第1章 计算机基本知识

30

2

3

1

1

5

2

1

二进制数基

十进制数

余数

2

…

1

2

…

1

2

…

1

2

…

0

2

…

1

0

从下往上读

计算机文化基础

31

第1章 计算机基础知识

第1章 计算机基础知识

本章内容要点：

通过本章的学习应能了解计算机的发展过程、应用领域以及计算机的主要特征和未来发展趋势、数据化信息编码的概念与计算机的体系结构；掌握数据在计算机中的存储形式以及不同数制之间的相互转化、计算机系统组成的基本概念及基础知识；理解计算机的基本工作原理。

1.1 概 述

计算机（Computer）是二十世纪最重要的发明之一，是科学技术和生产力的结晶，如今它已迅速应用于社会各个领域。掌握计算机基础知识和应用技术已成为高等技术人员所不可缺少的基本素质之一，因此对计算机基础文化知识的理解和掌握、计算机基础应用能力的培养，已成为当代大学生知识结构的重要组成部分。

1.1.1 计算机及其分类

计算机的分类方法很多，常见的有以下三种：

（1）从工作原理上来划分，可分为模拟计算机和数字计算机两大类。模拟计算机是通过电流、电压等连续变化的物理量来进行计算的，适用于过程的控制和模拟，其特点是运行速度快，而且输出为连续量，容易与实物相接近，抗干扰能力强，但缺点是运算精确度低，信息存储较难。

数字计算机以数字电路为基础，用离散的数值“0”、“1”来表示所有的信息，因而它具有运算速度快、精确度高、通用性强等特点。

（2）从用途上来划分，可分为通用计算机和专用计算机两大类。通用计算机用途广泛，它通过执行预先编制好的程序来完成指定的任务，程序内容不同，完成的任务也不一样，因而可用于科学计算、数据处理、事务管理、自动控制等。

专用计算机是为完成某一特定任务而设计的计算机，这种计算机用途单一、结构简单、工作效率较高。

（3）从系统规模的大小和功能的强弱上来划分，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等。

目前国际上沿用的计算机分类方法是根据美国电气和电子工程协会（IEEE）的一个委员会于1989年11月提出的标准来划分的，它把计算机划分为巨型机、小巨型机、大型主机、小型机、工作站和个人计算机6类。

通常所说的微型计算机指的就是个人计算机，简称PC（Personal Computer）机，它是20世纪70年代出现的新机种，其核心是微处理器（Micro Processing Unit，简称MPU）或中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），它把运算器和控制器集成在一个芯片上。由于这种计算机具有采用了高性能的微处理器、软件丰富、功能齐全、价格便宜等特点，最终被广大用户所接纳，大大推动了计算机的普及和发展。

随着计算机技术与应用的发展，IT（Information Technology，信息技术）产业中，除PC外，还出现了IA（Information Appliance，信息应用）类新产品。IA是PC发展到一定阶段的产物，它的出现将扩大信息类新产品的应用范围。IA包括网络电视、视频电话、网络智能掌上设备、消费类网络终端、网络游戏设备等。

1.1.2 计算机的主要特征

计算机是一种能够通过预先存储的程序，自动、高效、精确地对各种信息进行加工、存储、传送的电子设备，由于它在某种程度上延伸了人脑的功能，因此常被人称为电脑。其主要特征有以下几个方面：

（1）算速度快。目前，一般微型计算机的运算速度已达到每秒几十万次乃至上亿次，一些先进的巨型机的运算速度已达到每秒几千亿次。随着科学技术的发展，计算机的运算速度还会越来越快，它为人们赢得了时间，使许多极复杂的科学问题得以解决。

（2）运算精确度高。计算机计算的精度是其他计算工具无法相比的，其精确度取决于计算机的字长。计算机的字长越长，数的表示范围就越大，有效数字的位数就越多，数的精度就越高。由于计算机的有效数字可以精确到几十位，甚至上百位，因此可以用于科学计算。

（3）具有记忆和逻辑判断功能。计算机的记忆能力是通过存储器系统来实现的。计算机可以存储程序，也可以存储原始数据、运算过程中的中间结果以及最后结果。计算机不仅能进行算术运算，还可以进行逻辑运算，即可以对数据信息进行判断、比较，进行各种逻辑推理和证明，根据判断结果决定后续命令的执行，这就使计算机具有智能的特点。

（4）具有自动、连续运行的能力。计算机能够自动、连续地执行事先编制好的程序，并按要求输出完整的计算结果，这是它与其他计算工具的本质区别，也是它最突出的优点之一。

1.1.3 计算机的发展与应用

1946年1月，世界上公认的第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为“电子数值积分器和计算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator）”，简称埃尼亚克（ENIAC）。这台计算机占地167m2 ，重达30余吨，运算速度只有5000次/秒。50多年来，计算机技术的发展突飞猛进，目前Pentium系列的微型计算机运算速度已超过每秒上亿次。根据计算机所使用的主要元器件来分，计算机的发展经历了4个阶段：

（1）第一代计算机——电子管计算机（1946 年～1957 年）。其基本器件是电子管，这个时期计算机的特点是：体积庞大，运算速度慢，可靠性差，耗电量大且维修困难。

（2）第二代计算机——晶体管计算机（1958 年～1964 年）。其电子元件主要是半导体晶体管，相对于第一代计算机而言，其特点是：体积减小，重量减轻，能耗减少，运算速度加快，可靠性增强。

（3）第三代计算机——中、小规模集成电路计算机（1965 年～1970 年）。这个时期的计算机采用中、小规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算速度、可靠性等进一步增加。

（4）第四代计算机——大规模和超大规模集成电路计算机（1971 年至今）。这个时期的计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算机进一步下降，运算速度和可靠性等方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。

计算机未来的主要发展方向为多极化、网络化、多媒体和智能化，具体含义如下：

（1）多极化：微型机以它的体积小、功能全、价格低、可靠性高等特点，渗透到社会各个领域中。巨型计算机则以它高速度、大容量、功能强等特点，在天文、气象及航天等尖端科学以及探索新兴科学时发挥巨大的作用。其他不同类型的计算机，都各自有自己的适用领域，形成了多极化的计算机家族。

（2）网络化：计算机网络是计算机技术与通讯技术相结合的产物，它将分布在不同地点的多台计算机通过通信线路相互连接起来，以达到资源共享的目的。目前，世界上最大的计算机网络是因特网（Internet）。

（3）多媒体：多媒体技术是将计算机系统与图形、图像、声音、视频等多种信息媒体结合于一体进行处理的技术。多媒体时代的来临，为人们提供了一个多姿多彩的视听世界。多媒体技术的应用是20世纪90年代计算机的时代特征，是20世纪90年代计算机的又一次革命。

（4）智能化：即第五代计算机，新一代计算机目前还处于研制阶段，其主体将是神经网 络计算机，线路结构模拟人脑的神经元，采用新的元器件（新材料、新工艺），具有智能接口，能进行逻辑推理和完成判断、决策任务，并且有一定的自学习能力。

目前，计算机的应用非常广，已渗透到社会的各个领域，从科研、生产、学习到家电的使用，都涉及到计算机技术。计算机的应用主要表现在以下几个方面：

（1）数值计算。数值计算是计算机的一个传统应用领域，也是应用最早、最重要的一个应用领域。发明计算机的最基本目的就是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的计算，目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。

（2）信息处理。信息处理是指计算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种管理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件管理。

（3）过程控制。生产过程的自动控制，是计算机应用中的另一广泛领域，即由计算机进行数据搜索、采集，实现自动检测、自动调节和自动控制，其特点是精确度高、速度快、反应灵敏。典型的应用领域有：生产过程控制、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等。

（4）计算机辅助系统。计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造等。

计算机辅助设计CAD（Computer-Aided Design）是利用计算机帮助各类设计人员进行设计的技术，它可以取代传统的图纸设计，加快设计速度，提高设计的精度和质量，在建筑工程、机械部件、家电产品和服装等设计领域应用非常广泛。

计算机辅助教育CBE（Computer-Based Education）包括计算机辅助教学CAI，计算机辅助测试CAT，计算机管理教学CMI。其中CAI是通过人机交互方式帮助学生自学，代替教师提供丰富的教学资料并进行各种问答式教学，改变了过去传统的教学模式，使教学内容生动形象、图文并茂。CAT是利用计算机进行模拟实验、自我测评等，帮助学生了解实验的过程，分析学习过程中的不足。随着多媒体技术和网络技术的发展与应用，远程教学和网上学习已越来越普及，为学习者提供了更多、更便利的学习方式。

计算机辅助制造CAM（Computer-Aided Manufacturing）是利用计算机控制生产过程，即用计算机进行生产设备的管理、控制和操作，它能提高产品质量、降低成本、缩短生产周期，对经济的发展起着重要的作用。

