誤碼率是指數據傳輸中規定時間內出錯數據占被傳輸數據總數之比。誤碼率越小，傳輸質量就越高。
1.3.4 傳輸介質
常用的有線傳輸介質有：雙絞線、同軸電纜、光纖。
1．雙絞線
雙絞線（圖1-11）由兩根絕緣導線相互纏繞而成，將一對或多對雙絞線放置在一個保護套便成了雙絞線電纜。雙絞線既可用於傳輸模擬信號，又可用於傳輸數字信號。
雙絞線分為屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，簡稱STP）與非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，簡稱UTP），適合於短距離通信。屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個金屬屏蔽層。屏蔽層可減少輻射，防止信息被竊聽，也可阻止外部電磁幹擾的進入，使屏蔽雙絞線比同類的非屏蔽雙絞線具有更高的傳輸速率，價格相對較貴。非屏蔽雙絞線是一種數據傳輸線，由四對不同顏色的傳輸線所組成，廣泛用於以太網和電話線中，價格便宜，傳輸速度偏低，抗幹擾能力較差。
圖1-11 雙絞線
雙絞線常見的有3類線、5類線和超5類線，以及最新的6類線。
（1）3類線：該電纜的傳輸頻率16MHZ，用於語音傳輸及最高傳輸速率為10MbPs的數據傳輸，主要用於10BASE-T（10MbPs，雙絞線）。
（2）5類線：該類電纜增加了繞線密度，外套一種高質量的絕緣材料，傳輸率為100MHZ，用於語音傳輸和最高傳輸速率為1000MbPs的數據傳輸，主要用於100BASE-T和1000BASE-T網絡，這是最常用的以太網電纜。
（3）超5類線：超5類具有衰減小，串擾少，並且具有更高的衰減與串擾的比值和信噪比，更小的時延誤差，性能得到很大提高。超5類線主要用於千兆位以太網。
（4）6類線：該類電纜的傳輸頻率為1MHZ～250MHZ，它提供2倍於超5類的帶寬。6類線的傳輸性能遠遠高於超5類線標準，最適用於傳輸速率高於1GbPs的應用。
雙絞線一般用於星型網的布線連接，兩端安裝有RJ45頭（水晶頭），連接網卡與集線器，最大網線長度為100米。如果要加大網絡的範圍，在兩段雙絞線之間可安裝中繼器，最多可安裝4個中繼器，如安裝4個中繼器連5個網段，最大傳輸範圍可達500米。
2．同軸電纜
同軸電纜由一根空心的外圓柱導體和一根位於中心軸線的內導線組成，內導線和圓柱導體及外界之間用絕緣材料隔開，如圖1-12所示。
（1）按直徑的不同，可分為粗纜和細纜兩種：
①粗纜：傳輸距離長，性能好但成本高，網絡安裝、維護困難，一般用於大型局域網的幹線，連接時兩端需終接器。
圖1-12 同軸電纜
②細纜：安裝較容易，造價較低，但日常維護不方便，一旦一個用戶出故障，便會影響其他用戶的正常工作。
（2）根據傳輸頻帶的不同，可分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種類型：
①基帶同軸電纜：為50歐姆電纜，僅僅用於數字傳輸，數據率可達10MbPs。信號占整個信道，同一時間內隻能傳送一種信號。
②寬帶同軸電纜：為75歐姆電纜，既可使用頻分多路複用的模擬信號發送，也可傳輸數字信號。
同軸電纜的價格比雙絞線貴一些，但其抗幹擾性能比雙絞線強。
3．光纖
光纖（圖1-13）是由一組光導纖維組成的、用來傳播光束的、細小而柔韌的傳輸介質。應用光學原理，由光發送機產生光束，將電信號變為光信號，再把光信號導入光纖，在另一端由光接收機接收光纖上傳來的光信號，並把它變為電信號，經解碼後再處理。在日常生活中，由於光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞，也主要用於主幹網的連接。
（1）光纖分為單模光纖和多模光纖
圖1-13 光纖
①單模光纖：由激光作光源，僅有一條光通路，傳輸距離長，2千米以上。
②多模光纖：由二極管發光，低速短距離，2千米以內。
（2）光纖傳輸的優點
①頻帶寬
頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。載波的頻率越高，可以傳輸信號的頻帶寬度就越大。采用先進的相幹光通信可以在30000GHZ範圍內安排2000個光載波，進行波分複用，可以容納上百萬個頻道。
②損耗低
光纖的損耗則小得多，比同軸電纜的功率損耗要小1億倍，使其能傳輸的距離要遠得多。此外，光纖傳輸損耗還有兩個特點，一是在全部有線電視頻道內具有相同的損耗，不需要像電纜幹線那樣必須引入均衡器進行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔心因環境溫度變化而造成幹線電平的波動。
③重量輕
光纖非常細，單模光纖芯線直徑一般為4um～10um（微米），外徑也隻有125um（加上防水層、加強筋、護套等）。4～48根光纖組成的光纜直徑還不到13mm，比標準同軸電纜的直徑47mm要小得多。光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點，安裝十分方便。
④抗幹擾能力強
光纖的基本成分是石英，隻傳光，不導電，不受電磁場的作用，在其中傳輸的光信號不受電磁場的影響，故光纖傳輸對電磁幹擾有很強的抵禦能力。也正因為如此，在光纖中傳輸的信號不易被竊聽，利於保密。
⑤保真度高
光纖傳輸一般不需要中繼放大，不會因為放大引入新的非線性失真。隻要激光器的線性好，就可高保真地傳輸信號。
⑥工作性能可靠
光纖係統包含的設備數量少，可靠性高，並且光纖設備的壽命都很長，無故障工作時間達50萬～75萬小時，其中壽命最短的是光發射機中的激光器，最低壽命也在10萬小時以上。因此，一個設計良好、正確安裝調試的光纖係統的工作性能是非常可靠的。
⑦成本低
由於製作光纖的材料（石英）來源十分豐富，隨著技術的進步，成本還會進一步降低；而電纜所需的銅原料有限，價格會越來越高。因此，今後光纖傳輸將占絕對優勢。
1.3.5 無線通信
1．無線傳輸介質
在自由空間（包括空氣和真空）利用電磁波發送和接收信號進行的通信稱作無線傳輸。地球上的大氣層為大部分無線傳輸提供了物理通道，這就是常說的無線傳輸介質。無線傳輸所使用的頻段很廣，人們現在已經利用了好幾個波段進行通信。紫外線和更高的波段目前還不能用於通信。無線通信的方法有：無線電波、微波和紅外線。
2．無線電波
無線電波是指在自由空間傳播的射頻頻段的電磁波。無線電技術是通過無線電波傳播聲音或其他信號的技術。
無線電技術的原理在於：導體中電流強弱的改變會產生無線電波。利用這一現象，通過調製可將信息加載於無線電波之上。當電波通過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流。通過解調將信息從電流變化中提取出來，就達到了信息傳遞的目的。
無線電波按波長的不同劃分為超長波、長波、中波、短波、超短波和微波。
中波主要沿地麵傳播，繞射能力強，適用於廣播和海上通信。
短波具有較強的電離層反射能力，適用於環球通信。
3．微波
微波是指頻率為300MHZ～300GHZ的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1m（不含1m）到1mm之間的電磁波。微波頻率比一般的無線電波頻率高，也稱為“超高頻電磁波”。
微波的傳播特性類似於光的傳播，一般沿直線傳播，繞射能力很弱，一般進行視距內的通信。對於長距離通信可采用接力的方式，稱為微波接力通信，或稱微波中繼通信；也可利用對流層傳播進行通信，稱為對流層散射通信；或利用人造衛星進行轉發，即衛星通信。
4．紅外線
紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由德國科學家霍胥爾於1800年發現，又稱為紅外熱輻射。他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效應。結果發現，位於紅光外側的那支溫度計升溫最快。因此得到結論：太陽光譜中，紅光的外側必定存在看不見的光線，這就是紅外線，也可以當作傳輸之媒介。太陽光譜上紅外線的波長大於可見光線，波長為0.75～1000um。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.75～1.50um之間；中紅外線，波長為1.50～6.0um之間；遠紅外線，波長為6.0～1000um之間。
紅外線通信有兩個最突出的優點：
（1）不易被人發現和截獲，保密性強；
（2）幾乎不會受到電氣、天電、人為幹擾，抗幹擾性強。
此外，紅外線通信設備通常體積小，重量輕，結構簡單，價格低廉。但是，它必須在直視距離內通信，且傳播受天氣的影響。在不能架設有線線路，而使用無線電又怕暴露自己的情況下，使用紅外線通信比較好。
1.3.6 移動通信
移動通信是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機等在移動狀態中的物體。
1．移動通信係統的組成
移動通信係統如圖1-14所示，由三部分組成：
（1）移動台
移動台是移動通信的終端設備，如手機、無繩電話等。
（2）基站
基站用來接收移動台的無線信號，每個基站負責與一定區域內所有移動台的通信。
（3）移動電話交換中心
基站與移動電話交換中心交換信息，移動電話交換中心再與公共電話網進行連接。
圖1-14 移動通信係統
未來移動通信係統最明顯的趨勢是高數據速率，高機動性和無縫隙漫遊。在技術上實現這些要求將麵臨更大的挑戰。此外，係統性能（如蜂窩規模和傳輸速率）在很大程度上將取決於頻率的高低。考慮到這些技術問題，有的係統側重提供高數據速率，有的係統則側重增強機動性或擴大覆蓋範圍。
2．移動通信的分類
移動通信的種類繁多，按使用要求和工作場合不同可以分為以下幾種：
（1）集群移動通信
集群移動通信，也稱大區域移動通信。它的特點是隻有一個基站，天線高度為幾十米至百餘米，覆蓋半徑為30公裏，發射機功率可高達200瓦。用戶數約為幾十至幾百，可以是車載台，也可以是手持台。它們可以與基站通信，也可以通過基站與其他移動台及市話用戶通信，基站與市話用有線網連接。
（2）蜂窩移動通信
蜂窩移動通信，也稱小區域移動通信。它的特點是把整個大範圍的服務區劃分成許多小區，每個小區設置一個基站，負責本小區各個移動台的聯絡與控製，各個基站通過移動交換中心相互聯係，並與市話局連接。利用超短波電波傳播距離有限的特點，離開一定距離的小區可以重複使用頻率，使頻率資源可以充分利用。每個小區的用戶在1000以上，全部覆蓋小區最終的容量可達100萬用戶。
（3）衛星移動通信
利用衛星轉發信號也可實現移動通信，對於車載移動通信可采用赤道固定衛星，而對手持終端，采用中低軌道的多顆星座衛星較為有利。
（4）無繩電話
對於室內外慢速移動的手持終端的通信，則采用小功率、通信距離近的、輕便的無繩電話機。它們可以利用通信點與市話用戶進行單向或雙向的通信。
3．移動通信係統的分代
（1）第一代移動通信（1 Generation，簡稱1G）
1G主要采用的是模擬技術和頻分多址（Frequency Division MultiPle Access\/Address，簡稱FDMA）技術。由於受到傳輸帶寬的限製，不能進行移動通信的長途漫遊，隻能是一種區域性的移動通信係統。第一代移動通信有多種製式，我國主要采用的是流量分析控製係統（Traffic Analysis and Control System，簡稱TACS）。第一代移動通信有很多不足之處，比如容量有限，製式太多，互不兼容，保密性差，通話質量不高，不能提供數據業務，不能提供自動漫遊等。
（2）第二代移動通信（2G）
2G主要采用的是數字的時分多址（Time Division MultiPle Access\/Address，簡稱TDMA）技術和碼分多址（Code Division MultiPle Access，簡稱CDMA）技術。其主要業務是語音，主要特性是提供數字化的話音業務及低速數據業務。它克服了模擬移動通信係統的弱點，話音質量、保密性能得到很大的提高，並可進行省內、省際自動漫遊。第二代移動通信替代第一代移動通信係統完成模擬技術向數字技術的轉變，但由於第二代采用不同的製式，移動通信標準不統一，用戶隻能在同一製式覆蓋的範圍內進行漫遊，因而無法進行全球漫遊。由於第二代數字移動通信係統帶寬有限，限製了數據業務的應用，也無法實現高速率的業務如移動的多媒體業務。
（3）第三代移動通信（3G）
與從前以模擬技術為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術相比，3G有更高的帶寬，其傳輸速度最低為384KbPs，最高為2MbPs，帶寬可達5MHZ以上。3G不僅能傳輸話音，還能傳輸數據，從而提供快捷、方便的無線應用，如無線接入lnternet。能夠實現高速數據傳輸和寬帶多媒體服務是第三代移動通信的另一個主要特點。第三代移動通信網絡能將高速移動接入和基於互聯網協議的服務結合起來，提高無線頻率利用效率；提供包括衛星在內的全球覆蓋，並實現有線和無線以及不同無線網絡之間業務的無縫連接；滿足多媒體業務的要求，從而為用戶提供更經濟、內容更豐富的無線通信服務。
1.4 數字技術基礎
數字技術是指借助一定的設備將各種信息，包括圖、文、聲、像等，轉化為計算機能識別的二進製數字“0”和“1”後進行運算、加工、存儲、處理、傳輸的技術。在運算、存儲等環節中需要借助計算機對信息進行編碼、壓縮、解碼，數字技術又被稱為數碼技術。
