計算機基礎(chǔ)知識

.第1章計算機基礎(chǔ)知識1.1 計算機與信息社會電子計算機是20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，隨著計算機科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用的普及，計算機已經(jīng)融入人們的生活，成為人們?nèi)粘Ｉ?、工作、學(xué)習(xí)中不可缺少的一個基本工具?！?1 世紀(jì)是以計算機為基礎(chǔ)的信息時代”，掌握以計算機為核心的信息技術(shù)基礎(chǔ)知識和應(yīng)用能力是現(xiàn)代大學(xué)生必備的基本素質(zhì)。1.1.1 計算機的發(fā)展一般認(rèn)為，世界上第一臺數(shù)字式電子計算機誕生于1946 年2 月，它是由美國賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家莫克利(J.Mauchly)和工程師?？颂?J.P.Eckert)等人共同開發(fā)的電子數(shù)值積分計算機(Electronic Numerical Integrator And Calculator，簡稱ENIAC)。ENIAC 體積非常龐大，其占地面積為170 平方米，總重量達30 噸，如圖1-1 所示。機器中約有18 800 只電子管、1 500 個繼電器、70 000 只電阻以及其他各種電氣元件，每小時耗電量約為140 千瓦。這樣一臺“巨大”的計算機每秒鐘可以進行5 000 次加減運算，相當(dāng)于手工計算的20 萬倍、機電式計算機的1000 倍。這臺計算機的功能雖然無法與今天的計算機相比，但它的誕生卻是科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上一次意義重大的事件，展現(xiàn)出新技術(shù)革命的曙光。圖1-1 ENIAC(電子數(shù)值積分計算機)ENIAC 雖是第一臺正式投入運行的電子計算機，但它卻并不具備現(xiàn)代計算機“存儲程序” 2 大學(xué)計算機基礎(chǔ)的思想。由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠彈性化，導(dǎo)致對它的每一次再編程都意味著電氣物理線路的再連接。ENIAC 的開發(fā)小組針對其缺陷又進一步完善了設(shè)計。1946 年6 月，馮諾依曼博士發(fā)表了“電子計算機裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探”論文，并設(shè)計出第一臺“存儲程序”的離散變量自動電子計算機(The Electronic Discrete Variable Automatic Computer，簡稱EDVAC)，于1952年正式投入運行，其運算速度是ENIAC 的240 倍。馮諾依曼提出的EDVAC 計算機結(jié)構(gòu)為人們普遍接受，并成為當(dāng)今所有計算機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。1. 計算機的發(fā)展歷程ENIAC 誕生至今半個多世紀(jì)以來，計算機獲得了突飛猛進的發(fā)展。人們依據(jù)計算機性能和當(dāng)時的軟硬件技術(shù)，將計算機的發(fā)展劃分成以下四個階段，如表1-1 所示。表1-1 計算機發(fā)展的四個階段年代第一代19461957第二代19581964第三代19651970第四代1971現(xiàn)在電子器件 電子管 晶體管 集成電路 大規(guī)模集成電路存儲器延遲線、 磁芯、磁鼓磁帶、紙帶磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導(dǎo)體存儲器磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導(dǎo)體存儲器磁帶、磁盤光盤處理方式機器語言匯編語言監(jiān)控程序高級語言實時處理操作系統(tǒng)實時/分時處理網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 科學(xué)計算科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理過程控制科學(xué)計算系統(tǒng)設(shè)計等科技工程領(lǐng)域各行各業(yè)運算速度 5000至3 萬次/秒 幾十萬至百萬次/秒百萬至幾百萬次/秒幾百萬至千億次/秒典型機種ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC從20 世紀(jì)80 年代開始，日本、美國以及歐盟都相繼開展了對新一代計算機的研究。新一代計算機是把信息采集、存儲、處理、通信和人工智能結(jié)合在一起的計算機系統(tǒng)，它不僅能進行一般的信息處理，而且能面向知識處理，具有形式推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋能力，能幫助人類開拓未知的領(lǐng)域和獲取新的知識。2. 計算機的發(fā)展趨勢計算機技術(shù)一直保持著高速發(fā)展的趨勢，在21 世紀(jì)，將會不斷地有越來越多被世人矚目的新產(chǎn)品研發(fā)出來，計算機的發(fā)展越來越向功能巨型化、體積微型化、資源網(wǎng)絡(luò)化和處理智能化方向發(fā)展。第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 3 (1) 功能巨型化功能巨型化是指具有高速運算能力、大存儲容量和強功能的巨型計算機。其運算能力一般在每秒百億次以上、內(nèi)存容量在幾百兆字節(jié)以上。巨型計算機主要用于尖端科學(xué)技術(shù)和軍事國防系統(tǒng)的研究開發(fā)。