内容简介 本书全面介绍了计算机硬件技术 软件技术 网络技术 多媒体技术 信息安全与计算机知识产权等基础知识, 详细介绍了 Windows XP 操作系统以及 Office 办公软件 Word 2003 Excel 2003 PowerPoint 2003 和 Adobe Photoshop 的功能及

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1 高职高专教育 十二五 规划教材 计算机应用基础 聂玉峰余正红朱倩主编周冰彭露杨艳霞副主编副主编周凤丽李庆李欣副主编 科学出版社职教技术出版中心 北 京

2 内容简介 本书全面介绍了计算机硬件技术 软件技术 网络技术 多媒体技术 信息安全与计算机知识产权等基础知识, 详细介绍了 Windows XP 操作系统以及 Office 办公软件 Word 2003 Excel 2003 PowerPoint 2003 和 Adobe Photoshop 的功能及其操作方法 本书深入浅出 通俗易懂, 注重培养读者的实际操作能力和常用软件工具的使用能力 本书适合作为应用型本科及高职高专院校计算机公共基础课程教材, 也可作为计算机基础知识的培训教材及全国计算机等级考试 ( 一级 ) 的培训教材 图书在版编目 (CIP) 数据计算机应用基础 / 聂玉峰, 余正红, 朱倩主编. 北京 : 科学出版社, 2012 ( 高职高专教育 十二五 规划教材 ) ISBN Ⅰ.1 计 Ⅱ.1 聂 2 余 3 朱 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 : 戴薇李瑜 / 责任校对 : 耿耘责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华版式设计 : 北大彩印 / 加工编辑 : 王展 出版北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : 新雷印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销 * 2012 年 8 月第一版 2012 年 8 月第一次印刷 字数 : 开本 : /16 印张 :22 定价 :37.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 < 新雷 >) 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 计算机信息技术是当今世界发展最快 应用最广泛的科学技术 使用计算机的意识和应用计算机解决问题的能力已经成为衡量现代人才素质的一个重要指标 为了进一步适应人才培养的新形势, 满足高职高专各类专业学生学习计算机基础知识的需要, 特编写本书 全书共分 8 章 第 1 章介绍了计算机基础知识, 帮助读者理解计算机的基本工作原理 计算机中信息的表示方式, 从使用的角度介绍了计算机系统中的有关概念 术语以及发展动态 ; 第 2 章介绍了 Windows XP 操作系统 ; 第 3~5 章分别介绍了办公自动化软件中常用的文字处理软件 Word 2003 电子表格软件 Excel 2003 以及演示文稿软件 PowerPoint 2003; 第 6 章介绍了计算机网络基础, 包括网络的组成与结构 计算机网络协议 计算机网络的主要应用模式以及 Internet 应用 ; 第 7 章介绍了多媒体技术基础, 使读者熟悉各种媒体文件的类型及特点, 了解图像处理软件 Adobe Photoshop 的基本功能及操作 ; 第 8 章介绍了信息安全和计算机知识产权的相关知识, 包括计算机病毒的防治 检查 清除以及防火墙的使用等 各章均附有习题, 供读者练习思考, 以加深对书中内容的理解 本书源于计算机基础教育的教学实践, 凝聚了一线任课教师多年的教学经验 本书注重教学的可操作性, 理论联系实际, 内容丰富 翔实, 结构严谨, 体系合理, 图文并茂, 通俗易懂, 注重培养学生的实际操作能力和常用软件工具的使用能力 为了便于复习 测试和实验教学, 同步出版了与本书配套的 计算机应用基础实验指导与习题集 ( 聂玉峰 李聪 黄丽主编, 科学出版社 ) 本书适合作为应用型本科及高职高专院校计算机公共基础 课程教材, 也可作为计算机基础知识的培训教材及全国计算机等级考试 ( 一级 ) 的培训教材 本书由聂玉峰 余正红 朱倩担任主编, 周冰 彭露 杨艳霞 周凤丽 李庆 李欣 担任副主编 在编写本书的过程中, 郭冀生 代炽伯 罗传萍 高兴 刘芳 于海平 刘 永真 江伟 李雪燕 曾志华 吴远丽等老师提出了许多宝贵意见, 在此表示衷心的感谢 由于编者水平和时间有限, 书中难免有不妥和疏漏之处, 恳请广大专家 读者批评指正 科学出版社职教技术出版中心 编者 2012 年 4 月

4 目 录 第 1 章计算机基础知识 计算机概述 计算工具的发展历程 电子计算机的诞生和发展 计算机的分类 计算机的应用领域 计算机技术的新发展 未来新型计算机 计算机基础知识 计算机系统的组成与工作原理 微型计算机的硬件系统 微型计算机的软件系统 计算机的数制 数制的基本概念 各种数制间的转换 数据在计算机中的表示 数值数据的表示 字符的编码表示 43 习题 1 48 第 2 章 Windows 操作系统 操作系统概述 操作环境的演变与发展 操作系统的功能及分类 Windows XP 简介 Windows XP 的运行环境和安装 Windows XP 的启动和退出 Windows XP 的基本操作 Windows XP 的界面 鼠标和键盘的使用 窗口及其操作 菜单及其操作 对话框及其操作 剪贴板和剪贴簿查看器 Windows XP 帮助系统 文件管理 文件和文件夹 67

5 iv 计算机应用基础 资源管理器 选定对象操作 文件和文件夹的操作 Windows XP 的应用程序 应用程序的启动和关闭 创建和使用快捷方式 记事本 写字板 画图 计算器 系统设置 打开控制面板 显示属性 键盘和鼠标的设置 日期和时间的设置 汉字输入 字体设置 多用户设置 添加新硬件 添加 / 删除程序 Windows XP 注册表 系统工具 数据备份 磁盘清理 磁盘碎片整理 磁盘检查 100 习题 第 3 章文字处理软件 Word 科学出版社职教技术出版中心 Word 2003 概述 Word 2003 的功能 启动和退出 Word Word 2003 的窗口组成 文档的基本操作 文档的输入 文档的保存 文档的打开 文档的编辑 文档的显示 文档的输出 116

6 目 录 v 3.3 文档排版 字符格式化 段落格式化 字符及段落格式的复制 页面设计 样式的创建及使用 模板文件及应用 自动生成目录 表格制作 创建表格 填入表格内容 表格的编辑 表格外观的修饰 从表格数据生成图表 图形 插入图片 编辑图片 图文混排 绘制图形 艺术字的使用 公式编辑器的使用 154 习题 第 4 章电子表格软件 Excel Excel 2003 概述 Excel 2003 的启动和退出 Excel 窗口界面 Excel 的基本概念 Excel 的基本操作 区域选择 向工作表中输入数据 编辑工作表 文件的保存 编辑数据 数据的修改 数据的删除 数据的移动和复制 单元格 行 列的插入和删除 公式与函数的应用 工作表的格式化 格式化工作表 176

7 vi 计算机应用基础 使用自动套用格式 格式的复制和删除 工作表的打印 图表功能 创建图表 修改图表 修饰图表 数据管理和分析 数据清单的概念 编辑数据清单 数据排序 数据筛选 分类汇总 191 习题 第 5 章演示文稿软件 PowerPoint PowerPoint 2003 概述 启动和退出 PowerPoint PowerPoint 2003 的窗口组成 PowerPoint 2003 的视图模式 创建演示文稿 利用 内容提示向导 创建演示文稿 从 空演示文稿 创建演示文稿 保存演示文稿 编辑演示文稿 插入 删除 移动和复制幻灯片 输入和编辑文本 插入图片和艺术字 插入表格和组织结构图 204 科学出版社职教技术出版中心 插入声音 影像和 Flash 动画 美化演示文稿 使用幻灯片母版 更改幻灯片背景 使用配色方案 应用设计模板 放映演示文稿 设置演示文稿的放映效果 设置演示文稿的放映方式 创建摘要幻灯片 创建超链接 217 习题 5 220

8 目 录 vii 第 6 章计算机网络 计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络的组成 计算机网络的体系结构 计算机网络的连接设备 传输介质 计算机局域网 局域网概述 局域网的体系结构 局域网类型 局域网的组网方法 局域网的工作模式 Internet 基础 Internet 概述 TCP/IP 参考模型 IP 地址与域名机制 Internet 的接入方式 Internet 应用 WWW 服务 电子邮件服务 文件传输与远程登录服务 IP 电话与网上寻呼机 273 习题 第 7 章多媒体技术基础 多媒体概述 多媒体与多媒体技术 多媒体技术的发展与应用 多媒体技术的研究现状 多媒体计算机系统的组成 多媒体计算机硬件系统 多媒体计算机软件系统 多媒体信息在计算机中的表示 音频信息 图形和图像 视频信息 Windows XP 中的多媒体功能 录音机 媒体播放器 291

9 viii 计算机应用基础 音量控制器 图像处理软件 Adobe Photoshop CS 图像的基本属性 Photoshop CS3 的工作环境 图像文件的操作 图像处理工具 控制调板 图层和蒙版 滤镜 312 习题 第 8 章信息安全与计算机知识产权 信息安全概述 信息安全 计算机安全 计算机网络安全 信息安全的评估准则 黑客与防火墙 黑客的定义 黑客攻击计算机系统的主要手段 防火墙 计算机病毒 计算机病毒概述 计算机病毒的防范 计算机病毒的检测和清除 计算机知识产权与网络道德 知识产权简介 我国知识产权保护状况 网络道德 336 科学出版社职教技术出版中心 习题 参考文献 341

10 第 1 章计算机基础知识 历史发展到今天, 社会步入信息时代, 信息的处理离不开计算机 计算机科学是 20 世纪发展最快的学科, 计算机的应用正渗透到人类社会的各个角落 从某种意义上说, 国家的兴旺 民族的强盛都与计算机科学的发展息息相关 在现实社会中, 了解和掌握计算机的基础知识并熟练使用计算机是十分必要的, 青年学生尤其应该重视 1.1 计算机概述 计算工具的发展历程 人类在其漫长的文明史上, 为了提高计算速度, 不断发明和改进各种计算工具 计算工具的源头可以上溯至 2000 多年前的春秋战国时代, 古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具, 如图 1.1 所示, 使用算筹计算的时候摆成纵式和横式两种数字, 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 负数出现后, 算筹分红黑两种, 红筹表示正数, 黑筹表示负数 这种运算工具和运算方法, 在当时世界上是独一无二的 随着计算技术的发展, 在求解一些更复杂的数学问题时, 算筹显得越来越不方便了 于是在公元 600 年左右, 中国人发明了更为方便的计算工具 算盘 算盘采用十图 1.1 算筹进制计数法, 并有一整套计算口诀, 可以很方便地实现十进制的基本运算, 并一直沿用至今 算盘被许多人看作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 1621 年, 英国人冈特发明了计算尺 计算尺的出现, 开创了模拟计算的先河 从冈特开始, 人们发明了多种类型的计算尺 直到 20 世纪中叶, 计算尺才逐渐被小型科学计算器所取代 从 17 世纪到 19 世纪长达 200 多年的时间里, 一批杰出的科学家相继进行了机械式计算机的研制, 其中的代表人物有帕斯卡 莱布尼茨和巴贝奇 这一时期的计算机虽然构造和性能还非常简单, 但是其中体现的许多原理和思想已经开始接近现代计算机 1642 年, 法国数学家 物理学家和思想家帕斯卡发明的加法机是人类历史上第一台机械式计算机, 其原理对后来的计算机械产生了持久的影响 帕斯卡从加法机的成功中得出结论 : 人的某些思维过程与机械过程没有差别, 因此可以设想用机械模拟人的思维活动 1971 年瑞士人沃思把他发明的高级语言命名为 Pascal, 以表达对帕斯卡的敬意 1673 年, 德国数学家莱布尼茨发明乘法机, 这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机 莱布尼茨同时还提出了 可以用机械代替人进行烦琐重复的计算工作 的伟大思想, 这一思想至今鼓舞着人们去探求新的计算机 莱布尼茨因独立发明微积分而与牛顿齐名, 并被 不列颠百科全书 列为 西方文明最伟大的人之一 莱布尼茨认为, 中国的八卦

11 2 计算机应用基础 是最早的二进制计数法 在八卦图的启迪下, 莱布尼茨系统地提出了二进制运算法则 1822 年, 英国数学家巴贝奇设计出了一种机械式计算器 ( 差分机 ), 如图 1.2(a) 所示 他想用这种差分机解决数学计算中产生的误差问题 1834 年, 巴贝奇在研制差分机的工作中, 看到了制造一种新的在性能上大大超过差分机的计算机的可能性 他把这个未来的机器称为分析机, 如图 1.2(b) 所示 巴贝奇设计的分析机有三个主要部分 : 第一部分是由许多轮子组成的保存数据的存储库 ; 第二部分是运算装置 ; 第三部分是对操作顺序进行控制, 并能选择所需处理的数据以及输出结果的装置 巴贝奇还把程序控制的思想引入了分析机, 他的设想是采用穿孔卡片把指令存储到存储库中, 机器根据穿孔卡片上孔的图形确定该执行什么指令, 并自动运算 分析机的结构 设计思想把现代计算机的结构 设计思想提了出来, 可以说是现代通用计算机的雏形 因此, 巴贝奇是国际计算机界公认的 当之无愧的计算机之父 然而, 由于缺乏政府和企业的资助, 巴贝奇直到逝世都未能最终实现他所设计的计算机 (a) 差分机 图 1.2 巴贝奇的差分机和分析机 (b) 分析机 1884 年, 美国人赫尔曼 霍勒斯博士受到提花织布机的启发, 采用穿孔卡片进行数据处理, 并制造出了制表机 制表机采用电气控制技术取代了纯机械装置, 将不同的数据用卡片上不同的穿孔表示, 用专门的读卡设备将卡片上的数据输入计算装置 这正是现代计算机软件的雏形 1890 年, 美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机 由于采用了制表机, 全部统计处理工作效率大为提高 霍勒斯于 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 1924 年, 托马斯 沃斯顿一世将 CTR 更名为 IBM 1936 年, 美国数学家霍华德 艾肯在图书馆里发现了巴贝奇的论文, 并根据当时的科技水平, 提出了要用机电方式, 而不是用纯机械方法来构造新的分析机 艾肯在 IBM 公司的资助下, 经过 8 年的努力, 研制成功了被称为计算机 史前史 里最后一台著名计算机 Mark-Ⅰ, 该计算机采用继电器作为开关器件, 用十进制计数的齿轮组作为存储器, 用穿孔纸带进行程序控制 Mark-Ⅰ 的计算速度虽然很慢 (1 次乘法运算约需 3s), 但 Mark-Ⅰ 使巴贝奇的设想变成了现实 计算机科学奠基人是英国科学家艾兰 图灵 图灵于 1912 年 6 月 23 日生于英国伦敦, 是 20 世纪最著名的数学家之一 他在计算机科学方面的主要贡献有两个 : 一是建立图灵机 (Turing Machine,TM) 模型, 奠定了可计算理论的基础 ; 二是提出图灵测试, 阐述了机器智能的概念 图灵机模型由一个处理器 (P) 一个读/ 写头 (W/R) 和一条无限长的存储带 (M) 组 科学出版社职教技术出版中心

