第3章-計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

第3章

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

主要內(nèi)容3.1軟件的定義與分類(lèi)3.2操作系統(tǒng)3.3程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言3.4軟件開(kāi)發(fā)與軟件工程要求1．了解和掌握軟件的定義與分類(lèi)2．掌握計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的概念、特征及類(lèi)型3.了解和掌握計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的分類(lèi)及語(yǔ)言處理程序的概念4．了解軟件開(kāi)發(fā)和軟件工程的基本概念3.1軟件的定義與分類(lèi)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)

硬件是指有形的物理設(shè)備，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際物理裝置的總稱(chēng)。

軟件是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴(kuò)充和完善。兩者相互依存，相互促進(jìn)。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 3.1.1軟件的定義運(yùn)算器服務(wù)程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件控制器硬件主機(jī)外部設(shè)備外存儲(chǔ)器中央處理器內(nèi)存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件、硬件和用戶(hù)的關(guān)系硬件的能力非常有限，只是速度極高而已沒(méi)有軟件，硬件幾乎什么任務(wù)也完成不了BasicInput/OutputSystem硬件BIOS操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件用戶(hù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)信息處理任務(wù)處理結(jié)果從用途對(duì)計(jì)算機(jī)軟件分類(lèi)系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件是用于對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行資源管理、支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)、便于用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)而配置的各種程序。應(yīng)用軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下的所有面對(duì)實(shí)際問(wèn)題和具體用戶(hù)群的專(zhuān)門(mén)軟件的總稱(chēng)。按照應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)方式和適用范圍，應(yīng)用軟件可再分為兩類(lèi)：定制軟件和通用應(yīng)用軟件3.1.2軟件的分類(lèi)通用應(yīng)用軟件的類(lèi)別與功能類(lèi)別功能流行軟件舉例數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析、檢索等Matlab、Origin等文字處理軟件文本編輯、文字處理、桌面排版等Word、AdobeAcrobat、WPS、FrontPage等表格處理軟件表格定義、數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)、繪圖等Excel等計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用軟件借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、集成等AutoCAD等圖形圖像軟件圖像處理、幾何圖形繪制、動(dòng)畫(huà)制作等Photoshop、CorelDraw、3DSMAX等媒體播放軟件播放各種數(shù)字音頻和視頻文件MediaPlayer、RealPlayer、Winamp等網(wǎng)絡(luò)通信軟件電子郵件、聊天、IP電話等OutlookExpress、MSN、QQ、ICQ等信息檢索軟件在數(shù)據(jù)庫(kù)和因特網(wǎng)中查找需要的信息Google，天網(wǎng)，百度等游戲軟件游戲、教育和娛樂(lè)棋類(lèi)游戲、撲克游戲等從軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)軟件進(jìn)行分類(lèi)商品軟件（付費(fèi)、軟件許可證）共享軟件(shareware)具有版權(quán)，可免費(fèi)試用一段時(shí)間，允許拷貝和散發(fā)（但不可修改），過(guò)了試用期若還想繼續(xù)使用，就得交一筆注冊(cè)費(fèi)，成為注冊(cè)用戶(hù)。自由軟件(freeware)（開(kāi)放源代碼軟件）用戶(hù)可共享，并允許隨意拷貝、修改其源代碼，允許發(fā)行和自由傳播。但是，對(duì)軟件源代碼的任何修改都必須向所有用戶(hù)公開(kāi)，還必須允許此后的用戶(hù)享有進(jìn)一步拷貝和修改的自由。自由軟件的重大意義3.2操作系統(tǒng)3.2.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)是一組對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行控制與管理的系統(tǒng)化程序集合操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)算機(jī)的各類(lèi)資源進(jìn)行統(tǒng)一控制、管理、調(diào)度和監(jiān)督，合理的組織計(jì)算機(jī)的工作流程，其目的是提高各類(lèi)資源利用率，并能方便用戶(hù)使用，為其他軟件的開(kāi)發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口計(jì)算機(jī)硬件虛擬計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的重要作用兩項(xiàng)主要作用：