(2) 體積微型化微型計算機已應(yīng)用于不同種類的小型儀器設(shè)備，作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實現(xiàn)“智能化”是微型計算機的特點。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更優(yōu)的性價比受到人們的歡迎。(3) 資源網(wǎng)絡(luò)化資源網(wǎng)絡(luò)化是指利用通信技術(shù)和計算機技術(shù)，把分布在不同地點的計算機互聯(lián)起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，以達到所有用戶都可共享軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源的目的?，F(xiàn)在，計算機網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。目前開發(fā)的三網(wǎng)合一系統(tǒng)工程，便是將計算機網(wǎng)、電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)合為一體。將來人們通過網(wǎng)絡(luò)能更好地傳送數(shù)據(jù)、文本資料、聲音、圖形和圖像，用戶可隨時隨地在全世界范圍撥打可視電話或收看任意國家的電視和電影。(4) 處理智能化處理智能化是計算機發(fā)展的一個重要方向，新一代計算機，將可以模擬人的感覺行為和思維過程的機理，進行“看”、“聽”、“說”、“想”、“做”，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力。展望未來，計算機的發(fā)展必然要經(jīng)歷很多新的突破。從目前的發(fā)展趨勢來看，未來的計算機將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和電子仿生技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。第一臺超高速全光數(shù)字計算機，已由歐盟的英國、法國、德國、意大利和比利時等國的70 多名科學(xué)家和工程師合作研制成功，光子計算機的運算速度比電子計算機快1000 倍。在不久的將來，超導(dǎo)計算機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機等全新的計算機也會誕生。屆時計算機將發(fā)展到一個更高、更先進的水平。3. 計算機的分類計算機發(fā)展到今天，已是琳瑯滿目、種類繁多，并表現(xiàn)出各自不同的特點。可以從不同的角度對計算機進行分類。(1) 按數(shù)據(jù)類型分類電子計算機可以分為數(shù)字計算機、模擬計算機和數(shù)?；旌嫌嬎銠C三種。在數(shù)字計算機中，所處理的數(shù)據(jù)都是以“0”、“1”數(shù)字代碼的數(shù)據(jù)形式來表示，這些數(shù)據(jù)在時間上是離散的，稱為數(shù)字量，經(jīng)過算術(shù)與邏輯運算后仍以數(shù)字量的形式輸出；在模擬計算機中，要處理的數(shù)據(jù)都是以電壓或電流量等的大小來表示，這些數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的，稱為模擬量，處理后仍以連續(xù)的數(shù)據(jù)(圖形或圖表形式)輸出；在混合計算機中，要處理的數(shù)據(jù)用數(shù)字與模擬兩種數(shù)據(jù)形式混合表示，它既能處理數(shù)字量，又能處理模擬量，并具有在數(shù)字量和模擬量之間相互轉(zhuǎn)換的能力。目前的電子計算機絕大多數(shù)都是數(shù)字計算機。 4 大學(xué)計算機基礎(chǔ)(2) 按元件分類電子計算機可以分為電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機和大規(guī)模集成電路計算機等。隨著計算機的發(fā)展，電子元件也在不斷更新，將來的計算機將發(fā)展成為利用超導(dǎo)電子元件的超導(dǎo)計算機，利用光學(xué)器件及光路代替電子器件電路的光學(xué)計算機，利用某些有機化合物作為元件的生物計算機等。(3) 按規(guī)模分類電子計算機可以分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機等?！耙?guī)模”主要是指計算機所配置的設(shè)備數(shù)量、輸入輸出量、存儲量和處理速度等多方面的綜合規(guī)模能力。(4) 按用途分類電子計算機可以分為通用計算機和專用計算機兩種。通用計算機的用途廣泛，可以完成不同的應(yīng)用任務(wù)，個人計算機就是典型的通用計算機；專用計算機是為完成某些特定任務(wù)而專門設(shè)計研制的計算機，用途單純，結(jié)構(gòu)較簡單，工作效率也較高，像銀行取款機、電信資費查詢機、MP3 下載機等都屬于專用計算機。1.1.2 信息與信息技術(shù)1. 信息及信息技術(shù)的概念(1) 信息信息是無處不在的，信息既是對各種事物的變化和特征的反映，又是事物之間相互作用和聯(lián)系的表現(xiàn)特征。信息可以通過語言、文字、圖像、聲音、視頻、動畫等多種形式表現(xiàn)。一般來說，我們可以從信息的含義、表現(xiàn)形式、載體這三個方面來認(rèn)識信息。一句話，通過各種渠道知道的內(nèi)容或消息都通稱信息。(2) 信息技術(shù)隨著信息技術(shù)(Information Technology，簡稱IT)的發(fā)展，其內(nèi)涵在不斷變化，因此目前還沒有統(tǒng)一的定義?？梢赃@樣說，凡是能擴展人的信息功能的技術(shù)，都是信息技術(shù)。它主要是指利用電子計算機和現(xiàn)代通信手段實現(xiàn)獲取信息、傳遞信息、存儲信息、處理信息、顯示信息、分配信息等的相關(guān)技術(shù)。