作者：吴英
出版社：电子工业出版社
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计算机应用技术教程(第2版)试读：
前言
进入21世纪后，以电子计算机、网络通信和多媒体等为核心的信息科学和技术越来越显露出在现代信息社会中的重要地位和作用。尤其是信息技术的发展超出了所有人的想象，它彻底改变了人们的工作、学习和生活方式，成为人类社会生存必不可少的工具，是衡量社会发展和综合国力的重要标志。因此，熟悉、掌握计算机及相关的信息技术已经成为当代大学生必备的基本素质。基于这样的社会发展背景，在文科专业大学教育中提高计算机应用能力的教学和实习，值得教育人士的高度重视。
本书是编著者根据教育部高等教育司组织编写的《普通高等学校文科类专业大学计算机教学基本要求》撰写的。依据该“基本要求”中所提出的课程设置理念，即提高文科大学生的信息素养、适合文科专业对计算机应用的需求，全书强调解决问题能力的培养，倡导应用及创新等思想。同时，结合上海市教委关于高校计算机等级考试的相关要求，将现代信息科学、信息技术的基础理论和知识作为大学生的应知内容，把网络通信技术、数据库技术、多媒体技术的基本技能作为大学生的应会内容。因此，本书内容包括信息技术、数据、计算机系统、Windows 7操作系统、办公自动化系统、数据通信、计算机网络、数据库技术、多媒体技术和程序设计基础。
本书在编写中考虑到教学内容的系统性和完整性，力求内容分布合理，重点和难点突出，使学生能够通过学习和操作逐步提升计算机应用能力。同时，兼顾了各个模块中的知识联系、渗透，融合了基础理论、基本操作技能和解决实际问题的能力。全书内容丰富、编排合理、语言通俗、图文并茂，在结构安排和内容编写上注重由浅入深、循序渐进。每章的习题能帮助学生回顾所学的内容，掌握各章的知识要点。此外，与本书配套，出版了《计算机应用技术教程实验指导》，其中包含了大量的具体操作步骤与方法。
本书由吴英主编，参加编写的人员有第1、2章（盛宇）、第3章（吴英）、第4章（袁焕民）、第5、6章（刘俊熙）、第7章（吴英、龙怡）、第8章（郭金兰），第9章（潘晓辉、刘俊熙）。全书由吴英负责审订，刘俊熙负责统稿。
本书在编写过程中，参考了大量的文献资料，在此对被参考的各类文献作者的知识创造表示敬意，对他们的知识创造为本书做出的贡献表示由衷的感谢。
我的E-mail是wuying＠shupl.edu.cn。
吴英
2013年8月
第1章 信息技术及计算机系统
1.1 信息技术概述
在我们生活的这个星球上，迄今为止还没有哪种技术能够像信息技术这样对人类社会产生如此广泛而深远的影响。环顾当代世界，几乎每一个国家都把信息技术视为促进经济增长、维护国家利益和实现社会可持续发展的最重要手段，信息技术已成为衡量一个国家综合国力和国家竞争实力的关键因素。它既是现代人类文明的技术基础，也是人们开发利用信息资源的主要手段。1.1.1 信息概述
1.信息的定义“信息”作为一个普遍使用的概念，理应有个定义。但是，由于人们观察角度的不同，采用方法的差异，更重要的是，我们需要对这门新学科进行比较长期的探索，因此，到目前为止，围绕信息定义所出现的流行说法不下百种，仁者见仁，智者见智。
我国学者从宏观信息论的角度出发，一般认为，信息是“反映物质及其运动属性及特征的原始事实”。
从信息来源的角度，大体可以将信息分为两类：自然信息和社会信息。
自然信息是指不依赖人类社会，先于人类社会就在宇宙间、自然界客观存在或随即发生的各种生物信息和非生命物质的物理信息。自然信息有的已被人们感知，有的还不一定被人们感知。人类对自然信息的感知深度随着科学技术的发展而逐步加深。
社会信息是指在人类社会实践中，为生存、生产和社会发展而产生、处理和利用的信息。例如，报刊、广播、电视中存在的大量公众信息；学术论文、期刊、杂志中刊登有大量的学术信息；公司的客户名单、销售计划、意向合同中大量的商业信息，等等。
自然信息和社会信息一起构成了当前人类社会的信息体系，人们每时每刻都在自觉或不自觉地接受和传播信息。
物质、能量和信息是人类社会赖以发展的三大重要资源。并且信息的重要性越来越得到人们的重视。由于信息的重要性，现在信息资源的开发和利用已经成为独立的产业，即信息产业。
2.信息与数据、知识、情报、消息等相关概念的区别与联系
信息与数据、知识、情报、消息等相关概念有一定的联系，但又有明显的区别。
信息区别于数据。数据和信息的关系，可以形象地解释为原料和成品的关系，数据是原材料，信息是制成品。数据代表真实的客观世界，除本身外没有其他意义。信息则是定义了关系的数据，具有超出事实本身的额外价值。从数据管理或通信的角度出发，由于信息是通过具体的数据形式被存储和传输的，因此数据又可被看作是信息的载体。
信息区别于知识。知识是人类社会实践经验的总结，是人的主观世界对于客观世界的概括和反映。信息是知识的基础，但并非所有的信息都是知识，有的信息有丰富的知识内容，有的信息就没有什么知识内容。
信息区别于情报。情报通常是指秘密的、特定的、新颖的一类信息，可以说所有的情报都是信息，但不能说所有的信息都是情报。
信息区别于消息。人们通常所说的消息是指包含某种内容的音讯。消息是信息的反映形式，信息是消息的实质内容。信息不同于消息，消息只是信息的外表，信息是消息的内涵。而且不同的消息中包含的信息量是不同的，有的消息中包含的信息量大一些，有的小一些，有的消息中甚至不包含信息。
信息区别于信号。信号是信息的载体，信息是信号所载荷的内容。
3.信息的主要特征
