計算機科學技術基礎

第一章計算機基礎知識

一、計算機的特點、分類及其應用

I、運算速度快

運算速度是計算機的一個重要性能指標。計算機的運算速度通常用每秒鐘執(zhí)行定點加法的

次數或平均每秒鐘執(zhí)行指令的條數來衡量0運算速度快是計算機的一個突出特點。計算機的

運算速度已由早期的每秒幾千次（如ENIAC機每秒鐘僅可完成5000次定點加法）發(fā)展到

現在的最高可達每秒幾千億次乃至萬億次。這樣的運算速度是何等的驚人！

計算機高速運算的能力極大地提高了工作效率，把人們從浩繁的腦力勞動中解放出來。過

去用人工曠II持久才能完成的計算，而計算機在"瞬間"即可完成。曾有許多數學問題，由于

計算量太大，數學家們終其畢生也無法完成，使用計算機則可輕易地解決。

2、計算精度高

在科學研究和工程設計中，對計算的結果精度有很高的要求。一般的計算工具只能達到幾

位有效數字（如過去常用的四位數學用表、八位數學用表等），而計算機對數據的結果精度

可達到十兒位、幾十位有效數字，根據需要甚至可達到任意的精度。

3、存儲容量大

計算機的存儲器可以存儲大量數據，這使計算機具有了"記憶"功能。目前計算機的存儲容

量越來越大，已高達千兆數量級的容量。計算機具有"記憶"功能，是與傳統(tǒng)計算工具的一個

重要區(qū)別。

4、具有邏輯判斷功能

計算機的運算器除了能夠完成基本的算術運算外，還具有進行比較、判斷等邏輯運算的功

能。這種能力是計算機處理邏輯推理問題的前提。

5、自動化程度高，通用性強

由于計算機的工作方式是將程序和數據先存放在機內，工作時按程序規(guī)定的操作，一步一

步地自動完成，一般無須人工干預，因而自動化程度高。這一特點是般計算工具所不具備

的。

計算機通用性的特點表現在幾乎能求解自然科學和社會科學中一切類型的問題，能廣泛地

應用各個領域。

計算機可分為模擬計算機和數字計算機兩大類

模擬計算機的主要特點是：參與運算的數值由不間斷的連續(xù)量表示，其運算過程是

連續(xù)的，模擬計算機由于受元器件質量影響，其計算精度較低，應用范圍較窄，目前已很少

生產.

