計算機基礎知識彳一個完整的計算機系統由硬件子系統和軟件子系統兩大部分組成,硬件包括中央處理器、存儲器、輸入設備和輸出設備,軟件包括系統軟件和應用軟件。計算機能夠處理文本、圖形、圖像、視頻、動畫和音頻等多種媒體信息,但所有信息在計算機內部都以二進制數據存在,數據以文件的形式存儲,按層次組織文件以提高文件的管理效率和存儲空間的利用率。本章對這些計算機基礎知識作簡要介紹,更詳細的系統介紹在后續有關課程中進行。3.1計算機的基本組成及工作原理計算機是一種能夠按照程序對數據進行自動處理的電子設備。這里所說的計算機是指存儲程序式電子數字計算機,組成計算機硬件的主體是電子器件和電子線路,計算機存儲和處理的是數字信息,存儲在計算機中的程序通過控制器控制計算機的信息處理工作。按字面理解,計算機就是用于計算的機器,其實最初研制計算機的目的就是為了幫助人們完成復雜的計算任務，第一臺電子計算機ENIAC就是為了計算彈道曲線而設計的。當然，現在計算機的功能已遠遠超出傳統計算的范疇,可以稱之為信息處理機。3.1.1計算機的基本組成一個完整的計算機系統包括硬件子系統和軟件子系統兩大部分。組成一臺計算機的物理設備的總稱叫做計算機硬件子系統,是看得見摸得著的實體,是計算機工作的物質基礎。驅動計算機工作的各種程序的集合稱為計算機軟件子系統,是計算機的靈魂,是控制和操作計算機工作的邏輯基礎。計算機工作時軟硬件協同配合,缺一不可。沒有高性能的軟件,就不能充分發揮硬件的作用;沒有高性能的硬件環境支持,就編寫不出高性能的軟件,即使有高性能的軟件,也無法高效運行甚至于根本無法運行。從組成計算機系統的硬件部分來看，現在使用的計算機屬于馮?諾依曼型計算機,其基本組成結構由馮?諾依曼等人在1945年完成的“關于電子計算裝置邏輯結構設計”研究報告中給出。計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個部分組成,如圖3.1所示。圖中實線為數據線,虛線為控制線和反饋線。 第3章計算機基礎知識計算機各組成部分的主要功能分別如下:?運算器(arithmeticunit.)用來完成算術運算和邏輯運算。?存儲器(memory)用來存放數據和程序。?控制器(controlunit.)用來協調與控制程序和數據的輸入、程序的執行以及運算結果的處理。控制器工作的依據是存儲在存儲器中的程序,即控制器是按程序的要求控制計算機各個部分協調一致地工作,完成程序規定的任務。?輸入設備(inputdevice)用于將數據與程序輸入計算機，常用輸入設備有鍵盤、鼠標和掃描儀等。?輸出設備(outputdevice)用于將程序執行結果輸出，常用輸出設備有顯示器、打印機和繪圖儀等。3.1.2計算機的工作原理要讓計算機完成某一任務，大體上按如下步驟進行。根據要完成任務的詳細工作步驟，編寫出相應的程序，程序由若干條指令組成，每條指令完成一個特定的小功能，其實程序就是告訴計算機如何一步一步地完成所要完成的任務。通過鍵盤等輸入設備把編好的程序輸入到計算機的存儲器中，存儲器是由大量的存儲單元組成的，輸入的程序按順序存放在若干個存儲單元中，一條指令根據其功能的不同，可能占用一個單元，也可能占用若干個單元。程序輸入到存儲器后就可以執行了，程序執行時，控制器從存儲器中讀出程序的第一條指令，然后分析該指令的功能，即該指令要求計算機做什么，根據指令的功能要求，控制器指揮計算機的其他部分完成相應的工作，如需要輸入數據，就讓鍵盤來做，如需要計算，就讓運算器來做，如需要輸出數據，就通知輸出設備來完成。一條指令執行完，控制器讀取下一條指令，按同樣的方式分析指令的功能，指揮其他部分完成指令的功能，一直到把所有的指令執行完，讓計算機完成的任務也就完成了。以上只是對計算機工作原理和工作步驟的一個非常概括的描述，隨著本課程后面內容及后續課程的介紹，對計算機的工作原理會有逐步深入的理解。3.2計算機硬件子系統計算機硬件(hardware)子系統主要包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。運算器和控制器合稱中央處理器。存儲器又分為內存儲器和外存儲器。輸入設備、輸出設備和存儲器中的外存儲器合稱外部設備或外圍設備，簡稱外設。在微型計算機中，各個組成部分通過主板和總線組織在一起，形成一個有機整體。3.2.1中央處理器基本組成和功能中央處理器(centralprocessingunit,CPU),也稱中央處理機或中央處理單元。由運算器和控制器組成，更微觀一點說，中央處理器的組成還包括寄存器(register)。運算器負責完成算術運算和邏輯運算;寄存器臨時保存將要被運算器處理的數據和處理后的結果;控制器負責從存儲器讀取指令,并對指令進行分析,然后按照指令的要求指揮各部件工作。

中央處理器是計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件,隨著大規模集成電路技術的迅速發展，芯片集成度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規模集成電路芯片，稱為微處理器(microprocessor)，微處理器就是芯片化的CPU,所以在多數場合兩者具有相同的含義。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也廣泛應用在錄像機、智能洗衣機、移動電話、汽車引擎控制、數控機床和導彈精確制導等數字化智能設備上。目前的超高速巨型計算機、大型計算機等高端計算系統也都采用大量的通用高性能微處理器建造。目前，微處理器的主要生產廠家有Intel公司、AMD公司、IBM公司等。圖3.2所示就是Intel公司的一款CPU。主要性能指標評價CPU的性能要考慮多種指標，而且不同用途的計算機，其側重面也不一樣。下面介紹針對通用計算機的主要性能指標。兼容性每種微處理器都有特定的指令集，指令集就是某款CPU能夠識別的指令集合。適用于特定CPU的機器語言必須使用該CPU的指令集。由于各微處理器都有特定的指令集，為某款CPU的計算機設計的程序在另一款CPU的計算機上可能無法運行。微處理器制造商在推出新產品時，必須認真考慮兼容性問題。如果運行在舊款CPU上的程序不用修改，就能直接在新款的CPU上運行，就稱新款CPU向下兼容舊款CPU。向下兼容有利于新型CPU及相應計算機的推廣，人們一般不會購買無法運行已有程序的計算機。因此，如今的個人計算機所使用的CPU都是向下兼容的。字長字長是指CPU一次能夠處理的數據的二進制位數，一個二進制位稱為一個比特(bit,簡記b)數，字長的大小直接反映計算機的數據處理能力，字長越長，一次可處理的二進制數據位數越多，運算速度就越快。例如，要完成兩個64位二進制數據的加法運算，32位的CPU需要做兩次加法操作，而16位的CPU需要做4次加法，如果是64位的CPU,做一次加法就可以了。當然了，字長越長，制作的技術難度就越大，成本也就越高。主頻主頻是指CPU的時鐘頻率(clockspeed),它決定了CPU每秒鐘可以有多少個指令周期，可以執行多少條指令。主頻越高，CPU的運算速度也就越快。需要說明的是，時鐘頻率并不等于處理器一秒鐘執行的指令條數,因為一條指令的執行可能需要多個指令周期。對CPU的評價，在具有兼容性的前提下，主要是看其速度，而決定其速度的主要因素是字長和主頻，主頻越高、字長越長，速度就越快，成本也越高。當然，CPU的速度還受地址總線寬度、數據總線寬度、外頻和內部緩存等因素的影響。3.2.2內存儲器存儲器分為主存儲器(mainmemory)和輔助存儲器(auxiliarymemory)，國內更習慣于分別稱為內存(內存儲器)和外存(外存儲器)。內存用于存放要執行的程序和相應的數據,外存作為內存的后援設備,存放暫時不需要執行而將來要執行的程序和相應的數據。沒有內存,程

