第1章概论_甜梦文库|文库百度|百度文库下载|百度文档|新浪文库|豆丁文库|冰点文库|文库宝|免费下载百度文库
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第1章 概论主要内容及要求: 主要内容及要求: 及要求了解计算机及信息技术的发展、未来新型计算机； 了解计算机的类型及不同应用领域的特点； 了解计算机技术的发展趋势； 理解计算机的基本工作原理； 掌握信息技术的基础知识； 了解计算机在信息社会中的主要应用。1.1 计算机的诞生与发展如同历史上的许多发明一样， 计算机也是在前人的劳动成果基础之上研制成功的， 因此， 历史学家很难确定计算机诞生的准确年代。 尽管这样， 但是追踪计算机的发展历史确是一件 十分有用的事情。 因为我们对计算机历史的了解将助于理解当今数字计算机的设计思想与性 能。1.1.1 计算和计算工具的发展1．手动计算工具人类进行计算的历史应该追溯到使用石子和手指计数的远古时代。 在有史料记载之前， 人类 便开始利用诸如鹅卵石、 有刻痕的小棍等辅助工具来记录数量。 例如羊群中羊的数目或者从 商人那里买到的布匹的数量等等。计算是基于算法的，所谓算法就是计算中所依据的方法。 随着社会的进步，人类使用的计算工具越来越复杂，计算的方法也越来越巧妙。在大约六七 百年前，中国人发明了算盘（如图 1-1（a）所示）这种计算工具。算盘由装在矩形框内的小 棍以及放入棍中的珠子组成，每个珠子表示一个数量。在计算过程中，算盘作为计算设备， 珠算口诀便是计算过程中的算法。(a) 算盘 图 1-1 算盘和计算尺(b) 计算尺1621 年，英国数学家 William Oughtred 研制了最初的计算尺。如图 1-1(b)所示，自 20 世纪 60 年代起，计算尺就一直作为一项基本计算工具被学生、工程师和科学家使用。2．机械计算工具像算盘、计算尺这样的手动计算工具需要使用者应用算法进行计算。不同的是，机械计算工具则是机器自动应用算法。使用机械计算工具时，使用者只需输入需要计算的数，然后拉动 摇杆或者转动转轮就可实施计算，基本上不需要作太多的操作。 1623 年，德国教授契克卡德（W. Schickard）用一系列互相咬合的齿轮制造了一台机械式计 算工具（如图 1-2 所示） 。齿轮上的十根辐条分别表示一个数字。每当一个齿轮转过一周的 时候，就会将左边的齿轮活动一格，并刻个痕表示一位。类似的机制被用来改进汽车的里程 表。图 1-2 契克卡德机械式计算器图 1-3 布莱斯·帕斯卡齿轮式加减法器1642 年法国物理学家布莱斯·帕斯卡 B.Pascal） （ （） 发明了齿轮式加减法器； 1673 年德国数学家莱布尼兹 （G.Leibnitz） （） 制成了机械式计算器， 可以进行乘除运算。 以上这些事件对计算机的产生与发展都具有不可替代的历史作用。 这些发明在灵巧性上有些 进步，但都无一例外，没有突破手工操作的局限。它们或人工，或机械，而不是电子的（或 机电的） 。 直到 19 世纪 20 年代，英国剑桥大学数学家查尔斯?巴贝奇（C.Babbage） （）才取 得突破，从手动机械跃入机械自动时代。巴贝奇提出了自动计算机的基本概念：要使计算机 能自动进行计算， 必须把计算步骤和原始数据预先地存放在机器内， 并使计算机能取出这些 数据，在必要时能进行一些简单的判断，决定自己下一步的计算顺序。巴贝奇提出的关于计 算机的构想，具有输入、处理、存储、输出及控制五个基本装置，而这些正是现代意义上的 计算机所必备的。他还分别于 1823 年和 1834 年设计了一台差分机（如图 1-4 所示）和一台 分析机，提出了一些创造性的建议，从而奠定了现代数字计算机的基础。由于巴贝奇的贡献 最大，因而被国际计算机界称为“计算机之父” 。图 1-4 查尔斯?巴贝奇设计的差分机图 1-5 赫尔曼·霍列瑞斯电动计算机1884 年，美国人口普查局的统计学家赫尔曼·霍列瑞斯（H.Hollerith）博士，制造了第一台 电动计算机，采用穿孔卡和弱电流技术进行数据处理，在美国人口普查中大显身手。3．计算机原型“计算机是谁发明” 这个问题并没有一个明确的答案， 因为现代数字计算机是从不同团体开 发出的多个原型演化而来的。1937 年到 1942 年之间，衣阿华州立大学数学物理教授阿坦那 索夫（John V.Atanasoff）和一个研究生贝瑞 （Cifford E.Berry）致力于一个电子计算机的原 型开发。Atanasoff-Berry Computer(ABC)首先采用了真空管替代机械式开关，同时它结合了 二进制系统的设计理念。如图 1-6 所示，ABC 通常被认为是最早的电子数字计算机。 在 Atanasoff 忙于 ABC 的时候，德国工程师 Konrad Zuse 研制了一台称为 Z3 的计算机，与ABC 类似，它也是采用了二进制系统。图 1-6ABC图 1-7 马克 1 号美国哈佛大学应用数学教授霍华德·阿肯受巴贝奇思想启发，在 1937 年得到美国海军部的 经费支持，开始设计“马克 1 号” （由 IBM 承建） ，如图 1-7 所示，于 1944 年交付使用。 “马 克 1 号”采用全继电器，长 51 英尺、高 8 英尺，看上去像一节列车，有 750000 个零部件， 里面的各种导线加起来总长 500 英里。