1、·43·第1章 計算機應用基礎知識第1章 計算機應用基礎知識1.1 計算機的發展概述世界上第一臺電子計算機于1946年2月在美國賓夕法尼亞大學誕生，取名為ENIAC（讀作“埃尼克”），即Electronic Numerical Internal And Calculator的縮寫。電子計算機的產生和迅速發展是當代科學技術最偉大的成就之一。自1946年美國研制的第一臺電子計算機ENIAC以來，在半個世紀的時間里，計算機的發展取得了令人矚目的成就。計算機從誕生到現在，已走過了60年的發展歷程，在這期間，計算機的系統結構不斷發生變化。人們根據計算機所采用的物理器件，將計算機的發展

2、劃分為幾個階段，下面就來具體介紹。1.1.1 計算機發展簡史電子計算機的發展階段通常以構成計算機的電子器件來劃分，至今已經歷了四代，目前正在向第五代過渡。每一個發展階段在技術上都是一次新的突破，在性能上都是一次質的飛躍。1第一代（19461957年），電子管計算機它是一臺電子數字積分計算機，取名為ENIAC。這臺計算機是個龐然大物，共用了18 000多個電子管、1500個繼電器，重達30噸，占地170平方米，每小時耗電140千瓦，計算速度為每秒5000次加法運算。盡管它的功能遠不如今天的計算機，但ENIAC作為計算機大家族的鼻祖，開辟了人類科學技術領域的先河，使信息處理技術進入了一個

3、嶄新的時代。其主要特征如下：（1）電子管元件，體積龐大、耗電量高、可靠性差、維護困難。（2）運算速度慢，一般為每秒鐘1千次到1萬次。（3）使用機器語言，沒有系統軟件。（4）采用磁鼓、小磁芯作為存儲器，存儲空間有限。（5）輸入/輸出設備簡單，采用穿孔紙帶或卡片。（6）主要用于科學計算。2第二代（19581964年），晶體管計算機晶體管的發明給計算機技術帶來了革命性的變化。第二代計算機采用的主要元件是晶體管，稱為晶體管計算機。計算機軟件有了較大發展，采用了監控程序，這是操作系統的雛形。第二代計算機有如下特征：（1）采用晶體管元件作為計算機的器件，體積大大縮小，可靠性增強，壽命延長。（2）運算速度加

4、快，達到每秒幾萬次到幾十萬次。（3）提出了操作系統的概念，開始出現了匯編語言，產生了如FORTRAN和COBOL等高級程序設計語言和批處理系統。（4）普遍采用磁芯作為內存儲器，磁盤、磁帶作為外存儲器，容量大大提高。（5）計算機應用領域擴大，從軍事研究、科學計算擴大到數據處理和實時過程控制等領域，并開始進入商業市場。3第三代（19651969年），中小規模集成電路計算機20世紀60年代中期，隨著半導體工藝的發展，已制造出了集成電路元件。集成電路可在幾平方毫米的單晶硅片上集成十幾個甚至上百個電子元件。計算機開始采用中小規模的集成電路元件，這一代計算機比晶體管計算機體積更小，耗電更少，功能更強，壽命

5、更長，綜合性能也得到了進一步提高。具有如下主要特征：（1）采用中小規模集成電路元件，體積進一步縮小，壽命更長。（2）內存儲器使用半導體存儲器，性能優越，運算速度加快，每秒可達幾百萬次。（3）外圍設備開始出現多樣化。（4）高級語言進一步發展。操作系統的出現，使計算機功能更強，提出了結構化程序的設計思想。（5）計算機應用范圍擴大到企業管理和輔助設計等領域。4第四代（1971年至今），大規模集成電路計算機隨著20世紀70年代初集成電路制造技術的飛速發展，產生了大規模集成電路元件，使計算機進入了一個新的時代，即大規模和超大規模集成電路計算機時代。這一時期的計算機的體積、重量、功耗進一步減少，運算速度、

6、存儲容量、可靠性有了大幅度的提高。其主要特征如下：（1）采用大規模和超大規模集成電路邏輯元件，體積與第三代相比進一步縮小，可靠性更高，壽命更長。（2）運算速度加快，每秒可達幾千萬次到幾十億次。（3）系統軟件和應用軟件獲得了巨大的發展，軟件配置豐富，程序設計部分自動化。（4）計算機網絡技術、多媒體技術、分布式處理技術有了很大的發展，微型計算機大量進入家庭，產品更新速度加快。（5）計算機在辦公自動化、數據庫管理、圖像處理、語言識別和專家系統等各個領域得到應用，電子商務已開始進入到了家庭，計算機的發展進入到了一個新的歷史時期。1.1.2 計算機的特點1自動地運行程序計算機能在程序控制下自動連續地高速

7、運算。由于采用存儲程序控制的方式，因此一旦輸入編制好的程序，啟動計算機后，就能自動地執行下去直至完成任務。這是計算機最突出的特點。2運算速度快計算機能以極快的速度進行計算。現在普通的微型計算機每秒可執行幾十萬條指令，而巨型機則達到每秒幾十億次甚至幾百億次。隨著計算機技術的發展，計算機的運算速度還在提高。例如天氣預報，由于需要分析大量的氣象資料數據，單靠手工完成計算是不可能的，而用巨型計算機只需十幾分鐘就可以完成。3運算精度高電子計算機具有以往計算機無法比擬的計算精度，目前已達到小數點后上億位的精度。4具有記憶和邏輯判斷能力人是有思維能力的。而思維能力本質上是一種邏輯判斷能力。計算機借助于邏輯運

