大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程8-10-第1章

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)概述1.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成與原理

1.1計(jì)?算?機(jī)?概?述

電子計(jì)算機(jī)，俗稱“電腦”，是一種電子化的信息處理工具。人們也經(jīng)常用計(jì)算機(jī)(Computer)來指代電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)是由一系列電子元器件組成的設(shè)備，主要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和信息處理。它不僅可以進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，還可以進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息處理技術(shù)的核心。計(jì)算機(jī)是一種能夠輸入、存儲(chǔ)信息，并按照事先編制好的程序?qū)π畔⑦M(jìn)行加工處理，并最終輸出人們所需要的結(jié)果的自動(dòng)高速執(zhí)行的電子設(shè)備。1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī))于1945年底在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)竣工，1946年2月正式投入使用。二戰(zhàn)期間，由于軍事上的迫切需要，美國(guó)軍方要求賓夕法尼亞大學(xué)研制一臺(tái)能進(jìn)行更大量、更復(fù)雜、更快速和更精確計(jì)算的計(jì)算機(jī)，最初專門用于火炮彈道計(jì)算，后經(jīng)多次改進(jìn)才成為能進(jìn)行各種科學(xué)計(jì)算的通用計(jì)算機(jī)。ENIAC采用電子管作為計(jì)算機(jī)的基本元件，由18800多個(gè)電子管、1500多個(gè)繼電器、10000多只電容器和7000多只電阻構(gòu)成，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電量每小時(shí)150千瓦，是一個(gè)龐然大物，如圖1.1所示，每秒能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。由于它使用電子器件代替機(jī)械齒輪電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，并且能在運(yùn)算過程中不斷進(jìn)行判斷并作出選擇，過去需要100多名工程師花費(fèi)一年才能解決的計(jì)算問題，它只需要兩個(gè)小時(shí)就能給出答案。但是，這臺(tái)計(jì)算機(jī)尚未完全具備現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的主要特征，仍然采取外加式程序，沒有存儲(chǔ)程序，這也是它的主要缺陷之一。電子器件的更新推動(dòng)著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)按各時(shí)期所使用的元器件可分為四代：第一代為電子管計(jì)算機(jī)，第二代為晶體管計(jì)算機(jī)，第三代為集成電路計(jì)算機(jī)，第四代為大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。圖1.1ENIAC圖片

1．第一代計(jì)算機(jī)

1946年～1957年，為電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代。

第一代計(jì)算機(jī)的主要電子元器件為真空電子管，以汞延遲線、磁芯等為主存，以紙帶、卡片、磁鼓、磁帶和磁芯等為輔存，因此體積龐大，造價(jià)高，耗電量大，存儲(chǔ)空間小，可靠性差且壽命短；沒有系統(tǒng)軟件，編制程序時(shí)只能采用機(jī)器語言和匯編語言，不便于使用；運(yùn)算速度低，每秒只能運(yùn)算幾千至幾萬次，主要用于軍事和科研中的科學(xué)計(jì)算。

2．第二代計(jì)算機(jī)

1958年～1964年，為晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代。

第二代計(jì)算機(jī)的主要電子元器件為晶體管，以磁芯為主存，以磁帶、磁帶庫(kù)、磁盤和磁芯等為輔存，因此較電子管計(jì)算機(jī)體積減小了許多，造價(jià)低，功耗小，存儲(chǔ)空間加大，可靠性高，壽命長(zhǎng)且輸入/輸出方式有所改進(jìn)；運(yùn)算速度提高到每秒幾百萬次，通用性也有所增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到數(shù)據(jù)處理和過程控制中；開始出現(xiàn)用于科學(xué)計(jì)算的FORTRAN和用于商業(yè)事務(wù)處理的COBOL等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言及批處理系統(tǒng)，編程和操作較以前方便了許多。此時(shí)，誕生了軟件業(yè)，出現(xiàn)了程序員等新興職業(yè)。

3．第三代計(jì)算機(jī)

1965年～1971年，為集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。

第三代計(jì)算機(jī)的主要電子元器件為中、小規(guī)模集成電路，以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為主存，以磁帶、磁帶庫(kù)和磁盤等為輔存，因此較電子管計(jì)算機(jī)體積進(jìn)一步減小，造價(jià)更低，功耗更小，存儲(chǔ)空間更大，可靠性更高，壽命更長(zhǎng)且外設(shè)也有所增加；運(yùn)算速度提高到每秒近千萬次，功能進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域全面擴(kuò)展到工商業(yè)和科學(xué)界；出現(xiàn)了BASIC和PASCAL等更高級(jí)的語言，操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)得到進(jìn)一步完善，且出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，使編程和操作更加方便。

4．第四代計(jì)算機(jī)

1971年至今，為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。

第四代計(jì)算機(jī)的主要電子元器件為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，以集成度很高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為主存，以磁盤和光盤等為輔存，因此，體積越來越小，造價(jià)越來越低，功耗越來越小，存儲(chǔ)空間越來越大，壽命越來越長(zhǎng)且外設(shè)越來越多；運(yùn)算速度達(dá)每秒上億次至百萬億次，功能越來越豐富；隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的空前發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域；出現(xiàn)了更多的高級(jí)程序語言，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件發(fā)展迅速，編程和操作更加方便。1.1.2計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)種類繁多，分類方法也多種多樣，可以按處理對(duì)象、用途、規(guī)模、工作模式和字長(zhǎng)來進(jìn)行分類，如圖1.2所示。圖1.2計(jì)算機(jī)的分類