序就不能輸入到計算機中,因而也就無法執行;沒有外存,輸入的程序及相應的數據及各種信息就不能長期保存（關機后內存中的數據會丟失）,下次用到該程序還得重新輸入。構成存儲器的存儲介質,目前主要采用半導體器件和磁性材料等,一個雙穩態半導體電路或磁性材料的存儲元,都可以存儲一個二進制位,稱為一個存儲位或一個存儲元,由若干個存儲元組成一個存儲單元,存儲器就是由很多個存儲單元組成的,每一個存儲單元有一個編號,稱為存儲單元的地址。一個存儲器中存儲單元的個數稱為該存儲器的存儲容量,存儲容量越大，存儲的信息就越多。存儲容量常用字節數來表示,個二進制位（b）組成一個字節（Byte,簡記B）,常用的度量單位有千字節（KB）、兆字節（MB）、吉字節（GB）、太字節（TB）、拍字節（PB）、艾字節（EB）、澤字節（ZB）等。其中，1ZB=1024EB,1EB=1024PB,1PB=1024TB,1TB=1024GB,1GB=1024MB,1MB=1024KB,1KB=1024B。作為計算機硬件子系統的重要組成部分,內存的設備形態有一個發展變化過程。最早的內存是以磁芯的形式排列在線路上,每個磁芯與晶體管組成一個雙穩態電路可以存儲一個二進制位的數據,一位的存儲器體積有玉米粒大小,其整體存儲容量受到很大限制。隨著集成電路的出現和不斷發展,出現了能夠焊接在主板上的集成內存芯片,提高了存儲容量。隨著CPU的發展和升級，對內存的性能提出了更高的要求，出現了內存條一-一將內存芯片焊接到事先設計好的印刷線路板上,而在計算機主板上留有相應的內存插槽,內存條可以方便地插拔和更換,為靈活配置和擴充內存容量帶來了方便。計算機中常見的內存種類主要有隨機存取存儲器只讀存儲器和高速緩存,但說到內存,更多的時候是指隨機存取存儲器。隨機存取存儲器隨機存取是相對于順序存取來說的,順序存取指一種只能按地址順序從存儲單元中讀取數據或存儲數據的訪問方式。例如,要想從5號單元中讀取數據,得依次找到0~4號單元,才能讀取5號單元中的數據。很顯然,這種存取方式的存取速度很慢。隨機存取指可以根據地址直接存取任一單元中的數據,這種存取方式的存取速度要快得多。隨機存取存儲器（randomaccessmemory,RAM）可分為靜態隨機存取存儲器（staticRAM,SRAM）和動態隨機存取存儲器（dynamicRAM,DRAM）。在通電情況下，SRAM中存儲的數據不會丟失，所以不需定時刷新,存取速度快。其不足是集成度較低體積比較大成本比較高,主要用于要求速度快但容量較小的高速緩存。DRAM存儲單元需要定時刷新，否則存儲的數據就會丟失，存取速度比較慢，但集成度高、體積小、成本低，RAM內存主要選用DRAM。圖3.3所示是一款RAM內存條。隨著計算機系統不斷要求提高對內存的存取速度,出現了同步動態隨機存取存儲器（synchronousDRAM,SDRAM）,SDRAM比標準動態存儲器具有更快的數據存取速度。在此基礎上出現了單倍數據速率SDRAM（singledatarateSDRAM,SDR-SDRAM）,簡稱SDR;雙倍數據速率SDRAM（doubledatarateSDRAM,DDR-SDRAM）,簡稱DDR;4倍數據速率SDRAM（quaddatarateSDRAM,QDR-SDRAM）,簡稱QDR。SDR在一個時鐘周期內只傳輸一次數據，它是在時鐘的上升期進行數據傳輸；DDR在一個時鐘周期內傳輸兩次數據，它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數據;QDR在一個時鐘周期內傳輸4次數據。現在用得比較多的是DDR內存。在通電的情況下，RAM中的數據能夠保持，關機或停電將導致RAM中的數據丟失。只讀存儲器與既可以向RAM中存入數據，也可以從中讀出數據不同，只讀存儲器(readonlymemory,ROM)中的數據一旦寫入，只能讀，不能改寫。ROM中的數據一般是在計算機出廠前由制造商寫入的，在停電或關機后數據也不會丟失。主要用于存放系統引導程序、開機自檢程序和系統參數等。隨著技術的進步及為了滿足現實的需要，陸續出現了多種可由用戶寫入數據的ROM。向半導體只讀存儲器寫入數據的過程稱為對ROM編程，根據編程方式的不同，半導體ROM可以分為三類：可編程只讀存儲器(programmableROM,PROM),只允許寫入數據一次，之后只能讀，不能再寫，如果寫錯，該PROM報廢；可擦可編程只讀存儲器(erasableprogrammableROM,EPROM),通過紫外線照射可以多次擦除和重寫數據，但需用紫外光長時間照射才能擦除，使用很不方便；電可擦可編程只讀存儲器(electricallyerasableprogrammableROM,EEPROM)，通過高于普通電壓的作用來擦除和重寫數據，但集成度不高，價格較貴，于是人們又開發出一種新型的存儲單元結構同EPROM相似的快閃存儲器(閃存)。快閃存儲器集成度高、功耗低、體積小,又能在線快速擦除,因而很快發展起來,已經取代了軟盤的使用。高速緩存隨著集成電路和芯片技術的不斷發展,微處理器的主頻不斷提高。內存由于容量大、尋址系統和讀寫電路復雜等原因,工作速度大大低于微處理器的工作速度,很多時間耗費在了對內存單元的讀寫上，影響了CPU性能的充分發揮，因而影響了計算機的總體性能。為了解決內存與微處理器工作速度上的矛盾,設計者們在微處理器和內存之間增設了一級容量不大、但速度很快的高速緩沖存儲器，簡稱高速緩存(cache),現在一般都把高速緩存直接集成在CPU內部。cache中存放部分正在運行的程序和數據，當CPU訪問程序和數據時，首先從cache中查找，找到則直接執行；如果所需程序和數據不在cache中，再到內存中讀取，并同時寫入cache中。因此采用cache可以提高系統的運行速度。cache一般由存取速度比較快的靜態存儲器(SRAM)構成，常用的容量為128KB、56KB、12KB。在高檔微機中為了進一步提高性能，還把cache設置成二級或三級。3.2.3外存儲器由于計算機的內存(主要是指RAM)具有易失性，必須將數據由內存傳遞給磁盤之類的永久性存儲設備才能長久保存。這類存儲器通常稱為輔助存儲器或外存儲器(外存),只要用戶需要，它們可以長期地保存大量的數據。外存主要包括軟盤、硬盤、固態硬盤、光盤和U盤等。1.軟盤1967年，IBM公司推出世界上第一張軟盤(floppydisk),直徑32英寸。4年后又推出一種直徑8英寸的軟盤,1976年8月,5.25英寸的軟盤問世,1979年索尼公司推出3.5英寸軟盤。曾得到廣泛應用的軟盤,按盤片的直徑可以分為8英寸、5.25英寸和3.5英寸,分別稱為8寸盤、5寸盤和3寸盤;按存儲信息的面數可分為單面盤和雙面盤;按存儲密度可分為單密度盤、雙密度盤和高密度盤。現在基本上已被容量更大、體積更小、攜帶更為方便的U盤取

