计算机技术 第3章 计算机(computer)俗称电脑,是一种用于高速计算的电子计算机器。计算机具有数据 存储记忆功能,是可以按照程序自动、高速运行并处理海量数据的现代化智能电子设备。计 算机技术的内容非常广泛,通常是指计算机领域中所运用的技术方法和技术手段,具有明显 的综合特性。它与电子工程、应用物理、机械工程、现代通信技术和数学等紧密结合,并随着 相关技术的发展而快速发展。 计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。其中,计算机硬件系 统相关技术包括计算机体系结构、计算机部件技术、计算机器件技术和计算机组装技术等几 方面;计算机软件系统相关技术包括操作系统、程序设计语言以及软件应用技术等。 3.计算机体系结构 1 3.1 图灵理论模型 1. 阿兰·图灵(AlanTuring,以下简称图灵,1912 年6月23 日—1954 年6月7日)如 图3-1所示。他是英国著名的数学家和逻辑学家,被称为计算机 科学之父、人工智能之父,是计算机逻辑的奠基者,被永远载入计 算机的发展史中。图灵对电子计算机发展的主要贡献有两个:一 是建立图灵机(Turingmachine)理论模型;二是提出定义机器智 能的图灵测试(Turingtest)。 1936 年,图灵发表了一篇论文———《论可计算的数及其在密 码问题的应用》,首次提出了一种抽象逻辑机的通用模型,现在人 们就把这个模型机称为图灵机,缩写为TM 。 图灵的基本思想是用机器来模拟用纸笔进行数学运算的过图3-1 阿兰·图灵 程,他把过程看作两种简单的动作: (1)在纸上写上或擦除某个符号; (2)把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。 而在每个阶段,要决定下一步的动作,依赖于当前所关注的纸上某个位置的符号和当前 思维的状态。 为了模拟这种运算过程,图灵构造的TM 由以下几部分组成:一个处理器P、一个读写 头W/R、一条存储带M和一套控制规则TABLE 组成,如图3-2所示。其中,M是一条无 限长的带,被分成一个接一个单元,从最左单元开始依次被编号为0,1,2,…, 向右延伸直至 大学计算机 无穷。读写头W/R可以在M上左右移动,它能读出当前所指单元上的符号,并能改变当前 单元上的符号。P是一个有限状态控制器,能使W/R左移或右移,并且控制针对M上的符 号进行修改或读出。控制规则TABLE 根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的单 元上的符号来确定读写头下一步的动作。图灵通过把非本质的东西丢掉,将整个计算过程 局限在了少数非常简单的操作上。 98 图3-2 图灵机原理 那么,图灵机怎样进行运算呢? 例如,做加法3+2=? 开始先把最左单元放上特殊的 符号B,表示分割空格,它不属于输入符号集。然后写上3个“1,(”) 用B分割后再写上2个“1,(”) 接着再填一个B,相加时,只要把中间的B修改为“1,(”) 而把最右边的“1”修改为B,于是 机器把两个B之间的“1”读出就得到3+2=5。由于计算过程的直观概念可以看成是能用 机器实现的有限指令序列,因此图灵机被认为是过程的形式定义,图灵认为这样的一台机器 就能模拟人类所能进行的任何计算过程。 显然,图灵机每一部分都是有限的,因此仅仅是理论模型。如果问“哪家公司生产图灵 机?” 那将令人啼笑皆非。那么,这个理论模型是否有实际意义呢? 理论已经证明,如果图灵 机不能解决的计算问题,那么实际计算机也不可能解决。只有图灵机能够解决的计算问题, 实际计算机才有可能解决。当然,还有些问题是图灵机可以解决而实际计算机还不能实现 的。图灵机的计算能力概括了数字计算机的计算能力,它能识别的语言属于递归可枚举集 合,它能计算的问题称为部分递归函数的整数函数。图灵给可计算性下了一个严格的数学 定义,在这个基础上发展了可计算性理论。 因此,可以认为图灵机对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的 影响。直到今天,人们还在研究各种形式的图灵机,如可逆TM 、化学TM,甚至酶TM 、细胞 TM,以便解决理论计算机科学中的许多所谓基本极限问题。 图灵在对人工智能的研究中,提出了一个叫作图灵测试的实验,尝试定出一个决定机器 是否有智能的标准。1950 年10 月,图灵发表了另一篇题为《机器能思考吗》的论文,其中提 出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵测试。测试由计算机、被测试的人 和主持试验人组成,过程是让人类考官通过键盘向一个人和一个机器发问,这个考官不知道 他问的是人还是机器。如果在经过一定时间的提问以后,这位人类考官不能确定谁是人谁 是机器,那么就认为这台机器拥有智能。图灵提出的关于机器思维的问题,引起了研究领域 的广泛注意,对人工智能的发展产生深远的影响。 必须强调指出,图灵并不只是一位纯粹抽象的数学家,他还是一位擅长电子技术的工程 专家。二次大战期间,他是英国密码破译小组的主要成员。图灵以独特的思想设计创造的 破译机,一次次成功地破译了德国法西斯的密码电文。为纪念图灵的理论成就,美国计算机 协会(ACM)专门设立了计算机学术界的最高成就奖———图灵奖。2012 年是阿兰·图灵诞 辰100 周年,所以被定为“阿兰·图灵年”。 3.2 冯·诺依曼结构 1. 冯·诺依曼(vonNeumann,1903 年12 月28 日—1957 年2月8日)如图3-3所示。他 是著名匈牙利裔美籍数学家、计算机科学家、物理学家以及化学家。 他是一位在电子计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有 杰出建树的科学家,被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。 计算机工程的发展也应大大归功于冯·诺依曼。计算机的逻辑 设计和结构图式,电子计算机中存储、速度、基本指令的选取以及线 路之间相互作用的设计,都深深受到冯·诺依曼思想的影响。冯· 诺依曼参与了主要为电子管元件组成的计算机ENIAC 的研制。 