Microsoft Word - page0

Transcription

1 科 学 出 版 社

2 中 国 科 学 院 普 通 高 等 教 育 十 一 五 规 划 教 材 公 共 课 教 材 系 列 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 申 艳 光 刘 志 敏 主 编 北 京

3 内 容 简 介 本 教 材 是 依 据 教 育 部 高 等 学 校 计 算 机 基 础 课 程 教 学 指 导 委 员 会 制 定 的 计 算 机 基 础 课 程 教 学 基 本 要 求 编 写 的 既 强 调 教 材 的 基 础 性 和 系 统 性, 又 以 通 俗 易 懂 的 语 言 和 丰 富 的 项 目 应 用 实 例 深 入 浅 出 地 介 绍 计 算 机 科 学 与 技 术 的 基 本 概 念 和 常 用 操 作 教 材 采 用 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 的 教 学 新 模 式, 符 合 学 生 思 维 的 构 建 方 式 本 教 材 共 8 章, 内 容 主 要 包 括 : 计 算 机 与 信 息 技 术 操 作 系 统 文 字 处 理 电 子 表 格 处 理 电 子 演 示 文 稿 制 作 网 页 制 作 计 算 机 网 络 基 础 与 基 本 应 用 综 合 项 目 每 章 后 附 有 本 章 提 要 基 本 知 识 练 习 和 能 力 拓 展 与 训 练, 有 助 于 知 识 系 统 化 和 巩 固 所 学 知 识 本 教 材 配 有 相 应 的 大 学 计 算 机 基 础 实 验 实 训 电 子 课 件 和 项 目 素 材 本 教 材 是 中 国 科 学 院 普 通 高 等 教 育 十 一 五 规 划 教 材 ( 部 级 ), 可 作 为 大 中 专 院 校 教 材 及 各 类 计 算 机 技 术 培 训 教 材, 以 及 不 同 层 次 从 事 办 公 自 动 化 的 文 字 工 作 者 学 习 参 考 书 繁 体 字 版 名 为 SolidWorks 2001 PLUS 教 学 范 本, 由 知 城 数 位 科 技 股 份 图 书 在 版 编 目 (CIP) 数 据 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 / 申 艳 光, 刘 志 敏 主 编. 北 京 : 科 学 出 版 社, ( 中 国 科 学 院 普 通 高 等 教 育 十 一 五 规 划 教 材 公 共 课 教 材 系 列 ) ISBN Ⅰ.1 大 Ⅱ.1 申 2 刘 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 (2010) 第 号 策 划 : 赖 文 华 责 任 编 辑 : 王 纯 刚 / 责 任 校 对 : 王 万 红 责 任 印 制 : 吕 春 珉 / 封 面 设 计 : 艺 和 天 下 出 版 北 京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮 政 编 码 : 骏 杰 印 刷 厂 印 刷 科 学 出 版 社 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 * 2010 年 9 月 第 一 版 开 本 : / 年 9 月 第 一 次 印 刷 印 张 :19 3/4 印 数 : 字 数 : 定 价 :29.00 元 ( 如 有 印 装 质 量 问 题, 我 社 负 责 调 换 < 环 伟 >) 销 售 部 电 话 编 辑 部 电 话 版 权 所 有, 侵 权 必 究 举 报 电 话 : ; ; 科 学 出 版 社

4 本 书 编 写 人 员 主 编 申 艳 光 刘 志 敏 副 主 编 杨 丽 张 艳 丽 薛 红 梅 参 编 ( 按 姓 氏 笔 画 排 列 ) 王 瑞 林 王 彬 丽 李 晓 霞 李 燕 杜 巍 范 永 健 赵 辉 程 慧 芳

5 序 同 自 然 界 一 样, 适 者 生 存 依 然 是 信 息 社 会 必 须 遵 循 的 法 则 近 年 来 的 计 算 机 基 础 教 育 早 已 不 是 学 而 时 习 之 不 亦 说 乎 的 精 神 乐 园, 众 多 浅 入 深 出 连 环 画 式 的 计 算 机 教 材 也 确 实 越 来 越 像 是 软 件 使 用 说 明 书 或 操 作 工 具 手 册, 连 续 四 年 的 幻 灯 片 教 学 已 造 成 大 学 生 们 的 视 觉 疲 劳, 反 复 的 ABCD 知 识 竞 猜 已 破 坏 了 大 学 生 们 的 学 习 兴 趣 什 么 是 工 程 教 育 的 正 确 方 法 一 直 以 来 是 一 个 备 受 关 注 的 话 题 工 程 教 育 的 目 的 是 将 学 生 培 养 成 为 整 装 待 发 的 工 程 师, 也 就 是 在 其 从 事 职 业 前 具 备 较 好 的 工 程 能 力 和 扎 实 的 技 术 基 础 知 识 世 界 各 国 行 政 部 门 行 业 协 会 和 学 校 都 意 识 到 工 程 教 育 必 须 进 行 改 革, 以 适 应 社 会 的 发 展 20 世 纪 90 年 代, 美 国 和 欧 洲 提 出 第 二 次 世 界 大 战 后 所 发 展 起 来 的 工 程 教 育 是 否 同 实 际 需 要 相 匹 配 这 样 一 个 问 题, 指 出 现 代 工 程 教 育 中 缺 少 实 际 能 力 的 训 练, 学 生 的 科 学 知 识 和 能 力 与 未 来 技 术 创 造 者 和 创 新 设 计 者 的 工 程 师 能 力 还 有 一 定 差 距, 这 是 现 代 工 程 教 育 的 缺 失 所 在 新 型 的 工 程 教 育 需 要 回 答 以 下 问 题 : 未 来 工 程 课 程 的 核 心 内 涵 是 什 么? 哪 些 能 力 的 培 养 必 须 安 排 在 课 程 计 划 中? 哪 些 可 以 在 毕 业 后 的 工 作 过 程 中 积 累? 从 抽 象 知 识 到 实 际 应 用 之 间 的 逻 辑 顺 序 是 什 么? CDIO(Conceive Design Implement Operate, 构 思 设 计 实 施 操 作 / 运 营 ) 改 革, 以 一 体 化 和 实 用 方 式 回 应 了 工 程 教 育 的 历 史 和 未 来 的 挑 战, 使 学 生 知 道 如 何 在 现 代 团 队 环 境 下 构 思 设 计 实 施 及 运 行 复 杂 且 具 有 高 附 加 值 的 工 程 产 品 过 程 和 系 统 自 2000 年 起, 世 界 范 围 内 以 MIT 为 首 的 几 十 所 大 学 操 作 实 施 了 CDIO 模 式, 迄 今 已 取 得 显 著 成 效, 深 受 学 生 欢 迎, 得 到 产 业 界 高 度 评 价 本 书 以 建 设 符 合 我 国 实 际 需 求 的 适 应 大 工 程 理 念 和 CDIO 工 程 新 的 教 育 模 式 为 目 标, 依 据 教 育 部 高 等 学 校 计 算 机 基 础 课 程 教 学 指 导 委 员 会 制 定 的 计 算 机 基 础 课 程 教 学 基 本 要 求 和 CDIO 教 学 大 纲 而 编 写 本 书 融 入 CDIO 理 念, 以 项 目 实 例 为 导 向, 采 用 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 教 学 四 部 曲 的 项 目 化 教 学 模 式, 通 过 项 目 设 计, 激 发 学 生 学 习 兴 趣 和 求 知 欲, 培 养 其 工 程 能 力, 并 利 用 想 想 议 议 项 目 交 流 角 色 模 拟 能 力 拓 展 与 训 练 等 栏 目 多 方 位 多 角 度 培 养 学 生 职 业 能 力 团 队 工 作 和 交 流 能 力 构 思 设 计 实 施 运 营 的 能 力 等 总 之, 本 书 在 适 度 的 基 础 知 识 与 理 论 体 系 覆 盖 下, 突 出 了 工 程 教 育 的 教 学 方 法 论, 主 要 特 色 在 于 采 用 创 新 教 学 方 法 和 学 习 环 境 为 学 生 提 供 真 实 世 界 的 学 习 经 验, 为 培 养 社 会 需 求 并 与 国 际 接 轨 的 现 代 化 综 合 性 工 程 技 术 人 才 积 累 了 教 学 经 验 教 育 部 高 等 学 校 计 算 机 基 础 课 程 教 学 指 导 委 员 会 理 工 分 委 会 秘 书 长 科 学 出 版 社 教 育 部 高 等 学 校 计 算 机 科 学 与 技 术 专 业 教 学 指 导 委 员 会 委 员 2010 年 8 月 于 兰 州

6 前 言 从 2000 年 起,CDIO 模 式 在 世 界 上 以 MIT 为 首 的 几 十 所 大 学 操 作 实 施, 迄 今 已 取 得 显 著 成 效, 深 受 学 生 欢 迎, 得 到 产 业 界 高 度 评 价 CDIO(Conceive Design Implement Operate, 构 思 设 计 实 施 操 作 / 运 营 ) 给 出 了 如 何 培 养 新 一 代 工 程 师 的 创 新 性 教 育 框 架 建 设 符 合 我 国 实 际 需 求 的 适 应 大 工 程 理 念 和 CDIO 工 程 新 的 教 育 模 式 的 教 材 体 系 是 本 教 材 改 革 的 核 心 内 容 之 一, 它 将 有 助 于 课 程 体 系 和 教 学 内 容 更 加 合 理 和 科 学, 有 助 于 使 非 计 算 机 专 业 的 学 生 在 专 业 技 术 应 用 领 域 具 有 良 好 的 计 算 机 素 养 和 能 力, 有 助 于 培 养 具 有 更 强 创 新 精 神 和 实 践 能 力 的 复 合 型 应 用 人 才 本 教 材 特 色 如 下 (1) 融 入 CDIO 理 念, 采 用 新 的 教 学 四 部 曲 本 教 材 采 用 以 项 目 实 例 为 导 向 的 教 学 模 式, 集 成 基 于 项 目 学 习 和 探 究 式 学 习 的 一 体 化 主 动 学 习 方 法 采 用 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 教 学 四 部 曲 的 项 目 化 教 学 模 式, 用 项 目 引 领 教 学 内 容, 强 调 了 理 论 与 实 践 相 结 合, 突 出 了 对 学 生 基 本 技 能 实 际 操 作 能 力 及 工 程 师 职 业 能 力 的 培 养, 符 合 学 生 思 维 的 构 建 方 式 并 和 配 套 的 大 学 计 算 机 基 础 实 验 实 训 结 合, 通 过 项 目 设 计, 激 发 学 生 学 习 兴 趣, 培 养 获 取 知 识 ( 自 主 学 习 ) 共 享 知 识 ( 团 队 合 作 ) 运 用 知 识 ( 解 决 问 题 ) 总 结 知 识 ( 技 术 创 新 ) 和 传 播 知 识 ( 沟 通 交 流 ) 的 能 力 与 素 质, 训 练 其 职 业 道 德 修 养 和 社 会 责 任 意 识, 提 高 学 生 认 知 能 力 (2) 围 绕 现 代 工 程 师 应 具 备 的 素 质 要 求, 多 方 位 多 角 度 培 养 学 生 工 程 能 力 教 材 中 利 用 想 想 议 议 项 目 进 阶 项 目 交 流 角 色 模 拟 分 析 与 认 证 能 力 拓 展 与 训 练 问 题 卡 片 综 合 项 目 等 栏 目 多 方 位 多 角 度 培 养 学 生 工 程 能 力, 包 括 终 身 学 习 能 力 团 队 工 作 和 交 流 能 力 在 社 会 及 企 业 环 境 下 建 造 产 品 的 系 统 能 力 等 想 想 议 议 是 一 些 启 发 性 较 强 难 度 不 太 大 的 问 题, 旨 在 培 养 学 生 善 于 观 察 勤 于 思 考 勤 于 讨 论 的 良 好 学 习 习 惯 和 品 质 有 一 些 想 想 议 议 问 题 与 社 会 生 活 和 科 技 发 展 紧 密 联 系, 旨 在 培 养 学 生 解 决 实 际 问 题 的 能 力 项 目 进 阶 和 项 目 交 流 中 包 括 一 些 思 维 密 度 较 大 思 维 要 求 较 高 的 问 题 和 要 求, 旨 在 培 养 学 生 的 系 统 思 维 能 力 发 散 思 维 能 力 创 新 思 维 能 力 沟 通 能 力 适 应 变 化 的 自 信 和 能 力 以 及 团 队 协 作 创 新 的 工 作 理 念 角 色 模 拟 主 要 是 通 过 模 拟 工 程 师 与 真 实 世 界 之 间 的 互 动, 通 过 项 目 分 析 设 计 与 实 现, 旨 在 培 养 学 生 工 程 实 践 应 用 能 力, 培 养 学 生 在 团 队 中 有 效 合 作 有 效 沟 通 有 效 管 理 的 能 力, 提 高 学 生 应 用 工 程 知 识 的 能 力 和 处 理 真 实 世 界 问 题 的 能 力

