内容简介 本书以教育部颁布的 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 为指导, 在作者多年教学研究和改革成果的基础上, 结合全国计算机等级考试二级公共基础知识的新要求而编写 本书主要内容包括计算机的发展 数制与编码 计算机硬件结构与组成原理 操作系统基础 计算机网络

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1 普通高等教育 十二五 规划教材 公共课系列中国科学院教材建设专家委员会 十二五 规划教材 大学计算机基础 ( 修订版 ) 张丹彤刘心声编著姜华张希伟副主编郑尚志梁宝华参编周进钱进参编 北京 科学出版社职教技术出版中心

2 内容简介 本书以教育部颁布的 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 为指导, 在作者多年教学研究和改革成果的基础上, 结合全国计算机等级考试二级公共基础知识的新要求而编写 本书主要内容包括计算机的发展 数制与编码 计算机硬件结构与组成原理 操作系统基础 计算机网络 信息安全 数据结构与算法 软件工程基础 数据库基础等 本书配有 大学计算机基础实践教程, 可供读者同时选用 本书注重提高读者的计算机基础知识和综合应用能力, 可作为普通高等院校大学计算机基础的高起点教材, 也可作为学生自学计算机基础知识和准备计算机等级考试的参考材料 图书在版编目 CIP 数据大学计算机基础 / 张丹彤, 刘心声编著. 北京 : 科学出版社,2012 ISBN Ⅰ. 1 大 Ⅱ. 1 张 2 刘 Ⅲ. 1 电子计算机 - 高等职业教育 - 教材 Ⅳ. 1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2012) 第 号责任编辑 : 戴薇隽青龙 / 责任校对 : 耿耘责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 科学出版社发行各地新华书店经销 * 2012 年 7 月第一版开本 : / 年 7 月第一次印刷印张 :16 3/4 字数 : 定价 :32.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 < >) 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 本书是根据教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导分委员会最新编 制的 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 中有关 大学计算机基础课程教学基本要求 编写的 开设大学计算机基础课程的目的是拓展学生的视野, 为后续课程的学习做好必要的 知识准备, 使读者在各自的专业中能够有意识地借鉴 引入计算机科学中的一些理念 技术和方法, 期望读者能在一个较高的层次上利用计算机, 认识并处理计算机应用中可能出现的问题 本书根据上述要求和目标, 在编写中力求基于系统理论, 注重实际应用, 符合现代教育理念, 且详略得当, 以便给学生留有一定的自主学习空间, 从而有助于培养学生的创新精神和实践能力 在编写内容方面, 充分考虑了学生已有的计算机基础知识和社会需求, 设置有别于中学课程的计算机知识模块, 提供不同组合方式, 供不同院校根据情况选择使用 考虑到全国计算机等级考试二级公共基础知识的需要, 本书特别对数据结构与算法 软件工程 ( 含程序设计基础 ) 和数据库基础等章节进行了重点介绍, 并辅以较充分的课后练习题 在教学中有意识地强化学生等级考试的准备意识, 通过提前准备和平时努力为顺利通过等级考试奠定良好基础, 满足人才市场的需要 全书共分为 9 章, 包括计算机的发展 数制与编码 计算机硬件结构与组成原理 操作系统基础 计算机网络 信息安全 数据结构与算法 软件工程基础 数据库基础等内容 其中, 第 1 章 ~ 第 8 章由张丹彤编写, 第 9 章由刘心声编写 本书配有 大学计算机基础实践教程, 供实验课教学使用, 同时也有利于培养学生的动手能力, 以便于在教学中达到理论与实践的完美结合 鉴于时间仓促, 水平有限, 错误与疏漏在所难免, 敬请广大读者批评指正 科学出版社职教技术出版中心

4 目 录 前言第 1 章计算机的发展 计算机的发展历史 早期的计算工具 电子计算机的诞生 计算机的发展阶段 计算机的发展趋势 计算机概述 计算机的定义 计算机的分类 计算机的特点与应用领域 计算机文化 计算机文化的内涵 信息素养 信息社会的负面影响 14 习题 16 第 2 章数制与编码 数制 数制的基本概念 常用的数制 数制间的转换 数在计算机中的表示方式 编码 二 十进制编码 字符编码 汉字编码 存储单位 35 习题 37 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 计算机系统与工作原理 计算机系统的组成 计算机硬件系统 计算机软件系统 计算机的基本工作原理 44

5 iv 大学计算机基础 3.2 微型计算机硬件系统 主板 中央处理器 主存储器 外存储器 总线 输入设备 输出设备 设备驱动程序 61 习题 63 第 4 章操作系统基础 操作系统概述 操作系统的基本概念 操作系统的分类 操作系统的功能和特性 操作系统的用户界面 操作系统的功能模块 处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理 典型操作系统介绍 DOS 操作系统 Windows 操作系统 UNIX 操作系统 Linux 操作系统 85 习题 86 科学出版社职教技术出版中心 第 5 章计算机网络 概述 计算机网络的定义 计算机网络的发展历程 计算机网络的功能 计算机网络体系结构 计算机网络的分类 计算机网络拓扑结构 通信线路与通信设备 通信线路 通信设备 99

6 目录 v 5.3 Internet Internet 概述 Internet 地址和域名 Internet 接入方式 Internet 基本服务 网络管理 网络管理基础 网络管理功能 Internet 的管理信息库 网络管理协议 127 习题 129 第 6 章信息安全 信息安全的基本概念 信息安全特征 信息安全保护技术 密码技术及应用 基本概念 对称密钥密码系统 公开密钥密码系统 计算机网络中的数据加密 数字签名 防火墙技术 防火墙的基本概念 防火墙的功能 防火墙的基本类型 防火墙的优缺点 恶意软件 病毒及相关威胁 计算机病毒的防治 入侵检测技术 入侵者 入侵检测 小结 153 习题 154 第 7 章数据结构与算法 算法 算法的基本概念 算法的复杂度 159

7 vi 大学计算机基础 7.2 数据结构的基本概念 数据结构的定义 数据结构的图形表示 线性结构与非线性结构 线性表及其顺序存储结构 线性表的基本概念 线性表的顺序存储结构 顺序表的插入运算 顺序表的删除运算 栈和队列 栈及其基本运算 队列及其基本运算 线性链表 线性链表的基本概念 线性链表的基本运算 循环链表 树与二叉树 树的基本概念 二叉树及其基本运算 二叉树的存储结构 二叉树的遍历 查找技术 顺序查找 二分法查找 排序技术 交换类排序法 插入类排序法 183 科学出版社职教技术出版中心 选择类排序法 185 习题 186 第 8 章软件工程基础 软件工程的基本概念 软件及其特点 软件危机与软件工程 软件工程过程与软件生命周期 软件工程的目标与原则 软件开发工具与软件开发环境 软件需求分析 需求分析与需求分析方法 194

8 目录 vii 结构化分析方法 软件需求规格说明书 软件设计 软件设计的基本概念 概要设计 详细设计 程序设计基础 程序设计方法与风格 结构化程序设计 面向对象程序设计 软件测试 软件测试的目的 软件测试的准则 软件测试技术与方法 软件测试的实施 程序的调试 基本概念 软件调试方法 224 习题 225 第 9 章数据库基础 数据库系统的基本概念 数据 数据库 数据库管理系统 数据库系统的发展 数据库系统的主要特点 数据库的体系结构 数据模型 数据模型的基本概念 E-R 模型 层次模型 网状模型 关系模型 关系代数 关系模型的基本操作 关系模型的基本运算 关系代数中的扩充运算 数据库设计 数据库设计概述 数据库设计的需求分析 248

9 viii 大学计算机基础 数据库概念设计 数据库的逻辑设计 数据库的物理设计 数据库的建立与维护 252 习题 253 参考文献 256 科学出版社职教技术出版中心

10 普通高等教育 十二五 重点规划教材 公共课系列中国科学院教材建设专家委员会 十二五 规划教材 大学计算机基础 ( 修订版 ) 张丹彤刘心声编著姜华张希伟副主编郑尚志梁宝华参编周进钱进参编 北京

11 科学出版社职教技术出版中心

12 内容简介 本书以教育部颁布的 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 为指导, 在作者多年教学研究和改革成果的基础上, 结合全国计算机等级考试二级公共基础知识的新要求而编写 本书主要内容包括计算机的发展 数制与编码 计算机硬件结构与组成原理 操作系统基础 计算机网络 信息安全 数据结构与算法 软件工程基础 数据库基础等 本书配有 大学计算机基础实践教程, 可供读者同时选用 本书注重提高读者的计算机基础知识和综合应用能力, 可作为普通高等院校大学计算机基础的高起点教材, 也可作为学生自学计算机基础知识和准备计算机等级考试的参考材料 图书在版编目 CIP 数据大学计算机基础 / 张丹彤, 刘心声编著. 北京 : 科学出版社,2012 ISBN Ⅰ. 1 大 Ⅱ. 1 张 2 刘 Ⅲ. 1 电子计算机 - 高等职业教育 - 教材 Ⅳ. 1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2012) 第 号责任编辑 : 戴薇隽青龙 / 责任校对 : 耿耘责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 科学出版社发行各地新华书店经销 * 2012 年 7 月第一版开本 : / 年 7 月第一次印刷印张 :16 3/4 字数 : 定价 :32.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 < >) 销售部电话 编辑部电话 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

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14 前 言 本书是根据教育部高等学校非计算机专业计算机基础课程教学指导分委员会最新编制的 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 中有关 大学计算机基础课程教学基本要求 编写的 开设大学计算机基础课程的目的是拓展学生的视野, 为后续课程的学习做好必要的知识准备, 使读者在各自的专业中能够有意识地借鉴 引入计算机科学中的一些理念 技术和方法, 期望读者能在一个较高的层次上利用计算机, 认识并处理计算机应用中可能出现的问题 本书根据上述要求和目标, 在编写中力求基于系统理论, 注重实际应用, 符合现代教育理念, 且详略得当, 以便给学生留有一定的自主学习空间, 从而有助于培养学生的创新精神和实践能力 在编写内容方面, 充分考虑了学生已有的计算机基础知识和社会需求, 设置有别于中学课程的计算机知识模块, 提供不同组合方式, 供不同院校根据情况选择使用 考虑到全国计算机等级考试二级公共基础知识的需要, 本书特别对数据结构与算法 软件工程 ( 含程序设计基础 ) 和数据库基础等章节进行了重点介绍, 并辅以较充分的课后练习题 在教学中有意识地强化学生等级考试的准备意识, 通过提前准备和平时努力为顺利通过等级考试奠定良好基础, 满足人才市场的需要 全书共分为 9 章, 包括计算机的发展 数制与编码 计算机硬件结构与组成原理 操作系统基础 计算机网络 信息安全 数据结构与算法 软件工程基础 数据库基础等内容 其中, 第 1 章 ~ 第 8 章由张丹彤编写, 第 9 章由刘心声编写 本书配有 大学计算机基础实践教程, 供实验课教学使用, 同时也有利于培养学生的动手能力, 以便于在教学中达到理论与实践的完美结合 鉴于时间仓促, 水平有限, 错误与疏漏在所难免, 敬请广大读者批评指正

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16 目 录 前言第 1 章计算机的发展 计算机的发展历史 早期的计算工具 电子计算机的诞生 计算机的发展阶段 计算机的发展趋势 计算机概述 计算机的定义 计算机的分类 计算机的特点与应用领域 计算机文化 计算机文化的内涵 信息素养 信息社会的负面影响 14 习题 16 第 2 章数制与编码 数制 数制的基本概念 常用的数制 数制间的转换 数在计算机中的表示方式 编码 二 十进制编码 字符编码 汉字编码 存储单位 35 习题 37 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 计算机系统与工作原理 计算机系统的组成 计算机硬件系统 计算机软件系统 计算机的基本工作原理 44

17 iv 大学计算机基础 3.2 微型计算机硬件系统 主板 中央处理器 主存储器 外存储器 总线 输入设备 输出设备 设备驱动程序 61 习题 63 第 4 章操作系统基础 操作系统概述 操作系统的基本概念 操作系统的分类 操作系统的功能和特性 操作系统的用户界面 操作系统的功能模块 处理器管理 存储管理 设备管理 文件管理 典型操作系统介绍 DOS 操作系统 Windows 操作系统 UNIX 操作系统 Linux 操作系统 85 习题 86 科学出版社职教技术出版中心 第 5 章计算机网络 概述 计算机网络的定义 计算机网络的发展历程 计算机网络的功能 计算机网络体系结构 计算机网络的分类 计算机网络拓扑结构 通信线路与通信设备 通信线路 通信设备 99

18 目录 v 5.3 Internet Internet 概述 Internet 地址和域名 Internet 接入方式 Internet 基本服务 网络管理 网络管理基础 网络管理功能 Internet 的管理信息库 网络管理协议 127 习题 129 第 6 章信息安全 信息安全的基本概念 信息安全特征 信息安全保护技术 密码技术及应用 基本概念 对称密钥密码系统 公开密钥密码系统 计算机网络中的数据加密 数字签名 防火墙技术 防火墙的基本概念 防火墙的功能 防火墙的基本类型 防火墙的优缺点 恶意软件 病毒及相关威胁 计算机病毒的防治 入侵检测技术 入侵者 入侵检测 小结 153 习题 154 第 7 章数据结构与算法 算法 算法的基本概念 算法的复杂度 159

19 vi 大学计算机基础 7.2 数据结构的基本概念 数据结构的定义 数据结构的图形表示 线性结构与非线性结构 线性表及其顺序存储结构 线性表的基本概念 线性表的顺序存储结构 顺序表的插入运算 顺序表的删除运算 栈和队列 栈及其基本运算 队列及其基本运算 线性链表 线性链表的基本概念 线性链表的基本运算 循环链表 树与二叉树 树的基本概念 二叉树及其基本运算 二叉树的存储结构 二叉树的遍历 查找技术 顺序查找 二分法查找 排序技术 交换类排序法 插入类排序法 183 科学出版社职教技术出版中心 选择类排序法 185 习题 186 第 8 章软件工程基础 软件工程的基本概念 软件及其特点 软件危机与软件工程 软件工程过程与软件生命周期 软件工程的目标与原则 软件开发工具与软件开发环境 软件需求分析 需求分析与需求分析方法 194

20 目录 vii 结构化分析方法 软件需求规格说明书 软件设计 软件设计的基本概念 概要设计 详细设计 程序设计基础 程序设计方法与风格 结构化程序设计 面向对象程序设计 软件测试 软件测试的目的 软件测试的准则 软件测试技术与方法 软件测试的实施 程序的调试 基本概念 软件调试方法 224 习题 225 第 9 章数据库基础 数据库系统的基本概念 数据 数据库 数据库管理系统 数据库系统的发展 数据库系统的主要特点 数据库的体系结构 数据模型 数据模型的基本概念 E-R 模型 层次模型 网状模型 关系模型 关系代数 关系模型的基本操作 关系模型的基本运算 关系代数中的扩充运算 数据库设计 数据库设计概述 数据库设计的需求分析 248

21 viii 大学计算机基础 数据库概念设计 数据库的逻辑设计 数据库的物理设计 数据库的建立与维护 252 习题 253 参考文献 256 科学出版社职教技术出版中心

22 第 1 章计算机的发展 计算机是 20 世纪人类最伟大的发明之一 在现代生活中, 计算机无处不在, 计算机技术已渗透到科学技术 国民经济 社会生活等各个领域 从航天飞行到交通通信, 从天气预报到地质勘探, 从产品设计到生产过程控制, 从教师授课到学生学习, 从自动取款到资料的收集和检索等, 都已经离不开计算机这个强大的工具 各行各业的人都可以利用计算机来解决各自的问题 本章主要介绍计算机的发展历程 未来计算机发展趋势 信息安全和计算机病毒等内容 1.1 计算机的发展历史 在人类社会发展的漫长历史中, 从最原始的扳手指计算到利用算盘计算, 从机械计算机到电子计算机等, 人们对计算工具的探索一直没有停止过 回顾计算机的发展历史, 我们可以从中得到许多有益的启示 1. 算筹 算盘在人类发展过程中, 人们最初是用手指进行计算的 人有两只手,10 个手指, 所以人们习惯于用十进制记数法 用手指计算虽然方便, 但不能存储计算结果, 于是人们采用石头 刻痕或结绳等方法来延长记忆能力 算筹是我国古代人民 ( 大约在 2000 多年前的春秋战国时代 ) 创造和使用的, 是最早的计算工具 筹 是一种竹制 木制或骨制的小棍, 可以按照一定的规则摆放, 如图 1-1 所示 计算的时候将算筹摆成纵式和横式两种形式, 按照纵横相间的原则表示任何自然数, 从而进行加 减 乘 除 开方以及其他的代数计算 出现负数后, 算筹分红黑两种, 红筹表示正数, 黑筹表示负数 我国古代数学家祖冲之, 运用算筹计算出圆周率的值介于 ~ 之间 ; 中国古代的天文历法也是借助算筹计算的 大约在六七百年前, 中国人发明了算盘, 如图 1-2 所示, 并沿用至今 可以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的算法 图 1-1 算筹 图 1-2 算盘

