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计算机基础教程
第一章 计算机信息基础 1.计算机系统 2.计算机硬件和软件 3.通信与网络 1 计算机系统 4.1 计算机的发展 4.1.1 计算机的创始与发展 1.从原始计数法到机械计算机 在远古时代，人类首先从自身找到了最原始的计数工具――手，用手指来计数。为了能 表达比 10 个手指更多的数目，古代人们想出第二种计数工具――石子。石子、贝壳、绳结、 木棒不但作为统计财产、人数、猎物的工具，还能保留下统计的结果，这是现代计算机原理 中存储思想的最初萌芽。 约 1000 多年前，东方文明古国――中国开始使用算盘，这是世界上最古老的、流传最 广的计算工具。古代算盘是用小棒（或石子、金属块等）排放在不同位置上，表示不同的位 权，并按此进位与借位。可见，那时已经有了进位计数的概念。 1642 年，19 岁的法国数学家布莱斯?帕斯卡（Blaise Pascal）发明了装有手转圆轮的机 械加法器。 帕氏加法器里，一个圆轮代表一位数。轮上分为 10 个相等部分，刻有 0～9 十个数字。 做加法时，顺时针转动圆轮，当转到 0 刻度，便自动将高位圆轮带进一格。巴氏加法器用纯 粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向自动计算工具的迈进。为了纪念他，程 序设计语言 Pascal 就是以他的名字命名的。 现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯? 巴贝奇 （Charles Babbage） 1792 一 1871） （ 。 1833 年在他的微分分析机（differential analyzer）的设计方案中，他天才地提出了计算工具 至少必须具有五个独立的部分： ①输入部分送入需要处理的问题和信息.； ②存储库保存信息，以便机器使用； ③运算室能进行各种实际的运算； ④控制器指挥机器按顺序工作； ⑤输出部分送出问题处理的结果。 这台机器仍属于机械计算机， 但是他的思想在当时确实太先进了， 直至 100 多年后才开 发了电子计算机。巴贝奇的许多观点被一位女伯爵、著名的女诗人 Augusta AdaByron 记载 下来，并深入分析。她可以算是世界上第一个计算机程序设计员，程序设计语言 Ada 则因 她的荣耀而命名。 世界上第一台电子计算机诞生于 1946 年。它的诞生标志着计算工具随着世界文明的进 步飞跃到一个崭新的阶段。这台可操作的电子数字计算机称为 ENIAC（ electronic numerlcJ Integrator and calculator） ，由美国宾夕法尼亚大学的 John Mauchly 和 J. P.Eckert 发 明。ENIAC 是个庞然大物，它占地 170 平方米，重量超过 30 吨，并使用了多于 18 000 个 电真空管，耗资 40 万美元。 2 电子计算机时代 电子计算机时代的划分如下。 第一代是真空电子管计算机，时间大约为
年。其基本电子元件是电子管， 内存储器（计算机主机内存放信息的存储器称为内存储器，简称内存）采用水银延迟线，外存储器（计算机主机外的存储器叫外存储器，简称外存，它比内存容纳的信息大很多，但运 行速度慢）有纸带、卡片、磁鼓、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度为每秒几千 次至几万次基本运算，内存容量仅几千字，计算机程序设计语言还处于最低阶段，要用二进 制码表示的机器语言进行编程， 工作十分烦琐。 因此， 第一代电子计算机体积庞大， 耗电多， 难维护，并且造价很高。 第 H 代是晶体管电子计算机， 时间大约为
年。 美国有名的贝尔实验室在 1948 年发明了晶体管器件，10 年后晶体管取代了计算机中的电子管，晶体管电子计算机诞生了。 此时内存的元件大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。 外存有了磁盘、 磁带， 外设种类增加。 计算机运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存容量扩大到几十万字。与此同时，计算 机软件有了较大发展， 出现了高级程序设计语言， 用它编制程序执行时， 需先经过编译程序， 把程序翻译成机器语言，再由计算机实现。此外还发展了一些单道和多道管理程序，及各种 调试、诊断程序，批处理系统也已逐步形成。与第一代计算机比较，晶体管计算机体积小， 成本低，逻辑功能强，可靠性大大提高。 第三代是集成电路电子计算机， 时间大约为
年。 随着固体电子技术的发展， 集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中， 由十几个甚至上百个电子元器件 组成逻辑电路。用这些称为小规模集成电路（small－scale integration， SSI）的器件作为计 算机的主要逻辑器件， 这是第三代电子计算机的标志。 第三代计算机的运算速度进一步提高， 每秒可达几十万次到几百万次，磁芯存储器进一步发展，体积缩小，价格降低，软件逐渐完 善， 多道和分时系统的出现标志着操作系统的正式形成， 并出现了多种高级语言。 这一时期， 计算机同时向品种多样化、机种系列化发展，计算机性能和可靠性有了极大提高。 第四代是大规模集成电路电子计算机，时间为 1979 年至今。由于计算机的逻辑器件采 用了大规模集成 large－scale integration， LSI） （ 和超大规模集成 very large－scale （ integration，VLSI）技术，能在一个芯片上集成成千上万个晶体管和其他电路元件。集成度 很高的半导体存储器代替了早年的磁芯存储器， 存储容量从几兆字节发展到几千兆字节， 存 取速度也大大加快。 和 VLSI 技术使微处理器的开发获得成功， LSI 它能使 CPU 的全部线路， 集成在一个芯片上， 并达到每秒可以处理百万条指令的速度。 带有微处理器的微型计算机和 各种外围设备，以及易于使用的系统软件和应用软件包，组成了微型计算机系统（PCS） 。 随着计算机的广泛应用，计算机网络已成为第四代计算机的标志。 目前正在研制开发第五代计算机系统。 4.1.2 计算机的分类及应用 1.计算等机的分类 计算机技术的发展使计算机的分类问题变得复杂化了， 比如根据用户的需求及一些技术 特征，我们可以把计算机分成微型计算机、小型计算机和主干计算机，同样根据应用的分类 可以是：主计算机、网络服务器和工作站。 分类也可能根据不同的计算平台以描述相关的计算能力。 因此计算机分类与它们的计算 速度和存储能力以及支撑的外围设备的数量和能力有关。 但是还是可以发现某些微型计算机 的能力超过小型机， 而某些小型机的能力超越主干计算机。 因此计算机的分类往往相互渗透。 专家们还指出，微机系统网络越来越显露出计算能力和多种应用能力的加强。 计算机制造商一般按系列生产计算机系统。 因此计算机系统因不同的速度、 存储容量以 及其他能力可以有各种型号， 以适应用户信息处理的不同需要。 同一系列中的大多数计算机 是兼容的，也就是说，所写的程序只要稍做修改甚至不用修改，就可以在同一系列其他型号 的机器上运行， 这就是允许用户在需求增长时， 可将应用移植到同一系列的更高型号的机器 上，称为系统的向上兼容性。但是，专家们预测，这种生产格局将随着计算机网络的发展被 打破， 计算机的兼容性更强、 更可靠。 任何一种都可以与网络连接， 使网络用户能共享软件、共享信息、共享各种输入／输出设备，如打印机、绘图仪等各种网络 资源。 2.微型计算机及其应用 （1）个人计算机（personal computer） 微型计算机是对终端用户最重要的计算机， 微型计算机通常也被称为个人计算机。 因此 大多数微型计算机设计成单用户，以支撑终端用户各种工作活动。 目前， 微型计算机的能力已超出前代计算机中的主干计算机， 而价格只有主干计算机的 一小部分， 因此微型计算机在企业中也可以作为专业工作站使用， 它支持用户进行大量的数 学运算或工程上的计算机辅助设计（CAD） ，还可以用作金融业的投资和证券分析，并显示 图形。 特别是随着多媒体技术的发展，更是以数字技术为基础，融合通信技术（电话、传真） 、 广播技术（广播、电视）和计算机技术为一体，将文字、图形、图像、声音、视频等多种媒 体信 息进行储存、传送和综合处理。 因此，基于 1997 年 Intel 公司推出的多媒体扩展（multi media extension，MMX）技术 及随着 CPU 集成度与主频提高，研制了具有处理多媒体信号能力 MMX 微处理器，即在传 统个人计算机的基础上， 扩充处理声音、 图像等信息的设备和软件， 从而出现了能对文、 图、 声、 像等多媒体信息进行统一处理的多媒体计算机 （multimedia personal computer， MPC） 。 微型计算机可以让终端用户进行多种信息处理业务，这与微型计算机上大量、广泛、可 方便使用的软件包有关，其应用领域如下： ①字处理微型计算机在字处理软件的支撑下，用于电子打印与编辑备忘录、信件、报告 等各种文档。高档的字处理软件还可以编辑出版刊物。 ②决策支持应用电子表软件可以让用户建立描述事务状态的电子表 （sPreadsheet）模型。用计算机进行事务规划、预算和执行事务的分析，并为决策提供了交 互支持。 ③数据库管理数据管理系统允许用户建立与维护企业状况的文件和数据库， 然后用户可 以查询、显示所需要的数据，并可以对抽取的数据加工处理，产生各种分析报告。 ④绘图绘图软件可以用激光打印，光扫描仪以及其他设备，让用户制作各种分析图表， 如直方图、曲线图、圆饼图，也可以制作各种图形影像。这种功能着重强调了报告中信息的 分析和表达。 ⑤通信通信网络、 软件包和硬件组合在一起允许用户存取组织内的数据库， 也允许用户 存取外部信息服务机构提供的数据和银行中的信息， 并且与其他用户通信， 微型计算机可以 连接到主干计算机上，也可以与支撑用户工作群体的局域网相连。 ⑤应用开发微型机上可以应用的多种程序设计语言以及计算机辅助软件工程 （c。 mpuur －。Ned S。RW。re ellgllleehng，CASE）的工具，使信息系统开发过程自动化，开发质量 得以提高。 ①工程超级微机常用作计算机辅助设计的技术工作站。它能支持计算机辅助工程 （comPuter aided ensineerins， CAE）的设计与分析过程，以及其他所需的计算能力与绘图 能力。 ③个人与家庭使用微型机可提供多种可视游戏、 教育及家庭管理软件， 可供个人与家庭 娱乐，子女教育及家政管理。 （2）移动式计算机 随着计算机技术和网络技术的快速发展， 计算机应用覆盖全球。 对于一些经常外出的专 家或企业的市场营销人员， 就需要计算机既能放在办公室使用， 又能方便地把计算机携带在身边， 随时就地开展业务。 因此需发展笔记本型、 手提便携型、 膝上型等移动式计算机产品。 