12 第 1 章计算机基础知识 3 成, 由处理器控制读 / 写头在存储带上左右移动, 并在存储带上写入符号和读出符号, 这与现代计算机的处理器读 / 写存储器相类似 图灵机对现代数字计算机的一般结构 可实现性和局限性产生了深远的影响 1950 年 10 月图灵在哲学期刊 Mind 上发表了一篇著名论文 Computing Machinery and Intelligence( 计算机器与智能 ) 他指出如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别, 那么这台机器就具有智能 今天人们把这个论断称为图灵测试 (Turing Test), 它奠定了人工智能的理论基础 1954 年,42 岁的图灵英年早逝 为了纪念图灵在计算机领域奠基性的贡献, 美国计算机学会 (ACM) 于 1966 年创立了 图灵奖, 每年颁发给在计算机科学领域的领先研究人员, 号称 计算机业界和学术界的诺贝尔奖 另一个也被称为 计算机之父 的是冯 诺依曼 1903 年 12 月 28 日冯 诺依曼生于匈牙利布达佩斯的一个犹太家庭, 是著名美籍匈牙利数学家 科学家 冯 诺依曼对计算机的杰出贡献在于他最先提出了数字计算机的冯 诺依曼结构, 其基本形式一直到现在还在使用 1945 年 6 月, 冯 诺依曼与戈德斯坦 勃克斯等人联名发表了一篇长达 101 页的报告, 即计算机史上著名的 101 页报告 该报告明确规定出计算机的五大部件, 并用二进制替代十进制运算 该方案的革命意义在于创造性地提出了 存储程序和程序控制 的计算机结构, 以便计算机能自动依次执行指令 人们后来把这种 存储程序和程序控制 体系结构的机器统称为 冯 诺依曼机 直到今天, 101 页报告 仍然被认为是现代计算机科学发展里程碑式的文献 电子计算机的诞生和发展 1. 电子计算机的诞生 1946 年 2 月 15 日, 出于美国军方对弹道研究的计算需要, 世界上第一台电子计算机 ENIAC(electronic numerical integrator and computer) 正式宣布诞生, 它的全称为 电子数值积分计算机, 如图 1.3 所示 ENIAC 大约使用了 个电子管, 占地 170m 2, 重约 30t, 功率达 150kW, 每秒运算 次 第一台电子计算机诞生的目的是军事方面的应用, 但和其他军工产品一样, 随着技术的成熟逐渐走向民用 虽然其与当今计算机相比是很落后的, 但是 ENIAC 却标志着人类开始步入以电子科技为主导的新纪元 2. 计算机的发展历程 图 1.3 世界上第一台电子计算机 ENIAC 计算机从诞生至今, 只有半个多世纪, 然而其发展之迅速 普及之广泛 对整个社会和科学技术影响之深远, 远非其他任何学科所能比拟 在推动计算机发展的众多因素中, 电子元器件的发展起着决定性的作用 此外, 计算机系统结构和计算机软件技术的发展也起了重大的作用 随着数字科技的革新, 计算机差不多每 10 年就更新换代一次 可根据计算机所采用的基本电子元器件和使用的软件情况将其发展分成 4 个阶段, 习惯上称为四代 ( 两代计算机之间时间上有重叠 )

13 4 计算机应用基础 (1) 第一代计算机 电子管计算机 从 1946 年底到 20 世纪 50 年代末期是计算机发展的第一代 其特征是采用电子管作为 计算机的基本电子器件, 内存储器采用水银延迟线, 外存储器有纸带 卡片 磁带和磁鼓等 第一代计算机已经采用了二进制数, 由电位 高 和 低 电子器件的 导通 和 截 止 来表示 1 和 0 此时计算机还没有系统软件, 科学家们只能用机器语言或汇编语 言编程, 工作十分浩繁辛苦 由于当时研制水平及制造工艺的限制, 运算速度只有每秒几千次到几万次, 内存容量仅几千字节 因此, 第一代计算机体积庞大, 造价很高, 主要用于军事和科学研究工作 除 ENIAC 外, 著名的第一代计算机还有 EDVAC EDSAC UNIVAC 等 (2) 第二代计算机 晶体管计算机从 20 世纪 50 年代中期到 60 年代末期是计算机发展的第二代 1947 年, 美国物理学家巴丁 布拉顿和肖克利合作发明了晶体管装置, 并于 1956 年获诺贝尔物理学奖 晶体管比电子管功耗少 体积小 质量轻 工作电压低且工作可靠性好 这一发明引发了电子技术的根本性变革, 对科学技术的发展具有划时代意义, 给人类社会生活带来了不可估量的影响 1954 年, 贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机 TRADIC, 使计算机体积大大缩小 1958 年, 美国研制成功了全部使用晶体管的计算机, 从而诞生了第二代计算机 第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍 其特征是用晶体管代替了电子管, 内存储器普遍采用磁芯, 每颗磁芯可存储一位二进制数, 外存储器采用磁盘 运算速度提高到每秒几十万次, 内存容量扩大到几十万字节, 价格大幅度下降 在软件方面也有了较大发展, 面对硬件的监控程序已经投入实际运行并逐步发展成为操作系统 人们已经开始用 FORTRAN ALGOL 60 COBOL 等高级语言编写程序, 这使得计算机的使用效率大大提高 自此之后, 计算机的应用从数值计算扩大到数据处理和事务处理 工业过程控制等领域, 并开始进入商业市场, 其代表机型有 IBM 7090 UNIVACⅡ 和贝尔的 TRADIC 等 (3) 第三代计算机 集成电路计算机从 20 世纪 60 年代中期到 70 年代初期是计算机发展的第三代 20 世纪 60 年代初期, 美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路 (integrated circuit,ic) 集成电路工艺可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路 其基本特征是逻辑器件采用小规模集成电路 (small scale integration,ssi) 和中规模集成电路 (middle scale integration,msi) 此后, 集成电路的集成度以每 3~4 年提高一个数量级的速度增长 第三代计算机的运算速度每秒可达几十万次到几百万次 随着存储器进一步发展, 其体积越来越小, 价格越来越低, 而软件越来越完善 这一时期, 计算机同时向标准化 多样化 通用化 机种系列化发展 系统软件发展到了分时操作系统, 分时操作系统可以使得多个用户共享一台计算机的资源 程序设计语言方面则出现了以 Pascal 语言为代表的结构化程序设计语言, 还有会话式的高级语言, 如 BASIC 语言 计算机开始广泛应用在各个领域, 其代表机型有 IBM 360 系列 Honeywell 6000 系列和富士通 F230 系列等 (4) 第四代计算机 大规模集成电路计算机从 20 世纪 70 年代初期至今是计算机发展的第四代 第四代计算机的基本器件采用大规模集成电路 (large scale integration,lsi) 和超大规模集成电路 (very large scale integration, VLSI) 技术, 在硅半导体上集成了大量的电子元器件, 并且集成度很高的半导体存储器替 科学出版社职教技术出版中心

14 第 1 章计算机基础知识 5 代了磁芯存储器, 运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算 这使得计算机的体积 重量 成本大幅度降低 操作系统随着计算机软件的进一步发展不断完善, 应用软件的开发已逐步成为一个现代产业 计算机的应用已渗透到社会生活的各个领域 特别值得一提的是, 这一时期出现了微型计算机 (microcomputer), 微型计算机的问世才真正使得人类认识了计算机并能广泛使用计算机 1971 年 11 月, 美国 Intel 公司把运算器和逻辑控制电路集成在一起, 成功地用一块芯片实现了中央处理器的功能, 制成了世界上第一片微处理器 Intel 4004, 并以它为核心组成微型计算机 MCS-4 随后, 许多公司如 Motorola 公司 Zilog 公司等争相研制微处理器, 生产微型计算机 微型计算机以其功能强 体积小 灵活性高 价格低廉等优势, 显示了强大的生命力 短短的 40 年时间, 微处理器和微型计算机已经经历了数代变迁, 其日新月异的发展速度是其他任何技术所不能比拟的 从第一代到第四代, 计算机的体系结构都是相同的, 即由控制器 存储器 运算器和输入 / 输出设备组成, 称为 冯 诺依曼 体系结构 表 1-1 列出了计算机的发展历程 表 1-1 计算机的发展历程 主要指标 第一代第二代第三代第四代 (1946~1957 年 ) (1958~1964 年 ) (1965~1970 年 ) (1970 年至今 ) 电子器件 电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模集成电路和超大规模集成电路 主存储器 水银延迟线 磁鼓 磁芯 磁盘 磁芯 磁盘 半导体存储器 半导体存储器 处理方式 操作系统监控程序实时 分时处理机器语言多道程序作业批量连续处理网络操作系统汇编语言实时系统高级语言编译数据库系统会话式高级语言 运算速度 每秒几千次至几万次 每秒几十万次 每秒几十万次至几百万次 每秒上千万次至数万亿次 主要应用 科学计算和军事计算 在科学计算 数据处理 开始广泛应用于数据深入到各行各业, 家庭和工业控制等领域得到广泛处理领域个人开始使用计算机应用 3. 我国计算机工业的发展 1956 年, 国务院总理周恩来亲自提议 主持并制定我国 十二年科学技术发展规划, 选定了 计算机 电子学 半导体 自动化 作为 发展规划 的四项紧急措施, 并制定了计算机科研 生产 教育发展计划 我国计算机事业由此起步 1958 年 8 月 1 日, 我国第一台小型电子管数字计算机 103 机诞生 该机字长 32 位, 每秒运算 30 次, 采用磁鼓内部存储器, 容量为 1KB 1959 年 9 月, 我国第一台大型电子管计算机 104 机研制成功, 如图 1.4 所示 该机运算速度为每秒 1 万次, 字长 39 位, 采用磁芯存储器, 容量为 2~4KB, 并配备了磁鼓外部存储器 光电纸带输入机和 0.5in 磁带机 1965 年 6 月, 我国自行设计的第一台晶体管大型计算机 109 乙机在中国科学院计算技术研究所 ( 以下简称中科院计算所 ) 诞生, 字长 32 位, 运算速度每秒 10 万次, 内存容量为双体 24KB 1981 年 3 月,GB 信息处理交换用汉字编码字符集 基本集 国家标准正

15 6 计算机应用基础 式颁发 这是第一个汉字信息技术标准 图 1.4 我国第一台大型电子管计算机 104 机 1981 年 7 月, 由北京大学负责总体设计的汉字激光照排系统原理样机通过鉴定 该系 统在激光输出精度和软件的某些功能方面, 达到了国际先进水平 1983 年 12 月, 国防科技大学研制成功我国第一台亿次巨型计算机银河 -I, 运算速度每 秒 1 亿次 银河机的研制成功, 标志着我国计算机科研水平达到了一个新高度 1989 年 7 月, 金山公司的 WPS 软件问世, 它填补了我国计算机字处理软件的空白, 并得到了极其广泛的应用 1994 年 4 月 20 日, 中关村地区教育与科研示范网络 (NCFC) 完成了与 Internet 的全 功能 IP 连接, 从此, 中国正式被国际上承认是接入 Internet 的国家 2002 年 9 月 28 日, 中科院计算所宣布中国第一个可以批量投产的通用 CPU 龙芯 1 号 芯片研制成功 其指令系统与国际主流系统 MIPS 兼容, 定点字长 32 位, 浮点字长 64 位, 最高主频可达 266MHz 此芯片的逻辑设计与版图设计具有完全自主的知识产权, 打破了中国无 芯 的历史 采用该 CPU 的曙光 龙腾 服务器同时发布 2003 年 12 月 9 日, 联想控股有限公司承担的国家网格主节点 深腾 6800 超级计算机正式研制成功, 其实际运算速度达到每秒 万亿次, 全球排名第 14 位, 运行效率 78.5% 2004 年 6 月 21 日, 美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室公布了最新的全球计算机 500 强名单, 曙光计算机公司研制的超级计算机 曙光 4000A 排名第十, 运算速度达每秒 万亿次 2005 年 4 月 18 日, 由中科院计算所研制的中国首个拥有自主知识产权的通用高性能 CPU 龙芯二号 正式亮相 龙芯二号 采用 0.18μm 的工艺, 实际性能与主频 1GHz 的 奔腾 4 性能相当 龙芯 2 号 支持 64 位 Linux 操作系统和 Window 视窗操作系统, 比 32 位的 龙芯 1 号 更流畅地支持视窗系统 桌面办公 网络浏览 DVD 播放等应用 2009 年 10 月 29 日, 国防科技大学成功研制出峰值性能为每秒运算 1206 万亿次的 天 河一号 超级计算机, 如图 1.5 所示 在 2010 年 11 月的 世界超级计算机 500 强 排行 榜中位列第一 作为算盘这一古老计算器的发明者, 中国拥有了历史上计算速度最快的工具 天河一号主要运用于石油勘探 生物医药 航空航天装备研制 基础科学理论计算等方面 天河一号的研制成功, 标志着中国超级计算机领域进入国际先进行列 4. 计算机的发展趋势 科学出版社职教技术出版中心 目前, 计算机的发展从机型方面看趋向于巨型化和微型化, 从技术发展及应用方面看