7 iv 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 能 力 拓 展 与 训 练 有 利 于 激 发 学 生 自 主 探 究 性, 在 拓 展 创 作 中 实 现 自 我 价 值, 并 培 养 主 动 学 习 经 验 学 习 和 终 身 学 习 的 能 力 问 题 卡 片 旨 在 培 养 学 生 主 动 学 习 自 主 学 习 的 能 力 和 积 极 的 态 度 (3) 贴 近 学 生 生 活, 倡 导 快 乐 学 习 理 念 本 教 材 精 选 贴 近 学 生 生 活 具 有 趣 味 性 和 实 用 性 的 项 目 实 例, 如 我 们 的 足 迹 求 职 档 案 等, 按 照 教 学 规 律 和 学 生 的 认 知 特 点 将 知 识 点 融 于 项 目 实 例 中 (4) 强 调 人 文 素 质 培 养 每 章 后 附 有 你 我 共 勉, 旨 在 培 养 学 生 良 好 的 学 习 态 度 和 职 业 道 德 总 之, 本 教 材 的 编 写, 在 适 度 的 基 础 知 识 与 理 论 体 系 覆 盖 下, 突 出 工 程 教 育 的 教 学 方 法 论, 注 重 教 材 的 实 践 性, 兼 顾 基 础 性, 保 持 先 进 性, 力 求 达 到 教 师 易 教, 学 生 乐 学, 技 能 实 用 的 目 标 本 教 材 共 分 为 8 章, 包 括 计 算 机 与 信 息 技 术 操 作 系 统 文 字 处 理 电 子 表 格 处 理 电 子 演 示 文 稿 制 作 网 页 制 作 计 算 机 网 络 基 础 与 基 本 应 用 综 合 项 目 本 教 材 由 申 艳 光 刘 志 敏 任 主 编, 杨 丽 张 艳 丽 薛 红 梅 任 副 主 编, 统 稿 工 作 由 申 艳 光 刘 志 敏 和 薛 红 梅 完 成 各 章 编 写 分 工 如 下 : 第 1 章 由 刘 志 敏 王 瑞 林 编 写, 第 2 章 由 李 晓 霞 赵 辉 编 写, 第 3 章 由 申 艳 光 范 永 健 编 写, 第 4 章 由 张 艳 丽 王 彬 丽 编 写, 第 5 章 由 申 艳 光 李 燕 编 写, 第 6 章 由 薛 红 梅 杜 巍 编 写, 第 7 章 由 杨 丽 程 慧 芳 编 写, 第 8 章 由 张 艳 丽 编 写 在 编 写 过 程 中 得 到 了 河 北 工 程 大 学 领 导 和 教 师 们 的 大 力 支 持, 在 此 表 示 深 深 的 敬 意 和 感 谢 限 于 作 者 的 水 平 及 时 间 仓 促, 加 之 对 CDIO 理 念 的 研 究 尚 处 初 探 阶 段, 书 中 难 免 存 在 不 足 之 处, 恳 请 读 者 批 评 和 指 正, 以 使 其 更 臻 完 善! 本 书 有 配 套 的 大 学 计 算 机 基 础 实 验 实 训, 同 时 提 供 电 子 课 件 和 项 目 素 材, 可 以 发 邮 件 至 xind-jj@hebeu.edu.cn 索 取 或 录 登 k.cn 下 载 编 者 2010 年 6 月 科 学 出 版 社

8 目 录 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 信 息 与 信 息 技 术 信 息 的 概 念 及 特 征 信 息 技 术 信 息 化 与 信 息 化 社 会 信 息 素 养 计 算 机 概 述 计 算 机 的 发 展 计 算 机 的 特 点 计 算 机 的 分 类 计 算 机 的 应 用 计 算 机 系 统 的 组 成 计 算 机 工 作 原 理 微 型 计 算 机 系 统 基 础 知 识 微 型 计 算 机 的 硬 件 系 统 微 型 计 算 机 的 分 类 与 主 要 特 性 信 息 的 表 示 与 编 码 计 算 机 中 的 数 计 算 机 常 用 编 码 多 媒 体 技 术 多 媒 体 技 术 的 基 本 概 念 多 媒 体 应 用 中 的 媒 体 元 素 多 媒 体 计 算 机 的 组 成 与 应 用 信 息 安 全 信 息 安 全 的 概 念 计 算 机 病 毒 及 其 防 范 网 络 安 全 数 据 加 密 知 识 产 权 与 信 息 产 业 人 员 道 德 规 范 知 识 产 权 信 息 产 业 人 员 道 德 规 范 项 目 实 例 配 置 个 人 计 算 机 项 目 要 求...65

9 vi 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流...66 本 章 提 要...67 基 础 知 识 练 习...67 能 力 拓 展 与 训 练...68 第 2 章 操 作 系 统 操 作 系 统 基 础 操 作 系 统 概 述 典 型 的 操 作 系 统 Windows XP 操 作 系 统 基 本 操 作 项 目 实 例 计 算 机 个 性 化 设 置 与 使 用 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 3 章 文 字 处 理 文 字 处 理 基 础 中 文 输 入 法 Word 2003 基 本 操 作 项 目 实 例 求 职 档 案 项 目 要 求 科 学 出 版 社 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 4 章 电 子 表 格 处 理 Excel 2003 基 础 Excel 的 基 本 概 念 工 作 簿 的 基 本 操 作...156

10 目 录 vii 4.2 项 目 实 例 1 学 生 档 案 管 理 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 项 目 实 例 2 教 师 工 资 管 理 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 5 章 电 子 演 示 文 稿 制 作 PowerPoint 2003 基 础 PowerPoint 2003 的 窗 口 组 成 PowerPoint 2003 的 视 图 方 式 幻 灯 片 的 基 本 操 作 项 目 实 例 1 电 子 贺 卡 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 项 目 实 例 2 公 司 简 介 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 6 章 网 页 制 作 FrontPage 2003 基 础 网 页 与 HTML FrontPage 2003 的 基 本 功 能 FrontPage 2003 的 窗 口...224

11 viii 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 6.2 项 目 实 例 1 个 人 网 站 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 项 目 实 例 2 公 司 网 站 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 7 章 计 算 机 网 络 基 础 与 基 本 应 用 网 络 的 基 本 知 识 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 计 算 机 网 络 通 信 协 议 局 域 网 基 本 技 术 Internet 概 述 Internet 的 形 成 与 发 展 Internet 在 中 国 的 发 展 Internet 提 供 的 主 要 服 务 及 信 息 发 布 Internet 基 本 技 术 项 目 实 例 1 小 型 局 域 网 的 构 建 与 应 用 项 目 要 求 科 学 出 版 社 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 项 目 实 例 2 信 息 浏 览 与 搜 索 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶 项 目 交 流 项 目 实 例 3 电 子 邮 件 的 使 用 项 目 要 求 项 目 实 现 项 目 进 阶...294

12 目 录 ix 项 目 交 流 本 章 提 要 基 础 知 识 练 习 能 力 拓 展 与 训 练 第 8 章 综 合 项 目 子 项 目 1 建 立 网 站 文 件 夹 子 项 目 2 搜 集 相 关 资 料 子 项 目 3 求 职 简 历 子 项 目 4 专 业 简 介 子 项 目 5 生 活 收 支 统 计 表 子 项 目 6 兴 趣 爱 好 参 考 文 献...301

13 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 信 息 技 术 是 当 今 世 界 崭 新 的 生 产 力, 信 息 产 业 也 已 成 为 全 球 第 一 大 产 业, 它 在 经 济 军 事 教 育 科 技 以 及 全 社 会 各 领 域 中 所 起 的 作 用 已 无 法 比 拟 本 章 从 信 息 的 概 念 谈 起, 讲 述 计 算 机 和 信 息 技 术 的 基 本 知 识 1.1 信 息 与 信 息 技 术 信 息 的 概 念 及 特 征 1. 信 息 的 概 念 作 为 一 个 科 学 概 念, 信 息 最 早 出 现 于 通 信 领 域 关 于 信 息 的 概 念, 不 同 学 科 及 其 学 者 在 自 己 学 科 领 域 内 有 不 同 的 理 解, 主 要 有 以 下 几 种 1) 信 息 是 不 确 定 性 内 容 的 减 少 或 消 除 1948 年, 信 息 论 的 创 始 人 香 农 (Shannon) 认 为, 信 息 是 可 以 减 少 或 消 除 不 确 定 性 的 内 容 当 人 们 利 用 各 种 方 法 手 段, 对 客 观 事 物 的 认 识 从 不 清 楚 变 得 较 清 楚 或 完 全 清 楚 时, 不 确 定 性 的 内 容 就 减 少 或 消 除 了, 这 时 就 获 得 了 关 于 这 些 事 物 的 信 息 2) 信 息 是 控 制 系 统 进 行 调 节 活 动 时, 与 外 界 相 互 作 用 相 互 交 换 的 内 容 1950 年, 控 制 论 的 创 始 人 维 纳 (N.Wiener) 提 出 : 信 息 就 是 我 们 对 外 界 进 行 调 节 并 使 我 们 的 调 节 为 外 界 所 了 解 时 而 与 外 界 交 换 来 的 东 西 例 如, 人 与 人 相 互 交 换 信 息 ; 人 与 计 算 机 相 互 交 换 信 息 等 3) 信 息 是 事 物 运 动 的 状 态 和 状 态 变 化 的 形 式 信 息 是 关 于 事 物 状 态 以 及 客 观 事 实 的 可 以 通 信 的 知 识 信 息 来 源 于 物 质 和 物 质 的 运 动, 反 映 了 事 物 的 状 态 特 征 及 其 变 化, 体 现 了 人 们 对 事 物 的 认 识 和 理 解 程 度 我 国 信 息 专 家 钟 义 信 教 授 曾 提 出 : 事 物 的 信 息 是 该 事 物 运 动 的 状 态 和 状 态 变 化 的 方 式, 包 括 这 些 状 态 和 方 式 的 外 在 形 式 内 在 含 义 和 实 际 效 用 4) 信 息 是 经 过 加 工 的 能 够 对 接 受 者 的 行 为 和 决 策 产 生 影 响 的 数 据 信 息 是 一 种 经 过 处 理 加 工 后 的 数 据, 因 而 具 有 知 识 的 含 义, 而 且 是 可 以 保 存 和 传 递 的 总 之, 信 息 是 一 个 不 断 变 化 和 发 展 的 概 念, 它 既 具 有 物 质 性, 又 具 有 社 会 性 它 是 一 个 多 元 化 多 层 次 多 功 能 的 复 杂 综 合 体, 应 从 不 同 角 度 和 侧 面 来 考 察 信 息 是 人 们 对 客 观 存 在 的 一 切 事 物 的 反 映, 是 通 过 载 体 所 发 出 的 消 息 情 报 指 令 数 据 信 号 中 所 包 含 的 一 切 可 传 递 和 交 换 的 知 识 内 容 人 类 生 存 的 三 大 要 素 是 物 质 能 量 和 信 息 2. 信 息 的 主 要 特 征 信 息 的 特 征 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 科 学 出 版 社

14 2 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 (1) 社 会 性 信 息 一 开 始 就 直 接 联 系 于 社 会 应 用, 它 只 有 经 过 人 类 加 工 取 舍 组 合, 并 通 过 一 定 的 形 式 表 现 出 来 才 真 正 具 有 使 用 价 值 信 息 化 的 发 展 表 现 为 对 政 治 经 济 文 化 日 常 生 活 等 各 个 方 面 的 深 刻 影 响 或 改 变 (2) 传 递 性 信 息 的 传 递 性 是 指 任 何 只 有 从 信 源 出 发, 经 过 信 息 载 体 传 递 才 能 被 信 宿 接 收 并 进 行 处 理 和 运 用 ; 也 就 是 说, 信 息 可 以 在 时 间 上 或 空 间 上 从 一 点 转 移 至 另 一 点, 可 以 通 过 语 言 动 作 文 献 通 信 电 子 计 算 机 等 各 种 媒 体 媒 介 传 递, 而 且 信 息 的 传 递 不 受 时 间 和 空 间 限 制 信 息 在 空 间 中 的 传 递 称 为 通 信 ; 信 息 在 时 间 上 的 传 递 称 为 存 储 (3) 共 享 性 信 息 的 共 享 性 主 要 是 指 信 息 作 为 一 种 资 源, 不 同 个 体 或 群 体 在 同 一 时 间 或 不 同 时 间 可 以 共 同 享 用 (4) 不 灭 性 信 息 从 信 息 源 发 出 后, 其 自 身 的 信 息 量 并 没 有 减 少, 即 信 息 并 不 因 为 被 使 用 而 消 失, 它 可 以 被 大 量 复 制 长 期 保 存 重 复 使 用 信 息 的 提 供 者 并 不 因 为 提 供 了 信 息 而 失 去 了 原 有 的 信 息 内 容 和 信 息 量 各 用 户 分 享 的 信 息 份 额 也 不 因 为 分 享 人 的 多 少 而 受 影 响 (5) 时 效 性 时 效 性 是 指 信 息 应 能 反 映 事 物 最 新 变 化 状 态 例 如, 基 于 知 识 的 信 息 产 业 是 竞 争 最 激 烈 变 化 最 急 剧 的 产 业, 在 这 一 领 域 内, 哪 怕 对 知 识 与 信 息 的 获 取 与 利 用 只 领 先 或 落 后 几 个 星 期 几 天 甚 至 几 个 小 时, 都 足 以 使 一 个 企 业 成 为 暴 发 户 或 面 临 破 产 (6) 能 动 性 信 息 的 产 生 存 在 和 流 通, 依 赖 于 物 质 和 能 量, 反 过 来 信 息 又 能 动 地 控 制 或 支 配 物 质 和 能 量 的 流 动, 并 对 改 变 其 价 值 产 生 影 响 例 如, 信 息 社 会 的 新 型 人 才 必 须 具 备 很 强 的 信 息 获 取 信 息 分 析 和 信 息 加 工 能 力, 它 不 仅 是 信 息 社 会 经 济 发 展 对 新 型 人 才 提 出 的 基 本 要 求, 也 是 推 动 信 息 社 会 向 前 发 展 的 基 础 (7) 客 观 性 信 息 的 客 观 性 是 指 信 息 是 客 观 存 在 的 信 息 的 产 生 源 于 物 质, 信 息 产 生 后 又 必 须 依 附 于 物 质, 因 此 信 息 包 含 于 任 何 物 质 中 信 息 技 术 1. 信 息 技 术 的 概 念 信 息 技 术 的 概 念, 因 使 用 的 目 的 范 围 层 次 不 同 而 有 不 同 的 表 述 广 义 而 言, 信 息 技 术 是 指 能 充 分 利 用 与 扩 展 人 类 信 息 器 官 功 能 的 各 种 方 法 工 具 与 技 能 的 总 和 该 定 义 强 调 的 是 从 哲 学 上 阐 述 信 息 技 术 与 人 的 本 质 关 系 中 义 而 言, 信 息 技 术 是 指 对 信 息 进 行 采 集 传 输 存 储 加 工 表 达 的 各 种 技 术 之 和 该 定 义 强 调 的 是 人 们 对 信 息 技 术 功 能 与 过 程 的 一 般 理 解 狭 义 而 言, 信 息 技 术 是 指 利 用 计 算 机 网 络 广 播 电 视 等 各 种 硬 件 设 备 软 件 工 具