1945 年3月,冯·诺依曼在和摩尔小组共同讨论的基础上起草了全 新的存储程序通用电子计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariable 图3-3 冯·诺依曼 AutomaticComputer,电子离散变量自动计算机)设计方案,并发表 了《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文。文中确定了计算机结构、采用存储程序以及二 进制作为数字计算机的数制基础等理论,又称为冯·诺依曼体系结构。符合冯·诺依曼体 系结构的计算机就称为冯·诺依曼计算机。 冯·诺依曼计算机的基本特点如下: 1. 计算机由输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器五大部件组成 在冯·诺依曼体系结构中计算、存储及通信等工作具体都是使用单一处理部件来完成, 冯·诺依曼计算机的组成部分如图3-4所示。 图3-4 典型的冯·诺依曼计算机结构 (1)控制器。控制器是整个计算机的指挥中心。它负责协调输入输出设备的操作和内 存访问,完成针对指令的分析、判断,发出控制信号,使计算机各部分自动、连续、协调动作, 确保系统作为一个整体进行正确运行。 (2)运算器。运算器是计算机对信息进行加工处理的核心部件之一。它在控制器的控 制下与内存交换信息,负责进行各类基于二进制数的基本算术运算、逻辑运算、比较、移位、 逻辑判断等各种操作。 99 (3)存储器。存储器是计算机的记忆装置,用于存放原始数据、中间数据、最终结果和 第 处理程序。为了对存储的信息进行管理,计算机中的各种信息都要存储在存储器中。 3 章 计算机技术 100 大学计算机 (4)输入设备。输入设备是向计算机输入信息的装置,用于把原始数据和处理这些数 据的程序输入计算机系统中。不论信息的原始形态如何,输入计算机中的信息都使用二进 位来表示。 (5)输出设备。输出设备的主要任务是将计算机工作过程中处理的中间或最终结果信 息,以用户熟悉、方便的形式输出。 2. 数据和指令均采用二进制形式表示 计算机程序发给计算机的命令就是指令,指令是程序的基本单位,由操作码和地址码两 部分组成。操作码指明操作的性质,即操作的类型或性质,如取操作数、做加法或输出数据 等。地址码指明操作对象或数据存放的存储单元地址。若干指令的有序集合组成完成某项 功能的程序。 冯·诺依曼计算机中,指令与数据均以二进制代码的形式同存于存储器中,两者在存储 器中存储时的地位相同,采用按地址的方式完成寻访,即指令和数据的形式就是一串0 和1。 3. 采用存储程序控制方式 存储程序控制是构建冯·诺依曼计算机的核心思想。采用存储程序方式是指在用计算 机工作之前,事先编制好程序并连同所需的操作数据预先存入存储器中。在运行程序过程 中,由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动、连续地从存储器中依次取出指令和 操作数并执行,直到获得所要求的结果为止。可见存储程序方式是计算机能高速、自动运行 的基础。 虽然人们把“存储程序计算机”当作电子计算机的重要标志,并把它归于冯·诺依曼的 努力,但是,他本人谦虚地认为电子计算机的设计思想来自图灵的创造性工作。 4. 计算机的工作原理 冯·诺依曼计算机的基本工作流程:预先要把控制、指挥计算机进行操作的指令序列 (通常称为程序)和操作需要的原始数据,通过输入设备输入到计算机的内部存储器中。程 序中的每条指令中都明确地规定了将进行的步骤,如计算机从哪个地址取指令码或相应的 操作数;具体进行什么运算操作;完成的结果送到什么地址等。 需要注意,从存储器中取出的信息可能是指令操作码,也可能是操作数,不同的信息其 意义和具体的执行过程是不同的。 当计算机开始运行时,向内存储器发出取指令命令。先从存储器中取出第一条指令,送 入控制器进行分析译码,明确指令的操作任务后,并根据指令的操作要求,向存储器发出取 参与运算数据的命令。按运算命令由运算器对操作数进行指定的运算和操作。经过运算器 计算后,再按要求把结果送到内存中的指定地址存储下来。接下来,再取出第二条指令,在 控制器的指挥下完成规定操作。依次进行下去,直至遇到停止指令。最后在控制器发出的 取数和输出命令的作用下,通过输出设备输出计算结果。 特别提示,在微处理器问世之前,运算器和控制器是两个分离的功能部件,加上当时计 算机存储器的存储容量较少,因此早期冯·诺依曼提出的计算机体系结构是以运算器为中 心的,其他部件都通过运算器完成信息的传递。 综上所述,遵循冯·诺依曼理论的计算机又称冯氏计算机,从EDVAC 到当今最先进的 计算机大多采用的是冯·诺依曼体系结构,并将继续为电子计算机设计者所采用。由此可 见其对电子计算机的设计具有决定性的影响。随着计算机技术和应用领域的拓展,对计算 机的性能要求越来越高,虽然针对冯·诺依曼体系结构进行了许多变革,获得了一定程度的 性能提高,如指令流水线技术、多总线等,但总体上没有突破冯·诺依曼体系结构,由此可 见,冯·诺依曼是当之无愧的现代电子数字计算机之父。 3.计算机的主要部件 2 按照冯·诺依曼理论和体系结构,电子计算机系统自顶向下从硬件组成结构的角度,具 体包括运算器、控制器、外存储器、输入设备和输出设备五大功能部件,如图3-5所示。其 中,通常把运算器和控制器统称为CPU;把CPU与内存统称为计算机主机(简称主机);外 存储器、输入设备、输出设备称为计算机的外部设备,简称为I/O设备或外设。 图3-5 计算机功能部件 3.1 CPU 2. CPU(CentralProcesingUnit,中央处理器)是电子计算机的主要设备之一。CPU是 任何一台计算机必不可少的核心部件。CPU的功能主要是读取、解释计算机指令并执行指 令处理计算机软件中的数据,承担着运行系统软件和应用软件的任务。 计算机技术的快速发展过程,实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂的发展过 程。不同计算机性能的差别首先体现在CPU的性能上。CPU的内部结构基本上都是由控 制单元(控制器)、算术逻辑单元(运算器)以及寄存器为核心组成的。CPU的组成及其与内 存的关系如图3-6所示。 1.CPU 的主要性能指标 1)主频 主频即CPU内核工作的时钟频率,是指计算机CPU在单位时间内由时钟电路产生的 标准脉冲数。CPU的周期性工作是由主频控制的,但主频不等于处理器每秒执行的指令条 数,因为一条指令的执行可能需要多个时钟周期。对于CPU,主频越高,CPU的工作速度 越快。目前的CPU主频一般以GHz为单位。 