16 第 1 章计算机基础知识 7 图 1.5 天河一号 超级计算机趋向于多媒体化 网络化和智能化 (1) 巨型化巨型化并不是指计算机的体积大, 而是指计算机的运算速度更高 存储容量更大 功能更强 目前, 人们正在研制的巨型计算机, 其运算速度可达每秒百万亿次 巨型机的应用范围如今已日渐广泛, 在航空航天 军事工业 气象 电子及人工智能等几十个学科领域发挥着巨大的作用, 特别是在复杂的大型科学计算机领域, 其他的机种难以与之抗衡 加速巨型计算机的发展, 能促进科技领域的变革性进步 (2) 微型化微型化就是指进一步提高集成度, 利用高性能的超大规模集成电路研制质量更加可靠 性能更加优良 价格更加低廉 整机更加小巧的微型计算机 微型化的进程比人们预想的要快得多 微型计算机现在已进入仪器 仪表 家用电器等小型仪器设备中, 同时也作为工业控制过程的心脏, 使仪器设备实现智能化 随着微电子技术的进一步发展, 笔记本型 掌上型等微型计算机必将以更优良的性能价格比受到人们的欢迎 (3) 多媒体化多媒体是指以数字技术为核心的图像 声音与计算机 通信等融为一体的信息环境 多媒体技术的目标是无论在何地, 只需要简单的设备就能自由自在地以交互和对话方式收发所需要的信息, 其实质就是使人们利用计算机以更接近自然的方式交换信息 目前, 多媒体计算机技术的应用领域正在不断拓宽, 除了知识学习 电子图书 商业及家庭应用外, 在远程医疗 视频会议中都得到了极大的推广 (4) 网络化网络化就是用通信线路把各自独立的计算机连接起来, 形成各计算机用户之间可以相互通信并使用公共资源的网络系统 网络化一方面使众多用户能共享信息资源, 另一方面使各计算机之间能相互传递信息进行通信, 把国家 地区 单位和个人连成一体, 提供方便 及时 可靠 广泛 灵活的信息服务 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物, 在现代社会的信息交流和管理中发挥着越来越重要的作用 (5) 智能化智能化是让计算机模拟人类的思维 行为和感觉, 使计算机具有听 视 说 行为 思维 推理 学习和证明的能力 智能化的研究包括模式识别 物质分析 自然语言的生成与理解 定理的自动证明 程序自动设计 专家系统 学习系统和智能机器人等 智能化是建立在现代诸多学科基础上的综合性很强的边缘学科, 涉及数学 信息论 控制论 计算机逻辑 神经心理学 生理学 教育学和哲学等诸多学科 智能化也是新一代计算机

17 8 计算机应用基础 要实现的目标之一 智能化使计算机突破了 计算 这一初级的含义, 从本质上扩充了计算机的能力, 可以越来越多地代替人类的脑力劳动 人工智能计算机的发展对于进一步解放人类智力, 促进社会进步有重要意义 计算机的分类 随着计算机技术的发展和应用的推动, 尤其是微处理器的发展, 计算机的类型越来越多样化 根据用途及其使用的范围, 计算机可以分为专用机和通用机 专用机大多是针对某种特殊的要求和应用而设计的计算机, 有专用的硬件和软件, 扩展性不强, 一般功能都比较单一, 难以升级, 也不能当人通用计算机使用 通用机则是为满足大多数应用场合而推出的计算机, 可灵活应用于多种领域, 通用性强 为照顾多种应用领域, 其系统一般比较复杂, 功能全面, 支持通用机的软件也多种多样 通用机可以应用于各种场合, 只需配置相应的软件即可 与专用机相比, 通用机的应用非常广泛, 是生产量最多的一种机型 按信息处理方式, 计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类 模拟计算机的主要特点是参与运算的数值由不间断的连续量表示, 其运算过程是连续的 模拟计算机由于受元器件质量影响, 其计算精度较低, 应用范围较窄, 目前已很少生产 数字计算机的主要特点是参与运算的数值用断续的数字量表示, 其运算过程按数字位进行计算 数字计算机由于具有逻辑判断等功能, 以近似人类大脑的 思维 方式进行工作, 所以又被称为 电脑 按物理结构可分为单片机 (IC 卡, 由一片集成电路制成, 其体积小, 重量轻, 结构十分简单 ) 单板机(IC 卡机 公用电话计费器 ) 和芯片机 ( 手机 掌上电脑等 ) 按计算机的规模和处理数据的能力的不同, 计算机可分为巨型机 大型机 小型机 微型机 工作站及服务器 1. 巨型机 巨型机又称超级计算机, 是当代运算速度最高 存储容量最大 通道速度最快 处理能力最强 工艺技术性能最先进的通用超级计算机, 一般用于国防和尖端科学研究领域 巨型机代表了一个国家的科学技术发展水平 世界上只有少数几个国家生产巨型机, 有美国的 Cray 公司 TMC 公司, 日本的富士通公司和日立公司等 我国是继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家 2. 大型机 大型机包括国内流行说法中的大型机和中型机, 特点是大型 通用 大型机的内存可达几兆字节以上, 速度由千万次向数亿次发展, 广泛应用于科学和工程计算 信息的加工处理 企事业单位的事务处理等方面 这类计型算机具有极强的综合处理能力和极广泛的性能覆盖面 在一台大型机中可以使用几十台微型机或微型机芯片, 可同时支持上万个用户和几十个大型数据库, 用以完成特定的操作 大型机主要应用于政府部门 银行 大公司 大企业 规模较大的高校以及研究所等部门单位 以大型主机和其他外部设备为主并且配备众多的终端组成一个计算中心, 才能充分发挥大型机的作用 美国的 IBM 公司生产的 IBM 系列就是国际上有代表性的大型主机 3. 小型机 科学出版社职教技术出版中心 小型机规模较小, 一般为中小型企事业单位或某一部门所用, 如高等院校的计算机中

18 第 1 章计算机基础知识 9 心都以一小型机为主机, 配以几十台至上百台终端机, 以满足大量学生学习程序设计课程的需要 当然小型机的运算速度和存储容量比不上大型机 美国 DEC 公司生产的 VAX 系列机 IBM 公司生产的 AS/400 系列机以及我国生产的太极系列机都是小型机的代表 4. 微型机微型机是一种面向个人的计算机, 又称 PC(personal computer), 是当今最为普及的机型 微型机体积小 功耗低 功能强 可靠性高 结构灵活, 对使用环境要求低, 性能价格比明显地优于其他类型的计算机, 一般家庭和个人都能买得起用得上, 因而得到了迅速普及和广泛应用 微型机的普及程度代表了一个国家的计算机应用水平 微型机技术在近 10 年内发展速度迅猛, 平均每 2~3 个月就有新产品出现,1~2 年产品就更新换代一次, 每两年芯片的集成度可提高一倍, 性能提高一倍, 目前还有加快的趋势 微型机的问世和发展, 使计算机真正走出了科学的殿堂, 进入到人类社会生产和生活的各个方面 计算机从过去只限于少数专业人员使用普及到广大民众, 成为人们工作和生活不可缺少的工具, 从而将人类社会推入了信息时代, 微型机占整个计算机装机量的 95% 以上 有关微型机的情况, 将在 1.2 节进行详细介绍 5. 工作站工作站是介于小型机与微型机之间的一种高档微型机 其运算速度比微型机快, 且有较强的联网功能 高档微型机配以大屏幕显示器和大容量内存储器及海量外存储器就可以称得上是一个工作站 工作站一般有较特殊的用途, 如图像处理 计算机辅助设计等 需要注意的是它与网络系统中的 工作站 虽然名称一样, 但含义不同 网络上的 工作站 常常泛指联网用户的结点, 通常只需要一般的 PC, 以区别于网络服务器 6. 服务器服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统 从硬件上来说, 一台普通的微型机也可以充当服务器, 关键是微型机要安装网络操作系统 网络协议和各种服务软件 服务器具有大容量的存储设备和丰富的外部设备, 要求有较高的运行速度, 对此很多服务器都配置了两个中央处理器 服务器的管理和服务有文件 数据库 图形 图像以及打印 通信 安全 保密和系统管理 网络管理等, 服务器上的资源可供网络用户共享 计算机的应用领域由于计算机有运算速度快 计算精度高 记忆能力强 可靠性高和通用性强等一系列特点, 因此计算机几乎进入了科研 生产 交通 商业 国防 卫生等各个领域, 并且可以预见, 其应用领域还将进一步扩大 计算机的主要用途如下 1. 科学计算计算机在科学计算方面的应用主要是指在国防 航天等尖端研究领域中十分庞大而复杂的计算中的应用 这些计算必须要利用计算机的速度快 精度高 存储容量大的特点 例如, 天气预报需要求解大型线性方程组, 导弹飞行需要在很短的时间内计算出其飞行轨迹并控制其飞行, 此外, 宏观的天文数字计算和微观的分子结构计算都离不开计算机

19 10 计算机应用基础 2. 数据处理 数据处理称非数值计算, 主要是指利用计算机加工 管理和操作任何形式的数据资料, 包括对数据资料的收集 存储 加工 分类 排序 检索和发布等一系列工作 传输和处理的数据有文字 图形 声音及图像等各种信息 数据处理包括办公自动化 财务管理 金融业务 情报检索 计划调度 项目管理 市场营销 决策系统的实现等 别值得一提的是, 我国成功地将计算机应用于印刷业, 真正告别了 铅与火 的时代, 进入了 光与电 的时代 近年来, 国内许多机构纷纷建设自己的管理信息系统 (MIS); 生产企业也开始采用制造资源规划软件 (MRP); 商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统 (EDI), 即所谓无纸贸易 数据处理是计算机应用最广泛的领域, 其特点是要处理的原始数据量大, 而算术运算比较简单, 并有大量的逻辑运算和判断, 其结果要求以表格或图形等形式存储或输出 事实上, 计算机在非数值方面的应用已经远远超过了在数值计算方面的应用 3. 生产过程控制 利用计算机对整个或部分生产过程进行控制, 不仅可以大大提高生产自动化水平, 减轻劳动强度和危险性, 而且还可以提高控制的准确性, 保证产品的质量 因此, 计算机在化工 冶金 机械 电力和轻工业部门已得到了广泛的应用, 且效果非常显著 例如, 化工生产过程中的对原料配方比 温度 压力的控制, 机械加工中数控机床对加工工序及切削精度的控制, 巷道掘进作业中的机械手, 等等 计算机在现代家用电器中也有非常多的应用, 如全自动洗衣机就是由计算机程序控制的 4. 计算机辅助技术 计算机辅助技术应用范围非常广泛, 如计算机辅助制造 (computer asisted manufacturing, CAM) 计算机辅助设计(computer aided design,cad) 计算机辅助测试(computer asisted testing,cat) 计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system,cims) 其中,CAD 应用最广泛,CAD 系统能帮助设计人员分析 判定和处理问题, 以期实现最优化的设计方案, 同时利用计算机绘图, 不但提高了设计质量, 而且大大缩短了设计周期 在我国, 建筑设计 机械设计 电子电路设计等行业的 CAD 系统已相当成熟 另外, 值得一提的是 CIMS, 它将设计 制造与企业管理相结合, 全面统一考虑一个制造企业的状况, 合理安排工作流程和工序, 能极大地提高企业的效益 计算机辅助教学 (computer asisted instruction,cai) 源于 20 世纪 60 年代, 但真正有效应用是在近十年, 特别是微型计算机多媒体技术比较成熟时才蓬勃开展的 教师的教案 测试题等事先存储于教师专用的计算机上, 利用文本 图形 图像 声音 动画等多种媒体将教案传送到学生机 ( 学生机一般是局域网的工作站 ) 上进行讲解, 学生可通过键盘输入回答教师提问 学生还可通过学生机做练习考试, 并能迅速得知自己的成绩, 这便是 计算机教室 另外, 一些不方便用实物甚至无法办到的实验, 可以利用计算机进行模拟, 使学生增加感性认识, 达到事半功倍的效果, 如现代战争的实战演习 宇宙空间飞船实验 卫星实验等 5. 人工智能 科学出版社职教技术出版中心 顾名思义, 人工智能是使用人工的方法在计算机上实现的智能 这是计算机科学中涉

20 第 1 章计算机基础知识 11 及设计计算机系统的一个分支, 使计算机模拟人类的智能行为, 包括理解语言 学习 推理和解决问题等 计算机在人工智能方面的应用包括 3 个重要的分支 1) 专家系统 将某一方面的专门知识编写成程序事先输入计算机, 然后利用计算机处理 解决这方面遇到的问题 例如, 医疗诊断专家系统 法律专家系统等 2) 机器人 它是一种能模仿人类智能和肢体功能的计算机操作装置 人们事先将从事某种工作的操作控制程序输入到机器人的计算机芯片中, 让机器人代替人类从事一些危险性大 劳动强度大的工作 这就是通常所说的 机械手, 或称为 工业机器人 机器人的最高境界是 智能机器人, 它不但能按控制程序进行工作, 更重要的是 智能机器人 对所处环境有洞察能力 感知能力 推理判断能力甚至具备说话的能力, 能依据不同的外界环境采用不同措施来完成自己的任务 3) 虚拟环境技术 ( 或称虚拟现实技术 ) 它是一种有效地模拟人在自然环境中视 听 动等行为的高级人机交互技术 这种模拟具有两个基本特征, 即临境感 (immersive) 和交互性 (interactive) 临境感是指用户全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境中而产生身临其境的感觉 交互性是指利用视觉 听觉 触觉 嗅觉和味觉等感官功能及对话 头部运动 眼球运动 行走 拾取和放置等人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察和操作 6. 网络应用 计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物, 始于 20 世纪 50 年代, 近年来得到迅猛发展 现在计算机网络是集文本 声音 图像及视频等多媒体信息于一身的全球信息资源系统 应用计算机网络, 能够使一个地区 一个国家甚至全世界范围内的计算机与计算机之间实现信息 软 / 硬件资源和数据共享, 可以大大促进地区间 国际间的通信和各种数据的传输与处理 人们可以通过网络 漫游世界 收发电子邮件 搜索信息 传输文件 网上交流 共享资源 网上购物及网上办公等 网络改变了人们的时空概念, 现代计算机的应用已离不开计算机网络 7. 电子商务 电子商务 (electronic commerce 或 electronic business) 是指利用计算机和网络进行的商务活动, 具体地说, 是指在 Internet 开放的网络下, 基于客户端 / 服务器应用方式, 主要为电子商户提供服务 实现消费者的网上购物 商户之间的网上交易和在线电子支付的一种的商业运营模式 Internet 上的电子商务可以分为 3 个方面 : 信息服务 交易和支付 电子商务主要内容包括电子商情广告 电子选购和交易 电子交易凭证的交换 电子支付与结算以及售后的网上服务等 其主要交易类型有企业与个人的交易 (B to C 方式 ) 和企业之间的交易 (B to B 方式 ) 两种 参与电子商务的实体有 4 类, 顾客 ( 个人消费者或企业集团 ) 商户( 包括销售商 制造商 储运商 ) 银行( 包括发卡行 收单行 ) 及认证中心 电子商务是 Internet 爆炸式发展的直接产物, 是网络技术应用的全新发展方向 Internet 本身所具有的开放性 全球性 低成本及高效率的特点, 也成为电子商务的内在特征, 并使得电子商务大大超越了作为一种新的贸易形式所具有的价值 电子商务不仅会改变企业本身的生产 经营及管理活动, 而且将影响到整个社会的经济运行结构 电子商务对人们的生活方式也产生了深远影响 网上购物 网上搜索功能可方便地使