总耗资约四五十万美元。 “马克 1 号”做乘法运算一 次最多需要 6 秒，除法 10 多秒。运算速度不算太快，但精确度很高（小数点后 23 位） 。1.1.2 计算机诞生的重要理论与许多伟大的发明一样，计算机的发明同样有其坚实的理论基础。 1847 年，英国数学家布尔(George Boole)发表了《The Mathematical Analysis of Logic》(逻辑 的数学分析)一文，设计了一套用来表示逻辑理论中一些基本概念的符号，用“l”和“0” 两个数字表示信号的有和无、命题的真和假，并建立了应用这些符号进行运算的法则，把形 式逻辑归结为一种代数运算，从而建立了逻辑代数(布尔代数）为现代计算机提供了重要的 理论基础。在布尔理论的基础上，经过许多人的发展，形成了一个新的数学分支——数理逻 辑，它成为现代计算机逻辑设计的重要数学工具。 1936 年，年仅 24 岁的英国数学家图灵(Alan M.Turing)，如图 1-8 所示，发表了著名的《On Computer numbers with an Application to the Entscheidungs-problem》一文(《论可计算数及其在判定问题中的应 用》)，提出了一种描述计算步骤的数学模型。根据这种模型，可制造 一种十分简单、运算能力极强的计算装置。图灵把人在计算时所做的 工作分解成若干个简单的动作。与人的计算类似，机器需要完成如下 步骤： ① 存储器，用于存储计算结果； 图 1-8 阿兰·图灵 ② 一种语言，用来表示运算和数字； ③ 扫描，得到输入的内容； ④ 计算意向，即在计算过程中下一步打算做什么； ⑤ 执行下一步计算。 具体到每一步计算，则分成： ① 改变数字和符号； ② 扫描区改变，如往左进位和往右添位等； ③ 改变计算意向等。 图灵在他的计算模型中还采用了二进位制。这样，他就把人的工作机械化了。这种理想 中的机器被称为“图灵机” 。图灵机是一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数。图灵 机由一个控制器、 一条可以无限延伸用于记录运算动作和运算数据的带子以及一个在带子上 左右移动的读写头组成。 这个在概念上如此简单的机器， 理论上却可以计算任何直观可计算函数。图灵在设计了上述模型后提出，凡可计算的函数都可用这样的机器来实现，这就是著 名的图灵论题。 美国数学家香农(C1aude Elwood Shannon)，如图 1-9 所示，于 1938 年发表了著名的论 文《继电器和开关电路的符号分析》 ，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数 的逻辑运算可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电 路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。香农在贝尔实验室工作中进一步证明， 可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机， 香农的理论还为计算机具 有逻辑功能奠定了基础， 从而使电子计算机既能用于数值计算， 又具有各种非数值应用功能， 使得以后的计算机几乎在任何领域都有广泛的应用。 尽管图灵机就其计算能力而言， 可以模拟现代任何计算机。 甚至图灵机还蕴含了现代存储程 序式计算机的思想(图灵机的带子可以看作是具有可擦写功能的存储器)，但是它毕竟不同于 实际的计算机，在实际计算机的研制中还需要有具体的实现方法与实现技术。 在图灵机提出后不到十年，美国普林斯顿研究院的冯·诺依曼(Von Neumann)博士，如 图 1-10 所示，在他的一篇论文中，提出计算机工作原理为： “存储程序，顺序控制。 ”其基 本思想是：(1) 计算机可以使用二进制；(2)计算机的指令和数据都可以存储在机内。存储器 原来只保存数据，计算机执行指令时由存储器取数据，计算结果存回存储器。冯·诺依曼提 出将程序存人存储器，由计算机自动提取指令并执行，循环地做。这样计算机就可以摆脱外 界拖累(而不用再连接线路)，以自己的速度(电子电路的速度)自动运行了。图 1-9香农图 1-10 冯·诺依曼冯· 诺依曼提出的 “存储程序原理” 导致现代意义的计算机诞生。 ， 经过不断努力， 诺 冯· 依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理； 主要由 5 部分组成： 存 储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。明确地反映出现代电子数字计算机的存储程 序控制原理和基本结构， 创立了一个所有数字式计算机至今仍遵循的范式， 对以后的计算机 发展产生了深远的影响。今天，人们把具有这样一种工作原理和基本结构的计算机统称为 “冯· 诺依曼型计算机” 由于他在计算机领域的杰出贡献， 。 许多人尊称他为 “计算机之父” 。