目前移动式计算机技术正在高速发展中，移动式计算机采用了最新技术、最快速处理 器、最优屏幕、最佳接口、最大容量、最小体积的硬盘。显然硬件成本较之桌面机昂贵，但 对于工作性质为流动的业务员， 公司仍应为他们配备移动式计算机。 其次移动式计算机的安 装、操作和维护成本也很昂贵。但由于计算机故障代表的是企业生产力和营运收入的损失， 则必须减少计算机故障和故障恢复时间。例如：温哥华某咨询公司，共有 3000 名员工，其 中 1800 名遍及加拿大全国，其余的则分布在世界各地且不断移动。该公司向客户收取高达 Zn 美元山＼时的服务费。当该公司主管决定建立管理信息系统时，计算机的选择首先必须 确保每个员工每天正常工作， 则必然会是移动式而非桌面式的计算机。 同时公司也必然要求 该硬件供应商能提供全球化的快速修复服务或在计算机产生故障时， 能提供相容零件进行替 换，以便有问题的计算机马上修复并恢复运作。 （3）网络计算机（network computers， NLs） 在企业网络中的客户端往往可以采用比传统个人计算机功能缩小与简单的计算机。这 种计算机并不长期储存应用软件和数据资料， 而是透过因特网或企业内联网， 从中央主机或 服务器下载所需软件与数据资料。 若发生了更新数据则传递给中央主机或服务器， 以备今后 多用户的共享使用。因此有效地减少了客户端对辅助存储硬盘、光碟等设备的使用。由于网 络计算机的组成只需一台 PC 主机、一个键盘、一个屏幕与网络连接装置，同时网络计算机 又不必为软件升级、维护、技术支援与训练支付成本，一切由中央计算机或服务器进行集中 管理与更新。因此，网络计算机的成本较之 PC 机的成本更低。 网络计算机除了成本低的优点，另一个优点是可以加强对组织内计算机计算能力的管 理控制，但必须依靠后端的大型主机系统的支持。 当然若是换个角度思考， 网络计算机也存在如下问题： 这种主干机中央集权式的控制将 会降低终端工作人员的进取心与创造力。一个管理不善的网络系统，一旦发生故障，则所有 在终端工作的员工将无法操纵网络计算机进行工作；而使用全功能 PC 机的员工，由于拥有 独立处理能力和独立数据资料而继续保持工作， 甚至还可以提供一份某种程度的备份， 以恢 复中央计算机的故障。 企业考虑购买与使用计算机时，必须联系企业的管理需求、营运模式与财政状况等，才 能决定将某种类型的计算机应用于企业信息技术的基础建设。目前，财务、证券、保险与零 售经销业，对网络计算机有较高的认知度与接受度。 （4）超级计算机（suPer comPuter） 超级计算机是一台精密且功能强大的计算机， 传统上用于科学与军事研究， 如航天航空 技术、武器研究、气象预测、石油与工程应用方面。 超级计算机每秒能执行十亿或百亿个指令， 可以在瞬时之间处理大量复杂的数学计算或 模拟运作，有的运算速度甚至比大型主机还快。 超级计算机采用多 CPU 处理器结构，因此并非一次执行一条指令，而是采用平行处理 （parallel processing）模式。首先将一个问题分成比较小的部分，通过同时工作并行处理问 题中的不同部分，最后产生问题的结果。某些尖端科学问题在解决时，要同时启用数千个处 理器。 因此研究开发一些解决问题的特殊的软件是超级计算机技术的关键。 它将复杂的问题 分解后， 以最有效的方式分配给各个处理器， 并将各处理器的工作结果集合起来， 加以处理， 最终得到问题的解答结果。超级计算机每秒能执行的指令数是其计算能力的反映。目前，科 学家们正在研制每秒能执行 10 兆条指令运算能力的超级计算机。 随着信息技术应用发展，特别数据仓库技术的发展，超级计算机也将应用于商业，应用 于数据挖掘和海量数据的处理。 3.小型机及其应用小型计算机无论是形体、重量还是功能，都是介于主干计算机与微型计算机之间。但这 种划分并不精确。微型机系列的高瑞（超级微机）的性能远远超出小型机，而小型机系列高 瑞（超级小型机）的性能又远远超出了主干计算机。但小型机价格低于主干机，而且大多数 小型机都可以在普通环境中工作，不必净化空气，也不必提供专用供电线。一些比较小的小 型机甚至可以不必有专家操纵， 而只需对雇员加以培训即可使用。 因此许多组织继续倾向于 应用小型机。 小型机在科学研究、建设系统、工程分析和工业过程监控领域颇受欢迎。因为小型机在 这些领域已有足够强的能力胜任这些工作， 而并不需要主干机的全面处理功能。 因此小型机 常作为工业过程控制和制造工厂的选择对象。特别在计算机辅助制造（ compute aided manufacturing，CAM）方面起了重要作用。当然小型机也可以作为功能很强的技术工作站 用于计算机辅助设计， 还可以作为主干机的前端处理机， 以帮助主干计算机控制数据通信网 络。 小型机目前也成为部门或办公室受欢迎的共享计算机。 在分布式处理网络系统中， 可以 用干指派计算任务，也可以作为局域网的服务器，把某个部门或办公室的微机工作站、终端 及其他办公自动化设备连接在一起， 当网络需要更强的处理能力， 联机存储能力及在同一时 间能支持多用户工作时，可以使用性能更强一些的小型机。 4.主干计算机及其应用 主干计算机除了在形态与性能上比小型机、微型机强以外，通常有多个处理机，以达 到更快的指令处理速度，例如：每秒处理指令可以超过 2 记条。主干计算机的内存容量也是 巨大的，例如主存容量可以从 32M 字节到几个 GM 字节。主干计算机的服务能力一次可有 几百个用户。 一个大型主干机可以为上百个不同的用户处理上百个不同的程序和上百个不同 的设备。也允许大量用户在共享网络上访问中心数据库和应用程序库。 大型主干机主要用于处理大型企业集团的组织信息需求，如对成千上万顾客的需求 信息处理，企业的销售活动和库存动态管理等。不同规模的企业集团，可以采用不同规格的 主干计算机。 一般大型的主干机主要用于大的跨国企业集团和政府部门， 这些企业几乎每天 要进行上百万件事务处理，如国家银行、国家证券交易所。大型计算机也可以为颇有价值的 计算设计项目进行复杂的科学计算、工程设计与仿真模拟，例如宇宙飞船的设计与模拟。大 型主干机的应用还可以作为分布式处理网络中的主机，例如在航空、银行、石油业的大公司 都采用大型主干机与国家或国际计算机网络连接。 曾几何时，微型计算机的发展，使昂贵的大型主机如同技术上的恐龙一般已为过时，曾 有专家预测大型主机存在被淘汰的可能性。 但是由于大型主机的无与匹敌的运算能力与可靠 性， 许多早期应用信息科技的公司依然应用大型主机处理一些大宗的交易。 而目前大型主机 在全球信息网上的电子商务找到了最佳定位。 华尔街著名的美林证券公司使用大型主机作为股市网站的服务器， 所有的资料全部放在 这台主机上，用户可以透过网站获取所需的各种市场信息，跟踪自己投资组合状态，获取交 易公司的信息。当更新网站服务器软件时，原有的数据资源保留，而只需将不断更新的市场 信息连接到网站服务器并方便地将资料传递给内部／外部所有用户。 一个架构于 Windows NT 平台上的电子书店，最多可以容纳每天一万次的点击率，而 当超出该点击率时，则无法处理如此大的流量。若每天增加到 100 万次点击率，则不是增加 几台 NT 服务器能解决问题。 因此电子书店购买了 IBM S／390 大型主机， 尽管短期成本增 加，但减少了多 NT 服务器引发的其他技术或营运中的问题，降低了长期运作的员工成本和 维护成本。而且此时仅使用了 S／390 十个 CPU 中的三个，因此在处理大宗交易方面还有 很大的成长空间，保证运行的高速度和高成长性。 随着全球性电子商务的展开，大型主机以其特别强大的功能，开拓新的应用市场。4.1.3计算机发展趋势 作为信息系统的最终用户， 认识到计算机系统的发展速度飞快是很重要的。 这些发展趋 势在计算机的每个重要阶段已有所体现，并将继续发展下去。如上所述，第一代计算机开始 于 20 世纪 50 年代早期，第二代计算机在 50 年代末期，第三代计算机在 60 年代中期，第四 代计算机则开始于 70 年代末期，并将继续下去，第五代计算机在 ZI 世纪初期诞生。表 41 描述了计算机在特征和能力方面的主要发展趋势。其主体是向着体积更小、速度更快、性能 更强更可靠、购买与维护成本更低的方向发展。 表 41 计算机能力和特征的主要趋势 项目 大小 （典型计 算机） 第一代 房间大小 （主 干计算机） 第二代 储藏室大小 （主干计算 机） 晶体管 第三代 桌子大小 （小 型计算机） 半导体集成 电路 几千个 几百万条 几星期 成千上万 第四代 台式和便携 式 （微型计算 机） 大规模集成 电路 成千上万 几千万条 几个月 几兆 第五代 信用卡大小 （微型计算 机） 超大规模集 成电路， 超导 电路 几百万个 几亿条 几年 几亿器件 密度 （器件数 /每个线路 速度 （执行指 令数） 可靠性 （线路 的失误率） 存储 （字符容 量） 价格（美元/ 每百万条指 令）电真空管单个 几百条 几小时 上千上百个 几千条 几天 上万101.000.10.0010.00014.2.1 计算机系统原理 1.冯?诺依文计算机结构的基本思想 迄今为止，世界上各类计算机的基本结构大多数建立在冯?诺依曼（Von Neumann）计 算机模型基础之上。美籍匈牙利数学家约翰?冯?诺依曼曾作为美国阿伯丁试验基地的顾问 参加了 ENIAC 机的研制工作，得到很多启发。1947 年他在自己领导的计算机研制小组进行 新方案的设计过程中， 汲取了科学家们长期艰苦研究成果的精华， 明确提出了两个极其重要 的思想：存储程序和二进制。 任何复杂的运算都可以分解成～系列简单的操作步骤， 这些简单操作应是计算机能直接 实现的被称为“指令”的基本操作，如加法指令、减法指令等。解算一个新题目时，先确定 分解的算法，编制运算过程，选取能实现其操作的适当指令，组成所谓“程序” 。如果把程 序和处理问题所需的数据均以计算机能接受的二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算 机的存储器里，计算机运行时从存储器取出第一条指令，实现第一个基本操作，以后自动地 逐条取出指令，执行一系列的基本操作，其结果是完成了一个复杂的运算。这就是存储程序 的基本思想。 “二进制”的基本思想是：计算机指令和数据均以二进制编码的形式存储。精通数学的 冯?诺依曼提出了计算信息可以采用二进制。二进制只有“0”和“1”两个数符，用计算机 电子器件的截止和饱和两个稳态，即高电平和低电平来表示“0”和“l” ，其实现非常容易。 并且二进制运算规则远比十进制简单，这样使计算机结构大为简化，运算速度大大提高。2.计算机系统的基本结构 “存储程序”原理和“二进制”奠定了现代计算机设计的基础和计算机的基本组成与功 能。因此计算机不仅是一个完成各类信息处理任务的集合体，而且是一个“系统” ，是一个 能执行如输入／输出处理、 存储和控制这些基本系统任务的、 有内在联系的电子部件的结合。 因此， 计算机是提供给终端用户的功能极强的信息处理工具。 