一、第 1 章 计算机基础知识

1-1 计算机概述

• 诞生于 20 世纪中叶的数字电子计算机是现代科学技术发展的必然产物，它的出现是 20世纪最伟大的科学技术成就之一。
• 现代的数字电子计算机是一种能够根据程序指令的要求，高速、准确、自动地进行数值运算和逻辑运算，以完成对各种数字化信息的处理，并具有记忆存储功能的电子设备。

1-1-1 计算机的产生与发展

（一）计算工具的发展

• 在近代计算机技术的发展中，起奠基作用的是 19 世纪的英国数学家查尔斯·巴贝奇，他于 1822 年设计的差分机（见图 1.1(b)），是最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。1834年巴贝奇又提出了分析机（见图 1.1 ©）的设计。巴贝奇设计的分析机采用了三个具有现代意义的装置：使用齿轮式装置保存数据的寄存器；从寄存器中取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法运算以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。虽然受当时科学技术条件和机械制造工艺水平的限制未能最终实现，但分析机的结构组成和设计思想成为现代电子计算机的雏形，巴贝奇也因此被国际计算机界公认为“计算机之父”。
  

（二）现代计算机的发展

• 在现代计算机科学的发展中，有两个最杰出的代表人物。一个是现代计算机科学的奠基人，英国科学家艾兰·图灵（AlanMathison Turing，1912 年～1954 年）。图灵在计算机科学方面的主要贡献有两个：一是建立了图灵机（TuringMachine，TM 机）的理论模型，对计算机的一般结构、可实现性和局限性都产生了深远的影响，奠定了可计算理论的基础。二是提出了定义机器智能的图灵测试（Turing Test），奠定了人工智能的理论基础。
• 另一个是也被称为“计算机之父”的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Johon Von Neumann，1903 年～1957 年）。他在参与研制 EDVAC（Electronic Discrete Variable AutomaticComputer，电子离散变量自动计算机）时，提出了“存储程序”的概念，并以此概念为基础确定了计算机硬件系统的基本结构。“存储程序”的工作原理也因此被称为冯·诺依曼原理。60 多年来，虽然现代的电子计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式和应用领域等各个方面与早期的电子计算机有了极大的差别，但基本结构和工作原理并没有改变，仍属于冯·诺依曼式计算机。