21 12 计算机应用基础 顾客货比多家 同时, 消费者将能够以一种十分轻松自由的自我服务方式来完成交易, 从而使用户对服务的满意度大幅度提高 总之, 计算机的广泛应用, 是千万科技工作者集体智慧的结晶, 是人类科学发展史上最卓越的成就之一, 是人类进步与社会文明史上的里程碑 计算机技术及其应用已渗透到了人类社会的各个领域, 改变着人们传统的工作 生活方式 各种形态的计算机就像一把 万能 的钥匙, 任何问题只要能够用计算机语言进行描述, 就都能在计算机上加以解决 从航天飞行到交通通信, 从产品设计到生产过程控制, 从天气预报到地质勘探, 从图书馆管理到商品销售, 从资料的收集检索到教师授课 学生考试 / 作业等, 计算机都得到了广泛的应用, 发挥着其他工具不可替代的作用 计算机技术的新发展 1. 云计算 云计算 (cloud computing) 是基于互联网的相关服务的增加 使用和交付模式, 通常涉及通过互联网提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源 云是网络 互联网的一种比喻说法 过去在图中往往用云表示电信网, 后来也用云表示互联网和底层基础设施的抽象 狭义云计算指 IT 基础设施的交付和使用模式, 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需资源 ; 广义云计算指服务的交付和使用模式, 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需服务 这种服务可以是信息技术和软件 互联网相关服务, 也可以是其他服务 通过使计算分布在大量的分布式计算机上, 而非本地计算机或远程服务器中, 企业数据中心的运行将与互联网更相似 这使得企业能够将资源切换到需要的应用上, 根据需求访问计算机和存储系统 这好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式 云计算意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通, 就像煤气 水电一样, 取用方便, 费用低廉 最大的不同在于云计算是通过互联网进行传输的 2. 蓝牙技术 蓝牙技术是一种用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距离无线连接技术 蓝牙技术的设计初衷是将智能移动电话与笔记本式计算机 掌上电脑以及各种数字化的信息设备, 通过一种小型的 低成本的无线通信技术连接起来, 从而甩掉常用的有线电缆 ; 同时还要形成一种个人身边的网络, 使得身边的各种信息化的移动便携设备都能无线地实现资源共享 通俗地说, 蓝牙技术实际上是一种短距离无线通信技术, 就是在办公室 家庭和旅途中, 无须在任何电子设备间布设专用线缆和连接器, 就能联网, 并且能够实现无线上网 从专业的角度看, 蓝牙是一种无线接入技术 从技术角度看, 蓝牙是一项创新技术, 因此可以说, 蓝牙也是一个产业, 它已被业界看成是整个移动通信领域的重要组成部分, 可以预计, 不久的将来会有数以亿计的数字移动电话 个人计算机以及各种信息设备采用基于蓝牙技术的无线接口作为一种标准配置, 从而建立一个全球统一的无线连接标准, 使不同厂家生产的移动计算设备在近距离内无需电缆线即可实现互操作和数据共享 3. 嵌入技术 科学出版社职教技术出版中心 嵌入技术是指将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统中的一种技术, 也就是系

22 第 1 章计算机基础知识 13 统的应用软件与系统的硬件一体化, 将软件固化集成到硬件系统中, 类似于主板上 BIOS 的工作方式 嵌入式系统具有软件代码少 自动化程度高 响应速度快等特点, 特别适合于要求实时的和多任务的系统 嵌入式系统以应用为中心, 以计算机技术为基础, 并且软硬件可裁剪, 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等 4 个部分组成, 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 通俗地说, 嵌入式计算机系统就是指把计算机集成到特定的系统中, 该计算机作为系统的一部分完成专门的功能, 如家用电视 照相机 自动洗衣机等电器中的单片机 严格意义上讲, 嵌入式计算机不一定都是单片机, 它只是一种应用方式上的定义 在嵌入式系统中, 主要使用 3 类处理器, 即微控制器 (micro control unit,mcu) 数字信号处理器(digital signal processing, DSP) 嵌入式微处理器(micro processing unit,mpu) 4. 中间件技术 中间件 (middleware) 是一种独立的系统软件或服务程序, 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源 中间件是基础软件的一大类, 属于可复用软件的范畴 顾名思义, 中间件处于操作系统软件与用户的应用软件的中间 中间件在操作系统 网络和数据库之上, 应用软件的下层, 总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境, 帮助用户灵活 高效地开发和集成复杂的应用软件 在中间件产生以前, 应用软件的开发都直接使用操作系统 网络协议和数据库等 但由于这些都是计算机最底层的东西, 越底层越复杂, 开发者不得不面临许多很棘手的问题, 如操作系统的多样性, 繁杂的网络程序设计 管理, 复杂多变的网络环境, 数据分散处理带来的不一致性问题, 性能和效率 安全, 等等 这些与用户的业务没有直接关系, 但又必须解决, 因而耗费了大量有限的时间和精力 于是, 有人提出能不能将应用软件所要面临的共性问题进行提炼 抽象, 在操作系统之上再形成一个可复用的部分, 供成千上万的应用软件重复使用 这一技术思想最终构成了中间件这类的软件 中间件是一类软件, 而不是一种软件, 中间件不仅仅实现互联, 还要实现应用之间的互操作 中间件是基于分布式处理的软件, 其最突出的特点是网络通信功能 5. 物联网 物联网是新一代信息技术的重要组成部分 其英文名称是 the Internet of things 顾名思义, 物联网就是物物相连的互联网 这里有两层意思 :1 物联网的核心和基础仍然是互联网, 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络 ;2 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间, 进行信息交换和通信 因此, 物联网的定义是通过射频识别 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 把任何物品与互联网相连接, 进行信息交换和通信, 以实现对物品的智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 物联网被视为互联网的应用扩展, 应用创新是物联网的发展的核心, 以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂 和传统的互联网相比, 物联网有其鲜明的特征 首先, 物联网是各种感知技术的广泛应用 物联网上部署了海量的多种类型传感器, 每个传感器都是一个信息源, 不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同 传感器获得的数据具有实时性, 按一定的频率周期性的采集环境信息, 不断更新数据 其次, 物联网是一种建立在互联网上的泛在网络 物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网, 通过各种有线

23 14 计算机应用基础 和无线网络与互联网融合, 将物体的信息实时准确地传递出去 在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输, 由于其数量极其庞大, 形成了海量信息, 在传输过程中, 为了保障数据的正确性和及时性, 必须适应各种异构网络和协议 另外, 物联网不仅仅提供了传感器的连接, 其本身也具有智能处理的能力, 能够对物体实施智能控制 物联网将传感器和智能处理相结合, 利用云计算 模式识别等各种智能技术, 扩充其应用领域 从传感器获得的海量信息中分析 加工和处理出有意义的数据, 以适应不同用户的不同需求, 发现新的应用领域和应用模式 未来新型计算机 从 1946 年世界上第一台电子计算机诞生以来, 计算机已经走过了半个多世纪的历程, 计算机的体积不断变小, 但性能 速度却在不断提高 然而, 人类的追求是无止境的, 一刻也没有停止过研究更好 更快 功能更强的计算机, 计算机将朝着微型化 巨型化 网络化和智能化方向发展 但是, 目前几乎所有的计算机都被称为 冯 诺依曼机, 从目前的研究情况看, 未来新型计算机将可能在下列几个方面取得革命性的突破 1. 生物计算机 生物计算机, 即脱氧核糖核酸 (DNA) 分子计算机, 主要由生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片构成, 通过控制 DNA 分子间的生化反应来完成运算 20 世纪 70 年代, 人们发现 DNA 分子处于不同状态时可以代表信息的有或无 DNA 分子中的遗传密码相当于存储的数据,DNA 分子间通过生化反应, 从一种基因代玛转变为另一种基因代码 反应前的基因代码相当于输入数据, 反应后的基因代码相当于输出数据 只要能控制这一反应过程, 就可以制成 DNA 分子计算机 以色列科学家在 自然 杂志上宣布, 他们已经研制出一种由 DNA 分子和酶分子构成的微型 生物计算机,1 万亿个这样的计算机仅一滴水那样大, 每秒可以进行 10 亿次运算, 而且准确率高达 99.8% 以上 这是全球第一台生物计算机 以色列魏茨曼研究所的科学家说, 他们使用两种酶为计算机 硬件,DNA 分子为 软件, 输入和输出的 数据 都是 DNA 链 把溶有这些成分的溶液恰当地混合, 就可以在试管中自动发生反应, 进行 运算 目前, 在生物计算机研究领域已经有了新的进展, 在超微技术领域也取得了某些突破, 制造出了微型机器人 长远目标是让这种微型机器人成为一部微小的生物计算机, 它们不仅小巧玲珑, 而且可以像微生物那样自我复制和繁殖, 可以钻进人体里杀死病毒, 修复血管 心脏 肾脏等内部器官的损伤, 或者使引起癌变的 DNA 突变发生逆转, 从而使人延 年益寿 2. 分子计算机 科学出版社职教技术出版中心 分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息, 并以更有效的方式进行组织排列 凭借着分子纳米级的尺寸, 分子计算机的体积将剧减 此外, 分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据 洛杉矶加州大学和惠普公司研究小组曾在英国 科学 杂志上撰文, 称他们通过把能生成晶体结构的轮烷分子夹在金属电极之间, 制作出分子 逻辑门 这种分子电路的基础元件 美国橡树岭国家实验所则采用把菠菜中的一种微小蛋白质分子附着于金箔表面并控

24 第 1 章计算机基础知识 15 制分子排列方向的办法, 制造出逻辑门 这种蛋白质可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流 据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片体积大大减小, 而效率大大提高 3. 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 制造光子计算机, 需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的晶体管 尽管目前可以制造出这样的装置, 但是它庞大而笨拙, 用其制造一台计算机, 体积将有一辆汽车那么大 因此, 短期内光子计算机很难达到实用阶段 与传统的硅芯片计算机相比, 光子计算机有三大优势 :1 光子的传播速度无与伦比, 电子在导线中的运行速度与其无法相比, 采用硅 - 光混合技术后, 其传播速度就可达到每秒万亿字节 ;2 光子不像带电的电子那样相互作用, 因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据 ;3 光无须物理连接, 如果能将普通的透镜和激光器做得很小, 足以装在微芯片的背面, 那么未来的计算机就可以通过稀薄的空气传递信号了 根据推测, 未来光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快 1000~10000 倍 1990 年, 美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机 它采用砷化镓光学开关, 运算速度达每秒 10 亿次 尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离, 但已显示出强大的生命力 目前光学计算机的许多关键技术, 如光存储技术 光存储器 光电子集成电路等都已取得重大突破 预计在未来一二十年内, 这种新型计算机可取得突破性进展 4. 量子计算机 所谓量子计算机, 是指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 在某种条件下, 原子世界存在着多现实态, 即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处和彼处, 可以同时表现出高速和低速, 可以同时向上和向下运动 如果用这些不同的原子状态分别代表不同的数字或数据, 就可以利用一组具有不同潜在状态组合的原子, 在同一时间对某一问题的所有答案进行探寻, 再利用一些巧妙的手段, 就可以使代表正确答案的组合脱颖而出 把量子力学和计算机结合起来的可能性, 是在 1982 年由美国著名物理学家理查德 费因曼首次提出的 随后, 英国牛津大学物理学家戴维 多伊奇于 1985 年初步阐述了量子计算机的概念, 并指出量子并行处理技术会使量子计算机比传统的计算机功能更强大 美国 英国 以色列等国家都先后开展了有关量子计算机的基础研究 2001 年底, 美国 IBM 公司的科学家专门设计的多个分子放在试管内作为 7 个量子比特的量子计算机, 成功地进行了量子计算机的复杂运算 与传统的电子计算机相比, 量子计算机具有解题速度快 存储量大 搜索功能安全性较高等优点 第一代至第四代计算机代表了计算机的过去和现在, 从新一代计算机身上则可以展望到计算机的未来 虽然目前这些新型计算机都还远没有达到实用阶段, 到目前为止, 人们也还只是搭建出以人脑神经系统处理信息的原理为基础设计的非 冯 诺依曼机 模型, 但有理由相信, 就像巴贝奇 100 多年前的分析机模型和艾兰 图灵 70 多年前的 图灵机 都先后变成现实一样, 今天还在研制中的非 冯 诺依曼机, 将来也必将成为现实

