第1章 计算机基础知识
计算机发展史、分类和应用领域
数值、字符、汉字和图像编码
计算机组成和原理
计算机安全基础知识
1.1 计算机概述
计算机技术的迅猛发展，促使人类走向丰富多彩的信息社会。信息时代的生产方式和生活方式具有数字化、集成化、智能化、移动化、个性化等特点。
1.1.1 计算机的发展
世界上第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年2月15日诞生在美国宾夕法尼亚大学。它奠
定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元，标志着人类第三次产业革命的开始。
ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。
在推动计算机发展的众多因素中，电子元器件的发展起着决定性的作用，计算机系统结构和计算机软件技术的发展也起了重大的作用。从生产计算机的主要技术来看，计算机的发展过程可以划分为四个阶段，如表1-1所示。
表1-1 计算机发展历程
发展阶段 | 时间 | 电子 元器件 | 投资软环境 存储器 | 内存 容量 | 运算速度 | 软件 |
第一代 | 1946年— 1958年 | 电子管 | 内存采用水银延迟线；外存采用磁鼓、纸带、卡片等 | 几千 字节 | 每秒几千次到几万次基本运算 | 机器语言、汇编语言 |
续表
发展阶段 | 时间 | 电子 元器件 | 存储器 | 内存 容量 | 运算速度 | 软件 |
第二代 | 1958年—1964年 | 晶体管朱军被央视除名 | 磁芯、磁盘、磁带等 | 几十万 字节 | 每秒几十万次基本运算 | FORTRAN、 ALGOL-60、 COBOL |
第三代 | 1964年—1975年 | 集成电路 | 半导体存储器 | 几百K 字节 | 每秒几十万到几百万次基本运算 | 操作系统逐渐 成熟 台湾娱乐新闻 |
第四代 | 1975年至今 | 大规模集 成电路 | 集成度很高的半导体 存储器 | 几百兆 字节 | 每秒几百万次甚至上亿次基本运算 | 数据库系统、分 布式操作系统等，应用软件的开发 |
随着计算机应用的广泛深入，又向计算机技术本身提出了更高的要求。当前，计算机的发展表现为4种趋向：巨型化、微型化、网络化和智能化。
1.1.2 计算机的分类
按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法，计算机可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机和网络计算机。
1．巨型机
巨型机又称超级计算机，是所有计算机类型中价格最贵、功能最强的一类计算机，其浮点运算速度已达每秒万亿次。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能；二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由100台以上的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一个课题，来达到高速运算的目的。美国、日本是生产巨型机的主要国家，俄罗斯及英国、法国、德国次之。我国在1983年、1992年、1997年分别推出了银河Ⅰ、银河Ⅱ和银河Ⅲ，进入了生产巨型机的行列。
2．大型通用机
大型通用机相当于国内常说的大型机和中型机，国外习惯上称为主机。近年来大型机采用了多处理、并行处理等技术，其内存一般为1GB以上，运行速度可达300～750MIPC（每秒执行3亿至7.5亿条指令）。大型机具有很强的管理和处理数据的能力，一般在大企业、银行、高校和科研院所等单位使用。
3．小型机
小型机的机器规模小、结构简单、设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。它们已广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。近年来，小型机的发展也引人注目，特别是出现了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）体系结构。
RISC的思想是把那些很少使用的复杂指令用子程序来取代，将整个指令系统限制在数量甚少的基本指令范围内，并且绝大多数指令的执行都只占一个时钟周期，甚至更少，优化编译器，从而提高机器的整体性能。
4．微型机
微型机技术在近十年内发展迅猛，更新换代快。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统，多媒体技术等领域，并且开始成为城镇家庭的一种常规电器。现在除了台式微型机外，还有膝上型、笔记本、掌上型、手表型等微型机。
5．工作站
工作站是一种高档微型机系统。它具有较高的运算速度，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力，且兼有微型机的操作便利和良好的人机界面。其最突出的特点是具有很强的图形交互能力，因此在工程领域特别是计算机辅助设计领域得到迅速应用。典型产品有美国Sun公司的Sun系列工作站。
6．网络计算机
专为计算机网络作为客户机使用的计算机，简称NC，它是在互联网充分普及和Java语言推出的情况下提出的一种全新概念的计算机。根据IBM、Oracle和Sun公司共同制定的网络计算机参考标准，NC是一种使用基于Java技术的瘦客户机系统，它提供了一个混合系统，在
这个混合系统中，根据不同的应用建立方式，某些应用在服务器上执行，某些应用在客户机上执行。
1.1.3 计算机的应用
计算机主要具备以下几方面的特点：