15 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 3 与 科 学 方 法, 对 文 图 声 像 各 种 信 息 进 行 获 取 加 工 存 储 传 输 与 使 用 的 技 术 之 和 该 定 义 强 调 的 是 信 息 技 术 的 现 代 化 与 高 科 技 含 量 因 而 可 以 认 为, 信 息 技 术 的 内 涵 包 括 两 个 方 面 : 一 方 面 是 手 段, 即 各 种 信 息 媒 体, 例 如 印 刷 媒 体 电 子 媒 体 计 算 机 网 络 等, 是 一 种 物 化 形 态 的 技 术 ; 另 一 方 面 是 方 法, 即 运 用 信 息 媒 体 对 各 种 信 息 进 行 采 集 加 工 存 储 交 流 应 用 的 方 法, 是 一 种 智 能 形 态 的 技 术 信 息 技 术 就 是 由 信 息 媒 体 和 信 息 媒 体 应 用 的 方 法 两 个 要 素 所 组 成 的 2. 信 息 技 术 的 影 响 信 息 技 术 对 人 类 社 会 影 响 的 主 流 是 积 极 的, 体 现 在 以 下 几 个 方 面 1) 对 经 济 的 影 响 信 息 技 术 有 助 于 个 人 和 社 会 更 好 地 使 用 知 识 和 智 慧, 使 其 充 分 发 挥 其 潜 力, 缩 小 国 际 社 会 中 的 信 息 与 知 识 差 距 ; 有 助 于 减 少 物 质 资 源 和 能 源 的 消 耗 ; 有 助 于 提 高 劳 动 生 产 率, 增 加 产 品 知 识 含 量, 降 低 生 产 成 本, 提 高 竞 争 力 ; 提 高 了 国 民 经 济 宏 观 调 控 管 理 水 平 经 济 运 行 质 量 和 经 济 效 益 2) 对 教 育 的 影 响 随 着 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 素 质 教 育 的 全 面 实 施 和 教 育 信 息 化 的 快 速 推 进, 信 息 技 术 已 逐 渐 成 为 服 务 于 教 育 事 业 的 一 项 重 要 技 术 3) 对 管 理 的 影 响 信 息 技 术 有 助 于 更 新 管 理 理 念 改 变 管 理 组 织, 使 管 理 结 构 由 金 字 塔 型 变 为 矩 阵 型 ; 有 助 于 完 善 管 理 方 法, 以 适 应 虚 拟 办 公 电 子 商 务 等 新 的 运 作 方 式 4) 对 科 研 的 影 响 应 用 信 息 技 术 有 助 于 科 学 研 究 前 期 工 作 的 顺 利 开 展 ; 有 助 于 提 高 科 研 工 作 效 率 ; 有 助 于 科 学 研 究 成 果 的 及 时 发 表 5) 对 文 化 的 影 响 信 息 技 术 促 进 了 不 同 国 度 不 同 民 族 之 间 文 化 的 交 流 与 学 习, 使 文 化 更 加 开 放 化 和 大 众 化 6) 对 生 活 的 影 响 信 息 技 术 给 人 们 的 生 活 质 量 带 来 了 巨 大 的 变 化, 电 脑 Internet 信 息 高 速 公 路 新 能 源 新 材 料 纳 米 技 术 等 在 生 产 生 活 中 广 泛 应 用, 使 人 类 社 会 向 着 个 性 化 休 闲 化 方 向 发 展 信 息 技 术 也 带 来 了 一 些 负 面 影 响, 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 1) 信 息 泛 滥 信 息 技 术 的 发 展 导 致 信 息 爆 炸, 信 息 量 的 增 加 大 大 超 出 了 人 们 的 接 受 能 力, 有 可 能 带 来 各 种 各 样 的 社 会 问 题 2) 信 息 污 染 随 着 信 息 流 动 量 的 增 大, 信 息 污 染 也 成 为 人 们 关 注 的 问 题, 例 如, 一 些 错 误 信 息 冗 余 信 息 污 秽 信 息 计 算 机 病 毒 等, 侵 占 了 信 息 存 储 容 量, 影 响 了 信 息 处 理 和 传 输 速 度, 污 染 了 信 息 环 境 3) 信 息 犯 罪 近 年 来, 出 现 了 利 用 计 算 机 和 信 息 网 络 进 行 高 科 技 信 息 犯 罪 的 现 象 例 如, 利 用 计 算 机 网 络 进 行 经 济 诈 骗, 贩 卖 色 情, 散 布 谣 言, 窃 取 个 人 企 业 政 府 的 机 密 等 4) 信 息 渗 透 信 息 化 发 展 的 渗 透 性 表 现 为 对 国 家 或 世 界 社 会 政 治 经 济 文 化 日 常 生 活 等 各 个 层 面 的 深 刻 影 响 或 改 变, 这 使 得 各 民 族 文 化 的 独 特 性 和 差 异 性 也 受 到 了 挑 战 科 学 出 版 社

16 4 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 信 息 化 与 信 息 化 社 会 信 息 化 涉 及 国 民 经 济 各 个 领 域, 它 的 意 义 不 仅 限 于 技 术 革 命 产 业 发 展, 信 息 化 正 逐 步 成 为 推 动 世 界 经 济 和 社 会 全 面 发 展 的 关 键 因 素, 成 为 人 类 进 步 的 新 标 志 1. 信 息 化 信 息 化 就 是 在 人 类 社 会 各 领 域 普 遍 地 大 量 地 采 用 现 代 信 息 技 术, 从 而 大 大 提 高 社 会 生 产 力 和 生 活 质 量 的 过 程 信 息 化 是 与 工 业 化 现 代 化 一 样, 是 一 个 动 态 变 化 的 过 程 在 这 个 过 程 中 包 含 三 个 层 面 六 大 要 素 (1) 三 个 层 面 所 谓 三 个 层 面, 一 是 信 息 技 术 的 开 发 和 应 用 过 程, 是 信 息 化 建 设 的 基 础 ; 二 是 信 息 资 源 的 开 发 和 利 用 过 程, 是 信 息 化 建 设 的 核 心 与 关 键 ; 三 是 信 息 产 品 制 造 业 不 断 发 展 的 过 程, 是 信 息 化 建 设 的 重 要 支 撑 这 三 个 层 面 是 相 互 促 进, 共 同 发 展 的 过 程, 也 是 工 业 社 会 向 信 息 社 会 演 化 的 动 态 过 程 (2) 六 大 要 素 所 谓 六 大 要 素 是 指 信 息 网 络 信 息 资 源 信 息 技 术 信 息 产 业 信 息 法 规 环 境 和 信 息 人 才 这 三 个 层 面 六 大 要 素 相 互 作 用 的 过 程 就 构 成 了 信 息 化 的 全 部 内 容 就 是 说 信 息 化 就 是 在 经 济 和 社 会 活 动 中, 通 过 普 遍 采 用 信 息 技 术 和 电 子 信 息 装 备, 更 有 效 地 开 发 和 利 用 信 息 资 源, 推 动 经 济 发 展 和 社 会 进 步, 使 利 用 了 信 息 资 源 创 造 的 劳 动 价 值 在 国 民 生 产 总 值 中 的 比 重 逐 步 上 升 直 至 占 主 导 地 位 的 过 程 2. 信 息 化 社 会 主 要 特 征 信 息 化 社 会 具 有 如 下 几 个 基 本 特 征 (1) 高 渗 透 性 信 息 的 渗 透 性 决 定 了 信 息 化 发 展 的 普 遍 服 务 原 则, 信 息 化 发 展 的 基 本 目 标 就 是 要 让 每 个 社 会 成 员 都 有 权 利 有 能 力 享 用 信 息 化 发 展 的 成 果, 从 而 彻 底 改 变 社 会 诸 方 面 的 生 存 状 态 (2) 生 存 空 间 的 网 络 化 这 里 的 网 络 化 不 仅 仅 包 括 技 术 方 面 的 网 络 之 间 互 通 互 联, 而 且 强 调 基 于 这 种 物 质 载 体 之 上 的 网 络 化 社 会 政 治 经 济 和 生 活 形 态 的 网 络 化 互 动 关 系 (3) 信 息 劳 动 者 脑 力 劳 动 者 的 作 用 日 益 增 大 信 息 化 的 发 展 大 大 加 快 了 各 主 体 之 间 的 信 息 交 流 和 知 识 传 播 的 速 度 和 效 率 信 息 化 水 平 提 高 必 然 表 现 为 国 家 人 口 素 质 的 普 遍 提 高 从 事 信 息 的 生 产 存 储 分 配 交 换 活 动 的 劳 动 者 及 从 事 相 关 种 类 工 作 的 劳 动 者 的 人 数 和 比 重, 正 在 急 剧 增 加 中 3. 我 国 的 信 息 化 建 设 我 国 信 息 化 就 是 在 国 家 统 一 规 划 和 组 织 下, 在 农 业 工 业 科 学 技 术 国 防 及 社 会

17 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 5 生 活 各 个 方 面 应 用 现 代 化 信 息 技 术, 深 入 开 发 广 泛 利 用 信 息 资 源, 加 速 实 现 国 家 现 代 化 的 进 程 我 国 政 府 认 识 到 发 展 信 息 基 础 设 施 的 重 要 性, 并 把 对 信 息 基 础 设 施 的 建 设 提 高 到 经 济 全 局 的 战 略 地 位 当 前 我 国 信 息 化 建 设 取 得 的 成 绩 体 现 在 以 下 几 个 方 面 1) 信 息 产 业 高 速 发 展, 产 业 规 模 迅 速 扩 大 2) 信 息 基 础 设 施 已 具 有 相 当 规 模 3) 电 子 信 息 产 品 制 造 业 软 件 业 为 信 息 化 提 供 装 备 的 能 力 增 强 4) 互 联 网 迅 速 发 展 5) 信 息 化 重 大 工 程 取 得 显 著 成 效 我 国 信 息 化 建 设 的 24 字 方 针 是 : 统 筹 规 划 国 家 主 导 ; 统 一 标 准 联 合 建 设 ; 互 联 互 通, 资 源 共 享 中 国 国 家 信 息 化 是 指 : 在 国 家 规 划 和 组 织 下, 在 农 业 工 业 科 学 技 术 国 防 及 社 会 生 活 各 个 方 面 应 用 现 代 信 息 技 术, 深 入 开 发 广 泛 利 用 信 息 资 源, 加 速 实 现 国 家 现 代 化 的 进 程 信 息 素 养 信 息 素 养 已 成 为 现 代 人 文 化 素 养 的 一 部 分, 信 息 素 养 的 概 念 现 已 成 为 教 育 中 的 热 门 话 题 各 个 国 家 对 此 做 出 了 积 极 的 反 应 并 制 定 了 相 应 的 标 准 美 国 在 1998 年 制 定 中 学 生 信 息 素 养 标 准 之 后, 又 在 2000 年 制 定 了 美 国 高 等 教 育 信 息 素 养 能 力 标 准, 该 标 准 包 括 五 大 标 准 22 项 执 行 指 标 和 若 干 个 子 项 目, 其 精 华 在 于 : 强 调 理 论 与 实 践 的 结 合 强 调 获 取 与 创 新 能 力 的 凸 现 强 调 公 德 与 法 律 意 识 的 培 养 信 息 素 养 有 广 义 与 狭 义 之 分 广 义 而 言, 信 息 素 养 包 括 信 息 意 识 信 息 能 力 和 信 息 道 德 等 方 面 的 素 质 狭 义 而 言, 信 息 素 养 通 常 只 指 信 息 能 力 总 之, 信 息 素 养 不 仅 包 括 熟 练 运 用 当 代 信 息 技 术 的 基 本 技 能, 还 包 括 获 取 识 别 信 息 加 工 处 理 信 息 传 递 创 造 信 息 的 能 力, 更 重 要 的 是 独 立 自 主 学 习 的 态 度 和 方 法 批 判 精 神 以 及 强 烈 的 社 会 责 任 感 和 参 与 意 识, 并 将 这 些 能 力 用 于 信 息 问 题 的 解 决 和 进 行 创 新 性 思 维 的 综 合 能 力 想 想 议 议 : 在 今 后 的 生 活 中 如 何 提 高 自 己 的 信 息 素 养? 1.2 计 算 机 概 述 计 算 机 是 信 息 化 的 基 础 计 算 机 及 其 应 用 已 渗 透 到 社 会 的 各 个 领 域, 有 力 地 推 动 了 社 会 信 息 化 的 发 展, 计 算 机 技 术 的 普 及 应 用 水 平 已 经 成 为 衡 量 一 个 国 家 和 地 区 现 代 化 水 平 程 度 的 重 要 标 志 计 算 机 的 发 展 1. 计 算 机 的 发 展 史 科 学 出 版 社 现 代 科 学 技 术 的 发 展 及 信 息 在 社 会 中 的 重 要 地 位, 导 致 了 计 算 工 具 的 创 新 1936

