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1 普通高等教育 十三五 重点规划教材计算机系列 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 姚志鸿张领高昱主编 侯中原孙博成杨威刘钢副主编 北京

2 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提出的 大学计算机基础课程教学基本要求, 兼顾全国计算机等级考试 ( 二级 ) 新大纲 (2016 版 ) 中对公共基础部分的要求编写而成 本书注重结构的系统性与完整性, 力求深度和广度的平衡, 使非计算机专业的学生能够把计算机技术和自己的专业领域相结合, 提高计算机的应用能力和信息素质 简单 易用 实用是本书的写作目标 本书用通俗易懂的语言对基本理论进行介绍, 并辅以相应的实例对理论和概念加以介绍 本书可作为普通高等学校大学计算机基础课的教材, 也可作为全国计算机等级考试 ( 二级 MS Office) 的培训教材 图书在版编目 (CIP) 数据 新编大学计算机基础 :Windows 7+Office 2010/ 姚志鸿, 张领, 高昱主编. 北京 :, ( 普通高等教育 十三五 重点规划教材 计算机系列 ) ISBN Ⅰ.1 新 Ⅱ.1 姚 2 张 3 高 Ⅲ.1Windows 操作系统 - 高等学校 - 教材 2 办公自动化 - 应用软件 - 高等学校 - 教材 Ⅳ. 1TP TP317.1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2018) 第 号责任编辑 : 宋丽都岚 / 责任校对 : 王颖责任印制 : 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 : 北京印刷厂印刷 发行各地新华书店经销 * 2018 年 6 月第一版开本 : / 年 6 月第一次印刷印张 :17 3/4 字数 : 定价 :48.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 < 路通 >) 销售部电话 编辑部电话 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

3 前 言 掌握信息技术 学会使用信息资源是现代人必备的基本素质, 而计算机基础教育则是学习和掌握信息技术的平台 作为高等学校非计算机专业的公共基础课程, 大学计算机基础不仅是文化教育, 也是素质教育, 更是技术技能教育 为满足大学计算机基础教学的需求, 我们组织长期从事计算机基础教学的教师, 从学生学习实际入手, 精心编写了本书 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提出的 大学计算机基础课程教学基本要求 编写而成, 紧紧抓住计算机技术发展趋势, 充分反映计算机应用领域的最新技术要求 本书在内容安排上以基本理论为主体, 以实践为重点, 以调整学生的知识结构和能力素质为目的, 充分体现当前计算机基础教育的新目标和新要求, 切实做到教材为教学服务 根据编者的教学经验, 本书对内容做了如下调整 : 首先, 重点突出前沿与应用, 在大学计算机基础课程体系基础上, 更注重应用层面的课程教学 ; 其次, 由于学生计算机应用能力日渐提高, 在应用部分加深和拓展了部分教学内容, 如在本书和配套的实验教材中对 Office 操作部分给予了足够的拓展 ; 最后, 在不影响教学的前提下舍弃了部分难懂的内容, 如在 多媒体技术基础 一章中, 没有过多地介绍理论, 而辅之以音频素材 视频素材 动画素材制作等内容, 这些做法在实际教学中均取得了良好 的效果 本书用通俗易懂的语言介绍了基本理论, 辅之以相应的实例, 对理论和概念加以介绍 ; 同时对计算机科学领域的新知识和新概念给予了必要的介绍 考虑到部分学生参加 全国计算机等级考试的需要, 本书还兼顾了全国计算机等级考试 ( 二级 ) 新大纲 (2016 版 ) 中对公共基础部分的要求 本书共 7 章, 内容包括计算机概述 计算机系统 操作系统基础 常用办公软件 计算机网络基础 多媒体技术基础和软件技术基础 为了方便读者学习, 本书提供了配套的教学课件和文字图片素材等计算机辅助教学 资源, 如有需要, 请与作者联系 ( 电子邮箱为 nishuilearning@163.com) 本书还配有 新编大学计算机基础学习指导与上机实践 (Windows 7+Office 2010) ( 王建 高昱 刘钢主编, ), 其主要内容包括对本书各章内容的概述 知识 补充 例题精讲与习题, 同时还包含基本技能训练及部分内容的拓宽 加深 本书由姚志鸿 张领 高昱担任主编, 侯中原 孙博成 杨威 刘钢担任副主编, 洪辉 王庆澍 孙治军 李舒 刘德山参加部分章节的编写, 最后由刘德山统稿 定稿 本书追求的目标是让每一位读者读懂, 同时又不失知识的系统性与完整性, 求得深度和

4 ii 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 广度的平衡 由于编者水平有限, 书中难免存在不足之处, 恳请读者批评指正 编者 2018 年 3 月

5 目 录 第 1 章计算机概述 计算机的产生与发展 计算机的产生 计算机的发展历程 未来的新型计算机 计算机的分类 计算机的应用 计算机的作用 计算机的应用领域 计算机中信息的处理方式 数制的概念 数制间的转换 信息的表示方式 信息技术与信息化社会 信息与信息技术 信息化社会 26 思考与练习 28 第 2 章计算机系统 计算机系统结构 计算机的工作原理 微型计算机硬件系统 主机系统 存储系统 I/O 系统 微型计算机的总线结构 微型计算机的性能指标 计算机软件系统 系统软件 应用软件 计算机用户 硬件系统与软件系统的关系 51 思考与练习 52

6 iv 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 第 3 章操作系统基础 操作系统概述 操作系统的定义 操作系统的功能 操作系统的分类 典型操作系统 Windows 操作系统 UNIX 操作系统 Linux 操作系统 手持设备操作系统 Windows 7 操作系统 Windows 7 的特点 Windows 7 的基本操作 文件管理 程序管理 磁盘管理 控制面板 信息交换与共享 Windows 7 的中文输入 102 思考与练习 104 第 4 章常用办公软件 Office 2010 概述 Office 2010 常用组件 Office 2010 的新特性 文字处理软件 Word Word 2010 窗口 文档的建立 文档的编辑 文档的排版 图文混排 表格 Word 的其他应用 页面设置和打印输出 电子表格软件 Excel Excel 窗口 向工作表中输入数据 135

7 目录 v 工作表的编辑与格式化 图表操作 数据库操作 Excel 的数据保护 演示文稿制作软件 PowerPoint PowerPoint 窗口 创建幻灯片 编辑演示文稿 格式化演示文稿 设置幻灯片效果 设置超链接 插入多媒体对象 放映幻灯片 160 思考与练习 160 第 5 章计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络的定义 计算机网络的发展 计算机网络系统的组成 计算机网络的分类 计算机网络体系结构 网络体系结构概述 OSI-RM 网络体系结构 TCP/IP 网络体系结构 网络互连设备 物理层网络设备 数据链路层网络设备 网络层网络设备 传输介质 其他网络设备 局域网技术 局域网概述 局域网体系结构 以太网 网络操作系统 Internet 基础 Internet 接入方式 190

8 vi 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 互联网关键技术 Internet 服务与应用 万维网服务 电子邮件服务 文件传输服务 远程登录服务 云计算服务 网络信息搜索 物联网 205 思考与练习 207 第 6 章多媒体技术基础 多媒体技术概述 多媒体的概念 多媒体技术的特点 多媒体数据的类型 多媒体技术的应用和发展 多媒体计算机系统 多媒体硬件系统 多媒体软件系统 数字图像 位图图像 矢量图形 数字音频 声音数字化 音频的文件格式 音频采集处理 数字视频 视频的基础知识 数据压缩技术 226 思考与练习 227 第 7 章软件技术基础 软件工程基础 软件工程概述 结构化开发方法 面向对象的开发方法 软件测试与维护 237

9 目录 vii 软件开发过程模型 程序设计基础 程序和程序设计语言 程序设计步骤与风格 结构化程序设计 面向对象程序设计 算法与数据结构 算法 数据结构概述 常用的数据结构 数据库技术基础 数据库系统的基本知识 数据模型 数据库设计 常见的数据库管理系统简介 271 思考与练习 272 参考文献 273

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11 第 1 章计算机概述 计算机是人类伟大的科技发明之一, 其对信息化社会生产和人民生活产生了极其深远的影响 在我国全面建成小康社会, 坚持以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化, 走新型工业化道路的进程中, 以计算机技术 网络通信技术和多媒体技术为主要标志的信息技术涉及所有领域, 已渗透到信息化社会的各行各业 不同学科有不同的专业背景, 计算机是拓展专业研究的有效工具, 学习必要的计算机知识, 掌握一定的计算机操作技能, 是现代人知识结构中不可缺少的组成部分 本章主要内容如下 : 计算机的产生与发展 计算机的分类 计算机的应用 计算机中信息的处理方式 信息技术与信息化社会 计算机的产生 1. 早期的计算装置 1.1 计算机的产生与发展 计算机的产生是从人类对计算工具的需求和早期开发开始的 在人类文明发展的早期就遇到了计算问题, 在漫长的人类进化和文明发展过程中, 人类的大脑逐渐具有了一 种特殊的本领, 就是把直观的形象变成抽象的数字, 进行抽象思维活动 在古人类曾经 生活过的岩石洞里发现的刻痕, 说明人类文明发展的早期就有了计算的需要和能力 计 算需要借助一定的工具来进行, 人类最初的计算工具是人类的双手, 掰着手指头数数就 是最早的计算方法 一个人天生就有 10 个手指, 因此十进制就成为人们最熟悉的进制 计数法 由于双手有局限性, 为了延伸手在这方面的功能, 人类开始学习使用石子 小木棍 等作为计算工具 随着人类文明的发展, 人类还发明了各种各样 越来越复杂的专用计 算工具, 计算方法也越来越高级 计算工具的源头可以上溯至 2000 多年前的春秋战国 时期, 我国发明的算筹是世界上最早的计算工具, 如图 1-1 所示 之后又发明了更为方

12 2 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 便的算盘, 如图 1-2 所示, 它结合了十进制计数法和一整套计算口诀, 能够很方便地实现各种基本的十进制计算, 即使在今天也还能在许多地方看到它的身影 有人认为算盘是最早的数字计算机, 而珠算口诀则是最早的体系化算法, 这些都是古代人类寻求计算工具的伟大成就 1620 年, 英国数学家甘特 (Gantt) 把计算好的对数值刻在木板上, 通过滑动木板就能很快读出计算结果 这使繁复的数据计算变得更简单, 应用更便捷 计算尺是一项伟大的发明, 它是世界上最早的模拟计算工具, 是后来科学研究和技术设计活动中最不可缺少的计算工具, 如图 1-3 所示 计算尺经历了约 350 年的辉煌历史, 向前推动了世界科学技术的发展进程, 为人类做出了无法估量的贡献 直到 20 世纪中叶, 计算尺才逐渐被袖珍计算器所取代 图 1-1 中国古代算筹图 1-2 算盘图 1-3 计算尺 随着西方工业革命的开始, 各种机械设备被制造出来 1625 年, 英格兰人威廉 奥特雷德 (William Oughtred) 发明了能进行 6 位数加减法计算的滑动计算尺 1642 年, 法国数学家帕斯卡 (Pascal) 采用与钟表类似的齿轮传动装置, 设计出能进行 8 位十进 制计算的加法器, 如图 1-4 所示 1822 年, 英国数学家查尔斯 巴贝奇 (Charles Babbage) 提出了差分机和分析机的 模型, 它由以前的每次只能完成一次算术运算发展为自动完成某个特定的完整运算过 程, 如图 1-5 所示 此后, 巴贝奇又设计了一种程序控制的通用分析机, 它是现代程序 控制方式计算机的雏形, 其设计理论非常超前, 但限于当时的技术条件而未能实现 图 1-4 帕斯卡及其发明的加法器图 1-5 巴贝奇及其发明的差分机 2. 电子计算机的诞生 1936 年, 英国科学家阿兰 麦席森 图灵 (Alan Mathison Turing), 如图 1-6 所示, 发表了著名的关于 理想计算机 的论文, 基于该论文提出一种抽象的计算机模型, 后

13 第 1 章计算机概述 3 人称之为图灵机 (turing machine,tm) 图灵机由 3 部分组成 : 一条带子 一个读写头和一个控制装置 图灵机理论不但解决了数理逻辑的一个基础理论问题, 而且证明了通用数字计算机是可能被制造出来的 一般认为, 现代计算机的基本概念源于图灵, 为纪念图灵对计算机的贡献, 美国计算机博物馆于 1966 年设立了 图灵奖 推动计算工具不断开发和升级的最重要因素是社会的需求 20 世纪, 社会的发展和科学技术的进步对新的计算工具图 1-6 阿兰 麦席森 图灵提出了更高的需求, 军事和战争的需要是一个重要的因素 随着第二次世界大战的爆发, 各国科学研究的主要精力都转向为军事服务 为了设计更先进的武器, 提高计算工具的计算速度和精度成为人们开发新型计算工具的突破口 德国科学家朱赛 (Zuse) 最先采用电气元器件制造计算机 他在 1941 年制成了全自动继电器计算机 Z-3,Z-3 已具备浮点计数 二进制运算 数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征 1943 年, 英国科学家研制成功了 巨人 计算机, 专门用于破译德军密码 1944 年, 美国科学家艾肯 (Aiken) 在 IBM 公司的支持下, 也研制成功了机电式计算机 MARK-I 这是世界上较早的通用型自动机电式计算机之一, 它取消了齿轮传动装置, 以穿孔纸带传送指令 真正具有现代意义的计算机于 1946 年 2 月 15 日, 在美国宾夕法尼亚大学, 由物理学家约翰 莫奇勒 (John W. Mauchly) 和电气工程师普雷斯波 埃克特 (J. Prespen Eckert) 领导的研制小组为精确测算炮弹的弹道特性而制成 它是世界上第一台真正能自动运行 的电子数字计算机, 名称为 ENIAC(electronic numerical integrator and computer, 电子 数字积分计算机 ), 如图 1-7 所示 其主要元器件是电子管, 每秒钟能完成 次加法 300 多次乘法运算, 比当时最快的计算工具快 300 倍 该机器使用了 个继电器, 个电子管, 占地 170m 2, 重达 30 多 t, 功耗达 150kW, 耗资 40 万美元 用 ENIAC 计算题目时, 首先要根据题目的计算步骤预先编好一条条指令, 再按指令连接好外部电路, 然后启动机器, 使其自动运行并输出结果 当要计算另一个题目时, 必须重复进行 上述工作, 所以只有少数专家才能使用 尽管这是 ENIAC 的明显弱点, 但它使过去借 助机械的分析机需 7~20h 才能计算一条弹道的工作时间缩短到 30s, 使科学家们从庞大的计算量中解放出来 ENIAC 的问世标志着电子计算机时代的到来, 它的出现具有划时代的意义 在 ENIAC 的研制过程中, 由美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (John von Neumann), 如图 1-8 所示, 总结并提出两点改进意见 : 一是计算机内部直接采用二进制数进行计算 ; 二是将指令和数据存储起来, 由程序控制计算机自动执行 这对后来计算机的设计有决 定性的影响, 特别是确定计算机的结构 采用存储程序及二进制编码等, 至今仍为电子 计算机设计者所遵循

14 4 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 图 1-7 ENIAC 图 1-8 冯 诺依曼 计算机的发展历程 1. 电子计算机的发展从第一台电子计算机的诞生到现在, 计算机技术以前所未有的速度迅猛发展, 经历了大型计算机阶段 微型机及网络阶段 对于传统的大型计算机, 通常根据计算机所采用的电子元器件不同而将其划分为电子管计算机, 晶体管计算机, 中小规模集成电路计算机和大规模 超大规模集成电路计算机 4 代, 见表 1-1 表 1-1 计算机发展的 4 个阶段 代次 第一代 第二代 第三代 第四代 时间 1946~1957 年 1958~1964 年 1965~1971 年 1972 年至今 主要电子元器件电子管晶体管中小规模集成电路大规模 超大规模集成电路 内存储器汞延迟线磁心存储器半导体存储器半导体存储器 纸带 卡片 磁外存储器带和磁鼓 磁盘 磁带磁盘 磁带磁盘 光盘等大容量存储器 处理速度 ( 指令数 /s) 几千 ~ 几万条几十万条几百万条上亿条 代表机型 UNIVAC-I IBM-7000 系列机 IBM-360 系列机 IBM-4300 系列机 3080 系列 机 3090 系列机和 900 系列机 第一代计算机的主要特点 : 内存容量非常小 ( 仅为 1 000~4 000B); 计算机程序设 计语言处于最低阶段, 用一串 0 和 1 表示的机器语言进行编程, 直到 20 世纪 50 年代才 出现汇编语言 ; 尚无操作系统 (operating system,os) 出现, 操作机器困难 它体积庞 大 造价昂贵 速度低 存储容量小 可靠性差 不易掌握, 主要应用于军事和科学研 究领域 第二代计算机的主要特点 : 采用了晶体管这种体积小 质量小 开关速度快 工作 温度低的电子元器件 ; 内存储器容量扩大到几十万字节 ; 计算机软件有了较大发展, 出 现了监控程序并发展成为后来的操作系统 ; 推出了 Basic Fortran Cobol 高级程序设计 语言 与第一代计算机相比, 其体积小 成本低 质量小 功耗小 速度高 功能强 可

15 第 1 章计算机概述 5 靠性高, 主要应用范围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 第三代计算机的主要特点 : 体积 质量 功耗进一步减小, 运算速度 逻辑运算功能和可靠性进一步提高 ; 软件在这个时期形成了产业 ; 出现了分时操作系统 ; 提出了结构化 模块化的程序设计思想, 出现了结构化的程序设计语言 Pascal 这一时期的计算机同时向标准化 多样化 通用化发展 第四代计算机的主要特点 : 磁盘的存取速度和容量大幅度上升 ; 体积 质量和耗电量进一步减少 ; 计算机的性能价格比基本上以每 18 个月翻一番的速度上升 ; 操作系统向虚拟操作系统发展, 数据库管理系统 (database management system,dbms) 不断完善和提高, 程序语言进一步发展和改进, 软件行业的发展成为新兴的高科技产业 ; 计算机的应用不断向社会各个领域渗透 随着计算机科学技术的迅猛发展, 前 4 代计算机的时代划分规则在新形势下已经不再适合 专家呼吁不要再沿用 第五代计算机 的说法, 而采用 新一代计算机 的说法 从 20 世纪 80 年代开始, 日本 美国等国家投入大量人力 物力研制新一代计算机, 其目标是使计算机像人一样具有能听 能看 能说和会思考的能力 新一代计算机应具有知识存储和知识库管理功能, 能利用已有知识进行推理判断, 具有联想和学习的功能 新一代计算机想要达到的目标相当高, 它涉及很多高新技术领域, 如微电子学 计算机体系结构 高级信息处理 软件工程方法 知识工程和知识库 人工智能和人机界面等 从研究成果来看, 尚无突破性进展 但可以预见, 新一代计算机的实现将对人类社会的发展产生深远的影响 2. 微型计算机的诞生与发展 在计算机的发展历程中, 一个重要的转折点就是微型计算机的问世 从第一台计算 机 ENIAC 诞生到 20 世纪 70 年代初, 计算机一直向巨型化方向发展 巨型化是指计算 速度和存储容量不断提高 从 20 世纪 70 年代初期起, 计算机又向微型化方向发展 微 型化是指计算机的体积和价格大幅度降低 个人计算机 (personal computer,pc) 的出 现就是计算机微型化的典型产物 昂贵而庞大的计算机演变为适合个人使用的 PC, 应当归功于超大规模集成电路的迅猛发展 PC 所具有的强大的处理信息的功能来源于它有一个被称为微处理器的大规 模集成电路, 微处理器包含运算器和控制器 世界上第一个通用微处理器 Intel 4004 于 1971 年问世, 被称为第一代微处理器 按现在的标准衡量, 它处理信息的能力非常低, 但正是这个看起来非常原始的芯片改变了人类的生活 4004 微处理器包含了 2300 个晶 体管, 支持 45 条指令, 工作频率为 1MHz, 尺寸规格为 3mm 4mm 尽管它体积小, 但 计算性能远远超过 ENIAC 奔腾 (Pentium) 微处理器于 2000 年 11 月发布, 其频率为 1.5GHz, 随后陆续推出了 1.4~3.2GHz 的 P4 处理器 世界上第一台微型计算机 Altair 8800 是 1975 年 4 月由一家名为 Altair 的公司推出 的, 它采用 Zilog 公司的 Z80 芯片作为微处理器 虽然它是 PC 真正的 祖先, 但其在 外形上与今天的 PC 差别很大 它没有显示器和键盘, 面板上只有指示灯和开关, 给人 的感觉更像一台仪器