25 16 计算机应用基础 1.2 计算机基础知识 计算机系统的组成与工作原理 1. 计算机系统的组成一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的, 如图 1.6 所示 硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称, 是计算机系统的物质基础, 如中央处理器 存储器 输入设备 输出设备等 硬件系统又称裸机, 裸机只能识别由 0 和 1 组成的机器代码, 没有软件系统的计算机几乎是没有用的 软件系统是为运行 管理和维护计算机而编制的各种程序 数据和文档的总称 实际上, 用户面对的是经过若干层软件 包装 的计算机, 计算机的功能不仅仅取决于硬件系统, 而更大程度上是由所安装的软件系统所决定 图 1.6 计算机系统组成 科学出版社职教技术出版中心 当然, 在计算机系统中, 对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线 软件实现的功能可以用硬件来实现, 称为硬化或固化 例如, 微型计算机的只读存储器芯片中就固化了系统的引导程序 ; 同样, 硬件实现的功能也可以用来软件实现, 称为硬件软化 例如, 在多媒体计算机中, 视频卡用于对视频信息的处理 ( 包括获取 编码 压缩 存储 解压缩和回放等 ), 现在的计算机一般通过软件 ( 如播放软件 ) 实现 对于一些具体功能, 到底是由硬件实现还是由软件实现并无严格规定, 完全由设计人员依据经济性 可行性 合理性决定 一般来说, 同一功能用硬件实现, 速度快, 可减少所需存储容量, 但灵活性和适应性差, 且成本较高 ; 用软件实现, 可提高灵活性和适应性差, 但通常是以降低速度来换取的

26 第 1 章计算机基础知识 计算机系统的层次结构如上所述, 计算机系统由硬件和软件组成, 硬件和软件又分很多类, 那么综合起来, 一个计算机系统实际上又是按层次关系组织起来的, 这种层次关系如图 1.7 所示 最内层是硬件 ( 裸机 ), 与裸机直接接触的是操作系统, 操作系统属于系统软件, 直接控制和管理硬件 而操作系统外层则为各种语言处理程序等软件, 最外层才是用户程序 在这种层次关系中, 各层之间关系是, 内层是外层的支撑环境, 而外层则可不必了解内层的细节, 只需根据约定规则使用即可 图 1.7 计算机系统层次结构示意图在这个层次关系中, 操作系统起到 承内启外 这一至关重要的作用, 操作系统直接向内控制硬件, 向外支持其他软件, 将用户与机器硬件隔离开来, 凡是对硬件的一切操作均转化为对操作系统的调用, 而最终由操作系统控制硬件来完成, 所以操作系统是用户和硬件的接口 操作系统方便了用户, 并能最大限度地开发利用发挥硬件的潜能 3. 计算机系统的硬件组成半个多世纪以来, 虽然计算机系统从性能指标 运算速度 工作方式 应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大差别, 但基本结构没有变, 都属于 冯 诺依曼 计算机, 其体系结构都是由控制器 运算器 存储器和输入 / 输出设备组成的 (1) 运算器运算器又称算术逻辑运算单元 (arithmetic and logic unit,alu), 其主要功能是对二进制代码进行算术运算和逻辑运算 计算机中最主要的工作是运算, 大量的数据运算任务是在运算器中进行的 在计算机中, 算术运算是指加 减 乘 除等基本运算 ; 逻辑运算是指逻辑判断 关系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, 复杂的运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) 控制器控制器 (control unit,cu) 是整个硬件系统的控制中心, 只有在控制器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 (program counter,pc): 用于对程序中的指令进行计数, 使控制器能

27 18 计算机应用基础 够依次读取指令 2) 指令寄存器 (instruction register,ir): 在指令执行期间暂时保存正在执行的指令 3) 指令译码器 (instruction decoder,id): 用于识别指令的功能, 分析指令的操作要求 4) 时序控制电路 : 用于生成时序信号, 以协调在指令执行周期各部件的工作 5) 微操作控制电路 : 用于产生各种控制操作命令 (3) 存储器 计算机的重要特点之一就是具有存储能力, 这是计算机能自动连续执行程序 进行庞 大的信息处理的重要基础 存储器的基本功能是按指定位置 ( 地址 ) 写入或取出信息 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 内存通常以半导体芯片作为存储介质, 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, 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 ), 主要用于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 光盘 U 盘等 外存与内存有许多不同之处 :1 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 ;2 外存的容量不像内存那样受多种限制, 可以大得多, 如常见硬盘的容量有 250GB 350GB 500GB 等 ;3 外存速度慢, 内存速度快 由于外存储器安装在主机外部, 所以也可以归属外部设备 存储器的有关术语简述如下 1) 位 (bit): 音译为 比特, 在数字电路和计算机技术中采用二进制, 代码只有 0 和 1, 其中无论是 0 还是 1 在中央处理器中都是一位 2) 字节 (Byte):8 个二进制位为一个字节 为了便于衡量存储器的大小, 统一以 字节 为单位, 简记为 B,1B=8bit 存储容量一般用 KB MB GB 表示, 它们之间的换算关系为 1KB=1024 B 1MB=1024 KB 1GB=1024 MB 3) 字长 (word length): 中央处理器在单位时间内 ( 同一时间 ) 能一次处理的二进制数的位数, 如有 8 位 16 位 32 位和 64 位等, 也就是经常说的 8 位机 16 位机 32 位机和 64 位机等 显然, 字长越长, 一次处理的数据位数越多, 运算精度越高, 处理速度越快, 但价格也越高 通常字长是 8 的整数倍 4) 地址 (address): 在微型计算机中, 整个内存被分成一个个字节, 每个字节都由一 科学出版社职教技术出版中心

28 第 1 章计算机基础知识 19 个唯一的地址来标志 如同旅馆中每个房间必须有唯一的房间号, 才能找到该房间内的人一样 中央处理器能够访问内存的最大寻址范围与中央处理器的地址线的根数有关 例如, 若中央处理器的地址总路线有 32 根, 则寻址范围为 0~ 位 字节和字长之间的关系如图 1.8 所示 图 1.8 位 字节和字长之间的关系 (4) 输入设备输入设备用于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 麦克风等 (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 扬声器等 4. 计算机的基本工作原理 (1) 计算机的指令系统指令是能被计算机识别并执行的二进制代码, 指令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 : 操作码和操作数 1) 操作码 : 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 一台计算机中所有指令的集合称为该计算机的指令系统 计算机的指令系统决定了计算机硬件的主要性能和基本功能 指令系统以微指令的形式固化在计算机的中央处理单元中, 不同的中央处理器的指令系统也不尽相同 指令系统不但能在硬件上实现, 而且又是软件的基础, 所以说指令系统实际上是计算机软 / 硬件的界面 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) 数据传送类指令 : 将数据在内存与 CPU 之间进行传送, 如存储器传送指令 内部传送指令 输入输出传送指令 堆栈指令 2) 数据处理指令 : 对数据进行算术运算 逻辑运算 移位和比较, 如算术运算指令 逻辑运算指令 移位指令 比较指令 3) 程序控制指令 : 控制程序中指令的执行顺序, 如无条件转移指令 条件转移指令 转子程序指令 中断指令 暂停指令 空操作指令等

29 20 计算机应用基础 4) 状态管理指令 : 包括允许中断指令 屏蔽中断指令等 (2) 指令的执行过程指令序列在执行前被装进内存中, 程序计数器 (PC) 自动指向指令序列的起始地址 当第一条指令被取走后,PC 自动加 1( 除特殊情况外 ), 用于指向下一条将要执行的指令地址, 以便能够顺序取出下一条指令 取出的指令被加载到指令寄存器 (IR) 中, 指令中某些二进制位是用于标志控制器要采取的动作, 由指令译码器 (ID) 识别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法 因此, 指令的执行过程可以概括为取指令 分析指令 执行指令, 执行完一条指令后再取下一条指令, 如此周而复始, 直到遇到停机指令或外来事件的中断干预为止, 如图 1.9 所示 (3) 计算机的工作原理 图 1.9 指令执行过程 计算机的整个工作过程可以归纳为输入 处理 输出和存储 4 个过程 用户程序和数 据由输入设备输入到机内存储器中保存, 数据由程序交给运算器进行运算处理, 所产生的结果或中间结果存放在存储器中, 最终结果由输出设备交给用户 这 4 个步骤是一个循环过程 输入 处理 输出 存储并不一定按照这个顺序操作, 而是在指令的指挥下, 控制器根据需要决定采取哪一个步骤, 整个工作流程都在控制器的控制 协调下有条不紊地运转 计算机的工作过程跟人脑的工作过程非常类似, 这也是人们通常将计算机称为 电脑 的原因 下面看一个示例, 看看人脑是如何进行计算的 假设要做一道计算题 8+6 2, 首先, 用笔将这道题记录在纸上, 经过脑神经元的思考, 结合数学知识, 先算出 6 2=3 这一中间结果, 然后算出 8+3=11 这一最终结果, 并记录在纸上 将计算题记录在纸上相当于是计算机的存储过程 大脑记住了这道题就相当于是计算机的输入过程, 根据数学知识进行解题的先后顺序就相当于是计算机的程序在控制整个过程, 是计算机的处理过程 然后, 将结果记录到纸上即相当于是计算机输出结果到纸上或显示器上的过程 计算机的工作原理如图 1.10 所示 图中双箭头代表数据和指令, 在计算机内由二进制数表示 ; 单箭头代表控制信号, 在计算机内表现为高低电平形式, 起控制作用 控制器控制输入设备预先把指挥计算机如何进行操作的指令序列 ( 称为程序 ) 和原始数据输送到计算机内存储器中 每一条指令明确规定了计算机从哪个地址取数, 进行什么操作, 然后送到什么地址去等步骤 计算机在运行时, 先从内存中取出第一条指令, 通过控制器的译码, 按指令的要求, 从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工, 然后再按地址把结果送到内存中去 接下来, 再取出第二条指令, 在控制器的指挥下完成规定操作 依次进行下去, 直至遇到停止指令 科学出版社职教技术出版中心

30 第 1 章计算机基础知识 21 图 1.10 计算机工作原理 注 : 微型计算机的硬件系统 1. 系统主板系统主板是微型计算机中最大的一块集成电路板, 是微型计算机中各种部件的连接载体 系统主板是一种高科技 高工艺融为一体的集成产品 PC99 技术规格规范了主板设计要求, 提出主板各接口必须采用有色识别标志, 以方便识别 图 1.11 所示为一个较典型的系统主板 图 1.11 系统主板主板上的主要部件如下 (1) 芯片组芯片组是系统主板的灵魂, 决定了主板的结构及中央处理器的使用 主板芯片组担负着中央处理器与外部设备的信息交换, 是中央处理器与外设之间架起的一道桥梁 芯片组由北桥 (north bridge) 芯片和南桥 (south bridge) 芯片组成, 主要连接 ISA 设备和 I/O 设备 北桥是中央处理器与外部设备之间的联系纽带, 负责联系内存 显卡等数据吞吐量最

31 22 计算机应用基础 大的部件,AGP DRAM PCI 插槽和南桥等设备通过不同的总线与北桥相连 ; 南桥芯片 负责管理中断及 DMA 通道, 其作用是让所有的信息都能有效传递 如果把中央处理器比 喻成微型计算机系统的心脏, 那么主板上的芯片组就相当于系统的躯干 (2) 中央处理器插槽 中央处理器插槽用于固定连接中央处理器芯片, 主板上的中央处理器插槽类型非常多, 从封装形式来看主要分为两大类, 一类是插卡式的 Slot 类型, 另一类是传统针脚式的 Socket 类型 (3) 内存插槽 随着内存扩展板的标准化, 主板给内存预留专用插槽, 以便用户扩充内存时能够即插 即用 目前, 常见的内存插槽有 SDRAM( 同步动态随机存储器插槽,168 线 ) DDR( 双 倍速率 SDRAM 插槽,184 线 ) Rambus( 动态随机存储器插槽 ) 和 DDRⅡ( 现有 DDR 内 存插槽的换代产品 ) 内存插槽根据所接的内存条类型, 有不同的引脚数量 额定电压和性能 (4) 输入 / 输出接口及其插槽不同的设备, 特别是以微型计算机为核心的电子设备, 都有自己独特的系统结构 控制软件 总线 控制信号等 为使不同设备能连接在一起协调工作, 必须对设备的连接有一定的约束或规定, 这种约束称为接口协议 实现接口协议的硬件设备叫做接口电路, 简称接口 微机接口的作用是使微型计算机的主机系统能与外部设备 网络以及其他的用户系统进行有效的连接, 以便进行数据和信息的交换 输入 / 输出接口是中央处理器与外部设备之间交换信息的连接电路, 简称 I/O 接口 I/O 接口通过总线与中央处理器相连, 并分为总线接口和通信接口 1) 总线接口插槽 : 所谓总线接口插槽, 是指把微型计算机总线通过电路插座提供给用户的一种总线插座, 供插入各种功能卡用 目前主板上常见的总线接口插槽类型有以下几种 1 ISA 总线扩展槽 : 一般情况下声卡 解压卡 网卡 SCSI 卡 内置 Modem 等都插在 ISA 扩展槽中, 不过现在有的新主板中已经没有这种插槽类型了 2 PCI 总线扩展槽 : 一个先进的高性能局部总线插槽 其上可插的 PCI 卡有显卡 声卡 PCI 接口的 SCSI 卡和网卡等 3 AGP 总线扩展槽 :AGP(accelerated graphics port) 意思是 图形加速端口, 该总线用于在主存与显卡的显示内存之间建立一条新的数据传输通道, 不需要经过 PCI 总线就可以使影像和图形数据直接传送到显卡中 AGP 总线是一种专用的显示总线, 目前来说, 一块主板只有一个 AGP 插槽 2) 通信接口及其插槽 : 通信接口是指微型计算机系统与其他系统直接进行数字通信的接口电路, 通常分为串行通信接口和并行通信接口, 即串口和并口 串口用于把像 modem 这种低速外设与微型计算机连接, 传送信息的方式是一位一位地依次传送, 串口的标准是电子工业协会 (electronics industry association)rs-232 标准 鼠标就是连接在这种串口上 并行接口多用于连接打印机等高速外设, 其传送信息的方式是按字节进行, 即 8 个二进制位同时进行 相应地, 通信接口插槽包括串口插槽和并口插槽两类 I/O 接口一般做成电路插卡的形式, 通常称为适配卡, 如硬盘驱动器适配卡 (IDE 接口 ) 并行打印机适配卡 ( 并口 ) 串行通信适配卡( 串口 ) 等 在 386 以上的微型计算机系统中, 科学出版社职教技术出版中心