2. 信息技術(shù)的內(nèi)容一般來說，信息技術(shù)包含 3 個層次的內(nèi)容：信息基礎(chǔ)技術(shù)、信息系統(tǒng)技術(shù)和信息應(yīng)用技術(shù)。信息基礎(chǔ)技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，包括新材料、新能源、新器件的開發(fā)和制造技術(shù)。近幾十年來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、對信息技術(shù)以及整個高科技領(lǐng)域影響最大的是微電子技術(shù)和光電技術(shù)。信息系統(tǒng)技術(shù)是指與信息的獲取、傳輸、處理、控制的設(shè)備和系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)。感測技術(shù)、通信技術(shù)、計算機與智能技術(shù)、控制技術(shù)是它的核心支撐技術(shù)。信息應(yīng)用技術(shù)是為滿足各種實用目的，如信息管理、信息控制、信息決策而發(fā)展起來的具體的技術(shù)群，如企業(yè)的自動化、辦公自動化、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)等，它們是信息第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 5 技術(shù)開發(fā)的根本目的所在。3. 信息技術(shù)的特征有人將計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特征數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化、智能化、虛擬化，當(dāng)作信息技術(shù)的特征。我們認(rèn)為，信息技術(shù)的特征應(yīng)從如下兩方面來理解： 信息技術(shù)具有技術(shù)的一般特征技術(shù)性。具體表現(xiàn)為：方法的科學(xué)性，工具設(shè)備的先進性，技能的熟練性，經(jīng)驗的豐富性，作用過程的快捷性，功能的高效性等。 信息技術(shù)具有區(qū)別于其他技術(shù)的特征信息性。具體表現(xiàn)為：信息技術(shù)的服務(wù)主體是信息，核心功能是提高信息處理與利用的效率、效益。決定信息技術(shù)的信息特性還有普遍性、客觀性、相對性、動態(tài)性、共享性、可變換性等特性。1.1.3 計算機在信息社會的應(yīng)用計算機的應(yīng)用十分廣泛，目前已滲透到人類活動的各個領(lǐng)域，國防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通運輸、文化教育、政府部門、服務(wù)等各行各業(yè)都在廣泛地應(yīng)用計算機來解決各種實際問題。歸納起來，目前計算機主要應(yīng)用在以下幾個方面：1. 科學(xué)計算(數(shù)值計算)科學(xué)計算是計算機最早應(yīng)用的領(lǐng)域，所解決的大都是一些十分復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。科學(xué)計算的特點是計算公式復(fù)雜，計算量大和數(shù)值變化范圍大，原始數(shù)據(jù)相應(yīng)較少。這類問題只有具有高速運算和信息存儲能力，以及高精度的計算機系統(tǒng)才能完成。例如數(shù)學(xué)、物理、天文學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究以及航天飛船、飛機設(shè)計、天氣預(yù)報、地質(zhì)探礦等方面的大量計算都可以使用計算機來完成。2. 數(shù)據(jù)處理(信息處理)數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。它是目前計算機應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)處理的特點是原始數(shù)據(jù)多，時間性強，計算公式相應(yīng)比較簡單。例如財務(wù)管理、物資管理、市場預(yù)測等工作。目前，在數(shù)據(jù)處理方面已進一步形成事務(wù)處理系統(tǒng)(TPS)、辦公自動化系統(tǒng)(OAS)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(EDI)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)等應(yīng)用系統(tǒng)。3. 過程控制(實時控制)過程控制是利用計算機及時采集檢測數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對控制對象進行自動調(diào)節(jié)或自動控制。采用計算機進行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以提高控制的及時性和準(zhǔn)確性，從而改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。因此，計算機過程控制已在機械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等部門得到廣泛的應(yīng)用。4. 計算機輔助技術(shù)CAI(計算機輔助教學(xué))是指在計算機輔助下進行的各種教學(xué)活動，以對話方式與學(xué)生討論教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)進程、進行教學(xué)訓(xùn)練的方法與技術(shù)。 6 大學(xué)計算機基礎(chǔ)CAD(計算機輔助設(shè)計)是指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。