101 第 章 计算机技术 大学计算机 102 图3-6CPU 的组成及其与内存的关系 注意:主频和实际的运算速度存在一定的关系,但还没有一个确定的公式能够定量两 者的数值关系。CPU 的主频并不直接代表CPU 的运算速度,因为CPU 的运算速度还要看 CPU 各方面的性能指标(缓存、指令集、CPU 的位数等), 但提高主频对于提高CPU 运算速 度却至关重要。 2)外频 外频也叫CPU 外部频率或基频,是主板上提供的供计算机上其他部件工作的基准节 拍。外频是CPU 与主板之间同步运行的速度,而且在绝大部分计算机系统中外频也是内 存与主板之间同步运行的速度。 注意:使用外频高的CPU 组装计算机,其整体性能比使用相同主频但外频低一级的 CPU 要高,这项参数关系适用于主板的选择。 3)倍频 倍频即CPU 主频与外频之比的倍数。当CPU 的主频超过外部设备的工作频率时, CPU 将以外频的若干倍工作。CPU 的主频、外频及倍频的关系如式(3-1)所示。 4)地址总线宽度 CPU 主频=倍频×外频(3-1) 地址总线宽度即地址总线的位数,其决定CPU 可以访问的存储器的容量。总线宽度 不同则内存最大容量也不一样。如32 位地址总线能使用的最大内存容量为4GB 。 5)数据总线宽度 数据总线宽度是CPU 与内存、输入输出设备之间一次性数据传输的信息量,以字节为 单位。目前数据总线的宽度为64 位,即CPU 一次可以同时传输8字节的数据。 6)多核 CPU 是在半导体硅片上制造的,而硅片上元件之间采用导线进行连接。由于在高频状 态下,导线越细、越短才能减小导线分布、电容等杂散干扰,保证CPU 运算正确。因此CPU 工作主频的提高主要受到生产工艺的限制,这也成为CPU 主频发展的最大障碍之一。面 对主频发展之路走到尽头,CPU 开启了多核时代。多核指单个裸片上具有多个可见的处理 器,这些处理器各自拥有独立的控制和工作状态,互相之间无须共享关键资源。 多核系统更易于扩充,能够在更纤巧的外形中融入更强大的处理性能。这种外形所用 的功耗更低,计算时产生的热量更少。多核技术是处理器发展的必然。 2. 主流CPU 产品 从1971 年11 月15 日Intel公司首次向全球市场推出4004 微处理器,到今天CPU 的 制造技术、工艺和性能指标的巨大提升,CPU 推动了全世界整个计算机硬件产业的形成和 高速发展。 1)Intel公司产品 Intel公司作为半导体行业和计算创新领域的全球领先厂商,在CPU 的设计制造上一 直引领行业,如图3-7所示。 图3-7Intel公司产品 尤其是进入21 世纪,l公司陆续推出的产品有:2000 年的Pum4 处理器、 InteentiIntel Pentium4HT 处理器、IntelPentiumM 处理器,2005 年的IntelPentiumD 处理器(首颗内 含2个处理核心,正式揭开x86 处理器多核心时代),2006 年起陆续上市的IntelCore2Duo 处理器(酷睿2)、IntelCorei3处理器(2核)、IntelCorei5处理器(4核)、IntelCorei7处理 器。Intel公司同时还生产廉价版本的Celeron(赛扬)系列以及用于服务器和工作站的Intel Xeon系列和Itanium 系列处理器。 2)AMD 公司产品 AMD 公司专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器,如 图3-8所示。目前在CPU 市场上的占有率仅次于Intel公司,但仍有不少差距。 图3-8 AMD 公司产品 AMD 公司的主流产品为面向台式计算机、笔记本电脑的AMDAthlon(速龙)处理器系 列、采用x86-64v架构面向工作站和服务器的AMDOpteron(皓龙)处理器系列、面向台式 机的Athlon64 以及面对普通用户的Athlon64 处理器。 3)IBM 公司产品 目前在CPU 市场上IBM 公司是高端服务器、处理器的最大制造商。2007 年IBM 公司 推出当时主频最高的微处理器IBMPower6 及系列产品,后又推出功能更加强大的微处理 器IBMPower7 系列。Power7 拥有8个内核,每个内核拥有4个线程,可以同时运行32 103 第 章 计算机技术 104 大学计算机 项任务,拥有更大的吞吐量,能管理大规模并行事务处理。IBMPower系列(见图3-9)主要 用于IBM 的高端服务器及大型超级计算机。 4)ARM 公司产品 ARM 公司1991 年成立于英国剑桥。ARM 公司主要出售芯片设计技术的授权,其微 处理器及技术的应用已经广泛深入到工业控制、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产 品等各个领域,如图3-10 所示。ARM 微处理器系列包括低功耗32 位RISC 处理器的 ARM7;应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄 像机等的ARM9;应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信系统、存 储设备和网络设备等领域的ARM9E 和ARM10E 等系列。 图3-9IBMPower系列图3-10 ARM 公司产品 3.2 存储器 2. 存储器是计算机系统中拥有“记忆”功能的设备。存储器是计算机信息存储的核心,是 计算机必不可少的部件之一。存储器可以存放程序和数据,并能在计算机运行过程中高速、 自动地进行存取。把信息存入存储器或从存储器取出信息的速度越快,计算机处理信息的 速度就越高。 1. 存储器构成 在计算机中采用二进制来表示数据,因此存储器采用具有两种稳定状态的物理器件来 存储二进制数0和1,这些器件也称为记忆元件。构成存储器的存储介质,目前主要采用半 导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个 CMOS 晶体管或磁性材料的存储元,它可存储一个二进制代码数0或1。 若干存储元组成一个存储单元,再由许多存储单元组成一个存储器。通常每个存储单 元可存放一个字节(所以按字节编址)。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为 存储容量。假设一个存储器的地址码由20 位二进制数组成,则表示220,即1M 个存储单元 地址,则该存储器的存储容量为1MB 。 2. 