23 2 大学计算机基础 2. 机械计算机 机电计算机 1642 年, 法国数学家帕斯卡 (Blaise Pascal) 制造出了第一台机械加法机 这台机器由一套八个可旋转的齿轮系统组成, 只能进行加 减法, 实现自动进位, 如图 1-3 所示 1670 年, 德国数学家莱布尼兹 (Gottfried Leibniz) 改进了帕斯卡所发明的加法机, 增加了乘法 除法和平方根等计算能力 在计算数学上, 莱布尼兹提出了二进制的概念, 它使高速自动运算成为可能 1822 年, 英国数学家巴贝奇 (Charles Babbage) 设计了一台差分机, 它是利用机器代替人来编制数表 1834 年他又完成了分析机的设计方案, 它是在差分机的基础上作了较大的改进, 不仅可以作数值运算, 还可以作逻辑运算 分析机已经具有现代计算机的概念 1888 年, 美国统计学家赫尔曼 霍勒瑞斯 (Herman Hollerith) 发明了制表机, 它采用穿孔卡片进行数据处理, 并用电气控制技术取代了纯机械装置 1890 年, 美国第 12 次人口普查全部采用了霍勒瑞斯制表机 霍勒瑞斯于 1896 年创立了制表机公司,1911 年该公司并入 CTR( 计算制表记录 ) 公司, 这就是著名的 IBM 公司的前身 1938 年, 德国工程师朱斯 (Konrad Zuse) 制造了第一台二进制计算机 Z-1, 它是一种纯机械式的计算装置, 它的机械存储器能存储 64 位数 此后他继续研制了 Z 系列计算机, 其中 Z-3 型计算机是世界上第一台通用程序控制的机电计算机, 它使用了 2600 个继电器, 采用浮点二进制进行运算, 运算一次加法只用 0.3s, 如图 1-4 所示 图 1-3 帕斯卡加法机 图 1-4 Z-3 型计算机 1944 年, 美国麻省理工学院科学家艾肯 (Howard Aiken) 研制了一台通用型机电计算机 MARK-Ⅰ, 它使用了 3000 多 个继电器, 总共由 15 万个元器件组成, 各种导线总长达到 800km 以上, 如图 1-5 所示 1947 年, 艾肯又研制出运算速 度更快的机电计算机 MARK-Ⅱ 科学出版社职教技术出版中心 在计算机技术的发展中, 存在着两条发展道路, 一条是各种机械式计算机的发展道路 ; 另一条是采用继电器作为计图 1-5 MARK-Ⅰ 计算机算机电路器件的发展道路 后来建立在电子管和晶体管等电子器件基础上的电子计算机正是受益于这两条发展道路 1946 年, 美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫克利 (John W. Mauchly) 和工程

24 第 1 章计算机的发展 3 师埃克特 (J. Presper Eckert) 领导的科研小组共同开发了世界上第一台数字电子计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator, 电子数值积分计算机 ), 如图 1-6 所示 ENIAC 莫克利与埃克特 图 1-6 第一台通用数字电子计算机 ENIAC 是一个庞然大物, 占地面积为 170m 2, 总重量达 30t 机器中约有 个电子管 1500 个继电器以及其他各种元器件, 每小时耗电量约为 140kW 这台计算机每秒可以进行 5000 次加法运算 ENIAC 原来是计划为第二次世界大战服务的, 但它投入运行时战争已经结束, 这样一来, 它便转向为研制氢弹而进行计算 ENIAC 的成功是计算机发展史上的一座里程碑 第一台具有内部存储程序功能的计算机 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer, 离散变量自动电子计算机 ) 是根据冯 诺依曼 (John von Neuman) 的构想制造的, 并于 1952 年正式投入运行 EDVAC 采用了二进制和存储器, 其硬件系统由运算器 控制器 存储器 输入和输出设备五部分组成 这就是人们通常所说的冯 诺依曼型计算机, 其主要特点是采用 二进制 代码表示数据和指令, 并提出了 程序存储 的概念, 从而奠定了现代计算机的基础 自从 ENAIC 诞生到现在已有半个多世纪, 计算机获得了飞速发展 人们根据计算机性能和当时软硬件技术 ( 主要根据所使用的电子器件 ), 将计算机的发展阶段划分为以下四个阶段 1. 第一代计算机 (1946~1957 年 ) 第一代计算机采用的主要器件是电子管, 其主要特点如下 1) 采用电子管代替机械齿轮或电磁继电器作为基本电子器件, 但它仍然比较笨重, 而且产生很多热量, 容易损坏 2) 程序可以存储, 这使通用计算机成为可能 存储设备最初使用水银延迟线或静电

25 4 大学计算机基础 存储管, 容量很小 后来采用了磁鼓 磁芯, 虽有一定的改进, 但存储空间仍然有限 3) 采用二进制代替十进制, 即所有数据和指令都用 0 与 1 表示, 分别对应于 电子器件的 接通 与 断开 4) 程序设计语言为机器语言, 几乎没有系统软件, 主要用于科学计算 典型的第一代计算机有 ENIAC EDVAC IBM 701 IBM 702 IBM 704 IBM 705 IBM 650 等 2. 第二代计算机 (1958~1964 年 ) 晶体管的发明给计算机技术带来了革命性的变化, 第二代计算机采用的主要器件是 晶体管 它的主要特点如下 优点 提高 1) 与电子管相比, 晶体管具有体积小 重量轻 发热少 速度快 寿命长等一系列 2) 采用磁芯存储器作为主存, 使用磁盘和磁带作为辅存 使存储容量增大, 可靠性 3) 提出了操作系统的概念, 开始出现汇编语言, 并产生了如 COBOL FORTRAN 等计算机语言 领域 4) 计算机应用领域进一步扩大, 除科学计算外, 还用于数据处理和实时控制等 典型的第二代计算机有 IBM 7040 IBM 7070 IBM 1401 UNIVAC-LARC CDC 6600 等 IBM 7090 型计算机如图 1-7 所示 3. 第三代计算机 (1965~1970 年 ) 20 世纪 60 年代中期已经能制造出集成电路器件 集成电路可以在几平方毫米的单 晶硅片上集成许多电子元器件 计算机开始采用中小规模的集成电路 其主要特点如下 1) 与晶体管相比, 集成电路体积更小 耗电更省 功能更强 寿命更长 2) 采用半导体存储器, 存储容量进一步提高, 而体积更小 3) 操作系统的出现, 高级语言进一步发展, 使计算机功能更强, 计算机开始广泛应 用于各个领域 4) 计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域 典型的第三代计算机有 IBM S/360 PDP-Ⅱ NOVA 1200 等 IBM S/360 计算机如 图 1-8 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 1-7 IBM 7090 型计算机 图 1-8 IBM S/360 计算机

26 第 1 章计算机的发展 5 4. 第四代计算机 (1971 年至今 ) 随着 20 世纪 70 年代初集成电路制造技术的发展, 产生了大规模集成电路器件, 使计算机进入一个新的时代 它的主要特点如下 1) 采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为基本电子器件, 出现了微处理器 2) 存储容量进一步扩大并引入光盘, 输入采用 OCR(Optical Character Recognition, 光学字符识别 ) 与条形码, 输出采用激光打印机 3) 在体系结构方面进一步发展并行处理 多机系统 分布式计算机系统和计算机网络系统, 出现了微型计算机 4) 软件系统工程化 理论化, 程序设计部分自动化 计算机在办公自动化 数据库管理 图像处理 语音识别和专家系统等领域发展很快 典型的第四代计算机有 VAX-Ⅱ IBM PC APPLE PDP11/60 Cray-1 等 PDP11/60 小型计算机如图 1-9 所示,Cray-1 巨型机如图 1-10 所示 图 1-9 PDP11/60 小型计算机 图 1-10 Cray-1 巨型机 5. 计算机发展的四个阶段的对比为了方便对计算机发展的四个阶段进行比较, 将计算机的各发展阶段的主要特点如表 1-1 所示 表 1-1 计算机发展的四个阶段对比 年代 起止年份 电子器件 数据处理方式 运算速度 应用领域 第一代 1946~1957 电子管 汇编语言 代码程序 5000~30000 次 / 秒 国防及高科技 第二代 1958~1964 晶体管高级程序设计语言 第三代 1965~1970 中 小规模集成电路 第四代 1971 年至今 大规模 超大规模集成电路 结构化 模块化程序设计 实时处理分时 实时数据处理 ; 计算机网络 数十万至几百万次 / 秒数百万至几千万次 / 秒 上亿条指令 / 秒 工程设计 数据处理工业控制 数据处理工业 生活等各方面

27 6 大学计算机基础 1. 未来计算机 ( 第五代计算机 ) 前四代计算机的区别主要在于基本器件的改变, 即从电子管 晶体管 集成电路到 超大规模集成电路, 第五代计算机的创新也可能在基本器件上 有些专家推测有以下三种新概念的计算机可能成为第五代计算机 (1) 生物计算机生物计算机使用生物芯片, 生物芯片是用生物工程技术产生的蛋白质分子制成 生物芯片存储能力巨大, 运算速度比当前的巨型计算机还要快 10 万倍, 能量消耗则为其 10 亿分之一 由于蛋白质分子具有自组织 自调节 自修复和再生能力, 使得生物计算机具有生物体的一些特点, 如自动修复芯片发生的故障, 还能模仿人脑的思维机制 (2) 光子计算机光子计算机利用光子取代电子进行数据运算 传输和存储 在光子计算机中, 不同波长的光表示不同的数据, 可快速完成复杂的计算工作 与电子计算机相比, 光子计算机具有以下优点 : 超高速的运算速度 强大的并行处理能力 大存储量 非常强的抗干扰能力等 据推测, 未来光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快 1000 倍以上 (3) 超导计算机由超导器件和电路组成的计算机, 可依据超导器件的特殊性能而突破电子计算机的局限, 使速度更快, 消耗更小 2. 计算机的发展方向 目前, 计算机技术的发展趋势是向巨型化 微型化 网络化和智能化这四个方向发展 巨型化是指具有运算速度高 存储容量大 功能更完善的计算机系统 其运算速度一般在百亿次每秒 存储容量超过百万兆字节 巨型机主要用于尖端科技和国防系统的研究与开发, 如在军事工业 航空航天 气象 人工智能等几十个学科领域中的应用, 特别是在复杂的大型科学计算领域 微型化得益于大规模和超大规模集成电路的发展 微处理器自 1971 年问世以来, 发展非常迅速, 几乎每隔两三年就会更新换代一次, 这也使以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升 现在, 除了台式微型计算机外, 还有可随身携带的笔记本型计算机, 以及可以握在手上的掌上型计算机等 网络化是指利用通信技术和计算机技术, 把分布在不同地点的计算机互连起来, 按照网络协议相互通信, 以达到共享数据 软硬件资源的目的 现在, 计算机网络在金融 交通 教育 邮电 商业等各行各业中得到了广泛的应用 智能化只是要求计算机能模拟人的思维, 也是第五代计算机要实现的目标 智能化的研究领域很多, 最有代表性的领域是专家系统和机器人 未来的计算机将是微电子技术 光学技术 超导技术和生物技术相互结合的产物 第一台超高速全光数字计算机, 已由欧盟的英 法 德 意等国的 70 多名科学家和工程 科学出版社职教技术出版中心

28 第 1 章计算机的发展 7 师合作研制成功, 光子计算机的运算速度比电子计算机快 1000 倍 1.2 计算机概述 计算机是由一系列电子元器件组成的机器, 具有存储信息的能力 当用计算机进行数据处理时, 首先需要将要解决的实际问题用计算机语言编写成程序, 并将程序输入到计算机中 计算机则按照程序的要求进行各种操作, 直到程序执行完毕为止 因此, 计算机必须是能存储程序和数据的装置 计算机不仅可以进行加 减 乘 除等算术运算, 而且可以进行逻辑运算和对运算结果进行判断, 从而决定执行什么操作 正是由于具有这种逻辑运算和推理判断的能力, 使计算机成为一种特殊机器的专用名词, 而不再是简单的计算工具 为了强调计算机的这些特点, 有人把它称为 电脑, 以说明它既有记忆能力 计算能力, 又有逻辑推理能力 计算机除了具有计算功能, 还能进行信息处理 在信息化社会中, 各行各业都会产生大量的信息, 而人们为了获取 传送 检索信息, 必须将信息进行有效的组织和管理 这一切都必须在计算机的控制之下才能实现, 所以说计算机是信息处理的工具 因此, 可以给计算机下这样一个定义 : 计算机是一种能按照事先存储的程序, 自动 高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置 随着计算机技术的发展, 特别是微处理器的发展, 计算机的类型越来越多样化 从不同角度可对计算机进行不同的分类 下面从计算机处理数据的方式 使用范围 规模和处理能力三个角度进行分类 1. 按计算机处理数据的方式分类从计算机处理数据的方式可以分为数字计算机 (Digital Computer) 模拟计算机 (Analog Computer) 和数模混合计算机 (Hybrid Computer) 三类 数字计算机处理的是非连续变化的数据, 这些数据在时间上是离散的, 输入的是数字量, 输出的也是数字量, 如职工编号 年龄 工资数据等 基本运算部件是数字逻辑电路, 因此其运算精度高 通用性强 模拟计算机处理的是连续的物理量, 所有数据用连续变化的模拟信号来表示, 其基本运算部件是由运算放大器构成的各类运算电路 模拟信号在时间上是连续的, 通常称为模拟量, 如电压 电流 温度都是模拟量 一般说来, 模拟计算机不如数字计算机精确 通用性不强, 但解题速度快, 主要用于过程控制和模拟仿真 数模混合计算机兼有数字和模拟两种计算机的优点, 既能接收 处理和输出数字量, 又能接收 处理和输出模拟量

29 8 大学计算机基础 2. 按计算机使用范围分类 按计算机使用范围可分为通用计算机 (General Purpose Computer) 和专用计算机 (Special Purpose Computer) 两类 通用计算机是指为解决各种问题而设计的具有较强的通用性的计算机, 适用于一般 的科学计算 工程设计和数据处理等 专用计算机是指为适应某种特殊应用而设计的计算机, 具有运行效率高 速度快等 特点, 一般用在过程控制中, 如智能仪表 飞机的自动控制 导弹的导航系统等 3. 按计算机的规模和处理能力分类 规模和处理能力主要是指计算机的字长 运算速度 存储容量 外部设备 输入和 输出能力等主要技术指标, 大体上可分为巨型机 大型机 小型机 微型机 工作站和服务器等几类 (1) 巨型计算机巨型计算机是指运算速度快 存储容量大, 每秒可达 l 亿次以上浮点运算速度, 主存容量高达几百兆字节甚至几百万兆字节, 字长可达 32 位至 64 位的机器 这类机器价格相当昂贵, 主要用于复杂 尖端的科学研究领域, 特别是军事科学计算 由国防科技大学研制的 银河 和国家智能中心研制的 曙光 都属于这类机器 (2) 大型计算机大型计算机是指通用性能好 外部设备负载能力强 处理速度快的一类机器 运算速度在 100 万次至几千万次 / 秒, 字长为 32 位至 64 位, 主存容量在几十兆字节至几百兆字节左右 它有完善的指令系统, 丰富的外部设备和功能齐全的软件系统, 并允许多个用户同时使用 这类计算机主要用于科学计算 数据处理或作为网络服务器 (3) 小型计算机小型计算机具有规模较小 结构简单 成本较低 操作简单 易于维护 与外部设备连接容易等特点, 是在 20 世纪 60 年代中期发展起来的一类计算机 当时的小型机字长一般为 16 位 ; 存储容量在 32~64KB 当时微型计算机还未出现, 许多工业生产自动化控制和事务处理采用小型机 近期的小型机, 像 IBM AS/400 RS/6000, 其性能已大大提高, 主要用于事务处理 (4) 微型计算机微型计算机 ( 简称微机 ) 是以运算器和控制器为核心, 加上由大规模集成电路制作的存储器 输入 / 输出接口和系统总线构成的体积小 结构紧凑 价格低, 但又具有一定功能的计算机 如果把这种计算机制作在一块印制电路板上, 就称为单板机 如果在一块芯片中包含运算器 控制器 存储器和输入 / 输出接口, 就称为单片机 以微型计算机为核心, 再配以相应的外部设备 ( 如键盘 显示器 鼠标器 打印机 ) 电源 辅助电路和控制微型计算机工作的软件就构成了一台完整的微型计算机系统 (5) 工作站工作站是指为了某种特殊用途而将高性能的计算机系统 输入 / 输出设备与专用软件结合在一起的系统 它的特点是有大容量主存 大屏幕显示器, 特别适合于计算机辅助 科学出版社职教技术出版中心

30 第 1 章计算机的发展 9 工程 例如, 图形工作站一般包括主机 数字化仪 扫描仪 鼠标器 图形显示器 绘图仪和图形处理软件等 它可以完成对各种图形与图像的输入 存储 处理和输出等操作 (6) 服务器服务器是指在网络环境下为多用户提供服务的共享设备, 一般分为文件服务器 打印服务器 计算服务器和通信服务器等 该设备连接在网络上, 网络用户在通信软件的支持下远程登录, 共享各种服务 目前, 微型计算机与工作站 小型计算机乃至大型机之间的界限已经越来越模糊 无论按哪一种方法分类, 各类计算机之间的主要区别是运算速度 存储容量及机器体积等 1. 计算机的特点电子计算机具有如下特点 (1) 运算速度快计算机运算速度以每秒的运算次数 ( 确切地说为每秒执行指令的平均条数 ) 来表示 不同的计算机运算速度从每秒几十万次到几亿次以至几十万亿次不等, 而且在不断提高 (2) 精确度高计算机中数的精确度主要取决于数据 ( 以二进制形式 ) 表示的位数, 称为机器字长 机器字长越长则精确度越高 使用一些计算技术, 精确度可以更高 例如, 对于圆周率的计算, 以往经过几代数学家长期的艰苦努力, 只算到小数点后 500 多位 1981 年, 一位日本人使用计算机很快就计算到小数点后 200 万位 (3) 具有记忆 ( 存储 ) 能力计算机有记忆 ( 存储 ) 大量信息的存储部件, 它可以将原始数据 程序和中间结果等信息存储起来, 以备调用 (4) 具有逻辑判断功能计算机不仅能快速准确地计算, 还具有逻辑运算能力 最基本的逻辑运算是 与 (AND) 或 (OR) 非 (NOT) 已经证明, 基于二值逻辑的任何复杂的逻辑运算都可以由这三种基本逻辑运算来实现 (5) 高度自动化与灵活性由于计算机使用由程序控制机器运行的工作方式, 因此, 只要编好程序, 将程序输入计算机系统, 并运行程序, 计算机就能实现自动化操作 随着装入程序的不同, 计算机完成的工作也随之改变 如果再配上必要的外部设备和附属装置, 就可以在各种不同的应用领域中工作, 完成各种不同的任务 2. 计算机的应用领域正因为计算机有上述特点, 计算机在各行各业中都得到了广泛的应用 计算机的应用领域可概括如下