能认识到计算机是一个计算机 系统，对于有效使用及管理计算机都是极其重要的，无论面对一台微型计算机，还是面对大 型的计算机系统，以及面向经远程通信网络连接起来的跨地域的各种设备（包括计算机） ， 都把它们作为系统看待。 图 1 一 1 就表示组成一个计算机系统的硬件设备， 这些设备组成的计算机系统可以实现 以下功能。主机 中央处理器 输入设备 控制单元 运算单元 输入设备一级存储单元 键盘、扫描仪、 鼠标器等 二级存储 单元 磁盘、 磁带 光碟等 显示器、打印 机等(1)输入：计算机系统的输入设备，包括键盘、触摸式大屏幕、光笔、电子鼠标器、扫描仪 等，它们将直接、间接或远程输入到计算机系统的数据转换成机器可读的电子格式（0／l 数据代码） 。 （2）数据处理与控制：中央处理器（computer processor unit， CPU）是计算机系统的 核心部件。在微型计算机系统中，单片超大规模集成电路就形成了微处理器。CPU 中的算 术逻辑单元（arithmetical and logical unit， ALU）负责计算机的运算任务，CPU 中的控制部 件是计算机的指挥部。它处理计算机的程序指令和传送方向，实现各功能部件的联系，并控 制执行程序。 （3）输出：计算机的输出设备包括视频显示器、各类打印机，如针打、激光打印、喷 墨打印、声音应答器等。它们将计算机产生的各类电子信息转换成终端用户可以观察理解 的形式，如文字、图形、声音等。 （4）主存储：计算机系统的存储功能由计算机的一级存储单元及二级存储单元组成。 一级存储单元亦称为主存储器， 主要是由半导体器件组成， 存放计算机当前运行的程序和数 据。二级存储单元也可以称为外存储器或辅助存储器，主要有磁带、磁盘、光碟，存放当前 不用的海量信息。 （5）通信接口：随着计算机网络的发展，通信接口设备已发展成计算机的一个必不可 少的功能部件，由它实现计算机与通信网络的连接。 总线则连接上述功能部件并在它们之间提供数据资料传送路径、 地址信号传送路径与协 同操作控制信号传送路径。4.2.2 计算机中数据表示方法 在日常生活中，人们最熟悉的是十进制，然而，计算机都采用二进制数字系统表示计算 机中的数据信息。 对计算机中数据信息进行处理的电子线路， 其设计的理论基础是逻辑代数 (布尔代数)，它和普通代数一样，用字母表示变量，但逻辑变量的取值范围只有两个值“0” 和“1” ，也是用二进制表示。 计算机采用二进制具有以下优越性： (1)二进制只有两个数字符号“0”和“1” ，因此在现实世界中很容易找到有两种对立且 稳定物理状态的物理器件来表达，如晶体管的导通和截止，磁性器件的剩磁状态。由于状态 简单，器件容易设计，且性能稳定，运行可靠。试想要设计一个有 10 个稳定状态的物理器 件是一件多么复杂的工作。 (2)二进制运算法则简单，只有加法法则：0+0=0，0+1=1，1+1=10，求积法则 0×0=0， 0×1=1，1×1=1；甚至求积运算也可以转化为移位求和运算，从而大大简化运算电路。 (3)由于逻辑变量和二进制一样只有“0”和“1”两个取值，采用二进制可使算术运算 和逻辑运算共享一个运算器。 计算机中各种类型的数据表示如下。 1.数值型数据的表示 在计算机中， 位(bit)是最小的数据单位， 只能存放一个二进制的 “0” 或 ， “l” 字节(byte) ， 是一组长度固定为 8 的二进制位的集合， 一般一个字节可以存放一个字符。 如图 1―2 所示。 或 一个位(bit)01一个字节代表一个字符或一个符号 0 1 0 0 0 0 0 1 “A”的字节表示方式“Alice”在电脑中的表示方式 A L I C E 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1图 1-2位(bit)与字节(byte)一个计算机字，或简称为字(word)，是在计算机中作为一个整体被传送和运算的一串二 进制数码，它所含有的二进制位数等于字长。目前的微型计算机绝大多数是 32 位字长，我 们称为 32 位机，则可在运算器中进行 32 位并行运算，并在总线中进行 32 位并行传送。 在计算机中，储存数据的长度是统一的，不足的部分则用“0”填充，例如：在微型计 算机中， 一个整数占 2 个或 4 个字节， 一个非整数占 4 个或 8 个字节等。 即数据类型确定后， 将使用同样的数据长度，而与数的实际长度（二进制的位数）无关。其次，由于数有正负之 分，在计算机中，总是用数的最高位表示数的符号，并约定以“0”代表正数，以“1”代表 负数。最后，为了节省存储空间，在计算机中表示数值型的数据时，小数点是隐含的，但其位置是固定的，或是可变的。前者为定点数，后者为浮点数。 分设某计算机使用的定点数长度为 2 字节，其中第一个字节的最高位表示数的符号， 则该机的数值表示如下例所示。 例 1 用定点整数表示(213)10。 已知(213)10＝(，故机内表示为： 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1数符数值部分小数点位置例 2 用定点小数表示(一 0.6876)10=(一 0.01101?)2。 (注：因二进制数为无限小数，故自 16 位后略去) 1. 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1数符 小数点位置数值部分例 3 用浮点数表示(10.101)2。 已知(10.101)一 22×0.10101，故机内表示为：01 0 01 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0数符阶码尾符尾数2.字符型数据的表示 人们使用计算机时，通常用十进制数及常用的字母、字符完成信息的输入和输出。 但由于计算机只接收和处理二进制数， 因此信息必须用二进制编码。 所谓编码是用一串二进 制数码代表一位十位制数字或一个字符。编码工作由计算机在输入、输出时自动进行。 (1)ASCII 码 在数据处理、通信系统和外部设备与主机进行信息交换时，用得最多的是 ASCII 码(American standard code for information interchange)，即美国标准信息交换码，是国际通用 的一种字母与符号的编码。它用 7 个二进制数据表示一个字符，共可以表示 l28 种 基本字符和功能符，具体内容有： 大写字母 A～Z； 小写字母 a～Z； 数字 0～9； 可打印的符号，如&、一、?、!等。 实现某个动作的控制符号，如 NUL、ESC、CR、LF、BEL 等，例如 BEL，其 ASCII 码为 0000011，是报警符，可以产生一个能听见的响铃声。一般的计算机进行字符处理和信息交换时，在 7 个数据位的最左边添上一个奇偶 校验位，用于检测电气干扰或设备故障引起的传送错误。例如字母 R 的 7 位码是 1010010， S 为 1010011，若计算机采用偶校验，则它对应的 8 位码是：R 为 ，S 为 ，添加的原则是使偶校验系统中的全部字符都具有偶数个 1，传送过程中若发 现某字符的编码中 1 的个数为奇数，则该码有错。 由于标准的 7 位 ASCII 码能表示的字符较少，不能满足信息处理的需要。近年来， 在 ASCII 码的基础上又研制了一种扩充的罗马字符集。它要求用 8 个二进制数据位表 示一个字符，一共可以表示 256 种字符和功能符，称之为扩充的 ASCII 码。 (2)BCD 码 十进制数在键盘输入、打印和显示输出时，往往以 ASCII 码表示，但是数在机器 内是以二进制形式进行运算的。 如图 1 一 3 所示的是一个十进制数如何转化成二进制数的表 示。10100 等于0× 0＝0 2 0× 1＝0 2 1× 2＝4 2 0× 3＝1 2 16 1× 4＝ 2 20图 1-3位置 2 的次方 十进位值5 24 164 23 83 22 42 21 21 20 1十进制数（20）的二进制表示法因此，除了存在 ASCII 码与 BCD 码之间的转换，也存在着 BCD 码与二进制数之 间的转换，其转换过程均由系统内部的专门程序完成，如图 1―4 所示。输入 十进制数 输出ASCII 码转换二进制数BCD 码图 1-4二进制数与十进制数在机器内的转换(3)EBCDIC 码 EBCDIC 码的英文全称为 extend binary coded decimal interchange code。 这种二进制 编码是由 IBM 公司于 1950 年开发出来的，以 8 个位元(bit)代表任何数字、英文字母和特殊 符号。主要用于 IBM 及其他大型机上。 3.汉字的表示 英文为拼音文字，汉字为非拼音文字。显然，汉字编码远比 ASCII 表要复杂得多。 汉字处理的过程也远比英文处理的过程复杂得多。图 1 一 5 为汉字处理的流程图。五笔字形 汉语拼音 王码转换处理 汉字机内码 转换处理转换处理 转换处理 转换处理图 1-5汉字处理的流程图该处理流程说明，无论是中文字符(汉字)还是西文字符，在计算机内部的表示一律 用二进制编码表示，称为机内码，因此，中文处理与西文处理的本质是一样的。但是由于汉 字转换成机内码时要有转换标准，于是就产生了国标码，而由于汉字输入较困难，为了便于 输入操作，又产生了拼音输入、五笔输入等各种形式的汉字输入码。而当汉字输出时， 由于汉字是象形文字，具有极大的艺术性，又有各种汉字字形码。有关计算机汉字的 各种编码归纳如下： (1)汉字交换码(国标码) 1981 年，我国颁布了 《信息交换用汉字编码字符集的基本集》(代号 GB2312―80)。 它是汉字交换码的国家标准，所以又称“国标码” 。该标准收入了 6763 个常用汉字(其中一 级汉字 3755 个，二级汉字 3008 个)，以及英、俄、日文字母与其他符号 687 个，共有 7000 多个符号。 国标码规定，每个字符由一个 2 字节代码串组成。每个字节的最高位恒为“0” ， 其余 7 位用于组成各种不同的码值。两个字节的代码，共可表示 128×128―16 384 汉字。 (2)汉字机内码 在计算机内，为了实现中、西文兼容，通常将汉字国标码的最高位置 1 来标识机 内的某个码值是代表汉字。例如，汉字“大’ ’字的国标码为 3003，两个字节的最高位均为 “0” 。把两个最高位全改成“l” ，变成 8083，就可得“大”字的机内码。 (3)汉字输入码 西文输入时，ASCII 输入码与机内码总是一致的，想输入什么字符，便按什么键。 但汉字输入则不同。当采用某一种汉字输入法时，同一汉字的输入码也将随之变更。 需要指出，无论采用哪一种汉字输入法，如用拼音输入或五笔输入，当用户向计 算机输入汉字时，通过键盘管理程序的转换，存入计算机中的总是它的机内码，与所采用的 输入法无关。 (4)汉字字形码 显示／打印文字时还要用汉字字形码。因此汉字库占用的存储空间也愈大。例如 一个 24×24 的汉字占用空间为 72 个字节，一个 48×48 的汉字将占用 288 个字节。综上可 知，汉字处理较纯西文处理需要更多的时间与空间，原因就在于此。 4.所有文字的通用表示 Unicode 是一种试图容纳全世界所有语言文字的编码方案。