第2章計算機系統(tǒng)首先要搞清楚什么是計算機。計算機是能按照人的要求接受和存儲信息，自動進行數(shù)據(jù)處理和計算，并輸出結(jié)果的機器系統(tǒng)。計算機由硬件和軟件兩部分組成，它們共同協(xié)作運行應(yīng)用程序，處理和解決實際問題。其中，硬件是計算機賴以工作的實體，是各種物理部件的有機結(jié)合。軟件是控制計算機運行的靈魂，是由各種程序以及程序所處理的數(shù)據(jù)組成。計算機系統(tǒng)通過軟件協(xié)調(diào)各硬件部件，并按照指定要求和順序進行工作。通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握以下內(nèi)容1計算機硬件系統(tǒng)的組成、功能和工作原理。2計算機軟件系統(tǒng)的組成和功能，系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件的概念和作用。3計算機的性能和主要技術(shù)指標(biāo)。4掌握操作系統(tǒng)的概念與功能。5熟練掌握WINDOWS7的基本操作。21計算機的硬件系統(tǒng)硬件是計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有硬件就不能稱其為計算機。盡管各種計算機在性能、用途和規(guī)模上有所不同，但其基本結(jié)構(gòu)都遵循馮諾依曼型體系結(jié)構(gòu)，人們稱符合這種設(shè)計的計算機是馮諾依曼計算機。馮諾依曼型計算機由輸入、存儲、運算、控制和輸出五個部分組成。211運算器運算器ARITHMETICUNIT，AU是計算機處理數(shù)據(jù)、形成信息的加工廠，它的主要功能是對二進制數(shù)碼進行算術(shù)運算或邏輯運算。所以，也稱其為算術(shù)邏輯部件ARITHMETICANDLOGICUNIT，ALU。所謂算術(shù)運算，就是數(shù)的加、減、乘、除以及乘方、開方等數(shù)學(xué)運算。而邏輯運算則是指邏輯變量之間的運算，即通過與、或、非等基本操作對二進制數(shù)進行邏輯判斷。計算機之所以能完成各種復(fù)雜操作，最根本的原因是由于運算器的運行。參加運算的數(shù)全部是在控制器的統(tǒng)一指揮下從內(nèi)存儲器中取到運算器，由運算器完成運算任務(wù)。由于在計算機內(nèi)，各種運算均可歸結(jié)為相加和移位這兩個基本操作，所以，運算器的核心是加法器ADDER。為了能將操作數(shù)暫時存放，能將每次運算的中間結(jié)果暫時保留，運算器還需要若干個寄存數(shù)據(jù)的寄存器REGISTER。若一個寄存器既保存本次運算的結(jié)果而又參與下次的運算，它的內(nèi)容就是多次累加的和，這樣的寄存器又叫做累加器ACCUMULATOR，AL。運算器的處理對象是數(shù)據(jù)，處理的數(shù)據(jù)來自存儲器，處理后的結(jié)果通常送回存儲器或暫存在運算器中。數(shù)據(jù)長度和表示方法對運算器的性能影響極大。字長的大小決定了計算機的運算精度，字長越長，所能處理的數(shù)的范圍越大，運算精度越高處理速度越快。目前普遍使用的INTEL和AMD微處理器大多支持32位或64位字長，意味著該類型機器可以并行處理32位或64位的二進制算術(shù)運算和邏輯運算。以“L2”為例，看看計算機工作的全過程。在控制器的作用下，計算機分別從內(nèi)存中讀取操作數(shù)01和10，并將其暫存在寄存器A和寄存器8中。運算時，兩個操作數(shù)同時傳送至ALU，在ALU中完成加法操作。執(zhí)行后的結(jié)果根據(jù)需要被傳送至存儲器的指定單元或運算器的某個寄存器中，如圖21所示。運算器的性能指標(biāo)是衡量整個計算機性能的重要因素之一，與運算器相關(guān)的性能指標(biāo)包括計算機的字長和運算速度。字長是指計算機運算部件一次能同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)見123節(jié)。作為存儲數(shù)據(jù)，字長越長，則計算機的運算精度就越高；作為存儲指令，則計算機的處理能力就越強。目前普遍使用的INTEL和AMD微處理器大多是32位字長的，也有64位的，意味著該類型的微處理器可以并行處理32位或64位二進制數(shù)的算術(shù)運算和邏輯運算。運算速度計算機的運算速度通常是指每秒鐘所能執(zhí)行加法指令的數(shù)目。常用百萬次秒MILLIONINSTRUCTIONSPERSECOND，MIPS來表示。這個指標(biāo)更能直觀地反映機器的速度。212控制器控制器CONTROLUNIT，CU是計算機的心臟，由它指揮全機各個部件自動、協(xié)調(diào)地工作?？刂破鞯幕竟δ苁歉鶕?jù)指令計數(shù)器中指定的地址從內(nèi)存取出一條指令，對指令進行譯碼，再由操作控制部件有序地控制各部件完成操作碼規(guī)定的功能?？刂破饕灿涗洸僮髦懈鞑考臓顟B(tài)，使計算機能有條不紊地自動完成程序規(guī)定的任務(wù)。從宏觀上看，控制器的作用是控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作。從微觀上看，控制器的作用是按一定順序產(chǎn)生機器指令以獲得執(zhí)行過程中所需要的全部控制信號，這些控制信號作用于計算機的各個部件以使其完成某種功能，從而達到執(zhí)行指令的目的。所以，對控制器而言，真正的作用是對機器指令執(zhí)行過程的控制控制器由指令寄存器INSTRUCTIONREGISTERIR、指令譯碼器INSTRUCTIONDECODER，ID、程序計數(shù)器PROGRAMCOUNTER，PC和操作控制器OPERATIONCONTROLLER，OC4個部件組成，如圖22所示。IR用以保存當(dāng)前執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令代碼；ID用來解析和識別IR中所存放指令的性質(zhì)和操作方法；OC則根據(jù)ID的譯碼結(jié)果，產(chǎn)生該指令執(zhí)行過程中所需的全部控制信號和時序信號；PC總是保存下一條要執(zhí)行的指令地址，從而使程序可以自動、持續(xù)地運行。1機器指令為了讓計算機按照人的意識和思維正確運行，必須設(shè)計一系列計算機可以真正識別和執(zhí)行的語言機器指令。機器指令是一個按照一定格式構(gòu)成的二進制代碼串，它用來描述計機可以理解并執(zhí)行的基本操作。計算機只能執(zhí)行指令，并被指令所控制。機器指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。1操作碼指明指令所要完成操作的性質(zhì)和功能。2操作數(shù)指明操作碼執(zhí)行時的操作對象。操作數(shù)的形式可以是數(shù)據(jù)本身，也可以是存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存單元地址或寄存器名稱。操作數(shù)又分為源操作數(shù)和目的操作數(shù)，源操作數(shù)指明參加運算的操作數(shù)來源，目的操作數(shù)地址指明保存運算結(jié)暴的存儲單元地址或寄存器名稱。