（5）计算机通讯与网络。计算机通过网络互连，可以实现计算机之间的硬件、软件资源的共享，促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理。随着国际互联网的发展，计算机通信的应用已达到前所未有的境界。其中电子商务是指在Internet上进行的商务交易，它涉及企业和个人的各种形式的基于数字化信息处理和传输的商业活动。

（6）人工智能。人工智能（AI）是计算机应用发展的又一个前沿方向，它的主要目的是用计算机来模拟人类的某些智能活动，使其具有“学习”、“适应能力”、“推理”等功能，在一定程度上具有“思维”能力。AI的应用主要包括：模式识别、专家系统、机器人、智能检索等。

总之，计算机的应用已非常普及，尤其是网络技术的发展，使得计算机的应用产生了许多新理念，引起了人类社会从经济基础到上层建筑、从生产方式到生活方式的深刻变革。

1.2 数据化信息编码与数据表示

1.2.1 数制概念及数制间的转化

1．数制概念

我们日常生活中使用的是十进制数制，它是由0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十个数字符号组成，计算时逢十进一。而在计算机内部，各种信息都是以二进制形式表示的，设计和研究计算机时通常又习惯使用十六进制数和八进制数。表1-1给出了这三种数制对应关系的对照表。

从表1-1中可以看出，不同的数制使用不同的数码符号：十进制的10个数码符号是0～9；二进制的2个数码符号是0、1；八进制的8个数码符号是0～7；十六进制的16个数码符号是0～F。不同数制的进位规则不同：十进制是逢十进一；二进制是逢二进一；八进制是逢八进一；十六进制是逢十六进一。不同的数制的基值不同：十进制的基值是10；二进制的基值是2；八进制的基值是8；十六进制的基值是16。若用R表示某进制的基值，用an，an-1，……，a1，a0表示组成该进制数N的数字，则该数可表示成下面通式：

(N)R =an*Rn +an-1*Rn-1+…+ a1*R1 +a0*R0+a-1*R-1 +a-2*R-2+…

例如，一个十进制数2436.57可以表示成如下形式：

(2436.57)10 =2×103+4×102+3×101+6×100+5×10-1+7×10-2

其中的10表示十进制数的基，10k是从个位起自右向左第k+1位的权重，它表示该位数字在数值中的权值。10-m从小数点后起,自左向右第m位的权重，它表示该位数字在数值中的权值。

又如，一个二进制数1101.101可以表示成如下形式：

(1101.101)2 =1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋0×2-2＋1×2-3

同样其中的2表示数制的基，下标2表示是二进制数，2k是自右向左第k+1位的权重，它表示该位数字在数值中的权值。

表1-1 三种数制对照表

十进制

二进制

八进制

十六进制

十进制

二进制

八进制

十六进制

0

1

2

3

4

5

6

7

7

0

1

10

11

100

101

110

111

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

10

11

1213

14

15

16

17

8

9

A

B

C

D

E

F

2．数制的相互转化

（1）十进制数转化为二进制数、八进制数、十六进制数 将十进制整数转化为其他进制整数，可以采用“短除法”，即用基值去除十进制数，直到商为0为止。所得到的余数从下往上读，便得到其他进制的数。如十进制数23转化为二进制数为：

所以十进制数23转化成二进制数为10111，通常写为：(23)10 = (10111)2

类似地，十进制数153转化为八进制数：

8

1 5 3

…

1

8

1 9

¡

3

8

2

¡

2

0

´ÓÏÂÍùÉ϶Á

所以，(153)10 = (231)8

十进制数286转化为十六进制数：

16

2 8

6

…

E

16

1

7

…

1

16

1

¡

1

0

´ÓÏÂÍùÉ϶Á

所以，(286)10 = (11E)16

将十进制小数转化为其他进制对应的小数，可采用“乘基数取整数”法，即将十进制小数乘以2（或8，或16），直到小数部分为0或满足精度要求为止。然后自上而下取整数部分。

如十进制数0.245，转化为二进制小数：

0.245

× 2

0) .490

× 2

0) .980

× 2

1) .960

所以， (0.245)10 ≈ (0.001)2

类似地，十进制数0.245转化为八进制小数：

0.245

× 8

1) .960

× 8

7) .680

× 8

5) .440

所以，(0.245)10 ≈ (0.175)8

由上述的数值转换过程可知:

(23.245)10 ≈ (10111.001)2

(23.245)10 ≈ (231. 175)8

注意:十进制小数部分有可能无法转换为完全等值的其它进制的小数。

（2）二进制、八进制、十六进制转化为十进制数 将其他进制的数转化为十进制数，采用“按权展开，相加求和”的方法，即用多项式展开，然后逐项累加。如二进制数110101转化为十进制数：

(110101)= 1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×20

同样八进制数62转化为十进制数：

(62)8=6×81+2×80=48+2=(50)10

十六进制数2EA转化为十进制数：

(2EA)16 =2×162 +14×161 +10×160 =512+224+10= (746)10

（3）二进制与八进制之间的相互转化

由于23=8，因此二进制与八进制之间的相互转化采用“三位一组”的原则，即整数部分从右往左(小数部分从左向右)每三位（不足三位补0）二进制数转化成一位八进制数，同样，每一位八进制数转化为三位二进制数。

如二进制数1011010.1011转化为八进制数为：

001011010. 101 100（不足三位补 0）

1 3 2 5 4

所以，(1011010.1011) 2 = (132.54)8

而八进制数472.36转化为二进制数为：

472 . 3 6

100 111 010 011 110

所以，(472.36)8 = (100111010. 011110) 2

（4）二进制与十六进制之间的相互转化

由于24=16，因此二进制与十六进制之间的相互转化采用“四位一组”的原则，即整数部分从右往左(小数部分从左向右)每四位(不足四位补0)二进制数转化成一位十六进制数，同样，每一位十六进制数转化为四位二进制数。如二进制数1001101110.101转化为十六进制数：

0010

0110

1110

1010（不足四位补 0）

2 6 E A

所以，(1001101110) 2 = (26E.A)16

而十六进制数1A4.28转化为二进制数为：

1

A

4

2

8

0001 1010 0100 0010 1000

所以，(1A4.28)16 = (110100100. 00101000)2= (110100100. 00101)2

1.2.2 计算机中的编码

1．数据的单位

在计算机中常用到的基本数据单位有位、字节、字三种。

（1）位（bit）

位又称比特，是计算机中表示信息的最小信息单位，1bit表示一位二进制数，它可能是1，也可能是0。

（2）字节（Byte）

字节是计算机存储信息的最基本信息单位，也是信息数据的基本单位，1Byte（通常简记1B）用8位二进制数表示，共能表示28=256种不同的状态。下面是常用的一些字节单位：

1KB（千字节）=210B=1024B

1MB（兆字节）=210KB

1GB（吉字节）=210MB

1TB（提字节）=210GB

（3）字（Word）

一个字由若干个字节组成，用于表示数据或信息的长度。有的计算机上规定一个字为8个二进制位，有的规定为16个二进制位，具体字长度取决于CPU的数据寄存器二进制位数。一般来说字的长度越长，计算机的性能也就越好。

2．数据的表示

计算机中处理的数据都是以二进制形式表示的，以字节的形式存放的。以一个字节（8个二进制位）为例，规定最高（最左边）位为符号位（通常0表示正数，1表示负数）)，其余为数值位，这种存储在计算机里且符号被数值化的数，称为机器数。机器数的编码（即机器数的表示）有三种形式：原码、反码和补码。正数的三种编码与该数的二进制形式一致，而负数的三种编码的最高位都是1，原码的数值位则与该数的绝对值的二进制形式一致，反码的数值位则是该数的绝对值二进制形式再按位取反（0变1，1变0）；补码的数值位则是该数的绝对值二进制形式再按位取反后加1。如-2的三种编码表示形式是：

原码为 10000010，反码为 11111101，补码为 11111110。

当计算机处理减法运算时，把减号连同其后的数一起作为负数，用补码“做加法”运算。

例如：十进制运算6-2=6+（-2）=4，使用补码运算时，由于6的补码为00000110，-2的补码为 11111110，所以运算式为：

00000110

＋ 11111110

100000100

运算结果超过8位，产生溢出，忽略不记，字节中有效数码为00000100，即十进制数4，因此运算结果为+4。

1.2.3 信息的编码

计算机中，把一些常用的字母、符号、数字和文字等非数值信息用规定的代码表示，这一过程称为计算机信息编码，使用二进制数表示的文字和符号称为二进制编码。当我们输入字符“B”时，计算机接收到的是字符“B”的二进制编码“01000010”，并对其进行存储，显示时，又将“01000010”转化为字符“B”。计算机只有采用统一的编码方案，才能便于进行信息的存储、处理和传送。

