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计算机基本原理
第一章计算机硬件系统
1.1主机
1.1主机
（1）中央处理器。
中央处理器，英文缩写CPU（CentralProcessingUnit），也称中央处理单元，主要由控制器和运算器组成。
对微型机来说，中央处理器做在一个芯片上，称为微处理器。
它是计算机的核心。
通常CPU的型号决定了整机的型号和基本性能。
如CPU是奔腾4的计算机，称为“奔4”微机。
目前，我们使用的大部分微型机是PC系列机，下表是近年来CPU的主要技术指标。
CPU型号
主频率（MHz）
位数
80386
16/33/40
32位
80486
20/……/66……/100
32位
奔腾Ⅰ、奔腾Ⅱ、奔腾4、Duron、AthlonXP
60/90/100/……/450/4.3G……
64位
表中的主频率（masterfrequency）指的是中央处理器时钟的频率，也称计算机主频率（computermasterfrequency）。
主频率通常以兆赫兹（MHz）为单位，是衡量计算机速度的重要指标。
早期的CPU是8088和8086，它们是准16位机--在内部运算是16位，和外部交换数据是8位。
80286是16位机。
386微机有准32位机（386SX）和真32位机（386DX）之分。
486也是32位机，但是比386多了一块"协处理器"，因而性能比386有较大提高。
许多"奔腾"系统的CPU已是64位机。
在同一型号的计算机中，还有时钟频率的区别。
时钟频率越高，计算机的运行速度就越快。
（2）内存储器。
内存储器（memory/storageunit）也叫主存储器，简称内存，安装在计算机的主板上。
内存储器用来存放计算机当前工作所需的程序和数据。
内存的容量直接影响计算机的性能，PC系列机的内存容量已由早期的640KB，发展到16MB、32MB、64MB、128MB，256M有的甚至超过1GB。
内存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存储器中存储的信息可以由用户进行更改，关闭计算机电源，随机存储器中存储的信息将全部消失。
只读存储器中存储的信息是由计算机厂家确定的，用户只能读出，不能更改，断电后信息不会丢失。
（3）总线。
总线（bus）是信息传送的公共通路或通道，是连接计算机有关部件的一族公共信号线。
总线可以用来传送数据、地址和控制信号，相应地被称为数据总线、地址总线和控制总线，在微型机中它们常被统称为系统总线。
计算机中采用总线结构可以减少信息传送线的条数和提高CPU与外部设备之间的数据传输率。
随着CPU的不断升级和计算机外部设备的日益更新与增多，已经推出了多种不同标准的总线。
目前，上PC机使用的总线主要有MCA（MicroChannelArchitecture即微通道结构）、EISA（ExtendedIndustrialStandardsArchitecture即扩展工业标准结构）、VESA（VideoElectronicStandardsAssociation即视频电子标准协会）、PCI（PeripheralComponentInterconnect即外部设备部件互连），AGP（高速图形接口总线，主要用于显卡），PCI-E（即高速外部设备部件互连总线）
1.2计算机常用的输入输出设备
1.2计算机常用的输入输出设备
（1）键盘（keyboard）。
计算机键盘上键的排列已有ISO2530和我国国家标准GB2787规定。
键盘上的每个键有一个键开关。
键开关有机械触点式、电容式、薄膜式等多种，其作用是检测出使用者的击键动作，把机械的位移转换成电信号，输入到计算机中去。
（2）鼠标器（mouse）。
鼠标器是一种控制显示器屏幕上光标位置的输入设备。
在Windows软件中，使用鼠标器使操作计算机变得非常简单：