指令的基本格式如圖23所示。1操作碼，I、源操作數(shù)或地址目的操作數(shù)地址圖23指令的基卒格式2指令的執(zhí)行過程計算機的工作過程就是按照控制器的控制信號自動、有序地執(zhí)行指令的過程。指令是計算機正常工作的前提。所有程序都是由一條條指令序列組成的。一條機器指令的執(zhí)行需要獲得指令、分析指令、執(zhí)行指令，大致過程如下I取指令從存儲單元地址等于當(dāng)前程序計數(shù)器PC的內(nèi)容的那個存儲單元中讀取當(dāng)前要執(zhí)行的指令，并把它存放到指令寄存器IR中。2分析指令指令譯碼器ID分析該指令稱為譯碼。3生成控制信號操作控制器根據(jù)指令譯碼器ID的輸出譯碼結(jié)果，按一定的順序產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需的所有控制信號。4執(zhí)行指令在控制信號的作用下，計算機各部分完成相應(yīng)的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的保存。5重復(fù)執(zhí)行計算機根據(jù)PC中新的指令地址，重復(fù)執(zhí)行上述4個過程，直至執(zhí)行到指令結(jié)束。控制器和運算器是計算機的核心部件，這兩部分合稱中央處理器CENTRALPROCESSINGUNIT，簡稱CPU，在微型計算機中通常也稱作微處理器MICROPROCESSINGUNIT，MPU。微型計算機的發(fā)展與微處理器的發(fā)展是同步的。時鐘主頻是指CPU的時鐘頻率，是微型計算機性能的一個重要指標(biāo)，它的高低一定程度上決定了計算機速度的高低。主頻以吉赫茲GHZ為單位，一般地說，主頻越高，速度越快。由于微處理器發(fā)展迅速，微型計算機的主頻也在不斷地提高。目前“奔騰”PENTIUM處理器的主頻已達到GHZ0213存儲器存儲器MEMORY是存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。它可以自動完成程序或數(shù)據(jù)的存取，是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備。存儲器分為內(nèi)存又稱主存和外存又稱輔存兩大類。內(nèi)存是主板上的存儲部件，用來存儲當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)、程序和結(jié)果；內(nèi)存容量小，存取速度快，但斷電后其中的信息全部丟失。外存是磁性介質(zhì)或光盤等部件，用來存放各種數(shù)據(jù)文件和程序文件等需要長期保存的信息；外存容量大，存取速度慢，但斷電后所保存的內(nèi)容不會丟失。計算機之所以能夠反復(fù)執(zhí)行程序或數(shù)據(jù)，就是由于有存儲器的存在。CPU不能像訪問內(nèi)存那樣直接訪問外存，當(dāng)需要某一程序或數(shù)據(jù)時，首先應(yīng)將其調(diào)入內(nèi)存，然后再運行。一般的微型計算機中都配置了高速緩沖存儲器CACHE，這時內(nèi)存包括主存和高速緩存兩部分。1內(nèi)存存儲器是用來存儲數(shù)據(jù)和程序的“記憶”裝置，相當(dāng)于存放資料的倉庫。計算機中的全部信息，包括數(shù)據(jù)、程序、指令以及運算的中間數(shù)據(jù)和最后的結(jié)果都要存放在存儲器中。存儲器分內(nèi)存儲器和外存儲器兩種。內(nèi)存儲器按功能又可分為隨機存取存儲器RANDOMACCESSMEMORY，RAM和只讀存儲器READONLYMEMORY，ROM。1隨機存取存儲器、通常所說的計算機內(nèi)存容量均指RAM存儲器容量，即計算機的主存。RAM有兩個特點，第一個特點是可讀寫性，說的是對RAM既可以進行讀操作，又可以進行寫操作。讀操作時不破壞內(nèi)存已有的內(nèi)容，寫操作時才改變原來已有的內(nèi)容。第二個特點是易失性，即電源斷開關(guān)機或異常斷電時，RAM中的內(nèi)容立即丟失。因此微型計算機每次啟動時都要對RAM進行重新裝配。RAM又可分為靜態(tài)隨機存儲器STATICRAM，SRAM和動態(tài)隨機存儲器DYNAMICRAM，DRAM兩種。計算機內(nèi)存條采用的是DRAM，如圖24所示。DRAM中“動態(tài)”的含義是指每隔一個固定的時間必須對存儲信息刷新一次。因為DRAM是用電容來存儲信息的，由于電容存在漏電現(xiàn)象，存儲的信息不可能永遠保持不變，為了解決這個問題，需要設(shè)計一個額外電路對內(nèi)存不斷地進行刷新。DRAM的功耗低，集成度高，成本低。SRAM是用觸發(fā)器的狀態(tài)來存儲信息的，只要電源正常供電，觸發(fā)器就能穩(wěn)定地存儲信息，無需刷新，所以SRAM的存取速度比DRAM快。但SRAM具有集成度低、功耗大、價格高的缺陷。幾種常用RAM簡介如下同步動態(tài)隨機存儲器SYNCHRONOUSDRAM，SDRAM是目前奔騰計算機系統(tǒng)普遍使用的內(nèi)存形式，它的刷新周期與系統(tǒng)時鐘保持同步，使RAM和CPU以相同的速度同步工作，減少了數(shù)據(jù)存取時間。雙倍速率SDRAMDOUBLEDATARATERAM，DDRRAM使用了更多、更先進的同步電路，它的速度是標(biāo)準(zhǔn)SDRAM的兩倍。存儲器總線式動態(tài)隨機存儲器RAMBUSDRAM，RDRAM被廣泛地應(yīng)用于多媒體領(lǐng)域。2只讀存儲器JCPU對只讀存儲器ROM只取不存，ROM里面存放的信息一般由計算機制造廠寫入并經(jīng)固化處理，用戶是無法修改的，即使斷電，ROM中的信息也不會丟失。因此，ROM中一般存放計I算機系統(tǒng)管理程序，如監(jiān)控程序、基本輸入輸出系統(tǒng)模塊BIOS等。幾種常用ROM簡介如下可編程只讀存儲器PROGRAMMABLEROM，PROM可實現(xiàn)對ROM的寫操作，但只能寫一次。其內(nèi)部有行列式的镕絲，視需要利用電流將其燒斷，寫入所需信息?？刹脸删幊讨蛔x存儲器ERASABLEPROM，EPROM可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)擦寫。使用時用高電壓將信息編程寫入，擦除時將線路曝光于紫外線丁，即可將信息清空。EPROM通常在封裝外殼上會預(yù)留一個石英透明窗以方便曝光。電可擦可編程只讀存儲罨E1ECTRICALLYEPROM，EEPROM可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)擦寫。其使用原理類似EPROM，只是擦除方式是使用高電場完成，因此不需要透明窗曝光。3高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器CACHE主要是為了解決CPU和主存速度不匹配，為提高存儲器速度而設(shè)計的。CACHE一般用SRAM存儲芯片實現(xiàn)，因為SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。