了得網計算機/網絡_計算機繫統概論

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計算機繫統,概論,師資培養,教材

內容簡介

計算機繫統概論是職教師資軟件工程專業的一門入門性質的專業引導性課程，主要是為了幫助學生建立學科知識體繫、軟件工程專業學習的基本方法，引導學生樹立專業學習信心和做好專業學習規劃。《計算機繫統概論》主要講授計算機繫統的工作原理，使學生建立繫統的計算機軟硬件及整機概念，理解應用程序在編譯器和操作繫統支持下在計算機硬件繫統上運行的原理，講授了計算機作為工具面對的問題及問題的求解策略，使學生掌握基於計算機的問題求解基本方法，有意識地引導學生從一個自然人向計算機專業人轉變。講授計算機學科、軟件工程專業的學科體繫、軟件工程知識領域，以及專業學習的方法，幫助學生建立繫統的學科知識概念，樹立正確的學習觀念。講授Windows 7、Office 2010常用套件的使用方法，並提供實踐應用素材，通過使用計算機，增強學生實踐動手能力，激發學生的學習興趣和學習熱情。另外也從反面介紹計算機的局限性和軟件發展過程中的教訓，提出學習計算機相關專業需要思考的問題，引導學生從正反兩個方面去認識計算機，拓寬學生的視野和思路。

目錄
從書序
前言
第1章概述 1
1.1 計算工具發展簡史 1
1.1.1 手動計算工具 1
1.1.2 機械式計算工具 3
1.1.3 機電式計算工具 3
1.1.4 電子計算工具 4
1.2 計算機發展簡史 5
1.2.1 計算機硬件發展簡史 5
1.2.2 計算機軟件發展簡史 7
1.2.3 計算機發展趨勢 10
1.3 計算機的分類與應用領域 10目錄