计算机常用的文字编码有字符编码（ASCII）和汉字编码两种。

（1）字符编码（ASCII码）

ASCII码即美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange）),目前已成为国际通用的信息交换标准代码。ASCII码有7位码和8位码两种形式，为了和国际标准兼容，我国据此制定了国家标准即GB1988。GB1988中每个字符用一个7位二进制数表示，由于27=128，所以可以表示128个不同的字符，在计算机内通常用一个字节来存储，其最高位（即最左边）恒为0。ASCII码如表1-2所示。

表1-2 7位ASCII码表

ASCII值

字 符

控制字符

ASCII值

字 符

控制字符

000

NUL

016

►

DLE

001

(

SOH

017

◄

DC1

002

☻

STX

018

(

DC2

003

(

ETX

019

DC3

004

(

EOT

020

¶

DC4

005

(

END

021

§

NAK

006

(

ACK

022

▂

SYN

007

(

BEL

023

(

ETB

008

(

BS

024

↑

CAN

009

(

HT

025

↓

EM

续表

010

LF

026

→

SUB

011

♀

VT

027

←

ESC

012

♂

FF

028

└

FS

013

♪

CR

029

GS

014

♫

SO

030

▲

RS

015

(

SI

031

▼

US

续表1

ASCII值

字 符

ASCII

字 符

032

Space

048

0

033

!

049

1

034

"

050

2

035

#

051

3

036

$

052

4

037

%

053

5

038

&

054

6

039

'

055

7

040

(

056

8

041

)

057

9

042

*

058

:

043

+

059

;

044

,

060

<

045

-

061

=

046

.

062

>

047

/

063

?

064

@

096

`

065

A

097

a

066

B

098

b

067

C

099

c

068

D

100

d

069

E

101

e

070

F

102

f

071

G

103

g

072

H

104

h

073

I

105

i

续表2

074

J

106

j

075

K

107

k

076

L

108

l

077

M

109

m

078

N

110

n

079

O

111

o

080

P

112

p

081

Q

113

q

082

R

114

r

083

S

115

s

084

T

116

t

085

U

117

u

086

V

118

v

087

W

119

w

088

X

120

x

089

Y

121

y

090

Z

122

z

091

[

123

{

092

\

124

|

093

]

125

}

094

^

126

~

095

_

127

⌂

（2）汉字编码

汉字具有特殊性，在汉字的输入、输出、存储和处理过程中所采用的汉字代码不同。汉字编码分为内码和外码。内码是指计算机系统存储、处理汉字信息时所用的代码。外码是指用于汉字输入的输入码，此外还有用于汉字显示的字模点阵码、用于汉字打印输出的字形码以及用于在汉字字库中查找汉字字模的地址码。

国家标准汉字编码简称国标码，其标准为GB2312-80。国标码以ASCII码的94个字符为基础，规定每个字符由一个2字节代码组成，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；第一个字节称为“区”，第二个字节称为“位”，因此国标码最多可组成94区×94位，共8836个汉字。

目前GB2312-80共收录了基本汉字和图形符号7445个，分为两级。一级汉字3755个，按汉语拼音字母排列；二级汉字3008个，按部首排列，非汉字字符682个。

一个汉字所在的区号与位号简单地组合在一起就构成了该汉字的另一种外码——“区位码”，“区位码”也是用高低两个字节来表示的，高字节表示汉字所在的区号，低字节表示汉字所在的位号。如汉字“啊”在GB2312-80中所在的位置是16区的第1位，则它的区位码就是1601。

在计算机内部传输、存储、处理的汉字编码称为汉字机内码。为了实现中、西文兼容，通常利用字节的最高位来区分某个码值是代表汉字或ASCII码字符。具体方法是，若最高位上是“1”，则认为该码值是汉字编码；若最高位上是“0”，则认为该码值是ASCII码字符，因此将国标码的2个字节上的最高位“0”改成“1”，就形成了汉字机内码。

在西文状态下，想输入什么字符便可在键盘上按该键，输入码与机内码总是一致，而汉字输入则不同，如现在要输入汉字“啊”字，键盘上并没有“啊”字按键，若采用“拼音输入法”，则需要在键盘上按下“a”键，这里的“a”便是“啊”字的输入码，显然汉字的输入码与汉字的机内码是不一样的。由此可见，根据所采用的汉字输入法不同，汉字的输入码也不一样。常用的汉字输入码有区位码、拼音码、五笔字型码、自然码等。在需要输出一个汉字——打印或显示时，则首先根据该汉字的国标码或内码找出其点阵信息在汉字库中的位置，取出该汉字的点阵信息，然后将该汉字在屏幕上显示或在打印机上输出。

1.3 计算机系统的组成

1.3.1 概 述

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机运行程序时，既需要必备的硬件设备，也需要一定的软件环境支持。所谓的硬件系统是看得见、摸得着的固体，通常包括主机、输入/输出设备、电源等，其外观结构如图1-1所示。所谓的软件系统是使计算机系统能够正常运行的程序，它是看不见、摸不着的东西。整个系统的构成如图1-2所示。软件系统层次图如图1-3所示，其中与裸机直接联系的是操作系统，它直接控制和管理计算机硬件部分，使它们能够协调工作，完成计算机的各项功能。

主机箱

显示器

音箱

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图1-1

计算机系统

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图1-3

1.3.2 计算机基本工作原理

计算机基本工作原理是程序存储及程序控制原理，这一原理是由冯·诺依曼等人在论文《关于电子计算机逻辑设计的初步讨论》中提出并论证的。即对所要解决的问题进行分析、编程，并以二进制代码的形式存储在计算机的内存中（这些二进制代码即称为指令），然后中央处理机（CPU）从内存中读取每条指令、分析指令、执行指令，这样计算机就按照程序的要求完成了工作。

（1）指令

我们先通过下面的一个简单的例子看看计算机是如何进行工作的。

假设两个整数已存放在内存单元中，如要做这两数相加的运算，则运算过程可分为以下几步：

第一步：取第一个整数放入运算器中；第二步：取第二个整数放入运算器中；第三步：两个数做加法；第四步：把运算器中的结果送入内存指定的单元存储起来；第五步：运算结束。

上述例子中的取操作、加操作、存储操作等都是计算机执行的基本操作，用命令的形式写出这些基本操作就是指令(Instruction)。因此所谓的指令是计算机能够识别并可执行的一个基本操作命令，由这些基本的操作命令组成的集合称为是指令系统(Instruction Set)。每个指令都有一定的格式，其最基本的两个部分是操作码和操作数，操作码用来表示计算机应该执行什么性质的操作，即表示计算机遇到该指令时干什么事；操作数是操作对象，即数据或其存放的地址，是操作动作的承受者。

最常见的指令格式为：

操 作 码

操 作 数

一个指令的执行时间称为一个指令周期，它至少包括两部分：取指令周期和执行指令周期。指令的执行过程：先将要执行的指令从内存读到CPU里，然后由CPU对所读入的指令进 行分析，判断该指令是要完成什么操作，最后向相关部件发出完成该操作的控制信号，从而完成该指令的功能。

（2）程序

所谓的程序是指令的有序组合，即用计算机能够读懂的“语言”（即指令集合）进行解题，而解决问题的过程就是指令的有序组合过程，也称程序设计过程。要使计算机能够按照我们的要求去解决问题，就必须告诉计算机“该做些什么”和“如何去做”，即通过我们对问题的分析、判断，找出解决问题的数学模型和解题方法，然后用计算机能够理解的“语言”（即指令）把解题过程描述出来，写成一系列的指令形式，我们把这一系列的指令序列称之为程序（Program），这个过程称之为程序设计，也称编程。

程序的执行过程：当程序输入到计算机里并让该程序运行时，计算机按照一定的次序依次取出指令并根据指令的要求进行运算（即执行程序中的指令），这个过程就是程序执行过程。

综上所述，要想让计算机能够解决问题，首先必须根据问题的性质、问题的大小编制出相应的程序，并提供必要的数据，和程序一起放到计算机中保存起来。计算机中的CPU将在程序的控制下自动运行，这表明计算机必须先存储程序，才能在其控制下自动地工作，这就是程序存储和程序控制原理。

1.3.3 计算机软件系统

所谓的软件系统是指计算机正常运行时所必须的各种程序和数据，是为了运行、维护、管理、应用计算机所编制的“看不见”、“摸不着”的程序集合。软件发展的目的是为了扩展计算机的功能，为解决各种问题而编制的源程序，向用户提供更加简单、方便、可靠的手段。软件是建立在硬件基础上的，没有硬件的物质支持，软件就无法生根，也就谈不上所谓的软件功能。没有装软件的机器称为“裸机”，而“裸机”是无法工作的，因此只有将硬件系统和软件系统有机地组合在一起，形成一个完整的计算机系统，才能使计算机正常运转，发挥出其特点。