18 6 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 年, 年 仅 24 岁 的 英 国 人 图 灵 发 表 了 著 名 的 论 应 用 于 决 定 问 题 的 可 计 算 数 字 一 文, 提 出 思 考 实 验 原 理 计 算 机 概 念 图 灵 把 人 在 计 算 时 所 做 的 工 作 分 解 成 简 单 的 动 作, 与 人 的 计 算 类 似, 机 器 需 要 :1 存 储 器, 用 于 储 存 计 算 结 果 ;2 一 种 语 言, 表 示 运 算 和 数 字 ; 3 扫 描 ;4 计 算 意 向, 即 在 计 算 过 程 中 下 一 步 打 算 做 什 么 ;5 执 行 下 一 步 计 算 图 灵 还 采 用 了 二 进 位 制 这 样, 他 就 把 人 的 工 作 机 械 化 了 这 种 理 想 中 的 机 器 被 称 为 图 灵 机 1946 年 2 月 世 界 上 第 一 台 电 子 数 字 计 算 机 埃 尼 阿 克 (ENIAC) 在 美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学 诞 生, 它 与 以 前 的 计 算 工 具 相 比, 计 算 速 度 快 精 度 高 能 按 给 定 的 程 序 自 动 进 行 计 算 设 计 这 台 计 算 机 的 总 工 程 师 埃 克 特 (J.Eckert) 当 时 年 仅 24 岁 ENIAC 共 用 了 多 只 电 子 管, 重 量 达 30 吨, 占 地 170 平 方 米, 每 小 时 耗 电 150 千 瓦, 真 可 谓 庞 然 大 物 但 它 与 现 代 计 算 机 相 比 相 差 甚 远 : 速 度 慢, 每 秒 钟 只 能 作 五 千 次 加 法 运 算 ; 存 储 容 量 小, 而 且 全 部 指 令 还 没 有 存 放 在 存 储 器 中 ; 操 作 复 杂 稳 定 性 差 尽 管 如 此, 它 标 志 着 科 学 技 术 的 发 展 进 入 了 新 的 时 代 电 子 计 算 机 时 代 从 第 一 台 电 子 计 算 机 的 诞 生 到 现 在, 计 算 机 的 发 展 随 着 所 采 用 的 电 子 器 件 的 变 化, 已 经 历 了 四 代 (1) 第 一 代 (1946~1958 年 ) 电 子 管 计 算 机 这 一 代 计 算 机 的 主 要 特 征 是 : 以 电 子 管 为 基 本 电 子 器 件 ; 使 用 机 器 语 言 和 汇 编 语 言 ; 应 用 领 域 主 要 局 限 于 科 学 计 算 ; 运 算 速 度 每 秒 只 有 几 千 次 至 几 万 次 由 于 体 积 大 功 率 大 价 格 昂 贵 且 可 靠 性 差, 因 此, 很 快 被 新 一 代 计 算 机 所 替 代 然 而, 第 一 代 计 算 机 奠 定 了 计 算 机 发 展 的 科 学 基 础 (2) 第 二 代 (1959~1964 年 ) 晶 体 管 计 算 机 这 一 代 计 算 机 的 主 要 特 征 是 : 晶 体 管 取 代 了 电 子 管 ; 软 件 技 术 上 出 现 了 算 法 语 言 和 编 译 系 统 ; 应 用 领 域 从 科 学 计 算 扩 展 到 数 据 处 理 ; 运 算 速 度 已 达 到 每 秒 几 万 次 至 几 十 万 次, 此 外, 体 积 缩 小, 功 耗 降 低, 可 靠 性 有 所 提 高 (3) 第 三 代 (1965~1970 年 ) 中 小 规 模 集 成 电 路 这 一 代 计 算 机 的 主 要 特 征 是 : 普 遍 采 用 了 集 成 电 路, 使 体 积 功 耗 均 显 著 减 少, 可 靠 性 大 大 提 高 ; 运 算 速 度 每 秒 几 十 万 次 至 几 百 万 次 ; 在 此 期 间, 出 现 了 向 大 型 和 小 型 化 两 级 发 展 的 趋 势, 计 算 机 品 种 多 样 化 和 系 列 化 ; 同 时, 操 作 系 统 的 出 现, 使 得 软 件 技 术 与 计 算 机 外 围 设 备 发 展 迅 速, 应 用 领 域 不 断 扩 大 (4) 第 四 代 (1971 年 至 今 ) 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 这 一 代 计 算 机 的 主 要 特 征 是 : 中 大 及 超 大 规 模 集 成 电 路 (VLSI) 成 为 计 算 机 的 主 要 器 件 ; 运 算 速 度 已 达 每 秒 几 十 万 亿 次 以 上 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 发 展, 进 一 步 缩 小 了 计 算 机 的 体 积 和 功 耗, 增 强 了 计 算 机 的 功 能 ; 多 机 并 行 处 理 与 网 络 化 是 第 四 代 计 算 机 的 又 一 重 要 特 征, 大 规 模 并 行 处 理 系 统 分 布 式 系 统 计 算 机 网 络 的 研 究 和 实 施 进 展 迅 速 ; 系 统 软 件 的 发 展 不 仅 实 现 了 计 算 机 运 行 的 自 动 化, 而 且 正 在 向 工 程 化 和 智 能 化 迈 进 另 外, 智 能 化 计 算 机 也 可 以 称 为 第 五 代 计 算 机, 其 目 标 是 使 计 算 机 像 人 类 那 样 具 有 听 说 写 逻 辑 推 理 判 断 和 自 我 学 习 能 力 2. 我 国 计 算 机 的 发 展 情 况 我 国 电 子 计 算 机 的 研 究 是 从 1953 年 开 始 的,1958 年 中 国 科 学 院 计 算 技 术 研 究 所 研

19 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 7 制 出 第 一 台 计 算 机 即 103 型 通 用 数 字 电 子 计 算 机, 它 属 于 第 一 代 电 子 管 计 算 机 ;20 世 纪 60 年 代 初, 我 国 开 始 研 制 和 生 产 第 二 代 计 算 机 1965 年 研 制 成 功 第 一 台 晶 体 管 计 算 机 DJS-5 小 型 机, 随 后 又 研 制 成 功 并 小 批 量 生 产 等 5 种 晶 体 管 计 算 机 ;1977 年 4 月 我 国 研 制 成 功 第 一 台 微 型 计 算 机 DJS-050, 从 此 揭 开 了 中 国 微 型 计 算 机 的 发 展 历 史, 我 国 的 计 算 机 发 展 开 始 进 入 第 四 代 计 算 机 时 期 ;1983 年 国 防 科 技 大 学 研 制 成 功 每 秒 能 进 行 1 亿 次 运 算 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 ;1992 年 国 防 科 技 大 学 研 制 成 功 的 银 河 Ⅱ 巨 型 机 峰 值 速 度 达 每 秒 4 亿 次 浮 点 运 算 ( 相 当 于 每 秒 10 亿 次 基 本 运 算 操 作 );1997 年 国 防 科 技 大 学 研 制 的 银 河 Ⅲ 巨 型 机 每 秒 能 进 行 130 亿 次 运 算 在 国 际 科 技 竞 争 日 益 激 烈 的 今 天, 高 性 能 计 算 机 技 术 及 应 用 水 平 已 成 为 展 示 综 合 国 力 的 一 种 标 志 1995 年 5 月 曙 光 1000 研 制 完 成, 这 是 我 国 独 立 研 制 的 第 一 套 大 规 模 并 行 计 算 机 系 统 1998 年, 曙 光 2000-I 诞 生, 它 的 峰 值 运 算 为 每 秒 200 亿 次 1999 年, 曙 光 2000-Ⅱ 超 级 服 务 器 问 世, 其 峰 值 速 度 达 到 每 秒 1117 亿 次, 内 存 高 达 50GB 1999 年 9 月 神 威 -I 号 并 行 计 算 机 研 制 成 功 并 投 入 运 行, 其 峰 值 运 算 速 度 达 到 每 秒 3840 亿 次, 它 是 我 国 在 巨 型 计 算 机 研 制 和 应 用 领 域 取 得 的 重 大 成 果, 标 志 着 我 国 继 美 国 日 本 之 后, 成 为 世 界 上 第 3 个 具 备 研 制 高 性 能 计 算 机 能 力 的 国 家 2003 年 曙 光 信 息 产 业 有 限 公 司 推 出 了 全 球 运 算 速 度 最 快 的 商 品 化 高 性 能 计 算 机 曙 光 4000A, 它 采 用 2192 个 主 频 为 2.4GHz 的 64 位 处 理 器, 运 算 峰 值 达 每 秒 10 万 亿 次, 位 居 世 界 高 性 能 计 算 机 的 第 10 位 2002 年 9 月, 我 国 首 款 可 商 业 化 拥 有 自 主 知 识 产 权 的 32 位 通 用 高 性 能 CPU 龙 芯 1 号 研 制 成 功, 标 志 我 国 在 现 代 通 用 微 处 理 器 设 计 方 面 实 现 了 零 的 突 破 2005 年 4 月, 我 国 首 款 64 位 通 用 高 性 能 微 处 理 器 龙 芯 2 号 正 式 发 布, 最 高 频 率 为 500MHz, 功 耗 仅 为 3~5W, 已 达 到 Pentium Ⅲ 的 水 平 2008 年 9 月 16 日, 我 国 首 台 超 百 万 亿 次 超 级 计 算 机 曙 光 5000A 在 天 津 下 线, 峰 值 性 能 为 每 秒 230 万 亿 次 2009 年 10 月 29 日, 我 国 第 一 台 国 产 千 万 亿 次 天 河 一 号 超 级 计 算 机 在 湖 南 长 沙 问 世, 它 是 当 年 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 研 制 千 万 亿 次 超 级 计 算 机 的 国 家 天 河 一 号 全 系 统 峰 值 性 能 为 每 秒 1206 万 亿 次 2010 年 6 月 1 日, 我 国 自 主 研 发 的 第 一 台 超 千 万 次 曙 光 星 云 超 级 计 算 机 系 统 问 世, 其 超 强 的 计 算 能 力 不 仅 刷 新 了 中 国 高 性 能 计 算 机 的 最 高 速 度, 也 创 造 了 中 国 高 性 能 计 算 机 全 球 排 名 的 最 好 成 绩, 其 综 合 计 算 速 度 排 名 世 界 第 二, 峰 值 计 算 能 力 名 列 全 球 第 一 星 云 峰 值 性 能 为 每 秒 近 3000 万 亿 次 想 想 议 议 : 根 据 计 算 机 的 发 展 过 程 推 测 未 来 计 算 机 发 展 方 向? 3. 计 算 机 的 发 展 趋 势 科 学 出 版 社 随 着 大 规 模 集 成 电 路 的 迅 速 发 展, 各 种 类 型 的 计 算 机 都 得 到 了 迅 速 发 展 当 前, 计 算 机 主 要 朝 着 以 下 几 个 方 向 发 展 (1) 微 型 化 微 型 化 是 指 追 求 体 积 的 进 一 步 缩 小 运 算 速 度 的 进 一 步 提 高 存 储 容 量 不 断 加 大 功 能 更 加 完 善 可 靠 应 用 灵 活 方 便 价 格 更 加 便 宜 微 型 化 反 映 了 计 算 机 的 应 用 程 度 (2) 巨 型 化 追 求 大 容 量 高 速 度, 为 尖 端 科 学 领 域 的 数 值 分 析 与 计 算 提 供 帮 助, 例 如 火 箭 导

20 8 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 弹 人 造 卫 星 宇 宙 飞 船 的 研 制 气 象 预 报 的 数 值 分 析 与 计 算 等 巨 型 计 算 机 目 前 速 度 可 达 每 秒 几 百 万 亿 次 浮 点 计 算, 它 代 表 了 计 算 机 的 发 展 水 平 并 行 处 理 技 术 是 巨 型 计 算 机 发 展 的 基 础 (3) 网 络 化 21 世 纪 人 类 步 入 了 信 息 时 代, 从 简 单 的 远 程 终 端 联 机 到 遍 布 全 球 的 Internet, 信 息 的 共 享 和 通 信 已 成 为 计 算 机 应 用 的 主 流 之 一 (4) 智 能 化 智 能 化 是 指 利 用 新 技 术 新 材 料 研 制 的 计 算 机 与 仿 生 学 控 制 论 等 边 缘 学 科 结 合, 把 信 息 采 集 存 储 处 理 通 信 同 人 工 智 能 结 合 在 一 起, 用 计 算 机 来 模 拟 人 类 的 高 级 思 维 活 动 在 这 一 领 域 最 具 代 表 性 的 是 专 家 系 统 和 机 器 人 (5) 多 媒 体 技 术 多 媒 体 技 术 能 将 大 量 信 息 以 数 值 文 字 声 音 图 形 图 像 视 频 等 形 式 进 行 表 现, 极 大 地 改 善 丰 富 了 人 机 界 面, 能 够 充 分 运 用 人 的 听 觉 视 觉 高 效 率 地 接 收 信 息 (6) 非 冯 诺 依 曼 体 系 结 构 的 计 算 机 非 冯 诺 依 曼 体 系 结 构 是 提 高 现 代 计 算 机 性 能 的 另 一 个 研 究 焦 点 冯 诺 依 曼 体 系 结 构 虽 然 为 计 算 机 的 发 展 奠 定 了 基 础, 但 是 它 的 集 中 顺 序 控 制 方 面 的 串 行 机 制, 却 成 为 进 一 步 提 高 计 算 机 性 能 的 瓶 颈, 而 提 高 计 算 机 性 能 的 方 向 之 一 是 并 行 处 理 因 此 出 现 了 非 冯 诺 依 曼 体 系 结 构 的 计 算 机 理 论 1) 生 物 计 算 机 近 几 年 受 人 关 注 的 DNA 计 算 是 基 于 生 物 分 子 的 计 算 和 通 信 过 程, 主 要 特 点 是 大 规 模 并 行 处 理 及 分 布 式 存 储 除 此 之 外, 生 物 计 算 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 和 碳 基 结 合 起 来 的 混 合 技 术 2) 光 子 计 算 机 随 着 计 算 机 芯 片 的 处 理 速 度 的 加 快, 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 所 以, 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, 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 另 外, 还 有 分 子 计 算 机 量 子 计 算 机 等, 尽 管 它 们 离 实 用 还 有 些 遥 远, 但 这 些 技 术 将 引 发 计 算 机 技 术 革 命 的 潜 力 计 算 机 的 特 点 1. 运 算 速 度 快 计 算 机 运 算 速 度 从 诞 生 时 的 几 千 次 / 秒 发 展 到 几 千 万 亿 次 / 秒 以 上, 使 得 过 去 繁 琐 的 计 算 工 作, 现 在 在 极 短 的 时 间 内 就 能 完 成 2. 计 算 精 度 高 计 算 机 采 用 二 进 制 进 行 运 算, 只 要 配 置 相 关 的 硬 件 电 路 就 可 增 加 二 进 制 数 字 的 长 度, 从 而 提 高 计 算 精 度 目 前 微 型 计 算 机 的 计 算 精 度 可 以 达 到 64 位 二 进 制 数 3. 具 有 记 忆 和 逻 辑 判 断 功 能 记 忆 功 能 是 指 计 算 机 能 存 储 大 量 信 息, 供 用 户 随 时 检 索 和 查 询, 既 能 记 忆 各 类