第一台电子计算机（ENIAC） 1.1.3 第一台电子计算机（ENIAC）的诞生世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰·莫克利（John W.Mauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（J.Presper Eckert）领导研制的取名为 ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator 电子数值积分计算机）的计算机，如图 1-11 所示。 1942 年在宾夕法尼亚大学任教的莫克利提出了用电子管研制计算机的设想，这一方案得到 了美国陆军弹道研究所高尔斯特丹（Goldstine）的关注。当时正值第二次世界大战之际，新 武器研制中的弹道问题涉及许多复杂的计算， 单靠手工计算已远远满足不了要求， 急需自动计算的机器。于是在美国陆军部的资助下，1943 年开始 了 ENIAC 的研制， 并于 1946 年（这个里程碑的年份） 完成。当时它的功能确实出类拔萃，例如它可以在一秒 钟内进行 5000 次加法运算， 毫秒便可进行一次乘法运 3 算，与手工计算相比速度大大加快，60 秒钟射程的弹道 计算时间由原来的 20 分钟缩短到 30 秒。但它也明显存 在着缺点。它体积庞大，ENIAC 装有 16 种型号的 17468 个电容器，8 英尺高，3 英 尺宽，100 英尺长，机器被安装在一排 2.75 米高的金属 柜里，占地面积为 170 平 方米左右，总重量有 30 吨，运行时耗电量很大。另外，它的存储容量很小，只能存 20 个字 长为 10 位的十进位数，而且是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要靠人工改 接连线，准备时间大大超过实际计算时间。 尽管如此，ENIAC 的研制成功还是为以后计算机科学的发展提供了契机，而克服它的每一 个缺点，都会对计算机的发展带来很大影响。其中影响最大的要算是“程序存储”方式的采 用。 计算机的历史告诉我们， 计算机从早期仅仅是进行计算的这么一台电子设备， 发展成为具有 多种功能的计算设备， 以至于人们很难总结出计算机的普遍特点， 准确的给计算机下一个定 义。 我们只好就计算机最核心的特点给出一个较为全面的定义， 计算机是在存储的指令控制 下，接受输入、处理数据、存储数据并产生输出的电子设备。 计算机的输入是指数据送入计算机系统。 计算机能接受多种类型数据的输入， 例如用于 计算的数字，图形、文档里的单词和符号、来自麦克风的音频信号以及计算机程序等等。输 入设备(例如键盘或鼠标)收集输入信息，并把它们转化成一系列电信号以备计算机存储或操 作。只电子管、1500 个电子继电器、70000 个电阻器、18000用输入设备接收信息CPU 依指令处理数据用输出设备输出结果用外存长期存储数据计算机能存储数据以便对数据作进一步的处理。 大部分计算机通常可用不同的介质存储 数据。 内存是计算机中等待处理的数据的临时存放处。 外存储器用于长期存储那些不需要立 即处理的数据。 输出是指计算机将处理的结果传送出来。输出的形式包括文档、音乐、图形和图片等。输出 设备能够显示、打印或传送处理结果。图 1-12 可以帮助你了解计算机的输入、存储以及输出流程。未来的 1.1.4 未来的计算机计算机中最重要的核心部件是集成电路芯片，芯片制造技术的不断进步是 50 年来推动计算 机技术发展的最根本的动力。 目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造， 即让光线透过刻有线路 图的掩膜照射在硅片表面以进行线路蚀刻的技术。 当前主要是用紫外光进行光刻操作， 随着 紫外光波长的缩短， 芯片上的线宽将会继续大幅度缩小， 同样大小的芯片上可以容纳更多的 晶体管，从而推动半导体工业继续前进。但是，当紫外光波长缩短到小于 193nm(蚀刻线宽 m 0.18μ )时，传统的石英透镜组会吸收光线而不是将其折射或弯曲。为此，研究人员正在研 究下一代光刻技术 NGL(next generation 1ithography)，包括极紫外(EUV)光刻、 离子束投影光 刻技术(ion projection 1ithography，IPL)、SCALPEL(角度限制投影电子束光刻技术)以及 X 射线光刻技术。 然而，以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，由于存在磁场效应、热效应、量 m 子效应以及制作上的困难，当线宽低于 0.1μ 以后，就必须开拓新的制造技术。那么，哪些 技术有可能引发下一次的计算机技术革命呢? 现在看来有可能采用的技术至少有 4 种：纳米技术、光技术、生物技术和量子技术。应 用这些技术的计算机从目前来看达到实用的可能性还很小， 但是这些技术又具有引发计算机 技术革命的潜力，这就使它们逐渐成为了人们研究的焦点。 1．光计算机 自由空间光学技术的原理非常简单。 首先， 将硅片内的电子脉冲转换为极细的闪烁光束， “接通”表示“l”“断开”表示“0” ， 。然后，将数据流通过反射镜和棱镜网络投射到需要 数据的地方。在接收端，透镜将每根光束聚焦到微型光电池上，由光电池将闪光恢复成一系 列电子脉冲。 当芯片的速度越来越快时， 计算所花费的时间已经不取决于数据的处理过程， 而是取决 于移动数据的过程。传统铜线电信号移动的速度是有限的。随着数据传输的速度越来越快， 内部连线越来越细， “l”与“0”之间的区别开始模糊。