软件系统一般分为系统软件和应用软件两类。

1．系统软件

系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备工作、支持应用软件的开发和运行的软件。其作用是对计算机系统进行调度、管理、监控和服务，扩展计算机的功能，提高使用效率，给使用计算机的用户提供方便。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性软件等。

（1）操作系统（Operating System）

操作系统是计算机软件系统中的最重要的一种系统软件，是所有软件、硬件资源的协调者和管理者。任何一台计算机必须配备操作系统以后才能进行正常的工作，发挥计算机的功效。

操作系统的主要任务就是控制和管理计算机的所有资源，合理地组织计算机的工作流程，使用户充分、有效地利用计算机的资源，同时，通过操作系统，将应用软件和计算机硬件联系起来，成为用户和计算机交流的桥梁，担负起用户与计算机之间的接口任务。

操作系统所具有的主要功能有：作业管理、存储管理、进程管理、设备管理和文件管理 以及网络通信等六个方面。

一般地，从使用方式的角度划分，操作系统可分为单用户操作系统、批处理操作系统、实时操作系统、分时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等六种。目前常用操作系统有DOS（Disk Operating System）、UNIX、Windows 等。其中DOS是美国Microsoft（微软）公司为IBM-PC以及与其兼容的计算机开发的磁盘操作系统，它是一种单用户、单任务的操作系统，只能管理一台计算机上的资源，目前仍广泛地应用在个人计算机上。而像UNIX等操作系统称为多用户、多任务操作系统，它能管理有多个中央处理机的大型机、中型机和小型机，能同时为多个用户服务。Windows是美国微软公司为微机开发的图形用户界面环境的操作系统,目前它是PC(个人计算机)的主流操作系统，早期的Windows3.2已被现在的Windows95、Windows 98、Windows 2000和WindowsXP等所取代。Windows操作系统的特点是直观的图形界面、命令记忆量小、操作简单、容易学习，并且还能支持网络服务等功能。

（2）语言处理程序

由于计算机采用二进制的方法来表示信息，程序和数据都是用“0”、“1”代码表示，因此用户既不方便阅读这些代码，也不方便编写这些代码。为此计算机专家们根据不同的用途，发明了很多“计算机语言”——即计算机能够“理解”、人们“容易懂”的语言，也称为计算机语言。

计算机语言的发展经历了三代：

· 第一代 机器语言

机器语言（Machine Language）是由“0”、“1”代码组成的计算机能够直接识别和执行的语言。这种语言编写的程序的优点是能够直接被计算机所执行，因此节省内存且运行速度快。

缺点是指令难读、难记、难编程、难修改，由于机器语言与具体机型密切相关，因此编写的程序通用性差，难以推广。

· 第二代 汇编语言

汇编语言（Assemble Language）又称符号语言，是用约定的英语符号（助记符）来表示机器语言中的指令和操作数。使用汇编语言时，不需要直接用“0”、“1”来编写程序，但它仍要一条指令一条指令地编程。用汇编语言编写的程序称为“汇编语言源程序”，由于该源程序不是用“0”、“1”代码编写的，因此计算机不能够直接识别，必须用相应的语言处理程序将它翻译成机器语言，这样计算机才能接受并执行。这种语言处理程序称为“汇编程序”，被翻译成的机器语言程序称为“目标程序”，整个翻译过程称为“汇编”。

· 第三代 高级语言

高级语言（High Level Programming Language）是一种与人的自然语言和数学语言相接近的，且易学、易懂、易书写的语言。用高级语言编写的程序称为“源程序”，这个“源程序”必须通过“翻译”——语言处理程序，变成机器语言后，才能被计算机识别、执行，我们把“翻译”后形成的机器语言程序称为“目标代码”。翻译程序有两种类型：编译和解释。

所谓的编译方式就是把源程序用相应的编译程序翻译成相应的机器语言的目标代码，然后通过连接装配程序连接成可执行程序，再运行可执行程序，得到结果。下次再运行该程序时，只需直接运行可执行程序，不必重新编译、连接，因此执行速度快，但由于需要保存目标代码，因此程序占用内存较多。高级语言中如C语言、PASCAL语言、FORTRAN语言等翻译时都是采用编译方式。

所谓的解释方式就是将源程序输入计算机后，翻译程序翻译一条语句，计算机就执行一条语句，执行完就得出结果，而不保留解释所得的机器代码，下次再运行该程序时还要重新再翻译、执行，因此执行的速度较慢，同样，由于不需要保存翻译的机器代码，因此程序占用内存较少。高级语言中BASIC语言翻译时采用解释方式。

常用的高级语言有以下几种系列：Basic（Basica、True Basic、Quick Basic、Visual Basic）、Fortran、Foxpro、Pascal、C、C++、Visual C++、C#、Java、Visual Foxpro for Windows等。

随着计算机网络技术和多媒体技术的发展及应用，出现了所谓的第四代程序设计语言，如Java语言，它是一个集网络程序设计和多媒体程序设计为一体的程序设计语言。

（3）服务性软件

服务性软件主要是面向计算机维护的，是为计算机软、硬件服务的一种工具性软件，这类软件品种繁多，主要包括硬件 维护软件、病毒检测与清除软件、系统性能测试软件等。

2．应用软件

用户利用计算机及其所提供的各种系统软件编制的、用于解决具体问题的软件。例如用C语言编写一个求定积分运算的程序就是一个应用软件；又如编写一个查询学生档案的程序也是一个应用软件。因此应用软件品种繁多，举不胜举。常用的应用软件有以下几种：

（1）编辑软件

编辑软件是在计算机上对各类文件、表格进行编辑、排版、存储、传送、打印等所必须的工具。现在的编辑软件大都能够实现图文混排，并且可以含有复杂的数学公式。

专门用于字处理的应用软件主要有Word、WPS等，这些软件除了具有字处理功能外，还有一定的表格处理能力。

专门用于表格处理的应用软件主要有Excel、Lotus 1-2-3等，这些软件除了具有制表功能外，还具有数据分析、数据统计、制图等能力。

（2）统计分析软件

将常用的统计分析方法编制成程序，组装成一个软件包。当用户需要用某种统计方法去分析数据时，可调用软件包中对应的程序，计算机执行该程序后，对所给的数据进行统计、分析，最后输出数据、图形或报表。

（3）计算机辅助设计软件

计算机辅助设计软件目前研究的比较多，应用也比较广泛，涉及到工业、制造业和教育界等，主要的一些软件包括以下几方面：

①计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）：利用计算机帮助工程设计人员进行各种工程和产品的设计，一些烦琐的计算、画图、数据处理及存储等都可以由计算机来完成。

②计算机辅助测试（Computer Aided Testing，简称CAT）：利用计算机帮助各种测试人员对一些数据、信号、图像及实物进行测试，从而判断这些信息是否符合要求。

③计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简称CAM）：利用计算机帮助各类技术工人辅助操作数控机床和设备，自动完成产品的加工、组装、检测和包装等一系列生产过程。

④计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，简称CAI）：利用计算机帮助各类学习人员进行各种学习。学生与计算机通过人机对话，有目的、有步骤地学习已经安排好的教学内容，完成指定的练习题，计算机可以通过作业情况、测评成绩对学生的学习情况进行评判，引导学生进行下一步的学习。

此外，还有图形图像处理软件、保护计算机安全的软件、实时处理软件等。总之，随着计算机技术的发展和应用的普及，计算机应用的范围越来越广，所涉及的领域越来越多，因而面向不同对象、具有不同功能的应用软件的种类也越来越多，上面仅仅举了几个方面。

计算机软件系统直接影响和制约着计算机的发展与应用。一台计算机只有配备了一定功能且使用方便的软件，才能加强它的使用范围，扩大它的应用领域。因此对计算机软件的研制和开发，是计算机工业的重要组成部分，它将会促进计算机的发展，推动计算机的进一步普及。

1.3.4 PC机硬件系统

个人计算机（Personal Computer），通常又称为PC机或微机，是目前计算机中使用的最多的一种，它的硬件系统主要由中央处理机、存储器、输入/输出接口电路与输入/输出设备等组成，各部分之间采用总线结构实现连接，并与外界实现数据传送。其基本结构如图1-4所示。

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图1-4

在PC机中总线（BUS）是CPU、主存储器、输入/输出（Input/Output，简记I/O）接口之间相互交换信息的通道，它包括三种类型的总线：数据总线（Data Bus，简记DB）、地址总线（Address Bus，简记AB）、控制总线（Control Bus，简记CB）。DB是CPU与内存储器、I/O接口之间相互传送数据的通道；AB是CPU向内存储器和I/O接口传递地址信息的通道，它的宽度决定了PC机的直接寻址能力；CB是CPU与内存储器和I/O接口之间相互传递控制信号的通道。

