3 第三章 计算机控制软件基础
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动力工程计算机控制系统
能源与动力工程学院
本科专业学位课程
48学时，3学分
1
第三章 计算机控制软件基础
Software Technology of Computer Control System 主讲人：黄勇理
2
目
y
录
y 3.1 计算机控制软件概述
3.1.1 计算机软件基础 y 3.1.2 计算机控制软件的构成 y 3.1.3 计算机控制软件的功能
多的应用软件支持而赢得广大用户的青睐，有MSDOS、PC-DOS、DR-DOS等类。
y 主要特点：
y y y
系统简单，而又层次性强 I/O重定位
管道操作。可以把一个命令或程序的输出送到另一个 命令中去并依次形成一个连续的处理过程。 y 树形文件目录系统
27
3.2.3 常见操作系统（3）
y WINDOWS操作系统是一个功能强大，具有多窗口、
y y
系统安全
32
3.2.5 网络操作系统
33
3.2.5 网络操作系统
34
3.2.5 网络操作系统
35
3.2.5 网络操作系统
36
3.2.6 嵌入式操作系统
37
3.2.6 嵌入式操作系统
y 嵌入式操作系统的特点：
y 微型化：由于硬件平台的局限性，不允许系统占用太多有限的
y
y y y
资源。因此，系统代码量小，通常在保证应用功能的前提下， 以微型化为目标设计系统的结构和功能； 可定制：要求尽可能减少成本，缩短研发周期，能够运行在不 同的处理器硬件平台上，针对不同的应用需求和硬件变化进行 操作系统结构和功能上的配置； 实时性：嵌入式操作系统的应用场合通常具有严格的实时响应 要求，实时性是其主要特点； 可靠性：操作系统构件、模块和体系结构必须具有较高的可靠 性程度，对关键应用还要提供容错、故障保护和自恢复措施； 易移植性：为了提高系统的易移植性，通常采用与设备无关的 硬件抽象层（Hardware Abstraction Level）统一接口描述和硬件厂 商提供的板级支撑包（Board Support Package）等底层设计技术。
结构——计算机中的数据元素之间存在着的某种联系 y 数据结构——具有结构的数据元素的集合，或者说是 具有关系的数据元素的集合。
y
y 数据结构是一个二元组 y Data_Structure=(D, R) y 其中，D是数据元素的集合，R是D上关系的集合
44
3.3.2 线性表及其基本运算（1）
y 线性表的定义：
y y
存储管理：内存分配、内存保护、内存扩充 y 设备管理：设备分配、设备驱动、虚拟设备 y 文件管理：文件存储与检索、文件操作、文件保护与 控制
22
3.2.2 操作系统的分类
y 操作系统按功能分类
批处理操作系统 y 分时操作系统 y 实时操作系统
y
y 按计算机配置分类 y 按用户或任务分类
按用户分：单一/多个用户 y 按任务分：单/多任务
y 应用软件
第一级：监控平台软件、基本控制软件、先进控制 软件、约束控制软件、操作优化软件 y 第二级：最优调度软件和企业计划决策软件等
9
3.1.2 计算机控制系统软件构成（2）
y 最基本的计算机控制系统应用软件
y
直接（控制）程序
y 参与系统的实际控制过程，完成与各类信号的采集、处理和
各类控制信号的输出任务 y y
28
3.2.3 常见操作系统（4）
y windows95的特点：
Байду номын сангаас
一致性的用户界面 y 多任务特性 y 应用程序共享数据 y 先进的内存管理 y 设备无关性 y 提供多种字库 y 支持网络功能和多媒体技术
y
29
3.2.4 Windows 2000系列（5）
y Windows 2000系列产品的特点：
y y
稳定性
安全性 y 远程计算与分布式计算 y 网络化 y 柔性平台 y 降低总体拥有成本（TCO）
30
3.2.4 常见操作系统（6）
y UNIX操作系统已经成为世界上最流行、最有影响
的操作系统，是一个通用的、交互式的分时系统。 包括一系列UNIX家族：Linux、AIX、BSD、SCO、 IRIX、Pyramid等。
y y
y 一些著名的实时多任务操作系统
25
3.2.3 常见操作系统（1）
y 三种典型操作系统：
DOS y WINDOWS y UNIX