31 10 大学计算机基础 (1) 科学计算 科学计算主要以获得科学技术领域中的数值计算结果为目的 计算机是用来进行分 析 计算 解决科学研究中各种问题的理想工具, 如人造卫星 导弹 宇宙飞船飞行轨迹的计算, 大型桥梁 高层建筑的结构分析计算, 天气预报的数据分析计算等 (2) 实时控制用计算机实施过程或系统的控制, 对提高产品质量和生产效率 改善劳动条件等有重大作用 计算机除了能完成常规仪表实现的过程控制的一般功能外, 还可实现最优控制 自适应控制乃至智能控制等高水平控制 计算机控制也是现代武器系统实现搜索 定位 瞄准 射击所必不可少的技术 (3) 数据处理数据处理是指计算机用于处理生产 经济活动, 社会与科学研究中获得的大量数据, 对这些数据进行搜集 分类 存储 传送 生成报表和一定规格的文件, 以满足查询 统计 排序等需要 数据处理虽然要进行一定的计算, 但是计算方法比较简单, 比科学计算要求的精确度低 数据处理的支柱是数据库技术和数据库管理系统, 它是目前计算机应用和研究的一个热点 (4) 计算机辅助设计 辅助制造和辅助教学用计算机对船舶 汽车 飞机 建筑 集成电路等进行辅助设计, 如提供模型 计算 绘图等, 称为计算机辅助设计 (Computer Aided Design,CAD) 计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing,CAM) 是指使用计算机进行生产设备与操作的控制, 以代替人的部分操作, 如数控机床就是计算机辅助制造的例子 计算机应用于教学和训练, 称为计算机辅助教学 (Computer Assisted Instruction, CAI) CAI 是一种新兴的教育技术, 可以有效地提高教学的质量和效率, 节省训练经费, 在各类教学和训练中取得了很大的成功 (5) 文字处理和办公自动化文字处理 (Word Processing) 是计算机应用的一个重要方面 可以说凡是用到语言文字的地方, 都可以用上计算机 毕业论文 学术论文和著作的撰写, 学术报告的演示等都离不开文字处理, 都可以用计算机来处理 (6) 人工智能智能化是计算技术发展的一个重要方向 人工智能 (Artificial Intelligence) 的研究和应用是智能化的前提 在这方面值得一提的奠基人是英国科学家艾兰 图灵 (Alan Turing, ) 图灵在 1936 年提出了理想计算机模型, 即图灵机 (Turing Machine) 模型, 创立了自动机理论 1950 年, 图灵在 计算机与智能 的论文中提出了 机器能思维 的观点, 并设计了著名的检验机器智能的 图灵测试, 他还发展了可计算理论 他的贡献奠定了人工智能的基础 人工智能是研究如何构造智能系统 ( 包括智能机器 ), 以便模拟 延伸 扩展人类智能的一门科学 例如, 研究并模拟人的感知 ( 视觉 听觉 嗅觉 触觉 ) 学习 推理, 甚至模拟人的联想 感悟 发现等思维过程 人工智能的研究与应用的领域有模式识别 定理自动证明 专家系统与知识工程 机器翻译 自然语言理解 语音合成和语音识别 智能机器人等 科学出版社职教技术出版中心

32 第 1 章计算机的发展 11 (7) 计算机网络应用计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物 计算机网络综合了计算机系统资源丰富和通信系统迅速及时的优势, 具有很强的生命力 计算网络化近几年发展特别迅速 在 Internet 的推动下, 我国的银行 海关 税务 高校 民航 铁路 政府部门相继建立了自己的计算机网络系统 基于计算机网络的信息服务行业也得到了长足的发展 可以预料, 在 21 世纪, 计算机性能将进一步提高, 应用将更加普及, 价格更便宜, 体积更小, 使用更方便 计算机将成为信息社会人人不可缺少的工作 学习 通信 娱乐的重要工具 计算机将成为大学生专业学习必不可少的工具, 掌握计算机的基本知识和应用技能已成为大学生素质教育的基本要求 1.3 计算机文化 国际上有关 计算机文化 的提法最早出现在 20 世纪 80 年代初 1981 年在瑞士洛桑召开的第三次世界计算机教育大会上, 前苏联学者伊尔肖夫首次提出 : 计算机程序设计语言是第二文化, 这个不同凡响的观点如同一声春雷在会上引起巨大反响, 几乎得到所有与会专家的支持, 从此以后, 计算机文化 的说法就在世界各国广为流传 我国出席这次会议的代表也对此作出积极的响应, 并向我国政府提出在中小学开展计算机教育的建议 根据这些代表的建议,1982 年原教育部作出决定 : 在清华大学 北京大学和北京师范大学等五所大学的附中试点开设 BASIC 语言选修课, 这就是我国中小学计算机教育的起源 到 20 世纪 80 年代中期以后, 国际上的计算机教育专家逐渐认识到 计算机文化 的内涵并不等同于计算机程序设计语言, 其社会背景和内在涵义已有了根本性的变化 在人类几千年的文明发展史中, 能被称为 文化 的事物是不多的 语言文字的诞生使人类逐渐形成具有民族特色的各种各样的文化, 不同的语言文字必然产生不同的文化 反之, 若使用共同的语言文字则总可以找到共同的文化渊源, 因此 语言文字 被人们公认是一种 文化, 而且是一种最基础的文化 随着计算机的诞生和日益普及, 从 20 世纪 80 年代初开始也逐渐形成一种新的文化 计算机文化 那么, 什么样的事物才能称得上是一种文化? 或者, 要具备哪些属性才能看作是一种文化现象呢? 所谓文化, 通常有两种理解 : 第一种是一般意义上的理解, 认为只要是能对人类的生活方式产生广泛而深刻影响的事物都属于文化, 如 饮食文化 茶文化 酒文化 电视文化 汽车文化 第二种是严格意义上的文化 严格意义上的文化应具有以下几方面的基本属性 第一, 广泛性 这种广泛性应体现在两个方面 : 既涉及全社会的每一个人 每一个家庭, 又涉及全社会的每一个行业 每一个应用领域 第二, 传递性 这种事物应当具有传递信息和交流思想的功能 第三, 教育性 这种事物应能成为存储知识和获取知识的手段

33 12 大学计算机基础 第四, 深刻性 这种事物的普及应用给社会带来的影响极为深刻, 即不是带来社会 某一方面 某个部门或某个领域的改良与变革, 而是带来整个社会从生产方式 工作方式 学习方式到生活方式的根本性变革 按照上述观点来考察文化现象, 就不难明白, 为什么无线电广播与电视 ( 尤其是电视 ), 尽管社会上也有一些人称之为 广播文化 电视文化, 但是作为一种 文化, 并没有像计算机那样被全世界各阶层的人所认同, 也没有一个国家, 把这两种文化作为学校教育必修的基础课程 其原因就在于, 它的广泛性只涉及每一个人和每个家庭, 而不像计算机那样还涉及全社会的每一个行业和每一个应用领域 ; 它的深刻性也主要涉及人们的生活方式和学习方式, 而不像计算机那样将带来整个社会从生产方式 工作方式 学习方式到生活方式的全面变革 因而, 广播和电视还算不上严格意义上的文化 现在, 再来看看 程序设计语言 是不是一种文化 显然, 作为计算机的某种程序设计语言, 它并不具有文化的四种基本属性 ( 广泛性 传递性 教育性 深刻性 ), 因此它肯定不是一种文化 当然, 通过学习程序设计语言的知识, 可以掌握编程即程序设计的能力, 这种语言知识与编程能力, 可以在一定程度上体现一个人的计算机知识与水平 ( 甚至是比较高的水平 ) 但是, 衡量 计算机文化 素质高低的依据, 通常是计算机方面最基本的知识和最主要的能力 根据目前国内外大多数计算机教育专家的意见, 最能体现 计算机文化 的知识结构和能力素质, 应当是与 信息获取 信息分析与信息加工 有关的基础知识和实际能力, 而绝不仅仅是 程序设计语言知识与程序设计的能力 其中信息获取包括信息发现 信息采集与信息优选 ; 信息分析包括信息分类 信息综合 信息查错与信息评价 ; 信息加工则包括信息的排序与检索 信息的组织与表达 信息的存储与变换以及信息的控制与传输等 这种与信息获取 分析 加工有关的知识可以简称为 信息学基础知识, 相应的能力可以简称为 信息能力 这种知识与能力既是 计算机文化 水平高低和素质优劣的具体体现, 又是信息社会对新型人才培养所提出的最基本要求 换句话说, 达不到这方面的要求, 将无法适应信息社会的学习 工作与竞争的需要, 就会被信息社会所淘汰 从这个意义上完全可以说, 缺乏信息方面的知识与能力就相当于信息社会的 文盲 这就是当代 计算机文化 的真正内涵 科学出版社职教技术出版中心 信息素养 的本质是信息化社会需要人们具备的一种基本能力 简单的定义来自 1989 年美国图书馆学会 (American Library Association,ALA), 它包括 : 能够判断什么时候需要信息, 并且懂得如何去获取信息, 如何去评价和有效利用所需的信息 这样的看法目前已形成一种共识 信息素养是一种基本能力 信息素养是一种对信息社会的适应能力 美国教育技术 CEO 论坛 2001 年第 4 季度报告, 提出 21 世纪的能力素质, 包括基本学习技能 ( 指读 写 算 ) 信息素养 创新思维能力 人际交往与合作精神 实践能力 信息素养是其中一个方面, 它涉及信息的意识 信息的能力和信息的应用 信息素养是一种综合能力 信息素养涉及各方面的知识, 是一个特殊的 涵盖面很宽的能力, 它包含人文的 技术的 经济的 法律的诸多因素, 和许多学科有着紧密的联系 信息技术支持信息素养, 通晓信息技术强调对技术的理解 认识和使用技能 而

34 第 1 章计算机的发展 13 信息素养的重点是内容 传播 分析, 包括信息检索以及评价, 涉及更宽的方面 它是一种了解 搜集 评估和利用信息的知识结构, 既需要通过熟练的信息技术, 也需要通过完善的调查方法 通过鉴别和推理来完成 信息素养是一种信息能力, 信息技术是它的一种工具 1998 年, 美国图书馆协会和教育传播协会制定了学生学习的九大信息素养标准, 概括了信息素养的具体内容 标准一 : 具有信息素养的学生能够有效地和高效地获取信息 标准二 : 具有信息素养的学生能够熟练地和批判地评价信息 标准三 : 具有信息素养的学生能够有精确地 创造性地使用信息 标准四 : 作为一个独立学习者的学生具有信息素养, 并能探求与个人兴趣有关的信息 标准五 : 作为一个独立学习者的学生具有信息素养, 并能欣赏作品和其他对信息进行创造性表达的内容 标准六 : 作为一个独立学习者的学生具有信息素养, 并能力争在信息查询和知识创新中做得最好 标准七 : 对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养, 并能认识信息对民主化社会的重要性 标准八 : 对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养, 并能实行与信息和信息技术相关的符合伦理道德的行为 标准九 : 对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养, 并能积极参与小组的活动探求和创建信息 在我国, 针对国内教育的实际情况, 学生的信息素养培养主要针对以下五个方面的内容 1) 热爱生活, 有获取新信息的意愿, 能够主动地从生活实践中不断地查找 探究新信息 2) 具有基本的科学和文化常识, 能够较为自如地对获得的信息进行辨别和分析, 正确地加以评估 3) 可灵活地支配信息, 较好地掌握选择信息 拒绝信息的技能 4) 能过有效地利用信息 表达个人的思想和观念, 并乐意与他人分享不同的见解或信息 5) 无论面对何种情境, 能够充满自信地运用各类信息解决问题, 有较强的创新意识和进取精神 信息素养主要表现为以下八个方面的能力 1) 运用信息工具 : 能熟练使用各种信息工具, 特别是网络传播工具 2) 获取信息 : 能根据自己的学习目标有效地收集各种学习资料与信息, 能熟练地运用阅读 访问 讨论 参观 实验 检索等获取信息的方法 3) 处理信息 : 能对收集的信息进行归纳 分类 存储记忆 鉴别 遴选 分析综合 抽象概括和表达等 4) 生成信息 : 在信息收集的基础上, 能准确地概述 综合 履行和表达所需要的信

35 14 大学计算机基础 息, 使之简洁明了, 通俗流畅并且富有个性特色 5) 创造信息 : 在多种收集信息的交互作用的基础上, 迸发创造性思维的火花, 产生 新信息的生长点, 从而创造新信息, 达到收集信息的终极目的 效益 6) 发挥信息的效益 : 善于运用接受的信息解决问题, 让信息发挥最大的社会和经济 7) 信息协作 : 使信息和信息工具作为跨越时空的 零距离 的交往和合作中介, 使之成为延伸自己的高效手段, 同外界建立多种和谐的合作关系 8) 信息免疫 : 浩瀚的信息资源往往良莠不齐, 需要有正确的人生观 价值观 甄别 能力以及自控 自律和自我调节能力, 能自觉抵御和消除垃圾信息及有害信息的干扰和侵蚀, 并且完善合乎时代的信息伦理素养 任何事物都是一分为二的, 信息社会产生了计算机文化, 计算机文化对人的信息素养提出了新的要求, 同时也带来了许多负面影响, 必须引起高度重视 本小节将列举其中的几个方面 1. 容器人 效应 西方学者认为, 信息环境中的人是把自己封闭在 自我 之中, 成为所谓的 容器人 这种 容器人 整日将大量时间耗费在传媒上, 把自己的思想 感情沉浸于媒介内容之中, 对未来漠不关心, 视野狭窄, 极端自我内化 久而久之, 造成忧郁焦虑的心理, 甚至发展成忧郁症 在计算机尚未普及前, 电视环境下的 容器人 电视人 效应就引起了大量的关注和研究 人们对 伴着电视长大的一代 伤透了脑筋 现在和将来, 计算机网络和多媒体的信息环境, 其内容的丰富多彩和人机对话的便利性, 让使用者陶醉于控制机器的 自我实现 中, 这就使 容器人 效应更加严重 正像有人在分析大众传媒影响时所说 : 大众传媒的无所不在 无所不能, 已经在某种程度上改变了人们的交往方式, 这种由大众传媒所提供的信息组成的 复制世界, 对人的社会化产生了比真实感世界更深刻 更广泛的影响 2. 负信息的影响 负信息, 泛指对特定社会的人群和社会秩序产生不良影响的信息内容, 包括暴力 恐怖 色情 极度虚幻和歪曲的信息内容 电影和电视中暴力节目直接影响儿童的侵犯行为, 这一结论经常得到各种研究和调查的证实 有一项研究认为, 儿童看电视与使用暴力和与家庭发生冲突成正比关系 Internet 上 黄货 泛滥, 直接污染了人的心灵, 诱发了人们背弃伦理道德的行为, 对个人和社会造成严重的不良后果 3. 不同国家 民族之间的文化冲突 科学出版社职教技术出版中心 随着计算机网络 卫星电视的普及, 不同生活水平的群体 国家和民族间的相互了解变得更加直观容易, 这对促进国际交流与合作来说当然是好事 然而, 生活水平 文化差异有较大反差的群体和民族在进行沟通时, 低文明程度的群体和民族在心理意识

36 第 1 章计算机的发展 15 自我定位和民族意识上会产生动荡与震颤, 进而进一步产生民族精神的迷失问题, 是不可小视的 美国和印度曾合作进行了一项实验, 用卫星直播向全印度四个偏僻农业区播放电视, 希望 促进社会变迁, 达到全国团结, 接受进步价值观, 改善教育 研究指出, 在大部分被试者心目中, 电视节目只是娱乐 而当人们发现自己生活的落后时, 观众大受震动, 追求高物质享受, 而学生的学业成绩却没有改进 这是一个不同群体之间交流的例子 在不同国家, 不同民族之间, 这种影响就更加严重 尤其是在文化价值取向相异的民族间, 在意识形态对立的国家间, 全球卫星电视网和 Internet 使各种文化直接接触的时候, 这种文化和意识形态的冲击 斗争, 以及由此引起的社会心理问题 民族意识问题都必将更加复杂 特别要指出的是, 发达国家利用传媒优势进行 文化侵略 是更为严重的政治问题 美国政治家 传播学家布热津斯基认为, 在现代经济和跨国传媒影响下, 传统的国际政治环境在改变 在这一进程中, 美国是主要角色 美国凭借它提出的思想观念和力量来改变别的国家, 体现了美国的 信息霸权 和 文化侵略 倾向 4. 各种侵权行为的加剧计算机所特有的功能, 使任何人都能便利地复制 改变所能得到的信息, 也可能利用 Internet 侵入国家和国外的档案库, 从而造成对知识产权 个人隐私权, 甚至国家主权的侵犯 5. 网络脆弱性带来的危险常有报道 黑客 对计算机网络的破坏 美国曾用假扮的 黑客, 以各种手段对国家信息网络系统进行侵犯和破坏, 从而检验系统的可靠 结果发现, 黑客 可以轻而易举地入侵国家安全系统, 对其造成破坏 例如, 使美国军方在太平洋的司令部的计算机网络系统陷入瘫痪 这是信息技术本身的缺陷所带来的危险, 也应引起足够的重视 6. 信息海洋中的 迷航 现象人们都有这个经验, 当老师在短时间内滔滔不绝填塞超量的内容时, 人们的大脑就近乎停滞 同样, 当大量花样繁多 五彩缤纷的多媒体信息包围着人们时, 其琳琅满目的程度足以令人目眩头晕而无从选择 Internet 在向人们提供大量信息的同时, 也带来了在信息海洋中的迷航现象, 主要指两方面的问题, 一是真伪难辨, 二是找寻困难 7. 对游戏的沉迷电子游戏往往让人像染上烟瘾一样迷恋上机器的虚幻世界, 时间就在击键和游动鼠标的过程中悄悄逝去了 现在, 大街小巷无处不有的电子游戏厅, 已经让学校和家庭为青少年的学习成长费尽了心机 8. 对身心健康的影响计算机网络 广播电视和手机等的普及, 把各个国家 地区联系在一个 地球村 中 在这个村子中, 不同国家 地区和民族的人们大幅度增加了相互了解, 改变了人们对社会 国籍 阶级的观念和态度 另一方面, 构成社会的组织 每个家庭却由于媒