CACHE產(chǎn)生的理論依據(jù)局部性原理。局部性原理是指計算機程序從時間和空間都表現(xiàn)出“局部性”時間的局部性TEMPORALLOCALITY最近被訪問的內(nèi)存內(nèi)容指令或數(shù)據(jù)很快還會被訪問；空間的局部性SPATIALLOCALITY靠近當(dāng)前正在被訪問內(nèi)存的內(nèi)存內(nèi)容很快也會被訪問。內(nèi)存讀寫速度制約了CPU執(zhí)行指令的效率，那么，如何能既緩解速度間的矛盾又節(jié)約成本設(shè)計一款小型存儲器即CACHE，使其存取速度接近CPU，存儲容量小于內(nèi)存。CACHE中存放什么CPU最經(jīng)常訪問的指令和數(shù)據(jù)。根據(jù)局部性原理，當(dāng)CPU存取某一內(nèi)存單元時，計算機硬件自動地將包括該單元在內(nèi)的臨近單元內(nèi)容都調(diào)入CACHE。這樣，當(dāng)CPU存取信息時，可先從CACHE中進行查找。若有，則將信息直接傳送給CPU；若無，則再從內(nèi)存中查找，同時把含有該信息的整個數(shù)據(jù)塊從內(nèi)存復(fù)制到CACHE中。CACHE中內(nèi)容命中率越高，CPU執(zhí)行效率越高?？梢圆捎酶鞣NCACHE替換算法CACHE內(nèi)容和內(nèi)存內(nèi)容的替換算法來提高CACHE命中率。CACHE按功能通常分為兩類CPU內(nèi)部的CACHE和CPU外部的CACHE。CPU內(nèi)部的CACHE稱為一級CACHE，它是CPU內(nèi)核的一部分，負(fù)責(zé)在CPU內(nèi)部的寄存器與外部的CACHE之間的緩沖。CPU外部的CACHE稱為二級CACHE，它相對CPU是獨立的部件，主要用于彌補CPU內(nèi)部CACHE容量過小的缺陷，負(fù)責(zé)整個CPU與內(nèi)存之間的緩沖。少數(shù)高端處理器還集成了三級CACHE，三級CACHE是為讀取二級緩存中的數(shù)據(jù)而設(shè)計的一種緩存。具有三級緩存的CPU中，只有很少的羹據(jù)從內(nèi)存中調(diào)用，這樣大大地提高了CPU的效率。4內(nèi)存儲器的性能指標(biāo)內(nèi)存儲器的主要性能指標(biāo)有兩個容量和速度。存儲容量指一個存儲器包含的存儲單元總數(shù)。這一概念反映了存儲空間的大小。目前常用的DDR3內(nèi)存條存儲容量一般為2GB和4GB。好的主板可以到8GB，服務(wù)器主板可以到32GB。存取速度一般用存儲周期也稱讀寫周期來表示。存取周期就是CPU從內(nèi)存儲器中存取數(shù)據(jù)所需的時間讀出或?qū)懭?。半?dǎo)體存儲器的存取周期一般為60100RLS。2外存隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息處理的數(shù)據(jù)量越來越大。但內(nèi)存容量畢竟有限，這就需要配置另一類存儲器外部存儲器簡稱外存。外存可存放大量程序和數(shù)據(jù)，且斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。常見的外部儲存器有硬盤、U盤和光盤等。1硬盤硬盤HARDDISK是微型計算機上主要的外部存儲設(shè)備。它是由磁盤片、讀寫控制電路和驅(qū)動機構(gòu)組成。硬盤具有容量大、存取速度快等優(yōu)點，操作系統(tǒng)、可運行的程序文件和用戶的數(shù)據(jù)文件一般都保存在硬盤上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個硬盤內(nèi)部包含多個盤片，這些盤片被安裝在一個同心軸上，每個盤片有上下兩個盤面，每個盤面被劃分為磁道和扇區(qū)。磁盤的讀寫物理單位是按扇區(qū)進行讀寫。硬盤的每個盤面有一個讀寫磁頭，所有磁頭保持同步工作狀態(tài)，即在任何時刻所有的磁頭都保持在不同盤面的同一磁道。硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，磁頭與磁盤表面始終保持一個很小的間隙，實現(xiàn)非接觸式讀寫。維持這種微小的間隙，靠的不是驅(qū)動器的控制電路，而是硬盤高速旋轉(zhuǎn)時帶動的氣流。由于磁頭很輕，硬盤旋轉(zhuǎn)時，氣流使磁頭漂浮在磁盤表面。硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖25所示。其主要特點是將盤片、磁頭、電機驅(qū)動部件乃至讀寫電路等做成一個不可隨意拆卸的整體并密封起來，所以防塵性能好、可靠性高。對環(huán)境要求不高。硬盤容量一個硬盤的容量是由以下幾個參數(shù)決定的，即磁頭數(shù)HHEADS、柱面數(shù)CCYLINDERS、每個磁道的扇區(qū)數(shù)SSECTORS和每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)BBYTES。將以上幾個參數(shù)相乘，乘積就是硬盤容量，即硬盤總?cè)萘看蓬^數(shù)H柱面數(shù)C磁道扇區(qū)數(shù)S每扇區(qū)字節(jié)數(shù)B硬盤接口硬盤與主板的連接部分就是硬盤接口，常見的有ATAADVANCEDTECHNOLOGYATTACHMENT，高級技術(shù)附件、SATASERIALATA，串行高級技術(shù)附件和SCSISMALLCOMPUTERSYSTEMINTERFACE，小型計算機系統(tǒng)接口接口。ATA和SATA接口的硬盤主要應(yīng)用在個人電腦上，如圖26所示，SCSL接口的硬盤主要應(yīng)用于中、高端服務(wù)器和高檔工作站中。硬盤接口的性能指標(biāo)主要是傳輸率，也就是硬盤支持的外部傳輸速率。以前常用的ATA接EL采用傳統(tǒng)的40引腳并口數(shù)據(jù)線連接主板和硬盤，外部接L3速度最大為133MBS。ATA并口線的抗干擾性太差，且排線占空間，不利計算機散熱，故其逐漸被SATA取代。SATA又稱串口硬盤，它采用串行連接方式，傳輸率為L50MBS。SATA總線使用嵌入式時鐘信號，具備更強的糾錯能力，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔等優(yōu)點。目前最新的SATA標(biāo)準(zhǔn)是SATA30，傳輸率為6GBS。SCSL是一種廣泛應(yīng)用于小型機上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。SCSL接口具有應(yīng)用范圍廣、帶寬大、CPU占用率低以及支持熱插拔等優(yōu)點。硬盤轉(zhuǎn)速指硬盤電機主軸的旋轉(zhuǎn)速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)速快慢是標(biāo)志硬盤檔次的重要參數(shù)之一，也是決定硬盤內(nèi)部傳輸率的關(guān)鍵因素之一，在很大程度上直接影響硬盤的傳輸速度。