1.4.1 比特
1．比特的表示
數字技術的處理對象是比特，有時也稱為“位”，英文名是“bit”，簡寫成“b”。比特隻有兩種狀態，或者是0，或者是1。
比特既沒有顏色，也沒有大小和重量。比特是組成數字信息的最小單位。很多情況下比特隻是一種符號而沒有數量的概念。比特在不同的場合有不同的含義，有時候使用它來表示數值，有時候用它表示文字和符號，有時候則表示圖像，有時候還可以表示聲音。但是比特這個單位很小，每個西文字符在計算機中要用8個比特來表示，每個漢字則需要16個比特，圖像和聲音需要的比特數就更多了。因此，可以使用另外一個稍大一些的數字信息的計量單位“字節”（Byte），它用大寫字母“B”來表示，每個字節包含8個比特。
2．比特的運算
比特的取值隻有0和1兩種，這兩個值不是數量上的概念，而是表示兩種不同的狀態。在數字電路中，電位的高或低、脈衝的有或無經常用1或者0來表示。在人們的邏輯思維中，命題的真或假也可以用1或者0來表示。
對比特的運算要采用邏輯運算。邏輯運算有三種：
（1）邏輯加，也稱“或”運算，用符號“OR”、“Ⅴ”、“+”來表示
（2）邏輯乘，也稱“與”運算，用符號“AND”、“︿”、“.”來表示
（3）取反，也稱“非”運算，用符號“NOT”、“-”來表示。
它們的運算規則如下：
（1）邏輯加：隻要有一個為1，結果就是1。例如，1101Ⅴ0100=1101。
（2）邏輯乘：兩個都為1，結果才是1。例如，1101︿0100=0100。
（3）取反：0取反後是1，1取反後是0。
3．比特的存儲
使用存儲器存儲比特信息時，存儲容量是一項重要的性能指標，經常使用的單位有B（字節）、KB（千字節）、MB（兆字節）、GB（吉字節）、TB（太字節）。它們之間的換算關係為：
1KB=210B=1024B
1MB=210KB=1024KB
1GB=210MB=1024MB
1TB=210GB=1024GB
4．比特的傳輸
在數據通信和計算機網絡中傳輸二進位信息時，由於是一位一位串行傳輸的，傳輸速率的單位是每秒多少比特，寫成b\/s，還有更大一些的比特傳輸單位Kb\/s、Mb\/s、Gb\/s、Tb\/s等。它們之間的換算關係為：
1Kb\/s=1000b\/s
1Mb\/s=1000Kb\/s
1Gb\/s=1000Mb\/s
1Tb\/s=1000Gb\/s
1.4.2 計算機的數製
計算機中所存儲的數值、符號、文字、圖形、聲音等信息都是用二進製編碼形式表示的。本小節先介紹數製的基本概念，再介紹二進製、八進製、十進製、十六進製之間的相互轉換。
1．數製的基本概念
人們在生產實踐和日常生活中，創造了多種表示數的方法，這些數的表示規則稱為數製。例如，人們生活中常用的是十進製，計算機中常用的是二進製等。
（1）十進製數
人們最常用的十進製數的進位規則是“逢十進一”，任意一個十進製數都可以用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十個數字符號組成的字符串來表示。例如，253.7這個數中，第一個2處於百位上，代表200；第二個數5處於十位上，代表50；第三個數3處於個位上，代表3；第四個數7處於十分位，代表7\/10。也就是說，253.7可以寫成：
253.7=2X100+5X10+3X1+7X0.1
上式稱為數製的按權展開，其中10i（102對應百位，101對應十位，100對應個位，10-1對應十分位）稱為十進製數位的位權，10稱為基數。
（2）N進製數
從對十進製計數製的分析可以得出，任意N進製數同樣有基數N、位權和按權展開表示式。其中，N可以為任意整數，下麵以常用的二進製、八進製、十六進製為例進行說明。
①基數
一個計數製所包含的數字符號的個數稱為該數製的基數，用N表示，如表1-2所示。
表1-2 不同數製的基數
為區分不同數製的數，約定對於任意N進製的數S，記作：（S）N。如（1001）2表示二進製數1001，（345）8表示八進製數345，（7AE）16表示十六進製7AE，（123）10表示十進製數123，但是一般十進製數可以省略括號和下標，直接寫具體的數字S。人們也習慣在一個數的後麵直接寫上字母B、Q、D、H分別表示二進製、八進製、十進製和十六進製。例如，1001B表示二進製1001，345Q表示八進製345，7AEH表示十六進製7AE，123D表示十進製123。同樣，十進製數的字母D也可以省略。
②位權
任何一個N進製數都是由一串數碼表示的，其中每一位數碼所表示的實際數值的大小，除了跟數字本身的數值有關，還跟它所處的位置有關。該位置上的基準值就稱為位權。位權用基數N的i次冪表示。對於N進製數，小數點前一位的位權為N0，小數點前第二位的位權為N1，小數點前第三位的位權為N2，小數點後第一位的位權為N-1，小數點後第二位的位權為N-2，以此類推。
③數的按權位展開
類似十進製數值的表示，任意N進製數的值都可以表示為：各位數碼本身的值與其所在位權的乘積之和。例如：
十進製數123.7按權展開為：
123.7D=1X102+2X101+3X100+7X10-1
二進製數1010.1按權展開為：
10101.1B=1X24+0X23+1X22+0X21+1X20+1X2-1
八進製數27.5按權展開為：
27.5Q=2X81+7X80+5X8-1
十六進製數A7.46按權展開為：
A7.46H=AX161+7X160+4X16-1+6X16-2
（3）二進製數
二進製是計算機中采用的數製，具有如下特點：
①簡單可靠
因為二進製中僅有兩個數碼“0”和“1”，可以用兩種不同的穩定狀態（如高電位與低電位）來表示。計算機的各組成部分都僅有兩個穩定狀態的電子元件組成，它不僅容易實現，而且穩定可靠。
②運算規則簡單
二進製的運算規則非常簡單。以加法為例，二進製的加法規則僅有4條，即0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10（逢二進一）。如11+101=1000。
③適合邏輯運算
二進製中的0和1正好分別表示邏輯運算中的False和True。二進製數代表邏輯值，容易實現邏輯運算。
但是，二進製的明顯缺點是數字冗長，書寫量過大，容易出錯，不便閱讀。所以，在計算機技術文獻的書寫中，常用八進製或十六進製來表示。下麵用表格來說明八進製數、十六進製數與二進製數、十進製數之間的對應關係。表1-3為八進製數與二進製數、十進製數之間的對應關係，表1-4為十六進製數與二進製數、十進製數之間的對應關係。
表1-3 八進製數與二進製數、十進製數之間的對應關係
表1-4 十六進製數與二進製數、十進製數之間的對應關係
2．各類數製間的相互轉換
（1）非十進製數轉換為十進製數
利用按權位展開的方法，可以把任意數製的一個數轉換為十進製數。下麵是將二進製、八進製、十六進製數轉換為二進製數的例子。
例1 將二進製數101.1B轉換為十進製數。
101.1B=1X22+0X21+1X20+1X2-1=4+0+1+0.5=5.5
例2 將八進製數101.1Q轉換為十進製數。
101.1Q=1X82+0X81+1X80+1X8-1=64+0+1+0.125=65.125
例3 將十六進製數101.1H轉換為十進製數。
101.1H=1X162+0X161+1X160+1X16-1=256+0+1+0.0625=257.0625
（2）十進製數轉換為二進製數
通常一個十進製數包含整數和小數兩部分，將十進製數轉換為二進製數時，對整數部分和小數部分的處理方法不同，下麵分別進行討論。
①把十進製整數轉換為二進製整數
其方法是采用“除2取餘”法。具體步驟為：把十進製整數除以2得到一個商數和一個餘數；再將所得到的商除以2，又得到一個新的商數和餘數；這樣不斷用所得的商數去除以2，直到商數等於0為止。每次相除所得的餘數便是對應的二進製整數的各位數碼，第一次得到的餘數為最低有效位，最後一次得到的餘數為最高有效位。可以理解為：除2取餘，自下而上，逆序排列。
例4 將十進製數34轉換成二進製數。
34D=100010B
②把十進製小數轉換為二進製小數
其方法是采用“乘2取整，自上而下，順序排列”。具體步驟為：把十進製數小數乘以2得一個整數部分和一個小數部分；再用2乘以所得的小數部分，又得到一個整數部分和一個小數部分；這樣不斷地用2去乘所得的小數部分，直到所得小數部分為0或達到要求的精度為止。每次相乘後所得乘積的整數部分就是相應二進製小數的各位數字，第一次乘積所得的整數部分為最高有效位，最後一次得到的整數部分為最低有效位。
需要說明的是，每次乘法後，取得的整數部分是1或者0，若0是整數部分，也應取。並且，不是任意十進製小數都能完全精確地轉換成二進製小數，一般根據精度要求截取到某一位小數即可。也就是說，不能用有限個二進製數字來精確地表示一個十進製小數，所以將一個十進製小數轉換為二進製小數通常隻能得到近似表示。
例5 將十進製小數0.375轉換成二進製小數。
0.375D=0.011B
綜上所述，要將任意一個十進製數轉換為二進製數，隻需將其整數、小數部分分別轉換，然後用小數點連接起來即可。
上述將十進製數轉換成二進製數的方法同樣適用於十進製數與八進製數、十進製數與十六進製數之間的轉換，隻是使用的基數不同。
（3）八進製數與二進製數的相互轉換
從表13可以看出，用3位二進製數就可以表示1位八進製數，也就是說，任何1位八進製數都可以用3位二進製數來表示。
①二進製數轉換為八進製數
將一個二進製數轉換為八進製數，從小數點開始分別向左、向右方向按每3位一組劃分，不足3位的組以0補齊，然後將每組3位二進製數轉換為與其等值的1位八進製數即可。
例6 將二進製數1001100111.0101B轉換成八進製數。
按上述方法，從小數點開始向左、向右按每3位二進製數一組分隔，並且不足3位補0得
001 001 100 111 . 010 100
1 1 4 7 . 2 4
在所劃分的二進製位組中，第一組和最後一組是不足3位補0得到的，再以1位八進製數字代替每組的3位二進製數字得到1，1，4，7，2，4。
所以，1001100111.0101B=1147.24Q
②八進製數轉換為二進製數
將八進製數轉換為二進製數，其方法與二進製數轉換為八進製數相反，即將每一位八進製數用與其等值的3位二進製數代替即可。
例7 將724.35Q轉換為二進製數。
因為 7 2 4 . 3 5 分別對應於
111 010 100 . 011 101
所以，724.35Q=111010100.011101B
（4）十六進製數與二進製數的相互轉換
從表14可以看出，用4位二進製數就可以表示1位十六進製數，也就是說，任何1位十六進製數都可以用4位二進製數來表示。
①二進製數轉換為十六進製數
將一個二進製數轉換為十六進製數的方法與將一個二進製數轉換為八進製數的方法類似，隻要從小數點開始分別向左、向右按每4位二進製數一組劃分，不足4位的用0補齊，然後將每組4位二進製數用等值的1位十六進製數表示即可。
例8 將二進製數1001100111.0101B轉換成十六進製數。
按上述方法分組得001001100111.0101。在所劃分的二進製組中，第一組是不足4位補0得到的。再以1位十六進製數字替代每組的4位二進製數字得：
1001100111.0101B=267.5H
②將十六進製數轉換為二進製數
將十六進製數轉換為二進製數，與將二進製數轉換為十六進製數相反，隻要將每1位十六進製數字用與之相等的4位二進製數字代替即可。
例9 將十六進製數D4.F1H轉換為二進製數。
因為 D 4 . F 1 分別對應於
1101 0100 . 1111 0001
所以，D4.F1H=11010100.11110001B
1.4.3 數值型信息的表示
計算機中的數值信息分成整數和實數兩大類。整數不使用小數點，或者說小數點總是隱含在個位數的右邊，所以整數也稱為“定點數”。相應地，實數稱為“浮點數”。
1．整數的表示
計算機中的整數又分為兩類：無符號整數和帶符號整數。
（1）無符號整數
無符號整數一定非負數，一般用來表示地址、索引等。它們可以是8位、16位、32位甚至更多位數。n個二進製位表示的十進製數範圍為0～2n-1，例如8個二進製位表示的正整數取值範圍是0～255（28-1），16個二進製位表示的正整數取值範圍是0～65535（216-1）。
（2）帶符號整數
帶符號整數可以表示正數也可以表示負數，用最高位來代表符號位。如果最高位為1，表明這是一個負數，如果最高位為0，表明這是一個正數，其餘各位用來表示數值的大小。例如，34用00100010來表示，-34用10100010來表示。
（3）整數的表示範圍
8個二進位表示的無符號整數其取值範圍是0～255，8個二進位表示的帶符號整數其取值範圍是-127～+127。n個二進位表示的無符號整數其取值範圍是0～2n-1，n個二進位表示的帶符號整數其取值範圍是-2n-1+1～+2n-1-1。
（4）原碼
原碼就是上麵所介紹的帶符號整數的表示法，即最高位為符號位，“0”表示正，“1”表示負，其餘位表示數值的大小。它雖然與人們日常使用的方法比較一致，但是由於加法運算和減法運算的規則不統一，需要分別使用不同的邏輯電路來完成，增加了CPU的成本。為此，數值為負的整數在計算機中不采用“原碼”而采用“補碼”的方法進行表示。
（5）補碼
正數的補碼與其原碼相同；負數使用補碼表示時，符號位也是“1”，但絕對值部分的表示卻是對原碼的每一位取反後再在末位加1所得到的結果。例如：
（-34）原=10100010
絕對值部分每一位取反後得到：11011101