CAM(計算機輔助制造)是指在機械制造業(yè)中，利用電子數(shù)字計算機通過各種數(shù)值控制機床和設(shè)備，自動完成離散產(chǎn)品的加工、裝配、檢測和包裝等制造過程。5. 人工智能(智能模擬)人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)是計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解和圖像識別等?，F(xiàn)在，人工智能的研究已取得不少成果，有些已開始走向?qū)嵱秒A段。例如，能模擬高水平醫(yī)學(xué)專家進行疾病診療的專家系統(tǒng)，具有一定思維能力的智能機器人等。6. 電子商務(wù)電子商務(wù)(Electronic Commerce，簡稱EC)是在互聯(lián)網(wǎng)開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，基于瀏覽器/服_務(wù)器(B/S)應(yīng)用方式，實現(xiàn)消費者的網(wǎng)上購物、商戶之間的網(wǎng)上交易和在線電子支付的一種新型的商業(yè)運營模式。電子商務(wù)涵蓋的范圍很廣，泛指通過網(wǎng)絡(luò)進行的交易或信息交換，像網(wǎng)絡(luò)購物、公司間的賬務(wù)支付或電子公文通信等均為電子商務(wù)的重要環(huán)節(jié)；一般可分為企業(yè)對企業(yè)(B2B)和企業(yè)對消費者(B2C)兩種。隨著國內(nèi)Internet 用戶的增加，利用Internet 進行網(wǎng)絡(luò)購物并以信用卡付款的消費方式已漸流行。1.2 計算機系統(tǒng)一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成?，F(xiàn)在的計算機已發(fā)展成一個龐大的家族，其中的每個成員，盡管在規(guī)模、性能、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等方面存在著很大差別，但是它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的，如圖1-2 所示。計算機軟件硬件主機外部設(shè)備外部存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備中央處理器內(nèi)部存儲器運算器控制器操作系統(tǒng)支撐軟件編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件圖 1-2 計算機系統(tǒng)的組成第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 7 1.2.1 計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)是指計算機系統(tǒng)中由電子、機械、磁性和光電元件組成的各種計算機部件和設(shè)備，是看得見、摸得著的。構(gòu)成計算機硬件系統(tǒng)的通常有“5 大件”：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲器、運算器和控制器。它們之間的關(guān)系如圖 1-3 所示。其中，細(xì)線箭頭表示由控制器發(fā)出的控制信息流向，粗線箭頭表示數(shù)據(jù)信息流向。這種計算機組成結(jié)構(gòu)也就是馮諾依曼結(jié)構(gòu)。時至今日，我們使用的計算機不管機型大小，都屬于這種結(jié)構(gòu)。圖 1-3 馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機計算機5 大硬件部件的基本功能為：1. 運算器運算器的主要功能是完成各種算術(shù)運算和邏輯運算，能做加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運算，也能做比較、判斷、查找等邏輯運算。2. 控制器控制器是計算機的指揮中心，負(fù)責(zé)決定執(zhí)行程序的順序，給出執(zhí)行指令時機器各部件需要的操作控制命令。運算器和控制器集成在一起，稱中央處理器(Central Processing Unit)，即CPU。3. 存儲器存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲器按其在計算機中的作用可分為主存儲器、輔助存儲器和高速緩沖存儲器。中央處理器能直接訪問的存儲器稱為內(nèi)存儲器(也稱主存)，包括高速緩沖存儲器和主存儲器。中央處理器不能直接訪問外存儲器，外存儲器的信息必須調(diào)入內(nèi)存儲器后才能由中央處理器進行處理。所以，內(nèi)存的存取速度比外存快。相對輔存而言，內(nèi)存的存取速度快，但容量較小，且價格較高。輔存的特點是存儲容量大，價格低，但存取速度較慢，由于輔存設(shè)置在主機外部，故又稱為外存。常用的外存是磁盤、光盤、U 盤。高速緩沖存儲器(Cache)是為了解決CPU 和主存之間速度匹配問題而設(shè)置的。如圖 1-4所示，它是介于CPU 與M2 之間的小容量存儲器，但存取速度比主存快。有了高速緩沖存儲器，就能高速地向CPU 提供指令和數(shù)據(jù)，從而加快程序執(zhí)行的速度。 8 大學(xué)計算機基礎(chǔ)CPU中央處理器M1CacheM2主存M3外存圖1-4 CPU 與存儲器系統(tǒng)的關(guān)系主存儲器可分為兩類：一類是隨機存取存儲器(Random Access Memory，RAM)，用于存放現(xiàn)場程序和數(shù)據(jù)，RAM 中的內(nèi)容可隨時按地址進行存取。因為RAM中的信息是由電路的狀態(tài)表示的，所以斷電后信息一般會立即丟失。