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3 21 世纪普通高校计算机公共课程规划教材 信息处理技术基础教程 马崇华 方娇莉 副主编 主编 张怀宁主审 清华大学出版社

4 内容简介 本书按照教育部计算机教指委 计算机基础课程教学基本要求 和人事部与信息产业部 信息 处理技术员考试大纲 的指定内容编写 在较好地满足高等院校非计算机专业大学计算机基础课 程教学要求的同时, 也适合准备信息处理技术员考试培训和自学的需要 全书共有 13 章 : 信息技术基础知识 计算机基础知识 Windows XP 操作系统 Word 2003 字处理软件 电子表格 Excel 2003 PowerPoint 2003 演示文稿制作软件 网页制作 数据库 应用 --Access 2003 多媒体基础知识 计算机网络及应用 信息安全技术 计算机知识产权 信息处理技术员考试模拟试题 在内容的组织安排及编写上, 本书采用案例驱动教学的方式及贯彻精讲多练的方针 书中 各章实例由浅入深 逐步升级, 习题适量 总结简明, 条理性强便于学习 本书可作为高等院校非计算机专业大学计算机基础课程的教材, 也可作为信息处理技术员 资格考试的培训教材及自学用书 亦可供广大信息处理技术人员在实际工作中学习参考 本书电子教案可以从清华大学出版社网站 ( ) 下载

5 前言 上一世纪 90 年代初, 为适应当时计算机技术发展及应用的形势与要求, 我国高等院校开始 为非计算机专业设置大学计算机文化基础课程 进入 21 世纪以来, 为适应当今计算机与信息技 术的最新发展以及各行各业对计算机应用人员的更高要求, 大学计算机基础课程也开始了深入 改革的历程 2006 年 6 月, 教育部高校计算机教学指导委员会编制发表了 关于进一步加强高 等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求, 该意见及要求清晰地阐述了改 革的思路及所要求达到的水准 为适应国家信息化建设的需要, 我国人事部及信息产业部在 2003 年 10 月颁布了 信息处 理技术员考试大纲, 开始推行信息处理技术员资格考试 考虑到大多数应用计算机人员日常最大量的共同工作是处理信息, 考虑到毕业生面临的就 业问题, 能否在既遵循教育部计算机教指委意见及要求的同时又满足信息产业部信息处理技术 员的资格要求, 按照这一思路进行大学计算机基础课程的改革, 其答案是显而易见的 本书按照教育部计算机教指委 计算机基础课程教学基本要求 和人事部与信息产业部 信息 处理技术员考试大纲 的要求编写 本书集中了作者群体多年来在计算机公共基础课程教学改革 中的经验 在编写上采用案例驱动的方式 贯彻精讲多练的方针 书中配备了大量的案例 表 格和图片, 每章配备适量的习题及解答, 具有注重实用性 兼顾前沿性的特点 本书的建议学时为 64 学时, 其中上课 32 学时, 上机 32 小时 本书由马崇华任主编, 方娇莉任副主编 全书共分 13 章 第 1 8 章由马崇华编写, 第 4 11 章由方娇莉编写, 第 2 9 章由李向阳编写, 第 6 7 章由王建华编写, 第 3 5 章由赵晓侠 编写, 第 章由潘晟旻编写, 第 12 章由李嘉艳编写 马崇华负责全书的统稿和审定工作 管一弘教授对本书的编写给予了积极的支持, 张怀宁教授在本书的编写和审阅过程中, 提 出了许多指导性的意见 清华大学出版社相关部门负责人和责任编辑对本书的出版给予了积极

6 的支持和帮助 在此一并致以诚挚的感谢 由于作者水平及时间有限, 书中缺点和疏漏之处在所难免, 敬请读者批评指正 编者 2007 年 3 月

7 目录 第 1 章信息技术基础知识 信息技术概念 数据和信息 信息处理全过程 信息化和信息社会 信息化 信息社会 信息产业与信息人才 信息产业 信息人才 问与答 习题 第 2 章计算机基础知识 计算机的发展 分类及应用 计算机的发展 计算机的分类 未来新型计算机 计算机在信息社会中的应用 计算机系统的组成与工作原理 计算机系统 计算机工作原理... 15

8 2.3 计算机硬件 CPU 存储系统 输入 / 输出设备 主板 总线与接口 进位计数制及其转换 进位计数制 各数制间的转换 数据在计算机中的表示 数值型数据的表示形式 西文字符编码 中文信息编码 计算机软件 计算机软件概述 计算机语言概述 语言处理程序 问与答 习题 第 3 章 Windows XP 操作系统 l Windows 操作系统使用初步 操作系统的功能 分类及特点 Windows 操作系统的发展历史 Windows XP 操作系统的功能特点... 43

9 3.1.4 Windows XP 的运行环境和安装 Windows XP 的启动与关闭 Windows 操作系统基本概念 Windows 操作系统的常用术语 鼠标和键盘的使用 Windows XP 桌面 中文 Windows XP 的基本操作 窗口和对话框的操作 桌面操作 菜单及其操作 剪贴板 Windows XP 的文件及文件夹管理 文件管理中的几个概念 使用资源管理器管理文件 Windows XP 的控制面板 设置显示属性 鼠标设置 输入法设置 打印机设置 添加或删除程序 添加新硬件 附件... 68

10 3.7 问与答 习题 第 4 章 Word 2003 字处理软件 Word 2003 概述 文档的创建与编辑 文档格式化 符格式化 段落格式化 页面格式化 表格 图片处理 样式和模板 邮件合并 问与答 习题 第 5 章电子表格 Excel Excel 2003 概述 Excel 2003 的用户界面与操作 工作表的建立和编辑 公式与函数 编辑工作表 图表及应用...116

11 5.7 Excel 2003 数据库 工作簿的编辑和管理 问与答 习题 第 6 章 PowerPoint 2003 演示文稿制作软件 PowerPoint 2003 概述 PowerPoint 2003 窗口 PowerPoint 2003 相关概念介绍 幻灯片制作流程 创建演示文稿和插入对象 与插入对象有关的知识 幻灯片的修饰 ( 美化演示文稿 ) 使用配色方案 使用母版 使用设计模板 与美化演示文稿有关的知识 幻灯片的动画设置 使用自定义动画 自定义动画的其他功能 播放演示文稿 播放演示文稿 打印演示文稿...151

12 6.5.3 播放演示文稿的其他功能 演示文稿的其他应用 问与答 习题 第 7 章网页制作 网页制作语言和工具介绍 网页制作语言 网页制作工具 网站的概念与网站设计步骤 网站与网页 网站设计步骤 Dreamweaver MX 2004 窗口和站点管理 Dreamweaver MX 2004 工作界面 设置站点 管理站点 Dreamweaver MX 2004 的基本操作 新建和打开网页 网页中的文本操作 在网页中使用图像和多媒体对象 网页中常用文件格式 绝对路径与相对路径 插入和设置图像属性...173

13 7.5.4 插入 Flash 动态元素 插入播放媒体 创建超链接 超链接的类型 创建超链接 在网页中使用表单 表单对象 创建表单 网页中的布局 表格布局 框架布局 网站的发布与维护 测试站点 网站的发布 网站的维护 问与答 习题 第 8 章数据库应用 ---Access 数据库系统基本知识 基本概念 数据库的三要素 数据模型...190

14 8.2 Access2003 数据库管理系统的应用 建立数据库 建立数据表 查询 简单查询向导 交叉表查询 用设计视图创建查询 设置查询条件 SQL 查询 窗体 窗体向导 窗体设计视图 工具箱 报表 建立系统主控制面板 数据的导入 导出与链接 问与答 习题 第 9 章多媒体基础知识 多媒体技术的基本概念 什么是多媒体 多媒体信息类型...227

15 9.1.3 多媒体信息及多媒体技术的特点 多媒体技术的应用领域 多媒体计算机系统组成 多媒体计算机硬件系统 多媒体计算机软件系统 多媒体信息处理技术基础 音频信息 图像信息 视频信息 数据压缩技术 多媒体信息处理工具 多媒体信息处理工具的分类 常用多媒体信息处理软件 问与答 习题 第 10 章计算机网络及应用 计算机网络概述 计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的硬件和软件 计算机网络的硬件组成 计算机网络的软件组成...256

16 10.3 Internet 基础 Internet 的定义 Internet 的世界语 TCP/IP 协议 IP 地址与域名 Internet 的主要服务 接入 Internet 的方法 Internet 在中国 浏览器的应用 WWW 基础 浏览器的设置和使用 电子邮件 ( ) 电子邮件概述 电子邮件的申请 电子邮件的收发方法 电子邮件的收发原理 Outlook Express 简介 问与答 习题 第 11 章信息安全技术 信息安全技术概述 信息安全的概念 信息安全技术研究内容...291

17 计算机安全评价标准 恶意程序 计算机病毒 计算机病毒案例剖析 其他恶意程序及其防治 数据的加密与解密 密码技术 数字签名 防火墙技术 网络安全新技术 问与答 习题 第 12 章计算机知识产权 软件知识产权 网络行为规范与网络道德 网络安全的法律法规 第 13 章信息处理技术员模拟试题 信息处理技术员上午试卷模拟 信息处理技术员下午试卷模拟 参考答案

18 第 2 章计算机基础知识 学习目标 : 当今时代, 计算机的应用已渗透到社会生活的各个方面 功能如此强大的计算机 是怎么发展起来的? 它的基本工作原理是什么? 本章用以下内容回答了这一问题 了解计算机的发展 分类及应用 掌握计算机系统的组成与工作原理, 学习计算机软硬件基本知识 对计算机硬件的各部分有较深入的了解 掌握数制转化及运算, 了解数据在计算机中的表示 掌握系统软件和应用软件的概念 2.1 计算机的发展 分类及应用 在人类社会发展的历史长河中, 不断地探索发现, 才有了我们今天的一切, 计算机也是人类 不断追求计算速度的产物 最早的计算工具是中国唐代发明的算盘, 这是迄今还在使用的世界 上第一种手动计数器 1622 年英国数学家设计了计算尺,1642 年法国人发明了世界上第一个加 法器,1673 年, 德国发明了计算器, 这些都是手动的或机械式的计算工具 计算机的发展 电子计算机的直系祖先是 19 世纪英国剑桥大学的查 尔斯. 巴贝奇 (Charles Babbage ) 设计的差分 机和分析机 分析机的结构 设计思想蕴涵着现代计算 机的结构和设计思想, 是现代计算机的雏型, 查尔斯. 巴贝奇被公认为计算机之父 计算机科学奠基人是艾兰. 图灵, 他的主要贡献是 : 图 2-1 第一台电子计算机 ENIAC 建立图灵机模型并奠定了可计算理论的基础, 提出图灵测试, 阐述了机器智能的概念 图灵机