32 第 1 章计算机基础知识 23 通常将这些适配卡做在一块电路上, 称为复合适配卡或多功能适配卡, 简称多功能卡 (5)BIOS 和 CMOS BIOS(basic input/output system, 基本输入 / 输出系统 ) 在计算机中起到最基础而又最 重要的作用 BIOS 程序通常存放在一块不需要电源的内存芯片中 CMOS 是互补金属氧化 物半导体的缩写, 具有低功耗特性 计算机的 BIOS 就是存储在由 CMOS 所制成的 ROM 或 EEPROM 里 ( 常被混称为 CMOS), 所以 CMOS 是纯粹的硬件 为了简便, 人们习惯上把 写入了 BIOS 程序的 CMOS 存储器统称为 BIOS BIOS 为计算机提供最低级的 最直接的硬件控制, 计算机的原始操作都是依照固化在 CMOS 里的 BIOS 程序来完成的 准确地说,BIOS 是硬件与软件之间的一个 转换器, 或者说是接口 ( 其实 BIOS 本身只是一个程序 ), 负责解决硬件的即时需求, 并按硬件的操 作要求具体执行软件 用户在使用计算机的过程中, 一般都会接触到 BIOS 如今的主板 BIOS 几乎全部采用了 Flash ROM 设计,Flash ROM 是一种可以快速读 / 写 的 EEPROM, 通过软件完成对 BIOS 的改写 在打开系统电源或重新启动系统后, 当屏幕 中间出现 Press <Delete>to enter setup 提示时, 按 Delete 键, 就可进入 BIOS 设定程序 存盘退出后, 就完成了改写 BIOS 工作 2.CPU CPU 是中央处理单元 (central processing unit ) 的缩写, 它又简称微处理器 (microprocessor) CPU 是计算机的核心, 其重要性好比大脑对于人一样, 因为 CPU 负责处理 运算计算机内部的所有数据 CPU 的种类决定了操作系统和相应的软件 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器组和内部总线等构成, 是计算机的核心 在近 20 年中,CPU 的技术水平飞速提高, 在速度 功耗 体积和性能价格比方面平均每 18 个月就有一个数量级的提高 最具代表性的产品是美国 Intel 公司和 AMD 公司的 CPU 系列 Intel 先后有 Pentium( 奔腾 ) 系列 Itanium( 安腾 ) 系列等产品, 双核时代有 Core( 酷睿 ) 系列 ;AMD 公司的主要 CPU 系列型号有 K5 K6 Duron Athlon XP Sempron Athlon 64 Opteron 等 CPU 的功能越来越强, 工作速度越来越快, 功耗越来越低, 结构越来越复杂, 从每秒完成几十万次基本运算发展到上亿次, 每个 CPU 芯片包含的半导体电路器件也从两千多个发展到数千万甚至上亿个, 酷睿 i7 系列处理器已集成了 7.31 亿个晶体管 (1) 衡量 CPU 性能的主要技术指标 1)CPU 字长 :CPU 各寄存器之间一次能够传递的数据位, 即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数 CPU 内部有一系列用于暂时存放数据或指令的存储单元, 称为寄存器 各个寄存器之间通过内部数据总线来传递数据, 每条内部数据总线只能传递 1 位数据位 该指标反映出 CPU 内部运算处理的速度和效率 不同的计算机, 字长是不同的, 如有 8 位 16 位 32 位和 64 位等 显然, 字长越大, 一次处理的数据位数越多, 处理的速度也就越快 2)CPU 外频 :CPU 外频也就是 CPU 总线频率, 是由主板为 CPU 提供的基准时钟频 率 例如,Pentium Ⅱ350 的 CPU 外频为 100MHz,Intel Core i7 的 CPU 外频为 133MHz 正常情况下 CPU 总线频率和内存总线频率相同, 所以当 CPU 外频提高后, 与内存之间的 交换速度也相应得到了提高, 对提高计算机整体运行速度影响较大 3)CPU 主频 :CPU 主频也叫工作频率, 是 CPU 内核 ( 整数和浮点运算器 ) 电路的实

33 24 计算机应用基础 际运行频率, 又称 CPU 内频 例如,Pentium Ⅱ350 的 CPU 主频为 350MHz,Intel Core i7 的 CPU 主频为 3.2GHz 主频是 CPU 型号上的标称值 CPU 的主频不代表 CPU 的运算速 度 因为 CPU 的运算速度还要看 CPU 流水线的各方面的性能指标 ( 缓存 指令集,CPU 的位数等 ) 但是, 提高主频对于提高 CPU 运算速度却是至关重要的, 并且只有在提高主 频的同时, 各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后, 计算机整体的运行速度才能真正得到提高 4)CPU 倍频 :CPU 外频与主频相差的倍数 从理论上讲, 在主板上针对某 CPU 设置的工作频率应当与 CPU 标定的频率一致 但在实际使用过程中, 允许用户为 CPU 设置的工作频率与当前 CPU 的标定频率不一致, 这就是通常讲的超频使用 从 486DX2 开始, 基本上所有的 CPU 主频都等于外频乘上倍频系数 倍频系数与 CPU 的型号有关, 如 Intel Core i7 extreme edition 975 的外频为 133 MHz, 倍频为 25, 主频为 3.3GHz 如果不能准确地设置 CPU 的主频, 就有可能导致 CPU 工作不正常或不稳定 5)CPU 的生产工艺技术 : 通常用单位 m 来描述, 精度越高表示生产工艺越先进, 所 加工出的连接线也越细, 则可以在同样体积的半导体硅片上集成更多的元件,CPU 工作主频可以做得很高 因此, 提高 CPU 工作主频主要受到生产工艺技术的限制 (2)Intel 中央处理器目前,Intel 公司生产的中央处理器主要按台式机 便携机和移动 PC 服务器和工作站来分类 1)Pentium:Pentium 是 Intel 公司于 1993 年开始推出的新一代中央处理器, 第一代 Pentium 就集成了 310 万个晶体管,Pentium 中央处理器使用更高的时钟频率, 最初为 60MHz 和 66MHz, 后提高到 200MHz,64 位数据总线,16KB 的高速缓存 奔腾微处理器的出现进一步加速了 CPU 的更新速度,CPU 厂商竞争更加激烈 Intel 公司为了防止别的公司侵权, 就为新的 CPU 取了 Pentium 的名字, 而没有继续叫 随后 Intel 推出使用 MMX 技术的 Pentium MMX 的多能奔腾, 增加了 57 条多媒体指令, 内部高速缓存增加到 32KB, 最高频率是 233MHz MMX 是 multimedia extension 的缩写, 意为多媒体扩展, 是一种基于多媒体计算以及通信功能的技术, 能生成高质量的图像 视频和音频, 加速对声音 图像的处理, 使计算机的性能达到了一个新的水准, 以后又经历了 Pentium Ⅱ 和 Pentium Ⅲ Pentium 4 处理器从 1.3GHz 起步, 其超流水线技术特性现已使主频达到 3.4GHz 800MHz 系统总线频率与超快速 RDRAM 系统内存的完美组合可以支持出色的内存吞吐能力, 同时 科学出版社职教技术出版中心 也提供了强大的图形和多媒体性能 144 条新指令改善了如多媒体 三维 音频和视频等领域的性能 Pentium 4 处理器采用了超线程技术 (HT), 使一个 Pentium 4 处理器可以同时执行两条线程 ( 两个独立的代码流 ) 图 1.12 所示的是 Pentium 4 处理器 图 1.12 Pentium 4 处理器

34 第 1 章计算机基础知识 25 2)Celeron:Intel 为抢占低价位个人计算机市场, 专门推出 Pentium 的廉价版本 Celeron ( 赛扬 ) 系列,Celeron 核心技术与 Pentium 相同 最初的 Celeron 采用 0.35 m 工艺制造, 外频为 66MHz, 从 333MHz 开始就改用了 0.25 m 的制造工艺 最初的 Celeron 犯了一个 错误, 就是去掉了 Celeron 的二级缓存, 因此它的性能不理想 随后 Intel 改正了这个错误, 在 Celeron 内部集成了 128KB 的全速二级缓存 目前的 Celeron 主频已达到 2.6GHz 3)Itanium:Intel Itanium( 安腾 ) 是 2001 年问世的 64 位处理器, 给了用户又一个高 性能计算系统的选项 2002 年 Intel 发布 Itanium 2 处理器, 其核心采用微体系结构, Itanium 2 处理器和第一代 Itanium 处理器均采用 0.18 m 工艺制造 Itanium 2 处理器的系 统总线频率为 400MHz 128 位数据总线 Itanium 2 处理器高速缓存系统最重要的创新就 是将 3MB 三级高速缓存集成到处理器硅片上, 而不是作为系统主板的一个独立芯片 这不 仅加快了数据检索速度, 同时可将三级高速缓存和处理器内核间的整体通信带宽提高了 3 倍多 Itanium 2 处理器为企业资源规划 大型数据库和交易处理 安全电子商务 高性能 科学和技术计算 计算机辅助设计等应用提供了卓越性能 4)Banias: 迅驰 (centre neutrino,centrino) 移动计算技术由 Pentium M 移动式处理器 Intel 855 系列芯片组以及 Intel PRO 无线网络芯片三个部分组成 集成的芯片产品命名为 Banias, 使用了新的高级指令系统和微操作合并技术, 应用于笔记本式计算机 服务器以及小型台式计算机 用 Centrino 技术装备的笔记本式计算机集成了对无线局域网的连接能力, 使用户脱离缆线的约束, 为笔记本式计算机系统带来崭新的性能和低功耗 CPU 的产品并非只出于 Intel 公司一家,IBM Apple Motorola AMD Cyrix 等也是 著名的中央处理器产品的生产公司 (3) 双核 CPU 人们看到的 CPU 实际上是 CPU 内核等元件经过封装后的产品 CPU 内核, 也叫 CPU 核心, 是 CPU 最重要的组成部分 在微型计算机中,CPU 中心凸起的那块芯片就是核心, 它是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU 所有的计算 接受 / 存储命令 处理数据都是由核心执行的 CPU 核心的发展方向是更低的电压, 更低的功耗, 更先进的制造工艺, 集成更多的晶 体管, 更小的核心面积 ( 从而降低 CPU 的生产成本 ), 更先进的流水线架构和更多的指令 集, 更高的前端总线频率, 集成更多的功能 ( 如集成内存控制器等 ) 以及双核心和多核心等 CPU 核心的进步对普通消费者而言, 最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的 CPU 所谓双核处理器, 就是在基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心, 即将两个物理处理器核心整合入一个内核中 为了提高 CPU 的性能, 可以提高处理器的主频 但是单纯地提升主频已经无法为系统整体性能的提升带来明显的变化, 而且伴随着高主频也带来了处理器巨大的发热量 而双核处理器解决方案可以提供更好的性能而不需要增大能量或实际空间, 这是技术发展的必然 最早的双核 CPU 是 IBM 公司的 Power 4, 随后 Sun 公司和 HP 公司也先后推出了基于双核架构的 SPARC 以及 PA-RISC 芯片 但这些产品没有能够大范围进入普及应用 AMD 推出的 Athlon 64 芯片和 Intel 公司推出的 Core Duo 芯片是用于台式计算机的双核心处理器系列 这些桌面双核心处理器系列走入了普通消费者的视线 双核 CPU 能够提高计算机的整体性能, 可以达到单核 CPU 的 1.4~1.8 倍 双核处理

35 26 计算机应用基础 图 1.13 酷睿 i7 处理器 3. 存储器 器需要操作系统的支持, 才能够最佳地使用第二个计算资源 下一代软件应用程序将会利用双核或多核处理器进行开发 双核处理器还将在推动计算机安全性和虚拟技术方面起到关键作用 但是双核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限 酷睿 i7 处理器是 Intel 公司于 2008 年推出的 64 位四核心 CPU, 如图 1.13 所示, 其目标是提升高性能计算和虚拟化性能 总的来说, 多核心处理器的性能较单核心处理器有所提升, 价格也在降低, 对于大多数用户来说选择多核心处理器将是最佳选择 (1) 内存储器作为 PC 不可缺少的重要核心部件 内存, 从 286 时代的 30pin SIMM 内存 486 时代的 72pin SIMM 内存, 到 Pentium 时代的 EDO DRAM 内存 PⅡ 时代的 SDRAM 内存, 再到 P4 时代的 DDR 内存 DDR2 内存以及目前的 DDR3 内存, 内存储器从规格 技术 总线带宽等不断更新换代 内存是存放程序与数据的装置, 在计算机内部直接与 CPU 交换信息, 在计算机里, 内部存储器按其功能特征可分为 3 类 1) 随机存取存储器 (random access memory,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 对 RAM 既可以读出数据又可以写入数据 读出时并不破坏存储单元中的内容, 是一种复制 写入时才以新的内容代替旧的内容 一旦关机断电,RAM 中的信息将全部消失 微型计算机上使用的 RAM 被制作成内存条的形式, 用户可根据自己的需要随时增加内存条以扩展容量, 使用时只要将内存条插到主板的内存插槽上就可以了 图 1.14 所示的就是内存条 常见的内存条有 256MB 512MB 1GB 2GB 4GB 等不同的规格 图 1.14 内存条 科学出版社职教技术出版中心 2) 只读存储器 (read only memory,rom):cpu 对 ROM 只取不存,ROM 里存放的信息一般由计算机制造厂写入并经固化处理, 用户是无法修改的 即使断电,ROM 中的信息也不会丢失 因此,ROM 中一般存放计算机系统管理程序, 如微型计算机一通电就执行的 BIOS 程序 ROM 又可分为 PROM 和 EPROM 两类 :PROM 中数据一般只能一次性写入, 不可能再擦除 ;EPROM 中写入的数据由紫外线照射一定时间后可以消失 ( 擦除 ), 再写入数据时 由专用编程器来实现 3) 高速缓冲存储器 (Cache): 在计算机系统中,CPU 执行指令的速度大大高于内存