末位加1得到：（-34）補=11011110
需要注意的是，采用n位原碼表示正數0時，有“1000…00”和“0000…00”兩種表示形式。而在n位補碼表示法中它僅表示為“0000…00”，而“1000…00”卻被用來表示整數-2n-1。正因為如此，相同位數的二進製補碼可表示的數的個數比原碼多一個。
2．實數的表示
實數通常是既有整數部分又有小數部分的數，整數和純小數隻是實數的特例。例如，34.125，-1256，0.01189等都是實數。
任何一個實數都可以表示成一個乘冪和一個純小數的乘積。例如：
34.125=（0.34125）X102
-1256=（-0.1256）X104
0.01189=（0.1189）X10-1
其中，乘冪中的指數部分用來指出實數中小數點的位置，括號括出的是一個純小數。二進製數的情況完全相同，例如：
10101.01=（0.1010101）X2101
0.000101=（0.101）X2-11
可見，任意一個實數在計算機內部都可以用“指數”（稱為“階碼”，是一個整數）和“尾數”（是一個純小數）來表示，這種用指數和尾數來表示實數的方法稱作“浮點表示法”。所以，計算機中實數也叫作“浮點數”，而整數則叫作“定點數”。
習題
一、填空題
1．基本的信息技術中，________擴展思維器官的功能。
2．集成電路按用途分為________集成電路和________集成電路。
3．通信三要素包括信源、________、信道。4.對邏輯值“0”和“1”進行邏輯乘運算，結果為________。
5．最大的10位無符號二進製整數轉換成十六進製數是________。
二、選擇題
1．擴展效應器官功能的信息技術為________。
A.感測與識別技術 B.通信技術
C.計算與存儲技術 D.控製與顯示技術
2．目前CPU采用的集成電路為________。
A.小規模集成電路 B.中規模集成電路
C.超大或極大規模集成電路 D.大規模集成電路
3．摩爾定律指出單塊集成電路的集成度平均每________個月翻一番。
A.12 B.8～12
C.18～24 D.24
4．數字通信係統的性能指標不包括________。
A.信道帶寬 B.數據傳輸速率
C.端-端延遲 D.正確率
5．下列傳輸介質中，保密性能最好的是________。
A.雙絞線 B.同軸電纜
C.光纖 D.無線電波
6．下列關於無線電波的敘述不正確的是________。
A.中波繞射能力強
B.短波具有較強的電離層反射能力
C.短波的波長比中波長
D.微波頻率高
7．我國目前使用的GSM手機屬於________移動通信。
A.第一代 B.第二代
C.第三代 D.第四代
8．關於比特的說法錯誤的是________。
A.比特沒有顏色
B.比特沒有重量
C.比特“1”大於比特“0”
D.比特是組成信息的最小單位
9．下列不同進位製的四個數中，最小的數是________。
A.二進製數1100011 B.十進製數60
C.八進製數76 D.十六進製數45
10．以下選項中，其中相等的一組數是________。
A.十進製數23000與八進製數54732
B.八進製數3077與二進製數11000111111
C.十六進製數2E85與二進製數1111010000101
D.八進製數734與十六進製數B3
三、判斷題
1．現代信息技術包括微電子技術。 （ ）
2．製造集成電路的材料隻能是矽。 （ ）
3．移動通信係統包括移動電話交換中心、基站、移動台。手機等移動台發送出來的信號首先被移動電話交換中心接收。 （ ）
4．數據傳輸速率單位1Mb\/s是1Kb\/s的1024倍。 （ ）
5．-44采用8位補碼可以表示為11010101。 （ ）
四、簡答題
1．簡述信息的特征。
2．簡述基本的信息技術。
3．簡述集成電路的特點。
4．簡述數字通信係統的性能指標。
5．移動通信係統由哪幾部分組成？各有什麼作用？
第2章
計算機硬件
一個完整的計算機係統由相互獨立而又密切聯係的計算機硬件和計算機軟件兩大部分組成。計算機硬件是指所有能夠看得見的、組成計算機的物理設備，是構成計算機的實體。計算機硬件和計算機軟件相輔相成，缺一不可。
2.1 計算機硬件組成
2.1.1 計算機的發展與應用
1．計算機的發展
計算機的誕生和發展是20世紀最重大的科學技術成就之一。回顧20世紀的科技發展史，我們會深刻地體會到計算機的誕生和廣泛應用對我們的工作和生活所產生的深遠影響。
世界上第一台真正的全自動電子數字式計算機是1946年美國研製成功的ENlAC（圖2-1）。這台計算機共用了18000多個電子管，占地170平方米，總重量為30噸，耗電140千瓦，每秒能做5000次加減運算。
圖2-1 ENIAC電子數字式計算機
ENlAC計算機雖然有許多明顯的不足，它的功能也遠不及現在的一台普通微型計算機，但它的誕生宣告了電子計算機時代的到來。在隨後的幾十年中，計算機的發展突飛猛進，體積越來越小、功能越來越強、價格越來越低、應用越來越廣泛。
到目前為止，計算機的發展經曆了四個時代。
第一代：電子管計算機時代（從1946年第一台計算機研製成功到50年代中期），其特點是采用電子管作為主要元器件，其體積較大、運算速度也比較低、存儲容量較小，主要應用於科學和工程計算。
第二代：晶體管計算機時代（從50年代中期到60年代中期），這時期計算機的主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，而且價格不斷下降。晶體管的應用，不僅使計算機在軍事與尖端技術上的應用範圍進一步擴大，而且在氣象、工程設計、數據處理以及其他科學研究等領域內也逐步應用起來。
第三代：集成電路計算機時代（從60年代中期到70年代前期），這時期的計算機采用集成電路作為基本器件，因此功耗、體積、價格等進一步下降，而速度及可靠性相應地提高。正是由於集成電路成本的迅速下降，促使成本低而功能不是太強的小型計算機進入市場，從而占領了許多應用領域。
第四代：大規模\/超大規模集成電路計算機時代（從70年代中期到現在），這一時期計算機的主要元器件為大規模和超大規模集成電路。計算機的各種性能都有了大幅度的提高，應用軟件也越來越豐富，已經廣泛應用於辦公自動化、數據庫管理、圖像識別等眾多領域。
2．計算機的應用
在計算機本身發展的同時，它的應用領域從過去的單一化走向了多元化。在日常生活中，計算機的應用已無處不在。無論是軍事領域、教育領域、工業領域還是其他商業領域，它已滲透到國民經濟各個部門及社會生活的各個方麵。計算機的應用有以下幾個方麵：
（1）科學計算
早期的計算機主要用於科學計算。科學計算目前仍然是計算機的一個重要應用領域。由於計算機具有很高的運算速度和運算精度，使得過去用手工無法完成的計算變為可能。隨著計算機技術的發展，計算機的計算能力越來越強，計算速度越來越快，計算精度也越來越高。
（2）數據處理
數據處理是目前計算機應用最廣泛的一個領域。利用計算機可以加工、管理與操作任何形式的數據資料，如企業管理、物資管理、報表統計、賬目計算、信息情報檢索等。近年來，國內許多機構紛紛建設自己的管理信息係統（Management lnformation System，簡稱MlS）；生產企業也開始采用製造資源規劃軟件（Manufacturing Resource Planning，簡稱MRP）；商業流通領域則逐步使用電子信息交換係統（Electronic lnformation Exchange System，簡稱ElES）。
（3）計算機控製
利用計算機對工業生產過程中的某些信號自動進行檢測，並把檢測到的數據存入計算機，再根據需要對這些數據進行處理，這樣的係統稱為計算機檢測係統。特別是在儀器儀表中引進計算機技術後所構成的智能化儀器儀表，將工業自動化推向了一個更高的水平。
（4）計算機輔助設計（CAD）
由於計算機具有快速的數值計算、較強的處理以及模擬的能力，因而在飛機、船舶、光學儀器、超大規模集成電路等的設計製造過程中，計算機輔助設計占據著越來越重要的地位。
2.1.2 計算機的組成
盡管計算機已經發展了四代，有各種規模和類型，但是當前的計算機仍然遵循馮·諾依曼早期提出的“存儲程序控製”的原理運行，即將程序和數據存放在存儲器中，計算機在工作時從存儲器中取出指令加以執行，自動完成計算任務。
馮·諾依曼原理的基本思想奠定了現代計算機的基本架構，並開創了程序設計的時代。采用這一思想設計的計算機被稱為馮·諾依曼機，由存儲器、運算器、控製器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成，如圖2-2所示。原始的馮·諾依曼機在結構上是以運算器為中心，但演變到現在，計算機已經轉向以存儲器為中心。
圖2-2 計算機的組成
在計算機的五大部件中，運算器和控製器是信息處理的中心部件，所以將它們合在一起稱為“中央處理器”。存儲器、運算器和控製器在信息處理中起主要作用，是計算機硬件的主體部分，通常被稱為“主機”。而輸入設備和輸出設備統稱為“外部設備”，簡稱為外設或l\/O設備。
1．存儲器
存儲器是用來存放數據和程序的部件。對存儲器的基本操作是按照要求向指定位置存入（寫入）或取出（讀出）信息。存儲器是一個很大的信息儲存庫，被劃分成許多存儲單元，每個單元通常可存放一個數據或一條指令。為了區分和識別各單元，並按指定位置進行存取，給每個存儲單元編排了一個唯一對應的編號，該編號稱為“存儲單元地址”。存儲器所具有的存儲空間大小（即所包含的存儲單元總數）稱為存儲容量。
存儲器可分為兩大類：主存儲器和輔助存儲器。主存儲器能直接和運算器、控製器交換信息，它的存取時間短但容量不夠大。由於主存儲器通常與運算器、控製器組成主機，所以也稱為內存儲器。輔助存儲器不直接和運算器、控製器交換信息，而是作為主存的補充和後援，它的存取時間長但容量極大。由於輔助存儲器通常以外設的形式獨立於主機存在，所以也稱為外存儲器。
2．運算器
運算器是對信息進行運算處理的部件。它的主要功能是對二進製編碼進行算術運算和邏輯運算。運算器的核心是算術邏輯單元（ALU）。運算的精度和速度是運算器重要的性能指標，其性能是影響整個計算機性能的重要因素。
3．控製器
控製器是整個計算機的控製核心。它的主要功能是讀取指令，翻譯指令並向計算機各部分發出控製信號，以便執行指令。當一條指令執行完以後，控製器會自動地取下一條將要執行的指令，依次重複上述過程直到整個程序執行完畢。
4．輸入設備
人們編寫的程序和原始數據經輸入設備傳輸到計算機中。輸入設備能將數據和程序轉換成計算機內部能夠識別和接受的信息方式，並按順序把它們送入存儲器中。不論信息的原始形態如何，輸入到計算機中的信息都使用二進製表示。輸入設備的種類繁多，例如鍵盤、鼠標、掃描儀和麥克風等。
5．輸出設備
輸出設備是將計算機處理的結果以人們能接受的或其他機器能接受的形式輸出。輸出設備的種類也十分多樣，例如顯示器、打印機和繪圖儀等。
2.1.3 計算機的分類
計算機種類很多，可以從不同的角度進行分類。按照計算機原理分類，可分為數字式電子計算機、模擬式電子計算機和混合式電子計算機。按照計算機用途分類，可分為通用計算機和專用計算機。按照計算機性能分類，可分為巨型機、大型機、小型機和個人計算機四類，詳細介紹如下：
1．巨型機
巨型機又稱超級計算機，是指具有極高處理速度的高性能計算機。它的速度可達到每秒數十萬億次以上，具有極強的處理能力，主要用於解決諸如氣象、太空、能源等尖端科學研究和戰略武器研製中的複雜計算。
2009年10月，國防科技大學成功研製中國當前最高性能計算機——“天河一號”（圖2-3），其平均計算能力達每秒563萬億次，峰值計算能力達每秒1206萬億次。其速度位居同日公布的中國超級計算機前100強之首，使中國成為繼美國之後世界上第二個能夠自主研製千萬億次超級計算機的國家。
圖2-3 天河一號巨型計算機
2．大型機
大型計算機指運算速度快、存儲容量大、有豐富的係統軟件和應用軟件，並且允許相當多的用戶同時使用的計算機。大型機的結構比巨型機簡單，價格也比巨型機便宜，因此使用的範圍比巨型機更普遍，是事務處理、商業處理、信息管理、大型數據庫和數據通信的主要支柱。
3．小型機
小型機的規模和運算速度比大型機要差，但仍然可以支持十幾個用戶同時使用。小型機具有體積小、價格低、性價比高等優點，適合中小企業、事業單位用於工業控製、數據采集、分析計算、企業管理以及科學計算等，也可做巨型機或大型機的輔助機。
4．個人計算機
供單個用戶使用的微型機一般稱為個人計算機或PC，是目前用得最多的一種微型計算機。PC機配置有一個緊湊的機箱、顯示器、鍵盤、打印機以及各種接口，可分為台式機和便攜機。
台式機可以將全部設備放置在書桌上，因此又稱為桌麵型計算機。便攜機包括筆記本計算機、袖珍計算機以及個人數字助理（Personal Digital Assistant，簡稱PDA）。便攜機將主機和主要外部設備集成為一個整體，顯示屏為液晶顯示，可以直接用電池供電。
2.2 CPU
CPU是計算機硬件中最重要、最核心的部件，是整個計算機係統的運算和控製中心。CPU的性能在很大程度上決定了整個計算機的性能。
2.2.1 CPU的結構
CPU（Central Processing Unit）中文為中央處理器，它是計算機係統的核心。如果把計算機比作一個人，那麼CPU就是心髒，其重要作用可見一斑。CPU的內部結構主要由寄存器組、運算器和控製器三個部分組成。三個部分相互協調，便可以進行分析、判斷、運算並控製計算機各部分協調工作。
1．寄存器組