8、算，可以進行邏輯判斷，并根據判斷結果自動地確定下一步該做什么。計算機的存儲系統由內存和外存組成，具有存儲和“記憶”大量信息的能力，現代計算機的內存容量已達到上百兆甚至幾千兆，而外存也有驚人的容量。如今的計算機不僅具有運算能力，還具有邏輯判斷能力，可以使用其進行諸如資料分類、情報檢索等具有邏輯加工性質的工作。5可靠性高隨著微電子技術和計算機技術的發展，現代電子計算機連續無故障運行時間可達到幾十萬小時以上，具有極高的可靠性。例如，安裝在宇宙飛船上的計算機可以連續幾年時間可靠地運行。計算機應用在管理中也具有很高的可靠性，而人卻很容易因疲勞而出錯。另外，計算機對于不同的問題，只是執行的程序不同，因而具

9、有很強的穩定性和通用性。用同一臺計算機能解決各種問題，應用于不同的領域。微型計算機除了具有上述特點外，還具有體積小、重量輕、耗電少、維護方便、可靠性高、易操作、功能強、使用靈活、價格便宜等特點。計算機還能代替人做許多復雜繁重的工作。1.1.3 計算機的應用進入20世紀90年代以來，計算機技術作為科技的先導技術之一得到了飛躍發展，超級并行計算機技術、高速網絡技術、多媒體技術、人工智能技術等相互滲透，改變了人們使用計算機的方式，從而使計算機幾乎滲透到人類生產和生活的各個領域，對工業和農業都有極其重要的影響。計算機的應用范圍歸納起來主要有以下6個方面。1科學計算亦稱數值計算，是指用計算機完成科學研究

10、和工程技術中所提出的數學問題。計算機作為一種計算工具，科學計算是它最早的應用領域，也是計算機最重要的應用之一。在科學技術和工程設計中存在著大量的各類數字計算，如求解幾百乃至上千階的線性方程組、大型矩陣運算等。這些問題廣泛出現在導彈實驗、衛星發射、災情預測等領域，其特點是數據量大、計算工作復雜。在數學、物理、化學、天文等眾多學科的科學研究中，經常遇到許多數學問題，這些問題用傳統的計算工具是難以完成的，有時人工計算需要幾個月、幾年，而且不能保證計算準確，使用計算機則只需要幾天、幾小時甚至幾分鐘就可以精確地解決。所以，計算機是發展現代尖端科學技術必不可少的重要工具。2數據處理數據處理又稱信息處理，它

11、是指信息的收集、分類、整理、加工、存儲等一系列活動的總稱。所謂信息是指可被人類感受的聲音、圖像、文字、符號、語言等。數據處理還可以在計算機上加工那些非科技工程方面的計算，管理和操縱任何形式的數據資料。其特點是要處理的原始數據量大，而運算比較簡單，有大量的邏輯與判斷運算。據統計，目前在計算機應用中，數據處理所占的比重最大。其應用領域十分廣泛，如人口統計、辦公自動化、企業管理、郵政業務、機票訂購、情報檢索、圖書管理、醫療診斷等。3計算機輔助設計（1）計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是指使用計算機的計算、邏輯判斷等功能，幫助人們進行產品和工程設計。它能使設計過程自

12、動化，設計合理化、科學化、標準化，大大縮短設計周期，以增強產品在市場上的競爭力。CAD技術已廣泛應用于建筑工程設計、服裝設計、機械制造設計、船舶設計等行業。使用CAD技術可以提高設計質量，縮短設計周期，提高設計自動化水平。（2）計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是指利用計算機通過各種數值控制生產設備，完成產品的加工、裝配、檢測、包裝等生產過程的技術。將CAD進一步集成形成了計算機集成制造系統CIMS，從而實現設計生產自動化。利用CAM可提高產品質量，降低成本和降低勞動強度。（3）計算機輔助教學（Computer Aided Instruction

13、，CAI）是指將教學內容、教學方法以及學生的學習情況等存儲在計算機中，幫助學生輕松地學習所需要的知識。它在現代教育技術中起著相當重要的作用。除了上述計算機輔助技術外，還有其他的輔助功能，如計算機輔助出版、計算機輔助管理、輔助繪制和輔助排版等。4過程控制亦稱實時控制，是用計算機及時采集數據，按最佳值迅速對控制對象進行自動控制或采用自動調節。利用計算機進行過程控制，不僅大大提高了控制的自動化水平，而且大大提高了控制的及時性和準確性。過程控制的特點是及時收集并檢測數據，按最佳值調節控制對象。在電力、機械制造、化工、冶金、交通等部門采用過程控制，可以提高勞動生產效率、產品質量、自動化水平和控制精確度，

14、減少生產成本，減輕勞動強度。在軍事上，可使用計算機實時控制導彈根據目標的移動情況修正飛行姿態，以準確擊中目標。5人工智能人工智能（Artificial Intelligence，AI）是用計算機模擬人類的智能活動，如判斷、理解、學習、圖像識別、問題求解等。它涉及到計算機科學、信息論、仿生學、神經學和心理學等諸多學科。在人工智能中，最具代表性、應用最成功的兩個領域是專家系統和機 器人。計算機專家系統是一個具有大量專門知識的計算機程序系統。它總結了某個領域的專家知識構建了知識庫。根據這些知識，系統可以對輸入的原始數據進行推理，做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢，這是人工智能的一個成功的例子。機器人是