（三）计算机的分代

• 根据制造电子计算机所使用的电子器件的不同，通常将电子计算机的发展划分为电子管、晶体管、集成电路以及大规模集成电路等四个时代

  ⑴ 第一代计算机（1946 年～1957 年）
  通常称为电子管计算机时代。电子管计算机因为体积庞大、笨重、耗电量大、运行速度慢、工作可靠性差、难以使用和维护，且造价极高，所以主要用于军事领域和科学研究工作中的科学计算。
  特点：
  》① 采用电子管作为计算机的基本逻辑开关部件，运算速度仅为每秒数千次至数万次。
  》② 内存储器采用水银延迟线、磁芯等，容量仅有几 KB。
  》③ 外存储器和设备使用卡片、穿孔纸带、磁鼓、磁带等。
  》④ 软件在早期只有机器语言，50 年代中期开始使用汇编语言，尚无操作系统。
  ⑵ 第二代计算机（1958 年～1964 年）
  通常称为晶体管计算机时代。晶体管计算机的体积减小、重量减轻、耗电量减少、可靠性增强、运算速度提高。应用范围已从军事和科研领域中单纯的科学计算扩展到了数据处理和事务处理。
  特点：
  》① 采用半导体晶体管作为计算机的逻辑开关部件，运算速度达到每秒几十万次。
  》② 内存储器普遍采用了磁芯存储器，容量达到了几十 KB。
  》③ 外存储设备主要使用磁带、磁盘等。
  》④ 软件出现了多种高级语言如 Fortran，Cobol，Algol 等，并提出了操作系统的概念。
  》⑶ 第三代计算机（1964 年～1970 年）
  通常称为集成电路计算机时代。集成电路计算机的体积、重量、耗电量进一步减少，可靠性和运算速度进一步提高。开始应用于科学计算、数据处理、过程控制等多方面领域。软硬件都向通用化、标准化、系列化方向发展。
  特点：
  》① 开始采用中、小规模的半导体集成电路作为逻辑开关部件，运算速度达到了每秒几百万次。
  》② 内存储器开始使用半导体存储器，容量达到了几千 KB。
  》③ 外存储设备仍以磁带、磁盘为主，外部设备的种类增加。
  》④ 高级程序设计语言有很大发展，出现了结构化的程序设计方法，会话式语言（如BASIC 语言），以及操作系统和数据库管理系统等。
  ⑷ 第四代计算机（1971 年～至今）
  通常称为大规模、超大规模集成电路计算机时代。随着集成电路集成度的大幅度提高，计算机的体积、重量、功耗急剧下降，而运算速度、可靠性、存储容量等迅速提高。多媒体技术蓬勃兴起，将文字、声音、图形、图像各种不同的信息处理集于一身。计算机的应用已广泛地深入到人类社会生活的各个领域，特别是计算机技术与通信技术紧密结合构建的计算机网络，标志着计算机科学技术的发展已进入了以计算机网络为特征的新时代。
  特点：
  》① 采用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关部件，运算速度已达到了每秒百万亿次。
  》② 作为内存储器的半导体存储器，集成度越来越高，容量越来越大。
  》③ 外存储设备中的软、硬磁盘，磁带的容量不断提高，并出现了高容量的光盘等。
  》④ 各种新型的输入／输出设备不断涌现，如鼠标器、激光打印机、声卡、扫描仪、绘
  图仪、手写板、数码相机等。
  》⑤ 随着操作系统的不断完善、发展以及数据库技术的进一步发展，软件行业已成为一种新型的现代化工业。各种操作系统、应用软件层出不穷。如微机操作系统、GUI 界面操作系统和网络操作系统等；面向对象的、可视化的多种高级语言，如 C++、Visual Basic、Java等。
  ⑸ 未来新型计算机
  》① 光子计算机
  光子计算机是利用光信号进行数据运算、处理、传输和存储的新型计算机。在光子计算机中，以光子代替电子，用不同波长的光代表不同的数据，远胜于电子计算机中通过电子的“0”、“1”状态变化进行二进制运算。
  但尚难以进入实用阶段。
  》② 量子计算机
  量子计算机是根据量子力学原理设计，基于原子的量子效应构建的完全以量子比特为基础的计算机。它利用原子的多能态特性表示不同的数据，从而进行运算。
  》③ 生物计算机
  生物计算机即脱氧核糖核酸（DNA）分子计算机，主要由生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片构成，通过控制 DNA 分子间的生化反应来完成运算。

（四）计算机新技术的发展

• ⑴ 嵌入式技术

  嵌入式技术是将计算机作为一个基本信息处理部件，嵌入到应用系统中的一种技术。嵌入式技术将软件固化集成到硬件系统中，从而使硬件系统和软件系统一体化。嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化和响应速度快等特点，其应用越来越广泛。例如各种智能化的自动监测仪器、检测仪表，家用电器的电冰箱、自动洗衣机、数码相机、数字电视机中均广泛
  应用了嵌入式技术。

• ⑵ 网格计算

  网格计算是专门针对复杂科学计算的一种新型计算模式。这种计算模式利用 Internet 技术将分散在不同地理位置的计算机系统组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中的每一台参与运算的计算机就是一个“节点”，而整个系统就是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，因此这种计算方式称为“网格计算”。这样组织起来的“虚拟超级计算机”有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能充分利用网络上闲置的处理能力。

• ⑶ 中间件技术

  顾名思义，中间件技术世界与应用软件和操作系统之间的一类系统软件。构成中间件的这些组件基于某种标准，是通用的，所以它们可以被重用。应用程序可以使用中间件提供的应用程序接口调用组件，完成所需的操作。
  
  》如 Web 技术：在这种模式中，IE 浏览器若要访问数据库，需将请求发送给 Web 服务器，再被转送给中间件，最后送到数据库系统。得到结果后，又通过中间件、Web 服务器返回给浏览器。在这里，中间件是 CGI（Common Gateway Interface，公共网关接口）、ASP（Active Server Page，动态服务器主页）或 JSP（Java Server Page，Java 服务器主页）等。
  

1-1-2 计算机的特点、分类、应用

（一）计算机的特点

⑴ 运算速度快
⑵ 运算精度高
⑶ 具有记忆能力：计算机具有记忆（存储）信息的能力，可存储大量的数据和程序，并将处理或计算结果保存起来。这也是电子计算机区别于其它计算工具的基本特点。
⑷ 具有逻辑判断能力
⑸ 运行过程自动化
⑹ 可靠性高
⑺ 通用性好