19 的概念是现代可计算性理论的基础, 为纪念图灵对计算机的贡献, 美国计算学会 (ACM) 于 1966 年设立了 图灵奖, 号称计算机界的诺贝尔奖 另一个也被称为计算机之父的是美籍匈牙利数学家冯 诺依曼, 他的主 要贡献是 : 确立了现代计算机体系结构, 提出了 存储程序 和 程序控制 的计算机工作原理 目前, 大家公认的第一台计算机是在第二次世界大战期间, 美国陆军 弹道实验室为解决弹道特性的计算问题而设计的 ENIAC( Electronic Numerical Integrator And Calculator), 即电子数字积分计算机 该机 图 2-2 电子管 于 1946 年 2 月诞生于美国宾夕法尼亚大学 它体重 30 吨, 运算速度 5000 次加法 / 秒, 占地 170M 2, 共计 只电子管和 1500 个继电器, 耗电 150KW, 价值 40 万美 元, 如图 2-1 所示 从第一台计算机的诞生到现在的 60 年里, 计算机得到了飞速的发展, 一般根据计算机采用 的物理器件, 将计算机划分成四代 1. 第一代计算机 (1946 年 年 ) 第一代计算机采用的物理器件是电子管, 如图 2-2 所示 内存采用延迟线或磁芯, 外存为纸 带 卡片或磁带, 工作速度几千 ~ 几万次 / 秒, 软件采用机器语言或 汇编语言编写, 主要应用于科学计算, 代表机型 ENIAC 2. 第二代计算机 (58 年 64 年 ) 第二代计算机采用的物理器件是晶体管, 如图 2-3 所示 内存为 图 2-3 晶体管 磁芯, 外存是磁带或磁盘, 工作速度几十万次 / 秒, 软件用高级语言编写, 应用于科学计算及 工业控制, 代表机型 IBM700 系列 3. 第三代计算机 (64 年 70 年 )

20 第三代计算机采用的物理器件是中小规模集成电路, 如图 2-4 所示 内存为磁芯和半导体存 储器, 外存是磁带或磁盘, 工作速度几十万 ~ 几千万次 / 秒, 软件用高 级语言编写, 应用于计算 管理及控制, 代表机型 IBM System/ 第四代计算机 (71 年 现在 ) 第四代计算机采用的物理器件为大规模或超大规模集成电路, 如图 图 2-4 中小规模集成电 2-5 所示 内存为半导体存储器, 外存为磁盘或光盘, 工作速度几百万 ~ 上亿次 / 秒, 出现了 操作系统, 软件分为系统软件和应用软件 随着计算机的不断发 展, 计算机在网络 多媒体技术中得到广泛应用 计算机发展快的主要原因是集成电路的快速发展, 有一个著名 的摩尔定律用来描述集成电路的发展速度, 即平均每 18 个月, 同 图 2-5 超大规模集成电路 样体积的集成电路中的晶体管数量会增长一倍, 性能会提升一倍 我国自 1956 年开始研制计算机,1958 年研制出第一台电子管计算机,1964 年研制出第一台晶 体管计算机,1971 年研制出集成电路计算机,1985 年研制出第一台 IBM PC 兼容微型机,2001 年 研制出我国第一款通用 CPU 龙芯 芯片,2002 年推出了完全自主知识产权的 龙腾 服务器 我 国是世界上少数几个能设计 制造计算机的国家之一 计算机的分类 可以从不同角度对计算机分类, 按照计算机原理可分为数字式电子计算机 模拟式电子计算 机和混合式电子计算机, 按照计算机的用途分, 可分为通用计算机和专用计算机, 常用的分类 法是根据计算机的字长 运算速度 存储容量等综合性能指标将计算机分为高性能计算机 ( 巨 型机和大型机 ) 中型机 小型机 微型计算机 工作站 服务器 嵌入式计算机 1. 高性能计算机 高性能计算机是运算速度最快 处理能力最强的计算机, 也就是常说的巨型机和大型机, 高 性能计算机的研制水平 生产能力及应用程度是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志,

21 因为它主要用于战略武器 ( 如核武器和反导弹武器 ) 的设计 大型预警系统 空间技术 石油 勘探 中长期大范围天气预报等领域 我国研制的巨型机有银河 曙光 联想等,2004 年 6 月 推出的曙光 4000A 达到每秒 11 万亿次, 已经进入世界前十名 2. 中小型计算机 中小型计算机与高性能计算机比较, 规模较小 结构较简单, 设计试制周期短, 成本较低, 容易维护, 可用于科学计算 数据处理 生产过程自动控制和数据采集及分析处理等 3. 微型计算机 微型计算机又称个人计算机 (Personal Computer), 在 20 世纪 70 年代出现后, 引起了一场 计算机的革命, 极大地推动了计算机的应用和普及, 进入了社会的各领域乃至家庭 可以说微 型机的普及, 标志着一个国家的信息化程度 微型计算机的字长为 8 64 位, 具有体积小 价 格低 可靠性强, 操作简单等特点 微型计算机主要分为三类 : 台式机 (Desktop Computer) 笔记本 (Notebook) 电脑和个人数字助理 PDA 4. 服务器和工作站 按照在网络中的应用, 计算机可分为服务器和工作站, 服务器提供信息资源, 并及时响应工 作站的请求, 是网络中的信息资源提供者, 服务器一般要求有较高的计算机配置 较高安全性 和稳定性 微型计算机也可以充当服务器, 但必须安装网络操作系统 网络协议和各种服务器 软件 根据提供的服务, 服务器可以分为文件服务器 数据库服务器 应用服务器和通信服务 器等 工作站是网络中的资源需求方, 一般的微型计算机即可 早期的工作站大都采用 Motorola 公司的 680X0 芯片的计算机, 配置 UNIX 操作系统 现在的工作站多数采用 Pentium4, 配置 Windows2000/XP 或者 Linux 操作系统, 它们比传统的工作站价格便宜, 又称为个人工作站, 而 传统的 具有高性能的工作站称为技术工作站

22 5. 嵌入式计算机 嵌入式计算机就是嵌入到应用系统中的信息处理部件, 它与通用计算机的最大区别是运行固 定的软件, 用户很难或不能改变固定的程序 嵌入式计算机广泛用于各种家用电器中, 如电冰 箱 自动洗衣机 数码照相机 数字电视机 手机中 未来新型计算机 从第一台计算机诞生到现在, 人类一刻也没有停止过研究更好 更快 功能更强大的计算机, 根据物理器件的变化, 计算机已经跨越了四个发展时代, 取得了突飞猛进的发展, 成为信息社 会最重要 最基本的工具 但万变不离其宗, 目前几乎所有的计算机仍然是冯 诺依曼提出的体 系结构, 仍然遵循他提出的 存储程序 和 程序控制 的计算机工作原理 其发展趋势, 正向网络 化 智能化 多媒体 多极化发展 未来的计算机应具有人的听 说 读 写和思维推理能力 的智能化计算机, 采用的技术主要包括 : 纳米技术 光技术 量子技术和生物技术 从目前的 研究情况看, 未来的计算机可能在下列几个方面起得革命性的突破 1. 光子计算机 利用光子取代电子进行数据运算 传输和存储 光子的传播速度极快, 可以达到每秒万亿字节 2. 生物计算机 使用蛋白分子作为主要原料制成的生物芯片构成, 存储能力巨大, 而且以 波的形式来传播信息 3. 神经网络计算机 用数据单元模拟人脑的神经元, 并利用神经元结点的分布式存储和相 互关联来模拟人脑活动 4. 量子计算机 利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机, 这种多现实态是量子力学 的标志 计算机在信息社会中的应用 计算机已广泛应用于社会的各个领域, 改变着我们的学习 工作和生活方式, 不管你做什么 工作, 都会用到计算机

23 1. 工商 大多数公司和单位都严重依赖计算机处理业务, 如银行依赖计算机处理票据, 商 业用计算机管理商品的进 销 存状况, 为经理提供最佳的决策, 计算机与网络结 合还可以进行电子商务 2. 教育 教育软件不仅提供文字资料 还可以提供图形 音乐 语音三维动画及视频等多媒体教育 网络技术和通信技术结合还可以提供远程教育, 学生在家里也可以和远地的老师对话 我国政 府的 校校通 工程要使全国 90% 的中小学能够上网, 使中小学师生能共享网上教育资源 到 2005 年, 全国远程高等教育在册学员达到 230 万人 3. 医药 计算机可以管理医院的日常事务, 如电子病历 电子处方等, 在医学界计算机的一个重要应用是医学 成像, 它能帮助医生看到病人体内的情况 远程医疗网络可以使偏远地方的病人得到上海 北京等地专 家的会诊 4. 政府 政府是最大的计算机用户, 我国到 2005 年,93% 的中央政府部门 73% 的地方政府 ( 省 地 县 ) 已经建立了门户网站, 截至到 2005 年初以 gov.cn 结尾注册的域名总数达到 1 万个以上 (gov 是英文政府 Government 的缩写 ) 电子政务的实施首先可以使政府部门内部办公电子化 网络 化, 实现中央 省市 县级多级政府文电 信息 督察 会务 值班 接待等主要办公业务的 数字化 网络化, 其次政府部门之间通过网络还可以进行信息共享 传递 及协同办公, 更重 要的是政府部门通过网络可以为公众提供信息发布与互动 政务公开 网上办公等服务将政府 内部办公职能面向公众延伸, 及时发布公共信息, 提供便民服务, 如 : 网上申报 审批 注册 等, 增强了政府工作的科学性 协调性和民主性, 全面提高了依法行政能力

24 计算机在科研工作中占有重要地位, 可以用计算机进行数据采集 计算分析, 在娱乐方面可 以用计算机虚拟现实 实现电影特技, 如 星球大战 就是成功的例子 计算机的应用主要有以下几种 : 1. 数值计算 数值计算是计算机应用的最早领域, 其特点是计算量大 计算复杂 数值变化范围大, 输入 输出量相对较小, 常用于天文学 量子化学 空气动力学 核物理学等领域 2. 数据处理 数据处理也称为非数值计算, 是计算机应用最广的领域, 其特点是计算较简单, 但输入输出 及处理的数据量大, 如银行账册 仓库或统计报表的管理, 高考统计 人口普查等都属于数据 处理的范畴, 数据处理也是现代化管理的基础 3. 电子商务 (Electronic Commerce EC, 或 Electronic Business,ES) 电子商务是利用计算机和网络进行的商务活动, 如商品与服务交易 金融汇兑 网络广告等 4. 过程控制 过程控制又称实时控制, 指用计算机速度快的特点, 实时采集数据, 按最佳值迅速地对控制 对象进行自动控制或自动调节 在冶金 石化 纺织 水电 机械 航天等部门得到广泛应用 5. CAD/CAM/CIMS 计算机辅助设计 (Computer Aided Design,CAD) 就是用计算机帮助设计人员进行设计, 如 飞机 船舶的设计 建筑设计 机械设计 大规模集成电路设计等 计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing,CAM) 就是用计算机进行生产设备的管理 控制和操作的过程 计算机辅 助系统除了 CAD/CAM 外, 还有计算机辅助工艺规划 (Computer Aided Process Planning,CAPP) 计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering,CAE) 计算机辅助教育 (Computer Based Education,CBE) 等 计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacture System,CIMS) 是以计算机为中

25 心的现代信息技术应用于企业管理与产品开发制造的新一代制造系统, 是 CAD CAPP CAM CAE CAQ( 计算机辅助质量管理 ) PDMS( 产品数据管理系统 ) 管理与决策 网络与数据库及质量保障 等子系统的技术集成 CIMS 通过将管理 设计 生产 经营等各个环节的信息集成 优化分析, 从而确保企业的信息流 资金流 物流能够高效 稳定地运行, 最终使企业实现整体最优效益 6. 虚拟现实 就是利用计算机生成一种模拟环境, 通过多种传感设备使用户 投入 到该环境中, 实现用户 与环境直接交互的目的 实际上, 电话就是声音的虚拟现实, 目前, 虚拟现实获得了迅速的发 展, 出现了虚拟工厂 虚拟飞机 虚拟人体等许多虚拟的东西 7. 人工智能 (Artificial Intellegence,AI) 是指用计算机来模拟人类的智能 目前一些智能系统已能够代替人的部分脑力劳动, 如机器 人 专家系统 模式识别等, 但要真正达到人的智能还是遥远的事情 其它还有多媒体技术, 在第 9 章有专门介绍 2.2 计算机系统的组成与工作原理 计算机系统 计算机是一台能存储程序和数据, 并能自动执行程序的机器 它能对各种数字化的信息进行 处理, 协助人们获取信息 处理信息 存储信息和传递信息 计算机系统由硬件系统和软件系 统组成, 硬件由机 电 磁 光等装置组成, 是看得见摸得着的物理实体, 硬件是计算机的 躯 体 软件是控制 管理和指挥计算机按规定的要求工作的程序的集合, 软件分为系统软件和应 用软件 计算机系统的组成如图 2-6 所示 计算机工作原理 目前的计算机都采用美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (John von Neuman) 对计算机结构的设计 思想, 即 :