15、人工智能技術的另一個重要應用。目前，世界上有許多機器人工作在各種惡劣環境，如高溫、高輻射、劇毒等。機器人的應用前景非常廣闊。現在有很多國家正在研制機器人。6計算機網絡把計算機的超級處理能力與通信技術結合起來就形成了計算機網絡。人們熟悉的全球信息查詢、郵件傳送、電子商務等都是依靠計算機網絡來實現的。計算機網絡已進入到了千家萬戶，給人們的生活帶來了極大的方便。1.1.4 電子計算機的分類一般情況下，電子計算機有多種分類方法，但在通常情況下采用3種分類標準。1按處理的對象分類電子計算機按處理的對象分可分為電子模擬計算機、電子數字計算機和混合計算機。電子模擬計算機所處理的電信號在時間上是連續的（稱為模

16、擬量），采用的是模擬技術。電子數字計算機所處理的電信號在時間上是離散的（稱為數字量），采用的是數字技術。計算機將信息數字化之后具有易保存、易表示、易計算、方便硬件實現等優點，所以數字計算機已成為信息處理的主流。通常所說的計算機都是指電子數字計算機。混合計算機是將數字技術和模擬技術相結合的計算機。2按性能規模分類按性能規模可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和工作站。（1）巨型機研究巨型機是現代科學技術，尤其是國防尖端技術發展的需要。巨型機的特點是運算速度快、存儲容量大。目前世界上只有少數幾個國家能生產巨型機。我國自主研發的銀河I型億次機和銀河II型十億次機都是巨型機。主要用于核武器、空

17、間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等領域。（2）大型機大型機的特點表現在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在公司、銀行、政府部門、社會管理機構和制造廠家等，通常人們稱大型機為企業計算機。大型機在未來將被賦予更多的使命，如大型事務處理、企業內部的信息管理與安全保護、科學計算等。（3）中型機中型機是介于大型機和小型機之間的一種機型。（4）小型機小型機規模小，結構簡單，設計周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器由于可靠性高，對運行環境要求低，易于操作且便于維護。小型機符合部門性的要求，為中小型企事業單位所常用。具有規模較小、成本低、維護方便等優點。（5）微型計算機微型機又稱個人

18、計算機（Personal Computer，PC），它是日常生活中使用最多、最普遍的計算機，具有價格低廉、性能強、體積小、功耗低等特點。現在微型計算機已進入到了千家萬戶，成為人們工作、生活的重要工具。（6）工作站工作站是一種高檔微機系統。它具有較高的運算速度，具有大小型機的多任務、多用戶功能，且兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它可以連接到多種輸入/輸出設備。它具有易于聯網、處理功能強等特點。其應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業、金融、辦公領域，并充當網絡服務器的角色。3按功能和用途分類按功能和用途可分為通用計算機和專用計算機。通用計算機具有功能強、兼容性強、應用面廣、操作方便等

19、優點，通常使用的計算機都是通用計算機。專用計算機一般功能單一，操作復雜，用于完成特定的工作任務。1.2 計算機系統的組成1.2.1 計算機系統概述現在，計算機已發展成為一個龐大的家族，其中的每個成員，盡管在規模、性能、結構和應用等方面存在著很大的差別，但是它們的基本結構是相同的。計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。硬件系統由中央處理器、內存儲器、外存儲器和輸入/輸出設備組成。軟件系統分為兩大類，即計算機系統軟件和應用軟件。計算機通過執行程序而運行，計算機工作時，軟、硬件協同工作，兩者缺一不可。計算機系統的組成框架如圖1-1所示。1硬件系統概述硬件系統是構成計算機的物理裝置，是指在計算機中

20、看得見、摸得著的有形實體。在計算機的發展史上做出杰出貢獻的著名應用數學家馮·諾依曼（Von Neumann）與其他專家于1945年為改進ENIAC，提出了一個全新的存儲程序的通用電子計算機方案。這個方案規定了新機器由5個部分組成：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出。并描述了這5個部分的職能和相互關系。這個方案與ENIAC相比，有兩個重大改進：一是采用二進制；二是提出了“存儲程序”的設計思想，即用記憶數據的同一裝置存儲執行運算的命令，使程序的執行可自動地從一條指令進入到下一條指令。這個概念被譽為計算機史上的一個里程碑。計算機的存儲程序和程序控制原理被稱為馮·諾依曼原理，

21、按照上述原理設計制造的計算機稱為馮·諾依曼機。圖1-1 計算機的組成框架概括起來，馮·諾依曼結構有3條重要的設計思想：（1）計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成，每個部分有一定的功能。（2）以二進制的形式表示數據和指令。二進制是計算機的基本語言。（3）程序預先存入存儲器中，使計算機在工作中能自動地從存儲器中取出程序指令并加以執行。硬件是計算機運行的物質基礎，計算機的性能如運算速度、存儲容量、計算和可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。僅有硬件而沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。在裸機上只能運行機器語言程序，使用很不方便，效率也低。所以早期只有少數

22、專業人員才能使用計算機。2計算機的基本工作原理1）計算機的指令系統指令是能被計算機識別并執行的二進制代碼，它規定了計算機能完成的某一種操作。一條指令通常由如下兩個部分組成：（1）操作碼：它是指明該指令要完成的操作，如存數、取數等。操作碼的位數決定了一個機器指令的條數。當使用定長度操作碼格式時，若操作碼位數為n，則指令條數可有2n條。（2）操作數：它指操作對象的內容或者所在的單元格地址。操作數在大多數情況下是地址碼，地址碼有03位。從地址代碼得到的僅是數據所在的地址，可以是源操作數的存放地址，也可以是操作結果的存放地址。2）計算機的工作原理計算機的工作過程實際上是快速地執行指令的過程。當計算機在

