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1、2.1 计算机中数据的表示与运算2.2 计算机系统的组成2.3 计算机的工作原理2.4 微型计算机系统的组成2.5 微型计算机的组装与选购,第2章 计算机系统的组成与工作原理,2.1.1 数制及不同数制间数据的转换1进位记数制 按进位的原则进行计数的方法称为进位计数制，其中所用的表记符号的个数称为该进位计数制的基数（Radix），而数制中每一数字位置上对应的固定值称为权值（Weight Value）。任意一个r进制数N可表示为：,2.1 计算机中数据的表示与运算,2二进制二进制（Binary System）只有0和1两个表记符号，其进位的基数是2，遵循“逢二进一”的进位规则。在计算机中采用二进
2、制数表示数据，主要原因在于：二进制在物理上最容易实现。运算规则简单。,3二进制数与十进制数的转换（1）将二进制数转换成十进制数一个二进制数按其权（权值用十进制表示）展开求和，即可得相应的十进制数。推广一下，将r进制数按权展开后，再求和，所得结果即为这个r进制数所对应的十进制数。,（2）将十进制数转换成二进制数十进制整数部分的转换采用除2取余法。用十进制数整数部分除以2，余数作为相应二进制数整数部分的最低位；用上一步的商再除以2，余数作为二进制数的次低位；一直除到商为0，最后一步的余数作为二进制数的最高位。,十进制小数部分的转换采用乘2取整法：十进制小数部分乘以2，积的整数部分为相应二进制数小数
3、部分的最高位；用上一步积的小数部分再乘2，同样取积的整数部分作为相应二进制数小数部分的次高位；一直乘到积的小数部分为0或达到所要求的精度为止。同样道理，当将十进制数转换成r进制数时，整数部分用除r取余数处理，小数部分则用乘r取整来处理。,4八进制与十六进制八进制数与二进制数的转换很容易，每一位八进制数写成对应的3位二进制数即完成八进制数到二进制数的转换。从整数部分的低位到高位以及从小数部分的高位到低位每3位二进制数写成对应的一位八进制数即完成二进制数到八进制数的转换。,十六进制数与二进制数的转换同样很容易，每一位十六进制数写成对应的4位二进制数即完成十六进制数到二进制数的转换。从整数部分的低位
4、到高位以及从小数部分的高位到低位每4位二进制数写成对应的一位十六进制数即完成二进制数到十六进制数的转换。,2.1.2 计算机内部数据的表示方法1数值数据的表示方法（1）数据度量单位一个二进制位称为位（Bit），8个二进制位组成一个字节（Byte），更大的度量单位是：KB、MB、GB、TB等。1KB=1024字节 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB计算机信息处理的最小单位是位，而计算机数据存储的基本单位是字节。,（2）带符号数的表示在计算机中，一般用数值数据的最高位（最左边一位）来表示数的符号，约定用0表示正，用1表示负。带符号数在计算机内可以使用原码、反码和补码3
5、种表示方法。原码。假设使用8位二进制表示一个数，最高位表示数的符号，其余7位表示数值部分。,反码。正数的反码与原码相同，负数的反码是在原码的基础上按位取反。补码。正数的补码与原码相同，负数的补码是在原码的基础上按位取反后，最后位加1。引入补码概念后，加法、减法都可用加法实现。因此，现代计算机多采用补码运算。,（3）定点数和浮点数前面讨论的带符号数的3种表示方法只能表示单纯整数或小数，被认为是数的定点表示法。在计算机中，参与运算的数一般是实数，既有整数部分又有小数部分，为了表示实数，使用数的浮点表示方法。,（4）数值编码用二进制编码来表示一个数值数据就称为数值编码，也称为二十进制码，简称BCD（
6、Binary Coded Decimal）码。这种编码的特点是保留了十进制的权，而数字则用0和1的组合来表示。常见的BCD码是8421码，它是用4位二进制数表示1位十进制数字，既具有二进制的形式，又具有十进制的特点。4位二进制数中的每一位从左到右的权分别为8、4、2、1，数字09的8421码为0000、0001、0010、1001。,2字符数据的表示方法（1）ASCII码字符数据在计算机内也是用二进制形式表示的，目前普遍采用ASCII码，即美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange）。ASCII码字符用8位二进制表示