26 1. 计算机由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五个基本部分组成 如图 2-7 所示 数据和程序通过输入设备输入到存储程序和数据的部件 存储器中, 控 制器指挥各部分协调工作, 由它发出指令, 将存储器中的程序取到执行算术逻辑运算的部件 运算器进行算术逻辑运算, 运算结果存到存储器中, 在控制器的指挥下送到输出设备 运算器 硬件系统 主机 CPU 内存 寄存器控制器随机存储器 (RAM) 只读存储器 (ROM) 高速缓冲存储器 (Cache) 计算机系 外部设备 输入设备 : 键盘 鼠标 扫描仪等输出设备 : 显示器 打印机等外存 : 软 硬盘 光盘 闪存等网络设备 : 网卡 调制解调器等 统 操作系统 :Windows Unix Linux 软件系 统 系统软件应用软件 语言处理程序 :C Pascal VB 等实用程序 : 诊断程序 排错程序等通用应用软件 : 办公软件包等专用应用软件 : 各企业的管理系统 图 2-6 计算机系统 2. 程序和数据在计算机中用二进制数表示 自然界中具有两种稳定状态的物理器件很容易找到, 如灯的亮和灭, 晶体管的导通和截止, 图 2-7 计算机硬件基本结构

27 磁性材料的两种剩磁状态等, 因此从计算机诞生到现在其内部都是用二进制表示程序和数据 3. 计算机的工作过程是由存储程序控制的, 即存储程序工作原理 人们常说, 要做好某件事情, 事前就必须要 胸有成竹, 计算机之所以能模拟人脑自动完成 某项工作, 就在于它能将程序和数据存入自己的大脑, 做到了 胸有成竹, 这样就能按程序的要 求对数据自动进行处理 在计算机系统的五个组成部分中, 运算器和控制器称为中央处理器 (Central Processing Unit,CPU), 它是计算机的心脏 在大规模集成电路出现后, 将它们集成在一个芯片中,CPU 的品质高低决定了一个计算机系统的档次, 所谓奔腾 Ⅰ 奔腾 Ⅱ 奔腾 Ⅲ 奔腾 4(P4) 就是指 中央处理器的型号, 内存储器和 CPU 合称主机, 它们的功能相当于人脑的功能 输入 / 输出设 备以及外部存储器合称外部设备, 输入设备的功能相当于人的眼睛 耳朵, 输出设备的功能相 当于嘴 手的功能, 外存相当于生活中使用的笔记本, 总之外部设备的作用相当于人脑之外的 功能 2.3 计算机硬件 CPU CPU 由控制器和运算器组成, 是计算机的核心部件, 论述如下 1. 控制器 控制器是计算机的指挥中心, 在它的控制下计算机才能有条不紊地工作, 自动执行程序 控 制器的主要功能是依次从存储器中取指令 分析指令 向其他部件发出控制信号, 指挥各部件 协同工作 控制器主要由程序计数器 (PC) 指令计数器 (IP) 指令译码器 (ID) 时序控制电路以及微 操作控制电路等组成, 其中 :

28 程序计数器 用来对程序中的指令进行计数, 每取一条指令该计数器自动加一, 保证 控制器能依次读取指令 ; 指令寄存器 用来存放取出的指令, 以便进行分析 ; 指令译码器 用来分析指令的操作要求, 向相应的部件发出命令 ; 时序控制电路 用来生成时序信号, 协调在指令执行周期各部件的工作 ; 微操作控制电路 用来产生各种控制操作命令 总之, 控制器按照时序控制电路产生的工作节拍 ( 主频 ) 以及程序计数器的指示依次从存储 器中取出指令到指令寄存器, 经过译码器分析指令, 产生各种控制信号, 从而指挥整个计算机 有条不紊地 自动地执行程序 2. 运算器 运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件, 又称算术逻辑单元 (Arithmetic Logic Unit,ALU) 算术运算是指加 减 乘 除等基本运算 ; 逻辑运算是指逻辑判断 关系 比较, 如与 (AND) 或 (OR) 非 (NOT) 等 这些运算都只是基本二进制运算, 如加法为 : 0 + 0= = = =10; 逻辑运算如表 2-1 所示 表 2 1 逻辑运算 A AND A OR A B NOT A B B 计算机虽然能处理高深的数学问题, 但任何复杂的运算都要化解为基本运算, 计算机才能执 行, 但计算机的运算速度非常快, 有高速信息处理能力, 所以有人说计算机是快速的笨蛋 运算器中的数据从内存取出, 运算结果又送回内存, 运算器对内存的读 / 写操作是在控制器

29 的控制下进行的 3.CPU 的主要性能指标及产品领域 控制器和运算器做在一个芯片中, 称为 CPU(Central Processing Unit), 即中央处理器 CPU 发展至今, 其中所集成的电子元件也越来越多, 那么这些晶体管是如何工作的呢? 看上去 似乎很深奥, 但归纳起来,CPU 的内部结构可分为控制单元, 逻辑单元和存储单元三部分 CPU 的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程 : 进入工厂的原料 ( 指令 ), 经过物资分配部门 ( 控 制单元 ) 的调度分配, 被送往生产线 ( 逻辑运算单元 ), 生产出成品 ( 处理后的数据 ), 再存储 在仓库 ( 存储器 ) 中, 最后等着拿到市场上去出售 ( 交由应用程序使用 ) CPU 是整个微机系统的核心, 它往往是各种档次微机的代名词, 我们所说的 486,586 其实 就是指计算机中 CPU 的等级 从 CPU 的性能指标中基本可以反映出计算机的性能, 因此它的性 能指标十分重要 CPU 主要的性能指标有 : (1)CPU 的字长 在单位时间内 ( 同一时间 ) 能一次处理的二进制数的位数, 各个寄存器之间通过数据总线来 传递数据, 每条数据总线只能传递 1 位数据位, 该指标反映 CPU 内部运算处理的速度和效率 (2) 位宽 CPU 通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据位数 (3)X 位 CPU 通常用 CPU 的字长和位宽来称呼 CPU 如 CPU 的字长和位宽都是 16 位, 则称为 16 位 CPU;386 的字长是 32 位, 位宽是 16 位, 称为准 32 位 ;Pentium CPU 字长是 32 位, 位宽是 64 位, 称为超 32 位 CPU (4) 主频 主频是 CPU 内核电路的实际运行频率, 所以也叫做 CPU 内频或工作频率 用来表示 CPU 的运

30 算速度 从理论上讲该频率应与它标定的频率一致, 但在实际使用中, 允许用户为 CPU 设置的 内频与该 CPU 标定的频率不一致 从 486DX2 开始, 基本上所有的 CPU 都有该特性 (5) 外频 CPU 的总线频率叫外频, 是主板为 CPU 提供的基准时钟频率, 也称为前端总线频率或系统总 线频率,CPU 的外频越高,CPU 与内存之间的交换速度也越快, 能较大地提高计算机整体的运 行速度 (6) 倍频 主频和外频之间相差的倍数称倍频,CPU 主频 = 外频 * 倍频, 如 : 某 CPU 的倍频系数为 3, 外 频为 100 MHz 时,CPU 的主频 =100MHz*3=300MHz (7) 超频 实际使用中让 CPU 工作在高于标准的时钟频率时, 称超频, 一般情况下,CPU 都能在正常工 作电压下跳高一档运行,Intel 的 Pentium Ⅱ 系列的 CPU, 在正常供电情况下, 大多能超 25% 左右 (8) 生产工艺 通常用 μm( 微米 ) 来描述, 精度越高, 生产工艺越先进, 加工出的连线也越细, 这样可以在 同样体积的硅材料上集成更多的元件,CPU 的主频就可以做得很高 随着线宽的不断降低, 以 往芯片内部使用的铝连线将被导电特性更好的铜连线代替 采用铜配线技术可以极大地提高 CPU 的集成度和工作频率 目前 CPU 的主流产品有 Pentium( 奔腾 ) Cecleron( 赛扬 ) Itanium( 安 腾 ) Xeon( 至强 ) 和 Banias( 迅驰 ), 著名的 CPU 生产公司有 IBM Apple Motorola AMD Cyrix 等 有关 CPU 的更多资料可访问 年,Apple 公司生产了 4 核的处理器, 最大支持 4 块硬盘, 最大存储量达到 3TB, 图 像的处理能力以及浮点运算能力都有了显著的提高 见图 2-8 所示

31 2.3.2 存储系统 存储器是计算机系统中的记忆部件, 分 为内存储器和外存储器, 叙述如下 1. 内存储器 当前计算机运行时所需要的程序和数据 都必须存放到内存中, 早期的内存采用磁 图 2-8 Mac Pro tower 芯, 目前多采用半导体存储器, 与外存相比, 其优点是速度快, 但容量小 价格较贵 内存的容量是衡量计算机性能的主要指标之一 内存 通常分为只读存储器 (Read Only Memory,ROM) 随机存储器 (Random Access Memory,RAM) 和 高速缓冲存储器 (Cache)3 类 (1) 只读存储器 (ROM) 只读存储器是指只能从存储器中读数据, 而不能往里写数据 ROM 中的信息一般是由设计者 和制造商事先写好固化在里面的, 用户无法修改 即使断电或死机,ROM 中的信息也不会丢失 因此,ROM 一般用来检查计算机系统的配置情况并提供基本的输入输出系统程序 (Basic Input-Output System,BIOS) ROM 类型主要有 : EPROM 可擦除可编程 ROM(Erasable Programmable ROM,EPROM), 通常用紫外光线照 射芯片顶部圆形的石英玻璃窗口, 将信息擦除, 然后再通过专门的编程器把新信息写入, 可多 次擦除和编程 PROM 一次性可编程 ROM(Programmable ROM,PROM) EEPROM(Electronic Erasable Programmable ROM,EEPROM) 电可擦除可编程 ROM 可 用加电的方法进行在线的擦除和编程 Flash ROM 快擦写 ROM, 又称闪速 ROM 它既有 EEPROM 写入方便的优点, 又有 EPROM 的高集成性, 是一种很有发展前景的非易失性存储器 目前主板上和部分显卡都采用 Flash ROM