代。圖3.4所示為3.5英寸軟盤的外觀。軟盤的結構如圖3.5所示。軟盤內部是一種表面涂覆一層均勻磁性材料的圓形盤片(圓形盤片由塑料等軟質材料做成),用于存儲信息,它被封裝在一個方形的保護套中,構成一個整體。當軟盤驅動器從軟盤中讀寫數據時,軟盤保護套被固定在軟盤驅動器中,而封套內的盤片在電機的驅動下旋轉以便磁頭進行讀寫操作。軟盤上還有一個寫保護口,位于磁盤邊角的一個方孔處,當撥動滑塊露出方孔時,磁盤處于寫保護狀態,此時只能讀出數據,不能寫入和刪除數據,也不會遭受計算機病毒的侵襲。當撥動滑塊遮住方孔時,磁盤處于非寫保護狀態,此時既可讀出又可寫入數據,當然也可能傳染上計算機病毒。軟盤存儲的數據是按一系列同心圓記錄在其表面上的,每一個同心圓稱為一個磁道(rack)。磁道從外向內依次編號為0道、道、2道 每個磁道又劃分為若干個弧段，稱為扇區，扇區是磁盤的基本存儲單位，每個扇區的存儲容量為512字節，扇區按1、2、3……的順序編號。軟盤的存儲容量=盤面數X每面磁道數X每磁道扇區數X每扇區字節數。3.5英寸雙面高密度軟盤，每面有80個磁道，每個磁道分為18個扇區，因此其存儲容量為2X80X18X512=1.44MB。使用軟盤時不要用手或物品接觸到盤片，以免盤片被劃傷或弄污;避免彎曲或擠壓軟盤，以防軟盤變形受損;軟盤要遠離磁場;存有重要數據的軟盤要處于寫保護狀態，以防誤操作或感染病毒而造成數據的丟失;對外來的軟盤，一定要經過檢查，確保沒有病毒后方可使用。軟盤的使用要有軟盤驅動器(floppydiskdriver,FDD)的配合，計算機需要通過軟盤驅動器才能夠讀寫軟盤上的數據，軟盤和軟盤驅動器是分離的，需要讀寫數據的時候，把軟盤插入軟盤驅動器，讀寫完畢，可以把軟盤取出帶走，軟盤是最早使用的移動存儲介質。在計算機網絡、移動硬盤和U盤沒有普及的年代，在不同的計算機之間復制程序和數據文件主要用的是軟盤。2.硬盤硬盤(harddisk)最早出現在1956年，由IBM公司研制，存儲容量只有5MB。1968年IBM公司推出溫徹斯特(Winchester)技術，其主要特點是密封、固定并高速旋轉的鍍磁盤片,磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸。1973年IBM公司制造出第一臺采用溫徹斯特技術的硬盤，也稱溫盤，存儲容量達到60MB。法國科學家阿爾貝?費爾(Albert.Fert,1938—)和德國科學家彼得?格林貝格爾(PeterA.Griinberg,1939—)因分別獨立發現巨磁阻效應而共同榮獲2007年度諾貝爾物理學獎。現在的硬盤體積雖小,容量卻很大,完全得益于巨磁阻效應的發現。1988年,費爾和格林貝格爾各自獨立發現了一個特殊現象:非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。那時,法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發現,微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化,其變化的幅度比通常高十幾倍,他把這種效應命名為巨磁阻(giantmagnetoresistive,GMR)效應。就在此前三個月，德國的格林貝格爾教授領導的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結構中也發現了完全相同的現象。硬盤要向小體積高密度方向發展,勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小,這就導致了每個獨立區域所能記錄的磁信號也越來越弱。借助巨磁阻效應,人們能夠制造出更加靈敏的數據讀寫頭,將越來越弱的磁信號讀出后因為電阻的巨大變化而轉換成為明顯的電流變化，使得大容量的小硬盤成為可能。1991年IBM公司生產的使用了GMR磁頭的3.5英寸硬盤的存儲容量首次達到了1GB。2()0()年，還是IBM公司，使用玻璃取代傳統的鋁作為盤片材料,這為硬盤帶來更大的平滑性及更高的堅固性,玻璃材料在高轉速時具有更高的穩定性，存儲容量達到75GB。與軟盤不同，硬盤與硬盤驅動器是封裝在一起的，所以硬盤和硬盤驅動器兩個詞有時具有相同的含義。硬盤的盤片是鋁、玻璃等硬質材料。圖3.6所示為硬盤的外觀和內部結構。一個硬盤可以有多張盤片，所有盤片按同心軸方式固定在同一軸上，每片磁盤都裝有讀寫磁頭，在控制器的統一控制下沿著磁盤表面徑向同步移動。每張盤片也與軟盤一樣按磁道、扇區來組織硬盤數據的存取。由于硬盤有多個記錄面，不同記錄面的同一磁道稱為柱面。硬盤的存儲容量=磁頭數X柱面數X每磁道扇區數X每扇區字節數。硬盤轉動時不要關閉電源;防止震動和碰撞;防止病毒對硬盤數據的破壞，應注意對重要數據的備份;未經允許嚴禁對硬盤進行低級格式化、分區和高級格式化等操作。硬盤的發展過程中，體積越來越小、容量越來越大，并出現了移動硬盤，即不用固定在機箱內部，可以通過USB等接口熱插拔的小型硬盤，主要有2.5英寸和3.5英寸兩種，存儲容量在幾十個GB到幾千個GB之間。固態硬盤固態硬盤(solidstatedisk,SSD)簡稱固盤，是用固態電子存儲芯片陣列制成的硬盤。固態硬盤的存儲介質分為兩種，一種是采用閃存作為存儲介質，另外一種是采用DRAM(動態隨機存取存儲器)作為存儲介質。基于閃存的固態硬盤是目前的主流產品，其內部主體是一塊印刷電路板(printedcircuitboard,PCB),PCB上最主要的部件是控制芯片、緩存芯片(部分低端固態硬盤沒有緩存芯片)和閃存芯片陣列。控制芯片的主要作用是合理調配數據在各個閃存 第3章計算機基礎知識A""?芯片上的存儲及對外接口,緩存芯片輔助控制芯片進行數據處理,閃存芯片陣列用于存儲數據。固態硬盤的接口、功能及使用方法與普通硬盤相同,在產品外形和尺寸上也與普通硬盤一致。相對于普通硬盤,固態硬盤的優點是讀寫速度快、防震動抗摔碰性能好、無噪音、更輕便,缺點是價格比較高、擦寫次數有限制、硬盤損壞后數據難以恢復。4.光盤光盤存儲信息的原理是很簡單的(但實現起來并不簡單),在其螺旋形的光道上,刻上能代表數字0或1的一些凹坑;讀取數據時,用激光去照射旋轉著的光盤片,從凹坑和非凹坑處得到的反射光,其強弱是不同的,根據這樣的差別就可以判斷出不同位置存儲的是0還是1,從而形成0、1數字串。常用光盤有CD、VCD和DVD等。CDCD(compactdisc)有三種格式：只讀光盤(CD-readonlymemory,CD-ROM)中的數據出廠前由生產廠家寫入，用戶只能讀出，不能改變其內容；一次寫入型光盤(CD-recordable,CD-R)剛生產出來時是無內容的，可供用戶寫入內容一次；可重復寫光盤(CD-rewriteable,CD-RW)可供用戶多次寫入內容，但不超過1000次。常用CD的存儲容量有650MB和700MB兩種。VCD光盤視頻CD(videoCD,VCD)可存儲約70分鐘的基于MPEG-標準的影視節目,CD只能播放音樂，不能播放視頻信息，VCD的存儲容量與CD相同。DVD光盤數字視頻光盤(digitalvideodisk,DVD),現在稱為數字通用光盤(digitalversatiledisk,DVD)隨著MPEG2的成熟，促使具有更高密度、更大容量的DVD光盤的產生，DVD大小和普通的CD-ROM完全一樣。它采用與普通CD相類似的制作方法，但具有更密的數據軌道、更小的凹坑和較短波長的紅激光激光器，大大增加了光盤的存儲容量。DVD定義了4種規格：單面單層、單面雙層、雙面單層和雙面雙層。容量分別是4.7GB、85GB、9.4GB和17GB。DVD有5種格式：DVD-Video用于存儲和播放電影和其他可視娛樂節目，DVD-ROM用于存儲數據,DVD-R可供用戶寫入一次數據,DVD-RAM能隨機存取并可以重寫100000次,DVD-RW采用順序存取方式并可以重寫1000次，DVDAudio用于存儲音頻數據并且比標準CD具有更好的音質。光盤要有光盤驅動器(光驅)與之配合,通過光盤驅動器來讀取和播放光盤中存儲的信息。光驅是一個結合光學、機械及電子技術的產品。在光學和電子結合方面,激光光源來自于一個激光二極管,光束首先打在光盤上,再由光盤反射回來,根據凹點和非凹點反射信號的不同識別出存儲的數據是0還是1,完成讀取數據操作。數據傳輸率是光驅的基本參數,指光驅在1秒內所能讀出的最大數據量。早期的光驅數據傳輸率為15()KB/s,稱為單倍速光驅，目前的光驅已超過了72倍速。DVD驅動器是用來讀取DVD盤上數據的設備，從外形上看和CD-ROM驅動器一樣，但DVD驅動器的讀盤速度更快。DVD的技術核心是MPEG2標準，MPEG2標準的圖像格式共有11種組合，DVD采用的是其中“主要等級”的圖像格式，使其圖像質量達到廣播級水平(最高質量水平)。DVD驅動器也完全兼容現在流行的VCD、CD-ROM和CD-R。