23、工作時，有兩種信息在流動，一種是數據流，另一種是控制流。數據流是指原始數據、中間結果、結果數據、源程序等。控制流是由控制器對指令進行分析、解釋后向各部件發出的控制命令，用于指揮各部件協調地工作。下面，以指令的執行過程來認識計算機的基本工作原理。計算機的指令執行過程分為如下幾個步驟：（1）取指令。從內存儲器中取出指令送到指令寄存器。（2）分析指令。對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電信號，并由地址碼確定操作數的地址。（3）執行指令。它是由操作控制線路發出的完成該操作所需要的一系列控制信息，以完成該指令所需要的操作。（4）為執行下一條指令作準

24、備。形成下一條指令的地址，指令計數器指向存放下一條指令的地址，最后控制單元將執行結果寫入內存。上述完成一條指令的執行過程叫做一個“機器周期”。指令的執行過程如圖1-2 所示。計算機在運行時，CPU從內存讀取一條指令到CPU內執行，指令執行完，再從內存讀取下一條指令到CPU執行。CPU不斷地取指令，分析指令，執行指令，再取下一條指令，這就是程序的執行過程。總之，計算機的工作就是執行程序，即自動連續地執行一系列指令，而程序開發人員的工作就是編制程序，使計算機不斷地工作。圖1-2 指令的執行過程3軟件系統概述軟件系統是指使用計算機所運行的全部程序的總稱。軟件是計算機的靈魂，是發揮計算機功能的關鍵。有

25、了軟件，人們可以不必過多地去了解機器本身的結構與原理，可以方便靈活地使用計算機，從而使計算機有效地為人類工作、服務。隨著計算機應用的不斷發展，計算機軟件在不斷積累和完善的過程中，形成了極為寶貴的軟件資源。它在用戶和計算機之間架起了橋梁，給用戶的操作帶來極大的方便。在計算機的應用過程中，軟件開發是個艱苦的腦力勞動過程，軟件生產的自動化水平還很低。所以，許多國家投入大量人力從事軟件開發工作。正是有了內容豐富、種類繁多的軟件，使用戶面對的不僅是一部實實在在的計算機，而且還包含許多軟件的抽象的邏輯計算機（稱之為虛擬機），這樣，人們可以采用更加靈活、方便、有效的手段使用計算機。從這個意義上說，軟件是用戶

26、與計算機的接口。在計算機系統中，硬件和軟件之間并沒有一條明確的分界線。一般來說，任何一個由軟件完成的操作也可以直接由硬件來實現，而任何一個由硬件執行的指令也能夠用軟件來完成。硬件和軟件有一定的等價性，例如，如圖像的解壓，以前低檔微機是用硬件解壓，現在高檔微機則用軟件來實現。軟件和硬件之間的界線是經常變化的。要從價格、速度、可靠性等多種因素綜合考慮，來確定哪些功能用硬件實現合適，哪些功能由軟件實現合適。1.2.2 硬件系統的組成計算機的硬件由主機和外設組成，主機由CPU、內存儲器、主板（總線系統）構成，外部設備由輸入設備（如鍵盤、鼠標等）、外存儲器（如光盤、硬盤、U盤等）、輸出設備（如顯示器、打

27、印機等）組成。計算機硬件結構如圖1-3所示。圖1-3 計算機硬件的組成微機與傳統的計算機沒有本質的區別，它也是由運算機、控制器、存儲器、輸入和輸出設備等部件組成。不同之處是微機把運算器和控制器集成在一片芯片上，稱之為CPU。下面以微機為例說明計算機各部分的作用。1CPUCPU是計算機的核心部件，它完成計算機的運算和控制功能。運算器又稱算術邏輯部件（Arithmetical Logic Unit，ALU），主要功能是完成對數據的算術運算、邏輯運算和邏輯判斷等操作。控制器（Control Unit，CU）是整個計算機的指揮中心，根據事先給定的命令，發出各種控制信號，指揮計算機各部分工作。它的工作過

28、程是負責從內存儲器中取出指令并對指令進行分析與判斷，并根據指令發出控制信號，使計算機的有關設備有條不紊地協調工作，在程序的作用下，保證計算機能自動、連續地工作。CPU外形如圖1-4所示。2存儲器存儲器（Memory）是計算機存儲信息的“倉庫”。所謂“信息”是指計算機系統所要處理的數據和程序。程序是一組指令的集合。存儲器是有記憶能力的部件，用來存儲程序和數據，存儲器可分為兩大類：內存儲器和外存儲器。內存儲器簡稱內存，也叫隨機存儲器（RAM），這種存儲器允許按任意指定地址的存儲單元進行隨機地讀出或寫入數據。由于數據是通過電信號寫入存儲器的，因此在計算機斷電后，RAM中的信息就會隨之丟失。內存條外形

29、如圖1-5所示，它的特點是存取速度快，可與CPU處理速度相匹配，但價格較貴，能存儲的信息量較少。外存儲器（簡稱外存）又稱輔助存儲器，主要用于保存暫時不用但又需長期保留的程序或數據。如軟盤、硬盤、光盤等都叫外存儲器。存放在外存中的程序必須調入內存才能運行，外存的存取速度相對來說較慢，但外存價格比較便宜，可保存的信息量大。常用的外存有磁盤、磁帶、光盤等。 圖1-4 CPU外形圖 圖1-5 內存條外形圖CPU和內存儲器構成計算機主機。外存儲器通過專門的輸入/輸出接口與主機相連。外存與其他的輸入輸出設備統稱外部設備。如硬盤驅動器、軟盤驅動器、打印機、鍵盤都屬外部設備。現代計算機中內存普遍采取半導體器件