存储器分类 随着计算机及其器件的发展,存储器的功能和结构都发生了很大变化。存储器类型日 益繁多,相继出现了各种存储器,以适应计算机系统的需要。存储器的分类方法很多,主要 分类如下。 (1)按存取速度分,有高速、中速、低速存储器。 (2)按存储材料分,有半导体存储器、磁记录存储器、激光存储器等。 (3)按功能分,有寄存器型存储器、高速缓冲存储器、主存储器、外存储器、后备存储 器等 ( 。 4)按存储方式分,有随机存储器、顺序存储器、只读存储器等。 最近又出现了固态存储器、移动存储器、微型存储器等。 3. 存储器的层次结构 存储器的种类很多而且它们的性能和价格差异很大,所以为了解决对存储器要求容量 大、速度快、成本低三者之间的矛盾,可以利用计算机程序的局部性特点进行选择。通常采 用不同类型的存储器,建立合理的多级存储层次结构,获得快速及大容量的存储器,以及较 高的性能价格比,从而提高计算机系统的存储性能。 各类存储器之间的关系如图3-11 所示。 1)寄存器型存储器 寄存器是CPU 内部的元件,包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。寄存器是有 限存储容量的高速存储部件,主要用来暂时存放地址、数据及运算的中间结果。寄存器拥有 非常高的读写速度,可与CPU 匹配,但存储容量很小。寄存器是存储层次中的最顶端。 2)高速缓冲存储器 高速缓冲存储器Cache是高速而小容量的存储器,如图3-12 所示。它采用速度更快、 价格更高的半导体静态存储器,甚至与微处理器做在一起,主要存放CPU 近期要执行的指 令和数据。配合适当的调度算法可提高系统的处理速度,从而解决高速CPU 与速度相对 较慢的主存的矛盾。Cache的容量是数十万字节到几兆字节。 图3-11 各类存储器之间的关系图3-12 高速缓冲存储器Cache Cache的运算速度高于内存储器,它以接近CPU 的速度向CPU 提供程序和数据。通 常高速缓冲存储器位于主存储器与CPU 之间。CPU 读取数据的顺序是先Cache后内存储 器,即读写程序和数据时,先访问Cache,若包含,则直接从Cache中读取(称为“命中”), 并 送给CPU 处理;若未包含,则再到主存储器去读取(称为“未命中”), 同时把这个数据所在 的数据块调入Cache中。这样可以使得以后对整块数据的读取都在Cache中进行,不必再 调用内存储器。 注意:增加Cache,只是提高CPU 的读写速度,而不会改变内存储器的容量。 3)主存储器 主存储器是计算机硬件的一个重要部件。它是CPU 能够直接随机存取的存储器,简 称主存。主存储器一般采用半导体存储器,用来存储计算机运行期间较常用的大量的程序 和数据。 目前主存储器已采用大规模集成电路构成,主要是随机存储器(RAM )。其内容可以根 据需要随时按地址读出或写入,通过某种电触发器的状态进行存储。断电后信息无法保存, 105 第 章 计算机技术 106 大学计算机 主要用于暂存数据。因此RAM 是计算机处理数据的临时存储区。具体可分为动态随机存 储器芯片(DRAM)和静态随机存储器芯片(SRAM)两种。存储器中的数据可反复使用,只 有向存储器写入新数据时存储器中内容才被更新。 RAM 最初使用的是最普遍的也最经济的DRAM 。由于存储芯片的容量有限,主存储 器往往以由一定数量芯片构成的内存条形式出现。内存条通过主板上存储器槽口插入,如 图3-13 所示。DRAM 芯片的存取速度适中,一般为50~70ns,其容量可以达到数吉字节。 近年来,内存条开始大量使用速度和可靠性更好的SRAM 芯片,其访问时间可以达到1~ 15ns,而在主板上的连接形式保持不变。 图3-13 内存条及内存条的安装 无论主存储器采用DRAM 还是SRAM 芯片构成,在断电时存储的信息都会“丢失”。 因此要设法通过维持若干毫秒的供电以保存主存储器中的重要信息,以便供电恢复时计算 机能恢复正常运行。鉴于上述情况,选用只读存储器(ROM )。只读存储器可以作为主存储 器的一部分,常用来存放重要的、经常用到的程序和数据,如监控程序等。只要接通电源, CPU 就可执行ROM 中的程序。只读存储器还可以用作其他固定存储器,例如存放微程序 的控制存储器、存放字符点阵图案的字符发生器等。 ROM 存储单元只能随机地读出信息,而不能写入新信息,通常是在厂家制造时或在脱 机情况、非正常情况下写入的。ROM 的特点是在电源断电后,信息也不会消失或受到破 坏。数据区域甚至也可采用ROM 芯片构成,就不怕暂时供电中断,还可以防止病毒侵入。 按照ROM 的内容是否能被改写或改写的方式不同可分为不可在线改写内容的ROM 和FlashROM(快擦除ROM,或闪速存储器)。 4)外存储器 外存储器是计算机主机外部的存储器,又称辅助存储器(简称外存、辅存)。它可以帮助 主存储器记忆更多的信息,但是其中信息必须调入主存储器后,才能为CPU 所使用。外存 储器通常是磁性介质或光盘,能长期保存信息,并且不依赖于电来保存信息。外存储器的容 量可以很大,而且在断电时它所存放的信息也不丢失,可以长久保存。外存储器复制、携带 都很方便,但是由机械部件带动,速度与CPU 相比就显得慢很多,存取速度较低。 目前常用的外存储器有硬盘、光盘、U盘、固态硬盘等。 (1)硬盘。 硬盘又称硬磁盘存储器(HardDiskDrive,HDD), 全名为温彻斯特式硬盘,如图3-14 所示。它是计算机系统中最主要的辅助存储媒介之一,是磁盘向高密度、大容量发展的 产物。 硬盘是由若干涂有磁性材料的铝合金盘片组成的。磁盘利用磁头外加磁场在磁介质表 面进行磁化,产生两种方向相反的磁畴单元来表示0和1,磁头、磁盘、磁头定位机构甚至读 图3-14 硬盘 写电路等均密封在一个盘盒内,构成密封的磁头—磁盘组合体,这个组合体不可随意拆卸。 它的防尘性能好,可靠性高,对使用环境要求不高。 硬盘按几何尺寸主要为3.主要有SATA 、mSATA 或NGFF 5英寸。按硬盘接口划分, 等接口硬盘。硬盘的特点是容量大,成本低,可以脱机保存信息,是目前计算机系统中应用 最普遍的辅助存储器。 硬盘主要的性能指标: ①容量。硬盘的容量指的是硬盘中可以容纳的数据量。目前硬盘的容量以吉字节 (GB)或太字节(TB)为单位,1TB 等于1024GB,而1GB 等于1024MB 。 注意:硬盘厂商通常使用的GB 是按1G 等于1000MB 换算的,而Windows系统,依旧 以GB 字样来表示存储单位按1024 换算,因此在系统格式化硬盘时看到的容量会比厂家的 标称值要小。 ②转速。硬盘的转速是硬盘内电机主轴的旋转速度,也是硬盘盘片在一分钟内所能完 成的最大转数,单位为转每分(r/m)。转速的快慢是标志硬盘档次的重要参数之一,也是决 定硬盘内部传输率的关键因素之一。转速在很大程度上直接影响硬盘的性能,转速越快硬 盘寻找文件的速度也就越快。RPM 值越大,内部传输率就越快,访问时间就越短,硬盘的整 体性能也就越好。 硬盘的转速一般有7200r/m、10000r/m甚至15000r/m,但随着硬盘转速的提高也带 来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪声增大等负面影响。 ③平均寻道时间。平均寻道时间指磁头到达目标数据所在磁道的平均时间,直接影响 硬盘的随机数据传输速度。目前的主流硬盘中平均寻道时间为7.6~9ms 。 (2)光盘。光盘是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质,它采用聚焦的氢离 子激光束处理记录介质的方法来存储信息。光盘具有记录密度高、存储容量大、采用非接触 方式读/写信息、信息可长期保存等优点,因此在计算机外存储器当中占有重要地位 107 第3章 。 光盘分为不可擦写光盘(如CD-ROM,DVD-ROM)和可 擦写光盘(如CD-RW,DVD-RAM)等,如图3-15 所示。常见 的光盘非常薄,只有1.分5层, 记录层、反 2mm 厚, 包括基板、 射层、保护层、印刷层等。光盘必须通过机电装置才能进行信 息的存取操作,该机电装置被称为光盘驱动器(简称光驱), 如图3-15 光盘 计算机技术 大学计算机 图3-16 所示。 108 图3-16 光盘驱动器 (3)U盘。U盘(见图3-17)是一种采用Flash存储器(闪存)技术通过USB 接口与计 算机连接,可重复存储擦写100 万次,实现即插即用使用,无须物理驱动器的微型高容量移 动存储产品。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备,名曰“优盘”。 U盘小巧,便于携带,存储容量大,安全可靠性好,使用寿命长。目前广泛使用的U盘 容量有16GB 、32GB 、64GB 、128G 等。U盘中无任何机械式装置,抗震性能极强。另外,U 盘还具有防潮、防磁、耐高低温等特性。 (4)固态硬盘。固态硬盘(SolidStateDrives,SSD)又称固盘,如图3-18 所示。它是用 固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,在便携式计算机中代替传统的硬盘,虽然成本较高但 也正在逐渐普及。 图3-17 U 盘图3-18 固态硬盘 固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,利用NAND 存储器,再配合适当的控制芯片,就可 以制造。固态硬盘的外形与常规硬盘相同,通常有2.5英寸。固态硬盘普遍采用 5英寸或3. SATA-0接口、MSATA 接口、-2接口等与主机的接口相互兼容。存储容 3.PCIE接口、M. 量为512GB~1TB 或更大。固态硬盘具有低功耗、无噪声、抗震动、低热量、体积小、工作温 度范围大等优点;读写速度也快于传统硬盘;固态硬盘没有机械马达和风扇,工作时噪声值 极低。 注意:固态电子存储芯片都有一定的写入寿命,寿命到期后数据会读不出来且难以 修复。 3.3 外部设备 2. 1. 输入设备 输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。输入设备的功能是 向计算机输入数据和信息,是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。 现在的计算机能够接收各种各样的数据,既可以是数值型的数据,也可以是各种非数值 型的数据,如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入计算机中,因此输入设 备也有很多种类且各自的功能、用途各异。 1)键盘 键盘是用于操作计算机设备运行的一种指令和数据输入装置。通过键盘可以将英文字 母、汉字、数字、标点符号等输入计算机中,从而向计算机发出命令、输入数据等。键盘可以 说是一种万能输入设备,也是最常用、最方便的输入设备。 图3-19 所示的键盘为人体工程键盘,这种设计可以减少键盘操作者的手部疲劳,提高 输入速度。 键盘由一组开关矩阵组成,包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键等。每一个按 键在计算机中都有它的唯一代码。当按下某个键时,键盘接口将该键的二进制代码送入计 算机主机中,并将按键字符显示在显示器上。 键盘按键数可分为83 键盘、101 键盘、104 键盘、107 键盘等。通常将平时用到的标准 键盘称作QWERTY 键盘,这6个字母顺序排列于键盘字母区域的左上方,这种布局是在机 械打字机年代就规定好的。键盘接口电路多采用单片微处理器,由它控制整个键盘的工作, 如上电时对键盘的自检、键盘扫描、按键代码的产生和发送及与主机的通信等。键盘与主机 的接口主要有USB 、无线接口。键盘分为有线键盘和无线键盘。 2)指点设备 随着图形方式操作系统的普及,越来越多的软件运用要求用户与图标打交道(屏幕上显 示的一些图形符号,代表文档或程序), 并完成在系统及应用的“菜单”列表中做出的选择。 指点设备便是基于这一目的应运而生的一类输入设备,具体包括有鼠标、轨迹球、触摸 板等 ( 。 1)鼠标。 鼠标是计算机显示系统纵横坐标定位的指示器,因形似老鼠而得名,如图3-20 所示。 其标准称呼应该是“鼠标器”,英文名是mouse。鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简 便快捷,以代替键盘烦琐的指令。 图3-19 键盘图3-20 鼠标 鼠标按其工作原理的不同可以分为机械鼠标和光电鼠标。机械鼠标主要由滚球、辊柱 和光栅信号传感器组成。当拖动鼠标带动滚球转动时,滚球带动辊柱转动,装在辊柱端部的 光栅信号传感器产生的光电脉冲信号反映出鼠标器在垂直和水平方向的位移变化,再通过 计算机程序的处理和转换来控制屏幕上光标的移动。