在桌面上或专用的平板上移动鼠标器，使光标在屏幕上移动，选中屏幕上提示的某项命令或功能，并按一下鼠标器上的按钮就完成了所要进行的操作。
鼠标器上有一个、两个或三个按钮，每个按钮的功能在不同的应用环境中有不同的作用。
鼠标器依照所采用的传感技术可分为机械式、光电式和机械光电式三种。
机械式鼠标器底部有一个圆球，通过圆球的滚动带动内部两个圆盘运动，通过编码器将运动的方向和距离信号输入计算机。
光电式鼠标器采用光电传感器，底部不设圆球，而是一个光电元件和光源组成的部件。
当它在专用的有明暗相间的小方格的平板上运动时，光电传感器接受到反射的信号，测出移动的方向和距离。
机械光电式鼠标器是上述两种结构的结合。
它底部有圆球，但圆球带动的不是机械编码盘而是光学编码盘，从而避免了机械磨损，也不需要专用的平板。
（3）显示器（display）。
由监视器（monitor）和显示适配器（displayadapter）及有关电路和软件组成的用以显示数据、图形、图像的计算机输出设备。
显示器的类型和性能由组成它的监视器、显示适配器和相关软件共同决定。
监视器通常使用分辨率较高的显像管作为显示部件。
显象管是将电信号转变为可见图像的电子束管，又称为阴极射线管（CRT）。
可分为单色显像管（包括黑色、白色、绿色、橘红色、琥珀色等）和彩色显像管两大类。
电子枪发射被调制的电子束，经聚焦、偏转后打到荧光屏上显示出发光的图像。
彩色显像管有产生红、绿、蓝三种基色的荧光屏和激励荧光屏的三个电子束。
只要三基色荧光粉产生的光的分量不同，就可以形成自然界的各种彩色。
监视器的光标定位方法有随机扫描和光栅扫描两种，光栅扫描又分逐行扫描和交错隔行扫描（先扫描奇数行，再扫描偶数行，交错进行）两种。
逐行光栅扫描有许多优点，目前已得到广泛应用。
监视器的屏幕对角线有12英寸、14英寸、15英寸、20英寸等不同规格。
组成屏上图像的点称为像素（pixel）。
屏上最小可示像素的大小由点距确定。
点距越小，显示越清晰。
目前，PC机使用的监视器可支持的点距范围是：
0.39～0.22mm。
显示器的性能与显示适配器紧密相关。
随着PC机的发展，显示适配器出现了多种型号。
早期有单色显示适配器（MDA）和彩色图形显示适配器（CGA），后来有HGA、EGA、VGA等，近期以SVGA和AVGA为主流产品。
通常，显示适配器包括像素处理器、显示处理器、半导体读写存储器（简称显存）、只读存储器和接口电路。
这些器件被组装成一块电路板，一般称为显示卡。
显示卡可直接插在计算机的主板上使用。
计算机执行图形或图像显示时，像素处理器解释计算机送来的命令及参数，在读写存储器内实现画图操作，并做相应的彩色数据处理。
由于分辨率高的彩色动态图像的数据量很大，所以对显存的容量要求越来越高，从早期的64KB已经发展到4MB、8MB甚至更多。
除了CRT监视器，LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶显示器已成为当今显示器发展的主流。
其主要技术参数有：
a.亮度：
单位是nits，亮度高的屏幕在亮度高的环境下依然能够呈现鲜艳明亮的图像。
b.对比度：
单位？
是xxx:
1，对比度越高图像越有层次感或立体感，能看到的细节比较多。
c.视野角：
分水平和垂直两方面，单位是度。
屏幕越大要求视野角越高；电视要求的视野角要比显示器的大。
d.响应速度：
灰度响应才有意义，单位是毫秒（ms）。
响应速度越快画面的拖尾现象越小，主要是玩游戏和看片的时候要求比较高。
e.颜色：
采用6bit+FRC还是8bit，8bit要比6bit+FRC显示的颜色更多，不过效果上差别不大（如果不是专业绘图的话）。
LCD的显示器一般要比相同屏幕尺寸的CRT显示器昂贵，但是它有很多的优点。
优点
缺点
薄而且外观时尚
价格相对较高
省电
易损坏
重量轻，尤其是在屏幕尺寸大的时候
有限的可视角度
清晰锐利的图象
色彩表现有限或者不够一致
更大的可视面积
运动图象可能模糊或残影
无闪烁