它由十幾個甚至幾十個寄存器組成。寄存器是CPU內部存放數據的一些小型存儲區域，用來暫時存放參與運算的數據和運算結果。寄存器除了存放程序的部分指令外，它還負責存儲指針跳轉信息以及循環操作命令，是算術邏輯單元（ALU）為完成控製單元請求任務所使用的數據的小型存儲區域，其數據來源可以是高速緩存、內存或控製單元。
2．運算器
運算器是CPU的智能部件，它不但能夠執行加、減、乘、除等算術運算，也能進行或、與、非等邏輯運算，所以運算器也稱為算術邏輯單元（ALU）。來自控製單元的信息將告訴運算器應該做些什麼，然後運算器會從寄存器中間斷或連續提取數據，完成最終的任務。
3．控製器
運算器隻能完成運算，而控製器用於控製整個CPU的工作，是CPU的指揮中心。控製器中包含指令計數器和指令控製器。指令計數器是用來存放CPU正在執行指令的地址。一般來說，CPU每執行一條指令，指令計數器便自動加1。指令控製器是用來保存當前正在執行的指令，利用指令譯碼器解釋指令的含義，並控製運算器的操作等。
2.2.2 CPU的性能指標
CPU是整個計算機係統的核心，其性能可以反映出所配置計算機係統的性能，直接影響計算機的運行速度。CPU的主要性能指標有：
1．字長
字長是指CPU中整數寄存器和定點運算器的寬度。字長是8的整數倍，如16位、32位、64位等。目前個人計算機CPU的字長大多是32位，而一些新的PC使用的CPU字長已達到64位。
2．主頻
所謂主頻，也就是CPU正常工作時的時鍾頻率。我們常說，某CPU的型號是“lntel Core2 Duo E63201.86GHZ”，其中“1.86GHZ”就是其主頻。從理論上講，CPU的主頻越高，它的運算速度也就越快。因為頻率越高，單位時鍾周期內完成的指令就越多，從而速度也就越快。但實際上由於CPU的內部結構不同和電腦其他各部件的性能製約等原因，可能會導致頻率高的CPU性能不一定最好。
3．前端總線
前端總線（FSB）是CPU連接到北橋芯片的總線。它可以反映CPU與內存進行數據傳輸的速度。前端總線頻率越大，代表著CPU與內存之間的數據傳輸量越大，更能充分發揮出CPU的功能。
4．高速緩存
高速緩存（Cache）是位於CPU與內存之間的臨時存儲器。它的容量比內存小得多，但是傳輸速度卻比內存要快得多。高速緩存主要是為了解決CPU運算速度與內存讀、寫速度不匹配的矛盾。
5．工作電壓
工作電壓指的是CPU正常工作時所需的電壓。目前主流的CPU的工作電壓一般都低於1.5V。CPU的電壓越低，它的發熱量就越小，其運行時的性能就越好。
6．指令集
指令集就是CPU中用來計算和控製計算機係統的一套指令的集合。有MMX、SSE、SSE2、SSE3、3DNow！等。
2.2.3 指令與指令係統
指令是一種采用二進製表示的、讓計算機執行某種操作的命令。一台計算機可以有許多指令，指令的作用也各不相同。
指令係統是指一台計算機所能執行的各種不同類型指令的總和，即一台計算機所能執行的全部操作。不同計算機的指令係統包含的指令種類和數目也不同，一般均包含算術運算型、邏輯運算型、數據傳送型、判定和控製型、輸入和輸出型等指令。
1．指令的組成
一條指令一般由兩部分組成：操作碼和操作數地址，可表示為圖2-4的形式。
圖2-4 指令的組成
（1）操作碼
操作碼是指明指令操作性質的命令碼。CPU每次從內存取出一條指令，指令中的操作碼就告訴CPU應執行什麼性質的操作，例如算術運算、邏輯運算、存數、取數、轉移等。
每條指令都要求它的操作碼必須是獨一無二的組合。指令係統中的每一條指令都有一個確定的操作碼，並且每一條指令隻與一個操作碼相對應。指令不同，其操作碼也不同。
（2）操作數地址
操作數地址用來描述該指令的操作對象。地址中可以直接給出操作數本身，也可以指出操作數在存儲器或寄存器中的地址，或操作數在存儲器中的間接地址等。
一條指令中的操作數地址不一定隻有一個。隨著指令功能的不同，操作數地址可能是兩個或多個。例如，加減法運算一般要求有兩個操作數地址，但若再考慮操作運算結果的存放地址，就需要有3個地址。
2．CPU執行程序的過程
CPU執行程序的過程，實際上就是執行一係列相關指令的過程。計算機每執行一條指令都可分為三個階段進行，即取指令→分析指令→執行指令。
（1）取指令階段的任務是CPU的控製器從存儲器讀取一條指令，並送到指令寄存器。
（2）分析指令階段的任務是將指令寄存器中的指令操作碼取出，並進行譯碼，分析指令性質，如指令需要取操作數，則尋找操作數地址。
（3）計算機執行指令的過程實際上就是逐條指令重複上述操作過程，直至遇到停止指令或循環等待指令。
每一種類型的CPU都有自己的指令係統。因此，某一類計算機的程序代碼未必能夠在其他計算機上執行，這就是所謂的計算機“兼容性”問題。比如，目前個人計算機中使用最廣泛的CPU是lntel公司和AMD公司的產品，盡管兩者的內部設計不同，但指令係統幾乎一致，因此這些個人計算機是相互兼容的。而APPle公司生產的Macintosh計算機，其CPU采用lBM公司的PowerPC，與lntel公司和AMD公司處理器結構不同，指令係統也大相徑庭，因此無法與采用lntel公司和AMD公司CPU的個人計算機兼容。
即便是同一公司生產的產品，隨著技術的發展和新產品的推出，它們的指令係統也是不同的。比如lntel公司的產品經曆了8088、80286、80386、80486，Pentium，……、Pentium4、PentiumD，Core2、i3、i5、i7，每種新處理器包含的指令數目和種類越來越多。為了解決兼容性問題，通常采用“向下兼容”的原則，即在新處理器中保留老處理器的所有指令，同時擴充功能更強的新指令。通過這樣的擴充，使得新處理器的機器可以執行在它之前的所有老機器上的程序，但老機器就不能保證一定可以運行新機器上所有新開發的程序。例如，Pentium4的機器可以執行Pentium機器中的所有的程序，反之則不然。
2.3 主板
主板是計算機中最基本、最重要的部件之一，它使得各種周邊設備能夠和計算機緊密連接在一起，形成一個有機整體。主板性能的好壞，將直接影響整個計算機係統的運行情況。
2.3.1 主板的組成
主板又叫母板，是整個計算機係統中“個頭”最大的一塊電路板。如果把CPU比喻成人的大腦，那麼主板就好比人體的軀幹和中樞，上麵布滿了各種“元器件”。主板采用開放式結構，上麵通常安裝有CPU插槽、內存插槽、顯卡插槽、PCl插槽、芯片組、BlOS、CMOS存儲器、SATA接口和l\/O接口等，如圖2-5所示。通過主板的擴展接口和插槽可以連接各種控製卡和計算機周邊設備，如內存、顯卡、硬盤、聲卡、鍵盤、鼠標、打印機等。
CPU插槽是安裝CPU的地方，不同廠商的CPU有各自不同的插槽。常見的CPU插槽標準有Socket 775、Socket 939等類型，分別安裝lntel公司和AMD公司生產的CPU。內存插槽可以安裝內存條，一般主板會提供2個或4個內存插槽，且有單通道和雙通道的區別。早期連接硬盤的接口為lDE接口，現已逐漸被淘汰，取而代之的是傳輸速度更快的SATA接口。早期的AGP顯卡接口目前也被更為主流的PCl-E接口所取代。PCl插槽可以安裝網卡、聲卡等擴充板卡。l\/O接口則提供了鍵盤、鼠標、顯示器、音頻等接口。
主板上還有兩塊特別有用的集成電路：一塊是Flash ROM，裏麵存放的是PC機中最基本的程序，即基本輸入\/輸出係統（Basic lnPut\/OutPut System，簡稱BlOS）；另一塊是CMOS存儲器，其中存放著與計算機硬件相關的一些參數，包括當前的日期時間、係統啟動順序以及其他的一些設置等。
圖2-5 主板外觀
由於主板是電腦中各種設備的連接載體，而這些設備的接口各不相同，並且主板本身也有芯片組、各種l\/O控製芯片、擴展插槽、擴展接口、電源插座等元器件，因此主板需要設立標準。主板的標準稱為主板結構，分為AT、Baby-AT、ATX、Micro ATX以及BTX等幾種。其中，AT和Baby-AT是多年前的老主板結構，現在已經淘汰；ATX是目前市場上最常見的主板結構，擴展插槽較多，大多數主板都采用此結構；而BTX則是lntel製定的最新一代主板結構。
2.3.2 芯片組與BIOS
1．芯片組
芯片組是主板的核心組成部分，它們決定了主板的功能，進而影響到整個計算機係統性能的發揮。主板上的芯片組按照它們在主板上的位置和所負責的功能，分為北橋芯片和南橋芯片，如圖2-6所示。
圖2-6 IntelP45+ICH10芯片組
北橋芯片是主板芯片組中起主導作用的一塊芯片，其位置離CPU較近。北橋芯片負責與CPU的聯係並控製內存、AGP數據在北橋內部傳輸，提供對CPU的類型和主頻、係統的前端總線頻率、內存的類型和最大容量、AGP插槽、PCl-Ex16、ECC糾錯等支持。整合型芯片組的北橋芯片還集成了顯示核心。
南橋芯片是主板芯片組中除了北橋芯片以外最重要的組成部分，一般位於主板上離CPU較遠的下方。南橋芯片主要決定了主板的功能，主板上的各種接口、PCl總線、SATA以及主板上的其他芯片都由南橋芯片控製。南橋芯片也負責數據傳輸和中斷控製。芯片組與主板上各部件的關係如圖2-7所示。
2．BlOS
BlOS實際是一組被固化在主板的閃爍存儲器中為計算機提供最低級、最直接的硬件控製程序。由於BlOS程序存放在閃存中，即使在關機或掉電以後，程序也不會丟失。
圖2-7 芯片組與其他部件的關係
BlOS主要包含四個部分的程序：
（1）加電自檢程序（POST）；
（2）係統主引導記錄的裝入程序；
（3）CMOS設置程序；
（4）基本外圍設備的驅動程序。
接通計算機的電源，係統將執行一個自我檢查的例行程序，即加電自檢程序（POST）。完整的POST將檢查CPU、主板、內存等各部件的工作狀態是否正常。若自檢中發現有錯誤，將按兩種情況處理：對於嚴重故障則停機，此時由於各種初始化操作還沒完成，不能給出任何提示或信號；對於非嚴重故障則給出提示或聲音報警信號，等待用戶處理。
在完成POST自檢後，BlOS將按照CMOS設置中的啟動順序搜尋軟硬盤驅動器及CDROM、網絡服務器等有效的啟動驅動器，讀入操作係統引導記錄，然後將係統控製權交給引導記錄，由引導記錄完成係統的啟動。操作係統裝入成功後，整個計算機就在操作係統的控製之下，用戶便可以正常地使用計算機了。
CMOS是主板上一塊可以進行讀寫操作的RAM芯片，主要用來保存當前係統的硬件配置和操作人員對某些參數的設定。CMOS芯片由係統通過一塊紐扣電池供電，因此無論是在關機狀態，還是遇到係統掉電情況，CMOS信息都不會丟失。
由於CMOS芯片本身隻是一塊存儲器，隻具有保存數據的功能，所以要通過專門的程序對CMOS中各項參數進行設定。早期的CMOS設置程序駐留在軟盤上（如lBM的PC\/AT機型），使用很不方便。現在多數廠家將CMOS設置程序做到了BlOS芯片中，在開機時通過按下某個特定鍵（如Del鍵或F1、F2、F12等）就可進入CMOS設置程序，從而非常方便地對係統進行設置，因此這種CMOS設置又被叫作BlOS設置。
2.3.3 總線與I\/O接口
1．總線
（1）總線的分類
計算機係統中的存儲器、CPU等功能部件之間必須互聯才能組成計算機係統。部件之間的互聯方式有兩種，一種是各部件之間通過單獨的連線互聯，這種方式稱為分散連接；另一種是將各個部件連接到一組公共信息傳輸線上，這種方式稱為總線連接。
計算機係統中含有多種總線，提供不同層次部件之間連接和信息交換的通道。根據所連接部件的不同，總線通常被劃分成3種類型：內部總線、係統總線和l\/O總線。
①內部總線
內部總線指芯片內部連接各元件的總線。例如，在CPU芯片內部有總線連接，在各個寄存器、ALU、指令部件等各元件之間也有總線相連。
②係統總線
係統總線指連接CPU、存儲器和各種l\/O模塊等主要部件的總線。
③l\/O總線
這類總線用於主機和l\/O設備之間或計算機係統之間的通信。常見的有PCl總線、lSA總線、ElSA總線等。
（2）總線的組成
係統總線通常由一組數據線、一組地址線和一組控製線構成。
①數據線
數據線用來承載源部件和目的部件之間傳輸的數據、命令等信息。數據線的條數被稱為數據總線的寬度，它決定了每次能同時傳輸信息的位數。因此，數據總線的寬度是決定係統總體性能的關鍵因素。
②地址線
地址線用來給出源數據或目的數據所在的主存單元或l\/O端口的地址。地址線是單向的，它的位數決定了可尋址的地址空間的大小。例如，若地址線為16位，它可訪問的存儲單元最多隻能有65536，即216個。
③控製線
控製線用來控製數據線和地址線的訪問和使用。數據線和地址線是被連接在其上的所有設備共享的，如何使各個部件在需要時使用總線，需要靠控製線來協調。
（3）總線的參數
①總線的帶寬
總線的帶寬指的是單位時間內總線上可傳送的數據量，即每秒鍾傳送多少MB的數據。總線帶寬的計算公式如下：
總線帶寬（MB\/s）=（數據線寬度\/8）X總線工作頻率（MHZ）X每個總周期的傳輸次數
②總線的位寬
總線的位寬是總線一次能同時傳送的數據位數，即常說的32位、64位等。總線的位寬越寬，總線數據傳輸率越大，即總線帶寬越大。
③總線的工作時鍾頻率
總線的工作時鍾頻率以MHZ為單位，工作頻率越高總線工作速度越快，即總線帶寬越大。
2．l\/O接口
l\/O設備與主機一般需要通過連接器實現互連，計算機中用於連接l\/O設備的各種插頭\/插座以及相應的通信規程及電氣特性，就稱為l\/O設備接口，簡稱l\/O接口。通過這些擴展接口，可以把鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、音箱等輸入\/輸出設備連接到計算機上，如圖2-8所示。
