計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)與信息社會(huì)電子計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用的普及，計(jì)算機(jī)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(gè)基本工具。“21世紀(jì)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代”，掌握以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)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(jì)算機(jī)的發(fā)展一般認(rèn)為，世界上第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，簡(jiǎn)稱ENIAC)。ENIAC體積非常龐大，其占地面積為170平方米，總重量達(dá)30噸，如圖1-1所示。機(jī)器中約有18800只電子管、1500個(gè)繼電器、70000只電阻以及其他各種電氣元件，每小時(shí)耗電量約為140千瓦。這樣一臺(tái)“巨大”的計(jì)算(1)功能巨型化功能巨型化是指具有高速運(yùn)算能力、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)功能的巨型計(jì)算機(jī)。其運(yùn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)“智能化”是微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，筆記本型、掌上型等微型計(jì)算機(jī)必將以更優(yōu)的性價(jià)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(jì)算機(jī)技術(shù)，把分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，以達(dá)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，新一代計(jì)算機(jī)，將可以模擬人的感覺行為和思維過程的機(jī)理，進(jìn)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(jì)算機(jī)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(shì)來看，未來的計(jì)算機(jī)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(tái)超高速全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，已由歐盟的英國、法國、德國、意大利和比利時(shí)等國的70多名科學(xué)家和工程師合作研制成功，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比電子計(jì)算機(jī)快1000倍。在不久的將來，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等全新的計(jì)算機(jī)也會(huì)誕生。屆時(shí)計(jì)算機(jī)將發(fā)展到一個(gè)更高、更先進(jìn)的水平。3.計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)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(diǎn)。可以從不同的角度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。(1)按數(shù)據(jù)類型分類電子計(jì)算機(jī)可以分為數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)模混合計(jì)算機(jī)三種。在數(shù)字計(jì)算機(jī)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(shí)間上是離散的，稱為數(shù)字量，經(jīng)過算術(shù)與邏輯運(yùn)算后仍以數(shù)字量的形式輸出；在模擬計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)絕大多數(shù)都是數(shù)字計(jì)算機(jī)。?4?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)(2)按元件分類電子計(jì)算機(jī)可以分為電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)等。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，電子元件也在不斷更新，將來的計(jì)算機(jī)將發(fā)展成為利用超導(dǎo)電子元件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，利用光學(xué)器件及光路代替電子器件電路的光學(xué)計(jì)算機(jī)，利用某些有機(jī)化合物作為元件的生物計(jì)算機(jī)等。(3)按規(guī)模分類電子計(jì)算機(jī)可以分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)等?！耙?guī)?！敝饕侵赣?jì)算機(jī)所配置的設(shè)備數(shù)量、輸入輸出量、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)可以分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)兩種。通用計(jì)算機(jī)的用途廣泛，可以完成不同的應(yīng)用任務(wù)，個(gè)人計(jì)算機(jī)就是典型的通用計(jì)算機(jī)；專用計(jì)算機(jī)是為完成某些特定任務(wù)而專門設(shè)計(jì)研制的計(jì)算機(jī)，用途單純，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，工作效率也較高，像銀行取款機(jī)、電信資費(fèi)查詢機(jī)、MP3下載機(jī)等都屬于專用計(jì)算機(jī)。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(duì)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(dòng)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(gè)方面來認(rèn)識(shí)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)(InformationTechnology，簡(jiǎn)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(kuò)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(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通信手段實(shí)現(xiàn)獲取信息、傳遞信息、存儲(chǔ)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(gè)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(duì)信息技術(shù)以及整個(gè)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(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(shí)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(dòng)化、辦公自動(dòng)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?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(jì)算機(jī)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(jìn)性，技能的熟練性，經(jīng)驗(yàn)的豐富性，作用過程的快捷性，功能的高效性等?！裥畔⒓夹g(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(duì)性、動(dòng)態(tài)性、共享性、可變換性等特性。