32 作为 BIOS 芯片 (2) 随机存储器 (RAM) 通常所说的计算机内存容量均指 RAM 存储器容量, 即计算机的主存 CPU 可对随机存储器进 行读 写操作, 在计算机运行期间,CPU 要从 RAM 中读取数据, 而 RAM 中的数据一般来自外存, 也就是说 RAM 中的信息是动态变化的 RAM 有两个主要特点, 其一,RAM 中的数据可以多次使用 ( 多次读出 ), 向存储器写入新数据时, 存储器中原有的内容被覆盖 ( 更新 ); 其二, 关机或断电 后,RAM 中的信息将全部消失, 所以 RAM 是计算机处理数据的临时存储区, 要想长期保存数据, 必须将数据保存到外存中 微型计算机中的内存基本上以内存条的形式进行组织, 用户可根据 需要随时增加内存, 方便扩展 常见的内存条有 64MB 128MB 256MB 512MB 1GB 等多种类型 如图 2-9 所示 (3) 高速缓冲存储器 (Cache) 由于 CPU 的速度不断提高, 它访问数据的周 期甚至达到了几 ns( 纳秒 ),RAM 的速度 (50ns 以 上 ) 越来越难以满足 CPU 的要求, 当 CPU 从 RAM 中读取数据时, 不得不进入等待状态, 这是对高 速 CPU 资源的一种极大的浪费, 严重影响了计算机的的整体性能 为解决这一问题, 采用的办 法就是使用 Cache 技术 Cache 是指在 CPU 与内存之间设置一级或两级高速小容量存储器, 称为高速缓冲存储器, Cache 的基本工作原理是基于程序访问的局部性, 即把正在执行的指令地址附近的一部分指令 或数据从主存调入 Cache, 当 CPU 进行存储器存取时, 首先检查所需的数据是否在 Cache 中, 如 在 ( 称为命中 ) 则直接存取 Cache 中的数据而不必访问主存 ; 信息不在 Cache 中时, 则需存取 主存储器 只要算法得当, 在 Cache 中的命中率一般很高, 平均达到 80% 左右, 极大地提高了

33 工作效率, 如图 2-10 所示 CP 主存 图 2-10 Cac he CPU 主存关系 2. 主存储器的技术指标 (1) 存储容量 一个存储器可以容纳的存储单元总数即二进制数据息量称为该存储器的存储容量 存储容量 越大, 能存储的数据就越多 存储容量常以字节数 (B) 为基本度量单位, 每 8 位二进制位称为一 个字节 (Byte), 一个字节可以存放一个字符, 存储容量的表示有 :1KB=1024 B,1MB=l024KB, 1GB=1024MB,1TB=1024GB 目前内存可达 1G 以上, 硬盘可达几十 GB 到几 TB (2) 存取时间 存取时间又称存储器访问时间, 是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间 具 体地讲, 从一次读操作命令的发出到该操作命令的完成, 即将数据从内存读入数据缓冲寄存器 为止所经历的时间, 就是存储器的存取时间 (3) 存取周期 存储器连续两次独立的存取操作之间所需的最短时间称为存取周期 通常存取周期略大于存 取时间, 其单位为 ns 半导体存储器的存取周期一般为 60~lOOns (4) 存储器带宽 存储器带宽是单位时间内存储器所读取的信息量, 通常以位 / 秒 (b/s) 或字节 / 秒为度量 单位 带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标 (5) 存储器的可靠性 存储器的可靠性用平均故障间隔时间 MTBF 来衡量 MTBF 可以理解为两次故障之间的平均时 间间隔 MTBF 越长, 表示可靠性越高, 即保持正确工作能力越强

34 (6) 性能价格比 简称性价比, 是一个综合性指标, 对于不同的存储器有不同的要求 对于外存储器, 要求容 量极大, 而对缓冲存储器则要求速度非常快, 容量不一定大 因此性能价格比是评价整个存储 器系统很重要的指标 存取时间 存储周期 存储器带宽反映了主存的速度指标, 存储器的可靠性反映了存储器的 性能稳定性指标 ; 而性价比则反映了存储器的综合性能 3. 外存储器 外存储器也称辅存, 其主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件 应用程序 文档 和数据等 常用的外存储器有 : (1) 磁介质存储器 磁表面存储器主 要包括硬盘 软盘和磁 扇 磁 带等 磁表面存储器的 实际工作速度很低, 比 主存储器慢 105 倍以 上 这里所说的工作速 度低, 主要是指寻址时 图 2-11 磁表面存储器工作 间特别长, 当寻址完成之后, 磁表面存储器的数据读写速度还是很高的 磁表面存储器的工作 原理如图 2-11 所示, 载体是用金属或塑料制成的圆盘或长带, 在载体表面涂有很薄的磁层, 数 据信息就是记录在磁层上的 磁头上饶有读写线圈, 磁头的头部有一条很窄的缝 根据写入电 流的不同方向, 使磁层表面被磁化的极性方向不同, 以区分 1 或 0 1 软盘

35 软盘用柔软的聚酯材料制成圆形底片, 在表面涂上磁性材料, 封装在一个方形的护套内, 构 成一个整体, 软盘要放在软盘驱动器中才能读写 软盘上的写保护口用于保护软盘中的信息, 一旦设置了写保护, 就只能从软盘读信息, 而不能写信息 存储信息是按磁道 (track) 和扇区 (sector) 来存储的, 磁道是以轴孔为中心的一个个同心圆, 磁道从最外面的 0 道往内编号,0 磁道中存有引导记录和文件分配表 (FAT) 等信息,0 磁道一旦破坏, 软盘就不能使用 每个磁道 被分成若干区域, 每个区域为一个扇区, 每个扇区存放 512 个字节, 扇区是软盘的基本存储单 位, 计算机读写数据时, 无论数据多少, 总是读写一个或几个完整的扇区 磁盘的容量为面数 (side) 磁道数 / 面 扇区数 / 磁道 字节数 / 扇区的乘积, 如 3.5 英寸软 盘的容量 : 2( 面 )* 80( 道 )*18( 扇区 )* 512( 字节 )= (Bytes)= 1440(KB)= 1.44(MB) 软盘必须经过格式化才能使用, 格式化就是在磁盘上划分磁道和扇区, 新盘通常已经由厂家 进行过格式化, 软盘使用后, 如果不能正常读写, 可以通过格式化命令剔除坏磁道, 重新划分 磁道和扇区, 但格式化命令会破坏磁盘原有的信息 使用软盘时也应注意防潮 防磁与防尘, 并且对软盘不要重压与弯曲, 当软盘在驱动器中正在读写时, 不要作插拔操作 2 硬盘 硬盘存储器由电动机和硬盘组成, 一般放在主机箱 内 硬盘是由若干涂有磁性材料的铝合金盘片构成, 硬 盘结构如图 2-12 所示 与软盘一样, 硬盘也用相同的基 本系统来组织硬盘, 硬盘也有面 磁道和扇区, 但由于 硬盘是由若干磁性圆盘组成, 所有的盘片串在一根轴上, 两个盘片之间仅留出安置磁头的距离, 所以它还有一个 图 2-12 硬盘工作原理 称为柱面的参数, 柱面是各个盘面上相同大小的同心圆, 即所有盘片具有相同编号的磁道 硬

36 盘的容量取决于硬盘的磁头数 柱面数及每个磁道的扇区数, 硬盘是立体的软盘, 所以用立体 的磁道 ( 柱面数 ) 来代替软盘中的平面磁道 每一扇区的容量也是 512B, 硬盘的容量 =512* 磁头数 * 柱面数 * 每道扇区数 硬盘是计算机中广泛使用的外存储器, 与软盘相比, 具有存取速度快, 存储容量大的特点, 常以兆字节 (MB) 或千兆字节 (GB) 为单位, 目前已有 TB 为单位的硬盘 硬盘性能指标一般有存储容量 速度 访问时间及平均无故障时间等 使用硬盘前必须做 3 件事, 即硬盘的低级格式化 硬盘分区和高级格式化 硬盘的低级格式化即硬盘的初始化, 其主要目的是对一个新硬盘划分磁道和扇区, 并在每个扇区的地址域上记录地址信息 低级格式化工作一般由硬盘生产厂家完成 当硬盘被 破坏, 或更改系统时, 需要进行硬盘的初始化 初始化工作由专门的程序来完成, 如 ROM-BIOM 中的硬盘初始化程序等 硬盘分区硬盘初始化后, 还不能使用, 还必须对硬盘进行分区, 对硬盘分区的主要 目的是建立系统使用的硬盘区域, 并将主引导程序和分区信息写到硬盘的第一个扇区上, 分区 后的硬盘具有自己的名字, 也就是通常所说的硬盘标识符 ( 盘符 )C:,D:,E: 等, 系统通过盘 符访问硬盘 硬盘分区工作一般也是由厂家完成, 如需要对硬盘重新分区, 要用专门的程序完 成, 如 DOS 下的 FDISK 命令等 硬盘的高级格式化硬盘经过初始化 分区后, 还必须对每一个分区进行高级格式化, 硬盘高级格式化的主要作用有两点 : 其一是写入操作系统, 使硬盘具有系统启动盘的作用, 其 二是对指定的硬盘分区进行初始化, 建立文件分配表以便系统按指定的格式存储文件 硬盘的 高级格式化由格式化命令完成, 如 DOS 下的 FORMAT 命令或 Windows 下的格式化命令 (2) 光介质存储器 光盘的存储 (Optical disk) 是利用激光束在被记录的圆盘表面存储信息, 并根据激光束的

37 反射读出信息 主要由光盘 光驱动器 ( 即 CD-ROM 驱动器 ) 组成, 光盘的最大优点是存储容量 大 价格低 寿命长 可靠性高, 特别适合存储大量信息, 如百科全书 图像 声音等信息 目前, 主要有三种类型的光盘存储器, 只读光盘 CD-ROM 写一次光盘 WORM 和可擦写光盘 EOD 1 只读光盘 CD-ROM(Compact Disk Read-Only Memory) 与 ROM 类似, 即光盘中的数据是预先写入的, 用户只能读, 不能写, 这种光盘主要用于存储 文献资料等信息较大的内容, 一般 CD-ROM 的存储容量为 650MB 2 一次性写光盘 WORM(Write-Once Read-Many) 这种光盘允许用户写一次, 一旦写入后, 不得修改, 只能读出 3 可擦写光盘 EOD(Erasable Optical Disk) 可擦写光盘 EOD 存储功能与磁盘相似, 用户可多次对其进行读 / 写操作 光盘必须放到光盘驱动器中才能使用, 光盘的主要技术指标是速度指标, 即单位时间内驱动 器可从光盘上读取的数据量, 也就是倍速, 目前常用的有 32 倍速 40 倍速 50 倍速等的 CD-ROM 驱动器 新的光盘标准已经制定完成, 这就是 DVD(Digital Video Disk, 数字视频光盘 ) 标准, 同样 大小的光盘,DVD 的容量是 CD-ROM 光盘容量的几倍 (3) 移动存储器 随着信息技术的快速发展, 日常工作中的信息交换量已达到几十 MB 甚至几百 MB, 传统的用 于信息交换的 1.44MB 软盘逐渐淘汰出局, 更多小巧 轻便 价格低廉的移动存储产品正在不断 涌现 1Flash 存储设备 通常叫做优盘或闪 存, 利用 Flash 闪存芯 2GB M P3 图 2-13 活动硬盘

