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計算機文化基礎

1.1計算機概述

1.1.1計算機的誕生與發展

在人類文明發展的歷史長河中,計算工具經歷了從簡單到複雜、從低級到高級的發展過程。從繩結到算盤、機械計算機、計算尺再到電動機械計算機等等,它們在不同歷史時期的計算工作中都發揮了至關重要的作用。現代計算機是上述計算工具的繼承和發展,並且隨著科學技術的發展不斷的更新換代。

世界上第一台電子計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator AndCalculator―電子數字積分計算機)於1946年在美國賓夕法尼亞大學誕生,它按照人們預先設計的計算步驟自動地連續進行完整而複雜的計算,這台計算機共使用了18000隻電子管,佔地170平方米,重達30噸,功耗150000瓦,運算速度為每秒5000次。儘管ENIAC有著體積龐大、驚人的功耗及複雜的操作步驟等缺點,但其計算效率比人工提高了幾千倍,將計算的速度提升到一個新的水平。ENIAC的誕生標誌著計算機時代的真正開始。

在計算機問世以後短短的幾十年發展歷史中,經歷了四代的發展,分別採用的電子元器件為電子管時代、晶體管時代、小規模集成電路時代,現已進了大規模和超大規模集成電路時代。

1.第一代計算機(1946-1958年)

第一代計算機的主要特點是:硬體方面,採用電子管為基本邏輯電路元件,主存儲器採用延線或磁鼓(後期採用了磁芯),外存儲器採用磁帶存儲器,計算機體積龐大、功耗大、可靠性差、價格昂貴;軟體方面,最初只能使用機器語言(所有的數據都是用和1表示),編寫程序、修改程序都很不方便,50年代中期以後才出現了彙編語言,但仍未從根本上解決編製程序的困難,因而計算機應用很不普遍。但是,第一代計算機所採用的基本技術(採用二進位、存儲程序控制的方法)卻為現代計算機技術的發展奠定了堅實的理論基礎。

2.第二代計算機(1959-1965年)

稱為晶體管計算機時代,其主要特點是:硬體方面,採用晶體管為基本邏輯電路元件,主存儲器全部採用磁芯存儲器,外存儲器採用磁鼓和磁帶,計算機的系統結構也從第一代的以運算器為中心改為以存儲器為中心,從而使得計算機的速度提高、體積減小、功耗減低、可靠性增強;軟體方面,創立了一系列高級程序設計語言(如Basic、Fortran等),並且提出了多道程序設計、並行處理和可變的微程序設計思想。從此,計算機的應用也從單一的計算髮展到了數據、事務管理和過程式控制制。

3.第三代計算機(1965-1971年)

稱為集成電路計算機時代,其主要特點是:硬體方面,計算機主要邏輯部件採用中、小規模集成電路,主存儲器從磁芯存儲器逐步過渡到了半導體存儲器,使得計算機的體積進一步減小,運算速度、運算精度、存儲容量以及可靠性等主要性能指標大為改善;軟體方面,對計算機程序設計語言進行了標準化工作,並提出了計算機結構化程序設計思想。此外,在產品的系列化、計算機系統之間的通信都得到了較大發展,計算機的應用領域和普及程度有了迅速的發展。

4.第四代計算機(從1971年至今)

計算機進入了超大規模集成電路計算機時代。其主要的特點是:硬體方面,計算機邏輯部件由大規模和超大規模集成電路組成,主存儲器採用半導體存儲器,提供虛擬能力,計算機外圍設備多樣化、系列化;軟體方面,出現了面向對象的計算機程序設計編程思想及可視化編程環境(如VisualBasic、Visual C++及Delphi等),並廣泛採用了資料庫技術、計算機網路技術。其發展過程中最重要的成就之一表現在微處理器(Micro-processor)技術上。微處理器是一種超小型化的電子器件,它把計算機的運算器、控制器等核心部件集成在一個集成電路晶元上。微處理器的出現為微型計算機的誕生奠定了基礎。

隨著大規模、超大規模集成電路的廣泛應用,計算機在存儲的容量、運算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。在科學技術日新月異的今天,各種新的器件不斷出現,人們正試圖用光電子元件、超導電子元件、生物電子元件等來代替傳統的電子元件,製造出在某種程度上具有模仿人的學習、記憶、聯想和推理等功能的新一代的計算機系統。計算機系統正朝著巨型化、微型化、計算機網路化和智能化等方向更深入發展。


計算機能夠成為現代社會不可或缺的工具有著許多特長,可以概括成以下幾點:高速度、能"記憶"、善判斷、可交互。

1.計算機的特點

(1)處理速度快

計算機由子器件構成,具有很高的處理速度。目前世界上最快的計算機每秒可運算萬億次,普通PC機每秒也可處理上百萬條指令,極大地提高了工作效率。

(2)計算精度高

一般普通的PC有效位數均可達到8位以上,甚至十幾位到幾十位,其計算精度是其他計算工具所無法比擬的,特別是在一些科學計算及軍事運用方面如衛星圖像處理,大型檢索等。

(3)"記憶"能力強

計算機的存儲器類似於人的大腦,可以記憶大量的數據和計算機程序,隨時提供信息查詢、處理等服務。早期的計算機,由於存儲容量小,存儲器常常成為限制計算機應用的「瓶頸」。今天,一台普通的PC機內存可達2—4GB,能支持運行大多數窗口應用程序。

(4)能進行邏輯判斷

邏輯判斷是計算機的又一重要特點,是計算機能實現信息處理自動化的重要原因。馮·諾依曼型計算機的基本思想,就是將程序預先存儲在計算機中。在程序執行過程中,計算機根據上一步的處理結果,能運用邏輯判斷能力自動決定下一步應該執行哪一條指令。這樣,計算機的計算能力、邏輯判斷能力和記憶能力三者的結合,使得計算機的能力遠遠超過了任何一種工具而成為人類腦力延伸的有力助手。

(5)支持人機交互

計算機具有多種輸入輸出設備,配上適當的軟體後,可支持用戶進行方便的人機交互。以廣泛使用的滑鼠器為例,當用戶手握滑鼠,只需將手指輕輕一點,計算機便隨之完成某種操作功能,真可謂「得心應手,心想事成」。當這種交互性與聲像技術結合形成多媒體用戶界面時,更可使用戶的操作達到自然、方便、豐富多彩。