30、，按其工作方式不同，可分為動態隨機存取器（DRAM）、靜態隨機存儲器（SRAM）、只讀存儲器（ROM）。對存儲器存入信息的操作稱為寫入（Write），從存儲器取出信息的操作稱為讀出（Read）。執行讀出操作后，原來存放的信息并不改變，只有執行了寫入操作，寫入的信息才會取代原先存入的內容。所以RAM中存放的信息可隨機地讀出或寫入，通常用來存入用戶輸入的程序和數據等。計算機斷電后，RAM中的內容隨之丟失。DRAM和SRAM兩者都叫隨機存儲器，斷電后信息會丟失，不同的是，DRAM存儲的信息要不斷刷新，而SRAM存儲的信息不需要刷新。ROM中的信息只可讀出而不能寫入，通常用來存放一些固定不變的程序。計

31、算機斷電后，ROM中的內容保持不變，當計算機重新接通電源后，ROM中的內容仍可被讀出。為了便于對存儲器內存放的信息進行管理，整個內存被劃分成許多存儲單元，每個存儲單元都有一個編號，此編號稱為地址（Address）。通常計算機按字節編址。地址與存儲單元為一對一的關系，是存儲單元的惟一標志。存儲單元的地址、存儲單元和存儲單元的內容是3個不同的概念。地址相當于旅館的房間編號，存儲單元相當于旅館的房間，存儲單元的內容相當于房間中的旅客。在存儲器中，CPU對存儲器的讀寫操作都是通過地址來進行的。外存儲器目前使用得最多的是磁表面存儲器和光存儲器兩大類。磁表面存儲器是將磁性材料沉積在盤片基體上形成記錄介質，

32、并在磁頭與記錄介質的相對運動中存取信息。現代計算機系統中使用的磁表面儀器有磁盤和磁帶兩種。硬盤結構如圖1-6所示。用于計算機系統的光存儲器主要是光盤（Optical Disk），現在通常稱為CD（Compact Disk）。光盤用光學方式讀寫信息，存儲的信息量比磁盤存儲器存儲的信息量大得多，因此受到廣大用戶的青睞。所有外存的存儲介質（盤片或磁帶）都必須通過機電裝置才能存取信息，這些機電裝置稱之為“驅動器”，如常用的軟盤驅動器、硬盤驅動器和光盤驅動器等。目前外存儲器的容量不斷增大，從MB級到GB級，還有海量存儲器等。圖1-6 硬盤內部結構圖3輸入設備輸入設備是將外界的各種信息（如程序、數據、命令

33、等）送入到計算機內部的設備。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、條形碼讀入器等。4輸出設備輸出設備是將計算機處理后的信息以人們能夠識別的形式（如文字、圖形、數值、聲音等）進行顯示和輸出的設備。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。由于輸入/輸出設備大多是機電裝置，有機械傳動或物理移位等動作過程，相對而言，輸入/輸出設備是計算機系統中運轉速度最慢的部件。1.2.3 軟件系統的組成計算機軟件由程序和有關的文檔組成。程序由一系列的指令按一定的結構組成。文檔是軟件開發過程中建立的技術資料。程序是軟件的主體，一般保存在存儲介質中，如軟盤、硬盤或光盤中，以便在計算機上使用。現在人們使用的計算機都配備了

34、各式各樣的軟件，軟件的功能越強，使用起來越方便。軟件可分為兩大類：一類是系統軟件，另一類是應用軟件，軟件系統組成如圖1-7所示。1系統軟件系統軟件是管理、監控和維護計算機資源的軟件，是用來擴大計算機的功能，提高計算機的工作效率，方便用戶使用計算機的軟件。系統軟件是計算機正常運轉所不可缺少的，是硬件與軟件的接口。一般情況下系統軟件分為4類：操作系統、語言處理系統、數據庫管理系統和服務程序。圖1-7 軟件系統的組成1）操作系統系統軟件的核心是操作系統。操作系統是由指揮與管理計算機系統運行的程序模板和數據結構組成的一種大型軟件系統，其功能是管理計算機的硬件資源和軟件資源，為用戶提供高效、周到的服務。

35、操作系統與硬件關系密切，是加在“裸機”上的第一層軟件，其他絕大多數軟件都是在操作系統的控制下運行的，人們也是在操作系統的支持下使用計算機的。操作系統是硬件與軟件的接口。常用的操作系統有UNIX/Xenix、MS-DOS、Windows XP、Linux和OS/2。下面簡單介紹這些操作系統的發展過程和功能特點。（1）DOS操作系統DOS最初是為IBM PC開發的操作系統，因此它對硬件平臺的要求很低。即使對于DOS 6.22這樣的高版本，在640KB內存、60MB硬盤、80286微處理器的環境下，也能正常運行。DOS操作系統是單用戶、單任務、字符界面和16位的操作系統。因此，它對于內存的

36、管理僅局限于640KB的范圍內。DOS有3種不同的品牌，它們是Microsoft公司的MS-DOS、IBM公司的PC-DOS和Novell公司的DR-DOS。這3種DOS都是兼容的，但也有一些區別。（2）Windows操作系統Windows是Microsoft公司在1985年11月發布的第一代窗口式多任務系統，它使PC機開始進入了所謂的圖形用戶界面時代。在1995年，Microsoft公司推出了Windows 95操作系統；在1998年，Microsoft公司又推出了Windows 95的改進版Windows 98。Windows 98的一個最大特點就是把Microsoft公司的In