從書序

前言

第1章概述 1

1.1 計算工具發展簡史 1

1.1.1 手動計算工具 1

1.1.2 機械式計算工具 3

1.1.3 機電式計算工具 3

1.1.4 電子計算工具 4

1.2 計算機發展簡史 5

1.2.1 計算機硬件發展簡史 5

1.2.2 計算機軟件發展簡史 7

1.2.3 計算機發展趨勢 10

1.3 計算機的分類與應用領域 10

1.3.1 計算機的分類 11

1.3.2 計算機應用領域 11

1.4 繫統與計算機繫統 13

1.4.1 繫統的概念 13

1.4.2 計算機繫統 14

習題 15

第2章計算機學科形態及其局限 18

2.1 計算機學科 18

2.1.1 學科的概念 18

2.1.2 計算機學科的歷史 19

2.1.3 計算機學科的研究範疇 20

2.2 計算機本質及學科定義 21

2.2.1 計算機本質 21

2.2.2 計算機學科定義 22

2.3 計算機學科形態 23

2.3.1 抽像形態 23

2.3.2 理論形態 24

2.3.3 設計形態 24

2.4 計算機的局限性 26

2.4.1 硬件的局限 26

2.4.2 軟件的局限 26

2.4.3 問題的復雜性 27

2.5 關於計算機學科的教育 28

2.5.1 教育的目的和要求 28

2.5.2 理論與實踐相結合的創新意識培養 28

2.5.3 學習方法 29

習題 29

第3章數據與數據表示 32

3.1 數據與二進制 33

3.1.1 數據與信息 33

3.1.2 模擬數據和數字數據 33

3.1.3 二進制表示法 34

3.2 數與數制 35

3.2.1 數字與計算 35

3.2.2 位置計數法 35

3.2.3 數制轉換 37

3.2.4 計數繫統中的運算 38

3.2.5 十進制數轉換成其他數制的數 39

3.3 數字的計算機表示 40

3.3.1 負數表示法 41

3.3.2 數的原碼、反碼和補碼 42

3.3.3 買數表示法 43

3.4 文本的計算機表示 45

3.4.1 ASCII字符集 45

3.4.2 Unicode字符集 46

3.4.3 文本壓縮 47

3.5 音頻的計算機表示 48

3.5.1 音頻格式 48

3.5.2 MP 3音頻格式 49

3.6 圖形與圖像的計算機表示 49

3.6.1 顏色表示法 49

3.6.2 位圖表示法 50

3.6.3 矢量表示法 51

習題 51

第4章門與電路 55

4.1 門 55

4.1.1 門和電路的三種表示法 55

4.1.2 常見門及其表示 56

4.2 電路 60

4.2.1 組合電路 60

4.2.2 加法器 62

4.2.3 多路復用 63

4.3 存儲電路和集成電路 64

4.3.1 存儲電路 64

4.3.2 集成電路 64

習題 65

第5章計算機部件及其工作原理 68

5.1 計算機繫統的構成 68

5.1.1 馮諾依曼計算機 69

5.1.2 計算機體繫結構 70

5.2 計算機基本工作原理 71

5.2.1 指令格式 71

5.2.2 尋址方式 73

5.2.3 指令執行過程與指令繫統 74

5.3 微型計算機的主機組成 75

5.3.1 主板 76

5.3.2 中央處理器 77

5.3.3 內存儲器 79

5.3.4 I/O總線與I/O接口 81

5.4 外存儲器 82

5.4.1 硬盤存儲器 82

5.4.2 光盤存儲器 84

5.4.3 可移動存儲器 85

5.5 常用輸入設備 87

5.5.1 鍵盤 87

5.5.2 鼠標 88

5.5.3 掃描儀 88

5.5.4 數碼相機 89

5.6 常用輸出設備 89

5.6.1 顯示器 89

5.6.2 打印機 90

習題 92

第6章問題求解和算法設計 98

6.1 問題求解 98

6.1.1 如何解決問題 98

6.1.2 Polya問題求解策略 99

6.2 算法及其表示 100

6.2.1 計算機問題求解過程 100

6.2.2 偽代碼 101

6.2.3 開發算法 102

6.3 結構化程序設計 103

6.3.1 自頂向下設計策略 103

6.3.2 結構化程序設計方法的基本結構 106

6.3.3 算法測試 106

6.4 面向對像程序設計 107

6.4.1 面向對像 107

6.4.2 設計方法 108

6.4.3 面向對像的三個主要特征 109

習題 110

第7章程序設計語言 113

7.1 程序設計語言及其發展 113

7.1.1 程序設計語言發展簡史 114

7.1.2 程序設計語言分類 117

7.1.3 抽像的分層 119

7.2 高級程序設計語言 119

7.2.1 翻譯過程 119

7.2.2 程序設計語言範型 120

7.2.3 面向過程程序設計語言（以C為例） 122

7.2.4 面向對像程序設計語言（以C++為例） 124

7.3 抽像數據類型與算法 126

7.3.1 抽像數據類型 126

7.3.2 線性表 128

7.3.3 隊列 131

7.3.4 算法 134

習題 139

第8章軟件開發與軟件工程概論 141