數字計算機的主要特點是：參與運算的數值用斷續(xù)的數字量表示，其運算過程按數

字位進行計算，數字計算機由于具有邏輯判斷等功能，是以近似人類大腦的“思維”方式進行

工作，所以又被稱為“電腦”。

數字計算機按用途又可分為專用計算機和通用計算機。

專用與通用計算機在其效率、速度、配置、結構復雜程度、造價和適應性等方面

是有區(qū)別的。

專用計算機針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性，但它的適應性

較差，不適于其它方面的應用。我們在導彈和火箭上使用的計算機很大部分就是專用計算機。

這些東西就是再先進，你也不能用它來玩游戲。

通用計算機適應性很強，應用面很廣，但其運行效率、速度和經濟性依據不同的應

用對象會受到不同程度的影響。

通用計算機按其規(guī)模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、

微型機及單片機。這些類型之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、

性能指標、數據存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等的不同。

一般來說，巨型計算機的運算速度很高，可達每秒執(zhí)行幾億條指令，數據存儲容

量很大，規(guī)模大結構復雜，價格昂貴，主要用于大型科學計算。它也是衡量一國科學實力的

重要標志之一。單片計算機則只由一片集成電路制成，其體積小，重量輕，結構十分簡單,

性能介于巨型機和單片機之間的就是大型機、中型機、小型機和微型機。它們的性能指標和

結構規(guī)模則相應的依次遞減

1.一代電子管計算機

世界上第一臺計算機ENIAC由美國Pennsylvania大學JohnMauchly教授和

JohnPresperEcker工程師用電子管建成的，于1946年交付使用，ENIAC采用

十進制運算。電路結構十分復雜，使用18000多個電子管，運行時耗電量達150

千瓦，體積龐大，重量達30多噸，占地面積為1500平方英尺，而且需用手工

搬運開關和撥、插電纜來編制程序，使用極不方便，但它卻比任何機械計算機快

得多，每秒可進行5000多次加法運算。

ENIAC的出現標志著人類進入了計算機時代。

2.第二代晶體管計算機

1947年在Bell實驗室成功地用半導體硅片作基片，制成了第一個晶體管，

它的小體積、低耗電以及載流子高速運行的特點，使真空管望塵莫及。用晶體管

取代電子管以后，計算機的性能有了很大的提高。

3.第三代集成電路計算機

集成電路制作技術就是利用光刻技術把晶體管、電阻、電容等構成的單個電

路制作在一塊極?。ㄈ鐜讉€平方微米）的硅片上。進一步發(fā)展，實現了將成百上

千個這樣的門電路全部制作在一塊極小的硅片上，并引出與外部連接的引線，這

樣，一次便能制作成成百上千相同的門電路，又一次大大地縮小了計算機的體積,

大幅度下降了耗電量，極大地提高了機器的可靠性。這就是人們稱作的小規(guī)模集

成電路（SSI）和中等規(guī)模集成電路（MSI）的第三代計算機。

第三代計算機之后，人們沒有達成定義新一代計算機的一致意見，如果從硬

件技術上講，可以把用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術制成的計算機稱為第四代

計算機。

二、微型計算機的出現和發(fā)展

集成電路技術把計算機的控制單元和算邏單元集成到一個芯片上，制成了微

處理器芯片。1971年，美國Intel公司研制成世界上第一個4位微處理器芯片

4004,集成了2300個晶體管。隨后，微處理器經歷了4位、8位、16位、32

位和64位幾個階段的發(fā)展，芯片的集成度和速度都有很大的提高。與此同時，

半導體存儲器的研制也正在進行。1970年研制的第一個存儲芯片，只有一個磁

芯那么大，卻能保存256位二進制信息，但每位價格高于磁芯。1974年后，隨

2

著半導體存儲器價格的迅速下降，位密度的不斷提高，存儲芯片的容量經歷了

1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB和64MB這幾個階段，每個新

的階段都比過去提高4倍的容量，而價格和訪問時間都有所下降。

最值得一提的是世界上第一大微處理器的制造商Intel,其典型產品有：

(1)8080：世界上第一個8位通用的微處理器，1974年問世。

(2)8088：集成度達2.9管，主頻4.77MHz,字長16位(外部8位)，又稱

準16位，地址20位，采用4個字節(jié)指令隊列，被IBM首臺微機(IBMPC)選用，

1979年問世。

(3)8086：16位，2.9萬管，地址20位，采用6個字節(jié)指令隊列，指令系

統(tǒng)與8088完全兼容，1978年問世。

(4)80286：16位，13.4萬管，6MHz,地址24位，可用實際內存16KB和虛

擬內存1GB,1982年問世。

(5)80386：32位，27.5萬管，12.5MHz、33MHz、50MHz,地址32位，4GB

實際內存，64TB虛擬內存。其性能可與幾年前推出的小型機和大型機相比，1985

年問世。

(6)80486：32位，120萬管，2.5MHz、33MHz、50MHz、4GB實際內存,64TB

虛擬內存，引用更加復雜的Cache技術和指令流水技術，速度比80386快一倍，

性能指標高于803863?4倍，1989年問世。

(7)Pentium(80586):64位，310萬管,66MHz、100MHz,采用超標量技術，

使多條指令可并行執(zhí)行，速率比80486高出6~8倍，1993年問世。

(8)Pentiumpro(P6)：64位,550萬管，133MHz、150MHz、200MHz，采用

動態(tài)執(zhí)行RISC/CISC技術、分支預測、指令流分析、推理性執(zhí)行和二級Cache

等技術，1995年問世。

(9)PentiumII:64位，550萬管以上，233MHz、300MHz,400MHz、450MHz,

1997年問世。

(10)Pentium111:64位,800萬管以上，450MHz、500MHz、550MHz、600MHz,

1999年問世。

自1979年Intel推出X86后，幾乎每三年處理器的性能就能提高4?5倍。

但是計算機中的一些其他部件其性能的提高速度達不到這個水平。因此，必須不

斷調整計算機組成和結構，以彌補不同部件性能不匹配問題。

此外，隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，也使巨型機、工作站、計算機網絡

都有了很大的發(fā)展。

三、軟件技術的興起和發(fā)展

計算機剛問世時，還未建立“軟件”這一概念，隨著計算機的發(fā)展及應用范

圍的擴大，逐漸形成了軟件系統(tǒng)。

在早期的計算機中，使用者必須用機器能識別的機器語言編寫程序，由于機

器不同，機器語言也不同，因此人們在不同的機器上編程，就需熟悉不同機器的

機器指令，使用極不方便，寫出的程序很難讀懂。后來出現了一利符號語言，即

匯編語言，匯編語言不再用0/1代碼編寫程序，改善了程序的可讀性，但它們

仍是面向機器的，即不同的機器各自有不同的匯編語言。為了能將符號語言轉變

成機器能識別的語言，人們又創(chuàng)造了匯編程序。它能把匯編程序翻譯成機器語言。

為了擺脫對具體機器的依賴，在匯編語言之后又出現了面向問題的高級語

3

言。使用高級語言編程可以不了解機器的結構，且比較接近人們習慣用的自然語

言和數學語言，使程序具有很強的可讀性。為了使高級語言描述的算法在機器上

執(zhí)行，同樣需有一個翻譯系統(tǒng)，于是產生了編譯程序和解釋程序，它們能把高級

語言翻譯成機器語言。

可見，隨著各種語言的出現，匯編程序、編譯程序、解釋程序的產生，逐漸

形成了軟件系統(tǒng)。

另一方面，隨著計算機應用領域的不斷擴大，外部設備的增多，為了使計算

機資源讓更多用戶共享，又出現了操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)能協(xié)調管理計算機中各種

軟件、硬件及其他信息資源，并能調度用戶的作業(yè)程序，使多個用戶能有效地共

用一套計算機系統(tǒng)。

止匕外，一些服務性程序如裝配程序、調試程序、診斷程序和排錯程序等也逐

漸形成。

除上述提到的這些系統(tǒng)軟件外，軟件發(fā)展的另一個主要內容就是應用軟件O

應用軟件種類繁多，它是用戶在各自的行業(yè)中開發(fā)和使用的各種程序。

軟件發(fā)展有以下兒個特點：

（1）開發(fā)周期長；

（2）制作成本昂貴；

（3）檢測軟件產品質量的特殊性；

二、信息編碼與數據表示；數制及其轉換

數字化信息編碼與數據表示

1.1數字化信息編碼的概念

編碼技術的使用已相當普遍，如電報就是使用的一種十進制編碼。

編碼：基本符號+組合規(guī)則。

信息：數字、文字、語音、圖形和圖象。

信息必須數字化編碼，才能傳送、存儲和處理。

在計算機中，采用只有“0”和“1”兩個基本符號組成的基2碼。

在計算機中，使用二進制數的組合來表示數字、字母和符號的方法稱為數字化信

息編碼。

1.2進位計數制

一、數制的概念

數制也稱計數制，是指計數的方法。它是采用一組計數符號的組合來表示任

意-,個數的方法。

我們所使用的十進制數是有位權計數法。它有兩個基本要素：

1、基數

指計數制中所使用的數碼個數，因此，十進制數的基數就是10。

2、位權

每一個數位都有一個確定的值，這個位值就稱為“權二

二、常用計數制

4

1、十進制數

使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個數碼；

進位規(guī)則：“逢十進一”,基數是10；

每個數位都有一個確定的值（稱為權），權是10的整數事;