国际标准化组织(ISO) 和 Unicode 协会(WWW.unicode.org)都开展过设计 Unicode 的工作，IS0 开发了 ISO10646 项 目， Unicode 协会开发了 Unicode 项目， 后来这两个组织合并了双方的工作成果， Unicode 从 2.0 开始，Unieode 项目采用了与 IS0 1 相同的字库和字码，Unicode 协会现在公布 的最新版本是 Unicode 5.0.0。 Unicode 给每个字符提供了一个唯一的编码，Unicode 标准的出现和支持它工具的存在，是近来全球软件技术最重要的发展趋势。将 Unicode 与客户服务器、多层应用程序或 网站结合，比使用传统字符集节省费用。Unicode 使单一软件产品或单一网站能够贯穿多个 平台、 语言和国家， 而不需要重建。 它可将数据传输到许多不同的系统， 而且可以正常使用。 Unicode 最初的设计目标为用 16 比特(2 字节)表现全部的文字(即采用 UCS 一 4.2 格式)，在一个字符编码体系中处理多国语言。但由于 2 字节最大只能收录 65 536 个字，后 来进行的异体字表现方式的制定，Unieode 变成了部分地使用 3 字节以上的体系，因此现 在的 Unicode 是由 4 字节定义的(即 UCS 一 4.4 格式)。 UTF(UCS transformation format)规范是将 Unicode 编码方案和计算机的实际编码对 应起来的一个规则。常见的 UTF 规范包括 UTF 一 4.8、UTF 一 4.7 和 UTF 一 4.16。UTF 一 4.8 就是以 8 位为单元对 UCS 进行编码， UTF 一 4.16 以 16 位为单元对 UCS 进行编码。 例如从 UCS 一 4.2 到 UTF 一 4.8 的编码方式如下： UCS 一 4.2 编码(16 进制) 0000 一 4.007F 0080 一 4.07FF 0800 一 4.FFFF UTF 一 4.8 字节流(二进制) 0xxxxxxx 110xxxxx 10xxxxxx 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx例如“汉”字的 Unicode 编码是 6C49。6C49 在 0800―4.FFFF 之间，所以肯定要 用 3 字节模板：lll0xxxx l0xxxxxx l0xxxxxx。将 6C49 写成二进制是：01001， 用这个比特流依次代替模板中的 x，得到：lll01 ，即 E6 B1 89。001 ADD103 101 201 ADD103002 Str202 102 202003 103 12 203控制器 Control Unit ADD 103运算器 Arithmetic Unit 35 + 12 Str202图１-６指令执行过程5．音频和视频信息在计算机中的表示 多媒体计算机不仅要处理数值信息和字符型信息，还要处理声音和图像，即音频 信息和视频信息。 在一般声像设备中，声音和图像信息通常都表示为模拟信号。但计算机包括多媒 体计算机的 CPU 却只能处理脉冲数字信号，即二进制数据。因此，无论音频信息和视频信息，在进入 CPU 以前都要先转换为二进制数据，才能交给 CPU 加工处理；反 2：-，从 CPU 输出的声音／图像信息，也要先从二进制数据转换为音频／视频模拟信号，然后交给 声像设备播放。在这些输入、输出过程中，信息的转换都是由声像设备的接口板完成的，即 声频接口板(声频卡)完成声频信息的转换，视频接口板(视频卡)完成视频信息的转换。当多 媒体计算机运行时， 上述转换对用户是完全透明的， 不需要用户干预。 所以对一般用户来说， 只要知道有信号转换，却不必详细了解转换的过程。 目前声像设备正在向数字化方向发展，如数字荧屏、数码摄像机、数码相机等， 已数字化的声像设备可以与计算机直接连接，进行声像处理。 4．2．3 计算机运行方式 1．计算机指令的执行 计算机通过执行程序中的指令进行工作。计算机指令的格式由程序设计语言和计 算 机的类型决定，然而，指令的最基本格式包含以下两部分： ①操作码制定机器执行的操作(加法、比较、读等)； ②一个或几个操作数 指定数据或指令在内存的存放地址，或指示将使用的 I／0 端口和二级存储设备的地址。 一条指令的执行可以分为两个阶段：指令周期与执行周期。指令周期由从主存取 指令和控制单元解释指令组成。执行周期执行经解释后的指令指定的操作。如图 1-6 所示。 简单地说明在指令周期和执行周期的 CPU 中发生了哪些变化。 该指令是一条简单的加法指令，作用是将某个雇员当天的工作时数加到他本周的 工作总时数上去， 作为计算机指令， 则是将主存地址 l03 号单元的内容加到累加器的总量上， 并将结果存入主存 202 号单元。其执行过程如下。 (1)指令周期 ①从主存单元取指令，并暂时存人控制单元的寄存器。在此例中，指令储存在 001 号单元。指令的操作码部分(ADD)移到指令寄存器，操作数部分(103)移到地址寄存器。 ②指令由控制单元的线路解释，这包括用专门的译码线路对指令的操作码和操作 数进行译码。 ③控制单元在 CPU 内准备电子线路， 以执行所需要的操作， 这个操作包括激活 “读” 储存在存储单元(103)内数据的线路。 (2)执行周期 ①将要处理的数据从内存单元中取到， 并暂时存入算术-逻辑单元的存储寄存器内。 在这个例子中存储单元 l03 中含有数值 0012(12 小时)。 ②由指令指定的操作被执行。在这个例子中，存储寄存器的内容(0012)通过加法 器，加到累加器上。在这个例子中假设这一周的工作总量(0035)已由前一条指令储存在 累加器中。 ③将指令执行的结果存入主存储器，在这个例子中，周工作时间的总量是 0047， 并将此结果传送到指定的 202 号单元中。 2．计算机指令系统 对一台计算机来讲，它能够执行的各种不同类型指令，如加、减、存、取等指令 的总和称为该机的指令系统。 指令系统所包括的指令数目随计算机而异， 一般为几十条到几 百条。指令系统里的指令越多，计算机功能越强，实现指令操作的线路也就越复杂。但是所 有计算机的指令系统，无论其大小繁易都具备以下几类基本指令。 (1)数据传送指令 这类指令的功能主要完成各部件之间数据传送。例如主存与运算器之间的传送。（2)算术运算指令 这类指令主要用来完成算术运算，即两数的加减乘除。 （3)逻辑运算指令 这类指令按逻辑代数运算规则进行逻辑运算。如逻辑加、逻辑乘、求反等。 (4)程序控制指令 这类指令控制程序的走向与结构。如无条件转移、条件转移、转子程序、返主程 序等。 (5)输人／输出指令 这类指令用于启动外部设备，实现外部设备与内存或其他外部设备之间的数据传 送。 （6)其他指令 除上述指令，还有一些关于机器操作的指令。如停机、启动、空操作等。 一般来说，主干机由于功能强而全，它的指令系统最复杂，小型机和微型机的指 令系 统则相对比较简单一些。计算机的指令系统决定了计算机的功能。 3.计算机程序的执行 当前一条指令执行完毕后，计算机将自动转人下一条指令，重复指令周期和执行 周期，直到一个程序的指令全部执行完毕。通常指令是顺序执行的，并顺序存放在主存储器 内。 指令计数器将自动地顺序指向存在内存的下一条指令地址， 以便指示下一次将执行什么 指令。 有时程序中会引人一条分支指令，它将告诉控制单元，下一次要执行的是程序的 另一部分。这种指令非顺序的变化，有的是有条件的，有的是没有条件的。条件分支指令通 常是测试指令或比较指令执行的结果，若是指定条件成立，那么将引起指令顺序的变化。例 如在工资支付程序中，不同的指令序列主要用于计算那些因工作时间超出 40 小时后的超额 部分，因此转而执行储存在另一个地址单元 020 的指令。 由于案例中的雇员的工作时数为 47 小时，控制单元将重新设置指令计数器地址为 020。然后 CPU 就分支或跳转到子程序，并执行超时工作量工资计算指令，而不是执行定额 工作量工资计算指令。 4.网络计算机运算方式 目前大部分独立使用的计算机都已与网络连接。网络上计算机所做的运算一般属 于分散式处理，即将所有的处理工作分给连接在网络中的微型机、小型机和大型机。 现今被广泛应用的是主从式运算结构，主要包括 C/S 结构和 B/S 结构两种。 （1）C/S 结构 在 C/S(client/server computing)结构中， 计算机的处理工作分配给客户端与服务器端 共同完成。一般的用户在客户端进行操作，通过网络与服务器端连接，并从服务器端获取资 料与服务，如图 1-7 所示。客户端服务器端使用者界面 应用程序功能资料 应用程序功能 网络资源 图１-７ 主从运算结构客户端一般是一台微型计算机、便携式计算机，可直接运行客户需求，也可通过 网络向服务器发出请求，或向服务器输人资料，或从服务器获取资料。服务器端则获取客户 端的资料，分析处理并存储，或向客户端提供应用软件，数据资料等各种服务，并执行用户 端看不见的后台功能―网络管理活动。 根据客户端与服务器端在人一机交互界面、运算逻辑、资料管理三方面所承担的 任务差异，可以划分成不同的类型。其中界面指的是展示在客户端的人-机交互界面，资料 指的是存储在服务器端的数据库与数据仓库， 运算逻辑则代表了根据企业营运规则所形成的 处理逻辑，并为此所编写的应用软件。图 4-8 描述了主从式运算结构的五种类型，至于采用 哪种类型则由应用的实际需要确定。服务器端 资料 资料 资料 资料 资料运算逻辑运算逻辑运算逻辑界面资料运算逻辑运算逻辑运算逻辑界面界面界面 客户端界面界面图１-８主从式运算的种类例如，一个大企业的劳资管理工作，由各部门的人事管理员通过客户端输人新员工的 人事资料、薪资级别等，或对服务器进行资料查询、分析。如有需要还需作显示或打印等输 出。服务器端将所获取的人员变动、薪资变动的资料来更新企业人事数据库。同时，服务器 将进行网络运行管理， 控制服务器使用权等工作， 只有经认证后的客户端用户才能查看或更 新资料。按此企业的管理模式，应采用中间的方式。 （2）B/S 结构 B/S(browser/server)结构即浏览器／服务器结构。它是随着 Internet 技术的兴起，对 C/S 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过 WWW 浏览器 来实现，极少部分事务逻辑在前端(Browser )实现，但是主要事务逻辑在服务器端(server） 实现，形成所谓三层(3-tier)结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升 级的成本和工作量，降低了用户的总体成本（TCO)。以目前的技术看，局域网建立 B/S 结 构的网络应用，并通过 Internet/Intranet 模式处理数据库应用，相对易于把握、成本也是较低 的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式（比如 LAN, WAN, Internet/ Intranet 等）访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管 理访问权限，服务器数据库也很安全。