y
y 在微机领域中，最为流行的主流操作系统是DOS和
WINDOWS；在中、小型计算机及工作站领域中， 主流操作系统是UNIX。
26
3.2.3 常见操作系统（2）
y DOS是微处理机磁盘操作系统，以其简单易学和众
y y
计算机软件的构成示意图
20
3.2.1 操作系统的功能与任务（2）
y 不同观点看操作系统
从用户的观点 y 从资源管理的观点 y 从进程的观点 y 从软件层次的观点
y
21
3.2.1 操作系统的功能与任务（3）
y 操作系统的功能
作业(job)管理：“脱机”和“联机”两种方式 y 处理机（CPU）管理：作业调度、进程调度
线性表是n（n≥0）个元素a1，a2，…，an 的有序集 合，ai在表中的位置仅取决于元素本身的序号i。 y 当1<i<n时，ai的直接前驱为ai-1，ai的直接后继为 ai+1 ，每个元素仅有一个直接前驱和一个直接后继。 y n为线性表的长度，长度为零的表称为空表。 y 同一表中的元素必定具有相同特性(属性)，都属于同 一数据对象。
7
3.1.1 计算机控制系统软件基础（2）
y 计算机控制系统中软件的发展
小规模的、解决单一问题的应用程序 y 用于满足工业过程计算机控制不同规模控制系统的商 品化软件 y 规范化、系统化的软件工程程序设计方法
y
8
3.1.2 计算机控制系统软件构成（1）
y 系统软件
y y
计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台
y 主要特点：
多用户、多任务 y 功能很强，但规模小，整个系统的代码量为一万行左 右 y 灵活性好、可移植性好，系统的核心是用程序是用C 语言编写的
y
31
3.2.4 常见操作系统（7）
模块性好，适应性强，系统功能分布于独立的模块之 中 y 树状文件结构 y 为用户提供了功能完备、使用方便的命令程序语言 shell，且系统具有完整的网络能力
具备丰富的自动控制理论知识和实际经验 y 深入了解计算机系统软件，包括操作系统、数据库等 y 既熟悉控制现场要求，又熟练掌握编程技术
y
12
3.2 计算机操作系统
Computer Operation System
本节主要内容
y 3.2.1 操作系统基本概念 y 3.2.1 操作系统常见的专业术语 y 3.2.2 操作系统的功能和任务 y 3.2.2 操作系统的分类 y 3.2.3 常见操作系统
38
3.2.6 嵌入式操作系统
39
40
3.3 实用数据结构
Applied Data Structure
本节主要内容
y 3.3.1 数据结构的概念 y 3.3.2 线性表及其顺序存储结构 y 3.3.3 线性链表 y 3.3.4 堆栈和队列 y 3.3.5 数组和类型 y 3.3.6 结构和联合 y 3.3.7 数据文件
y
23
3.2.2 实时多任务操作系统（1）
y 实时多任务操作系统
y y y
就是能够执行多任务的实时操作系统 异步事件响应：要有异步I/O和中断处理能力
y 应具备的特征
切换时间 y 中断等待时间 y 优先级中断和调度 y 抢占式调度 y 同步
24
3.2.2 实时多任务操作系统（2）
y 实时多任务操作系统与批处理操作系统的区别
静态描述 y 进程是程序的运行活动，程序可脱离机器而长期存在，而进 程只在机器运行中临时存在 y 一个程序可以对应多个进程，一个进程也可以对应多个程序
18
3.2.1 操作系统常见专业术语（2）
y 线程与进程
线程：指进程内的一个可独立执行的子任务，也是进 程内的一个可调度实体。 y 线程与进程的关系：
y 3.2 计算机操作系统
3.2.1 y 3.2.2 y 3.2.2 y 3.2.3
y
操作系统常见的专业术语 操作系统的功能和任务 操作系统的分类 常见操作系统
3
目
3.3.1 y 3.3.2 y 3.3.3 y 3.3.4 y 3.3.5 y 3.3.6 y 3.3.7
y
录
数据结构的概念 线性表及其顺序存储结构 线性链表 堆栈和队列 数组和类型 结构和联合 数据文件
14
3.2.1 操作系统的基本概念
15
3.2.1 操作系统的基本概念
16
3.2.1 操作系统的基本概念
17
3.2.1 操作系统常见专业术语（1）
y 进程与程序
进程：可调度的指令集合及相关数据的一次运动活动 y 程序：指令集合及相关数据的静态概念 y “进程”与“程序”的区别