*每一個十進制數都可以寫成10的整數幕的展開式。

2、二進制數

使用0、1兩個數碼；

進位規(guī)則：“逢二進一”，基數是2；

每個數位都有一個確定的值（稱為權），權是2的整數累;

*每一個十進制數都可以寫成2的整數基的展開式。

注：讀寫要點

讀數時;不能按十進制數的方式讀，只能按順序依次讀出各數碼的音；

寫二進制數時，在后邊加B,十進制后邊加D。

3、八進制數

使用0、1、2、3、4、5、6、7、八個數碼；

進位規(guī)則：“逢八進一"，基數是8；

每個數位都有一個確定的值（稱為權），權是8的整數暴；

4、十六進制數

使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六個數碼;

進位規(guī)則：“逢十六進一”，基數是16；

每個數位都有一個確定的值（稱為權），權是16的整數幕；

*每一個十進制數都可以寫成16的整數界的展開式。

注：讀寫要點

讀數時，不能按十進制數的方式讀，只能按順序依次讀出各數碼的音；

寫十六進制數時，在后邊加H,十進制后邊加D。

5、四種數制的對照關系:

十進制（D）二進制（B）八進制（O）十六進制（H）

5

0000

1111

21022

31133

410044

510155

611066

711177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15mi17F

1.3數制間的相互轉換

一、十進制數轉化成二進制數

整數部分：除以2取余數，直到商為0,余數從右到左排列。

小數部分：乘以2取整數，整數從右到左排列。

例(100.345)D=(IIOOIOO.OIOII)B

21100?0.345

2|500x2

212500.690

2|121x2

2|____6_01.380

2|30x2

2|____L_10.760

01x2

1.520

x21

1.040

二、二進制數轉換成十進制數

(an?-alaO-3-l???a-m)2=an2n+???+a02°+a-l24+???+a-m2~m

6

(10101)6=24+22+1=21

(101.11)B=22+1+2-1+2-2=5.75

三、二進制數轉換成八進制數和十六進制數

整數部分：從右向左進行分組。

小數部分：從左向右進行分組。

轉化成八進制時三位一組。

轉化成十六進制時四位一組，不足補零。

(H01101110.110101)B=(36F.65)H

36F65

(1101101110.110101)R=(1556.65)0

155665

四、八進制和十六進制轉化成二進制

每一個八進制數對應二進制數的三位。

每一個十六進制數對應二進制數的四位。

(2C1D)H=(0010110000011101)B(64)H=(01100100)B

2C1D64

(7123)0=(H100101001DR(144)0=(001100100)B

7123144

1.4二進制數在計算機內的表示

1、數的定點和浮點表示

定點小數:m+1位

符號位小數點

|N|<1-2-m

定點整數:n+1位

7

符號位小數點

無符號位小數點

浮點數:

階符X階嗎

N=數符義尾數X2尾數的位數決定數的精度。階碼的位數決定數的范圍。

2、機器數的表示

機器數：個數及其符號在機器中的數值化表示。

真值：機器數所代表的數。

假定一個數在機器中占用8位。

1.5二進制編碼

一、BCD碼

用四位二進制數表示一位十進制數，稱為十進制數的二進制編碼，又稱BCD

碼。常用的有8421碼和余3碼。

25=（0010OIODRCD

25

二、ASCII碼

它的全稱是AmericanStandardCodeforInformationInterchange,中

文含義是美國標準信息交換碼。

它將常用的數字、字母和符號用8位二進制代碼來表示，從而讓計算機能識

別和處理這些字符。

一個ASCII碼在存儲器中占一個字節(jié)。

共有256個ASCII碼，其中前128個（最高位是0）稱為基本ASCII碼，

后128個（最高位是1）稱為擴充ASCII碼。

常用字符有128個，編碼從0到127o

空格20H32

，0'?'9，30H?39H48?57

'A5?2'41H-5AH65-90

61H-7AH97~122

控制字符：0?32,127；普通字符：94個。

8

每個字符占一個字節(jié)，用7位，最高位為0

擴充ASCII碼用于表示圖形符號。

三、漢字編碼

輸入碼、內碼、字形碼。

（1）漢字輸入碼

國標區(qū)位碼、全拼、雙拼、微軟拼音、五筆字形等。

（2）漢字內碼

漢字在設備或信息處理系統(tǒng)內部最基本的表達形式。

國標碼（GB2312—80）及其機內碼：

一級漢字：3755個；二級漢字：3008個。

漢字分區(qū)：每個區(qū)94個漢字。區(qū)號區(qū)中位置

每個漢字占兩個字節(jié)。

機內碼：最高位為1。

漢字國標碼漢字內碼

滬2706(0001101100000110B)1001101110000110B

久3035(00011110001000118)1001111010100011B

（3）漢字字形碼

漢字字形的字模數據，以點陣或矢量函數表示。

點陣：16X16、24X24、32X32、48X48。

（4）各種代碼之間的關系

---------------?輸入碼--------?國標碼------?內碼-------?字形碼--------------?

四種記數制表示數的關系

9

二十進制整數非十進制整叁.