2.計算機的分類

計算機發展到今天,人們往往根據需要從不同角度對計算機進行分類:

(1)按處理數據的類型

按照處理數據的類型分類,可以分為數字計算機、模擬計算機和混合計算機。

(2)按使用範圍

按使用範圍分類,可以分為通用計算機和專用計算機。

通用計算機適用於一般科學運算、學術研究、工程設計和數據處理等廣泛用途的計算。通常我們所說的計算機都指的是通用計算機。

專用計算機是為適應某種特殊應用而設計的計算機。它的運行程序不變,效率高,速度快,精度高,但不宜作其它用途。

(3)按性能分類

這是最常規的分類方法,所依據的性能主要包括:存儲容量,運算速度等方面。根據這些性能可以將計算機分為巨型計算機、大型計算機、中型計算機、小型計算機、工作站和微型計算機。

巨型計算機(Supercomputer)是目前功能最強、速度最快、價格最高的計算機。一般用於解決如氣象、航天、國防等尖端科學研究和戰略武器研製中的計算。

大型計算機(Mainframe)一般配備在大中型機構中使用,並採用以它為中心的多終端工作模式。但其在量級上不及巨型計算機,價格也比巨型機便宜。這類機器通常用於大型企業、商業管理或大型資料庫管理系統中,也可用作大型計算機網路中的主機。

小型計算機(Minicomputer)的結構相對於大型機來說比較簡單,價格也較低,維護和使用也相對簡單,能支持十幾個用戶同時使用,適合於廣大中、小用戶。

工作站(Workstation),工作站與功能較強的高檔微機之間的差別不十分明顯。與微型機相比,它通常比微型機有較大的存儲容量和較快的運算速度,而且配備大屏幕顯示器。工作站主要用於圖像處理和計算機輔助設計等領域。


目前,計算機的應用已滲透到人類社會的各個領域。從航天飛行到海洋開發,從產品設計到生產過程式控制制,從天氣預報到地質勘探,從疾病診療到生物工程,從自動售票到情報檢索等等,都應用了計算機。計算機有點像一台「萬能」的問題解答機器,任何問題,只要能夠精確地進行公式化,都可以放到計算機上加以解決。因而各行各業的人都可以利用計算機來解決各自的問題。計算機的應用主要表現在以下五個領域。

1. 科學計算

科學計算亦稱數值計算,是指用計算機完成科學研究和工程技術中所提出的數學問題。計算機作為一個計算工具,科學計算是它最早的應用領域。由於計算機具有計算速度快,計算精度高的特點,它能夠承擔起運算量大、精度要求高、時效性強的數值計算課題。在天文、地質、生物、數學等基礎科學研究,以及空間技術、新材料研製、原子能研究等高、新技術領域中都佔有重要的地位。

2.信息處理(數據處理)

所謂信息是通過各種方式,可以被傳遞、傳播、傳達,用可被感受的聲音、圖像、文字所表徵,並與某些特定的事實、主題或事件相聯繫的消息、情報、知識。而信息處理是指計算機對信息記錄、整理、統計、加工、利用、傳播等一系列活動的總稱。信息處理是現代化管理的基礎,它不僅可應用於處理日常的事務,還能支持科學的管理與決策。數據是信息的具體表現形式。一個企業,從市場預測、情報檢索,到經營決策、生產管理,無不與數據的處理有關。隨著信息處理應用的擴大,在硬體上刺激著大容量存儲器和高速度、高質量輸入/輸出設備的發展,同時,也在軟體上推動了資料庫管理系統、表格處理軟體、繪圖軟體以及用於分析和預測應用的軟體包的開發。信息處理是目前計算機應用最廣泛的領域。

3.過程式控制制

過程式控制制,亦稱實時控制,是用計算機及時採集檢測數據,按最佳值迅速對控制對象進行自動控制或自動調節。利用計算機進行過程式控制制,不僅大大提高了控制的自動化水平,而且大大提高了控制的及時性和準確性,從而能改善勞動條件,提高質量,節約能源,降低成本。過程式控制制系統是一種實時處理系統,對計算機的響應時間有一個較高的要求。實時處理系統指計算機對輸入的信息以足夠快的速度進行處理,並在一定的時間內作出某種反映或進行某種控制。

4.計算機輔助系統

計算機輔助系統是指人們利用計算機運算速度快、精確度高、模擬能力強的特點,把傳統的經驗和計算機技術結合起來,代替人們完成複雜而繁重工作的一門技術系統。主要有:計算機輔助設計(Computer Aided Design,簡稱:CAD),計算機輔助製造(Computer Aided Manufacturing,簡稱:CAM)和計算機輔助教學(Computer Aided Instruction,簡稱:CAI)。

計算機輔助設計是利用計算機的計算、邏輯判斷等功能,幫助人們進行產品設計和工程技術設計。計算機輔助製造是利用CAD的輸出信息控制、指揮生產和裝配產品。計算機輔助設計和輔助製造結合起來可直接把CAD設計的產品加工出來。另外,計算機作為現代教學手段在教育領域中應用得越來越廣泛、深入。計算機輔助教學適用於很多課程,更適用於學生個性化、自主化的學習,體現了現代學習的主動性。

5.人工智慧

人工智慧(Artificial Intelligence)簡稱AI,有時也譯作「智能模擬」,因為它的主要目的是用計算機來模擬人的智能活動:判斷、理解、學習、圖像識別、問題求解等。人工智慧的應用主要有機器人(Robots)、專家系統(Expert System)、模式識別(Pattern Recognition)、智能檢索(Intelligent Search)等。


計算機系統包括:計算機硬體系統和計算機軟體系統。計算機通過執行程序而運行,計算機工作時軟硬體協同工作,二者缺一不可。

軟體通常分為系統軟體和應用軟體兩大類。系統軟體是計算機製造者提供的使用和管理計算機的軟體,它包括操作系統、語言處理系統、常用服務程序等。應用軟體是計算機用戶用計算機及其提供的各種系統軟體開發的解決各種實際問題的軟體。