与输入信号不同步时会产生画面抖动
与CRT显示器相比，基本上没有低频电磁辐射
使用非屏幕物理分辨率时的图象效果会变的很差，因为图象必须被缩放以适应它的物理像素
完美的几何特性，没有几何失真
没有汇聚（三色对齐）问题
此外，大屏幕显示器近年来也得到较快的发展。
大屏幕显示器按工作原理可分为投影式、矩阵式和模件式三种。
目前投影式大屏幕应用较多。
（4）打印机（printer）。
打印机是计算机系统中的一个重要输出设备。
它可以把计算机处理的结果（文字或图形）在纸上打印出来。
针式打印机（wireprinter）用一组细针，在电路的驱动下击打色带，在纸上留下墨迹。
由打印机针头的数量可分为9针打印机和24针打印机。
一个西文字符可以由8×9点阵组成，用9针打印机一次就可以打印一行。
一个汉字则需要由16×16、24×24或更多的点阵组成。
对于一个24×24点阵组成的汉字，用9针打印机需要反复3次才能完成，而使用24针打印机则可以一次打印完毕。
点阵式打印机由于采用了击打方式，所以打印中噪音较大。
它可以使用多种打印纸（有孔的宽型纸、窄型纸、复印纸或其他的单页纸等）。
可以用复写打印纸一次打印多份拷贝，还可以打印蜡纸，用于印刷。
打印的质量与色带的新旧程度有关。
喷墨式打印机（ink-jetprinter）是将墨水通过细小的喷嘴喷到纸上，打印质量较点阵式打印机好，噪音也较小。
但是，它只能使用质量较好的单页纸，有的更限制为一种规格（一般是A4）的复印纸。
喷墨打印机的消耗材料棗墨匣的价格比点阵式打印机的色带价格要高。
另外，它不能同时打印多份拷贝，也不能打印蜡纸。
激光打印机（laserprinter）的打印质量最好，速度快，噪声低，但价格比前两种高。
激光打印机的工作原理是：
由激光器发出的激光束经声光调制偏转器按字符点阵的信息调制。
在高频超声信号的作用下，声光偏转器衍射出形成字符的调制光束。
当频率变化时，激光束的衍射角度随之变化，形成纵向的扇出光束。
此扇出光束经高速旋转的多面镜反射，在预先荷电的转印鼓面上扫描曝光。
鼓面被激光束照射的部位的电荷消失，形成静电潜象。
当鼓面经过带相反电荷的色粉时，由于静电作用吸附上色粉，进行显影。
在电场的作用下，色粉由鼓面被转印到纸上。
经热挤滚压定影之后，字符便永久性地印在纸上。
此外，还有一些特殊用途的打印机，例如：
票据打印机、条码打印机等。
1.3外存储器
1.3外存储器
目前，微型机的外存储器主要有磁盘和光盘。
磁盘中主要以硬盘（HardDisk或FixedDisk）为主，软盘（FloppyDisk或Diskette）软件已退出了历史舞台。
硬盘内部结构图如下：
硬盘的主要技术参数如下：
（1）容量 硬盘常以兆字节（MB，一百万字节）和千兆字节（GB，十亿字节）为单位，市场上常见的硬盘容量多为4.3GB～30.1GB。
作为个人计算机最大的数据储存器，硬盘容量自然是越大越好。
而在容量上所受的限制，一方面来自厂家制作更大硬盘的能力，另一方面则来自计算机用户自身的实际工作需要和经济承受能力。
硬盘的选择应做到容量够用，有一定盈余。
但现在4.3GB以下的硬盘基本已经被淘汰，因此，目前至少应选10GB以上的硬盘。
当前的主流硬盘为20.1GB，以后会逐步向30.1GB过渡。
（2）数据传输率 硬盘的运行速度是购买者最关心的。
硬盘的数据传输率是衡量硬盘速度的一个重要参数。
它是指计算机从硬盘中准确找到相应数据并传输到内存的速率，以每秒可传输多少兆字节来衡量（MB/s），常见的为10～40MB/s。
数据传输率通常会受到总线速度、硬盘接口等因素的影响，对它影响最大的是硬盘磁头的读写速度。
如追求更快的速度或考虑到以后的升级需要，则应选择支持UltraDMA接口的硬盘。
特别是大型文件使用较频繁的用户，更要注意选择高数据传输率硬盘。
由于市场上这普通接口和Ultra接口硬盘的价格相差很小，所以，建议尽量购买支持UltraDMA100的新型硬盘，即使你目前的主板不支持UltraDMA（Inter430HX、VX及其更低档次的主板），经测试，这种硬盘的速度依然略高于普通硬盘。