16 6 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) PC 真正的雏形应该是苹果机, 它是由苹果公司的创始人 史蒂夫 保罗 乔布斯 (Steven Paul Jobs) 和他的同伴在一个车库里组装出来的 这两个普通的年轻人坚信电子计算机能够大众化 平民化, 他们的理想是制造普通人都买得起的 PC IBM 公司在 1981 年推出了首台 IBM PC,1984 年又推出了更先进的 IBM PC/AT, 它支持多任务 多用户, 并增加了网络能力, 可联网 台 PC 微型计算机在诞生之初就配置了操作系统, 之后操作系统也在不断发展 20 世纪 70 年代中期到 80 年代早期, 微型计算机上运行的一般是单用户单任务操作系统, 如 CP/M CDOS(Cromemco 磁盘操作系统 ) MDOS(Motorola 磁盘操作系统 ) 和早期的 MS-DOS(Microsoft 磁盘操作系统 ) 20 世纪 80 年代以后到 90 年代初, 微型计算机操作系统开始支持单用户多任务和分时操作, 以 MP/M XENIX 和后期的 MS-DOS 为代表 近年来, 微型计算机操作系统得到了进一步发展, 以 Windows UNIX Linux Solaris MacOS 等为代表的新一代操作系统都已具有多用户和多任务 虚拟存储管理 网络通信支持 数据库支持 多媒体支持 应用编程接口支持 图形用户界面等功能 3. 计算机在中国的发展 我国从 20 世纪 50 年代开始研制高性能计算机系统, 与国际发展的阶段类似, 也经历了小型计算机 大型计算机 超级计算机和高性能计算机时代 在这个发展过程中, 曙光系列 银河系列 神威系列都做出了突出的贡献 1958 年, 中国科学院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机 103 机, 标志着我国第一台电子计算机的诞生 1965 年, 中国科学院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机 109 乙, 之后推出 109 丙, 该机在两弹试验中发挥了重要作用 1974 年, 清华大学等联合设计 研制成功采用集成电路的 DJS-130 小型计算机, 其运算速度 达 100 万次 /s 1983 年, 国防科技大学研制成功运算速度为每秒上亿次的银河 -I 巨型机, 这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑 1985 年, 原电子工业部 ( 现工业和信息化 部 ) 计算机管理局研制成功与 IBM PC 兼容的长城 0520CH 微型计算机 1992 年, 国防 科技大学研制出银河 -II 通用并行巨型机, 其峰值速度达 4 亿次 /s 浮点运算 ( 相当于 10 亿次 /s 基本运算 ), 为共享主存储器的四处理机向量机, 其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的, 总体上达到 20 世纪 80 年代中后期国际先进水平 它主要用 于中期天气预报 1993 年, 国家智能计算机研究开发中心 ( 后成立北京市曙光计算机公司 ) 研制成功 曙光一号全对称共享存储多处理机, 这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处 理器芯片和标准 UNIX 操作系统设计开发的并行计算机 1995 年, 北京市曙光计算机公 司又推出了国内第一台具有大规模并行处理机结构的并行机曙光 1000( 含 36 个处理 机 ), 峰值速度达 25 亿次 /s 浮点运算, 实际运算速度达 10 亿次 /s 浮点运算 曙光 1000 与美国 Intel 公司 1990 年推出的大规模并行机体系的结构与实现技术相近, 与国外的差 距缩小到 5 年左右 1997 年, 国防科技大学研制成功银河 -Ⅲ 百亿次并行巨型计算机系统, 其采用可扩 展分布共享存储并行处理体系结构, 由 130 多个处理结点组成, 峰值性能为 130 亿次 /s

17 第 1 章计算机概述 7 浮点运算, 系统综合技术达到 20 世纪 90 年代中期国际先进水平 1997~1999 年, 北京市曙光计算机公司先后在市场上推出具有集群结构的曙光 1000A 曙光 2000-I 曙光 2000-II 超级服务器, 其峰值计算速度已突破 亿次 /s 浮点运算, 机器规模已超过 160 个处理机 1999 年, 国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威 I 计算机通过了国家级验收, 并在国家气象中心投入运行 其系统有 384 个运算处理单元, 峰值运算速度达 亿次 /s 2000 年, 北京市曙光计算机公司推出 亿次 /s 浮点运算的曙光 3000 超级服务器 2001 年, 中国科学院计算所研制成功我国第一款通用 CPU(central processing unit, 中央处理器 ) 龙芯 芯片 2002 年, 北京市曙光计算机公司推出具有完全自主知识产权的 龙腾 服务器, 其采用 龙芯 -1 CPU 北京市曙光计算机公司和中国科学院计算所联合研发的服务器专用主板及曙光 Linux 操作系统, 是国内第一台完全实现自有产权的产品, 在国防 安全等部门将发挥重大作用 2003 年, 百万亿次数据处理超级服务器曙光 4000L 通过国家验收, 再一次刷新国产超级服务器的历史纪录, 使国产高性能产业再上新台阶 2009 年 10 月 29 日,1 206 万亿次 /s 的峰值速度和 万亿次 /s 的 Lin pack 实测性能, 使这台名为 天河一号 的计算机位居同日公布的中国超级计算机前 100 强之首, 也使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家 2011 年 10 月 27 日, 我国第一台完全采用国产 CPU 处理器的千万亿次超级计算机 神威蓝光, 在国家超级计算济南中心投入使用 该机装有 片国产 申威 核 64 位处理器, 仅 9 个机柜就能达到峰值性能 万亿次 /s 计算能力超过 20 万台普通笔记本式计算机, 系统综合水平处于当今世界先进行列 该系统具备扩充至每秒万万亿次的潜力 早期国产软件主要用于配套专用系统, 银河 -I 巨型机的操作系统 YHOS 是中国研制 成功的第一套巨型机上的操作系统 20 世纪 80 年代, 国产商品化软件的亮点集中在对 国外软件的汉化方面, 用于解决汉字的显示及输入 第一套中文通用操作系统 CCDOS 于 1983 年问世,1989 年第一套中文字处理系统 WPS 推向市场 此外, 中文排版系统 财务系统等行业应用软件等也有较大的市场影响 由于受到国外大公司的冲击, 在系统软件方面, 尤其是操作系统和数据库方面, 国产软件的发展道路十分坎坷 1999 年 3 月, 全球第一套完整的中文 Linux 发行版 1.0 开发成功并正式发布, 受到 中国用户的广泛欢迎 中国软件技术总公司于 1999 年发布的 COSIX64, 是我国第一个符合国际技术标准的 64 位高端操作系统, 可供国家有关部门的业务应用 目前, 我国在 Linux 操作系统 集成办公软件 信息安全软件和 金 字系列国家重大信息化工程大型应用软件开发等方面也取得了可喜的进展 HOPEN 等嵌入式操作系统的推出, 为 国内数字化 3C 产品的自主开发和产业化提供了技术基础 OpenBASE 等国产数据库管 理系统也具备了一定的市场竞争力, 国产软件工程工具及软件复用技术和软件的构件化 生产技术方面的成果为软件企业提高开发能力提供了条件 20 世纪 90 年代开始, 一大 批优秀的国产应用软件在办公自动化 财税 金融电子化建设等电子政务 企业信息化

18 8 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 方面 国民经济和社会生活中得到了广泛应用, 成功地为 金卡 金税 金关 等国家信息化工程开发了应用软件系统, 为贯彻落实 以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化 和大力推广信息技术应用, 改造提升传统产业和推动国家信息化建设工作发挥了重要作用 未来的新型计算机 计算机中最基本的元器件是芯片, 芯片制造技术的不断进步是推动计算机技术发展的根本动力之一 目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造, 即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面来进行线路蚀刻 如今主要采用紫外光进行光刻操作, 通过紫外光波长的进一步缩短, 芯片上的线宽将会继续大幅度缩小, 同样大小的芯片上就可以容纳更多的晶体管, 从而推动半导体工业继续前进 但是, 当紫外光波长缩短到小于 193nm( 蚀刻线宽 0.18nm) 时, 传统的石英透镜组会吸收光线而不是将其折射或弯曲 为此, 研究人员正在研究新一代光刻技术 (next generation lithography,ngl), 包括极紫外光刻技术 离子束投影光刻技术 角度限制投影电子束光刻技术及 X 射线光刻技术 然而, 以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的, 由于存在磁场效应 热效应 量子效应及制作上的困难, 当线宽低于 0.1nm 以后, 就必须开拓新的制造技术 那么, 哪些技术有可能引发下一次的计算机技术革命呢? 现在看来有可能的技术至少有 4 种 : 纳米技术 光技术 生物技术和量子技术 应用这些技术的计算机从目前来看达到实用的可能性还很小, 但现有技术不久就可能达到发展的极限, 而这些技术又具有引发计算机技术革命的潜力, 这就使它们逐渐成为人们研究的焦点 1. 光计算机 以前, 人们预言计算机革命的下一件大事是光计算机, 但实践证明, 光处理困难重 重 随着计算机芯片的处理速度越来越快, 数据的传送速度替代处理速度成为主要问题 目前, 计算机使用的金属引线已无法满足大量信息传输的需要, 因此未来的计算机可能 是混合型的, 即把极细的激光束与快速的芯片相结合 那时, 计算机将不采用金属引线, 而以大量的透镜 棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片 这种传送方式称 为自由空间光学技术 自由空间光学技术的原理非常简单 : 首先, 将硅片内的电子脉冲 转换为极细的闪烁光束, 接通 表示 1, 断开 表示 0 ; 然后, 将数据流通过反 射镜和棱镜网络折射到需要数据的地方 ; 最后, 在接收端, 透镜将每根光束聚焦到微型 光电池上, 由光电池将闪光重新转换成一系列电子脉冲 光的传播速度很快, 电子在导线中的运行速度与其无法相比 如今, 电子计算机的 传送速度最高为 10 9 B/s, 而采用硅 - 光混合技术后, 其传送速度可达万亿 B/s 更重要的 是光子不像带电的电子那样相互作用, 因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据 尤其是光无须物理连接, 如能将普通的透镜和激光器做得很小, 足以安装在微芯片的背 面, 那么未来的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了

19 第 1 章计算机概述 9 2. 生物计算机与光计算机相比, 大规模生物计算机技术实现起来更为困难, 不过其潜力也更大 生物系统的信息处理过程基于生物分子的计算和通信过程, 因此, 生物计算又常称为生物分子计算, 其主要特点是大规模并行处理及分布式存储 基于这一认识, 沃丁顿 (Waddington) 在 20 世纪 80 年代就提出了自组织的分子器件模型, 通过大量生物分子的识别与自组织可以解决宏观的模式识别与判定问题 备受人们关注的 DNA 计算机就基于这一思路 但是迄今提出的 DNA 计算机模型仅适合做组合判定问题, 直接进行数学计算还不方便 电子计算机的蓬勃发展基于图灵机的坚实基础, 同样, 生物计算机作为一种通用计算机, 必须先建立与图灵机类似的计算模型 如果 21 世纪能够解决计算模型问题, 生物计算机将展现出令人难以置信的运算速度和存储容量 除了 DNA 计算机外, 生物计算机还有另一个发展方向, 即在半导体芯片上加入生物分子芯片, 将硅基与碳基结合起来的混合技术 例如, 硅片上排列特殊的神经元的 生物芯片 已被生产出来 尽管这些生物计算实验离实用还很遥远, 但生物计算机的前景不容小觑 3. 分子计算机 科学家在分子级电子元器件研究领域中取得了一定进展 该领域的出现有一个前提, 即有可能制造出单个的分子, 其功能与晶体管 二极管及微电路的其他重要部件完全相同或相似 化学家 物理学家和工程师所做的一系列出色的示范试验显示 : 单个的 分子能传导和转换电流, 并存储信息 1999 年 7 月, 媒体广泛报道了这样一个进展 : 惠普公司和加利福尼亚大学洛杉矶分 校的研究人员宣布, 他们已经制造了一种电子开关, 其由一层达几百万个之多的有机物 ( 轮烷 ) 分子构成 研究人员通过把若干个开关连接起来的方法, 制造出初级的 与 门, 这是一种执行基本逻辑操作的器件 每个分子开关中的分子远远超出了百万数, 因 此, 它们的体积比本来要求的大得多, 并且这些开关只转换一次就不能操作了 但是, 它们组装成的逻辑门具有至关重要的意义 在这项成果发表后一个月左右, 耶鲁大学和 里斯大学又发表了另一类具有可逆性分子开关的成果 后来, 人们成功地研制出一种能 够作为存储器的分子, 它可以通过对电子的存储来改变分子的电导率 虽然有了以上所说的种种进步, 但是分子计算机的前进道路上仍然遍地荆棘 制造 出单个元器件固然是非常重要的一步, 但是在制造出完整的可用电路和部件之前, 还必 须解决一系列的重要问题 例如, 怎样把上百万甚至上亿个各式各样的分子元器件牢固 地连接在某种基体的表面, 同时按照电路图所要求的图形把它们准确无误地连接起来, 目前还没有能够满足这种要求的技术 4. 量子计算机 量子计算机目前尚处于理论与实践之间 大多数专家认为量子计算机会在今后的几

20 10 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 十年间出现 量子计算机是一种采用基于量子力学原理的 深层次计算模式的计算机 这一模式只由物质世界中一个原子的行为决定, 而不像传统的二进制计算机那样将信息分为 0 和 1, 并对应于晶体管的开和关来进行处理 在量子计算机中, 最小的信息单元是一个量子比特 量子比特不只是开 关两种状态, 而是以多种状态同时出现 这种数据结构对于使用并行结构的计算机来处理信息是非常有利的 量子计算机具有一些奇特的性质 : 信息传输可以不需要时间 ( 超距作用 ), 信息处理所需能量可以接近于零 近年来, 基于量子力学效应 ( 如量子相干 量子隧穿 库仑阻塞效应等 ) 的固态纳米电子元器件研究取得了很大进展 美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员目前证实, 直径为人头发直径 1/ 的中空纯碳纳米管上存在着原子大小的电子元器件 纳米管元器件理论上早有预言, 但这是首次证实这种元器件确实存在 目前, 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个小组正在研究量子计算机的原型机 他们使用了一种 量子阱 激光器 这种激光器是用一层超薄的半导体材料夹在另外两层物质中构成的 中间层的电子被圈闭在一个量子平面上, 所以只能做二维运动 贝尔实验室进一步发展了一维的量子导线激光器 科学家们希望进一步将量子导线激光器发展为量子点激光器, 以获得更好的效果 1.2 计算机的分类 以前一般将计算机分为 3 类 : 大型计算机 小型计算机和微型计算机 大型计算机是放在大型壁橱大小的金属架上的 ; 小型计算机体积小 价格低, 虽然性能没有大型计算机强大, 但也能为小型企业提供足够的计算能力 ; 微型计算机的 CPU 中包含单独的 微处理器芯片, 因此它明显地区别于其他种类的计算机 现代的微处理器已经不能作为区分计算机类型的特征了, 因为大多数计算机使用一 个或多个微处理器作为 CPU 小型计算机已经不再使用, 而且微型计算机和大型计算机 的使用频率也越来越低 计算机可以广泛应用于各种各样的任务中, 但某些类型的计算机比其他类型的计算 机更适合完成某些特定任务 计算机的分类是根据计算机的用途 价格 体积和性能等标准进行的 专家们未必在分类或每种类型所包含的设备问题上达成一致, 但常用的计 算机通常分为 PC 工作站 服务器 大型计算机和超级计算机 1.PC PC 是指为满足个人计算需要而设计的一种使用微处理器的计算设备 PC 通常能运 行多种类型的应用软件, 如文字处理 照片编辑和电子邮件等 PC 分为桌面计算机和便携式计算机, 它们具有不同的外形, 即安放计算机电路容器的尺寸是各种各样的 2. 工作站 工作站有两种意思 :1 可以指连接到网络的普通 PC;2 可以指用来进行高性能任

21 第 1 章计算机概述 11 务处理的功能强大的桌面计算机 它具有很快的处理速度, 能进行医学成像和计算机辅助设计等工作 某些工作站拥有多个微处理器, 并且大多集成有专门用来生成和演示三维图形和动画图形设计的电路 工作站的价格通常比普通的 PC 要贵些 3. 服务器在计算机行业中, 服务器包含多种含义, 它既可以指计算机硬件, 也可以指特定类型的软件, 还可以指硬件与软件的结合体 但不管怎样, 服务器的作用都是通过给网络 ( 如因特网或家庭网络 ) 上的计算机提供数据而提供 服务 任何向服务器请求数据的软件或数字设备 ( 如计算机 ) 都称为客户端 例如, 在网络中, 一台服务器可能响应客户端对网页的请求, 而另一台服务器则可能用来处理因特网上客户端之间连续的电子邮件流 服务器还可以让网络内所有客户端共享文件或共用中央打印机 需要指出的是, 大多数 PC 工作站 大型计算机或超级计算机可以配置成服务器 而且, 服务器对硬件并没有专门的要求 不过有的计算机制造商 ( 如 IBM 公司和戴尔公司 ) 把它们生产的专门用于网络数据存储和分布的一类计算机称为刀片服务器和存储服务器 服务器的价格有高有低, 这取决于服务器的配置, 但基本上与工作站的价格相当, 而略高于 PC 的价格 尽管各种专用服务器执行与服务器相关的任务时表现出色, 但它们没有包含声卡 DVD(digital video disc, 数字视频光盘 ) 播放器及其他娱乐配件, 所以它们不适宜作为 PC 的替代品 4. 大型计算机 大型计算机, 简称大型机 其体积庞大 价格昂贵, 能够同时为成百上千的用户处 理数据 大型计算机一般应用于企业或政府部门, 能为大量数据提供集中式存储 处理 和管理 当对可靠性 数据安全性和集中式控制要求很高时, 大型计算机仍是最佳选择 大型计算机的价格通常是 10 万美元到 100 多万美元不等 大型计算机的主要处理 电路都安装在壁橱的柜子里, 再加上用于存储和输出的大型外围设备, 整个大型计算机 系统能够填满相当大的一个房间 5. 超级计算机 超级计算机是指世界上运算速度最快的一类计算机, 其运算速度极快, 因此能够承 担其他计算机所不能处理的复杂任务和计算密集型问题 计算密集型问题需要用复杂的 数学计算来处理大量数据 分子计算 大气规模和气候研究等项目都需要使用 处理和 分析大量数据点 超级计算机一般会应用于密码破译 全球气象系统建模及核弹爆炸模拟等, 如一个 专门为超级计算机设计模拟实验室的目的是同时跟踪几千个被龙卷风卷起的灰尘微粒 的运动轨迹 以前, 超级计算机的设计者专注于制造专门的 速度极快的且体积庞大的 CPU, 但 如今多数超级计算机的 CPU 由数千个微处理器构成 在世界上速度最快的 500 台超级