1．按處理對(duì)象分類

按處理對(duì)象數(shù)據(jù)的表示方法不同，計(jì)算機(jī)可分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合計(jì)算機(jī)三大類。

1)模擬計(jì)算機(jī)

模擬計(jì)算機(jī)又稱“模擬式電子計(jì)算機(jī)”，問世較早，是一種以連續(xù)變化的電流或電壓來表示被處理數(shù)據(jù)的電子計(jì)算機(jī)，即計(jì)算機(jī)各個(gè)主要部件的輸入和輸出都是連續(xù)變化著的電壓、電流等物理量。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，適合于解高階微分方程或自動(dòng)控制系統(tǒng)中的模擬計(jì)算；其缺點(diǎn)是處理問題的精度差，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗外界干擾能力和通用性差，目前已很少見。

2)數(shù)字計(jì)算機(jī)

數(shù)字計(jì)算機(jī)是目前電子計(jì)算機(jī)行業(yè)中的主流，其處理的數(shù)據(jù)是斷續(xù)的電信號(hào)，即用“離散”的電位高低來表示數(shù)據(jù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，程序和數(shù)據(jù)都用“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字組成的二進(jìn)制編碼來表示，通過算術(shù)邏輯部件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。數(shù)字計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)于模擬計(jì)算機(jī)。其運(yùn)算精度高，存儲(chǔ)量大，通用性強(qiáng)，適合于科學(xué)計(jì)算、信息處理、自動(dòng)控制、辦公自動(dòng)化和人工智能等方面的應(yīng)用。

3)混合計(jì)算機(jī)

混合計(jì)算機(jī)兼有模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)兩種計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既能處理模擬物理量，又能處理數(shù)字信息。混合計(jì)算機(jī)一般由模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合接口三部分組成，其中模擬計(jì)算機(jī)部分承擔(dān)快速計(jì)算的工作，而數(shù)字計(jì)算機(jī)部分承擔(dān)高精度運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理?；旌嫌?jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)能力強(qiáng)以及仿真能力強(qiáng)，主要應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈系統(tǒng)等實(shí)時(shí)性的復(fù)雜系統(tǒng)中。這類計(jì)算機(jī)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難，價(jià)格昂貴。

2．按用途分類

計(jì)算機(jī)按用途可分為專用機(jī)和通用機(jī)兩類。

1)專用機(jī)

專用機(jī)是針對(duì)一個(gè)或一類特定的問題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它的硬件和軟件是根據(jù)解決某問題的需要而專門設(shè)計(jì)的。專用機(jī)具有有效、高速和可靠地解決某問題的特性，但適應(yīng)性差，一般應(yīng)用于過程控制，例如導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)和車載導(dǎo)航專用機(jī)等。

2)通用機(jī)

通用機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)、應(yīng)用面廣，是為了解決各種類型的問題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。它具有一定的通用性，可連接多種外設(shè)，安裝多種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，功能齊全。一般的計(jì)算機(jī)多屬此類。

3．按規(guī)模分類

計(jì)算機(jī)按規(guī)?？煞譃榫扌蜋C(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)。

1)巨型機(jī)

巨型機(jī)又稱“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，它是所有計(jì)算機(jī)中運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大、功能最強(qiáng)、價(jià)格最貴的計(jì)算機(jī)，其浮點(diǎn)運(yùn)算速度已達(dá)每秒千萬億次。普通微機(jī)需一個(gè)月才能完成的計(jì)算任務(wù)，巨型機(jī)可能只需一天就能完成。巨型機(jī)主要用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和國(guó)防尖端技術(shù)中，如天氣預(yù)報(bào)、航天航空飛行器設(shè)計(jì)和原子能研究等。巨型機(jī)代表了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平。美國(guó)、日本是生產(chǎn)巨型機(jī)的主要國(guó)家，俄羅斯及英、法、德次之。我國(guó)在1983年、1992年、1997年分別推出了銀河Ⅰ、銀河Ⅱ和銀河?Ⅲ，躋身生產(chǎn)巨型機(jī)的行列。

2)大型機(jī)

大型機(jī)即大型主機(jī)，又稱“大型電腦”或“主干機(jī)”，其運(yùn)算速度沒有巨型機(jī)快，通常由許多中央處理器協(xié)同工作，有超大的內(nèi)存、海量的存儲(chǔ)器，使用專用的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。大型主機(jī)一般應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，是信息系統(tǒng)的核心，承擔(dān)主服務(wù)器的功能，比如提供FTP服務(wù)、郵件服務(wù)和WWW服務(wù)等。

3)中型機(jī)

中型機(jī)的運(yùn)算速度沒有大型機(jī)快，功能類似于大型機(jī)，但價(jià)格比大型機(jī)便宜。

4)小型機(jī)