（1）运算速度快
计算机的CPU采用超大规模集成电路，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且，其运算速度还以每隔几年提高一个数量级的水平不断发展。
（2）存储容量大
存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地写入或读出这些信息。计算机的应用使得从浩如烟海的文献、资料、数据中查信息并且处理这些信息成为容易的事情。例如，一台普通PC机就可以把一个大型图书馆内的所有文献资料保存起来，并且能够实现快速查。
（3）具有逻辑判断能力
计算机能够根据各种条件来进行判断和分析，从而决定以后的执行方法和步骤。还能够对文字、符号、数字的大小、异同等进行判断和比较，从而决定怎样处理这些信息。计算机被称为“电脑”，便是源于这一特点的。
（4）高度自动化情人节送男友什么好
计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。
另外，计算机还具有运算精度高、工作可靠等优点。正是由于具备这些优点，计算机的应用十分广泛，根据工作方式的不同大致可以分为以下几个方面：
（1）数值计算
在科学研究和工程设计中，存在着大量繁琐、复杂的数值计算问题，穷尽几代人的精力也
无法得到最终的结果，因此人们发明了计算机。数值计算是计算机的第一个应用领域，高速度，高精度地解算复杂的数学问题正是电子计算机的专长，时至今日，它仍然是计算机应用的一个重要领域。
（2）数据处理
数据处理又叫做非数值计算，就是利用计算机来加工、管理和操作各种形式的数据资料。与数值计算不同的是，数据处理着眼于对大量的数据进行综合和分析处理。一般不涉及复杂的数学问题，只是要求处理的数据量极大而且经常要求在短时间内处理完毕。例如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算、信息情报检索等。
近年来出现的管理信息系统（MIS）、制造资源规划软件（MRP）、电子信息交换系统（EDI）等都属于数据处理领域。
（3）实时控制
实时控制岳红主演的电视剧也叫做过程控制，就是用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。实时控制不仅可提高生产
自动化水平，同时也能提高产品的质量、降低成本、减轻劳动强度、提高生产效率。例如，仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。实时控制广泛应用于化工、电子、钢铁、石油、火箭和航天等领域。
（4）计算机辅助系统
计算机辅助系统包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助教学（CAI）等。
计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。目前，这种技术已广泛地应用于机械、船舶、飞机和大规模集成电路版图等方面的设计。利用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。例如，计算机辅助制图系统提供了一些最基本的作图元素和命令，在这个基础上可以开发出适合不同部门应用的图库。
计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，大大改善制造人员的工作条件。
计算机辅助测试（CAT）是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作。
计算机辅助教学（CAI）指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学习的自动化系统，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。
（5）模式识别与智能系统
是一种计算机在模拟人的智能方面的应用。例如，根据频谱分析的原理，利用计算机对人的声音进行分解、合成，使机器能辨识各种语音，或合成并发出类似人的声音。又如，利用计算机来识别各类图像、甚至人的指纹等。
综上所述，计算机可以自动高效地处理输入的各类信息，如数值、文字、图像、语音等，然后输出结果。
早期的计算机由于受自身性能等各方面条件的限制，其应用领域比较单一，主要集中在数值计算。随着业务需求和计算机技术的进步，计算机已经渗透到社会的各个领域，并且朝着综合性应用的方向发展。例如，一个大型企业的信息管理系统（MIS系统），可以包括多个子系统，如销售管理系统、生产管理系统、财务管理系统、人事管理系统、工程设计
张云雷坠楼事件系统等，有些子系统主要是用来进行数据处理的，有些主要是用来进行自动控制的，有些既有复杂的数值计算功能，又有强大的数据处理能力。
1.2 数据在计算机中的表示
计算机的基本功能是对数进行加工和处理。数在计算机中是以器件的物理状态来表示的。一个器件的两种不同的稳定状态就可以用来表示一位二进制数。因此，二进制的表示最简单而且可靠。另外，二进制的运算规则也最简单。所以计算机中的数用二进制0和1表示。
1.2.1 数制转换
1．进位计数制
按进位的原则进行的计数方法称为进位计数制。
在采用进位计数的数字系统中，如果用r个基本符号（例如0，1，2，…，r-1）表示数值，则称其为基r数制（Radix-r Number System），r称为该数制的基（Radix）。如日常生活中常用的十进制数，就是r=10，即基本符号为0，1，2，…，9。如取r=2，即基本符号为0、1，则为二进制数。
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