计算机应用基础(第3版)/张超等

第3章计算机软件 3.1计算机软件概述 3.1.1什么是计算机软件 一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。只有硬件的计算机称为“裸机”，裸机必须安装了计算机软件后才可以完成各项任务。计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的。广义地讲，软件是指计算机程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。 3.1.2计算机软件的分类 1. 系统软件和应用软件 计算机的软件极为丰富，要对软件进行恰当的分类是相当困难的。从功能角度区分，可以将计算机软件分为系统软件和应用软件两大部分，其组成如图31所示。系统软件建造在裸机(计算机硬件系统)之上，应用软件又以系统软件为工作平台，用户软件则以应用软件为支撑。 系统软件是指负责管理、监控和维护计算机硬件和软件资源的一种软件，是计算机系统的一部分，它是支持应用软件运行的。系统软件用于发挥和扩大计算机的功能及用途，提高计算机的工作效率，为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，一般不随意修改它。系统软件主要包括操作系统、程序设计语言及其处理程序(如汇编程序、编译程序、 解释程序等)、数据库管理系统、系统服务程序以及故障诊断程序、调试程序、编辑程序等工具软件。 应用软件是软件开发人员为解决各种实际问题而编制的计算机程序和相关资料。常见的应用软件有科学计算程序、图形与图像处理软件、自动控制程序、情报检索系统、工资管理程序、人事管理程序、财务管理程序以及计算机辅助设计与制造、辅助教学等软件。通过各种应用软件，用户可以在计算机上写文章﹑绘图形﹑处理照片和图像﹑上网浏览﹑科学计算……在应用软件上，用户可以再创造自己的用户软件。正是因为丰富多彩的应用软件的不断出现，才使得计算机迅速在全世界广泛应用。 图31计算机软件系统的组成 2. 开源软件和非开源软件 从是否开放软件的源代码角度分类，软件可以分为开源软件和非开源软件。 开放源码软件是其源码可以被公众使用的软件，用户可以自由地使用、复制、散发以及修改源码。与其相对的是私有/专属软件，如来自微软和苹果的软件，这类软件的源代码是保密的，只有公司的开发人员才可以改动代码。 在计算机出现的*初年代，几乎所有的软件都是开源的。那时的计算机企业，主要是以销售硬件产品为主，软件几乎都是附送的。所以，*初的软件几乎都是以开源的方式提供的。当以微软为代表的企业开始实践纯软件产品的商业模式，就引起了许多计算机编程爱好者的不满，在这种背景下，真正意义上的开源软件就自然而然地产生了。 软件作者选择向公众开放源代码，其理由无外乎如下三种。 (1) 认为所有软件都应该以源代码方式发布。 (2) 通过开源软件展示自己的软件设计、算法和编码水平，并期望获得他人认可。大部分小型软件或者程序的作者，或者由大学主持和维护的开源软件，出于这种目的向公众开放源代码。 (3) 通过开源软件谋求获得广泛推广，并通过提供增值的产品或者服务来获得商业收益。这通常是商业企业选择开源软件的原因，如FireFox、MySQL、Android、WebKit等属于这种情形。 开源软件能够得到快速的发展和广泛应用，大致有如下几个原因。 (1) 开源软件虽说不提供任何担保，但既然原作者愿意公开源代码，说明作者对代码的质量还是非常有信心的。 (2) 开源软件因为其免费特征，能够得到大量用户的使用和验证，通过形成和用户(往往也是编码高手)之间的互动和交流，能够以*快的速度修复可能的缺陷，改善软件设计。Linux内核的发展就形成了一个以全世界内核高手为主的松散社区，通过快速迭代开发，加上其免费特征，迅速占据了原先由商业UNIX系统控制的服务器操作系统领域。 (3) 因为任何人都可以得到其源代码，所以很多用户就可以自行修改其源代码，以满足自己的一些特别需求。 (4) 因为开源软件的涉及面非常广，利用已有的各种成熟开源软件，任何具有一定实力的组织，均可在较短时间内形成一个基本成熟的软件平台，进而可和已有的商业软件平台进行竞争。谷歌的Android系统属于此种情况的典型。 3. 传统客户端软件和在线软件 从是否需要在客户端计算机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在购买软件使用许可后，将软件在客户端计算机上安装并输入软件序列号后才能使用，这种模式成就了以微软为代表的一大批软件公司。 而在线软件指软件供应商提供软件在线服务(SoftwareasaService,SaaS)，是随着互联网技术的发展和应用软件的成熟，在21世纪开始兴起的一种完全创新的软件应用模式。在这种模式下，厂商将应用软件统一部署在自己的服务器上，客户可以根据自己的实际需求，通过互联网向厂商订购所需的应用软件服务，按订购的服务多少和时间长短向厂商支付费用，并通过互联网获得厂商提供的服务。用户不用再购买软件，而改用向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动，且无须对软件进行维护，服务提供商会全权管理和维护软件，软件厂商在向客户提供互联网应用的同时，也提供软件的离线操作和本地数据存储，让用户随时随地都可以使用其订购的软件和服务。对于许多小型企业来说。SaaS是采用先进技术的*好途径，它消除了企业购买、构建和维护基础设施和应用程序的需要。 4. 付费软件、免费软件和共享软件 从用户是否需要为软件的使用付费角度分类，软件可以分为付费软件、免费软件和共享软件。目前很多软件还是需要使用者付费购买才能使用。 所谓免费软件就是可以自由而且免费使用该软件，并复制给别人，而且不必支付任何费用给程序的作者，使用上也不会出现任何日期的限制或是软件使用上的限制。不过当复制给别人的时候，必须将完整的软件档案复制给他人，且不得收取任何的费用金额或转为其他商业用途。在未经程序作者的同意下，不能擅自修改该软件的程序代码，否则视同侵权。 共享软件是以“先使用后付费”的方式销售的享有版权的软件。根据共享软件作者的授权，用户可以从各种渠道免费得到它的备份，也可以自由传播它。用户总是可以先使用或试用共享软件，认为满意后再向作者付费； 如果用户认为它不值得花钱买，可以停止使用。 3.1.3计算机软件发展史 计算机软件技术发展很快。50年前，计算机只能被高素质的专家使用，今天，计算机的使用非常普遍，甚至没有上学的小孩都可以灵活操作； 40年前，文件不能方便地在两台计算机之间进行交换，甚至在同一台计算机的两个不同的应用程序之间进行交换也很困难，今天，网络在两个平台和应用程序之间提供了无损的文件传输； 30年前，多个应用程序不能方便地共享相同的数据，今天，数据库技术使得多个用户、多个应用程序可以互相覆盖地共享数据。了解计算机软件的进化过程，对理解计算机软件在计算机系统中的作用至关重要。 1. 第1代软件(1946—1953年) 第1代软件是用机器语言编写的，机器语言是内置在计算机电路中的指令，由0和1组成。不同的计算机使用不同的机器语言，程序员必须记住每条机器语言指令的二进制数字组合，因此，只有少数专业人员能够为计算机编写程序，这就大大限制了计算机的推广和使用。 在这个时代的末期出现了汇编语言，它使用助记符(一种辅助记忆方法，采用字母的缩写来表示指令)表示每条机器语言指令。相对于机器语言，用汇编语言编写程序就容易多了。 2. 第2代软件(1954—1964年) 当硬件变得更强大时，就需要更强大的软件工具使计算机得到更有效的使用。汇编语言向正确的方向前进了一大步，但是程序员还是必须记住很多汇编指令。第2代软件开始使用高级程序设计语言(简称高级语言，相应地，机器语言和汇编语言称为低级语言)编写，高级语言的指令形式类似于自然语言和数学语言(例如，计算2+6的高级语言指令就是2+6)，不仅容易学习，方便编程，也提高了程序的可读性。 IBM公司从1954年开始研制高级语言，同年发明了**个用于科学与工程计算的FORTRAN语言。