一旦以后将主板升级至TX甚至更高水平，该硬盘就可大显身手了。
（3）平均寻道时间 平均寻道时间是指计算机在发出一个寻址命令，到相应目标数据被找到所需时间，我们常以它来描述硬盘读取数据的能力。
平均寻道时间越小，硬盘的运行速率相应也就越快。
一般硬盘的平均寻道时间在7.5～14ms。
IDE接口的硬盘应在9.7～12ms，请在购买时务必看清。
（4）硬盘高速缓存 与计算机的其他部件相似，硬盘也通过将数据暂存在一个比其磁盘速度快得多的缓冲区来提高速度，这个缓冲区就是硬盘的高速缓存（CACHE）。
硬盘上的高速缓存可大幅度提高硬盘存取速度，这是由于目前硬盘上的所有读写动作几乎都是机械式的，真正完成一个读取动作大约需要10ms以上，而在高速缓存中的读取动作是电子式的，同样完成一个读取动作只需要大约50ns。
由此可见，高速缓存对大幅度提高硬盘的速度有着非常重要的意义。
从理论上讲，高速缓存当然是越大越好，但鉴于成本较高，一般为256KB~2MB。
因此您在选购是最好选择带有2MB缓存的硬盘。
（5）硬盘主轴转速 较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，从而提高硬盘的运行速度。
一般硬盘的主轴转速为3600RPM～7200RPM（转/每分钟）。
对IDE接口的硬盘，其转速至少应选5400RPM的。
7200RPM的硬盘虽然价格稍高，但可以说是物有所值，千万不要为了几十块钱而因小失大。
（6）单碟容量 硬盘中的存储碟片一般有1～4片。
每张碟片的磁储存密度越高，则其达到相同容量所用的碟片就越少，其系统可靠性也就越好。
同时，高密度碟片可使硬盘在读取相同数据量时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘速度。
（7）柱面数（Cylinders） 柱面是指硬盘多个盘片上相同磁道的组合。
（8）磁头数（Heads） 硬盘的磁头数与盘面数相同。
（9）登陆区（Lzone：
landingZone） 登陆区是指数据区外最靠近主轴的盘片区域。
硬盘的盘片不转或转速较低时磁头与表面是接触的。
当转速达到额定值时，磁头以一定的“飞行”高度浮于盘片表面上。
登陆区的线速度较低，盘片启动与停转时磁头与盘片之间的磨擦不很剧烈，加之该区内不记录用户数据，即使盘片表面被擦伤了，也不影响正常使用。
故被选作磁头的登陆区。
（10）扇区数（Sectors） 硬盘上的一个物理记录块要用三个参数来定位：
柱面号、扇区号、磁头号。
硬盘容量=柱面数×磁头数×扇区数×512字节。
（11）耐用性 耐用性通常是用平均无故障时间、元件设计使用周期和保用期来衡量。
一般硬盘的平均无故障时间大都在20～50万小时。
光盘（disc）的存储量很大（一般在600MB以上，大的可到几十G），一张光盘有相当于几百至上千片软磁盘的存储容量，且存取速度快，没有磨损，存储的信息不会丢失，可以用来存储需要永久保留的信息，目前已成为微型电子计算机常用的外存介质。
外存储器是一种既可用作输入，也可用作输出的外部设备。
1.4其他外部设备
（1）声音卡（soundcard）
声音卡是专门处理音频信号的接口电路板卡。
它提供了与话筒、喇叭、电子合成器的接口。
它的主要功能是将模拟声音信号数字化采样存储，并可将数字化音频转为模拟信号播放。
（2）视频卡（videocard）
视频卡是专门处理视频信号的接口电路板卡。
它提供了与电视机、摄像机、录像机等视频设备的接口。
它的主要功能是将输入的视频信号送进计算机，记录下来，也可以把CD-ROM或其他媒体上的视频信号在显示器上播放出来。
（3）网络卡（networkcard）
网络卡也叫网络接口卡（NIC：
NetworkInterfaceCard）。
在局域网中的每台计算机的扩展槽中都要安装一块网络卡，以实现计算机之间的互连。
（4）调制解调器（modem）