信息的主要特征可以概括为以下几点。（1）普遍性：只要有物质和物质运动存在，就会有信息。（2）传递性：信息可以通过语言、文字、声、光、磁等信息传播媒体进行传递。信息只有通过传递（发布）才能体现它的价值。（3）可识别性：任何信息都可以被特定的对象所识别而发挥作用。人类可以通过感觉器官来识别自然信息和社会信息，也可以通过特定的传感器、仪器等来检测自然信息。（4）转换性：信息可以由一种形态转换为另一种形态。例如，各种自然信息可以被转换成文字、语言等社会信息，或被转换为计算机代码、电波信号等。（5）存储性：信息必须依附于物理载体存在。载体就是承载信息的媒体。自然界的空气、声、光、电到纸张、磁盘、磁带、光盘等都可以成为信息的载体。（6）再生性：信息可以被再次处理，如采集、加工、传输、存储等。经过分析处理可以得到更具有利用价值的信息。（7）时效性：过时的信息不再具有利用价值。（8）共享性：信息是可以共享的。如广播、电视、因特网上发布的大量信息可以广泛地被人们所共享。被共享后的信息不会消失。1.1.2 信息技术及其发展
1.信息技术的概念
信息技术目前还没有一个统一的定义。一般认为，凡是涉及信息的产生、获取、检测、识别、变换、传递、处理、存储、显示、控制、利用和反馈等与信息活动有关的、以增强人类信息功能为目的的技术都可以叫做信息技术。概括地说，信息技术是指扩展人类信息器官功能的一类技术。
2.信息技术的发展演变
信息技术的发展按照信息的载体和通信方式的发展，大致粗分为古代信息技术、近代信息技术和现代信息技术三个阶段，并经历了语言的产生、文字的发明、印刷术的发明、电信革命和计算机技术的发明和利用五次重大的变革。（1）古代信息技术
古代信息技术的特征是以文字记录为主要信息存储手段，以书信传递为主要信息传递方法，不论是信息的采集、传递、传输都是在人工条件下实施的。因此，当时人们的信息传递范围小、效率低、可靠性也较差。古代信息技术经历了语言的产生、文字的产生和印刷术的发明三个重大变革。（2）近代信息技术
近代信息技术发展阶段的主要特征是以电为主体的信息传输技术，它大大加速了信息传递速度，从而使人类的信息活动步入新的阶段。伴随着信息传播技术的发展，录音、唱片、照相、摄像等信息存储方式也在飞速发展。电信革命对人类的信息技术做出了非凡的贡献，也为现代信息技术奠定了坚实的基础。（3）现代信息技术发展阶段
电子计算机的出现是进入现代信息技术发展阶段的标志，其基本特征是：计算机、网络、光纤和卫星通信。不仅有了电通信，更有了光通信，光纤的应用使得通信速度大大提高。
现代信息技术是以电子技术，尤其是微电子技术为基础，计算机技术为核心，通信技术为支柱，以信息应用技术为目标的科学技术群。现代信息技术具体实现信息的获取、传输、处理、控制、展示和存储功能。下面就几种信息技术进行简单介绍：
信息获取技术
获取信息是利用信息的先决条件。人类最基本的手段是用眼、耳、鼻、舌等感觉器官获取自然、社会信息。为了克服人体器官的局限和外界条件的限制，人们不断研究和创造各种传感器和仪器来间接获取信息。例如，使用放大镜、显微镜、望远镜、照相机、摄像机、雷达、侦察卫星来获取小、远、高速运动物体的信息。超声波检测、X光透视、核磁共振等成像技术能对人体或物体内部进行信息检测。遥感遥测技术设备能替代人体感觉器官获取远距离的信息等。
信息传输技术
信息在空间的传输称为通信，因此信息传输的核心是通信技术。通信是人体信息传递技能的延伸，是人类赖以生存和发展的基本要素之一。信息技术的每次重大变革，实际上都是以信息传输技术为主要内容的变革。在信息作为人类社会经济发展最重要战略资源的今天，传递信息的通信网络已经成为社会经济发展的生命线。没有先进的通信技术手段，就不可能有现代化的科研开发和生产经营管理，也不可能有发达的社会经济活动。据国外学者对50多个国家历史数据的分析，若一个国家前5年电话普及率提高1%，则其后7年的人均GNP可提高3%；另据国际电信联盟（ITU）统计，一个国家对通信建设的投资每增加1%，其人均国民收入将提高3%。覆盖全球的通信网络每时每刻都在不间断地传送着无数的信息，是人类社会须臾不可或缺之物。
目前通信技术总的发展趋势是由模拟通信走向数字通信，计算机技术和通信技术紧密结合在一起，使信息处理与信息传递逐渐走向一体化。
信息处理技术
信息处理技术就是对获取到的信息进行识别、转换、整理、加工，保证信息安全可靠的存储和传输，并能方便地检索和再生利用。信息处理技术的基本工具是计算机，因此其核心技术是计算机技术。它是应用计算机系统以及数字传输网，对信息进行识、再生和利用的专门技术。它能帮助人们更好地存储信息、检索信息、加工信息、再生信息和利用信息。具体包括：人工智能技术、数据库技术、多媒体技术等。
信息控制技术
在信息系统中，对信息实施有效的控制，一直是信息活动的一个重要方面，也是利用信息的重要前提。信息控制技术就是利用信息传递和信息反馈来实现对目标系统进行控制的技术。
上述计算机技术、通信技术和控制技术合称为3C（Computer，Communication，Control），它们是信息技术的主体，所以，人们干脆把信息技术直接称为“3C技术”。
信息展示技术
展示也称为再现技术，是目前发展非常迅速的信息技术分支。如何使信息内容及时、有效、生动地展示在需要该信息的对象面前，已经成为信息处理的一个极其重要的问题。其中，文字、声音、图像、音频、视频的处理和展示也就是通常所说的多媒体技术，例如，使用大量的球幕电影、3D和4D电影等。
信息存储技术
信息存储是各种科学技术得以存在和发展的基础。存储技术发展到今天，印刷存储技术、缩微存储技术、磁存储技术、半导体存储技术、光存储技术先后出现和并存，为信息的存储展现了广阔的前景。主要可分为直接连接存储、移动存储和网络存储三种。
直接连接存储是最常用的存储形式，主要存储部件有磁盘、磁带和光盘。
移动存储具有大容量、高速度、高便携性等特点，主要有闪存卡、优盘和移动硬盘。
网络存储包括网络附加存储（Network Add-on Storage，NAS）和存储区域网络（Storage Area Network，SAN）。NAS是直接连接到网络上通过网络传输的一种存储器，NAS对于既要解决巨大存储容量，又要求低价和即插即用的中小型用户是首选存储方案；SAN是以块为传输单元，通过光纤通道传输数据的技术，目前主要应用在大型应用领域。
