計算機概論
1001課後輔導教材
單元 3:電腦軟體
主講老師:徐培倫
單元3
電腦軟體
軟體的種類
系統軟體
作業系統
程式語言
課後習題
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軟體的種類
 電腦可分為軟體 (Software) 及硬體 (Hardware) 兩
個部分。軟體是一切程式的總稱, 廣義來說, 軟
體泛指能夠控制電腦硬體運作的方法與技術;
狹義而言, 軟體是由各種程式語言所寫成的程式,
可配合硬體的特性, 讓電腦依使用者的需要而運
作。
 軟體可進一步區分為系統軟體 (System Software)
及應用軟體 (Application Software) 等 2 大類:
3
軟體的種類
 系統軟體與應用軟體還可區分成以下的分類:
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軟體的種類
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7- 1- 1 系統軟體
 系統軟體通常是為了讓使用者更方便地使用電
腦, 或讓應用軟體能更有效率地執行, 例如提供
操作介面讓使用者得以存取硬碟、列印文件
……。
 系統軟體與應用軟體最大的差別在於:系統軟
體的主要目的為支援電腦的運作, 因此一般而言
會與所使用的硬體有關, 而應用軟體則否。系統
軟體可分為以下 3 種類型:作業系統、公用程
式、程式開發工具。
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作業系統
 作業系統 (OS, Operating System) 是介於電
腦硬體與應用軟體之間的軟體, 它提供應
用軟體執行的環境, 並控制電腦的各種硬
體。作業系統的功能主要有三:
 讓使用者能更方便的操作電腦。
 使電腦資源 (如記憶體、CPU……) 得以更
有效率的運用。
 提供程式執行的環境及系統呼叫服務。
7
作業系統
 由於我們是藉由作業系統來與電腦溝通, 所以在
使用電腦時, 實際上是在操作作業系統, 而不是
直接控制電腦的硬體。我們只要對作業系統下
達簡單的指令, 它就會執行複雜的硬體動作為我
們把工作做好。
 目前比較多人使用的作業系統有 Windows
XP/Vista/7 、Windows Server 2003/2008 、Mac
OS 、Linux 、Unix 。
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公用程式
 電腦和我們的車子、冷氣機一樣也需要保養維
護的, 而這類用來維護或整理電腦系統的程式就
稱為公用程式。公用程式的種類很多, 用途也很
廣泛, 例如搶救不小心刪除的檔案、快速備份硬
碟、預防電腦病毒、壓縮檔案等。
 個人電腦上常見的公用程式有:Nor ton Sy s
temWorks 、WinZip 、NOD32 防毒軟體…等, 有
的作業系統本身也會提供一些磁碟、檔案的維
護管理工具, 例如 Windows 中的控制台、工作管
理員、清理磁碟、磁碟重組等工具。
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程式開發工具
 語言是用來溝通的工具, 人類有人類的語言, 電腦也有電
腦的語言。我們必須將要電腦做的事情, 以電腦了解的
語言來表達, 電腦才能替我們完成工作。
 那麼和電腦溝通該說什麼呢?那就是程式語言
(Programming Language)。程式就是利用程式語言, 遵照
其一定的規則及所要處理工作的順序, 編排而成的一連
串命令。目前電腦的程式語言有相當多種, 如 Java、C、
C++、C# 、Visual Basic、PHP、Perl 、組合語言
(Assembly) 、Pascal 、Fortran 、Python……。
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程式開發工具
 而開發程式的過程中所會用到的工具, 即稱為程式開發
工具。傳統上, 程式開發者會先以文書編輯器 (Text Ed i
tor ) 寫好程式碼之後;利用編譯器(Compiler) 將程式碼
編譯成目的檔 (Object Program);再以連結器 (Linker)將
其他相關的程式連結在一起, 成為可被執行的執行檔;
最後再透過載入器(Loader) 載入到記憶體中執行:
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程式開發工具
 開發程式時, 較大型的程式很少一次就完全成功的, 若在
編譯或執行過程中發現錯誤, 則會利用除錯器 (Debugger)
偵錯。在有些情況, 為了讓程式執行更有效率或想要自
行控制硬體, 則會使用組合語言撰寫程式碼, 寫好的程式
碼就需要以組譯器 (Assembler) 將程式碼編譯成執行檔
。而有的還會有巨集處理器 (Macro Processor), 可以在撰
寫程式時, 用指定的字串來取代多行程式碼,以方便閱讀
。
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7- 1- 2 應用軟體
 應用軟體是針對特定任務或功能所設計的程式。系統軟
體只是賦予電腦硬體的靈魂, 必須藉由各種應用軟體的
支援, 電腦才能充分展現它的效用, 應用於我們的日常生