1.1.3計(jì)算機(jī)在信息社會(huì)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，目前已滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，國防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通運(yùn)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(jì)算機(jī)來解決各種實(shí)際問題。歸納起來，目前計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：1.科學(xué)計(jì)算(數(shù)值計(jì)算)科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)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?？茖W(xué)計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)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(yùn)算和信息存儲(chǔ)能力，以及高精度的計(jì)算機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)、天氣預(yù)報(bào)、地質(zhì)探礦等方面的大量計(jì)算都可以使用計(jì)算機(jī)來完成。2.數(shù)據(jù)處理(信息處理)數(shù)據(jù)處理是指對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、整理、分類、統(tǒng)計(jì)、加工、利用、傳播等一系列活動(dòng)的統(tǒng)稱。它是目前計(jì)算機(jī)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)是原始數(shù)據(jù)多，時(shí)間性強(qiáng)，計(jì)算公式相應(yīng)比較簡(jiǎn)單。例如財(cái)務(wù)管理、物資管理、市場(chǎng)預(yù)測(cè)等工作。目前，在數(shù)據(jù)處理方面已進(jìn)一步形成事務(wù)處理系統(tǒng)(TPS)、辦公自動(dòng)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(shí)時(shí)控制)過程控制是利用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)或自動(dòng)控制。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動(dòng)化水平，而且可以提高控制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，從而改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。因此，計(jì)算機(jī)過程控制已在機(jī)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAI(計(jì)算機(jī)輔助教學(xué))是指在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行的各種教學(xué)活動(dòng)，以對(duì)話方式與學(xué)生討論教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)進(jìn)程、進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練的方法與技術(shù)。?6?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))是指利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)是指在機(jī)械制造業(yè)中，利用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)通過各種數(shù)值控制機(jī)床和設(shè)備，自動(dòng)完成離散產(chǎn)品的加工、裝配、檢測(cè)和包裝等制造過程。5.人工智能(智能模擬)人工智能(ArtificialIntelligence，簡(jiǎn)稱AI)是計(jì)算機(jī)模擬人類的智能活動(dòng)，諸如感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解和圖像識(shí)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(jìn)行疾病診療的專家系統(tǒng)，具有一定思維能力的智能機(jī)器人等。6.電子商務(wù)電子商務(wù)(ElectronicCommerce，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)消費(fèi)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(yùn)營模式。電子商務(wù)涵蓋的范圍很廣，泛指通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(duì)企業(yè)(B2B)和企業(yè)對(duì)消費(fèi)者(B2C)兩種。隨著國內(nèi)Internet用戶的增加，利用Internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)購物并以信用卡付款的消費(fèi)方式已漸流行。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)已發(fā)展成一個(gè)龐大的家族，其中的每個(gè)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(jì)算機(jī)軟件硬件主機(jī)外部設(shè)備外部存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備中央處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器運(yùn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?7?1.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械、磁性和光電元件組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備，是看得見、摸得著的。構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的通常有“5大件”：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)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(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)也就是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。時(shí)至今日，我們使用的計(jì)算機(jī)不管機(jī)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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)5大硬件部件的基本功能為：1.運(yùn)算器運(yùn)算器的主要功能是完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，能做加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，也能做比較、判斷、查找等邏輯運(yùn)算。2.控制器控制器是計(jì)算機(jī)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(shí)機(jī)器各部件需要的操作控制命令。運(yùn)算器和控制器集成在一起，稱中央處理器(CentralProcessingUnit)，即CPU。3.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲(chǔ)器按其在計(jì)算機(jī)中的作用可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。