特别是在 JAVA 这样的跨平台语言出现之后,B/S 架构 管理软件更是方便、快捷、高效。 客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户机不存在安装维 护的问题。当然软件开发和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了 WEB 服务器端。在 WEB 服务器端，程序员使用脚本语言编写响应页面。 客户机同 WEB 服务器之间的通信采用 HTTP 协议。HTTP 协议是一种无连接的协 议，通信原理如下：浏览器只有在接受到请求后才和 WEB 服务器进行连接,WEB 服务器马 上与数据库通信并取得结果,WEB 服务器再把数据库返回的结果转发给浏览器，浏览器接收 到返回信息后马上断开连接。由于真正的连接时间很短，这样 WEB 服务器可以共享系统资源，为更多用户提供服务，达到可以支持几千、几万甚至于更多用户的能力。 当前主要的浏览器是 Netscape Navigator 和 Internet Explorer,国内大部分客户机基于 Internet Explorer,而服务器使用 JSP、PHP 或 ASP 编写。客户机可以是 WINDOWS（浏览器 为 Internet Explorer）, LINＵＸ（浏览器为 Netscape Navigator) ,UNIX(浏览器为 Netscape Navigator)，而服务器可以是 WINDOWS 服务器(WEB 服务为 IIS5，数据库 SQL SERVER 或 ACCESS,脚本语言为 ASP,如： 当当网上书店 )， 也可以是 UNIX(WEB 服务为 Apache， 数据库为 MYSQＬ,脚本语言为 PHP， 21CN. COM 的旅游频道 http://travel. 如： 21cn. com)。 B/S 结构一般用于电子商务网站、大型公司企业网、客户机是无盘工作站的多客户 机的系统。但由于当前 HTML 语言的局限性，其打印和界面控制还不是很理想。 图 1-9 显示了 B/S 结构与 C/S 结构的比较。WEB 服务器数据库服务器应用服务器数据库服务器互联网 集线器 客户器 4 客户器 1 客户器 3 客户器 2 图１-９ 客户器 1 客户器 3 客户器 2 B/S 结构与 C/S 结构的比较 客户器 4习题 4 1.计算机的发展经历了哪几代？ 2.计算机是如何分类的？ 3.开发和应用计算机的领域有哪些方面？结合企业说说计算机在企业中的应用。 4.简述冯?诺依曼结构的主要思想和结构特征。 5.计算机中有哪几种类型的数据？它们是如何表示的？ 6.将下列十进制数分别表示为二进制和二十进制数： （1）125．24（2）0.42 7．将下列二进制数转换成八进制和十六进制数： （1））011 8．将下列八进制、十六进制数转换成二进制和十进制数： （1）125．17（2）C25D. 3A 9.解释下列术语： ASCII 码；汉字机内码；汉字输入码；汉字字形码。 10．在中、西文兼容的计算机中，计算机如何区别西文字符和汉字字符？11．用图说明计算机如何完成一条指令的执行。 12．请说明计算机指令系统与计算机功能的关系。第二部分 计算机硬件和软件 硬件是计算机物理设备的总称，也叫做硬件设备。它们通常是电子的、机械的、 磁性的或光的元器件或装置，一般分为中央处理器、存储器和输人、输出设备。软件是所有 程序的总和，一般分为系统软件和应用软件。本章将对计算机的硬件及软件作扼要的介绍。 5．1 硬件的概念 一台微型计算机系统结构如图 2-1 所示。中央处理器 （控制器+运算器） CPU 主机主存 储器I/O 接口●●●I/O 接口I/O 接口● 外部设备１●●●外部设备 n● ● 微型计算机的系统结构图 ● 计算机的主要部件由中央处理器(central processing unit, CPU) ,主存储器(primary storage)，各种 I/O 设备及总线(bus)组成。CPU 是计算机中进行符号、数字等操作的场 所，也是控制系统中其他元器件的场所。主存储器用于暂存执行过程中的软件或参加 运算的数据。而那些暂时不参加运算的数据存储在作为 I/O 设备的辅存储器中，总线则完成 上述功能器件之间的数据传送、地址传送及控制指令的传送。 因此反映计算机能力的两个主要指标，则是时间与容量，并且主要由 CPU 与主存 储器决定。 如表 2-1 左半边表示的是计算机时间测量单位， 目前一台具有多个中央处理器的大 型计算机的机器周期时间每秒能执行几十亿个指令，其中每个中央处理器都能执行数 百万甚至上千万个 MIPS(MIPS 称每秒百万指令， 并以此为大型计算机运行速度的基准） 日 。 本东京大学和日本国立天文台联合成立的研究小组于 2006 年 11 月 6 日宣布， 他们成功开发 出“世界最快的芯片” ，其单片计算能力已经达到了每秒 5120 亿次。我国的银河系列就是专 门研究此类巨型机。 表 2-1 电脑世界中的容量与时间 时间/秒 Second Millisecond Microseccond Nanosecond Picosecond 1 1/1 000 1/1 000 000 1/1 000 000 000 1/1 000 000 000 000 Byte Kilobyt Megabyte Gigabyte Terabyte 容量/字节 1 1K 1M 1G 1T 图 2-1表 2-1 右半边表示的是计算机容量指标。由于编码是以位元组(byte,字节）来计算， 因此一千个字节称为 1KB（实际应有 1024 个字节） 。而目前的微型计算机都可以达到 GB 量级的内存容量，而外存可达兆量级的容量。 以下介绍系统中各种硬件的主要功能及其组成。 5.2 中央处理器 中央处理器(central processing unit, CPU)是计算机系统最主要的部件，它由两个主 要部分组成：运算器和控制器。 5.2.1 运算器 运算器可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行 地址的运算和转换。 如图 5-2 所示的是运算器的结构图。 它是由算术逻辑单元(arithmeticlogic unit，ALU)、累加器(accumulator)、状态寄存器和寄存器阵列（通用寄存器）组成。 寄存器组 状态寄存器 Rn Rn ALU Rn Rn Rn Rn 输出控制Ａ 输出控制Ｂ 累加器输出控制图２-２带寄存器组的运算器算术逻辑单元由“and gate”和“or gate”构成，主要功能是进行二位元的算术与 逻辑运算，如加、减、乘（不包括整数除法） ，逻辑与、或、异或和传递移位操作等；累加 器是一种暂存器，用于暂存操作数或运算结果；状态寄存器也称标志寄存器，存放算术逻辑 单元运算后产生的状态信息，如算术运算中的溢出；寄存器阵列包括通用寄存器、地址寄存 器、变址寄存器和堆栈指示器等，用于暂存操作数、数据地址以及存储位址等。计算机通过 内部总线把算术逻辑单元、累加器及各种寄存器连接起来，以实现各单元之间的信息传送。 内部总线又可以分为数据总线和逻辑总线， 其中数据总线决定了计算机的字长， 即计算机在 同一时间中处理二进制数的位数。因此，一台计算机以 32 位为一整体进行传送与运算则称 为 32 位机。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。 5.2.2 控制器 如图 5-3 所示是控制器的结构图。控制器是计算机的神经中枢，它按照主频的节拍 产生各种控制信息，以指挥整个计算机工作。计算机的主频速度一般与机器型号（或 CPU 型号）相关，如 MMX-200，芯片的主频为 200MHz，主频越高，则工作节拍越快，运行速 度也越高。去运算器，内存，Ｉ/Ｏ设备 等的控制信号去内存地址寄存器 取下一条指令 4 ○微操作控制电路3 ○程序计数器节拍发生器指令译码器2 ○(分析指令) 主频 指令寄存器 1 ○ 从内存取 到的指令 （经总线） 图５-３ 控制器的结构图控制器从内存中按顺序取出各条指令并执行之。其步骤如下： （1）将从内存中取到的指令经总线送到 CPU 的指令寄存器内暂存。 （2）将指令传送到指令译码器，分析指令。 （3）将分析结果传递给微操作控制电路，由它向各功能部件发出操纵控制命令。 （4）当各部件执行完毕， “反馈信息” ，使程序计数器地址“＋1” （或 2） ，指向下一条 指令地址。 如此周而复始，直至执行完一个程序。 5．2．3 CPU 的发展 计算机的能力部分依赖于 CPU 与总线的一些技术指标。如常见的微处理器晶片， 其一个机器指令周期能并行处理的计算机字长可以是 8 位元字长，16 位元字长或 32 位元字 长，最多达 64 位元字长。在其他指标相同的情况下，机器字长度越长，计算机运行速度越 快。表 5-2 所示为目前微型处理器的种类。 表２-２ 微型处理器种类 名称 Pentium Pentium(MMX ) Pentium II Pentium III Pentium IV Power PC 机器字长 （bit） 32 32 32 32 32 32/64 总线宽度 (bit) 64 64 64 64 64 64 晶片振荡频 率 (MHz) 75~200 166~233 233~450 450~500 1.5~2.8GHz 100~400 制造厂商 Intel Intel Intel Intel Intel Motorola/IBM/Apple 计算机机 种 PC PC,工作站 高级计算 机， 工作站 高级计算 机， 工作站 高级计算 机， 工作站 高级计算Alpha64647600Compaq/DEC机， 工作站 Compaq 与 DEC 工作 站影响计算机运行速度的第二个因素是决定机器时序周期长短的晶片振荡频率（又称时 序速度） ，以每秒百万个周期为单位即 MHz,则时序速度越高机器运行速度越快。早期 Intel 8088 的机器频率为 4. 47MHz，Intel Pentium 达到 400MHz-500MHz，而现在的 Intel Pentium N 的时序速度则达到 1. 5GHz-2．8GHzo 影响计算机运行速度的第三个因素是数据总线 的宽度。数据总线是 CPU 与主存储器及其他器件之间的数据高速公路，决定并行传送多少 位数据。如 IBM8088 个人计算机，字长为 16 位 CPU 可以并行处理 16 位元的资料，而由于 数据总线的宽度仅 8 位，则 CPU 与主存储器及其他设备之间一次仅传送 8 位资料，计算机 运行速度下降。只能称为准 16 位机。目前的 Alpha 机、处理器芯片为 64 位元。数据总线宽 度亦为 64 位元，机器字长为 64 位，称为 64 位机。由于数据总线宽度大，计算机运行速度 高。 显然，要使计算机有更强的运算能力，可以考虑增加机器字长度，数据总线的宽度及 提高机器周期速度（晶片机器频率） 。 