37 16 大学计算机基础 介的发展而日益封闭起来, 变成鸡犬之声相闻, 老死不相往来, 不但邻里之间缺乏人际沟通, 即使家庭成员间的对话也随之减少 正像有人所描述的那样, 人与人之间的亲身交往被人与机之间的交流所取代, 人际交往日益淡漠 结果 容器人 出现了, 代沟 的现象加剧了 除在精神上 心理上的这些影响外, 人们削减了大量户外活动的机会作为人机交往的代价, 长期的后果便是身体机能的下降 习 题 一 思考题 1. 计算机的发展经历了哪几个阶段? 2. 计算机有哪几种常用的分类方法? 3. 简述计算机的特点和应用领域 4. 什么是计算机文化? 5. 什么是信息素养? 6. 谈谈你所感受的信息的负面影响? 二 选择题 1. 第一台电子计算机 ENIAC 每秒钟运算速度为 ( ) A.5000 次 B.5 亿次 C.50 万次 D.5 万次 2. 计算机中的指令和数据采用 ( ) 存储 A. 十进制 B. 八进制 C. 二进制 D. 十六进制 3. 第二代计算机的内存储器为 ( ) A. 水银延迟线或电子射线管 B. 磁芯存储器 C. 半导体存储器 D. 高集成度的半导体存储器 4. 计算机存储程序的思想是 ( ) 提出的 A. 图灵 B. 布尔 C. 冯 诺依曼 D. 帕斯卡 5. 下列说法正确的是 ( ) A. 第三代计算机采用电子管作为逻辑开关器件 B.1958~1964 年期间生产的计算机被称为第二代产品 C. 现在的计算机采用晶体管作为逻辑开关器件 D. 计算机将取代人脑 6. 计算机被分为大型机 中型机 小型机 微型机等类型, 主要是根据计算机的 ( ) 来划分的 A. 运算速度 B. 体积大小 C. 重量 D. 耗电量 7.( ) 是计算机最原始的应用领域, 也是计算机最重要的应用之一 A. 数值计算 B. 过程控制 C. 信息处理 D. 计算机辅助设计 科学出版社职教技术出版中心

38 第 1 章计算机的发展 17 三 填空题 1. 世界上第一台计算机诞生于 年, 其名字是 2. 计算机的发展分为 代 3. 根据使用范围分类, 计算机被分为 和 4. 是研究用计算机软 硬件模拟人类某些智力行为, 如感知 推理 学 习和理解的理论 技术和应用

39 第 2 章数制与编码 2.1 数制 在计算机系统中, 数字和符号都是用电子器件的不同状态表示的, 即以电信号表示 根据计算机的这一特点, 提出这样的问题 : 数值在计算机中是如何表示和运算的? 这就是本节要讨论的 数制 问题 用一组固定的数字 ( 数码符号 ) 和一套统一的规则来表示数值的方法称为数制 (Number System), 也称为计数制 数制的种类很多, 除了十进制数, 还有二十四进制 (24 小时为一天 ) 六十进制(60s 为 1min 60min 为 1h) 二进制( 手套 筷子等两只为一双 ) 等 在计算机系统中采用二进制, 主要原因是电路设计简单 运算简单 工作可靠和逻辑性强 不论是哪一种数制, 其计数和运算都有共同的规律和特点 (1) 逢 R 进一 R 是指数制中所需要的数字字符的总个数, 称为基数 (Radix) 例如, 十进制数用 这 10 个不同的符号来表示数值 在十进制中基数是 10, 表示逢十进一 (2) 位权表示法位权 ( 也叫做权 ) 是指一个数字在某个位置上所代表的值, 处在不同位置上的数字所代表的值不同, 每个数字的位置决定了它的值或位权 例如, 在十进制数 586 中,5 的位权是 100( 即 10 2 ) 位权与基数的关系是 : 各进位制中位权的值是基数的若干次幂 因此, 用任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和 例如, 十进制数 可以用如下形式表示 : (256.07) = 位权表示法的原则是数字的总个数等于基数 ; 每个数字都要乘以基数的幂次, 而该幂次是由每个数字所在的位置所决定的 排列方式是以小数点为界, 整数自右向左依次为 0 次方 1 次方 2 次方 小数自左向右依次为负 1 次方 负 2 次方 科学出版社职教技术出版中心 人们在用计算机解决实际问题中输入 / 输出使用的是十进制数, 而计算机内部用二进

40 第 2 章数制与编码 19 制数 但是在计算机应用中常常根据需要使用十六进制数或八进制数, 因为二进制数与十六进制数和八进制数正好有倍数的关系, 如 2 3 等于 等于 16, 所以便于在计算机应用中表示 1. 十进制数 按 逢十进一 的原则进行计数, 称为十进制数 (Decimal), 即每位计满 10 时向高位进 1 对于任意一个十进制数, 可用小数点把数分成整数部分和小数部分 十进制数的特点是 : 数字的个数等于基数 10, 逢十进一, 借一当十 ; 最大数字是 9, 最小数字是 0, 有 10 个数字字符 ; 在数的表示中, 每个数字都要乘以基数 10 的幂次 例如, 在十进制数 中, 小数点左边第一位的 6 代表个位, 它的数值为 ; 小数点左边第二位的 3 代表十位, 它的数值为 ; 左边第三位的 4 代表百位, 它的数值为 ; 小数点右边第一位的值为 ; 小数点右边第二位的值为 可见, 数码处于不同的位置, 代表的数值是不同的 十进制数的性质是 : 小数点向右移动一位, 数值扩大 10 倍 ; 反之, 小数点向左移动一位, 数值缩小 10 倍 下面分析十进制数的一般表示方法 对于十进制数 , 可用如下形式表示为 (436.82) = 上式中, 左边称为位置计数法或并列表示法, 右边称为多项式表示法或按权展开法 一般地, 对于任何一个十进制数 N, 都可以用位置计数法和多项式表示法写为 ( N) 10 = an 1an 2 Laa 1 0. a 1a 2 L a m n 1 n = an an L + a a a a 2 10 a 10 m + L + m n 1 i = a 10 i= m i 式中, n 代表整数位数, m 代表小数位数, a( i m i n 1) 表示第 i 位数码, 它可以是 中的任意一个,10 i 为第 i 位数码的位权 上述十进制数的表示方法也可以推广到任意进制数 对于一个基数为 R(R 2) 的 R 进制计数制, 数 N 可以写为 ( N) R = an 1an 2Laa 1 0. a 1a 2La m n 1 n = an 1 R + an 2 R + L + a1 R + a0 R + a 1 R 2 m + a R + L + a R 2 n 1 i = a R i= m i m 式中, n 代表整数位数, m 代表小数位数, a( i m i n 1) 为第 i 位数码, 它可以是 (R-1) 个不同数码中的任意一个, R i 为第 i 位数码的位权

41 20 大学计算机基础 2. 二进制数按 逢二进一 的原则进行计数, 称为二进制数 (Binary), 即每位计满 2 时向高位进 1 (1) 二进制数的特点二进制数的特点是 : 数字的个数等于基数 2; 最大数字是 1, 最小数字是 0; 即只有两个数字字符 :0,1; 在数值的表示中, 每个数字都要乘以 2 的幂次, 这就是每一位的位权 第一位的位权是 2 0, 第二位是 2 1, 第三位是 2 2, 后面以此类推 表 2-1 给出了二进的位权和十进制数的对应关系 表 2-1 二进制的位权与十进制数值的关系 二进制位数 位权 ( 十进制表示 ) 任何一个二进制数 N, 都可以表示为 ( N) = a a Laa. a a La 举例如下 : 2 n 1 n m = a 2 + a 2 + L + a 2 + a 2 + a 2 n 1 n n 1 n a 2 2 a 2 m + L + m n 1 i = a 2 i= m i ( ) = (13.75) = 二进制数的性质是 : 小数点向右移动一位, 数值就扩大 2 倍 ; 反之, 小数点向左移 动一位, 数值就缩小 1/2 例如, 把二进制数 的小数点向右移动一位, 变为 , 比原来的数扩大了 2 倍 ; 把 的小数点向左移动一位, 变为 , 比 原来的数缩小 1/2 倍 一个数若用二进制数表示要比相应的十进制数的位数长得多, 但采用二进制数却有 以下优点 1) 因为它只有 0 1 两个数码, 在数字电路中利用一个具有两个稳定状态且能相互 转换的开关器件就可以表示一位二进制数, 因此采用二进制数的电路容易实现, 且工作 稳定可靠 科学出版社职教技术出版中心 2) 算术运算规则简单 二进制数的算术运算和十进制数的算术运算规则基本相同, 唯一区别在于二进制数是 逢二进一 及 借一当二, 而不是 逢十进一 及 借一当十 (2) 二进制算术运算二进制算术运算与十进制运算类似, 同样可以进行算术运算, 其操作简单 直观, 更容易实现 二进制求和法则如下 : 0+0=0

42 第 2 章数制与编码 =1 1+0=1 1+1=10( 逢二进一 ) 二进制求差法则如下 : 0-0=0 1-0=1 10-1=1( 借一当二 ) 1-1=0 二进制求积法则如下 : 0 0=0 0 1=0 1 0=0 1 1=1 二进制求商法则如下 : 0 1=0 1 1=1 例如, 在进行两数相加时, 首先写出被加数和加数, 这种方法曾用来计算两个十进制数的加法 然后按照由低位到高位的顺序, 根据二进制求和法则把两个数字逐位相加即可 例 2-1 求 =? 结果 : = 例 2-2 求 =? 结果 : =11.10 例 2-3 求 =?

43 22 大学计算机基础 结果 : = 例 =? 结果 : =11 3. 八进制数 八进制数 (Octal) 的进位规则是 逢八进一, 其基数 R=8, 采用的数字是 , 每位的位权是 8 的幂次 任何一个八进制数 N 也可以表示为 例如, 对于八进制数 可表示为 4. 十六进制数 8 8 n 1 i ( N) = a 8 i= m (376.4) = i = = (254.5) 10 十六进制数 (Hexadecimal) 的特点如下 1) 采用的 16 个数字为 A B C D E F 符号 A~F 分别代 表十进制数的 10~15 2) 进位规则是 逢十六进一, 基数 R=16, 每位的位权是 16 的幂次 任何一个十六进制数 N, 可以表示为 16 n 1 i ( N) = a 16 i= m 例如, 对于十六进制数 3AB.11 可表示为 (3AB.11) = 常用数制的对应关系 i ( ) 10 (1) 常用数制的基数和数字符号 常用数制的基数和数字符号如表 2-2 所示 科学出版社职教技术出版中心

44 第 2 章数制与编码 23 表 2-2 常用数制的基数和数制符号 十进制 二进制 八进制 十六进制 基数 数字符号 0~9 0,1 0~7 0~9,A,B,C,D,E,F (2) 常用数制的对应关系 常用数制的对应关系如表 2-3 所示 表 2-3 常用数制的对应关系 十进制 二进制 八进制 十六进制 A B C D E F 10 将数由一种数制转换成另一种数制称为数制间的转换 由于计算机采用二进制, 而在日常生活中人们习惯使用十进制, 所以在计算机进行数据处理时就必须把输入的十进制数换算成计算机所能接受的二进制数, 计算机运行结束后, 再把二进制数换算成人们习惯的十进制数输出 这两个换算过程完全由计算机系统自动完成 1. 二进制数与十进制数间的转换 (1) 二进制数转换成十进制数二进制数转换成十进制数, 前面已经讲过了, 只要将二进制数按位权展开, 然后将各项数值按十进制数相加, 便可得到等值的十进制数 举例如下 : ( ) = = (22.75) 同理, 若将任意进制数转换为十进制数, 只需将数 (N) R 写成按位权展开的多项式表达式, 并按十进制规则进行运算, 便可求得相应的十进制数 (N) 10 (2) 十进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数需要将整数部分和小数部分分别转换

45 24 大学计算机基础 1) 整数转换 整数转换用除 2 取余法 若将十进制整数 (N) 10 转换为二进制整数 (N) 2, 则可以写成 ( N) = a 2 + a 2 + L + a 2 + a 2 n 1 n n 1 n = 2( a 10 + a 10 + L + a ) + a = 2P + a n 2 n 3 n 1 n 如果将上式两边同除以 2, 所得的商为 P = a 10 + a 10 + L + a n 2 n 3 1 n 1 n 2 1 余数就是 a 0 同理, 这个商 P 1 又可以写成 P = 2( a n a n L + a ) + a 1 n 1 n 显然, 若将上式两边再同时除以 2, 则所得余数是 a 1 重复上述过程, 直到商为 0, 就可得二进制数各位上的数字 a 0 a 1 a n 1 例 2-5 将 (57) 10 转换为二进制数 结果 : (57) 10 = (111001) 2 2) 小数转换 小数转换用乘二取整法 将十进制小数 ( N ) 10 转换为二进制小数 ( N ) 2, 则可以写成 将上式两边同时乘以 2, 得到 上式可以写成 1 1 其中, F1 a 2 2 a 2 m + = + L + m ( N) = a 2 + a 2 + L + a 2 m m 1 m+ 1 2( N) 10 = a 1 + ( a L + a m 2 ) 2( N) 10 = a 1 + F 1 因此, 2( N ) 10 的整数部分就是 a 1 若将 2( N ) 10 的小数部分 F 1 再乘以 2, 则有 2F 1 的整数部分就是 a 2 2 F = a + ( a 2 + a 2 + L + a 2 ) 1 2 m m 科学出版社职教技术出版中心 显然, 重复上述过程, 便可求出二进制小数的各位数字 例 2-6 将 (0.834) 10 转换成二进制小数

46 第 2 章数制与编码 25 结果 : (0.834) 10 (0.1101) 2 由例 2-6 可见, 在小数部分乘 2 取整的过程中, 不一定能使最后的乘积为 0, 因此 转换值存在误差 通常在二进制小数的精度已达到预定的要求时, 运算便可结束 将一个带有整数和小数的十进制数转换成二进制数时, 必须将整数部分和小数部分 分别按除 2 取余法和乘 2 取整法进行转换, 然后再将两者的转换结果合并起来即可 同理, 若将十进制数转换成任意 R 进制数 (N) R, 则整数部分转换采用除 R 取余法 ; 小数部分转换采用乘 R 取整法 2. 二进制数与八进制数 十六进制数间的转换 八进制数和十六进制数的基数分别为 8=2 3,16=2 4, 所以三位二进制数恰好相当于 一位八进制数, 四位二进制数相当于一位十六进制数, 它们之间的相互转换是很方便的 二进制数转换成八进制数的方法是从小数点开始, 分别向左 向右, 将二进制数按 每三位一组分组 ( 不足三位的补 0), 然后写出每一组等值的八进制数 例 2-7 将二进制数 转换成八进制数 结果 : ( ) 2 = ( ) 8 八进制数转换成二进制数的方法恰好和二进制数转换成八进制数相反, 即从小数点 开始分别向左 向右将八进制数的每一位数字转换成三位二进制数 由例 2-7 可见, 按 相反的过程转换, 有 ( ) 8 = ( ) 2 二进制数转换成十六进制数的方法和二进制数转换为八进制数的方法相似, 从小数 点开始分别向左 向右将二进制数按每四位一组分组 ( 不足四位补 0), 然后写出每一组 等值的十六进制数 例 2-8 将二进制数 转换成十六进制数 F 0 5 D. 7 A

47 26 大学计算机基础 结果 : ( ) 2 = (F05D.7A) 8 类似地, 将十六进制数转换成二进制数, 可按例 2-8 的相反过程进行操作 在计算机中处理的数据可分为数值型和非数值型两类 数值型数据是指数学中的代 数值, 具有量的含义, 如 或 3/8 等 ; 非数值型数据是指输入到计算机中的 所有文字信息, 没有量的含义, 如数字 0~9 大写字母 A~Z 或小写字母 a~z 汉字 图形 声音及一切可印刷的符号 + -! # % 等 由于计算机采用二进制, 所有这些数据信息在计算机内部都必须以二进制编码的形 式表示 也就是说, 一切输入到计算机中的数据都是由 0 和 1 两个数字进行组合 对于 数值型数据来说有正有负, 在数学中用符号 + 和 - 表示正数和负数, 但在计算机 中数的正 负号也要用 0 和 1 来表示 1. 带符号数的表示方法 在计算机中, 对有符号的数常用原码 反码和补码三种方式表示, 其主要目的是解 决减法运算的问题 任何正数的原码 反码和补码的形式完全相同, 负数则各自有不同的表示形式 (1) 数的原码表示正数的符号位用 0 表示, 负数的符号位用 1 表示, 有效值部分用二进制绝对值表示, 这种表示法称为原码 原码对 0 的表示方法不唯一, 即正的 0(000 00) 和负的 0(100 00) 例如,X=+76,Y=-76, 则 (X) 原 = (Y) 原 = 符号位数值用原码表示一个数简单 直观, 与真值之间的转换方便 但不能用它直接对两个相同符号数相减或两个异号数相加 例如, 将十进制数 +25 和 -14 的两个原码直接相加 因为 (+25) 原 = (-14) 原 = 所以有 科学出版社职教技术出版中心 其结果符号位为 1 表示是负数, 等于十进制数 -39, 这显然是错误的 又如, 将十进制数 +31 与 +42 的两个原码直接相减 :

48 第 2 章数制与编码 27 结果为 , 等于十进制数 -117, 这显然也是不对的 因此, 为了运算方便, 在计算机中通常将减法运算转换为加法运算 ( 两个异号数相 加实际上也是同号数相减 ), 由此引入了反码的概念 (2) 数的反码表示 正数的反码和原码相同, 负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反, 即 0 变 1, 1 变 0 例如, (+76) 原 =(+76) 反 = (-76) 原 = (-76) 反 = 可以验证, 任何一个数的反码的反码即是原码本身 例 2-9 用四位反码所表示的正负数如下 数值反码数值反码 由例 2-9 可见,0 的反码有两种形式 (3) 数的补码表示 正数的补码和原码相同, 负数的补码是其反码加 1 举例如下 : (+76) 原 =(+76) 反 =(+76) 补 = (-76) 原 = (-76) 反 = (-76) 补 = 可以验证, 任何一个数的补码的补码即是原码本身 例 2-10 用四位补码所表示的正负数如下 数值补码数值补码