21 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 9 数 据 信 息, 又 能 记 忆 处 理 加 工 这 些 数 据 信 息 的 程 序 逻 辑 判 断 功 能 是 指 计 算 机 除 了 能 进 行 算 术 运 算 外, 还 能 进 行 逻 辑 运 算 4. 能 自 动 运 行 且 支 持 人 机 交 互 所 谓 自 动 运 行, 就 是 人 们 把 需 要 计 算 机 处 理 的 问 题 编 成 程 序, 存 入 计 算 机 中 ; 当 发 出 运 行 指 令 后, 计 算 机 便 在 该 程 序 控 制 下 依 次 逐 条 执 行, 不 再 需 要 人 工 干 预 人 机 交 互 则 是 在 人 们 想 要 干 预 计 算 机 时, 采 用 问 答 的 形 式, 有 针 对 性 的 解 决 问 题 计 算 机 的 分 类 随 着 计 算 机 的 发 展, 分 类 方 法 也 在 不 断 变 化, 现 在 常 用 的 分 类 方 法 有 以 下 几 种 1. 按 计 算 机 处 理 的 信 号 分 类 (1) 数 字 式 计 算 机 数 字 式 计 算 机 (Digital Computer) 处 理 的 是 脉 冲 变 化 的 离 散 量, 即 以 0 1 组 成 的 二 进 制 数 字 它 的 计 算 精 度 高, 抗 干 扰 能 力 强 日 常 使 用 的 计 算 机 就 是 数 字 式 计 算 机 (2) 模 拟 式 计 算 机 模 拟 式 计 算 机 (Analog Computer) 处 理 的 是 连 续 变 化 的 模 拟 量, 例 如 电 压 电 流 温 度 等 物 理 量 的 变 化 曲 线 其 基 本 运 算 部 件 是 运 算 放 大 器 构 成 的 各 类 运 算 电 路 模 拟 式 计 算 机 解 题 速 度 快 精 度 低 通 用 性 差, 用 于 过 程 控 制, 已 基 本 被 数 字 式 计 算 机 所 取 代 (3) 数 模 混 合 计 算 机 数 模 混 合 计 算 机 (Hybrid Computer) 是 数 字 式 计 算 机 和 模 拟 式 计 算 机 的 结 合 2. 按 计 算 机 的 硬 件 组 合 及 用 途 分 类 (1) 通 用 计 算 机 这 类 计 算 机 硬 件 系 统 是 标 准 的, 并 具 有 扩 展 性, 装 上 不 同 的 软 件 就 可 做 不 同 的 工 作 它 的 通 用 性 强, 应 用 范 围 广 (2) 专 用 计 算 机 这 类 计 算 机 软 硬 件 的 规 模 全 部 根 据 应 用 系 统 的 要 求 配 置, 因 此 具 有 较 好 的 性 能 价 格 比, 但 只 能 完 成 某 个 专 门 任 务 这 类 计 算 机 多 用 于 工 业 控 制 系 统 3. 按 计 算 机 的 规 模 分 类 科 学 出 版 社 当 前 采 用 较 多 的 是 电 气 与 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 于 1989 年 提 出 的 分 类 方 法 (1) 个 人 计 算 机 个 人 计 算 机 (Personal Computer,PC) 即 面 向 个 人 或 家 庭 使 用 的 低 档 微 型 计 算 机, 主 要 分 为 台 式 机 和 便 携 机 两 类 (2) 工 作 站 工 作 站 (Work Station,WS) 是 介 于 PC 机 和 小 型 机 之 间 的 高 档 微 机 它 的 运 算 速 度 快, 主 存 储 器 容 量 大, 易 于 联 网, 通 常 配 有 高 分 辨 率 的 大 屏 幕 显 示 器, 具 有 较 强 的 数

22 10 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 据 处 理 能 力 和 高 性 能 的 图 形 功 能, 特 别 适 合 于 CAD/CAM 和 办 公 室 自 动 化 (3) 小 型 计 算 机 小 型 计 算 机 (Minicomputer) 规 模 较 小 结 构 简 单 成 本 较 低 设 计 周 期 较 短 操 作 简 便 维 护 容 易, 从 而 得 以 广 泛 推 广 应 用 如 用 于 工 业 控 制 数 据 采 集 分 析 计 算 等 (4) 主 机 主 机 (Mainframe) 亦 称 大 型 主 机, 通 常 安 装 在 机 架 内, 它 具 有 大 容 量 存 储 器 多 种 类 型 的 I/O 通 道, 能 同 时 支 持 批 处 理 和 分 时 处 理 等 多 种 工 作 方 式 具 有 通 用 处 理 速 度 快 和 处 理 能 力 强 的 特 点, 一 般 作 为 大 型 客 户 机 / 服 务 器 系 统 中 的 服 务 器, 或 者 终 端 / 主 机 系 统 中 的 主 机 (5) 小 巨 型 计 算 机 小 巨 型 计 算 机 (Minisupercomputer) 与 巨 型 计 算 机 相 比, 特 点 是 价 格 便 宜, 具 有 更 好 的 性 能 价 格 比 (6) 巨 型 计 算 机 巨 型 计 算 机 (Supercomputer) 亦 称 超 级 计 算 机 运 算 速 度 可 达 每 秒 几 千 万 亿 次 以 上, 主 存 容 量 很 大, 处 理 能 力 很 强 生 产 这 类 计 算 机 的 能 力 可 以 反 映 一 个 国 家 的 计 算 机 科 学 水 平 我 国 是 世 界 上 生 产 巨 型 计 算 机 的 少 数 国 家 之 一 计 算 机 的 应 用 随 着 计 算 机 的 飞 速 发 展, 信 息 社 会 对 计 算 机 的 需 求 迅 速 增 长, 使 得 计 算 机 的 应 用 范 围 越 来 越 广 计 算 机 在 各 个 领 域 的 应 用 主 要 有 以 下 几 个 方 面 1. 科 学 计 算 科 学 计 算 也 称 为 数 值 计 算, 指 用 于 完 成 科 学 研 究 和 工 程 技 术 中 提 出 的 数 学 问 题 的 计 算, 是 计 算 机 应 用 最 早 也 是 最 成 熟 的 应 用 领 域 在 数 学 物 理 化 学 天 文 地 理 等 自 然 科 学 领 域 以 及 航 天 汽 车 造 船 建 筑 等 工 程 技 术 领 域 中, 各 种 复 杂 的 计 算 都 是 借 助 计 算 机 完 成 的 2. 数 据 处 理 数 据 处 理 指 的 是 对 信 息 进 行 采 集 查 询 分 类 排 序 统 计 存 储 传 送 等 工 作 这 已 成 为 信 息 社 会 中 必 不 可 少 的 重 要 工 作 目 前, 数 据 处 理 已 广 泛 应 用 于 办 公 室 自 动 化 企 事 业 单 位 管 理 图 像 信 息 系 统 图 书 情 报 检 索 等 领 域 据 统 计, 现 在 世 界 上 80% 的 计 算 机 用 于 数 据 处 理 工 作 3. 过 程 控 制 将 计 算 机 用 来 控 制 各 种 自 动 装 置 自 动 仪 表 生 产 过 程 等 都 称 为 过 程 控 制 或 实 时 控 制 例 如, 工 业 生 产 自 动 化 方 面 的 巡 回 检 测 自 动 记 录 监 视 报 警 自 动 调 控 等 内 容 ; 交 通 运 输 方 面 的 行 车 调 度 ; 农 业 方 面 的 自 动 温 度 湿 度 控 制 ; 家 用 电 器 中 的 某 些 自 动 功 能 等, 都 是 计 算 机 在 这 方 面 的 应 用

23 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 计 算 机 辅 助 工 程 当 前 用 计 算 机 进 行 辅 助 工 作 的 系 统 越 来 越 多, 举 例 如 下 1) 计 算 机 辅 助 设 计 CAD(Computer Aided Design), 即 利 用 计 算 机 辅 助 人 们 进 行 设 计 工 作, 以 便 达 到 提 高 设 计 质 量, 缩 短 设 计 周 期, 使 设 计 实 现 自 动 化 目 前, 建 筑 机 械 服 装 电 子 等 行 业 都 广 泛 采 用 了 CAD 技 术 2) 计 算 机 辅 助 制 造 CAM(Computer Aided Manufacturing), 即 直 接 利 用 计 算 机 控 制 零 部 件 生 产 3) 计 算 机 辅 助 教 学 CAI(Computer Assisted Instruction), 即 利 用 计 算 机 辅 助 进 行 教 学, 把 各 种 教 学 手 段 综 合 化 形 象 化 现 代 化 如 辅 导 学 生 学 习 解 答 问 题 批 改 作 业 编 制 考 题 等 等 4) 计 算 机 辅 助 工 程 CAE(Computer Aided Engineering) 5) 计 算 机 辅 助 测 试 CAT(Computer Aided Testing) 5. 人 工 智 能 人 工 智 能 (Artificial Intelligence,AI) 是 将 人 脑 在 进 行 演 绎 推 理 的 思 维 过 程 规 则 和 所 采 取 的 策 略 技 巧 等 编 成 计 算 机 程 序, 在 计 算 机 中 存 储 一 些 公 理 和 推 理 规 则, 然 后 让 机 器 去 自 动 探 索 解 题 的 方 法, 用 计 算 机 执 行 某 些 与 人 的 智 能 活 动 有 关 的 复 杂 功 能 这 是 计 算 机 应 用 的 一 个 较 新 的 领 域 目 前 研 究 的 方 向 有 : 模 式 识 别 自 然 语 言 理 解 自 动 定 理 证 明 自 动 程 序 设 计 知 识 表 示 机 器 学 习 专 家 系 统 机 器 人 等 6. 网 络 应 用 利 用 网 络 可 以 进 行 网 上 浏 览 检 索 信 息 下 载 软 件 收 发 电 子 邮 件 ( ) 传 真 (FAX) 传 送 文 件 (FTP) 发 布 公 告 (BBS) 参 加 网 上 会 议 (Net Meeting) 阅 读 电 子 报 纸 观 看 体 育 比 赛 收 听 音 乐 参 与 游 戏 参 加 各 种 论 坛 开 展 电 子 商 务 (E-Business) 等 想 想 议 议 : 回 顾 你 在 日 常 生 活 中 享 用 过 计 算 机 哪 些 方 面 的 应 用? 计 算 机 系 统 的 组 成 科 学 出 版 社 一 台 完 整 的 计 算 机 应 包 括 硬 件 部 分 和 软 件 部 分 硬 件 的 功 能 是 接 受 计 算 机 程 序, 并 在 程 序 控 制 下 完 成 数 据 输 入 数 据 处 理 和 输 出 等 任 务 ; 软 件 是 保 证 硬 件 的 功 能 得 以 充 分 发 挥, 并 为 用 户 提 供 良 好 的 工 作 环 境 1946 年 美 籍 匈 牙 利 科 学 家 冯 诺 依 曼 (Von Neumann) 提 出 了 一 个 存 储 程 序 的 计 算 机 方 案 这 个 方 案 包 含 了 以 下 三 个 要 点 1) 采 用 二 进 制 的 形 式 表 示 数 据 和 指 令 2) 将 指 令 和 数 据 存 放 在 存 储 器 中 3) 由 控 制 器 运 算 器 存 储 器 输 入 设 备 和 输 出 设 备 五 大 部 分 组 成 计 算 机 其 工 作 原 理 的 核 心 是 程 序 存 储 和 程 序 控 制, 按 照 这 一 原 理 设 计 的 计 算 机 称 为 冯 诺 依 曼 型 计 算 机 冯 诺 依 曼 型 计 算 机 系 统 由 硬 件 系 统 和 软 件 系 统 两 大 部 分 组

24 12 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 成, 如 图 1.1 所 示 计 算 机 系 统 硬 件 系 统 主 机 中 央 处 理 单 元 控 制 器 内 存 储 器 运 算 器 外 部 设 备 外 存 储 器 输 入 设 备 输 出 设 备 软 件 系 统 系 统 软 件 操 作 系 统 语 言 处 理 系 统 服 务 型 程 序 应 用 软 件 应 用 软 件 包 面 向 问 题 的 应 用 软 件 图 1.1 计 算 机 系 统 的 组 成 计 算 机 硬 件 系 统 计 算 机 的 硬 件 系 统 是 指 由 电 子 部 件 和 机 电 装 置 组 成 的 计 算 机 实 体 如 用 集 成 电 路 芯 片 印 刷 线 路 板 接 插 件 电 子 元 件 和 导 线 等 装 配 成 中 央 处 理 器 存 储 器 及 外 部 设 备 等 计 算 机 的 规 模 不 同, 机 种 和 型 号 不 同, 它 们 在 硬 件 配 置 上 差 别 很 大 但 是, 绝 大 多 数 都 是 根 据 冯 诺 依 曼 计 算 机 体 系 结 构 的 思 想 来 设 计 的, 故 具 有 共 同 的 基 本 配 置, 即 五 大 部 件 : 控 制 器 运 算 器 存 储 器 输 入 设 备 和 输 出 设 备 运 算 器 和 控 制 器 合 称 为 中 央 处 理 单 元, 即 CPU(Central Processing Unit), 它 是 计 算 机 的 核 心 计 算 机 硬 件 系 统 中 五 大 部 件 的 相 互 关 系, 如 图 1.2 所 示 其 中 空 心 线 代 表 数 据 流, 实 心 线 代 表 控 制 流 输 入 设 备 存 储 器 运 算 器 输 出 设 备 外 部 设 备 控 制 器 CPU 图 1.2 计 算 机 硬 件 系 统 中 五 大 部 件 的 相 互 关 系 1. 控 制 器 控 制 器 (Control Unit) 是 计 算 机 的 指 挥 中 心, 它 使 计 算 机 各 部 件 自 动 协 调 地 工 作 控 制 器 每 次 从 存 储 器 中 读 取 一 条 指 令, 经 过 分 析 译 码, 产 生 一 串 操 作 命 令, 发 向 各 个 部 件, 控 制 各 部 件 动 作, 使 整 个 机 器 连 续 地 有 条 不 紊 地 运 行 控 制 器 一 般 是 由 程 序 计 数 器 PC(Program Counter) 指 令 寄 存 器 IR(Instruction Register) 指 令 译 码 器 ID(Instruction