8.1 軟件與軟件危機 141

8.1.1 計算機軟件 141

8.1.2 軟件危機 144

8.2 軟件工程 146

8.2.1 軟件工程的定義 146

8.2.2 軟件工程過程及原理 146

8.2.3 軟件工程目標與原則 148

8.3 軟件開發基礎 148

8.3.1 軟件開發工具與開發環境 149

8.3.2 軟件開發模型 149

8.3.3 軟件開發方法 153

8.4 軟件工程學科領域簡介 154

習題 157

第9章操作繫統 159

9.1 操作繫統的角色 159

9.1.1 用戶視角 160

9.1.2 繫統視角 161

9.1.3 定義操作繫統 161

9.2 進程管理 161

9.2.1 進程的概念 161

9.2.2 進程的狀態 162

9.2.3 進程調度 162

9.2.4 進程的同步和死鎖 164

9.2.5 線程 165

9.3 CPU調度 165

9.3.1 基本概念 165

9.3.2 調度準則 166

9.3.3 調度算法 166

9.4 內存管理 168

9.4.1 程序的裝入和鏈接 168

9.4.2 連續內存分配 169

9.4.3 分頁存儲管理 170

9.4.4 分段存儲管理 171

9.4.5 虛擬存儲器 172

9.5 文件管理 173

9.5.1 文件的概念及屬性 173

9.5.2 文件的操作 174

9.5.3 文件訪問方法 175

9.5.4 文件分配表 176

9.6 設備管理 177

9.6.1 I/O繫統 177

9.6.2 設備管理 178

9.7 Windows 7操作繫統的墓本操作 181

9.7.1 Windows操作繫統的發展歷史 181

9.7.2 Windows 7基本操作 181

習題 183

第10章常用應用軟件簡介 185

10.1 文字處理軟件 185

10.1.1 Word的窗口組成 185

10.1.2 Word文檔的基本操作 186

10.1.3 Word文檔的格式化和排版 187

10.1.4 Word文檔的自動化功能 190

10.2 電子表格 192

10.2.1 Excel的窗口組成 192

10.2.2 Excel表格的基本操作 193

10.2.3 Excel表格公式和函數的使用 194

10.2.4 Excel數據的管理 196

10.2.5 Excel數據的圖表化 199

10.3 演示文稿 200

10.3.1 PowerPoint窗口組成 200

10.3.2 PowerPoint基本j采作 201

10.3.3 PowerPoint版面設置 202

10.3.4 PowerPoint動畫設計 202

習題 203

第11章計算機網絡及其分類 207

11.1 計算機網絡概述 207

11.1.1 網絡的概念及功能 207

11.1.2 網絡的分類 208

11.1.3 網絡拓撲結構 210

11.2 計算機網絡分層結構 211

11.2.10 SI參考模型 211

11.2.2 TCP/IP 212

11.2.3 IP地址與域名 212

11.3 計算機網絡安全簡介 215

11.3.1 網絡病毒及其防範 215

11.3.2 網絡攻擊及其防範 217

習題 219

第12章 Internet與網頁制作 222

12.1 Internet基礎 222

12.2 Internet座用 223

12.2.1 WWW服務 223

12.2.2 電子郵件 224

12.2.3 文件傳輸 224

12.2.4 搜索引擎 225

12.2.5 即時消息 225

12.2.6 博客和微博 225

12.3 HTML 226

12.4 Dreamweaver網頁制作 226

12.4.1 Dreamweaver簡介 226

12.4.2 Dreamweaver網頁

設計 228

習題 234

參考文獻 236

在線試讀

第1章概述
問題討論
（1）計算機是20世紀*偉大的成就之一，根據你的觀察，列出計算機的主要應用。
（2）你使用的電子產品主要用途是什麼？它們與計算機有關嗎？
（3）從你使用的手機看，試試將它劃分成幾個組成成分，感受繫統的概念。
學習目的
（1）了解計算機的產生和發展。
（2）了解計算機的特點和應用領域。
（3）掌握繫統的概念和特點。
（4）掌握計算機繫統的概念及組成。
學習重點和難點
（1）計算機發展史中關於劃分時代的觀點。
（2）組成計算機繫統各要素的關繫。
（3）計算機主要應用領域。
計算機是20 世紀人類*偉大的科技發明之一，是21世紀*主要的信息工具。本課程將讓你了解計算機世界，討論計算機如何運作，它能做什麼以及如何做，將讓你意識到計算機不僅是一種工具，而且是內容豐富、體繫完整的一門學科。計算機繫統是把許多素組織在一起，構成一個整體，而這個整體的功能遠遠大於各個部件功能的總和，這就好比一個交響樂團由十幾個甚至幾百個樂手組成，而演奏的效果要比每個樂手單獨演奏的效果之和還要好，這就是繫統的概念。
我們所說的計算機全稱為通用電子數字計算機，“通用”是指計算機可服務於多種用途，“電子”是指計算機是一種電子設備，“數字”是指計算機內部信息均以0 和1 編碼來表示。第1章概述