中央處理器能直接訪問的存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器(也稱主存)，包括高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器。中央處理器不能直接訪問外存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器的信息必須調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器后才能由中央處理器進(jìn)行處理。所以，內(nèi)存的存取速度比外存快。相對(duì)輔存而言，內(nèi)存的存取速度快，但容量較小，且價(jià)格較高。輔存的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但存取速度較慢，由于輔存設(shè)置在主機(jī)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(chǔ)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(chǔ)器，但存取速度比主存快。有了高速緩沖存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)CPU中央處理器M1CacheM2主存M3外存圖1-4CPU與存儲(chǔ)器系統(tǒng)的關(guān)系主存儲(chǔ)器可分為兩類：一類是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory，RAM)，用于存放現(xiàn)場(chǎng)程序和數(shù)據(jù)，RAM中的內(nèi)容可隨時(shí)按地址進(jìn)行存取。因?yàn)镽AM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(huì)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(chǔ)器(ReadOnlyMemory，ROM)，其特點(diǎn)是用戶在使用時(shí)只能進(jìn)行讀操作，不能進(jìn)行寫操作，存儲(chǔ)單元中的信息由ROM制造廠商在生產(chǎn)時(shí)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(jī)后不會(huì)消失。計(jì)算機(jī)的BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))軟件就存放在ROM內(nèi)。存儲(chǔ)器容量是指存儲(chǔ)器中最多可存放的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總和，其基本單位是字節(jié)(Byte，B)，每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)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(chǔ)容量的計(jì)量單位，它們之間的關(guān)系是：1KB＝1024B＝210B1MB＝1024KB＝220B1GB＝1024MB＝230B1TB＝1024GB＝240B4.輸入設(shè)備輸入設(shè)備是用來輸入計(jì)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(dòng)器、攝像頭、觸摸屏等。5.輸出設(shè)備輸出設(shè)備是用來將計(jì)算機(jī)工作的中間結(jié)果及處理后的結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)的設(shè)備。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、數(shù)字繪圖儀等。1.2.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序及其文檔。程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備、支持應(yīng)用軟件開發(fā)及運(yùn)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?9?1)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)(OperatingSystem，簡(jiǎn)稱OS)是管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致包括5個(gè)方面的管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理。目前微機(jī)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(jì)的編程服務(wù)軟件，作用是將高級(jí)語言源程序翻譯成計(jì)算機(jī)能識(shí)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(hù)其他軟件的軟件，是為了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、診斷和排除故障，進(jìn)行文件的編輯、傳送、裝配、顯示、調(diào)試，以及進(jìn)行計(jì)算機(jī)病毒檢測(cè)、防治等的程序，是軟件開發(fā)過程中進(jìn)行管理和實(shí)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(jì)算機(jī)工具軟件、診斷測(cè)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)(DataBaseManagementSystem，簡(jiǎn)稱DBMS)是對(duì)數(shù)據(jù)庫中的資源進(jìn)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(jìn)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、SQLServer、Sybase、Oracle等。2.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為計(jì)算機(jī)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(duì)某一類應(yīng)用而開發(fā)的獨(dú)立軟件系統(tǒng)，例如科學(xué)計(jì)算軟件包(IMSL等)、文字處理系統(tǒng)(Word等)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OAS)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)本身的邏輯功能，合理地組織用戶使用計(jì)算機(jī)的硬軟件資源，以充分利用計(jì)算機(jī)的資源，最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，便于用戶使用、管理；而應(yīng)用軟件是用戶利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件，為解決自身的、特定的實(shí)際問題而編制的程序和文檔。組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件是相輔相成的兩個(gè)部分。硬件是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件則是對(duì)硬件功能的擴(kuò)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軀體，那么軟件就是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的關(guān)系目前，通常說的計(jì)算機(jī)一般都包括硬件和軟件兩個(gè)部分，而把不包括軟件的計(jì)算機(jī)稱為“裸機(jī)”。1.2.3計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的工作原理是存儲(chǔ)程序和程序控制。為了完成某種任務(wù)，人們要明確計(jì)算機(jī)完成任務(wù)的基本操作順序，然后用計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的指令來編排完成任務(wù)的操作順序，這個(gè)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)即可按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動(dòng)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(jì)算機(jī)的工作原理。1.