y
y 进程描述程序的动态行为，而程序是指令集合及相关数据的
y
大多数实时多任务操作系统CPU的负荷率应保证在 30%之内，这样CPU有足够的能力进行“即时” 响应 要求的实时响应时间随系统的要求而变化 Windows NT、OS/2、VMS等，具有很好的通用性、实 时性和可靠性。其中Windows NT应是实时操作系统的 主流
y 实时多任务操作系统与分时操作系统的区别
y 3.3 实用数据结构
4
目
y
录
y 3.4 计算机控制系统应用软件
3.4.1 计算机软件工程基础知识 y 3.4.2 应用软件设计 y 3.4.3 应用软件开发环境及平台 y 3.4.4 计算机控制系统应用软件设计
y 3.5 商品化的工业控制软件简介
3.5.1 商品化的工业控制软件简介 y 3.5.2 工业控制平台软件FIX y 3.5.3 柔性先进控制软件包FLACS
y
y 一个进程中可以有一个或多个线程，每个线程都有唯一的标
识符 y 同一进程中的各个线程共享分配给给进程的主存空间 y 进程作为资源分配单位，而线程作为调度和执行单位
19
3.2.1 操作系统的功能与任务（1）
y 操作系统
主要目的是控制与 管理计算机的硬件 y 和软件资源。合理 y 地组织计算机工作 y 流程，方便各种用 y 户使用计算机
多任务机制的微机操作系统，使微机操作开始进入 图形用户（GUI）阶段。 y Windows版本发展阶段
y y
第一阶段：需要MS-DOS的支持，有Window1.0、 windows2.0、windows3.0、windows3.1、windows3.2等
第二阶段：独立的、具有很多优良特性的操作系统， 有windows95/97/98等 y 第三阶段：windows NT网络操作系统 ，有 Windows NT4.0、 Windows 2000 Professional 、Windows 2000 Server和 Advanced Server、 Windows 2000 Datacenter Server等
42
3.3.1 数据结构的概念（1）
y 数据结构学科
y
是计算机科学的一门专门学科，研究的是数据元素之 间的逻辑关系，即数据的逻辑结构
y 有关名词
数据（data） y 数据元素（data element） y 数据对象（data object）
y
43
3.3.1 数据结构的概念（2）
y 数据结构的描述
规范服务性程序
y 如报表打印输出、报警输出、算法运行、各种画面显示等
辅助程序
y 接口驱动程序、检验程序、设备自诊断程序等
10
3.1.3 计算机控制系统软件功能（1）
y 计算机控制系统的整个组成
y y
硬件是基础，而过程控制系统软件是整个系统的关键 系统组态程序、前台控制程序、后台显示、打印、管 理程序以及过程数据库等 实时数据采集、闭环控制输出、逻辑控制、报警监视、 画面显示和报表输出、可靠性措施、管道功能、数据 通信、应用功能等
y
45
3.3.2 线性表及其基本运算（2）
y 线性表的基本运算
y 过程控制系统软件组成
y 控制系统软件实现的功能
y
11
3.1.3 计算机控制系统软件功能（2）
y 衡量一个过程控制系统软件性能优劣的主要指标
系统功能是否完善，能否提供足够多的控制算法 y 系统内各种功能能否完善地协调运行 y 人机接口是否良好 y 系统的可扩展性能如何
y
y 对过程控制系统软件设计者的要求
y
5
3.1 计算机控制软件概述
Introduction of Computer Control System Software
3.1.1 计算机控制系统软件基础（1）
y 计算机应用系统中的软件
系统软件 y 工具软件 y 应用软件
y
y 数据收集部分 y 数据分析部分 y 输出控制部分 y 监督部分
能源与动力工程学院
本科专业学位课程
48学时，3学分
1
第三章 计算机控制软件基础
Software Technology of Computer Control System 主讲人：黄勇理
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目
y
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y 3.1 计算机控制软件概述