整數的轉換:除基數取余注、結果由下而上排列

示例:杷十迸制數too轉換為二進制數

1\100::以站里

2|50

2I25

2|12

2|6

2[J_

2J

7)

不進制整數1＞非十進制整襄二

4費的轉換：乘基數取整法、結果由上而下排列

示例：把十進制數0.375轉換為二進制數

0.375

2結果結果為：0.011

0.7500

x2

1.501

x2

T7T1小數4=0

10

011001010Oil.00101()

丁丁-F丁TF

(312.12)8

12

()\i〃〃1〃10Oil.00101

三、計算機硬件系統(tǒng)的組成及其基本工作原

理

計算機硬件系統(tǒng)的組成

計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成的，而我們平時只能看到計算機的硬件，軟

件是在計算機系統(tǒng)內部運行的程序，其實現過程是無法看到的。下面我們來了解一些計算機

系統(tǒng)組成方面的知識。

硬件系統(tǒng)是指構成計算機的一些看得見、摸得著的物理設備，它是計算機軟件運行的基礎。

從計算機的外觀看，它是由主機、顯示器、鍵盤和鼠標等幾個部分組成，如圖1-3所示。具

體是由五大功能部件組成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。這五大功能

部件相互配合，協(xié)同工作。其中，運算器和控制器集成在一片或幾片大規(guī)模或超大規(guī)模集成

電路中，稱之為中央處理器(CPU)。硬件系統(tǒng)采用總線結構，各個部件之間通過總線相連構

成一一個統(tǒng)一的整體。

半個世紀以來，計算機已發(fā)展成為?個龐大的家族，盡管各種類型的性能、結構、應用

等方面存在著差別，但是它們的基本組成結構卻是相同的?，F在我們所使用的計算機硬件系

統(tǒng)的結構一直沿用了由美籍著名數學家馮?諾依曼提出的模型，它由運算器、控制器、存儲

器、輸入設備、輸出設備五大功能部件組成。隨著信息技術的發(fā)展，各種各樣的信息，例如：

文字、圖像、聲音等經過編碼處理，都可以變成數據。于是，計算機就能夠實現多媒體信息

的處理。

11

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機---

0110U1010J

1101—

WWW.WANGQI.COM

圖象、文字、聲音等信息轉成數據的示意圖

各種各樣的信息，通過輸入設備，進入計算機的存儲器，然后送到運算器，運算完畢把結果

送到存儲器存儲，最后通過輸出設備顯示出來。整個過程由控制器進行控制。計算機的整個

工作過程及基本硬件結構如圖所示：

計算機系統(tǒng)的基本硬件組成及工作原理

總線與接口

從外型上看，微型計算機硬件系統(tǒng)是由主機和外設（I/O設備）兩大部分組成

的總線結構。所謂總線，就是在模塊與模塊之間或者設備與設備之間供求傳送信息、相互通

信的一組公用信號線，是系統(tǒng)在主控器的控制下，將發(fā)送器（模塊或設備）發(fā)出的信息準確

地傳送給某個接收器（模塊或設備）的信息載體或通路?？偩€的特點在于其公用性，如果是

兩個模塊或設備間的專用線就不稱為總線了。

為了準確無誤傳送信息，總線按其信號線性質不同一般可分三組。

地址總線（AB）：在它上面?zhèn)魉偷氖堑刂沸畔?，CPU用此信息尋找數據的存放地址。地

12

址線一般為CPU發(fā)出的單向總線。入

數據總線（DB）：此總線負責計算機內部各部件之間、內部與外設之間的數據交換。數

據線一般是雙向的，既可讀，也可寫。X

控制總線（CB）：這組總線傳送控制信號，控制計算機各部件之間按所設定的程序有條

不紊地工作。X

其中數據總線和地址總線比較簡單，各種型號不同，但位數相同的CPU,其DB和AB基本

相同，功能也比較單純。

計算機的基本原理是存貯程序和程序控制

預先要把指揮計算機如何進行操作的指令序列（稱為程序）和原始數據通過輸入設備輸

送到計算機內存貯器中。每一條指令中明確規(guī)定了計算機從哪個地址取數，進行什么操作，

然后送到什么地址去等步驟。

計算機在運行時.，先從內存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從

存貯器中取出數據進行指定的運算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結果送到內存中去。

接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進行下去，直至遇到停

止指令。

程序與數據一樣存貯，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動地完成指令規(guī)定

的操作是計算機最基本的工作原理。這一原理最初是由美籍匈牙利數學家馮.諾依曼于1945

年提出來的，故稱為馮.諾依曼原理。

四、計算機軟件系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)軟件和應

用軟件的基本概念、功能和分類

所謂軟件是指為方便使用計算機和提高使用效率而組織的程序以及用于開發(fā)、使用和維護的

有關文檔。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。

1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由一組控制計算機系統(tǒng)并管理其資源的程序組成，其主要功能包括：啟動計算機，

存儲、加載和執(zhí)行應用程序，對文件進行排序、檢索，將程序語言翻譯成機器語言等。實際

上，系統(tǒng)軟件可以看作用戶與計算機的接口，它為應用軟件和用戶提供了控制、訪問硬件的

手段，這些功能主要由操作系統(tǒng)完成?止匕外，編譯系統(tǒng)和各種工具軟件也屬此類，它們從另

一方面輔助用戶使用計算機。下面分別介紹它們的功能。

1）操作系統(tǒng)（OperatingSystem,OS）

操作系統(tǒng)是管理、控制和監(jiān)督計算機軟、硬件資源協(xié)調運行的程序系統(tǒng)，由一系列具有不同

控制和管理功能的程序組成，它是直接運行在計算機硬件上的、最基本的系統(tǒng)軟件，是系統(tǒng)