7、，但只用低7位，共表示27=128个字符，编码从0至127（称为ASCII码基本集），其中包括32个控制字符、09共10个数字、52个大小写英文字母，其他为专用字符。,（2）汉字编码汉字编码包括汉字内码、汉字输入编码（外码）和输出编码（字模）3个主要内容。汉字内码汉字内码是汉字在计算机内的的存储表示。汉字数量庞大，只能选取部分汉字用于计算机汉字信息处理。我国于1981年颁布了国家标准GB2312-80，其中收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。,汉字国标码、区位码及内码的转换关系是：国标码高字节=区号（用十六进制）20H国标码低字节=位号（用十六进制）20H内码高字节=国
8、标码高字节80H内码低字节=国标码低字节80H,GB2312-80支持的汉字太少，我国对汉字编码字符集进行了扩充。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号，它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。2000年的GB18030是取代GBK1.0的正式国家标准。该标准收录了27484个汉字，同时还收录了藏文、蒙文、维吾尔文等主要的少数民族文字。现在Windows平台必须支持GB18030编码。按照GBK18030、GBK、GB2312的顺序，3种编码是向下兼容的，同一个汉字在3个编码方案中采用相同的编码。,随着信息交换的需求越来越大，对信息编码的要求也越来越高。国际标
9、准化组织（ISO）在20世纪90年代初制定了一种字符编码方案Unicode，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换和处理的要求。目前，许多操作系统、语言工具都支持Unicode标准。,汉字输入编码（外码）区位码拼音输入编码字形输入编码汉字输出编码把某一个汉字当作一幅平面图画，分别从纵、横两个方向等距离在画上作n-1条直线，这样就把该幅画分成nn小方块，会发现有的小方块内有汉字的笔画，有的则没有。这就是一幅数值化了的图形。所有汉字的字模的集合称为字库。对于用1616点阵字模组成的字库需要大约220KB存储容量。汉字字模在字库中的位置按汉字内码升序
10、存入字库中。,2.1.3 计算机中的数据运算二进制数之间可执行算术运算与逻辑运算，其运算规则与十进制数类似，但因二进制数只有0和1两个数字符号，故比十进制数要简单得多。1二进制数的算术运算（1）加法运算二进制数的加法规则：0+00，0+1=1+0=1，1+110（向高位产生进位）。（2）减法运算二进制数的减法规则：0-0=0，0-1=1（向高位借位1次），1-0=1，1-1=0。（3）乘法运算二进制的乘法规则为：00=0，01=0，10=0，11=1。从乘法规则可知，只有当两个1相乘时，其积才为1，其他情况下乘积均为0。（4）除法运算二进制除法运算与十进制除法类似，也由减法、上商等操作逐步完成
11、。,2二进制数的逻辑运算（1）与运算与运算又称逻辑乘，通常用或表示。运算规则为按位进行与运算，若进行与操作的两位均为1，则结果为1；两位中有一位为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=0，10=0，11=1。（2）或运算或运算又称逻辑加，通常用或+表示。运算规则是按位进行或运算，若进行或操作的两位中有一位为1，则结果为1；两位均为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=1，10=1，11=1。,（3）非运算非运算实现对单个逻辑值的处理，也称为逻辑取反操作，通常用表示。（4）异或运算上述与、或、非运算是3种最基本的逻辑操作，用它们可组合出任何逻辑功能。有时还要用到异或运算，通常用表示。
12、其规则为按位进行异或运算，若进行异或操作的两位不相同时，则结果为1；两位相同时，则结果为0。具体规则是：00=0，01=1，10=1，11=0。,2.2.1 计算机硬件系统计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。根据存储器和CPU的关系，存储器又分为内存储器和外存储器两类。将CPU和内存储器合称为主机，将输入设备、输出设备和外存储器称为外部设备。,2.2 计算机系统的组成,1输入设备和输出设备输入设备接收用户提交给计算机的程序、数据及其他各种信息，并把它们转换成计算机能够识别的