為此，在錄入和編輯過程中應(yīng)經(jīng)常存盤，避免因故障或斷電造成信息丟失。另一類是只讀存儲器(Read Only Memory，ROM)，其特點是用戶在使用時只能進行讀操作，不能進行寫操作，存儲單元中的信息由 ROM 制造廠商在生產(chǎn)時寫入，也可由用戶根據(jù)需要一次性寫入，ROM 中的信息關(guān)機后不會消失。計算機的BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))軟件就存放在ROM 內(nèi)。存儲器容量是指存儲器中最多可存放的二進制數(shù)據(jù)的總和，其基本單位是字節(jié)(Byte，B)，每個字節(jié)包含8 個二進制位(bit)。一般用KB(千字節(jié))、MB(兆字節(jié))或GB(吉字節(jié))作為存儲容量的計量單位，它們之間的關(guān)系是：1KB1024 B210 B1MB1024 KB220 B1GB1024 MB230 B1TB1024 GB240 B4. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備是用來輸入計算程序和原始數(shù)據(jù)的設(shè)備。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、圖形掃描儀、鼠標(biāo)器、磁盤驅(qū)動器、攝像頭、觸摸屏等。5. 輸出設(shè)備輸出設(shè)備是用來將計算機工作的中間結(jié)果及處理后的結(jié)果進行呈現(xiàn)的設(shè)備。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、數(shù)字繪圖儀等。1.2.2 計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件是指計算機系統(tǒng)中的程序及其文檔。程序是計算任務(wù)的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。計算機軟件總體分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。1. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)計算機及其外部設(shè)備、支持應(yīng)用軟件開發(fā)及運行的軟件。一般包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、系統(tǒng)支持軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 9 1) 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(Operating System，簡稱OS)是管理計算機硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)是一個龐大的管理控制程序，大致包括5 個方面的管理功能：進程與處理機管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理。目前微機上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、Linux、Windows、Netware 等。2) 語言處理程序語言處理程序一般是由匯編程序、編譯程序、解釋程序和相應(yīng)的操作程序等組成，是為用戶設(shè)計的編程服務(wù)軟件，作用是將高級語言源程序翻譯成計算機能識別的目標(biāo)程序。3) 系統(tǒng)支持軟件系統(tǒng)支持軟件是支持編制和維護其他軟件的軟件，是為了對計算機系統(tǒng)進行測試、診斷和排除故障，進行文件的編輯、傳送、裝配、顯示、調(diào)試，以及進行計算機病毒檢測、防治等的程序，是軟件開發(fā)過程中進行管理和實施而使用的軟件工具。例如各種開發(fā)調(diào)試工具軟件、編譯程序、連接程序、計算機工具軟件、診斷測試軟件、病毒防治軟件等。4) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Data Base Management System ，簡稱 DBMS)是對數(shù)據(jù)庫中的資源進行統(tǒng)一管理和控制的軟件，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，是進行數(shù)據(jù)處理的有利工具。目前，被廣泛使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有FoxPro、SQL Server、Sybase、Oracle 等。2. 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為計算機在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用而開發(fā)的專用軟件。應(yīng)用軟件由各種應(yīng)用系統(tǒng)、軟件包和用戶程序組成。各種應(yīng)用系統(tǒng)和軟件包是提供給用戶使用的針對某一類應(yīng)用而開發(fā)的獨立軟件系統(tǒng)，例如科學(xué)計算軟件包(IMSL 等)、文字處理系統(tǒng)(Word 等)、辦公自動化系統(tǒng)(OAS)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)(CAD)等。應(yīng)用軟件不同于系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件是利用計算機本身的邏輯功能，合理地組織用戶使用計算機的硬軟件資源，以充分利用計算機的資源，最大限度地發(fā)揮計算機的性能，便于用戶使用、管理；而應(yīng)用軟件是用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件，為解決自身的、特定的實際問題而編制的程序和文檔。