必須指出,在計算機系統中,硬體和軟體之間並沒有一條明確的分界線。一般說,任何一個由軟體完成的操作也可以直接由硬體來實現,而任何一個由硬體所執行的指令也能夠用軟體來完成。軟體和硬體之間的界線是經常變化的。今天的軟體可能就是明天的硬體,反之亦然。


從計算機系統結構上說,計算機採用了「存儲程序」的工作原理。這一原理是1946年由馮.諾依曼提出的,根據這一原理構成的計算機也就稱為馮.諾依曼結構計算機。

一個完整的計算機系統是由硬體系統和軟體系統兩大部分組成,分別簡稱硬體和軟體。硬體系統是構成計算機系統的各種物理設備的總稱,沒有硬體當然也就不存在所謂的計算機。軟體系統是指計算機上運行的各種用途的程序以及使用的維護文檔的總和。硬體提供了處理數據的物質基礎,但如果沒有軟體的支持,它什麼事情也做不了,硬體是計算機的軀體,軟體才是它的靈魂,計算機只有硬體沒有軟體被稱為「裸機」。但是,也不能認為只要通過軟體的開發,就可以無止境地發揮計算機的效能計算機系統的最大能力還是由硬體決定的。硬體與軟體是有機的結合體,是計算機系統兩個不可分割的組成部分,它們相輔相成,缺一不可。計算機系統的基本組成如圖1-1所示。

1-1 計算機系統的基本組成


現代計算機是第一個自動化信息處理裝置。迄今為止,所有計算機均採用馮·諾依曼型計算機的設計思想,即計算機由五大基本部分所組成,它們是運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備,如圖1-2所示。其中,存儲器又分為內存儲器和外存儲器,分別簡稱內存和外存;運算器和控制器全稱中央處理器(CPU:CentralProcessing Unit);CPU和內存儲器則合稱計算機的主機,在微型機中主機安裝在一塊主機板上;外存儲器和輸入輸出設備又統稱自外部設備,簡稱外設。

圖1-2 計算機硬體系統的基本組成

微型機的結構亦遵循馮.諾依曼型計算機的基本思想。但隨著集成電路製作工藝的不斷進步,出現了大規模集成電路和超大規模集成電路,就可以把計算機的核心部件運算器和控制器集成在一塊集成電路晶元內。它們由微處理器、存儲器和輸入/輸出介面等集成電路組成,各部分之間通過匯流排連接,並實現信息交換。

1.微處理器

中央處理器(CPU)主要包括運算器(ALU)和控制器(CU)兩大部件,是計算機核心,其性能通常標誌計算機系統的性能。如果將CPU集成在一塊很小的半導體晶元上,這種晶元就稱為微處理器。微型機的檔次高低主要就取決於這個微處理器,例如計算機的運算速度主要取決於運算器每秒鐘能夠進行運算的次數或者CPU的時鐘頻率。時鐘頻率又稱為主頻率,用兆赫(MH)表示,一般時鐘頻率越高運算速度也就越高。

(1)控制器(ControlUnit)

控制器的功能是協調和指揮整個計算機系統的操作。

主要功能:從內存中取出一條指令,並指出下一條指令在內存中的位置;對指令進行解碼,產生相應的控制信號,啟動規定的動作;指揮並控制CPU、內存和輸入/輸出設備之間數據流動的方向。

為實現上述功能,控制器一般應包括以下幾個部件:

① 指令寄存器——用於存放當前要執行的指令。

② 指令解碼器——對指令進行分析,確定指令類型、指令所要完成的操作,並確定指令操作對象--操作數的地址和操作結果的存放地址。

③ 時序節拍發生器——產生一定的時序脈衝和節拍電位去控制計算機按節拍有節奏、有時序地工作,來完成指令所要完成操作。

④ 指令計數器——存放下一條指令的地址。

⑤ 操作控制部件――將脈衝、電位和指令解碼器的控制信號組合起來,有時間性地、有順序地去控制各個部件完成的操作。

(2)運算器(ArithmeticUnit)

運算器進行的全部操作都由控制器發出的控制信號來指揮的,所以它是執行部件。主要功能:算術運算和邏輯運算。它的任務是對信息進行加工處理。運算器由算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit,簡稱ALU)、累加器、狀態寄存器和通用寄存器組等組成。算術邏輯單元是用於完成加、減、乘、除等算術運算,與、或、非等邏輯運算及移位、求補等操作的部件。累加器用於暫存操作數和運算結果。狀態寄存器也稱標誌寄存器,用於存放算術邏輯單元在工作中產生的狀態信息。通用寄存器組是一組寄存器,運算時用於暫存操作數或數據地址。

算術邏輯單元、累加器和通用寄存器的位數決定了CPU的字長,例如在32位字長的CPU中,算術邏輯運算單元、累加器和通用寄存器都是32位的。

2.存儲器(Memory)

存儲器是計算機的記憶裝置。它的功能是存放原始數據、中間數據、運算結果和處理問題的程序。存儲器通常是按地址進行存取數據和程序的。它由許多存儲單元組成,每個單元存放一個若干二進位的數據代碼。為了區分不同的存儲單元,把存儲單元按一定的順序編號,這個編號稱為地址。要進行數據的存取操作,應先指出存儲單元的地址,然後由存儲器按指定的地址"選擇"相應的存儲單元,才能進行數據的存取。存儲器容量是位(bit)為單位。位元組(Byte):一個位元組為8個bit,是衡量存儲器容量的最基本單位。

1KB=1024Bytes

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

存儲器可分為內存儲器和外存儲器:

(1)內主存儲器(主存或內存)

內存儲器簡稱內存,是計算機的記憶裝置。它的功能是存放原始數據、中間數據、運算結果和處理問題的程序。存儲器通常是按地址進行存取數據和程序的。它由許多存儲單元組成,每個單元存放一個若干二進位的數據代碼。為了區分不同的存儲單元,把存儲單元按一定的順序編號,這個編號稱為地址。要進行數據的存取操作,應先指出存儲單元的地址,然後由存儲器按指定的地址"選擇"相應的存儲單元,才能進行數據的存取。

主存儲器的核心是MB,程序和數據存放在MB內,MB是大量存儲單元(memory unit)的結合,並組成一個線性區域,一個存儲單元可存放一個存儲字或若干個位元組(Byte)的內容(根據存儲單元編址的方式不同),存儲單元由若干個記憶單元組成,記憶單元則是存儲器最基本的元件,它記憶的是二進位數的一位(bit)。