1.通過(guò)資源管理，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率

2.改善人機(jī)界面，向用戶(hù)提供友好的工作環(huán)境其它輔助功能：輔導(dǎo)用戶(hù)操作（幫助功能）顯示系統(tǒng)狀態(tài)處理軟硬件錯(cuò)誤保護(hù)系統(tǒng)安全3.2.2操作系統(tǒng)的特征與功能操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性(concurrency)：指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在著許多并發(fā)運(yùn)行的活動(dòng)。共享性(sharing)：系統(tǒng)中各個(gè)并發(fā)活動(dòng)要共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源。虛擬性(virtual)：虛擬性是操作系統(tǒng)中的重要特征，所謂虛擬性是指把物理上的一臺(tái)設(shè)備變成邏輯上的多臺(tái)設(shè)備，并且使得每個(gè)用戶(hù)都感覺(jué)是“獨(dú)占”計(jì)算機(jī)。不確定性(non-determinacy)3.2.2操作系統(tǒng)的特征與功能(續(xù))操作系統(tǒng)的功能微處理器管理存儲(chǔ)管理（補(bǔ)充：虛擬存儲(chǔ)器）設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理控制基本的輸入/輸出操作分配系統(tǒng)中的資源管理存儲(chǔ)器空間虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，虛擬存儲(chǔ)器就是由主存、外存以及Cache組成的存儲(chǔ)系統(tǒng)。它的主要功能是從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存的容量。它可以對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行擴(kuò)充，使應(yīng)用程序的存儲(chǔ)空間不受實(shí)際存儲(chǔ)容量大小的限制。引入虛擬存儲(chǔ)器的原因：引入虛擬存儲(chǔ)器主要是為了解決內(nèi)存空間不足的問(wèn)題。由于主存的容量小，以至于很多大型的軟件無(wú)法調(diào)入主存運(yùn)行，一個(gè)較大的程序，先存放在外存儲(chǔ)器上，當(dāng)需要的時(shí)候把其一部分調(diào)入主存，另外一部分還在外存儲(chǔ)器上，操作系統(tǒng)根據(jù)一定的調(diào)度算法來(lái)將程序調(diào)入調(diào)出，用外存來(lái)模擬主存，形成一個(gè)邏輯上很大的主存地址空間。在我們看來(lái)，好像是主存的容量被擴(kuò)充了。這樣的存儲(chǔ)器系統(tǒng)可以擁有主存的速度和外存的容量，使得大型的軟件也可以在較小容量的存儲(chǔ)器中運(yùn)行。3.2.3操作系統(tǒng)的類(lèi)型批處理操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)3.2.4常用操作系統(tǒng)介紹MS-DOSWindows操作系統(tǒng)Windows9X(Windows95/Windows98/Windows98SE/WindowsME)WindowsNT4.05.0Windows2000(Professional/Server/Advancedserver/DatacenterServer)WindowsXPWindowsServer2003WindowsVISTAWindows7OS/2Unix操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)1.Windows操作系統(tǒng)2.UNIX操作系統(tǒng)3.Linux操作系統(tǒng)4.OS/2操作系統(tǒng)3.2.4常用操作系統(tǒng)介紹3.3程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言3.3.0什么是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言？什么是程序？程序是為了用計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問(wèn)題而采用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)指令序列。什么是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言？語(yǔ)言的目的是用于通信程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言用于人與計(jì)算機(jī)之間的通信程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是由人使用但計(jì)算機(jī)可以理解的一種語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言用于編制程序，表達(dá)需要計(jì)算機(jī)完成什么任務(wù)和怎樣完成任務(wù)，然后交給計(jì)算機(jī)去完成程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言填補(bǔ)了

人與計(jì)算機(jī)交流的鴻溝計(jì)算機(jī)硬件僅僅知道0和1有問(wèn)題需要計(jì)算機(jī)解決的人交流的鴻溝計(jì)算機(jī)硬件僅僅知道0和1有問(wèn)題需要計(jì)算機(jī)解決的人程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（ComputerLanguage）是指人與計(jì)算機(jī)之間通訊的語(yǔ)言，又稱(chēng)為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言分為低級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言?xún)深?lèi)低級(jí)語(yǔ)言包括：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言。其中機(jī)器語(yǔ)言是硬件唯一能直接理解的語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言是指更接近于人們?nèi)粘Ｊ褂玫臅?shū)面語(yǔ)言、用來(lái)編制程序的語(yǔ)言3.3.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的發(fā)展3.3.2機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言是用二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別和執(zhí)行的一種機(jī)器指令的集合。優(yōu)點(diǎn)：直接執(zhí)行，速度快缺點(diǎn)：兼容性差，不直觀，編寫(xiě)煩瑣，難以記憶不同的機(jī)器語(yǔ)言程序，相互不兼容例如：計(jì)算機(jī)8+10的結(jié)果①

將8放入某段內(nèi)存單元②將10與這段內(nèi)存單元中的8相加，結(jié)果仍放在這段內(nèi)存單元中①

1011000000001000②

0000010000001010

例：機(jī)器語(yǔ)言程序在MIPS計(jì)算機(jī)上求最大共約數(shù)（GCD）的機(jī)器程序（16進(jìn)制表示）MISP計(jì)算機(jī)的每條機(jī)器指令均為32個(gè)二進(jìn)位，用8個(gè)16進(jìn)制數(shù)表示匯編語(yǔ)言：使用助記符代替指令代碼，稱(chēng)為匯編語(yǔ)言。例：計(jì)算8+10的結(jié)果