13、二进制代码，送给内存储器。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪等。输出设备是把计算机的处理结果用人们能识别的数字、字符、图形、曲线、表格等形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁盘等外存储器既可作为输入设备，又可作为输出设备。,2存储器存储器是用于存放原始数据、程序以及计算机运算结果的部件。存储器被划分成许多存储单元，每个存储单元可以存放一个数据或一条指令。为了能够按指定的位置进行存取，必须给每个存储单元编号，这个编号就称为存储单元的地址。地址与存储单元一一对应，每一个存储单元都规定了一个唯一的地址。要访问某一存储单元（向存储单元写入数据或从存储单元中读出数据），要给出这个存储单
14、元的地址。内存储器用来存放当前需要处理的原始数据及需要运行的程序，CPU可直接对它进行访问。,现代计算机的内存普遍采用了半导体存储器，根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）两种。RAM的特点是：用户既可以从中读出信息，又可以将信息写入其中；断电后RAM中所存储的信息将全部丢失。ROM的特点是：用户只能从中读出信息，不能将信息写入其中；断电以后，ROM中所存储的信息不会丢失。外存储器用来存放当前暂不需要处理的原始数据及不需要运行的程序，不能被 CPU 直接访问，外存储器的数据
15、只有先调入内存才能被 CPU 访问。常见的外存有磁盘、光盘（Compact Disk Read Only Memory，CD-ROM）等，它们都必须通过各自的驱动器才能进行读写操作。,3控制器控制器是整个计算机的控制中心，它按照从内存储器中取出的指令，向其他部件发出控制信号，使计算机各部件协调一致地工作，另一方面它又不停地接收由各部件传来的反馈信息，并分析这些信息，决定下一步的操作，如此反复，直到程序运行结束。,4运算器运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），它接受由内存送到的二进制数据并对其进行算术运算和逻辑运算。运算器在控制器的作用下实现其功能。除了完
16、成算术运算和逻辑运算外，它也要完成数据的传送。被加工的数据，大多预先存放在寄存器中或存储器中。在一系列控制信号作用下，数据成队地被送往加法器，完成运算后，在控制信号作用下，再传送到寄存器或内存单元中保存起来。,2.2.2 计算机软件系统按软件的功能来分，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件又可分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。,1系统软件系统软件是在硬件基础上对硬件功能的扩充与完善，其功能主要是控制和管理计算机的硬件资源、软件资源和数据资源，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能，为用户使用计算机系统提供方便。,（1）操作系统操作系统（Operating S
17、ystem，OS）是为了控制和管理计算机的各种资源，以充分发挥计算机系统的工作效率和方便用户使用计算机而配置的一种系统软件。操作系统是直接运行在计算机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，任何计算机都必须配置操作系统。,（2）语言处理程序程序设计语言是人们为了描述解题步骤（即编程序）而设计的一种具有语法语义描述的记号。按其发展分为机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言程序能被计算机直接识别并执行，但用汇编语言或高级语言编写的程序要经过翻译以后才能被计算机执行，这种翻译程序称为语言处理程序，包括汇编程序、解释程序和编译程序。,（3）数据库管理系统数据库管理系统（Database Managem