主存儲器分為:只讀存儲器(ROM:Readonlymemory)和隨機存取存儲器(RAM:( Radem accessmemory)。

①只讀存儲器

ROM存儲器只能從中讀取代碼,而不能以作寫入操作。ROM中的信息是在製造時用專門設備一次寫入的。只讀存儲器常用來在上文固定不變重複執行的程序,如開機自檢程序、各種專用設備的控制程序等。ROM中存儲的內容是永久性的,其內容在機關或掉電後仍然存在,這樣能保證其中存放的程序和數據不易遭到破壞。

② 隨機存取存儲器

RAM是一種既可從中讀取數據又可向它寫入數據的隨機存取存儲器,但關機後其中的數據將全部消失。RAM存儲當前CPU使用的程序、數據、中間結果和與外存交換的數據,CPU可以直接讀/寫RAM中的內容。通常所說的內存就是RAM。內存容量是計算機的又一個重要指標,內存越大程序運行速度也越快。

(2)外存儲器(輔助存儲器)

外存儲器(又稱外存),是計算機長期保存信息的重要外部設備,用來存放待運行的程序和數據,當需要這些程序和數據時,系統會自動將其裝入主存儲器。外存通過外存介質(如磁碟、光碟)可將計算機中的信息在不同的計算機中進行交換。計算機關閉時外存里的信息不會丟失。其特點是容量大、速度低、價格便宜。目前常見是磁介質和光存儲設備(如圖1-3)。

① 硬碟Hard disk:容量大,可達幾十GB;讀寫速度快;數據傳輸率高,可達MB/S;穩定性好。

② 軟盤Floppy disk:由碟片和盤套組成,磁介質為存儲材料。常見規格為3.5inch 1.44MB。使用軟盤必須要有軟盤驅動器。

③ 光碟:可分為CDROM、CDR(CD Recordable)、CDRW(CDRecordable and Writable)三種類型。使用光碟必須要有光碟驅動器,相對應有三種光碟驅動器:CDROM、CDR、CDRW。

圖1-3 各種外存

3.輸入設備

輸入設備的作用是向計算機中輸入信息(程序、數據、聲音、文字、圖形、圖象等),是把原始數據和處理這些數據的程序轉換成計算機中用以表示二進位的電信號,輸入到計算機內存中;常把輸入設備簡稱為向計算機輸入數據和程序的設備。根據不同的使用計算機的方式可選用不同的輸入設備,常配置輸入設備有鍵盤、滑鼠器、掃描儀、光筆、語音輸入設備以及各種類型的模數轉換器等。

輸入方式:鍵盤方式、指點方式、掃描方式、手寫方式。

(1)鍵盤及其使用:鍵盤是微機中不可缺少的輸入設備,它實際上是組裝在一起的一組按鍵矩陣。當按下一鍵時就產生與該鍵對應的二進位代碼,並通過介面送入計算機。目前普遍使用的有101鍵、104鍵和108鍵等幾種形式,鍵盤通常包括數字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵和控制鍵等,並分放在不同的區內。幾種鍵盤的主要差別是Windows功能鍵的多少,不影響使用。

(2)滑鼠器:滑鼠是一種指點式設備。在當今Windows類操作系統中是不可缺少的。其作用可替代游標移動鍵進行游標定位操作和替代回車鍵操作;在各種軟體支持下,通過滑鼠上的按鈕完成某種特定功能。

滑鼠按其按鍵的多少分為兩鍵制和三鍵制滑鼠器;按工作原理分為機械式和光電式兩類。是一種移動游標和實現選擇操作的計算機輸入設備。可分為光電式、光機式和機械式。介面有RS232和PS/2。

(3)掃描儀:掃描儀是一種圖形、圖象的專門輸入設備。利用它可以迅速地將圖形、圖象、照片和文本從外部環境輸入到計算機中。使用時將要掃描的圖象、照片朝下放入掃描儀中,掃描時光電掃描小車移動,將圖象、照片轉換成數字信號,在計算機中加以識別,還原成對應的圖象、照片。

掃描儀不僅可以掃描圖形、圖象和照片,還可以將文字文本的內容以黑白圖方式掃描進計算機中,再經過OCR軟體識別成文字,極大地方便了大量文本的輸入。輸入圖形或圖象到計算機中去。介面有RS232、SCSI、USB等。

(4)寫字板是進幾年出現的代替鍵盤、滑鼠的輸入設備。特別是輸入漢字時不用記憶各種輸入法的鍵盤操作,直接用光筆在寫字板上書寫漢字,即可將漢字錄入進計算機里。特別適用於中老年人或不經常用電腦輸入漢字的人員適用。寫字板上的光筆代替滑鼠作為指點設備。

4.輸出設備

輸出設備的功能是把運算處理結果按照人們所要求的形式輸出,這些設備可以是顯示器、印表機、繪圖儀、數模轉換器等。

設備功能:輸出設備是計算機必不可少的外部設備,其功能是將計算機處理後的信息結果按人們所要求的形式展示出來。

輸出形式:文字、圖形、圖像、聲音,以及其他人們所要求的信號。

(1)顯示器

顯示器是微機所必需的輸出設備,用來顯示計算機的輸出信息。雖然用戶輸入的信息可以立即在顯示器屏幕上顯示出來,但它不是輸入設備,輸入的信息是經計算機處理後輸出到顯示器屏幕上的。顯示器有不同的類別、不同的顯示方式和顯示解析度,顯示器與計算機連接的介面是顯示卡。

顯示器的主要技術指標有屏幕尺寸、點距、顯示解析度、灰度和顏色深度及刷新頻率。

①解析度:屏幕能顯示像素的數目,像素是可以顯示的最小單位。解析度越高,則像素越多,圖形就越清晰。

②點距:點距越小圖像越細緻,解析度越高。

③灰度:指像素點亮度的級別數,在單色顯示方式下,灰度的級數越多,圖像層次越清晰。

④顏色深度:指計算機中表示色彩的二進位位數

⑤刷新頻率:指每秒鐘內屏幕畫面刷新的次數。刷新頻率越高,畫面閃爍越小,通常是75 Hz~90 Hz。

顯示器分為CRT(陰極射線管)和LED(液晶顯示器),按顯示顏色分類,顯示器有單色顯示器和彩色顯示器兩大類。單色顯示器只顯示單一的顏色,色彩單調;彩色顯示器則能顯示多種色彩。按掃描方式分類,顯示器可分為隔行掃描顯示器和逐行掃描顯示器兩種。逐行掃描顯示器的顯示效果和質量都高於隔行掃描顯示器。