38 片为存储介质, 采用 USB 接口, 读写速度可达到 ns 级, 可擦写 100 万次以上, 数据至少可保存 100 年, 优盘无机械装置, 可承受 3 米高自由落体的震动, 还具有防磁 防潮 耐高低温等特 性 容量从 16MB 到几百 GB, 部分优盘还具有写保护 加密等功能 优盘是计算机用户的必备 产品 MP3 MP4 手机等也可以像优盘一样作为存储设备使用 2 移动硬盘 直接由台式电脑或者由笔记本电脑硬盘改装而成的便携式的大容量存储系统, 主要指采用电 脑标准接口 (USB/IEE1394) 的硬盘, 有很好的性价比 如图 2-13 所示 4. 存储器的层次结构 计算机中的存储器有内存 ( 主存 ) 和外存 ( 辅 存 ), 内存通常分为只读存储器 (Read Only Memory,ROM ) 随机存储器 (Random Access Memory,RAM) 和高速缓冲存储器 (Cache)3 类, 图 2-14 存储系统的层次结构 内存通常为半导体材料, 具有速度快, 但容量有限的特点 外存有软盘 硬盘 光盘 优盘等, 通常材料为磁介质或光介质, 与内存相比, 具有容量大, 速度慢的特点 为了充分发挥各种存 储设备的特点, 将其有机地组织起来, 这就构成了具有层次结构的存储系统 如图 2-14 所示 CPU 处在最高层, 外部存储器处在最底层 5. 虚拟存储器 任何一个程序都要调入内存才能执行, 计算机的内存有限, 新软件的规模越来越大, 怎样才 能让较小的内存运行更大的程序呢? 虚拟存储技术 为解决这个问题应运而生 该项技术就是 将主存和一部分外存空间共同构成一个整体, 这样就能为用户提供一个比实际内存物理地址大 得多的 虚拟存储器, 简称 虚存 而实际的物理内存称之为 实存 虚拟存储器的工作原理与 Cache 的工作原理都是基于程序访问的局部性, 即程序在运行的一

39 段时间内, 仅涉及一部分程序代码, 没有必要把程序的全部代码都同时调入内存 但两种存储 系统中的存储设备性能有所不同, 管理方案的实施细节也就有所差异 主要区别在于 : 主存的 存取时间是 Cache 存取时间的 5~10 倍, 而磁盘的存取时间是主存存取时间的上千倍, 所以虚 拟存储器中未命中的性能损失要远大于 Cache 系统中未命中的损失 虚拟存储器的主存与外存的基本信息传送单位采用三种不同的方案 : 页 段或段页式 (1) 页式虚拟存储器 页式虚拟存储器把虚拟地址空间划分成一个 个固定大小的块, 每块称为一页 (Page), 把主存储 虚拟地址空间第一页 物理内存 器的地址空间也按虚拟地址空间同样的大小划分为 第 二 页 页是一种逻辑上的划分, 它可以由系统管理软 页 件任意指定 一个程序执行时, 首先被调入虚存 ( 外存的某一特殊空 图 2 15 页式虚拟存储 间 ), 然后就完全由内存管理程序进行管理和调度 系统会根据一定的算法, 将实际执行到的那 段程序代码调入实存 ( 称为页进 ) 如果实存已满, 系统会设法腾出一些实存空间, 必要时还需 将实存中的一些信息送回虚存,( 页出 ), 然后再将当前要执行的代码调入实存 这样, 通过页 进 页出, 保证了要执行的程序段都在内存, 见图 2-15 所示 信息传送的单位是这种定长的页, 就称为页式虚拟存储器, 其优点是空间的分配比较容易, 浪费也较小, 唯一可能造成的浪费是 程序最后一页的内容可能不足一页, 也占用了一页的空间 由于页不是逻辑上的实体, 所以其 缺点是管理 修改 保护和共享的性能都较差 (2) 段式虚拟存储器 段充分利用程序的模块化性质, 程序员在编写程序时, 一般按照程序的内容和函数关系把程 序分成段, 每段都有自己的名字, 并且希望能够按照名称或序号来访问程序段 主存按段分配 的存储管理方式称为段式管理, 采用段式虚拟存储器的优点是段的逻辑独立性使它易于编译

40 管理 修改和保护, 也便于多道程序共享, 但因为段的长度各不相同, 段的起点和终点不定, 给主存空间分配带来麻烦, 容易在段间留下零碎空间, 造成浪费 (3) 段页式虚拟存储器 为了同时能够获得段式虚拟存储器在程序模块化方面的优点 和页式虚拟存储器在管理主存和辅存物理空间方面的优点, 把两 种虚拟存储器结合起来就成为段页式虚拟存储器 其基本思想是 图 2-16 精美的鼠标 对用户原来编写程序的虚拟存储空间采用分段的方法管理, 而对 主存储器的物理空间采用分页的方法管理 段页式管理的缺点是需要多次查表, 计算虚地址 与实地址的关系, 速度较慢 目前计算机采用段页式存储管理的较多 输入 / 输出设备 1. 输入设备 输入设备的基本功能是将数据 程序等转换成计算机能接受的二进制码, 并将它们送入内存 常用的输入设备有键盘 鼠标 手写板 轨迹球 扫描仪 光笔 触摸屏 读卡器 读码机 数字化仪 游戏操作杆等 其中 : (1) 鼠标 (Mouse) 鼠标按检测原理可分为机械式 轨迹球式和光电式三种, 通 图 2-17 触摸屏 常接串行口, 如图 2-16 所示 (2) 触摸屏 触摸屏是用手触摸的输入设备, 如图 2-17, 在计算机显示屏幕基础上, 附加坐标定位装置, 通常有接触式和非接触式两种 一般在显示屏的表面采用电阻薄膜 红外线 表面声波等技术, 以形成一个对人手触摸产生感应的触摸屏, 当我们用手对这 一触摸屏的某个位置触摸时, 通过引起这个位置的电阻 红 图 2-18 手写笔

41 外线信号或者表面声波信号的变化, 能够产生与显示屏该位置对应的坐标的数字编码信号 所 以特别适用于一些大型公共信息服务或者公共事务处理服务的多媒体网络的应用中 例如, 邮 局, 大型商场提供的商品介绍和购买服务, 在餐馆提供点菜服务, 展览馆 旅游地的导游 参 观服务, 银行 宾馆 医院的信息查询和事务预约服务等 (3) 笔绘板 ( 手写笔 ) 笔绘板是由人直接通过一种特制的画板, 向计算机输入手绘图形和手写文字的一种多媒体输 入装置, 如图 2-18 所示 它的工作原理也基本跟鼠标相似, 是通过光 电 磁等方法把手写笔 在手写板上的相对位置转换成二进制的数字编码信息输入计算机 它们两者的不同之处在于, 鼠标是以位置信息来驱动光标在显示屏上移动, 笔绘板则把位置信息直接写入显示存储器内, 使显示屏能够实时显示出笔绘板上画的图形或写的文字, 计算机就可以对输入的图形 文字进 行必要的处理 (4) 读卡器 存储少量个人信息的磁卡 IC 卡和激光卡等可以通过简单的专用读卡设备由计算机读入存 储卡中的信息 存储卡中的个人信息, 可以包括姓名 单位 身份证号码 个人密码 照片和 指纹等个人身份识别信息, 还可以包括各种专门应用的有关个人信息, 如银行账号 存款数 预付款数 个人健康状况 出勤记录等 因此存储卡在金融 商业 医疗 教育等部门的网络 应用服务中得到越来越广泛的应用 (5) 读码机 如果说存储卡输入技术主要用于存储个人信息和对人标识, 那么条纹码技术则主要用于存储 物的信息和对物进行分类标识, 以利于我们通过计算机网络对物的管理和使用, 如图书馆的图 书管理 仓库的产品和器材管理 商店的商品管理及药房药品管理等 条纹码输入方法采用的 技术, 与磁卡方法相似, 它把标识不同的物品的标识码, 用黑白颜色条纹按照规定的标准方法

42 进行编码, 并把它印刷或贴在物品上 与计算机相联的读码机是一个专门的光电检测头, 它对 准条纹码, 就可以方便地把黑白条纹码信息转换成二进制编码电信号, 送给计算机识别 条纹 码一般只是一个代表这个物品的标识号码, 并不存储过多信息, 其它有关信息, 如该物品的名 称 类型 重要性能 存放位置 出入情况等, 都可以存在计算机网络的有关信息库中, 因此, 对条纹码编码的基本要求是在指定的应用范围内标识的唯一性 2. 输出设备 输出设备是将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字 字符 图象 声音等形式, 然 后显示 打印或播放出来, 常用的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 (1) 显示器与显示器卡 显示输出系统由显示器与显示卡构成, 以可见光的形式传送和处理信息 显示器的种类 : 有 阴极射线管 CRT(Cathode Ray Tube) 显示器 液晶显示器 LCD(Liquid Crystal Display) 和等离子显示器 PDP(Plasma Display Panel) 等 其中,CRT 显示器具有显示直观 速度快 使用方便灵活 性能 稳定可靠 价格便宜等优点, 是目前的使用最多的显示器 LCD 显示 器具有体积小 无辐射 省电等优点, 已经得到广泛应用 显示器 图 2-19 液晶显示器 屏幕上的字符和图形是由一个个像素组成的, 像素的多少用分辨率来表示, 如 : 等, 分辨率越高, 其清晰度越好 显示卡由显示存储器 寄存器和控制电路三部分组成 它是主机与显示器之间的桥梁, 负责 将计算机内的输出信号转换成显示器能接收的信号 常见的显示卡有 CGA( 彩色图形适配器 ) EGA( 增强型图形适配器 ) VGA( 视频图形阵列适配器 ) SVGA( 超级视频图形阵列适配器 ) 等, 这 些显示卡传送的是模拟信号, 随着液晶显示器的出现,DVI 数字信号接口也进入了人们的生活, 如图 2-19 所示

43 (2) 打印机和绘图仪 打印机分为击打式 非击打式, 击打式 ( 针式打印机 ) 有 16 针 24 针等, 高速宽行, 噪 声大 非击打式有喷墨和激光打印机, 喷墨打印机有较高的打印质量, 低噪声, 低价格, 激光 打印机打印质量高 速度快, 低噪声 打印机指标有打印分辨率, 打印速度 打印机通常接并 行接口, 如图 2-20 所示 图 2 20 打印机和绘图仪绘图仪用于精确绘图, 在计算机的 CAD 和 CAM 中, 应用绘图仪可以绘制精美的图形 主板 总线与接口 1. 主板 (Main board 或 Mother board) 主板是计算机系统中最大的一块电路板, 几乎所有的计算机部件都通过它组织起来, 主板上 的部件主要有一个 CPU 插座 ; 北桥芯片 南桥芯片 BIOS 芯片等三大芯片 ; 前端系统总线 FSB 内存总线 图形总线 AGP(Accelerated Graphics Port) 数据交换总线 HUB 外设总线 PCI (Peripheral Component Interconnect) 等五大总线 ; 软驱接口 FDD 通用串行设备接口 USB 集成驱动电子设备接口 IDE 等七大接口 如图 2-21 所示 芯片组决定了主板的结构及 CPU 的使用 三 大芯片的功能如下 : 南桥芯片主要负责 I/O 接口 控制 IDE 设备 ( 硬盘等 ) 控制以及高级电源管 图 2-21 主板

44 理等 ; 北桥芯片负责与 CPU 的联系并控制内存 AGP PCI 数据在北桥内部传输, 由于北桥芯片 的发热量较高, 所以芯片上会装有散热片 ;BIOS 芯片是一个只读存储器, 一些硬件的信息直接 固化在其中, 系统启动时, 首先从这里调用硬件信息 主板类型是指主板上各元器件的布局和排列方式, 不同的板型要求不同的机箱与之相配, 不 同的 CPU 需要搭配不同的主板, 各主板结构规范之间的差别包括尺寸大小 形状 元器件的放 置位置和电源供应器等, 常见的主板结构标准有 :AT ATX LPX NLX 结构 前两种是早期的 PC 机结构,LPX(ALL-In_One) 结构是一体化主板结构规范, 由于维护和升级不方便, 已被 NLX 结构取代 NLX(Now Low Profile Extension) 结构是新型小尺寸扩展结构, NLX 结构灵活 规范, 给计算机制造者留下了自由发挥的空间 2. 总线 与计算机相连的外部设备种类繁多, 如果每一种外部设备都有自己的线路与 CPU 相连, 那么 线路将复杂得难以实现 为了简化硬件电路设计, 让所有的外部设备都共用一组线路, 再对不 同的外部设备配置以适当的接口电路,CPU 同样能与各种部件和各外部设备相连接, 而且大大 简化了系统结构, 这组共用的连接线路称为总线, 如图 2-22 所示 按总线在系统的不同层次 位置分为片内总线 主板局部总线 系统总线 通信总线 片内 总线即芯片内的总线 ; 主板局部总线即电路板上连接各插件的公共通路 ; 系统总线即连接各插 件板的总线 ; 通信总线即微处理器与系统 外部设备间的通道 按总线传输信息的种类, 总线又分为 : (1) 数据总线 (Data Bus,DB) 用于数据传输, 它的条数与 CPU 的字长一致, 一般有 等 信息传送是双向的, 可送入 CPU, 也可从 CPU 送出 (2) 地址总线 (Address Bus,AB) 用于传送存储单元或 I/O 接口的地址信息, 信息传送 是单向的, 只能从 CPU 送出, 它的位数决定了内存储器的最大容量, 即 CPU 能管辖的范围, 常