3.信息技术的应用（1）企业信息化
所谓企业信息化是指企业利用计算机技术、网络技术等一系列现代信息技术，通过对信息资源的深度开发和广泛利用，不断提高生产、经营、管理、决策的效率和水平，从而提高企业经济效益和企业竞争力的过程。（2）办公自动化
办公自动化的定义和特点是：用现代信息技术（计算机技术、现代通信技术、网络技术、信息应用技术等）和相应的软、硬件设备进行事务管理的办公系统，替代繁杂的手工操作，以便准确、快速、有效地收集、加工、组织、保存、统计、分析、再生和利用文字、声音、图形、图像、影像等多种媒体信息，提高事务处理的效率和质量。
办公自动化的支撑技术是计算机技术、现代通信技术和数字技术。
办公自动化系统的硬件主要是计算机、计算机网络和通信线路，以及其他计算机外围设备。办公自动化系统的软件主要有基本软件、办公通用软件和办公专用软件三类。
办公自动化的内容包括：①文字输入、编辑、修改、存储、排版、打印和复制；②文件档案的信息管理和数据处理功能；③对语音信息进行收集、编辑（剪辑）、识别、转换和保存等操作；④对图形、图像的处理和传输；⑤将各种通信设备连接如网络，实现网间通信，以达到资源共享的目的。（3）现代信息技术与教育
现代信息技术的发展为教育培养模式从应试教育向素质教育转变提供了可能。
多媒体技术的应用引起传统教学方式的改变。使用多媒体可以让教学图文并茂、有声有色，提高了教学的趣味性和学生学习的积极性。
因特网使学生可以自主地在网上收集、交换学习信息，使教学信息资源极大地丰富，并促使教育向资源全球化，教学自主化，个性化发展。
网络教育、远程教育、计算机辅助教学的实施，使教育超时空开放。不仅在空间上打破师生必须同一教室的限制，同时在时间上可以不受任何束缚、促进教育社会化和终身化的发展。（4）电子商务
通过计算机网络进行的商务活动称为电子商务（Electronic-Business，EB）。电子商业贸易（Electronic-Commerce，EC）是电子商务的代表。
在电子商业贸易中，交易双方通过企业间计算机专用网的电子数据交换，进行一系列的贸易活动。电子商务在具体应用时分为不同的层面：①企业对企业，也称为“B2B”（Business to Business，B to B）；②企业对消费者，也称为“B2C”（Business to Consumer，B to C）。目前电子商务正在世界范围内迅速发展，主要涉及计算机软件、娱乐产品、信息服务和专业服务等方面。（5）生活信息化
信息技术还渗透到人们衣食住行的各个角落。诸如电冰箱、空调、电视、全自动洗衣机等家电都离不开“嵌入式芯片”等信息技术的应用。现在，形形色色，式样新颖的产品更是层出不穷，信息家电也开始出现，例如，夏普公司生产的“网络电子微波炉”可以接入因特网，在网上下载400多种食谱，辅助进行料理。
在当前实际社会中，与信息传播相关的电话网、有线电视网和计算机网络由于业务性质、技术和行政管理等历史原因，各自承担不同的业务，但是未来的发展趋势将是“三网融合”，人类的生活将展开新的一页。1.1.3 微电子技术
当前，微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广。几乎所有高科技领域的发展都离不开集成电路，电子计算机的发展也离不开它。所以，微电子技术是现代信息技术的基础，所有国家无不集中全力，力争在这一领域中有所建树，有所突破。
1.从电子管到集成电路（1）电子管
电子管又称“真空管”，它是将玻璃管内部抽成真空，这样做有利于电子在其中的运动，也有效地降低灯丝的氧化损耗。电子管拥有三个最基本的极：阴极、屏极、栅极。（2）晶体管
半导体是制造晶体管的基本材料。所谓半导体就是它的导电性介于导电性能很好的“导体”和几乎不传导电流的“绝缘体”之间。晶体管也具有三个基本极：①集电极C（Collector），相当于电子管的屏极；②基极B（Base），相对于电子管的栅极；③发射极E（Emitter），相当于电子管的阴极。它是微电子技术产生的标志。（3）集成电路
所谓“集成电路”就是把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的，实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上。集成电路发展迅速，日新月异。1962年制成的集成电路只能够集成几个逻辑电路单元，到1965年已能集成近100个单元，通常称为“小规模集成电路”；1967年发展到集成度为100～1000个单元的中规模集成电路；1967—1973年，集成度达到1000～10000个单元的大规模集成电路（LSIC）；1978年集成度已达到10万个～100万个单元的超大规模集成电路。目前，集成度突破了千万单元，称为“超大规模集成电路”（VLSI Very Large Scale Integration）。（4）多核处理器
从本世纪开始，Intel等集成电路制造厂商的产品已经发展成多核处理器，双核处理器相当于在一个芯片中存在2个CPU同时工作，四核处理器相当于在一个芯片中存在4个CPU同时工作。显然，只要它们能协同工作，效率就会成倍提高。目前市场上已经大量销售四核的CPU芯片，大大提高了计算机系统的整体性能。原来在大型计算机上的多处理器并行处理的原理正在个人计算机上通过多核处理器芯片实现。
2.摩尔定律
1975年摩尔提出了关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”，这个定律说，集成度（即单片电路芯片中的电子器件数）每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降。几十年的发展基本上证实了这个定律所揭示的规律。