25 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 13 Decoder) 和 操 作 控 制 器 OC(Operation Controler) 等 组 成 程 序 计 数 器 PC 用 来 存 放 下 一 条 指 令 的 地 址, 具 有 自 动 加 1 的 功 能 指 令 寄 存 器 IR 用 来 存 放 当 前 要 执 行 的 指 令 代 码 指 令 译 码 器 ID 用 来 识 别 IR 中 所 存 放 要 执 行 指 令 的 性 质 操 作 控 制 器 OC 根 据 指 令 译 码 器 对 要 执 行 指 令 的 译 码, 产 生 实 现 该 指 令 的 全 部 动 作 的 控 制 信 号 2. 运 算 器 运 算 器 (Arithmetic Unit) 是 一 个 用 于 信 息 加 工 的 部 件 算 术 逻 辑 运 算 单 元 是 运 算 器 的 主 要 部 件, 其 功 能 是 对 数 据 编 码 进 行 算 术 运 算 和 逻 辑 运 算 算 术 运 算 是 按 照 算 术 规 则 进 行 的 运 算 逻 辑 运 算 一 般 泛 指 非 算 术 性 运 算 例 如, 比 较 移 位 逻 辑 加 逻 辑 乘 逻 辑 取 反 及 异 或 操 作 等 运 算 器 通 常 由 运 算 逻 辑 部 件 (ALU) 和 一 系 列 寄 存 器 组 成 3. 存 储 器 存 储 器 (Memory) 的 主 要 功 能 是 存 放 程 序 和 数 据 不 管 是 程 序 还 是 数 据, 在 存 储 器 中 都 是 用 二 进 制 的 形 式 表 示, 统 称 为 信 息 (1) 存 储 器 的 分 类 存 储 器 分 为 内 存 储 器 ( 主 存 储 器 ) 和 外 存 储 器 ( 辅 助 存 储 器 ) 两 类 内 存 储 器 简 称 内 存, 是 计 算 机 各 部 件 信 息 交 流 的 中 心 用 户 通 过 输 入 设 备 输 入 的 程 序 和 数 据 先 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 在 内 存 中, 输 出 设 备 输 出 的 信 息 来 自 内 存, 内 存 中 的 信 息 如 果 要 长 期 保 存 应 送 到 外 存 中 总 之, 内 存 要 与 计 算 机 的 各 个 部 件 打 交 道, 用 来 存 放 现 行 程 序 的 指 令 和 数 据 所 以 内 存 的 存 取 速 度 直 接 影 响 计 算 机 的 运 算 速 度 目 前 大 多 数 内 存 由 半 导 体 器 件 构 成, 内 存 储 器 由 许 多 存 储 单 元 组 成, 每 个 存 储 单 元 存 放 一 个 数 据 或 一 条 指 令, 且 有 自 己 的 地 址, 根 据 地 址 就 可 找 到 所 需 的 数 据 和 程 序 内 存 具 有 容 量 小 存 取 速 度 快 停 电 后 数 据 丢 失 的 特 点 外 存 储 器 简 称 外 存, 用 来 存 储 大 量 暂 时 不 参 与 运 算 的 数 据 和 程 序 以 及 运 算 结 果 通 常 外 存 不 和 计 算 机 的 其 他 部 件 直 接 交 换 数 据, 而 是 成 批 地 与 内 存 交 换 信 息 外 存 储 器 具 科 学 出 版 社 有 容 量 大 存 取 速 度 慢 停 电 后 数 据 不 丢 失 的 特 点 常 见 的 外 存 设 备 有 软 盘 硬 盘 闪 盘 光 盘 和 磁 带 等 (2) 存 储 器 有 关 术 语 1) 地 址 整 个 内 存 被 分 成 若 干 存 储 单 元, 每 个 存 储 单 元 都 可 以 存 放 程 序 或 数 据 用 于 标 识 每 个 存 储 单 元 的 唯 一 的 编 号 称 为 地 址 2) 位 一 个 二 进 制 数 (0 或 1) 称 为 位 (Bit, 比 特 ), 是 数 据 的 最 小 单 位 3) 字 节 每 八 个 二 进 制 位 称 为 一 个 字 节 为 了 衡 量 存 储 器 的 容 量, 统 一 以 字 节 (Byte, 简 写 为 B) 为 基 本 单 位 存 储 器 的 容 量 一 般 使 用 KB MB GB TB 表 示, 它 们 之 间 的 关 系 是 1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB, 其 中 1024=2 10 再 往 上 进 阶 还 有 PB EB ZB YB DB NB 等 4) 字 和 字 长 在 计 算 机 中, 作 为 一 个 整 体 被 存 取 或 运 算 的 最 小 信 息 单 位 称 为 单 元 或 字, 每 个 字 中 存 放 的 二 进 制 数 的 长 度 称 为 字 长 计 算 机 字 长, 一 般 指 参 加 运 算 的 寄 存

26 14 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 器 所 能 表 示 的 二 进 制 数 的 位 数 计 算 机 的 功 能 设 计 决 定 了 机 器 的 字 长 机 器 字 长 可 以 是 8 位 16 位 32 位 64 位 等, 显 然, 机 器 字 长 包 括 一 个 或 多 个 字 节 4. 输 入 设 备 输 入 设 备 (Input Device) 用 来 接 受 用 户 输 入 的 原 始 数 据 和 程 序, 并 将 它 们 变 换 为 计 算 机 能 识 别 的 形 式, 存 放 到 内 存 中 常 用 的 输 入 设 备 有 键 盘 鼠 标 扫 描 仪 触 摸 屏 和 语 音 识 别 系 统 等 输 入 设 备 和 主 机 之 间 通 过 接 口 连 接 5. 输 出 设 备 输 出 设 备 (Output Device) 用 于 将 存 放 在 内 存 中 由 计 算 机 处 理 的 结 果 转 变 为 人 们 所 能 接 受 的 形 式 常 用 的 输 出 设 备 有 显 示 器 打 印 机 绘 图 仪 和 音 响 等 外 存 储 器 是 计 算 机 中 重 要 的 外 部 设 备, 它 既 可 以 作 为 输 入 设 备, 也 可 以 作 为 输 出 设 备 总 之, 计 算 机 硬 件 系 统 是 运 行 程 序 的 基 本 组 成 部 分, 人 们 通 过 输 入 设 备 将 程 序 和 数 据 存 入 存 储 器, 运 行 时, 控 制 器 从 存 储 器 中 逐 条 取 出 指 令, 将 其 解 释 成 控 制 命 令, 去 控 制 各 部 件 的 动 作 数 据 在 运 算 器 中 被 加 工 处 理, 处 理 后 的 结 果 通 过 输 出 设 备 输 出 计 算 机 软 件 系 统 软 件 系 统 是 指 为 运 行 管 理 和 维 护 计 算 机 而 编 制 的 各 种 程 序 数 据 和 文 档 的 总 称 程 序 是 完 成 某 一 任 务 的 指 令 或 语 句 的 有 序 集 合 ; 数 据 是 程 序 处 理 的 对 象 和 处 理 的 结 果 ; 文 档 是 描 述 程 序 操 作 及 使 用 的 相 关 资 料 计 算 机 的 软 件 是 计 算 机 硬 件 与 用 户 之 间 的 一 座 桥 梁 软 件 按 其 功 能 分 有 应 用 软 件 和 系 统 软 件 两 大 类 用 户 与 计 算 机 系 统 各 层 次 之 间 的 关 系, 如 图 1.3 所 示 用 户 应 软 用 统 软 系 件 件 计 算 机 硬 件 用 户 用 户 图 1.3 用 户 与 计 算 机 系 统 各 层 次 之 间 的 关 系 1. 系 统 软 件 系 统 软 件 是 指 控 制 计 算 机 的 运 行, 管 理 计 算 机 的 各 种 资 源, 并 为 应 用 软 件 提 供 支 持 和 服 务 的 一 类 软 件, 其 功 能 是 方 便 用 户, 提 高 计 算 机 使 用 效 率, 扩 充 系 统 的 功 能 系 统

27 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 15 软 件 具 有 两 大 特 点 : 一 是 通 用 性, 其 算 法 和 功 能 不 依 赖 特 定 的 用 户, 无 论 哪 个 应 用 领 域 都 可 以 使 用 ; 二 是 基 础 性, 其 他 软 件 都 是 在 系 统 软 件 的 支 持 下 开 发 和 运 行 的 系 统 软 件 是 构 成 计 算 机 系 统 必 备 的 软 件, 通 常 将 系 统 软 件 分 为 以 下 几 类 (1) 操 作 系 统 操 作 系 统 (Operating System,OS) 是 管 理 计 算 机 各 种 资 源 自 动 调 度 用 户 各 种 作 业 程 序 处 理 各 种 中 断 的 软 件 它 是 计 算 机 硬 件 的 第 一 级 扩 充, 是 用 户 与 计 算 机 之 间 的 桥 梁, 是 软 件 中 最 基 础 和 最 核 心 的 部 分 它 的 作 用 是 管 理 计 算 机 中 的 硬 件 软 件 和 数 据 信 息, 支 持 其 他 软 件 的 开 发 和 运 行, 使 计 算 机 能 够 自 动 协 调 高 效 地 工 作 操 作 系 统 多 种 多 样, 常 用 的 操 作 系 统 有 MS-DOS OS/2 UNIX XENIX Linux NetWare Windows 等 (2) 程 序 设 计 语 言 人 们 要 使 用 计 算 机, 就 必 须 与 计 算 机 进 行 交 流, 要 交 流 就 必 须 使 用 计 算 机 语 言 目 前, 程 序 设 计 语 言 可 分 为 四 类 : 机 器 语 言 汇 编 语 言 高 级 语 言 甚 高 级 语 言 1) 机 器 语 言 (Machine Language) 机 器 语 言 是 计 算 机 硬 件 系 统 能 够 直 接 识 别 的 不 需 翻 译 的 计 算 机 语 言 机 器 语 言 中 的 每 一 条 语 句 实 际 上 是 一 条 二 进 制 形 式 的 指 令 代 码, 由 操 作 码 和 操 作 数 组 成 操 作 码 指 出 进 行 什 么 操 作 ; 操 作 数 指 出 参 与 操 作 的 数 或 在 内 存 中 的 地 址 用 机 器 语 言 编 写 程 序 工 作 量 大 难 于 使 用, 但 执 行 速 度 快 它 的 指 令 二 进 制 代 码 通 常 随 CPU 型 号 的 不 同 而 不 同, 不 能 通 用, 因 而 说 它 是 面 向 机 器 的 一 种 低 级 语 言 通 常 不 用 机 器 语 言 直 接 编 写 程 序 2) 汇 编 语 言 (Assemble Language) 汇 编 语 言 是 为 特 定 计 算 机 或 计 算 机 系 列 设 计 的 汇 编 语 言 用 助 记 符 代 替 操 作 码, 用 地 址 符 号 代 替 操 作 数 由 于 这 种 符 号 化 的 做 法, 所 以 汇 编 语 言 也 称 为 符 号 语 言 用 汇 编 语 言 编 写 的 程 序 称 为 汇 编 语 言 源 程 序 汇 编 语 言 程 序 比 机 器 语 言 程 序 易 读 易 检 查 易 修 改, 同 时 又 保 持 了 机 器 语 言 执 行 速 度 快 占 用 存 储 空 间 少 的 优 点 汇 编 语 言 也 是 面 向 机 器 的 一 种 低 级 语 言, 不 具 备 通 用 性 和 可 移 植 性 3) 高 级 语 言 (High Level Language) 高 级 语 言 是 由 各 种 意 义 的 词 和 数 学 公 式 按 照 一 定 的 语 法 规 则 组 成 的, 它 更 容 易 阅 读 理 解 和 修 改, 编 程 效 率 高 高 级 语 言 不 是 面 向 科 学 出 版 社 机 器 的, 而 是 面 向 问 题, 与 具 体 机 器 无 关, 具 有 很 强 的 通 用 性 和 可 移 植 性 高 级 语 言 的 种 类 很 多, 有 面 向 过 程 的 语 言, 例 如 Fortran Basic Pascal C 等 ; 有 面 向 对 象 的 语 言, 例 如 C++ Java 等 不 同 的 高 级 语 言 有 不 同 的 特 点 和 应 用 范 围 Fortran 语 言 是 1954 年 提 出 的, 是 出 现 最 早 的 一 种 高 级 语 言, 适 用 于 科 学 和 工 程 计 算 ;Basic 语 言 是 初 学 者 的 语 言, 简 单 易 学, 人 机 对 话 功 能 强 ;Pascal 语 言 是 结 构 化 程 序 语 言, 适 用 于 教 学 科 学 计 算 数 据 处 理 和 系 统 软 件 开 发, 目 前 逐 步 被 C 语 言 所 取 代 ;C 语 言 程 序 简 练 功 能 强, 适 用 于 系 统 软 件 数 值 计 算 数 据 处 理 等, 成 为 目 前 高 级 语 言 中 使 用 最 多 的 语 言 之 一 ;C++ C# 等 面 向 对 象 的 程 序 设 计 语 言, 给 非 计 算 机 专 业 的 用 户 在 Windows 环 境 下 开 发 软 件 带 来 了 福 音 ; Java 语 言 是 一 种 基 于 C++ 的 跨 平 台 分 布 式 程 序 设 计 语 言 4) 甚 高 级 语 言 (Very High Level Language) 上 述 的 通 用 语 言 仍 都 是 过 程 化 语 言 编 码 的 时 候, 要 详 细 描 述 问 题 求 解 的 过 程, 告 诉 计 算 机 每 一 步 应 该 怎 样 做

28 16 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 为 了 把 程 序 员 从 繁 重 的 编 码 中 解 放 出 来, 还 须 寻 求 进 一 步 提 高 编 码 效 率 的 新 语 言, 这 就 是 甚 高 级 语 言 或 第 4 代 语 言 (4GL) 产 生 的 背 景 对 于 4GL 语 言, 迄 今 仍 没 有 统 一 的 定 义 一 般 认 为,3GL 是 过 程 化 的 语 言, 目 的 在 于 高 效 地 实 现 各 种 算 法 ;4GL 则 是 非 过 程 化 的 语 言, 目 的 在 于 直 接 地 实 现 各 类 应 用 系 统 前 者 面 向 过 程, 需 要 描 述 怎 样 做 ; 后 者 面 向 应 用, 只 需 说 明 做 什 么 (3) 语 言 处 理 程 序 将 计 算 机 不 能 直 接 执 行 的 非 机 器 语 言 源 程 序 翻 译 成 能 直 接 执 行 的 机 器 语 言 的 语 言 翻 译 程 序 总 称 为 语 言 处 理 程 序 1) 源 程 序 用 各 种 程 序 设 计 语 言 编 写 的 程 序 称 为 源 程 序, 计 算 机 不 能 直 接 识 别 和 执 行 2) 目 标 程 序 源 程 序 必 须 由 相 应 的 汇 编 程 序 或 编 译 程 序 翻 译 成 机 器 能 够 识 别 的 机 器 指 令 代 码, 计 算 机 才 能 执 行, 这 正 是 语 言 处 理 程 序 所 要 完 成 的 任 务 翻 译 后 的 机 器 语 言 程 序 称 目 标 程 序 3) 汇 编 程 序 将 汇 编 语 言 源 程 序 翻 译 成 机 器 语 言 程 序 的 翻 译 程 序 称 为 汇 编 程 序, 如 图 1.4 所 示 汇 编 语 言 程 序 汇 编 机 器 语 言 程 序 结 果 执 行 源 程 序 目 标 程 序 汇 编 程 序 图 1.4 汇 编 过 程 4) 编 译 方 式 和 解 释 方 式 编 译 方 式 是 将 高 级 语 言 源 程 序 通 过 编 译 程 序 翻 译 成 机 器 语 言 目 标 代 码, 如 图 1.5 所 示 ; 解 释 方 式 是 对 高 级 语 言 源 程 序 进 行 逐 句 解 释, 解 释 一 句 就 执 行 一 句, 但 不 产 生 机 器 语 言 目 标 代 码 例 如 Basic 语 言 大 都 是 按 这 种 方 式 处 理 的 大 部 分 高 级 语 言 都 采 用 编 译 方 式 高 级 语 言 程 序 编 译 机 器 语 言 程 序 结 果 执 行 源 程 序 目 标 程 序 编 译 程 序 图 1.5 编 译 过 程 (4) 数 据 库 管 理 系 统 利 用 数 据 库 系 统, 可 以 有 效 地 保 存 和 管 理 数 据, 并 利 用 这 些 数 据 得 到 各 种 有 用 的 信 息 数 据 库 系 统 主 要 包 括 数 据 库 (Database) 和 数 据 库 管 理 系 统 (Database Management System) 数 据 库 是 按 一 定 方 式 组 织 起 来 的 数 据 集 合 数 据 库 管 理 系 统 具 有 建 立 维 护 和 使 用 数 据 库 的 功 能 ; 具 有 使 用 方 便 高 效 的 数 据 库 编 程 语 言 的 功 能 ; 能 提 供 数 据 共 享 和 安 全 性 保 障 数 据 库 管 理 系 统 按 数 据 模 型 的 不 同, 分 为 层 次 型 网 状 型 和 关 系 型 三 种