1958年，麻省理工学院的麦卡锡(John Macarthy)发明了**个用于人工智能的LISP语言。1959年，宾州大学的霍普(Grace Hopper)发明了**个用于商业应用程序设计的COBOL语言。1964年，达特茅斯学院的凯梅尼(John Kemeny)和卡茨(Thomas Kurtz)发明了BASIC语言。 高级语言的出现产生了在多台计算机上运行同一个程序的模式，每种高级语言都有配套的翻译程序(称为编译器)，编译器可以把高级语言编写的语句翻译成等价的机器指令。系统程序员的角色变得更加明显，系统程序员编写诸如编译器这样的辅助工具，使用这些工具编写应用程序的人，称为应用程序员。随着包围硬件的软件变得越来越复杂，应用程序员离计算机硬件越来越远了。那些仅使用高级语言编程的人不需要懂得机器语言和汇编语言，这就降低了对应用程序员在硬件及机器指令方面的要求。因此，这个时期有更多的计算机应用领域的人员参与程序设计。 由于高级语言程序需要转换为机器语言程序来执行，因此，高级语言对软硬件资源的消耗就更多，运行效率也较低。由于汇编语言和机器语言可以利用计算机的所有硬件特性并直接控制硬件，同时，汇编语言和机器语言的运行效率较高，因此，在实时控制、实时检测等领域的许多应用程序仍然使用汇编语言和机器语言来编写。 在第1代和第2代软件时期，计算机软件实际上就是规模较小的程序，程序的编写者和使用者往往是同一个(或同一组)人。由于程序规模小，程序编写起来比较容易，也没有什么系统化的方法，对软件的开发过程更没有进行任何管理。这种个体化的软件开发环境使得软件设计往往只是在人们头脑中隐含进行的一个模糊过程，除了程序清单之外，没有其他文档资料。 3. 第3代软件(1965—1970年) 在这个时期，由于用集成电路取代了晶体管，处理器的运算速度得到了大幅度的提高，处理器在等待运算器准备下一个作业时，无所事事。因此需要编写一种程序，使所有计算机资源处于计算机的控制中，这种程序就是操作系统。 用作输入/输出设备的计算机终端的出现，使用户能够直接访问计算机，而不断发展的系统软件则使计算机运转得更快。但是，从键盘和屏幕输入输出数据是一个很慢的过程，比在内存中执行指令慢得多，这就导致了如何利用机器越来越强大的能力和速度的问题。解决方法就是分时，即许多用户用各自的终端同时与一台计算机进行通信。控制这一进程的是分时操作系统，它负责组织和安排各个作业。 1967年，塞缪尔(A.L.Samuel)发明了**个下棋程序，开始了人工智能的研究。1968年，荷兰计算机科学家狄杰斯特拉(Edsgar W.Dijkstra)发表了论文《GOTO语句的害处》，指出调试和修改程序的困难与程序中包含GOTO语句的数量成正比，从此，各种结构化程序设计理念逐渐确立起来。 20世纪60年代以来，计算机用于管理的数据规模更为庞大，应用越来越广泛，同时，多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合的要求越来越强烈。为解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用程序服务，出现了数据库技术，以及统一管理数据的软件系统——数据库管理系统DBMS。 随着计算机应用的日益广泛，软件数量急剧膨胀，在计算机软件的开发和维护过程中出现了一系列严重问题，例如，在程序运行时发现的问题必须设法改正； 用户有了新的需求必须相应地修改程序； 硬件或操作系统更新时，通常需要修改程序以适应新的环境。上述种种软件维护工作，以令人吃惊的比例消耗资源，更严重的是，许多程序的个体化特性使得它们*终成为不可维护的，“软件危机”就这样开始出现了。1968年，北大西洋公约组织的计算机科学家在联邦德国召开国际会议，讨论软件危机问题，在这次会议上正式提出并使用了“软件工程”这个名词。 4. 第4代软件(1971—1989年) 20世纪70年代出现了结构化程序设计技术，Pascal语言和Modula2语言都是采用结构化程序设计规则制定的，BASIC这种为第3代计算机设计的语言也被升级为具有结构化的版本，此外，还出现了灵活且功能强大的C语言。 