45 有 位等 例如地址总线为 24 条, 则内存的容量为 , 即 : 2 24 =2 10 *2 10 *2 4 =1024*1024*16=16MB (3) 控制总线 (Control Bus,CB) 是传送控制器的各种控制信号, 它的条数取决于 CPU 的 字长 图 2-22 总线 目前微型计算机上常见的系统总线结构有 : (1)ISA(Industry Standard Architecture) 总线 ISA 是工业标准结构总线, 应用在 至 时代, 数据传送宽度为 16 位, 工作频率 为 8MHz, 数据传输率最高可达 8Mb/s, 寻址空间为 1MB (2)PCI(Peripheral Component Interconnect) 总线 PCI 是外部设备互连总线,1991 年由 Intel 公司推出, 是 CPU 与外部设备之间的一条独立的 数据通道, 使每种设备都直接与 CPU 取得联系, 使图形 通信 视频 音频设备都能同时工作 通常 PCI 的数据传送宽度为 32 位, 工作频率为 33MHz, 数据传输率最高可达 133Mb/s PCI 是基 于 Pentium 等新一代微处理器而发展起来的总线, 如图 2-23 所示

46 图 2-23 PCI 总线 (3)AGP(Accelerated Graphics Port) 总线 AGP 是加速图形端口的英文缩写, 这是 Intel 公司配合 Pentium 处理器开发的总线标准, 它 是一种可自由扩展的图形总线标准, 主要是为了提高视频带宽而设计的,AGP 在内存与显示卡 之间提供了一条直接的通道, 它通过专业的 AGP 总线直接与北桥芯片相连接 通常总线宽为 32 位, 时钟频率有 66MHz 和 133MHz 两种 3. 接口 不同的计算机外部设备都有自己独特的系统结构 控制软件 控制信号等, 计算机要与它们 连接在一起协调工作, 必须对设备的连接有一定的规范或约定, 这种约定就是接口协议, 实现 接口协议的硬件设备就是接口电路, 简称接口 输入 / 输出接口是处理机与外部世界进行联系 的界面, 实际上, 现代处理机内部的许多例外事件也通过输入 / 输出接口进行处理 接口的主 要功能有 : 处理机与外部设备之间的通信联络 数据缓冲 接受处理机的命令, 提供外部设备的状态 数据格式的变换

47 常见的接口有以下几种 : (1) 串行接口 所谓串行是指每一个字都是在设备与接口之间一位一位地进行传送的, 串行接口有专门的设 备名 COM1 COM2 等, 串行接口也称为异步通信适配器接口 (RS-232-C), 是美国电子工业协会 (Electronic Industry Association,EIA) 制定的一种接口标准, 最大通信距离为 15 米 鼠标 和调制解调器连接在串行接口上 (2) 并行接口 每一次都是将一个字节或一个字的所有位同时进行传送, 并行接口设备名为 LPT1 LPT2, 打印机接在并行接口上 (3) USB(Universal Serinal Bus) 通用串行总线接口 USB 接口为外设提供电源, 能同时连接 127 个外部设备, 可同时支持高速和低速设备的访问 目前可连接的设备有显示器 键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪 数码照相机 打印机 绘图仪和调制解调器等 与串行接口和并行接口一样, 该接口也要在软件控制下才能正常工作, Windows 支持通用串行总线接口 (4)IEEE 1394 接口 这是一种连接外部设备的机外总线标准, 按串行方式通信,IEEE 1394 接口标准允许把计算 机 计算机外部设备 ( 如硬盘 打印机 扫描仪 ) 各种家电 ( 如数码照相机 DVD 播放机 视 频电话等 ) 非常简单地连接在一起 IEEE 1394 和 USB 都可以连接外部设备, 按串行方式通信, 不同之处是 IEEE 1394 速度更快,USB 价格更便宜 (5) 硬盘接口 目前微机中使用最广泛的硬盘接口标准是 IDE 和 SCSI 标准 IDE(Integrated Device Electronics, 集成设备电子部件 ) 接口标准的最大特点是把控制

48 器集成到硬盘驱动器内 这样消除了驱动器和控制器之间数据丢失的问题, SCSI(Small Computer System Interface, 小型计算机系统接口 ), 早期在小型机上使用, 现 在也在 PC 机上使用, 是一个多任务接口, 在同一个 SCSI 控制下的多台外设可以并行工作, 同 步数据传送速率达到了 20Mb/s 2.4 进位计数制及其转换 由于计算机的物理器件只有两种状态, 实际在计算机中存储的是 0 和 1 二进制代码, 处理 的也是二进制代码 那么二进制与在实际生活中人们熟悉的十进制 十二进制 ( 一打 ) 等进制 的特点是什么? 这些进制是怎样进行换算的? 计算机怎样用二进制来表示数值 文字等信息? 这是本节要讨论的问题 进位计数制 任何进位计数制都有两个要素 : 基数和位权值 基数是每一种计数制中数符的个数, 按基数进位 借位 二进制有二个数符 (0 1), 逢二 进一 借一当二 ; 十进制有十个数符 逢十进一 借一当十 ;r 进制有 r 个数符, 逢 r 进一 借一当 r, 见表 2-2 表 2-2 各种进制的基数 进制数符个数进位值 十进制 D 0~9 10 个 10 2 二进制 B 0 和 1 2 个 8 16

49 八进制 O 0~7 8 个 十六进制 0~9 和 A~F 16 个 R 进制 R 个 R 个 R 此外, 一个数的每个位置都有一个位权值, 如 : 十进制 (1999) 10= , 从左到右每个数符的位权值为 , 二进制 (1010)2= , 从左到右每个数符的位权值为 对于任何一个 r 进制数 N 可表示为 :N=an - 1 n r n an - 2 r n a 1 r 1 + a0 r 0 + a- 1 r a- m r - m = 1 i i= m i a r 其中 i 表示位数,r 代表基数,a i 代表各位的值 用二进制表示一个大数时比较冗长, 如十进制的 99 用二进制表示为 ( ), 为了阅读和书写的方便, 又引入了八进制和十六进制, 见表 2-3 由于一位八进制 数对应三位二进制数 (2 3 =8), 所以在八进制转换为二进制时, 只需一位八进制数变三位二进制 数, 在二进制转换为八进制时, 三位二进制数变一位八进制数 而一位十六进制数对应四位二 进制数 (2 4 =16), 所以在十六进制转换为二进制时, 只需一位十六进制数变四位二进制数, 在二 进制转换为十六进制时, 四位二进制数变一位八进制数即可 在转换时, 位组划分是以小数点 为中心向左向右两边展开, 每组中的 0 不能省略, 组中的位数不够时, 可以补足整数的前 0 和 小数部分的后 0, 如 : ( ) 2 =(010,101, ) 2=(255.5) 8 ( ) 2 =(1010, ) 2=(AD.A) 各数制间的转换 1.r 进制转十进制 按权展开 r 进制数转换为十进制, 只要将各位数码乘以各自的权值累加即可 如将二进制数 转换成十进制数 : 表 2-3 常用数制对照表

50 十进制二进制八进制十六进制 A B C D E F ( ) 2= = (99) 10 将八进制数 143 转换成十进制数 : (143)8= = (99)10 将十六进制数 63 转换成十进制数 :(63) 16= =(99) 10 所以 :( ) 2 = (143) 8= (63) 16 =(99) 十进制转换为 r 进制 十进制数转换为 r 进制数时, 将整数部分和小数部分分开转换, 然后再合成起来即可 整数部分转换成 r 进制整数时, 采用除 r 取余法, 即十进制数不断除以 r 取余数, 直到商为 0, 首次取得的余数是离小数点最近的低位 小数部分转换成 r 进制小数时, 采用乘 r 取整法, 即十进制数不断乘以 r 取整数, 直到小数 部分为 0 或达到所求的精度为止, 首次取得的整数是离小数点最近的高位 例 : 将十进制数 转换为二进制数, 先对 75 除 2 取余为 , 再对 乘 2 取 整为 101, 整数和小数部分合成起来即可 :(75.625)10=( )2 运算过程如下 : 注意 : 不管是除法还是乘法首先算出来的都是离小数点最近的那一位

51 7 3 1 取余 数据在计算机中的表示 取 计算机只能处理二进制数据, 所以任何形式的数据 ( 数字 文字 图形 声音等 ) 都必须转 换成二进制, 计算机才能处理 本节讨论计算机中数值及中西文的表示形式 数值型数据的表示形式 数值必须变成二进制代码才能存储到计算机, 符号位也必须变成 0 或 1 才能存储, 计算机中 正号用 0 表示, 负号用 1 表示, 在计算机中使用的连同符号一起数码化了的数称为机器数, 而 它真正表示的数值叫真值 例如 :±99 数的真值表示 : (±99) 10=(± ) 2 机器数表示法 : +99: ; -99: , 采用符号数字化后, 计算机就可以处理数符了 为了改进符号数的运算方法和简化硬件结构, 人们研究了二进制机器数的几种表示法, 原码 反码和补码 : 1. 原码 : 原码是数值化的符号位加上数的绝对值, 如 : X=(+91)10=( ) 2, [X] 原 = X=(-91) 10=( ) 2, [X] 原 = 一字节 (8bit) 原码表示的整数范围是 -127~+127, 采用原码表示法简单易懂, 但它的运算 复杂, 如, 当两数相加时, 同号则数值相加, 异号则相减, 相减时还要判断绝对值的大小, 然 后用大数减小数, 最后还要给结果选择符号 如果符号位和数值一样参加运算, 运算就简单了,

52 为此提出了反码 补码表示法 2. 反码 反码很少使用, 它的主要作用是求补码的中间码 正数的反码与原码相同, 负数的反码是把 负数的原码除符号位之外的各位按位取反 (0 变 1,1 变 0) 即可, 如 : X= [X] 原 = [X] 反 = X= [X] 原 = [X] 反 = 补码 正数的补码与原码相同, 负数的补码是先求负数的反码, 再把反码的最低位加 1, 如 : [X] 原 = [X] 反 = [X] 补 = 负数用补码表示时, 可以把减法转换为加法, 符号位同数值一起参加运算, 如 : [X+Y]=[X]+[Y], [X-Y]= [X]+[-Y] 7-3=7+(-3),7 的补码 : ,-3 的补码 : , = =(4)10 可见用补码参与运算最为方便, 因为补码的符号位无需单独处理, 就如同数字一样参与运算, 运算结果的符号位有效 注意 : 反码和补码是对负数而言的,[ 正数 ] 原 =[ 正数 ] 反 =[ 正数 ] 补 上面讨论了计算机是如何处理正负数的, 下面讨论在计算机中如何处理小数 4. 定点数和浮点数 当计算机需要处理实型数据时, 就出现了如何表示小数点的问题, 系统并不是像处理符号那 样, 用一位二进制数表示小数点, 它采用的定点数和浮点数方法, 都是隐含设定小数点的办法 顾名思义, 定点数就是小数点位置隐含固定在某一位置上, 浮点数就是小数点在数据中的位置 是可变的 (1) 定点数 固定小数点的位置有以下两种 : 小数点在最低位之后称为定点整数, 定点整 数是纯整数 默认小数点在符号位之后称为定点小数, 定点小数是纯小数, 即所有数均小于 1