37、ternet瀏覽器技術集成到了Windows 98里面，使得訪問Internet資源就像訪問本地硬盤一樣方便，從而更好地滿足了人們越來越多的訪問Internet資源的需求。Windows 95、Windows 98操作系統是一種單用戶、多任務、32位的操作系統。在2000年到來之際，Microsoft公司又推出了Windows 2000版本。它不僅吸取了Windows 98和Windows NT的許多精華之處，而且是Windows 98和Windows NT的更新換代產品。此后，Windows將不會再有單用戶和網絡版之分，使用戶能夠在相同操作系統中，使用相同的、友好的操作系統界面處理不同的事務

38、。Windows 2000是一個多用戶、多任務操作系統。現在，Microsoft公司又推出了Windows XP。Windows XP采用了Windows 2000的源代碼作為基礎，使其有可靠的穩定性， 繼續保持其安全性、可靠性的優點。對于網絡時代，Windows XP更受人歡迎。（3）UNIX系統UNIX系統是1969年問世的，最初是在中小型計算機上運用。最早移植到80286微機上的UNIX系統，稱為Xenix。現在Xenix已發展成十分成熟的系統，最新版本的Xenix是SCO UNIX和SCO CDT。UNIX系統的特點是短小精干、系統開銷小、運行速度快。目前主要的版本是UNIX 3.2

39、V4.2以及ODT 3.0。UNIX系統是一個受人青睞的系統。UNIX系統是一個多用戶系統，一般要求配有8MB以上的內存和較大容量的硬盤，對于高檔微機也適用。（4）OS/2系統OS/2系統正是PS/2系列機開發的一個新型多任務操作系統。OS/2克服了640KB主存的限制，具有多任務功能。1987年IBM公司在激烈的市場競爭中推出了PS/2（Personal System/2）個人計算機。PS/2系列計算機大幅度突破了現行PC機的體系，采用了與其他總線互不兼容的微通道總線MCA，并且IBM自行設計了該系統的大部分零部件，以防止其他公司的仿制。OS/2的特點是采用圖形界面，它本身是一個32位系統，

40、不僅可以處理32位OS/2系統的應用軟件，也可以運行16位DOS和 Windows軟件。OS/2系統通常要求在4MB內存和100MB硬盤或更高的硬件環境下運行。如果硬件更高檔，則系統運行就更加穩定。2）語言處理系統隨著計算機技術的發展，計算機經歷了由低級向高級發展的歷程，不同風格的計算機語言不斷出現，逐步形成了計算機語言體系。用計算機解決問題時，人們必須首先將解決該問題的方法和步驟按一定序列和規則用計算機語言描述出來，形成計算機程序，然后輸入計算機，計算機就可按人們事先設定的步驟自動地執行。語言處理系統包括機器語言、匯編語言和高級語言。這些語言處理程序除個別常駐在ROM中可獨立運行外，都必須在

41、操作系統支持下運行。（1）機器語言計算機中的數據都是用二進制表示的，機器指令也是用一串由“0”和“1”不同組合的二進制代碼表示的。機器語言是直接用機器指令作為語句與計算機交換信息的語言。不同的機器，指令的編碼不同，含有的指令條數也不同。因此，機器指令是面向機器的。指令的格式和含義是設計者規定的，一旦規定好之后，硬件邏輯電路就嚴格根據這些規定設計和制造，所以制造出的機器也只能識別這種二進制信息。用機器語言編寫的程序，計算機能識別，可直接運行，但程序容易出錯。（2）匯編語言匯編語言是由一組與機器語言指令一一對應的符號指令和簡單語法組成的。匯編語言是一種符號語言，它將難以記憶和辨認的二進制指令碼用有

42、意義的英文單詞（或縮寫）作為輔助記符，使之比機器語言編程前進了一大步。例如“ADD A，B”表示將A與B相加后存入B中，它能與機器語言指令01001001直接對應。但匯編語言與機器語言的一一對應，仍需緊密依賴硬件，程序的可移植性差。用匯編語言編寫的程序稱為匯編語言源程序。經匯編程序翻譯后得到的機器語言程序稱為目標程序。由于計算機只能識別二進制編碼的機器語言，因此無法直接執行用匯編語言縮寫的程序。匯編語言程序要由一種“翻譯”程序來將它翻譯為機器語言程序，這種翻譯程序稱為編譯程序。匯編程序是系統軟件的一部分。（3）高級語言高級語言比較接近日常用語，對機器依賴性低，是適用于各種機器的計算機語言。用機

43、器語言或匯編語言編程，因與計算機硬件直接相關，編程困難且通用性差。因此人們需創造出與具體的計算機指令無關，其表達方式更接近于被描述的問題、更易被人們掌握和書寫的語言，這就是高級語言。用高級語言編寫的程序稱為高級語言源程序，經語言處理程序翻譯后得到的機器語言程序稱為目標程序。高級語言程序必須翻譯成機器語言程序才能執行，計算機無法直接執行用高級語言編寫的程序。高級語言程序的翻譯方式有兩種：一種是編譯方式，另一種是解釋方式。相應的語言處理系統分別稱為編譯程序和解釋程序。在解釋方式下，不生成目標程序，而是對源程序按語句執行的動態順序進行逐句分析，邊翻譯邊執行，直至程序結束。在編譯方式下，源程序的執行分

44、成兩個階段：編譯階段和運行階段。通常，經過編譯后生成的目標代碼尚不能直接在操作系統下運行，還需經過連接階段為程序分配內存后才能生成真正可運行的執行程序。高級語言不再面向機器而是面向解決問題的過程以及面向現實世界的對象。大多數高級語言采用編譯方式處理，因為編譯方式執行速度快，而且一旦編譯完成后，目標程序可以脫離編譯程序獨立存在反復使用。面向過程的高級語言種類很多，比較流行的高級語言有Basic、Pascal和C語言等。某些適合于初學者的程序，如Basic語言及許多數據庫語言則采用解釋方式。1980年左右開始提出的“面向對象（Object-Oriented）”概念是相對于“面向過程”的一次革命。專