更好用、更强大的操作系统被开发出来了。为IBM PC开发的PCDOS和为兼容机开发的MSDOS都成了微型计算机的标准操作系统，Macintosh计算机的操作系统引入了鼠标的概念和单击式的图形界面，彻底改变了人机交互的方式。 20世纪80年代，随着微电子和数字化声像技术的发展，在计算机应用程序中开始使用图像、声音等多媒体信息，出现了多媒体计算机。多媒体技术的发展使计算机的应用进入了一个新阶段。 这个时期出现了多用途的应用程序，这些应用程序面向没有任何计算机经验的用户。典型的应用程序是电子制表软件、文字处理软件和数据库管理软件。Lotus123是**个商用电子制表软件，WordPerfect是**个商用文字处理软件，dBase Ⅲ是**个实用的数据库管理软件。 5. 第5代软件(1990年至今) 第5代软件中有三个著名事件： 在计算机软件业具有主导地位的Microsoft公司的崛起、面向对象的程序设计方法的出现以及万维网(World Wide Web)的普及。 在这个时期，Microsoft公司的Windows操作系统在PC市场占有显著优势，尽管WordPerfect仍在继续改进，但Microsoft公司的Word成了*常用的文字处理软件。20世纪90年代中期，Microsoft公司将文字处理软件Word、电子制表软件Excel、数据库管理软件Access和其他应用程序绑定在一个程序包中，称为办公自动化软件。 面向对象的程序设计方法*早是在20世纪70年代开始使用的，当时主要是用在Smalltalk语言中。20世纪90年代，面向对象的程序设计逐步代替了结构化程序设计，成为*流行的程序设计技术。面向对象程序设计尤其适用于规模较大、具有高度交互性、反映现实世界中动态内容的应用程序。Java、C++、C#等都是面向对象程序设计语言。 1990年，英国研究员提姆·柏纳李(Tim BernersLee)创建了一个全球Internet文档中心，并创建了一套技术规则和创建格式化文档的HTML，以及能让用户访问全世界站点上信息的浏览器，此时的浏览器还很不成熟，只能显示文本。 软件体系结构从集中式的主机模式转变为分布式的客户/服务器模式(C/S)或浏览/服务器模式(B/S)，专家系统和人工智能软件从实验室走出来进入了实际应用，完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量出现，以及通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机进入了一个大发展的阶段。 在计算机软件的发展史上，需要注意“计算机用户”这个概念的变化。起初，计算机用户和程序员是一体的，程序员编写程序来解决自己或他人的问题，程序的编写者和使用者是同一个(或同一组)人； 在第1代软件末期，编写汇编器等辅助工具的程序员的出现带来了系统程序员和应用程序员的区分，但是，计算机用户仍然是程序员； 20世纪70年代早期，应用程序员使用复杂的软件开发工具编写应用程序，这些应用程序由没有计算机背景的从业人员使用，计算机用户不仅是程序员，还包括使用这些应用软件的非专业人员； 随着微型计算机、计算机游戏、教育软件以及各种界面友好的软件包的出现，许多人成为计算机用户； 万维网的出现，使网上冲浪成为一种娱乐方式，更多的人成为计算机的用户。今天，计算机用户可以是在学习阅读的学龄前儿童，可以是在下载音乐的青少年，可以是在准备毕业论文的大学生，可以是在制定预算的家庭主妇，可以是在安度晚年的退休人员……所有使用计算机的人都是计算机用户。 3.2操作系统 操作系统是现代计算机必不可少的*重要的系统软件，是整个计算机系统的灵魂。操作系统控制和管理着计算机系统的硬件和软件资源，给用户使用计算机提供一个良好的界面，使用户不必了解硬件的细节就可以方便地使用计算机。 3.2.1什么是操作系统 我们把一台没有任何软件设置和支持的计算机称为“裸机”，要让裸机接收用户发出的命令、执行相应的操作是非常困难的， 这是因为二进制不是人类熟悉的语言。而操作系统在硬件之上建立了一个服务体系，