按尺寸分類,顯示器又有9"、14"、15"、17"、20"等尺寸,這裡的尺寸指的是顯示器對角線尺寸。通常尺寸大的顯示器多用於繪圖及工程設計等方面,家用顯示器一般用14"或15"。

顯示器的顯示方式有字元方式和圖形方式兩種。在字元方式下,屏幕被劃分為一個個固定的行和列,按行列方式將字元顯示出來。在圖形方式下屏幕上的每個像素都可以被設置成不同的色彩和亮度,並由像素組合成字元或圖形。屏幕的解析度就是指屏幕由多少個發光點,一個發光點稱為一個像素。像素越多,解析度越高。顯示器的解析度主要由顯示卡決定,當然也受顯示器本身制約,分為低、中、高三個檔次。

低解析度(CGA):像素在320×200左右;

中解析度(EGA):像素在640×350左右;

高解析度(VGA):像素在640×480及以上。

顯示卡是顯示器與主機連接的介面,由顯示內存(又稱顯緩)、寄存器組和控制電路三部分構成。其主要功能是控制顯示器的顯示解析度、顯示速度、顏色或灰度等級、圖形顯示能力等。

(2)印表機

印表機是計算機的另一種主要輸出設備,主要用途是將計算機的輸出信息列印在某種載體(如紙)上。用印表機輸出的信息主要是文字、數字、圖形等。印表機的主要部件有印表機構、走紙機構和控制電路等部分,不同的印表機主要區別在於它們的列印系統不同。有的印表機單獨裝有字型檔,可提高印表機的列印速度。按輸出方式可分為逐字印表機和逐行印表機。按字元印出方式可分為擊打式和非擊打式印表機。前者通過機械撞擊方式形成字元,後者是通過電、磁、光、熱等手段形成字元,在列印過程中無機械擊打動作。衡量列印精度用dpi值表示。目前,微機系統使用的印表機主要有三種:針式印表機、噴墨印表機和激光印表機。

(3)繪圖儀

繪圖儀主要用於工程圖紙的輸出,是計算機上專用的一種輸出設備。按其輸紙形式,繪圖儀有平板繪圖儀和滾筒繪圖儀兩種。傳統繪圖儀繪圖採用的是繪圖筆輸出形式,出圖較慢;現在新型的繪圖儀採用噴墨方式繪圖,出圖速度快、質量高。

平板繪圖儀的輸出是在一個平面上進行的,將繪圖紙放在繪圖儀的平面上,輸出頭在平面上可進行二維移動,繪出圖形。由於平面尺寸的限制,平板繪圖儀通常繪製的圖紙不能很大。

滾筒繪圖儀的輸出是在一個滾筒上進行的,將繪圖紙放在繪圖儀的滾筒上,滾筒滾動送紙,輸出頭在滾筒上進行一維移動,繪出圖形。由於滾筒可以做得比較長,滾筒繪圖儀通常繪製的圖紙可以很大,如號圖紙。


計算機軟體( Software,也稱軟體,)是指計算機系統中的程序及其文檔,程序是計算任務的處理對象和處理規則的描述;文檔是為了便於了解程序所需的闡明性資料。程序必須裝入機器內部才能工作,文檔一般是給人看的,不一定裝入機器。

計算機軟體總體分為系統軟體和應用軟體兩大類:

1.系統軟體

系統軟體是負責管理計算機系統中各種獨立的硬體,使得它們可以協調工作。系統軟體使得計算機使用者和其他軟體將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬體是如何工作的。

一般來講,系統軟體包括操作系統和一系列基本的工具(比如編譯器,資料庫管理,存儲器格式化,文件系統管理,用戶身份驗證,驅動管理,網路連接等方面的工具)。

2.應用軟體

應用軟體是為了某種特定的用途而被開發的軟體。它可以是一個特定的程序,比如一個圖像瀏覽器。也可以是一組功能聯繫緊密,可以互相協作的程序的集合,比如微軟的Office軟體。也可以是一個由眾多獨立程序組成的龐大的軟體系統,比如資料庫管理系統。

較常見的有:文字處理軟體如WPS、Word等,信息管理軟體,輔助設計軟體如AutoCAD,教育與娛樂軟體。

軟體開發是根據用戶要求建造出軟體系統或者系統中的軟體部分的過程。軟體開發是一項包括需求捕捉,需求分析,設計,實現和測試的系統工程。


數據是計算機處理的對象。這裡的「數據」含義非常廣泛包括數值、文字、圖形、圖像、視頻等各種數據形式。計算機內部一律採用二進位表示數據。二進位並不符合人們的習慣,但是計算機內部仍採用二進位表示信息,其主要原因有以下四點:

1.電路簡單

計算機是由邏輯電路組成,邏輯電路通常只有兩個狀態。例如,開關的接通與斷開,晶體管的飽和與截止,電壓電平的高與低等。這兩種狀態正好用來表示二進位數的兩個數碼和l。

2.工作可靠

兩個狀態代表的兩個數碼在數字傳輸和處理中不容易出錯,因而電路更加可靠。

3.簡化運算

二進位運演算法則簡單。例如,求積的運演算法則只有3個。而十進位的運演算法則(九九乘法表)對人們來說雖然習以為常,但是讓機器去實現卻變得非常困難。

4.邏輯性強

計算機的工作是建立在邏輯運算基礎上的,邏輯代數是邏輯運算的理論依據。有兩個數碼和1,正好代表邏輯代數中的「真」與「假」。


數的進位制度稱為數制。人們常用的十進位,鐘錶計時中使用的一小時等於六十分鐘,每一年分為十二個月,早年我國曾使用過的一市斤等於十六兩的十六進位等。在計算機內部,信息廣泛採用二進位形式表示。表1-1列出了常用數制的表示方法。

