操作 计算机指令通常用二进制代码形式表示, 也可以用助记符表达的汇编语言形式表示 一条指令由操作码和操作数两个部分组成 操作码表示计算机要完成的操作, 如取数 加法等 ; 操作数表示要操作对象的内容或所在单元的地址 一台计算机所有指令的集合, 称为该计算机的指令系统 不同计算机类型, 其指令系统的指令条数也不同 根据各条指令功能的不同, 指令系统可分为以下五种类型 数据传送 : 负责数据在内存与 CPU 之间的传送 数据处理 : 对数据进行算术 逻辑或关系运算 程序控制 : 控制程序中指令的执行顺序 如条件转移 无条件转移 调用子程序 返回 停机等 输入输出 : 用来实现外部设备与主机之间的数据传输 状态管理 : 对计算机的硬件进行管理等 程序是指能完成特定功能的一组指令的有序集合 计算机按照程序设定的指令顺序依次执行, 并完成对应一系列操作, 这就是程序执行的过程 2. 计算机工作原理计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程 用户首先根据实际任务要求编写相应的程序, 通过输入设备将程序和数据送到计算机的外存储器中保存起来 ; 运行该程序后从外存调入内存, 计算机从内存中依次取出指令, 送往控制器进行分析, 然后执行, 将最终的运算结果送到输出设备进行输出 计算机工作过程的实质就是依次执行指令的过程, 因为控制器对各部件的控制都是通过指令实现的 一般一条指令的执行过程如下 : (1) 取指令 : 根据当前控制器中程序计数器的指令起始地址值, 从内存中取出指令送到控制器的指令寄存器存储起来 (2) 分析指令 : 将指令寄存器中存放的指令送往指令译码器, 对操作码进行译码, 即将指令的操作码转换成相应的控制电位信号, 由地址码确定操作数地址 大学计算机基础