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第4章 電腦軟體 4-1 系統軟體 4-6 排序演算法介紹 4-2 常見作業系統簡介 4-7 程式語言簡介 4-3 應用軟體 4-4 快速學習Linux 4-5 演算法與程式語言 1 4-1 系統軟體 翻譯程式(1) 不同的程式語言必須配置有不同的翻譯程式，也 就是寫好一個原始程式（Source Program），並 儲存檔案後，就交由翻譯程式處理。如下圖所示： 2 翻譯程式(2) 編譯器（Compiler） 是將原始程式區分為數個階段轉換為機器可讀的 可執行檔的目的程式，不過編譯器必須先把原始程 式讀入主記憶體後才可以開始編譯。 當原始程式每修改一次，就必須重新經過編譯器 的編譯過程，才能保持其執行檔為最新的狀況。 經過編譯後所產生的執行檔，在執行中不須要再 翻譯，因此執行效率遠高於直譯程式。 針對程式開發者所使用的程式語言（C++、Java、 C 等）的不同，就必須選擇其相對的編譯器。 3 翻譯程式(3) 直譯器（Intepreter） 在程式執行時，不需要產生目的檔或機器語言， 會先檢查所要執行那一行敘述的語法，如果沒有錯 誤，便直接執行該行程式，如果碰到錯誤就會立刻 中斷，直到錯誤修正之後才能繼續執行。例如 LISP、JavaScript、PROLOG。 4 連結與載入程式 載入程式是將目的程式載入到主記憶體中，並進 行如配置、連結等準備工作。連結程式（Linker） 是載入程式的一種，因為載入電腦的目的碼有時 候可能必須結合其它不同的目的碼才能執行指定 的工作，這些情況就必須透過連結程式將所需資 源連結起來，然後再一起載入到主記憶體內執行。 連結的目的在於解決外部參考的問題，可由連結 程式完成或直接加入載入程式中。當程式變成可 執行檔後，它就是一個獨立的個體，因為連結器 已經將所有需要的函數庫及目的檔連結在一起。 5 巨集處理器 巨集在程式編譯之前會用前置處理程式 （preprocessor）先將巨集展開成沒有巨集前的 樣子後再編譯，當巨集指令撰寫完畢後，一旦我 們要使用它時，只要在主程式中寫上巨集的名稱 即可，而不需要使用呼叫指令來搭配。 6 組譯器 是將組合語言所寫的程式翻成機器碼。 此外它還必須提供給連結器及載入器所需要的資 訊與找到每個變數的地址，至於翻譯出來的機器 碼，則稱為目的程式（Object Program）。 不同的CPU 也會有不同的組譯器，常用的組譯 器有ASM、MASM、TASM，其中以微軟推出的 巨集組譯器（Macro Assembler）MASM 最受歡 迎。 7 作業系統(1) 主要功能分別說明如下： 8 作業系統(2) 人性化操作環境 在早期的使用者操作介面中，幾乎都是以文字型 態為主，稱為「命令列操作介面」（ Commandline interface），此種方式因為不必做圖形運算， 較節省電腦資源。不過對於使用者來說，除了視覺 感受較為單調外，就是必須記憶大量操作指令。 另外一種則是目前最為普遍的「視窗模式操作介 面」 （Graphical userinterface），使用者可選擇 透過滑鼠或鍵盤來操作電腦，此種模式的優點是親 和性較高，不論在視覺、學習與使用上，都能有最 方便舒適的操作環境。 9 作業系統(3) 管理系統資源 10 作業系統(4) 應用軟體執行環境 11 作業系統(5) 網路與系統安全 12 4-2 常見作業系統簡介 MS-DOS MS-DOS 是由美國微軟（Microsoft）公司為了配 合 IBM 當時極力推出的 16 位元個人電腦而設計發 展出來的，由於DOS 是採取命令列介面的方式操 作：是由三個系統檔案（COMMAND.COM、 IO.SYS、MSDOS.SYS）與一些公用程式組合而 成。 