小型機(jī)是指運(yùn)行原理類似于微機(jī)和服務(wù)器，但體系結(jié)構(gòu)、性能和用途又與它們截然不同的一種高性能計(jì)算機(jī)。與大、中型機(jī)相比，小型機(jī)有規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期短、價(jià)格便宜、便于維修和使用方便等特點(diǎn)。不同品牌的小型機(jī)架構(gòu)大不相同，其中有各制造廠自己的專利技術(shù)，有的還采用小型機(jī)專用處理器。因此，小型機(jī)是封閉專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要應(yīng)用在科學(xué)計(jì)算、信息處理、銀行和制造業(yè)等領(lǐng)域。

5)微型機(jī)

微型機(jī)簡(jiǎn)稱“微機(jī)”、“微電腦”或“PC(PersonalComputer)”，是指由大規(guī)模集成電路組成的、以微處理器為核心的、體積較小的電子計(jì)算機(jī)。其體積較小型機(jī)更小，價(jià)格更低，使用更方便。微型機(jī)問世雖晚，卻是發(fā)展非常迅速和應(yīng)用非常廣泛的計(jì)算機(jī)。由微機(jī)配以相應(yīng)的外設(shè)及足夠的軟件構(gòu)成的系統(tǒng)叫做微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即我們通常說的電腦。

另外，有一類高檔微機(jī)稱為“工作站”。這類計(jì)算機(jī)通常具備強(qiáng)大的顯示輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)，較強(qiáng)的圖形處理、圖像處理及數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，一般應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造(CAD/CAM)、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、GIS(地理信息系統(tǒng))、平面圖像處理和模擬仿真等商業(yè)和軍事領(lǐng)域。需要說明的是，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中也有“工作站”的概念，泛指客戶機(jī)。

6)嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式系統(tǒng)是指集軟件和硬件為一體，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以特定應(yīng)用為中心，其軟硬件可裁減，符合某應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、體積、成本、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有軟件代碼小、響應(yīng)速度快和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)，特別適合于對(duì)實(shí)時(shí)性有要求和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的設(shè)備。

嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各種計(jì)算機(jī)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的內(nèi)、外部設(shè)備中就包含了多個(gè)嵌入式微處理器，如聲卡、顯卡、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、硬盤、Modem、網(wǎng)卡、打印機(jī)、掃描儀和USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如PDA、MP3、MP4、手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、數(shù)字電視、電視機(jī)頂盒、汽車、多媒體、電子廣告牌、微波爐、電飯煲、數(shù)碼相機(jī)、冰箱、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、POS機(jī)、蜂窩式電話、ATM機(jī)、智能儀表和醫(yī)療儀器等。

4．按工作模式分類

按工作模式可將計(jì)算機(jī)分為客戶機(jī)和服務(wù)器。

1)客戶機(jī)

客戶機(jī)又稱“工作站”，指連入網(wǎng)絡(luò)的用戶計(jì)算機(jī)，一般多指PC?？蛻魴C(jī)可以使用服務(wù)器提供的各種資源和服務(wù)，且僅為使用該客戶機(jī)的用戶提供服務(wù)，是用戶和網(wǎng)絡(luò)的接口。

2)服務(wù)器

服務(wù)器是指對(duì)其他計(jì)算機(jī)提供各種服務(wù)的高性能的計(jì)算機(jī)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。它為客戶機(jī)提供文件服務(wù)、打印服務(wù)、通信服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和電子郵件服務(wù)等。服務(wù)器也可由微機(jī)來充當(dāng)，只是速度要比高性能的服務(wù)器慢。

目前，高性能微型機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)到幾十年前巨型機(jī)的速度，使得它與工作站、小型機(jī)、中型機(jī)乃至大型機(jī)之間的界限已越來越模糊。大型機(jī)、中型機(jī)和小型機(jī)逐漸融合到服務(wù)器中，有演變?yōu)椴煌瑱n次服務(wù)器的趨勢(shì)。

5．按字長(zhǎng)分類

字長(zhǎng)即計(jì)算機(jī)一次所能傳輸和處理的二進(jìn)制位數(shù)。按字長(zhǎng)可將計(jì)算機(jī)分為8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)等。1.1.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，“記憶”能力強(qiáng)，具有邏輯判斷能力，按程序自動(dòng)執(zhí)行，可靠性越來越高和應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣等。

1．運(yùn)算速度快

計(jì)算機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有相當(dāng)快的運(yùn)算速度，其速度已由早期的幾千次每秒發(fā)展到現(xiàn)在的千萬億次每秒，是人工計(jì)算所無法比擬的。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)極大地提高了工作效率，許多計(jì)算量大的工作，人工需計(jì)算幾年才能完成，而用計(jì)算機(jī)“瞬間”即可完成。

2．計(jì)算精度高

尖端科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)往往需要高精度的計(jì)算。計(jì)算機(jī)具有一般計(jì)算工具無法比擬的高精度，計(jì)算精度可達(dá)到十幾位甚至幾十位有效數(shù)字，也可以根據(jù)需要達(dá)到任意的精度，比如可以精確到小數(shù)點(diǎn)以后上億位甚至更高。

3．“記憶”能力強(qiáng)