从PC机的组装角度来看，PC机通常分为主机和外部设备两部分。主机是指CPU、主机板、内存储器；外部设备是指外存储设备（包括软盘存储系统、硬盘存储系统、光盘存储系统）输入设备（包括键盘、鼠标、扫描仪等）、输出设备（包括显示器、打印机等）。

通常主机与外部设备是分开的，但注意外存储设备虽然大都装在主机箱内，但它们不是主机的一部分，而属于外部设备。此外，外存储设备大部分既是输入设备，也是输出设备，因为它们可以将磁盘（软盘、硬盘等）上的数据以文件的形式读入到计算机的内存中，也可以把内存中的数据以文件的形式写到磁盘上保存起来，以备后用。

1．中央处理器（CPU）

中央处理器（Central Processing Unit，简记CPU）是PC机硬件系统的核心部件，由运算器和控制器组成。运算器是对信息进行加工、处理的部件，主要用来进行各种算术、逻辑运算。控制器是计算机的“大脑”，是神经中枢和指挥中心，它根据程序指令的要求，向其他各部件发出控制信息，控制其他各部件协调一致地工作。

把运算器和控制器集成在一块芯片上称为中央处理器（CPU）。一台计算机功能的强弱、运算能力的大小主要由CPU决定，所以通常用CPU的型号去区分不同种类的计算机。如Pentium（奔腾），PentiumⅡ，Pentium Ⅲ等。

2．主机板

主机板是主机箱中的重要组成部分，它将PC机的各部件有机地连接起来，构成一个完整的硬件系统，换句话说，就是把CPU、内存储器及相关的功能部件等都安装或连接到一个电路板上。主机板上有一些插口，可以插入其他扩展卡，用以扩大计算机的能力，提高计算机的性能和效率。图1-5是一个主机板的示意图。

3．存储器

在计算机中直接与CPU交换信息的存储器称为内存储器，简称内存。内存主要用于存放程序和数据（包括原始数据、中间数据、最后结果）。

内存直接安装在主机板上，存取数据速度快。按照存取信息的方式不同，内存又可分为 随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

随机存储器（RAM）内存储的信息是可以改变的，它允许随机地按任意指定的地址存取信息，一旦系统断电，则RAM中的所有信息全部丢失。我们通常所说的内存一般是指动态随机存储器，也称DRAM，它是计算机执行程序和处理信息时存放指令和数据的地方，内存存取速度很快，但制造成本较高，因此容量不是很大，一般用MB作为存储容量单位。只读存储器（ROM）是只能够读出信息而不允许随意写入信息的存储器，通常ROM中的内容是生产厂商在制造芯片时就写入的，它不会因系统断电而丢失信息，计算机的基本输入输出系统（BIOS）、初始化引导程序、开机自检程序等均在出厂前被固化在ROM中，无论有无电源，信息都不会丢失。

在PC机中，为了便于灵活地扩充内存容量，RAM通常是由几个芯片组成一个内存条，可以很方便地插入主板的内存插槽内，内存条容量有16M、32M、64M、128M、256M、512M等，其插脚有30、72、168线等3个标准，30线已被淘汰，现在用的较多的是168线。有些程序（如图像处理程序、三维动画程序、制图程序）要求的内存容量比较大，因此可以用多个内存条组合，以达到用户所需的内存容量，使程序能够顺利执行。

内存主要有以下技术指标：

（1）容量：容量这一指标直接制约系统的整体性能。一般内存条通常有8MB、16MB、32MB、64MB、128MB等容量级别，其中512MB 内存已成为当前家庭PC机的主流配置。

（2）存取时间：内存条芯片的存储时间决定了内存的速度，其单位是纳秒（ns）。

（3）奇偶校验位：内存条的奇偶校验位可以用于保证数据的正确读写，对于常见的机型，有无奇偶校验位一般均可正常工作。

（4）接口类型：内存的接口类型一般包括SIMM类型接口和DIMM类型接口。

4．I/O接口

PC机与外部设备之间的数据交换需要通过I/O接口，因为外部设备处理的信息既有用数字形式（由“0”、“1”组成的信息）表示的，也有用模拟量（如电压、电流等物理量）表示的，而在PC机的内部只能处理数字量；此外计算机内部处理数据的速度很快，而外部设备处理数据的速度相对要慢些，通过I/O接口能协调主机与外部设备之间的数据传送。现在的PC机通常把常用的一些接口电路都集成在主机板上，主要有：

（1）串行通信适配器接口（COM1，COM2）：它将信息一位一位地按次序传送，常用来 连接鼠标、绘图仪、调制解调器等。

（2）并行打印机适配器接口（LPT1，LPT2）：它传送信息时一次同时传送若干位，常用于连接打印机。

（3）软盘控制器接口：用于连接软盘驱动器。

（4）硬盘控制器接口：用于连接硬盘驱动器。

USB是PC机与外围设备连接的接口新标准，它能够将多个外部设备相互串联成树状结构，最多可接127个外设。它即插即用，可接不同的外部设备，如键盘、鼠标、扫描仪等等。

此外，PC机的主机板上还有接口卡的插槽，用来接插其他常用的接口卡，如显示卡、网络卡、A/D及D/A卡等。

5．外存储器

外存储器可以记录各种信息、保存系统软件和用户程序及数据，是可以反复使用的。外存储器有磁带、磁盘和光盘等几种，目前一般使用磁盘作为外存储器。磁盘又有硬盘和软盘两种，不管那种，都必须将所保存的程序、数据调入内存中才能由CPU处理。

（1）软盘

软盘（Floppy Disk）具有价格便宜、携带方便、容量小、读写速度较慢等特点，它是由起保护作用的硬塑料封套和盘片组成。现在PC机上使用的软盘大小一般是9cm（3.5英寸），当软盘插入软驱后，软盘的活动窗就滑到一边，露出里面的磁盘表面，磁头就可以从这里读写数据。

所有的软盘在第一次使用之前，必须进行格式化。所谓的磁盘格式化就是在磁盘上建立一系列同心圆，这些同心圆称为磁道，常用的9cm软盘上下两面各被划分为80个磁道，最外层为0号磁道，由外往里磁道编号为0、1、2…、78、79。每个磁道又划分成若干个小区称为扇区，每个磁道有18个扇区，每个扇区固定地有512个字节，因此9cm（3.5英寸）软盘的容量为：

盘面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数=2×80×18×512B=1474560B=1.44MB

软盘只有插入软盘驱动器中才能读写数据。软盘驱动器是通过专用数据线与主机板连接的。

（2）硬盘

软盘虽然有携带方便等优点，但其容量小，读写速度慢，对于数据量较大的数据或程序无法存储，而硬盘能够解决这些问题。硬盘一般是在铝合金圆盘上铺有磁性材料，从结构上分为固定式和移动式，它的尺寸主要为9cm（3.5英寸），其特点是把磁头、盘片和驱动器密封在一起。硬盘上每个存储面也划分为若干个磁道，每个磁道划分为若干个扇区。硬盘通常有多张盘片组成，也有多个磁头，每个存储面的同一道形成一个柱面。硬盘的读写速度是软盘的20倍，在相同尺寸上的存储容量是软盘的20到400倍。硬盘容量的计算方法为：

磁头数×柱面数×扇区数×每个扇区的字节数

硬盘的性能参数除了存储容量外，还有电机的转速和内置的Cache的大小。目前硬盘的容量以GB为单位，一般达到40GB，转速有5400r/min和7200r/min。

（3）CD-ROM

CD-ROM是只读光盘，用户只能读取已存在光盘上的内容，不能更改和写入信息。它具有容量大、速度快、不易受干扰等特点、是多媒体计算机的关键部件之一。常用的CD-ROM光盘的大小为13cm（5.25英寸），单面标准容量为650MB。光盘只有在光盘驱动器里才能读取信息。光盘驱动器重要的性能指标为数据传输速率（即单位时间内CD-ROM驱动器可以从光盘中读取的信息量）。

（4）DVD

DVD光盘是一种新的CD产品，现在已用得比较广泛。DVD光盘的尺寸与CD光盘相同，且DVD光盘驱动器兼容CD光盘，它的容量有4.7GB、7.5GB和17GB等多种，比CD-ROM容量大8～25倍，速度也快，具有良好的应用前景。

（5）U盘

U盘（有的称为闪盘、优盘、魔盘）是一种可以直接插在通用串行总线 USB 端口上进行读写的新一代外存储器。它具有容量大（通常数十兆到几百兆）、体积小、携带方便、保存信息可靠等优点，目前已被人们所普遍接受。