18、ent System，DBMS）是指提供各种数据管理服务的计算机软件系统，这种服务包括数据对象定义、数据存储与备份、数据访问与更新、数据统计与分析、数据安全保护、数据库运行管理以及数据库建立和维护等。,（4）支撑软件支撑软件是用于支持软件开发、调试和维护的软件，可帮助程序员快速、准确、有效地进行软件研发、管理和评测。,2应用软件应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用要求而开发的软件。应用软件可以拓宽计算机系统的应用领域，扩大硬件的功能，又可以根据应用的不同领域和不同功能划分为若干子类，例如，财务软件、办公软件、CAD软件等。,2.2.3 计算机硬件和软件之间的关系计算机系统包括硬件和软件
19、两大部分，其组成如图所示。,2.3.1 指令和程序一条指令对应着一种基本操作。一个计算机能执行什么样的指令，有多少条指令，这是由设计人员在设计计算机时决定的。计算机所能直接执行的全部指令，就是计算机的指令系统（Instruction Set）。以二进制编码表示的指令叫机器指令，它通常包括操作码和操作数两大部分，操作码表示计算机执行什么操作，操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址。因为计算机只认识二进制数，所以计算机指令系统中的所有指令都必须以二进制编码的形式来表示。,2.3 计算机的工作原理,2.3.2 指令的执行过程计算机的工作原理可以概括为存储程序和程序控制。以指令070740H的
20、执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令070740H的功能是取0740H存储单元内的数据与累加器中的数据相加，并将求和结果仍然存储在累加器中。下图反映了指令的执行过程。,2.4.1 微型计算机的基本结构从系统结构看，微型计算机是将运算器和控制器集成在一个芯片上组成微处理器。所以微型计算机和通用计算机没有本质上的区别，其主要不同点是微型计算机广泛采用了集成度相当高的器件以及采用了独特的总线（Bus）结构。总线为CPU和其他部件之间提供信息传输通道，包括数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）。,2.4 微型计算机系统
21、的组成,2.4.2 微型计算机的硬件组成从外观上看，一台微型计算机由主机箱、显示器、键盘和鼠标组成，有时还配有打印机、扫描仪等其他外部设备，而且一些新型外部设备还在不断涌现。在主机箱内，有主板、总线扩展槽和输入输出接口（显示适配卡、声卡、网卡等）、CPU、内存储器、外存储器等部件。,1CPUCPU是由控制器、运算器和内部总线组成的微处理器，是微型计算机的核心器件。CPU的主要功能是控制指令的执行顺序和操作，对数据进行算术运算或逻辑运算并控制数据在各部件之间传递。,2内存储器（1）RAMRAM是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要先装入RAM中。根据制造原理不同，RAM可分为静态RAM
22、（Static RAM，SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）。微型计算机的内存储器都是以内存条的形式插于主板上。（2）ROM在微型计算机中，ROM主要用于存放系统的引导程序、诊断程序等。目前常用的只读存储器有可擦除和可编程的ROM（Erasable Programmable ROM，EPROM）、电可擦除可编程的ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）和闪速存储器（Flash Memory）等类型。,（3）Cache为了解决内存与CPU工作速度上的矛盾，在CPU和内存之间增设一级容量不大，但速度很高的高速缓冲存储
23、器（Cache）。Cache中存放常用的程序和数据，当CPU访问这些程序和数据时，首先从高速缓存中查找，如果所需程序和数据不在Cache中，则到内存中读取数据，同时将数据回写入Cache中。因此，采用Cache可以提高系统的运行速度。Cache通常由静态存储器（SRAM）构成。,3主板与主板芯片组主板又叫主机板（Mainboard）、系统板（Systembourd）或母板（Motherboard），它是微型计算机的核心连接部件。主板的核心是主板芯片组，它决定了主板的规格和性能。主板芯片组通常包含南桥芯片和北桥芯片。目前市场上主板种类繁多，生产厂家亦很多，在选择时应考虑其可靠性、稳定性、可扩展性