註:位權:各個數位的位值。①小數點前:右→左,i=0,1,2,…;②小數點前:左→右,i=-1,-2,…。

表1-1 常用數制

1.十進位計數制

十進位是日常生活中最常用的數制。十進位計數制的特徵如下:

(1)使用10個不同的數碼符號,1,2,3,4,5,6,7,8,9;

(2)基數為10常在數字後面加上D以示區別(23D表示十進位數23);

(3)每一個數碼符號根據它在數中所處的位置(即數位),按逢十進一來決定其實際數值。

任意一個十進位正數D,可以寫成如下形式:

(D)10=Dn-l×10^n-1+Dn-2×10^n-2+…+Dl×10^1+D0×10^0+D-l×10^-1+D-2×10^-2+…+D-m×10^-m

例如,(123.45)10以小數點為界,往左是個位、十位、百位,往右是十分位、百分位。所以可以表示為:

(123.45)10=l×10^2+2×10^1+3×10^0+4×10^-1+5×10^-2

上式就是按位權的方式展開的例子,其中10^n-1稱為位權(10^2對應百位,10^1對應10十位,10^0對應個位,10^-1對應十分位,10^-2對應百分位)。在計算機中,一般用十進位數進行數據的輸入、輸出。

2.二進位計數制

計算機中數的存儲、運算、傳輸都使用二進位。在二進位計數制中,基數是2隻有兩個數碼和l,任何形式數據都要靠和1來表示,計數的原則是「逢2進1」。為了能有效地表示和存儲不同形式的數據,人們使用了下列不同的數據單位:

(1)位(bit)

位,音譯為"比特",是計算機存儲數據、表示數據的最小單位。一個bit表示一個二進位位。

(2)位元組(byte)

位元組來自英文Byte,簡記為B,音譯為"拜特"。規定l個位元組等於8個位,即lByte=8 bit。位元組是個重要的數據單位,表現在:

計算機存儲器是以位元組為單位組織的,每個位元組都有一個地址碼(就像門牌號碼一樣),通過地址碼可以找到這個位元組,進而能存取其中的數據

位元組是計算機處理數據的基本單位,即以位元組為單位解釋信息。

計算機存儲器容量大小是以宇節數來度量的,經常使用的單位有B、KB、MB、GB。

lByte=8 bit

1KB=2^10B=1024B

1MB=2^10KB=2^10×2^10B=1048576B

(3)字長(Word)

計算機一次存取、加工和傳送的位元組數稱為字長。由於字長是計算機一次所能處理數據的實際位數,所以它決定了計算機數據處理的速度,因而是衡量計算機性能的一個重要標誌。字長越長,性能越強。

任意一個二進位正數B,可以寫成如下形式:

(B)2=Bn-l×2n-1+Bn-2×2n-2+…Bl×21+B0×2+B-l×2-1+B-2×2-2+…+B-n×2-n

例如:

(11011.101)B=l×24+1×23+×22+1×21+l×2+1×2-1+×2-2+1×2-3=(27.625)D

3.八進位計數制

在八進位計數制中,基數是8,計數的原則是「逢8進1」。特徵如下:

(1)使用8個不同的數碼符號,1,2,3,4,5,6,7;

(2)基數為8常在數字後面加O以示區別(23O表示八進位數23);

(3)每一個數碼符號根據它在數中所處的位置(即數位),按逢八進一來決定其實際數值。

任意一個八進位正數S,可表示為:

(S)8=Sn-l×8n-1+Sn-2×8n-2+…+S1×81+S0×8+S-l×8-1+…+S-m×8-m

例如:

(472.64)O=4×82+7×81+2×8+6×8-1+4×8-2=(314.8125)D

4.十六進位計數法

在十六進位計數制中,基數是16,計數的原則是「逢16進1」。特徵如下:

(1)使用16個不同的數碼符號,它們是,l,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F;

(2)基數為16常在數字後面加H以示區別(23H表示十六進位數23);

(3)每一個數碼符號根據它在數中所處的位置(即數位),按逢十六進一來決定其實際數值。

對任意一個十六進位正數H,可表示為:

(H)16=Hn-l×16n-1+Hn-2×16n-2+…+Hl×161+H0×16+H-l×16-1+…+H-m×16-m

例如:

(3AB.28)H=3×162+A×161+B×16+2×16-1+8×16-2=(939.15625)D


1.十進位數轉換成二進位數

將十進位整數轉換成二進位整數通常採用的方法是「除2取余倒記法」。即將十進位數除以2,得到一個商數和餘數;再將其商數除以2,又得到一個商數和餘數;按此方法繼續下去,直到商數等於零為止。每次所得的餘數(0或1)就是對應二進位數的各位數字,並且第一次得到的餘數是二進位數的最低位,最後一次得到的餘數是二進位數的最高位。

對於小數部分,採用連續乘以基數2,並依次取出的整數部分,直至結果的小數部分為為止。故該法稱「乘基取整法」。

2.十進位數轉換成八進位數

將十進位數轉換成八進位數的方法是:分別按「除8取余倒記法」和「乘以8取整數」對十進位數的整數部分與小數部分進行轉換,然後再組合起來,得到相應的八進位數。

3.十進位數轉換成十六進位數

將十進位整數轉換成十六進位整數的方法是「除以16取餘數」。十六進位數計數的原則是「逢16進1」。在十六進位數中,用A表示10,B表示11,C表示12,D表示13,E表示14,F表示l5。

4.二進位數與八進位數相互轉換

1 011 010 101 110B

1 3 2 5 6 O

(11 011 111. 011 100)B

3 3 7 . 3 4 O

將八進位數轉換成二進位數的方法則是一個逆過程,即把八進位數中的每一位數都用相應的三位二進位數來代替。

5.二進位數與十六進位數相互轉換

1011 0100 1111 0111

B4F7

1100 0010 . 1001 1000

C 2 . 9 8


1.定點表示法

(1)定點整數表示

例:-110010B,設字長為8位

符號位:1表示負數

表示正數

△設字長為8位,則可表示的整數個數為28個

其中,最大數為27-1=127(即:1111111B)

(2)定點小數表示

例:-0.011001,設字長為8位

2.浮點表示法

例:101.01B→ 0.10101×211(規格化浮點數)

尾數:0.10101B(小數點後第一位數不為)