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，這使計(jì)算機(jī)具有了“記憶”能力，并且這種“記憶”能力仍在不斷增強(qiáng)。目前，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量越來越大，存儲(chǔ)時(shí)間也越來越長(zhǎng)，這也是傳統(tǒng)計(jì)算工具無法比擬的。

4．具有邏輯判斷能力

計(jì)算機(jī)除了能夠完成基本的加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算外，還能進(jìn)行與、或、非和異或等邏輯運(yùn)算。因此，計(jì)算機(jī)具備邏輯判斷能力，能夠處理邏輯推理等問題，這是傳統(tǒng)的計(jì)算工具所不能達(dá)到的。

5．按程序自動(dòng)執(zhí)行

計(jì)算機(jī)的工作方式是先將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，工作時(shí)自動(dòng)依次從存儲(chǔ)器中取出指令、分析指令并執(zhí)行指令，一步一步地進(jìn)行下去，無需人工干預(yù)，這一特點(diǎn)是其他計(jì)算工具所不具備的。

6．可靠性越來越高

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性可從硬件可靠性和軟件可靠性兩個(gè)方面來看。由于采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，且容錯(cuò)技術(shù)越來越高，計(jì)算機(jī)的平均無故障時(shí)間越來越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的可靠性越來越高。軟件可靠性可從操作系統(tǒng)的發(fā)展來看，現(xiàn)在使用的操作系統(tǒng)要比過去更可靠。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性也越來越高。

7．應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣

隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的不斷降低，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。1.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

1．科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算即數(shù)值計(jì)算，是指依據(jù)算法和計(jì)算機(jī)功能上的等價(jià)性用計(jì)算機(jī)處理科學(xué)與工程中所遇到的數(shù)學(xué)計(jì)算。世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是為此而設(shè)計(jì)的。在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程技術(shù)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些有算法但運(yùn)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算問題，這些問題用一般的計(jì)算工具來解決需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但用計(jì)算機(jī)來處理卻很方便。比如天氣預(yù)報(bào)，如果是人工計(jì)算，等算出來可能已是“馬后炮”，而利用計(jì)算機(jī)則可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來幾天、幾周，甚至幾個(gè)月的天氣情況。

2．信息處理

科學(xué)計(jì)算主要是計(jì)算數(shù)值數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)被賦予一定的意義，就變成了非數(shù)值數(shù)據(jù)，即信息。信息處理也稱“數(shù)據(jù)處理”，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、整理、統(tǒng)計(jì)、分析、檢索、加工和傳輸?shù)炔僮?。這些數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、文字、圖形、聲音或視頻。信息處理往往算法相對(duì)簡(jiǎn)單而處理的數(shù)據(jù)量較大，其目的是管理大量的、雜亂無章的甚至難以理解的數(shù)據(jù)，并根據(jù)一些算法利用這些數(shù)據(jù)得出人們需要的信息，如銀行賬務(wù)管理、股票交易管理、企業(yè)進(jìn)銷存管理、人事檔案管理、圖書資料檢索、情報(bào)檢索、飛機(jī)訂票、列車查詢和企業(yè)資源計(jì)劃等。信息處理已成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域。

3．過程控制

過程控制又稱“實(shí)時(shí)控制”，是指利用計(jì)算機(jī)及時(shí)地采集和檢測(cè)數(shù)據(jù)，并按某種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)或最佳值進(jìn)行的自動(dòng)控制。過程控制已廣泛應(yīng)用于航天、軍事、社會(huì)科學(xué)、農(nóng)業(yè)、冶金、石油、化工、水電、紡織、機(jī)械、醫(yī)藥、現(xiàn)代管理和工業(yè)生產(chǎn)中，將人類從復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，代替人進(jìn)行繁雜、重復(fù)的勞動(dòng)，從而改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)省勞動(dòng)力，節(jié)約原材料、能源并降低了成本。

4．網(wǎng)絡(luò)與通信

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將全球大多數(shù)國(guó)家聯(lián)系在一起。信息通信是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，我們可以利用信息高速公路傳遞信息。資源共享是網(wǎng)絡(luò)的核心，它包括數(shù)據(jù)共享、軟件共享和硬件共享。分布式處理是網(wǎng)絡(luò)提供的基本功能之一，它包括分布式輸入、分布式計(jì)算和分布式輸出。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)通信、信息檢索、電子商務(wù)、過程控制、輔助決策、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、數(shù)字圖書館、電視會(huì)議、視頻點(diǎn)播及娛樂等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

5．辦公自動(dòng)化

辦公自動(dòng)化(OA，OfficeAutomation)是指以計(jì)算機(jī)為中心，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和一系列現(xiàn)代化辦公設(shè)備，使辦公人員方便快捷地共享信息和高效地協(xié)同工作，從而提高辦公效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)管理的新型辦公方式。辦公自動(dòng)化系統(tǒng)分為事務(wù)型辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、信息管理辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和決策支持辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。