49 28 大学计算机基础 由例 2-10 可见,0 的补码表示是唯一的 引入补码的概念之后, 减法运算可以用加法来实现, 并且两数的补码之 和 等于 两数 和 的补码 因此, 在计算机中, 加减法基本上都是采用补码进行运算 例如, 将计算十进制数 25 与 34 的差, 化成计算 25 与 -34 的和, 其 中 25 与 -34 都用补码表示, 即 (25) 10 -(34) 10 =(25) 10 +(-34) 10 因为 (25) 10 =( ) 原 =( ) 反 =( ) 补 (-34) 10 =( ) 原 =( ) 反 =( ) 补 所以有 其结果为负数 ( 因为符号位为 1 ), 而且是补码表示, 对它再进行一次求补码运算 就得到结果的原码表示, 即 ( ) 补 =( ) 原 =(-9) 10 由于 25 与 34 的差为 -9, 所以结果是正确的 由此可见, 在计算机中加减法运算都可以统一化成补码的加法运算, 其符号位也参 与运算, 这是很方便的 反码通常作为求补码过程中的中间形式 但要注意, 无论用哪种方法表示数值, 当数的绝对值超过表示数的二进制位数允许表示的最大值时, 就会发生溢出, 从而产生运算错误 2. 定点数与浮点数 数值除了有正 负数外, 还有带小数点的数值 当所要处理的数值含有小数部分时, 计算机还要解决数值中的小数点的表示问题 在计算机中, 通常采用隐含规定小数点的位置来表示有小数点的数 根据小数点的位置是否固定, 数的表示方法可以分为定点整数 定点小数和浮点数三种类型 定点整数和定点小数统称为定点数 (1) 定点整数定点整数是指小数点隐含固定在整个数值的最后, 符号位右边的所有位数表示的是一个整数 如果用四位表示一个定点整数, 则 0110 表示二进制数 +110, 即十进制数 +6 (2) 定点小数定点小数是指小数点隐含固定在某一个位置上的小数 通常将小数点固定在最高数据位的左边 如果用四位表示一个定点小数, 则 0110 表示二进制数 , 即十进制数 由此可见, 定点数可以表示纯小数和整数 定点整数和定点小数在计算机中的表示 科学出版社职教技术出版中心

50 第 2 章数制与编码 29 没有什么区别, 小数点完全靠事先约定而隐含在不同位置, 如图 2-1 所示 图 2-1 定点数格式 (3) 浮点数浮点数是指小数点位置不固定的数, 它既有整数部分又有小数部分 在计算机中通常把浮点数分成阶码 ( 也称为指数 ) 和尾数两部分来表示, 其中阶码用二进制定点整数表示, 尾数用二进制定点小数表示, 阶码的长度决定数的范围, 尾数的长度决定数的精度 为保证不损失有效数字, 通常还对尾数进行规格化处理, 即保证尾数的最高位为 1, 实际数值通过阶码进行调整 浮点数的格式多种多样, 例如某计算机用 32 位表示浮点数, 阶码部分为 8 位补码定点整数, 尾数部分为 24 位补码定点小数 采用浮点数的最大特点是比定点数表示的数值范围大 例如, 的数值等于 , 阶码为 6, 即 +110, 尾数为 其浮点数表示形式如图 2-2 所示 图 2-2 浮点数示例 2.2 编码 计算机是以二进制方式组织 存放信息的, 信息编码就是指对输入到计算机中的各种数值型和非数值型数据用二进制进行编码的方式 对不同机器 不同类型的数据, 其编码方式是不同的 编码的方法很多, 为了使信息的表示 交换 存储或加工处理方便, 在计算机系统中通常采用统一的编码方式, 因此制定了编码的国家标准或国际标准, 如位数不等的二进制码 BCD 码 ASCII 码 汉字编码等 计算机使用这些编码在计算机内部和键盘等终端设备之间以及计算机之间进行信息交换 在输入过程中, 系统自动将用户输入的各种数据按编码的类型转换成相应的二进制形式存入计算机的存储器中 在输出过程中, 再由系统自动将二进制编码的数据转换成用户可以识别的数据形式输出给用户 在计算机中, 为了适应人们的习惯, 采用十进制数方式对数值进行输入和输出 这样, 在计算机中就要将十进制数转换成二进制数, 即用 0 和 1 的不同组合来表示十进制数 二 十进制编码 (BCD 码 ) 是用四位二进制码的十种组合表示十进制数 0~9, 简

51 30 大学计算机基础 称 BCD 码 (Binary Coded Decimal) 常用的几种 BCD 码如表 2-4 所示 表 2-4 几种常用的 BCD 码 十进制数 8421 码 5421 码 2421 码 余 3 码 Gray 码 例如, 十进制数 1235 的 8421 码的表示为 BCD 码比较直观, 只要熟悉了 BCD 的十位编码, 可以很容易地实现十进制与 BCD 码之间的转换 BCD 码与二进制之间的转换不是直接进行的, 要先经过十进制, 即 BCD 码先转换成十进制, 然后再转换成二进制 ; 反之亦然 码 8421 码是最基本和最常用的 BCD 码, 它和四位自然二进制码相似, 各位的权值为 , 故称为有权 BCD 码 和四位自然二进制码不同的是, 它只选用了四位二进制码中前 10 组代码, 即用 0000~1001 分别代表它所对应的十进制数, 余下的六组代码不用 码和 2421 码 5421 码和 2421 码为有权 BCD 码, 它们从高位到低位的权值分别为 和 这两种有权 BCD 码中, 有的十进制数码存在两种表示方法, 例如,5421 码中的数码 5, 既可以用 1000 表示, 又可以用 0101 表示,2421 码中的数码 6, 既可以用 1100 表示, 又可以用 0110 表示 这说明 5421 码和 2421 码的编码方案都不是唯一的, 表 2-4 只列出了一种编码方案 在如表 2-4 所示 2421 码的 10 个数码中,0 和 9 1 和 8 2 和 7 3 和 6 4 和 5 的代码的对应位恰好一个是 0 时, 另一个就是 1 称 0 和 9 1 和 8 互为反码 因此 2421 码具有对 9 互补的特点, 它是一种对 9 的自补代码 ( 即只要对某一组代码各位取反就可以得到 9 的补码 ), 在运算电路中使用比较方便 3. 余 3 码 科学出版社职教技术出版中心 余 3 码是 8421 码的每个码组加 3(0011) 形成的 余 3 码也具有对 9 互补的特点, 即它也是一种 9 的自补码, 所以也常用于 BCD 码的运算电路中 用 BCD 码可以方便地表示多位十进制数, 例如, 十进制数 可以分别用 8421 码 余 3 码表示为

52 第 2 章数制与编码 31 (579.8) 10 =( ) 8421 码 =( ) 余 3 码 4.Gray 码 Gray 码 ( 格雷码 ) 也称为循环码, 其最基本的特性是任何相邻的两组代码中, 仅有一位数码不同, 因而又叫做单位距离码 Gray 码的单位距离特性有很重要的意义 假如两个相邻的十进制数 13 和 14, 相应的二进制码为 1101 和 1110 在用二进制数作加 1 计数时, 如果从 13 变 14, 二进制码的最低两位都要改变, 但实际上两位改变不可能完全同时发生, 若最低位先置 0, 然后次低位再置 1, 则中间会出现 , 即出现短暂的误码 1100, 而 Gray 码因只有一位变化, 因而杜绝了出现这种错误的可能 字符是计算机中使用最多的非数值型数据, 是人与计算机进行通信 交互的重要媒介, 国际上广泛使用美国信息交换标准码 (American Standard Code for Information Interchange,ASCII) ASCII 码有 7 位码和 8 位码两种形式 7 位 ASCII 码是用 7 位二进制数进行编码的, 所以可以表示 128 个字符 这是因为 1 位二进制数可以表示两种状态,0 或 1(2 1 =2); 两位二进制数可以表示四种状态, (2 2 =4); 以此类推,7 位二进制数可以表示 2 7 =128 种状态, 每种状态都唯一地对应一个 7 位二进制码, 这些码可以排列成一个十进制序号 0~127, 如表 2-5 所示 ASCII 码表的 128 个符号是这样分配的 : 第 0~32 号及 127 号 ( 共 34 个 ) 为控制字符, 主要包括换行 回车等功能字符 ; 第 33~126 号 ( 共 94 个 ) 为字符, 其中第 48~ 57 号为 0~9 十个数字符号,65~90 号为 26 个大写英文字母,97~122 号为 26 个小写英文字母, 其余为一些标点符号 运算符号等 例如, 大写字母 A 的 ASCII 码值为 , 即十进制数 65, 小写字母 a 的 ASCII 码值为 , 即十进制数 97 这些字符基本满足了各种程序设计语言 西文文字 常见控制命令等的需要 为了使用方便, 在计算机的存储单元中, 一个字符的 ASCII 码占一个字节 (8 个二进制位 ), 其最高位只用作奇偶校验位, 如图 2-3 所示 奇偶校验是指在代码传送过程中, 用来检验是否出现错误的一种方法 一般分为奇校验和偶校验两种 奇校验规定, 正确的代码一个字节中 1 的个数必须是奇数, 图 2-3 一个字节的 ASCII 码表示若非奇数, 则在最高位 b 7 处添 1 来满足 ; 偶校验规定, 正确的代码一个字节中 1 的个数必须是偶数, 若非偶数, 则在最高位 b 7 处添 1 来满足 例如, 将 COME 中的四个字符用带奇校验的 ASCII 码存储 先由 ASCII 码表 2-5 查出十进制 ASCII 码, 然后转换成二进制 ASCII 码, 再根据奇校验的规定在左面补上奇偶校验位, 如表 2-6 所示

53 32 大学计算机基础 表 2-5 ASCII 码表 控制字符 ASCII 码控制字符 ASCII 码控制字符 ASCII 码控制字符 ASCII 码 NUL 000 Space 064 ` 096 SOH 001! 033 A 065 a 097 STX B 066 b 098 ETX 003 # 035 C 067 c 099 EOT 004 $ 036 D 068 d 100 END 005 % 037 E 069 e 101 ACK 006 & 038 F 070 f 102 BEL G 071 g 103 BS 008 ( 040 H 072 h 104 HT 009 ) 041 I 073 i 105 LF 010 * 042 J 074 j 106 VT K 075 k 107 FF 012, 044 L 076 l 108 CR M 077 m 109 SO N 078 n 110 SI 015 / 047 O 079 o 111 DLE P 080 p 112 DC Q 081 q 113 DC R 082 r 114 DC S 083 s 115 DC T 084 t 116 NAK U 085 u 117 SYN V 086 v 118 ETB W 087 w 119 CAN X 088 x 120 EM Y 089 y 121 SUB 026 : 058 Z 090 z 122 科学出版社职教技术出版中心 ESC 027 ; 059 [ 091 { 123 FS 028 < 060 \ GS 029 = 061 ] 093 } 125 RS 030 > 062 ^ 094 ~ 126 US 031? 063 _ 095 del 127 表 2-6 ASCII 码应用示例 字母 十进制 ASCII 码 二进制 ASCII 码 带奇校验位的 ASCII 码 C O M E

54 第 2 章数制与编码 33 又如, 当 ASCII 码值为 时, 问 : 它是什么字符? 当采用偶校验时, 奇偶校验位 b 7 等于什么? 由于 (101010) 2 =(42) 10, 由 ASCII 码表 2.4 得知所代表的字符为 * ; 根据偶校验规则, 应使一个字节中 1 的个数为偶数, 所示在奇偶校验位添 1, 即 b 7 =1 ASCII 码虽然是最常用的编码, 但由于最高位 b 7 用来作为校验位, 所以只能表示 128 个不同的字符 如果最高位 b 7 也用来编码, 则称为扩展 ASCII 码 ( 即 8 位码 ), 可用来表示 256 个不同的字符 目前, 还有一种编码在许多环境中得到了应用, 这就是 Unicode 码 Unicode 码使用 16 位二进制进行编码, 最多可以表示 个不同的字符 通过把高 8 位置为 0, 并保持原来的编码不变, 它把 ASCII 码和扩展 ASCII 码也吸收进来 例如, 字母 S 的三种编码如表 2-7 所示 表 2-7 字母 S 的三种编码 ASCII 扩展 ASCII UNICODE 计算机在处理汉字信息时也要将其转换为二进制代码, 这就需要对汉字进行编码 汉字的输入 转换和存储方法和西文类似, 但由于汉字数量多, 不能由西文键盘直接输入, 所以必须先把它们分别用以下编码转换后存放到计算机中再进行处理操作 1. 机外码机外码 ( 也称为输入码 ) 是指用户通过西文键盘输入的汉字信息编码, 它由键盘上的字母 数字及特殊符号组成 常用的输入码有五笔字型 全拼输入法 双拼输入法 微软输入法 区位码 自然码 智能 ABC 输入法等 输入码是用户与计算机进行汉字交流的第一接口 2. 国标码计算机处理汉字所用的编码标准是我国于 1980 年颁布的国家标准 GB , 即 中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码, 简称国标码 ( 也称为交换码 ) 在国标码中, 共收录了一 二级汉字和图形字符 7445 个 其中图形字符 682 个, 一级汉字 ( 常用汉字 )3755 个, 按汉语拼音字母排列 ; 二级汉字 ( 不常用汉字 )3008 个, 按偏旁部首排列 为了编码方便, 将汉字分成若干个区, 每个区中 94 个汉字 由区号和位号 ( 区中的位置 ) 构成了区位码 例如, 中 位于第 54 区 48 位, 区位码为 5448 区号和位号各加 32 就构成了国标码, 这是为了与 ASCII 码兼容, 每个字节值大于 32(0~32 为非图形字符码值 ) 所以, 中 的国标码为 8680 为了满足信息交换处理的需要, 在国标码的基础上,2000 年我国又推出了 信息技术 - 信息交换用汉字编码字符集 - 基本集的扩充 (GB ) 新国家标准, 共收录了 多个汉字, 还包括藏 蒙 维吾尔等主要少数民族文字, 采用单 双 四字

55 34 大学计算机基础 节混合编码, 总编码空间为 150 万个码位以上, 基本解决了计算机汉字和少数民族文字 的使用标准问题 3. 机内码 机内码 ( 也称为内码 ) 是指计算机内部存储 处理加工汉字时所用的代码 输入码 通过键盘被接受后由汉字操作系统的 输入码转换模块 转换为机内码, 每个汉字的机内码用 2 个字节的二进制数表示 虽然一个汉字在用不同的输入法时其外码各不相同, 但其内码是统一的 为了与 ASCII 码相区别, 通常将其最高位置为 1, 大约可表示 多个汉字 汉字机内码的每个字节都大于 128, 而每个西文字符的 ASCII 码值均小于 128 举例说明如下 汉字汉字国标码汉字机内码中 8680( ) 2 ( ) 2 =(D6D0) 16 华 5942( ) 2 ( ) 2 =(BBAA) 16 要查看汉字的机内码, 可以利用记事本把汉字输入并保存文件, 然后切换到 DOS 模式, 使用 Debug 命令来查看 图 2-4 显示了 中 字的机内码为 D6D0 4. 字形码 图 2-4 用 Debug 命令查看汉字机内码 字形码是指文字信息的输出编码 计算机对各种文字信息的二进制编码处理后, 必须通过字形输出码转换成人们能看懂且能表示为各种字形字体的文字格式, 即字形码, 然后通过输出设备输出 字形码通常采用点阵形式, 不论一个字的笔划是多少, 都可以用一组点阵表示 每个点即二进制的一个位, 由 0 和 1 表示不同的状态, 如明 暗或不同的颜色等特征, 表现字的形和体 ( 即字形和字体 ) 所有字形码的集合构成的字符集称为字库 根据输出字符的要求不同, 字符点的多少也不同 点阵越大 点数越多, 分辨率就越高, 输出的字形就越清晰 汉字字形有 点阵等, 不同字体的汉字需要不同的字库 点阵字库存储在文字发生器或字模存储器中 字模点阵的信息量是很大的, 所占存储空间也很大 以 点阵为例, 每个汉字要占用 32 个字节 (16 16/8=32) 图 2-5 显示了 大 字的 字形点阵及代码 科学出版社职教技术出版中心

56 第 2 章数制与编码 35 图 2-5 字形点阵及代码 2.3 存储单位 人们知道, 各种各样的数据在计算机内都用二进制形式存储, 在计算存储空间的大小时, 要用到不同的存储单位 在本节, 将介绍计算机中数据的存储单位问题 1. 位位 (bit) 是计算机的最小存储单位, 简写为 b, 表示二进制中的一位 位也称为比特, 是 bit 的音译 一个二进制位只能表示两种状态, 即只能存放二进制数 0 或 1 2. 字节字节 (Byte) 是计算机的最小存储单元, 也是处理数据的基本单位, 简写为 B, 表示二进制中的 8 位, 即 1B=8b 字节也称为拜特, 是 Byte 的音译 常用的存储单位有 KB MB GB TB 1KB 表示 1K 字节, 读作 千字节, 是 2 的 10 次方字节, 等于 1024 个字节 ; 相应的 1MB 读作 兆字节, 是 2 的 20 次方字节, 等于 1024KB;1GB 读作 吉字节 或者 千兆字节, 是 2 的 30 次方字节 ;1TB 读作 太字节, 是 2 的 40 次方字节 3. 常用单位的前缀当人们说 64KB 的时候,KB 是 Kilobyte( 千字节 ) 的缩写 Kilo 是一种度量单位的前缀, 表示 1000, 如 1Kilometer 是 1 千米,1Kilogram 是 1000 克 由于数据在计算机中用二进制形式存储, 为了计算的方便, 当 K 用在度量存储空间的时候, 这里的 1000 仅仅是一个近似值 它的实际值是 2 的 10 次方, 等于 1024 在描述计算机存储容量时, 常用的存储单位 KB MB GB TB 的前缀的含义见表 2-8

57 36 大学计算机基础 表 2-8 计算机存储容量的常用单位 前缀前缀的含义单位单位的含义 KILO K 2 10 =1024 MEGA M 2 20 = GIGA G 2 30 = TERA T 2 40 = 下面举例说明常用存储容量的计算方法 例 2-11 为了满足一台 1024 列,768 行像素的单色显示器存储需要, 需要使用 多少字节? 可以说它具有 1024 列, 每列包含 768 个像素 由于是单色显示器, 每个像素需要 1 位存储空间, 也就是说, 一个字节能存放 8 个像素 所以共需要 : B = 98304B 8 例 2-12 假设显示屏上的每个像素都要用两个字节来存储, 一台 1024 列 768 行 像素的显示器需要多少 KB 的存储空间? 所需要的存储空间为 KB = 1536KB 1024 例 2-13 计算机动画对计算机存储的需求一直都在增长 有一种格式的计算机 动画要把一系列图片存储在计算机中 假设图片显示在屏幕上一个包含 1024 列 768 行像 素的长方形矩阵中, 而且一个像素需要一个字节的存储空间, 要存储一段包含 32 幅图片 的动画需要多少存储空间? 在求得字节数以后, 再把答案转化为 MB 一个图片所包含的像素个数为 像素像素像素 = 2 (3 2 ) = 3 2 由于一个像素需要一个字节的存储空间, 所以 32 幅图片所需要的字节数为 B= 3 2 B 将其转化为以 MB 为单位, 有 23 1MB B = 3 2 MB= 24MB 20 2 B 通常使用 MB 表示 MegaByte( 百万字节 ) 的缩写, 使用 Mb 表示 Megabit( 百万位 ) 4. 国际单位制 科学出版社职教技术出版中心 为了方便表示非常大和非常小的数字, 研究人员开发了一套可以用于任意度量单位的前缀表示法, 并就其使用方法达成了一致 虽然开发这套前缀的时候并没有考虑计算机的特殊情况, 但就有效性来说, 它们比其他方法都更能满足计算机的需要 尽管计算机速度越来越快, 存储容量越来越大, 但总有一些前缀能够满足这种变化 通常把这套前缀称为国际单位制 (International System of Units) 国际单位制用相应