軟件的核心。操作系統(tǒng)是計算機發(fā)展中的產物，它的主要目的有兩個：一是方便用戶使用計

算機，是用戶和計算機的接口。比如用戶鍵入一條簡單的命令就能自動完成復雜的功能，這

就是操作系統(tǒng)幫助的結果;二是統(tǒng)一管理計算機系統(tǒng)的全部資源,合理組織計算機工作流程,

以便充分、合理地發(fā)揮計算機的效率。操作系統(tǒng)通常應包括下列五大功能模塊：

（1）處理器管理。當多個程序同時運行時，解決處理器（CPU）時間的分配問題。

（2）作業(yè)管理。完成某個獨立任務的程序及其所需的數據組成一個作業(yè)。作業(yè)管理的任務

主要是為用戶提供個使用計算機的界面使其方便地運行自己的作業(yè)，并對所有進入系統(tǒng)的

作業(yè)進行調度和控制，盡可能高效地利用整個系統(tǒng)的資源。

（3）存儲器管理。為各個程序及其使用的數據分配存儲空間，并保證它們互不干擾。

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(4)設備管理。根據用戶提出使用設備的請求進行設備分配，同時還能隨時接收設備的請

求(稱為中斷)，如要求輸入信息。

(5)文件管理。主要負責文件的存儲、檢索、共享和保護，為用戶提供文件操作的方便。

操作系統(tǒng)的種類繁多，依其功能和特性分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)

等；依同時管理用戶數的多少分為單用戶操作系統(tǒng)和多用戶操作系統(tǒng)；適合管理計算機網絡

環(huán)境的網絡操作系統(tǒng)。按其發(fā)展前后過程，通常分成以下六類：

(1)單用戶操作系統(tǒng)(SingleUserOperatingSystem)

單用戶操作系統(tǒng)的主要特征是計算機系統(tǒng)內一次只能支持運行一個用戶程序。這類系統(tǒng)的最

大缺點是計算機系統(tǒng)的資源不能充分利用。微型機的DOS、Windows操作系統(tǒng)屬于這一類。

(2)批處理操作系統(tǒng)(BatchProcessingOperatingSystem)

批處理操作系統(tǒng)是20世紀70年代運行于大、中型計算機上的操作系統(tǒng)。當時由于單用戶

單任務操作系統(tǒng)的CPU使用效率低，I/O設備資源未充分利用，因而產生了多道批處理系

統(tǒng)，它主要運行在大中型機上。多道是指多個程序或多個作業(yè)(Multi-ProgramsorMultiJobs)

同時存在和運行，故也稱為多任務操作系統(tǒng)。IBM的DOS/VSE就是這類系統(tǒng)。

(3)分時操作系統(tǒng)(Time-SharingOperatingSystem)

分時系統(tǒng)是一種具有如下特征的操作系統(tǒng)：在一臺計算機周圍掛上若干臺近程或遠程終端，

每個用戶可以在各自的終端上以交互的方式控制作業(yè)運行。

在分時系統(tǒng)管理下，雖然各用戶使用的是同一臺計算機，但卻能給用戶一種“獨占計算機”的

感覺?實際上是分時操作系統(tǒng)將CPU時間資源劃分成極小的時間片(毫秒量級)，輪流分

給每個終端用戶使用，當一個用戶的時間片用完后，CPU就轉給另一個用戶，前一個用戶

只能等待下一次輪到。由于人的思考、反應和鍵入的速度通常比cpu的速度慢得多，所以

只要同時上機的用戶不超過一定數量，人們不會有延遲的感覺，好像每個用戶都獨占著計算

機。分時系統(tǒng)的優(yōu)點是：第一，經濟實惠，可充分利用計算機資源；第二，由于采用交互會

話方式控制作業(yè)，用戶可以坐在終端前邊思考、邊調整、邊修改，從而大大縮短了解題周期；

第三，分時系統(tǒng)的多個用戶間可以通過文件系統(tǒng)彼此交流數據和共享各種文件，在各自的終

端上協(xié)同完成共同的任務。分時操作系統(tǒng)是多用戶多任務操作系統(tǒng)，UNIX是國際上最流行

的分時操作系統(tǒng)。此外，UNIX具有網絡通信與網絡服務的功能，也是廣泛使用的網絡操作

系統(tǒng)。

(4)實時操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem)

在某些應用領域，要求計算機對數據能進行迅速處理。例如，在自動駕駛儀控制下飛行的匕

機、導彈的自動控制系統(tǒng)中，計算機必須對測量系統(tǒng)測得的數據及時.、快速地進行處理和反

應，以便達到控制的目的，否則就會失去戰(zhàn)機。這種有響應時間要求的快速處理過程叫做實

時處理過程，當然，響應的時間要求可長可短，可以是秒、毫秒或微秒級的。對于這類實時

處理過程，批處理系統(tǒng)或分時系統(tǒng)均無能為力了，因此產生了另一類操作系統(tǒng)——實時操作

系統(tǒng)?配置實時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)稱為實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)按其使用方式可分成兩類：

一類是廣泛用于鋼鐵、煉油、化工生產過程控制，武器制導等各個領域中的實時控制系統(tǒng)；

另一類是廣泛用于自動訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)、銀行業(yè)務系統(tǒng)、超級市場銷售系統(tǒng)中的實

時數據處理系統(tǒng)。

(5)網絡操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem)

計算機網絡是通過通信線路將地理上分散且獨立的計算機聯(lián)結起來的種網絡,有了計算機

網絡之后，用戶可以突破地理條件的限制，方便地使用遠處的計算機資源。提供網絡通信和

網絡資源共享功能的操作系統(tǒng)稱為網絡操作系統(tǒng)。

(6)微機操作系統(tǒng)