圖2-8 常用I\/O接口
（1）PS\/2接口
這是由lBM公司推出的一種鍵盤、鼠標接口標準。盡管鍵盤、鼠標的接口都有相同的PS\/2接口，因為這兩個接口傳輸的信息不同，所以不能互用。鼠標的接口為綠色，鍵盤的接口為紫色。
（2）VGA與DVl接口
VGA與DVl接口為顯卡輸出接口。VGA傳輸的是模擬信號，計算機與傳統的外部顯示設備（如CRT顯示器）之間是通過模擬VGA接口連接的，而DVl傳輸的是數字信號，數字圖像信息不需經過任何轉換，就直接被傳送到顯示設備上，傳輸速度更快，有效消除拖影現象，而且使用DVl進行數據傳輸，信號沒有衰減，色彩更純淨，更逼真。目前，液晶顯示器均提供DVl接口。
（3）RJ45接口
RJ45接口通常用於數據傳輸，最常見的應用為網卡接口，一般可以支持10M～100M自適應的網絡連接速度。
（4）音頻接口
目前，主板大多集成了音效芯片，可以直接連接多媒體音箱、話筒等音頻輸入\/輸出設備。
（5）USB接口
USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口是在1994年底由lntel、ComPaq、lBM、Microsoft等多家公司聯合提出的，目的是為了讓更多外部設備使用這種標準通用的接口。
USB目前有兩個版本：一種是USB2.0全速，其最高數據傳輸速率為12Mb\/s（1.5MB\/s），可連接中速設備；另一種是USB2.0高速，其傳輸速率則提高到480Mb\/s（60MB\/s），可用來連接硬盤等高速設備。
USB接口不但傳輸速率快，而且使用也非常方便。在安裝設備時，不用關閉計算機，可以帶電插拔（熱插拔），實現了即插即用（PNP）的功能。此外，USB接口還可以由主機向l\/O設備提供+5V的電源。由於USB接口所具有的通用性和易用性，目前支持USB接口的設備非常多，如鍵盤、鼠標、數碼相機、移動硬盤等。
（6）HDMl接口
HDMl的中文意思是高清晰度多媒體接口，它可以提供高達5GbPs的數據傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信號。HDMl是現在最高端的一種技術，也是未來領導數碼視頻行業進步的技術。
2.4 存儲器
在計算機硬件設備中，內存、硬盤、光盤等都是存儲設備，用來存儲數據和程序等相關信息。存儲設備按照用途可分為兩大類：一類是主存儲器，如內存儲器；另一類是輔助存儲器，如硬盤、光盤、移動硬盤等。
2.4.1 內存儲器
內存儲器簡稱內存，也可稱為主存。內存由半導體器件製成，是計算機運行的核心部件之一。其特點是存取速度快，與CPU直接進行數據交換。
1．內存的外觀和功能
圖2-9 內存外觀
內存主要由芯片、電路板、卡槽和金手指等組成。內存的外觀如圖2-9所示。
內存電路板用於放置和焊接內存芯片，而內存芯片決定了內存容量的大小。內存的缺口與主板上內存插槽中的凸起相對應，可以防止內存插錯。金手指是內存電路板與主板內存插槽間的插腳，目前市場上主流的DDRⅡ和DDRⅢ均采用雙列直插（DlMM）式，其金手指分布在內存的兩麵，均為240針。
CPU在處理數據時，所需要的數據都需要從輔助存儲器（如硬盤）上傳輸給CPU，但是由於硬盤的容量很大，CPU很難在短時間內找到所需的數據，另外數據從硬盤直接傳送給CPU的速度很慢，導致CPU的運行效率大大降低，而內存的出現很好地解決了這個問題。內存的作用是臨時存放CPU中的運算數據以及與硬盤等輔助存儲器交換的數據。當計算機運行時，CPU會將相關程序先從硬盤調入到內存中，然後在特定的內存中開始執行，完成後的結果也將保存在內存中，需要時CPU再將結果從中調出來。
2．內存的分類
按照內存的工作原理可將內存分為RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器）和ROM（Read-Only Memory，隻讀存儲器）兩種。
在RAM中存儲的內容可通過CPU指令隨機讀寫訪問。RAM又可分為兩種：一種是DRAM（動態隨機存取存儲器），它具有結構簡單、功耗低、集成度高和生產成本低等特點，主要應用於計算機的主存儲器，如內存儲器和顯示內存；另一種是SRAM（靜態隨機存取存儲器），其結構相對較複雜，速度快但生產成本高，多用於高速小容量存儲器中，如高速緩衝存儲器Cache。
所有的RAM都存在一個共同的缺點，即當關機或斷電時，其內部存儲的數據都將全部丟失，因此RAM不適用於長期保存數據。
ROM中保存的數據在斷電後不會丟失，所以ROM也叫非易失性存儲器，多用於存放一次寫入的程序或數據。ROM的特點是隻能從ROM中讀取數據而不能寫入數據，速度較慢、價格較高、容量較小，多用於主板BlOS芯片。
按照是否能在線改寫ROM的內容，可以將ROM分為兩種：一種是不可在線改寫內容的ROM，如掩膜ROM、PROM和EPROM；另一種是Flash ROM（簡稱閃存），它結合了RAM和ROM的長處，不但可以對信息進行改寫，而且不會因斷電而丟失數據，同時可以快速讀取數據。目前，U盤和數碼相機裏均使用Flash ROM存儲器。
各種存儲器的主要應用如表2-1所示。
表2-1 各種存儲器的主要應用
3．內存的性能指標
內存的主要性能指標為內存容量、存取時間和存取周期。
（1）內存容量
內存容量即內存的大小，通常以字節為單位，如內存容量為512MB或1GB。內存容量越大越好，但它會受到主板支持最大容量的限製。
（2）存取時間
存取時間又稱為存儲器訪問時間，是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經曆的時間，單位為ns。目前，大多數DDRⅡ的存取時間可以達到2.5ns。
（3）存取周期
存儲周期指存儲器進行一次完整的讀寫操作所需要的全部時間。具體地說，存取周期是啟動兩個獨立的存儲器操作（如連續兩次讀操作）所需間隔的最小時間。通常存取周期比存取時間長。
2.4.2 硬盤存儲器
硬盤存儲器簡稱硬盤，是計算機係統中用來存儲數據最主要的存儲設備。它不但有很大的存儲空間和較快的數據傳輸速度，而且安全係數很高。硬盤的特點是當計算機斷電後，硬盤上保存的數據和文件不會丟失。
1．硬盤的結構與原理
硬盤的最外層是堅硬的金屬保護層，在硬盤內部正中央，一根主軸支撐著一組高速旋轉的圓形金屬盤片，計算機運行所需的數據全部存放在這個金屬盤片上。在金屬盤片上方懸浮著讀、寫磁頭，當需要讀取數據時，磁頭將金屬盤片上的數據通過電路經內存送到CPU，當需要將CPU處理完的數據保存時，也通過讀、寫磁頭將其保存在金屬盤片上。硬盤的內部結構如圖2-10所示。
圖2-10 硬盤的內部結構
目前絕大多數硬盤結構都源自1973年lBM公司生產的第一塊硬盤，其采用的技術稱為溫徹斯特（Winchester）技術，後來的硬盤基本上都延續了這種技術。由於盤片要進行高速旋轉，整個盤片被完全密封在金屬外殼內，磁頭懸浮於盤片上方沿磁盤徑向移動，並且不與盤片接觸。
圖2-11 磁道和扇區示意圖
在硬盤的盤片表麵由外向裏分成若幹個同心圓，每個同心圓稱為磁道。每個單碟一般都有幾千個磁道。磁盤上的每個磁道被等分為若幹個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區，磁道、扇區的示意圖如圖2-11所示。每個扇區可以存放512個字節的數據，磁盤驅動器以扇區為單位向磁盤讀、寫數據。硬盤通常由重疊的一組盤片構成，每個盤麵都被劃分為數目相等的磁道，並從外緣的“0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為磁盤的柱麵。磁盤的柱麵數與一個盤麵上的磁道數是相等的。由於每個盤麵都有自己的磁頭，所以盤麵數等於總的磁頭數。因此，硬盤上的一塊數據要用三個參數來定位：柱麵號、扇區號和磁頭號。
隻要知道了硬盤的柱麵、扇區和磁頭的數目，即可確定硬盤的容量：
硬盤的容量=柱麵數X磁頭數X扇區數X512B
2．硬盤的性能參數
硬盤的性能參數主要有容量、轉速、緩存、平均訪問時間、內\/外部數據傳輸率等。
（1）容量
硬盤的容量是指硬盤能夠容納數據的多少，通常以GB為單位。目前，家用硬盤的容量通常在320GB～750GB範圍內。
硬盤容量的計算方法有兩種：
一種是硬盤廠商的計算方式，
1GB=1000MB=1000X1000KB=1000X1000X1000B。
另一種是計算機係統的計算方式，
1GB=1024MB=1024X1024KB=1024X1024X1024B。
因為兩種容量計算方式存在差異，導致硬盤廠商公布的產品容量跟用戶實際可用容量有差異。例如，硬盤廠商銷售容量為320GB的硬盤，而在計算機上會顯示為298GB的容量。
（2）轉速
轉速是指硬盤內主軸的轉動速度，其單位是轉\/分。轉速的快慢是衡量硬盤檔次的重要標誌之一。目前市場上常見的硬盤轉速有5400轉\/分和7200轉\/分兩種。硬盤的轉速越快，尋找文件的速度越快。
（3）緩存
緩存是指硬盤內部的高速存儲器，其大小是硬盤的一個重要參數。目前硬盤的緩存主要有16MB、32MB、64MB等幾種，一般擁有較大緩存的硬盤在性能上會有更突出的表現。
（4）平均訪問時間
平均訪問時間是指磁頭從起始位置到達目標磁道位置，並且從目標磁道上找到要讀寫的數據扇區所需的時間。
平均訪問時間體現了硬盤的讀寫速度，它包括了硬盤的尋道時間和等待時間，即：
平均訪問時間=平均尋道時間+平均等待時間
硬盤的平均尋道時間是指硬盤的磁頭移動到盤麵指定磁道所需的時間。這個時間當然越小越好，目前硬盤的平均尋道時間通常在8ms以下。
硬盤的等待時間，是指磁頭已處於要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區旋轉至磁頭下方的時間。平均等待時間為盤片旋轉一周所需時間的一半，一般應在4ms以下。
（5）數據傳輸率
硬盤的數據傳輸率是指硬盤讀寫數據的速度，單位為兆字節每秒（MB\/s）。硬盤數據傳輸率又包括了內部數據傳輸率和外部數據傳輸率。
內部數據傳輸率是指硬盤將數據寫入盤片的速度，內部數據傳輸率主要依賴於硬盤的旋轉速度。外部傳輸率指的是計算機通過主板上的接口將數據傳送給硬盤的速度，一般與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。由於硬盤的內部傳輸速率要小於外部傳輸速率，所以內部傳輸速率的高低才是評價一個硬盤整體性能的決定性因素。
2.4.3 光盤存儲器
所謂光盤存儲器，是利用光學原理讀寫信息的存儲器。由於光盤的容量大，速度快，不易受幹擾等特點，光盤得到越來越廣泛的應用。
1．光盤存儲器的工作原理
光盤存儲器由光盤片和光盤驅動器兩個部分組成，是利用激光束在光盤表麵上存儲信息，根據激光束及反射光的強弱不同，可以完成信息的讀寫。在光盤上用於記錄數據的是一條由裏向外的連續的螺旋狀光道。光盤寫入數據時，將激光束聚焦成直徑小於1um的小光點，以其熱作用融化盤表麵上的光存儲介質——有機玻璃，在有機玻璃上形成凹坑。凹坑的邊緣處表示“1”，而凹坑內和凹坑外的平坦部分表示“0”，如圖2-12所示。讀出數據時，在讀出光束的照射下，可根據有無凹坑反射光強的不同，讀出二進製信息。
圖2-12 光盤存儲信息原理
2．光盤存儲器的類型
根據性能和用途的不同，光盤存儲器可分為3種類型。
（1）隻讀式光盤（CD ROM\/DVD ROM）
隻讀式光盤是最早實用化的光盤，盤片是由廠家預先寫入數據或程序，出廠後用戶隻能讀取，不能寫入和修改。這種產品主要用於電視唱片、數字音頻唱片和影碟，可以獲得高質量的圖像和高保真度的音樂。一張CD ROM光盤的容量大約是650MB，可存放1小時的立體聲高保真音樂。而一張普通的DVD ROM光盤其容量要比CD ROM光盤大得多，約為4.7GB。
（2）隻寫一次光盤（CD R\/DVD R）
隻寫一次光盤又稱為寫入後立即讀出型光盤，可以由用戶寫入信息，寫入後可以多次讀出，不過隻能寫入一次，信息寫入後不能修改。
（3）可擦寫式光盤（CD RW\/DVD RW）
可擦寫式光盤是一種允許用戶刪除光盤上原有記錄信息，並允許用戶接著在光盤的相同物理區域上記錄新信息的媒體和記錄係統。它是通過一種新的CD RW\/DVD RW媒體使用“相變”技術實現的，這種技術允許激光借助於記錄能量的變化將媒體物質從非晶態轉化成結晶態。
3．光驅的類型
光驅是計算機的重要配件之一，從CD ROM、DVD ROM到COMBO和現在的DVD刻錄機都得到了廣泛的應用。根據其讀\/寫原理，光驅可分為以下幾類：
（1）CD ROM光驅
CD ROM是早期最常見的光盤驅動器，能讀取CD、VCD、CD R、CD RW格式的光盤，它是計算機中應用和普及最早的光驅產品，目前已經退出了市場。
（2）DVD ROM光驅
DVD驅動器是用來讀取DVD盤上數據的設備，從外觀上看和CD ROM驅動器並無差別。但DVD驅動器的讀盤速度比原來的CD ROM驅動器提高了近4倍以上。目前，DVD驅動器采用的是波長為635nm～650nm的紅激光。DVD ROM光驅具有向下兼容性，它既能讀CD光盤又能讀DVD光盤，但不能在光盤上寫入信息。
（3）COMBO光驅
COMBO光驅俗稱“康寶”，是一種集合了CD刻錄、CD ROM和DVD ROM為一體的多功能光存儲產品。它既可以讀CD ROM、DVD ROM，也可也刻錄CD R和CD RW盤片。
（4）DVD刻錄機
圖2-13 DVD刻錄機
DVD刻錄機向下兼容CD R、CD RW，它又分為DVD+R、DVD R、DVD+RW、DVD RW和DVD RAM。DVD刻錄機的外觀和普通光驅差不多（圖2-13），隻是其前置麵板上通常都清楚地標識著寫入、複寫和讀取三種功能。