45、家們預測，面向對象的程序設計思想將成為今后程序設計語言發展的主流。如C+、Java、Visual Basic、Visual C等都是面向對象的程序設計語言。“面向對象”不僅作為一種語言，而且作為一種方法貫穿于軟件設計的各個階段。3）數據庫管理系統數據庫是將具有相互關聯的數據以一定的組織方式存儲起來，形成相關系列數據的集合。數據庫管理系統就是在具體計算機上實現數據庫技術的系統軟件。隨著計算機在信息管理領域中日益廣泛深入的應用，產生和發展了數據庫技術，隨之出現了各種數據庫管理系統（Data Base Management System，DBMS）。DBMS是計算機實現數據庫技術的系統軟件，它是用戶

46、和數據庫之間的接口，是幫助用戶建立、管理、維護和使用數據庫進行數據管理的一個軟件系統。目前已有不少商品化的數據庫管理系統軟件，例如DBase、Visual FoxPro等都是在不同的系統中獲得廣泛應用的數據庫管理系統。4）服務程序現代計算機系統提供多種服務程序，它們是面向用戶的軟件，可供用戶共享，方便用戶使用計算機和管理人員維護管理計算機。常用的服務程序有編輯程序、連接裝配程序、測試程序、診斷程序、調試程序等。（1）編輯程序（Editor）：該程序能使用戶通過簡單的操作就可以建立、修改程序或其他文件，并提供方便的編輯環境。（2）連接裝配程序（Linker）：用該程序可以把幾個分別編譯的目標程序

47、連接成一個目標程序，并且要與系統提供的庫程序相連接，才得到一個可執行程序。（3）測試程序（Checking Program）：該程序能檢查出程序中的某些錯誤，方便用戶對錯誤的排除。（4）診斷程序（Diagnostic Program）：該程序能方便用戶對計算機維護，檢測計算機硬件故障并對故障定位。（5）調試程序（Debug）：該程序能幫助用戶在程序執行的狀態下檢查源程序的錯誤，并提供在程序中設置斷點、單步跟蹤等手段。2應用軟件應用軟件是為了解決計算機各類問題而編寫的程序。它分為應用軟件包與用戶程序。它是在硬件和系統軟件的支持下，面向具體問題和具體用戶的軟件。隨著計算機應用的日益廣泛深入，各種應

48、用軟件的數量不斷增加，質量日趨完善，使用更加方便靈活，通用性越來越強。有些軟件已逐步標準化、模塊化，形成了解決某類典型問題的較通用的軟件，這些軟件稱為應用軟件包（Package）。它們通常是由專業軟件人員精心設計的，為廣大用戶提供方便、易學、易用的應用程序，幫助用戶完成各種各樣的工作。目前常用的軟件包有字處理軟件、表處理軟件、會計電算化軟件、繪圖軟件、運籌學軟件包等。（1）用戶程序用戶程序是用戶為了解決特定的具體問題而開發的軟件。充分利用計算機系統的種種現成的軟件，在系統軟件和應用軟件包的支持下可以更加方便、有效地研制用戶專用程序。如各種票務管理系統、事管理系統和財務管理系統等。這都屬于用戶程

49、序。（2）應用軟件包應用軟件包是為實現某種特殊功能，而精心設計、開發的結構嚴密的獨立系統，是一套滿足同類應用的許多用戶所需要的軟件。如Microsoft公司生產的Office 2003應用軟件包，包含Word 2003（字處理）、Excel 2003（電子表格）、PowerPoint 2003（幻燈片）等，是實現辦公自動化的很好的應用軟件包。系統軟件和應用軟件之間并不存在明顯的界限。隨著計算機技術的發展，各種各樣的應用軟件中有了許多共同的東西，把這些共同的部分抽取出來，形成一個通用軟件，它就逐漸成為系統軟件了。1.3 微機的接口1.3.1 微機接口概述接口是CPU與I/O設備的橋梁，它在CPU

50、與I/O設備之間起著信息轉換和匹配的作用。也就是說，接口電路是處理CPU與外部設備之間數據交換的緩沖器，接口電路通過總線與CPU相連。由于CPU同外部設備的工作方式、工作速度、信號類型等都不相同，必須通過接口電路的變換作用，使兩者匹配起來。1接口的作用接口就是微處理器與外部設備的連接部件（電路），它是CPU與外部設備進行信息交換的中轉站。例如，原始數據或源程序要通過接口從輸入設備進入微機，而運算結果要通過接口向輸出設備送出去，控制命令也是通過接口發出去的，這些來往的信息都是通過接口進行交換與傳遞。用戶從鍵盤輸入的信息只有通過計算機的處理才能在顯示器、打印機中顯示或打印。只有通過接口電路，軟磁盤

51、和硬盤才可以極大地擴充計算機的存儲空間。接口電路的作用，就是計算機以外的信息轉換成與計算機匹配的信息，使計算機能夠有效地傳遞和處理。由于計算機的應用越來越廣泛，要求與計算機接口的外圍設備越來越多，信息的類型也越來越復雜。微機接口本身已不是一些邏輯電路的簡單組合，而是采用硬件與軟件相結合的方法，因而接口技術是硬件和軟件的綜合技術。2總線總線是連接計算機CPU、主存儲器、輔助存儲器、各種輸入/輸出設備的一組物理信號線及其相關的控制電路，它是計算機中傳輸各部件信息的公共通道。微型計算機系統大都采用總線結構，這種結構的特點是采用一組公共的信號線作為微機各部件之間的通信線。各類外部設備和存儲器，都是通過