光电鼠标器是通过检测鼠标器的位 移,将位移信号转换为电脉冲信号,再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标的移动。 光电鼠标用光电传感器代替了滚球。 109 第 章 计算机技术 110 大学计算机 (2)轨迹球。 轨迹球是另外一种类型的鼠标,如图3-21 所示。其工作原理与机械鼠标相同,只是改 变了滚轮的运动方式,其球座固定不动,直接用手拨动轨迹球来控制光标的移动,即可实现 光标的运动,由于轨迹球占用空间小,多用于笔记本计算机等便携机。 (3)触摸板。 触摸板是一种在平滑的触控板上,利用手指的滑动操作来移动游标的输入装置,如 图3-22 所示。通常为小型矩形平面,当使用者的手指接近触摸板时会使电容量改变,触摸 板通过检测,将电容变量,转换为坐标,实现手写输入功能。触摸板没有移动式机构件,使用 可靠、耐久。触摸板常用在笔记本计算机中。 3)扫描仪 扫描仪是利用光电技术和数字处理技术,通过光源照射以扫描方式将图形或图像信息 转换为数字信号的装置。扫描仪具有比键盘和鼠标更强的功能,从最原始的图片、照片、胶 片到各类文稿资料都可用扫描仪输入计算机中,进而实现对这些图像形式的信息的处理、管 理、使用、存储、输出等,配合光学字符识别(OpticCharacterRecognize,OCR)软件还能将扫 描的文稿转换为计算机的文本形式。 常用的扫描仪有台式扫描仪(见图3-23 )、手持式扫描仪和滚筒式扫描仪。随着应用 领域的拓展,近年又有了笔式扫描仪、便携式扫描仪、胶片扫描仪、底片扫描仪和名片扫 描仪。 图3-21 轨迹球图3-22 触摸板图3-23 台式扫描仪 扫描仪的主要技术指标包括: (1)分辨率。分辨率是扫描仪最主要的技术指标,它体现扫描仪扫描图像的清晰程度、 图像细节上的表现能力,即决定了扫描仪所记录图像的细致度,其单位为ppi。通常用每英 寸长度上扫描图像所含有像素点的个数来表示。大多数扫描的分辨率为300~2400ppi。 ppi数值越大,扫描的分辨率越高,扫描图像的品质越高。 (2)色彩位数(色彩深度)。色彩位数表示彩色扫描仪所能产生颜色的范围。通常用表 示每像素点颜色的数据位数即比特位表示,反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力,位数越 多,能反映的色彩就越丰富,扫描的图像效果也越真实,例如24b,32b,48b 。 (3)扫描速度。扫描仪的扫描速度与分辨率、内存容量、数据存取速度以及图像大小有 关,通常用指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间来表示。 面等 ( 。 4)扫描幅面。扫描幅面表示容许扫描图稿尺寸的大小,常见的有A4 、A3 、A0 幅 (5)接口。接口指扫描仪与计算机的连接方式,常见的有SCSI 接口、EPP 接口、USB 接口以及1394 接口。 4)其他输入设备。 随着计算机应用领域的拓宽以及多媒体技术的发展,为提升信息数据的输入效率,除了 传统通用的输入设备外,人们陆续开发设计出许多特殊用途的输入设备,包括有数字化仪 (工程图纸)、条形码阅读机(条形码)、触摸屏、POS 机(信用卡)、IC 卡输入设备、录音笔(语 言)、数字摄像头(图像)、数码相机以及智能手机等。 2. 输出设备 输出设备用于把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。 输出设备有多种类型,常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记 录设备等。输出设备的功能是将内存中计算机处理后的信息,以人或其他设备所能接受的 形式输出。 1)显示器 计算机显示是通过显示器和显卡两部分相互依赖共同完成的。显卡(videocard, graphicscard)全称为显示接口卡,又称显示适配器。显卡控制计算机的图形输出,负责将 CPU 送来的影像数据处理成显示器可识别的格式,再送到显示器;而显示器负责将显卡传 来的数字信号转换为图像信号进行显示。因此显卡的性能好坏决定着机器的显示效果。 最常见的输出设备是显示器,又称监视器,是实现人机对话的主要工具。它既可以显示 键盘输入的命令或数据,也可以显示计算机数据处理的结果。显示器是实现人机对话最重 要的设备。 显示器主要有两种类型:一种是阴极射线管显示器(CRT); 另一种是液晶显示器 (LCD )。显示器按输出色彩可分为单色显示器和彩色显示器,如图3-24 所示。 随着显示器技术的不断发展,显示器从黑白世界进入了色彩世界,显示器的分类也越来 越明细。早期CRT 显示器使用普遍,具有准确的色彩和极低的延迟的优点,但是因辐射 大、体积大、功耗高、刷新率低等缺点逐步被淘汰出市场。现在常见的主要是液晶显示器。 3D 显示器一直被公认为显示技术发展的终极梦想,近年已开始陆续出现相关立体显示 技术体系,如图3-25 所示。 图3-24 显示器图3-253D 显示器 显示器的主要技术指标包括: (1)尺寸。衡量显示器显示屏幕大小的技术指标,以显示器对角尺寸为标准,一般单位 为英寸。目前常见显示器有17 英寸、21 英寸和27 英寸等几种。 (2)分辨率。分辨率指显示屏上可以容纳的像素个数,分辨率越高,图像就越细腻。但 分辨率受到点距和屏幕尺寸的限制,屏幕尺寸相同,点距越小,分辨率越高。常用的分辨率 有1024×768ppi、1280×1024ppi、1600×1280ppi等。 111 第 章 计算机技术 大学计算机 112 显示器必须配置显卡才能构成完整的显示系统。显卡是连接显示器和个人计算机主板 的重要元件,如图3-26 所示。同时显卡还有图像处理能力,可 协助CPU 工作,提高整体的运行速度。对于从事专业图形设 计的人来说显卡的选择非常重要。 显卡可分为: ① 集成显卡。集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电 路集成在主板上,与主板融为一体。其优点是功耗低、发热量 图3-26 显卡 小,但性能相对略低,且固化在主板或CPU 上,本身无法更换, 如需更换,只能与主板一起更换。 ②独立显卡。独立显卡是将显示芯片、显存及其相关电路自成一体而作为一块独立的 板卡存在的,需占用主板的扩展插槽。其优点是单独安装有显存,可以不占用系统内存,在 技术上也较集成显卡先进得多,但功耗有所加大,发热量也较大。 ③核心显卡。