22 12 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 计算机中, 大多数使用了微处理器技术 1.3 计算机的应用 计算机的作用众所周知, 计算机具有快速 高效 记忆和自动化处理等一系列的特点, 这为信息的处理带来了极大的方便, 计算机在信息化社会中的主要作用如下 1) 极高的运算速度, 可高效率 高质量地完成数据加工处理的任务 2) 海量的存储设备使空间变大, 大量图书 档案资料压缩存储在磁盘或光盘上, 便于信息的长期保存和反复使用 3) 全新的多媒体技术使计算机渗透到社会的各个领域, 多媒体技术使人与计算机之间建立起更为默契 融洽的新型关系 4) 计算机网络使各国的距离缩短了, 用户可以在家中通过计算机与国外任何地方的其他用户进行信息的交流与共享 传递与汇集 5) 智能化的决策支持系统应用于管理信息, 为实现决策科学化提供了可能 总之, 计算机在信息化社会中的作用正随着信息化社会的到来而越来越显著, 它也日益成为人们生产和生活中离不开的工具和 伙伴 计算机的应用领域 在计算机诞生至今的 70 多年中, 其发展非常迅速, 已经深入各个领域 计算机的 应用主要在科学计算 数据采集和处理 信息传输和处理 电子商务 实时控制 计算 机辅助教育 人工智能与机器人等方面 下面主要介绍科学与工程计算 信息管理 电 子商务 人工智能 计算机辅助设计与制造 5 个应用领域 1. 科学与工程计算 科学与工程计算是指将计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题 ( 数值计算 ) 科学计算是计算机最早的应用方面 第一台电子计算机 ENIAC 研制的 目的就是用于军事计算, 计算机发展的初期也主要用于科学计算 迄今为止, 虽然计算 机在其他方面的应用不断加强, 但它仍然是科学研究和科学计算的最佳工具 在这个应 用领域中, 要求计算机速度快 精度高 存储容量大 科学计算在大气科学研究中占有相当重要的地位 大气科学特定的研究对象, 使人 无法用实验的方法来研究和验证理论的正确性 随着人类活动的发展, 仅有简略的定性 描述和相应的理论解释已远远不能满足需要 人们需要精确的气象预报和气象预测, 因 此必须建立能够提供计算的理论数学模型和方法, 从而算出规定地区和规定时间内的天 气变化 但是, 这在还没有强大计算能力的时代是不可想象的 20 世纪 20 年代初, 天 气预报方程已基本建立起来, 但只有在电子计算机出现以后, 尤其是超大规模的并行计 算机诞生后, 数值天气预报才成为可能 如今, 世界各国都普遍采用了这一方法 美国

23 第 1 章计算机概述 13 和欧洲联合预报中心已建立了 5~10 天的逐天天气形式的中期数值预报业务 大气科学由于有了科学计算这一有力的工具, 完成了从定性描述到定量计算 从经验性的学科进入实验学科的突破 在这一过程中, 使用计算机进行数值仿真沟通了理论和应用两个方面, 对大气科学的发展产生了极为重大的影响, 从根本上改变了大气科学的研究方法 由于描述大气运动的方程是一组复杂的非线性方程, 涉及力学 化学 生物 地貌等各种因素的影响, 又要在天空 海洋等广大尺度上进行求解, 因此其数值仿真的方法是非常复杂的, 且运算量巨大 如今人们可以用超级计算机来做实验, 仿真大气的变化过程 科学计算是 20 世纪重要的科学进步之一, 是数学及计算机实现其在高科技领域应用的必不可少的纽带和工具 今天, 科学计算无疑已经是第三种科学手段, 它与理论研究 科学实验一同成为当今科学活动的主要方式 科学和工程计算都以计算数学为核心, 通过架设从理论到实际问题的桥梁, 来解决当今科技发展的复杂问题 这些问题无法求得理论解, 也难以应用实验手段, 但可以进行计算 科学和工程计算大大增强了人们从事科学研究的能力, 加速了把科技转化为生产力的进程, 深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径 在许多领域, 科学和工程计算可被用来获得重大的研究成果或完成高度复杂的工程设计 科学和工程计算为科学研究与技术创新提供了新的重要手段和理论基础, 正在并将继续推动当代科学和高新技术的发展 科学和工程计算作为一门整合性 工具性 方法性的新科学, 已经确立并得到了发展 它包括近年来在各种科学与工程领域中逐步形成的计算性学科分支, 如计算力学 计算物理 计算化学 计算环境科学等 在生物科学 医学 系统科学 经济学 社会科学中也都开始发展科学和工程计算理论 由于许多实验需要昂贵的仪器设备, 观测时间也很长或反应时间很短, 以及测量上的困难, 计算模型已用来代替大部分的实验, 成为各学科的重要工具 例如, 汽车的碰撞实验, 目前可以用计算机进行数值仿真 ; 有时 物理实验上很难测得的现象, 如混沌系统及孤立子等, 也都是先通过科学计算发现的 在气象 地震 核能技术 石油勘探 航天工程 密码解译等领域, 科学和工程计算已 成为不可缺少的工具 2. 信息管理 信息管理主要是指非数值形式的数据处理, 包括对数据资料的收集 存储 加工 分类 排序 检索 发布等一系列工作, 传输和处理的信息有文字 图形 声音 图像 等各种信息 信息处理包括办公自动化 企业管理 情报检索 报刊编排处理等, 特点 是要处理的原始数据量大, 而算术运算较简单, 有大量的逻辑运算与判断, 结果要求以 表格或文件形式存储 输出 信息处理是计算机应用最广泛的领域 信息管理应用领域所产生的应用系统很多, 最广泛实用的系统就是管理信息系统 (management information system,mis) 它是对一个组织 ( 单位 企业或部门 ) 进行全 面管理的人和计算机相结合的系统 它是综合运用计算机技术 信息技术 管理技术和 决策技术, 与现代化的管理思想 方法和手段结合起来, 辅助管理人员进行管理和决策 的人机系统 管理信息系统作为计算机应用的重要领域, 其特点主要表现在 : 面向管理 决策, 是对一个组织管理业务进行全面管理的综合性人机系统, 是现代化管理方法与手

24 14 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 段相结合的系统, 是多学科交叉的边缘科学 信息管理最典型的应用实例是图书馆自动化管理 现在, 国内外大学图书馆都已实现了自动化管理, 几百万册图书 期刊的目录信息存储在计算机中, 成千上万的读者信息也存储在计算机中, 读者可以很方便地在任何地方检索某个图书馆的藏书情况 例如, 输入某个作者的姓名, 或者输入书名中的某个关键词, 都可以快速列出图书馆的相关图书, 并告知所需要的图书是否借出, 哪位读者正在借阅, 未借出图书放在哪个阅览室, 并同时告知读者的借书情况 现在只要连入因特网的计算机都可以快速查到牛津大学图书馆 美国国会图书馆的藏书情况 读者也可以很方便地到图书馆里借阅图书, 办理借阅图书的手续仅需几秒 如果是外地读者, 则可以通过馆际互借的方式, 去借阅异地图书馆的图书 馆际互借是指通过本地区图书馆向任何异地图书馆借阅图书, 异地图书馆也可以借阅本地区图书馆的藏书 信息管理的发展趋势 : 从信息管理走向知识管理, 从信息资源开发走向知识资源开发, 由客户机 / 服务器结构走向 Internet/Intranet( 因特网 / 内联网 ) 结构 知识管理则是信息管理的延伸和发展, 信息管理只是将各种各样的信息以一定的方式汇总 组织起来, 方便人们利用计算机进行查询和检索 然而, 如何由信息产生知识, 即如何利用数据信息获取知识 再利用知识获得最大的利润或效益, 则是知识管理的内容 知识来源于信息, 是对信息的提取 识别 分析和归纳, 因此信息管理是知识管理的基础, 知识管理则是信息管理的延伸 3. 电子商务 电子商务对人们的生活方式也产生了深远的影响 网上购物可以让人们足不出户就 能买到想要的商品, 利用网上的搜索功能还可以方便地货比多家 同时, 消费者以一种 十分轻松自由的自我服务方式来完成交易, 从而使用户对服务的满意度大幅度提高 网络具有电子化 交互化 多媒体化等特点, 它涉及工商业 电信 交通 金融 商业 科研教育 旅游等诸多领域, 并发展成涵盖广泛的高科技载体 现代信息技术逐 渐向各个行业渗透, 不仅改变了产品的生产过程, 也导致了服务过程的变化 电子商务 理论和实践的发展将现代信息技术带入服务领域 商品流通领域和产品生产领域, 使产品生产 商品流通 服务等诸多方面发生根本性变化 电子商务作为一个庞大的系统工 程, 每个行业的电子商务都是其中的一个有机组成部分 电子商务正在为社会注入新鲜血液, 谁把握了电子商务, 谁就将赢得未来市场 尽 管各行各业都在步调一致地向电子商务领域进军, 但电子商务的冲击波对行业的影响也 并非立竿见影 在电子商务的浪潮中, 一些行业将很快同它接轨, 而另外一些行业则不 会让电子商务成为主流 从行业本身的特点来看, 不同行业将分层次 分步骤地向电子 商务方向发展 4. 人工智能人工智能是使用人工的方法在机器 ( 计算机 ) 上实现的智能, 通过用计算机模拟人脑的智能行为, 如看 听 说和思维, 使机器具有类似于人的行为 当计算机出现后,

25 第 1 章计算机概述 15 人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具, 无数科学家为这个目标努力着 人工智能是研究 解释和模拟人类智能 智能行为及其规律的科学, 其主要任务是建立智能信息处理理论, 进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统 人工智能的研究领域包括知识工程 机器学习 模式识别 自然语言处理 智能机器人 神经计算等多个方面 在一些地方, 计算机帮助人们进行其他原来只属于人类的工作, 计算机以它的高速和准确为人类发挥着它的作用 人工智能最典型的应用实例当属 深蓝的智慧 1997 年 5 月 11 日早晨 4 时 50 分, 一台称为 深蓝 的超级计算机将棋盘上的一个兵走到 C4 的位置时, 人类有史以来最伟大的棋手不得不沮丧地承认自己输了 这场人机大战终于以计算机的微弱优势取胜 人工智能的基本研究内容包括机器感知 机器思维 机器学习 机器行为 智能系统及智能计算机构造技术 目前, 人工智能已经在问题求解 逻辑推理与自动定理证明 自然语言处理 自动程序设计 机器学习 专家系统 机器人 模式识别 智能决策支持系统 人工神经网络等方面有了可喜的进展 人工智能既是当前计算机的重要应用领域, 也是今后计算机发展的主要方向 人工智能应用中所要研究和解决的问题难度很大, 均是需要进行判断及推理的智能性问题, 因此人工智能是计算机在更高层次上的应用 尽管在这个领域中技术上的困难很多 ( 如知识的表示 知识的处理等 ), 但目前仍取得了一些重要成果 这样的领域包括语言处理 自动定理证明 智能数据检索系统 视觉系统 问题求解 人工智能方法和程序语言 自动程序设计等 在过去的 60 多年中, 已经建立了一些具有人工智能的计算机系统, 如能够求解微分方程的 设计分析集成电路的 合成人类自然语言的 检索情报的 诊断疾病及控制太空飞行器和水下机器人的等 5. 计算机辅助设计与制造 计算机辅助设计是利用计算机的计算 逻辑判断等功能, 帮助人们进行产品设计和 工程技术设计 在设计中, 可通过人机交互更改设计和布局, 反复迭代设计直至满意为 止 它能使设计过程逐步趋向自动化, 大大缩短了设计周期, 增强产品在市场上的竞争 力, 同时也可节省人力和物力, 降低成本, 提高产品质量 计算机辅助设计 (computer aided design,cad) 和计算机辅助制造 (computer aided manufacturing,cam) 结合起来可直 接把 CAD 设计的产品加工出来 近年来, 计算机集成制造系统 (computer integrated manufacturing system,cims) 成为制造自动化技术的前沿和方向 CIMS 是集工程设计 生产过程控制 生产经营管理为一体的高度计算机化 自动化和智能化的现代化生产大 系统, 是制造业的未来 计算机辅助系统包括计算机辅助设计 计算机辅助制造 计算机辅助测试 (computer aided testing,cat) 计算机集成制造系统 计算机辅助教育 (computer based education, CBE) 等系统 计算机辅助教育是计算机在教育领域中的应用, 包括计算机辅助教学 (computer aided instruction,cai) 计算机管理教学 (computer managed instruction,cmi) CAI 最大的特点是交互教学和个别指导, 它改变了传统的教师在讲台上讲课而学生在课堂内

26 16 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 听课的教学方式 CMI 是用计算机实现各种教学管理, 如制订教学计划 课程安排 计算机评分 日常的教务管理等 近年来迅速发展起来的远程教育更是在教学的各个环节大量使用了各种计算机系统 计算机在辅助设计与制造方面的典型应用实例就是汽车的设计与制造 从 1908 年福特的 T 型车问世开始, 全球的汽车研发设计就一直沿袭手工操作方式 最初, 设计师们是在图纸上画出十几个不同概念的原型样车草稿图, 市场决策者们从中选出最可能符合市场审美和需求的产品 然后, 设计师们将平面草图 立体化, 一个立体的由陶土做的油泥模型诞生, 车的造型立刻变得逼真直观 之后, 陶模被放到传统的风洞实验室里, 对车的整体流线造型和风阻系数做测量 最后, 进入车身 发动机 悬挂 底盘 内室等细节部分的设计 整个设计过程会耗费大量资金, 因为从陶模阶段开始, 差不多要损耗掉 25~30 个设计师们手工做出来的真实原型车, 目的是验证每项在陶模上所做的设计结果 以开发 30 万元售价的中档轿车为例, 其原型车的价值就有上千万元 CAX 技术是指一系列的计算机辅助技术, 包括 CAD CAM CAPP(computer aided process planning, 计算机辅助工艺规划 ) CAE(computer aided engineering, 计算机辅助工程 ) 等 不同的 CAD/CAM 系统, 一般有各种不同的功能要求, 但就通常用于产品设计制造的 CAD/CAM 系统来讲, 它具有计算机辅助绘图功能 几何建模功能 有限元分析功能 优化设计功能 处理数控加工信息功能和统一的数据管理功能 计算机辅助设计与制造应用前景非常广阔, 随着计算机智能化程度的提高, 这方面的应用也将给社会带来巨大的变化 1.4 计算机中信息的处理方式 基于计算机的信息处理涉及计算机硬件 软件 多媒体 网络 通信等各种技术, 下面介绍计算机信息处理的一般过程及所涉及的主要技术, 这些技术在后续章节中会进 一步阐述 计算机中所表示和使用的信息可分为 3 类 : 数值信息 文本信息和多媒体信息 数值信息用来表示量的大小 正负 文本信息用来表示一些符号 标记 多媒体信息用来表示声音 图画 影视等 各种信息在计算机内部都是用二进制编码形式表示的 数制的概念 人们在生产实践和日常生活中, 创造了多种表示数的方法, 这些数的表示规则称为 数制 例如, 人们常用的十进制, 钟表计时中使用的六十进制, 计算机中使用的二进 制等 1. 十进制数 (1) 组成 十进制数由 0~9 共 10 个数字字符组成, 如 等

27 第 1 章计算机概述 17 (2) 运算规则 加法规则是 逢十进一, 减法规则是 借一当十 任何一个十进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 = 二进制数 (1) 组成二进制数由 0 和 1 共两个数字字符组成, 如 等 (2) 运算规则加法规则是 逢二进一, 减法规则是 借一当二 计算机中采用二进制数是因为二进制数具有如下特点 1) 简单可行, 容易实现 二进制仅有两个数码 0 和 1, 所以可以用两种不同的稳定状态 ( 如有磁和无磁 高电位与低电位 ) 来表示 计算机的各组成部分都由仅有两个稳定状态的电子元器件组成, 不但容易实现, 而且稳定可靠 2) 运算规则简单 进行加法运算时 逢二进一, 即 0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0 ( 有进位 ) 进行减法运算时 借一当二, 即 0-0=0,0-1=1( 有借位 ),1-0=1,1-1=0 3) 适合逻辑运算 二进制中的 0 和 1 正好分别表示逻辑代数中的假值 (false) 和真值 (true) 二进制数代表逻辑值容易实现逻辑运算 任何一个二进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 = 但是, 二进制的明显缺点是数字冗长 书写繁复且容易出错 不便阅读 所以, 在计算机技术文献的书写中, 常用八进制数和十六进制数表示 3. 八进制数 (1) 组成八进制数由 0~7 共 8 个数字字符组成, 如 等 (2) 运算规则加法规则是 逢八进一, 减法规则是 借一当八 任何一个八进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 56.17= 十六进制数 (1) 组成十六进制数由 0~9 和 A B C D E F 共 16 个数字字符组成, 其中 A B C D E F 分别表示数码 , 如 17B 56.CE 等 (2) 运算规则加法规则是 逢十六进一, 减法规则是 借一当十六 任何一个十六进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如

28 18 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 56.CE= C E R 进制数 由以上的数制我们可以构造出任意的 R 进制数 ( 三进制 五进制等 ) (1) 组成 R 进制数由 R 个数字字符组成 (2) 运算规则 加法规则是 逢 R 进一, 减法规则是 借一当 R 任何一个具有 n 位整数和 m 位小数的 R 进制数 N 都可以写成各个位上数字的展开 形式, 如 n 1 n m n 1 n m ( N) R a R a R a R a R a R a R a R (3) 基数 一个计数制所包含数字符号的个数称为该数制的基数, 用 R 表示 例如, 十进制的基数 R=10, 二进制的基数 R=2, 八进制的基数 R=8, 十六进制的基数 R=16 为了区分不同数制的数, 本书约定对于任一 R 进制的数 N, 记做 (N) R 例如, (1010) 2 (703) 8 (AE05) 16, 分别表示二进制数 1010 八进制数 703 和十六进制数 AE05 不用括号及下标的数, 默认为十进制数, 如 256 人们也习惯在一个数的后面加 上字母 D( 十进制 ) B( 二进制 ) O( 八进制 ) H( 十六进制 ) 来表示其前面的数用 的是什么进制 例如,1010B 表示二进制数 1010,AE05H 表示十六进制数 AE05 (4) 位值 ( 权 ) 任何一个 R 进制的数都是由一串数码表示的, 其中每一位数码所表示的实际值大 小, 除数码本身的数值外, 还与它所处的位置有关, 由位置决定的值称为位值 ( 或位权 ), 用基数 R 的 i 次幂 (R i ) 表示 假设一个 R 进制数具有 n 位整数,m 位小数, 那么其位权为 R i, 其中 -m i n-1 显然, 对于任一 R 进制数, 其最右边数码的权最小, 最左边数码的权最大 应当指出, 二进制 八进制和十六进制都是计算机领域中常用的数制, 所以在一定范围内直接写出它们之间的对应表示, 也是经常遇到的 表 1-2 列出了 0~15 这 16 个十进制数与其他 3 种数制的对应表示 表 种计数制的对应表示 十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制 A B C D E F

29 第 1 章计算机概述 数制间的转换 1. 非十进制数转换成十进制数方法 : 将非十进制数的数值按权展开, 再把各项相加 例 1.1 将二进制数 转换成十进制数 ( ) 2 = = =(10.625) 10 例 1.2 将八进制数 转换成十进制数 (154.6) 8 = = =(108.75) 10 例 1.3 将十六进制数 2BA.8 转换成十进制数 2BA.8H= = =(698.5) 十进制数转换成非十进制数 方法 : 将十进制数转换成非十进制数时, 要将该数的整数部分和小数部分分别转换 其中, 整数部分采用 除基数取余数 法, 小数部分采用 乘基数取整数 法 最后将两部分拼接起来即可 除基数取余数 法的具体做法 : 将十进制数的整数部分连续地除以要转换成的数制的基数, 直到商数等于零为止 得到的余数 ( 必定小于基数 ) 就是对应非十进制数的整数部分的各位数字 但必须注意, 第一次得到的余数为非十进制数的最低位, 最后一次得到的余数为非十进制数的最高位 乘基数取整数 法的具体做法 : 将十进制数的小数部分连续地乘以要转换成的数制的基数, 直到小数部分为零, 或达到所要求的精度为止 ( 小数部分可能永不为零 ), 得到的整数就是对应非十进制数的小数部分的各位数字 但必须注意的是, 第一次得到的整数为非十进制数的最高位, 最后一次得到的整数为非十进制数的最低位 例 1.4 将十进制数 转换成二进制数 整数部分小数部分 2 57 余数 0.24 整数 低位 高位 高位 低位所以,57.24 ( ) 2

30 20 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 例 1.5 将十进制数 转换成八进制数 整数部分 小数部分 8 57 余数 0.24 整数 低位 高位 高位 所以,57.24 (71.17) 8 例 1.6 将十进制数 转换成十六进制数 整数部分 低位 小数部分 余数 0.24 整数 低位 高位 144 所以,57.24 (39.3D) 二进制数与八进制数之间的相互转换 高位 D 低位 方法 : 将二进制数转换成八进制数, 要以该二进制数的小数点为中心向左右两边每 3 位划分为一组 ( 中间的 0 不能省略 ), 两头位数不够时可以补 0, 然后将每组的 3 位二进制数转换成 1 位八进制数 将八进制数转换成二进制数的过程正好与其相反, 即将 1 位的八进制数转换成 3 位的二进制数 例 1.7 将二进制数 转换成八进制数 ( ) 2 ( 高低位各补一个 0) ( ) 8 例 1.8 将八进制数 转换成二进制数 与例 1.7 过程相反, 略 4. 二进制数与十六进制数之间的相互转换 方法 : 将二进制数转换成十六进制数, 要以该二进制数的小数点为中心向左右两边