活、工作之中。應用軟體依使用者取得的方式, 可分為
以下 2 類:
 套裝軟體 (Package Software):在市面上購買或直接從
網路下載的現成軟體, 例如 Office、Photoshop、
Dreamweaver、PC-cillin …等, 市面上大部分的應用軟體
均屬套裝軟體。
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應用軟體
 自行開發的軟體 (Tailor Software):當套
裝軟體無法符合某些需求時, 而特別量身
打造的軟體, 例如有些企業會委託軟體公
司或自行開發符合其需求的採購訂單管理
系統、人事薪資管理系統…等。
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電腦中常見的套裝軟體
 文書處理軟體:Microsoft Word、Openoffice.org Writer
。
 試算表軟體:Microsoft Excel、Openoffice.org Calc。
 簡報軟體:Microsoft PowerPoint、Openoffice.org Impress
。
 資訊管理軟體:Microsoft Outlook。
 多媒體軟體:MediaStudio Pro、Flash。
 繪圖、影像處理軟體:AutoCAD、CorelDraw、
Photoshop、Illustrator。
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電腦的軟硬體組成
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電腦的軟硬體組成
 若以實際的運作情況來看, 如:小明在電腦上安裝了
Windows 7 作業系統及 Word 軟體, 當他要將打好的文件
列印出來時, 其運作關係如下所示:
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作業系統的功能
 作業系統是電腦硬體與使用者, 及電腦硬體與應
用軟體之間的媒介。使用者透過應用軟體或作
業系統來操控電腦硬體, 作業系統再將執行結果
傳回給使用者或應用軟體。作業系統的主要功
能有以下 3 項:
 提供使用者介面。
 管理系統資源。
 提供程式執行的環境及系統呼叫服務。
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提供使用者介面
 當我們新接觸到一個作業系統時, 很多人往往會說「讓
我看看它長什麼樣子?」 進而坐到電腦前實際使用鍵盤
、滑鼠體驗一下。使用者面對一個作業系統, 其所看到
的外觀及操作方式, 即稱為使用者介面 (UI, User
Interface)。
 作業系統在電腦硬體與使用者之間提供了 『使用者介面
』, 讓使用者透過此介面來執行所要進行的事。等執行
完後, 作業系統再經由使用者介面將結果讓使用者知道,
因此作業系統扮演了使用者與電腦硬體溝通橋樑的角色
。
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提供使用者介面
 使用者介面依使用者在操作時, 主要是以
滑鼠或鍵盤操作的不同, 可分為命令列介
面 (CLI, Command-Line Interface) 及圖形
使用者介面 (GUI, Graphical User Interface)
等 2 種:
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提供使用者介面
 命令列介面
 以文字模式呈現, 需由鍵盤輸入指令, 方能執行所需要的
功能。由於命令列介面並不需花時間在視窗呈現的運算
上, 因此
會有較佳的執行效能
;但缺點為操作介面
較不友善, 需要記憶
指令的用法才能上手。
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主要作業系統推出年表
 最後下面這張表,
列出了比較具代
表性作業系統及
其版本與推出年
代, 提供給讀者
參考:
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量身訂做的作業系統 -
嵌入式系統
 嵌入式系統 (Embedded System) 是一種完全針對特定用
途而設計的作業系統, 我們的生活中隨處可見嵌入式系
統的應用, 小至手機、MP3 隨身聽, 大至 ATM 提款機、
購票系統、工廠自動化機器, 這些裝置都需要作業系統
來處理工作, 其所使用的作業系統便是嵌入式系統。
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量身訂做的作業系統 -
嵌入式系統
 上述所提到的裝置都是特定用途, 因為這些工作
都是特定應用, 例如 MP3 隨身聽只需要處理
MP3 解碼、音樂播放等工作, 所以製造廠商會精
簡原有的作業系統, 或者自行開發專屬的作業系
統, 針對特定用途進行最佳化, 並且盡量縮小系
統以降低成本。這些針對特定用途 『量身訂做
』 的作業系統, 因為與硬體有密不可分的關係,
感覺上好像是把作業系統嵌進硬體裝置內, 所以
泛稱為嵌入式系統。
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量身訂做的作業系統 -
嵌入式系統
