计算机软件

1软件概述

• 程序：用程序设计语言描述的、适合计算机执行的指令（语句）序列，告诉计算机"做什么"和"怎么做"。
• 数据：程序处理的对象，包括输入数据和运行所需的初始化数据。
• 文档：与程序开发、维护和使用有关的图文资料，如需求说明书、用户手册等。

1.1 硬件与软件的关系

硬件是软件运行的物质基础，软件指挥硬件完成任务，二者缺一不可。没有软件的计算机称为"裸机"， 裸机上只能运行机器语言，几乎无法使用；正是一层层软件的封装，才形成了易用的计算机系统。

软件运行于裸机之上形成层次：裸机 → 操作系统 → 语言处理程序/数据库管理系统等系统软件 → 应用软件。 下层为上层提供服务，上层不必了解下层的硬件细节。

1.2 软件的分类

2系统软件

系统软件是控制和协调计算机及外部设备、支持应用软件开发和运行的一类软件， 它使计算机的各种资源得到充分利用，并为用户提供方便的使用环境。主要包括：

3操作系统概述

3.1 操作系统的作用

• 资源管理者：管理 CPU、内存、文件、设备，使多道程序能共享并有序使用资源。
• 用户与硬件之间的接口：用户通过命令行、图形界面或系统调用使用计算机，无需直接操作硬件。
• 虚拟机/扩展机：在裸机上提供文件、进程等好用的抽象，把难用的硬件封装成友好的服务。

3.2 操作系统的分类

3.3 常见操作系统

• Windows：微软出品，桌面市场占有率最高，软件生态丰富（Windows 10/11）。
• macOS：苹果电脑专用，基于 UNIX，界面精美、与苹果生态联动好。
• Linux：开源免费、稳定安全、可定制，广泛用于服务器、嵌入式和超算；发行版有 Ubuntu、CentOS、Debian 等。国产操作系统如统信 UOS、麒麟均基于 Linux。
• UNIX：历史悠久的多用户多任务系统，是 Linux/macOS 的技术源头。
• 移动操作系统：Google Android（基于 Linux 内核）、Apple iOS、华为 HarmonyOS 鸿蒙。

4操作系统的五大管理功能

从资源管理角度，操作系统具有处理器（进程）管理、存储器管理、文件管理、设备管理、作业管理五大功能。

4.1 处理器管理（进程管理）

在多任务系统中，操作系统把 CPU 时间合理分配给各个程序：

• 进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位；程序是静态的，进程是动态的、有生命周期的。
• 线程是进程内的执行单元，一个进程可含多个线程，线程是 CPU 调度的基本单位，同进程内线程共享资源。
• 进程三态：就绪态、运行态、阻塞（等待）态，在调度程序控制下相互转换。
• 常用调度算法：先来先服务（FCFS）、短作业优先、时间片轮转、优先级调度。
• 死锁：多个进程互相等待对方占有的资源而无限僵持；产生死锁需同时具备互斥、占有且等待、不可剥夺、循环等待四个必要条件。

4.2 存储器管理（内存管理）

• 内存分配与回收：为每个程序分配内存空间，结束后及时回收。
• 地址映射：把程序中的逻辑地址转换为内存中的物理地址。
• 内存保护：保证各程序只能访问自己的空间，互不干扰。
• 虚拟内存：结合磁盘扩"大"内存，基于请求分页/分段和页面置换算法（如 LRU 最近最久未用）。
• 内存管理方案经历了：单一连续分配 → 分区 → 分段、分页、段页式管理。

4.3 文件管理

操作系统以文件为单位管理外存上的信息，并以树形目录（文件夹）组织文件，提供建立、删除、读写、复制、检索等操作。 文件管理还负责文件存储空间管理、文件共享与保护。常见文件系统有 FAT32、NTFS（Windows）、ext4（Linux）、APFS（macOS）。

D:\
└── 学习资料\
    ├── 计算机导论\
    │   ├── 第一章-硬件.pptx
    │   └── 复习笔记.docx
    └── 程序设计\
        └── hello.c
  ↑ 树形目录结构：路径唯一标识一个文件

4.4 设备管理

负责管理各类 I/O 设备：通过设备驱动程序驱动硬件，利用缓冲技术、SPOOLing（假脱机）技术、中断技术、DMA 缓解高速 CPU 与慢速外设之间的速度矛盾，提高 CPU 与设备的并行程度。

4.5 作业管理

作业是用户提交给系统的一个完整任务（程序+数据+处理步骤）。作业管理负责作业的组织、调度与控制， 提供命令接口（命令行）与程序接口（系统调用 API）。

5应用软件

应用软件是为特定应用目的、在系统软件支持下开发的程序，直接面向最终用户。种类繁多，常见分类如下：

应用软件的形态也从早期的单机软件发展到网络应用、移动 App、小程序、SaaS 云应用（如在线文档、腾讯会议）， 用户无需安装，通过浏览器即可使用。

6程序设计语言

程序设计语言是人与计算机交流、描述解题步骤的工具。其发展经历了三代（也有"四代语言"说法）：

机器语言和汇编语言统称为低级语言（这里"低级"指更接近硬件，并非"落后"）。汇编语言示例：

; 计算 3 + 5（x86 汇编，用助记符书写）
MOV  AX, 3      ; 把 3 送入 AX 寄存器
ADD  AX, 5      ; AX = AX + 5
HLT               ; 停机

6.1 高级语言的执行方式

高级语言程序必须翻译成机器语言才能执行，翻译方式分为编译型与解释型：

7语言处理程序

语言处理程序是把一种语言书写的程序（源程序）翻译成另一种语言程序（目标程序）的系统软件。具体包括：

• 汇编程序（汇编器）：把汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序。
• 编译程序（编译器）：把高级语言源程序整个翻译成机器语言（或汇编）目标程序。
• 解释程序（解释器）：对源程序逐句解释执行，不产生保存的目标程序。

7.1 编译的五个阶段

1. 词法分析：把字符流切分为一个个单词符号（关键字、标识符、常数、运算符）。
2. 语法分析：根据语法规则把单词组成各类语法成分（表达式、语句、函数），生成语法树。
3. 语义分析与中间代码生成：检查类型等语义错误，生成介于源语言和机器语言之间的中间代码。
4. 代码优化：对中间代码进行等价变换，使目标程序运行更快、占用更少。
5. 目标代码生成：把优化后的中间代码转换为特定机器的机器语言或汇编代码。

全过程还有符号表管理与出错处理贯穿其中。链接器再把目标文件与库函数链接成最终可执行文件。

源程序.c → [词法→语法→语义→优化→代码生成] → 目标程序.obj → 链接 → a.exe
                        编译阶段（compiler）                 链接器

8软件知识产权

软件是知识密集型产品，受法律保护。与软件相关的知识产权主要包括著作权（版权）、专利权、商标权和商业秘密。

8.1 软件著作权

• 软件开发者对其开发的软件依法享有发表权、署名权、修改权、复制权、发行权、信息网络传播权等专有权利。
• 我国《计算机软件保护条例》规定：软件著作权自软件开发完成之日起自动产生（自动保护原则），不以登记为前提，但登记有助于举证。
• 保护期：自然人的软件为终生及其死亡后 50 年；法人作品一般为首次发表后 50 年。

8.2 软件的授权方式

8.3 常见开源协议

开源不等于"无任何限制"。常见协议：MIT（限制最少，几乎可任意使用）、Apache 2.0（宽松且含专利授权条款）、 GPL（具有"传染性"：修改后再分发必须同样开源，如 Linux 内核）、BSD（宽松）等。