31 第 1 章计算机概述 21 每 4 位划分为一组 ( 中间的 0 不能省略 ), 两头位数不够时可以补 0, 然后将每组的 4 位二进制数转换成 1 位十六进制数 将十六进制数转换成二进制数的过程正好与其相反, 即将 1 位的十六进制数转换成 4 位的二进制数 例 1.9 将二进制数 转换成十六进制数 ( )( 高位补一个 0, 低位补两个 0) ( 5 A D. 9 C ) 16 例 1.10 将十六进制数 5AD.9C 转换成二进制数 与例 1.9 过程相反, 略 5. 八进制数与十六进制数之间的相互转换方法 : 八进制数与十六进制数之间的转换要借助于二进制数 将八进制数转换成十六进制数时, 首先将该八进制数转换成相应的二进制数, 然后将转换后的二进制数再转换成相应的十六进制数 将十六进制数转换成八进制数时, 首先将该十六进制数转换成相应的二进制数, 然后将转换后的二进制数再转换成相应的八进制数 信息的表示方式 1. 数值信息的表示 (1) 机器数与真值在计算机中只有 0 和 1 两种形式, 为了表示数的正 负号, 也必须以 0 和 1 表示 通常把一个数的最高位定义为符号位, 用 0 表示正, 1 表示负, 称为数符, 其余位仍表示数值 把在机器内存放的正负号数码化的数称为机器数, 把机器外部由正负号表示的数称为真值数 例如, 真值数 ( ) 2, 其机器数为 , 存放在机器中, 如图 1-9 所示 图 1-9 机器数 注意 : 机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制 若字长和数据类型确定了, 机器数能表示的范围也就确定了 例如, 若表示一个整数, 字长为 8 位, 最大值为 , 最高位为符号位, 则此数的最大值为 127 若数值超出 127, 就要 溢出 为了表示较大或较小的数, 常用浮点数来表示 (2) 定点数与浮点数在机器中通常难以表示小数点, 故在机器中对小数点的位置进行了相应规定 因此, 计算机中的数值又有定点整数 定点小数和浮点数之分 1) 定点整数 它所表示的数据的最小单位为 1, 可以认为它是小数点在数值最低位

32 22 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 右面的一种数据 定点整数被分为带符号和不带符号两类 对于带符号的数, 符号位被放在最高位, 如图 1-10 所示 可以将带符号整数写成 N=±a n-1 a n-2 a 2 a 1 a 0, 其值的范围是 N 2 n -1 图 1-10 带符号的定点整数 对于不带符号的整数, 所有的 n+1 位二进制位均看成数值, 如图 1-11 所示 此数值表示的范围是 0 N 2 n+1-1 图 1-11 不带符号的定点整数 在计算机中, 一般可以使用不同位数的几种整数, 如 8 位 16 位和 32 位等 例如, 用定点整数表示十进制整数 100, 假定某计算机的定点整数占 2 字节, 因为 100= ( ) 2, 其机内表示如图 1-12 所示 图 位定点整数 注意 : 最左位的 0 与次左位的 0 意义不同, 前者表示数符, 后者表示数值 2) 定点小数 它是小数点准确固定在数据某一个位置上的小数 一般把小数点固定在最高数据位的左边, 小数点前边再设一位符号位, 如图 1-13 所示 按此规则, 任何一个小数都可以写成 N=±a -1 a -2 a -3 a -m 图 1-13 定点小数 如果在计算机中用 m+1 个二进制位表示上述小数, 则可以用最高 ( 最左 ) 一个二进制位表示符号, 而用后面的 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, 其值的范围是 N 1-2 -m 例如, 用定点数表示十进制纯小数 , 假设某计算机的定点小数占 2 字节, 那么 ( ) 2 定点小数表示法主要用在早期的计算机中 (11) 2 3) 浮点数 二进制数 可以表示为 N= = , 所以, 任何

33 第 1 章计算机概述 23 一个二进制浮点数可表示为 N=±s 2 ±j 其中,j 称为 N 的阶码,j 前面的正负号称为阶 符,s 称为 N 的尾数,s 前的正负号称为数符 在浮点数表示方法中, 小数点的位置是 浮动的, 阶码 j 可取不同的数值 为了在计算机中存放方便和提高精度, 必须用规格化形式唯一地表示一个浮点数 规格化形式规定尾数值的最高位为 1 对于上述数值 , 其规格化浮点数形式唯一 (11) 2 地表示为 一般浮点数存储格式如图 1-14 所示 图 1-14 浮点数存储格式 在浮点数表示中, 数符和阶符都各占一位, 阶码是定点整数, 阶码的位数决定了数 的范围, 尾数是定点小数, 尾数的位数决定了数的精度, 在不同字长的机器中, 浮点数 2 占的字长不同, 一般为两个或四个机器字长 例如, 二进制数 N= (11) 在机器中的表示形式如图 1-15 所示 2. 文本信息的表示 图 1-15 浮点数表示形式 (1) 西文信息的表示如前所述, 计算机中的信息都是用二进制编码表示的 用以表示文本信息的二进制 编码称为字符编码 计算机中常用的字符编码有广义二进制编码的十进制交换码 (extended binary coded decimal interchange code,ebcdic) 和美国信息交换标准代码 (American standard code for information interchange,ascii 码 ) IBM 系列大型机采用 EBCDIC 码, 微型机采用 ASCII 码 本节主要介绍 ASCII 码 标准 ASCII 码字符集见 表 1-3 ASCII 码已被国际标准化组织指定为国际标准, 它有 7 位码和 8 位码两种版本 国际通用的 7 位 ASCII 码是用 7 位二进制数表示一个字符的编码, 其编码范围为 B~ B, 共有 2 7 =128 个不同的编码值, 相应地表示 128 个不同字符的编 码 7 位 ASCII 码表见表 1-3, 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 个字符 表中每个字符都对应一个数值, 称为该字 符的 ASCII 码值, 如数字 0 的 ASCII 码值为 48(30H), 字母 A 的码值为 65(41H), a 的码值为 97(62H) 等 从表中可以看到 :128 个编码中有 34 个是控制符的编码 (00H~ 20H 7FH) 和 94 个字符编码 (21H~7EH) 计算机内部用 1 个字节 (8 位二进制位 ) 存放一个 7 位 ASCII 码, 最高位置为 0 扩展的 ASCII 码使用 8 位二进制位表示一个字符的编码, 可表示 2 8 =256 个不同字 符的编码

34 24 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 表 1-3 标准 ASCII 码字符集 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 字符 0 00 NUL SP SOH 33 21! A a 2 02 STX " B b 3 03 ETX # C c 4 04 EOT $ D d 5 05 ENQ % E e 6 06 ACK & F f 7 07 BEL ' G g 8 08 BS ( H h 9 09 HT ) I i 10 0A LF 42 2A * 74 4A J 106 6A j 11 0B VT 43 2B B K 107 6B k 12 0C FF 44 2C, 76 4C L 108 6C l 13 0D CR 45 2D D M 109 6D m 14 0E SO 46 2E. 78 4E N 110 6E n 15 0F SI 47 2F / 79 4F O 111 6F o 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 26 1A SUB 58 3A : 90 5A Z 122 7A z 27 1B ESC 59 3B ; 91 5B [ 123 7B { 28 1C FS 60 3C < 92 5C \ 124 7C 29 1D GS 61 3D = 93 5D ] 125 7D } 30 1E RS 62 3E > 94 5E ^ 126 7E ~ 31 1F US 63 3F? 95 5F _ 127 7F DEL (2) 汉字信息的表示 ASCII 码只对英文字母 数字和标点符号进行了编码 为了用计算机处理汉字, 同 样需要对汉字进行编码 从汉字编码的角度看, 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输入码 汉字内码 汉字字形码 汉字地址码及汉字信息交换码等 它们的名称可能不统一, 但它们所表示的含义和具体 的职能却是明确的 下面分别对其进行介绍 1) 汉字信息交换码 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, 简称交换码, 也称为国标码 它是为使系统 设备之间

35 第 1 章计算机概述 25 信息交换时采用统一的形式而制定的 我国 1981 年实施了国家标准 GB 信 息交换用汉字编码字符集基本集 了解交换码的下列概念, 对使用和研究汉字信息处理系统是有益的 1 常用汉字及其分级 交换码规定了进行一般汉字信息处理时所用的 7445 个字符编码, 包括 682 个非汉字图形符 ( 如序号 数字 罗马数字 英文字母 日文假名 俄文字母 汉语注音等 ) 和 6763 个汉字的代码 汉字代码中又有一级常用汉字 3755 个, 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, 二级次常用汉字按偏旁部首排列, 部首按笔画多少排序 2 2 字节存储一个交换码 由于 1 字节只能表示 256 种编码, 显然用 1 字节不可能表示汉字的交换码, 所以一个交换码必须用 2 字节来表示, 其中每字节的最高位均置 1, 以区分 ASCII 码字符 3 交换码的编码范围 为了兼容中英文,GB 标准中规定, 交换码中的所有汉字和字符的每字节的编码范围与 ASCII 码表中的 94 个字符编码相一致, 所以, 其编码范围是 2121H~7E7EH 4 区位码 类似于 ASCII 码表, 交换码也有一个交换码表 简单地说, 把 7445 个交换码放置在一个 94 行 94 列的阵列中 阵列的每一行称为汉字的一个 区, 用区号表示 ; 每一列称为一个 位, 用位号表示 显然, 区号范围是 1~94, 位号范围也是 1~ 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, 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 交换码在区位码表中的安排是 1~15 区是非汉字图形符区 ;16~55 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, 它是一种一字一码的无重码输入法, 其最大的缺点是难以记忆 2) 汉字输入码 为将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码, 也称为外码 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 例如, 用全拼输入法输入 中 字, 就要输入代码 zhong, 然后选字 汉字输入码是根据汉字的发音或字形结构等多种属性和汉字有关规则编制的, 目前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 五笔输入法等 全拼输入法和双拼输入法是根据汉字的发音进行编码的, 称为音码 ; 五笔输入法是根据汉字的字形结构进行编码的, 称为形码 ; 自然码输入法以拼音为主, 辅以字形字义进行编码, 称为音形码 可以想象, 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, 而五笔输入码是 kh 这几种不同的输入码通过输入字典转换统一到交换码之下 3) 汉字内码 汉字内码是在计算机内部对汉字进行存储 处理的汉字代码, 它应能满足存储 处理和传输的要求 当一个汉字输入计算机后就转换为内码, 然后才能在机器内传输 处理, 汉字内码的形式也多种多样 目前, 对应于交换码一个汉字的内码

36 26 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 也用 2 字节存储, 并把每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 码产生歧义性 1.5 信息技术与信息化社会 信息与信息技术 1. 信息与数据 长期以来, 人们把能源和物质材料看作人类赖以生存的两大要素 而现在, 人们已经认识到信息 物质材料和能源是构成当今世界的三大要素 信息是人们用于表示具有一定意义的符号的集合, 这些符号可以是文字 数字 图形 图像 动画 声音和光等 信息是人们对客观世界的描述, 并可传递的一些知识, 而我们熟知的数据则是信息的具体表现形式, 它是指人们看到的和听到的事实, 是各种各样的物理符号及其组合, 它反映了信息的内容 数据经过加工 处理并赋予一定意义后即可成为信息 在计算机领域中, 数据是信息在计算机内部的表现形式 数据可以在物理介质上记录或传输, 并通过外围设备被计算机接收, 经过处理而得到结果 有时信息本身是已经被数据化的, 所以数据本身也就具有了信息的含义 在计算机领域, 信息处理也称为数据处理, 信息检索 (information retrieval) 也称为数据检索 2. 信息技术 在人类社会漫长的发展过程中, 经历了 5 次信息革命 : 第一次信息革命是语言的产生, 语言是人类交流和传播信息最早的工具 ; 第二次信息革命是文字的使用, 文字能保留信息, 对人类文化的发展起到了重要的作用 ; 第三次信息革命是印刷术的发明, 其在更大范围内以更快的速度传播人类文明 ; 第四次信息革命是广播 电视 电话的使用, 其以更快的速度推动人类文明向前发展 ; 第五次信息革命是计算机与通信技术相结合的技术 信息技术的诞生 信息技术从生产力变革和智力开发两个方面推动着人类社会的进步, 对人类社会产生了比以往更深远 更有意义的影响 信息技术是指与信息的产生 获取 处理 传输 控制和利用等有关的技术 这些技术包括计算机技术 通信技术 微电子技术 传感技术 网络技术 新型元器件技术 光电子技术 人工智能技术 多媒体技术等 其中, 计算机技术 通信技术 微电子技术是它的核心技术 随着计算机的普及, 信息技术在社会各行各业中得到广泛的渗透, 显示出它强大的生命力, 它正在从根本上不断地改变着人类社会的生产和生活方式 以前, 对信息的处理多以人工的方式进行, 随着信息技术的发展, 计算机作为信息处理的工具, 在信息存储 处理 交流传播等方面起着主导作用 信息化社会 1993 年, 美国首先提出了 国家信息基础设施 的计划, 也称 信息高速公路, 从此拉开了全球信息化的序幕 作为 21 世纪信息化社会的基础工程, 信息高速公路

37 第 1 章计算机概述 27 将融合现有的计算机网络服务 电话和有线电视功能传递各种信息, 其服务范围包括教育 卫生 娱乐 科研 商业和金融等极其广阔的领域, 使人类不受时间 空间的限制, 极其容易地获取信息, 并将对全球经济及各国政治文化都带来重大而深远的影响 在世界各国政府的组织和推动下, 随着信息处理 信息传输技术的不断发展, 高速率的多媒体全球网络经济的发展不断加快, 推动世界步入信息化时代 信息化是指信息技术和信息产业在国民经济和社会各个领域的发展中发挥着主导的作用, 并且作用日益增强, 使经济运行效率 劳动生产率 企业核心竞争力和人民生活水平达到全面提高的过程 它以信息产业在国民经济中的比例 信息技术在传统产业中的应用程度和国家信息基础建设水平为主要标志 在信息化的过程中, 信息技术是信息化的主要推动力量, 信息产业从无到有 迅速壮大, 其发展速度是任何传统产业都无法比拟的 现在, 信息产业作为当今高新技术产业的主体和新生产力的代表, 将成为我国面向 21 世纪生存与发展的战略性支柱产业 信息化已成为推进国民经济和社会发展的助力器, 信息化水平则成为一个城市或地区现代化水平和综合实力的重要标志 因此, 世界各国都把加快信息化建设作为国家的发展战略 信息化给人们带来前所未有的机遇和挑战 从对信息相关概念的阐述中不难看出, 信息无论对于个人还是对于社会都具有非常重要的意义, 信息在人们的社会生活和工作中扮演着越来越重要的角色, 其具备如下特征 1. 信息化 信息化是以现代电子信息技术为前提, 从以传统工业为主的社会向以信息产业为主 的社会的发展过程 2. 网络化 网络化是信息技术发展的必然结果, 现代计算机和计算机网络技术的发展, 大大提 高了世界网络的进程 特别是人类进入 21 世纪以来, 随着 Internet 技术的发展和 信息 高速公路 的建设, 网络化的浪潮席卷了整个世界, 网络信息服务蓬勃发展 网络化必将改变人类的生活和工作方式, 进一步影响人类的思维和文化, 推动整个社会的进步 3. 全球化 全球化的内容非常广泛, 其中包括经济全球化 文化全球化等很多方面, 而全球化的过程恰恰得益于信息技术的发展和进步 4. 虚拟化 世界的全球化 网络化 信息化, 使人们感到现实世界的许多系统或实体似实还虚, 这就是虚拟化的最大特征 人与人之间的交往很大程度上要借助于网络来完成, 因此出 现了一个由 Internet 构成的虚拟现实的信息交互平台 在信息时代里, 一切竞争归根到底是人才的竞争, 要想快速发展信息产业, 在国际

38 28 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 竞争中增强实力, 就必须拥有大批优秀的信息人才, 形成信息人才的资源优势, 使信息产业发展有坚实的人才基础 信息产业是智力 人才密集型产业, 人才一直是信息产业竞争的焦点 随着信息产业的快速发展, 信息人才短缺已成为全球性的问题 如何满足信息产业对人才的需求呢? 许多国家采取长期人才培养和短期人才争夺这两种措施来获取信息人才 在这场波及全球的信息人才争夺大战中, 发达国家占尽了先机, 它们凭借雄厚的经济实力 优越的科研环境和生活条件等, 每年从发展中国家吸引大批优秀技术人才 我国在信息化建设的过程中也非常重视信息人才的培养, 目前我国计算机类的各种考试很多, 有专业性较高的计算机软件资格考试 普及面广的计算机等级考试 政策性强的专业技术人员计算机应用能力考试 操作性多的电子商务师考试 实用性强的计算机应用技术证书考试 社会性广的企业信息管理师资格认证, 以及考生数较多的计算机高新技术考试等 思考与练习 1. 计算机的发展经历了哪几个阶段? 各阶段的主要特征是什么? 2. 计算机的类型有哪些? 3. 简述计算机的应用领域 4. 什么是信息? 什么是数据? 它们之间有什么关系? 5. 什么是信息技术? 6. 信息化社会有哪些特征? 7. 计算机在信息化社会有哪些应用? 8. 计算机内部为什么要采用二进制表示数据? 9. 什么是基数? 什么是位权? 10. 简述二进制数 八进制数 十进制数及十六进制数之间相互转换的方法 11. 什么是 ASCII 码?