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量身訂做的作業系統 -
嵌入式系統
 嵌入式系統通常以韌體 (Firmware) 的形式放置於 Flash
Memory 等唯讀記憶體中, 除非經過特殊的更新程序, 否
則系統通常是固定不變的。
 韌體是一個具有軟體程式功能的硬體, 介於軟體與硬體
之間, 兼具兩者的特性。個人電腦的 BIOS, 便是韌體的
一種。
 目前幾乎所有電子產品中, 或多或少都有嵌入式系統的
影子, 資訊科技除了在個人電腦、超級電腦等領域日新
月異, 在嵌入式系統領域的發展也相當成功, 產生了各式
各樣自動化的電子產品, 可說是更為深遠地增進了人類
生活的便利性。
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嵌入式系統與一般作業系統的差別
 嵌入式系統包含的範圍相當廣泛, 各領域所使用
的系統可能完全不同, 以較廣為人知的手持裝置
(智慧型手機、PDA) 為例, 其中常見的 Windows
Mobile 與個人電腦上的Windows 系統比較其差
異如下。
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嵌入式系統與一般作業系統的差別
 個人電腦上的 Windows 可以由使用者自行切割磁碟區、
重新安裝 Windows、升級Windows 到更新的版本, 甚至
還可以刪除 Windows 改為安裝 Linux;但是手持裝置上
的Windows Mobile 便無法進行這些工作, 因為嵌入式系
統中軟硬體緊密結合, 所以使用者無法隨意修改系統, 很
難自行改裝為其他嵌入式作業系統 (如 Android 或 iOS)
。
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嵌入式系統的研發環境
 因為嵌入式系統是 『量身訂做』 的作業系統,
所以在嵌入式系統中, 軟硬體是非常密切的結合
在一起, 可能更改了某個硬體元件, 軟體便必須
跟著修改;或者要實作出某種軟體上的功能時,
同時需要增加某個硬體元件, 因此嵌入式系統的
開發者, 必須對軟體與硬體都有一定程度的瞭解
。
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嵌入式系統的研發環境
 設計嵌入式系統時, 除了微處理器晶片 (MCU,
Microcontroller) 以外, 通常還需要加上各式各樣的周邊
功能晶片, 例如類比數位轉換器 (ADC, Analog-to-Digital
Converter)、數位類比轉換器 (DAC, Digital-to-Analog
Converter)、放大器、過濾器、脈衝寬度調變 (PWM,
PulseWidth Modulation)...等, 因為綜合了數位和類比的周
邊功能晶片, 使得整個系統變得相當複雜。
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嵌入式系統的研發環境
 部分廠商會推出整合週邊元件的晶片或套件, 將常用的
數位和類比功能整合進微處理器晶片, 如此便不需要外
加周邊功能晶片, 可以降低設計的複雜度 。
 不過即使採用整合式晶片進行研發, 仍然可能發生產品
設計初期選定某一款晶片, 到了中後期臨時需要新增某
個功能, 但是這個功能並未被整合進當初選定的晶片的
狀況。此時要解決問題, 只能增加成本外加周邊晶片, 或
者改用其他整合式晶片, 但兩者可能都需要更改電路與
程式的設計, 額外耗費大量的時間和精力。
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嵌入式系統的研發環境
 為了增加嵌入式系統的設計彈性, 美國 IC 設計廠商
Cypress 公司開發出了 PSoC(Programmable System on
Chip, 可程式系統單晶片) 系統晶片。PSoC 晶片內部具
有多個可自由設計的數位、類比模塊, 這些模塊可以像
堆積木一樣, 自由地變化成數位和類比的應用功能, 例如
可透過兩個類比模塊構成一個濾波器。設計者可依照需
求隨時增加、刪減, 或更改區塊所形成的功能, 所以就算
遇到產品功能或設計改變, 也不需要更換晶片, 或是從頭
大幅改變電路與程式的設計。
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嵌入式系統的研發環境
 目前 Apple、任天堂、三星等領導性廠商已經開
始採用 PSoC 晶片進行開發, 在充滿彈性的設計
理念下, PSoC 晶片的開發模式可說是嵌入性系
統未來值得關注的發展方式。
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何謂程式語言
 電腦是用來幫助人們解決問題的, 而電腦硬體要
能幫我們解決問題, 就必須有程式 (軟體) 告訴電
腦要做什麼事。所以程式語言可說是人控制電
腦如何做事的一種語言, 而為了符合不同的需求
、解決不同類型的問題, 也使資訊界出現各種不
同的程式語言, 例如一般人可能都曾聽過的組合
語言、BASIC 、C、C++、Java 、...等等。以下
我們進一步來瞭解為什麼會有這麼多種不同的
程式語言, 以及其間的差異。
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13-2 程式語言的發展