52、各自的接口電路連接到微機系統總線上的。因此，用戶可以根據自己的需要，選用不同類型的外部設備配置相應的接口電路，把它們連接到系統總線上，從而構成不同用途、不同規模的系統。微機系統的總線大致可分為如下幾種。（1）地址總線（Address Bus）地址總線（AB）是微機用來傳送地址的信號線。地址總線的數目決定了直接尋址的范圍，例如16根地址線，可以構成216=65536個地址，可直接尋址64KB地址空間，24根地址線可直尋址16MB地址空間。（2）數據總線（Data Bus）數據總線（DB）是微機用來傳送數據和代碼的總線，一般為雙向信號線，可以進行兩個方向的數據傳送。數據總線可以從CPU送到內存或其

53、他部件，也可以從內存或其他部件送到CPU。通常，數據總線的位數與微機的字長相等。例如，32位的CPU芯片，其數據總線也是32位。（3）控制總線（Control Bus）控制總線（CB）用來傳送控制器發出的各種控制信號。其中包括用來實現命令、狀態傳送、中斷請求、直接對存儲器存取的控制，以及提供系統使用的時鐘和復位信號等。當前微型計算機系統普遍采用總線結構的連接方式，各部分都以同一形式排在總線上，結構簡單，易于擴充。微型計算機的總線結構如圖1-8所示。圖1-8 微型計算機的總線結構1.3.2 標準接口微機中一般提供的接口有標準接口和擴展槽接口。標準接口操作系統一般都認識，插上有關的外部設備，馬上可

54、以使用，真正做到“即插即用”。在微機中標準接口一般有：鍵盤與顯示器接口，并行接口，兩個串行COM1、COM2端口，TS/2接口和USB接口等。1鍵盤與顯示器接口在微型計算機系統中，鍵盤和顯示器是必不可少的輸入/輸出設備。微機主板上提供鍵盤與顯示器的標準接口。2并行接口由于現在常用的微機系統均以并行方式處理數據，所以并行接口也是最常用的接口電路。將一個字符的n個數位用n條線同時傳輸的機制稱為并行通信。例如一次同時傳送8位、16位或32位，實現并行通信的接口就是并行接口。在實際應用中，凡在CPU與外設之間需要兩位以上信息傳送時，就要采用并行口。例如，打印機接口、A/D（Analog To Digi

55、t）、D/A（Digit To Analog）轉換器接口、開關量接口、控制設備接口等都是并行接口。并行接口具有傳輸速度快、效率高等優點，適合于數據傳輸率要求較高而傳輸距離較近的場合。3串行接口許多I/O設備與CPU交換信息，或計算機與計算機之間交換信息，是通過一對導線或通信通道來傳送信息的。這時，每一次只傳送一位信息，每一位都占據一個規定長度的時間間隔，這時數據一位一位按順序傳送的通信方式稱為串行通信，實現串行通信的接口就是串行接口。與并行通信相比，串行通信具有傳輸線少、成本低的特點，特別適合于遠距離傳送，其缺點是速度慢，若并行傳送n位數據需要時間t，則串行傳送需要的時間至少為nt。串行通信之

56、所以被廣泛采用，其中一個主要原因是可以使用現有的電話網進行信息傳送，即主要增加調制解調器，遠程通信就可以在電話線上進行。這不但降低了通信成本，而且免除了架設線路維護的繁雜工作。微機主板上提供了COM1和COM2兩個現成的串行口。早期的鼠標、終端就是連接在這種串行口上，而目前流行的PS/2鼠標是連接在主板的PS/2接口上。4USB接口通用串行總線（USB）是一種新型接口標準。隨著計算機應用的發展，外設越來越多，使得計算機本身所帶的接口不夠使用。USB可以簡單地解決這一問題，計算機只需通過一個USB接口，即可串接多種外設（如數碼相機、掃描儀等）。用戶現在經常使用的優盤（或稱閃盤）就是連接在USB接

57、口上的。1.3.3 擴展槽接口微機中一般提供的接口有標準接口和擴展槽接口。擴展槽接口操作系統一般不認識，需要安裝對應外設的驅動程序。若是同一種外部設備，在不同的操作系統中有時需要安裝不同的驅動程序，該外設才能正常工作。在微機中擴展槽接口一般有：顯示卡、聲卡、網卡、Modem卡、視頻卡、多功能卡等。在主板上一般有多個擴充插槽，用于插入各種接口板（也稱適配器）。適配器是為了驅動某種外設而設計的控制電路。通常，適配器插在主板的擴展槽內，通過總線與CPU相連。適配器一般做成電路板的形式，所以又稱“插卡”、“擴展卡”或“適配卡”。l 顯示卡適配器（顯示卡）：顯示卡是用于與顯示器的連接，如VGA卡、SVGA卡、AGP卡等，還有GetForce2和GetForce2 GTS顯示卡。l 存儲器擴充卡：存儲器擴充卡是用于擴充微機的存儲容量。l 串行通信適配器：它是用于與計算機通信有關的設備的連接，如繪圖儀等。l 多功能卡：為了簡化系統接口，多功能卡是將多種功能的電路做在一塊電路板上的復合插卡。多功能卡的品種很多，現在PC機上流行的多功能卡可以將軟盤適配器電路，硬盤適配器電路，并行打印口，串行通信口COM1、COM2，以及游戲口這五大電路集成為一個接口，稱為“超級多功能卡”。l 其他卡：例如聲卡、Modem卡、網卡、視頻卡等。1.3.4 計算機外設簡介1鍵盤鍵盤是計算機最常用的輸入設備之一。其