此外，传输电信号的导线还向附近 辐射干扰信号，如何屏蔽这些干扰信号尤为重要。光子的速度是 30 万 km／s，光开关的转 换速度要比电子开关快数千倍， 甚至几百万倍。 更重要的是光子不像带电的电子那样相互作 用， 光信号之间可毫无干扰地沿着各自通道或并行的通道传送。 光计算机能并行处理大量数 据，用全息的或图像的方式存储信息，从而大大增加了容量。尤其值得一提的是光无须物理 连接，光计算机中利用反射镜、棱镜、分光镜等可以随意控制和改变方向，这样，在传递信 息时，光束不需要导体了，可以相互交叉而不损失信息，也无发热问题。 光计算机发展的关键是要制作出能耗少、体积小、价廉、易于制造的光电转换器，研究 者曾尝试了许多方案(包括发光二极管)，其中最佳选择当属多量子阱(MQW)器件── 一种 电开关快门和一种称为“垂直空腔表面发射激光器”(VCSEL)的微型激光器。这两种器件由 砷化镓等半导体化合物制成。其优点是可像硅芯片那样把器件大量制作在大晶片上。MQW 器件由贝尔实验室首先推出，并且有效地解决了 MQW 的激光光源问题。 其次是要研制光计算机的自动定位系统。 这个系统中的传感器应监测每个通道， 及时发 现光束偏离目标的情况， 一旦偏离， 由微型马达调整反射镜的斜度使之重新恢复到准确位置。 2．生物计算机 生物计算机就是利用 DNA 计算技术替代传统电子技术的新型计算机。生物计算机的运 算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。 早在 20 世纪 70 年代，人们就发现脱氧核糖核酸（DNA）处于不同状态时可以代表“有 信息”或“无信息” 。于是，科学家设想：假若有机物的分子也具有这种“开”“关”的功 、 能，那岂不可以把它们作为计算机的基本构件，从而造出“有机物计算机” 。20 世纪 80 年 代以来，美国、日本、前苏联等国家开始着手研制。 生物计算机的突出优点有：密集度高、速度快、可靠性高，且由于蛋白质分子能够自我 组合、再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，比如能发挥生物本身的 调节机能，自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。 目前，生物计算机仅处于起步阶段，在很多方面还相当不完善，并向众多领域提出了挑 战。要想真正进入实用阶段还需要更多的时间和更多科学家的艰辛探索。 3．分子计算机 1999 年 7 月，惠普公司和加州大学洛杉矶分校的研究人员宣布，他们已经制造了 一种电子开关，由一层达几百万个之多的有机物(轮烷)分子构成。研究人员通过把若干个开 关连接起来的方法，制造出初级的“与”门──这是一种执行基本逻辑操作的元件。由于每 个分子开关中的分子远远超出了百万数， 因此它们的体积比本来要求的大得多， 并且这些开 关只转换一次就不能操作了。但是，它们组装成逻辑门具有至关重要的意义。在这项成果发 表后一个月左右， 耶鲁和里斯两所大学又发表了另一类具有可逆性分子开关的成果。 接着成 功地研制出一种能够作为存储器用的分子，它可以通过对电子的存储来改变分子的电导率。 虽然有了以上所说的种种进步， 前进的道路上仍然是遍地荆棘。 制造出单个器件固 然是重要的一步，但是在制造出完整的可用的电路之前，还必需解决一系列的重大问题，例 同时按 如， 怎样上把百万甚至上亿个各种各样的分子器件牢固地连接在某种基体的表面上， 照电路图把它们准确无误的连接起来。遗憾的是，目前还没有这种技术。 4．量子计算机 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，其目的是为了解决计算机中的能耗问题。 20 世纪 60 年代至 70 年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了 芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆 操作。 后来发现： 所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机， 而且不影响运算能力。 既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作， 那么在量子力学中， 它就可以用一个幺 正变换来表示。 在经典计算机中， 基本信息单位为比特， 运算对象是各种比特序列。 而在量子计算机中， 基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。量子计算机可以做任意的幺正变换， 对经典计算作了极大的扩充。在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子 计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率叠加起来，给 出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是 模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。 迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在 以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微 观量子态的操纵确实太困难了。 目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、 冷阱 束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。研究量子计算机的目的不是 要用它来取代现有的计算机。 量子计算机使计算的概念焕然一新， 这是量子计算机与其他计 算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。 5．高速超导计算机 超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机。 所谓超导， 是指有些物质在接近绝对零度（相当于-269 摄氏度）时，电流流动是无阻力的。 1962 年，英国物理学家约瑟夫逊提出了超导隧道效应原理，即由超导体──绝缘体─ ─超导体组成器件， 当两端加电压时， 电子便会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中穿过 去，形成微小电流，而这一器件的两端是无电压差的。约琴夫逊因此获得诺贝尔奖。 用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也就是超导计算机，又称超导 电脑。 这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一， 它执行一个指令 只需十亿分之一秒，比半导体元件快 10 倍。日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善 的超导电脑，它采用了 4 个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有 3～5 立方毫 米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。1.1.5 计算机的发展阶段从 1946 年第一台计算机诞生以来，电子计算机已经走过了半个多世纪的历程，根据计 算机所采用的物理器件，一般将计算机的发展分为四个阶段。 1.第一代计算机（1946 年～1958 年） 第一代计算机的特征是使用如图 1-13 所示电子管存储单个数据的计算机， 电子管是能够 在真空中控制电子流动的一种电子设备。 每个电子管都可以设置成两种状态之一， 一个状态 表示 0，另一个状态表示 1。电子管比机械式继电器反应更快，结果计算也快，但是它们有 一些缺点： 能量消耗大， 它们还容易烧坏。 ENIAC 是第一台计算机原型的代表， 它包含 17468 只电子管，在使用的第一年每个电子管至少更换过一次。图 1-13 电子管除了使用电子管技术， 第一代计算机还用机器语言或汇编语言编写了程序， 它是为执行 特定的任务而编写的。 第一代计算机编程非常困难， 程序员不得不使用 0 和 1 的序列来编写 指令，第一代计算机还在使用时，程序员发明了编译程序，允许他们使用汇编语言。由于当 时电子技术的限制， 每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几 KB。因此，第一代电子计 算机体积庞大，造价很高，仅限于军事和科学研究工作，其代表机型有 IBM650（小型机） 、 IBM709（大型机） 。 2.第二代计算机(1958 年～1963 年) 第二代计算机用晶体管代替了电子管。1947 年，AT&T 贝尔实验室第一次验证晶体管 可以控制电流和电压，可以作为电信号的开关。晶体管的功能和电子管类似，但它体积小， 价格更便宜，而且耗电更低，更可靠。20 世纪 50 年代末期，图 1-14 中的晶体管取代了电子管，与此同时，与第一代计算机有较大改变的是计算机软件也有了较大的发展。 第一代计算机每个应用软件都包含计算工作所必须需的各种指今， 诸如输入、 输出和处 理。 程序员很快意识到这种编程方式效率很低。 例如， 虽然每个程序都要将结果送到打印机， 但是每个程序都需要自己的打印程序。他们开始寻找一个更加高效、通用的这种程序，并把 它结合到每个应用软件的程序当中，各软件都可以使用它。这些程 序组成了操作系统，这是第二代计算机的主要特征之一。 除了操作系统之外，第二代计算机还能运行程序员用类英语编 程语言编写的指令，这种计算机语言我们称高级语言。高级语言 FORTRAN、COBOL、ALGOL 广泛地用于计算机，而且今天仍在使 用。计算机高级语言的广泛使用使第三方开发软件成为可能，这个 性能也是软件产业诞生的基础。 3.第三代计算机(1964 年～1970 年)图 1-14 晶体管第三代计算机称为中小规模集成电路计算机。 1958 美国物理学家基尔比(J. Kilby) 和诺 伊斯(R. Noyce)各自独立制造小集成电路(如图 1-15 所示)后，才使第三代计算机成为可能。 集成电路工艺已可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至由上百个电子元件组成 的逻辑电路。