6．計(jì)算機(jī)輔助領(lǐng)域

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)指用計(jì)算機(jī)輔助人進(jìn)行各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高、價(jià)格的降低以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和圖形設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、軟件開發(fā)、土木建筑、服裝、汽車、船舶、機(jī)械、電子、電氣、地質(zhì)和計(jì)算機(jī)藝術(shù)等領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)指用計(jì)算機(jī)輔助人進(jìn)行生產(chǎn)管理、過程控制和產(chǎn)品加工等操作，從而改善工作人員的工作條件，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高加工速度，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。計(jì)算機(jī)輔助制造已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、機(jī)械、家用電器和電子產(chǎn)品等制造業(yè)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有集成化、計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化等優(yōu)點(diǎn)。它可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高員工素質(zhì)，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)約資源和促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，從而為企業(yè)和社會(huì)帶來更多的效益。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域還有很多，如計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算(CAC)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAA)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助研究(CAR)、計(jì)算機(jī)輔助訂貨(CAO)和計(jì)算機(jī)輔助翻譯(CAT)等。

7．多媒體

多媒體(Multimedia)是指兩種以上媒體的綜合，包括文本、圖形、圖像、動(dòng)畫、音頻和視頻等多種媒體形式。多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)綜合處理各種信息媒體，進(jìn)行人機(jī)交互的一種信息技術(shù)。多媒體技術(shù)的發(fā)展使計(jì)算機(jī)更實(shí)用化，并使其從科研院所、辦公室和實(shí)驗(yàn)室的專用工具變成了信息社會(huì)的普通工具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)管理、軍事指揮訓(xùn)練、股票債券、金融交易、信息咨詢、建筑設(shè)計(jì)、學(xué)校教育、商業(yè)廣告、旅游、醫(yī)療、藝術(shù)、家庭生活和影視娛樂等領(lǐng)域。

8．虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)又稱“靈境”，是指利用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生一個(gè)具有三維圖像和聲音的逼真的虛擬世界。用戶通過使用交互設(shè)備，可獲得視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等感覺。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已逐漸應(yīng)用于城市規(guī)劃、道路橋梁、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、軍事模擬、航空航天、文物古跡、地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)生物、商業(yè)、教育、游戲和影視娛樂等領(lǐng)域。

9．人工智能

人工智能(AI，ArtificialIntelligence)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要的且處于研究最前沿的分支，它研究智能的實(shí)質(zhì)，并企圖生產(chǎn)出一種能像人一樣進(jìn)行感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解等思考活動(dòng)的智能機(jī)器。

人工智能是自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)交叉的一門邊緣學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息論、控制論、心理學(xué)、仿生學(xué)、不定性論、哲學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等諸多學(xué)科。該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等，實(shí)際應(yīng)用有智能控制、機(jī)器人、語言和圖像理解、遺傳編程、機(jī)器視覺、指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、虹膜識(shí)別、掌紋識(shí)別、專家系統(tǒng)、醫(yī)療診斷、智能搜索、定理證明、博弈和自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。

1.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示

1.2.1數(shù)制

數(shù)制又稱“計(jì)數(shù)制”，是人們用符號(hào)和規(guī)則來計(jì)數(shù)的科學(xué)方法。在日常生活中，人們?cè)谒阈g(shù)計(jì)算上通常采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)法，如使用個(gè)、十、百、千和萬等為計(jì)數(shù)單位；在計(jì)時(shí)上通常采用七進(jìn)制、十二進(jìn)制和六十進(jìn)制等，如每星期7天、每年12個(gè)月和每分鐘60秒等；在角度計(jì)量上通常采用六十進(jìn)制、三百六十進(jìn)制和弧度制等，如1度等于60分和1圓周為360度等。當(dāng)然，還有許多各種各樣的計(jì)數(shù)制。不論哪種計(jì)數(shù)制，其使用的符號(hào)和規(guī)則都有一定的規(guī)律和特點(diǎn)，都有各自的數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)。數(shù)碼是指采用的符號(hào)，基數(shù)是指數(shù)碼的個(gè)數(shù)，位權(quán)表示某位具有的“權(quán)重”。如十進(jìn)制的數(shù)碼有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等，基數(shù)是十，個(gè)位的位權(quán)是一，十位的位權(quán)是十，百位的位權(quán)是百，采用逢十進(jìn)一和借一當(dāng)十的運(yùn)算規(guī)則。

與學(xué)習(xí)和使用計(jì)算機(jī)有關(guān)的計(jì)數(shù)制有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制，這幾種進(jìn)制的數(shù)碼、基數(shù)、位權(quán)、規(guī)則和英文表示如表1.1所示。

表1.1學(xué)習(xí)和使用計(jì)算機(jī)有關(guān)的幾種計(jì)數(shù)制1.2.2數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

1．R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

在十進(jìn)制中，345.67可以表示為

3×102+4×101+5×100+6×10-1+7×10-2=345.67

其中102就是百位的權(quán)，101就是十位的權(quán)，100就是個(gè)位的權(quán)?？梢钥闯觯澄坏奈粰?quán)恰好是基數(shù)的某次冪。因此，可以將任何一種計(jì)數(shù)制表示的數(shù)寫成與其權(quán)有關(guān)的多項(xiàng)式之和，則一個(gè)R進(jìn)制數(shù)N可以表示為