58 第 2 章数制与编码 37 的前缀表示各种单位的数量级 例如, 在家用电器中, 电力单位瓦特 (W) 不是一个大 的单位, 有时会把 1000W 作为单位使用 表示 1000 的前缀是 kilo, 所以也把 Kilowatt (kw) 作为度量单位 如果是电力企业或者较大的工业用户, 常常会用到 Megawatt(MW) 或者 Gigawatt(GW) 表 2-9 包含了所有的前缀及其符号或缩写, 以及所代表的乘数因子 表 2-9 国际单位制的前缀 前缀 符号 因子 Yotta- Y =10 24 Zetta- Z =10 21 Exa- E =10 18 Peta- P =10 15 Tera- T =10 12 Giga- G ( 一千个百万 = 十亿 ) =10 9 Mega- M ( 一百万 ) =10 6 Kilo- K 1 000( 一千 ) =10 3 Hecto- H 100 =10 2 Deca- Da 10 = =10 0 Deci- d 0.1 =10-1 Centi- c 0.01 =10-2 Milli- m 0.001( 千分之一 ) =10-3 Micro- μ ( 百万分之一 ) =10-6 Nano- n ( 十亿分之一 ) =10-9 Pico- p =10-12 Femto- f =10-15 Atto- a =10-18 Zepto- z =10-21 Yocto- y =10-24 例 2-14 如果用 1000B 来近似表示 1KB, 计算出它的绝对误差和相对误差 绝对误差是指近似值与精确值的差的绝对值 相对误差是指绝对误差与精确值的比 率, 常用百分比表示 1KB 的实际值是 1024B, 近似值是 1000B, 故所求绝对误差为 1000B B = 24B 相对误差为 = = 2.34% 习 题 一 思考题 1. 什么是数制? 数制的特点和规律是什么?

59 38 大学计算机基础 2. 简述十进制 二进制 八进制和十六进制之间的转换方法 3. 数怎样在计算机中表示? 4. 什么是编码?BCD 编码主要有哪几种? 5. 简述字符编码的方法 6. 汉字是如何编码的? 7. 常用的存储单位有哪些? 并指出它们之间的关系 二 选择题 1.( ) 2 +(111101) 2 =( ) 2 A B C D ( ) 2 -(100101) 2 =( ) 2 A B C D (1101) 2 (101) 2 =( ) 2 A B C D (10010) 2 (11) 2 =( ) 2 A.1010 B.111 C.1100 D 将补码转换为十进制数, 即 ( ) 补 = ( ) 10 A.8 B.-9 C.-10 D 已知字符 8 的 ASCII 码是 56, 则字符 5 的 ASCII 码是 ( ) A.52 B.53 C.54 D KB 表示 ( ) 三 填空题 A.1024 位 B.1000 位 C.1000 字节 D.1024 字节 1.(254) 10 =( ) 2 =( ) 8 =( ) 16 2.( ) 10 =( ) 2 =( ) 8 =( ) 16 3.(125) 10 =( ) 原 =( ) 反 =( ) 补 4.(-25) 10 =( ) 原 =( ) 反 =( ) 补 5. 十进制数 3527 的 8421 码的表示为 6. 已知字符 a 的 ASCII 码是 97, 则字符 f 的 ASCII 码是 7. 许多彩色显示器使用 32 位真彩来进行显示 假设每个像素需要 4B 的存储空间, 则一台 1024 列 768 行的彩色显示器需要的字节数是 B 8. 用 B 近似表示 1GB 时, 绝对误差是 B, 相对误差 是 科学出版社职教技术出版中心

60 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 随着计算机技术的发展, 计算机已应用到各行各业和日常生活中 为了更好地使用 计算机, 必须了解计算机的系统组成 工作原理等计算机的基础知识 3.1 计算机系统与工作原理 一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两部分, 如图 3-1 所示 组成一台计算机的物理设备的总称叫做计算机硬件系统, 是实实在在的物体, 是计算机工作的基础 指挥计算机工作的各种程序的集合称为计算机软件系统, 是计算机的灵魂, 是控制和操作计算机工作的核心 计算机通过执行程序而运行, 计算机工作时软 硬件协同工作, 二者缺一不可 图 3-1 计算机系统的组成结构 计算机硬件 (Computer Hardware) 或称硬件平台, 是指计算机系统所包含的各种机械的 电子的 磁性的装置和设备, 如运算器 磁盘 键盘 显示器 打印机等 每个功能部件各尽其职 协调工作, 缺少其中任何一个都不能成为完整的计算机系统 不同类型的计算机, 其硬件组成是不一样的 从计算机产生发展到今天, 各种类型

61 40 大学计算机基础 的计算机都是基于冯 诺依曼思想而设计的 它的主要特点可归结为以下三点 1) 计算机由五个基本部分组成 : 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 2) 程序和数据存放在存储器中, 并按地址寻访 3) 程序和数据用二进制表示 半个多世纪过去了, 计算机的系统结构已发生了很大改变, 就其结构原理来说, 仍然是冯 诺依曼型计算机, 其结构如图 3-2 所示, 图中实线为数据流, 虚线为控制流 图 3-2 冯 诺依曼计算机结构 硬件是计算机工作的物质基础, 计算机的性能, 如运算速度 存储容量 计算精度 可靠性等很大程度上取决于硬件的配置 下面简单介绍计算机的五个基本组成部分 1. 运算器 运算器的主要功能是算术运算和逻辑运算 计算机中最主要的工作是运算, 大量的 数据运算任务是在运算器中进行的 运算器又称算术逻辑单元 (Arithmetic and Logic Unit,ALU) 在计算机中, 算术运算是指加 减 乘 除等基本运算 ; 逻辑运算是指逻辑判断 关系比较以及其他的基本逻辑运算, 如与 或 非等 但不管是算术运算还是逻辑运算, 都只是基本运算 也就是说, 运算器只能做这些最简单的运算, 复杂的计算都要通过基本运算一步步实现 然而, 运算器的运算速度却快得惊人, 因而计算机才有高速的信息处理功能 运算器中的数据取自内存, 运算的结果又送回内存 运算器对内存的读 / 写操作是在控制器的控制之下进行的 2. 控制器 科学出版社职教技术出版中心 控制器是计算机的神经中枢和指挥中心, 只有在它的控制之下整个计算机才能有条不紊地工作, 自动执行程序 控制器的功能是依次从存储器取出指令, 翻译指令 分析指令 向其他部件发出控制信号, 指挥计算机各部件协同工作 控制器由程序计数器 (PC) 指令寄存器(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 (1) 程序计数器它用来对程序中的指令进行计数, 使控制器能够依次读取指令

62 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 41 (2) 指令寄存器它用来在指令执行期间暂时保存正在执行的指令 (3) 指令译码器它用来识别指令的功能, 分析指令的操作要求 (4) 时序控制电路它用来生成时序信号, 以协调在指令执行周期各部件的工作 (5) 微操作控制电路它用来产生各种控制操作命令 控制器的工作过程也就是计算机的工作原理, 将在后面介绍 3. 存储器存储器的主要功能是存放程序和数据 使用时, 可以从存储器中取出信息, 不破坏原有的内容, 这种操作称为存储器的读操作 ; 也可以把信息写入存储器, 原来的内容被抹掉, 这种操作称为存储器的写操作 存储器通常分为内存储器和外存储器 (1) 内存储器内存储器简称内存 ( 又称主存 ), 是计算机中信息交流的中心 用户通过输入设备将输入的程序和数据最初送入内存, 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, 内存中的信息如要长期保存, 应送到外存储器中 总之, 内存要与计算机的各个部件打交道, 进行数据交换 因此, 内存的存取速度直接影响计算机的运算速度 当今绝大多数计算机的内存是以半导体存储器为主, 由于价格和技术方面的原因, 内存的存储容量受到限制, 而且大部分内存是不能长期保存信息的随机存储器 (RAM, 断电后信息丢失 ), 所以还需要能长时间保存大量信息的外存储器 (2) 外存储器外存储器设置在主机外部, 简称外存 ( 又称辅存 ), 主要用来长期存放暂时不用的程序和数据 通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据, 只和内存交换数据, 而且不是按单个数据进行存取, 而是成批地进行数据交换 常用的外存是磁盘 磁带 光盘等 外存与内存有许多不同之处 : 一是外存不像内存那样怕停电, 如磁盘上的信息可以保持几年, 甚至几十年,CD-ROM 可以永久保存 ; 二是外存的容量不像内存那样受到多种限制, 如当今硬盘的容量有 500GB 1TB 等 ; 三是外存速度慢, 内存速度快 由于外存储器安装在主机外部, 所以也可以归类为外部设备 4. 输入设备输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序, 并将它们转变为计算机可以识别的形式 ( 二进制代码 ) 存放到内存中 常用的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪 话筒等

63 42 大学计算机基础 5. 输出设备输出设备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 音响等 计算机软件 (Computer Software) 是相对于硬件而言的, 它包括计算机运行所需的各种程序 数据及其有关技术文档资料 只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机 在裸机上只能运行机器语言程序, 使用很不方便, 效率也低 硬件是软件赖以运行的物质基础, 软件是计算机的灵魂, 是发挥计算机功能的关键 有了软件, 人们可以不必过多地去了解计算机本身的结构与原理而方便灵活地使用计算机 因此, 一个性能优良的计算机硬件系统能否发挥其应有的功能, 很大程度上取决于所配置的软件是否完善和丰富 软件不仅提高了机器的效率 扩展了硬件功能, 也方便了用户使用 通常软件可分为系统软件和应用软件两大类 用户与计算机系统各层次之间的关系如图 3-3 所示 1. 系统软件 图 3-3 用户与计算机系统各层次之间的关系 系统软件是管理 监控和维护计算机资源的软件, 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的软件 它包括操作系统 程序设计语言 语言处理程序 数据库管理程序 系统服务程序等 (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 (Operating System,OS) 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, 是在计算机裸机与应用程序及用户之间架起的沟通桥梁 没有它, 用户就无法自如地应用各种软件或程序 目前, 常见的计算机操作系统有 Windows UNIX Linux 和 DOS 等 (2) 程序设计语言计算机解题的一般过程是 : 用户编写程序, 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 计算机语言大致分为机器语言 汇编语言和高级语言 机器语言 : 机器语言是二进制代码表示的指令集合, 它是计算机能直接识别和执行 科学出版社职教技术出版中心

64 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 43 的计算机语言 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 汇编语言 : 汇编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, 但编制程序的效率不高 难度较大 维护较困难, 属于低级语言 高级语言 : 高级语言是接近人类自然语言和数学语言的计算机语言, 是第三代计算机语言 高级语言的特点是 : 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, 面向过程, 进而面向用户 由于易学 易记, 便于书写和维护, 提高了程序设计的效率和可靠性 目前, 广泛使用的高级语言有 Fortran COBOL C Visual Basic Delphi 和 Java 等 (3) 语言处理程序将计算机不能直接执行的非机器语言编写的程序翻译成能直接执行的机器语言的翻译程序称为语言处理程序 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 把计算机本身不能直接读懂的源程序翻译成机器能够识别的机器指令代码后, 计算机才能执行, 这种翻译后的程序称为目标程序 计算机将源程序翻译成机器指令时有编译方式和解释方式两种 编译方式与解释方式的工作过程如图 3-4 所示 图 3-4 源程序翻译成机器指令的过程由图 3-4 可以看出, 编译方式是把源程序用相应的编译程序翻译成机器语言的目标程序, 然后再链接成可执行程序, 运行可执行程序后得到结果 目标程序和可执行程序都是以文件方式存放在磁盘上, 再次运行该程序, 只须直接运行可执行程序, 不必重新编译和链接 解释方式就是将源程序输入计算机后, 用该语言的解释程序将其逐条解释, 逐条执行, 执行完后只能得到结果, 而不能保存解释后的机器代码, 下次运行该程序时还要重新解释执行 (4) 数据库管理系统主要由数据库 (Data Base,DB) 和数据库管理系统组成 常见的关系型数据库系统有 Visual FoxPro Oracle Access 和 SQL Server 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 工具软件, 主要有编辑程序 调试程序 装配和连接程序和测试程序等

65 44 大学计算机基础 2. 应用软件应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件, 为解决实际问题所开发的软件的总称 从其服务对象的角度, 又可分为通用软件和专用软件两类 通常为解决某一类问题而设计的软件, 如文字处理软件 (Word) 表处理软件(Excel) 等广泛使用的软件属于通用软件 ; 财务管理系统 计算机辅助设计 (CAD) 软件和本部门的应用数据库管理系统等软件则属于专用软件 1. 计算机的指令系统 (1) 指令构成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 一条指令通常由两个部分组成 操作码 操作数 1) 操作码 指明该指令要完成的操作的类型或性质, 如取数 做加法或输出数据等 操作码的位数决定了一个机器操作指令的条数 当使用定长操作码格式时, 若操作码位数为 n, 则指令条数可有 2 n 条 2) 操作数 操作数指明操作对象的内容或所在的单元地址 操作数在大多数情况下是地址码, 地址码可以有 0~3 个 从地址码得到的仅是数据所在的地址, 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 (2) 指令分类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的指令 1) 数据传送指令 它用来将数据在内存与 CPU 之间进行传送 2) 数据处理指令 它用来进行算术 逻辑或关系运算 3) 程序控制指令 它用来控制程序中指令的执行顺序, 如条件转移 无条件转移 调用子程序 返回 停机等 4) 输入 / 输出指令 它用来实现外部设备与主机之间的数据传输 5) 其他指令 它用来对计算机的硬件进行管理等 2. 计算机的工作原理 科学出版社职教技术出版中心 计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程 从图 3-2 可知, 当计算机在工作时, 有两种信息在执行指令的过程中流动 : 数据流和控制流 数据流是指原始数据 中间结果 结果数据 源程序等 ; 控制流是由控制器对指令进行分析 解释后向各部件发出的控制命令, 指挥各部件协调地工作

66 过程 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 45 下面, 以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理 图 3-5 显示了指令的执行 图 3-5 指令的执行过程指令的执行过程分为以下四个步骤 1) 取指令 : 按照程序计数器中的地址 (0120H), 从内存储器中取出指令 (080250H), 并送往指令寄存器 2) 分析指令 : 对指令寄存器中存放的指令 (080250H) 进行分析, 由译码器对操作码 (08H) 进行译码, 将指令的操作码转换成相应的控制电位信号 ; 由地址码 (0250H) 确定操作数地址 3) 执行指令 : 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息, 去完成该指令所要求的操作 例如, 做加法指令, 取内存单元 (0250H) 的值和累加器的值相加, 结果还是放在累加器 4) 一条指令执行完成后, 程序计数器加 1 或将转移地址码送入程序计数器, 然后回到 1) 一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一条指令周期, 指令周期越短, 指令执行越快 通常所说的 CPU 主频或称为工作频率, 就反映了指令执行周期的长短 计算机在运行时,CPU 从内存读出一条指令到 CPU 内执行, 指令执行完, 再从内存读出下一条指令到 CPU 内执行 CPU 不断地取指令 分析指令 执行指令, 这就是程序的执行过程 总之, 计算机的工作就是执行程序, 即自动连续地执行一系列指令, 而程序开发人员的工作就是编制程序 现在开发软件一般都是用某种高级语言编制程序, 再用相应的语言处理程序将源程序翻译成机器能识别的机器语言程序, 然后才能执行

67 46 大学计算机基础 3.2 微型计算机硬件系统 20 世纪 70 年代以来, 随着大规模 超大规模集成电路的诞生, 微型计算机迅速地发展起来 目前, 常用的微型计算机为台式计算机和笔记本电脑, 如图 3-6 所示 台式计算机一般由主机 显示器 键盘 鼠标等构成 主机安装在主机箱内, 主机箱有卧式和立式两种 在主机箱内有主板 硬盘驱动器 CD-ROM 驱动器 软盘驱动器 电源等 本节主要介绍微型计算机的硬件系统 图 3-6 常用微型计算机的类型 主板又称为主机板 (Mainboard) 系统主板(Systemboard) 或母板 (Motherboard), 用于连接计算机的许多部件, 它安装在主机箱内, 是计算机最基本 最重要的部件之一 主机板主要包括 CPU 的 Socket 插座或 Slot 插槽 内存插槽 总线扩展槽 各种接口 ( 硬盘和光驱的 IDE 或 SCSI 接口, 软驱接口, 串行口 并行口 USB 接口, 键盘 鼠标接口 ) BIOS 芯片 CMOS 芯片和 DIP 开关等 目前, 新型的主板还集成了显卡 声卡 网卡和调制解调器等接口 图 3-7 所示为一个常见的系统主板的布局及外观 科学出版社职教技术出版中心 图 3-7 系统主板