組成計算機系統(tǒng)的硬件和軟件是相輔相成的兩個部分。硬件是組成計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件則是對硬件功能的擴充與完善。離開硬件，軟件無處棲身，也無法工作。沒有軟件的支持，硬件僅是一堆廢鐵。如果把硬件比作計算機系統(tǒng)的軀體，那么軟件就是計算機系統(tǒng)的靈魂，有軀體而無靈魂是僵尸，有靈魂而無軀體則是幽靈。計算機硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的關(guān)系如圖1-5 所示。 10 大學(xué)計算機基礎(chǔ)計算機硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序、支持軟件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件用戶圖1-5 計算機硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的關(guān)系目前，通常說的計算機一般都包括硬件和軟件兩個部分，而把不包括軟件的計算機稱為“裸機”。1.2.3 計算機的工作原理計算機的工作原理是存儲程序和程序控制。為了完成某種任務(wù)，人們要明確計算機完成任務(wù)的基本操作順序，然后用計算機可以識別的指令來編排完成任務(wù)的操作順序，這個操作順序就是程序，把程序和原始數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備輸送到計算機的內(nèi)存儲器中，計算機即可按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成任務(wù)。這一原理最初是由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼于1945 年提出來的，故稱為馮諾依曼原理。下面通過人腦解題的過程來理解計算機的工作原理。1. 人腦解題計算機的工作過程和人的計算數(shù)字過程較相似。在學(xué)習(xí)計算機怎樣工作之前，讓我們先來看一看人是如何完成計算工作的。例：計算5+8-4=？首先，通過眼睛或耳朵將題目送入人腦。在這之前，我們已經(jīng)把運算法則和解題步驟記在大腦中。大腦根據(jù)運算法則，按照一定的步驟進行運算。先算出5+8 的結(jié)果，再減去4，最后得出結(jié)果為9，然后用手將結(jié)果寫在紙上，這樣就完成了解題任務(wù)。2. 計算機的解題步驟當(dāng)在鍵盤上鍵入“5+8-4”的算式時，控制器先通知輸入設(shè)備(鍵盤)接收這個算式，再指揮將這個算式送到存儲器里記錄下來，控制器根據(jù)這個算式的內(nèi)容命令運算器進行計算，得出的運算結(jié)果也讓存儲器先存起來，控制器再發(fā)命令讓輸出設(shè)備(顯示器)把計算結(jié)果在屏幕上顯示出來。由上我們可以得出計算機是如下這樣工作的，如圖1-6 所示： 由輸入設(shè)備將計算的算式輸入計算機。第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 11 由運算器對存儲器中的算式進行處理。 把存儲器中的最終結(jié)果送到輸出設(shè)備上。程序和原始數(shù)據(jù) 計算結(jié)果圖1-6 計算機工作原理示意圖1.3 數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)據(jù)是計算機處理的對象。這里的“數(shù)據(jù)”含義非常廣泛，包括數(shù)值、文字、圖形、圖像、視頻等各種數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部一律采用二進制表示。為什么要用二進制？二進制并不符合人們的習(xí)慣，但是計算機內(nèi)部仍采用二進制表示信息，主要原因有以下4 點：1. 電路簡單計算機由邏輯電路組成，邏輯電路通常只有兩個狀態(tài)。例如，開關(guān)的接通與斷開、晶體管的飽和與截止、電壓電平的高與低等。這兩種狀態(tài)正好用來表示二進制數(shù)的兩個數(shù)碼 0 和l。2. 工作可靠兩個狀態(tài)代表的兩個數(shù)碼，在數(shù)字傳輸和處理中不容易出錯，因而電路更加可靠。3. 簡化運算二進制運算法則簡單。例如，求積運算法則只有3 個。而十進制的運算法則(九九乘法表)對人來說雖習(xí)以為常，但是讓機器去實現(xiàn)就是另一回事了。4. 邏輯性強計算機的工作是建立在邏輯運算基礎(chǔ)上的，邏輯代數(shù)是邏輯運算的理論依據(jù)。有兩個數(shù)碼，正好代表邏輯代數(shù)中的“真”與“假”。不管是人還是計算機，都可以進行計算，那么，計算機是如何進行計算的，又是采用何種規(guī)則與人們慣用的“十進制”進行轉(zhuǎn)換的呢？ 12 大學(xué)計算機基礎(chǔ)1.3.1 進位計數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換1. 幾種常用的進位計數(shù)制進位計數(shù)制很多，這里主要介紹與計算機技術(shù)有關(guān)的 4 種常用的進位計數(shù)制。1) 十進制十進位計數(shù)制簡稱十進制。十進制數(shù)的特點是“逢十進一”，任意一個十進制數(shù)都可用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 這10 個數(shù)字符號組成的字符串來表示，這些數(shù)字符號稱為數(shù)碼，數(shù)碼處于不同的位置將代表不同的數(shù)值。