2.4.4 移動存儲器
移動存儲器屬於輔助存儲器，主要用於異地傳輸和攜帶數據。隨著電子技術水平不斷提高，移動存儲設備種類越來越多，其存儲容量越來越大，速度越來越快。
按照存儲介質的不同，可以把移動存儲器的分為U盤、移動硬盤、存儲卡等。
1．U盤
U盤（圖2-14）是一種閃存半導體存儲器，主要用於存儲數據文件，與計算機之間方便交換數據。U盤不需要物理驅動器，也不需外接電源，可熱插拔，使用非常方便。U盤體積小，重量輕，存儲容量大，性能可靠，價格便宜，是移動辦公及文件交換時最理想的存儲產品。一般的U盤容量有1G、2G、4G、8G、16G、32G等。
圖2-14 U盤
圖2-15 移動硬盤
2．移動硬盤
移動硬盤（圖2-15）是一種便攜式硬盤存儲產品，是以標準筆記本硬盤為基礎，采用USB、lEEE1394等傳輸速度較快的接口，可以以較高的讀\/寫速度進行數據傳輸。相對於U盤而言，移動硬盤具有以下特點：
（1）容量大
由於移動硬盤是以標準筆記本硬盤為基礎，因此筆記本硬盤的容量有多大，移動硬盤的容量就有多大，現在流行的移動硬盤容量為120GB、160GB、320GB、500GB等。
（2）傳輸速度高
移動硬盤大多數采用USB、lEEE1394接口，能夠提供較高的數據傳輸速度，目前最高的移動硬盤傳輸速度可達800Mb\/s。
（3）可靠性高
移動硬盤采用矽氧盤片，這種盤片更為堅固耐用，因此提高了數據的完整性。同時，以矽氧為材料的磁盤驅動器，以更加平滑的盤麵為特征，提高了數據傳輸的可靠性。
3．存儲卡
存儲卡（圖2-16）是利用閃存技術實現存儲數字信息的存儲器，它作為存儲介質應用在PDA、數碼相機、手機等小型設備。其大多使用閃存作材料，但由於形狀、體積和接口的不同又分為：CF卡、SD卡、MMC卡、T-Flash卡、Micro-SD卡等。
圖2-16 存儲卡
2.5 輸入\/輸出設備
輸入\/輸出設備是計算機中必不可少的外部設備。通過輸入設備可以實現向計算機發出指令和輸入數據等操作，計算機常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、數碼相機等。計算機處理後的結果需要通過輸出設備展示出來，常用的輸出設備有顯示器、打印機等。
2.5.1 鍵盤、鼠標
1．鍵盤
鍵盤是計算機最重要且必不可少的外部輸入設備之一。用戶與計算機進行交流，一般是使用鍵盤向計算機輸入各種指令和字符。鍵盤是由一組排列成陣列形式的按鍵開關組成的，每按下一個鍵，產生一個相應的字符代碼，然後將它轉換成ASCll碼或其他碼，傳送給主機。
標準鍵盤有104個鍵，它除了提供通常的ASCll字符以外，還有多個功能鍵、光標控製鍵以及編輯鍵等。標準鍵盤布局如圖2-17所示。
圖2-17 104鍵標準鍵盤布局
按照鍵盤按鍵的不同，鍵盤分為機械式按鍵和電容式按鍵兩種。機械式鍵盤由於其擊鍵響聲大、手感較差、鍵盤磨損較快，現在基本淘汰。目前使用的鍵盤，其按鍵多采用電容式（無觸點）開關。這種按鍵是利用電容器的電極間距離變化產生容量變化的一種按鍵開關。由於電容器無接觸，所以這種鍵盤在工作過程中不存在磨損、接觸不良等問題，耐久性、靈敏度和穩定性都比較好。電容式鍵盤的顯著特點是：擊鍵聲音小，手感較好，壽命較長，但維修比較困難。
按照鍵盤的接口類型也可以把鍵盤分為PS\/2接口和USB接口。PS\/2接口是鍵盤和鼠標的專用接口，是一種6針的圓形接口，這種接口不支持熱插拔。而USB接口是一種高速的通用接口，可以支持熱插拔，在使用中比較方便。
隨著鍵盤的不斷改進，鍵盤除了最基本的打字等一些基本的操作以外，還增加了很多其他的功能，按照這些功能還可以把鍵盤分為多媒體鍵盤、人體工程學鍵盤、帶手寫板的鍵盤以及超薄鍵盤等，如圖2-18、圖2-19所示。
圖2-18 多媒體鍵盤
圖2-19 人體工程學鍵盤
除了上述的分類外，鍵盤還可以根據其連接形式分為有線鍵盤和無線鍵盤。無線鍵盤內裝微型遙控器，以幹電池為能源，通過紅外線或藍牙將信息通過一個專門的接收器傳送給計算機，其控製的距離最遠可以達到10m。
2．鼠標
除了鍵盤，鼠標就是平時使用最多的輸入設備。它通常作為計算機係統中的一種輔助輸入設備，可增強或代替鍵盤上的光標移動鍵和其他鍵（如回車鍵）的功能。使用鼠標可在屏幕上更快速、更準確地移動和定位光標。
鼠標按照工作原理可以分為機械式鼠標和光電式鼠標。早期的鼠標都為機械式鼠標，如圖2-20所示。它采用滾球帶動橫、縱兩條滾軸，滾軸使感應器產生信號脈衝，從而定位指針在計算機屏幕上移動。目前這種鼠標已經退出市場。
圖2-20 機械式鼠標
圖2-21 光電式鼠標
光電式鼠標是目前的主流產品。原來的鼠標滾球被發光二極管和光敏管所代替，通過光反射來確定鼠標移動的軌跡。從外觀上來看，光電式鼠標底部看不到滾球，完全是一個平麵，但是可以看到一個發光二極管，如圖2-21所示。
2.5.2 掃描儀
掃描儀是除鍵盤和鼠標之外被廣泛應用於計算機的輸入設備。它是一種通過捕獲圖像並將其轉換成計算機可以顯示、編輯、儲存和輸出的數字化圖像輸入設備。它的應用範圍很廣泛，例如，將美術圖形和照片掃描結合到文件中；將印刷文字掃描輸入到文字處理軟件中，避免再重新打字；將傳真文件掃描輸入到數據庫軟件或文字處理軟件中儲存；在多媒體中加入影像；等等。
掃描儀按種類可以分為手持式掃描儀、平板式掃描儀和滾筒式掃描儀。
手持式掃描儀的掃描幅麵窄，操作時需用手推動完成掃描工作，難於操作和捕獲精確圖像，掃描效果一般。
平板式掃描儀又稱為平台式掃描儀或台式掃描儀。掃描時隻需將原稿反放在掃描儀的玻璃板上即可，操作比較簡單，是目前在家庭和辦公自動化領域最常見的一種掃描儀。
滾筒式掃描儀是一種高分辨率的專用掃描儀，一般用於印刷出版等專業領域。
掃描儀是基於光電轉換原理進行工作的，現以平板式掃描儀為例，簡單介紹其工作原理。掃描儀主要由光學部分、機械傳動部分和轉換電路三部分組成。掃描儀的核心部分是完成光電轉換的光電轉換部件CCD，其結構如圖2-22所示。
掃描儀工作時，首先由光源將光線照在欲輸入的圖稿上，產生表示圖像特征的反射光或透射光。光學係統采集這些光線，將其聚焦在感光器件CCD上，由CCD將光信號轉換為電信號，然後由電路部分對這些信號進行A\/D轉換及處理，產生對應的數字信號輸送給計算機。當機械傳動機構在控製電路的控製下帶動裝有光學係統和CCD的掃描頭與圖稿進行相對運動，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計算機中。
掃描儀的性能指標包括以下幾個方麵：
圖2-22 CCD掃描儀的結構
（1）分辨率
它是掃描儀最重要的性能指標之一，直接決定了掃描儀掃描圖像的清晰程度。掃描儀的分辨率通常用每英寸長度上的點數，即dPi來表示。
（2）色彩位數
色彩位數越高越可以保證掃描儀反映的圖像色彩與實物真實色彩的一致，而且圖像色彩會更加豐富。掃描儀的色彩位數值一般有24位、30位、32位、36位、48位等幾種。
（3）掃描幅麵
掃描幅畫是指掃描儀可以掃描的最大尺寸範圍，常見的掃描儀幅麵有A4、A3、A1、A0等。
（4）接口類型
掃描儀的常見接口包括SCSl、lEEE1394和USB接口，目前的家用掃描儀以USB接口居多。
2.5.3 數碼相機
數碼相機是一種利用電子傳感器把光學影像轉換成電子數據的照相機，是一種常用的圖像輸入設備。與普通照相機在膠卷上靠鹵化銀的化學變化來記錄圖像的原理不同，數碼相機的傳感器是一種光感應式的電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）。在圖像傳輸到計算機以前，通常會先儲存在數碼存儲設備中。
根據用途不同可以將數碼相機分為卡片數碼相機（圖2-23）和單反數碼相機（圖2-24）。卡片數碼相機在業界內沒有明確的概念，僅指那些外形小巧的、機身相對較輕的以及超薄時尚的數碼相機。單反數碼相機指的是單鏡頭反光數碼相機。
圖2-23 卡片數碼相機
圖2-24 單反數碼相機
數碼相機的主要性能指標包括：
（1）CCD
CCD是一種半導體裝置，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD的作用和傳統相機的膠片一樣，用來形成圖像，但它是把圖像的像素轉換成數字信號。CCD像素數目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。
（2）像素數
數碼相機的像素數包括有效像素和最大像素。有效像素是指真正參與感光成像的像素值，而最高像素的數值是感光器件的真實像素，這個數據通常包含了感光器件的非成像部分。與最大像素不同的是，有效像素是在鏡頭變焦倍率下所換算出來的值。數碼相機的像素數越大，所拍攝的靜態圖像的分辨率也越大，相應的一張圖片所占用的空間也越大。
（3）變焦
數碼相機的變焦分為光學變焦和數碼變焦兩種。光學變焦是指相機通過改變光學鏡頭中鏡片組的相對位置來達到變換其焦距的一種方式。而數碼變焦則是指相機通過截取其感光元件上影像的一部分，然後進行放大以獲得變焦的方式。
2.5.4 顯示器
顯示器是計算機中最為重要的輸出設備之一，它將顯卡輸出的數據信號轉變為人眼可見的圖像、圖形，用戶通過顯示器屏幕上的內容來了解計算機的最終輸出結果，從而控製其工作。人們最常見的顯示器有CRT（陰極射線管）顯示器和LCD（液晶）顯示器。
1．CRT顯示器
CRT顯示器的主要部件——陰極射線管由五部分組成：電子槍、偏轉線圈、蔭罩（蔭罩孔、蔭罩板）、熒光粉層及玻璃外殼，如圖2-25所示。CRT顯示器陰極射線管是一個主動發光器件，其發光源是電子槍。
圖2-25 CRT顯示器結構
CRT顯示器的電子槍由燈絲、陰極、控製柵組成。通電後燈絲發熱，陰極被激發，發射出電子，電子受高壓的內部金屬層加速，並經電子透鏡聚焦成極細的電子束，去轟擊熒光屏，致使熒光粉發光。此電子束在偏轉係統產生的電磁場作用下，可控製其射向熒光屏的指定位置。電子束的通斷和強弱可由顯示信號控製，電子束轟擊熒光屏形成發光點，各發光點組成了圖像。R、G、B三色熒光點被按不同比例強度的電子流點亮，就會產生各種色彩。
與LCD顯示器相對比，CRT具有以下幾個方麵的優點：
●高色彩還原度。CRT顯示器的色彩組成是由三根電子槍發出的不同電子流混合而成的，與天然顏色的組成原理一樣。
●高分辨率。CRT顯示器的高帶寬使顯示器能夠達到更高的分辨率，同時具有更高的刷新率，特別適用於專業圖形用戶。
●反應速度快。由於CRT顯像管與LCD麵板構造機理不同，CRT顯像管的反應速度遠高於LCD麵板的速度。
此外，CRT顯示器也存在一些缺點：
●輻射和體積較大。由於CRT顯示器裏含有高壓電路和電子槍等元件，這些器件均具有較高的電磁輻射。另外，CRT顯示器的體積十分笨重。
●幾何失真較嚴重。與LCD顯示器相比，CRT顯示器在幾何失真方麵比較遜色。
2．LCD顯示器
LCD顯示器又叫液晶顯示器。液晶是一種具有規則性分子排列的有機化合物，介於固態和液態之間，不但具有固態晶體光學特性，又具有液態流動特性。當通電時，液晶排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。
LCD的顯像原理是將液晶置於兩片導電玻璃基板之間，加上一定的電壓，在電場的作用下使得液晶分子扭曲以控製光源透射或遮蔽功能，而將影像顯示出來。當玻璃基板沒有加入電壓時，光線透過偏光板跟著液晶做90度扭轉，通過下方偏光板，液晶麵板顯示白色，如圖2-26（a）所示；當玻璃基板加入電壓時，液晶分子產生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無法透出，液晶麵板顯示黑色，如圖2-26（b）所示。
圖2-26 液晶麵板構造示意圖
與CRT相比，LCD顯示器的特點是工作電壓低，功耗低，電磁輻射危害小，體積輕薄，易於實現大畫麵顯示，目前已經廣泛應用於筆記本電腦、數碼相機、電視機等設備。
3．顯示器的性能指標
CRT顯示器和LCD顯示器具有一些共同的性能參數。
（1）尺寸
顯示器的尺寸是指顯示屏的對角線長度，單位為英寸。目前常用的顯示器有17、19、22、24英寸等。傳統顯示屏的寬高比為4：3，目前主流的寬屏液晶顯示器的寬高比為16：9或16：10。
（2）分辨率
分辨率是指顯示器屏幕上可以容納的像素點總和，通常用水平分辨率X垂直分辨率來表示，如1024X768，1440X900，1920X1080等。分辨率越高，屏幕上的像素點就越多，顯示的圖像就越細膩，單位麵積顯示的內容就越多。
（3）刷新率
刷新率是指顯示的圖像在單位時間內更新的次數。刷新率越高，圖像顯示的穩定性越好。一般顯示器的刷新率應設置在80HZ以上。
（4）可顯示顏色數目
可顯示顏色數目就是屏幕上最多顯示多少種顏色的總數。對屏幕上的每一個像素來說，256種顏色要用8位二進製數表示，即28，因此我們也把256色圖形叫作8位圖；如果每個像素的顏色用16位二進製數表示，我們就叫它16位圖，它可以表達216，即65536種顏色；還有24位彩色圖，可以表達16777216種顏色。液晶顯示器一般都支持24位真彩色。
（5）輻射和環保
顯示器的輻射不但會影響使用者的眼睛，還可能會危及使用者的健康。國際上對顯示器輻射製訂了一些認證體係，如MPR-Ⅱ認證和TCO認證。MPR-Ⅱ認證（圖2-27）較為廣泛，主要是對電子設備的電磁輻射程度等標準進行限製，而TCO認證（圖2-28）更加嚴格，它對產品的電磁波外泄、人體工學、生態學、能源效應等一係列指標都有嚴格的規定。