13 Windows 3.x Windows 3.X 及其之前版本的作業系統，並不能 夠真正算是一個新的作業系統，因此它只能算是 一種作業環境，因為它的執行核心還是架構在 MS-DOS 作業系統之上，只不過是採用圖形化使 用者介面的方式，來簡化系統的操作程序而已。 14 Windows 95/98/CE/ME/XP/Vista/Windows 7(1) Windows 98 可以說是Windows 95 的新版本， 主要的差別是加強了Web 與Windows 的結合， 並且讓Internet Explorer 4.01 瀏覽器正式與作業 系統結合。 還有支援更多新的硬體裝置與「電源管理」功用， 減少開機關機的時間，且增加娛樂性的新功能等。 至於隨後推出的Windows CE/ME，則進一步讓 家用電腦搖身一變成為家中的多媒體娛樂與設計 中心。 15 Windows 95/98/CE/ME/XP/Vista/Windows 7(2) Windows XP 則是以Windows 2000 為基礎，具 有32 位元的運算架構以及完整保護的記憶體模型， 並提供更多的硬體裝置驅動程式與完整帳號管理 的功能。 直到2007 年初，再度推出了Vista 作業系統，強 調炫麗的多煤體效果與更嚴謹的安全性改良，並 增強了桌面搜尋與組織功能，可協助您在 Windows Vista 的任何位置找到電腦中的任何檔 案或電子郵件。 16 Windows 95/98/CE/ME/XP/Vista/Windows 7(3) 於2009 年10 月又再度推出了Windows 7，其中 納入多點觸控技術的系統， 如果將Windows 7 裝在有觸控式螢幕的電腦上， 操作者就可以使用手指在觸控式螢幕上移動，輕 鬆地瀏覽線上電子書或相簿或移動檔案和資料夾。 17 Windows NT/2000/Server 2003/Server 2008(1) 1993 年推出第一款的Windows NT 3.1 版本，不 過似乎在執行效能上並不出色，直到 Windows NT 4.0 推出，不論在穩定性、安全性及執行效率 上，都遠遠超越了Windows95/98，是一套真正的 32 位元多人多工作業系統。 Windows 2000 可視為新一代的Windows NT 型 作業系統，具有網域管理、單機作業、負載平衡 功能、系統安全性高並支援多重平台所設計的作 業系統，因此常被用在網路的主從式架構及單機 作業系統。 18 Windows NT/2000/Server 2003/Server 2008(2) Windows Server 2003 是針對企業伺服器的強大 需求，而對Windows 2000伺服器加以改良，使用 較少資源處理更多工作，並加強安全性、可靠性、 安全性和可調整性等。 Windows Server 2008 是微軟最新的伺服器作業 系統，它繼承了Windows Server2003。Windows Server 2008 支持64bit 及32bit 的處理器，也是該 公司最後一個支持32bit 的伺服器作業系統。全新 的 Windows Server 2008 針對企業加入了許多強 大的功能，包含功能強大的 IIS 7.0、全新的終端 機服務及網路存取保護等。 19 Mac OS Mac OS 是蘋果電腦（Apple Computer）的麥金 塔（Macintosh）採用的作業系統，也是最早使用 「圖形化使用者介面」（Graphic User Interface, GUI）的作業系統，不但使用上相當方便，而且 穩定性極高。 版本Mac OS X Tiger ，擁有光鮮亮麗的外觀提 供使用者充份的視覺享受。並且建立在一個穩定 的基礎上，提供全新桌面搜尋技術，還擁有號稱 世上最快的 Mac 專用網頁瀏覽器- Safari，及具 備 Spotlight 搜尋技術來立即準確地找出與寄送電 子郵件。 