但是普通的光驅卻不能讀DVD光盤。5.U盤U盤是USB盤的簡稱，通過USB接口與計算機相連。通用串行總線(universalserialbus,USB),是一個外部總線標準，用于規范個人計算機與外部設備的連接和通信，1994年底由Intel、康柏、IBM、微軟等多家公司聯合提出，現在已經發展到3.0版本，成為目前個人計算機的標準擴展接口。USB具有傳輸速度快(USB3.0達到640MB每秒)、使用方便、支持熱插拔和連接靈活等優點，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、U盤、手機、數碼相機、移動硬盤、外置軟驅、外置光驅、USB網卡和ADSL調制解調器等幾乎所有的外部設備。U盤具有體積小、存儲容量大和價格便宜等優點，是目前人們最常用的移動存儲設備，存儲容量從早期的16MB、64MB、128MB、256MB、512MB,發展到目前常用的4GB、8GB、16GB等，還會陸續推出容量更大的U盤。對于安裝有Windows2000以上版本的Windows操作系統或蘋果操作系統的計算機，將U盤直接插到機箱前面板或后面板的USB接口上，系統就會自動識別,使用很方便。U盤是一種基于閃存(flashmemory)技術的移動存儲設備，閃存用快可擦可編程只讀存儲器芯片(flasherasableprogrammablereadonlymemorychip,FlashEPROM芯片)來存儲數據。FlashEPROM芯片可分為主要用于程序存儲和執行的NOR結構和主要用于數據存儲的NAND結構，NOR閃存適用于手機和個人數字助理等，NAND閃存適用于制作各種閃存卡(flashcard)和U盤等。與傳統的電磁存儲技術相比有許多優點，閃存技術在存儲信息的過程中沒有機械運動,使得它的運行非常的穩定,從而提高了它的抗震性能,使其成為目前所有存儲設備中最不怕震動的設備;不存在類似軟盤、硬盤和光盤等存儲設備中高速旋轉的盤片,所以它的體積往往可以做得很小。目前閃存技術廣泛應用于數碼相機、數碼攝像機、手機、個人數字助理的各種閃存卡，小型閃存(compactflash,CF)卡、智慧(smartmedia,SM)卡、記憶棒(memorystick,MS)、xD圖像卡(xD-Picturecard,xD卡)、多媒體卡(multiMediacard,MMC卡)和安全數字卡(securedigital,SD卡)都是基于閃存技術的存儲設備。MMC卡)和安全數字卡(securedigital,SD卡)都是基于閃存技術的存儲設備。衡量存儲器的指標主要有存取速度、存儲容量和單位價格,為計算機配置存儲器就是在三者之間達到綜合最優。可以按照圖3.7所示的結構配置存儲系統,即存取速度快、單位價格高的存儲器容量小一些,存取速度慢、單位價格低的存儲器容量大一些這樣,既能保證較好地完成程序執行和數據存儲工作,又能有較低的價格。3.2.4輸入設備存取速度高速緩存內存儲器外存儲器存儲容最圖3.7存儲器結構單位價格給計算機輸入程序、數據和圖片等要用輸入設備,目前常用的輸入設備有鍵盤、鼠標和掃描儀等,比較常用的輸入設備有跟蹤球和觸摸屏等。1.鍵盤鍵盤(keyboard)是最常用也是最主要的輸入設備，通過鍵盤，可以將英文字母、數字和標點符號等輸入到計算機中,也可以輸入漢字。通過鍵盤這種輸入設備,可以向計算機輸入數據,也可以輸入命令控制計算機的運行。在DOS作為主流操作系統的時代，83鍵的鍵盤為主流產品。隨著Windows取代DOS 第3章計算機基礎知識穢刈成為主流操作系統,83鍵鍵盤被101鍵和104鍵鍵盤取代。在104鍵鍵盤之后出現的是新興多媒體鍵盤,在傳統的鍵盤基礎上又增加了不少常用快捷鍵或音量調節裝置,對于收發電子郵件、打開瀏覽器和啟動多媒體播放器等都只需要按一個特殊按鍵即可,使微型機的操作進一步簡化。2.鼠標隨著圖形界面的Windows成為主流操作系統，鼠標(mouse,形狀像一只老鼠而得名)也成為了微型機常用的輸入設備,鼠標的使用給人們操作各種圖形界面軟件帶來了極大的方便,省卻了記憶各種操作命令的煩擾。鼠標的發明人是美國著名計算機科學家道格拉斯?恩格爾巴特(DouglasEngelbart,1925—2013),恩格爾巴特獲得1992年度的IEEE-CS計算機先驅獎和1997年度的ACM圖靈獎。常見的鼠標類型有機械式、光電式和無線遙控式。機械式鼠標內有一個實心橡皮球,當鼠標移動時,橡皮球滾動,通過相應裝置將移動的信號傳送給計算機。光電式鼠標的內部有紅外光發射和接收裝置,它利用光的反射來確定鼠標的移動,是目前常用的一種鼠標。無線遙控式鼠標又可分為紅外無線型鼠標和電波無線型鼠標。鼠標上一般有兩個按鍵,左鍵用作確定操作,右鍵用作彈出菜單等特殊功能。現在人們使用的滾輪鼠標,是在原有兩鍵鼠標的基礎上增加了一個滾輪鍵,它擁有特殊的滑動和放大功能,手指輕輕滑動滾輪就可以使頁面上下翻動,對于翻頁比較多的操作非常有效。常見的鼠標接口有串口、PS/2接口和USB接口等，現在主要用的是USB接口的鼠標。3.掃描儀掃描儀(scanner)是一種將圖像信息輸入計算機的輸入設備，它將大面積的圖像分割成條或塊,逐條或逐塊依次掃描,利用光電轉換元件轉換成數字信號并輸入計算機。利用掃描儀可以輸入圖像和圖片,也可以輸入文字。例如,要輸入一本書的內容,可以一頁一頁地掃描,形成圖像信息,再通過合適的軟件把每一個字切分識別出來進行存儲,和用鍵盤輸入的效果是一樣的,但速度要快很多,錯誤率也很低。4.跟蹤球跟蹤球(trackball)看上去像一個倒置的鼠標，功能類似于鼠標。跟蹤球常被附加在或內置于鍵盤上,特別是筆記本鍵盤上。其主要的優點是它比鼠標需要的桌面空間要小,用手指觸摸跟蹤球就可完成相應的鼠標操作。5.觸摸屏觸摸屏(touchscreen)是一種用手指或筆觸及屏幕上所顯示的選項來完成指定操作的人機交互式輸入設備。觸摸屏由三個部分組成,一是傳感器,把人手或筆觸及的地方檢測出來;二是控制卡,觸及信號經過模數轉換器形成位置數據,經接口送入計算機;三是驅動程序,即相應的管理軟件。觸摸屏是平板電腦的主要輸入設備,觸摸屏還廣泛應用于手機、自動售票、交通信息查詢、旅游景點介紹等設備上,極大地方便了用戶操作。此外,還有數碼相機、數碼攝像頭、語音識別器、光筆和游戲操縱桿等輸入設備。3.2.5輸出設備計算機處理信息的結果要輸出，常用的輸出設備有顯示器、打印機、3D打印機和繪圖儀等。1.顯示器顯示器(displaydevice)用來顯示字符與圖形圖像信息，是計算機必配的輸出設備。常用的顯示器有CRT顯示器和液晶顯示器，早期臺式計算機主要配置CRT顯示器，液晶顯示器剛出現時主要是供筆記本計算機使用，但近幾年臺式計算機使用液晶顯示器也越來越多，基本上取代了CRT顯示器。CRT顯示器是一種使用陰極射線管(cathoderaytube,CRT)的顯示器，其基本原理是使用電子槍發射高速電子，經過垂直和水平的偏轉線圈控制高速電子的偏轉角度，最后高速電子擊打屏幕上的熒光物質使其發光，通過電壓來調節電子束的功率，就會在屏幕上形成明暗不同的光點以顯示各種圖形和文字。彩色屏幕上的每一個像素點都由紅、綠、藍三種涂料組合而成，由三束電子束分別激活這三種顏色的熒光涂料，以不同強度的電子束調節三種顏色的明暗程度就可得到所需的顏色。液晶顯示器(liquidcrystaldisplay,LCD)是在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。LCD顯示器具有體積小、重量輕、省電、無閃爍和不產生輻射等優點。顯示器還有發光二極管顯示器(lightemittingdiode,LED)和等離子體顯示器(plasmadisplaypanel,PDP)等。