36 第 1 章计算机基础知识 27 的读 / 写速度 由于 CPU 每执行一次指令, 至少要访问内存一次, 以读取数据或写入运算结果, 所以 CPU 和内存的速度不匹配就成为一个矛盾 Cache 就是为解决这个矛盾而产生的 Cache 是介于 CPU 和内存之间的一种可高速存取信息的芯片, 是 CPU 和 RAM 之间的桥梁, 用于存放程序中当前最活跃的程序和数据 当 CPU 读写内存时, 先访问 Cache, 若 Cache 中没有 CPU 需要的数据时再访问内存, 这一过程表面看起来像是浪费了时间, 实际上 CPU 所需数据往往在 Cache 中的几率比不在 Cache 中的几率大得多, 所以, 从整体上看, Cache 的设立大大提高了数据的吞吐效率 Cache 和内存之间的信息的调度和传送是由硬件自动进行的, 程序员感觉不到 Cache 的存在, 因而 Cache 对程序员是透明的 Cache 一般采用静态随机存取存储器 SRAM 构成, 由于 SRAM 读过程中没有刷新过程, 所以存取速度快 (2) 外存储器外存储器设备作为内存的后援设备, 又称辅助存储器 它与内存相比, 具有容量大 速度慢 价格低 可脱机保存信息等特点, 属 非易失性 存储器 外存储器一般不直接与 CPU 打交道, 外存中的数据应先调入内存, 再由 CPU 进行处理 为了增加内存容量, 方便读写操作, 有时将硬盘的一部分当做内存使用, 这就是虚拟内存 目前最常用的外存储器有硬盘 光盘 U 盘等 1) 硬盘 : 硬盘是由盘片组 主轴驱动机构 磁头 磁头驱动定位机构 读写电路 接口及控制电路等组成, 一般置于主机箱内 硬盘是涂有磁性材料的磁盘组件, 用于存储数据 磁盘片被固定在电动机的转轴上, 由电动机带动磁盘片一起转动 每个磁盘片的上下两面各有一个磁头, 磁头与磁盘片不接触 如果磁头碰到了高速旋转的盘片, 则会破坏表面的涂层和存储在盘片上的数据, 磁头也会损坏 硬盘是一个非常精密的设备, 所要求的密封性能很高 任何微粒都会导致硬盘读 / 写的失败, 所以盘片被密封在一个容器之中 硬盘存储信息是按柱面号 磁头号和扇区号来存放的, 如图 1.15 所示, 柱面是由一组盘片上的同一个磁道纵向形成的同心圆柱构成, 柱面编号从 0 开始从外向内进行, 柱面上的磁道是由外向内的一个个同心圆, 每个磁道又等分为若干个扇区 硬盘信息的读写是由柱面号 磁头号 ( 用来确定柱面上的磁道 ) 和扇区号来确定读写的具体位置 磁头从 0 开始编号, 而扇区从 1 开始编号 图 1.15 硬盘的结构

37 28 计算机应用基础 硬盘的存储容量取决于硬盘的柱面数 磁头数及每个磁道扇区数 若一个扇区的容量为 512B, 那么硬盘存储容量为 512B 柱面数 磁头数 扇区数 新硬盘在使用前必须进行格式化, 然后才能被系统识别和使用, 格式化的目的是对磁盘进行磁道和扇区的划分, 同时还将磁盘分成 4 个区域 : 引导扇区 文件分配表 文件目录表和数据区 其中, 引导扇区用于存储系统的自引导程序, 主要为启动系统和存储磁盘参数而设置的 ; 文件分配表用于描述文件在磁盘上的存储位置以及整个扇区的使用情况 ; 文件目录表即根目录区, 用于存储根目录下所有文件名和子目录名 文件属性 文件在磁盘上的起始位置 文件的长度及文件建立和修改日期与时间等 ; 数据区即用户区, 用于存储程序或数据, 也就是文件 硬盘格式化需要分 3 个过程, 即硬盘的低级格式化 分区和高级格式化 1 硬盘的低级格式化 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在硬盘出厂前完成, 除非硬盘受到严重损害而确定必需低级格式化, 否则用户不要轻易做此项工作 低级格式化用专门工具软件进行, 整个过程需要较长的时间 2 硬盘分区 低级格式化后的硬盘还不能被系统所识别, 为了方便用户使用, 系统允许把硬盘划分成若干个相对独立的逻辑存储区 每一个逻辑存储区称为一个硬盘分区 显然, 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表写到硬盘的第一个扇区上 只有分区后的硬盘才能被系统识别使用, 分几个区 每个分区容量多大由用户根据具体情况决定 3 硬盘的高级格式化 分区操作完成后, 对划分的每一个逻辑分区都要进行高级格式化 高级格式化的主要作用有两点 : 一是建立操作系统, 使硬盘兼有系统启动盘的作用 ; 二是对每个逻辑盘进行初始化, 建立文件分配表 2) 光盘 光盘存储器是利用光学原理进行信息读写的存储器 光盘存储器主要由光盘 光盘驱动器 光盘控制器组成 在光盘技术中, 使用激光光束来改变塑料或金属盘的表面 来标志数据 光盘表面的平坦和凹陷区域分别表示 0 和 1, 光盘用在该区域投射的微小激 光束来读取数据 光盘的主要特点是存储容量大 可靠性高, 只要存储介质不发生问题, 光盘上的数据就可长期保存 光盘存储器是大容量的数据存储设备, 又是高品质的音源设 备, 是最基本的多媒体设备 按光盘的读 / 写性能, 可分为只读型与可读写型 只读光盘 (compact disk ROM, CD-ROM) 上的数据采用压模方法压制而成, 用户只能读出数据, 而不能写入或修改光盘 上的数据 可读写型光盘中的可录式光盘 (CD-recordable,CD-R) 的特点是只能写一次, 写完后的 CD-R 光盘无法被改写, 此后只能任意多次读 取数据 而 CD-RW(CD rewritable) 是可重复读 / 写的 光盘, 读 / 写次数可任意 科学出版社职教技术出版中心 读取光盘数据需用光盘驱动器, 通常称为光驱, 如图 1.16 所示 光驱的核心部分由激光头 光反射透镜 电动机系统和处理信号的集成电路组成 影响光驱性能的关键部件就是激光头 图 1.16 光盘与光盘驱动器刻录机是刻录光盘的设备 在刻录 CD-R 盘片时, 通过大功率激光照射 CD-R 盘片的染料层, 在染料层上

38 第 1 章计算机基础知识 29 形成一个个平面和凹坑, 光驱在读取这些平面和凹坑的时候就能够将其转换成 0 和 1 由 于这种变化是一次性的, 不能恢复到原来的状态, 所以 CD-R 盘片只能写入一次, 不能重 复写入 CD-RW 的刻录原理与 CD-R 大致相同, 只不过盘片上镀的是一层 200~500 埃 (1 埃 =10-8 cm) 厚的薄膜, 这种薄膜的材质多为银 铟 硒或碲的结晶层, 该结晶层能够 呈现出结晶和非结晶两种状态, 等同于 CD-R 的平面和凹坑 通过激光束的照射, 可以在 两种状态之间相互转换, 所以 CD-RW 盘片可以重复写入 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速, 一倍速率为 150KB/s 如果在一个 40 倍速光驱上读取数据, 数据传输速率可达到 KB/s=6MB/s CD-ROM 的后继产品是 DVD-ROM(digital versatile disk-rom) DVD 采用波长更短的红色激光 更有效的调制方式和更强的纠错方法, 具有更高的道密度, 并支持双面双层结构, 在与 CD 大小相同的盘片上,DVD 可提供相当于普通 CD 片 8~25 倍的存储容量及 9 倍以上的读取速度 DVD-ROM 一倍速是 1.3MB/s, 向下兼容, 可读音频 CD 和 CD-ROM 现在使用的 DVD 是多个厂商于 1995 年 12 月共同制定的统一的格式, 以 MPEG-2 为标准, 每张 DVD 光盘存储容量可达 4.7GB 以上 DVD 盘数据的读取要通过 DVD 光盘驱动器进行 新型的三合一驱动器集高速读 / 写的 CD-ROM DVD 及 CD-RW 刻录三大功能为一体, 被广泛地应用在微型计算机上 3) 闪存盘 闪存盘又称 U 盘, 其外观如图 1.17 所示 作为新一代的存储设备被广泛使用 U 盘的存储介质是快闪存储器 (flash memory), 快闪存储器和一些外围数字电路被焊接在电路板上, 并被封装在颜色比较亮丽的半透明硬质塑料外壳内 U 盘可重复擦写的次数达 100 万次, 并且防潮, 耐高 低温 (-40 ~+70 ) 某些 U 盘内部还设计了用于显示其工作状态的指示灯并提供了写保护 写保护由一个嵌入内部的拨动开关来实现, 通过写保护控制对 U 盘的写操作, 可减少由于误操作而造成的数据丢失的机会, 也可以防止外来数据的读入, 这在一定程度上可以较少病毒的入侵机会 U 盘之所以被广泛应用是因为其具有许多优点 : 不需要驱动器, 方便文件共享与交流, 还可节省开支 ; 对于 Windows ME/2000/XP 操作系统, 不需安装驱动程序 ; 其接口是 USB, 无需外接电源, 支持即插即用和热插拔 ; 存取速度快, 读 / 写大文件比小文件要快, 特别适用于传送大型文件 ; 体积非常小, 重量轻, 便于携带 ; 采用无机械装置 结构坚固, 防震性能好 ; 容量大, 目前已可达到 32GB 4) 可移动式硬盘 可移动式硬盘采用现有固定硬盘的最新技术, 主要由驱动器和盘片两部分组成, 其中, 每一个盘片相当于一个硬盘, 可以连续更换盘片, 以达到无限存储目的 其设计原理是将固定硬盘的磁头在增加了防尘 抗震 更加精确稳定等技术后, 集成在更为轻巧 便携并且能够自由移动的驱动器中, 并将固定硬盘的盘芯, 通过精密技术加工后统一集成在盘片中 当把盘片放入驱动器时, 就成为一个高可靠性的硬盘 可移动式硬盘可通过 USB 接口与主机相连, 实现数据的传送, 如图 1.18 所示 图 1.17 U 盘外观 图 1.18 可移动式硬盘与主机相连

39 30 计算机应用基础 4. 总线 在微型计算机中, 总线是一个很重要的概念 所谓总线 (bus), 是一组连接各个部件 的公共通信线 有联系的各个部件不是单独地在两两之间使用导线相连接, 而是一律挂接在总线上, 因此, 各部件之间的通信关系变成面向总线的单一关系, 所以总线是各部件所共用的 采用总线结构使连线简化而可靠, 而且系统很容易扩充部件 根据总线内所传输信息的不同, 可将总线分为地址总线 (address bus) 数据总线(data bus) 和控制总线 (control bus) 总线可以单向传送数据, 也可以双向传送数据, 还可在多个设备或部件之间选择两个进行数据进行传送 所以总线不仅仅是一束导线, 还应包括总线控制和驱动电路 (1) 地址总线 (AB) 用于传送存储单元或输入输出接口的地址信息, 其包含地址线的根数决定了微型计算机系统内存的最大容量, 每根地址线对应 CPU 的一条地址引脚, 不同 CPU 的地址线根数不同 例如,80386 和 80486CPU 芯片有 32 根地址线, 内存空间可达 2 32 =4GB 地址总线传送的地址信息是单向的, 由 CPU 发出 (2) 数据总线 (DB) 用于在 CPU 和内存 I/O 接口电路之间传送数据 数据总线所含数据线的根数表示 CPU 可一次性接收或发出多少位二进制数和可处理多少位二进制数 例如, 数据总线根数为 32, 表示该总线上可一次传送 32 位二进制数,CPU 可以一次性进行 32 位数的算术运算 数据总线上传送的信息是双向的, 有时是由 CPU 发出的, 有时是送往 CPU 的 (3) 控制总线 (CB) 用于传送控制器的各种控制信号 控制总线分为两类 : 一类是 CPU 向内存或外设发出的控制信号 ; 另一类是由外设 内存或 I/O 接口电路发回的信号 ( 包括状态信号或应答信号 ) 控制总线的条数由 CPU 的字长决定 根据总线的位置与功能不同, 可分为内部总线 系统总线和外部总线 内部总线一般是指 CPU 与其外围芯片之间的总线, 用于芯片级的连接 系统总线用于微型计算机中各插件与系统主板之间的连接, 是插件级的连接 外部总线是微型计算机硬件系统与外部其他设备之间的连接, 是设备级的连接 对于用户而言, 系统总线是最重要的, 通常所述总线就是指的系统总线 例如,USB 通用串行总线 (universal serial bus) 就是为了解决主机与外部设备的通用连接而设计的 USB 通用串行总线可将所有低速外部设备 ( 如键盘 鼠标 扫描仪 数码相机 调制解调器等 ) 都连接在统一的 USB 接口上 此外 USB 通用串行总线还支持功能传递, 就是说用户只需为多个 USB 标准设备准备一个 USB 接口, 这些外设可以串接而通信, 其功能不受影响 微型计算机采用开放式体系结构, 由多个模块构成一个系统 一个模块往往就是一块电路板 为了方便总线与电路板的连接, 总线在主板上提供了多个扩展插槽与插座, 任何插入扩展槽的电路板 ( 如显卡 声卡 ) 都可通过总线与 CPU 连接, 这为用户自己组合可选设备提供了方便 微处理器 总线 存储器 接口电路和外部设备的逻辑关系如图 1.19 所示 总线操作过程如下 如果一个模块企图向另一个模块发送数据, 则首先要得到总线的使用权, 然后通过总线传送数据 ; 如果一个模块想从其他模块获得数据, 则首先也要得到总线的使用权, 然后通过适当的控制线和地址线向其他模块发出请求信息, 接着等待那个模块发送数据 科学出版社职教技术出版中心