39 第 2 章计算机系统 随着计算机技术的飞速发展及其在社会各个领域中的广泛应用, 计算机已经成为人们工作与生活中不可缺少的重要工具之一 为了使其更好地服务于人们的工作与生活, 理解和全面掌握计算机系统的组成和工作原理十分重要, 为此本章对如下内容做了较详细的介绍 : 计算机系统结构 计算机工作原理 微型计算机硬件系统 计算机软件系统 2.1 计算机系统结构 1. 计算机系统的组成 计算机系统主要由硬件系统和软件系统两大部分组成 硬件是指能看得见 摸得着 的实际物理设备, 如通常所看到的计算机, 总会有一些机柜或机箱, 里边是各式各样的 电子元器件, 还有键盘 鼠标 显示器和打印机等, 这些都是硬件, 它们是计算机工作 的物质基础 软件是指各类程序和数据, 计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统 软件和完成用户任务所需要的应用软件 计算机系统的基本组成如图 2-1 所示 2. 冯 诺依曼计算机 计算机自诞生以来发展迅速, 现代计算机在性能指标 运算速度 工作方式 应用 领域等方面都发生了很大的变化, 但是计算机的基本结构并没有改变, 依然属于冯 诺依曼型计算机 (1) 冯 诺依曼思想 1945 年, 著名美籍匈牙利数学家冯 诺依曼提出了一个完整的通用电子计算机的方 案 方案中, 冯 诺依曼总结并提出了如下思想 1) 计算机应包括运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备等基本部件 2) 计算机内部采用二进制来表示指令和数据 每条指令一般具有一个操作码和一 个地址码 其中, 操作码表示运算性质, 地址码指出操作数在存储器中的地址

40 30 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 3) 将编写好的程序送入内存, 然后启动计算机工作, 计算机不需要操作人员干预, 能自动逐条读取指令和执行指令 图 2-1 计算机系统的基本组成 (2) 冯 诺依曼结构按照冯 诺依曼思想, 计算机的硬件由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五大部分组成 其中, 运算器和控制器一起构成了计算机的大脑, 即 CPU 采用冯 诺依曼思想的计算机结构如图 2-2 所示 图 2-2 冯 诺依曼思想的计算机结构

41 第 2 章计算机系统 31 在图 2-2 中, 双线箭头代表数据信号流向, 传输的是指令 地址 数据 ; 单线箭头代表控制信号流向, 传输的是控制器发出的控制信号 根据数据流方向可以看出, 计算机的工作流程可以分为输入 处理 输出 3 个过程 首先, 将计算机完成任务所需的程序和数据通过输入设备送入计算机内存中 ; 然后,CPU 从内存中取出指令, 通过分析后发出控制信号指挥各个部件协调处理 ; 最后, 把处理结果通过输出设备输出 下面分别介绍冯 诺依曼型计算机硬件系统各个核心部件的功能 3. 硬件系统的核心部件计算机硬件系统的核心部件包括运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 运算器和控制器合在一起称为 CPU (1)CPU CPU 是计算机中最重要的部件, 计算机中的各种运算和控制都由 CPU 完成 CPU 内部从总体上讲主要包括 3 个部分 : 运算器 控制器和寄存器, 如图 2-3 所示, 它们通过 CPU 内部总线连接在一起 图 2-3 CPU 的基本结构 1) 运算器 运算器是对数据进行加工处理的部件, 它在控制器的控制下与内存交 换数据, 负责进行算术运算 逻辑运算和其他操作 在运算器中含有用于暂时存放数据 或结果的寄存器 运算器主要由算术逻辑单元 (arithmetic logic unit,alu) 内部寄存器( 包括标志寄存器 通用寄存器或专用寄存器组 ) 及内部总线 3 部分组成, 其核心是算术逻辑单元 算术逻辑单元的基本操作包括加 减 乘 除等算术运算, 与 或 非等逻辑运算, 以 及移位 求补等操作 2) 控制器 控制器是整个计算机系统的指挥中心, 负责完成指令的分析, 指令及操作数的传送, 并根据指令的要求, 有序 有目的地向各个部件发出控制信号, 使计算机的各个部件协调一致地工作 控制器的主要功能是取指和控制指令执行 由于指令和数据都存储在内存储器中, 因此, 执行指令的第一步是从内存中读出指令, 称为取指 然后, 由控制器根据指令的 含义和控制器的状态将指令送入运算器执行 执行中要用到的操作数及最终的运算结果 也由控制器通过总线送入内存存放

42 32 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 3) 寄存器 寄存器按其字面意思可理解为用来暂时存放数据的小容量 高速度的存储部件 这里的 数据 是广义的, 它可以是参加运算的操作数或运算的结果, 存放这类数据的寄存器称为通用寄存器 ; 也可以表征计算机当前的工作状态, 存放这类数据的是专用寄存器, 如指令寄存器 状态寄存器 程序计数器等 其中, 程序计数器用来存放指令的地址, 当前指令执行完毕后, 程序计数器会自动指向下一条要执行的指令 指令寄存器存放从内存中取出的指令 现代处理器中还包含高速缓冲存储器 在计算机中, 运算器和控制器被集成在一个硅片上, 采用一定的封装形式后就是目前所见到的 CPU (2) 存储器存储器是计算机的记忆装置, 主要用来保存数据和程序, 所以存储器应具有存数和取数的功能 存数是指往存储器里 写入 数据 ; 取数是指从存储器里 读取 数据 读写操作统称对存储器的访问 1) 存储器的结构 存储器的结构可以表示为一个 n 行 m 列的矩阵, 如图 2-4 所示, 其中的每一格用于存储一位二进制数 存储器的每一行称为一个 存储单元, 每个存储单元存放一个 8 位二进制数,8 位二进制数有其固定的长度单位 字节 (Byte) 存储器容量用存储器中所含的存储单元的个数来表示, 以字节为单位, 每字节包含 8 个二进制位 (bit) 存储器容量通常以 KB MB GB TB 为单位, 它们之间的关系如下 1B=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 图 2-4 存储器结构 存储器中每个存储单元有唯一的编号, 称为存储单元地址, 地址从 0 开始顺序编 排 对存储单元进行访问时, 首先提供存储单元的地址, 然后才能存取相应存储单元 的信息 2) 地址位数与存储单元数量的关系 计算机中的数据全部是以二进制表示的, 存 储单元的地址也是二进制数 在不同的计算机中, 用于表示存储单元地址的二进制数的

43 第 2 章计算机系统 33 位数也可能不同 如果用 n 位二进制数作为地址, 就会有 2 n 个不同的地址编码, 也就可以表示 2 n 个不同的存储单元 因此, 存储单元地址的位数与存储器存储单元的数量存在关联 如果某个计算机用 32 位二进制数作为地址, 则该计算机的存储器最多可以有 2 32 个存储单元, 即 4GB (3) 输入设备输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序, 并将它们转换为计算机能够识别的形式存放在内存中 常见的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪等 (4) 输出设备输出设备用于将存放在内存中并经计算机处理的结果输出 常见的输出设备有 : 显示器 打印机 绘图仪等 输入设备与输出设备统称为输入 / 输出 (input/output,i/o) 设备 2.2 计算机的工作原理 计算机的工作过程是执行程序的过程, 程序是指令的集合 怎样组织程序, 这将涉 及计算机的体系结构问题 现在的计算机都是基于 程序存储 概念设计制造出来的 1. 指令与指令系统 (1) 指令指令是能被计算机识别并执行的二进制代码, 它规定了计算机能完成的某一种操 作 CPU 的运算器只能完成基本的算术运算 逻辑运算及移位 求补等操作, 对于比较 复杂问题的求解, 在运算前需要将其转换成若干步骤的基本操作 CPU 能执行的每一种基本操作称为一条指令, 这些指令被称为机器指令 指令的数量与类型由 CPU 决定 系统内存用于存放被执行的程序和数据, 程序由 一系列指令组成, 这些指令在内存中是有序存放的, 指令号表明了它的执行顺序 什么时候执行哪一条指令由 CPU 中的控制单元决定 数据是用户需要处理的信息, 它包括用户的具体数据和这个数据在内存系统中的地址 一条指令通常由操作码和地址码两部分组成 操作码用于指明该指令要完成操作的 类型或性质, 如取数 做加法或输出数据等 地址码用于指明操作对象的内容或所在的存储单元地址 (2) 指令系统一台计算机所有指令的集合, 称为该计算机的指令系统 不同类型的计算机, 指令 系统的指令条数有所不同 但无论哪种类型的计算机, 指令系统都应具有以下功能指令 1) 数据传送指令 将数据在内存与 CPU 之间进行传送 2) 数据处理指令 对数据进行算术 逻辑或关系运算 3) 程序控制指令 控制程序中指令的执行, 如条件转移 无条件转移 调用子程

44 34 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 序 返回 停机等 4)I/O 指令 用来实现外部设备与主机之间的数据传输 5) 其他指令 对计算机的硬件进行管理等 (3) 程序利用计算机解决问题时, 需要明确地定义解决问题的步骤, 这就需要对计算机发布一系列指令, 这些指令的集合称为程序 目前, 大部分程序采用高级语言编写, 高级语言编写的程序需要翻译成 CPU 能够执行的机器指令, 这些机器指令按照程序设定的顺序依次执行, 完成对应的一系列操作 2. 存储程序原理冯 诺依曼设计思想最重要之处在于明确提出了 程序存储 的概念, 计算机的工作原理就是基于 程序存储 思想的 下面通过一个简单的计算过程说明计算机的基本工作原理 假设要输入两个初始数据 ( 如 5 和 3), 计算它们的和并输出结果 首先, 用一种高级程序设计语言 ( 如 C 语言 ) 编写一个名为 Test.c 的源程序文件 main() {int a,b,c; scanf("%d %d",&a,&b); c=a+b; printf("%d",c); } 然后, 用 C 语言编译程序将源程序编译成目标程序 ( 文件名为 Test.obj) 最后, 连 接装配成可执行的机器语言程序, 并在内存中执行 执行时, 计算机指令依次完成如下操作 1) 从键盘读入初始数据 5 和 3, 分别存储到由名称 a 和 b 所代表的存储单元 2) 从名称 a 和 b 所代表的存储单元中读取数据 5 和 3 并相加得 8, 并将结果 8 保存 到由变量名称 c 所代表的存储单元中 3) 从由变量名称 c 所代表的存储单元中读取结果 8, 并在屏幕上显示输出 如前所述, 通常每一条指令都包含操作码和地址码两部分 设取数指令的操作码为 0010, 数字 5 存放在存储器的 0001 存储单元中, 那么第一条指令应为 其余 的指令也有类似的形式 将可执行的程序存入计算机, 计算机会记下程序的起始地址 运行这个程序时, 计 算机首先将该程序的起始地址送入指令计数器 (instruction counter,ic), 控制器按照 IC 中的地址从内存中取出指令并送入指令寄存器 (instruction register,ir) 机器分析 IR 中的操作码部分, 确定应完成什么操作, 然后由操作命令产生部件按一定顺序发出控制 信号, 控制有关部件完成规定操作 在完成一条命令的过程中, 当 IC 送出上一条指令 的地址后, 会自动将 IC 内容加 1, 准备好下一条指令的地址 这样, 计算机自动逐条读取

45 第 2 章计算机系统 35 指令 分析指令 执行指令, 直到该程序的指令全部执行完毕 程序的执行流程如图 2-5 所示 图 2-5 程序的执行流程 根据对上述程序执行流程的分析可知, 计算机的基本工作原理如下 1) 计算机自动计算或处理的过程实际上是执行预先存储在计算机里的一段程序的过程, 即计算机是由程序控制的, 程序是由人编写的, 编写程序所采用的语言可以不同 2) 计算机程序是指令的有序序列, 执行程序的过程实际上是依次逐条执行指令的过程 3) 指令的执行是由计算机硬件实现的 每一条指令的实现都经过读取指令 分析指令和执行指令 3 个步骤, 并为读取下一条指令做好准备 2.3 微型计算机硬件系统 微型计算机是日常工作和生活中最为常见的计算机, 微型计算机的硬件系统在物理上可以看作由主机和外部设备组成 目前, 微型计算机从概念结构上来说大多采用总线结构, 以总线为核心将 CPU 存储器 I/O 设备连接在一起 主机系统 在逻辑上, 微型计算机的硬件系统由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 5 大部件组成 ; 在物理上, 则包括主板 CPU 内存 外存 ( 如硬盘 光盘 ) 输入设备 ( 如键盘 鼠标 ) 和输出设备 ( 如显示器 打印机 ), 以及其他物理部件 1. 主板 主板又称系统主板, 安装在主机箱内, 图 2-6 为台式计算机主机箱内部结构, 主板

46 36 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 结构如图 2-7 所示, 其主要由线路板和上面安装的各种元器件组成 主板是微型计算机基本 重要的部件之一 主板主要包括 CPU 插槽 内存插槽 扩展插槽 各种接口 BIOS 芯片 CMOS 芯片等 有些主板还集成了显卡 声卡 网卡等适配器 图 2-6 台式计算机主机箱内部结构 图 2-7 主板 1)CPU 插槽 CPU 插槽用于固定连接 CPU 芯片 由于集成化程度和制造工艺的不断提高, 越来越多的功能被集成到 CPU 上 不同品牌和类型的 CPU 采用不同的接口, 目前主流的 CPU 接口类型有 Socket 和 LGA 等 2) 内存插槽 主板给内存预留的专用插槽, 主板所支持的内存种类和数量都由内存插槽来决定 只要购买所需数量并与内存插槽类型匹配的内存条, 就可以实现扩充内存和即插即用 184 针和 240 针的 DIMM(dual inline memory modules, 双列直插式存储模块 ) 是目前较常见的一种内存插槽 图 2-8 所示为 DDR3(double data rate, 双数据速率 ) 240 针内存 DDR3 是目前主流的内存类型 图 2-8 内存条 3) 扩展插槽 扩展插槽上面可以插入许多标准选件, 如显卡 声卡 网卡等, 以

47 第 2 章计算机系统 37 扩展微型计算机的各种功能 任何插卡插入扩展插槽后, 都可以通过系统总线与 CPU 连接, 在操作系统的支持下实现即插即用 目前, 扩展插槽主要有 PCI(peripheral component interconnect, 外部设备互连 ) 插槽和 PCI-E(PCI express) 插槽 PCI 插槽可插接显卡 声卡 网卡 内置调制解调器 USB 2.0 卡 电视卡 视频采集卡, 以及其他种类繁多的扩展卡 目前,PCI-E 插槽已经全面替换了上一代的 PCI 和 AGP(accelerated graphics port, 加速图形端口 ) 插槽, 它的主要优势就是数据传输速率高, 能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求 4)BIOS 芯片 BIOS 芯片即基本 I/O 系统, 是主板的核心, 它保存着计算机系统中的基本 I/O 程序 系统信息设置 自检程序和系统启动自举程序 BIOS 负责从计算机开始加电到完成操作系统引导之前的各个部件和接口的检测及运行管理 现在主板的 BIOS 还具有电源管理 CPU 参数调整 系统监控 病毒防护等功能 常见的 BIOS 芯片有 AWARD AMI 等 5)SATA 接口 SATA 是存储器接口, 主要连接硬盘和光盘驱动器 目前,SATA 已经取代传统的 IDE(integrated device electronics, 集成设备电子部件 ), 成为主流的接口 6) 外部接口 接口是指计算机系统中, 在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路 接口的功能是在各个组成部件之间进行数据交换 主机与外部设备之间的外部接口称为 I/O 接口, 如图 2-9 所示 图 2-9 外部接口 1 视频接口 VGA DVI 和 HDMI 都是视频接口, 用于连接显示器 VGA 用于传输模拟信号,DVI 和 HDMI 用于传输数字信号 2 USB(universal serial bus, 通用串行总线 ) 接口 它是一种即插即用型接口, 用于连接各种外部设备 USB 接口使用灵活方便, 被广泛地应用于 PC 和移动设备等信息通信产品 3 网络接口 典型的网络接口是 RJ-45 以太网接口, 用于连接局域网或 Internet (ISDN ADSL 等 ), 传输速率为 10Mb/s 100Mb/s 或 1000Mb/s, 网络接口可以自适应网络设备的速度 4 键盘 / 鼠标接口 键盘 / 鼠标接口又称 PS2 接口, 用于连接键盘和鼠标 采用颜色

48 38 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 标示, 紫色或蓝色用于连接键盘, 绿色用于连接鼠标 5 串行接口和并行接口 传统的 COM 串行接口主要用于连接鼠标 外置调制解调器等外部设备 并行接口主要用于连接打印机等设备 目前, 这两个接口的功能已经基本被 USB 接口所取代 2.CPU CPU 是微型计算机系统的核心部件, 负责计算机系统中数值运算 逻辑判断 控制分析等核心工作 CPU 性能的高低直接影响微型计算机的性能 CPU 的内部结构可以分为运算器 控制器和寄存器 图 2-10 所示为 Intel 公司的酷睿 i7 系列 CPU 为了提高 CPU 的性能, 多核技术和超线程技术越来越多地应用在不同类型的 CPU 芯片中 多核指的是在一个处理器中集成两个或多个完整的计算内核 在仅支持单 CPU 的主板上, 使用多核 CPU 可以明显提升运算速度 超线程技术就是利用特殊的硬件指令, 把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片, 让单个处理器都能使用线程级并行计算, 进而兼容多线程操作系统和软件, 图 2-10 Intel 公司的酷睿 i7 系列 CPU 减少了 CPU 的闲置时间, 提高了 CPU 的运行效率 存储系统 计算机技术的发展, 使存储器的地位不断得到提升, 系统由最初的以运算器为核心 逐渐转变为以存储器为核心 这就对存储器技术提出了更高的要求, 不仅要使每一类存 储器具有更高的性能, 还希望通过硬件 软件或软硬件结合的方式将不同类型的存储器 组合在一起, 从而获得更高的性价比 这就是存储系统, 它和存储器是两个不同的概念 1. 存储系统的分类 现代微型计算机的存储系统如图 2-11 所示, 整个系统可分为 5 个层次 : 通用寄存器组 高速缓冲存储器 主存储器 联机外存储器 脱机外存储器 其中, 最上一层是位 于微处理器内部的通用寄存器组, 用于暂存中间运算结果及特征信息 严格地讲, 最上 一层应该不属于存储器的范畴 第二层是高速缓冲存储器, 在目前的微机系统中, 高速 缓冲存储器通常有两级, 都集成在微处理器芯片内部 在图 2-11 所示的存储系统中, 由 上到下容量越来越大, 速度越来越慢 常见的存储系统有两类 : 一类是由内存和高速缓冲存储器构成的高速缓冲存储系 统 ; 另一类是由内存和磁盘存储器构成的虚拟存储系统 前者的主要目的是提高存储器 的速度, 后者则主要是为了增加存储器的存储容量 高速缓冲存储器一般由高速静态存储器组成, 存取周期一般在几纳秒以下, 存储容 量在几百千字节至几兆字节之间, 价格较高 内存一般由动态存储器组成, 存储周期为 几十纳秒, 存储容量一般为几百兆字节, 价格比高速缓冲存储器相对便宜

49 第 2 章计算机系统 39 图 2-11 现代微型计算机的存储系统 虚拟存储系统由主存与外存 ( 一般为磁盘存储器 ) 构成 虚拟存储系统在操作系统的支持下将内存和外存看作一个整体, 用软硬件相结合的方法进行管理, 使程序员能够对内存 外存统一编址, 这就形成一个很大的地址空间, 称为虚拟地址空间, 它比实际内存的存储容量大得多 2. 外存 外存虽然也安装在主机箱中, 但它属于外部设备的范畴 原因是它与 CPU 之间不能直接进行信息交换, 而必须通过一个中间环节 接口电路进行 CPU 只能直接访问内存中的数据, 外存中的数据需要先载入内存, 才能被 CPU 访问和处理, 因此外存也称为辅存 外存的主要特点是存储容量大, 存取速度相对内存要慢很多, 但存储的信息很稳定, 无须电源支撑, 系统关机后信息依然保存 根据介质能否更换, 外存可分为联机外存和脱机外存两类 联机外存主要指硬盘, 脱机外存指光盘 移动硬盘等 (1) 硬盘 硬盘是计算机最主要的存储设备, 微型计算机安装的硬盘大多属于温彻斯特硬盘, 简称 温盘 硬盘是由一个或多个铝制或玻璃制的碟片组成, 碟片外覆盖铁磁性材料, 利用磁性粒子来记录 0 和 1 硬盘内部的物理结构如图 2-12 所示, 主要由固定盘片和可 移动磁头组 ( 磁头可以在磁盘径向移动 ) 组成 其结构如图 2-13 所示 图 2-12 硬盘内部的物理结构

50 40 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 图 2-13 硬盘结构 温彻斯特硬盘的主要特点是将盘片 磁头 电动机驱动部件乃至读 / 写电路等做成一个不可随意拆卸的整体, 并密封起来, 所以防尘性好 可靠性高, 对环境要求不高 硬盘有很大的存储容量, 在微型计算机中常以 GB 或 TB 为单位 早期的 IDE 硬盘接口为 ATA 接口, 它是并行的 2001 年,SATA 1.0 规范发表,SATA 采用串行方式传送数据,SATA 接口不仅大大提高了数据传输率, 还提高了数据传输的可靠性 SATA 接口具有结构简单 支持热插拔的优点 SATA 接口技术仍在不断发展, 图 2-14 为 SATA 硬盘接口 (2) 光盘 光盘是用光学的方式进行信息读写的辅助存储器, 呈 圆盘状, 与磁盘类似, 需要有光盘驱动器配合使用 根据性能的不同, 可将光盘分为 3 类, 不同种类的光 盘, 存取原理也有所不同 第 1 类是只读光盘 与 ROM(read only memory, 只读存储器 ) 类似, 光盘中的数据是由生产厂家预先写入的, 图 2-14 SATA 硬盘接口用户只能读取而无法修改其中的数据 第 2 类是一次性写入光盘 用户可以将数据写入这类光盘, 但只能写入一次 一旦 写入, 可多次读取 第 3 类是可擦除型光盘, 其存储功能与磁盘相似, 用户可以对其进行多次读 / 写 对于只读光盘, 盘上有一层可塑材料 写入数据时, 用高能激光束照射光盘片, 在 可塑层上灼出极小的坑, 并以小坑的有无表示 0 和 1 当数据全部写入光盘之后,