3.1.1 计算机软件基础 y 3.1.2 计算机控制软件的构成 y 3.1.3 计算机控制软件的功能
多的应用软件支持而赢得广大用户的青睐，有MSDOS、PC-DOS、DR-DOS等类。
y 主要特点：
y y y
系统简单，而又层次性强 I/O重定位
管道操作。可以把一个命令或程序的输出送到另一个 命令中去并依次形成一个连续的处理过程。 y 树形文件目录系统
27
3.2.3 常见操作系统（3）
y WINDOWS操作系统是一个功能强大，具有多窗口、
y y
系统安全
32
3.2.5 网络操作系统
33
3.2.5 网络操作系统
34
3.2.5 网络操作系统
35
3.2.5 网络操作系统
36
3.2.6 嵌入式操作系统
37
3.2.6 嵌入式操作系统
y 嵌入式操作系统的特点：
y 微型化：由于硬件平台的局限性，不允许系统占用太多有限的
y
y y y
资源。因此，系统代码量小，通常在保证应用功能的前提下， 以微型化为目标设计系统的结构和功能； 可定制：要求尽可能减少成本，缩短研发周期，能够运行在不 同的处理器硬件平台上，针对不同的应用需求和硬件变化进行 操作系统结构和功能上的配置； 实时性：嵌入式操作系统的应用场合通常具有严格的实时响应 要求，实时性是其主要特点； 可靠性：操作系统构件、模块和体系结构必须具有较高的可靠 性程度，对关键应用还要提供容错、故障保护和自恢复措施； 易移植性：为了提高系统的易移植性，通常采用与设备无关的 硬件抽象层（Hardware Abstraction Level）统一接口描述和硬件厂 商提供的板级支撑包（Board Support Package）等底层设计技术。
结构——计算机中的数据元素之间存在着的某种联系 y 数据结构——具有结构的数据元素的集合，或者说是 具有关系的数据元素的集合。
y
y 数据结构是一个二元组 y Data_Structure=(D, R) y 其中，D是数据元素的集合，R是D上关系的集合
44
3.3.2 线性表及其基本运算（1）
y 线性表的定义：
y y
存储管理：内存分配、内存保护、内存扩充 y 设备管理：设备分配、设备驱动、虚拟设备 y 文件管理：文件存储与检索、文件操作、文件保护与 控制
22
3.2.2 操作系统的分类
y 操作系统按功能分类
批处理操作系统 y 分时操作系统 y 实时操作系统
y
y 按计算机配置分类 y 按用户或任务分类
按用户分：单一/多个用户 y 按任务分：单/多任务
y 应用软件
第一级：监控平台软件、基本控制软件、先进控制 软件、约束控制软件、操作优化软件 y 第二级：最优调度软件和企业计划决策软件等
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3.1.2 计算机控制系统软件构成（2）
y 最基本的计算机控制系统应用软件
y
直接（控制）程序
y 参与系统的实际控制过程，完成与各类信号的采集、处理和
各类控制信号的输出任务 y y
28
3.2.3 常见操作系统（4）
y windows95的特点：
Байду номын сангаас
一致性的用户界面 y 多任务特性 y 应用程序共享数据 y 先进的内存管理 y 设备无关性 y 提供多种字库 y 支持网络功能和多媒体技术
y
29
3.2.4 Windows 2000系列（5）
y Windows 2000系列产品的特点：
y y
稳定性
安全性 y 远程计算与分布式计算 y 网络化 y 柔性平台 y 降低总体拥有成本（TCO）
30
3.2.4 常见操作系统（6）
y UNIX操作系统已经成为世界上最流行、最有影响
的操作系统，是一个通用的、交互式的分时系统。 包括一系列UNIX家族：Linux、AIX、BSD、SCO、 IRIX、Pyramid等。
y y
y 一些著名的实时多任务操作系统
25
3.2.3 常见操作系统（1）
y 三种典型操作系统：
DOS y WINDOWS y UNIX
y
y 在微机领域中，最为流行的主流操作系统是DOS和
WINDOWS；在中、小型计算机及工作站领域中， 主流操作系统是UNIX。
26
3.2.3 常见操作系统（2）
y DOS是微处理机磁盘操作系统，以其简单易学和众
y y
计算机软件的构成示意图
20
3.2.1 操作系统的功能与任务（2）