N=ak×Rk=ai×Ri+…+a1×R1+a0×R0+a-1×R-1+…+a-j×R-j

其中，ai是數(shù)碼，R是R進(jìn)制的基數(shù)，Ri是ai所在位的位權(quán)，這種方法稱為“按權(quán)展開”。例如：(123.4)O=1×82+2×81+3×80+4×8-1=(83.5)D

(1010.11)B=1×23+0×22+1×21+0×20+1×2－+1×2－2=(10.75)D

其中，下標(biāo)O表示八進(jìn)制，也可用下標(biāo)8來代替；下標(biāo)D表示十進(jìn)制，也可用下標(biāo)10來代替；下標(biāo)B表示二進(jìn)制，也可用下標(biāo)2來代替。

2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)

將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)，其整數(shù)部分采用除以R取余數(shù)的方法，其小數(shù)部分采用乘以R取整數(shù)的方法，然后把整數(shù)部分和小數(shù)部分相加即可。

例如，將(124.375)D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。因此，(124)D=(1111100)B。如果用乘以R取整的方法出現(xiàn)取不盡的情況時(shí)，則可以根據(jù)需要保留小數(shù)，通常采取低舍高入的方法，對(duì)于二進(jìn)制來說就是0舍1入。

十進(jìn)制與二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1.2所示。

表1.2十進(jìn)制與二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3．二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)

由于23=8，24=16，因此二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)比較簡(jiǎn)單。

將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)，只要將二進(jìn)制數(shù)以小數(shù)為界，分別向左、右兩邊按3位分組，不足3位用零補(bǔ)足，然后計(jì)算出每組的數(shù)值即可。

例如，將(1111100.011)B轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法如下：

001

111

100

.

011二進(jìn)制數(shù)

↓↓↓.↓↓

1

7

4

.

3八進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，只要將二進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為界，分別向左、右兩邊按4位分組，不足4位用零補(bǔ)足，然后計(jì)算出每組的數(shù)值即可。

例如，將(1111100.011)B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法如下：

0111

1100

.

0110二進(jìn)制數(shù)

↓↓.↓↓

7

C

.

6十六進(jìn)制數(shù)

4．八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)

將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，只要將八進(jìn)制數(shù)的每一位分別用3位二進(jìn)制數(shù)表示，然后再去掉打頭的零即可。

例如，將(345.67)O轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法如下：

3

4

5

.

6

7八進(jìn)制數(shù)

↓↓↓.↓↓↓

011

100101.110111

11100101.110111二進(jìn)制數(shù)

將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，只要將十六進(jìn)制數(shù)的每一位分別用4位二進(jìn)制數(shù)表示，然后再去掉打頭的零即可。例如，將(345.67)H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法如下：

3

4

5

.

6

7十六進(jìn)制數(shù)

↓↓↓.↓↓↓

0011

01000101.01100111

1101000101.01100111二進(jìn)制數(shù)

5．八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，可先將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)或者十進(jìn)制數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。

將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)，可先將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)或者十進(jìn)制數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示

1．機(jī)器數(shù)和真值

在計(jì)算機(jī)中，通常用“0”表示正，用“1”表示負(fù)，用這種方法表示的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。所謂真值就是數(shù)真正的值，稱數(shù)的值為真值是為了同機(jī)器數(shù)相區(qū)別。

2．定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)

在計(jì)算機(jī)中一般用8位、16位和32位等二進(jìn)制碼表示數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中表示數(shù)的方法一般有定點(diǎn)表示法和浮點(diǎn)表示法。定點(diǎn)表示法是指在計(jì)算機(jī)中小數(shù)點(diǎn)不占用二進(jìn)制位，規(guī)定在固定的地方，這種小數(shù)點(diǎn)固定的數(shù)稱為定點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)數(shù)又分為定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)。1.2.4計(jì)算機(jī)的信息編碼

1．西文字符編碼

計(jì)算機(jī)中常用的字符編碼有EBCDIC碼和ASCII碼。IBM系列大型機(jī)采用EBCDIC碼，微型機(jī)采用的ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)碼是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，被國(guó)際化組織指定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，表示英文字符、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、數(shù)字和一些控制字符。ASCII碼的每個(gè)字符由7位二進(jìn)制編碼組成，通常用一個(gè)字節(jié)表示，它包括128個(gè)元素，如表1.3所示。有了ASCII碼，我們就可以直接通過鍵盤把英文字符輸入到計(jì)算機(jī)中。鍵盤的大部分按鍵與常用的ASCII碼相對(duì)應(yīng)，當(dāng)使用鍵盤輸入字符時(shí)，計(jì)算機(jī)將產(chǎn)生的與字符相對(duì)應(yīng)的ASCII碼存入內(nèi)存中，以便處理和輸出。

ASCII碼有7位碼和8位碼兩種版本。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的7位ASCII碼是用7位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符的編碼，其編碼范圍為0000000B～1111111B，共有27?=?128個(gè)不同的編碼值，相應(yīng)可以表示128個(gè)不同的編碼。