圖2-27 MPRⅡ認證標識
圖2-28 TCO認證標識
2.5.5 打印機
打印機也是計算機的一種主要輸出設備，它能把計算機中已處理過的文字圖形通過紙張打印出來。目前市場上的打印機主要有針式打印機、噴墨打印機和激光打印機三種。
1．針式打印機
針式打印機（圖2-29）也叫點陣式打印機，它通過機器與紙張的物理接觸來打印字符或圖形，屬於擊打式打印機。針式打印機結構簡單、性價比好、耗材（色帶）費用低、能實現多層套打，但噪聲高、分辨率較低、打印針頭容易損壞。現在的針式打印機普遍是24針打印機。所謂針數是指打印頭內打印針的排列和數量，針數越多，打印的質量就越好。由於針式打印機的打印質量低，工作噪聲大，已經無法適應高質量、高速度的商用打印需要，然而在銀行、證券、超市等用於票單打印的行業中依然有著不可替代的地位。
圖2-29 針式打印機
圖2-30 噴墨打印機
2．噴墨打印機
噴墨打印機（圖2-30）屬於非擊打式打印機。它的打印頭由幾百個細微的噴頭構成，其打印精度比針式打印機高。當打印頭移動時，噴頭按特定的方式噴出墨水，噴到打印紙上，形成圖案。其主要特點是能輸出彩色圖像，無噪聲，結構輕而小，清晰度較高。
目前，噴墨打印機按打印頭的工作方式可以分為壓電噴墨技術和熱噴墨技術兩大類型。壓電噴墨技術是將許多小的壓電陶瓷放置到噴墨打印機的打印頭噴嘴附近，利用它在電壓作用下會發生形變的原理，適時地把電壓加到它的上麵。壓電陶瓷在電壓作用下產生伸縮使噴嘴中的墨汁噴出，在輸出介質表麵形成圖案。用壓電噴墨技術製作的噴墨打印頭成本比較高，所以為了降低用戶的使用成本，一般都將打印噴頭和墨盒做成分離的結構，更換墨水時不必更換打印頭。這種打印噴頭對墨滴的控製力強，容易實現高精度的打印，缺點是噴頭堵塞的更換成本非常昂貴。
熱噴墨技術是讓墨水通過細噴嘴，在強電場的作用下，將噴頭管道中的一部分墨汁氣化，形成一個氣泡，並將噴嘴處的墨水頂出噴到輸出介質表麵，形成圖案或字符。因此，這種噴墨打印機有時又被稱為氣泡打印機。熱噴墨技術的缺點是在使用過程中會加熱墨水，而高溫下墨水很容易發生化學變化，性質不穩定，所以打出的色彩真實性會受到一定程度的影響。另一方麵由於墨水是通過氣泡噴出的，墨水微粒的方向性與體積大小很不好掌握，打印線條邊緣容易參差不齊，在一定程度上影響打印質量，所以多數熱噴墨技術產品的打印效果不如壓電技術產品。
3．激光打印機
激光打印機是激光技術與複印技術相結合的產物，是一種高質量、高速度、低噪聲、價格適中的輸出設備。激光打印機屬於非擊打式打印機，如圖2-31所示。
激光打印機的工作原理是，激光打印機加電後，微處理器執行內部程序，檢查各部分狀態；各部分檢測正常後，係統就緒，此時可接收打印作業；計算機傳送的打印作業經接口邏輯電路處理，送給微處理器；微處理器控製各組件協調運行，此時高壓電路發生器產生靜電對硒鼓表麵進行均勻充電，加熱定影工作組件開始工作。經微處理器調製的激光發生器，其發出的激光束帶有字符信息，並通過掃描馬達和光學組件對均勻轉動的硒鼓表麵進行逐行掃描。因硒鼓為光電器件，不含字符信息的激光照射到硒鼓表麵後，硒鼓表麵的硒材料因見光而導電，原先附著的靜電因硒材料導電而消失，從而形成由字符信息組成的靜電潛像。靜電潛像利用靜電作用將顯影輥上的炭粉吸附在硒鼓表麵，從而在硒鼓表麵形成由炭粉組成的反麵字符圖形。當打印紙快貼近硒鼓時被充上高壓靜電，打印紙上的靜電電壓高過硒鼓上的靜電電壓，當打印紙與硒鼓貼近時，同樣利用靜電的吸附作用，將硒鼓表麵由炭粉組成的反麵字符圖形吸附到打印紙上並形成由炭粉組成的正麵字符圖形。最後，帶有由炭粉組成的正麵字符圖形的打印紙進入加熱定影組件，由於炭粉中含有一種特殊熔劑，遇高溫後熔化，從而將炭粉牢牢地固定在打印紙上。經加熱定影套件處理後，最終形成了精美的稿件，完成打印過程。
圖2-31 激光打印機
三種打印機的性能對比如表22所示。
表2-2 三種打印機性能對比
4．打印機的性能指標
（1）打印分辨率
打印分辨率是指打印機在指定打印區域中可以打出的點數，包括縱向和橫向兩個方向，如600dPiX600diP，1200dPiX1200diP等，它的具體數值決定了打印效果的好壞。一般來說，打印分辨率越高，圖像輸出效果就越逼真。
（2）打印速度
打印速度是指打印機每分鍾輸出頁麵的張數，通常用PPm來衡量。目前普通的激光打印機速度可以達到10～35PPm，而一些高品質的激光打印機的打印速度可以達到60PPm。
（3）打印幅麵
常用的打印機幅麵為A4和A3兩種，對於一般的家庭和辦公用戶，使用A4幅畫的打印機即可。而對於有著專業輸出要求的用戶，可以使用A2甚至更大打印幅畫的打印機。
（4）打印接口
打印機的接口類型主要有並行接口、SCSl接口和USB接口。USB接口的打印機不但輸出速度快，而且還支持熱插拔，是目前主流的打印機接口類型。
習題
一、填空題
1．一台計算機中往往有多個處理器，分別承擔著不同的任務。其中承擔係統軟件和應用軟件運行任務的處理器稱為________處理器，它是計算機的核心部件。
2．現代計算機的存儲體係結構由內存和外存構成，其中________在計算機工作時臨時保存信息，關機或斷電後將會丟失信息。
3．每一種不同類型的CPU都有自己獨特的一組指令，一個CPU所能執行的全部指令稱為________係統。
4．地址線數目是36位的CPU，它可支持的最大物理存儲空間為________GB。
5．從PC機的物理結構來看，芯片組是PC機主板上各組成部分的樞紐，它連接著、內存條、硬盤接口、網絡接口、PCl插槽等，主板上的所有控製功能幾乎都由它完成。
6．MOS型半導體存儲器芯片可以分為DRAM和SRAM兩種，它們之中芯片的電路簡單，集成度高，成本較低，但速度要相對慢很多。
7．掃描儀按結構可以分為手持式、________式、膠片專用和滾筒式。
二、選擇題
1．Pentium處理器中包含了一組________，用於臨時存放參加運算的數據和運算得到的中間結果。
A.控製器 B.寄存器 C.整數ALU D.ROM
2．馮·諾伊曼式計算機的基本工作原理是“________”。
A.存儲程序和程序控製 B.電子線路控製
C.集成電路控製 D.操作係統控製
3．在計算機加電啟動過程中，1.加電自檢程序、2.操作係統、3.引導程序、4.自舉裝入程序，這四個部分程序的執行順序為________。
A.1、2、3、4 B.1、3、2、4 C.3、2、4、1 D.1、4、3、2
4．CMOS存儲器中存放了計算機的一些參數和信息，其中不包含在內的是________。
A.當前的日期和時間 B.硬盤數目與容量
C.開機的密碼 D.基本外圍設備的驅動程序
5．Windows環境下運行應用程序時，鍵盤上F1～F12功能鍵的具體功能隻能由定義。
A.CMOS設置程序 B.操作係統及應用程序
C.專門驅動程序 D.在鍵盤上人工設置
6．PC機常用的l\/O接口有多種類型，下列敘述錯誤的是________。
A.顯示器接口是一種通用接口，它也可以連接打印機
B.lDE接口可用來連接硬盤和軟盤
C.鍵盤接口是一種低速接口
D.使用“USB集線器”，一個USB接口就可以連接多個l\/O設備
7．打印機的重要性能指標包括________、打印精度、色彩數目和打印成本。
A.打印數量 B.打印方式 C.打印速度 D.打印機功耗
8．數碼相機是一種常用的圖像輸入設備。以下有關數碼相機的敘述中，錯誤的是________。
A.數碼相機拍攝時將影像聚焦在成像芯片CCD或CMOS上
B.數碼相機中使用DRAM存儲器存儲相片
C.100萬像素的數碼相機可拍攝1024X768分辨率的相片
D.在照片分辨率相同的情況下，數碼相機的存儲容量越大，可存儲的相片越多
9．顯示器的尺寸大小以________為度量依據。
A.顯示屏的麵積 B.顯示屏水平方向寬度
C.顯示屏垂直方向寬度 D.顯示屏對角線長度
10．關於l\/O接口，下列________的說法是最確切的。
A.l\/O接口即l\/O控製器，負責l\/O設備與主機的連接
B.l\/O接口用來連接l\/O設備與主機
C.l\/O接口用來連接l\/O設備與主存
D.l\/O接口即l\/O總線，用來連接l\/O設備與CPU
三、判斷題
1．使用微處理器作為CPU的計算機都是個人計算機。 （ ）
2．計算機工作時，CPU所執行的程序和處理的數據都是直接從磁盤或光盤中取出，結果也直接存入磁盤中。 （ ）
3．主機通過USB接口可以為連接USB接口的l\/O設備提供+5V的電源。 （ ）
4．若用戶想從計算機打印輸出一張彩色圖片，目前選用彩色噴墨打印機最經濟。 （ ）
5．如果將閃存盤加上寫保護，它就能有效防止被計算機病毒所感染。 （ ）
6．刷新速率指顯示器所顯示的圖像每秒鍾更新的次數。通常，刷新速率越高圖像的穩定性越好。 （ ）
四、簡答題
1．計算機由哪幾部分組成？其功能各是什麼？
2．簡述CPU的結構及功能。
3．簡述內存和硬盤的區別。
4．什麼是BlOS？它由哪幾個部分組成？它和CMOS的區別是什麼？
5．掃描儀可分為哪幾種？其性能指標包含哪一些？
6．簡述三種打印機的優缺點。
第3章
計算機軟件
一個完整的計算機係統由硬件和軟件兩個部分組成。計算機係統是在硬件的基礎上，通過各種計算機軟件的支持，向用戶呈現出強大的功能和友好的使用界麵。用戶可以通過軟件與計算機進行交流。軟件是計算機係統設計的重要依據。為了使計算機係統具有較高的總體效用，在設計計算機係統時，必須全局考慮軟件與硬件的結合。
3.1 計算機軟件概述
3.1.1 計算機軟件的定義
國際標準化組織對計算機軟件的定義是：包含與數據處理係統操作有關的程序、規程、規則以及相關文檔的智力創作。其中，程序是軟件的主體，單獨的數據和文檔一般不認為是軟件；數據是程序所處理的對象及處理過程中使用的一些參數；文檔是指用自然語言等編寫的文字資料和圖表，用來描述程序的內容、組成、設計、功能規格、開發情況、測試結果及使用方法，如程序設計說明書、使用指南、用戶手冊等。
人們想用計算機解決一個問題，必須事先設計好計算機處理信息的步驟，把這些步驟用計算機能夠識別的指令編寫出來並送入計算機執行，計算機才能按照人的意圖完成指定的工作。計算機能執行的指令序列稱為程序。
計算機軟件是無形的，不能被人們直接觀察、欣賞和評價，它依附於特定的硬件、網絡環境，可以適應一類應用問題的需要，比如進行文字處理、數值計算等。隨著計算機軟件技術的發展，其規模越來越大，開發人員越來越多，開發成本也越來越高。軟件在使用過程中因為可以非常容易且毫無失真地進行複製，使得盜版現象越來越嚴重。盜版軟件是指那些非法獲得的軟件。購買盜版軟件的行為會讓軟件版權者的創造性勞動得不到回報。為了阻止軟件的盜版，很多軟件製造商都要求用戶在計算機上安裝軟件時注冊，如果沒有注冊，軟件就不能正常運行。在購買軟件後，用戶隻是得到了該軟件的使用權，並沒有獲得它的版權。版權是法律保護的一種形式，它給予原作者獨有的權利來複製、發布、出售和修改他的作品。
3.1.2 計算機軟件的分類
1．按照用途分類
按照用途通常將軟件分為係統軟件和應用軟件兩大類，如圖3-1所示。
圖3-1 軟件的分類
（1）係統軟件
係統軟件用來處理以計算機為中心的任務，能讓應用軟件與計算機相配合，並同時幫助計算機管理內部與外部的資源。在計算機係統中，係統軟件是必不可少的。
係統軟件主要包括以下內容：
①基本輸入\/輸出係統（BlOS）：是存放在主板上閃爍存儲器中的一組機器語言程序。
②操作係統：是整個計算機係統的管理與指揮機構，管理計算機的所有資源。
③語言處理程序：把用彙編語言或高級語言編寫的源程序翻譯成可在計算機上執行的目標程序。
④數據庫管理係統（Data Base Management System，簡稱DBMS）：能夠幫助用戶輸入、查找、組織和更新存儲在數據庫裏的信息，如Oracle、MySQL等軟件。
⑤實用程序
磁盤清理程序：使用磁盤清理程序可以幫助用戶釋放硬盤存儲空間，刪除臨時文件、lnternet緩存文件和不需要的文件，釋放它們占用的係統資源，以提高係統性能。
磁盤碎片整理程序：使用磁盤碎片整理程序可以重新安排文件在磁盤中的存儲位置，將文件的存儲位置整理到一起，同時合並可用空間，實現提高運行速度的目的。
（2）應用軟件
應用軟件是用來幫助用戶完成實際任務的，用於解決特定問題的軟件。它可以分為以下幾種類型：
①文字處理軟件
文字處理軟件的功能有文本編輯、文字處理、桌麵出版等，如Word、Adobe Acrobat、FrontPage等；
②電子表格軟件
電子表格軟件的功能有數值計算、製表、繪圖等，如Excel等；
圖形圖像軟件的功能有圖像處理、幾何圖形繪製、動畫製作等，如AutoCAD、PhotoshoP等；
③演示軟件
演示軟件的功能是製作與播放投影片，如PowerPoint等；
④圖形圖像軟件
⑤網絡通信軟件
網絡通信軟件的功能有即時通信、收發電子郵件、撥打lP電話等，如QQ、MSN等；
⑥媒體播放軟件
媒體播放軟件的功能是播放各種數字音頻和視頻文件，如Media Player、暴風影音等；
⑦遊戲軟件
遊戲軟件的功能是遊戲和娛樂，如下棋、撲克等；
⑧信息檢索軟件
信息檢索軟件的功能是在數據庫和因特網中查找需要的信息，如百度、Google等。
2．按照產權的性質分類
按照產權的性質，通常將軟件分為下列四類：
●商品軟件
●共享軟件
●免費軟件
●開源軟件
（1）商品軟件