53 定点整数 :+99= ( 小数点隐含在最低位之后 ) 定点小数 :-0.99= ( 小数点隐含在符号位之后 ) 符 号 数 值 符 号 数值部分 位 部分 位 小数点位置 小数点位 置 图 2-24 定点整数与定点小数的表示阶符阶码数符尾数 图 2-25 浮点数表示法 (2) 浮点数 在科学计算中, 定点数的表示是不够用的, 为了表示很大或很小的数, 采用 浮 点数 或称 科学表示法, 浮点数由两部分组成见图 2-25 所示, 即阶码和尾数, 其中阶码用二进 制定点整数表示, 阶码的长度决定数的范围 ; 尾数用二进制定点小数表示, 尾数的长度决定数 的精度 ; 底数 ( 基数 ) r=2 是隐含的 由于阶码可取不同的数值, 这样小数点在数据中的位置 就是可变的 如 : ( ) 2=( ) 2 2 (+10 ) 2 =( ) 2 2 (- 10 ) 2 =( ) 2 2 ( +11 ) 2 为了便于计算机中小数点的表示, 规定将浮点数写成规格化的形式 : 尾数的绝对值大于等于 0.1 并且小于 1, 从而惟一地规定了小数点的位置 西文字符编码 西文字符 ( 字母 数字 各种符号 ) 采用 ACSII 码 (American Standard Code for Information Interchange, 美国信息交换标准代码 ) 进行编码 ACSII 码用 7 位二进制编码 ( 最高位第 8 位为 0), 共 128 个常用字符,ASCII 码值从 0 到 127( 十进制 ), 即从 7 个 0 到 7 个 1 其中, 控制字 符 :0~32 和 127( 即 NUL US 和 DEL); 普通字符 :94 个, 在这 94 个字符中, 从 0 9 从 A

54 Z 从 a z 都是顺序编码的, 且小写字母比大写字母的码值大 32, 这有利于大小写字母之间 的转换 记住以下字符编码很有用 : a 字符的 ASCII 码为 , 即十进制数 (97)10; 则 b 的编码为 (98)10 A 字符的 ASCII 码为 , 即十进制数 (65) 10; 则 B 的编码为 (66) 10 0 数字字符的 ASCII 码为 , 即十进制数 (48) 10; 则 1 的编码为 (49) 10 SP 空格字符的 ASCII 码为 , 即十进制数 (32) 中文信息编码 汉字种类繁多, 编码比较困难, 而且对汉字的输入 内部处理 输出的要求不尽相同, 因此 要进行一系列的汉字编码及转换, 汉字信息处理中各编码及流程如图 2-26 所示 其中虚线框 内的编码对国标码而言 图 图 图 图 图 图 图 图 1. 汉字输入码 西文可以通过键盘直接输入, 汉字不可能通过键盘直接输入, 只能通过计算机标准键盘上 按键的不同排列组合来对汉字输入, 所谓汉字输入码就是输入汉字时的编码, 目前常用的输入 法大致有音码类和形码类以及音形混合类 : 音码类 主要是以汉语拼音为基础的编码方案, 如全拼 双拼 微软拼音 自然码和 智能 ABC 等 优点是不用学习, 与人们习惯一致, 缺点是由于汉字同音字较多, 输入重码率很 高, 输入速度较慢 形码类 主要是按汉字的形状, 先把汉字拆分成部首, 然后进行合成, 如五笔字型法 郑码输入法等

55 2. 汉字国标码 (GB ) 全称是 国家标准信息交换汉字编码 ( 简称国标码, 也称交换码 ) 是计算机中汉字编码的标 准 在国标码表中有 : 一级汉字 3755 个 ( 按汉语拼音排列 ); 二级汉字 3008 个 ( 按偏旁部首排 列 ); 西文字符和图形符号 682 个, 共 7445 个 为了编码, 将汉字分成若干个区, 每个区 94 个汉字 由区号和位号 ( 区中的位置 ) 构成了区 位码 区号和位号各加 32 就构成了国标码 如 中 的区位码为 5448, 其国标码为 8680 一个 国标码占两个字节, 每个字节的最高位为 0 3. 汉字机内码 汉字机内码是指计算机内部存储 处理加工汉字时所用的代码 汉字在用不同的汉字输入法 时其输入码 ( 外码 ) 各不相同, 但其内码是统一的 输入码通过键盘输入, 接受后就由汉字操 作系统的 输入码转换模块 转换为机内码, 每个汉字的机内码用 2 个字节表示 为了与 ASCII 称为汉字机内码, 如 : 码相区别, 将国标码的每个字节的最高位由 0 变为 1, 变换后的国标码 可见汉字机内码的每个字节都大于 128, 而每个 ASCII 码值均小于 128 如 : 汉字汉字国标码汉字机内码 中 8680( ) 2 ( ) 2 华 5942( )2 ( ) 2 4. 汉字字形码 汉字字形码又称汉字字摸, 用于汉字输出 汉字字形码通常有两种表示方式 : 点阵和矢量表 示方式 汉字字形点阵的代码就是点阵码, 常见的点阵有 等 点阵规 模越大, 字型越清晰美观, 所占存储空间也越大, 每个汉字字形码占用字节数为 : 点阵列数 /8

56 行数, 如一个 点阵的汉字所占的空间为 :16/8*16=32B, 两级汉字大约占用 256KB 点 阵码的优点是编码 存储方式简单 无需转换直接输出, 但放大后产生的效果差 如图 2-27 所 示 矢量表示方式存储的是描述汉字字形的轮廓特征, 当 要输出汉字时, 通过计算机的计算, 由汉字字型生成所 需要的大小和形状的汉字点阵 Windows 中使用的 TrueType 技术就是汉字的矢量方式 点阵方式编码和存储方式简单, 无需转换就可直接输出, 但字型放大后的效果差, 而矢量方 式的特点正好与点阵相反 (5) 其他汉字内码 早期使用的 GB2312 国标码只能表示和处理 6763 个汉字, 目前能够表示汉字内码的还有 UCS 码 Unicode 码 GBK 码 BIG5 码等 UCS 码 是国际标准化组织公布的通用多八位编码字符集 (Universal Code Set,UCS) 是世界各种 文字的统一的编码方案 每一个字符占 4 个字节 分别为组号 平面号 行号和字位号 UCS 码中的第一个平面 (0 组 0 平面 ) 称为基本多文种平面 (BMP), 包含字母 音节及表意文字等 例如 : A 41H(ASCII) H(UCS) 大 3473H(GB2312) H(UCS) Unicode 码 由于 UCS 码中的每个字符需要 4 字节表示, 消耗的不必要的存储空间太多, 事实上, 全世界 的各种文字经常使用的只是其中一部分, 用两个字节就足够了 Unicode 码就是采用双字节编

57 码统一地表示世界上的主要文字的另一国际标准, 其字符集内容与 UCS 的 BMP 相同 可以表示 符号 6811 个, 汉字 个, 韩文拼音 个, 造字区 6400 个, 保留 个, 共计 个 目前 Unicode 码得到广泛使用, 如 Java 语言就使用 Unicode 码 GBK 码 GBK 编码是我国制定的, 是从 UCS 码 Unicode 码发展起来的, 它等同于 UCS 的新的中文编 码扩展国家标准,2 个字节表示一个汉字, 第一字节从 81H FEH, 最高位为 1; 第二字节从 40H FEH, 第二字节的最高位不一定是 1 GBK 码能表示汉字 个, 它与 GB 汉字内码兼容, Windows 系统使用的是 GBK 码, 这样早期汉字系统建立的文本, 在 Windows 系统中仍然可用 BIG5 编码 台湾 香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准, 包括 440 个符号, 一级汉字 个 二级汉字 个, 共计 个汉字 2.6 计算机软件 计算机软件概述 计算机系统是由硬件和软件两部分组成的, 硬件是看得见, 摸得着的物质实体, 就是前面介 绍的五大部件,CPU 存储器 输入输出设备等 没有软件的计算机称为裸机, 要使用裸机只能 用机器指令, 计算机发展的初期就是只能使用机器指令的状况 目前, 实际呈现在用户面前的 计算机系统是经过若干层软件武装的计算机, 所以计算机功能的强弱与所配备的软件有很大的 关系 图 2-28 是计算机硬件软件层次关系 软件是由计算机程序 数据和有关的技术资料组成 程序是指挥计算机工作的步骤 ; 技术资料包括软件和硬件 的技术说明 使用方法和操作手册等文档 软件是计算机 应用程

58 的 灵魂 软件系统分为两大类, 系统软件和应用软件 系统软件通常负责管理 控制和维护计算机的各种软硬件资源, 并为用户提供一个友好的操 作界面和工作平台 常见的系统软件包括操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 支持软 件等 系统软件通常要涉及计算机硬件, 所以编写难度较大, 一般由大的计算机公司提供 应用软件是专业人员为各种应用目的而开发的应用程序, 如办公自动化软件, 专业软件 ( 如 建筑类 财务类 ) 科学计算软件包 套装软件 游戏软件 用户开发的系统等 应用软件的编 写难度较小, 可由具有一定计算机知识的各行各业的人员编写 本节主要介绍语言处理程序, 其它软件分散在各章介绍 计算机语言概述 语言是人们交流的工具, 这种在长期生活中形成的语言称为自然语言 ( 如英语 汉语等 ) 人们要使用计算机, 就要和计算机交流, 就要懂计算机语言, 所以计算机语言 ( 程序设计语言 ) 是人与计算机交流的工具, 计算机语言就是计算机能懂的语言, 计算机本身只懂二进制形式的 机器语言, 计算机发展的初期, 只能通过机器语言编写的程序来使用计算机, 计算机使用率极 低 长期以来, 编写程序和执行程序是利用计算机解决问题的主要方法和手段 也就是说, 你 要使用计算机就必须懂计算机语言 必须会编写程序 随着计算技术的发展, 计算机语言也不 断发展, 各种软件也不断涌现, 才使计算机变得像今天这样普及 计算机语言的发展过程是其语言表达愈加接近自然语言和数学语言 功能不断完善 描述问 题的方法愈加贴近人类思维方式的过程 1. 机器语言 机器语言是由 0 和 1 二进制代码按一定规则组成的 能被机器直接理解和执行的指令的集合 指令规定了计算机能直接完成的某一种操作 一条指令通常由两个部分组成 :