6．输入、输出设备

输入设备中键盘和鼠标是必须具备的部件；输出设备中显示器是必须具备的部件，大多 数产品都能够满足一般需要。

（1）输入设备

1）键盘

键盘是计算机的基本输入设备，只有熟练掌握了计算机键盘的使用方法，才能得心应手地操作计算机。键盘的按键数随键盘型号不同而有所不同。图1-6是104标准键盘。其布局按照不同的功能分为三个区：字符键区、功能键区、光标控制键区和小键盘区。键盘的左上边是功能区，左边是字符键区，右边为小键盘区，中间为光标控制键区。

① 字符键区。字符键区最上面一排是10个数字键，中间是26个字母键，下面最长的键是空格键，此外还有一些符号键，如>、<、?、/、；等。使用时按一个键，就输入一个字符（字母、数字或符号）。其中Shift键与数字键或符号键同时按下时，表示输入的是该键的上面一个字符，若Shift键与字母键同时按下时，表示输入的是小写字母。Caps lock 键是英文字母大小写转换键。

此外还有一些键的功能如下：

▲ Enter：

回车键或换行键。

▲ Ctrl：

控制键，常与其它键或鼠标组合使用。

▲ Alt：

变换键，常与其它键组合使用。

▲ Backspace：回退键，按一次，删除光标左边一个字符。

▲ Tab：

制表键，按一次，光标跳8格。

② 功能键区。键盘上最上面一行F1～F12这12个键叫功能键，其作用可以用于输入某一串字符、某一条命令或调用某种功能。在不同的软件中，功能键具体的功能有所不同。

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图1-6 键盘结构

③ 光标控制键区。光标控制键是在整个屏幕范围内进行光标移动或其它相关操作。该键区的主要控制如下：

▲ ↑、↓、←、→：光标上移一行、光标下移一行、光标左移一列、光标右移一列。

▲ Home、End、PgUp、PgDn：光标移动键，它们的操作与具体软件定义有关。

▲ Del：删除光标所在位置的字符。

▲ Insert：设置改写或插入状态。

④ 小键盘区。小键盘区又叫做数字键区，这些键有两种功能：编辑或输入数字，但在任何瞬间只有一种功能有效。当数字功能有效时，按这部分键可以输入数字。由于这部分键比较集中，所以输入大量数据时，使用这些数字键会更方便、快捷。当编辑功能有效时，按这部分键可以移动光标或插入、删除字符。←、↓、→、↑这4个键可以按箭头指示的方向移动光标；Home、End、PgUp、PgDn这4个键也可以移动光标，但在不同的编辑器中它们的用法不一样；Del键可以删除字符，Ins键可以插入/改写字符。用户可以用Num Lock键进行编辑或输入数字两种功能之间的转换。

2）鼠标

自从Windows问世以来，鼠标（Mouse）已经成为电脑必备的输入设备，用户通过鼠标，可以方便、直观地操作计算机。鼠标的主要用途是用来定位光标或用来完成某种特定的操作。按照鼠标按键数目的不同，鼠标可分为两键鼠标、三键鼠标和四键鼠标；如图1-7所示。在Windows下，鼠标的左按钮用于选择菜单、工具等，右键通常用于打开快捷菜单，中间滚轮用于快速翻页、定位等。

图1-7 几种鼠标外观

按照鼠标与计算机连接方式来分，鼠标又可分为有线和无线两类。无线鼠标是以红外线遥控，其遥控距离不能太长，通常在2米以内。目前用户大都使用有线鼠标，它通过一根细电缆线与计算机相连。

（2）输出设备

1）显示器

显示器是PC机最基本的输出设备，是人机对话的主要工具之一，其作用是显示内容、输 出字符、数据或图形、表格等各种形式的结果。显示系统由显示适配器（又称显示卡）和监视器两部分组成，显示卡插在主机板上的插槽内，通过专用信号线与监视器相连，如图1-8所示。

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机

显示适配器

（显示卡）

监视器

图1-8

常用的显示器有38cm（15英寸）和43cm（17英寸）彩色显示器。显示器主要参数有显像管的尺寸、支持的最大分辨率和颜色数、显示器的点距、显示屏是否纯平面等。显示器的显示效果与所选用的显示卡有关，显示卡的性能与所用的显示芯片和显示存储器容量（简称显存）的大小有关。通常选用16～32MB的显存。

显示分辨率是指显示器水平方向和垂直方向显示的像素（光点）数的乘积（即横向点×纵向点），数目越大，分辨率就越高。颜色数是显示器所能显示颜色的数量。不同的监视器，有不同的显示模式要求，对应的也就有不同的显示适配器（显示卡），目前较为常用的显示适 配器有：

· 单色显示适配器（MDA），分辨率：720×350（单色）

· 彩色图形显示适配器（CGA），分辨率：640×200（4种颜色）

· 增强型彩色图形显示适配器（EGA），分辨率：640×480（16种颜色）

· 视频图形阵列显示适配器（VGA），分辨率：640×480（256种颜色）

2）打印机

打印机是重要的输出设备之一，是通过电缆线连接在主机箱上的并行接口上，实现与主机之间的通信。它分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机3类，如图1-9所示，每类又有单色（黑色）和彩色两种。针式打印机以机械撞击方式输出，打印效果较差，尤其是在输出图形图像方面，且打印速度慢、噪音大，其优点是耗材便宜（包括打印色带和打印纸）。喷墨打印机是将墨水通过精细的喷头喷到纸上，从而完成打印。与针式打印机相比，它具有分辨率高、噪音小、打印质量高等优点，但由于使用一次性喷头，因而成本较高，耗材较贵。激光打印机是20世纪60年代末发明的，采用的是激光扫描和电子照相（Electro-photo-graphy）技术，即利用激光束扫描光鼓，通过控制激光束的开与关使传感光鼓吸与不吸墨粉，然后光鼓再把吸附的墨粉转印到纸上，完成打印，目前它是各种打印机中打印效果最好的，具有打印速度快、质量好、噪音低、分辨率高等优点，缺点是价格较高、耗材贵。

激光打印机 针式打印机 喷墨打印机

图1-9

1.3.5 台式机与服务器的体系结构

1．台式机的体系结构

台式机的体系结构如图1-10所示。CPU通过系统总线（66MHz/100MHz/133MHz/166 MHz/266 MHz/333 MHz/500 MHz）与主存储器连接，PCI总线通过PCI总线桥连接到系统总线上，PCI总线上连接的设备通过PCI桥和系统总线同CPU进行数据交换。ISA总线通过ISA总线桥连接到PCI总线上，ISA总线上的设备必须通过PCI桥与CPU交换数据。由此图可以看出，一般台式机的设计成本是较低的，它的可扩充性、可管理性及可靠性也较差。

2．服务器的体系结构

服务器的体系结构如图1-11所示。CPU 通过系统总线（66MHz/100MHz/133MHz）与主存储器连接，系统总线通过两个PCI总线桥（A桥和B桥）分别连接到两组PCI总线上，因此服务器的PCI线插槽可以多达6～8个。其中PCI总线通过EISA总线桥连接到EISA总线上。这种结构称为对等PCI总线（或称为并行结构）。它加强了系统输入输出的整体性能。服务器的设计比台式机的设计要求高得多。由于服务器需要高度的可靠性、容易管理的高性能部件以及合理成本下的可扩充性，因此，台式机不宜用作服务器，特别在高性能、高可靠性要求下，更是如此。

CPU

系统总线

主存储器

PCI

总线桥

PCI

总线

ISA

总线桥

ISA

总线

CPU

系统总线

主存储器

PCI

总线桥

A

PCI

总线

EISA

总线桥

EISA

总线

PCI

总线桥

B

PCI

总线

图1-10 图1-11

1.4 多媒体技术简介

多媒体是一门新技术，目前对多媒体技术还没有一个严格的定义。简单地说，多媒体技术是指能够同时采集、处理、编辑、存储和展示多种信息承载媒体的技术。即将文字、声音、图形、静态图像、活动图像与计算机集成在一起的技术；或者说是计算机交互式综合处理多种媒体信息——文本、图形、图像和声音，使多种媒体信息建立逻辑连接，集成一个系统并具有交互性的技术。

人们交流信息是通过语言和动作来进行的。语言的表示形式有两种：无声的文字、图形和数字，它通过视觉系统来传递；有声的话语和音乐，它通过听觉系统来传递。动作的表现形式在视觉系统中呈现的是一幅幅画面。为了能够记录和重现信息，我们需要将信息保存，因此就涉及到两类媒体：一类是保存信息的媒体，如图书（记录文字和数字）、录音带（记录话语和音乐）、图片（记录静态的动作）、电影胶片（记录连续的动作）。另一类是承载信息的媒体，文字、数字、图形（承载无声的信息）、声音（承载有声的信息）、静态图像（承载静态的动作信息）、活动图像（如动画、电影，承载连续的动作信息）。由此可见，人们在进行信息处理时用到了两类媒体。