人腦解題計(jì)算機(jī)的工作過程和人的計(jì)算數(shù)字過程較相似。在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)怎樣工作之前，讓我們先來看一看人是如何完成計(jì)算工作的。例：計(jì)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(yùn)算法則和解題步驟記在大腦中。大腦根據(jù)運(yùn)算法則，按照一定的步驟進(jìn)行運(yùn)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(jì)算機(jī)的解題步驟當(dāng)在鍵盤上鍵入“5+8-4”的算式時(shí)，控制器先通知輸入設(shè)備(鍵盤)接收這個(gè)算式，再指揮將這個(gè)算式送到存儲(chǔ)器里記錄下來，控制器根據(jù)這個(gè)算式的內(nèi)容命令運(yùn)算器進(jìn)行計(jì)算，得出的運(yùn)算結(jié)果也讓存儲(chǔ)器先存起來，控制器再發(fā)命令讓輸出設(shè)備(顯示器)把計(jì)算結(jié)果在屏幕上顯示出來。由上我們可以得出計(jì)算機(jī)是如下這樣工作的，如圖1-6所示：①由輸入設(shè)備將計(jì)算的算式輸入計(jì)算機(jī)。第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?11?②由運(yùn)算器對(duì)存儲(chǔ)器中的算式進(jìn)行處理。③把存儲(chǔ)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(jì)算結(jié)果圖1-6計(jì)算機(jī)工作原理示意圖1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)處理的對(duì)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(jì)算機(jī)內(nèi)部一律采用二進(jìn)制表示。為什么要用二進(jìn)制？二進(jìn)制并不符合人們的習(xí)慣，但是計(jì)算機(jī)內(nèi)部仍采用二進(jìn)制表示信息，主要原因有以下4點(diǎn)：1.電路簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)由邏輯電路組成，邏輯電路通常只有兩個(gè)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(jìn)制數(shù)的兩個(gè)數(shù)碼——0和l。2.工作可靠?jī)蓚€(gè)狀態(tài)代表的兩個(gè)數(shù)碼，在數(shù)字傳輸和處理中不容易出錯(cuò)，因而電路更加可靠。3.簡(jiǎn)化運(yùn)算二進(jìn)制運(yùn)算法則簡(jiǎn)單。例如，求積運(yùn)算法則只有3個(gè)。而十進(jìn)制的運(yùn)算法則(九九乘法表)對(duì)人來說雖習(xí)以為常，但是讓機(jī)器去實(shí)現(xiàn)就是另一回事了。4.邏輯性強(qiáng)計(jì)算機(jī)的工作是建立在邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)上的，邏輯代數(shù)是邏輯運(yùn)算的理論依據(jù)。有兩個(gè)數(shù)碼，正好代表邏輯代數(shù)中的“真”與“假”。不管是人還是計(jì)算機(jī)，都可以進(jìn)行計(jì)算，那么，計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行計(jì)算的，又是采用何種規(guī)則與人們慣用的“十進(jìn)制”進(jìn)行轉(zhuǎn)換的呢？?12?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換1.幾種常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制很多，這里主要介紹與計(jì)算機(jī)技術(shù)有關(guān)的4種常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。1)十進(jìn)制十進(jìn)位計(jì)數(shù)制簡(jiǎn)稱十進(jìn)制。十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是“逢十進(jìn)一”，任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這10個(gè)數(shù)字符號(hào)組成的字符串來表示，這些數(shù)字符號(hào)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)=1×102+6×101+9×100+6×10?1(1)由試(1)可歸納出，任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)K，都可表示成如下形式：(K)10＝Kn-1×10n-1＋Kn-2×10n-2＋…＋K1×101＋K0×100＋K-1×10-1＋K-2×10-2＋…＋K-m+1×10-m+1＋K-m×10-m式中的K為數(shù)碼，取值范圍為0~9；N為整數(shù)位個(gè)數(shù)，M為小數(shù)位個(gè)數(shù)，10為基數(shù)，10n-1、10n-2…、101、100、10-1、…、10-m是十進(jìn)制數(shù)的位權(quán)。在計(jì)算機(jī)中，一般用十進(jìn)制數(shù)作為數(shù)據(jù)的輸入和輸出。2)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的是二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是只有兩個(gè)數(shù)碼符號(hào)——0和1，運(yùn)算規(guī)則是逢二進(jìn)一。例如：321012(1010.1)=1×2+0×2+1×2+0×2+1×2?(2)將(2)式與(1)式比較，便會(huì)發(fā)現(xiàn)二進(jìn)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(jìn)制由于二進(jìn)制數(shù)太長(zhǎng)，不便記憶，因而在計(jì)算機(jī)中還經(jīng)常使用八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)。八進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是逢八進(jìn)一，每一個(gè)八進(jìn)制數(shù)都由0-7這8個(gè)數(shù)碼來表示。4)十六進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是逢十六進(jìn)一，每一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)都是由0-9，10個(gè)數(shù)碼再加上A、B、C、D、E、F這6個(gè)字母來表示，A-F分別對(duì)應(yīng)10-15這6個(gè)數(shù)。計(jì)算機(jī)中常用的幾種進(jìn)位計(jì)數(shù)制如表1-2所示。表1-2計(jì)算機(jī)中的進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位制基數(shù)基本符號(hào)權(quán)形式表示二進(jìn)制20，121B八進(jìn)制80，1，2，3，4，5，6，781O十進(jìn)制100，1，2，3，4，5，6，7，8，9101D十六進(jìn)制160，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)161H第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?13?2.不同進(jìn)位制數(shù)間的轉(zhuǎn)換由于計(jì)算機(jī)使用的是二、八、十六進(jìn)制，而人們?nèi)粘Ａ?xí)慣于用十進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算，因此在計(jì)算機(jī)和人交流信息的過程中，就必須進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。