51 第 2 章计算机系统 41 再往可塑层上喷镀一层金属, 之后便再也不能写入了 读取时, 用低能激光束入射光盘, 利用盘表面上的小坑和平面处的不同反射来区分 0 和 1 图 2-15 所示为只读光盘的数据存放方式 光盘的中心是导入区, 显示数据开始记录的位置 然后是目录区, 它记载了文档目录及结构的信息 光盘的数据区紧接着目录区, 由中心向外以螺旋状方式放置 一旦数据记录完毕, 只读光盘压制器就会在其数据圈外加上一个导出区数据轨, 结束数据的读写操作 当要读取数据时, 激光读取头会从中心往外移动 首先在目录区中找到文档的位置, 然后以正确的距离搜寻指定的文档数据 (3) 闪存盘闪存盘俗称 U 盘, 是一种半导体移动存储设备, 可用于存储任何格式的数据文件, 可以在计算机之间方便地交换数据 闪存盘采用闪存存储介质和 USB 接口, 具有轻巧精致 使用方便 便于携带 容量较大 安全可靠等特征 闪存盘由于采用 USB 接口, 读写速度较快 闪存盘的外观如图 2-16 所示 图 2-15 只读光盘的数据存放方式 图 2-16 闪存盘的外观 目前, 大部分操作系统支持闪存盘的即插即用, 不需要另外安装驱动程序 (4) 移动硬盘 移动硬盘以硬盘为存储介质, 强调便携性 移动硬盘大多采用硅氧盘片, 这是一种比铝 磁更为坚固耐用的盘片材质, 并且具有更大的存储容量和更好的可靠性 移动硬 盘以高速 大容量 轻巧便携等优点赢得了许多用户的青睐 移动硬盘大多采用 USB IEEE 1394 接口, 能以较快的速度与系统进行数据传输 I/O 系统 1. 输入设备 输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程, 所使用的设备 称为输入设备 现在的输入设备种类很多, 这里只介绍最常用的键盘和鼠标 (1) 键盘 键盘是计算机最常用的一种输入设备, 它实际上是组装在一起的一组按键矩阵, 当

52 42 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 按下一个键时就产生与该键对应的二进制代码, 并通过接口送入计算机, 同时将按键字符显示在屏幕上 目前, 计算机中常用的 104 键盘如图 2-17 所示 图 键盘 除标准键盘外, 还有各类专用键盘, 它们是专门为某种特殊应用而设计的 例如, 银行计算机管理系统中供储户使用的键盘, 按键数目不多, 只是为了输入储户标识码 口令和选择操作之用 (2) 鼠标鼠标是常用的输入设备, 如图 2-18 所示 鼠标按连接方式可以分为有线鼠标和无线鼠标, 传统的有线鼠标采用 PS/2 接口, 目前多采用 USB 接口 鼠标还可以按其工作 原理及其内部结构的不同分为普通光电鼠标 激光鼠标 蓝影 鼠标等 2. 输出设备 输出设备的任务是将信息传送到 CPU 之外的介质上, 即将 存放在内存中的结果输出 下面介绍显示器和打印机等常用输图 2-18 鼠标出设备 (1) 显示器 显示器也称监视器, 如图 2-19 所示, 是最常用的输出设备, 也是人机交互必不可 少的设备 显示器用于计算机或终端, 可显示多种不同的信息 图 2-19 显示器

53 第 2 章计算机系统 43 1) 显示器的分类 可用于计算机的显示器有许多种, 可分为阴极射线管 (cathode ray tube,crt) 显示器 液晶显示器 (liquid crystal displayer,lcd) 和发光二极管 (light emitting diode,led) 显示器, 阴极射线管显示器已经逐步被淘汰 液晶显示器和发光二极管显示器为平板式, 体积小 质量小 功耗少, 是目前常见的显示器类型 2) 显示器的主要特性 在选择和使用显示器时, 应该了解显示器的主要特性 1 分辨率 屏幕上图像的分辨率或者说清晰度取决于能在屏幕上独立显示的点的直径, 这种独立显示的点称为像素 目前, 微型计算机上广泛使用的监视器的像素直径为 0.28mm 一般来讲, 相同的显示面积中像素越多, 分辨率越高, 性能也就越好 整个屏幕上像素的数目 ( 列 行 ) 也间接反映了分辨率 目前, 常见的显示器的分辨率是 像素 2 灰度 光点亮度的深浅变化层次, 可以用颜色表示 灰度和分辨率决定了显示图像的质量 3 尺寸 显示器有 14in(1in=2.54cm) 15in 17in 19in 和 21in 每屏显示的字数虽然没有成熟的标准, 但通常都是每行 80 个字符, 每屏最多 25 行, 其中第 25 行用于显示计算机状态或其他信息而不是数据行 3) 显卡 显卡又称显示适配器, 连接在主板上, 它将计算机系统的数字信号转换成模拟信号让显示器显示出来 ; 同时, 显卡还具有图像处理能力, 可协助 CPU 工作, 提高整体的运行速度 显卡分为集成显卡和独立显卡 集成显卡是将显示芯片 显存及其相关电路都集成在主板上, 成本较低, 但其显示效果与性能也相对较弱, 且固化在主板上, 不能单独更换 独立显卡是指将显示芯片 显存及其相关电路单独做在一块电路板上, 自成一体而 作为一块独立的板卡存在, 它需占用主板的扩展插槽 独立显卡具有独立显存 不占用 系统内存的特点, 在性能上优于集成显卡, 也更容易进行显卡的硬件升级, 但其功耗较 大 成本较高 常用的显卡有 CGA EGA VGA AVGA 等 (2) 打印机 打印机用于将计算机系统处理的结果打印在特定的介质上 按打印机印字过程所采用的方式, 可将打印机分为击打式打印机和非击打式打印机 两种 击打式打印机利用机械动作将印字活字压向打印纸和色带进行印字 由于击打式 打印机依靠机械动作实现印字, 工作速度不高, 并且工作时噪声较大 非击打式打印机 种类繁多, 有静电式打印机 热敏式打印机 喷墨式打印机和激光式打印机等, 打字过 程无机械击打动作, 速度快 无噪声 按字符形成过程的不同, 可将打印机分为全字符式打印机和点阵式打印机 全字符 式打印机的一个字符通过一次击打形成 点阵式打印机的字符以点阵形式出现, 所以 可以打印特殊字符 ( 如汉字 ) 和图形 击打式打印机有全字符式打印机和点阵式打印 机之分, 但非击打式打印机一般皆为点阵式打印机, 印字质量的高低取决于组成字符 的点数 按工作方式的不同, 打印机又可分为串行打印机和行式打印机 串行打印机是逐字

54 44 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 打印成行的 行式打印机则是一次输出一行, 故比串行打印机要快 此外, 还有具有彩色印刷效果的彩色打印机 目前, 使用较多的是击打式点阵打印机 喷墨打印机和激光打印机 1) 击打式点阵打印机 击打式点阵打印机如图 2-20 所示, 是利用打印针按字符的点阵打印出字符, 每个字符可由 m n 列的点阵组成, 其打印过程如图 2-21 所示 击打式点阵打印机常以打印头的针数来命名, 常用的有 9 针 24 针点阵打印机,24 针点阵打印机可以打印出质量较高的汉字, 是目前使用较多的点阵打印机 图 2-20 击打式点阵打印机 图 2-21 点阵字符 P 的打印过程 击打式点阵打印机通过将打印针弹出撞击色带到纸张上的方式打印图形, 它一般应用于办公场合打印票据 单据等, 较少在家庭中应用 击打式点阵打印机的优点是可以打印多联复写纸, 对纸张厚度的要求较低, 维护简单 ; 缺点是打印速度慢, 打印时有较刺耳的声音, 打印精度也较低, 使用范围较窄 2) 喷墨打印机 喷墨打印机属于非击打式打印机, 如图 2-22 所示 工作时, 喷嘴向打印纸不断喷出带电的墨水雾点, 当它们穿过两个带电的偏转板时接受控制, 然后落 在打印纸的指定位置上, 形成正确的字符 喷墨打印机可打印高质量的文本和图形, 还 能彩色打印, 而且噪声很低 但喷墨打印机常要更换墨盒, 这就增加了日常消费 3) 激光打印机 激光打印机也属非击打式打印机, 如图 2-23 所示, 其工作原理 与复印机相似, 涉及光学 电磁 化学等方面的知识 简单来说, 它将来自计算机的 数据转换成光, 射向一个充有正电旋转的鼓上 鼓上被照射的部分便带上负电, 并能 吸引带色粉末 鼓与纸接触再把粉末印在纸上, 并在一定压力和温度的作用下熔结在纸的表面 图 2-22 喷墨打印机 图 2-23 激光打印机 激光打印机的打印速度快 印字质量高, 常用来打印正式公文及图表

55 第 2 章计算机系统 驱动程序 随着各种类型的外部设备不断涌现, 为了保证计算机系统能够识别这些硬件设备, 并保证它们的正常运行, 往往需要安装外部设备的驱动程序 驱动程序是指添加到操作系统中的一小段代码, 其中包含有关硬件设备的信息 有了此信息, 计算机就可以与设备进行通信 驱动程序是硬件厂商根据操作系统编写的配置文件, 可以说没有驱动程序, 计算机中的硬件就无法工作 正因为这个原因, 驱动程序在系统中所占的地位十分重要, 一般当操作系统安装完毕后, 首要的就是安装硬件设备的驱动程序 大多数情况下, 并不需要安装所有硬件设备的驱动程序, 如硬盘 显示器 光盘驱动器等就不需要安装驱动程序, 而显卡 声卡 网卡 打印机等则需要安装驱动程序 操作系统不同, 硬件的驱动程序也不同, 各个硬件厂商为了保证硬件的兼容性及增强硬件的功能会不断地升级驱动程序 驱动程序一般可以分为以下几类 (1) 正式版驱动程序官方正式版驱动程序是指按照芯片厂商的设计研发出来的 通过官方渠道发布出来的正式版驱动程序, 又名公版驱动 通常, 官方正式版驱动程序的发布方式包括官方网站发布及硬件产品附带光盘两种方式 稳定性 兼容性好是官方正式版驱动程序最大的优点 (2) 系统内置的通用驱动程序一般情况下,Windows 能够自动识别并安装绝大多数硬件设备的驱动程序, 这些驱动程序是硬件厂商提供的并通过了微软的 WHQL 兼容性测试, 可以保证与 Windows 的最大兼容性 (3) 第三方驱动程序第三方驱动程序一般是指硬件产品 OEM 厂商发布的基于官方驱动优化而成的驱动程序 第三方驱动程序拥有稳定性 兼容性好, 基于官方正式版驱动优化并比官方正式版拥有更加完善的功能和更加强劲的整体性能的特性 (4) 测试版驱动程序 Beta 测试版驱动程序是指处于测试阶段, 还没有正式发布的驱动程序 这样的驱动程序往往具有稳定性不够 与系统的兼容性不够等问题 微型计算机的总线结构 计算机系统各个部件之间及部件内部要进行数据传输, 必须进行有效的连接 目前, 各种微型计算机从概念结构上来说都是由微处理器 存储器 I/O 接口及连接它们的总线组成的 微型计算机的总线结构如图 2-24 所示 图 2-24 微型计算机的总线结构

56 46 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 1. 总线总线由一组导线和相关控制电路组成, 是各种公共信号线的集合, 用于微型计算机系统各部件之间的信息传递 通常将用于主机系统内部信息传递的总线称为内部总线, 将连接主机和外部设备之间的总线称为外部总线 从传送信息的类型上来说, 这两类总线都包括用于传送数据的数据总线 (data bus,db) 用于传送地址信息的地址总线 (address bus,ab) 和用于传送控制信息的控制总线 (control bus,cb) (1) 数据总线数据总线用来传输数据信息, 是双向总线,CPU 既可以通过 DB 从内存或输入设备输入数据, 又可以通过 DB 将内部数据送至内存或输出设备 DB 的宽度决定了数据的传送速度 (2) 地址总线地址总线用于传送 CPU 发出的地址信息, 是单向总线 传送地址信息的目的是指明与 CPU 交换信息的内存单元或 I/O 设备单元 AB 的宽度决定了存储器容量, 即 CPU 可以直接寻址的内存单元的范围, 如果 AB 是 32 位, 则可寻址的内存空间为 2 32 B, 即 4GB (3) 控制总线控制总线用来传送控制信号 时序信号 状态信息等 其中, 有的是 CPU 向内存和外部设备发出的信息, 有的则是内存或外部设备向 CPU 发出的信息 可见,CB 中每根线的方向是一定的 单向的, 但 CB 作为一个整体是双向的 2.I/O 接口 在图 2-24 中, 外部设备并不是直接与 CPU 相连, 而是每个外部设备都有着与其对 应的 I/O 接口,I/O 接口直接连接在总线上, 接口在这里起着主机与外部设备之间数据 通信的桥梁作用 外部设备的种类多种多样, 由于速度匹配 信号电平和驱动能力 信 号形式匹配 信息格式 时序匹配等问题, 外部设备与微处理器或内存之间不能直接进 行信息交换, 而必须通过 I/O 接口来进行 接口的种类很多, 按照所连接设备的位置, 可以分为外部接口和内部接口 外部接口包括显示器接口 网络接口 USB 接口 键盘接口和鼠标接口 串行接口和并行接口 ; 内部接口主要指用于连接硬盘和光盘驱动器的 SATA 接口 微型计算机的性能指标 计算机的性能涉及体系结构 软硬件配置 指令系统等多种因素 一般来说, 主要 有下列技术指标 1. 字长 字长是 CPU 一次能同时处理二进制数据的位数 字长的大小直接反映了计算机的 数据处理能力 字长越长,CPU 可同时处理的二进制位数就越多, 计算机的运算精度就 越高, 数据处理能力就越强 早期的微型计算机字长有 8 位 16 位 32 位, 目前微型

57 第 2 章计算机系统 47 计算机的字长已达到了 64 位 2. 运算速度通常所说的计算机运算速度 ( 平均运算速度 ) 是指计算机每秒所能执行的指令条数, 一般用百万条指令每秒 (million instructions per second,mips) 来表示 这个指标能更直观地反映机器的速度 3. 时钟频率 ( 主频 ) 时钟频率 ( 主频 ) 是指 CPU 内核工作的时钟频率 它的高低在一定程度上决定了计算机速度的高低 CPU 的主频以兆赫兹 (MHz) 千兆赫兹(GHz) 为单位 一般来说, 主频越高, 速度越快 由于 CPU 发展迅速, 微型计算机的主频也在不断提高 4. 存储容量存储容量包括内存容量和外存容量 内存容量反映了内存存储数据的能力 存储容量越大, 其处理数据的范围就越广, 并且运算速度一般也快 尤其是当前计算机应用多涉及图像信息处理, 要求存储容量会越来越大, 没有足够大的内存容量就无法运行某些软件 外存容量反映计算机外存所能容纳信息的能力, 所以这是标志计算机处理信息能力强弱的又一项技术指标 微型计算机的外存容量一般指其硬盘 光盘所能容纳的信息量 5. 外部设备配置 微型计算机作为一个系统, 外部设备的性能也对其有直接影响 例如, 磁盘驱动器 的配置 硬盘的接口类型与容量 显示器的分辨率 打印机的型号与速度等 6. 软件配置 软件也是微型计算机系统不可缺少的重要组成部分, 其配置是否齐全直接关系到计 算机性能的好坏和效率的高低 例如, 是否有功能强 操作简单, 又能满足应用要求的操作系统和高级语言 ; 是否有丰富的应用软件等, 这些都是在购置计算机系统时需要考 虑的 7. 系统的兼容性 系统的兼容性一般包括硬件的兼容 数据和文件的兼容 系统程序和应用程序的兼 容 硬件和软件的兼容等 对于用户而言, 兼容性越好, 越便于硬件和软件的维护和使 用 ; 对于计算机而言, 更有利于计算机的普及和推广 8. 系统的可靠性和可维护性 系统的可靠性是指软 硬件系统在正常条件下不发生故障或失效的概率, 一般用平 均无故障工作时间 (mean time between failures,mtbf) 来衡量 系统的可维护性是指

58 48 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 系统出了故障能否尽快恢复, 一般用平均修复时间 (mean time to repair,mttr) 来衡量 9. 性能价格比性能一般是指计算机的综合性能, 包括硬件 软件等方面 ; 价格是指购买整个计算机系统的价格, 包括硬件和软件的价格 购买时, 应该从性能 价格两方面来考虑, 性能价格比越高越好 此外, 评价计算机的性能时, 还要兼顾多媒体处理能力 网络功能 信息处理能力 部件的可升级扩充能力等因素 2.4 计算机软件系统 软件是用于指挥计算机工作的程序与程序运行时所需要的数据, 以及与这些程序和数据有关的说明文档资料 软件分为系统软件和应用软件两大类 软件系统是计算机上可运行的全部程序的总和 只有通过软件系统的支持, 计算机硬件系统才能向用户呈现强大的功能和友好的使用界面 系统软件系统软件是管理 监控和维护计算机资源的软件, 它用来扩大计算机的功能, 提高计算机的工作效率, 方便用户使用计算机 它包括操作系统 程序设计语言 语言处理程序 数据库管理系统 系统辅助处理程序等 1. 操作系统 在计算机软件中最重要且最基本的就是操作系统 它是最底层的软件, 它控制所有 在计算机上运行的程序并管理整个计算机的资源, 是连接计算机裸机与应用程序及用户的桥梁 没有操作系统, 用户就无法使用各种软件或程序 操作系统是计算机系统的控制和管理中心, 从资源管理的角度来看, 它具有处理机 存储器管理 设备管理 文件管理等功能 操作系统按其提供的功能可分为批处理系统 分时操作系统 实时操作系统 网络操作系统等 目前, 微型计算机中常见的操作系统有 Windows UNIX Linux 等 2. 程序设计语言计算机解题的一般过程 : 首先用户用计算机语言编写程序, 输入计算机 ; 然后由计算机将其翻译成机器语言, 在计算机上运行后输出结果 程序设计语言的发展经历了 5 代, 即机器语言 汇编语言 高级语言 非过程化语言和智能化语言 1) 机器语言 第一代语言, 是一种面向机器的语言 机器语言是用 0 和 1 的代码 序列描述指令和数据, 指令形式是二进制形式, 是计算机唯一能够识别和执行的形式 使用机器语言编写程序十分复杂, 要求使用者熟悉计算机的所有细节, 尤其是硬件, 所

59 第 2 章计算机系统 49 以一般的工程技术人员很难掌握 其优点是执行效率高 速度快 但其直观性差, 可读性不强, 给计算机的推广使用带来了极大的困难 2) 汇编语言 第二代语言, 是符号化的机器语言, 它用助记符来表示指令中的操作码和操作数的指令系统, 它比机器语言前进了一步, 助记符比较容易记忆, 可读性也好 但是汇编语言也是面向机器的, 对机器的依赖性特别强, 编制程序的效率不高 难度较大 维护较困难, 属于低级语言 3) 高级语言 第三代语言, 是接近人类自然语言和数学语言的语言 其特点是与计算机的指令系统无关 它从根本上摆脱了语言对机器的依赖, 使之独立于机器, 用户不必了解计算机的内部结构, 只需要把解决问题的执行步骤通过程序设计语言输入计算机即可 由于高级语言易学易记, 便于书写和维护, 因此提高了程序设计效率和可靠性 目前, 广泛使用的高级语言有几百种, 如 Python 语言 C 语言等 4) 非过程化语言 第四代语言, 使用这种语言不必关心问题的解法和处理过程的描述, 只需说明所要完成的工作目标和工作条件, 就能得到所要的结果, 而其他的工作都由系统来完成 因此, 它比第三代语言具有更多的优越性 如果说第三代语言要求人们告诉计算机怎么做, 那么第四代语言只要求人们告诉计算机做什么, 如 SQL 语言等 5) 智能化语言 第五代语言, 它除具有第四代语言的基本特征外, 还具有一定的智能性, 如 Prolog 语言就是第五代语言的代表 它主要应用于抽象问题求解 数据逻辑 自然语言理解 专家系统和人工智能等领域 3. 语言处理程序 前面曾经说到计算机只能直接识别和执行机器语言, 因此要在计算机上运行高级语 言程序就必须配备程序语言翻译程序 ( 以下简称 翻译程序 ) 翻译程序本身是一组程 序, 不同的高级语言都有相应的翻译程序 对于高级语言来说, 翻译的方法有以下两种 一种称为 解释 早期的 Basic 源程序的执行都采用这种方式 它调用计算机配备 的 Basic 解释程序, 在运行 Basic 源程序时, 逐条把 Basic 的源程序语句进行解释和执行, 它不保留目标程序代码, 即不产生可执行文件 这种方式速度较慢, 每次运行都 要经过 解释, 边解释边执行 其执行的过程如图 2-25 所示 图 2-25 源程序解释执行的过程 另一种称为 编译 它调用相应语言的编译程序, 把源程序变成目标程序 ( 以.obj 为扩展名 ), 然后用连接程序, 把目标程序与库文件相连接形成可执行文件 尽管编译 的过程复杂一些, 但它形成的可执行文件 ( 以.exe 为扩展名 ) 可反复执行, 速度较快, 图 2-26 所示为编译的过程