40 第 1 章计算机基础知识 31 图 1.19 微处理器 总线 存储器 接口电路和外部设备的逻辑关系 如果许多设备都连接到了总线上, 则系统的性能就会降低, 原因主要有两个 :1 连接到总线上的设备越多, 总线的长度就越长, 传输延迟也就越大 当总线的控制权频繁地从一个设备转换到另一个设备时, 这些传输延迟就会明显地影响系统的性能 2 当数据总的传输要求接近总线的传输能力时, 总线就会成为 瓶颈 所以单总线结构往往不能适应快速传输数据的要求 因此, 多数计算机系统采用具有层次结构布局的多总线结构 多总线结构是指多个不同层次的总线互联, 不同层次间的总线相对独立, 满足不同设备数据传输速率需要的一种总线结构 5. 输入设备 输入设备 (input device) 将数据 程序等转换成计算机能接受的二进制代码, 并将其送入内存 输入设备不能与 CPU 直接交换信息, 必须通过接口电路与 CPU 进行信息交换 常用的输入设备是键盘和鼠标 (1) 键盘键盘 (keyboard) 是微型计算机的重要输入设备, 通过键盘可以输入程序 数据 操作命令, 也可以对计算机进行控制 熟悉并掌握键盘操作技术是微型计算机用户最基本的技能 键盘中配有一个微处理器, 用于对键盘进行扫描 生成键盘扫描码和数据转换 微型计算机常用键盘有 101 键盘 104 键盘和 107 键盘等 107 键盘又称为 Windows 98 键盘, 比 104 键盘多了睡眠 唤醒 开机等电源管理按键 以常见的标准 101 键盘为例, 其布局如图 1.20 所示 整个键盘大致分为 5 个区, 即功能键区 主键盘区 数字小键盘区 屏幕编辑键和光标移动键区 按键的位置是依据字符的使用频度 双手手指的灵活程度与协调方便等诸多因素而排列的 键盘上各键符及其组合所产生的字符和功能在不同的操作系统和软件支持下有所不同 图 1.20 标准 101 键盘的布局

41 32 计算机应用基础 目前市面上常见的键盘接口有两种 :PS/2 接口和 USB 接口 PS/2 接口是鼠标和键盘的专用接口, 是一种 6 针的圆型接口, 如图 1.21 所示 这两个接口不能混插, 鼠标通常占用浅绿色接口, 键盘占用紫色接口, 这是由于计算机内部对它们信号的定义不同 USB 接口具有即插即用的优点, 支持热插拔 因此, 使用 USB 接口的键盘拔下 插上非常方便, 不需重新启动系统就可继续使用 而 PS/2 接口的键盘拔下再插上后, 必须重新启动机器, 才能识别该硬件, 否则不能使用 键盘的外形分为标准键盘和人体工程学键盘, 人体工程学键盘的设计思想是在标准键盘上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开, 并形成一定角度, 使操作者不必有意识地夹紧双臂, 而是保持一种比较自然的形态 这种思想设计的键盘被 Microsoft 公司命名为 自然键盘 (natural keyboard), 对于习惯盲打的用户可以有效地减少左右手键区的误击率, 如字母 G 和 H 某些人体工程学键盘还有意加大常用键如 Space 键和 Enter 键的面积, 在键盘的底部增加护手托板, 给悬空手腕以支持点, 以便减少由于手腕长期悬空导致的疲劳 以上这些设计都被视为人性化的设计思想 典型人体工程学键盘如图 1.22 所示 图 1.21 PS/2 接口 (2) 鼠标 图 1.22 典型人体工程学键盘 鼠标 (mouse) 是用于图形界面的操作系统和应用程序的快速输入设备, 其主要功能是 用于移动显示器上的光标, 并通过菜单或按钮向主机发出各种操作命令, 但不能输入字符 和数字 鼠标的基本工作原理是当移动鼠标时, 它把移动距离及方向的信息转换成脉冲送 到计算机, 计算机再把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据, 从而达到指示位置的目的 根据鼠标的工作原理, 鼠标类型主要有 3 种 : 机械鼠标 轨迹球鼠标和光电鼠标 目 科学出版社职教技术出版中心 前, 市面上流行的是光电鼠标 在光电鼠标内部有一个发光二极管, 通过该发光二极管发 出的光线, 照亮光电鼠标底部表面 ( 这就是为什么鼠标底部总会发光的原因 ) 然后将光 电鼠标底部表面反射回的一部分光线, 经过一组光学透镜, 传输到一个光感应器件 ( 微成 像器 ) 内成像 这样, 当光电鼠标移动时, 其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯 图像 最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片 (DSP, 即数字微处理器 ) 对移动 轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理, 通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析, 来判断鼠标的移动方向和移动距离, 从而完成光标的定位 目前, 主流的鼠标是三键或者两键的, 三键鼠标如图 1.23 所示, 鼠标的中间有个滚轮, 除了可以用于浏览页面时的翻页图 1.23 带滚轮的三键鼠标外, 还可以单独定义按键的功能 其左键通常用做 确定

42 第 1 章计算机基础知识 33 操作, 右键用做特殊功能, 如右击任意对象, 会弹出当前对象的快捷菜单 常见的鼠标接口有串口 PS/2 和 USB 3 种类型 常见的输入设备还有轨迹球 扫描仪 光笔 触摸屏 数字化仪 游戏操作杆等 轨迹球与鼠标功能相仿 扫描仪是一种可将静态图像输入到计算机的图像采集设备, 对于桌面排版系统 印刷制版系统扫描仪都十分有用 如果配上文字识别 (OCR) 软件, 用扫描仪可以快捷方便地把各种文稿录入到计算机内, 可加速计算机文字录入过程 光笔是一种图像输入设备 触摸屏是指点式输入设备, 触摸屏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构成方法 6. 输出设备输出设备 (output device) 将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字 字符 图像 动画 声音等形式显示 打印或播放出来 输出设备只有通过输出接口电路才能与 CPU 交换信息 常用的输出设备是显示器 打印机 绘图仪等 (1) 显示器显示器是计算机中重要的输出设备 用户可以通过显示器了解自己输入的数据 运算产生的结果和跟踪监视程序运行的过程 显示器按结构可分为 CRT 和 LCD 显示器 以前所见的显示器一般是 CRT(cathode ray tube, 阴极射线显像管 ) 显示器, 而 LCD 显示器指的是液晶显示器, 现在已经广泛使用 CRT 显示器的显示系统和电视机类似, 是采用电子枪产生图像的显示器, 主要部件是显像管 ( 电子枪 ) 显像管的屏幕上涂有一层荧光粉, 电子枪发射出的电子束击打在屏幕上, 使被击打位置的荧光粉发光, 从而产生图像 每一个发光点又由红 绿 蓝 3 个小发光点组成, 一个发光点称为一个像素 电子束分为 3 条, 它们分别射向屏幕上 3 种不同的发光小点, 从而在屏幕上出现绚丽多彩的画面 CRT 显示器具有可视角度大 无坏点 色彩还原度高 色度均匀 可调节的多分辨率模式 响应时间极短等优点, 而且价格低廉, 但 CRT 显示器的电子枪发射高速电子时会产生辐射 液晶显示器是由显示单元矩阵组成的 每个显示单元含有液晶的特殊分子, 它们沉积在两种材料之间 加电时, 液晶分子变形, 能够阻止某些光波通过, 而允许另一些光波通过, 从而在屏幕上形成图像 液晶显示器的能源消耗远比 CRT 小, 发热量比较低 液晶显示器自身的工作特点决定了它不会产生噪声, 相对于 CRT 来说, 液晶显示器那一点点辐射简直可以忽略不计 显示器要与主机相连, 就必须配置适当的显示适配器, 即显示卡, 简称显卡, 如图 1.24 所示 显卡不仅把显示器与主机连接起来, 而且起到处理图形数据 加速图形显示等作用, 因此显卡又称图形加速卡, 显卡拥有自己的图形函数加速器和显存, 是专门用于执行图形加速任务的, 因此可以大大减少 CPU 处理图形函数的时间 显卡插在微型计算机主板的扩展槽上, 常用的接口类型有 PCI 接口 AGP 接口 PCI Express 接口 PCI Express 接口是 2004 年正式面世的, 它采用的是目前业内流行的点对点串行连接, 可以把图 1.24 显卡数据传输率提高到一个很高的频率, 达到 PCI 所不能

43 34 计算机应用基础 提供的高带宽 显示器的主要技术指标包括以下几项 1) 分辨率 分辨率是指屏幕上可以容纳的像素的个数, 由水平行点数和垂直行点数组成 分辨率越高, 屏幕上能显示的像素个数也就越多, 图像也就越细腻 2) 点距 两个相邻像素之间的水平距离称为点距 点距越小, 显示的图像就越清晰 为减少眼睛的疲劳程度, 应采用点距小的显示器 3) 刷新频率 要在屏幕上看到一幅稳定的画面, 必须按一定频率在屏幕上重复显示图像 显示器每秒重复图像的次数称为刷新频率, 单位符号为 Hz 通常显示器的刷新频率至少要达到 75Hz, 即每秒钟重复图像 75 次 4) 显存 计算机在显示一幅图像时首先要将其存入显卡上的显示内存 ( 简称显存 ) 显存大小会限制对显示分辨率及颜色的设置等 (2) 打印机打印机是计算机的基本输出设备之一, 它可将信息输出到纸上 打印机有针式 喷墨 激光打印机, 通过并口与主机相连 将打印机和计算机相连后, 必须安装打印机驱动程序才可以使用打印机 1) 针式打印机 : 使用较为广泛的一种打印机 其印刷机构由打印头和色带组成 打印头中藏有打印针 人们常说的 24 针打印机是指打印头中有 24 根针的打印机 这些钢针在电磁力的作用下隔着色带击打纸张, 由击打产生的 针点 来形成所需字符和图形 2) 喷墨打印机 : 利用特殊技术的换能器将带电的墨水喷出, 由偏转系统控制很细的喷嘴喷出微粒射线在纸上扫描, 并绘出文字与图像 喷墨打印机体积小 重量轻 噪声低 打印精度较高, 特别是其彩色印刷能力很强 但喷嘴容易堵塞, 打印成本较高 3) 激光打印机 : 利用激光扫描主机送来的信息, 将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像, 并转换成磁信号, 使微粒炭粉吸附在纸上, 经显影后输出 激光打印机打印速度高, 印刷质量好, 无噪声 近年来, 彩色喷墨打印机和彩色激光打印机已日趋成熟, 成为主流打印机, 其图像输出已达到照片级的质量水平 7. 其他外设 随着微型计算机系统功能的不断扩大, 所连接的外部设备的数量及种类也越来越多, 如声卡 视频卡 调制解调器 网卡 数码相机等 (1) 声卡声卡 (sound card) 是多媒体技术中最基本的组成部分, 是实现声波 / 数字信号相互转换的一种硬件 声卡的基本功能是把来自麦克风 光盘的原始声音信号加以转换, 输出到耳机 扬声器 扩音机 录音机等声响设备, 或通过音乐设备数字接口 (MIDI) 使乐器发出美妙的声音 声卡主要分为板卡式 集成式和外置式 3 种类型, 以适应不同用户的需求 其接口类型主要有 ISA PCI USB 3 种 典型声卡的外观如图 1.25 所示 (2) 视频卡视频卡也是多媒体计算机中的主要设备之一, 其图 1.25 声卡的外观主要功能是将各种模拟信号数字化, 并将这种信号压 科学出版社职教技术出版中心

44 第 1 章计算机基础知识 35 缩和解压缩后与 VGA 信号叠加显示 视频卡也可以把电视 摄像机等外界的动态图像以数字形式捕获到计算机的存储设备上, 对其进行编辑或与其他多媒体信号合成后, 转换成模拟信号再播放出来 安装视频卡时只需将其插入到计算机中的任何一个总线插槽, 然后安装相应的视频卡驱动程序即可 (3) 调制解调器调制解调器 (modem) 用于进行数字信号与模拟信号间的转换 一台调制解调器能将计算机的数字信号转换成模拟信号, 通过电话线传送到另一台调制解调器上, 经过解调, 再将模拟信号转换成数字信号送入计算机, 实现两台计算机之间的数据通信 微型计算机的软件系统软件是实现计算机自动控制 提高使用效率 扩大使用功能的各种程序的总称, 也包括说明程序的有关资料 由于以前程序都存储在软介质 ( 软盘 磁带和纸张等 ) 上销售, 所以称为软件 (software) 程序可以认为是用某种计算机语言写成的 指挥计算机按一定顺序进行动作, 进而解决一定问题的一系列 命令 软件系统一般分为系统软件和应用软件两大类 1. 系统软件系统软件通常是指对计算机进行管理 维护和使用计算机资源的程序, 如操作系统 语言编译解释系统 装配链接程序 诊断程序等 (1) 操作系统操作系统是系统软件的核心部分 对于计算机使用者来说, 操作系统是一个用户环境, 一个工作平台, 一个用户与机器进行交互操作的界面 ; 对系统设计者而言, 操作系统是一种功能强大的系统资源管理程序, 用以控制 管理计算机中硬件系统和软件资源的集成软件系统 目前, 微型计算机上广泛使用的是 Windows 操作系统 (2) 程序设计语言和语言处理系统计算机作为一种重要的工具, 也需要用自己的语言和人类打交道 交换信息, 这就是计算机语言, 又称为程序设计语言 程序设计语言一般可分为机器语言 汇编语言和高级语言三大类 1) 机器语言 : 用直接与计算机打交道的二进制代码指令表达的计算机编程语言称为机器语言 显然机器语言是计算机能直接识别的, 不需要任何翻译 但用机器语言编写的程序难于阅读, 容易出错, 难于记忆和修改, 所以用机器语言编写程序非常不方便, 然而任何其他语言编写的程序最终必须翻译成机器语言程序 ( 目标程序 ) 后才能在计算机上运行 2) 汇编语言 : 为了克服机器语言的缺点, 人们便使用一些容易记忆和认识的符号来代替机器指令, 这些符号使用容易记忆 表意明确的英文单词, 当单词较长时就加以简化 用这种能反映指令功能的助记符表达的计算语言称为汇编语言, 它是符号化了的机器语言 用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序, 它需要一个叫 汇编程序 的语言处理程序来将它翻译成机器语言的 目标程序 后才能由机器执行 汇编语言同样是面向机器的语言, 依赖于具体的 CPU, 所以由汇编语言编写出的源程序的通用性较差, 推广较困难 3) 高级语言 : 汇编语言必须依赖具体 CPU 的指令系统, 通用性差, 虽然执行效率高,