24、、性能价格比以及所使用的主板芯片组。,4系统总线系统总线包括集成在CPU内的内部总线和外部总线。外部总线同样包括数据总线、地址总线和控制总线。数据总线是CPU与输入/输出设备交换数据的双向总线，64位计算机的数据总线有64根数据线。地址总线是CPU发出指定存储器地址的单向总线。控制总线是CPU向存储器或外设发出的控制信息的信号线，也可能是存储器或某外设向CPU发出的响应信号线，系双向总线。从总线标准的发展过程来看，微型计算机先后采用了XT总线、ISA总线、EISA总线、VL总线和PCI总线等。,5输入输出接口（1）USB接口USB（Universal Serial Bus）接口是一种新型的连接
25、外部设备的通用接口。它是在1994年由底Compaq、IBM、Microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。（2）IEEE 1394接口IEEE 1394是一种串行接口标准。通过它可以把各种外部设备连接起来，可以认为它是一种外部总线标准。IEEE 1394初始是运行在Apple Mac计算机上的Fire Wire（火线），后由IEEE重新规范用于PC。这种接口有比USB更强的性能，传输速度更高，主要用于主机与硬盘、打印机、扫描仪、数码摄像机、视频电话等。目前只有极少数主板上集成了这种接口。,6外存储器目前常用的外存储器有硬盘（Hard disk）、光盘（C
26、D-ROM）以及移动存储设备等，前些年还使用软盘（Floppy disk）。（1）软盘与软盘驱动器软盘是可移动的存储介质，软盘驱动器是读写软盘的设备。软盘盘片是涂有磁性材料的聚脂塑料圆盘，封装于方形的盘套内。软盘按盘片的直径可以分为5.25英寸和3.5英寸，按面数可分为单面和双面，按存储密度可分为单密度、双密度、高密度。软盘目前已被U盘所取代，多数机器上不装配软盘驱动器。,（2）硬盘与接口类型硬盘由硬盘驱动器和多张不可更换的硬盘盘片（存储介质）密封而成。由于硬盘是一个密封部件，故其存储密度相对软盘来说要高得多；也因为采用多盘片，故其存储容量特别大,目前使用的硬盘容量高达80GB1TB。它们主要
27、来源于IBM、Maxtor（迈拓）、Seagate（希捷）、WD（西部数据公司）等公司。一般来说，硬盘较软盘具有存储容量大、记录密度高、记录速度快、性能与可靠性均好等特点。硬盘的有关性能指标有：盘径、磁头数（面数）、柱面数（每面上磁道数）、扇区数、每扇区内记录数据量（字节）、磁盘转速、平均寻道时间、缓存、内部数据传输率、接口类型等。硬盘的接口类型反映了计算机系统内硬盘数据传输速度。,（3）光盘与光盘驱动器光盘驱动器是读写设备，可分只读的光盘驱动器和可读写的光盘驱动器。光盘可分3类：只读光盘（CD-ROM）、追记型只读光盘（CD-R）和可改写型光盘（CD-RW）。CD-ROM光盘的物理规格、记录
28、格式和盘的制造技术与CD相似，其上数据与光盘生产同时完成。CD-R 可通过可读写光驱一次性写入数据，并可追加数据，直到写满，不可重写。CD-RW可通过可读写光驱多次写入数据。DVD是较CD-ROM具有更高记录密度的产品，容量可达4.7GB。可分只读、追记和改写3类。,衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速记为1X，二倍速记为2X，依次类推。一倍速光驱的数据传输速率为150KBps，相应地，二倍速光驱的数据传输速率为2150KBps=300KBps。一倍速DVD驱动器的数据传输速率为1.3MBps，所以12X的DVD的数据传输速率为121.3MBps=15.6MBps。,（4）移动硬盘
29、与U盘随着多媒体技术的发展，数据量越来越大，过去那种依靠软盘传递数据的方法显然已经不能适应现在的需求。近年来，取而代之的是移动硬盘和U盘。移动硬盘是在EIDE接口硬盘的基础上加装USB或1394接口使之成为移动存储工具。目前大量使用的U盘使用Flash半导体材料作为存储介质，以USB接口接入系统，已经逐渐取代了软盘，现在的计算机一般不再配备软驱。,7输入输出设备常用的输入输出设备有：键盘（Keyboard）、鼠标（Mouse）、扫描仪（Scanner）、显示器（Monitor）和打印机（Printer）等。,2.4.3 微型计算机的软件配置1微型计算机常用的系统软件（1）常用操作系统DOS操作