这大大减小了设备的体积、重量和能耗。图 1-15 基尔比最初的集成电路第三代计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。存储器有了较大的发展，体 积更小、价格低、软件也逐步完善。这一时期，计算机同时向标准化、多样化、通用化、机 种系列化发展。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，并出现了会话式语言，计算机 开始广泛应用在各个领域。 4．第四代计算机(1971 年~至今) 第四代计算机称为大规模集成电路计算机。计算机逻辑器件采用大规模集成电路 LSI （Large Scale Integration）和超大规模集成电路 VLSI（Very large Scale Integration）技术，在 硅半导体上集成了 0 个以上电子元器件。 集成度很高的半导体存储器代替了服 役达 20 年之久的磁芯存储器。 ，这个时期，计算机的速度可以达到上千次到十万次。操作系 统不断完善， 应用软件已成为现代工业的一部分。 计算机的发展进入了以计算机网络为特征 的时代。 随着技术的进步，硅晶片越来越小，也越来越薄，而其上的晶体管数目和管线则越来越 多。从基尔比模型上的 4 个晶体管，变成了 60 年代中期的 10 个，80 年代初的 10000 个， 直至今日的上亿个。 5．第五代计算机第五代计算机是智能计算机，是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自 然语言、声音、文字和图像且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。它可以利 用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具 有汇集、记忆、检索等有关能力。智能计算机突破了传统的冯·诺伊曼式机器的概念,舍弃 了二进制结构，把许多处理机并联起来,并行处理信息，速度大大提高。其智能化人机接口 使人们不必编写程序， 只需发出命令或提出要求， 电脑就会完成推理和判断， 并且进行解释。 1988 年，世界上召开了第五代电脑国际会议。1991 年，美国加州理工学院推出了一种大容 量并行处理系统， 528 台处理器并行进行工作， 用 其运算速度可达到每秒 320 亿次浮点运算。1.2计算机分类与应用1.2.1 计算机的分类计算机用途十分广泛， 可以完成各种各样的任务。 但某些类型的计算机比其他类型的计算机 更适合完成某些特定任务。计算机是指根据计算机的用途、价格、体积和性能等内容将其分 成不同的类型。知道计算机所属的类型，能指导我们最大程度发挥计算机的潜力。 以前，人们可以清晰地界定三种不同类型的计算机：大型机、小型计算机和微型计算机。但 随着科学技术的飞速发展，如今计算机，不管体积大小，都已经使用一个或者多个微处理器 作为 CPU。因此，微处理器的使用已不是微型计算机所独具的特征了。不仅如此，术语“小 型计算机”也渐渐不再使用了。为了更好地反映当今计算机技术的发展，以下的分类也许更 准确些，我们将其分为：个人计算机、掌上电脑、工作站、大型机、超级计算机及服务器。 1． 个人计算机 个人计算机是为满足个人需要而设计的—种微型机。 个人计算机能运行多种应用软件， 例如 文字处理、电子邮件、照片编辑和接入因特网等。个人计算机有桌面计算机、笔记本电脑和 平板电脑等几种形式，如图 1-16 所示。(a) 桌面计算机(b) 笔记本电脑(c) 平板电脑图 1-16 个人计算机包括桌面计算机、笔记本电脑和平板电脑等2．掌上电脑 掌上电脑（如图 1-17 所示） ，其特征是带有小型的键盘或触摸屏。它是为适用于口袋携 带 并 能 握 在 手 中 自 由 使 用 而 设 计 的 。 掌 上 电 脑 叫 个 人 数 字 助 理 (Personal Digital Assistant，PDA)，能被用作电子预约记录本、通信录和计算器等。添加一些附件，掌上电 脑还可以用于收发电子邮件、使用地图和全球定位系统。图 1-17 掌上电脑图 1-18 工作站3．工作站 运算速度快，具有较强的联网的功能，用于特殊领域的计算机(如图 1-18 所示)，如图像 处理、计算机辅助设计等。它与网络系统中的“工作站” ，在用词上相同，而含义不同。网 络上的 “工作站” 泛指联网用户的结点， 以区别于网络服务器， 常常由一般的 PC 机充当。 4．大型计算机 或称作大型电脑(如图 1-19 所示)，覆盖国内通常说的大、 中型机。其特点是大型、通用，内存可达 1GB 以上，整机处 理速度高达 300MIPS-750MIPS（Million Instruction Per Second ，具有很强的处理和管理能 计算机每秒钟执行的百万指令数） 力。主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和科研院所。 在计算机向网络化发展的当前，大型主机仍有其生存空间。图 1-19 IBM S/390 大型计算机5．超级计算机 在所有计算机类型中其占地最大，价格最贵，功能最强，其浮点运算速度最快（2004 年 IBM 的蓝色基因达到 135.5 万亿次每秒） 。