例如： 10 (169.6) = 1102 + 6101 + 9100 + 6 101 (1)由試(1)可歸納出，任意一個十進制數(shù)K，都可表示成如下形式：(K)10Kn-110n-1Kn-210n-2K1101K0100K-110-1K-210-2K-m+110-m+1K-m10-m式中的 K 為數(shù)碼，取值范圍為09；N 為整數(shù)位個數(shù)，M 為小數(shù)位個數(shù)，10 為基數(shù)，10n-1、10n-2、101、100、10-1、10-m 是十進制數(shù)的位權(quán)。在計算機中，一般用十進制數(shù)作為數(shù)據(jù)的輸入和輸出。2) 二進制計算機內(nèi)部使用的是二進制數(shù)，二進制數(shù)的特點是只有兩個數(shù)碼符號0 和1，運算規(guī)則是逢二進一。例如： 3 2 1 0 12 (1010.1) =1 2 + 02 +1 2 + 0 2 +1 2 (2)將(2)式與(1)式比較，便會發(fā)現(xiàn)二進制數(shù)的基數(shù)為“2”，而不是“10”。相應(yīng)的位權(quán)也發(fā)生了變化，不是104、103、102、101、100，而是24、23、22、21、20。3) 八進制由于二進制數(shù)太長，不便記憶，因而在計算機中還經(jīng)常使用八進制數(shù)和十六進制數(shù)。八進制數(shù)的特點是逢八進一，每一個八進制數(shù)都由0-7 這8 個數(shù)碼來表示。4) 十六進制十六進制數(shù)的特點是逢十六進一，每一個十六進制數(shù)都是由0-9，10 個數(shù)碼再加上A、B、C、D、E、F 這6 個字母來表示，A-F 分別對應(yīng)10-15 這6 個數(shù)。計算機中常用的幾種進位計數(shù)制如表1-2 所示。表1-2 計算機中的進位計數(shù)制進位制 基 數(shù) 基本符號 權(quán) 形式表示二進制 2 0，1 21 B八進制 8 0，1，2，3，4，5，6，7 81 O十進制 10 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 101 D十六進制 16 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F(xiàn) 161 H第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 13 2. 不同進位制數(shù)間的轉(zhuǎn)換由于計算機使用的是二、八、十六進制，而人們?nèi)粘Ａ?xí)慣于用十進制進行計算，因此在計算機和人交流信息的過程中，就必須進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。1) R 進制轉(zhuǎn)換為十進制方法：按權(quán)展開求和，即個位數(shù)字乘 100，十位數(shù)字乘101，百位數(shù)字乘102，。下面分別是十六進制、八進制、二進制轉(zhuǎn)換成十進制的示例：(354)H= (3162+5161+4160)D=(768+80+4)D=(852)D(254)O= (282+581+480)D=(128+40+4)D=(172)D(11010)B=(124+123+022+121+020)D=(16+8+0+2+0)=(26)D2) 十進制轉(zhuǎn)換成R 進制將一個十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成R 進制是采用“除R 逆序取余”法，即將十進制整數(shù)連續(xù)地除以R 取余數(shù)，直到商為0 為止，余數(shù)從下到上排列。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換成R 進制是采用“乘R 順序取整”法，即將十進制小數(shù)不斷地乘以R 取整數(shù)，直到小數(shù)部分為0 或達到一定精度為止，余數(shù)從上到下排列。例如：將十進制數(shù)100.8125 轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為(100.8125)D=(1100100.1101)B再如：將十進制數(shù)193.15 轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為(193.15)D(301.11463)O3) 二進制與八進制、十六進制之間的轉(zhuǎn)換由于二進制、八進制和十六進制之間存在特殊關(guān)系：81=23、161=24，即1 位八進制數(shù)相當(dāng)于3 位二進制數(shù)，1 位十六進制數(shù)相當(dāng)于4 位二進制數(shù)，因此轉(zhuǎn)換方法比較容易。(1) 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)時，整數(shù)部分是從最后一位開始向左數(shù)，三個數(shù)一組，不足用“0”補上；小數(shù)部分則是從第一位開始向右數(shù)，三個數(shù)一組，不足用“0”補上。例如：將二進制數(shù)(10101011.110101)B 轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)(010 101 011.110 101)B=(253.65)O(整數(shù)高位補0)2 5 3 6 5將八進制數(shù)(2731.62)O 轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)(2731.62)O=(010 111 011 001.110 010)B (整數(shù)前的高位0 可取消)2 7 3 1 6 2(2) 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)時，與二進制轉(zhuǎn)換為八進制類似，只不過是每4 位為一組，兩頭不足4 位補0 即可。