核心显卡是Intel公司新一代图形处理的核心,其凭借在处理器制程上 的先进工艺以及新的架构设计,将图形核心与处理核心整合在同一块基板上,构成一个完整 的处理器,加强了图形处理的效率,缩减了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间的数据 周转时间,有效提升处理效能,并大幅降低芯片组整体功耗。 2)打印机 打印机将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字、字母、符号和图形等,依 照规定的格式印在纸上的设备。打印机正向轻、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向 发展。 打印机种类很多,按工作原理可分为击打式打印机和非击打式打印机两类,具体包括击 打式针式打印机(又称点阵打印机)和非击打式喷墨打印机与激光打印机,如图3-27 所示。 图3-27 打印机 (1)针式打印机。针式打印机是一种特殊的打印机,其打印的字符或图形是以点阵的 形式构成的。针式打印机的打印头由若干根打印针和驱动电磁铁组成,打印时使相应的针 头接触色带击打纸面来完成。针式打印机一直都有着自己独特的市场份额,服务于一些特 殊的行业用户,随着专用化和专业化的需要,出现了不同类型的针式打印机。针式打印机的 主要特点是价格便宜,使用方便,但打印速度慢,噪声大。 (2)喷墨打印机。喷墨打印机是利用油墨经喷嘴变成细小微粒喷到印纸上,形成字符、 图形。喷墨打印机品牌有HP 系列、EPSON 系列等。喷墨打印机价格适中、打印效果较 好,较受用户欢迎。但喷墨打印机对使用的纸张要求较高,墨盒消耗较快,同时因为墨水在 高温下易发生化学变化,墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握,打印线条边缘容易参差不 齐,所以一定程度上也影响了打印质量。 (3)激光打印机。激光打印机是激光技术和电子照相技术的复合产物,类似复印机。 光源用的是激光,其基本工作原理是由计算机传来的二进制数据信息,转换为激光驱动信 号,然后由激光扫描系统产生载有字符信息的激光束。激光打印机内部有一个称为“光敏旋 转磁鼓”的关键部件,当激光照到这一关键部件上时,被照到的区域即“感光区域”就会被磁 化,能吸起磁粉等细小的物质,可将激光束转变成可见的墨粉像。在转印电极的电场作用 下,墨粉便转印到普通纸上,最后经预热板及高温热滚定影,即在纸上熔凝出文字及图像。 激光打印机能输出分辨率很高且色彩很好的文字及图像。所以激光打印机的速度快、分辨 率高、无噪声等优势得到外设市场的认可和推广。 注意:衡量打印机质量的重要技术指标是分辨率,用每英寸的打印点数,即dpi表示。 针式打印机打印质量可达到360dpi,喷墨打印机打印质量可达720dpi以上,激光打印机质 量可达12000dpi以上。 3)绘图仪 绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。绘图仪在绘图软件的支持下可绘制出复杂、精 确的图形,包括管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图等,是 各种计算机辅助设计不可缺少的工具。绘图仪的性能指标主要有绘图笔数、图纸尺寸、分辨 率、接口形式及绘图语言等。 绘图仪的种类很多,按结构和工作原理可以分为滚筒 式和平台式两大类。对平台式绘图仪来说,纸张保持在平 面固定位置上,由绘图仪在纸上移动。而滚筒式绘图仪 (见图3-28)需要在鼓旋转的同时,将图形打印上去。 3.4 总线 2. 总线是一组连接计算机各个部件的公共通信线,即两 图3-28 滚筒式绘图仪 个或多个设备之间进行通信的路径。它是由导线组成的 传输线束。总线可以被共享,当多个设备连接到总线上以后,其中任何一个设备传送的信息 都可以被连接到总线上的其他设备所接收。 1. 总线结构 总线由多条通信线路组成,每一条线路都能够传输二进制信号0和1。一串二进制数 字序列可以通过一条线路传输,而同时采用多条线路就可以同时(即并行地)传送二进制数 字序列。例如,一个8比特的数据单元就可以通过8位(即8条线路)的总线一次性传输。 总线可同时传输的数据数就称为宽度,单位为比特,即32 位、64 位等总线宽度。总线宽度 越大,传输性能就越佳。 总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量,即每秒传送的最大稳态数据传输 率。与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率,它们之间的关系为 总线的带宽=总线的工作频率×总线的位宽/8 (3-2) 计算机系统具有多种不同类型的总线,这些总线为处在体系结构不同层次中的部件提 供通信线路,而总线的英语名称“bus”很形象地表示了总线的特征。总线就像是城市里的公 共汽车(bus), 能按照固定行车路线,传输来回不停的比特(bit)。 计算机技术 113 第 章 114 大学计算机 2. 总线分类 总线由一组物理导线组成,可根据多种不同的分类标准进行分类,每类总线具有不同的 性能 ( 。 1)根据信号传送方式分为并行总线和串行总线。并行总线是指数据的每位同时传 送,每位都有各自的传输线,互不干扰,一次传送整个信息。并行传输的优点是传送速度快。 并行总线要求线数多,成本高,在距离不远时可以采用并行传输。串行总线是指信息按顺序 一位一位地逐位传送,它们共享一条传输线,一次只能传送一位。串行传输的特点是只需一 条传输线,成本低,比较经济,但是串行传送速度慢。 所示。 (2)根据总线所在位置分为内部总线、系统总线和外部总线,具体的位置与关系如图3-29 图3-29 总线位置关系 内部总线是计算机内部各外围芯片与微处理器之间的总线,用于芯片一级的数据互通; 系统总线是计算机各扩展槽与主板之间的总线;外部总线是主机与外部设备、计算机与计算 机间连接的总线,用来实现和其他设备间的信息、数据交换。 (3)根据传输的信息种类分为数据总线、地址总线和控制总线。对于不同的CPU 芯 片,数据总线、地址总线和控制总线的根数也不同。它们分别用来传输数据、数据地址和控 制信号。 ①数据总线(DataBus,DB)在CPU 与内存之间来回传送需要处理或需要储存的数据 信息。数据总线是双向三态形式的总线,既可以把CPU 的数据传送到存储器或I/O接口 等其他部件,也可以将其他部件的数据传送到CPU 。