当前许多计算机，从微型计算机到大型主干机，为了扩展功能都使用了多处理机技术， 取代了由单个控制单元和 ALU 组成的单个处理机。 多处理机系统内可以有多个执行功能的 CPU,它们的特点如下。 （1）辅助处理器 这种设计是采用辅助微处理器帮助主处理器执行多种功能。辅助微处理器可以用 于输人／输出、存储管理、算术计算和通信，以使主处理器做主要的程序处理工作。例如支 持浮点算术运算的协处理器、视频显示控制器、磁盘控制器等。一台大型的计算机可能用一 台微型计算机作为通道管理机，控制 CPU 与 I/O 设备之间的数据传输，先进的微处理器设 计技术把这些辅助处理器的功能集成在单个的微处理器片上。 (2)对偶处理器 这种设计采用多 CPU 或多微处理器进行多道并行处理，即在同一时刻执行几条指 令。有些结构还提供容错能力，当其中一个 CPU 出现故障时，多 CPU 提供了内部的 备份。 （3)并行处理设计 这种设计可以使用几个指令处理器，或者成千上百个指令处理器，以网络形式组 织在一起。例如，含有上千处理器的大量并行处理则是基于大脑的神经网络原理。这种系统 一次可以并行处理许多指令。 许多专家正在研究并行处理系统， 使它能在第五代计算机中提 供人类智力的能力。 计算机循序处理和并行处理示意如图 2-4 所示。循序处理 程序 1并行处理 应用程序/总任务CPU/任务 1 CPU 分任务 １ CPU 分任务 １ CPU 分任务 １ 总结果 CPU 分任务 １ CPU 分任务 １程序 2CPU/任务２结果 （a） 图２-４（b） 循序处理与并行处理图 2-4(a)所示为循序处理，则将一个工作分配给一个 CPU，一次执行一个任务；而 图 2-4 (b）的平行处理中，则将一个工作分割成多个任务，分配给多个处理器。由于处理器 平行工作加快完成了所分配任务， 将各处理器平行工作的结果综合在一起， 则成为该工作的 总结果。其速度远远超出了循序处理。 （4）RISC 处理器 微处理器在设计上可以采用精简指令集(reduced instruction set computing, RISC)的 方法加快运算速度。 一般微处理器的指令集称为复杂指令集(complex instruction setcomputing, CISC)。因为在这些微处理芯片上往往有几百条指令硬体线路，因此必须花比较长的机器周 期才能执行一条指令。而通常 80 写的工作仅用到指令集的 20％，将不常用的指令剔除，就 形成了精简指令集，简化了芯片上的硬件线路，因而提高了 CPU 的效率。 许多高性能的高速工作站和部分计算机采用了优化指令集计算机（RISC） 。这是相 对于复杂指令集计算机（CISC)而言?RISC 使用了一个经过优化、简化了的小指令集，从而 提高了计算机的运行速度，并减少程序指令执行时所需的时间，即 RISC 处理器仅使用少量 基本的机器指令，就使处理器具有执行的能力。因此 RISC 处理器在工程与物理科 学的计算方面很受欢迎，并逐步走向通用。 （5) MMX 多媒体处理器 在 20 世纪 80 年代，一些计算机公司制成了将文本、图像（包括图形、静态图像、 视频动态图像、动画等） 、声音（包括语言、音乐、声音效果等）多种媒体集为一体进行处 理的计算机。这种计算机要求 CPU 有更高的处理速度和更强的处理能力，从而促进了计算 机供应商研制适应多媒体处理的高性能微处理器，如市场上推出的 Intel MMX 芯片就属于 该系列。 MMX(multi media extension）微处理器其本质是以一个 Pentium 芯片，加上额外的 可以改善软件图形、声音效果的指令集，使得多媒体的多声道音讯、高品质影像或动 画等， 可以在同一软件中执行。 超微处理器 AMD-K6 （Advanced Micro Device） 既与 Pentium 相容，也提供 MMX 指令集，而 Intel Pentium 班以上的芯片对语言识别、影视、网络等处理 工作有独到的指令设计，具有与大型主机及超级计算机相似的处理能力。（6)双核处理器和多核处理器 基于单个半导体的一个处理器上拥有两个或多个功能一样的处理器核心。由于处 理器的功耗和散热问题已成为提升处理器主频的瓶颈，双核（或多核）处理器技术的引人是 提高处理器性能的有效方法， 因为每增加一个内核， 处理器每个时钟周期内可执行的单元数 也将相应增加。Pentium-D 是英特尔公司的双核心处理器系列之一，于 2005 年春季的 Intel 开发者论坛中首度亮相。它把两颗 Pentium 4 Prescott 核心放在同一块芯片上，从而提高了 处理速度。 5.3 存储系统 5.3.1 计算机存储系统及发展 数据储存是计算机信息系统必须具备的一大主要功能。计算机信息系统基本上是 依乖一级存储器和二级存储器设备来实现存储功能的。表 5-3 反映随计算机的换代，及一级 存储器和二级存储器设备的发展变化。 表 5-3 计算机存储设备的变化 项目 一级存储 发展趋势 二级存储 发展趋势 第一代 磁鼓 第二代 磁芯 第三代 磁芯 第四代 LSI 半导体存储器 第五代 VLSI 半导体存储器利用更小的微电子线路向高速大容量能力发展 磁带 磁鼓 磁带 磁盘 磁带 磁盘 磁带 光盘 光盘 磁带利用磁和光介质，向海量存储能力发展随着超大规模集成技术的发展，在一个小小的芯片上，可以组装几百万个线路元 素， 大大提高了计算机一级存储的容量。 而随着光介质的使用， 二级存储的容量也大大扩展。 存储系统有多种存储介质和设备，它们的运行速度、容量及用途比较如表 5-4 所示。从表中 可以看出， 为了降低一级存储的成本， 采用高速缓存技术方案， 利于提高计算机的运行速度， 而在二级存储中将更多地采用磁盘和光盘存储。 5．3．2 主存储器 主存储器的功能主要是存放当前运行的程序及执行程序所需的资料。这些程序和 资料在运行前由辅助存储器调入主存储器， 在处理过程中或处理完毕后， 再存回辅助存储器 或打印输出。 计算机的主存储器主要是由半导体存储器组成。半导体存储器的种类繁多，按其 性能和用途可以分成两大类：只读存储器(read only memory, ROM)和随机存取存储器 （random access memory，RAM） 。 随机存取存储器(RAM） ，是指任意时刻可以从任意存储单元读出信息，或将信息 写人任意存储单元， 而读写信息所需的时间与存储单元的位置无关的存储器。 这种存储器又 名读写存储器(read and write memory, RWM)， 常用它存放计算机运行过程中所需的程序和数 据。当运行结束，程序和数据将保存在二级存储器内。机器断电后信息自动消失。 由于半导体存储器价格贵，容量不能做得太大，而且随着半导体器件速度加快，价格 提升更快， 与提高计算机主机运行速度产生了矛盾， 为此在主存中采用了少量速度更高的半 导体存储器，称之为高速缓冲存储器(cache)，存放最常用的数据与程序，达到以较低的成本 增加，换得运行速度的提高。 只读存储器(ROM)是指只能从中读出信息， 不能写人信息的存储器,ROM 晶片上的 软件编码是厂商制造时烧上去的。 常用它存放计算机的启动程序、 自检程序及磁盘引导程序等。 ROM 晶片也可以分为两种：一种是 PROM (programmable read only memory)产品， 该晶片只能一次写人程序，用于固定计算或控制模式，是一种软件硬化技术。另一种是 EPROM(eraseable programmable read only memory)产品，该晶片可以多次写人程序。使用于 可变控制，如数控机床加工零件发生变化，机器人运动模式发生变化，都需要修改程序，此 时只需擦除 EPROM 的原有程序进行改写即可。 5.3.3 辅助存储器 计算机系统将立即要处理的数据和程序存放在主存储器内，即一级存储器；而将 其他数据资料和程序存放在磁带、磁盘、光碟等辅助存储器内，即二级存储器。二级存储器 是位于 CPU 与主存储器之外，不需要电力维持的、可长期储存海量资料的记忆部件。这种 存储器依赖机械运动，将指定位置上的数据传送给主存储器或 CPU ,因而速度低于主存储 器。外存储器具有的最大的优点是单位存储容量的价格便宜。 （1）磁带 磁带属于顺序存取介质，因此只可以顺序存取而不可随机存取。即在磁带上查找 某笔账务时，必须从头找起，因此不能在数秒内就获取所需资料。这种存储设备不适用于实 时系统，但对于允许时间延迟的非实时系统，由于磁带的容量大、成本低、性能稳定、可重 复使用，获得用户的青睐。 目前已不再采用早先的盘式磁带， 而采用可以保存更多资料的大容量 （可达 35GB) 磁带匣。对于一些大型的主干机，可以有装上数百个磁带匣的自动化系统，利用精密的机器 人技术安装磁带匣，也可在几十秒内，在磁带匣组中选取合适的磁带匣，从中读取所需的数 据记录。 这一类存储器件， 速度虽慢了一些， 但由于价格便宜， 适用于银行 （储存账务记录） 、 广播业（可置换影带） 、医疗业（储存 X 光及医疗影像）和教育业（教育资料） 。 （2）磁盘 磁盘属于随机存取介质，因此可以直接存取，存取速度相当快。同时，磁盘也具 备容量大、价格低的优点，深受用户喜爱。 磁盘有两种，一种是软磁盘，是一片表面磁 化的多元醋软片。另一种是硬磁盘，目前一般由 11 片双面浮着铁氧化物的薄钢盘组成的磁 盘组。通过磁读写头，将资料从由同半径长度磁道组成的磁柱面上读出／写人。 由于大型计算机需要具备海量存储能力，因此可以具有多台磁盘机，并通过阵列 磁盘(redundant array of inexpensive disks，RAID)技术加强磁盘的效率。RAID 技术的特点是 改变了传统磁盘机单一路径发送资料的特点， 而且采用多路径并行发送， 以此提高磁盘的存 取速度。小型 RAID 系统有 10-v 20GB 的存储能力，而大型的 RAID 则有 terabyte 以上。而 且 PAID 的可靠性大大增加，因为一个磁盘机损坏时，其他磁盘机依然正常工作。 （3）光盘 光盘是相对比较新的存储介质。目前微型计算机上使用的光盘称为只读 CD 片即 CD-ROM(compact disk-read only memory)， 它采用类似于立体声系统所用的 4.75 英寸密质盘 片，储存大约超过 660M 字节的信息。然后由 CD-ROM 驱动器用激光阅读器读出二进制代 码。 另一种光盘技术产生写一次读多次的(write once read many, WORM)光盘。 这种技术 允许微型计算机上的光盘驱动器在光盘上写一次用户程序，然后，可以多次读出。这两种技 术的主要缺点是记录在盘上的信息不能擦除。 由于光盘储存海量信息，主要用于影像处理。例如档案馆、博物馆需要维护的海 量历史文档，又如国家图书馆用光扫描仪捕捉数字化的彩色图形文档影像，配以声音解说， 存人计算机系统，以备读者随时存取。这些都采用了 WORM 技术。当然 CD-ROM 由于成 本价格比较低， 广泛用于计算机终端用户， 许多系统软件及各种软件包及教育训练项目也都采用了 CD-ROM 片。 