y 不同观点看操作系统
从用户的观点 y 从资源管理的观点 y 从进程的观点 y 从软件层次的观点
y
21
3.2.1 操作系统的功能与任务（3）
y 操作系统的功能
作业(job)管理：“脱机”和“联机”两种方式 y 处理机（CPU）管理：作业调度、进程调度
线性表是n（n≥0）个元素a1，a2，…，an 的有序集 合，ai在表中的位置仅取决于元素本身的序号i。 y 当1<i<n时，ai的直接前驱为ai-1，ai的直接后继为 ai+1 ，每个元素仅有一个直接前驱和一个直接后继。 y n为线性表的长度，长度为零的表称为空表。 y 同一表中的元素必定具有相同特性(属性)，都属于同 一数据对象。
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3.1.1 计算机控制系统软件基础（2）
y 计算机控制系统中软件的发展
小规模的、解决单一问题的应用程序 y 用于满足工业过程计算机控制不同规模控制系统的商 品化软件 y 规范化、系统化的软件工程程序设计方法
y
8
3.1.2 计算机控制系统软件构成（1）
y 系统软件
y y
计算机控制系统应用软件开发平台和操作平台
y 主要特点：
多用户、多任务 y 功能很强，但规模小，整个系统的代码量为一万行左 右 y 灵活性好、可移植性好，系统的核心是用程序是用C 语言编写的
y
31
3.2.4 常见操作系统（7）
模块性好，适应性强，系统功能分布于独立的模块之 中 y 树状文件结构 y 为用户提供了功能完备、使用方便的命令程序语言 shell，且系统具有完整的网络能力
具备丰富的自动控制理论知识和实际经验 y 深入了解计算机系统软件，包括操作系统、数据库等 y 既熟悉控制现场要求，又熟练掌握编程技术
y
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3.2 计算机操作系统
Computer Operation System
本节主要内容
y 3.2.1 操作系统基本概念 y 3.2.1 操作系统常见的专业术语 y 3.2.2 操作系统的功能和任务 y 3.2.2 操作系统的分类 y 3.2.3 常见操作系统
38
3.2.6 嵌入式操作系统
39
40
3.3 实用数据结构
Applied Data Structure
本节主要内容
y 3.3.1 数据结构的概念 y 3.3.2 线性表及其顺序存储结构 y 3.3.3 线性链表 y 3.3.4 堆栈和队列 y 3.3.5 数组和类型 y 3.3.6 结构和联合 y 3.3.7 数据文件
y
23
3.2.2 实时多任务操作系统（1）
y 实时多任务操作系统
y y y
就是能够执行多任务的实时操作系统 异步事件响应：要有异步I/O和中断处理能力
y 应具备的特征
切换时间 y 中断等待时间 y 优先级中断和调度 y 抢占式调度 y 同步
24
3.2.2 实时多任务操作系统（2）
y 实时多任务操作系统与批处理操作系统的区别
静态描述 y 进程是程序的运行活动，程序可脱离机器而长期存在，而进 程只在机器运行中临时存在 y 一个程序可以对应多个进程，一个进程也可以对应多个程序
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3.2.1 操作系统常见专业术语（2）
y 线程与进程
线程：指进程内的一个可独立执行的子任务，也是进 程内的一个可调度实体。 y 线程与进程的关系：
y 3.2 计算机操作系统
3.2.1 y 3.2.2 y 3.2.2 y 3.2.3
y
操作系统常见的专业术语 操作系统的功能和任务 操作系统的分类 常见操作系统
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目
3.3.1 y 3.3.2 y 3.3.3 y 3.3.4 y 3.3.5 y 3.3.6 y 3.3.7
y
录
数据结构的概念 线性表及其顺序存储结构 线性链表 堆栈和队列 数组和类型 结构和联合 数据文件
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3.2.1 操作系统的基本概念
15
3.2.1 操作系统的基本概念
16
3.2.1 操作系统的基本概念