微機操作系統(tǒng)隨著微機硬件技術的發(fā)展而發(fā)展，從簡單到復雜。Microsoft公司開發(fā)的DOS

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是一單用戶單任務系統(tǒng)，而Windows操作系統(tǒng)則是一單用戶多任務系統(tǒng)，經過十幾年的發(fā)

展，已從Windows3.1發(fā)展至ij目前的WindowsNT、Windows2000和WindowsXP,它是

當前微機中廣泛使用的操作系統(tǒng)之一。Linux是一個原碼公開的操作系統(tǒng)，目前已被越來越

多的用戶所采用，是Windows操作系統(tǒng)強有力的競爭對手。

2）語言處理系統(tǒng)（翻譯程序）

如前所述，機器語言是計算機唯一能直接識別和執(zhí)行的程序語言。如果要在計算機上運行高

級語言程序就必須配備程序語言翻譯程序（下簡稱翻譯程序）。翻譯程序本身是一組程序，

不同的高級語言都有相應的翻譯程序。

對于高級語言來說，翻譯的方法有兩種：

一種稱為“解釋”。早期的BASIC源程序的執(zhí)行都采用這種方式。它調用機器配備的BASIC"解

釋程序”，在運行BASIC源程序時，逐條把BASIC的源程序語句進行解釋和執(zhí)行，它不保

留目標程序代碼，即不產生可執(zhí)行文件。這種方式速度較慢，每次運行都要經過“解釋”，邊

解釋邊執(zhí)行。

另一種稱為“編譯”，它調用相應語言的編譯程序，把源程序變成目標程序（以QBJ為擴展

名），然后再用連接程序，把目標程序與庫文件相連接形成可執(zhí)行文件。盡管編譯的過程復

雜一些，但它形成的可執(zhí)行文件（以.exe為擴展名）可以反復執(zhí)行，速度較快。運行程序

時只要鍵入可執(zhí)行程序的文件名，再按Enter鍵即可。

對源程序進行解釋和編譯任務的程序，分別叫做編譯程序和解釋程序。如FORTRAN.

COBOL.PASCAL和C等高級語言，使用時需有相應的編譯程序；BASIC、LISP等高級

語言，使用時需用相應的解釋程序。

3）服務程序

服務程序能夠提供一些常用的服務性功能，它們?yōu)橛脩糸_發(fā)程序和使用計算機提供了方便，

像微機上經常使用的診斷程序、調試程序、編輯程序均屬此類。

4）數據庫管理系統(tǒng)

在信息社會里，社會和生產活動產生的信息很多，使人工管理難以應付，人們希望借助計算

機對信息進行搜集、存儲、處理和使用。數據庫系統(tǒng)（DataBaseSystem,DBS）就是在這種

需求背景下產生和發(fā)展的。

數據庫是指按照一定聯(lián)系存儲的數據集合，可為多種應用共享。數據庫管理系統(tǒng)（DataBase

ManagementSystem,DBMS）則是能夠對數據庫進行加工、管理的系統(tǒng)軟件。其主要功能

是建立、消除、維護數據庫及對庫中數據進行各種操作。數據庫系統(tǒng)主要由數據庫（DB）、

數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）以及相應的應用程序組成。數據庫系統(tǒng)不但能夠存放大量的數據，

更重要的是能迅速、自動地對數據進行檢索、修改、統(tǒng)計、排序、合并等操作，以得到所需

的信息。這一點是傳統(tǒng)的文件柜無法做到的。

數據庫技術是計算機技術中發(fā)展最快、應用最廣的一個分支?？梢哉f，在今后的計算機應用

開發(fā)中大都離不開數據庫。因此，了解數據庫技術尤其是微機環(huán)境下的數據庫應用是非常必

要的。

2應用軟件

為解決各類實際問題而設計的程序系統(tǒng)稱為應用軟件。從其服務對象的角度，又可分為通用

軟件和專用軟件兩類。

1）通用軟件

這類軟件通常是為解決某一類問題而設計的，而這類問題是很多人都要遇到和解決的。例如：

文字處理、表格處理、電子演示等。

2）專用軟件

在市場上可以買到通用軟件，但有些具有特殊功能和需求的軟件是無法買到的。比如某個用

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戶希望有一個程序能自動控制車床，同時也能將各種事務性工作集成起來統(tǒng)一管理。因為它