硬盤轉(zhuǎn)速單位為RPMREVOLUTIONSPERMINUTE，即轉(zhuǎn)分鐘。普通硬盤轉(zhuǎn)速一般有5400RPM和7200RPM兩種。其中，7200RPM高轉(zhuǎn)速硬盤是臺式機的首選，筆記本則以4200RPM和5400RPM為主。雖然已經(jīng)發(fā)布了7200RPM的筆記本硬盤，但由于噪聲和散熱等問題，尚未廣泛使用。服務(wù)器中使用的SCSL硬盤轉(zhuǎn)速大多為10000RPM，最嘲為15000RPM，性能遠超普通硬盤。硬盤的容量有320GB、500GB、750GB、1TB、2TB、3TB等。目前市場上能買到的硬盤最大容量為4TB。主流硬盤各參數(shù)為SATA接口、500GB容量、7200RPM轉(zhuǎn)速和150MBS傳輸率2閃速存儲器FLASH閃速存儲器F1ASH是一種新型非易失性半導(dǎo)體存儲器通常稱U盤。它是EEPROM的變種，F(xiàn)IA。H與EEPROM不同的是，它能以固定區(qū)塊為單位進行刪除和重寫，而不是整個芯片擦寫。它既繼承了RAM存儲器速度快的優(yōu)點，又具備了ROM的非易失性，即在無電源狀態(tài)仍能保持片內(nèi)信息，不需要特殊的高電壓就可實現(xiàn)片內(nèi)信息的擦除和重寫。另外，USB接13支持即插即用。當(dāng)前的計算機都配有USB接口，在WINDOWSXP操作系統(tǒng)下，無須驅(qū)動程序，通過USB接口即插即用，使用非常方便。近幾年來，更多小巧、輕便、價格低廉、存儲量大的移動存儲產(chǎn)品在不斷涌現(xiàn)并得到普及。USB接13的傳輸率有USBL1為12MBS，USB20為480MBS，USB30為50GBS。3光盤OPTICALDI光盤是以光信息作為存儲信息的載體來存儲數(shù)據(jù)的一種物品。類型劃分光盤通常分為兩類，一類是只讀型光盤，包括CDROM和DVDROMDIGITALVERSATILEDISKROM等；一類是可記錄型光盤，它包括CDR、CDRWCDREWRITABLE、DVDR、DVDR、DVDRW等各種類型。只讀型光盤CDROM是用一張母盤壓制而成，上面的數(shù)據(jù)只能被讀取而不能被寫入或修改。記錄在母盤上的數(shù)據(jù)呈螺旋狀，由中心向外散開，盤中的信息存儲在螺旋形光道中。光道內(nèi)部排列著一個個蝕刻的“凹坑”，這些“凹坑”和“平地”用來記錄二進制0和1。讀CDROM上的數(shù)據(jù)時，利用激光束掃描光盤，根據(jù)激光在小坑上的反射變化得到數(shù)字信息。一次寫入型光盤CDR的特點是只能寫一次，寫完后的數(shù)據(jù)無法被改寫，但可以被多次讀取，可用于重要數(shù)據(jù)的長期保存。在刻錄CDR盤片時，使用大功率激光照射CDR盤片的染料層，通過染料層發(fā)生的化學(xué)變化產(chǎn)生“凹坑”和“平地”兩種狀態(tài)，用來記錄二進制0和1。由于這種變化是一次性的不能恢復(fù)所以CDR只允許寫入一次。3層次結(jié)構(gòu)上面介紹的各種存儲器各有優(yōu)劣，但都不能同時滿足存取速度快、存儲容量大和存儲位價存儲每一位的價格低的要求。為了解決這三個相互制約的矛盾，在計算機系統(tǒng)中通常采用多級存儲器結(jié)構(gòu)，即將速度、容量和價格上各不相同的多種存儲器按照一定體系結(jié)構(gòu)連接起來，構(gòu)成存儲器系統(tǒng)。若只單獨使用一種或孤立使用若干種存儲器，會大大影響計算機的性能。圖27所示，存儲器層次結(jié)構(gòu)由上至下，速度越來越慢，容量越來越大，位價越來越低?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)基本都采用CACHE、主存和輔存三級存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為“CACHE一主存”層次和“主存一輔存”層次。前者主要解決CPU和主存速度不匹配問題，后者主要解決存儲器系統(tǒng)容量問題。在存儲系統(tǒng)中，CPU可直接訪問CACHE和主存；輔存則通過主存與CPU交換信息。214輸入設(shè)備輸入設(shè)備INPUTDEVICES用來向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息，其主要作用是把人們可讀的信息命令、程序、數(shù)據(jù)、文本、圖形、圖像、音頻和視頻等轉(zhuǎn)換為計算機能識別的二進制代碼輸入計算機，供計算機處理，是人與計算機系統(tǒng)之間進行信息交換的主要裝置之一。例如，用鍵盤輸入信息，敲擊鍵盤上的每個鍵都能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，再由電路板轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進制代碼送人計入算機。目前常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、游戲桿、語音輸入裝置等，還有腳踏鼠標(biāo)、手觸輸入、傳感，其姿態(tài)越來越自然，使用越來越方便。1鍵盤鍵盤KEYBOARD是迄今為止最常用、最普通的輸入設(shè)備，它是人與計算機之間進行聯(lián)系和對話的工具，主要用于輸入字符信息。自IBMPC推出以來，鍵盤有了很大的發(fā)展。鍵盤的種類繁多，目前常見的鍵盤有101鍵、L02鍵、L04鍵、多媒體鍵盤、手寫鍵盤、人體工程學(xué)鍵盤、紅外線遙感鍵盤、光標(biāo)跟蹤球的多功能鍵盤和無線鍵盤等。鍵盤接口規(guī)格有兩種PS2和USB。傳統(tǒng)的鍵盤是機械式的，通過導(dǎo)線連接到計算機。每個按鍵為獨立的微動開關(guān)，每個開關(guān)產(chǎn)生一個信號，由鍵盤電路進行編碼輸入到計算機進行處理。雖然鍵盤在計算機發(fā)展過程中的變化不大，看似平凡，但是老在操作計算機中所扮演的角色是功不可沒的現(xiàn)在不論在外形、接口、內(nèi)部構(gòu)造和外形區(qū)分上均有不同的新設(shè)計。鍵盤上的字符分布是根據(jù)字符的使用頻度確定的。人的十根手指的靈活程度是不一樣的，靈活一點的手指分管使用頻率較高的鍵位，反之，不太靈活的手指分管使用頻率較低的鍵位。鍵盤一分為二，左右手分管兩邊，分別先按在基本鍵上，鍵位的指法分布如圖28所示。2鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器MOUSE簡稱鼠標(biāo)，通常有兩個按鍵和一個滾輪，當(dāng)它在平板上滑動時，屏幕上的鼠標(biāo)指針也跟著移動，“鼠標(biāo)器”正是由此得名。它不僅可用于光標(biāo)定位，還可用來選擇菜單、命令和文件，是多窗口環(huán)境下必不可少的輸入設(shè)備。IBM公司的專利產(chǎn)品TRACKPOINT是專門使用在IBM筆記本電腦上的點擊設(shè)備。它在鍵盤的B鍵和G鍵之間安裝了一個指點桿，上面套以紅色的橡膠帽。它的優(yōu)點是操作鍵盤時手指不必離開鍵盤去操作鼠標(biāo)，而且少了鼠標(biāo)器占用桌面上的位置。常見的鼠標(biāo)有機械鼠標(biāo)、光學(xué)鼠標(biāo)、光學(xué)機械鼠標(biāo)、無線鼠標(biāo)。