MOVAL8；

ADDAL10匯編語(yǔ)言源程序目標(biāo)程序匯編計(jì)算結(jié)果匯編程序執(zhí)行初始數(shù)據(jù)匯編程序執(zhí)行流程3.3.3匯編語(yǔ)言?xún)?yōu)點(diǎn)：操作數(shù)直接使用十進(jìn)制程序相對(duì)容易理解缺點(diǎn)：大型程序難以開(kāi)發(fā)依賴(lài)于具體計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言：與自然語(yǔ)言接近并能為計(jì)算機(jī)所接受的語(yǔ)意確定、規(guī)則明確、自然直觀和通用易學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。例如：PI=3.1415926Inputrs=PI*r*rPrint“Area=“;sEnd使用BASIC語(yǔ)言，計(jì)算圓面積的程序MOVAX383MOVBX545ADDBXAXMOVAX1055SUBAXBX匯編語(yǔ)言程序S=1055-(383+545)3.3.4高級(jí)語(yǔ)言常用的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言BASIC語(yǔ)言PASCAL語(yǔ)言FORTRAN語(yǔ)言通用編程語(yǔ)言C/C++Java語(yǔ)言LISP語(yǔ)言和PROLOG語(yǔ)言……1.FORTRAN語(yǔ)言2.ALGOL語(yǔ)言3.Java語(yǔ)言4.C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言作用：把匯編語(yǔ)言源程序或高級(jí)語(yǔ)言源程序轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。按照不同的翻譯處理方法，翻譯程序有三類(lèi)：1.匯編程序(Assembler)：將匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言。2.解釋程序(Interpreter)[口譯]：解釋程序能夠把高級(jí)語(yǔ)言程序逐句翻譯成機(jī)器指令并執(zhí)行。其算法簡(jiǎn)單但執(zhí)行過(guò)程較慢，通常用于交互方式工作，能節(jié)省機(jī)器存儲(chǔ)空間。3.編譯程序(Compiler)[筆譯]：將整段程序進(jìn)行翻譯，把高級(jí)語(yǔ)言源程序翻譯成等價(jià)的機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序，然后連接運(yùn)行。目標(biāo)程序運(yùn)行速度快，但編譯需用時(shí)且目標(biāo)程序需占用一定存儲(chǔ)空間。3.3.5語(yǔ)言處理程序編譯程序與解釋程序的區(qū)別解釋?zhuān)航忉屍髦苯咏忉尣⑶覉?zhí)行源語(yǔ)言程序，不產(chǎn)生目標(biāo)程序（相當(dāng)于“口譯”）編譯：把源程序編譯為機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序后，再由計(jì)算機(jī)運(yùn)行（相當(dāng)于“筆譯”）源程序目標(biāo)程序編譯器計(jì)算機(jī)編譯方式計(jì)算機(jī)源程序解釋器解釋方式BASIC、VisualBasic、VBScript、Java、JavaScript等都是解釋執(zhí)行的語(yǔ)言C、C++等都是需要編譯的語(yǔ)言

3.4軟件開(kāi)發(fā)與軟件工程3.4.0計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展程序設(shè)計(jì)階段（1946-1956）匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言、個(gè)體勞動(dòng)程序系統(tǒng)階段（1956-1968）高級(jí)語(yǔ)言、小集團(tuán)合作軟件工程階段（1968-至今）工程化生產(chǎn)、使用數(shù)據(jù)庫(kù)、開(kāi)發(fā)環(huán)境：網(wǎng)絡(luò)，分布式、面向?qū)ο蠹夹g(shù)3.4.1軟件危機(jī)與軟件工程軟件危機(jī)軟件開(kāi)發(fā)所需的高成本同產(chǎn)品的低質(zhì)量之間有著尖銳的矛盾，這就是所謂的“軟件危機(jī)”。軟件危機(jī)的表現(xiàn)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)成本和估計(jì)不很準(zhǔn)確用戶(hù)對(duì)“已完成的”軟件系統(tǒng)不滿意軟件產(chǎn)品質(zhì)量靠不住軟件常常不可維護(hù)軟件通常沒(méi)有適當(dāng)?shù)奈臋n資料軟件成本在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總成本中所占比例逐年上升軟件開(kāi)發(fā)生產(chǎn)率的提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上硬件發(fā)展速度軟件工程是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)的工程學(xué)科

1產(chǎn)生背景：軟件規(guī)模加大，成本提高

2軟件危機(jī)：開(kāi)發(fā)和維護(hù)過(guò)程中遇到的系列嚴(yán)重問(wèn)題，不僅僅是“不能正常運(yùn)行”的軟件才具有，幾乎所有的軟件都不同程度的存在問(wèn)題

3研究?jī)?nèi)容：如何應(yīng)用科學(xué)理論和工程上的技術(shù)來(lái)指導(dǎo)大型軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

4最終目的：以較低成本研制出較高質(zhì)量的軟件

5常用軟件工程方法：生命周期法、原型法注1：1968年北大西洋公約組織提出“軟件工程”的概念注2：分技術(shù)措施及組織管理措施兩個(gè)方面來(lái)解決軟件危機(jī)3.4.1軟件危機(jī)與軟件工程軟件從被提出開(kāi)始研制至軟件最終被廢棄不再使用為止的全過(guò)程，稱(chēng)為軟件生命期。軟件工程的