顯示器要通過顯示適配器(videoadapter)才能與主機相連,顯示適配器是連接微處理器與顯示器的接口電路，一般做成插卡的形式，所以人們習慣于稱其為顯示卡或顯卡(videocard)。顯卡主要由顯示芯片、顯示內存、RAMDAC芯片、顯卡BIOS和連接主板總線的接口組成。顯示芯片是顯卡的核心部件，現在常用的顯卡都具有圖像處理功能，3D圖形加速卡將圖像處理任務集中在顯卡內，使CPU可以有更多時間完成其他工作，能夠提高整個計算機系統的運行速度。顯示內存用來存放顯示芯片處理后的數據,其容量和存取速度影響著顯卡的整體性能,對顯示器的分辨率及色彩的位數也有影響。RAMDAC芯片將顯示內存中的數字信號轉換成能在顯示器上顯示的模擬信號,其轉換速度影響著顯卡的刷新頻率和最大分辨率,DAC是數模轉換(digitaltoanalogconverter)的簡稱。顯卡BIOS中存放顯示芯片的控制程序，同時還存放有顯卡的名稱和型號等信息。總線接口是顯卡與總線的通信接口，實現顯示器與主機的連接與通信，近幾年使用較多的是外設部件互連(peripheralcomponentinterconnect,PCI)接口、PCIExpress(PCIE)接口和圖形加速端口(accelerategraphicalport.,AGP)接口。曾經使用過的顯卡主要有如下幾種:MDA(monochromedisplayadapter)，單色字符顯示卡。CGA(colorgraphicsadapter)，彩色圖形顯示卡。EGA(enhancedgraphicsadapter),增強圖形顯示卡。VGA(videographicsarray)，視頻圖形陣列顯示卡。SVGA(superVGA)，超級視頻圖形陣列顯示卡。EGA(extendedgraphicsarray),增強圖形陣列顯示卡。2.打印機打印機(printer)也是一種常用的輸出設備，用于將計算機運行結果打印在紙上。利用打印機不僅可以打印文字,也可以打印圖形和圖像。打印機按工作方式可分為擊打式打印機和非擊打式打印機。目前常用的打印機有針式打印機、激光打印機和噴墨打印機,其中針式打印 第3章計算機基礎知識?機屬于擊打式打印機,激光打印機和噴墨打印機屬于非擊打式打印機。針式打印機也稱點陣式打印機,打印頭上有若干根打印針,打印時相應的打印針撞擊色帶來完成打印工作,常用的是24針打印機。針式打印機的優點是價格低,打印成本低;缺點是打印速度慢,打印質量低,噪音大。曾經在辦公領域流行過好長一段時間,隨著激光打印機價格的不斷降低,逐漸被淘汰。現在只有在銀行、超市和郵局等需要多聯票據打印的地方還在使用。噴墨打印機的打印頭上有許多小噴嘴,使用液體墨水,精細的小噴嘴將墨水噴到紙面上來產生字符或圖像等要打印的內容。噴墨打印機的優點是價格便宜,打印精度較高,噪音低;缺點是墨水消耗量大,打印速度慢。彩色噴墨打印機比較適合于打印量不大的家庭與辦公場所使用。激光打印機采用激光和電子放電技術,通過靜電潛像,再用碳粉使潛像變成粉像,加熱后碳粉固定,最后印出內容。激光打印機的優點是打印精度高,噪音低,打印速度快;缺點是對打印紙的要求較高。隨著其價格的不斷降低,黑白激光打印機已成為辦公與家庭用的主流打印機。選用打印機可以從打印分辨率、打印速度和打印紙最大尺寸等方面綜合考慮。3D打印機3D打印(Dprinting)其實是一種快速成形技術，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀塑料、樹脂、陶瓷、金屬等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體。每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成形的區域噴灑一層液態粘合劑，然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到粘合劑會迅速固化粘結，這樣在一層液態粘合劑一層粉末的交替下，實物被逐漸打印成形。也可以采用基于激光燒結技術的打印方式:按形狀先噴灑一層粉末，然后通過激光高溫燒結后，再噴灑一層粉末，再通過激光高溫燒結，層層累加，打印出實物。基于3D打印技術，完成3D打印工作的設備稱為3D打印機(Dprinter)。最早的3D打印機出現在20世紀80年代，近幾年得到廣泛關注和快速發展。從長遠來看，3D打印將會沖擊基于車床、鉆頭、沖壓機、制模機等工具的傳統制造業，但從目前看，由于受到打印材料、打印性能、打印成本和打印速度等因素的制約，主要還是用于產品模型、設計樣品、玩具、裝飾品等的打印，還難以規模化打印實用產品。繪圖儀繪圖儀(plotter)是一種能在紙張、薄膜和膠片等記錄介質上繪出計算機生成的各種圖形或圖像的設備。繪圖儀的種類很多，按結構和工作原理可以分為滾筒式和平臺式兩大類。繪圖儀除了必要的硬件設備之外，還必須配備豐富的繪圖軟件。只有軟件與硬件結合起來，才能實現自動繪圖。現代的繪圖儀已具有智能化的功能，它自身帶有微處理器，可以使用繪圖命令，具有直線和字符演算處理以及自檢測等功能。326'主板從前面的介紹可知，組成一臺微型機需要微處理器、內存、硬盤、光盤驅動器、鍵盤、鼠標、顯示器和打印機等各種部件和設備，這些部件需要以適當的方式有機地連接起來，彼此之間相互通信、協調工作。微型機研制人員以主板和總線的方式把這些部件組織在一起，通過主板上的插槽和接口，將各種部件連接在一起，通過總線來實現各部件之間的相互通信。這種方式有利于計算機結構和計算機組裝的標準化。主板(mainboard)也稱為系統板(systemboard)或母板(motherboard)，是微型機最基本的也是最重要的部件之一,是其他部件組裝和工作的基礎。主板的主要功能有兩個:一是提供插接微處理器、內存條和各種功能卡的插槽,部分主板甚至將一些功能卡(如顯卡和聲卡等)集成在主板上；二是為各種常用外部設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、掃描儀、硬盤和U盤等提供通用接口。主板采用了開放式結構,主板上大都有6~8個擴展插槽,供外部設備的控制卡(適配器)插接。通過更換這些插卡,可以對微型機的相應子系統進行局部升級,使廠家和用戶在配置機型方面有更大的靈活性。主板的類型和檔次決定著整個微型機系統的類型和檔次,主板的性能影響著整個微型機系統的性能。主板由芯片、擴展槽和對外接口三個主要部分組成。芯片部分芯片組：橫跨AGP插槽左右兩邊的兩塊芯片就是南北橋芯片。北橋芯片主要負責CPU、內存和顯卡三者間的通信。南橋芯片則負責硬盤等存儲設備和PCI總線接口之間的通信。南北橋芯片合稱芯片組。RAID控制芯片：相當于一塊RAID卡的作用，可支持多個硬盤組成各種RAID模式。RAID是redundantarrayofindependentdisk的縮寫,中文含義是獨立冗余磁盤陣列。使用冗余磁盤陣列技術的目的是為了把多臺小容量的硬盤組合成一臺大容量的硬盤，以降低大批量數據存儲的成本，同時也希望采用冗余信息的方式，使得磁盤失效時能夠有效保護數據不受損失，具有一定的數據保護功能，并且能適當地提高數據傳輸速度。BIOS芯片：基本輸入輸出系統(basicinput./outputsystem,BIOS)芯片保存著計算機系統中的基本輸入輸出程序、系統設置信息、自檢程序和系統啟動自舉程序等。現在主板的BIOS還具有電源管理、CPU參數調整、系統監控和病毒防護等功能。BIOS為計算機提供最基本、最直接的硬件控制功能。早期的BIOS通常采用PROM芯片，用戶不能改寫其中的數據，即不能更新BIOS中的程序版本。目前主板上的BIOS芯片采用快閃只讀存儲器(lashROM)。由于快閃只讀存儲器可以電擦除，因此可以更新BIOS的內容，升級比較方便，但也成為主板上唯一可被病毒攻擊的芯片，CIH病毒就是專門攻擊BIOS系統的,BIOS中的程序一旦被破壞,主板將不能工作,需要到原生產廠家重新寫入正確的BIOS程序。