从个人计算机的三大要素—微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。
这里需要特别指出的是，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽容度。从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。
1.2 计算机系统的基本结构和原理
自从世界上第一台电子计算机问世以来，计算机的发展速度是其他任何产业所无法比拟的。特别是微型计算机的出现，以及计算机网络技术和多媒体技术的发展，使计算机的应用已逐渐渗透到人类社会的各个领域。1.2.1 计算机产生和发展
1.计算机的产生
计算机是一种具有快速计算和逻辑运算能力，依据一定程序自动处理信息，存储并且输出处理结果的电子设备。
电子计算机的发明人是阿塔那索夫（J.V.Atanasoff）和他的研究生贝瑞（C.Berry）在1941年发明制造了名为ABC（Atanasoff-Berry Computer）的电子计算机。1946年2月，具有盛名和极大影响的电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），即“电子数字积分与计算机”，在美国宾夕法尼亚大学诞生。
ENIAC是世界上第一台采用电子管为主要元件的、真正能自动运行的电子计算机。它使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格为40多万美元。它最初被专门用于军事上的弹道计算，后来经过多次改进，成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从诞生到结束使用历经了9年多时间。
尽管ENIAC存在许多缺陷，每秒只能进行5000次加法或减法运算，其功能远不如当今的计算机，但是它作为计算机家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河。
2.计算机的发展
电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，至今已经历了五个发展阶段。每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
第一阶段：电子管计算机阶段（1946—1957年）。其主要特点是采用电子管作为基本器件，以水银延时线作为主存，后期则采用了磁芯存储器；运算速度一般每秒数千次至数万次，内存容量仅几千字节，程序设计语言处于最低阶段，只能采用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。由于体积大、耗电多、速度低、使用不便，主要是局限于一些军事和科研部门进行科学计算。
第二阶段：晶体管计算机阶段（1958—1962年）。其主要特点是采用晶体管作为基本器件，内存储器大量使用磁芯存储器，外存储器有磁盘和磁带等，运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万字节，出现了诸如ALGOL60，FORTRAN，COBOL等高级程序设计语言。与电子管计算机相比，体积小、耗电少、成本低、使用方便、可靠性高。它的应用从军事研究、科学计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。
第三阶段：集成电路计算机（1963—1970年）。其主要特点是采用了小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Medium Scale Integration），内存储器开始使用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几千次到几百万次基本运算。同时，计算机软件技术进一步发展，操作系统正式形成，并出现多种高级程序设计语言，如BASIC等。在性能方面与前一阶段相比都有较大的提高。它被广泛应用于科学计算、数据处理、工业控制等方面，进入众多的学科领域。
第四阶段：大规模集成电路计算机（1971—1995年）。其主要特点是采用了大规模集成电路LSI（Large Scale Integration）和超大规模集成电路，运算速度提高到每秒百千万次，甚至上亿次，存储容量发展到几千兆字节，存取速度大大加快。同时操作系统、数据库管理系统等系统软件不断完善，应用软件逐渐发展成为一个现代产业。计算机技术和通信技术相结合，使计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的应用已渗透到人类社会生活的各个方面。
第五阶段：人工智能计算机（1995年至今）。其主要特征为人工智能在计算机中的运用，运算速度和存储容量大大提高，主要用于支持知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等。新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，它以知识库为基础，采用智能接口，能理解人类自然语言，能进行逻辑推理，完成判断和决策任务。毫无疑问，随着超大规模集成电路的发展以及新的计算机体系结构和软件技术的发展，第五代计算机将是完全新型的一代计算机。
3.微机的发展概况
微机是指以微处理器为核心，配上内存储器（包括随机存储器RAM和只读存储器ROM）、输入/输出接口电路及其他相应的电路而构成的裸机。微机的发展是以微处理器的发展为特征的。微处理器是指由一片大规模集成电路组成的中央处理器（CPU，即通常所指的运算器和控制器），以及时钟脉冲发生器和系统控制器。