计算机作为一种当今社会最先进的信息处理系统，也需要用到这两类媒体：一类用于存储信息的媒体，如磁带、磁盘、光盘和半导体存储器等；一类用于承载信息的媒体，如文字、数字、声音、图形和图像。我们通常所说的多媒体技术中的媒体指的就是承载信息的媒体。

1.4.1 多媒体技术概念

1．多媒体技术的发展

多媒体技术是多种技术结合而成的一门综合技术。计算机一开始并不能处理文字、数字、声音、图形和图像等多种媒体承载的信息。在计算机发展初期，只能用0、1来表示信息，人们用这两个数字符号与计算机进行信息交流，很不方便，只有少数计算机专业人员才能与计算机进行信息交流，这使计算机应用受到很大限制。到了20世纪六七十年代，出现了高级语言，人们开始用文字（英文）与计算机进行信息交流，这使得计算机的应用范围得到扩大。从20世纪80年代开始，人们致力于研究将声音、图形、图像作为新的计算机的信息承载媒体，使计算机的应用变得更加直观、容易。

1984年Apple公司首先在Macintosh计算机上引入位图概念来描述和处理图形和图像，并 开始采用鼠标驱动的窗口技术（Windows）和图标（Icon）构筑图形用户界面（GUI）。

1985 年美国Commodore公司推出了世界上第一个多媒体计算机系统Amiga。随后，由于超大规模集成电路的密度增加、速度提高，CD-ROM只读光盘的问世，为多媒体提供了低成本、高容量的存储介质，使多媒体进入了快速发展的时期。1986年3月，Philips和Sony联合推出了交互式紧凑光盘系统CD-I（Compact Disc Interactive）。该系统将各种多媒体信息以数字化形式存放在容量约650MB的只读光盘上，用户可以通过光盘中的内容来进行播放。1987年3月，RCA公司推出了交互式数字视频系统 DVI（Digital Video Interactive）。该系统用标准光盘片来存储和检索静止图像、活动图像和其它数据。随着多媒体技术的发展，1990年11月由Philips等14家厂商，包括Microsoft组成了多媒体市场协会，并先后制订了MPC1.0和MPC2.0标准。此外，在1991年第六届多媒体和CD-ROM大会上，宣布了CD-ROM XA扩充结构标准的审定版本，为微机的CD-ROM驱动器与CD-I系统能够相互兼容提供了一种实际可行的格式。

2．多媒体技术的特点

多媒体技术的主要特点如下：

（1）集成性

多媒体技术是多种媒体的有机集成，它集文字、数字、图形、图像、视频、语音等多种媒体信息于一体，它是多媒体技术的一个重要特点。

（2）协同性

每一种媒体都有自身规律，媒体之间必须有机地配合才能协调一致。多媒体之间的协调以及时间、空间的协调是多媒体的关键技术之一。

（3）交互性

所谓交互就是通过各种媒体信息，使参与的各方，不论是发送方还是接收方，都可以进行编辑、控制和传递。

（4）实时性

所谓实时就是指在人的感官系统允许情况下，进行多媒体交互，就好像面对面（Face To Face）一样，图像、声音都是连续的。实时多媒体系统把计算机的交互性、通讯的分布性、电视机的真实性有机的结合在一起。

3．多媒体技术的应用

多媒体应用非常广泛，就目前而言，多媒体技术已在商业、教育、电视会议、声像演示、军事模拟等方面得到了充分应用。

（1）多媒体在通信系统中的应用

一方面，多媒体技术使计算机能同时处理音频、视频和文本等多种信息，提高了信息的多样化。另一方面，网络通信技术取消了人们之间的区域限制，提高了信息的瞬时性。二者结合所产生的多媒体通信技术把计算机的交互性、通讯的分布性、电视机的真实性有效地融为一体，成为当今信息社会的一个重要标志。可视电话、视频会议、多媒体邮件等都是具体应用的实例。

（2）多媒体在编著系统中的应用电子出版物以数字代码方式将图、文、声、像等信息存储在磁、光、电介质上，通过计算机或其它有类似功能的设备来阅读。电子出版物的出现和发展，不仅改变传统的图书出版、发行、阅读、收藏和管理的方式，而且对人们传统的文化观念也将产生重大影响。多媒体编著系统就是对电子出版物进行加工的制作系统，即用计算机综合处理文字、图形、影像、动画和音频等信息，使之在不同的界面上流通，并具有传送、转换及同步化功能。电子版的百科全书、字典、技术手册、各种CAI课件等都是具体应用的实例。

（3）多媒体在工业中的应用

现代化企业综合管理、生产过程的自动化控制的目的就是要提高效率，实现无人管理，这些都离不开对多媒体信息的采集、监视、存储、传输，以及综合分析处理和管理。即采用监控、监测系统，定期采集仪器仪表数据，一旦发现问题，采用自动控制或集中人工干预。如电力系统对电厂、变电站的管理；石油、化工等行业中一些部门的管理。多媒体技术在工业生产实时监控系统中，尤其是在生产现场设备故障诊断和生产过程参数监测等方面有着非常重要的实际应价值。

（4）多媒体在教学中的应用

利用多媒体技术，可以编制出一系列的计算机辅助教学软件（CAI），它将文本、图像、视频、音频等结合在一起，使课件生动、形象、直观。学生在学习的过程中，能够根据自己的水平选取不同的教学方案，改善了教学效果，提高了学生学习的自觉性。

（5）多媒体在医疗影像诊断系统中的应用

现代先进的医疗诊断技术的共同特点是以现代物理技术为基础，借助于计算机技术，对医疗影像进行数字化和重建处理。

（6）多媒体技术在军事领域中的应用

以微电子技术为基础，以计算机为核心，包括激光、传感器、多媒体、人工智能等新技术在内的现代信息技术是影响当代战争和军事发展的各种新技术中具有关键性作用的高技术，是未来对武器装备水平以及军事力量结构的发展起第一位推动作用的技术，是军事革命的核心和基础。目前多媒体技术在军事领域中的应用主要有以下几个方面：

① 作战指挥与作战模拟；

② 军事信息管理系统；

③ 军事教育与训练；

④ 武器装备的研制、生产及应用。

4．多媒体系统关键技术

（1）多媒体存储与传输技术

随着信息技术，特别是多媒体技术应用的普及，各种信息在介质中占用的空间越来越大，如声音、图像及视频等，存储和传输这些信息需要很大的空间和时间，解决这一问题的关键即是数据存储技术。

（2）压缩与解压缩技术

对多媒体信息进行压缩的目的是减小存储容量和提高数据传输率，使得现有PC机的性能指标达到能够处理声音与图像信息的要求。多媒体信息压缩研究的两个重要领域：一是视频压缩的编码与解码；二是音频压缩的编码与解码。视频与音频压缩的原则都是根据人的视听感觉机制原理消除“冗余信息”，实现信息压缩，再经逆变换完成恢复。但其中最为困难的是图像信息压缩，这是因为数字化的图像信息数据量非常大，存储和处理都十分困难，必须先压缩后解缩才能进行数据的存储和处理。压缩技术与先进的压缩算法是紧密相连的，当今最为流行的压缩算法有三种：离散余弦变换（Dicrete Cosine Transformation，DCT）压缩、分形（Fractal）压缩及小波变换（Wavelet Transformation）压缩。

（3）协同工作环境技术

多媒体协同工作环境是融汇了计算机的交互性、网络的分布性以及多媒体的综合性的集成系统，它可让分布在不同地方的多个用户自由地交换信息，相互看到对方的形象，共同讨论某张图表，检索计算机中多媒体资源信息，共同完成某项任务。一个良好的多媒体协同工作环境，能够节约开会和讨论时间，减少会议经费开支，提高工作效率，产生明显的社会效益和经济效益。该技术在 CAI、CAM、CAD、OA及实时会议等领域广泛应用。

（4）智能多媒体

正如将人工智能看成是一种高级计算机一样，智能多媒体应该是一种更加拟人化的高级智能计算机。多媒体技术的进一步发展，迫切需要引入人工智能，它包括多维化信息空间中的各种感知过程（利用多媒体技术解决计算机视觉和听觉方面的问题）、多维化信息空间中的概念描述、知识表示及推理、机器学习、形象思维等。

（5）著作工具技术

近几年，各种多媒体著作工具不断应运而生。多媒体编著系统向管理人员、教育工作者及专业设计者提供了一种途径——通过学习，掌握多媒体著作工具，在无需掌握深奥的计算机编程技术和编程语言的情况下，就可以将各种不同的媒体融汇在一起，成为制作CD节目的大师。该技术面向广大非计算机专业人员，易于学习和使用，大大缩短开发周期，已被大多数人所接受。