 如果不考慮一百多年前的分析機 (Analytical
Engine, 參見第 1 章), 第一個程式語言的出現至
今才不過半個世紀多, 但在短短的 50 年, 就已發
展出數量多到令人眼花撩亂的程式語言種類。
程式語言最簡略的分類方式, 就是將它們依『抽
象化』的程度分成高階語言 (High-Level
Language)、低階語言 (Low-Level Language)兩類
:
35
程式語言的發展
36
13-2-1 第一代:機器語言
 對於電腦來說, 它真正所懂得的語言只有一種, 就是機器
語言。所謂的機器語言, 其實是以特定的數字來表示電
腦所能進行的各個動作, 我們稱這些數字為機器碼
(Machine Code) 或機器語言。舉例來說, 如果把電腦比喻
為一個只認得數字命令的機器人, 而 0 代表向前走一步
、1 代表向後退一步、2 代表往左轉 90 度、而 3 代表往
右轉 90 度。那麼當我們要命令這個機器人往前走三步
、再往右走三步時, 就必須下達『0003000』的指令, 當
電腦看到這一串數字後, 就會依照每個數字所代表的意
義做出指定的動作:
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第一代:機器語言
 相信大家都會發現, 用數字來控制機器人會相當辛苦, 因
為我們得先熟記每個數字所代表的動作, 然後還要能將
一連串數字組合起來, 以表達我們要機器人做的工作。
 不過上述的機器人例子, 其實已經簡化機器語言的複雜
性。CPU 只能接受一組預先定義好的指令, 而且這些指
令其實都只是做一些非常基本的計算或控制動作, 所以
要讓電腦做一項簡單的動作, 可能需要數個指令才能完
成。以目前通用於個人電腦的 x86 系列 CPU 為例, 要讓
它計算 "3-1" 這個減法計算, 必須先將數字 3 存到暫存器
(參見2-2-1節) 後再進行運算。
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第一代:機器語言
 任何一個人都可以看得出來, 這種以數字表達的
語言並不適合人閱讀。因此大家很快就發現要
用這種方式撰寫程式, 實在太難、太辛苦了。所
以人們就開始思考如何能以更友善的方式來撰
寫程式。
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關於程式『碼』
 在程式設計的領域, 常可聽到程式碼或原始碼
(Source Code) 這樣的名詞。『碼』就是由英文
字 Code 翻譯而來, 其原意是指機器語言的數字
碼。雖然我們使用各種高階語言 (後詳) 所撰寫
的程式早已脫離用數字寫程式的形式, 不過 Code
這個字仍沿用至今,因此對任何程式語言所寫成
的原始程式, 都可稱之為程式碼或原始碼。
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13-2-2 第二代:組合語言
 由於使用以 0、1 組合成的機器語言來撰寫程式實在太
不方便, 因此人們就想到將這些機器碼都代換成較方便
學習、記憶的助憶碼 (Mnemonic), 也就是組合語言
(Assembly Language)。
 以前面的機器語言程式為例, 將資料從某處移到某處的
動作就用英文單字Move 的前三字 MOV 來代表;而將
數值減 1, 就用 Decrease 的前 3 字 DEC來代表, 所以前述
的程式用組合語言來寫就變成如表 13-2 所示。
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第二代:組合語言
 組合語言程式必須轉換成微處理器真的看得懂的機器語
言碼, 才能讓電腦執行。將組合語言程式轉換成機器語
言程式的動作稱為組譯, 用來將組合語言碼轉換 (翻譯)
成機器碼的工具稱為組譯器 (Assembler)。
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第二代:組合語言
 由於機器碼和組合語言碼有對應關係, 所以也可
以反向由機器碼產生組合語言碼的程式, 此動作
稱為『反組譯』, 所用的工具稱為反組譯器
(Disassembler)。
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第二代:組合語言
 雖然用助憶碼來代替原本的數字程式碼已改善原本用機
器碼寫程式的諸多不便及容易出錯等缺失, 但用組合語
言寫程式仍有一大缺點:程式設計者必須對微處理器架
構、電腦硬體架構要有充份的認識。例如表 13-2 中的程
式就用到了 AX 暫存器 (AL 代表 16 位元 AX 暫存器中
的低位元組), 換言之, 要用組合語言寫程式, 至少必須認
識微處理器中有哪些暫存器可使用、各暫存器的功用為
何;如果程式需存取到週邊裝置, 則需認識如何透過
BIOS 或特定的輸出輸入埠 (I/O Port), 將資料送到輸出裝
置或由輸入裝置取得資料。
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第二代:組合語言
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第二代:組合語言
 然而要充份認識微處理器架構、電腦硬體架構後才能開