CMOS芯片：互補金屬氧化物半導體(complementarymetaloxidesemiconductor,CMOS)芯片用來存放系統硬件配置和一些用戶設定的參數，如計算機是從硬盤啟動還是從光盤啟動等。參數丟失,系統將不能正常啟動,必須對其重新設置。設置方法是系統啟動時按設置鍵(通常是Del鍵)進入BIOS設置窗口，在窗口內進行CMOS的設置。CMOS開機時由系統電源供電，關機時靠主板上的電池供電。在電池正常工作的前提下，即使關機,CMOS中的數據也不會丟失。擴展槽部分內存插槽：通過該插槽可以更換或加插內存條,以擴充內存容量,但要注意內存條與插槽的匹配。AGP插槽：位于北橋芯片和PCI插槽之間。AGP插槽主要針對圖形顯示進行優化，在PCIExpress出現之前，AGP顯卡較為流行，其傳輸速度最高可達到每秒2.1GB。PCI插槽：可以插接聲卡、網卡和多功能卡等設備。PCIExpress插槽：隨著3D性能要求的不斷提高，AGP已越來越不能滿足視頻處理帶寬 第3章計算機基礎知識吃坯的要求,目前主流主板上顯卡接口多轉向PCIExpress。對外接口部分硬盤接口：硬盤接口可分為IDE接口和SATA接口。在型號老些的主板上，一般集成2個集成設備電路(integrateddeviceelectronics,IDE)口，可以插接兩個IDE硬盤。而新型主板上，IDE接口代之以SATA接口。串行高級技術附件(serialadvancedtechnologyattachment,SATA)接口是一種基于行業標準的串行硬件驅動器接口，主要用作硬盤接口，提高了硬盤的讀寫速度。COM接口(串口)：大多數主板都提供兩個COM接口，分別為COM1和COM2,作用是連接串行接口鼠標和外置modem等設備。早期臺式機多使用串行接口鼠標。PS/2接口：用于連接PS/2接口的鍵盤和鼠標。USB接口：USB接口是現在最為流行的接口，可以接鍵盤、鼠標和打印機等設備，最大可以支持127個外設。USB接口支持熱拔插,真正做到了即插即用。LPT接口(并口)：一般用來連接打印機或掃描儀。MIDI接口：聲卡的MIDI接口和游戲桿接口是共用的。接口中的兩個針腳用來傳送MIDI信號，可連接各種MIDI設備等。3.2.7總線計算機系統中功能部件必須互連，但如果將各部件和每一種外部設備都分別用一組線路與微處理器直接連接，那么連線將會錯綜復雜，難以實現。為了簡化和標準化系統結構，常用一組線路，配以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組多個功能部件共享的信息傳輸線稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，使用統一的總線標準，不同設備間互連將更容易實現。所謂總線(bus)，是指將信息從一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線，是計算機中傳輸數據的公共通道。微型機中總線一般有內部總線、系統總線和外部總線之分。內部總線指芯片內部連接各元件的總線。系統總線指連接微處理器、存儲器和各種輸入輸出模塊等主要部件的總線。外部總線則是微型機和外部設備之間的總線。系統總線根據傳送信息內容的不同，分為數據總線、地址總線和控制總線。數據總線(databus,DB)：用于微處理器與內存、微處理器與輸入輸出接口之間傳送信息。數據總線的寬度(根數)決定著每次能同時傳輸信息的位數。因此數據總線的寬度是決定計算機性能的一個重要指標。目前，微型計算機的數據總線大多是32位或64位。地址總線(addressbus,AB)：從內存單元或輸入輸出端口中讀出數據或寫入數據，首先要知道內存單元或輸入輸出端口的地址，地址總線就是用來傳送這些地址信息的。地址總線的寬度決定了微處理器能訪問的內存空間大小，若某款微處理器有32根地址線，則最多能訪問4GB(232B)的內存空間。控制總線(controlbus,CB):用于傳輸控制信息，進而控制對內存和輸入輸出設備的訪問。曾經使用過和正在使用的總線標準有如下幾種：ISA總線ISA(industrialstandardarchitecture)總線是IBM公司在1984年為推出PC/AT機而建立的,所以也叫AT總線。數據總線的寬度為16位,地址總線的寬度為20位,最大傳輸速率為16MB每秒。EISA總線EISA(extendedindustrialstandardarchitecture)總線是1988年由康柏等9家公司聯合推出的，它是在ISA總線的基礎上發展起來的高性能總線。EISA總線完全兼容ISA總線信號，數據總線和地址總線都是32位，最大傳輸速率為33MB每秒。VESA總線VESA(videoelectronicsstandardassociation)總線定義了32位數據總線，且可擴展到64位，最大傳輸速率達132MB每秒。VESA總線可與微處理器同步工作，是一種高速、高效的局部總線。PCI總線PCI(peripheralcomponentinterconnect.)總線是當前流行的總線之一。它是由Intel公司推出的一種局部總線，它定義了32位數據總線，且可擴展為64位，32位的傳輸速率可達132MB每秒，64位的傳輸速率為264MB每秒，可同時支持多組外部設備。PCI總線是面向奔騰等微處理器的總線。至此,對計算機硬件的各基本組成部分作了一個簡要介紹。對于選購臺式計算機,可以直接購買品牌機,或購買部件組裝。對于直接購買品牌機,根據自己的需要,只要在品牌、性能和價格之間做出一個綜合比較就可以決定購買哪一款了。如果是組裝計算機,就要認真選擇主板、CPU、內存條、硬盤、光驅、鍵盤、顯示器、鼠標、電源和機箱等，如果需要還要選擇打印機、掃描儀等。要注意各部件在廠家、檔次和型號上的匹配,否則在使用時容易出現故障。當然,初次購買計算機時,最好是在有經驗人員的指導下進行。實際上,作為計算機來說,只有硬件是不夠的,還需要有相應的軟件,才能讓計算機運行起來,才能充分發揮硬件的作用。一般我們在購買計算機時,商家會預裝一些常用的軟件,如操作系統(Windows)、字處理軟件(Word)、電子表格軟件(Excel)等，更多的軟件,則要根據使用計算機時的實際需要自行安裝。3.3計算機軟件子系統只有硬件的計算機是不能完成任何工作的，在硬件的基礎上，配置合適的軟件，才能充分發揮計算機的整體功能，硬件是計算機的軀體，軟件是計算機的靈魂。軟件(software)一詞源于程序，在計算機發展的初期，只有程序這個概念，程序是完成一定功能的指令或語句的集合。20世紀60年代初，隨著計算機硬件技術的發展和計算機應用的深入，需要計算機解決的問題越來越復雜，編寫的程序規模越來越大，傳統的強調依靠個人編程技巧的編程方式越來越難以保證較大規模程序的質量，為解決這個問題，人們開始重視程序編寫的過程化管理，在編寫程序的同時，把編寫程序過程中的需求分析、系統設計、系統測試等文檔資料也規范化并保存下來，軟件就是程序及其相關的文檔，有了這些規范化的文檔資料，程序出現錯誤后，能夠比較快地發現和改正，從而在一定程度上保證了程序的質量。在進行較大規模的軟件開發時，區分軟件和程序的不同含義是必要的，一般情況下，軟件和程序兩個概念可以等同使用。軟件通常分為系統軟件(systemsoftware)和應用軟件(applicationsoftware)。系統軟件 第3章計算機基礎知識也廈靠近硬件層,其功能主要是管理計算機軟硬件資源,與具體應用領域無關,為應用軟件提供一些基本的、共同的功能支持。應用軟件在系統軟件的支持下,用于解決特定領域的具體問題。例如,操作系統和數據庫管理系統都是系統軟件,并不能解決什么具體應用問題,學生成績管理系統是應用軟件,能夠完成學生成績的輸入、修改、查詢和統計等功能,但學生管理系統這個應用軟件要在操作系統和數據庫管理系統的支持下才能運行,才能完成相應的功能。