新版本的ASCII-8采用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符的編碼，可表示256個(gè)字符。最高位為0的ASCII碼稱為標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼；最高位為1的128個(gè)ASCII碼稱為擴(kuò)充ASCII碼。數(shù)字0～9的ASCII碼為48～97；大寫字母A～Z的ASCII碼為65～90；小寫字母a～z的ASCII碼為97～112。小寫英文字母的ASCII碼比對(duì)應(yīng)的大寫字母的ASCII碼多32。在ASCII碼表中，基本是按數(shù)字、大寫英文字母、小寫英文字母的順序排列的，排在后面的碼值比排在前面的大。

2．中文字符編碼

為了能把中文字符通過英文標(biāo)準(zhǔn)鍵盤輸入到計(jì)算機(jī)中，就必須為漢字設(shè)計(jì)輸入碼；為了在計(jì)算機(jī)中處理和存儲(chǔ)中文字符，就必須為中文字符設(shè)計(jì)交換碼和機(jī)內(nèi)碼；為了顯示、輸出中文字符，就必須為中文字符設(shè)計(jì)輸出字形碼。

(1)輸入碼。

(2)交換碼和機(jī)內(nèi)碼。

(3)輸出字形碼。

漢字輸入輸出的過程一般為：通過輸入設(shè)備輸入漢字輸入碼，再由輸入程序利用交換碼將漢字輸入碼轉(zhuǎn)化為漢字機(jī)內(nèi)碼，由計(jì)算機(jī)對(duì)漢字機(jī)內(nèi)碼進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，然后由計(jì)算機(jī)在字庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的字形碼，找到后，將漢字字形碼發(fā)送到顯示輸出設(shè)備，這樣就會(huì)在輸出顯示設(shè)備上看到相應(yīng)的漢字了。

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成與原理

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，如圖1.3所示。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指看得見、摸得著，構(gòu)成計(jì)算機(jī)所有實(shí)體設(shè)備的集合。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是指為計(jì)算機(jī)的運(yùn)行、管理和使用而編制的程序的集合。圖1.3計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成1.3.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在1945年提出了關(guān)于計(jì)算機(jī)組成和工作方式的設(shè)想。迄今為止，盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)制造技術(shù)已有極大發(fā)展，但是就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍然遵循他的設(shè)計(jì)思想，這樣的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。

馮·諾依曼設(shè)計(jì)思想可以概括為以下三點(diǎn)：

(1)采用存儲(chǔ)程序控制方式。

(2)計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制的形式表示指令和數(shù)據(jù)。

(3)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)分為運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分。

1．運(yùn)算器

運(yùn)算器(ArithmeticUnit)是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，由執(zhí)行部件、寄存器和控制電路三部分組成。

(1)執(zhí)行部件。執(zhí)行部件是運(yùn)算器的核心，稱為算術(shù)邏輯單元(ALU，ArithmeticandLogicUnit)。由于它能進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算，因此經(jīng)常有人用ALU代表運(yùn)算器。

(2)寄存器。運(yùn)算器中的寄存器是用來寄存被處理的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果的，主要有累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器。

(3)控制電路?？刂齐娐房刂艫LU進(jìn)行哪種運(yùn)算。

2．控制器

控制器(Controller)是指揮和協(xié)調(diào)運(yùn)算器及整個(gè)計(jì)算機(jī)所有部件完成各種操作的部件，是計(jì)算機(jī)指令的發(fā)出部件。控制器主要由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組成?？刂破骶褪峭ㄟ^這些部分，從內(nèi)存取出某程序的第一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置，隨后對(duì)取出的指令進(jìn)行譯碼分析，產(chǎn)生控制信號(hào)，準(zhǔn)備執(zhí)行下一條指令，直至程序結(jié)束。

計(jì)算機(jī)中最重要的部分就是由控制器和運(yùn)算器組成的中央處理器(CPU，CentralProcessingUnit)。

3．存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶部件，用來存放程序和數(shù)據(jù)等計(jì)算機(jī)的全部信息。根據(jù)控制器發(fā)出的讀、寫和地址等信號(hào)對(duì)某地址存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮鳌?/p>

存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)介質(zhì)分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器；按存儲(chǔ)方式分為可任意存取數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器和只能按順序存取數(shù)據(jù)的順序存儲(chǔ)器；按存儲(chǔ)器的讀寫功能分為隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM，Random-AccessMemory)和只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-OnlyMemory)。RAM指既能讀出又能寫入的存儲(chǔ)器，ROM一般情況下指只能讀出不能寫入的存儲(chǔ)器。寫入ROM中的程序稱為固化的軟件，即固件。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由高速緩存(Cache)、內(nèi)存儲(chǔ)器(內(nèi)存，也稱主存)和外存儲(chǔ)器(外存，也稱輔存)三級(jí)構(gòu)成。

(1)外存。外存用來存放暫時(shí)不運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，一般采用磁性存儲(chǔ)介質(zhì)或光存儲(chǔ)介質(zhì)，通過輸入、輸出接口連接到計(jì)算機(jī)上。外存的優(yōu)點(diǎn)是成本低、容量大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)和斷電時(shí)信息不消失；其缺點(diǎn)是存取速度慢，且CPU不能直接執(zhí)行存放在外存中的程序，需將想要運(yùn)行的程序調(diào)入內(nèi)存后才能運(yùn)行。