59 操作码 操作数 操作码指明要完成的操作类型或性质, 如取数 做加法或输出数据等 操作码的位数决定了 操作指令的条数 当使用定长操作码格式时, 操作码位数为 n, 则指令条数可有 2 n 条 操作数指明操作的内容或所在的内存单元地址, 操作数在大多数情况下是地址码, 地址码通 常可以有 0-3 个 地址码是数据所在的地址, 可以是源操作数的存放地址, 也可以是操作结果 的存放地址 一台计算机的所有指令的集合, 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 种类 格式有很大差异 指令系统决定了计算机的能力 也影响着计算机的体系结 构, 但无论哪种类型的计算机指令系统都应具有以下功能的指令 : 数据传送指令 数据在内存与 CPU 之间传送 数据处理指令 数据进行算术 逻辑或关系运算 程序控制指令 控制程序中指令的执行顺序, 如无条件转移 条件转移 调用子程序 返回 停机等 输入输出指令 用于实现外部设备与主机间的数据传送 其它指令 对计算机的硬件进行管理等 指令系统是计算机基本功能的具体而集中的体现, 指令系统是软件和硬件的界面, 机器指令 是对计算机进行程序控制的最小单位 用机器指令编写的程序称为 机器语言程序 用机器语言编写程序, 编程工作量大, 难学 难记 难修改, 通用性差, 唯一的优点是代码 不需翻译, 所占空间少, 执行速度快 2. 汇编语言 机器语言的 难, 主要难在要将人们熟悉的自然语言和数学语言翻译成机器语言, 这是相当 繁琐 费时的工作, 既然计算机有很大的存储容量 又有逻辑判断能力, 是否可以把翻译的工

60 作交给计算机完成呢? 根据这个设想探索的结果, 出现了汇编语言 ( 符号语言 ) 汇编语言就是 将机器指令代码用英文助记符表示, 代替机器语言中的指令和数据 例如用 ADD 表示加 SUB 表示减 JMP 表示程序跳转等 这样在一定程度上克服了机器语言难读难懂难改的缺点, 同时 保持了其编程质量高 占存储空间小 执行速度快的优点, 故常用于过程控制等编程 缺点是 仍面向机器, 使用者需具备专业知识 3. 高级语言 高级语言接近自然语言 ( 英语 ) 和数学语言, 是由表达各种意义的词和数学公式按照一定的 语法规则来编写程序的语言 高级语言使程序员可以完全不用与计算机的硬件打交道, 可以不 必了解机器的指令系统 这样, 程序员就可以集中精力来解决问题本身而不必受机器制约, 因 此编程效率高, 简单易学, 各行各业的人员都可以通过高级语言用计算机解决本专业的问题, 高级语言由于与具体机器无关, 因此程序的通用性强 高级语言分类可分为三类 (1) 面向过程的语言 : 如 FORTRAN BASIC PASCAL C 等 面向过程的语言致力于用计算机能够理解的逻辑来描 述需要解决的问题和解决问题的具体方法 步骤 编程时, 程序需要详细描述解题的过程和细 节, 即需要详细地描述 怎样做 (2) 面向问题的语言 : 面向问题的语言又称为第四代语言 (4GLS) 这类语言解题时, 不必关心问题的求解算法和 求解的过程, 只须指出要计算机做什么, 以及数据的输入和输出形式, 就能得到所需结果 例如, 用面向问题的 SQL(Structured Query Language) 语言, 只要用如下的一条语句就可 实现查询教龄大于或等于 30 的人员情况 : SELECT 姓名, 部门, 教龄 FROM d:\zg.dbf WHERE 教龄 >=30

61 面向问题的语言是采用快速原型法开发应用软件的强大工具, 能够快速地构造应用系统, 提高软件开发效率 面向过程的语言需要详细地描述 怎样做 ; 面向问题的语言仅需要说明 做什么 它与数据 库的关系非常密切, 能够对大型数据库进行高效处理 (3) 面向对象的语言 : 在 20 世纪 80 年代推出了面向对象的语言, 它与以往各种语言的根本不同点在于 : 它设计 的出发点就是为了能更直接地描述客观世界中存在的事物 ( 即对象 ) 以及它们之间的关系 面向对象语言将客观事物看作具有属性和行为的对象, 通过抽象找出同一类对象的共同属 性和行为, 形成类 通过类的继承与多态性可以很方便地实现代码重用, 这大大提高了程序的 复用能力和程序开发效率 面向对象语言已是程序语言的主要研究方向之一 面向对象的语言 有 C++ Java Visual Basic 等 语言处理程序 除了机器语言可以被计算机直接理解并处理外, 汇编语言和高级语言都需要经过语言处理程 序 ( 或称翻译程序 编译器 ) 将其翻译为机器语言, 然后才可被计算机处理 实现这个翻译过 程的工具是语言处理程序, 即翻译程序 用非机器语言写的程序称为源程序, 通过翻译程序翻 译后的程序称为目标程序 不同的程序设计语言有各自的翻译程序, 互相不通用 1. 汇编程序 汇编语言写的程序, 需要翻译成机器语言, 才能被计算机执行 汇编程序就是是将汇编语言

62 编写的程序 ( 源程序 ) 翻译成机器语言程序 ( 目标程序 ) 的工具 ( 翻译官 ), 如图 2-29 所示 2. 高级语言翻译程序 高级语言有两种翻译方式, 解释方 式和编译方式, 相应的翻译工具也分别称为解释程 序和编译程序 (1) 解释方式 解释方式是由解释程序将高级语言源程序翻译为机器语言的一种方式, 解释程序对源程序进 行逐句翻译, 翻译为一个或多个机器语言指令, 并立即执行 若解释时发现错误, 会立即停止, 高级语言源程 报错并提醒用户更正代码 解释方式不生成目标程序 工作过程如图 2-30 所示 解释方式像生活中的 口译 方式, 边说边译, 说完也译完, 不产生文本 由于每次执行都要 解释, 所以速度较慢 BASIC LISP 等语言采用解释方式 (2) 编译方式 编译方式就是由编译程序将高级语言翻译为机器语言的另一种方式, 编译方式如同 笔译, 在纸上记录翻译后的结果, 编译程序对整个源程序经过编译处理, 产生一个与源程序等价的目 标程序 ; 目标程序还可能要用一些其他语言编写的程序和程序库中的标准子程序, 通过连接程 序将目标程序和有关的程序库组合成一个完整的可执行程序, 见图 2-31 所示 编译方式执行 速度快, 修改源程序后都必须重新编译 一般高级语言 (C/C++ PASCAL FORTRAN COBOL 等 ) 都是采用编译方式 编译的过程大致有词法分析 语法分析 中间代码生成 优化和目标代码生成等工作

63 2.7 问与答 1.CPU 中的流水线技术 超流水线技术 超标量是什么? 答 : 流水线是 Intel 首次在 486 芯片中开始使用的 即在 CPU 中由 5~6 个不同功能的电路 单元组成一条指令处理流水线, 将一条指令分成 5~6 步由上述电路分别完成, 从而在一个 CPU 时钟周期完成一条指令 ; 超流水线是指 CPU 中的流水线超过 5~6 步 如 Pentium 4 的流水线就 长达 20 步 ; 超标量是指在 CPU 中内置多条流水线来同时执行多条指令 Pentium 级以上的 CPU 均具有超标量结构 2.Cache 中的 L1 高速缓存和 L2 高速缓存的区别是什么? 答 :L1 称一级高速缓存, 内置在 CPU 中, 负责在 CPU 内部的寄存器与外部 Cache 之间的缓 冲, 由静态 RAM 组成, 结构较复杂 由于 CPU 的管芯面积不能太大,L1 高速缓存的容量不能做 得太大 ;L2 高速缓存指 CPU 外的高速缓存 主要用于弥补 CPU 内部 Cache 的容量过小, 负责整 个 CPU 与内存之间的缓冲 在 Socket 架构的主板上, 外频频率 系统内存和 L2 高速缓存总线 时钟频率相同 3. 何谓工作电压? 答 : 工作电压是指 CPU 正常工作时所需要的电压, 早期 CPU 的工作电压是 5V 从 Pentium CPU 起 CPU 工作电压分为内核电压和 I/O 电压两种 内核电压由 CPU 生产工艺定,I/O 电压通常在 1.6V 到 3V 随着 CPU 主频的提高和制造工艺的改进,CPU 工作电压有逐步下降的趋势, 以解决 发热过高的问题 4.SRAM 和 DRAM 是指什么? 答 :SRAM 称静态 RAM, 速度快, 价格高, 只要不断电, 数据就能保存, 主要用来做高速缓存 (Cache);DRAM

64 称动态 RAM, 就是通常所说的内存 DRAM 靠 MOS 电路中的栅极电容来 保存信息, 由于电容会漏电,DRAM 需要设置刷新电路, 每间隔一定时间 对 DRAM 进行刷新, 以确保信息不丢 失 DRAM 比 SRAM 集成度高, 功耗 低, 价格低 5.COMS 是指什么? 答 :COMS 是互补金属氧化物半导体的英文缩写, 是一种大规模应用于集成电路芯片制造的 材料 在计算机中的 CMOS 是指主板上的一块可读写 RAM 芯片, 又称 CMOS RAM, 里面存放着当 前计算机系统配置的具体参数, 如系统 CPU 软硬盘驱动器 显示器 键盘 日期 电源管理 密码等的参数, 由于 CMOS 可由系统电源和主板上的后备电池供电, 所以即使系统掉电,CMOS 中 的信息也不会丢失 COMS 中的参数不正确, 会引起系统性能降低 器件不能识别, 导致系统软 硬件故障 当开机时按特定键 ( 一般按 Del 键 ) 就可以进入 CMOS 设置程序对系统进行设置 习题 一. 选择题 1. 在计算机中, 硬件与软件的关系是 A. 互相支持 B. 软件离不开硬件 C. 硬件离不开软件 D. 相互独立 2. 微机硬件系统包括 A. 内存储器和外部设备 B. 显示器 主机箱 键盘

65 C. 主机和外部设备 D. 主机和打印机 3. ROM 的特点是 A. 存取速度快 B. 存储容量大 C. 断电后信息仍然保存 D. 用户可以随时读写 4. 在微机中存储信息速度最快的设备是 A. 内存 B. 高速缓存 C. 硬盘 D. 软盘 5. 在微机系统中, 任何外部设备必须通过 才能实现主机和设备之间的信息交换 A. 电缆 B. 接口 C. 电源 D. 总线插槽 6. 在微机系统中, 打印机与主机之间采用并行数据传输方式, 所谓并行是指数据传输 A. 按位一个一个的传输 B. 按一个字节 8 位同时进行 C. 按字长进行 D. 随机进行 7. 计算机指令一般包含 两部分 A. 数字和文字 B. 数字和运算符号 C. 操作码和地址码 D. 源操作数和目的操作数 8. 在微型计算机中, 存储容量为 2MB 等价于 A B B B C B D B 9. 在下列不同进制的四个数中, 最小的一个数是 A. (45) 10 B. (57)8 C. (3B)16 D. (110011)2 10. 下列十进制数中能用八位无符号二进制数表示的是 A. 258 B. 257 C. 256 D. 255 二. 填空题

66 1. 总线是一组的公共通信线 2. 设备可以将各种数据转换成为计算机能处理的形式并输送到计算机存储 设备中 3. 设置高速缓存的目的是解决 CPU 的运算速度和的读写速度不平衡问题 4. 微机主机系统包括, 外部设备包 括 5. 内存储器通常有三 类 (6) ( ) 2 = ( ) 10 = ( ) 8 = ( ) 16 三. 问答题 1. 计算机系统由哪几个部分组成? 2. 内存和外存有什么区别? 3. 浮点数在计算机中是如何表示的? 4. 系统主板主要包括了哪些部件? 5. 衡量 CPU 性能的主要技术指标有哪些? 6. 微型计算机的内部存储器按其功能特征可分为几类? 各有什么区别? 7. 外部存储器上的数据能否被 CPU 直接处理? 8. 高速缓冲存储器的作用是什么? 9. 什么是总线? 按总线传输的信息特征可将总线分为哪几类? 各自的功能是什么? 10. 什么是接口? 计算机上常见的接口有哪些?

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