目前，可擦除光盘系统(erasable optical disk)已产生，这种技术采用激光记录与擦除 数据信息。但由于复写光盘速度慢，且可擦除光盘系统设备很昂贵，无法跟可读／写的磁盘 设备相比，因此在相当一段时间内无法替代磁盘系统。 近年，随着 CD-ROM 功能的增强，读取速度的提高，则发展成多用途数位光盘或 称为 数位影音光盘(digital video disk, DVD)，它的尺寸与 CD-ROM 一样，但储存能力更强。 它能储存至少 4. 7GB 的资料，因此 DVD 可以存储高音质及高画质的电影，也可以存储如 文件、图形、声音、影像等多媒体资料，由于 DVD 的多方面优势,DVD 正逐渐成为主流存 储器而取代 CD-ROM。 (4)闪存 闪存(flash memory)是非易失性存储器(non-volatilememory, NVM)中的一种。 之所以 有这个名称，是因为信息在一瞬间被存储下来之后，即使除去电源，存储器中的信息依旧保 留，与只要一掉电信息就丢失的易失性存储器（如 DRAM, SRAM）形成鲜明的对照。另外， 闪存是电可擦除的，即在系统中可重新编程的。 较之其他的存储器，闪存有独特的优点。首先，闪存在擦除和重编程时并不需要 额外的电压。通常，可编程只读存储器(EPROM)要把存储器置于更高的电压下才能编程。 其次，闪存比 EPROM 价格低，存储密度高。闪存特别适用于电脑、外设、电信设备、 移动电话、网际设备、仪器和自动化设备等。最后，闪存也十分适用于面向消费者的语言、 影像和数字存储设备，如数码相机、数码录音器以及个人数字助理等智能家电产品。 随着存储技术的不断发展，闪存逐渐向外形越来越小、存储容量越来越大的方向 发展。由于它具有即插即用、便于携带等优点，已经逐渐取代以往的磁盘等存储设备，成为 现在主流的便携式存储器。 （5）BD(blue-ray disc） BD 是由 Sony, Samsung, Sharp, Thomson, Hitachi, Matsushita, Pioneer andPhilips, Mistubishi 和 LG Electronics 共同开发的一种新型存储设备。它采用一种波长为 405 纳米的 紫外线镭射技术进行传输的硬盘式 DVD 存储装置。与传统的利用红外来实现存储的 DVD 相比，BD 不仅具有更高的传输速度(36Mbps)，而且具有更大的存储容量（单面存储容量可 达到 27GB，而一般的 DVD 只能达到 4．7GB） ，也就是说一个 BD 可以容纳 12 小时的标准 视频，或者是 2 小时的高清视频。 2006 年 Sony Electronics 已经开始在美国市场投放 50GB 的双面可单次写人 BD.并 随后推出了可重复读写的 50GB 双面 BD.这种存储设备的问世可以说是存储设备发展的又一 个里程碑，也将成为未来存储设备的一个趋势。 5.4 输入／输出设备 外围设备是所有输人／输出设备和二级存储设备的通称。它们通过各种 1/O 接口 与计算机系统的中央处理机连接并通信， 因此外围设备皆属联机设备。 本节讨论外围设备及 其介质。 5.4.1 计算机键盘与显示终端 从技术上定义，任何通过通信连接到计算机的设备都可以称之为终端。最普通最 大量的用户与计算机的交互方式是采用键盘输人数据， 用视频向用户显示输出， 并可在输人 到计算机前进行编辑。 目前终端发展趋势将脱离没有处理能力的哑终端，向智能终端发展。这些智能终端自 身就拥有处理器和存储线路。 许多智能终端实际上就是微型计算机， 往往作为大型计算机的 通信终端，可以独立进行数据输人和信息处理任务。另一个趋向是在银行、工厂、销售业工作场所广泛使用的事务处理终端，例如： 银行的自动取款机(automated teller machines，ATM)，工厂的事务记录及销售业的 POS 终端 (point-of-sale)。这些终端用各种方法捕捉用户数据，并经过通信网络传送到主计算机系统， 以处理这些数据。 5.4.2 点触式设备 点触式(pointing)设备是另一种发布命令、进行决策选择和响应视频提示的较好的 设备，这种设备通过移动光标可以让你方便进行菜单或象标选择，目前有电子鼠标器 (computer mouse),轨迹球(trackball) ,触碰板(touch pads)和电子游戏机中常用的操纵杆。 还有一种触摸感应屏幕，允许人通过触摸屏幕来使用计算机。当人们触摸屏幕时， 将中断电子格栅的信号，计算机感应这个信号，并采取相关的活动。例如你可能触摸你想选 取的菜单项，并运行相关的程序。 5.4.3 计算机笔 终端用户可以使用类似于笔一样的设备直接在视频屏幕或其他类型的表面上写 字、画画。例如光笔就是一种笔状设备。用户可以直接写在视频板上，通过光敏感线路，计 算机能计算出屏幕上该点的坐标。 也可以采用一块绘画板， 让你用光笔在它的压敏表面上写 字、画画，然后计算机把它们数字化，作为计算机的输入显示在计算机的屏幕上。 光笔和绘画板技术的相结合，应用于新一代的计算机笔，在计算机内装上可以数 字化的手写体、打印体、手工绘画等软件后，这种笔可以识别各种手工图形。现场工程师、 绘图员等可以直接使用类似绘图板一样的液晶板，将数据输人计算机。5．4．4 视频输入／输出视频影像可以作为输人，也可以作为输出。例如来自 TV,录像机、摄像机的影像都可以 数字化，并压缩后储存在磁盘和光盘中。数字化一张影像并不昂贵，但在全动态的视频显示 中捕捉一个镜头，要采用如 DVI (digital video interaction)技术，成本昂贵。DVI 通常要求性 能很高的计算机，并需增加一些软件、接口板、主存容量、磁盘和光盘的容量。另外，多媒 体开发能力能将文本、 图形、 声音和 TV 影像合成为计算机视频显示， 但技术成本相当昂贵。 最普通的使用最广泛的视频输出设备是阴极射线管(cathocle ray tube, CRT)。 有单色显示 器和彩色显示器之分， 为了使当前微机上应用的许多软件包能实现复杂的图形功能， 视频设 备的高清晰度用像素表达是极其重要的指标。 液晶显示(liquid crystal displays, LCD)当前也用于计算机的输出显示。 技术进步， 已大大 改善了液晶显示在强光或人造光条件下的清晰度。 加之液晶显示所用的电子线路小， 并提供 了极薄的平面显示。目前已有全彩 LCD 显示，并正在逐步替代 CRT。 等离子显示(plasma display)很昂贵。然而这种设备耗电少，提供更快的显示速度，并且 不论从哪个角度、哪种光线条件下看图像，都可以让用户看得更清晰。5．4.5 打印输出打印输出也是一种常用的可视输出。计算机通常都配置打印机以拷贝计算机的输 出文档，并可根据用户需求，采用特殊的纸张，一次可进行多份拷贝。如：财务上的多联发 票的打印。 许多打印机是击打式的。它是通过表达一个基本元素（点或字符）的打印机械击 打色带，在纸的表面印下字符。微型计算机最通用的是点矩阵打印机，它通过点阵组合成一 个字符。一般来说，这种打印机的速度比较慢，每秒约几百个字符。主干计算机一般使用高 速并行打印机，一般每分钟可以打几千行。 另一种非击打式的打印机，与击打式打印机相比没有噪音，但一次只有一份拷贝。如激光打印机(laser printers)和喷墨打印机(ink jet printers)都能生产高质量的打印文档。用于 微型计算机的激光打印机大约每分钟可以打印 5^200 页， 喷墨打印机的速度稍慢于激光打印 机。 绘图仪能在纸上画图，相当于产生打印的纸输出，因而也列人打印输出。 5.4.6 声音识别 目前声音输人和输出的数字化在技术上和经济上都已达到了应用的可行性。例如， 在微型计算机上增加声音识别电路板及软件，就可以具有声音识别能力。 声音识别系统分析并划分讲话或发声系统的模式，把它们转换成数字代码并存人 计算机。 因此声音识别系统首先要训练计算机对用户声音的识别， 将一定数量的词汇作为标 准词汇。操作者先将词汇表中的字重复 10 次，以便计算机能记忆并识别这些词汇的声音。 一般经过训练的系统，词汇识别准确能力达到 99％。还有一种通用的语言识别系统，它能 使系统识别没有学习过的声音，但这种系统应用有限。 声音识别系统用于那些操作者不便键人数据或要求数据输人更快更准确的工作。 例如用于制造厂的生产质量控制，库存管理，用于邮局进行包裹分检等。也可以用于微型计 算机的软件包进行命令和数据的声音输人。 5.4.7 光和磁识别 （1)光扫描设备 光扫描设备可以读文本和图形，并能将它们转换成数字输人到计算机内。一种光 字符识别仪(optical character recognition, OCR)能阅读一些特定的字符和代码。而文本和图形 的成页光扫描在出版业特别受欢迎，因为光扫描提供了一种将原始文档资料直接转 换成进入计算机的输入数据。 当前光扫描设备能阅读多种类型的印制文档和图片。目前这种设备还在不断改进， 并应用于许多领域。 例如银行和石油公司的信用卡账务处理， 自动分检邮件和考试积分计算 机等。 一种手持式的扫描仪， 用于各超级市场阅读产品的条形码， 并将它们转换成电子脉冲， 传递到商店内的微型计算机，再与价格信息匹配后，在接收终端上显示，并打印。 （2)磁性数据输人 许 多 银 行 业 的 计 算 机 系 统 ， 使 用 磁 性 墨 水 字 符 识 别 ( magnetic ink character recognition，MICR)技术，阅读磁性化的支票、存单。 这种 MICR 系统采用 14 个字符的标准设计格式，其中 10 个是十进制数字，另外 4 个是特定的标识符。当客户存款或开支票时，MICR 字符用特定的设备和专用铁氧化墨水预 印在支票与文档上，其中包括银行的识别号、用户的账号及金额。当用户提款时，运用专用 的阅读器，磁化用磁性墨水写的字符，并感应成电信号送人计算机处理。这种阅读器每分钟 可阅读 2400 张支票，每秒可以传送 3000 个字符。目前有一些大银行，正在将 MICR 技术 与光扫描系统结合。 另一种磁性数据输人的技术即磁条技术。这种黑色磁条一般都在信用卡、电话卡 等卡的背面，有一条铁氧化的深色的磁带。如顾客账号记录在磁条上，让银行的 ATM 机及 其他磁性条阅读器阅读。 5.4.8 无线射频识别（RFID) RFID 是 radio frequency identification 的缩写， 即无线射频识别， 常称为感应式电子 晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。它通过射频信号自动识别 目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。 一套完整的 RFID 系统由 reader 与 transponder 两部分组成， 其动作原理为由 reader 发射一特定频率的无限电波能量给 transponder,用以驱动 transponder 电路将内部的 ID code 送出，此时 reader 便接收此 ID code. transponder 的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡，因此不怕脏污，且晶片密码为世界唯一，无法复制，安全性高。