30、系统：基于字符界面的单用户、单任务的操作系统。Windows 3.x：基于图形界面的16位的单用户、多任务操作系统。Windows 98：基于图形界面的32位单用户、多任务操作系统。Windows NT：基于图形界面的32位多用户、多任务操作系统，它包括Windows NT Server和Windows NT Workstation。Linux操作系统：是多用户、多任务、源代码公开的操作系统，常用于网络服务器。,（2）常用的程序设计语言传统的面向过程程序设计语言，包括BASIC、FORTRAN、Pascal、C、COBOL语言等。流行的面向对象程序设计语言，包括Java、C+等。常用的可视化程
31、序开发工具环境，包括Microsoft公司的Visual Studio开发套件，其中包含了Visual C+、Visual J+、Visual FoxPro、Visual BASIC、InterDev等开发工具；Borland公司的JBuilder、Delphi、C+Builder；Sybase公司的PowerBuilder、PowerJ。,（3）数据库管理系统常用的桌面型数据库管理系统：Access、Visual FoxPro等。常用的大型关系数据库系统：SQL Server、Oracle、Sybase等。国产的数据库系统：Openbase、DM2等。,2微型计算机常用的应用软件（1）办公软
32、件办公套件是日常工作需要用到的一些软件，它主要包括以下几类软件：字处理、电子表格处理、演示文稿制作、个人数据库等。常见的办公套装软件有Microsoft Office、WPS Office等。,（2）多媒体处理软件图形制作软件，包括Windows自带的“画图”程序、AutoCAD、Adobe Illustrator、CorelDraw、Macromedia FreeHand等。图像处理软件，包括Adobe Photoshop、Corel Photo等。动画制作软件，包括Flash、3ds max、FireWork、Image Animator等。视频编辑软件，包括Adobe Premiere、
33、QuickTime、Animator Pro等。,（3）Internet工具软件Web服务器软件，如Microsoft公司的IIS、Netscape公司的FastTrack等。Web浏览器，如Netscape公司的Nevigator、Microsoft公司的Internet Explorer等。文件传送工具FTP。远程访问工具Telnet。电子邮件工具，如OutlookExpress、Hotmail等。网页制作工具，如Microsoft FrontPage、Macromedia Dreamweaver等。,（4）常用的工具软件微机中常用的工具软件很多，主要有：压缩/解压缩软件（WinRAR、W
34、inZip、ARJ）；杀毒软件（金山毒霸、瑞星杀毒软件、KV3000）；翻译软件（金山词霸、东方快车）；多媒体播放软件（金山影霸、Xing MPEG Play）；图形图像浏览软件（ACDSee）；快速复制工具（Ghost、Hdcopy）等。,2.5.1 微型计算机主要部件的选型一台微型计算机上主要有如下功能部件：CPU、主板、内存、硬盘、光驱、显卡、显示器、声卡、音箱、机箱、电源、键盘、鼠标、网卡、调制解调器（MODEM）、打印机、移动存储设备、多媒体设备等等。在进行选择时，除考虑这些部件的性能指标外，还要关注各部件是否能相互协调工作，从而使整机达到最好性能。,2.5 微型计算机组装与选购,2
35、.5.2 微型计算机的组装组装一台微型计算机一般需要遵守下面的步骤：组装前的准备工作。包括准备好安装场地，先触摸大块的金属物，释放掉身上的静电，防止人体所带静电对电子器件造成损坏。仔细阅读主板和有关部件的说明书。注意防插错设计，每个部件的数据连接线，电源线都有是有防插错设计的。对各个部件要轻拿轻放，尤其是硬盘。,硬件安装。跳线设置。安装CPU和风扇。安装内存条。最小系统测试。准备机箱，并在机箱内固定主板。安装硬盘、光驱等。连接线路，连接硬盘与主板数据线时，也要特别注意数据线的防插错设计，数据线是有边开口对准位置的，插反了边容易损坏相应设备。安装板卡，并连接其他外部设备。通电试机。BIOS设置硬盘分区及格式化。安装操作系统及安装其他应用软件。,