数据总线的位数是计算机的一个重要 指标,通常与字长相一致。例如,如果数据总线带宽是8位,每条指令是16 位,则处理器在 一个指令周期内必须访问两次存储器模块。平常所说的32 位或64 位计算机指的就是 CPU 数据总线的带宽,如“奔腾”CPU 有32 条数据线,表示每次可以交换32 位数据。目 前,大多数微型计算机的CPU 具有64 条数据线,即为64 位机。 ②地址总线(AddresBus,AB)专门用来传送CPU发出的地址信息。由于地址只能 从CPU传向外部存储器或I/O端口,即指明数据总线上数据的源地址或目的地址,因此地 址总线总是单向三态的。例如,如果处理器想从存储器中读取一个字(8、16或32比特位), 它就要把这个字的地址输出到地址总线上。很明显,地址总线的宽度决定了系统的最大存 储能力,即CPU的最大寻址能力。存储器每个存储单元都有一个固定地址且是按地址访 问的。例如:要能够访问1GB存储器中的任一单元,需要30位地址。如果CPU有32根地 址线,其最大寻址能力为4GB 。 ③控制总线(ControlBus,CB)用来控制数据总线和地址总线的访问和使用,即传送控 制信号、命令信号和定时信号等。控制信号用来在系统模块间传递命令和定时信息;命令信 号指定将要执行的操作;定时信号指明数据信息和地址信息的有效性。其中有的是CPU 向内存或外部设备发出的信息,有的是内存或外部设备向CPU发出的反馈信息。显然,控 制总线中的每一根线总是一定的、单向的,但作为一个整体则是双向的。因此在各种结构框 图中,凡涉及控制总线,均是以双向线表示。 3.总线标准 计算机采用总线结构后使整个系统的结构变得简单。制定总线标准的目的是便于机器 的扩充和新设备的接入。国际上通用的总线标准已得到各厂家的认可,可以按照有关标准 设计、生产相应的功能模块和软件。有了总线标准,不同厂商可按同样的标准和规范生产各 种不同功能的芯片、模块和整机。用户也可以根据功能需求去选择不同厂家生产的、基于同 种总线标准的模块和设备,甚至可以按照标准,自主设计专用模块和设备组成应用系统。这 样可使产品具有兼容性和互换性,使计算机系统可维护 性和可扩充性得到充分保证。 在计算机的发展中,CPU的处理能力迅速提升,总 线屡屡成为系统性能的瓶颈,也促使总线技术不断更新, 从PC/XT到ISA 、MCA 、EISA 、VESA 、PCI 、PCI-E总 线,如图3-30所示。 总线性能的改善和发展对提高计算机的总体性能有 着极大的影响。ISA(IndustrialStandardArchitecture) 总线是IBM公司于1984年为推PC/AT机而建立的系统总线标准,也叫AT总线。EISA (ExtendedIndustrialStandardArchitecture)总线是在ISA总线基础上扩充的开放总线 标准。 PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线是目前个人计算机、服务器主板广泛采 用一种高性能总线。PCI是Intel公司于1991年提出的。后来Intel又联合IBM 、DEC等 100多家PC业界主要厂商进行了统筹和推广PCI标准的工作。PCI总线具有兼容性和可 扩充性好、主板插槽体积小、支持即插即用(Plug-and-Play,PnP)等优点。 USB接口也是常用的总线标准。它是由Intel等7家世界著名的计算机和通信公司共 同推出的。USB使用4线电缆:两个作为串行数据信号线,一个是+5V电源线,另一个是 地线。USB使用集线器(Hub)经电缆分层形成树形结构,理论上最多可以连接127个 外设。 IEEE1394同样是一种连接外部设备的机外总线,具有即插即用、支持带电热插拔、为 计算机技术 图3-30 总线型号 115 第 章 大学计算机 外设提供电源等特性。从性能看最高传输率可达480Mb/s。 3.计算机软件 3 116 在计算机问世初期,通常“计算机”都是指“计算机硬件”。20 世纪60 年代,随着程序设 计技术的进步和发展,逐步形成了“计算机硬件”和“计算机软件”的概念。软件最初源于程 序,后期人们慢慢认识到各类数据、程序文档的重要性,进一步提升了对软件的理解和认识。 计算机软件作为计算机系统的重要组成部分的地位也得到认可。 计算机硬件是“躯体”,计算机软件是“灵魂”,软件的出现使计算机呈现出多样性。在计 算机系统中软件与硬件相互依存,缺一不可。从系统工程角度来看,计算机软件作为系统元 素,与计算机硬件、人、数据库等共同构成计算机系统。 3.基本概念 3.1 1. 软件的定义 “软件”是指与计算机系统操作有关的计算机程序、规程、规则以及可能有的文件、文档 及数据。 完整的软件原则上由计算机程序、数据、文档和服务组成。其中,计算机程序是按事先 设计的功能和性能要求执行的指令序列;数据是指支撑计算机程序执行的数据结构。计算 机程序能够满意地处理信息的数据结构;文档是与描述程序开发、操作使用和运行维护有关 的材料,具体包括用于描述系统的结构系统文档和针对软件产品解释如何使用系统的用户 文档。目前,随着计算机网络的发展,软件的文档信息更多由相应Web站点提供下载。 从学术上更细致地探讨“软件”对象,可以看出“软件”具有三层含义: (1)个体含义是指计算机系统中的某个特定的程序、数据、文档以及服务。 (2)整体含义是指在特定计算机系统中所有个体含义软件的总体。 (3)学科含义是指在开发、使用和维护前述含义下的软件所涉及的理论、原则、方法、技 术所构成的学科。通常在此含义下,软件也可称为软件学。 从使用计算机的角度,软件为用户与硬件之间的接口。用户主要通过软件与计算机进 行交互。没有软件的计算机仅仅是无任何功能的“裸机”,要操控和使用计算机,必须要有软 件。软件在计算机系统中起指挥、管理作用。计算机系统工作与否、做什么以及如何做本质 上取决于软件。 2. 软件的特点 1)软件的抽象性 软件是一种逻辑实体,无形,没有物理形态,不是具体的物理实体。软件可以记录在介 质上,但却无法看到形态。只能通过运行状况来观察、分析、思考、判断和了解软件的功能、 特性和质量。这个特点使软件和计算机硬件、其他工程对象有着明显的差别。 2)软件的开发 软件的开发渗透了大量的脑力劳动。软件没有明显的制造过程,因而人的逻辑思维、智 能活动和技术水平是保证软件产品质量的关键。在软件开发过程中,人们通过智力活动的 有效管理,把知识与技术转化成软件产品。一旦软件开发成功,后期就可大量地复制同一内