3其他輸入設(shè)備輸入設(shè)備除了最常用的鍵盤、鼠標(biāo)外，現(xiàn)在輸入設(shè)備已布很多種類，而且越來越接近人類的器官，如掃描儀、條形碼閱讀器、光學(xué)字符閱讀器OPTICALCHARREADER，OCR、觸摸屏、手寫筆、語音輸入設(shè)備麥克風(fēng)和圖像輸入設(shè)備數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等都屬于輸入設(shè)備。參見圖29所示。圖形掃描儀SCANNER是一種圖形、圖像輸入設(shè)備，它可以直接將圖形、圖像、照片或文本輸入計算機中。如果是文本文件，掃描后經(jīng)文字識別軟件進行識別，便可保存文字。利用掃描儀輸入圖片在多媒體計算機中廣泛使用，現(xiàn)已進入家庭。掃描儀通常采用USB接口，支持熱插拔，使用便利。條形碼閱讀器是一種能夠識別條形碼的掃描裝置，連接在計算機上使用。當(dāng)閱讀器從左向右掃描條形碼時，就把不同寬窄的黑白條紋翻譯成相應(yīng)的編碼供計算機使用。許多自選商場和圖書館里都用它來幫助管理商品和圖書。光學(xué)字符閱讀器OCR是一種快速字符閱讀裝置。它用許許多多的光電管排成一個矩陣，當(dāng)光源照射被掃描的一頁文件時，文件中空白的白色部分會反射光線，使光電管產(chǎn)生一定的電壓；而有字的黑色部分則把光線吸收，光電管不產(chǎn)生電壓。這些有、無電壓的信息組合形成一個圖案，并與OCR系統(tǒng)中預(yù)先存儲的模板匹配，若匹配成功就可確認(rèn)該圖案是何字符。有些機器一次可閱讀一整頁的文件，稱為讀頁機，有的則一次只能讀一行。觸摸屏由安裝在顯示器屏幕前面的檢測部件和觸摸屏控制器組成。當(dāng)手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測，并通過接口RS一232串行11或USB接口送到主機。觸摸屏將輸入和輸出集中到一個設(shè)備上，簡化了交互過程。與傳統(tǒng)的鍵盤和鼠標(biāo)輸入方式相比，觸摸屏輸入更直觀。配合識別軟件，觸摸屏還可以實現(xiàn)手寫輸入。它在公共場所或展示、查詢等場合應(yīng)用比較廣泛。缺點一是價格因素，一個性能較好的觸摸屏比一臺主機的價格還要昂貴。二是對環(huán)境有一定要求，抗干擾的能力受限制。三是由于用戶一般使用手指點擊，所以顯示的分辨率不高。觸摸屏有很多種類，按安裝方式可分為外掛式、內(nèi)置式、整體式、投影儀式；按結(jié)構(gòu)和技術(shù)分類可分為紅外技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、表面聲波觸摸屏、壓感觸摸屏、電磁感應(yīng)觸摸屏。語音輸入設(shè)備和手寫筆輸入設(shè)備使?jié)h字輸入變得更為方便、容易，免去了計算機用戶學(xué)習(xí)鍵盤漢字輸入法的煩惱，語音或手寫漢字輸入設(shè)備在經(jīng)過訓(xùn)練后，系統(tǒng)的語言輸入正確率在90以上。但語音或手寫筆漢字輸入設(shè)備的輸入速度還有待提高。光筆LIGHTPEN是專門用來在顯示屏幕上作圖的輸入設(shè)備。配合相應(yīng)的軟件和硬件，可以實現(xiàn)在屏幕上作圖、改圖和圖形放大等操作。將數(shù)字處理和攝影、攝像技術(shù)結(jié)合的數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機能夠?qū)⑺臄z的照片、視頻圖像以數(shù)字文件的形式傳送給計算機，通過專門的處理軟件進行編輯、保存、瀏覽和輸出。215輸出設(shè)備輸出設(shè)備OUTPUTDEVICES把各種計算結(jié)果數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。輸出設(shè)備的主要功能是將計算機處理后的各種內(nèi)部格式的信息轉(zhuǎn)換為人們能識別的形式如文字、圖形、圖像和聲音等表達出來。例如，在紙上打印出印刷符號或在屏幕上顯示字符、圖形等。輸出設(shè)備是人與計算機交互的部件，除常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機外，還有繪圖儀、影像輸出、語音輸出、磁記錄設(shè)備等。1顯示器顯示器也稱監(jiān)視器，是微型計算機中最重要的輸出設(shè)備之一，也是人機交互必不可少的設(shè)備。顯示器用于顯示的信息不再是單一的文本和數(shù)字，可顯示圖形、圖像和視頻等多種不同類型的信息。1顯示器的分類可用于計算機的顯示器有許多種，常用的有陰極射線管顯示器簡稱CRT和液晶顯示器簡稱LCD。CRT顯示器又有球面和純平之分。純平顯示器大大改善了視覺效果，已取代球面CRT顯示器，成為PC的主流顯示器。液晶顯示器為平板式，體積小、重量輕、功耗少、輻射少，現(xiàn)用于移動PC和筆記本電腦及中、高檔臺式機。CRT顯示器的掃描方式有兩種，即逐行掃描和隔行掃描。逐行掃描指的是拾取圖像信號或在重現(xiàn)圖像時，一行緊接一行掃描，其優(yōu)點是圖像細膩、無行間閃爍。隔行掃描指的是先掃描1、3、5、7等奇數(shù)行信號，后掃描2、4、6、8等偶數(shù)行信號，存在行間閃爍。隔行掃描的優(yōu)點是可以用一半的數(shù)據(jù)量實現(xiàn)較高的刷新率。但采用逐行掃描技術(shù)的圖像更清晰、穩(wěn)定，相比之下，長時間觀看眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。2顯示器的主要性能在選擇和使用顯示器時，應(yīng)了解顯示器的主要特性。像素PIXEL與點距PITCH屏幕上圖像的分辨率或清晰度取決于能在屏幕上獨立顯示點的直徑，這種獨立顯示的點稱作像素，屏幕上兩個像素之間的距離叫點距，點距直接影響顯示效果。像素越小，在同一個字符面積下像素數(shù)就越多，則顯示的字符就越清晰。目前微型計算機常見的點距有031MM、028MM、025MM等。點距越小，分辨率就越高，顯示器清晰度越高。分辨率每幀的線數(shù)和每線的點數(shù)的乘積整個屏幕上像素的數(shù)目列行就是顯示器的分辨率，這個乘積數(shù)越大，分辨率就越高，是衡量顯示器的一個常用指標(biāo)。常用的分辨率是640X480256種顏色、1024X768、1280X1024等。如640480的分辨率是指在水平方向上有640個像素，在垂直方向上有480個像素。顯示存儲器簡稱顯存顯存與系統(tǒng)內(nèi)存一樣，顯存越大，可以儲存的圖像數(shù)據(jù)就越多，支持的分辨率與顏色數(shù)也就越高。以下是計算顯存容量與分辨率關(guān)系的公式所需顯存圖形分辨率色彩精度8每個像素需要8位一個字節(jié)，當(dāng)顯示真彩色時，每個像素要用3個字節(jié)。能達到較高分辨率的顯示器的性能較好，顯示的圖像質(zhì)量更高。顯示器的尺寸它以顯示屏的對角線長度來度量。目前主流產(chǎn)品的屏幕尺寸主要以L7英寸和19英寸為主。、3顯示卡微型計算機的顯示系統(tǒng)由顯示器和顯示卡組成，如圖210所示。