调制解调器是可将数字信号转换成模拟信号，以适于在模拟信道中传输，又可将被转换的模拟信号还原为数字信号的设备。
它将计算机与模拟信道（例如现有的电话线路）相连接，以便异地的计算机之间进行数据交换。
调制解调器分内置式和外置式两类，传输速率有28.8kb/s、33.6kb/s、56kb/s等。
（5）扫描仪（scanner）
扫描仪是一种输入设备，它能将各种图文资料扫描输入到计算机中并转换成数字化图像数据，以便保存和处理。
扫描仪分为手持式扫描仪、平板扫描仪和大幅面工程图纸扫描仪三类。
主要用于图文排版、图文传真、汉字扫描录入、图文档案管理等方面。
（6）光笔（lightpen）
一种与显示器配合使用的输入设备。
它的外形像钢笔，上有按钮，以电缆与主机相连（也有采用无线的）。
使用者把光笔指向屏幕，就可以在屏幕上作图、改图或进行图形放大、移位等操作。
（7）触摸屏（touchscreen）
触摸屏是一种附加在显示器上的辅助输入设备。
借助这种设备，用手指直接触摸屏幕上显示的某个按钮或某个区域，即可达到相应的选择的目的。
它为人机交互提供了更简单、更直观的输入方式。
触摸屏主要有红外式、电阻式和电容式三种。
红外式分辨率低;电阻式分辨率高，透光性稍差;电容式分辨率高，透光性好。
（8）绘图机（plotter）
一种图形输出设备，与打印机类似。
绘图机分笔式和点阵式两类，常用于各类工程绘图。
此外，一些科技新产品，例如数码相机、数码摄像机等也已经列入计算机的外部设备。
·第二章计算机软件基础
2.1软件的基本概念
2.1软件的基本概念
完整的计算机系统包括硬件和软件两大部分。
硬件是指计算机系统中的各种物理装置，包括控制器、运算器、内存储器、I/O设备以及外存储器等，它是计算机系统的物质基础。
软件是相对于硬件而言的。
软件是计算机程序和有关资料的总称。
除了计算机运行所需的各种程序，还包括手册、说明书和有关资料。
软件系统看重解决如何管理和使用机器的问题。
没有硬件，谈不上应用计算机。
但是，光有硬件而没有软件，计算机也不能工作。
这正如乐团和乐谱的关系一样。
如果只有乐器、演奏员这类“硬件”而没有“乐谱”这类软件，乐团就很难表演出动人的节目。
所以，硬件和软件是相辅相成的。
只有配上软件的计算机才能成为完整的计算机系统。
硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分。
它们的关系主要体现在以下几个方面。
（1）硬件和软件互相依存
硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。
计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。
（2）硬件和软件无严格界线
随着计算机技术的发展，在许多情况下，计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现。
因此，在一定意义上来说，硬件和软件没有绝对严格的界线。
（3）硬件和软件协同发展
计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展和完善又促进了硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。
1．软件的特征
（1）软件是逻辑产品
⏹具有产值、价格、质量和功能的特性
⏹看不见,是逻辑的、无形的
⏹是脑力劳动的结晶
（2）软件产品质量的体现方式不同
⏹实用、可靠、可操作性；
⏹可维护性强
⏹方便用户
⏹不会折旧、损坏、老化
（3）软件产品的失败曲线不同（如下图所示）
（4）软件产品的成本构成不同
软件产品的生产主要是研制，生产成本主要在开发和研制，开发研制完成后，通过复制就产生了大量软件产品。
如下图所示。
（5）软件产品不存在同类零件替换
⏹当硬件产品中某个部件损坏后，可以用相同的备用部件更换，使硬件系统恢复正常工作。