對于?般用戶是太特殊了，所以只能組織人力開發(fā)。當然開發(fā)出來的這種軟件也只能專用于

這種情況。

五、軟件基礎知識；程度設計語言的基本概

念

程序設計語言，通常簡稱為編程語言，是一組用來定義計算機程序的語法規(guī)則。

它是一種被標準化的交流技巧，用來向計算機發(fā)出指令。一種計算機語言讓程序員能

夠準確地定義計算機所需要使用的數據，并精確地定義在不同情況下所應當采取的行

動。

程序設計語言原本是被設計成專門使用在計算機上的，但它們也可以用來定義算

法或者數據結構。正是因為如此，程序員才會試圖使程序代碼更容易閱讀。

設計語言往往使程序員能夠比使用機器語言更準確地表達他們所想表達的目的。

對那些從事計算機科學的人來說，懂得程序設計語言是十分重要的，因為在當今所有

的計算都需要程序設計語言才能完成。

在過去的幾十年間，大量的程序設計語言被發(fā)明、被取代、被修改或組合在一起。

盡管人們多次試圖創(chuàng)造一種通用的程序設計語言，卻沒有一次嘗試是成功的。之所以

有那么多種不同的編程語言存在的原因是，編寫程序的初衷其實也各不相同；新手與

老手之間技術的差距非常大，而有許多語言并對新手來說太難學；還有，不同程序之

間的運行成本(runtimecost)各不相同。

有許多用于特殊用途的語言，只在特殊情況下使用。例如，PHP專門用來顯示

網頁；Perl更適合文本處理；C語言被廣泛用于操作系統(tǒng)和編譯器的開發(fā)(所謂的系

統(tǒng)編程)。

高級程序設計語言(也稱高級語言)的出現使得計算機程序設計語言不再過度地

倚賴某種特定的機器或環(huán)境。這是因為高級語言在不同的平臺上會被編譯成不同的機

器語言，而不是直接被機器執(zhí)行。最早出現的編程語言之■FORTRAN的一個主要目

標，就是實現平臺獨立。

雖然大多數的語言可以既可被編譯(compiled)又可被解譯(interpreted),但

大多數只在一種情況下能夠良好運行。在一些編程系統(tǒng)中，程序要經過幾個階段的編

譯，?般而言，后階段的編譯往往更接近機器語言。這種常用的使用技巧最早在1960

年代末用于BCPL,編譯程序先編譯一個叫做"0代碼"的轉換程序(representation),

然后再使用虛擬器轉換到可以運行于機器匕的真實代碼。這種成功的技巧之后又用于

Pascal和P-code,以及Smalltalk和二進制碼，雖然在很多時候，中間過渡的代碼往

往是解譯，而不是編譯的。

如果所使用的翻譯的機制是將所要翻譯的程序代碼作為一個整體翻譯，并之后運

行內部格式，那么這個翻譯過程就稱為編譯。因此，一個編譯器是一個將可閱讀的程

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序文本(叫做源代碼)作為輸入的數據，然后輸出可執(zhí)行文件(objectcode)。所輸

出的可執(zhí)行文件可以是機器語言，由計算機的中央處理器直接運行，或者是某種模擬

器的二進制代碼。

發(fā)展趨勢程序設計語言是軟件的重要方面。它的發(fā)展趨勢是模塊化、簡明

性和形式化。①模塊化。不僅語言具有模塊成分，程序山模塊組成，而且語言本身的

結構也是模塊化的。②簡明性。涉及的基本概念不多，成分簡單，結構清晰，易學易

用。③形式化。發(fā)展合適的形式體系，以描述語言的語法、語義、語用。

第二章多媒體技術

多媒體概念

多媒體是電腦和信息界里一個新的應用領域，許多人注意到了多媒體的巨大的市場潛力和廣

闊的應用前景，但對于多媒體的定義和界定的范圍可謂是眾說紛紛莫衷一是。究竟何謂多媒體

呢？

所謂“多媒體”(Multimedia),可簡單地理解為：一種以交互方式將文本、圖形、圖像、

音頻、視頻等多種媒體信息，經過計算機設備的獲取、操作、編輯、存儲等綜合處理后，以單

獨或合成的形態(tài)表現出來的技術和方法。特別是，它將圖形、圖像和聲音結合起來表達客觀事物,

在方式上非常生動、直觀、易被人們接受。

人們熟悉的報紙、雜志、電影、電視、廣播等，都是以它們各自的媒體進行信息傳播。有些

是以文字作媒體，有些是以聲音作媒體，有些是以圖像作媒體，有些是以圖、文、聲、像作媒體。

以電視為例，雖然它也是以圖、文、聲、像作媒體，但它與多媒體系統(tǒng)存在明顯的區(qū)別：第一,

電視觀賞的全過程均是被動的，而多媒體系統(tǒng)為用戶提供了交互特性，極大地調動了人的積極性

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和主動性。第二，人們過去熟悉的圖、文、聲、像等媒體兒乎都是以模擬量進行存儲和傳播的，

而多媒體是以數字量的形式進行存儲和傳播的。

多媒體具有多樣化、交互性和集成性三個關鍵特性。多樣化指的是信息媒體的多樣化；交互

性是指提供人們多種交互控制能力；集成性指不同媒體信息、不同視聽設備及軟、硬件的有機結

合。多媒體以其豐富多彩的媒體表現形式、高超的交互能力、高度的集成性、靈活多變的適應性

得到了廣泛的應用，并形成了新的行業(yè)。20世紀90年代是多媒體發(fā)展和普及的年代，是我國科

技躍身國際高科技的機會。

多媒體技術

要進一步推動多媒體技術的應用，加快多媒體產品的實用化、產業(yè)化和商品化的步伐，首先

就要研究多媒體的關鍵技術，其中主要包括數據壓縮與解壓縮、媒體同步、多媒體網絡、超媒體

等關鍵技術。這里簡單介紹一下視頻和音頻數據的壓縮和解壓縮技術。

多媒體計算機系統(tǒng)要求具有綜合處理聲、圖、文信息的能力。高質量的多媒體系統(tǒng)要求面向

三維圖形、立體聲音、真彩色高保真全屏幕運動畫面。為了達到滿意的效果，要求實時地處理大

量數字化視頻、音頻信息，這對計算機及通信系統(tǒng)的處理、存儲、傳輸能力是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