60 50 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 图 2-26 源程序编译执行的过程对源程序进行解释和编译任务的程序, 分别称为解释程序和编译程序 例如, Fortran Pascal C 等高级语言, 使用时需有相应的编译程序 ;Basic Lisp 等高级语言, 使用时需用相应的解释程序 总之, 编译程序和解释程序都属于语言处理系统 4. 数据库管理系统数据库管理系统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 目前, 常见的数据库管理系统有 Oracle Sybase SQL Server MySQL 和 Access 等 5. 系统辅助处理程序 系统辅助处理程序也称为软件研制开发工具 支持软件 软件工具, 主要有编辑程 序 调试程序 装配和连接程序 调试程序 应用软件 应用软件也可以分为两类 : 第一类是针对某个应用领域的具体问题而开发的程序, 它具有很强的实用性 专业性 这类软件可以由计算机专业公司开发, 也可以由企业人 员自行开发 这些专用软件的应用使计算机日益渗透到社会的各个行业 但是, 这类应用软件使用范围小, 导致开发成本过高, 通用性不强, 软件的升级和维护有很大的依 赖性 第二类是一些大型专业软件公司开发的通用应用软件, 这类软件功能非常强大, 适用性非常好, 应用也非常广泛 这类应用软件的优点是销售量大, 相对于第一类应用 软件而言, 价格便宜很多 ; 使用人员较多, 便于相互交换文档 这类应用软件的缺点是 专用性不强, 对于某些有特殊要求的用户不适用 常用的通用应用软件有以下几类 1. 办公自动化软件 应用较为广泛的办公自动化软件有 Microsoft 公司开发的 Office 软件, 它由几个软 件组成, 如文字处理软件 (Word) 电子表格软件 (Excel) 等 国内优秀的办公自动化 软件有 WPS 等 IBM 公司的 Lotus 也是一套非常优秀的办公自动化软件

61 第 2 章计算机系统 多媒体应用软件多媒体应用软件有图像处理软件 (Photoshop) 动画设计软件(Flash) 音频处理软件 (Cool Edit) 视频处理软件(Premiere) 多媒体创作软件(Authorware) 等 3. 辅助设计软件辅助设计软件有机械 建筑辅助设计软件 (Auto CAD), 网络拓扑设计软件 (Visio), 电子电路辅助设计软件 (Protel) 等 4. 企业应用软件企业应用软件有用友财务管理软件等 5. 网络应用软件网络应用软件有网页浏览器软件 (IE) 即时通信软件(QQ) 网络文件下载软件 (FlashFXP) 等 6. 安全防护软件安全防护软件有瑞星杀毒软件 360 防护软件等 7. 系统工具软件 系统工具软件有文件压缩与解压缩软件 (WinRAR) 数据恢复软件 (EasyRecovery) 系统优化软件 (Windows 优化大师 ) 磁盘复制软件(Ghost) 等 8. 娱乐休闲软件娱乐休闲软件有各种游戏软件 电子杂志 图片 音频 视频等 计算机用户 硬件系统与软件系统的关系总结起来, 硬件结构是计算机系统看得见摸得着的功能部件的组合, 而软件系统是 计算机系统的各种程序的集合 计算机系统由硬件系统和软件系统组成, 二者缺一不可 软件系统由系统软件和应用软件组成 系统软件是人与计算机进行信息交换 通信对话 按人的思想对计算机进行控制和管理的工具 操作系统是系统软件的核心, 在每个计算 机系统中是必不可少的 其他的系统软件, 如语言处理系统, 可根据不同用户的需要配 制不同程序的语言编译系统 不同的用户应用领域可以配置不同的应用软件 计算机如果没有软件的支持 ( 即在没有装入任何程序之前 ) 被称为 裸机, 裸机 是无法完成任何信息处理任务的 ; 反之, 软件依赖硬件来运行, 没有硬件设备的支持, 软件也就失去了其发挥作用的舞台 计算机的软件和硬件是相辅相成的 计算机用户与计算机软件系统 硬件系统的层次关系如图 2-27 所示

62 52 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 图 2-27 计算机用户与计算机软件系统 硬件系统的层次关系当然, 在计算机系统中并没有一条明确的硬件与软件的分界线, 软 硬件之间的界线是任意的和经常变化的 今天的软件可能就是明天的硬件 ; 反之, 亦然 这是因为任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现, 而任何一条由硬件所执行的命令也能够用软件来完成 从这个意义上说, 硬件与软件在逻辑功能上是等价的 思考与练习 1. 什么是计算机硬件? 什么是计算机软件? 它们之间有什么关系? 2. 简述计算机系统的组成 3. 冯 诺依曼思想有哪些主要内容? 4. 什么是指令? 什么是指令系统? 5. 计算机的基本工作原理是什么? 6. 计算机的硬件系统由哪几部分组成? 7.CPU 由哪几部分组成? 其作用分别是什么? 8. 存储容量都有哪些单位? 这些单位之间的关系是怎样的? 9. 微型计算机的存储系统由哪些部分构成? 10. 计算机的内存储器与外存储器有什么特点? 11. 什么是总线? 总线有哪些类型? 12. 微型计算机的主要技术指标是什么? 13. 简述计算机语言的发展过程 14. 什么是系统软件? 什么是应用软件? 15. 计算机用户 硬件系统与软件系统的关系是什么?

63 第 3 章操作系统基础 一个完整的计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统组成 硬件系统指的是组成计算机的物理设备, 软件系统一般分为系统软件和应用软件两大类, 其中系统软件主要指操作系统 操作系统是最基本的系统软件, 是整个计算机系统的管理核心, 它负责管理计算机的所有软 硬件资源 熟练地使用计算机, 应当从掌握操作系统知识开始 本章内容如下 : 操作系统概述 典型操作系统 Windows 7 操作系统 3.1 操作系统概述 操作系统的定义 操作系统是一组系统程序, 它是直接作用于计算机硬件上的第一层软件, 用于管理 和控制计算机硬件和软件资源 只有在操作系统的支持下, 计算机才能运行其他软件 例如, 当计算机上的 Windows 7 操作系统不能启动时, 我们无法操作计算机, 包括联网 文字处理或运行程序 从用户的角度看, 操作系统加上计算机硬件系统才形成完整的计 算机系统, 它是对计算机硬件功能的扩充 计算机系统的层次结构如图 3-1 所示 图 3-1 计算机系统的层次结构

64 54 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 在计算机系统中, 操作系统功能可以概括为以下两个方面 : 一方面是硬件和软件的接口, 它负责管理所有硬件和软件资源, 实现资源充分合理利用 ; 另一方面是硬件和用户之间的接口, 用户通过操作系统可以方便地使用计算机的所有资源 在计算机的学习和使用上, 操作系统起到了媒介和桥梁的作用 从使用层面上, 操作系统屏蔽了计算机内部复杂的硬件结构, 用户只需通过操作系统提供的一组规范 一组协议来使用计算机, 操作系统的作用如图 3-2 所示 用户对计算机硬件的使用转化为对操作系统的使用, 极大地方便了用户 没有操作系统, 就无法使用计算机, 从这个意义上讲, 如果 Windows 系统瘫痪了, 计算机将无法使用 图 3-2 操作系统的作用因此, 操作系统是一组包含许多模块的计算机程序, 是完成管理 调度 控制计算机中硬件和软件资源, 合理地组织计算机的工作流程, 为用户提供方便使用和可扩展操作计算机环境的重要系统软件 操作系统的功能从资源管理的角度, 操作系统具有如下功能 1. 处理机管理 当计算机有文件下载 文稿打印 音乐播放等多个程序同时运行时, 计算机的 CPU ( 单核或多核 ) 是如何工作的呢? 操作系统的处理机管理实现的就是这方面的功能 处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实施有效的管理 处理机分配资源的基本单位是进程 进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态 执行过程 简单地说, 进程就是正在执行的程序, 进程的执行需要数据 在操作系统中, 将程序及程序执行时所需数据的一次动态执行过程称为作业 一个算法的执行 一次文 档的打印都是作业 操作系统对进入系统的所有作业进行组织和管理, 因此对处理机的 管理可归结为对作业进程的管理 2. 存储器管理 在计算机系统中, 存储器分为外存和内存 一般情况下, 内存存放正在执行的程序, 外存存放文件形式的程序 当外存上的程序被调入内存运行时, 需要得到内存的存储空 间 在这个过程中, 存在着如何分配内存 如何将程序中的地址与内存中的地址对应起

65 第 3 章操作系统基础 55 来 如何保证内存够用 如何解决内存不冲突等问题 存储器管理解决的就是这方面的问题 存储器管理的主要任务是负责内存分配 内存保护 内存扩充, 合理地为程序分配内存, 保证程序间不发生冲突 3. 设备管理外部设备有很多, 典型的外部设备包括打印机 扫描仪 键盘 鼠标等, 设备管理就是保证各种外部设备有效地工作 设备管理的主要任务是对计算机系统内的所有设备实施有效的管理, 使用户方便灵活地使用设备 4. 文件管理计算机内存中的信息断电后即消失 要想永久地保存程序或文件, 必须将信息存储在外存上 这些信息 ( 以文件形式 ) 如何保存 怎样访问 复制和删除等一系列问题由操作系统的文件管理功能解决 文件管理负责管理软件资源, 并为用户提供对文件的存取 共享和保护等手段 5. 用户接口操作系统提供方便 友好的用户界面, 使用户无须了解过多的软 硬件细节就能方便灵活地使用计算机 通常, 操作系统以命令接口和程序接口两种接口方式提供给用户使用 操作系统的分类 操作系统是系统软件的核心, 根据使用环境和功能特征的不同, 操作系统有不同的 分类标准, 常用的分类标准有按操作系统的功能分类 按支持的用户数分类 按是否能 够运行多个任务分类等 1. 按操作系统的功能分类 (1) 批处理系统 在该系统中, 用户可以把作业成批地输入计算机系统 它的主要特点是允许用户将 由程序 数据及说明如何运行该作业的操作说明书组成的作业成批地提交给系统, 然后 不再与作业发生交互作用, 直到作业运行完毕, 才根据输出结果分析作业运行情况, 确 定是否需要适当修改并再次运行 批处理系统目前较少使用 (2) 分时操作系统 该系统的主要特点是将 CPU 的时间划分成时间片, 轮流接收和处理各个用户从终 端输入的命令 如果某个用户的处理要求时间较长, 分配的一个时间片还不够用, 则只 能暂停下来, 等待下一次轮到时再继续运行 计算机运算具有高性能和并行工作的特点, 使每个用户感觉不到其他人也在使用这台计算机, 就好像独占了这台计算机 典型的分 时操作系统有 UNIX Linux 等

66 56 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) (3) 实时操作系统该系统的主要特点是对信号的输入 计算和输出都在一定时间范围内完成 也就是说, 计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理, 并在确定的时间内做出反应或进行控制 超出时间范围就失去了控制的时机, 控制也就失去了意义 响应时间的长短, 根据具体应用领域及应用对象对计算机系统的实时性要求的不同而不同 根据具体应用领域的不同, 又可以将实时系统分成两类, 即实时控制系统 ( 如导弹发射系统 飞机自动导航系统 ) 和实时信息处理系统 ( 如机票订购系统 联机检索系统 ) (4) 网络操作系统该系统是在单机操作系统的基础上发展起来的, 能够管理网络通信和网络上的共享资源, 协调各个主机上任务的运行, 并向用户提供统一 高效 方便易用的网络接口的一种操作系统 目前, 常用的有 Novell NetWare Windows Server 等操作系统 2. 按支持的用户数分类 (1) 单用户操作系统在该操作系统中, 所有的硬件 软件资源只能为一个用户提供服务 也就是说, 单用户操作系统在单位时间内只完成一个用户提交的任务, 如 DOS Windows 操作系统 (2) 多用户操作系统该操作系统能够管理和控制由多台计算机通过通信口连接起来组成的一个工作环境, 并为多个用户服务, 如 UNIX Linux 操作系统 3. 按是否能够运行多个任务分类 (1) 单任务操作系统 在这类操作系统中, 用户一次只能提交一个任务, 当该任务处理完成后才能提交下一个任务, 如 DOS (2) 多任务操作系统 在这类操作系统中, 用户一次可以提交多个任务, 系统可以同时接收并处理 常见 的多任务操作系统包括 Windows XP UNIX Novell NetWare 等 Windows 操作系统 1.Windows 的产生与发展 3.2 典型操作系统 在 1985 年和 1987 年,Microsoft 公司尝试推出了图形界面操作系统 Windows 1.0 和 Windows 2.0, 但此时推出的 Windows 产品还很不成熟, 功能也不多 1990 年 5 月, Microsoft 公司推出了 Windows 3.0, 这是一个有着良好用户界面和强大功能的 建立在 新的概念上的操作系统, 用户操作十分方便, 许多操作由鼠标实现, 用户真实地感受到

67 第 3 章操作系统基础 57 使用 Windows 操作系统的优越性, 因而 Windows 3.0 成为 20 世纪 90 年代最流行的微型计算机操作系统 1995 年和 1998 年,Microsoft 公司相继推出了 Windows 95 和 Windows 98 操作系统 Windows 95 操作系统是一个独立的 完备的 32 位操作系统, 支持长文件名, 支持多任务 多线程操作, 通过文件和文件夹的方式管理文件系统, 用户可以利用鼠标的拖动, 方便地实现对文件的打印 删除及复制等基本操作 Windows 98 比 Windows 95 易用性更强, 性能更加可靠, 运行速度更快, 访问 Internet 更加容易和方便, 并且具有更强的娱乐性 2000 年和 2001 年,Microsoft 公司推出了 Windows 2000 操作系统和 Windows XP 操作系统 Windows 2000 增加了分布式文件系统 用户配额 加密文件系统 磁盘碎片整理和索引服务等特性, 实现了数据安全性 企业间通信的安全性 企业和 Internet 的单点安全登录, 以及易用和良好的扩展性的安全管理 Windows XP 操作系统中的 XP 是英文 experience 的缩写, 表示新版本是一个丰富的 充分扩张的全新体验 Microsoft 公司对 Windows XP 操作系统一直推崇备至, 比尔 盖茨甚至认为,Windows XP 是 Microsoft 自发布视窗软件以来, 所推出的意义最为重大的操作系统软件 2009 年 10 月,Microsoft 公司推出了 Windows 7 操作系统 该系统旨在让计算机操作更加简单和快捷, 为人们提供高效易行的工作环境, 其由于安全 稳定, 成为当时的主流操作系统 之后,Microsoft 公司又推出 Windows 8 操作系统和 Windows 10 操作系统, 对网络访问提供了更好的支持 2. 图形用户界面 计算机应用之所以能够如此迅速地进入各行各业 千家万户, 各种媒体信息之所以 能够方便 快捷地获取 加工和传递, 得益于计算机 网络 多媒体等技术的发展 其中, 具有图形界面的操作环境起了很大的作用, 它以直观方便的图形界面呈现在用户面 前, 用户无须在提示符后面输入具体命令, 而是通过鼠标来告诉计算机做什么, 图形用 户界面技术 孕育 而生 图形用户界面技术的特点体现在以下 3 个方面 (1) 多窗口技术在 Windows 环境中, 计算机屏幕显示为一个工作台, 用户的主工作区域就是桌面 工作台将用户的工作显示在称为 窗口 的矩形区域内, 用户可以在窗口中对应用程序 和文件进行操作 (2) 菜单技术用户在使用某个软件时, 通常是借助于该软件提供的命令来完成所需的功能 软件功能越强大, 它所提供的命令越丰富, 需要用户记住的命令也就随之增加 把命令变成 菜单, 就是为了解决这个问题而提出的一种界面技术 菜单把用户可在当前使用的一切命令全部显示在屏幕上, 以便用户根据需要选择 从用户使用的角度来看, 菜单带来了两大好处 : 一是减轻了用户对命令的记忆负担, 二 是避免了键盘命令输入过程中的人为错误

68 58 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) (3) 联机帮助技术联机帮助技术为初学者提供了一条使用新软件的捷径 借助它, 用户可以在上机过程中随时查看有关信息, 代替了书面用户手册 联机帮助还可以为用户操作提供步骤提示与引导 UNIX 操作系统 UNIX 操作系统是美国电报电话公司的贝尔实验室开发的, 它是唯一能在微型计算机 小型计算机到大型计算机上都广泛使用的操作系统, 也是当今世界使用比较广泛的多用户 多任务操作系统 UNIX 操作系统的功能主要表现在以下几个方面 1. 多用户 多任务 UNIX 操作系统是一个多用户 多任务的操作系统, 每个用户可以同时运行多个任务, 进程的数目逻辑上不受任何限制 它支持多个用户同时登录, 并使用系统的资源 2. 开放性和可移植性 UNIX 操作系统的发展源自它的开放性 开放性是指系统设计 开发遵循国际标准, 彼此能很好地兼容其他操作系统, 很方便地实现互连 UNIX 操作系统内核的大部分程序是采用 C 语言编写的, 具有良好的可移植性, 可以很容易地移植到其他计算机上运行, 也方便阅读 修改 3. 数据安全性 UNIX 操作系统提供保证数据安全的特性, 可以有效防止内部和外部用户的非法入侵, 是企业级应用信息技术体系框架首选的操作系统 4. 规模小 效能高 UNIX 操作系统内核小, 仅有 1 万多行代码, 但其强大的系统功能和实现效率却是公认的 5. 友好的用户界面 UNIX 操作系统提供了功能强大的 Shell 编程语言, 还为用户提供了丰富的系统调用功能 其用户界面具有简洁 高效的特点 6. 设备独立性 UNIX 操作系统把所有外部设备统一作为文件来处理, 只要安装了这些设备的驱动程序, 使用时就可将它们作为文件进行操作, 因此系统具有很强的适应性 Linux 操作系统 Linux 操作系统是 20 世纪 90 年代推出的多用户 多任务操作系统 它最初是由 Linus

69 第 3 章操作系统基础 59 Torvalds 在 1991 年编写的, 其源程序在 Internet 上公布后, 得到全世界计算机爱好者的 关注 由于源代码的开放, 其在很多高级应用中占有市场, 这也被业界视为打破 Microsoft Windows 垄断微型计算机操作系统的希望 Linux 操作系统是一种开源的操作系统, 用户可以免费获得其源代码, 并能够随意 修改 Linux 操作系统还是一种类 UNIX 操作系统, 具有许多 UNIX 操作系统的功能和 特点, 能够兼容 UNIX 操作系统, 但无须支付 UNIX 操作系统高额的费用 例如, 一个 UNIX 操作系统程序员在单位可以在 UNIX 操作系统上进行工作, 回到家里在 Linux 操 作系统上也能完成同样的工作, 而不必重新购买 UNIX 操作系统 实际上,UNIX 操作 系统的价格比常见的 Windows 操作系统高出若干倍, 和 Linux 操作系统的低廉更是相距 甚远 Linux 操作系统的功能主要表现在以下几个方面 1. 多用户 多任务 Linux 操作系统是一个多用户 多任务的操作系统, 也是具有高效性和稳定性的操作系统 2. 开放性 Linux 操作系统遵循国际标准, 与使用此标准开发的软件和硬件具有很好的兼容性, 并可很方便地实现互连 3. 完善的网络功能 Linux 操作系统具备完善的网络功能, 在通信和网络功能方面优于其他操作系统 4. 用户界面友好 Linux 操作系统可以提供 3 种命令界面, 即命令行方式界面 系统调用界面和图形用户界面 5. 系统内核小且对硬件要求低 Linux 操作系统可以运行在低档的 PC 上 Linux 操作系统版本众多, 很多厂商基于 Linux 操作系统的内核开发研制了程序, 因此, 形成了许多版本的 Linux 操作系统, 其中包括许多中文的 Linux 操作系统 目前, 常用的 Linux 操作系统主要有 Red Hat Linux Turbo Linux, 以及我国自己开发的 Linux 操作系统 红旗 Linux 和中软 Linux 手持设备操作系统 1.Android Android 是一种基于 Linux 操作系统的自由及开放源代码的操作系统, 主要用于便携设备, 如智能手机和平板计算机 Android 操作系统最初由 Andy Rubin 开发, 主要支