只有少数国家的几家公司能够生产。目前多用 于战略武器（如核武器和反导武器）的设计，空间技术，石油勘探，中、长期天气预报以及 社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度，已成为衡量一个国家经济实 力和科技水平的重要标志。 6．服务器 术语“服务器”有多种意思。 “服务器”可以指计算机的硬件、专门的软件，或者是指软 件和硬件的结合体。不管怎样，服务器的功能就是通过给网络提供数据服务。向服务器请求 数据服务的个人计算机、工作站或者软件称为客户端。任何个人计算机、工作站、大型机或 者超级计算机都可以配置成服务器。 进入 21 世纪以来，世界计算机技术的发展更为迅速，产品不断升级换代。未来的计算机 将向巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体计算机等方向发展。1.2.2 计算机的应用领域计算机的应用已渗透到人类社会的各个领域。 从航天飞行到海洋开发， 从产品设计到生 产过程的控制，从天气预报到地质勘探，从疾病诊疗到生物工程，从自动售票到情报检索等 等，都应用了计算机。计算机有点像一台“万能”的问题解答机器，任何问题，只要能够精 确地进行公式化， 都可以放到计算机上加以解决。 因而各行各业的人都可以利用计算机来解决各自的问题。 1．科学计算，亦称数值计算，是指用计算机完成科学研究和工程技术中所提出的数学 问题。计算机作为一个计算工具，科学计算是它最早的应用领域。 2．信息处理，是指计算机对信息记录、整理、统计、加工、利用、传播等一系列活动 的总称。所谓信息是通过各种方式，可以被传递、传播、传达，用可被感受的声音、图像、 文字所表征，并与某些特定的事实、主题或事件相联系的消息、情报、知识。信息处理是目 前计算机应用最广泛的领域。 3．实时控制，亦称过程控制，是用计算机及时采集检测数据，按最佳值迅速对控制对 象进行自动控制或自动调节。 利用计算机进行过程控制， 不仅大大提高了控制的自动化水平， 而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而能改善劳动条件，提高质量，节约能源，降低 成本。实时控制系统是一种实时处理系统，对计算机的响应时间有一个较高的要求。实时处 理系统指计算机对输入的信息以足够快的速度进行处理， 并在一定的时间内作出某种反应或 进行某种控制。 目前在实时控制系统中广泛采用集散系统， 即把控制功能分散给若干台微机 担任，而操作管理则高度集中在一台高性能计算机上进行。 4．计算机辅助设计（CAD—Computer Aided Design）是利用计算机的计算、逻辑判断 等功能， 帮助人们进行产品设计和工程技术设计。 在设计中可通过人──机交互更改设计和 布局，反复迭代设计直至满意为止。它能使设计过程逐步趋向自动化，大大缩短设计周期， 以增强产品在市场上的竞争力，同时也可节省人力和物力，降低成本，提高产品质量。计算 机辅助设计和辅助制造（CAM）结合起来可直接把 CAD 设计的产品加工出来。近年来，各 工业发达国家又进一步将计算机集成制造系统（CIMS—Computer Integrated Manufacturing System）作为自动化技术的前沿、方向。CIMS 是集工程设计、生产过程控制、生产经营管 理为一体的高度计算机化、自动化和智能化的现代化生产大系统。它是制造业的未来。 5．人工智能(AI—Artificial Intelligence)是用计算机模拟人类的智能活动：判断、理解、 学习、图像识别、问题求解等。它是计算机应用的一个新领域，是计算机向智能化方向发展 的趋势。人工智能的应用主要有机器人、专家系统、模式识别、智能检索等。 6．办公自动化(OA—Office Automation)是一门综合性的技术，其目的在于建立一个以 先进的计算机和通信技术为基础的高效人──机信息处理系统， 使办公人员充分利用各种形 式的信息资源，全面提高管理、决策和事务处理的效率。?办公自动化系统一般可分为事务 型、 管理型和决策型三个层次。 事务型 OA 系统主要供业务人员和秘书处理日常的办公事务。 管理型 OA 系统又称管理信息系统(MIS—Management Information System)， 是一个以计算机 为基础，对企事业单位实行全面管理，包括各项专业管理的信息处理系统。决策型 OA 系统 是在上述事务处理和信息管理的基础上，增加决策辅助功能而构成。? 7．计算机辅助教育(CBE—Computer Based Education)是计算机在教育领域中的应用， 包括计算机辅助教学(CAI)、计算机辅助管理教学(CMI)。CAI 最大的特点是交互教学和个别 指导，它将改变传统的教师在讲台上讲课而学生在课堂内听课的教学方式。CMI 是用计算 机实现各种教学管理，如制定教学计划、课程安排、计算机评分、日常的教务管理等。1.3计算机的基本工作原理及结构计算机是一个复杂的系统， 如果详细地分析一台计算机的体系结构和工作原理， 将是一 件十分困难的事情。如果按照层次结构的观点来分析它，事情或许要简单得多。1.3.1 计算机的基本工作原理现代计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯 ·诺依曼于 1946 年首先提出来的。 