微处理器和微机自1971年问世以来，在仅三十几年的时间里得到异乎寻常的发展，大约每2～4年就更新换代一次，至今已经历了五代演变。通常我们是按CPU的字长和功能来划分各代微机的产品。由4位或8位低档微处理器，字长为4位或8位发展到64位微处理器，即人们习惯称其为586（Pentium，奔腾）处理器。以后又推出了PentiumPro（多能奔腾），几个月后又推出了基于MMX技术的全系列CPU，MMX就是多媒体扩展的意思。使微机在处理多媒体信息上有了很大的提高，
1999年，出现了以PentiumIII为处理器的微机，内存一般为64MB、128MB，并可扩充到256MB以上，配备了软驱、光驱和几个GB到几十个GB的硬盘，主频在450MHz到1000MHz不等。这一代计算机带有更强的多媒体效果，而且支持网络应用的功能更加强大。2000年末，出现了以PentiumⅣ为处理器的新一代微机，其运算速度更快、存储容量更大、处理能力更强。
随着因特网功能增强，有的微机开始注重上网功能，即机器只要具有优秀的上网功能，而不一定需要配备高性能的处理器、大容量硬盘，这使得个人计算机向另外一个方向发展，出现了“上网本”。另一个值得关注的趋势是，笔记本电脑和智能手机相互融合，产生出了新型的“平板电脑”。例如苹果公司发布了苹果iPad；RIM公司发布了黑莓PlayBook。
4.嵌入式系统
随着微控制器的大规模的嵌入式应用，嵌入式系统遍及各行各业，得到广泛应用。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序等几个部分。
以信息家电为主要应用领域的嵌入式产品，有十分美好的应用前景，但由于网络和多媒体技术的迅速发展，对其提出更高要求：十分灵活的网络联接；包括与移动通信相适应的信息交换；快速的多媒体信息处理；微型化的体积和较高的功能密度等。
嵌入式系统发展的趋势主要有以下几点：嵌入式处理器向64位过渡；嵌入式Linux操作系统；联网成为必然趋势；微小尺寸、微功耗和低成本；提供精巧的多媒体人机界面。
5.超级计算机
超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成、性能极其强大、能完成普通PC和服务器不能完成的大型复杂计算的计算机。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。
作为高科技发展的要素，超级计算机已经成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。经过我国科技工作者几十年的不懈努力，我国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。1.2.2 计算机的应用及性能特点
1.计算机的应用
计算机的应用已涉及人类社会的各个方面。特别是Internet的诞生和发展，使计算机的应用范围日益扩大，并改变着人们传统的工作、学习和生活方式。归纳起来，计算机的应用主要有以下几个方面：（1）科学计算：科学计算，即数值计算，是指计算机用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题的计算。由于计算机高速度、高精度、大存储和连续计算能力的实现，使得计算量极大或者计算过程极其复杂的计算变得相当简单和容易。例如，天气预报、火箭运行轨迹、高能物理以及计算机仿真原子弹的爆炸等许多尖端科学技术的计算。（2）数据和信息处理：这主要是指计算机对原始数据进行收集、分析、整理、合并、统计、存储、输出等加工处理，计算机应用的一个重要方面就是数据和信息处理。由于计算机具有高速运算、海量存储和逻辑判断的能力，使得它成为数据处理的强有力工具，并广泛应用于办公自动化、军事指挥、专家系统和决策支持系统、情报检索、医疗管理和诊断等方面。目前，数据和信息处理已占据了计算机应用的75%左右。（3）过程控制和人工智能：即实时控制，是指用计算机即时采集检测数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动调节控制。利用计算机进行过程控制，不仅大大提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而能改善劳动条件、提高质量、节约能源和降低成本。计算机过程控制已在工业、军事和航天等诸多领域得到广泛的应用。例如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）等。
另外，随着智能机器人的研制成功，用计算机来“模仿”人的智能，使计算机像人一样具有识别语言、文字、图形和“推理”等思维活动，这样，使计算机可以完成更复杂的控制任务。（4）通信和网络
随着社会信息化的发展，通信业也发展迅速，计算机在通信领域的作用越来越大，特别是计算机网络的迅速发展。目前因特网已把全球的大多数国家联系在一起，它将所有信息资源连接成一个全球性的大网络。
2.计算机的性能特点
计算机是一种具有记忆功能、自动控制的现代化计算工具和信息处理工具。它具有五个方面的性能特点：（1）运算速度快：计算机最显著的特点是运算速度快，可以达到每秒几百万次到上千万次运算速度。不仅大大提高工作效率，而且使许多极其复杂的科学问题得以解决。（2）计算精度高：计算机具有计算精度高的特点，一般其有效数字可以准确到十几位、几十位，甚至上百位，这样就能精确地进行数据计算和表示数据的计算结果。（3）存储功能强：计算机具有存储数据和指令等信息的存储装置，在需要这些信息时再将它们取出。（4）具有逻辑判断能力：计算机不仅能进行数值运算，还可以进行逻辑运算，即对文字或符号等非数值计算问题进行判断和比较，进行逻辑分析和证明。（5）具有自动运行能力：计算机内部操作是按照人们事先编制的程序自动执行的，不需要人工操作和干预。现代计算机不仅可以用于数据计算，还可以用于数据处理、工业控制、辅助设计等，具有很强的通用性和可靠性。1.2.3 计算机中数制和信息的表示