29 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 17 类 型, 其 中 关 系 型 数 据 库 使 用 最 为 广 泛, 例 如 SQL Server FoxPro Oracle Access Sybase 等 都 是 常 用 的 关 系 型 数 据 库 管 理 系 统 (5) 工 具 软 件 又 称 为 服 务 性 程 序, 是 在 系 统 开 发 和 系 统 维 护 时 使 用 的 工 具, 完 成 一 些 与 管 理 计 算 机 系 统 资 源 及 文 件 有 关 的 任 务, 包 括 编 辑 程 序 链 接 程 序 计 算 机 测 试 和 诊 断 程 序 数 据 库 管 理 软 件 数 据 仓 库 等 这 种 程 序 需 要 操 作 系 统 的 支 持, 而 它 们 又 支 持 软 件 的 开 发 和 维 护 数 据 仓 库 是 近 年 来 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 存 储 技 术, 是 面 向 主 题 的 集 成 化 的 稳 定 的 随 时 间 变 化 的 数 据 集 合, 用 以 支 持 决 策 管 理 2. 应 用 软 件 应 用 软 件 是 用 户 利 用 计 算 机 硬 件 和 系 统 软 件, 为 解 决 各 种 实 际 问 题 而 设 计 的 软 件 它 包 括 应 用 软 件 包 和 面 向 问 题 的 应 用 软 件 某 些 应 用 软 件 经 过 标 准 化 模 块 化, 逐 步 形 成 了 解 决 某 些 典 型 问 题 的 应 用 程 序 的 组 合, 称 为 软 件 包 (Package) 例 如 AutoCAD 绘 图 软 件 包 通 用 财 务 管 理 软 件 包 Office 软 件 包 等 目 前, 软 件 市 场 上 能 提 供 数 以 千 计 的 软 件 包 供 用 户 选 择 面 向 问 题 的 应 用 软 件 是 指 计 算 机 用 户 利 用 计 算 机 的 软 硬 件 资 源 为 某 一 专 门 的 目 的 而 开 发 的 软 件 例 如 : 科 学 计 算 工 程 设 计 数 据 处 理 事 务 管 理 等 方 面 的 程 序 随 着 计 算 机 的 广 泛 应 用, 应 用 软 件 的 种 类 及 数 量 将 越 来 越 多 越 来 越 庞 大 根 据 软 件 的 功 能 大 致 可 分 为 : 字 处 理 电 子 表 格 辅 助 设 计 网 络 软 件 实 时 控 制 等 (1) 文 字 或 表 格 处 理 软 件 主 要 用 于 将 文 字 或 表 格 输 入 到 计 算 机, 存 储 在 外 存 中, 用 户 能 对 输 入 的 文 字 或 表 格 进 行 修 改 编 辑, 并 能 将 计 算 机 中 的 文 字 或 表 格 打 印 出 来 例 如 办 公 自 动 化 软 件 包 Office WPS 等 (2) 辅 助 设 计 和 图 形 图 像 处 理 软 件 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 能 高 效 率 地 绘 制 修 改 输 出 工 程 图 纸, 普 遍 应 用 于 机 械 电 子 服 装 建 筑 等 行 业 目 前 常 用 的 软 件 有 AutoCAD Protel 等 用 于 图 形 图 像 处 理 的 软 件 有 Photoshop 3D Studio MAX Flash 等 (3) 网 络 应 用 软 件 包 括 网 页 制 作 软 件 和 网 络 通 信 软 件 例 如, 用 于 网 页 制 作 的 软 件 有 FrontPage Dreamweaver 等 ; 用 于 通 信 的 软 件 有 Outlook Express Internet Explorer Netscape Navigator 等 (4) 实 时 控 制 软 件 科 学 出 版 社 在 现 代 化 工 厂 里, 计 算 机 普 遍 用 于 生 产 过 程 的 自 动 控 制 例 如 用 于 控 制 电 压 温 度 压 力 流 量 等 的 模 拟 量 以 及 为 解 决 科 研 及 生 产 中 的 实 际 问 题 而 由 用 户 设 计 的 应 用 程 序 (5) 工 具 软 件 工 具 软 件 一 般 用 于 对 计 算 机 系 统 本 身 进 行 维 护 优 化 和 测 试 等 例 如, 压 缩 软 件 WinZip WinRAR; 磁 盘 复 制 软 件 Ghost; 杀 毒 软 件 360 杀 毒 金 山 毒 霸 瑞 星 等 (6) 娱 乐 软 件 使 用 计 算 机 进 行 娱 乐 已 成 为 目 前 的 娱 乐 方 式 之 一, 人 们 可 以 通 过 计 算 机 听 音 乐 看

30 18 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 影 片 玩 游 戏 等, 这 些 娱 乐 软 件 主 要 分 为 两 大 类 1) 多 媒 体 播 放 软 件 各 种 各 样 的 音 频 视 频 文 件 必 须 使 用 软 解 压 软 件 来 播 放, 目 前 常 见 的 有 : 暴 风 影 音 Realplayer 等 2) 游 戏 软 件 游 戏 软 件 各 种 各 样, 有 角 色 扮 演 类 即 时 战 略 类 益 智 类 等 计 算 机 工 作 原 理 计 算 机 的 基 本 工 作 原 理 包 括 存 储 程 序 和 程 序 控 制 计 算 机 工 作 时 先 要 把 程 序 和 所 需 数 据 送 入 计 算 机 内 存, 然 后 存 储 起 来, 这 就 是 存 储 程 序 的 原 理 运 行 时, 计 算 机 根 据 事 先 存 储 的 程 序 指 令, 在 程 序 的 控 制 下 由 控 制 器 周 而 复 始 地 取 出 指 令, 分 析 指 令, 执 行 指 令, 直 至 完 成 全 部 操 作, 这 就 是 程 序 控 制 的 原 理 1. 指 令 和 指 令 系 统 指 令 是 指 挥 计 算 机 进 行 基 本 操 作 的 命 令, 是 一 组 二 进 制 代 码 一 台 计 算 机 所 能 识 别 和 执 行 的 全 部 指 令 的 集 合 叫 做 这 台 计 算 机 的 指 令 系 统 程 序 是 由 指 令 组 成 的 有 序 集 合 一 般 指 令 包 含 两 部 分 内 容 : 操 作 码 和 操 作 数 两 部 分, 即 操 作 性 质 ( 进 行 哪 一 种 操 作 ) 和 被 操 作 对 象 ( 操 作 数 ) 对 一 个 计 算 机 系 统 进 行 总 体 设 计 时, 设 计 师 必 须 根 据 要 完 成 的 总 体 功 能 设 计 一 个 指 令 系 统 指 令 系 统 中 包 含 许 多 指 令 为 了 区 别 这 些 指 令, 每 条 指 令 用 唯 一 的 代 码 来 表 示 其 操 作 性 质, 这 就 是 指 令 操 作 码 操 作 数 表 示 指 令 所 需 要 的 数 值 或 数 值 在 内 存 中 所 存 放 的 单 元 地 址 2. 计 算 机 的 工 作 过 程 计 算 机 的 工 作 过 程, 是 计 算 机 依 次 执 行 程 序 的 指 令 的 过 程 一 条 指 令 执 行 完 毕 后, 控 制 器 再 取 下 一 条 指 令 执 行, 如 此 下 去, 直 到 程 序 执 行 完 毕 计 算 机 完 成 一 条 指 令 操 作 分 为 取 指 令 分 析 指 令 和 执 行 指 令 三 个 阶 段 1) 取 指 令 控 制 器 根 据 程 序 计 数 器 的 内 容 ( 存 放 指 令 的 内 存 单 元 地 址 ) 从 内 存 中 取 出 指 令 送 到 指 令 寄 存 器, 同 时 修 改 程 序 计 数 器 的 值, 使 其 指 向 下 一 条 要 执 行 的 指 令 2) 分 析 指 令 对 指 令 寄 存 器 中 的 指 令 进 行 分 析 和 译 码 3) 执 行 指 令 根 据 分 析 和 译 码 实 现 本 指 令 的 操 作 功 能 想 想 议 议 : 在 学 习 本 课 程 之 前 你 接 触 过 计 算 机 的 哪 些 软 件 和 硬 件? 1.3 微 型 计 算 机 系 统 基 础 知 识 微 型 计 算 机 是 大 规 模 集 成 电 路 技 术 发 展 的 产 物, 又 称 个 人 计 算 机 ( 或 PC 机 ), 微 处 理 器 是 它 的 核 心 部 件 多 媒 体 技 术 和 网 络 技 术 的 产 生 和 发 展, 使 微 型 计 算 机 不 仅 能 处 理 数 据 文 字 图 形, 还 可 以 处 理 音 频 视 频 动 画, 在 Internet 上 浏 览 信 息, 发 送 接 收 电 子 邮 件 等, 因 此 微 型 计 算 机 的 应 用 越 来 越 广 泛, 本 节 就 微 型 计 算 机 系 统 的 基 本 组 成 即 硬 件 系 统 和 软 件 系 统 分 别 进 行 阐 述

31 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 微 型 计 算 机 的 硬 件 系 统 微 型 计 算 机 的 硬 件 系 统 根 据 冯 诺 依 曼 体 系 结 构 配 置, 由 运 算 器 控 制 器 存 储 器 输 入 设 备 和 输 出 设 备 组 成 微 型 计 算 机 的 硬 件 系 统 一 般 由 安 装 在 主 机 箱 内 的 CPU 主 板 内 存 显 示 卡 硬 盘 软 驱 电 源 以 及 显 示 器 键 盘 鼠 标 等 组 成, 如 图 1.6 所 示 总 线 1. 系 统 总 线 的 概 念 图 1.6 微 型 计 算 机 的 硬 件 组 成 为 将 各 部 件 和 外 围 设 备 与 CPU 连 接, 常 用 一 组 线 路 配 以 适 当 的 接 口 电 路 来 实 现, 这 组 多 个 功 能 部 件 共 享 的 信 息 传 输 线 称 为 系 统 总 线, 计 算 机 系 统 通 过 系 统 总 线 将 CPU 主 存 储 器 及 输 入 / 输 出 设 备 连 接 起 来 所 以, 系 统 总 线 是 CPU 与 其 他 部 件 之 间 传 送 数 据 地 址 和 控 制 信 号 的 公 用 通 道 从 物 理 上 讲, 系 统 总 线 是 计 算 机 硬 件 系 统 中 各 部 分 互 相 连 接 的 方 式 ; 从 逻 辑 上 讲, 系 统 总 线 是 一 种 通 信 标 准, 是 关 于 扩 展 卡 能 在 PC 中 工 作 的 协 议 采 用 总 线 结 构 便 于 部 件 或 设 备 的 扩 充, 使 用 统 一 的 总 线 标 准, 不 同 设 备 间 互 联 将 更 容 易 实 现 系 统 总 线 结 构 如 图 1.7 所 示 CPU 硬 盘 接 口 RAM 主 存 储 器 软 盘 接 口 ROM 键 显 示 器 接 口 盘 键 盘 接 口 科 学 出 版 社 打 印 机 接 口 总 线 2. 总 线 的 分 类 硬 盘 软 盘 显 示 器 打 印 机 图 1.7 微 型 计 算 机 总 线 结 构 示 意 图 计 算 机 系 统 的 总 线 除 系 统 总 线 外, 还 包 括 微 处 理 器 总 线 ( 也 称 CPU 总 线 ) 和 外 部 总 线

32 20 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 (1) 微 处 理 器 总 线 微 处 理 器 总 线 是 指 CPU 内 部 连 接 各 部 件 的 总 线 包 括 数 据 总 线 地 址 总 线 和 控 制 总 线 三 种 1) 数 据 总 线 (Data Bus) 用 于 实 现 数 据 的 输 入 和 输 出, 其 宽 度 ( 根 数 ) 决 定 每 次 能 同 时 传 输 信 息 的 位 数 因 此 数 据 总 线 的 宽 度 是 决 定 计 算 机 性 能 的 主 要 指 标 现 在 常 用 的 P4 的 CPU 数 据 总 线 宽 度 为 64 位 2) 地 址 总 线 (Address Bus) 用 来 产 生 访 问 内 存 的 地 址 3) 控 制 总 线 (Control Bus) 用 于 传 输 各 种 控 制 信 号 (2) 系 统 总 线 系 统 总 线 是 指 计 算 机 系 统 的 CPU 存 储 器 与 I/O 接 口 之 间 的 总 线 从 物 理 结 构 上 看, 是 一 组 两 端 带 有 插 头 用 扁 平 线 构 成 的 互 连 线, 即 传 输 线 根 据 传 送 信 号 的 不 同 也 分 为 数 据 总 线 地 址 总 线 和 控 制 总 线 三 种 1) 数 据 总 线 用 于 CPU 与 内 存 I/O 接 口 之 间 传 送 数 据 计 算 机 数 据 总 线 的 宽 度 等 于 计 算 机 的 字 长 2) 地 址 总 线 用 于 CPU 访 问 内 存 和 外 部 设 备 时 传 送 相 关 地 址 实 现 信 息 传 送 的 设 备 的 选 择 例 如,CPU 与 主 存 传 送 数 据 或 指 令 时, 必 须 将 主 存 单 元 的 地 址 送 到 地 址 总 线 上 地 址 总 线 通 常 是 单 向 线, 地 址 信 息 由 源 部 件 发 送 到 目 的 部 件 地 址 总 线 的 宽 度 决 定 CPU 的 寻 址 能 力 若 某 计 算 机 的 地 址 总 线 为 n 位, 则 此 计 算 机 的 寻 址 范 围 为 0~2 n -1 3) 控 制 总 线 用 于 CPU 访 问 内 存 和 外 部 设 备 时 传 送 控 制 信 号, 从 而 控 制 对 数 据 总 线 和 地 址 总 线 的 访 问 和 使 用 (3) 外 部 总 线 外 部 总 线 是 微 机 与 外 部 设 备 之 间 或 多 机 系 统 之 间 的 互 连 总 线, 实 际 上 是 一 种 外 设 的 接 口 标 准 3. 常 用 总 线 标 准 在 计 算 机 系 统 中 通 常 采 用 标 准 总 线 标 准 总 线 不 仅 具 体 规 定 了 线 数 及 每 根 线 的 功 能, 而 且 还 规 定 了 统 一 的 电 气 特 性 随 着 计 算 机 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 和 CPU 生 产 技 术 的 不 断 发 展, 高 速 CPU 性 能 优 异 的 外 部 设 备 及 功 能 强 大 的 软 件 大 量 涌 现, 总 线 技 术 也 得 到 了 飞 速 发 展, 先 后 出 现 了 ISA MCA EISA VESA PCI AGP 等 总 线 标 准 (1)ISA 总 线 ISA 总 线 是 工 业 标 准 体 系 总 线 的 简 称, 也 称 为 PC/XT 总 线, 它 与 IBM 个 人 计 算 机 一 起 首 次 出 现 于 1981 年 它 是 针 对 Intel 8088 设 计 的, 是 一 个 8 位 总 线 1984 年 ISA 总 线 扩 充 到 16 位 ( 即 AT 总 线 ) 适 用 于 的 IBM PC/AT 微 机 系 统, 它 与 XT 总 线 兼 容 (2)EISA 总 线 1988 年 由 Compaq HP AST Epson NEC 等 九 家 计 算 机 公 司 联 合 推 出 了 一 个 32 位 总 线 标 准 扩 展 的 工 业 标 准 体 系 结 构, 它 是 在 ISA 总 线 基 础 上 发 展 起 来 的 高 性 能 总 线, 是 AT 总 线 的 扩 展, 保 持 了 与 ISA 的 完 全 兼 容 由 于 EISA 的 公 开 性, 使 EISA 在 应 用 领 域 得 到 充 分 发 展