3.3.1系統軟件系統軟件主要包括操作系統、語言翻譯程序和數據庫管理系統等。操作系統操作系統是最靠近硬件的軟件,能否充分發揮計算機硬件的性能,操作系統起著非常重要的作用,使用者能否方便地操作使用計算機,操作系統同樣發揮著重要作用。從微型機到超級計算機都必須在其硬件平臺上加載相應的操作系統之后,才能構成一個完整的、功能強大的計算機系統。只有在操作系統的指揮控制下,各種計算機資源才能得到合理分配與高效使用;也只有在操作系統的支持下,其他系統軟件和各種應用軟件才能開發和運行。如果沒有高性能的操作系統的支持,整個計算機系統的性能都會受到嚴重影響。操作系統（operatingsystem,OS）可定義為有效地組織和管理計算機系統中的硬件和軟件資源,合理地組織計算機工作流程,控制程序的執行,并向用戶提供多種服務功能及友好界面,方便用戶使用計算機的系統軟件。簡單地說就是管理計算機資源、控制程序執行、提供多種服務和方便用戶使用。操作系統具有處理器管理、存儲器管理、設備管理、文件管理和網絡與通信管理等功能。此外,為了方便用戶使用操作系統,還需向用戶提供一個使用方便的用戶接口。目前,常用的操作系統是Windows、UNIX和Linux。語言翻譯程序編寫程序（軟件）需要合適的程序設計語言,從1946年現代計算機誕生到現在,程序設計語言大體經歷了機器語言、匯編語言和高級語言三個階段。在機器語言中,用二進制代碼表示指令和數據,記憶指令困難,編寫程序困難,修改程序更困難,很難編寫出功能較為復雜的程序。用機器語言編寫程序的優點是,程序能夠直接在計算機上執行。為此,人們相繼發明了匯編語言和高級語言。匯編語言用類似于英文單詞的形式表示指令和數據;高級語言用英文單詞表示語句,用類似數學公式方式表示運算表達式,用十進制形式表示數據。匯編語言和高級語言的出現（特別是高級語言的出現）,給語言學習和程序設計帶來了極大的方便。但是,用匯編語言或高級語言編寫出的源程序,計算機并不能直接執行,需要翻譯成功能等價的機器語言程序才能執行。這種翻譯工作如果手工完成,工作量非常大,也容易出錯,人們開發了相應的翻譯程序,用于匯編語言源程序的翻譯程序叫匯編程序,用于高級語言源程序的翻譯程序叫編譯程序,各種匯編程序和編譯程序都屬于系統軟件,借助于這樣的系統軟件,才能使用匯編語言或高級語言編寫、執行解決實際問題的應用軟件。例如，安裝C語言編譯程序后，就能在其提供的環境下編寫和運行C語言程序，完成所需要的功能。目前常用的高級語言有C、C++、C#和Java等。數據庫管理系統計算機應用面最廣的一個領域是信息管理,信息管理的關鍵技術是數據庫技術,把信息存入數據庫中并編寫相應的數據庫應用程序是開發信息管理系統的主要工作。如果沒有數據庫管理系統提供支持環境,數據庫的建立及數據庫應用程序的開發是很困難的,甚至無法實現。數據庫管理系統是一個幫助人們建立數據庫和開發數據庫應用程序的系統軟件,有了這個系統軟件的支持,建立數據庫變得容易了,開發數據庫應用程序也變得容易了。開發的數據庫應用程序就是一個應用軟件。目前常用的數據庫管理系統有Oracle公司的Oracle、微軟公司的SQLServer和IBM公司的DB2等。3.3.2應用軟件應用軟件用于解決實際問題,可以將應用軟件分為通用應用軟件和專用應用軟件。通用軟件可以為多個行業和領域的人們使用，完成各自的任務，如辦公軟件中的Excel就是一個通用的應用軟件。教師可以用Excel處理學生考試成績，財務人員可以用Excel處理賬目報表，銀行職員可以用Excel計算存款利息等。專用軟件只供某個行業或某些人使用，如火車票售票軟件只能用于火車站或售票點售賣火車票使用。具體來說,應用軟件包括軟件開發環境、辦公軟件、輔助設計軟件、多媒體制作軟件、網頁制作軟件、網絡通信軟件、工具軟件和實際應用軟件等,前7種屬于通用軟件,最后一種屬于專用軟件。軟件開發環境軟件開發環境(softwaredevelopmentenvironment.,SDE)指在基本硬件和基礎軟件的基礎上,為支持系統軟件和應用軟件的工程化開發與維護而使用的一組軟件。它由軟件工具和環境集成機制構成,前者用以支持軟件開發的相關過程、活動和任務,后者為工具集成和軟件的開發、維護及管理提供統一的支持。在軟件開發環境的支持下,能夠有效地保證完成大型軟件的分析、設計、測試等工作,從而保證軟件開發的質量和效率。Rational系列軟件是軟件開發環境的代表。辦公軟件用于人們日常辦公用的系列軟件,主要包括字處理軟件、電子表格軟件和演示文稿制作軟件等,對人們日常辦公起到了非常好的輔助作用。目前,比較常用的有MicrosoftOfice和WPSOffice,前者是微軟公司的產品，后者是金山公司的產品。輔助設計軟件計算機輔助設計是計算機的一個重要應用領域,計算機輔助設計已廣泛應用于機械、汽車、電子、建筑和服裝等行業,對提高這些行業的工作效率起了非常重要的作用。常用的輔助設計軟件有AutoCAD和Potel等。AutoCAD用于機械、汽車、建筑和服裝等行業的輔助設計,提供了豐富的繪圖和圖形編輯功能，便于進行二次開發。Potel是一個專門用于各種電子線路設計的軟件,具有原理圖設計、印刷電路板設計、層次原理圖設計、電路仿真及邏輯器件設計等功能。多媒體制作軟件目前,多媒體技術得到了廣泛應用,制作多媒體系統也是一個重要的應用領域,用于圖形、圖像、視頻、音頻、動畫及多媒體素材合成的軟件有Photoshop、VideoStudio.SoundForge、3DSMAX、Authware和Flash等。網頁制作軟件常見的網頁制作軟件有Front和Dreamweaver。Front是Microsott.Office中的一個軟件。Dreamweaver是Macromedia公司開發的一個專業的開發、編輯與維護Web網頁的工具;它是一個“所見即所得”式的網頁編輯器,不僅提供了可視化網頁開發工具,同時又不會降低對HTML源代碼的控制；它能讓用戶準確無誤地切換于預覽模式與源代碼編輯器之間。Dreamweaver是一個針對專業網頁開發者的可視化網頁設計工具。網絡通信軟件網絡通信軟件的主要功能是瀏覽WWW、收發電子郵件(E-mail)和即時通信。常用的瀏覽器軟件有InternetExplorer(E)、Opera和Mozilla的Firefox等，常用的收發電子郵件軟件有Outlook、Foxmail等，常用的即時通信軟件有MSN、QQ等。工具軟件計算機中常用的工具軟件很多，主要有壓縮解壓縮軟件(WinRAR、WinZip等)；殺毒軟件(瑞星殺毒軟件、江民殺毒軟件和金山毒霸等);翻譯軟件(金山詞霸、東方快車等);多媒體播放軟件(金山影霸、暴風影音等)；圖片瀏覽軟件(ACDSee)等。實際應用軟件針對各行各業及大大小小的單位開發的滿足實際需要的軟件，如機場航空管制系統、教學管理系統、人事管理系統、稅務管理系統和保險管理系統等。這些軟件可以委托軟件公司開發，也可以由使用單位自行開發。3.4數據表示計算機的功能就是進行數據處理(信息處理)，目前的計算機，不僅能處理數值型數據，還能處理非數值型數據，包括英文字符、漢字、圖像、音頻和視頻等多種媒體數據。數據在計算機中的表示與存儲是數據處理的基礎。3.4.1計算機中的數制基本概念按進位的原則進行計數稱為進位計數制，簡稱“數制”日常生活中，人們習慣于用十進制進行計數。但在計算機內部，為了便于數據的表示和計算，采用二進制計數方法。二進制數在計算機中易于表示(只有0和1兩種形式)、易于存儲，但二進制數的一個很大缺點是表示一個數所需多位，人們閱讀、書寫、記憶等不太方便。例如十進制數(1000)10，用二進制數表示則需要10位二進制數字(1111101000)2。為了便于人們閱讀和書寫，在編寫程序時，也經常使用十進制數、八進制數和十六進制數。不同數制有不同的基數和位權。基數每種數制中數碼的個數稱為該數制的基數。例如，二進制中只有兩個數碼(0和1)，其基數為2，計算時逢2進1;十進制中有10個數碼(0~9)，其基數為10，計算時逢10進1。位權在每種數制中，一個數碼所處位置的不同，代表的數值大小也不同，稱為具有不同的位權。例如，十進制數9999，最左邊的9代表9千，最右邊的9代表9個。這就是說，該數從右向左的位權依次是個(100)、十(101)、百(102)和千(103)。在編寫程序時，根據需要，可以用二進制、十進制、八進制或十六進制來表示數據，但在計