問題討論

（1）計算機是20世紀*偉大的成就之一，根據你的觀察，列出計算機的主要應用。

（2）你使用的電子產品主要用途是什麼？它們與計算機有關嗎？

（3）從你使用的手機看，試試將它劃分成幾個組成成分，感受繫統的概念。

學習目的

（1）了解計算機的產生和發展。

（2）了解計算機的特點和應用領域。

（3）掌握繫統的概念和特點。

（4）掌握計算機繫統的概念及組成。

學習重點和難點

（1）計算機發展史中關於劃分時代的觀點。

（2）組成計算機繫統各要素的關繫。

（3）計算機主要應用領域。

計算機是20 世紀人類*偉大的科技發明之一，是21世紀*主要的信息工具。本課程將讓你了解計算機世界，討論計算機如何運作，它能做什麼以及如何做，將讓你意識到計算機不僅是一種工具，而且是內容豐富、體繫完整的一門學科。計算機繫統是把許多素組織在一起，構成一個整體，而這個整體的功能遠遠大於各個部件功能的總和，這就好比一個交響樂團由十幾個甚至幾百個樂手組成，而演奏的效果要比每個樂手單獨演奏的效果之和還要好，這就是繫統的概念。

我們所說的計算機全稱為通用電子數字計算機，“通用”是指計算機可服務於多種用途，“電子”是指計算機是一種電子設備，“數字”是指計算機內部信息均以0 和1 編碼來表示。

本章介紹計算機發展史，包括計算機軟件和硬件發展史，使我們能夠從整體上把握計算機的發展方向，從而能從發展的觀點看待計算機；介紹計算機的分類和特點、計算機的應用領域，使我們對計算機及其應用有整體的認識。

1.1 計算工具發展簡史

自古以來，人類就不斷地發明和改進計算工具。計算工具的演化經歷了由簡單到復雜、從低級到高級，從手動、機械式、機電式發展過程到今天的電子計算機發展階段，它們在不同的歷史時期發揮了各自的歷史作用，同時孕育了電子計算機的雛形和設計思路。回顧計算工具的發展歷史，我們可以得到有益的啟示，幫助理解當今的計算機狀態，為我們開啟計算機學科的大門。

1.1.1 手動計算工具

人類*初是用手指進行計算的，人的兩隻手共有10個手指，所以自然而然地習慣用手指計數，即采用了十進制計數法。用手指計算的確方便，但計算範圍有限，且計算結果無法存儲。為此，人們設法發明了一些工具來輔助人們的計算需要，采用繩子、石塊等作為工具來擴展手指的計算能力，如我國古書上記載的“結繩記事”。

*原始的人造計算工具是算籌，我國古代勞動人民*先創造和使用了這種工具。算籌*早在何時產生已經無從考證，但在春秋戰國時期已經普遍使用了。據史書的記載和考古材料的發現，古代的算籌是一根根同樣長短和粗細的小棍子，見圖1-1，其一般長13～14cm，徑粗0.2～0.3cm，多用竹子制成，也有用木頭、獸骨、像牙、金屬等材料制成的，大約二百七十幾枚為一束，放在一個布袋裡，繫在腰部隨身攜帶。需要計數和計算的時候，就把它們取出來，放在桌上、炕上或地上都能擺弄。算籌采用十進制計數法，有縱式、橫式兩種擺法，這兩種擺法都可以表示1、2、3、4、5、6、7、8、9 九個數字，0用空位表示，如圖1-2示。關於其計算方法參見百度百科。

圖1-1 算籌圖1-2 算籌擺法

計算工具發展史上**次重大改革是算盤，算盤如圖1-3所示，它也是我國古代勞動人民首先創造和使用的。珠算是以算盤為工具進行數字計算的一種方法，被譽為中國的第五大發明，2008年被列入中國***非物質文化遺產名錄，2013年被列入人類非物質文化遺產名錄。珠算曾經為減輕學生學*擔而被清理出小學教材的數字計算工具，或將重新回到小學課堂。算盤由算籌演變而來，算盤輕巧靈活，攜帶方便，能夠進行基本的算術運代後期取代了算籌，成為重要的、應用極為廣泛的計算工具，先後流傳到日本、朝鮮和東南亞等國，後來傳入西方。