与磁性数据 输入的条形码相比 RFID 技术具有条形码所不具备的防水、 防磁、 耐高温、 使用寿命长、 读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自加等优点。RFID 技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便，现在已经逐渐应用到如 动物跟踪、汽车防盗、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等各种领域。短距 离射频产品可用于工厂的流水线上跟踪物体； 长距射频产品多用于交通上， 识别距离可达几 十米，如飞机场检测托运的行李，识别车辆身份或自动收费等。 5．5 软件的概念 5．5．1 软件分类 信息系统依靠软件资源帮助终端用户使用计算机硬件，将数据资源转换成各类信 息产品，软件用于完成数据的输人、处理、输出、存储及控制信息系统的活动。 计算机软件总体上划分成两类，一类是系统软件，另一类是应用软件。 （１）系统软件管理与支持计算机系统资源及操作的程序，称为系统软件。 （２）应用软件处理特定应用的程序称之为应用软件。 它们和机器及用户之间的联系可用层次结 计算机用户 构表示，如图 2-5 所示。 应用软件 图 2-5 说明系统软件直接对硬件资源， 如中 系统软件 央处理器、 存储器、 通信连接设备及输入／输出 设备等进行控制和管理， 而应用软件则在系统软 硬件 件所提供的环境中进行工作。 计算机用户则直接 与应用软件进行人-机交互。因此基于不同的硬 件与系统软件平台， 应设计切合用户需求的应用 图２-５ 系统层次结构图 软件。 如图 2-6 所示， 从用户观点出发， 综合了各种软件的主要功能类型。 对于终端用户而言， 要学会选择系统软件和应用软件，以使计算机系统完成特定的任务。计算机软件系统软件应用软件系统管理程序 操作系统 操作环境 数据库管理系统 通信管理器系统支持程序 系统应用程序 执行管理器 安全管理器系统开发程序 程序设计语言 翻译器 程序设计环境 计算机辅助 软件工程包(CASE)通用应用程序 字处理 电子表 数据库管理 通信 绘图专业应用程序 会计-通用账务等 市场-销售分析等 制造-产品控制等 财务-投资预算等图２-６ 5．5．2 软件技术发展趋势计算机软件分类随着计算机技术的发展，这两类软件的发展趋势如表 2-5 所示。 首先，软件开发逐步脱离由用户独立开发应用程序，而转由软件供应商提供用户 需求的软件包。最成功的例子就是在微型计算机上使用的通用软件包，如字处理、电子表格 软件等，由于一次开发多次使用，大大降低了软件成本，也减少了软件错误，并且这种趋势 也正向着小型机和主干机用户扩展。 表２-５ 软件发展趋势 项目 第一代 第二代 第三代 第四代 操作系统 数据库管理系统 第四代语言 微型计算机组件 第五代 自然语言 多目标 图形接口软件包 专家辅助软件包软件用户编写程 序机器语言组装程序 符号语言操作系统 高级语言趋势（１） 程序设计语言向对话式、自然语言方向发展 （２） 向更容易使用的多目标应用软件包方向发展其次，逐步脱离采用独立语句和算法表达式的过程设计语言进行程序设计。取而 代之的是将采用有人一机对话的非过程化自然语言进行程序设计， 最成功的例子就是易于使 用的非过程化第四代语言(fourth generation language，4GL)。这种语言在绘图和人工智能方 面的发展产生了自然语言和用户图形界面， 使软件的应用更为方便。 同时专家系统的模型以 及其他人工智能的特征正向着新一代的专家辅助软件包方向发展。 这两种趋势的结合， 将为 用户产生第五代采用自然语言、功能更强的、多用途的、专家辅助软件包。 5.6 系统软件 5．6．1 系统软件的分类 系统软件是指那些管理和支持计算机资源及其信息处理活动的程序，这些程序是 计算机硬件和应用程序之间重要的软件接口。 系统软件分为三类：系统管理程序、系统支持程序和系统开发程序。 (1)系统管理程序在计算机系统执行各种用户信息处理任务时，这种程序用于管理 计算机系统的硬件、软件和数据资源。最重要的系统管理程序是操作系统和操作环境，并且 在操作系统和操作环境的支持下，运行数据库管理系统和通信管理器。 (2)系统支持程序这类程序通过提供各种支持服务，以支持计算机系统的操作和管 理。主要支持程序有系统服务程序，系统执行管理器以及安全管理器。这些程序往往依附于 系统管理程序，由供应商随操作系统一起提供。 (3)系统开发程序这类程序主要帮助用户开发信息系统的应用程序。主要包括各种 语言翻译器，程序设计工具及计算机辅助软件工程包( computer-aided software engineering， CASE)。 5．6．2 操作系统 操作系统(operating system, OS)是一台计算机最基本也是最重要的软件包。它管理 CPU 的操作，控制计算机系统的输入／输出，存储资源的分配及一切活动，当计算机执行 用户应用时提供各种服务。 操作系统的基本目标是向计算机提供最有效的操作方式，最大化计算机的生产效 率，最小化操作过程中所需求的人工干预。操作系统帮助用户程序执行一些公共操作，如输 入数据，存储和抽取文件，打印和显示输出。但是操作系统必须在执行其他任务前，先行装 人并激活，这说明操作系统是用户和计算机硬件之间软件层面中最重要的一部分。 1.操作系统的功能操作系统有五大功能：用户界面、资源管理、文件管理、任务管理和实用服务程 序管理。如图 5-7 所示。 用户界面资源界面文件界面 图２-７ 能任务管理 操作系统功实用服务程序管理(1)用户界面 操作系统提供的用户界面帮助用户实现与计算机系统的交流。这种用户界面有三 种主要的类型：命令驱动、菜单驱动和图形用户界面(graphical-user interface, GUI)。图形用 户界面使用图像、菜单条、按钮、对话框等一些图标，并采用鼠标器等点触式设备，帮助用 户选择需要驱动的事件。 在计算机操作系统和用户之间增加一个操作环境，如 GUI 图形用户界面（微软视 窗， microsoft windows） 这些软件包像一个外壳(shell)在各种独立应用的软件之间提供互联， 。 以便它们能交流，一起工作，并共享公共的数据文件，图形操作环境支持像标显示及点触式 设备的使用，允许同时显示多个视窗内不同程序的输出，也支持多任务处理。 (2)资源管理 操作系统管理计算机系统的所有硬件资源包括 CPU、主存储器、二级存储设备以 及其他输人／输出设备。 例如存储管理程序始终保持数据与程序储存的地址， 也可能把存储 器划分成一定数量的分区， 在存储器与磁盘、 光盘等二级存储设备之间进行部分数据与程序 的交换，这就使存储器具备了虚拟存储的能力。 （3)文件管理 文件管理程序控制数据和程序文件的生成、删除和存取。文件管理也包括保持文 件在磁盘等二级存储器上的物理地址的轨迹，操作系统将维护该文件目录区。 （4)任务管理 任务管理程序保证终端用户计算任务的完成。该程序给每个任务分配一个时间片， 并能对每个任务进行中断， 以便转交给另一个任务。 具有多任务处理能力的任务管理器在相 同的时间内占有多个任务，并以多道程序设计的方式，同时处理多个任务，而分时共享处理 时，多个用户的计算任务可以同时处理。多任务操作的效率取决于 CPU 的能力、虚拟存储 的能力以及多任务操作系统的能力。 大多数操作系统软件包都提供了多任务操作系统，终端用户往往可以同时进行两 种以上的操作或应用，如同时键人和打印，同时进行文字编辑和财务分析。现代的微型计算 机系统也已具备多任务能力， 可以将一台计算机看做几台计算机或几台虚拟机在运作， 在同 一时间有几个应用程序在独立运行。 (5)实用服务程序管理 操作系统还可以进行其他实用服务程序的管理，提供多种支持服务。 2.操作系统的类型 计算机操作系统按处理方式分成批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统 三大类。以后随着应用的发展又有了多处理器操作系统、网络操作系统。 批处理操作系统的特点， 是对用户提交给计算机的作业(JOB)采用成批处理的方式。 当一批作业送人计算机以后， 操作系统从中调出一个作业开始运行， 该作业完成后再调下一个作业运行，直至所有作业全部处理完毕。由于批处理操作系统实现了作业的自动过渡，减 少了人工干预，从而缩短了 CPU 的闲置时间，提高了效率。后来的多道批处理操作系统， 能支持一个以上的作业在计算机中同时运行， 从而实现了快速主机和慢速外部设备的并行工 作，进一步提高了 CPU 资源利用率。 分时操作系统支持多个用户同时使用一个计算机。其原理是把 CPU 的处理时间分 成一些小片，供多个用户轮流使用。假如现有 3 个用户，用户甲可能使用 1,4,7 等时间片， 用户乙使用 2,5,8 等时间片，用户丙使用 3,6,9 等时间片。虽然每个时间片通常只有 数十毫秒，但因 CPU 主频高，每个时间片仍能完成很多条指令。在分时系统中，每个 用户在自己的终端上操作，就如他在独占地使用计算机一样。 实时操作系统用于需要快速响应和即时处理的计算机系统中，例如军队的武器控 制系统、工业部门的生产自动控制、铁路和飞机的自动售票系统等。对这类操作系统来说， 即时反应的高速度和高可靠性往往比提高资源利用率更重要。 功能较强的计算机都采用多处理器系统。 多处理器(multiprocessor)是将两个或多个 CPU 连接在一起。 管理这种并行处理任务的操作系统是多处理器操作系统。 它可以将完成一个任 务程序中的不同指令或者不同任务中的指令，安排给多个 CPU 并行处理，加快程序完成的 速度。 随着计算机网络的普及，计算机用户扩展到社会的各个阶层。大多数网络终端用 户不再是计算机专业人员， 网络操作系统的设计目标也从过去主要关心充分利用计算机的资 源，转到为用户提供一个友好的和高效的程序开发和运行环境，使用户最简便、最有效地工 作。目前比较流行采用图形用户界面(graphic user interface, GUI)。 喜欢使用 GUI 的用户认为 GUI 免除了记忆指令，提供了形象化助记忆式提示，大 大缩短了人们学习计算机的时间与难度。 模作系统的类型由表 2-6 所示。 表２-６ 操作系统类型 分类方法 按系统处理方式 操作系统类型 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统 单机配置大型机操作系统 小型机操作系统 微型机操作系统 多媒体操作系统 多机配置网络操作系统 分布式操作系统 单用户操作系统 多用户操作系统 单任务操作系统 多任务操作系统 单处理器操作系统 多处理器操作系统按计算机配置划分按用户划分 按任务数量划分 按处理器数量划分5.6.3 其他系统管理程序 1.数据库管理系统 数据库管理系统(databas