70 60 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 持手机 2005 年由 Google 收购注资, 并组建开放手机联盟开发改良, 随后逐渐扩展到平板计算机及其他领域上 2008 年 10 月, 第一部 Android 智能手机发布 到 2017 年 6 月,Android 占据全球智能手机操作系统市场的份额超过 76% 2. 苹果 ios 苹果 ios 是由苹果公司开发的手持设备操作系统 苹果公司最早于 2007 年 1 月 9 日的 Macworld 大会上公布此系统, 最初专门设计给 iphone 使用, 后来陆续使用到 ipod touch ipad 及 Apple TV 等产品上 ios 与苹果的 Mac OS X 操作系统一样, 也是以 Darwin 为基础的, 因此同样属于类 UNIX 的商业操作系统 3.3 Windows 7 操作系统 Windows 7 的特点 Windows 7 的设计主要围绕 5 个重点 : 针对笔记本式计算机的特有设计, 基于应用服务的设计, 用户的个性化, 视听娱乐的优化, 用户易用性的新引擎 1. 更易用 Windows 7 做了许多方便用户的设计, 如快速最大化 窗口半屏显示 跳跃列表 系统故障快速修复等, 这些新功能使 Windows 7 成为最易用的操作系统 2. 更快速 Windows 7 大幅缩减了 Windows 的启动时间, 据实测, 在 2GB 内存的中低端 PC 配置下运行时, 系统加载时间一般不超过 20s, 这和 Windows Vista 的 40 余秒相比是一 个很大的进步 3. 更简单 Windows 7 将会使搜索和使用信息更加简单, 包括本地 网络和 Internet 搜索功能, 直观的用户体验将更加高级, 还会整合自动化应用程序提交和交叉程序数据透明性 4. 更安全 Windows 7 包括改进了的安全和功能合法性, 还会把数据保护和管理扩展到外部设 备 Windows 7 改进了基于角色的计算方案和用户账户管理, 在数据保护和坚固协作的 固有冲突之间搭建了沟通桥梁, 同时也开启了企业级的数据保护和权限许可 5. 更低的成本 Windows 7 可以帮助企业优化它们的桌面基础设施, 具有无缝操作系统 应用程序和 数据移植功能, 并简化 PC 供应和升级, 进一步向完整的应用程序更新和补丁方面努力

71 第 3 章操作系统基础 Windows 7 的基本操作 1.Windows 7 的启动与退出 (1)Windows 7 的启动 打开计算机的电源开关后, 计算机会自动运行 Windows 7 在 Windows 7 启动的过 程中系统会进行自检, 并初始化硬件设备 在系统正常启动的情况下, 会直接进入 Windows 7 的登录界面, 在密码文本框中输入密码后, 按 Enter 键, 就会直接进入 Windows 7 操作系统 (2)Windows 7 的退出在关闭或重新启动计算机之前, 应先退出 Windows 7 操作系统, 否则可能会破坏一些没有保存的文件和正在运行的程序 用户可按以下步骤安全地退出系统 1) 关闭所有正在运行的应用程序 2) 在 开始 菜单中单击 关机 按钮右侧的箭头, 打开如图 3-3 所示的 关机 菜单, 并根据需要选择 切换用户 注销 锁定 重新启动 休眠 或 关机 选项, 选择相应选项后, 即可实现相应的功能 2.Windows 7 的桌面组成 (1)Windows 7 的桌面元素 图 3-3 关机 菜单 用户安装好中文版 Windows 7 并第一次登录系统后, 可以看到一个非常简洁的屏幕 画面, 整个屏幕区域就是桌面 Windows 7 默认的桌面只有一个回收站的图标, 这样桌面看起来整洁干净, 但是人

72 62 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 们在使用时却很不方便, 因此要把经常使用的图标放在桌面上 在桌面空白处右击, 在弹出的快捷菜单中选择 个性化 选项, 或者在 开始 菜单中选择 控制面板 选项, 在打开的 控制面板 窗口中选择 个性化 选项, 然后在打开的窗口中选择左侧窗格中的 更改桌面图标 选项, 弹出 桌面图标设置 对话框, 如图 3-4 所示 选择自己经常使用的图标, 单击 确定 按钮, 这时就可以看到系统默认的图标, 这些图标称为桌面元素 图 3-4 桌面图标设置 对话框 1) 计算机 图标 用户通过该图标可以实现对计算机硬盘驱动器 文件夹和文件 的管理, 也可以访问连接到计算机的照相机 扫描仪和其他硬件 2) 用户的文件 图标 用于管理 个人文档 下的文件和文件夹, 可以保存信件 报告和其他文档, 是系统默认的文档保存位置 3) 网络 图标 访问网络中其他计算机上的文件和文件夹的有关信息, 在双击打开的窗口中, 用户可以查看工作组中的计算机 查看网络位置及添加网络位置等 4) 回收站 图标 在回收站中暂时存放着用户已经删除的文件或文件夹等, 当没 有彻底清空回收站时, 可以从中还原删除的文件或文件夹 (2) 任务栏任务栏是位于屏幕底部的水平长条, 显示了系统正在运行的程序和打开的窗口 当前时间等, 用户可以通过任务栏完成许多操作, 还可以对它进行一系列的设置 任务栏可分为 3 个主要部分, 如图 3-5 所示 图 3-5 任务栏

73 第 3 章操作系统基础 63 1) 开始 按钮 用于弹出 开始 菜单 2) 快速启动栏 显示已打开的程序和文件, 并可以在它们之间进行快速切换 3) 通知区域 包括时钟及一些告知特定程序和计算机设置状态的图标 (3) 创建桌面图标桌面上的图标实质上是打开各种程序和文件的快捷方式, 用户可以在桌面上创建自己经常使用的程序或文件的图标, 这样使用时直接在桌面上双击图标即可快速启动该项目 创建桌面图标的操作如下 1) 在桌面空白处右击, 在弹出的快捷菜单中选择 新建 选项 2) 选择 新建 子菜单中的选项, 可以创建各种形式的图标, 如文件夹 快捷方式 日记本文档等, 如图 3-6 所示 3) 当用户选择了所要创建的选项后, 在桌面会出现相应的图标, 用户可以为它命名, 以便于识别 图 3-6 新建 子菜单 (4) 排列图标当用户在桌面上创建了多个图标时, 如果不进行排列, 会显得非常凌乱, 这样既不 利于选择所需要的项目, 又影响视觉效果 在图 3-6 中选择 排序方式 选项, 然后在 其子菜单中选择相应的选项, 就可以使桌面看上去整洁且有条理 当用户需要对图标进行位置调整时, 可在桌面或文件夹的空白处右击, 在弹出的快 捷菜单中选择 排序方式 或 查看 选项, 在其子菜单中包含了多种排列方式, 如 图 3-7 所示 1) 名称 按图标名称开头的字母或拼音顺序来排序 2) 大小 按图标所代表文件的大小顺序来排序 3) 项目类型 按图标所代表文件的类型来排序 4) 修改日期 按图标所代表文件的最后一次修改时间来排序

74 64 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 图 3-7 排序方式 和 查看 子菜单 当用户选择 排序方式 或 查看 子菜单中的某个选项后, 在其旁边会出现或标志, 表明该选项被选中 1) 如果用户选择了 自动排列图标 选项, 则在对图标进行移动时会出现一个选定标志, 这时只能在固定的位置将各图标进行位置的互换, 而不能拖动图标到桌面的任意位置 2) 当用户选择了 将图标与网格对齐 选项后, 如果调整图标的位置, 则它们总是成行成列地排列, 且不能移动到桌面的任意位置 3) 当用户取消选择 显示桌面图标 选项后, 桌面上将不显示任何图标 (5) 菜单 Windows 7 中有 3 种经典菜单形式 : 开始 菜单 下拉式菜单和弹出式快捷菜单 1) 开始 菜单 它是打开计算机程序 文件夹和调整设置的主门户 之所以称其 为 菜单, 是因为它提供了一个选项列表 而 开始 的含义, 则在于它通常是用户 要启动或打开某项内容的起始位置 使用 开始 菜单可执行以下常见的操作 : 启动程序, 打开常用的文件夹, 搜索文 件 文件夹和程序, 调整计算机设置, 获取有关 Windows 操作系统的帮助信息, 关闭计 算机, 注销 Windows 或切换到其他用户账户 若要打开 开始 菜单, 可单击屏幕左下角的 开始 按钮 Windows 徽标键 开始 菜单分为 3 个基本部分, 如图 3-8 所示, 或者按键盘上的 1 左侧窗格显示计算机上程序的一个短列表 计算机制造商可以自定义此列表, 所以其确切外观会有所不同 单击 所有程序 按钮可显示程序的完整列表 2 左侧窗格的底部是搜索框, 通过输入搜索项可在计算机上查找程序和文件 3 右侧窗格提供了对常用文件夹 文件 设置和功能的访问, 还可注销 Windows 或关闭计算机

75 第 3 章操作系统基础 65 图 3-8 开始 菜单 2) 下拉式菜单 位于应用程序窗口标题下方的菜单栏, 均采用下拉式菜单方式, 如图 3-9 所示 下拉菜单中含有若干个选项, 为了便于使用, 选项按功能分组, 分别放在不同的菜单项中 当前能够使用的有效选项以深色显示, 无效选项则呈浅灰色 如果菜单选项旁带有, 则表示选择该选项将弹出一个对话框, 以便用户输入必要的信息或做进一步的选择 系统通过隐藏用户最近未使用的选项来保持菜单的整洁性, 可以通过单击菜单底部的箭头来打开整个菜单 3) 弹出式快捷菜单 这是一种随时随地为用户服务的 上下文相关的弹出式菜单 将鼠标指针指向某个对象或屏幕的某个位置并右击, 即可弹出一个弹出式快捷菜单 该菜单列出了与用户正在执行的操作直接相关的选项 例如, 将鼠标指针指向一个文件并右击, 将会弹出如图 3-10 所示的快捷菜单, 从中可以看出, 菜单的内容都是与该文件有关的选项 图 3-9 下拉式菜单 图 3-10 上下文相关的弹出式菜单

76 66 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 快捷菜单中的这些选项是上下文相关的, 根据右击时鼠标指针所指的对象和位置的 不同, 弹出的菜单选项的内容也不同 快捷菜单的这些特性也体现了面向对象的设计思想, 快捷菜单是一项非常实用的功能 3. 窗口 当用户打开一个文件或应用程序时, 都会打开一个窗口 窗口是用户进行操作时的重要组成部分, 熟练地对窗口进行操作, 会提高用户的工作效率 (1) 窗口的类型及组成窗口是 Windows 操作系统中最常见的操作对象, 它是屏幕上的一个矩形框 运行一个程序或打开一个文件 文件夹, 系统都会在桌面上打开一个相应的窗口, 这也是 Windows 这个名称的由来 窗口按用途可分为应用程序窗口 文件夹窗口和对话框窗口 3 种类型 应用程序窗口是应用程序面向用户的操作平台, 通过该窗口可以完成应用程序的各项工作任务 例如,Word 是用于文字处理的应用程序,PowerPoint 是用于制作演示文稿的应用程序 在 Windows 7 中, 运行应用程序, 就会打开一个对应的应用程序窗口 文件夹窗口是某个文件夹面向用户的操作平台, 通过该窗口可以对文件夹的各项内容进行操作 对话框窗口是系统或应用程序打开的 与用户进行信息交流的子窗口 1) 窗口的基本组成 窗口的基本组成如图 3-11 所示 图 3-11 窗口的基本组成 标题栏 : 位于窗口顶部, 用于显示窗口的名称 当标题栏呈高亮显示 ( 蓝色 ) 时, 此窗口称为当前窗口 ( 或称为活动窗口 )

77 第 3 章操作系统基础 67 菜单栏 : 位于标题栏的下方, 提供了程序中大多数命令的访问途径 工具栏 : 包含应用程序常用的若干工具按钮, 使用工具栏可以简化操作 地址栏 : 显示窗口或文件所在的位置, 即路径 搜索栏 : 用于搜索相关的程序或文件 导航窗格 : 显示当前文件夹中所包含的可展开的文件夹列表 内容显示窗格 : 用于显示信息或供用户输入资料 详细信息窗格 : 用于显示程序或文件 ( 夹 ) 的详细信息 滚动条 : 当要显示的内容不能全部显示于窗口时, 在窗口的下边和右边会出现滚动条, 即水平滚动条和垂直滚动条, 使用滚动条可查看窗口中未显示的内容 最小化 按钮 : 单击该按钮, 窗口将最小化, 并缩小到任务栏中 最大化 / 还原 按钮 : 单击该按钮, 程序窗口将最大化充满整个屏幕, 在窗口最大化后, 最大化 按钮就变成了 还原 按钮, 单击 还原 按钮, 最大化窗口还原成原来的窗口, 包括窗口的大小和位置 关闭 按钮 : 单击该按钮, 将关闭窗口及应用程序 2) 对话框窗口 当完成一个操作, 需要向 Windows 进一步提供信息时, 会弹出一个对话框窗口 该窗口是系统和用户之间通信的窗口, 供用户从中阅读提示 选择选项 输入信息等 对话框的顶部有对话框标题 ( 标题栏 ) 和 关闭 按钮, 但一般没有 最大化 按钮和 最小化 按钮, 所以对话框的大小通常不能改变, 但可以移动 ( 利用鼠标左键拖动标题栏即可 ), 也可以关闭 常见的对话框窗口, 如图 3-12 所示, 其包括以下内容 图 3-12 文件夹选项 对话框窗口 单选按钮 : 在一组相关的选项中, 必须选中一个且只能选中一个

78 68 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) 复选框 : 一些具有开关状态的设置项, 可选中其中的一个或多个, 也可以一个也不选 ( 方框内出现标记 时, 即为选中 ) 文本输入框 : 可在其中输入文字信息 选择框 ( 变数框 微调框 ): 单击上箭头增加数字, 单击下箭头减少数字 如果当前数与需要的数相差较大, 可直接输入数字 列表框 : 列表框中列出了可供用户选择的各种选项 如果列表内容很多, 不能一次全部显示, 则列表框中会出现垂直滚动条或水平滚动条 下拉列表框 : 与文本输入框相似, 但是其右端带有一个向下的箭头, 当单击该箭头时, 会打开一个可供用户选择的列表 滑尺 : 对话框中的滑尺大多是用于调节系统组件的, 如调节鼠标双击的速度 键盘的响应速度等 加减器 : 在加减器中可选择几个数字中的一个, 以方便用户的输入 一般来说, 用户可在加减器指定的数值范围之内进行选择 按钮 : 单击某一个按钮, 可执行相应的命令, 如果按钮后有, 则单击它可弹出另一个对话框 (2) 窗口的基本操作应用程序窗口和文档窗口的操作主要有移动 缩放 切换 排列 最小化 最大化 关闭等 4. 帮助功能 Windows 7 提供了功能强大的帮助系统, 当用户在使用计算机的过程中遇到了疑难 问题无法解决时, 可以在帮助系统中寻找解决问题的方法 (1) 窗口组成 在 开始 菜单中选择 帮助和支持 选项后, 即可打开 Windows 帮助和支持 窗口, 如图 3-13 所示 这个窗口为用户提供了帮助主题 指南 疑难解答和其他支持服务 图 3-13 Windows 帮助和支持 窗口

79 第 3 章操作系统基础 69 Windows 7 的帮助系统以网页的风格显示内容, 以超链接的形式打开相关的主题, 用户可以很方便地找到自己所需要的内容 通过帮助系统, 用户可以快速地了解 Windows 7 的新增功能及各种常规操作 (2) 联机帮助要随时保证 Windows 7 的帮助内容是最新的, 需要用到 Windows 7 的联机帮助 默认情况下, 如果在打开帮助和支持中心的时候, 系统已经连接到了 Internet, 那么 Windows 7 会自动使用联机帮助 如果系统设置为不使用联机帮助或系统没有连接到 Internet, 那么 Windows 7 就会使用脱机帮助 如果想要知道当前正在使用联机帮助还是脱机帮助, 只要查看图 3-13 中窗口右下角的状态按钮即可 如果显示的是 联机帮助, 那么当前使用的就是联机帮助 ; 如果显示的是 脱机帮助, 那么当前使用的就是脱机帮助 除此之外, 还可以通过该窗口右下角的按钮在两种模式之间进行切换 如果网络速度比较慢, 那么在使用联机帮助的时候, 整个帮助系统的内容显示速度都会受到影响, 这属于正常现象 文件管理 操作系统作为计算机最重要的系统软件, 其提供的基本功能为数据存储 数据处理及数据管理等 数据通常以文件的形式存放在磁盘或其他外存上, 数据处理的对象是文件, 数据管理是通过文件管理完成的 文件系统实现对文件的存取 处理和管理等操作, 因此文件系统在操作系统中占有非常重要的地位, 本节主要介绍与文件系统相关的概念和基本操作 1. 文件管理中的几个概念 文件是计算机中一个很重要的概念, 是操作系统用来存储和管理信息的基本单位 文件可以用来保存各种信息, 用文字处理软件制作的文档 用计算机语言编写的程序及进入计算机的各种多媒体信息, 都是以文件的方式存放的 文件的物理存储介质通常是磁盘 光盘 闪存盘等 (1) 文件系统文件是一组相关信息的集合, 可以是程序 数据或其他信息, 如一篇文章或一个表格等 1) 文件名 每个文件都有一个文件名, 使用文件名是为了区别不同的文件, 将存放在磁盘上的文件添加一个标志 每个文件都有一个确定的名称, 这样用户就不必关心文件的存储方法 物理位置及访问方式, 直接以 按名存取 的方式来使用文件即可 文件名由两部分组成, 即文件名和扩展名, 两者之间用点隔开, 格式如下 [D:]filename[.ext] 其全名由驱动器号 文件名 扩展名 3 部分组成, 其中 [ ] 符号表示该项内容是可选的 [D:] 表示驱动器号, 硬盘驱动器号或光盘驱动器号为 C: D: filename 表示文件名 文件名 ( 包括扩展名 ) 中可用的字符为 A~Z

80 70 新编大学计算机基础 (Windows 7+Office 2010) # $ % & 等, 不能使用以下任何字符 :\ /? : * " > < 通常, 用户所取的文件名应具有一定的意义, 以便于记忆 Windows 7 支持长文件名, 其长度 ( 包括扩展名 ) 可达 255 个字符, 一个汉字相当于两个字符, 长文件名显示出更强的描述能力, 也更容易被人理解 [.ext] 由 3 或 4 个字符组成, 为文件的扩展名, 表示文件所属的类型 同一个文件夹中的文件 文件夹不能同名 2) 文件类型 通常用扩展名来区分文件的不同类型, 常用的文件类型及扩展名见表 3-1 表 3-1 常用的文件类型及扩展名 文件类型 扩展名 文件类型 扩展名 可执行的程序文件.exe.com 系统文件.sys Word 文档.doc 数据库表文件.dbf 文本文件.txt 带格式的文本文件.rtf 备份文件.bak 压缩格式的文件.zip.rar 批处理文件.bat 帮助文件.hlp (2) 文件属性文件属性包括两部分内容 : 一部分是文件所包含的数据, 称为文件数据 ; 另一部分是关于文件本身的说明信息或属性信息, 称为文件属性 文件属性主要包括创建日期 文件长度 访问权限等, 这些信息主要被文件系统用来管理文件 不同文件系统通常有不同种类和数量的文件属性 右击文件或文件夹对象, 在弹出的快捷菜单中选择 属性 选项, 即可在弹出的 属性 对话框中查看该对象的具体属性信息, 如图 3-14 所示 使用 属性 对话框可以查看项目的当前属性, 必要时还可修改它们, 同时还可得到文件和文件夹的大小 创建日期及其他重要的统计数据 图 3-14 属性 对话框