1.计算机中的数据
计算机中的数据分为数值型数据和非数值型数据。比如，0，1，2，3…等十个数字组成的数据可称为数值型数据；由字符和各种符号组成的数据（包括图形、图像、声音等）称为非数值型数据。计算机的功能就是对这些信息（数据）进行加工处理。（1）数据的单位
位（bit）：简写为b（比特），是计算机存储数据的最小单位，是二进制数中的一个位。
字节（byte）：简写为B，规定一个字节为8位，即1B=8bit。字节是计算机数据处理的基本单位，每个字节由8个二进制位组成。一般一个字节可存放一个ASCII码，两个字节存放一个汉字。
字（Word）：字是计算机进行数据处理时，一次可以存取、加工和传送的位数最长的数据。一个字通常由一个或若干个字节组成。由于字长是决定计算机数据处理的速度和精度，因此，字长越长说明计算机的性能越好。
计算机存储容量以字节数来度量，各度量单位可用字节表示：10
1KB=2B=1024B10
1MB=2KB=1024×1024B10
1GB=2MB=1024×1024KB=1024×1024×1024B（2）计算机中数的表示
在计算机中，所有的数据、指令以及一些符号等都是用特定的二进制代码表示。通常，把一个数在计算机内二进制的表示形式称为机器数，该数称为这个机器数的真值。机器数具有下列特点：
① 由于计算机设备的限制和为了操作上的便利，机器数有固定的位数。它所表示的数受到固定位数的限制，具有一定的范围，超过这个范围就会产生“溢出”。
例如，一个8位机器数，所能表示无符号整数的最大值是8位全“1”：11111111，即十进制数255。如果超过这个值，就会产生“溢出”。
② 机器数把其真值的符号数字化。通常是用机器数中规定的符号位（一般是最高位）取0或1，来分别表示其真值的正或负。
例如，一个 8 位机器数，其最高位是符号位，那么在定点整数原码表示情况下，对于00101110和10010011，其真值分别为十进制数+46和−19。
2.二进制数原理与数制转换（1）二进制数原理
各种数据在计算机内都用二进制编码形式表示。原因是其可靠性（只有两个状态，数字传输和处理不易出错）、简易性（求和与求积法则都各有三个）、可行性（符号逻辑电路只有两种状态）和逻辑性（符合代数中的“真”和“假”）。
二进制编码是进位计数的数字系统的一种。如果使用r个基本符号（即0，1，2，…，r−1）表示数值，则称其为基r的数制，r称为该数制的“基（radix）”。
二进制数只有两个不同的数字：0和1，并且是“逢二进一”。
二进制数的基数是2，各数位的权也是基数的整数次幂。对于二01进制数，其整数部分各数位的权，从最低位开始依次是 2，2，23−1−22，2，…；其小数部分各数位的权，从最高位开始依次是2，2，−32，…。
为了表示一个二进制数，通常可在它的右端加上字母“B”（Binary），例如：101B，−10.11B等。
与十进制数相仿，一个二进制数可表示成按权展开的多项式。例如：210
101B=1×2+0×2+1×210−1−2
10.11B=1×2+0×2+1×2+1×2
注意：二进制数101B读为“一零一”或“幺零幺”，不能读作“一百零一”。（2）数制转换
① 二进制数与十进制数相互转化。
二进制数转换成十进制数，只需将二进制数按权展开求和，即“乘权求和”。3210−1−2
例1：1101.01B=1×2+1×2+0×2+1×2+0×2+1×2
=8+4+0+0.25
=13.25
十进制整数转换成二进制数（除二取余）。
例2：把37转换成二进制数，解题过程可写成如下格式：
这里，我们把37除以2的商18写在37的左面，余数1写在37的下面，然后对所得的商18，继续用2来除，直至商为0。所以37=100101B
十进制小数转换成二进制数（乘2取整），即先用2乘该十进制纯小数，然后去掉乘积中的整数部分；再用2乘剩下的小数部分，然后再去掉乘积中的整数部分；如此下去，直到乘积为0，或者达到所要求的精度为止。把乘积的整数部分依次排列起来，就是所要求的二进制小数。
例3：把0.6875转换成二进制数的解题过程是：
于是可得0.6875=0.1011B。
这里，我们把0.6875乘以2的积1.3750写在0.6875的下面，留下乘积的整数部分1，把乘积的小数部分0.3750写在0.6875的右面，然后对0.3750继续用2来乘，直至乘积为0。于是可得0.6875=0.1011B。
当一个十进制数既有整数部分又有小数部分，则可将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再把两部分结果合并起来。
② 二进制数与十六进制数相互转化
由于二进制数存在书写过于冗长容易出错的缺点，且十六进制数与二进制数之间存在极为简便的转换方法，所以，在有关的计算机理论的叙述中我们一般采用十六进制来表示数据的方法。
十六进制数的基数是16；规则是“逢十六进一”；数字符号为0，1，2，…A，B，C，D，E，F，其中A，B，C，D，E，F依次与十进制的10，11，12，13，14，15相对应。
二进制数转化为十六进制数
二进制转化为十六进制采取的方法是“四位并一位”，从二进制数小数点起，整数部分从右向左数，每四位二进制数合并成一位十六进制数；小数部分从左向右数，也是每四位二进制数合并成一位十六进制数。
例4：111011001.110B=0001，1101，1001.1100B=1D9.CH
十六进制数转化为二进制数
十六进制转化为二进制采取的方法是“一位拆四位”，每一位十六进制数字可以拆成四位二进制数。
例5：7E.8CH=01111110.10001100B
3.西文字符在计算机中的表示