例如：將二進制數(shù)(10101011.110101)B 轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)(1010 1011.1101 0100)B=(AB.D4)H(小數(shù)低位補0)A B D 4將十六進制數(shù)(2D5C.74)H 轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)(2D5C.74)H=(0010 1101 0101 1100.0111 0100)B (整數(shù)前的高位0 和小數(shù)后的低位0 可 14 大學(xué)計算機基礎(chǔ)取消)2 D 5 C 7 4二進制、十進制、八進制、十六進制的對應(yīng)關(guān)系如表1-3 所示。表1-3 常用進制的對應(yīng)關(guān)系二進制 八進制 十進制 十六進制0000 0 0 00001 1 1 10010 2 2 20011 3 3 30100 4 4 40101 5 5 50110 6 6 60111 7 7 71000 10 8 81001 11 9 91010 12 10 A1011 13 11 B1100 14 12 C1101 15 13 D1110 16 14 E1111 17 15 F1.3.2 數(shù)據(jù)在計算機中的表示1. 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示數(shù)值數(shù)據(jù)用來表示量的大小、正負(fù)，如整數(shù)、小數(shù)等。在計算機內(nèi)，數(shù)值是用二進制來表示的，也就是說，無論多大的數(shù)，在計算機中都只能用0 和1 來表示。2. 字符數(shù)據(jù)的表示人們使用計算機的基本手段是通過鍵盤與計算機交互，從鍵盤敲入的各種命令和數(shù)據(jù)都是以字符形式體現(xiàn)的。然而，計算機只能存儲二進制數(shù)，這就需要對字符數(shù)據(jù)編碼，并由機器自動轉(zhuǎn)換為二進制形式存入計算機。下面介紹幾種在計算機應(yīng)用中經(jīng)常使用的編碼。1) 西文字符編碼(ASCII)ASCII 是英文American Standard Code for Information Interchange(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)的縮寫。目前，計算機中一般都采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的ASCII 碼來表示英文字母和符號。ASCII 碼用7 位二進制數(shù)來表示一個字符，由于2 的7 次方為128，所以共有128 種不第1 章 計算機基礎(chǔ)知識 15 同組合，可以表示128 個不同字符。其中包括：數(shù)碼0-9，26 個大小寫英文字母以及各種運算符號、標(biāo)點符號及控制字符等?；?ASCII 字符表如表 1-4 所示。從表1-4 中可以看出，字符 ASCII碼的大小規(guī)律一般是：由于基本 ASCII字符是按ASCII碼值的大小進行排列，因而數(shù)字的ASCII 碼小于字母；在數(shù)字的ASCII 碼中，0 的ASCII 碼最小，9 的代碼最大；大寫字母的ASCII 碼比小寫字母的ASCII 的??；對于字母字體，ASCII碼的大小按字母順序遞增，A 的ASCII 碼最小，z 的ASCII 碼最大。其中，0 的ASCII 碼為48，A 的ASCII 碼為65，a 的ASCII 碼為97，其他數(shù)字和字母的ASCII 碼可以依次推算出來。擴充 ASCII 碼的最高位為1，其范圍用二進制表示為1000000011111111，用十進制表示為128255，也有128 種。ASCII 碼目前已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電報電話咨詢委員會(CCITT)采納，成為一種國際通用的信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。表1-4 基本ASCII 字符表0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 01110000 NUL DLE SP 0 P p0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q0010 STX DC2 “ 2 B R b r0011 ETX DC3 # 3 C S c s0100 EOT DC4 $ 4 D T d t0101 ENQ NAK % 5 E U e u0110 ACK SYN & 6 F V f v0111 BEL ETB 7 G W g w1000 BS CAN ( 8 H X h x1001 HT EM ) 9 I Y i y1010 LF SUB * ： J Z j z1011 VT ESC + ； K k 1100 FF FS , N n 1111 SI US / ? O _ o DEL2) 漢字字符編碼對于英文，大小寫字母總計只有52 個，加上數(shù)字、標(biāo)點符號和其他常用符號，128 個編碼基本夠用，所以ASCII 碼基本上滿足了英語信息處理的需要。漢字不是拼音文字，而是象形文字，由于常用的漢字有6000 多個，因此使用7 位二進制編碼是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須使用更多的二進制位。1980 年，我國頒布了信息交換用漢字編碼字符集-基本集的國標(biāo)交換碼，國家標(biāo)準(zhǔn)號為GB2312-80，收錄了6763 個漢字和619 個圖形符號。在GB2312-80 中，規(guī)定用兩個連 16 大學(xué)計算機基礎(chǔ)續(xù)字節(jié)，即16 位二進制代碼表示一個漢字。由于每個字節(jié)的高位規(guī)定為1，這樣就可以表示128 128=16 384 個漢字。在G