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3.2.1 操作系统常见专业术语（1）
y 进程与程序
进程：可调度的指令集合及相关数据的一次运动活动 y 程序：指令集合及相关数据的静态概念 y “进程”与“程序”的区别
y
y 进程描述程序的动态行为，而程序是指令集合及相关数据的
y
大多数实时多任务操作系统CPU的负荷率应保证在 30%之内，这样CPU有足够的能力进行“即时” 响应 要求的实时响应时间随系统的要求而变化 Windows NT、OS/2、VMS等，具有很好的通用性、实 时性和可靠性。其中Windows NT应是实时操作系统的 主流
y 实时多任务操作系统与分时操作系统的区别
y 3.3 实用数据结构
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目
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y 3.4 计算机控制系统应用软件
3.4.1 计算机软件工程基础知识 y 3.4.2 应用软件设计 y 3.4.3 应用软件开发环境及平台 y 3.4.4 计算机控制系统应用软件设计
y 3.5 商品化的工业控制软件简介
3.5.1 商品化的工业控制软件简介 y 3.5.2 工业控制平台软件FIX y 3.5.3 柔性先进控制软件包FLACS
y
y 一个进程中可以有一个或多个线程，每个线程都有唯一的标
识符 y 同一进程中的各个线程共享分配给给进程的主存空间 y 进程作为资源分配单位，而线程作为调度和执行单位
19
3.2.1 操作系统的功能与任务（1）
y 操作系统
主要目的是控制与 管理计算机的硬件 y 和软件资源。合理 y 地组织计算机工作 y 流程，方便各种用 y 户使用计算机
多任务机制的微机操作系统，使微机操作开始进入 图形用户（GUI）阶段。 y Windows版本发展阶段
y y
第一阶段：需要MS-DOS的支持，有Window1.0、 windows2.0、windows3.0、windows3.1、windows3.2等
第二阶段：独立的、具有很多优良特性的操作系统， 有windows95/97/98等 y 第三阶段：windows NT网络操作系统 ，有 Windows NT4.0、 Windows 2000 Professional 、Windows 2000 Server和 Advanced Server、 Windows 2000 Datacenter Server等
42
3.3.1 数据结构的概念（1）
y 数据结构学科
y
是计算机科学的一门专门学科，研究的是数据元素之 间的逻辑关系，即数据的逻辑结构
y 有关名词
数据（data） y 数据元素（data element） y 数据对象（data object）
y
43
3.3.1 数据结构的概念（2）
y 数据结构的描述
规范服务性程序
y 如报表打印输出、报警输出、算法运行、各种画面显示等
辅助程序
y 接口驱动程序、检验程序、设备自诊断程序等
10
3.1.3 计算机控制系统软件功能（1）
y 计算机控制系统的整个组成
y y
硬件是基础，而过程控制系统软件是整个系统的关键 系统组态程序、前台控制程序、后台显示、打印、管 理程序以及过程数据库等 实时数据采集、闭环控制输出、逻辑控制、报警监视、 画面显示和报表输出、可靠性措施、管道功能、数据 通信、应用功能等
y
45
3.3.2 线性表及其基本运算（2）
y 线性表的基本运算
y 过程控制系统软件组成
y 控制系统软件实现的功能
y
11
3.1.3 计算机控制系统软件功能（2）
y 衡量一个过程控制系统软件性能优劣的主要指标
系统功能是否完善，能否提供足够多的控制算法 y 系统内各种功能能否完善地协调运行 y 人机接口是否良好 y 系统的可扩展性能如何
y
y 对过程控制系统软件设计者的要求
y
5
3.1 计算机控制软件概述
Introduction of Computer Control System Software
3.1.1 计算机控制系统软件基础（1）
y 计算机应用系统中的软件
系统软件 y 工具软件 y 应用软件
y
y 数据收集部分 y 数据分析部分 y 输出控制部分 y 监督部分