1)R進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制方法：按權(quán)展開求和，即個(gè)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(jìn)制、八進(jìn)制、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的示例：(354)H=(3×162+5×161+4×160)D=(768+80+4)D=(852)D(254)O=(2×82+5×81+4×80)D=(128+40+4)D=(172)D(11010)B=(1×24+1×23+0×22+1×21+0×20)D=(16+8+0+2+0)=(26)D2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制將一個(gè)十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制是采用“除R逆序取余”法，即將十進(jìn)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(jìn)制是采用“乘R順序取整”法，即將十進(jìn)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(dá)到一定精度為止，余數(shù)從上到下排列。例如：將十進(jìn)制數(shù)100.8125轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為(100.8125)D=(1100100.1101)B再如：將十進(jìn)制數(shù)193.15轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為(193.15)D≈(301.11463)O3)二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換由于二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制之間存在特殊關(guān)系：81=23、161=24，即1位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于3位二進(jìn)制數(shù)，1位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于4位二進(jìn)制數(shù)，因此轉(zhuǎn)換方法比較容易。(1)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)時(shí)，整數(shù)部分是從最后一位開始向左數(shù)，三個(gè)數(shù)一組，不足用“0”補(bǔ)上；小數(shù)部分則是從第一位開始向右數(shù)，三個(gè)數(shù)一組，不足用“0”補(bǔ)上。例如：將二進(jìn)制數(shù)(10101011.110101)B轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)(010101011.110101)B=(253.65)O(整數(shù)高位補(bǔ)0)25365將八進(jìn)制數(shù)(2731.62)O轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)(2731.62)O=(010111011001.110010)B(整數(shù)前的高位0可取消)273162(2)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，與二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制類似，只不過是每4位為一組，兩頭不足4位補(bǔ)0即可。例如：將二進(jìn)制數(shù)(10101011.110101)B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)(10101011.11010100)B=(AB.D4)H(小數(shù)低位補(bǔ)0)ABD4將十六進(jìn)制數(shù)(2D5C.74)H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)(2D5C.74)H=(0010110101011100.01110100)B(整數(shù)前的高位0和小數(shù)后的低位0可?14?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)取消)2D5C74二進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1-3所示。表1-3常用進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F1.3.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)，數(shù)值是用二進(jìn)制來表示的，也就是說，無論多大的數(shù)，在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的基本手段是通過鍵盤與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)，這就需要對(duì)字符數(shù)據(jù)編碼，并由機(jī)器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式存入計(jì)算機(jī)。下面介紹幾種在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中經(jīng)常使用的編碼。1)西文字符編碼(ASCII)ASCII是英文AmericanStandardCodeforInformationInterchange(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)的縮寫。目前，計(jì)算機(jī)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(hào)。ASCII碼用7位二進(jìn)制數(shù)來表示一個(gè)字符，由于2的7次方為128，所以共有128種不第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)?15?同組合，可以表示128個(gè)不同字符。其中包括：數(shù)碼0-9，26個(gè)大小寫英文字母以及各種運(yùn)算符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)及控制字符等?；続SCII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(jìn)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?。粚?duì)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(kuò)充ASCII碼的最高位為1，其范圍用二進(jìn)制表示為10000000～11111111，用十進(jìn)制表示為128～255，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(bào)電話咨詢委員會(huì)(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000000010010001101000101011001110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS－=M]m}1110SORS．>N^n~1111SIUS/?O_oDEL2)漢字字符編碼對(duì)于英文，大小寫字母總計(jì)只有52個(gè)，加上數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和其他常用符號(hào)，128個(gè)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(gè)，因此使用7位二進(jìn)制編碼是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須使用更多的二進(jìn)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(hào)為GB2312-80，收錄了6763個(gè)漢字和619個(gè)圖形符號(hào)。在GB2312-80中，規(guī)定用兩個(gè)連?16?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)續(xù)字節(jié)，即16位二進(jìn)制代碼表示一個(gè)漢字。由于每個(gè)字節(jié)的高位規(guī)定為1，這樣就可以表示128×128=16384個(gè)漢字。在GB2312-80中，根據(jù)漢字的使用頻率分為兩級(jí)，第一級(jí)有3755個(gè)，按漢語拼音字母的順序排列；第二級(jí)有3008個(gè)，按部首排列。英文是拼音文字，基本符號(hào)比較少，編碼比較容易，而且在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，輸入、內(nèi)部處