商品軟件是指用戶需要付費才能得到其使用權的軟件。它除了受版權保護之外，常常還受軟件許可證條款的保護。軟件許可證是規定了計算機程序使用方式的法律合同。軟件許可證對軟件的使用做出額外的限製，或者可以為消費者提供額外的權利。例如，多數軟件都以單用戶許可證的形式銷售，這說明一次隻允許一個用戶使用軟件。但一些軟件發行商也為學校和企業提供了多用戶許可證，允許指定數量的用戶在任何時間使用軟件。
（2）共享軟件
共享軟件是一種版權軟件，用戶可以免費獲得，但如果想繼續使用就必須付費或者支付注冊費用。一旦付了錢，用戶通常都會得到升級版本的支持文件，同時還可能得到一些技術支持。共享軟件主要通過互聯網獲得，但是因為這是有版權的軟件，所以用戶並不能使用它來開發自己的程序並與原產品進行競爭。如果用戶複製了共享軟件發送給朋友，同時這些人也想使用這個軟件，那麼也需支付注冊費。
（3）免費軟件
免費軟件就是可以免費使用的、具有版權的軟件。用戶不必為使用軟件支付任何費用。一般，免費軟件的許可證允許使用、複製軟件和把軟件給其他人，但是不允許更改或者出售軟件。很多實用程序、驅動程序和一些遊戲都是免費軟件。
（4）開源軟件
開源軟件向那些想要修改和改進軟件的程序員提供未編譯的程序指令，即軟件的源代碼。開源軟件可以以編譯過的形式出售或免費傳播，但是不管在何種情況下都必須包括源代碼。例如，Linux就是開源軟件。
3.2 操作係統
操作係統（OPerating System，簡稱OS）是一種特殊的大型係統軟件，是最重要的一種係統軟件。操作係統是整個計算機係統的管理與指揮機構，管理計算機的所有資源。無論是軟件還是硬件，都由操作係統來指揮和調度。當我們讓計算機做一件事情的時候，是操作係統聽從我們的命令，指揮相應的軟件及硬件完成我們想做的事情。
3.2.1 操作係統的基礎知識
1．操作係統的特性
（1）方便性
一個未配置操作係統的計算機係統是很難使用的，因為計算機硬件隻能識別“0”和“1”代碼。如果我們在計算機硬件上配置了操作係統，用戶便可以通過操作係統所提供的各種命令來使用計算機係統。配置操作係統後可以使計算機係統更方便、容易使用。
（2）有效性
配置了操作係統後，可以使CPU、l\/O設備等資源保持忙碌狀態而得到有效的利用。
2．操作係統的作用
（1）作為計算機係統的資源管理者
計算機係統有硬件資源和軟件資源兩大類。硬件資源分為處理器、存儲器、l\/O設備等，軟件資源分為程序和數據等。操作係統作為計算機係統的資源管理者，其重要任務是有序地管理計算機中的硬件、軟件資源，滿足用戶對資源的需求，協調各程序對資源的使用衝突，讓用戶簡單、有效地使用資源，最大限度地實現各類資源的共享，提高資源利用率，從而大幅提高計算機係統的效率。
（2）為用戶提供虛擬計算機
人們常把沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。加上軟件後，就可在硬件基礎上，對其功能和性能進行擴充和完善。計算機上安裝操作係統後，可擴展基本功能，為用戶提供一台功能顯著增強，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機器，稱為虛擬計算機。
（3）為用戶提供友善的用戶界麵
用戶界麵是指用來幫助用戶與計算機相互通信的軟件與硬件的結合。計算機的用戶界麵包括能夠幫助用戶觀察和操作計算機的顯示器、鼠標、鍵盤等。當然用戶界麵也包括軟件元素（如菜單、工具欄按鈕等）。操作係統的用戶界麵為可兼容的軟件定義了所謂的“外觀”。
3．操作係統的啟動
（1）啟動盤
安裝了操作係統的計算機，操作係統大多駐留在硬盤存儲器中。通常，計算機會從硬盤驅動器啟動，如果硬盤驅動器遭到損壞，則可以使用稱為啟動盤的磁盤來啟動計算機。啟動盤大多使用光盤，包含了啟動操作係統所需的所有文件。將啟動盤插入到計算機的光驅中時，啟動盤就強行將操作係統文件傳遞給BlOS，使計算機啟動操作係統並完成啟動程序。
（2）啟動過程
當加電啟動計算機工作時，CPU首先執行BlOS中的自檢程序，測試計算機中各部件的工作狀態是否正常。若無異常情況，CPU將繼續執行BlOS中的引導裝入程序。裝入程序按照CMOS中預先設定的啟動順序，依次搜尋軟、硬盤驅動器或光盤驅動器，將其第一個扇區的內容（主引導記錄）讀出並裝入到內存，然後將控製權交給其中的操作係統引導程序，由引導程序繼續裝入操作係統。操作係統裝入成功後，整個計算機就處於操作係統的控製下，用戶就可以正常地使用計算機了。
3.2.2 常用操作係統介紹
1．操作係統分類
操作係統伴隨著計算機技術及其應用的日益發展，功能不斷完善，產品類型也越來越豐富。通常操作係統主要分為以下四類：
●批處理係統
●分時處理係統
●網絡操作係統
●實時操作係統
批處理係統和分時處理係統都是早期比較流行的操作係統。最早的是單道批處理係統，此係統的特征是單道順序地處理作業，計算機資源使用效率不高。之後，操作係統進入了多道程序階段。多道批處理係統利用多道程序設計技術，使得計算機資源利用率得到提高。
分時處理係統是指多個用戶通過終端共享一台主機CPU的工作方式。係統按分時原則為每個用戶服務，提高了資源利用率。目前，個人計算機上的操作係統是一種單用戶的操作係統，它的特點是計算機在某一時間為單個用戶服務，采用圖形用戶界麵，提高了人機交互能力，使用戶能輕鬆地操作計算機。
而安裝在網絡服務器上的網絡操作係統則具有多用戶處理的能力，它的功能包括網絡管理、通信、資源共享等。在網絡操作係統環境下，用戶不受地理條件的限製，可以方便地使用遠程計算機資源，實現網絡環境下計算機之間的通信和資源共享。
此外，還有一些特殊的操作係統，如導彈的製導係統、飛機的自動駕駛係統、情報檢索係統等。它們能及時響應外部事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，並控製所有實時任務協調一致地運行，這些係統稱為實時操作係統。下麵簡單介紹目前常用的操作係統。
2．常用操作係統
（1）Windows操作係統
全世界大約80%的個人計算機上安裝了Windows操作係統。Windows操作係統的名稱來源於出現在屏幕桌麵上的那些矩形工作區。每一個工作區窗口都能顯示不同的文檔或程序，為操作係統的多任務處理能力提供了可視化模型。
從一開始Windows操作係統就是為使用lntel或與lntel兼容的微處理器的計算機設計的。隨著芯片體係結構從16位到32位，然後發展到64位，Windows始終跟隨著芯片發展的腳步。Windows開發人員添加和升級了各種功能，還對用戶界麵進行了改進，以使用戶界麵外觀更漂亮而且更容易使用。Windows是係列產品，它在發展過程中推出了多種不同的版本。
1995年推出的Windows 95是Windows 9x係列的第一個版本，之後在1998年推出了Windows 98版本，此版本最大的特點是穩定性的增強，這其中包括了lnternet ExPlorer瀏覽器。Windows 95、98以及在Windows 98基礎上推出的Windows 98SE以及Windows Me，都曾經是PC機上安裝最多的操作係統。
從1989年起，微軟公司開發了一個新的操作係統係列——Windows NT。此係統可配置在大、中、小型企業網絡中，用於管理整個網絡中的資源和實現用戶通信。
2000年推出的Windows 2000是將Windows 98與WindowsNT的特性相結合發展而來的多用途操作係統。Windows 2000係列包括工作站版本和服務器版本。
2001年推出的Windows XP是一個既適合家庭也適合商業用戶使用的一種Windows操作係統。在增強穩定性的同時，Windows XP加強了驅動程序與硬件的支持。它包括為家庭用戶設計的家庭版，為各種規模企業設計的專業版，以及媒體中心版等版本。媒體中心版是一個麵向媒體的操作係統，支持DVD刻錄、高清晰度電視、衛星電視等，並且提供了更新的用戶界麵。
自2006年底開始，微軟公司開始推出稱為Windows Vista的新一代操作係統。此操作係統將計算機係統更加緊密地與用戶及其朋友、需要的信息以及使用的各種電子設備無縫地連接起來，讓用戶界麵更簡潔，更有效地處理和管理好用戶的數據。它有家庭版、企業版等多種版本。
Windows 7是微軟公司繼Windows XP、Vista之後推出的下一代操作係統，它比Vista性能更高，啟動更快，兼容性更強，具有很多新特性和優點，比如提高了屏幕觸控支持和手寫識別，支持虛擬硬盤，改善開機速度等。
（2）UNlX操作係統
UNlX操作係統是1969年由A＆T公司的貝爾實驗室開發的。UNlX是通用、多用戶、多任務應用領域的主流操作係統之一，它的眾多版本被大型機、工作站所使用。Sun微機係統中的Solaris是UNlX的一個版本，多用於處理大型電子交易服務器與大型網站上。目前，UNlX已經有了3個版本，除了Solaris外，還有惠普公司的HP-UNlX和lBM公司的AlX（Advanced lnteractive eXecutive），用戶可以從網上獲得。
（3）Linux操作係統
Linux操作係統產生於1991年初，當時的芬蘭程序員Linus Torvalds還是一個研究生，他將免費的Linux操作係統貼到因特網上。Linux是UNlX的一個免費版本，它由成千上萬的程序員不斷地改進。Windows操作係統是Microsoft公司的版權產品，而Linux是開放源代碼的軟件，這就意味著任何程序員都可以從因特網上免費下載Linux並對它改進。唯一的限製是所有的改動都不能擁有版權，Linux必須對所有人都可用，並且保存在公共區域上。Linux吸引了許多商業軟件公司和UNlX愛好者加盟到Linux係統的開發行列中，從而使其快速地向高水平、高性能發展。
3.2.3 多任務處理
多任務是指一個用戶在同一台計算機上使用一個中央處理器來執行多個程序。例如，在Windows係統中可以在編輯文檔的同時播放音樂。用戶可以借助任務管理器了解係統中有哪些任務正在運行，處於什麼狀態，CPU的使用率是多少等有關信息。同時按下Ctrl+Alt+Delete可以彈出Windows任務管理器，如圖3-2所示。
圖3-2 使用任務管理器查看係統中的任務運行情況
由於係統內一般都有多個程序存在，這些程序都要享用CPU資源。而在同一時刻，CPU隻能執行其中一個程序，故需要把CPU的時間合理、動態地分配給各個程序，使CPU得到充分利用，同時使得各個程序的需求也能夠得到滿足。CPU調度程序負責把CPU時間分配給各個程序，使得多個程序“同時”執行。調度程序采用時間片輪轉的策略，將所有就緒的任務按先來先服務的原則排成一個隊列，每次調度時，將CPU的使用權分配給隊頭任務，並令其執行一個時間片，處於執行狀態的任務時間片用完後即被剝奪CPU的使用權。
3.2.4 多處理器處理
多處理器處理指的是一個或多個用戶在兩個或更多的CPU上同時執行程序。這種模式可以一次處理不同程序的指令或者同一程序中的不用指令。如同在隻有一個處理器的多任務中，處理過程應該足夠快捷，交替在每一個程序上隻花費很少的時間，這樣幾個程序就能同時運行。但多處理器進行處理所需要的操作係統比多任務操作係統更複雜。
實現多處理器處理的方法是並行處理。在並行處理中，幾個獨立的處理器共同完成同一個任務，並且共享內存。並行處理通常使用在大型計算機係統上，如果其中的一個CPU壞了，係統仍然可以運行。
3.2.5 存儲管理
計算機上使用的內存由於成本等原因，其容量總有限製。在運行需要處理具有大量數據的程序時，內存往往不夠使用。因此如何對存儲器進行有效的管理，不僅直接影響到存儲器的利用率，而且還對係統的性能有重大影響。現在，操作係統一般都采用虛擬存儲技術進行存儲管理。
應用程序在運行之前，沒有必要全部裝入內存，僅須將那些當前要運行的部分頁麵先裝入內存便可運行，其餘部分暫留在硬盤提供的虛擬內存中。程序在運行時，如果它所要訪問的頁已調入內存，便可繼續執行下去；但如果程序所要訪問的頁尚未調入內存（稱為缺頁），此時程序應利用操作係統所提供的請求調頁功能，將它們調入內存，以使進程能繼續執行下去。如果此時內存已滿，無法再裝入新的頁，則還需再利用頁的置換功能，將內存中暫時不用的頁調至硬盤的虛擬內存中，騰出足夠的內存空間後，再將要訪問的頁調入內存，使程序繼續執行下去。這樣，便可使一個大的用戶程序能在較小的內存空間中運行，也可在內存中同時裝入更多的進程使他們並發執行。從用戶角度看，該係統所具有的內存容量，將比實際內存容量大得多。但需說明，用戶所看到的容量隻是一種感覺，是虛擬的，故人們把這樣的存儲器稱為虛擬存儲器。
由上所述可以得知，所謂虛擬存儲器，是指具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對內存容量加以擴充的一種存儲器係統，其邏輯容量由物理內存和硬盤上的虛擬內存所決定。虛擬存儲技術是一種性能非常優越的存儲器管理技術。
用戶可以右擊“我的電腦”，在彈出的快捷菜單中選擇“屬性”命令，然後在“係統屬性”對話框中的“高級”選項卡中查看物理內存的大小和可用的虛擬內存的大小，並進行設置，如圖3-3所示。
圖3-3 使用係統屬性查看物理內存和虛擬內存的性能
3.2.6 文件管理
1．文件的概念
文件是存儲在外存儲器中的一組相關信息的集合。計算機中的程序、數據、文檔通常都組織成文件存放在外存儲器中，用戶必須以文件為單位對外存儲器中的信息進行訪問和操作。
為了便於管理和使用，每個文件都有一個名稱，即文件名。計算機是靠文件名來識別不同文件的，就像每個人都有一個名字，相互之間靠姓名區分一樣。文件名最多由255個字符組成，文件名中允許有空格，但不能含有？*＼\/＜＞：“｜等字符。