68 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 47 1.CPU 插座及插槽 CPU 与主板的接口形式根据 CPU 的不同分为 Socket 插座和 Slot 插槽 2. 内存插槽内存插槽用来安装内存条 有 168 线 SDRAM 与 184 线 DDR SDRAM 两种内存条, 168 线 SDRAM 现已面临淘汰 目前, 主板上内存条的插槽主要是 184 针的 DIMM 插槽, 使用的是 184 线的 DDR 内存条 3. 总线扩展槽总线扩展槽主要用于扩展计算机的功能, 也称为扩充插槽 比较常见的有 PCI (Peripheral Component Interconnect, 外围设备部件连接 ) 扩展槽和 AGP(Accelerated Graphics Port, 图形加速接口 ) 扩展槽 PCI 扩展槽可以插入许多标准选件, 如显示卡 声卡 Modem 卡及网卡等 AGP 扩展槽用于 AGP 图形加速卡 4.BIOS 芯片在 BIOS(Basic Input/Output System, 基本输入 / 输出系统 ) 芯片中, 保存着计算机系统中的基本输入 / 输出程序 系统信息设置 自检程序和系统启动自举程序 现在主板的 BIOS 还具有电源管理 CPU 参数调整 系统监控和病毒防护等功能 BIOS 为计算机提供最低级 最直接的硬件控制功能 早期的 BIOS 通常采用 EPROM 芯片, 用户不能更新版本 目前, 主板上的 BIOS 芯片采用闪烁只读存储器 (Flash ROM), 由于闪烁只读存储器可以电擦除, 因此可以更新 BIOS 的内容, 升级十分方便, 但也成为主板上唯一可被病毒攻击的芯片,BIOS 中的程序一旦被破坏, 主板将不能工作 5.CMOS 芯片 CMOS 用来存放系统硬件配置和一些用户设定的参数 参数丢失系统将不能正常启动, 必须对其重新设置 设置方法是 : 系统启动时按设置键 ( 通常是 Delete 键 ) 进入 BIOS 设置窗口, 在窗口内进行 CMOS 的设置 CMOS 开机时由系统电源供电, 关机时靠主板上的电池供电 即使关机, 信息也不会丢失, 但应注意更换电池 6. 各种接口 1)IDE 接口 :IDE(Integrated Device Electronics, 集成设备电子部件 ) 主要连接 IDE 硬盘和 IDE 光驱 主板上有两组 IDE 设备接口, 分别标识为 IDE1 和 IDE2 IDE1 多用于连接系统引导硬盘,IDE2 多用于接入光驱 2) 软盘接口 : 一个软盘驱动器接口可以连接两台软盘驱动器 3) 串行接口 : 串行接口 (Serial Port) 主要用于连接鼠标 外置 Modem 等外部设备 串行接口是所有计算机都具备的 I/O 接口, 主板上的串行接口一般为两个 10 针双排插座, 分别标注为 COM1 和 COM2

69 48 大学计算机基础 4) 并行接口 : 并行接口 (Parallel Port) 主要用于连接打印机等设备 主板上的并行 接口为 26 针的双排插座, 标识为 LPT 或 PRN 5)USB 接口 :USB(Universal Serial Bus, 通用串行总线 ) 是一种新型的接口总线 标准 USB 接口可以连接键盘 鼠标 数字相机和扫描仪等外部设备 6) 键盘 鼠标接口 中央处理器 (Central Processing Unit,CPU) 是决定一台计算机性能的核心部件, 由 运算器和控制器组成 人们经常用 CPU 的型号来称呼计算机, 由此可见其重要性 CPU 的发展非常快, 个人计算机从 8088(XT) 发展到现在的 Pentium 4 时代, 经过了不到二 十年的时间 从生产技术来说, 最初的 8088 集成了 个晶体管, 而 Pentium 4 的集成度达到 了 4200 万个晶体管 ;CPU 的运行速度, 以 MIPS( 每秒百万个指令 ) 为单位,8088 是 0.75MIPS, 到高性能奔腾时已超过了 3000MIPS 不管什么样的 CPU, 其内部结构归纳 起来都可以分为控制单元 逻辑单元和存储单元三大部分, 这三个部分相互协调, 对命令和数据进行分析 判断 运算并控制计算机各部分协调工作 现在生产计算机 CPU 的主要厂家有 Intel AMD 和 VIA 等公司 1.CPU 的常见型号 (1)Intel 系列 CPU Intel 公司是 x86 体系 CPU 最大的生产厂家 作为计算机 CPU 的霸主,Intel 公司作出了相当大的贡献, 大部分的周边设备紧跟 CPU 的发展状况 ; 对于其他设备厂商而言, Intel 公司在某种程度上是它们今后发展的风向标 1)Pentium 4:Intel 在 2000 年 11 月发布了采用 Willamette 核心的 Pentium 4 处理器, 如图 3-8 所示 图 3-8 Intel Pentium 4 微处理器 科学出版社职教技术出版中心 2)Pentium 4 Celeron: 是 Pentium 4 的简化版 (2)AMD 系列 CPU 面对 Intel 的 Pentium 4 频率不断提升的攻势,AMD 推出 Athlon 处理器 Athlon XP 核心相对 ThunderBird 核心进行了一定的优化, 如晶体管数量增加等, 优化后处理器功耗降低 20%, 这使得处理器的发热量也大为下降

70 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 49 (3)VIA 系列 CPU VIA( 威盛 ) 是全球第三大 x86 处理器制造商 威盛公司由过去的单纯的系统晶片组厂商, 逐步涉足处理器领域, 推出了 VIA-C3 处理器等 2.CPU 主要性能技术指标每个购买 CPU 的消费者, 都要详细了解 CPU 的性能 CPU 的性能是由以下因素决定的 (1) 字长字长是指 CPU 一次能处理二进制数的位数 字长越大,CPU 的运算范围越大 精度越高 早期 CPU 的字长为 8 位 16 位,Intel 公司 以后的微处理器字长都是 32 位, 目前普遍应用的是 64 位的 CPU (2) 主频主频指 CPU 的时钟频率, 简单地说就是 CPU 的工作频率 一般来说, 一个时钟周期完成的指令数是固定的, 所以主频越高 CPU 的速度也就越快 早期 CPU 的主频一般以 MHz 为单位, 而新的 CPU 的主频一般以 GHz 为单位 (3) 外频外频指系统总线的工作频率, 是主板提供给系统总线的工作频率 倍频则是指 CPU 外频与主频相差的倍数 用公式表示是 : 主频 = 外频 倍频 (4) 前端总线前端总线 (FSB) 是指处理器与主板北桥芯片或内存控制集线器之间的数据通道, 其频率高低直接影响 CPU 访问内存的速度 目前, 计算机上所能达到的前端总线频率有 400MHz 533MHz 800MHz 等几种, 今后 FSB 的工作频率还会进一步提高 (5) 流水线技术 超标量流水线 (Pipeline) 是指在 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, 然后将一条 x86 指令分成 5~6 步后再由这些电路单元分别执行, 这样就能实现在一个 CPU 时钟周期完成一条指令, 因此提高了 CPU 的运算速度 超流水线是指 CPU 内部的流水线超过通常的 5~6 步, 例如,P4 的流水线就长达 20 步 流水线设计的步 ( 级 ) 数越多, 其完成一条指令的速度就越快, 也就更能适应工作主频更高的 CPU 超标量是指在一个时钟周期内 CPU 可以执行一条以上的指令 主存储器又称为内存储器, 简称内存 根据冯 诺依曼原理工作的计算机, 程序和数据 ( 必须是以二进制的代码形式表示 ) 执行时必须全部存放在主存储器中, 即内存用来存储运行的程序和数据,CPU 可直接访问 内存储器就像一栋包含许多房间的大厦, 房间 就是一个一个的存储单元 内存的一个存储单元存放的是一定位数的二进制码 现代计算机中的内存多采用每个存储单元存储一个字节 (8 位二进制代码 ) 的结构模式 这样, 有多少个存储单元就能存储多少个字节 内存储器中存储单元的个数就称为存储器容量, 常用多少字节来表示 例如,512MB 主存, 表示该内存具有 512 兆字节的存储单元

71 50 大学计算机基础 现代计算机系统中广泛应用的半导体存储器有以下几种主要类型 1. 静态随机存取存储器 静态随机存取存储器 (Static Random Access Memory,SRAM) 是通过有源电路, 即 一个双稳态电路来保持存储器中的信息的 只要存储体的电源不断, 存放在它里面的信息就不会丢失 静态存储器的主要优点是它与微处理器的接口很简单, 所需要的附加硬件很少, 使用方便, 速度较快 静态存储器的缺点是它的功耗较大, 集成度较低, 成本较高 静态存储器根据器件的原理分为双极型和 MOS 型 目前, 双极型静态存储器常作为系统的高速缓冲存储器 (Cache) 2. 动态随机存取存储器 动态随机存取存储器 (Dynamic Random Access Memory,DRAM) 与静态存储器不同, 如果没有外部支持逻辑电路, 它就不能长期地保存数据 这是由于它的信息是以电荷形式保存在小电容器 ( 无源器件 ) 中的, 由于存在电容器的放电回路, 超过一定的时间后, 存放在电容器中的电荷就会消失, 信息就会丢失 因此, 为了保持数据的不丢失, 就需要对动态存储器进行周期性的刷新 静态随机存取存储器和动态随机存取存储器都属于随机存取存储器 (RAM) 3. 只读存储器 只读存储器 (Read Only Memory,ROM) 在正常的使用中, 只能读出数据, 而不能写入 它与微处理器的接口也很简单, 总是处于读的状态 存放在 ROM 中的信息, 就是在没有电源的情况下, 也能保持 目前, 常用的只读存储器是可擦除 可编程的 EPROM 用户可通过编程器将数据或程序写入 EPROM, 如需重新写入的话, 可通过紫外线照射 EPROM, 将原来的信息擦除, 然后再重新写入 电可擦除的只读存储器, 称为 EEPROM 它的擦除不像 EPROM 那样用紫外线照射, 它可以像 RAM 那样, 写入时擦除原有的信息, 但它需要一个擦除电压, 写入时的速度也较慢 快擦型存储器 ( 闪存 ), 称为 Flash Memory 快擦型存储器具有 EEPROM 的特点, 可在计算机内进行擦除和编程, 它的读取时间同 DRAM 相似, 而写时间较慢 4. 高速缓冲存储器 科学出版社职教技术出版中心 目前,CPU 工作频率不断提高,CPU 对 RAM 的读写速度要求更快了 因此,RAM 读写速度成了系统运行速度的关键 如果 RAM 的读写速度很慢,CPU 访问 RAM 时, 不得不插入等待周期, 这实际上是降低了 CPU 的工作速度, 对 CPU 来说是很大的浪费 为此, 在设计存储器系统时, 一种可供选择的方案是使用更为高速的动态存储器 DRAM 芯片 但目前的技术还无法生产出如此高速的 DRAM 如果能生产出的话, 成本也会很高, 会使整个系统的性能价格比降低 一种现实的解决方案就是采用高速缓冲存储器 (Cache) 技术 这种技术是早期大型计算机中采用的技术, 现在, 随着微型计算机 CPU 工作频率的不断提高, 已逐步被运用到微型计算机中 Cache 是由双极型静态随机存储器构成 它的访问速度是 DRAM 的 10 倍左右 它

72 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 51 的容量相对主存要小得多, 一般为 128KB 256KB 或 512KB, 它位于主存和 CPU 之间, 可以看成是主存中面向 CPU 的一组高速暂存寄存器 计算机的内存制作成条状 ( 称为内存条 ), 插在主板的内存插槽中 目前, 市场上常见的内存条有三种型号 SDRAM DDR 和 RDRAM, 如图 3-9 所示 图 3-9 内存条这三种型号中,SDRAM 最便宜, 但性能也最差, 已逐渐被淘汰 RDRAM 性能最高, 也最昂贵, 通常用于高级的计算机系统 DDR 内存的价格比 SDRAM 高一点, 但性能却高出不少, 并且大有发展前途, 是目前装机的首选 内存有以下两个主要指标 (1) 存储容量存储容量反映了内存存储空间的大小 常见的内存条每条的容量有 64MB 128MB 256MB 5l2MB 和 1GB 等多种规格 一台计算机可根据需要同时插多个内存条 目前, 计算机内存的容量一般在 512MB 以上 (2) 存取速度存取速度是指从存储单元中存 ( 或取 ) 一次数据所用的时间, 以 ns( 纳秒, 即 10-9 秒 ) 为单位 数值越小, 存取速度越快 目前, 内存存 ( 或取 ) 一次数据所用的时间大多数少于 10ns, 也就是说, 可以在 100MHz 以上的频率下工作 外存储器主要包括软盘 硬盘和光盘 软盘和光盘需要相应的驱动器才能存取 在 DOS 和 Windows 系统中, 为了便于管理, 外存储器都分配一个编号, 软盘的编号是 A: 和 B:, 硬盘的容量比较大, 一般分成几部分 ( 称为分区 ), 第一个分区的编号从 C: 开始, 光盘的编号是紧接在硬盘最后一个分区编号 特别要注意的是, 软盘和硬盘既是外存储器, 也可以作为输入 / 输出设备 1. 软盘与软盘驱动器软盘 ( 软磁盘存储器 ) 也是计算机系统的基本外存储器 软盘要用软盘驱动器 ( 简称软驱 ) 来进行读写 软盘和软驱如图 3-10 所示 软盘驱动器与软盘适配器安装在主机箱内, 软驱插槽暴露在主机箱前面板上, 以便插入 取出软盘 (1) 软盘结构软盘是在聚酯塑料薄膜上涂一层磁性材料制成的圆盘, 被封装在一个方形的塑料封套中, 通过软盘驱动器完成电 / 磁或磁 / 电信息转换 软盘驱动器用于从软盘中读取数据或向软盘写入数据, 如图 3-10(a) 所示 当软盘插入软驱后, 驱动器的电动机通过离合器带动盘片在封套内旋转 封套上开有一个读

73 52 大学计算机基础 写槽, 如图 3-10(b) 所示 磁头通过读写槽沿着磁道移动进行读写 整个过程有点类 似于电唱机的工作, 软盘就像唱片, 而磁头则像唱针 图 3-10 软驱与软盘 1) 最初的软盘有 5 英寸和 3.5 英寸两种 现在常用的有 3.5 英寸, 存储容量为 1.44MB 现代计算机系统中一般都配置 3.5 英寸软驱, 可读写 3.5 英寸 /1.44MB 软盘 1 (2) 软盘的存储格式 为了保证盘片的互换性, 软盘数据记录格式要有统一的标准 它与硬盘记录格式非 常相似, 也是按磁道和扇区来存储信息 每张双面软盘对应两个记录面 每面含若干个磁道, 每个磁道又分为若干个扇区, 每个扇区可存储若干个字节, 扇区数与字节数由格式化程序来确定 例如,3.5 英寸高密度软盘, 格式化后每面是 80 个磁道, 每个磁道有 18 个扇区, 每个扇区存储 512B, 共两个记录面 (3) 软盘的格式化格式化是指对磁盘按标准格式划分磁道 扇区, 而且每个扇区按其格式填写地址信息及定义其容纳的字节数 新购买的软盘需要经过格式化后方可使用 格式化后软盘的容量计算公式为记录面数 磁道数 / 面 扇区数 / 道 字节数 / 扇区例如,1.44MB= B 在划分磁道和扇区的同时, 格式化后的软盘被分为四个区域 : 引导扇区 (B00T) 文件分配表 (FAT) 文件目录表(FDT) 及数据区 1) 引导扇区用于存放系统自引导程序, 为系统启动和存放磁盘参数而设置 2) 文件分配表用于描述文件在磁盘上的存放位置及整个磁盘扇区的使用情况 3) 文件目录表又叫做根目录区, 用于存放软盘根目录下所有文件名和子目录名 文件属性 文件在磁盘上存放的起始位置 文件长度 文件建立或修改的日期和时间等 4) 数据区亦即用户区, 用于存放用户文件 2. 硬盘 科学出版社职教技术出版中心 硬盘 ( 硬磁盘存储器 ) 可以分为固定式和可移动式两种 可移动式硬盘将在后面介绍, 这里讨论的是通常置于主机箱内的固定式硬磁盘 硬盘的存储容量较大, 目前流行的硬盘容量一般为 40~200GB, 存取速度比早期的硬盘有了很大的提高, 是目前计算机系统配置中必不可少的外存储器 1)1 英寸 =2.54 厘米

74 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 53 (1) 硬盘的基本结构硬盘由一个盘片组 ( 可包括多个盘片 ) 和硬盘驱动器组成, 被固定在一个密封的盒内 硬盘的精密度高 存储容量大 存取速度快 除特殊需要外, 一般的计算机都配有硬盘, 有些还配有多个硬盘 系统和用户的程序 数据等信息通常保存在硬盘上 图 3-11 所示为一块硬盘及内部结构 一个硬盘一般由多个盘片组成, 盘片的每一面都有一个读写磁头 图 3-11 磁盘及内部结构 (2) 硬盘上信息的存储格式盘片的上下两面都能记录信息, 称为记录面 硬盘中磁盘面的面数与磁头数量是一样的, 故常用磁头号 (Head) 来代替记录面号 硬盘在使用时, 要将盘片格式化成若干个磁道 ( 即一系列同心圆 ), 每个磁道又分为若干个扇区 (Sector), 如图 3-12 所示 磁道的编址是从外向内依次编号, 最外一个同心圆叫做 O 磁道 所有记录面上同一编号的磁道就构成了柱面 (Cylinder), 柱面数就等同于每个盘面上的磁道数 图 3-12 硬盘示意图硬盘的存储容量计算如下 存储容量 = 磁头数 柱面数 扇区数 每扇区字节数 (512B) 例如, 若已知磁头数为 16, 柱面数为 4096, 扇区数为 63, 则硬盘容量为 B=2.1GB (3) 硬盘的主要指标硬盘有以下四个主要指标 1) 接口 : 指硬盘与主板的接口 主板上的外设接口插座有 IDE EIDE 和 SCSI 等类型, 硬盘接口也有这些类型 目前, 常用的硬盘接口大多为 EIDE 硬盘的接口不同, 支持的硬盘容量不一样, 传输速率也不一样 2) 容量 : 是指硬盘能存储信息量的多少 早期硬盘的容量只有几兆字节, 现在的硬