（6）多通道交互技术

在传统的人机交互中，用户只能利用键盘或鼠标等输入设备来指定一个或一系列完全确定的命令或参数，因此，用户的输入以串行性和精确性为特征，这在许多场合中，不必要地增加了用户的作业负荷，降低了交互效率，破坏了交互的自然性。为了提高人机交互的自然性、高效性，必须采用多通道用户界面。

多通道用户界面（MultiModal User Interface，MMI）中“通道”（Modality）一词源于心

理学，其词源为Mode（方式或模式）。当讨论视觉、嗅觉、触觉等感觉的“方式”（非内容）时，或者当涉及多种感觉之间的关系及讨论一种感觉不同于其它感觉的特点时，心理学中使用“感觉通道”一词。在这里把“通道”视为“方式”的同义词，不仅表示用户的“感觉方式”，也指用户的“动作方式”。通道与实际的硬件设备有关，有几种交互设备，就有几种对应的交互通道。多通道用户界面采用视线跟踪、语音识别、手势输入等新的交互技术，允许用户利用多个通道，以自然、并行、协作的方式进行交互，通过整合多个通道的精确/非精确输入，捕捉用户的交互意向，提高人机交互的自然性和高效性。

1.4.2 多媒体系统构成

多媒体系统是一个能够处理多媒体信息的计算机系统，它是计算机和视听系统的综合，有两大部分组成：一是硬件部分，一是软件部分。硬件部分是由计算机主机及可以接收和播放多媒体信息的各种输入输出设备；软件部分是音频/视频信息处理软件、多媒体操作系统及各种多媒体工具软件和应用软件。

1．多媒体硬件系统

多媒体硬件系统是由计算机传统硬件设备、光盘存储器（CD-ROM）、音频/视频输入输出和处理设备等构成，其核心是计算机主机，图1-12是多媒体硬件系统结构示意图。

触摸式屏

幕显示器

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图1-12 多媒体硬件系统结构

整个系统可以分为五大部分：

（1）计算机主机及各种多媒体适配卡

主机：常规的计算机主板及VGA适配卡、多功能卡、多媒体专用芯片。多媒体适配卡：音频卡、视频卡、图形卡、压缩卡等。

（2）外存储设备

外存储设备主要包括软盘驱动器、硬盘驱动器和CD-ROM驱动器。

（3）输入设备

常规输入备：键盘、鼠标。

音频输入设备：话筒。

音频/视频输入设备：主要包括摄像机、录像机、CD-ROM、实时广播。

（4）输出设备

显示器、触摸屏、录像机、摄像机、CD-ROM、打印机、内置扬声器。

（5）音频输出设备

激光视盘、录像机、CD-ROM

总之，在一个具体的多媒体的硬件配置中，不一定都包括上述的全部设备，但在一个标准配置的计算机上，若有多媒体功能，必须有音频适配卡和CD-ROM驱动器。

2．多媒体软件系统

多媒体软件系统的核心是多媒体操作系统。多媒体操作系统必须具备对多媒体数据和多媒体设备的管理和控制功能；具有综合各种媒体的能力，能灵活调度多媒体数据进行相应的 传输和处理，使各种媒体硬件和谐地工作。图1-13是多媒体软件系统结构示意图，它是一个 层次结构，可分为五层：

音频

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图1-13 多媒体软件系统结构

第一层：是直接与计算机和多媒体底层硬件打交道的驱动程序，在系统初始化引导程序 作用下把它安装到系统RAM中，常驻内存。

第二层：是音频/视频处理软件，它主要完成的任务是支持随机移动或扫描窗口下的运动及静止图像的处理和显示，为相关的音频和视频数据流的同步问题提供需要的实时任务调度等。

第三层：是多媒体操作系统，它是多媒体软件系统的核心，是多媒体功能得以实现的前 提和基础。

第四层：是多媒体开发工具。为了方便用户和开发者编制应用程序，不少厂商为多媒体计算机系统编制了多媒体开发工具软件。

第五层：是多媒体应用程序，包括一些系统提供的应用程序。

以上是对多媒体技术进行的简单介绍，有兴趣的读者可以查阅一些相关的书籍和资料，这里就不详述了。

习 题

一、简答题

1．计算机的发展经历了几个阶段？试简述每个阶段的特点及不足。

2．试举例说明计算机的几个主要应用领域。

3．将下面的十进制数转化为对应的二进制数、八进制数、十六进制数：

12，32，105，34.12，213.45

4．将下面的二进制数转化为对应的八进制数、十六进制数：

10110，11001，10101，1110010100，101000101

5．将下面的二进制数转化为对应的十进制数。

11010，11，111，10101，101，110.101，11001.011

6．简述计算机的工作原理。

7．简述计算机系统的组成。

8．简单地叙述你对计算机的初步认识。

二、单项选择题

1．软磁盘写保护不能

。

A．防止删除文件B．防止拷入文件 C．防止显示D．防止格式化

2．键盘上功能键的功能是由

定义的。

A．运行的软件B．生产厂家

C．系统

D．硬件

3．内存中存储的数据在断电后

丢失。

A．不一定

B．完全

C．不会

D．部分

4．ASCII 码用

表示。

A．1个字节

B．1个bit

C．2个字节

D．4个字节

5．一台微型计算机主要是由

、存储器、输入设备、输出设备组成。

A．键盘

B．显示器

C．CPU

D．打印机

6．CPU每执行一个

，就完成一次基本运算或判断。

A．软件

B．指令

C．硬件

D．语句

7．鼠标是一种

。

A．输入设备

B．输出设备

C．存储器

D．运算器

8．微型计算机外存储器要通过

才能与 CPU 交换数据。

A．运行的软件B．生产厂家 C．在设置系统参数时D．硬件

三、多项选择题

1．下面哪几种说法是正确的？

。

A．计算机是一种用来帮助和加强人类的脑力劳动的工具。

B．计算机是一种可以存储和执行程序的机器。

C．计算机是一种用来加工信息的机器。

D．计算机可能超过和取代人类思维。

2．CPU的指令大致可以归纳为

。

A．数据传送指令

B．算术和逻辑运算指令

C．数据暂存指令

D．程序控制指令

3．光盘的主要特点有

。

A．读盘速度快

B．写盘速度慢

C．造价低

D．保存时间长

4．任何进位计数制都有的两要素为

。

A．整数

B．小数

C．数码的个数 D．进位基数

5．下列四条关于计算机基础知识的叙述中，不正确的是

。

A．微型计算机是指体积微小的计算机。

B．存储器必须在电源电压正常时才能存取信息。

C．字长32位的计算机是指能计算最大为32位十进制数的计算机。

D．防止软盘感染计算机病毒的方法是定期对软盘格式化。

6．程序设计语言一般分为

。

A．机器语言

B．汇编语言

C．高级语言

D．自然语言

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图1-5

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_1151997457.doc

状态指示灯区

小键盘区

光标控制键区

字符键区

(主键盘区)

功能键区

_1279463546.doc

81 5 3

…1

8 1 9

…3

8 2

…2

0 从下往上读

_1279464446.doc

主机箱

显示器

音箱

鼠标

键盘

_1279516780.doc

输入/输出

接口电路

内 存

储 器

中央处理机

CPU

地址总线

外部设备

数据总线

控制总线

_1279463588.doc

16

2 8 6

…

E

16

1 7

…

1

16 1 … 1

0 从下往上读

_1279463419.doc

二进制数基

十进制数

余数

2

… 1

2

… 1

2

… 1

2

… 0

2

… 1

0 从下往上读

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_1151999016.doc

第五层

第四层

第三层

第二层

第一层

多媒体应用程序

多媒体工具软件

多媒体操作系统

音频/视频处理软件

音频/视频设备驱动程序

_1121090295.doc

用户程序

应用软件包

各种语言处理程序

操 作 系 统

计 算 机 裸 机 （硬 件 部 分）

_1121090846.doc

PCI总线

PCI总线桥B

EISA总线

EISA总线桥

PCI总线

PCI总线桥A

主存储器

系统总线

CPU

ISA总线

ISA总线桥

PCI总线

PCI总线桥

主存储器

系统总线

CPU

_1151932494.doc

触摸式屏幕显示器

音频/视频输出

音频/视频输入

显示器

音频输出（喇叭、耳机）

音频输入（话筒）

外存储设备

计算机主机

各种适配卡

_1121089906.doc

监视器

显示适配器

（显示卡）

主

机

_1121090252.doc

计算机系统

硬件系统

软件系统

主机

外设

中央处理机（CPU）

内存储器

输入/输出设备

外存储器

运算器

控制器

操作系统

语言处理程序

程序设计语言

实用程序

系统软件

应用软件

应用软件包

用户程序

_1120311017.doc

_1120310151.doc