⏹而软件产品却没有相同的备用部件可言，因为软件出现的每一个故障，要么是由于设计考虑不周造成的，要么是编程错误造成的。
⏹由于软件无备用部件可供更换，因而软件维护比硬件维护要复杂得多，成本也高得多。
（6）软件的4种属性
软件必须具备
⏹可维护性（Maintainability）
⏹独立性（Dependability）
⏹效率性（Efficiency）
⏹可用性（Usability）
2．软件的分类
软件按不同方式可以划分为不同的类型：
（1）按功能划分
（2）按规模划分软件分类
分类
程序规模
模块数
开发时间
开发人数
小
1K~2K行
25~50
1~6月
1人
中
5K~50K行
250~1000
1~2年
2~5人
大
50K~100K行
1000以上
2~3年
5~20人
甚大
1M行
4~5年
100~1000人
极大
1M~10M行
5~10年
2000~5000
应用软件一般是指那些能直接帮助个人或单位完成具体工作的各种各样的软件，如文字处理软件、计算机辅助设计软件、企业事业单位的信息管理软件以及游戏软件等。
应用软件一般不能独立在计算机上运行而必须有系统软件的支持，支持应用软件运行的最为基础的一种系统软件就是操作系统。
应用软件，特别是各种专用软件包经常是由专门的软件厂商提供的。
系统软件是指管理、控制和维护计算机及其外部设备，提供用户与计算机之间界面等方面的软件。
相于应用软件而言，系统软件离计算机系统的硬件比较近，而离拥护关心的问题则远一些，它不专门针对具体的应用问题。
这两类软件之间没有严格的界限。
有些软件夹在它们两者中间，不易分清其归属。
例如目前有一些专门用来支持软件开发的软件系统（软件工具），包括各种程序设计语言（编程和调试系统）、各种软件开发工具等。
它们不涉及用户具体应用的细节，但是能为应用开发提供支持，是一种“中间件”。
这些中间件的特点是，它们一方面受操作系统的支持，另一方面又用语支持应用软件的开发和运行。
当然，有时也把上述工具软件称作系统软件。
2.2系统软件
具有代表性的系统软件有：
操作系统、数据库管理系统，以及各种程序设计语言的翻译系统等。
1．操作系统（operatingsystem）
操作系统是最基本的系统软件，是计算机系统本身能有效工作的必备软件。
操作系统的任务是：
管理计算机硬件资源并且管理其上的信息资源（程序和数据），支持计算机上各种硬件和软件之间的运行和相互通信。
操作系统在计算机系统中具有特殊的地位：
计算机系统的硬件是在操作系统的控制下工作的；所有其他的软件，包括系统软件和大量的应用软件，都是建立在操作系统基础之上，并得到它的支持和取得它的服务。
如果没有操作系统的支持，人就无法有效地操作计算机。
因此，制造计算机的公司在出售计算机时总是同时提供操作系统。
操作系统本身又由许多程序组成。
其中有的管理CPU、内存的工作，有的管理外存储器上信息的存取，有的管理输入输出操作。
用户要通过操作系统所提供的命令和其他方面的服务去操纵计算机。
因此操作系统是用户与计算机之间的接口。
目前在微机上常用的操作系统有：
Windows系列操作系统、UNIX操作系统和Linux（自由软件）操作系统等。
2．语言处理系统
计算机在执行程序时，首先要将存储在存储器中构成程序的指令逐条取出，经过译码后向计算机的各部件发出控制信号，使其执行规定的操作。
目前、一般的程序都是用计算机的CPU不能直接识别的程序设计语言，如VisualBasic，Delphi,C++等来编写的。
这样的非机器语言程序必须经过翻译，变成机器指令后才能被计算机执行。
而负责这种翻译的程序被称为编译程序（编译系统）或解释程序。
为了在计算机上执行由某种程序设计语言编写的程序，就必须配置相应的语言处理系统。
3．数据库管理系统
数据库（database）是为了满足一定范围内许多拥护的需要，
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