20 Unix/Linux UNIX 發展初期是使用文字介面操作，對一般使 用者的入門障礙很高，但自1984 年X Window 的 出現，UNIX 的親合性開始提高，後來發展出所 謂「Unix-Like」家族，都是由UNIX 演變而來。 Linux 只是作業系統的核心（Kernel），主要功 能包括行程（process）、記憶體管理、硬體協調 與網路控管等等。由於Linux 是完全採用「開放 原始碼」（Open Source Code），不但完全免費， 而且可以允許任意修改及拷貝，因此衍生出各種 不同「整合套件」（Distribution），例如 Fedora、 Red Hat、Slackware、BluePoint、Mandrake 等。 21 嵌入式系統 Windows CE：Windows CE 則是Microsoft 為 可攜式裝置設計的嵌入式作業系統，還可以執行 精簡版的Word、Excel 等軟體。 Pocket PS OS：Pocket PS OS 是Microsoft 專 為小型手持式電腦設計的專用作業系統，這類設 備的目標市場是商務型客戶，而非一般消費者。 Palm OS：Palm OS 是手持設備中相當受歡迎的 一種作業系統，無論在挑選相關軟硬體時，使用 者可選擇的空間就非常大了。 22 4-3 應用軟體 文書處理軟體與試算表軟體 要製作或閱讀各類文件（如表格、書面資料、文 章、卡片等）都用得到文書處理軟體，也是電腦族 日常生活中最經常使用的應用軟體，例如微軟的 Word 2007。 而試算表軟體則是一套用來統計資料、排序與製 作相關圖表的軟體，您可以利用它來算帳、製作資 產負債表、損益表與學校成績統計工作，例如微軟 的Excel2007。 續下頁 23 24 簡報製作軟體與資料庫軟體 如果想要製作一份高質素的專業簡報，有了簡報 製作軟體，不但設計與製作可以自行包辦，還增 加了許多相當實用的互動多媒體功能，直接在 Internet 上呈現。例如微軟的PowerPoint 2007 就 是簡報製作專家。 目前市面上最知名的資料庫軟體是微軟的Access， 屬於一種關聯式資料庫管理系統（Relational Database Management System, RDMS），可以 提供使用者許多現成的範本資料來自行製作資料 庫管理系統。 續下頁 25 26 點矩陣繪圖軟體與向量繪圖軟體 Adobe 出品的2D 點矩陣影像處理軟體－ Photoshop 可將各種影像分層重疊，並且圖層間 可做出各種的變化、格式轉換、影像掃描等，適 合各種影像特效合成。 CorelDraw 則是以向量繪圖為主，不但具有圖層 編輯、立體式修飾斜邊、多樣色彩樣式等功能， 新版的CorelDraw X3 還多了Office 影像格式輸出、 動態輔助線、智慧型繪圖工具等新增功能。 續下頁 27 28 影像處理軟體與3D 動畫製作軟體 由友立資訊所研發的PhotoImpact 影像處理軟體， 內附許多套裝的修飾效果，可供使用者選擇，可 以快速達到影像處理的需求，非常方便。另外還 附帶了安裝Album 與GIF Animator，Album 的功 能是在於影像的管理；而GIF Animator 則是製作 動畫影像的軟體。 而3D MAX 是目前最受歡迎的3D 繪圖及動畫設 計的工具之一，與大部分的3D 軟體一樣，3D studio MAX 提供了模型製作、燈光特效、材質設 定、著色輸出、分子系統等功能，使用者可以在 軟體內建構出自己的人物以及場景。 續下頁 29 30 4-4 快速學習Linux Linux 相關功能簡介 多人多工系統：Linux 提供動態優先多工 （preemptive multitasking）處理模式，具有優異 的硬體資源與多工處理能力，可確保程式平順地執 行，並公平的分配使用者與應用程式共享資源。 圖形化整合介面：使用由XFree86 所發展出來的X Window 圖形化使用者介面，由多種視窗管理程式 及搭配桌面環境介面所組合而成。 