如一幅640X480中等分辨率的彩色圖像(24b/像素)數據量約為7.37Mb/幀，如果是運動圖像,

要以每秒30幀或25幀的速度播放時，則視頻信號傳輸速率為220Mb/s?如果存放在600MB的光

盤中，只能播放20s,對于音頻信號，以激光唱片CD-DA聲音數據為例，如果采樣頻率為44.IKHz,

采樣點量化為16bit雙通道立體聲，1.44MB的軟磁盤只能存放8s的數據。綜上所述，視頻和音

頻信號數據量大，同時傳輸速度要求高。考慮到目前微機無法滿足以上的要求，因此，對多媒

體信息必須進行實時的壓縮和解壓縮。

從1948年Oliver提出PCM(脈沖編碼調制)編碼理論以來，己有50年的歷史，這個過程

中編碼技術日趨成熟。

n前主要有三大編碼及壓縮標準：

(1)JPEG(JonitPhotographiCExpetsGroup)標準

JPEG制定于1986年，是第一個圖像壓縮國際標準，主要針對靜止圖像。該標準制定了有損

和無損兩種壓縮編碼方案。廣泛應用于多媒體CD-ROM、彩色圖像傳真、圖文檔案管理等方

面。JPEG對單色和彩色圖像的壓縮比通常分別為10:1和15:1。

JPEG沒有規(guī)定具體的快速算法，需要我們自己去開發(fā)。JPEG算法的實施，可以采用硬件、

軟件或者軟、硬件結合的方法。

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BMP(44kb)JPEG(4KB)

(2)MPEG(MovingPictureExpertsGroup)

這個標準實際上是數字電視標準，它包括三個部分：MPEG-Video、MPEG-Audio及

MPEG-System。MPEG是針對CD-ROM式有線電視(Cable-TV)傳播的全動態(tài)影像，它嚴格規(guī)定了

分辨率、數據傳輸速率和格式,MPEG的平均壓縮比為50:1。MPEGT的設計目標是為了達到CD-ROM

的傳輸速率(150KBps)和盒式錄像機的圖像質量。MPEG-2的設計目標是在一條線路上傳輸更多

的有線電視信號，它采用更高的數據傳輸速率，以求達到更好的圖像質量。MPEG-System是處

理音頻和視頻的復合和同步。MPEGT的適用范圍很廣泛，如多媒體CD-ROM、硬盤、可讀寫光盤、

局域網和其他通信通道。

(3)H.261

這是CCITT所屬專家組傾向于為可視電話(Videophone)和電視會議(Videoconfrence)而

制定的標準，是關于視像和聲音的雙向傳輸標準。這個標準又稱為PX64標準。PX64表示PX64

kbpS,P是一個可變的參數，其中P的值為1-30。P=1或P=2,適用于可視電話，PN6適合

于電視會議?？梢?，該標準是以64kbps的整數倍作為傳輸速率的。

經過近50年的努力，已經產生了各種各樣針對不同用途的壓縮算法、壓縮手段和實現這些

算法的大規(guī)模集成電路或計算機軟件。但研究仍未停止，人們還在繼續(xù)搜索更加有效的壓縮算法

及其用硬件或者軟件實現的方法。近年來提出的分形壓縮算法、采用小波的壓縮算法等，都被看

作是極有前景的壓縮技術。目前，又推出了H.263和MPEG-4等標準。

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多媒體計算機

1990年Microsoft等公司籌建了多媒體PC市場協(xié)會(MultimediaPCMarketingCouncil),

且在1991年10月8發(fā)表了第一代多媒體MPC的規(guī)格，在1993年5月又接著發(fā)表了MPC2.0的技

術規(guī)格等。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，MPC的標準也在提高，比如1996年發(fā)表了MPC4.0的技

術規(guī)格，見表1.5.1。而就現在來說，普通MPC的配置己經完全超過了這一標準，并且還將迅

速發(fā)展。MPC規(guī)定了多媒體PC機系統(tǒng)的最低要求，凡符合或超過這種規(guī)范的系統(tǒng)以及能在該系

統(tǒng)上運行的軟、硬件可以用“MpC”去標識。

表1.5.1MPC技術規(guī)格

MPC1.0MPC2.0MPC3.0MPC4.0

CPU80386SX/1680486SX/25Pentium75Pentium133

內存容量2MB4MB8MB16MB

硬盤容量80MB160MB850MB1.6GB

CD-ROM速度IX2X4XlOx

聲卡8位16位16位16位

圖像256色65535色16位真彩32位真彩

分辨率640X480640X480800X6001280X1024

軟驅1.44MB1.44MB1.44MB1.44MB

操作系統(tǒng)Windows3.xWindows3.xWindows95Windows95

今后計算機的新特性是：支持DVD、用于外圍設備的設備有DeviceBay、支持通用串行總線

USB、內存規(guī)范為64MB?128MB、具有TV功能、全立體聲、多監(jiān)視器、集成化網絡接口卡等。

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多媒體計算機的關鍵設備

多媒體計算機系統(tǒng)最基本的硬件是聲頻卡（AudioCard）、CD-ROM光盤機（CD-ROM）、視頻

卡（VideoCard）。在個人計算機上加上聲頻卡和CD-ROM就成為普遍意義上的多媒體計算機,

可見，多媒體技術中的首要技術就是CD-ROM和聲頻卡。

1.聲頻卡

聲頻卡的種類很多，目前國內外市場上至少有上百種不同型號、不同性能和不同特點的聲頻

卡。

1）聲頻卡的關鍵指標

?采樣頻率：單位時間內的采樣次數。一般來說，語音信號的采樣頻率是語音所必需的頻率

寬度的2倍以上。人耳可聽到的頻率為20Hz?22kHz的聲音，所以對聲頻卡來講，其采樣頻率為

最高頻率22kHz的2倍以I-.,即采樣頻率應在44kHz以上。較高的采樣頻率能獲得較好的聲音還

原，如采樣頻率較低的話，聲音的還原將會產生失真。目前的聲頻卡的采樣頻率一般采用44.1

kHz、48kHz或更高。當然高于44.1kHz更好一些。