（二）计算机的分类

⑴ 根据工作原理分类：分为数字电子计算机和模拟电子计算机。
⑵ 根据用途分类：分为通用计算机和专用计算机
⑶ 根据性能指标等分类：可以分为超级计算机、大型计算机、高档工作站、个人计算机、便携式
计算机、平板计算机、单片计算机等。

（三）计算机的应用

1．科学计算
2．信息处理
3．过程控制
4．计算机辅助工程
6．计算机网络
7．电子商务

1-2 计算机与信息

• 计算机的主要功能是进行数值运算、信息处理和信息存储。在计算机中对表示数值、文字、声音、图形、图像等各类信息的数据所进行的运算、处理与存储，是由复杂的数字逻辑电路完成的。

1-2-1 信息技术概述

（一）信息与数据介绍

• ⑴ 数据

  用于表达、描述、记录客观世界事物与现象属性的某种物理符号。数据不仅具有描述事物特性的具体数据内容，而且具有能够记录和存储的某种具体表现形式。
  数据不仅包括数字、文字、字母和各种特殊符号等文字数据，还包括图形、图像、动画、影像、声音等各种多媒体数据。但使用最多、最基本的仍然是文字数据。

• ⑵ 信息

  是客观世界事物与现象属性的反映，是经过加工处理，并对人类的客观行为产生影响的具有知识性的有用数据。数据与信息在很多场合被认为是同义的，但实际上它们之间是有区别的。数据是信息的载体，是记录信息的符号，任何客观事物与现象的属性都可以用数据来表示。

• ⑶ 信息处理

  信息处理的目的是从大量的原始数据中获得人们所需的有用数据，为做出正确的决策提供依据。

（二）信息技术

• 材料、能源和信息是构成现代社会发展的三大要素。材料和能源资源是有限的，而信息则几乎是不依赖于自然资源的资源。信息资源的利用极大地扩展了人类的智力能力。

  ⑴ 信息感测技术，即获取信息的技术。如传感技术、遥感技术、遥测技术等。现代感测技术不仅能替代人的感觉器官捕获各种信息，而且能捕获人类感觉器官所不能感知的信息。
  ⑵ 信息传输技术，就是通信技术。其功能是使信息能在广阔的范围内迅速、准确、有效地传递。
  ⑶ 信息控制技术，就是利用信息传递和信息反馈来实现对目标系统进行控制的技术。
  ⑷ 信息存储技术，各种用于保存信息的技术。从远古时期的岩画、甲骨文，到近、现代发明的纸质图书、照片、电影胶片、录音磁带、录像磁带、磁盘、光盘等等都是信息存储
  介质，与它们相对应的技术便构成了各种信息存储技术。
  ⑸ 信息处理技术，是指对获取的信息进行识别、转换、加工，使信息安全地存储、传输，并能方便地检索、统计、利用，或便于人们从中提炼知识、发现规律的各种技术。

• 现代信息技术的特点：⑴ 数字化。⑵ 多媒体化。⑶ 网络化。⑷ 智能化。

1-2-2 计算机中信息的表示与存储

（一）知识背景

（1） 进位计数制

• 数制：是指用一**组固定的数字或者文字符号（称为数码），和一套统一的规则来表示数值大小的方法。**我们日常生活中使用的通常都是进位计数制

  ⑴ 非进位计数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关的计数体制称之为非进位计数制。
  ⑵ 进位计数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置有关，采用进位原则的计数体制称为进位计数制。

• 常见的一些进位计数制：

  ① 十进制：是最常用的计数法，其特点是共有十个数码，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，逢十进一。
  ② 六十进制：计量时间的时、分、秒；计量角度的度、分、秒，均为逢六十进一。
  ③ 二十四进制：计量时间的每日二十四小时，逢二十四进一。
  ④ 十二进制：计量时间的年、月；十二小时计时制；英制计量单位，均为逢十二进一。
  ⑤ 二进制：对、双、副，逢二进一。
  
  

• 构成进位计数制的三个要素：

  • 各种进位计数制都具有一些共同特点：使用了固定数量的若干个数码；在一个数中，同一个数码处在不同的位置上表示的数值的大小不同。因此，可以得到构成进位计数制的三