人们通常接触和处理的信息中，相当一部分是用字符或字符组合来表示的，如字母、数字以及其他一些可打印显示的字符。同时，计算机和外部设备之间进行通讯联系时，还需要一些控制符，如空格符（SP）、回车符（CR）等等。通常把这些控制符看作特殊的字符。由于控制符不能直接书写或显示，一般用英文缩写或公认的记号表示。
在计算机内部，上述字符必须用一种二进制代码来表示。目前，在微机系统中，广泛采用的是美国标准信息交换代码（American Standard Code for Information Interchange），简称ASCII码。
ASCII码是用1个字节表示。取1个字节中的7位二进制编码（0000000B-1111111B），它可以表示128个字符。（参见附表1）
4.汉字在计算机中的表示
汉字是像形文字，用计算机对汉字信息处理要比西文复杂得多，必须解决汉字的输入（输入码）、输出（字形码）和计算机内部的编码（机内码）问题。汉字数量多，因此一个汉字要用2个字节表示。（1）输入码：汉字输入码应具有单一性、方便性和可靠性。目前，有多种汉字输入编码，主要类型有：①数字编码，是用一定位数的数字作为汉字的输入编码，如区位码、电报码等；②字音编码，是依据汉字读音的一种编码，最常用的就是拼音码；③字形编码，是根据汉字字形的一种编码，如五笔字型码、表形码等；④音形编码，是根据汉字的字音和字形相结合的特征进行编码。（2）字形码：为了显示或打印出汉字，必须提供汉字的字形码。一般可用点阵或矢量形式表示。系统提供的所有汉字字形码的集合组成了系统的汉字字形库，简称汉字库。（3）机内码：即汉字内码，是在计算机内对汉字进行传输、存储和处理的代码。目前我国普遍使用的汉字内码主要是国标内码和扩充国标内码。
① 国标内码：简称GB内码，是建立在汉字国标码基础上的一种汉字内码。
② 扩充国标内码：为了更进一步与国际标准一致，我国又提出了“扩充汉字内码规范”（GBK），这就是扩充国标内码，简称GBK内码，它兼容了GB内码。
注意：同一个汉字在不同汉字输入方法下，其输入码一般是不相同的，但是在计算机中都转换为相同的内码。
除了上面提到国标内码外，还有很多其他形式的机内码，如台湾地区广泛使用的汉字内码是“大五码”（BIG-5），这种内码完全不同于GB内码。不同的汉字内码不能直接交流，必须经过专门的内码转换软件转换才行。1.2.4 计算机硬件和软件
1.计算机硬件
硬件是指构成计算机系统的物理设备总称，通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置。计算机硬件由中央处理器、存储器、输入设备和输出设备等构成。
① 中央处理器（CPU）
CPU：是整台计算机的核心部件，它主要由运算器和控制器两大部分组成。
运算器：又称为算术逻辑单元，它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等），其主要功能是执行算术运算与逻辑运算，如取数、送数、相加、移位等，运算器按控制器发出的命令来完成各种操作。
控制器：控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、指令发生部件所组成。控制器负责从存储器中取出指令，对指令进行译码，并根据指令的要求，按时间的先后顺序，对各个部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，然后按部就班地完成各种操作。控制器是按指令的要求来指挥的，而指令是由人输入的，可见计算机最终还是由人来指挥工作的。
因为计算机的所有工作都要通过CPU来协调处理，所以CPU芯片的型号直接决定着计算机档次的高低。随着CPU型号的不断更新，计算机的性能也不断提高，形成了不同档次的计算机。衡量CPU的指标主要有：CPU型号、字长、主频。字长指CPU一次能处理的数据的二进制位数，它体现了CPU处理数据的能力。主频越高，则PC的运行速度也就越高。当然CPU只是计算机重要组成部分（核心），但本身不构成独立的工作系统，因而也不能独立地执行程序。
② 存储器
计算机系统的存储功能主要由内存储器和外存储器构成。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。
主存储器：主要由半导体器件组成，存放计算机当前运行的程序和数据。主存储器又分为随机存储器和只读存储器。
随机存储器：随机存储器（RAM）可以分为静态随机存取存储器（SRAM）与动态随机存取存储器（DRAM），SRAM在速度上优于DRAM。系统板上的随机存储器（RAM），一般采用动态随机存储器（DRAM）。RAM中的信息可以随机地读出或写入，计算机一旦断电，RAM中的信息立即消失，通电后不能恢复，故需要将数据保存到外部存储器上才能长期保存。
只读存储器：只读存储器（ROM）中只能读出信息，不能写入信息，里面存放着在最初制造时就被存放进去的固定不变的信息。存放在ROM中的信息，在没有电源的情况下也能长期保存。一般在系统板上插有名为ROM BIOS的只读存储器芯片，其中固化了计算机所必需的基本输入/输出系统，即BIOS。该系统的主要作用是完成对系统的加电自检，各功能模块的初始化，系统的基本输入/输出的驱动以及启动程序等。
辅助存储器：辅助存储器也称外部存储器，作为主存的辅助存储部件，大大扩充了存储器的容量。它负责成批地将数据或程序送入内存，也可以将内存中的数据或程序保存至外存中。目前常用的辅助存储器有软盘、硬盘、光盘及网络存储器等。
高速缓冲存储器（Cache）：随着CPU工作频率的提高，它对RAM的读写速度要求也相应提高。由于目前系统对RAM的存取速度远远跟不上CPU执行指令的速度，因此，在执行存放在RAM中的一段程序的整个时间中，绝大部分时间CPU处于等待指令的状态，这大大降低了CPU的工作效率，故微机中通常在CPU与内存之间配置了Cache的存储装置。Cache一般是由存取速度远比动态存储器高得多的静态存储器构造的。
Cache是如何提高存储器的运行速度的呢?