75 54 大学计算机基础 盘容量有几十到几百吉字节不等 硬盘容量越大, 存储的信息越多 3) 转速 : 指硬盘内主轴的转动速度, 单位是 r/min( 转 / 分 ) 目前, 常见的硬盘转 速有 5400r/min 7200r/min 等几种 转速越快, 硬盘与内存之间的传输速率越高 4) 缓存 : 硬盘自带的缓存越大, 硬盘与内存之间的数据传输速率越高 通常缓存有 512KB 1MB 2MB 4MB 和 8MB 等几种 3. 光盘与光盘驱动器 一般光盘 (Compact Disk,CD) 的形状如图 3-13 所示 它的厚度约为 1.2mm, 直 径约为 12cm 光盘是根据盘片上反射层材料反射的光的强弱来记录信息的 (1) 光盘的分类 根据光盘结构, 光盘主要分为以下几种类型 1)CD-ROM:CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory) 称为只读式光盘, 这是最常见 使用最广泛的一种光盘, 主要是用来保存数字化资料, 例如, 各种游戏 软件等 容量一般为 650MB 目前, 市场上流行的激光唱片 (CD- 图 3-13 光盘 Digital Audio, 即 CD-ROM) 影碟(Video CD, 即 VCD) 游戏盘 数据盘等均属于 CD-ROM 2)CD-R:CD-R(CD-Recordable) 称为可记录式光盘, 它必须使用光盘刻录机将资料一次写入 CD-R 光盘中 但是写入后的资料是不能更改及删除, 对资料的保存有较高的安全性 常用的 CD-R 光盘基本上是 12cm 的 CD-R, 标准容量为 650MB 3)CD-RW:CD-RW(CD-Rewriteable) 称为重复擦写式光盘, 它与 CD-R 一样, 也必须使用光盘刻录机将资料一次写入 CD-R 光盘中 不过 CD-RW 光盘上的资料可自由更改及删除, 使可以进行 1000 次左右的重复擦写, 使用弹性比 CD-R 更大 4)DVD:DVD(Digital Versatile Disk) 称为数字万用光盘,DVD 光盘与 CD-ROM 光盘的外观很相似, 其直径为 12cm, 厚度为 1.2mm DVD 的存储方式主要有两种, 即单面存储和双面存储, 而且每一面还可以存储两层资料, 其主要的存储方式包括单面单层 (DVD-5) 的存储容量为 4.7GB 单面双层(DVD-9) 的存储容量为 8.5GB 双面单层 (DVD-10) 的存储容量为 9.4GB 双面双层(DVD-18) 的存储容量为 17GB 四种物理结构 DVD 光盘还可分为 DVD-ROM DVD-R 和 DVD-RW 5) 蓝光光盘 : 蓝光光盘 (Blue-Ray Disc), 是 DVD 光盘的新一代光盘格式 Blue-Ray 的命名是来自于其采用的激光波长 405nm, 刚好是光谱中的蓝光, 因而得名 而 DVD 采用 650nm 波长的红光读写器,CD 则是采用 780nm 波长读写 一个单层的蓝光光盘的容量为 25GB 或是 27GB, 足够刻录一个长达 4h 的高清晰电影 双层更可以达到 46GB 或 54GB 容量, 足够刻录一个长达 8h 的高清晰电影 而容量为 100GB 或 200GB 的, 分别是 4 层及 8 层 (2) 光盘的结构根据光盘结构, 光盘主要分为 CD DVD 蓝光光盘等几种类型, 这几种类型的光盘, 在结构上有所区别, 但主要原理是一致的 而只读的 CD 光盘和可记录的 CD 光盘 科学出版社职教技术出版中心

76 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 55 在结构上没有区别, 它们的主要区别是应用的材料和某些制造工序不同 下面就以 CD 光盘为例进行讲解 CD 光盘主要分为五层 1) 基板 : 它是各功能性结构 ( 如沟槽等 ) 的载体, 其使用的材料是聚碳酸酯, 冲击韧性极好 使用温度范围大 尺寸稳定性好 耐候性 无毒性 CD 光盘的基板厚度为 1.2mm 直径为 120mm, 中间有孔, 呈圆形 光盘之所以能够随意取放, 主要是由于基板有一定的硬度 2) 记录层 ( 染料层 ): 这是刻录信号的地方, 其主要的工作原理是在基板上涂抹上专用的有机染料, 以供激光记录信息 由于烧录前后的反射率不同, 当激光照射时, 通过反射率的变化形成 0 与 1 信号, 借以读取信息 在这里, 需要特别说明的是, 对于可重复擦写的 CD-RW 而言, 所涂抹的就不是有机染料, 而是某种碳性物质, 当激光在烧录时, 就不是烧成一个接一个的 坑, 而是改变碳性物质的极性, 通过改变碳性物质的极性, 来记录信息 这种碳性物质的极性是可以重复改变的, 这也就表示此光盘可以重复擦写 3) 反射层 : 这是光盘的第三层, 它是反射光驱激光光束的区域, 借反射的激光光束读取光盘片中的信息 其材料为纯度为 99.99% 的纯银金属 4) 保护层 : 它是用来保护光盘中的反射层以及染料层以防止信号被破坏 材料为光固化丙烯酸类物质 5) 印制层 : 是印制盘片的客户标识 容量等相关信息的地方, 这就是光盘的背面 其实, 它不仅可以标明信息, 还可以起到一定的保护光盘的作用 (3) 光盘驱动器光盘中的信息是通过光盘驱动器 ( 简称光驱 ) 来读取的 最初的光驱数据传输速率是 150Kb/s, 现在光驱的数据传输速率一般都是这个速率的整数倍, 称为倍速 例如, 24 倍速 CD-ROM 的数据传输速率是 Kb/s=3.6Mb/s, 目前常用的是 40 倍速光驱, 甚至 52 倍速光驱等 光盘驱动器有三种类型 :CD 光驱 DVD 光驱和 DVD 刻录机 1)CD 光驱 : 能读取 CD, 但不能读取 DVD, 也不能往 CD-R 和 CD-RW 中写入数据 图 3-14 所示是一台 CD 光驱 2)DVD 光驱 : 能读取 CD 和 DVD, 但不能往 CD-R 和 CD-RW 中写入数据 图 3-15 所示是一台 DVD 光驱 3)DVD 刻录机 : 既能读取 CD 和 DVD, 又能往 CD-R CD-RW DVD-R 和 DVD-RW 中刻写数据 图 3-16 所示是一台 DVD 刻录机 图 3-14 CD 光驱图 3-15 DVD 光驱图 3-16 DVD 刻录机

77 56 大学计算机基础 4.U 盘 ( 闪存盘 ) 闪存盘又称为 U 盘, 如图 3-17 所示 采用一种可读写非易失的半导体存储器 闪速存储器 (Flash Memory) 作为存储媒介, 通过通用串行总线接口 (USB) 与主机相连, 可以像使用软 硬盘一样读写信息 传送文件 目前的 Flash Memory 产品可擦写次数都在 100 万次以上, 数据至少可保存 10 年, 而存取速度至少比软盘快 15 倍以上 U 盘的容量有多种选择, 通常为 16MB~2GB U 盘的可靠性远高于磁盘, 对于数据安全性提供了更好的保障 工作时也不需要外接电源, 可热插拔, 体积较小, 易于携带 同时还有很好的抗震防潮 耐高低温等特点 图 3-17 U 盘外观 不同型号的 U 盘在使用前需要安装相应的驱动程序, 但在 Windows Me 以上的操作系统中, 因驱动程序已事先置入, 故不需要再另外安装 如果 U 盘中因数据出错而不能正常工作, 则重新格式化后即可恢复使用 5. 移动硬盘 虽然 U 盘具有性能高 体积小等优点, 但对需较大数据量存储的情况, 其容量就不能满足要求 这时可使用另外一种容量更大的可移动硬盘, 即采用 USB 接口的移动硬盘如图 3-18 所示 图 3-18 移动硬盘外观 科学出版社职教技术出版中心 用一个带有 USB 接口的硬盘盒, 一个小巧的笔记本电脑专用移动式硬盘, 再加一根 USB 接口线, 就可构成即插即用的 USB 硬盘 采用笔记本电脑硬盘的原因是其具有良好的抗震性能且体积较小 现在, 市面上的 USB 硬盘容量通常为 10~80GB 这类可移动硬盘的使用方法与 U 盘类似 目前, 最新 USB 2.0 接口的数据传输速率为 480Mb/s, 与软盘传输速率相比要快得多, 但与硬盘传输速率相比还是较低

78 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 57 计算机系统的复杂结构, 使得部件之间需要有一个能够有效高速传输各种信息的通道, 这就是总线 总线由一组导线和相关的控制 驱动电路组成 在计算机系统中, 总线被视为一个独立部件 总线一般分为三个层次, 分别介绍如下 第一层是微处理器级总线, 也叫做前端总线 它包括地址总线 (Address Bus,AB) 数据总线 (Data Bus,DB) 和控制总线 (Control Bus,CB) 前端总线从 CPU 引脚引出, 用来实现 CPU 与外围控制芯片 ( 包括主存 Cache 等 ) 之间的连接 其中地址总线用来产生访问内存的地址 不同的微处理器, 其地址总线的位数 ( 或称总线宽度 ) 不一样 现代微型计算机 CPU 地址总线宽度一般为 36 位 数据总线用于实现数据的输入和输出 现在常用的奔腾 4CPU 的数据总线宽度为 64 位, 即一次可同时传送 64 位二进制码 控制总线用于传输各种控制信号 CPU 总线的性能参数与具体的微处理器有关, 没有统一的标准 第二层为系统级总线, 也称为 I/O 通道总线, 同样包括地址线 (AB) 数据线(DB) 和控制线 (CB), 用于 CPU 与接口卡的连接 为使各种接口卡能够在各种系统中实现 即插即用, 系统总线的设计要求与具体的 CPU 型号无关, 而有自己统一的标准, 以便按照这种标准设计各类适配卡 常见的总线标准有 ISA 总线 PCI 总线 AGP 总线等 ISA(Industry Standard Architecture) 总线是工业标准体系结构总线的简称,ISA 的数据传送宽度为 16 位, 工作频率为 8MHz, 数据传输速率最高可达 8Mb/s PCI(Peripheral Component Interconnect) 总线是外设部件互连总线的简称, 也称局部总线 PCI 总线数据传送宽度是 32 位, 可扩展到 64 位, 工作频率为 33MHz, 数据传输速率可达 133Mb/s PCI 总线是一种与 CPU 隔离的总线结构, 并能与 CPU 同时工作 AGP(Accelerated Graphics Port) 总线, 即图形加速端口 它是一种专为提高视频带宽而设计的总线规范 AGP 总线不是通用型的总线, 它只用于支持 AGP 图形加速卡, 在控制芯片和 AGP 显卡接口之间建立一个直接的通路, 使 3D 图形数据不通过 PCI 总线, 直接送入显示子系统 这样可突破因 PCI 总线形成的系统瓶颈 图 3-19 所示为微型计算机中的多总线结构 图中, 北桥 南桥 是控制芯片组的两个部分, 北桥芯片负责管 图 3-19 计算机的多总线结构

79 58 大学计算机基础 理二级高速缓存 决定支持内存的类型及最大容量 支持 AGP 高速图形接口 与 PCI 总线的桥接等 南桥芯片则负责连接 USB 接口总线 ISA 总线的桥接 普通串行和并行接口及连接键盘 鼠标接口等 最后一层外设总线, 是指计算机主机与外部设备接口的总线, 实际上是一种外设的接口标准 常用的接口标准有 IDE(Integrated Device Electronics, 集成设备电子部件 ) EIDE(Enhanced Integrated Device Electronics, 增强型 IDE) SCSI(Small Computer System Interface, 小型计算机系统接口 ) USB(Universal Serial Bus, 通用串行总线 ) 和 IEEE 1394 接口五种 前三种主要是与硬盘 光驱等 IDE 设备接口, 后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备 微型计算机上常用的接口如图 3-20 所示 图 3-20 常用接口 常用的输入设备是键盘和鼠标, 它们已成为计算机的标准配置 此外, 扫描仪 话 筒 数字相机和触摸屏也是较为常见的输入设备 1. 键盘 键盘 (Keyboard) 是最常用的输入设备, 用户既可以通过按键盘上的键输入命令或 数据, 也可以通过键盘控制计算机的运行, 如热启动 命令中断和命令暂停等 目前, 在微型计算机上常用的是 101 个键的键盘, 分为四个键区, 如图 3-21 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 3-21 键盘主键盘区是键盘的主要使用区, 它的键位排列与英文打字机的键位排列是相同的 该键区包括了所有的数字键 英文字母及标点符号等 此外, 还有几个特殊的控制键

80 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 59 小键盘区又称数字键区, 可以方便财会 统计 金融等专业人员在输入数字时提高效率 编辑键区用于移动光标 进行插入 / 改写 删除 翻页等编辑操作 功能键区共有 12 个功能键 F1~F12, 每个功能键可以由软件进行定义, 以方便操作 目前,PC 上常用的键盘接口有三种 : 第一种是比较老式的直径为 13mm 的 PC 键盘接口 ; 第二种是最常用的直径为 8mm 的 PS/2 键盘接口 ; 第三种是 USB 接口 2. 鼠标随着 Windows 操作系统的广泛应用, 鼠标 (Mouse) 已成为计算机必不可少的输入设备, 如图 3-22 所示 通过点击或拖拉鼠标, 用户可以很方便地对计算机进行操作 鼠标按工作原理分为机械式 光电式和光学式三大类 图 3-22 鼠标 (1) 机械式鼠标机械式鼠标的底部有一个滚球, 当鼠标移动时, 滚球随之滚动, 产生移动信号给 CPU 机械式鼠标价格便宜, 使用时无需其他辅助设备, 只需在光滑平整的桌面上即可进行操作 (2) 光电式鼠标光电式鼠标的底部有两个发光二极管, 当鼠标移动时, 发出的光被下面的平板反射, 产生移动信号给 CPU 光电式鼠标的定位精确度高, 但必须在反光板上操作 (3) 光学式鼠标光学式鼠标的底部有两个发光二极管, 当鼠标移动时, 利用先进的光学定位技术, 把移动信号传送给 CPU 光学式鼠标的定位精确度高, 不需任何形式的鼠标垫板或反光板 3. 扫描仪扫描仪是一种将图片和文字转换为数字信息的输入设备, 有手持式扫描仪和平板式扫描仪两种, 如图 3-23 所示 扫描仪能把黑白或彩色照片扫描并存储到计算机中, 在图像处理应用中尤为重要 图 3-23 扫描仪 此外, 扫描仪还能把文本信息扫描并存储到计算机中, 通过文字识别软件可方便迅 速地转换成文本文字, 大大提高了输入效率

81 60 大学计算机基础 最常用的输出设备是显示器和打印机 显示器要有一块插在主机板上的显示适配卡 ( 简称显示卡 ) 与之配套使用 ; 打印机通常要连接到主机板的并行通信口上 此外, 音箱也是计算机的常用输出设备 1. 显示器显示器用来显示字符或图形信息, 是计算机中必不可少的输出设备, 显示器连接在显示卡上 早期的计算机使用单色显示器, 现在多为彩色显示器 目前, 市场上常见的显示器有两种 :CRT 显示器 (Cathode Ray Tube Display, 阴极射线管显示器 ) 和 LCD 显示器 (Liquid Crystal Display, 液晶显示器 ), 如图 3-24 所示 图 3-24 CRT 显示器和 LCD 显示器 CRT 显示器的特点是显示分辨率高, 价格便宜, 使用寿命较长, 电源消耗大, 体积大 其主要技术指标如下 (1) 尺寸显示器的尺寸即显示器屏幕的大小, 常见有 14 英寸 15 英寸 17 英寸和 19 英寸等 尺寸越大, 支持的分辨率往往也越高, 显示效果也就越好 (2) 分辨率显示器的分辨率是指显示器屏幕能显示的像素数目 目前, 低档显示器的分辨率为 像素, 中 高档的显示器的分辨率为 像素 像素 像素或更高 分辨率越高, 显示的图像越细腻 (3) 点距显示器的点距是指显示器上相邻两个像素之间的距离 目前, 显示器常见的点距有 0.28mm 和 0.26mm 两种 点距越小, 显示器的分辨率越高 在图形 图像处理等应用中, 一般要求使用点距较小的显示器 (4) 扫描方式 CRT 显示器的扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描两种 逐行扫描是指在显示一屏内容时, 逐行扫描屏幕上的每一个像素 隔行扫描是指在显示一屏内容时, 只扫描偶数行或奇数行 逐行扫描的显示器显示的图像稳定 清晰度高 效果好 (5) 刷新频率 CRT 显示器的刷新频率是指 1 秒钟刷新屏幕的次数 目前, 显示器常见的刷新频率 科学出版社职教技术出版中心

82 第 3 章计算机硬件结构与组成原理 61 有 和 100Hz 等几种 刷新频率越高, 刷新一次所用的时间越短, 显示的图像就越稳定 LCD 显示器采用的技术主要有两种 : 有源矩阵和无源矩阵 有源矩阵显示器又称为薄膜场效应晶体管 (Thin Film Transistor,TFT) 液晶显示器 它的每一个像素点都用一个薄膜晶体管来控制液晶的透光率, 优点是色彩鲜艳, 视角宽, 图像质量高, 响应速度快 但其成品率低, 从而导致价格比较昂贵 无源矩阵显示器用电阻代替有源晶体管, 制造较容易 它和有源矩阵相比的最大优势是价格低 其缺点是色彩饱和度较差, 图像不够清晰, 对比度较低, 视角较窄, 响应速度较慢 LCD 显示器与 CRT 显示器相比较, 其特点是外形尺寸相同时可视面积更大, 体积更小, 外形更美观, 图形更清晰, 不存在刷新频率和画面闪烁问题, 但价格昂贵, 分辨率较低 2. 打印机打印机将信息输出到打印纸上, 以便长期保存 打印机主要有针式打印机 喷墨打印机和激光打印机三类, 如图 3-25 所示 图 3-25 打印机 (1) 针式打印机在打印时, 打印头上的钢针撞击色带, 将字印在打印纸上 针式打印机常见的有 9 针和 24 针打印机两种, 所谓 针打印机就是指打印头上有 根钢针 (2) 喷墨打印机在工作时, 打印机的喷头喷出墨汁, 将字印在打印纸上 由于喷墨打印机是非击打式的, 所以工作时噪声较小 (3) 激光打印机激光打印机是采用激光和电子放电技术, 通过静电潜像, 再用碳粉使潜像变成粉像, 加热后碳粉固定, 最后印出内容 激光打印机打印噪声低 效果好 速度快, 但打印成本较高 1. 设备驱动程序的一般概念 设备驱动程序是对连接到计算机系统的设备进行控制驱动, 以便其正常工作的一种