顯示卡簡稱顯卡或顯示適配器DISPLAYADAPTER。顯示器是通過顯示器接口即顯示卡與主機連接的，所以顯示器必須與顯示卡匹配。不同類型的顯示器要配用不同的顯示卡。顯示卡主要由顯示控制器、顯示存儲器和接口電路組成。顯示卡的作用是在顯示驅(qū)動程序的控制下，負(fù)責(zé)接收CPU輸出的顯示數(shù)據(jù)、按照顯示格式進行變換并存儲在顯存中，再把顯存中的數(shù)據(jù)以顯示器所要求的方式輸出到顯示器。根據(jù)采用的總線標(biāo)準(zhǔn)不同，顯示卡有ISA、VESA、PCI、VGAVIDEOGRAPHICSARRAY兼容卡SVGA和TVGA是兩種較流行的VGA兼容卡、AGPACCELERATEDGRAPHICSPORTER，加速圖形接口卡和PCIEXPRESS等類型，插在擴展槽上。早期微型計算機機中使用的ISA、VESA顯示卡除了在原機器上使用外，在市場上已經(jīng)很少能見到了。AGP在保持了SVGA的顯示特性的基礎(chǔ)上，采用了全新設(shè)計的AGP高速顯示接EL，顯示性能更加優(yōu)良。AGP按傳輸能力有AGP2X、AGP4X、AGP8X。目前PCIEXPRESS接口的顯卡成為替代AGP的主流。2打印機打印機是把文字或圖形在紙上輸出以供閱讀和保存的計算機外部設(shè)備，如圖211所示。一般微型計算機使用的打印機有點陣式打印機、噴墨式打印機和激光打印機三種。1點陣式子印機點陣式打印機主要由打印頭、運載打印頭的小車機構(gòu)、色帶機構(gòu)、輸紙機構(gòu)和控制電路等幾部分組成。打印頭是點陣式打印機的核心部分。點陣式打印機有9針、24針之分，24針打印機可以打印出質(zhì)量較高的漢字，是使用較多的點陣式打印機。點陣式打印機在脈沖電流信號的控制下，由打印針擊打的針點形成字符或漢字的點陣。這類打印機的最大優(yōu)點是耗材包括色帶和打印紙便宜；缺點是依靠機械動作實現(xiàn)印字，打印速度慢，噪聲大，打印質(zhì)量差，字符的輪廓不光滑，有鋸齒形。2噴墨打印機噴墨打印機屬非擊打式打印機。其工作原理是，噴嘴朝著打印紙不斷噴出極細小的帶電的墨水霧點，當(dāng)它們穿過兩個帶電的偏轉(zhuǎn)板時接受控制，然后落在打印紙的指定位置上，形成正確的字符，無機械擊打動作。噴墨打印機的優(yōu)點是設(shè)備價格低廉，打印質(zhì)量高于點陣式打印機，還能彩色打印，無噪聲；缺點是打印速度慢，耗材墨盒貴。3激光打印機激光打印機屬非擊打式打印機，其工作原理與復(fù)印機相似，涉及光學(xué)、電磁、化學(xué)等。簡單地說，它將來自計算機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光，射向一個充有正電的旋轉(zhuǎn)的鼓上。鼓上被照射的部分便帶上負(fù)電，并能吸引帶色粉末。鼓與紙接觸，再把粉末印在紙上，接著在一定壓力和溫度的作用下熔結(jié)在紙的表面。激光打印機的優(yōu)點是無噪聲，打印速度快，打印質(zhì)量最好，常用來打印正式公文及圖表；缺點是設(shè)備價格高、耗材貴，打印成本是三種打印機中最高的。打印機是計算機目前最常用的輸出設(shè)備之一，也是品種、型號最多的輸出設(shè)備之一。3其他輸出設(shè)備在微型計算機上使用的其他輸出設(shè)備有繪圖儀、音頻輸出設(shè)備、視頻投影儀等。繪圖儀有平板繪圖儀和滾動繪圖儀兩類，通常采用“增量法”在X和Y方向產(chǎn)生位移來繪制圖形。視頻投影儀是微型計算機輸出視頻的重要設(shè)備，目前有CRT和LCD投影儀。LCD投影儀具有體積小、重量輕、價格低且色彩豐富的特點。4其他輸入輸出設(shè)備目前，不少設(shè)備同時集成了輸A輸出兩種功能。例如調(diào)制解調(diào)器MODEM，它是數(shù)字信號和模擬信號之間的橋梁。一臺調(diào)制解調(diào)器能將計算機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過電話線傳送到另一臺調(diào)制解調(diào)器上，經(jīng)過解調(diào)，再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機，實現(xiàn)兩臺計算機之間的數(shù)據(jù)通信。又如，光盤刻錄機可作為輸入設(shè)備，將光盤上的數(shù)據(jù)讀入到計算機內(nèi)存，也可作為輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)刻錄到CDR或CDRW光盤。計算機的輸入輸出系統(tǒng)實際上包含輸入輸出設(shè)備和輸入輸出接口兩部分。輸K輸出設(shè)備簡稱IO設(shè)備，也稱為外部設(shè)備，是計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分，是計算機與外部世界進行信息交換的中介，是人與計算機聯(lián)系的橋梁。216計算機的結(jié)構(gòu)計算機硬件系統(tǒng)的五大部件并不是孤立存在的，它們在處理信息的過程中需要相互連接和傳輸。計算機的結(jié)構(gòu)反映了計算機各個組成部件之間的連接方式。1直接連接最早的計算機基本上采用直接連接的方式，運算器、存儲器、控制器和外部設(shè)備等組成部件相互之間基本上都有單獨的連接線路。這樣的結(jié)構(gòu)可以獲得最高的連接速度，但不易擴展。如由馮諾依曼在1952年研制的計算機IAS基本上就采用了直接連接的結(jié)構(gòu)。IAS的結(jié)構(gòu)如圖212所示。IAS是計算機發(fā)展史上最重要的發(fā)明之一，它是世界上第一臺采用二進制的存儲程序計算機，也是第一臺將計算機分成運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等組成部分的計算機，后來把符合這種設(shè)計的計算機稱為馮諾依曼機。IAS是現(xiàn)代計算機的原型，大多數(shù)現(xiàn)代計算機仍采用這樣的設(shè)計。2總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機普遍采用總線結(jié)構(gòu)。所謂總線BUS，就是系統(tǒng)部件之間傳送信息的公共通道，各部件由總線連接并通過它傳遞數(shù)據(jù)和控制信號?？偩€經(jīng)常被比喻為“高速公路”，它包含了運算器、控制器、存儲器和IO部件之間進行信息交換和控制傳遞所需要的全部信號。按照傳輸信號的性質(zhì)劃分，總線一般又分為如下三類1數(shù)據(jù)總線一組用來在存儲器、運算器、控制器和IO部件之間傳輸數(shù)據(jù)信號的公共通路。一方面是用于CPU向主存儲器和IO接口傳送數(shù)據(jù)，另一方面是用于主存儲器和IO接口向CPU傳送數(shù)據(jù)。它是雙向的總線。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是計算機的一個重要指標(biāo)，它體現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的能力，通常與CPU的位數(shù)相對應(yīng)。