本来每条计算机指令都要由CPU到内存中去取，现在有了Cache就可以将一批即将要处理的计算机指令放在其中。一般情况下CPU只要到Cache中取指令执行，只有当Cache中的指令用完，或者要用的指令不在Cache中，才到内存中再取一批指令，这样计算机运行的速度可以大大加快。
综上所述，计算机的存储系统呈现了Cache-Memory-Disk三层结构的层次形式。和CPU的寄存器最接近的是高速缓冲存储器，中间层是内存（包括RAM和ROM），底层是辅助存储器。
计算机内存和外存之间的分工是建立在这样一个原理基础上的：内存存放正在运行的程序和正在使用的数据，外存存放目前不运行的程序和使用不到的数据。这种运行方式往往使能够运行的程序的大小受到内存容量的限制，也就是运行不了大程序，也运行不了多道程序。
20世纪50年代末、60年代初，由英国曼彻斯特大学首先提出了计算机的虚拟存储技术，用来解决利用有限的内存空间运行更大的程序，甚至多道程序的问题。它的基本思想是把内存当作“前台”，外存当作“后台”，通过合理的调度，前后台不断地进行信息交换，来完成大程序和多道程序的运行。
在Windows操作系统中虚拟存储器的大小是可以通过软件设置的。虚拟存储器的大小占有一定比例的硬磁盘空间，比例过小虚拟存储器的作用不明显，比例过大又会使用于文件、数据存储的硬磁盘空间过小，也会使系统的效率降低。
③ 输入/输出设备
输入设备（Input_Unit）：计算机要进行数据处理，则需先把程序和数据输送给计算机，这就需要一种设备将程序和数据的信息转换成相应的电信号，让计算机能接收，这样的设备叫做输入设备，如键盘、鼠标、光笔、图形扫描器、外存储器等。
输出设备（Output_Unit）：在中央处理器中，有需要输出的处理结果，就要产生与处理结果相对应的各种电信号，然后将这些电信号或在屏幕上显示，或在打印机上打印，或在外存储器上存放，能将计算机内部信息传递出来的设备就是输出设备，如显示器、打印机。
2.计算机软件
简单说，软件是一些程序的集合。这些程序有的用来支持计算机工作和扩大计算机的功能，有的则专为某种具体问题而编制。由于这些程序是看不见、摸不着的，所以叫做“软件”。只有硬件而没有软件，计算机几乎是无用的。只有当软件和硬件结合成一体组成计算机系统后，才能发挥计算机的作用。
计算机软件可以分为系统软件和应用软件两类。为运行计算机而必须的最基本的软件称为系统软件。系统软件主要是指操作系统以及语言处理工具（程序设计语言及其编译、解释程序，调试、查错程序等等）和工具软件。为完成某种具体的应用性任务而编制的软件称为应用软件，例如字处理软件，电子表格软件，演示文稿制作软件，等等。
从是否开放软件的源代码角度分类，软件可以分为非开源软件和开源软件。传统的商业软件一般都是非开源软件，不对公众开放软件的源代码。20世纪90年代开始兴起了开源软件，这种软件代码完全向公众开放。开源软件有独特的开放许可证制度，赋予公众自由使用、分发、复制、修改软件的权利，通过法律形式保证了软件的自由开放形式。
从是否需要在客户端计算机上安装软件的角度分类，软件可以分为客户端软件和在线软件。传统的软件需要用户先购买软件使用许可，再将软件在客户端计算机上安装后才能使用。随着因特网技术的发展和应用软件的成熟，21世纪开始兴起了一种完全创新的软件应用模式——在线软件，它遵循软件即服务的原则，通过因特网提供软件服务，用户无须安装，只要上网就能使用厂商提供的软件服务。（1）系统软件
系统软件包括各种语言的汇编、解释或编译系统，如计算机监控、调试、诊断、故障检测程序，数据库管理程序，操作系统和网络通信管理程序等。系统软件根据所完成功能的不同，可以分为以下四类：
① 操作系统
操作系统（Operating System，OS）是计算机最基本也是最重要的软件包。目前普遍被接受的操作系统的定义是：操作系统是用以控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合。操作系统的基本功能有两个：一是管理、调度计算机系统的资源；二是为用户方便地使用计算机提供友好的界面和良好服务。
一般来说，目前常用的操作系统有Microsoft的Windows系列，Apple的Macintosh OS、HPUX，SUN Solaris和Linux等。从使用和技术相结合的角度，可以把操作系统分为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和网络操作系统。操作系统的主要功能有：
资源管理。计算机中的资源主要有：处理器、存储器、输入输出设备和文件信息四种，统称为系统资源。操作系统能控制和管理所有程序的运行，并管理和调度程序运行过程中所需要的这些系统资源。
人/机接口界面管理。操作系统是用户与计算机的接口，任何其他程序都只有通过操作系统才能使用计算机硬件。操作系统从早期的文字窗口的字符串命令操作界面，发展到菜单式操作界面，又发展到图形窗口操作界面，大大方便了人们的使用。
② 语言处理程序
这类程序主要帮助用户开发信息系统。它是将各种程序设计语言所编写的源程序，“翻译”成计算机的机器语言，从而能被计算机直接执行的一种程序，主要包括各种语言解释器、编译器、程序设计工具及计算机辅助软件工程包。
③ 工具软件
实用工具软件是系统软件的一个组成部分，用来帮助用户更好地控制、管理和使用计算机的各种资源，如管理内存、优化磁盘的使用、制作备份、显示系统信息、抗病毒等。工具软件种类繁多，主要有：系统工具、网络工具、驱动程序、开发工具和杀毒软件等。
④ 数据库管理系统
数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）也是一种系统软件包，这种软件包帮助企业开发、使用、维护和组织数据库。它既能将所有数据集成在数据库中，又允许不同用户运用程序方便地存取相同数据库。数据库是数据之间关系错综复杂的数据集合，DBMS能够有效地管理和使用这些数据，它可完成对数据的编辑、查询、统计、排序等操作，常见的数据库管理系统有SQL Server，Visual FoxPro等。（2）应用软件
在计算机硬件和系统软件的支持下，面向具体问题和具体用户的软件，称为应用软件。应用软件是一些具有一定功能、满足一定要求的应用程序的组合。随着计算机应用的日益广泛深入，各种应用软件的数量不断增加，质量日趋完善，使用更加灵活方便，通用性越来越强，人们只要略加学习一些基础知识和基本方法，就可以利用这些应用软件进行数据处理、文字处理、辅助设计等。从应用领域的不同对应用软件分类可分为：信息管理类、文字表格处理软件、教育软件、游戏软件、翻译软件、多媒体软件和图形图像处理软件等。
必须指出，系统软件和应用软件之间并不存在明显的界限。随着计算机应用的广泛深入，各种各样的应用软件中就有了许多共同的东西，把这些共同的东西抽取出来，形成一个新的通用软件，它就逐渐成为系统软件了。如数据库一开始是作为应用软件出现的，现在已形成作为系统软件的数据库管理系统了。1.2.5 计算机基本结构和工作原理
1.计算机系统基本结构
现在，可以比较完整地描述计算机系统了。计算机系统是一个由计算机硬件和计算机软件构成的完整系统，其硬件由主机和外部设备等组成，软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图1-1所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]