33 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 21 (3)VESA 总 线 VESA 总 线 是 视 频 电 子 标 准 协 会 于 1991 年 推 出 的 32 位 局 部 总 线, 把 对 数 据 传 输 率 高 的 显 示 卡 网 络 卡 等 通 过 局 部 总 线 控 制 器 与 CPU 总 线 相 连, 局 部 总 线 时 钟 与 CPU 时 钟 同 步 目 前 已 被 淘 汰 (4)PCI 总 线 PCI 总 线 是 外 围 部 件 互 连 总 线 的 简 称, 是 由 美 国 Intel 公 司 推 出 的 一 种 先 进 的 局 部 总 线, 已 成 为 局 部 总 线 的 新 标 准, 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 总 线 结 构 (5) 通 用 串 行 总 线 USB USB(Universal Serial Bus) 是 Intel 提 出 的 一 种 新 型 接 口 标 准, 目 前 已 是 主 流 规 范 USB 接 口 就 是 为 解 决 现 行 PC 与 周 边 设 备 的 通 用 连 接 而 设 计 的 USB 可 以 树 状 结 构 连 接 几 乎 目 前 所 有 的 外 部 设 备, 例 如 DVD ISDN 显 示 器 数 字 音 响 扫 描 仪 数 字 照 相 机 Modem 打 印 机 键 盘 等 (6)AGP 总 线 AGP 总 线 (Accelerated Graphics Port, 加 速 图 形 接 口 ), 由 Intel 公 司 于 1996 年 提 出, 用 来 提 高 图 像 信 息 处 理 ( 特 别 是 3D 图 形 ) 的 性 能 (7)PCI-E 总 线 PCI-Express( 简 称 PCI-E) 是 最 新 的 总 线 和 接 口 标 准, 它 原 来 的 名 称 为 3GIO, 是 由 Intel 公 司 提 出 的, 它 代 表 着 下 一 代 I/O 接 口 标 准 这 个 新 标 准 将 全 面 取 代 现 行 的 PCI 和 AGP, 最 终 实 现 总 线 标 准 的 统 一 PCI-E 也 有 多 种 规 格, 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 另 外,PCI-E 也 支 持 高 阶 电 源 管 理, 支 持 热 插 拔, 支 持 数 据 同 步 传 输, 为 优 先 传 输 数 据 进 行 带 宽 优 化 4. 系 统 总 线 的 性 能 指 标 1) 总 线 的 带 宽 总 线 的 带 宽 是 指 单 位 时 间 内 总 线 上 可 传 送 的 数 据 量, 即 每 秒 钟 传 送 的 字 节 数, 它 与 总 线 的 位 宽 和 总 线 的 工 作 频 率 有 关 2) 总 线 的 位 宽 总 线 的 位 宽 是 指 总 线 能 同 时 传 送 的 数 据 位 数, 即 数 据 总 线 的 位 数 3) 总 线 的 工 作 频 率 总 线 的 工 作 频 率 也 称 为 总 线 的 时 钟 频 率, 以 MHz 为 单 位, 总 线 带 宽 越 宽, 总 线 工 作 速 度 越 快 中 央 处 理 单 元 (CPU) 1. CPU 的 功 能 科 学 出 版 社 在 微 机 中,CPU 是 由 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 组 成 的 模 块, 又 被 称 为 微 处 理 器 MPU(Micro Processing Unit) 它 由 运 算 器 控 制 器 和 寄 存 器 组 成, 是 微 机 硬 件 中 的 核 心 部 件 CPU 处 理 数 据 速 度 的 快 慢 直 接 影 响 着 整 台 电 脑 性 能 的 发 挥, 所 以 人 们 把 CPU 形 象 地 比 喻 为 电 脑 的 心 脏 计 算 机 之 所 以 能 够 在 二 十 几 年 中 在 全 世 界 迅 速 普 及, 主 要 原 因 是 它 功 能 的 强 大 操 作 的 简 便 化 和 价 格 的 直 线 下 降 而 计 算 机 功 能 的 每 一 次 翻 天 覆 地 的 变 化 都 是 由 于 CPU 功 能 的 大 幅 度 改 进 从 到 今 天 的 Pentium 4 都 是 CPU 的 型 号 20

34 22 大 学 计 算 机 基 础 项 目 教 程 世 纪 90 年 代 前,CPU 的 主 要 生 产 厂 商 Intel 公 司 用 80X86 系 列 作 为 自 己 生 产 的 CPU 名 称, 例 如,486 就 是 的 简 称 由 于 其 他 CPU 厂 家 的 CPU 型 号 也 是 用 来 表 示 的, 这 就 使 很 多 人 误 以 为 凡 是 标 明 为 的 CPU 都 是 Intel 公 司 的 产 品 为 了 与 其 他 厂 家 区 别 开 来,Intel 公 司 将 自 己 的 586 改 名 为 Pentium, 中 文 译 为 奔 腾 近 年 来,Intel 公 司 又 推 出 了 Pentium 4, 它 强 化 了 多 媒 体 指 令, 新 增 了 上 百 条 命 令 目 前, 著 名 的 CPU 生 产 厂 家 主 要 有 Intel 公 司 AMD 公 司 和 VIA 公 司 等 2. CPU 的 主 要 性 能 指 标 (1) 字 与 字 长 前 面 讲 过, 计 算 机 内 部 作 为 一 个 整 体 参 与 运 算 处 理 和 传 送 的 一 串 二 进 制 数, 称 为 一 个 字 在 计 算 机 中, 许 多 数 据 是 以 字 为 单 位 进 行 处 理 的, 是 数 据 处 理 的 基 本 单 位 字 长 越 长, 运 算 能 力 就 越 强, 计 算 精 度 就 越 高 (2) 主 频 CPU 有 主 频 倍 频 外 频 三 个 重 要 参 数, 它 们 的 关 系 是 : 主 频 = 外 频 倍 频, 主 频 是 CPU 内 部 的 工 作 频 率, 即 CPU 的 时 钟 频 率 (CPU Clock Speed) 外 频 是 系 统 总 线 的 工 作 频 率, 倍 频 是 它 们 相 差 的 倍 数 CPU 的 运 行 速 度 通 常 用 主 频 表 示, 以 Hz 作 为 计 量 单 位 主 频 越 高,CPU 的 运 算 速 度 越 快 (3) 时 钟 频 率 即 CPU 的 外 部 时 钟 频 率 ( 即 外 频 ), 它 由 电 脑 主 板 提 供, 直 接 影 响 CPU 与 内 存 之 间 的 数 据 交 换 速 度 (4) 地 址 总 线 宽 度 地 址 总 线 宽 度 决 定 了 CPU 可 以 访 问 的 物 理 地 址 空 间, 即 CPU 能 够 使 用 多 大 容 量 的 内 存 假 设 CPU 有 n 条 地 址 线, 则 其 可 以 访 问 的 物 理 地 址 为 2 n 个 (5) 数 据 总 线 宽 度 数 据 总 线 宽 度 决 定 了 整 个 系 统 的 数 据 流 量 的 大 小, 数 据 总 线 宽 度 决 定 了 CPU 与 二 级 高 速 缓 存 内 存 以 及 输 入 / 输 出 设 备 之 间 一 次 数 据 传 输 的 信 息 量 内 存 储 器 内 存 储 器 是 计 算 机 中 最 主 要 的 部 件 之 一, 用 来 存 储 计 算 机 运 行 期 间 所 需 要 的 大 量 程 序 和 数 据 1. 内 存 储 器 的 分 类 内 存 储 器 按 功 能 分 为 随 机 存 储 器 (Random Access Memory,RAM) 只 读 存 储 器 (Read Only Memory,ROM) 高 速 缓 冲 存 储 器 (Cache) (1) 随 机 存 储 器 RAM 的 作 用 是 临 时 存 放 正 在 运 行 用 户 程 序 和 数 据 及 临 时 ( 从 磁 盘 ) 调 用 的 系 统 程 序 其 特 点 是 RAM 中 的 数 据 可 以 随 机 读 出 或 者 写 入 关 机 或 者 停 电 时, 其 中 的 数 据 丢 失

35 第 1 章 计 算 机 与 信 息 技 术 23 RAM 又 可 分 为 以 下 两 种 1) 静 态 存 储 器 (Static RAM,SRAM) 静 态 是 指 数 据 被 写 入 后, 除 非 重 新 写 入 新 数 据 或 关 机, 否 则 写 入 的 数 据 保 持 不 变 2) 动 态 存 储 器 (Dynamic RAM,DRAM) 人 们 平 常 所 说 的 内 存 就 是 DRAM, 它 是 用 MOS 型 晶 体 管 中 的 栅 极 电 容 存 储 数 据 信 息, 需 要 定 时 ( 一 般 为 2ms) 充 电, 补 充 丢 失 的 电 荷, 因 此 称 为 动 态 存 储 器, 充 电 的 过 程 称 为 刷 新 SRAM 要 比 DRAM 速 度 更 快, 常 用 来 做 计 算 机 的 Cache 目 前 微 机 中 常 用 的 内 存 以 内 存 条 的 形 式 插 于 主 板 上 (2) 只 读 存 储 器 ROM 的 作 用 是 存 放 一 些 需 要 长 期 保 留 的 程 序 和 数 据, 如 系 统 程 序 控 制 时 存 放 的 控 制 程 序 等 其 特 点 是 只 能 读, 一 般 不 能 改 写, 能 长 期 保 留 其 上 的 数 据, 即 使 断 电 也 不 会 破 坏 一 般 在 系 统 主 板 上 装 有 ROM-BIOS, 它 是 固 化 在 ROM 芯 片 中 的 系 统 引 导 程 序, 完 成 系 统 加 电 自 检 引 导 和 设 置 输 入 输 出 接 口 的 任 务 只 读 存 储 器 分 为 以 下 几 种 1) 固 定 只 读 存 储 器 (ROM): 其 内 容 是 厂 家 生 产 时 写 入, 用 户 不 能 改 写 2) 可 写 入 只 读 存 储 器 (PROM): 其 内 容 由 用 户 事 先 写 入, 写 入 后 不 能 再 改 写 3) 可 改 写 只 读 存 储 器 (EPROM): 其 内 容 可 用 紫 外 线 照 射 擦 除, 然 后 重 新 写 入 4) 电 擦 除 只 读 存 储 器 (E 2 PROM): 其 内 容 可 用 电 擦 除, 然 后 重 新 写 入 (3) 高 速 缓 冲 存 储 器 因 为 现 在 的 CPU 的 速 度 越 来 越 快, 动 态 随 机 存 取 存 储 器 的 速 度 受 到 制 造 技 术 的 限 制, 无 法 和 CPU 的 速 度 同 步, 因 而 经 常 导 致 CPU 不 得 不 降 低 自 己 的 速 度 来 适 应 DRAM 的 速 度,Cache 的 作 用 是 缓 解 高 速 度 的 CPU 和 低 速 度 的 DRAM 之 间 的 矛 盾, 以 提 高 整 机 的 工 作 效 率 其 实 现 方 法 是 将 当 前 要 执 行 的 程 序 段 和 要 处 理 的 数 据 复 制 到 Cache,CPU 读 写 时, 首 先 访 问 Cache 当 Cache 中 有 CPU 所 需 的 数 据 时, 直 接 从 Cache 中 读 取, 如 果 没 有 就 从 内 存 中 读 取, 并 把 与 该 数 据 相 关 的 部 分 内 容 复 制 到 Cache, 为 下 一 次 访 问 做 好 准 备 一 般 Cache 分 两 种 : 一 是 CPU 内 部 Cache, 也 称 一 级 Cache, 内 置 在 CPU 内 部, 容 量 较 小 ; 二 是 CPU 外 部 Cache, 也 称 二 级 Cache, 容 量 比 一 级 Cache 大 一 个 数 量 级, 价 格 也 便 宜 目 前 一 级 Cache 和 二 级 Cache 通 常 集 成 到 CPU 芯 片 中 为 了 进 一 步 提 高 性 能, 还 可 以 把 Cache 设 置 成 三 级 2. 内 存 的 性 能 指 标 (1) 存 储 容 量 科 学 出 版 社 通 常 以 RAM 的 存 储 容 量 来 表 示 微 型 计 算 机 的 内 存 容 量 常 用 单 位 有 KB MB GB 等 (2) 存 取 周 期 内 存 的 存 取 周 期 是 指 存 储 器 进 行 两 次 连 续 独 立 的 操 作 ( 存 数 的 写 操 作 和 取 数 的 读 操 作 ) 之 间 所 需 要 的 最 短 时 间, 以 ns( 纳 秒 ) 为 单 位, 该 值 越 小 速 度 越 快 常 见 的 有 7ns 10ns 60ns 等 存 储 器 的 存 取 周 期 是 衡 量 主 存 储 器 工 作 速 度 的 重 要 指 标