常見的外存有硬盤、軟盤、光盤和U盤等。

(2)內(nèi)存。內(nèi)存用來存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)。內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是速度比外存快，CPU能直接執(zhí)行存放在內(nèi)存的程序；其缺點(diǎn)是成本高，且斷電時(shí)所存儲(chǔ)的信息會(huì)消失。

從學(xué)術(shù)角度來說，由CPU和內(nèi)存構(gòu)成的處理系統(tǒng)稱為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的主機(jī)。在日常生活中，我們常說的主機(jī)一般指主機(jī)箱。

(3)?Cache緩存。由于CPU的速度越來越快，內(nèi)存的速度無法跟上CPU的速度，就會(huì)形成“瓶頸”，從而影響計(jì)算機(jī)的工作效率。如果在CPU與內(nèi)存之間增加幾級(jí)與CPU速度匹配的高速緩存，就可以提高計(jì)算機(jī)的工作效率。因此，在CPU中就集成了Cache(用于存放當(dāng)前運(yùn)行程序中最活躍的部分)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快，缺點(diǎn)是成本高、容量小。

4．輸入設(shè)備

輸入設(shè)備是指向計(jì)算機(jī)輸入程序和數(shù)據(jù)等信息的設(shè)備。它包括鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿、攝像機(jī)、攝像頭、掃描儀、傳真機(jī)、光筆、語音輸入器和手寫輸入板等。

5．輸出設(shè)備

輸出設(shè)備是指計(jì)算機(jī)向外輸出中間過程和處理結(jié)果等信息的設(shè)備。它包括顯示器、投影儀、打印機(jī)、繪圖儀和語音輸出設(shè)備等。

有些設(shè)備既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備，如觸摸屏、打印掃描一體機(jī)和通信設(shè)備等。

輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存都屬于外部設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)也可以說是由主機(jī)和外設(shè)構(gòu)成的。1.3.2計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

1．系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指協(xié)調(diào)管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源，為用戶提供友好的交互界面，并支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的軟件，一般是必須配備的軟件。它主要包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議處理軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。

1)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)(OS，OperatingSystem)是負(fù)責(zé)分配管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源，控制程序運(yùn)行，提供人機(jī)交互界面的一組程序的集合，是典型的系統(tǒng)軟件。它的功能主要有進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、作業(yè)管理、設(shè)備管理和文件管理等。常見的操作系統(tǒng)有DOS、Windows、MacOS、Linux和UNIX等。

制造計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的廠家眾多，生產(chǎn)的設(shè)備也品種繁多，為了有效地管理和控制這些設(shè)備，人們?cè)谟布幕A(chǔ)上加載了一層操作系統(tǒng)，用它通過設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序來與計(jì)算機(jī)硬件打交道，使人們有了一個(gè)友好的交互窗口。可以說，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件的管理員，是用戶的服務(wù)員。

2)語言處理程序

計(jì)算機(jī)語言一般分為機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言等。

計(jì)算機(jī)只能識(shí)別和執(zhí)行機(jī)器語言(一種由二進(jìn)制碼“0”和“1”組成的語言)。不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言也不一樣。由機(jī)器語言編寫的程序稱為機(jī)器語言程序，它是由“0”和“1”組成的數(shù)字序列，很難理解和記憶，且檢查和調(diào)試都比較困難。

由于機(jī)器語言不好記憶和輸入，人們通過助記符的方式把機(jī)器語言抽象成匯編語言。匯編語言是符號(hào)化了的機(jī)器語言。用匯編語言編寫的程序叫匯編語言源程序，計(jì)算機(jī)無法執(zhí)行，必須將匯編源程序翻譯成機(jī)器語言程序后才能執(zhí)行，這個(gè)翻譯的過程稱為匯編，完成翻譯的計(jì)算機(jī)軟件稱為匯編程序。機(jī)器語言和匯編語言是低級(jí)語言，都是面向機(jī)器的。高級(jí)語言是面向用戶的，比如Ada、Fortran、Pascal、Cobol、Basic、C、C++、VB、VC、Java、C#、Lisp、Haskell、ML、Scheme、Prolog、Smalltalk和各種腳本語言等。用高級(jí)語言書寫的程序稱為源程序，需要以解釋方式或編譯方式執(zhí)行。解釋方式是指由解釋程序解釋一句高級(jí)語言后立即執(zhí)行該語句；編譯方式是指將源程序通過編譯程序翻譯成機(jī)器語言形式的目標(biāo)程序后再執(zhí)行。

匯編程序、解釋程序和編譯程序等都屬于語言處理程序。

3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS，DatabaseManagementSystem)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間操縱和管理數(shù)據(jù)庫(kù)的大型軟件，用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)都是在DBMS的管理下進(jìn)行的，應(yīng)用程序只有通過DBMS才能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢、讀取和寫入等操作。

常見的數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序有Oracle、SQLServer、Mysql、DB2和VisualFoxPro等。

4)網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議處理軟件

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是指網(wǎng)絡(luò)上通信設(shè)備之間進(jìn)行通信的規(guī)則。將計(jì)算機(jī)連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須安裝正確的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這樣才能保證各通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的正常通信。常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有T