圖1-3 算盤

在國外，1617年，英國數學家約翰納皮爾（John Napier）發明了Napier 除法器，也稱Napier 算籌，該算籌可以用加法和一位數乘法代替多位數乘法，也可以用除數為一位數的除法和減法代替多位數的除法，從而大大簡化數值計算過程。1621年，英國數學家威廉奧特雷德（William Oughtred）發明了圓形計算尺，也稱對數計算尺，是根據對數原理用加減運算來實現乘除運算，後來得到了不斷改進，到18世紀中期，不僅能進行加、減、乘、除、乘方和開方運算，甚至可以計算三角函數、指數函數、對數函數，它一直使用到電子計算器的面世。

1.1.2 機械式計算工具

人類歷史上**臺機械式計算工具是1642年法國數學家帕斯卡（Blaise Pascal）利用齒輪技術發明的，故稱為帕斯卡加法器，如圖1-4所示。帕斯卡加法器由齒輪組成，發條為其動力，通過轉動齒輪實現加減運算，用連杆實現進位，這個思想類似於現在的機械式手表工作原理。帕斯卡加法器的成功得出結論：人的某些思維過程與機械過程沒有差別，所以可以設想用機械工具模擬人的思維過程。

1673年，德國數學家萊布尼茨（G.W. Leibniz）在帕斯卡加法器的基礎上，研制了能進行四則運算的機械式計算器，稱為萊布尼茨四則運算器，如圖1-5所示。這臺機器在進行乘法運算時采用移位-加（shift-add）的方法，後來演化為二進制，被現代計算機采用。

圖1-4 帕斯卡加法器圖1-5 萊布尼茨四則運算器

1822年，英國數學家查爾斯巴貝奇（Charles Babbage）開始研制差分機，歷時10年研制成功，它是*早采用寄存器來存儲數據的計算工具。1832年，巴貝奇開始進行分析機的研究，在分析機的設計中，巴貝奇采用了三個具有現代意義的裝置：①存儲裝置，采用齒輪裝置的寄存器保存數據，既能存儲運算數據，也能存儲運算結果；②運算裝置，從寄存器中取出數據進行運算，且能根據運算結果的狀態改變計算進程；③控制裝置，使用指令自動控制操作順序、選擇所需處理的數據以及輸出結果。

巴貝奇的分析機是可編程計算機的設計藍圖，實際上，我們今天使用的每一臺計算機都是遵循著巴貝奇的基本設計方案。巴貝奇先進的設計思想超越了當時的客觀現實，當時的機械加工技術還達不到所要求的精度，使得這部以件、以蒸汽為動力的分析機一直到巴貝奇去世也沒有完成。

1.1.3 機電式計算工具

1838 年，德國工程師朱斯（K. Zuses）研制出了人類歷史上**臺采用二進制的Z-1 計算機，接下來的4年中，朱斯先後研制出采用繼電器的機電式計算機Z-2、Z-3、Z-4，其中Z-3是世界上**臺真正的通用程序控制計算機，不僅全部采用繼電器，還采用浮點計數法、二進制運算、帶存儲地址的指令格式。雖然這些思想不是朱斯提出的，但是他**次將這些設計思想具體實現了。

1886 年，美國統計學家赫爾曼霍勒瑞斯（Herman Hollerith）采用機電技術取代了純機械裝置，制造了**臺可以自動進行四則運算、累計存檔、制作報表的制表機，其外觀形狀如圖1-6 所示。這臺制表機參與了美國1890 年的人口普查，使得預計10年的統計工作僅用了1年零7個月完成，計算工具的發明和應用極大地提高了人們的工作效率。這是人類歷史上**次利用計算機進行大規模數據處理。

圖1-6 1886年研制的制表機圖1-7 Mark-Ⅰ機電式計算機

1936年，美國哈佛大學數學教授霍華德艾肯（Howard Aiken）提出了機電式的方法實現巴貝奇的分析機。1944 年，在IBM 公司的資助下，研制成功了長15.5米、高2.4米，由75萬個零部件組成的機電式計算機Mark-Ⅰ，Mark-Ⅰ如圖1-7 所示，它使用了大量的繼電器作件，存儲量為72個23 位十進制數，采用穿孔紙帶進行程序控制。1947年研制成功的Mark-Ⅱ全部使用繼電器，繼電器的開關速度是1/100秒。20世紀30年代已經具備了制造電子計算機的技術能力，機電式計算機和電子計算機幾乎同時開始研制，也注定了很快要被電子計算機取代。