始寫程式, 就好像要求我們要先瞭解引擎結構、傳動系
統之後才能學開車;要先認識無線電原理及語音轉換成
無線電的編碼方式才能用手機打電話:這將對汽車、行
動電話的推廣有莫大的阻礙。同理, 組合語言提高了撰
寫程式的門檻, 也因此限制了電腦的普及。此外, 以組合
語言撰寫程式還有下列缺點:
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第二代:組合語言
 因為使用的助憶碼仍是代表微處理器的指令, 也
就是要以微處理器的角度來思考問題, 開發程式
仍相當不便。
 不同硬體架構的微處理器其機器碼都各不同, 例
如一般個人電腦所用的 x86系列 CPU, 和許多智
慧型手機使用的 ARM CPU 其機器語言就不相
同, 組合語言也有差異, 要讓程式可在不同的電
腦上執行, 必須重新改寫程式。
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13-2-3 第三代:高階語言
 不論是機器語言還是組合語言, 對於程式
的描述都是以電腦所能進行的最基本動作
為步驟, 因此這兩種語言被稱為低階語言
。為了讓人們能以更接近人的思考方式來
寫程式, 就有了所謂的高階語言。
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第三代:高階語言
 第一個被廣泛使用的高階語言為 1950 年代所開發出來
的 Fortran (Formula Translator) 語言, 此後更多的語言如
COBOL 、BASIC、Pascal 、C ... 等等就如雨後春筍般地
出現。高階語言中有些是專為某些用途而設計的, 但也
有些是特別設計成通用性 (General Purpose) 的語言。但
由於各語言都有不同優缺點, 也因此各有其適用的場合,
再加上每個人對語言有不同的喜好程度, 所以至今仍有
相當多的語言存在, 我們也因此有許多程式語言可選擇
。
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第三代:高階語言
 高階語言與低階語言之間最明顯的差異, 在於高階語言
多是以近似英語的語法來撰寫, 因此學習的難度降低, 寫
來也較不容易出錯。例如以下的 BASIC語言程式片段,
就算沒學過 BASIC 語言的人, 也能大概猜出其意思。
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第三代:高階語言
 雖然寫程式的門檻降低, 但也連帶使程式的執行效能下
降:一般而言, 同樣的程式, 用高階語言撰寫者, 其執行
效能會比以組合語言撰寫者差。不過透過編譯器 (後詳)
的改良、硬體速度的飛快成長, 使其間差異愈來愈小, 甚
至可忽略, 因此目前通常只在特別要求執行效能的程式,
才會使用組合語言。
 高階語言寫成的程式, 和組合語言一樣需要經過轉譯的
動作, 才能變成電腦認得的機器語言並執行之。高階語
言轉譯的動作分成兩種:編譯 (Compile)及直譯
(Interpret)。
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程式語言種類與執行方式的關係
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13-2-4 第四代及第五代語言
 高階程式語言雖然讓人們能更輕鬆編寫程
式, 但實際上, 要『寫好』程式,仍需經過相
當多的學習與訓練。因此為了減輕程式設
計者的負擔, 讓寫程式變得更容易, 就有人
發展出所謂的第四代語言。
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第四代及第五代語言
 不過對第四代語言目前並無明確的定義, 大體而
言, 一般所稱的第四代語言都是指能自動產生程
式的工具, 例如報表產生器 (Report Generator) 及
CASE (Computer Aid Software Engineer, 電腦輔
助軟體工程) 工具;或是可花較短時間即可學會
的特定用途語言, 例如專門用於查詢資料庫資料
的 SQL 語言, 其語法比第三代語言更加口語化,
學習的門檻也降低。
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第四代及第五代語言
55
第四代及第五代語言
 至於第五代語言 (5GL, Fifth Generation
Languages) 則被稱為自然語言(Nature Language),
其目的是希望人們能以更接近日常生活的方式
來命令電腦(設計程式就是要控制電腦), 此一理
念是與第五代電腦的計劃一起提出的。然而由
於第五代電腦的發展計劃也無實際的成果, 第五
代語言的概念早在上個世紀即被提出, 但發展多
年仍未有比較實用的成果。
56
課後練習
1. 請說明系統軟體的分類。
2. 請簡述套裝軟體與自行開發的軟體有何
不同?
3. 請簡述作業系統3 個主要功能。
4. 使用組合語言撰寫程式有什麼優缺點?
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課後練習
5. 請試說明為什麼要有高階語言。
6. 請說明註解的用途及為什麼寫程式要多
加註解?
58
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