底數:2D,階:11B

3.機器碼:原碼、反碼、補碼

(1)原碼:一個整數,按照絕對值大小轉換成的二進位數,稱為原碼。

例如:符號位數值位

[+7]原= 0 0000111 B

[-7]原= 1 0000111 B

數的原碼有兩種形式:

8位二進位原碼的表示範圍:-127~+127

(2)反碼:正數的反碼與原碼相同;負數的反碼,符號位為「1」,數值部分按位取反。

例如:符號位數值位

[+7]反= 0 0000111 B

[-7]反= 1 1111000 B

數的反碼也有兩種形式,即

8位二進位反碼的表示範圍:-127~+127且反碼是相互的。

(3)補碼:正數的補碼和原碼相同;負數的補碼則是符號位為「1」,數值部分按位取反後再在末位(最低位)加1。也就是「反碼+1」。

例如:符號位數值位

[+7]補= 0 0000111 B

[-7]補= 1 1111001 B

補碼在微型機中是一種重要的編碼形式,請

採用補碼後,可以方便地將減法運算轉化成加法運算,運算過程得到簡化。正數的補碼即是它所表示的數的真值,而負數的補碼的數值部份卻不是它所表示的數的真值。採用補碼進行運算,所得結果仍為補碼。

與原碼、反碼不同,數值的補碼只有一個,即

若字長為8位,則補碼所表示的範圍為-128~+127;進行補碼運算時,應注意所得結果不應超過補碼所能表示數的範圍。

(4)原碼、反碼和補碼之間的轉換

由於正數的原碼、補碼、反碼錶示方法均相同,不需轉換。在此,僅以負數情況分析。

1 0 1 1 0 1 0 0原碼

1 1 0 0 1 0 1 1反碼,符號位不變,數值位取反

1 +1

1 1 0 0 1 1 0 0補碼

按照求負數補碼的逆過程,數值部分應是最低位減1,然後取反。但是對二進位數來說,先減1後取反和先取反後加1得到的結果是一樣的,故仍可採用取反加1有方法。

1 1 1 0 1 1 1 0補碼

1 0 0 1 0 0 0 1符號位不變,數值位取反

1 +1

1 0 0 1 0 0 1 0原碼


計算機編碼是為了讓所有字元全部按統一格式轉換成計算機能夠識別的二進位碼。它分別有字元編碼(ASCII碼)、二進位編碼的十進位數(BCD碼(餘三碼/ 8421碼)、漢字編碼(國標碼)等。

1.數字編碼:8421BCD碼

每位十進位數用四位二進位數編碼表示。例如:

BCD碼與十進位、二進位、十六進位的對應關係如下表:

表1-2 對應關係

2.西文字元編碼

對於西文字元而言,每一個字元都有一個編碼。國際上最常用的就是ASCII碼(AmericanStandard Code for Information Interchange美國信息交換標準代碼)。常用字元有128個,編碼從到127,包括10個阿拉伯數字、52個英文大小寫字母、32個標點符號和運算符及34個控制碼及專用符號等95種可列印字元。每個字元佔一個位元組,7位,最高位為。常用字元的ASCII碼的表示如下表:

表1-3 常用字元ASCII碼錶

3.漢字編碼

ACSII碼只對英文字母、數字和標點符號進行了編碼。為了在計算機內表示漢字,用計算機處理漢字,同樣也需要對漢字進行編碼。計算機對漢字信息的處理過程實際上是各種漢字編碼間的轉換過程。這些編碼主要包括:

漢字信息交換碼(統一全國漢字字型)

漢字機內碼(計算機內部漢字信息處理)

漢字輸出字形碼(顯示字型檔和列印字型檔)

漢字輸入碼(音碼、形碼、音形碼等)

下面分別介紹各種漢字編碼:

(1)漢字信息交換碼(國標碼)

1981年國家標準總局頒布了GB2312-80《通訊用漢字字符集(基本集)及其交換標準》,通稱國標碼或交換碼,它的作用是統一所有漢字的字型,以便計算機之間進行交換。在此標準中,收錄了7445個漢字和符號,其中漢字67631個(一級漢字3755個,二級漢字3008個)。所有漢字字元共分為95個區(00-94區),每個區分為95個位(00 -95位),漢字所在的區號和位號共同組合成該漢字的區位碼,即標準碼(或稱交換碼)。由於漢字數量大,用一個位元組無法區分,故採用兩個位元組對漢字進行編碼。

在GB2312-80中,將全部國標漢字及符號組成一個94×94的矩陣。在此方陣中,每一行稱為一個「區」,每一列稱為一個「位」。這樣就組成了一個有94個區(01~94),每個區有94個位(01—94)的漢字字符集。將區號和位號組合在一起就形成了「區位碼」。區位碼可以唯一確定某一個漢字或符號,反之也一樣。國標碼用兩個七位二進數表示一個漢字,一般用四位十六進位數書寫,國標碼與區位碼之間有如下關係(H表示該數是十六進位數):

國標碼前兩位=區碼+20H

國標碼後兩位=位碼+20H

國標漢字及符號的94區的分布情況如下:

1~15區為圖形符號區,其中0~9區為標準區;10~15區為自定義區;16~55區為一級常用漢字區,按拼音排序;56~87區為二級非常用漢字區,按部首排序;88~94區為自定義漢字區。

(2)漢字機內碼

在計算機內部,漢字作為字元(不涉及字形)進行存儲、加工等處理時所用編碼稱為漢字機內碼,簡稱機內碼或內碼。因為漢字的區碼和位碼都在1到94內,所以計算機中沒有直接採用區位碼作機內碼,否則,就會與ASCII碼發生衝突。

目前使用的漢字機內碼是國標碼的變形,即把國標碼的二位元組表示中的每個位元組的最高位改為1,即得到機內碼。因此,機內碼與國標碼、區位碼之間有如下關係:

機內碼=國標碼+8080H

機內碼的第一位元組=區碼+A0H

機內碼的第二位元組=位碼+A0H。

例如:漢字「啊」的區位碼是1601,它的國標碼是3021H,機內碼是B0A1H。

漢字機內碼每個位元組的最高位均是1,而西文字元機內碼(ASCII)的最高位是,因此,可從機內碼區分西文字元和漢字。漢字系統的整字識別功能就利用了機內碼的這一特點。