2地址總線地址總線是CPU向主存儲器和IO接口傳送地址信息的公共通路。地址總線傳送地址信息，地址是識別信息存放位置的編號，地址信息可能是存儲器的地址，也可能是I0接口的地址。它是自CPU向外傳輸?shù)膯蜗蚩偩€。由于地址總線傳輸?shù)刂沸畔?，所以地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存范圍。3控制總線一組用來在存儲器、運算器、控制器和IO部件之間傳輸控制信號的公共通路?？刂瓶偩€是CPU向主存儲器和IO接口發(fā)出命令信號的通道，又是外界向CPU傳送狀態(tài)信息的通道。總線在發(fā)展過程中已逐步標(biāo)準(zhǔn)化，常見的總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA總線、PCI總線、AGP總線和EISA總線等分別簡要介紹如下1ISA是采用16位的總線結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，有一些接口卡就是根據(jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的。2PCI是采用32位的高性能總線結(jié)構(gòu)，可擴展到64位，與ISA總線兼容。目前，高性能微型計算機主板上都設(shè)有PCI總線。該總線標(biāo)準(zhǔn)性能先進、成本較低、可擴充性好，現(xiàn)已成為奔騰級以上計算機普遍采用的外設(shè)接插總線。3AGP總線是隨著三維圖形的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。AGP總線在圖形顯示卡與內(nèi)存之間提供了一條直接的訪問途徑。4EISA總線是對ISA總線的擴展。總線結(jié)構(gòu)是當(dāng)今計算機普遍采用的結(jié)構(gòu)，其特點是結(jié)構(gòu)簡單清晰、易于擴展，尤其是在10接口的擴展能力方面，由于采用了總線結(jié)構(gòu)和IO接口標(biāo)準(zhǔn)，用戶幾乎可以隨心所欲地在計算機中加人新的IO接口卡。圖213是一個基于總線結(jié)構(gòu)的過算機的結(jié)構(gòu)示意圖。為什么外設(shè)一定要通過設(shè)備接口與CPU相連，而不是如同內(nèi)存那樣直接掛在總線上呢這主要有以下幾點原因1由于CPU只能處理數(shù)字信號，而外設(shè)的輸入輸出信號有數(shù)字的，也有模擬的，所以需要由接口設(shè)備進行轉(zhuǎn)換。2由于CPU只能接收發(fā)送并行數(shù)據(jù)，而外設(shè)的數(shù)據(jù)有些是并行的，有些是串行的，所以存在串并信息轉(zhuǎn)換的問題，這也需要接口來實現(xiàn)。3外設(shè)的工作速度遠低于CPU，需要接口在CPU和外設(shè)之間起到緩沖和聯(lián)絡(luò)作用。外設(shè)的工作速度大多是機械級的，而不是電子級的。所以，每個外設(shè)都要通過接口與主機系統(tǒng)相連。接口技術(shù)就是專門研究CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞方式的技術(shù)?？偩€體現(xiàn)在硬件上就是計算機主板MAINBOARD，它也是配置計算機時的主要硬件之一。主板上配有插CPU、內(nèi)存條、顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡、鼠標(biāo)器和鍵盤等的各類擴展槽或接口，而光盤驅(qū)動器和硬盤驅(qū)動器則通過扁纜與主板相連。主板的主要指標(biāo)是所用芯片組工作的穩(wěn)定性和速度、提供插槽的種類和數(shù)量等。在計算機維修中，人們把CPU、主板、內(nèi)存、顯卡加上電源所組成的系統(tǒng)叫最小化系統(tǒng)。在檢修中，經(jīng)常用到最小化系統(tǒng)，一臺計算機性能的好壞就是由最小化系統(tǒng)加上硬盤所決定的。最小化系統(tǒng)工作正常后，就可以在顯示器上看到一些提示信息，然后就可以對以后的工作進行操作。22計算機的軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是為運行、管理和維護計算機而編制的各種程序、數(shù)據(jù)和文檔的總稱。計算機系統(tǒng)由硬件HARDWARE系統(tǒng)和軟件SOFTWARE系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)也稱為裸機，裸機只能識別由0和1組成的機器代碼。沒有軟件系統(tǒng)的計算機是無法工作的，它只是一臺機器而已。實際上，用戶所面對的是經(jīng)過若干層軟件“包裝”的計算機，計算機的功能不僅僅取決于硬件系統(tǒng)，在更大程度上是由所安裝的軟件系統(tǒng)決定的。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)互相依賴，不可分割。圖214示出了計算機硬件、軟件與用戶之間的關(guān)系，是一種層次結(jié)構(gòu)，其中硬件處于內(nèi)層，用戶在最外層，而軟件則是在硬件與用戶之間，用戶通過軟件使用計算機的硬件。本節(jié)介紹軟件系統(tǒng)的相關(guān)概念和組成。221軟件概念軟件是計算機的靈魂，沒有軟件的計算機毫無用處。軟件是用戶與硬件之間的接口，用戶通過軟件使用計算機硬件資源。1程序程序是按照一定順序執(zhí)行的、能夠完成某一任務(wù)的指令集合。計算機的運行要有時有序、按部就班，需要程序控制計算機的工作流程，實現(xiàn)一定的邏輯功能，完成特定的設(shè)計任務(wù)。PASCAL之父、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的先驅(qū)NIKLAUSWIRTH對程序有更深層地剖析，他認(rèn)為“程序算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。其中，算法是解決問題的方法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)的組織形式。人在解決問題時一般分為分析問題、設(shè)計方法和求出結(jié)果三個步驟。相應(yīng)地，計算機解題也要完成模型抽象、算法分析和程序編寫三個過程。不同的是計算機所研究的對象僅限于它能識別和處理的數(shù)據(jù)。因此，算法和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)直接影響計算機解決問題的正確性和高效性。2程序設(shè)計語言日常生活中，人與人之間交流思想一般是通過語言進行的，人類所使用的語言一般稱為自戶輸入的數(shù)字顯示出來。這樣的程序比匯編語言好理解。INCLUDEMAININTNUMBER；PRINTF”INPUTANUMBER”；SCANFNUMBER；PRINTF”THENUMBERISDN”，NUMBER；很顯然，用高級語言編寫的源程序在計算機中是不能直接執(zhí)行的，必須翻譯成機器語言程序。