優秀的網路能力：Linux 內建TCP/IP、FTP、PPP、 SLIP 等通訊協定，對於網路上所要求的功能可以 輕易地達成。 31 升級容易：由於Linux 的核心以及套件的原始碼都 是公開，所以只要能夠遵守GPL 的規定，每個人 都可以參與程式修改與創作。 多CPU 電腦系統：多CPU 電腦系統可分為「平行 式」和「分散式」兩種，而Linux 能充份發揮支援 多CPU 電腦系統的效能。 32 X Windows 簡介(1) 視窗環境：雖然X Window 提供了所有Unix 系統 一個圖形化指令的作業環境，但它僅僅是規範出 視窗與作業系統間的溝通方式，並未定義出任何 與使用者間的互動方法。 因此在Unix 與Linux 上，便產生了多種不同的 「視窗管理程式」與「桌面作業環境」，來針對 各種不同使用者的需求，達成使用者與X Window 之間互相溝通的工作。 33 X Windows 簡介(2) 桌面作業環境：目前在Linux 作業系統中，最常 見到的桌面作業環境有以下兩種。 第一種GNOME 為Fedora Core Linux 所預設的桌 面環境，這個桌面在配置上與微軟的Windows 作 業系統有部分雷同的地方，例如桌面圖示、捷徑圖 示、工作列、開始程式選單等。 第二種則為KDE 桌面，不同於GNOME 桌面，有 專屬的視窗管理程式、檔案管理員與網路工具程式 等等，因此在外觀上相當迷人。由於不同的桌面環 境都有其風格與特性，完全取決於使用者的操作習 慣性與便利性而定。另外在此版Linux 中， GNOME 與KDE 兩個桌面環境在外觀上已經非常 相似，甚至也可以在GNOME 桌面環境中使用KDE 中的程式或應用軟體。 續下頁 34 35 Linux 常用指令與功能說明 36 4-5 演算法與程式語言 演算法定義 到底什麼是「演算法」呢？在韋氏辭典中定義為： 「在有限步驟內解決數學問題的程序。」如果運用 在計算機領域中，我們可以把演算法定義成：「為 了解決某一個工作或問題，所需要有限數目的機械 性或重覆性指令與計算步驟。」 37 演算法特性 38 演算法表示方式 1.一般文字敘述：中文、英文、數字等。文字敘 述法的特色在使用文字或語言敘述來說明演算步 驟。例如請您輸入一個數值，並判別是奇數或偶 數。 2.虛擬語言（Pseudo-Language）：接近高階程 式語言的寫法，經常使用的有SPARKS、 PASCAL-LIKE 等語言。 3. 表格或圖形：如陣列、樹狀圖、矩陣圖等。 4. 流程圖：流程圖（ Flow Diagram） 算是一種 通用的表示法，也有的圖型符號。 39 5. 程序語言：目前演算法也能夠直解以可讀性高 的高階語言來表示，例如VisualBasic 語言、C 語 言、C++ 語言、Java 語言。 40 4-6 排序演算法介紹 氣泡排序法(1) 由小到大排序： 第一次掃瞄會先拿第一個元素6 和第二個元素4 作比較，如果 第二個元素小於第一個元素，則作交換的動作。接著拿6 和9 作比較，就這樣一直比較並交換，到第5 次比較完後即可確定 最大值在陣列的最後面。 41 氣泡排序法(2) 第二次掃瞄亦從頭比較起，但因最後一個元素在 第一次掃瞄就已確定是陣列最大值，故只需比較4 次即可把剩餘陣列元素的最大值排到剩餘陣列的 最後面。 42 由此可知5 個元素的氣泡排序法必須執行5-1 次 掃瞄，第一次掃瞄需比較5-1 次，共比較 4+3+2+1=10 次。 43 選擇排序法(1) 以下排序我們仍然利用 6、4、9、8、3 數列的由 小到大排序過程，來說明選擇排序法的演算流程。 首先找到此數列中最小值後與第一個元素交換。 44 選擇排序法(2) 接著從第二個值找起，找到此數列中列中（不包 含第一個）的最小值，再和第二個值交換。 45 接著從第接三個值找起，找到此數列中列中（不 包含第一、二個）的最小值，再和第三個值交換。 46 最後從第接四個值找起，找到此數列中列中（不 包含第一、二、三個）的最小值，再和第四個值 交換，則此排序完成。 