算機內部,只能以二進制形式表示和存儲數據。所以計算機在運行程序時,經常需要先把其他進制轉換成二進制再進行處理,處理結果(二進制形式)在輸出前再轉換成其他進制,以方便用戶閱讀和使用。表3.1給出了常用計數制的基數和所需要的數碼,表3.2給出了常用計數制的表示方法。表3.1常用數制的基數和數碼數 制基 數數 碼二進制20八進制80234567十進制10023456789十六進制16023456789ABCDEF表3.2常用數制的表示方法十進制數二進制數八進制數十六進制數000101121102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010書寫規則為了便于區分各種數制的數據,常采用如下方法進行書寫:(1)在數字后面加寫相應的英文字母作為標識,這種方式便于計算機識別。B(binay)表示二進制數，二進制數的101可寫成101B。O(octonary)表示八進制數，八進制數的101可寫成101O或101Q(由于字母O與數字0容易混淆，常用Q代替O)D(decimal)表示十進制數，十進制數的101可寫成101D(D可省略)。H(hexadecimal)表示十六進制數，十六進制數101可寫成101H。(2)在括號外面加數字下標，這種方式便于人工閱讀。(101)2表示二進制數的101。(101)8表示八進制數的101。(101)10表示十進制數的101,十進制數可省略下標。(101)16表示十六進制數的101。各種數制相互轉換二進制數轉換成十進制數,按權展開相加即可。二進制數轉換成八進制數,以小數點為界,分別向左向右分成3位一組,不夠3位補0,分完組后對應成八進制數。二進制數轉換成十六進制數,以小數點為界,分別向左向右分成4位一組,不夠4位補0,對應成十六進制數。【例3.1】把二進制數(1011001.10111)2轉換成十進制、八進制和十六進制數。2=1X26+1X24+1X23+1X20+1X21+1X23+1X24+1X25=64+16+8+1+0.5+0.125+0.0625+0.03125=(89.71875)102=(001011001.101110)=(131.56)82=(01011001.10111000)2=(59.B8)16十進制數轉換成二進制數,先把十進制數分解成若干個數相加,每個數都是2的若干次冪,然后對應成二進制數。八進制數轉換成二進制數,每一個八進制位展開成3個二進制位即可。十六進制數轉換成二進制數,每一個十六進制位展開成4個二進制位即可。【例3.2】把十進制數(98.75)0、八進制數(276.15)和十六進制數(3AC.1E)分別轉換成二進制數。(98.75)10=64+32+2+0.5+0.25=(1100010.11)2(276.15)8=(010111110.001101)2=(10111110.001101)2(3AC.1E)16=(001110101100.00011110)2=(1110101100.0001111)23.4.2數值型數據的表示對于無符號的整型數值型數據,無論用何種進制書寫,都可以按一定規則轉換成二進制形式在計算機內部表示和存儲。任何符號在計算機內部都只能以二進制形式表示,包括帶符號數中的正、負號及小數中的小數點都以二進制形式表示。在計算機內部將數值型數據全面、完整地表示成一個二進制數(機器數),應該考慮三個因素:機器數的范圍、機器數的符號和機器數中小數點的位置。機器數的范圍機器數的表示范圍由CPU中的寄存器決定。如果使用的是16位的寄存器，則字長為16位,一個無符號整數的最大值是(1111111111111111)2=(65535)10,機器數的范圍為0~65535。也就是說,對于16位寄存器,只能表示0~65535之間的無符號整數,超過65535的數要用多個寄存器表示。對于帶符號數,8位寄存器的表示范圍是-128~+127,16位寄存器的表示范圍是-32768~+32767。機器數的符號在計算機內部,任何數據(符號)都只能用二進制的兩個數碼0和1來表示。帶符號數的表示也是如此,除了用0和1組成的數字串來表示數值的絕對值大小外,其正負號也必須用0和1來表示。通常規定最高位為符號位,并用0表示正,用1表示負。在一個字長為8位的計算機中,數據的表示如圖3.8所示。最高位“7為符號位d6?do為數值位。這種把符號數字化，并和數值位一起編碼的方法,有效地解決了帶符號數的表示及計算問題,通常有原碼、反碼和補碼三種不同的具體表示形式,補碼比較容易實現帶符號數的算術運算。【例3.3】°求十進制數+57和-57的原碼、反碼和補碼。無符號十進制數57的二進制形式為111001。+57的原碼表示為00111001（正數的原碼最高位為0,數值位補足7位）。-57的原碼表示為10111001（負數的原碼最高位為1,數值位補足7位）。+57的反碼表示為00111001（正數的反碼與其原碼相同）。-57的反碼表示為11000110（負數的反碼,符號位不變,數值位為原碼數值位取反）。+57的補碼表示為00111001（正數的補碼與其原碼相同）。-57的補碼表示為11000111（負數的補碼在其反碼的末位加1）。定點數和浮點數在計算機內部表示小數點比較困難,人們把小數點的位置用隱含的方式表示。隱含的小數點位置可以是固定的,也可以是變動的,前者稱為定點數,后者稱為浮點數。1）定點數在定點數中,小數點的位置一旦確定,就不再改變。定點數中又有定點整數和定點小數之分。小數點的位置約定在最低位的右邊,用來表示定點整數。小數點的位置約定在符號位之后,用來表示小于1的定點小數。【例3.4】°設計算機的字長為16位,用定點整數表示387。因為387=（110000011）2,所以計算機內表示形式如圖3.9所示。0000000110000011符號位 數值部分 小數點位置圖3.9°計算機內的定點整數【例3.5】°用定點小數表示0.625。因為0.625=（0.101）2,其計算機內表示形式如圖3.10所示。01010000000000001 V 符號位小數點位置 數值部分圖3.10°計算機內的定點小數

2）浮點數如果要處理的數既有整數,也有小數,則難以用定點數表示。對此人們采用浮點數的表示方式,即小數點位置不固定。將十進制數758.2、-75.82、0.07582、-0.007582用指數形式表示,它們分別可以表示為0.7582X1（0、一0.7582XI02、0.7582X101.-0.7582X102。可以看出,在原數據中無論小數點前后各有幾位數,它們都可以用一個純小數（稱為尾數,有正負之分）與10的整數次冪（稱為階碼,也有正負之分）的乘積形式來表示,這就是浮點數的表示法。同理，一個二進制數N也可以表示為N=±SX2±P。其中的N、P、S均為二進制數。S稱為N的尾數，即全部的有效數字（數值小于1）S前面的士是尾數的符號；P稱為N的階碼（通常是整數），即指明小數點的實際位置,P前面的士是階碼的符號。階符階碼尾符尾碼圖3.11圖3.11浮點數的表示形式所示。占一位,階碼是定點整數,占一位,階碼是定點整數,階碼的位數決定了所表示的浮點數的范圍,尾數是定點小數,尾數的位數決定了浮點數的精度。階碼和尾數都可以用補碼表示。在字長有限的情況下,浮點數表示方法既能擴大數的表示范圍