(3)漢字字形碼

漢字與西文相比,具有數量多,字形及筆畫複雜等特點,因此對漢字的描述比較複雜,一般把一個漢字看成是一個特定的圖形,用點陣進行描述,還有矢量和曲線逼近等描述方式。點陣是字形的直接描述,其它描述的最終結果仍是點陣。漢字字形碼即漢字字形的編碼,亦稱字模。

漢字點陣描述方法是以點陣或矢量表示漢字字形的編碼,將一個漢字放入一個橫豎都經過等分的正方塊中,每個點用一位二進位數表示,有筆劃的為1,無筆劃的為。八個點組成一個位元組。位元組的取向分橫向和豎向兩種,前者一般用於顯示,後者一般用於列印。

目前,我國已頒布了16*16、24*24、32*32和48*48點陣的字模標準。通常點陣越大,字元的筆劃就越光滑,但相應字模的存儲量也隨之加大。漢字顯示一般用16*16的點陣,而24*24以上的點陣一般用於列印。存放字模的數據文件叫做漢字字型檔,簡稱字型檔。字型檔中漢字依照GB2312-80排序。不同點陣的字型檔所佔用的空間是不同的,點陣越大,其佔用的空間越大。漢字的字形碼是漢字的輸出依據。在漢字點陣編碼中,有筆畫落到的點為1(發光),否則為(不發光)。

例:「中」的16×8點陣編碼佔據存儲空間16×8/8=16(位元組)

圖1-4 「中」點陣字形

(4)漢字輸入碼

像西文字元的輸入一樣,漢字輸入也依靠鍵盤來實現。不過,標準的計算機鍵盤不具備直接輸入漢字的功能,只能依靠另行設計的漢字輸入碼來實現。

漢字輸入碼是用來完成漢字的輸入的漢字編碼,也稱之為漢字的外碼。主要是為了便於操作者從鍵盤上輸入漢字。一般漢字輸入碼可分為以下四類:

流水碼(如電報碼,區位碼,國標碼等)

音碼(如全拼碼,簡拼碼,雙拼碼等)

形碼(如五筆字型,大眾碼,倉吉碼等)

音形碼(如自然碼,首尾碼等)

現行的漢字輸入方案眾多,常用的有拼音輸入法、五筆字型輸入法等。每種方案對同一漢字的輸入編碼固然並不相同,但經轉換後存入計算機內的機內碼均相同。

例如,我們以全拼輸入方案鍵入「neng」,或以五筆字型輸入方案鍵入「ce」,都能得到「能」這個漢字所對應的機內碼。這個工作由漢字代碼轉換程序依靠事先編製好的輸入碼對照表完成轉換。

常用拼音輸入法有:全拼拼音輸入法、智能ABC輸入法、微軟拼音輸入法、中文之星的智能狂拼輸入法等。全拼拼音輸入法以輸入「字」為主,智能ABC輸入法以輸入「片語」見長,微軟拼音輸入法和智能狂拼輸入法以輸入「句子」和大段文章為其優點。拼音輸入法易學,適用於初學者。

除此之外,在漢字信息處理中,還有漢字字形碼。它以漢字的形狀確定編碼,編碼規則較為複雜。字形碼的最大特點是能廣泛地為國內外不同地區使用不同漢語方言的人們服務。漢字的形是固定的,因此,不認識的字可以拆分。五筆字形輸入法是最影響的字形碼。字形碼的碼長較短,輸入速度快,但需要時間去學習和記憶,適用於專業錄入人員。


計算機病毒(Computer Virus)在《中華人民共和國計算機信息系統安全保護條例》中被明確定義,病毒指「編製者在計算機程序中插入的破壞計算機功能或者破壞數據,影響計算機使用並且能夠自我複製的一組計算機指令或者程序代碼」。

計算機病毒與醫學上的「病毒」不同,計算機病毒不是天然存在的,是人利用計算機軟體和硬體所固有的脆弱性編製的一組指令集或程序代碼。它能潛伏在計算機的存儲介質(或程序)里,條件滿足時即被激活,通過修改其他程序的方法將自己的精確拷貝或者可能演化的形式放入其他程序中。從而感染其他程序,對計算機資源進行破壞,所謂的病毒就是人為造成的,對其他用戶的危害性很大。


1. 繁殖性:計算機病毒可以像生物病毒一樣進行繁殖,當正常程序運行時,它也進行運行自身複製,是否具有繁殖、感染的特徵是判斷某段程序為計算機病毒的首要條件。

2. 破壞性:計算機中毒後,可能會導致正常的程序無法運行,把計算機內的文件刪除或受到不同程度的損壞。破壞引導扇區及BIOS,硬體環境破壞。

3. 傳染性:計算機病毒傳染性是指計算機病毒通過修改別的程序將自身的複製品或其變體傳染到其它無毒的對象上,這些對象可以是一個程序也可以是系統中的某一個部件。

4. 潛伏性:計算機病毒潛伏性是指計算機病毒可以依附於其它媒體寄生的能力,侵入後的病毒潛伏到條件成熟才發作,會使電腦變慢。

5. 隱蔽性:計算機病毒具有很強的隱蔽性,可以通過病毒軟體檢查出來少數,隱蔽性計算機病毒時隱時現、變化無常,這類病毒處理起來非常困難。

6. 可觸發性:編製計算機病毒的人,一般都為病毒程序設定了一些觸發條件,例如,系統時鐘的某個時間或日期、系統運行了某些程序等。一旦條件滿足,計算機病毒就會「發作」,使系統遭到破壞。


防治計算機病毒就像人類防止傳染病一樣,堵塞計算機病毒傳播渠道是防止計算機病毒傳染的最有效方法。堵塞病毒傳播渠道的有效措施有以下幾個方面。

1. 安裝殺毒軟體,定期進行殺毒。

2. 對公用軟體和共享軟體的使用要謹慎。

3. 對新添的置的計算機系統要進行病毒檢測

4. 對所有不再需要寫入數據的磁碟都應加防寫。

5. 系統數據經常做備份,檢查、殺毒後保存備用。

6. 一旦發現有計算機遭受病毒感染,應立即隔離,儘快殺毒。

7. 計算機網路上可執行文件的交換極易傳播病毒,應限制網上可執行文件的交換。


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