通常有兩種翻譯方式編譯方式和解釋方式。編譯方式是將高級語言源程序整個編譯成目標(biāo)程序，然后通過鏈接程序?qū)⒛繕?biāo)程序鏈接成可執(zhí)行程序的方式。將高級語言源程序翻譯成目標(biāo)程序的軟件稱為編譯程序，這種翻譯過程稱為編譯。編譯過程經(jīng)過詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等六個環(huán)節(jié)，才能生成對應(yīng)的目標(biāo)程序，目標(biāo)程序還不能直接執(zhí)行，還需經(jīng)過鏈接和定位生成可執(zhí)行程序后才能執(zhí)行。編譯過程如圖216所示。然語言，自然語言是由字、詞、句、段、篇等構(gòu)成。而人與計算機之間的“溝通”，或者說人們讓計算機完成某項任務(wù)，也需用一種語言，這就是計算機語言，也稱為程序設(shè)計語言，它由單詞、語句、函數(shù)和程序文件等組成。程序設(shè)計語言是軟件的基礎(chǔ)和組成。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機所使用的“語言”也在快速地發(fā)展，并形成了體系。1機器語言在計算機中，指揮計算機完成某個基本操作的命令稱為指令。所有指令的集合稱為指令系統(tǒng)，直接用二進制代碼表示指令系統(tǒng)的語言稱為機器語言。機器語言是直接用二進制代碼指令表達的計算機語言。機器語言是唯一能被計算機硬件系統(tǒng)理解和執(zhí)行的語言。因此，它的處理效率最高，執(zhí)行速度最快，且無需“翻譯”。但機器語言的編寫、調(diào)試、修改、移植和維護都非常繁瑣，程序員要記憶幾百條二進制指令，這限制了計算機軟件的發(fā)展。2匯編語言為了克服機器語言的缺點，人們想到直接使用英文單詞或縮寫代替晦澀難懂的二進制代碼進行編程，從而出現(xiàn)了匯編語言。匯編語言是一種把機器語言“符號化”的語言。它和機器語言的實質(zhì)相同，都直接對硬件操作，但匯編語言使用助記符描述程序，例如，ADD表示加法指令，MOV表示傳送指令等。匯編語言指令和機器語言指令基本是一一對應(yīng)的。相對機器指令，匯編指令更容易掌握。但計算機無法自動識別和執(zhí)行匯編語言，必須進行翻譯，即使用語言處理軟件將匯編語言編譯成機器語言目標(biāo)程序，再鏈接成可執(zhí)行程序在計算機中執(zhí)行。匯編語言的翻譯過程如圖215所示3高級諾言匯編語言雖然比機器語言前進了一步，但使用起來仍然很不方便，編程仍然是一種極其煩瑣的工作，而且匯編語言的通用性差。人們在繼續(xù)尋找一種更加方便的編程語言，于是出現(xiàn)了高級語言。高級語言是最接近人類自然語言和數(shù)學(xué)公式的程序設(shè)計語言，它基本脫離了硬件系統(tǒng)，如PASCAL語言中采用“WRITE”和“READ”表示寫入和讀出操作，采用“”、“99、“”、“”表示加、減、乘和除。目前常用的高級語言有C、C、JAVA、VISUALBASIC等。下面是一個簡單的C語言程序。該程序提示用戶從鍵盤輸入一個整數(shù)，然后在屏幕上將用在戶輸入的數(shù)字顯示出來。這樣的程序比匯編語言好理解。INCLUDEMAININTNUMBER；PRINTF”INPUTANUMBER”；SCANFNUMBER；PRINTF”THENUMBERISDN”，NUMBER；很顯然，用高級語言編寫的源程序在計算機中是不能直接執(zhí)行的，必須翻譯成機器語言程序。通常有兩種翻譯方式編譯方式和解釋方式。編譯方式是將高級語言源程序整個編譯成目標(biāo)程序，然后通過鏈接程序?qū)⒛繕?biāo)程序鏈接成可執(zhí)行程序的方式。將高級語言源程序翻譯成目標(biāo)程序的軟件稱為編譯程序，這種翻譯過程稱為編譯。編譯過程經(jīng)過詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等六個環(huán)節(jié)，才能生成對應(yīng)的目標(biāo)程序，目標(biāo)程序還不能直接執(zhí)行，還需經(jīng)過鏈接和定位生成可執(zhí)行程序后才能執(zhí)行。編譯過程如圖216所示。解釋方式是將源程序逐句翻譯、逐句執(zhí)行的方式，解釋過程不產(chǎn)生目標(biāo)程序，基本上是翻譯一行執(zhí)行一行，邊翻譯邊執(zhí)行。如果在解釋過程中發(fā)現(xiàn)錯誤就給出錯誤信息，并停止解釋和執(zhí)行，如果沒有錯誤就解釋執(zhí)行到最后。常見的解釋型語言有BASIC語言。無論是編譯程序還是解釋程序，其作用都是將高級語言編寫的源程序翻譯成計算機可以識別和執(zhí)行的機器指令。它們的區(qū)別在于編譯方式是將源程序經(jīng)編譯、鏈接得到可執(zhí)行程序文件后，就可脫離源程序和編譯程序而單獨執(zhí)行，所以編譯方式的效率高，執(zhí)行速度快。而解釋方式在執(zhí)行時，源程序和解釋程序必須同時參與才能運行，由于不產(chǎn)生目標(biāo)文件和可執(zhí)行程序文件，解釋方式的效率相對較低，執(zhí)行速度慢。222軟件系統(tǒng)及其組成計算機軟件分為系統(tǒng)軟件SYSTEMSOFTWARE和應(yīng)用軟件APPLICATIONSOFTWARE兩大類，如圖217所示。1系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)計算機及外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運行的軟件。系統(tǒng)軟件的主要功能是調(diào)度、監(jiān)控和維護計算機系統(tǒng)；負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)中各獨立硬件，使得它們協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使得底層硬件對計算機用戶是透明的，用戶在使用計算機時無需了解硬件的工作過程。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)OPERATINGSYSTEM，OS、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和系統(tǒng)輔助處理程序等。其中最主要的是操作系統(tǒng)，它提供了一個軟件運行的環(huán)境，如在微型計算機中使用最為廣泛的微軟公司的WINDOWS系統(tǒng)。圖214所示的操作系統(tǒng)處在計算機系統(tǒng)中的核心位置，它可以直接支持用戶使用計算機硬件，也支持用戶通過應(yīng)用軟件使用計算機。如果用戶需要使用系統(tǒng)軟件，如語言處理系統(tǒng)和工具軟件，也要通過操作系統(tǒng)提供支持。系統(tǒng)軟件是軟件的基礎(chǔ)，所有應(yīng)用軟件都是在系統(tǒng)軟件上運行。系統(tǒng)軟件主要分為以下幾類1操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件中最重要且最基本的是操作系統(tǒng)。它是最底層的軟件，它控制