1.1.4 電子計算工具

1939年，美國衣阿華州大學數學、物理學教授約翰阿塔納索夫（John Atanasoff）和他的研究生貝利（Clifford Berry）一起研制了ABC（Atanasoff Berry Computer）的電子計算機。在他們的設計方案中**次提出采用電子技術來提高計算機的運行速度。

1943年，美國賓夕法尼亞大學物理學教授約翰莫克利（John Mauchly）和他的學生普雷斯帕埃克特（Presper Eckert）著手研制ENIAC（Electronic Numberical Intergrator and Computer），直到1946年2月15日，這臺標志著人類計算工具歷史性變革的巨型機器宣告竣工，圖1-8 展示了當時的ENIAC 狀況。它使用了17468個真空電子管、1500多個繼電器、10000多個電容和7000 多個電阻，每小時耗電174千瓦，占地170平方米，重達30噸，每秒鐘可進行5000次加法、300次乘法運算。雖然它還比不上今天*普通的一臺微型計算機，但在當時它已是運算速度的**冠軍，並且其運算的精確度和準確度也是史無前例的。以圓周率（π）的計算為例，中國古代科學家祖衝之利用算籌，耗費15年心血纔把圓周率計算到小數點後7位數。1000 多年後，英國人香克斯以畢生精力計算圓周率，纔計算到小數點後707位。而使用ENIAC 進行計算，僅用了40秒就達到了這個記錄。

圖1-8 世界上**臺計算機ENIAC

ENIAC 奠定了電子計算機的發展基礎，在計算機發展史上具有劃時代的意義，它的問世標志著電子計算機時代的到來。在1944年8月～1945年6月，美國普林斯頓大學數學教授馮諾依曼（Von Neumann）與ENIVA 小組合作，提出了EDVAC（Electronic Discrete Variable Computer）方案，這是設計方案的重大改進理論，從而確立了現代計算機的基本結構。

EDVAC方案提出計算機應具有五個基本組成部分，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備，描述了這五大部分的功能和相互關繫，並提出了“采用二進制”和“存儲程序”兩個重要的基本思想。馮諾依曼的這些理論的提出，解決了計算機的運算自動化問題和速度配合問題，對後來計算機的發展起到了決定性的作用。直至今天，絕大部分計算機還是采用馮諾依曼方式工作。

1.2 計算機發展簡史

這裡所說的計算機是指電子計算機，它從誕生到現在雖然隻有半個多世紀的時間，卻取得了驚人的發展，已經經歷了5代的變革。計算機的產生和發展與電子技術的發展密切相關，每當電子技術有突破性的進展時就會導致計算機的一次重大變革，因此通常以計算機硬件使用的主要器件來對計算機劃“代”。另一方面，為建造運算速度更快、處理能力更強的計算機，還與計算機發展各個階段上所配置的軟件和使用方式有關，因此軟件發展也成為計算機劃“代”的依據和標志之一。

1.2.1 計算機硬件發展簡史

計算機硬件是指構成計算機繫統的所有物理器件（集成電路、電路板以及其件件）、部件和設備（控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備等）的集合。以計算機硬件發展對計算機發展劃代，就是以用於構建計算機硬件所使器件來劃分的，劃分為電子管、晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路四代。

1．**代電子管計算機（1946～1959）

**代計算機的硬件建立在電子管基礎上。相對來講，電子管體積大且性能不可靠，使用時會產生大量的熱量，因此工作時需要空氣調節裝置和不斷維修，還需要巨大的專用房子。這個時期計算機的主存儲器是磁鼓，磁鼓在被訪問時，旋轉到磁鼓的讀/寫臂下，數據被寫入該或讀出數據。輸入設備是讀卡機，可以讀取穿孔卡片上的孔。輸出設備是穿孔卡機和行式打印機。這個時代後期出現了比讀卡機快得多的順序輔助存儲設備磁帶，有了磁帶驅動器。

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