47 4-7 程式語言簡介 機械語言 機械語言（Machine Language）是由1 和0 兩種 符號構成，是最早期的程式語言，也是電腦能夠直 接閱讀與執行的基本語言，也就是任何程式或語言 在執行前都必須被轉換為機械語言。例如 「10111001」代表「設定變數A」，而 「00000010」代表「數值2」。當指示電腦將變數 A 設定為數值2 時，語言寫法為： 10111001（ 設定變數A） 00000010（ 將A 設定為數值2） 48 組合語言 是一種介於高階語言及機械語言間的符號語言， 比起機械語言來說，組合語言要易編寫和學習。 機械語言0 和1 的符號定義為「指令」 （statement）是由運算元和運算碼組合而成，只 可以在特定機型上執行，不同CPU 要使用不同的 組合語言。例如MOV 指令代表設定變數內容、 ADD 指令代表的四則運算的加法、SUB 指令代 表四則運算的減法，可如下所示： MOV A , 2 （ 變數A 的數值內容為2） ADD A , 2 （ 將變數A 加上2 後，將結果再存回變 數A 中，如A=A+2） SUB A , 2 （ 將變數A 減掉2 後，將結果再存回變 數A 中，如A=A-2） 49 高階語言 是相當接近人類使用語言的程式語言，雖然執行 較慢，但語言本身易學易用，因此被廣泛應用在 商業、科學、教學、軍事等相關的軟體開發上。 它的特點是必須經過編譯（Compile）或解譯 （Interprete）的過程，才能轉換成機器語言碼。 所謂編譯，是使用編譯器來將程式碼翻譯為目的 程式（object code） 。 例如：C、C++、VISUAL C++、FORTRAN 等 語言都是使用編譯的方法。至於解譯則是利用解 譯器（Interpreter）來對高階語言的原始程式碼做 逐行解譯，所以執行速度較慢，例如Basic、LISP、 Prolog 等語言皆使用解譯的方法。 50 非程序性語言 也稱為第四代語言，特點是它的敘述和程式與真 正的執行步驟沒有關連。程式設計者只須將自己 打算做什麼表示出來即可，而不須去理解電腦是 如何執行的。資料庫的結構化查詢語言 （Structural Query Language，簡稱SQL）就是 第四代語言的一個頗具代表性的例子。 51 人工智慧語言 稱為第五代語言，或稱為自然語言，其特性宛如 和另一個人對話一般。因為自然語言使用者口音、 使用環境、語言本身的特性（如一詞多義）都會 造成電腦在解讀時產生不同的結果與自然語言辨 識上的困難度。因此自然語言的發展必須搭配人 工智慧（Artificial Intelligence：AI）來進行。 52 常見程式語言簡介(1) C 語言 C 語言稱得上是介於高階語言與低階語言之間的 中階語言（middle-level language），它在組合語 言與高階語言間取得了一個平衡的位置，有高階語 言的結構化語法也有組合語言的高效率表現。 C++ 語言 C++ 並不是一套絕對的物件導向語言。但由於 C++ 以C 語言為基礎平台，因此除了保有全部C 語言的優點外，更與C 語言相容，使得大部份在C 語言上所撰寫的程式碼，C++ 仍然可以繼續使用。 53 常見程式語言簡介(2) Visual Basic 語言 由於Visual Basic 是以BASIC 為基礎所開發出來 的語言環境，因此它包含了BASIC 語言的原有優 點，如直譯式、模組化與結構化、多工處理模式。 Java 語言 Java 程式語言現在正逐漸地取代C/C++ 語言，成 為熱門的開發語言之一。雖然Java 是搭上網際網 路的便車，在短短幾年內風行全球，但是不可否認 它所具備的一些優良特性，也正是各界使用者會重 視它的主要原因，因為它包含了以下的優點，如簡 單性、跨平台、直譯式、分散式與多執行緒 （Multi-thread）等。 54 本章結束 Q&A討論時間 55