冯· 诺依曼提出了程序存储式电子数字自动计算机的方案， 并确定了计算机硬件体系结构的 5 个基本部件：输入设备、输出设备、控制器、运算器、存储器。人们把冯·诺依曼的这个 理论称为冯·诺依曼体系结构，从计算机的第一代至第四代，一直没有突破这种冯·诺依曼 的体系结构，目前绝大多数计算机都是基于冯·诺伊曼计算机模型而开发的。冯·诺伊曼的 主要思想可概括为以下 3 点。 1．冯·诺伊曼计算机结构模型 冯结构计算机主要包括：输入设备、输出设备、 存储器、控制器、 运算器 5 大组成部分。 运算器也称算术逻辑单元(ALU)，是计算机进行算术运算和逻辑运算的部件。算术运算 有加、减、乘、除等。逻辑运算有比较、移位、与运算、或运算、非运算等。在控制器的控 制下，运算器从存储器中取出数据进行运算，然后将运算结果写回存储器中。图１-20 冯·诺伊曼计算机结构示意图控制器主要用来控制程序和数据的输入／输出， 以及各个部件之间的协调运行。 控制器由 程序计数器、指令寄存器、指令译码器和其他控制单元组成。控制器工作时，它根据程序计 数器中的地址，从存储器中取出指令，送到指令寄存器中，经译码单元译码后，再由控制器 发出一系列命令信号，送到有关硬件部位，引起相应动作，完成指令所规定操作。 存储器的主要功能是存放运行中的程序和数据。在冯·诺依曼计算机模型中，存储器是指 内存单元。存储器中有成千上万个存储单元，每个存储单元存放一组二进制信息。对存储器 的基本操作是数据的写入或读出，这个过程称为“内存访问” 。为了便于存人或取出数据， 存储器中所有单元均按顺序依次编号，每个单元的编号称为“内存地址” ，当运算器需要从 存储器某单元读取或写人数据时，控制器必须提供存储单元的地址。 输入设备的第 1 个功能是用来将现实世界中的数据输人到计算机，如输人数字、文字、图 形、电信号等，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。它的第 2 个功能是由用户对计算机进 行操作控制。常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。还有一些设备既可以作为 输人设备，也可以用作输出设备，如：软盘、硬盘、网卡等。 输出设备将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式，如数字、文字、图形、声音等。 常见的输出设备有：显示器、打印机、硬盘、音箱、网卡等。 在现代计算机中，往往将运算器和控制器集成在一个集成电路芯片内，这个芯片称为CPU(中央控制单元)。CPU 的主要工作是与内存系统或 I／O 设备之间传输数据；进行简单的 算术和逻辑运算；通过简单的判定，控制程序的流向。 CPU 性能是计算机的一个重要的指 标。 2．采用二进制形式表示数据和指令 指令是人们对计算机发出的用来完成一个最基本操作的工作命令，它由计算机硬件来执 行。指令和数据在代码形式上并无区别，都是由 0 和 l 组成的二进制代码序列，只是各自约 定的含义不同。在计算机中采用二进制，使信息数字化容易实现，并可以用二值逻辑元件进 行表示和处理。 3．存储程序 这是冯·诺依曼思想的核心内容。程序是人们为解决某一实际问题而写出的指令集合，指 令设计及调试过程称为程序设计。存储程序意味着事先将编制好的程序(包含指令和数据) 存入计算机存储器中， 计算机在运行程序时就能自动地、 连续地从存储器中依次取出指令并 执行。计算机的功能很大程度上体现为程序所具有的功能，或者说，计算机程序越多，计算 机功能越多。指令和指令系统 1.3.2 指令和指令系统1．指令 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码， 它规定了计算机能完成的某一种操作。 指 令的数量与类型由 CPU 决定。系统内存用于存放程序和数据，程序由一系列指令组成，这些 指令在内存中是有序存放的，指令号表明了它的执行顺序。什么时候执行那一条指令由 CPU 中的控制单元决定。 数据是用户需要处理的信息， 它包括用户的具体数据和这个数据在内存 系统中的地址。 一条指令通常由两个部分组成： 操作码 操作数 操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。操作码 的位数决定了一个机器操作指令的条数。当使用定长操作码格式时，若操作码位数为 N，则 指令条数可有 2 的 N 次方条。 操作数指明操作对象的内容或所在的存储单元地址(地址码)， 操作数在大多数情况下是 地址码，地址码可以有 0—3 个。从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的 存放地址，也可以是操作结果的存放地址。 2．指令系统 —台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系 统的指令条数有所不同。但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令。 数据传送指令：数据在内存与 CPU 之间进行传送； 数据处理指令：数据进行算术、逻辑或关系运算； 程序控制指令：控制程序中指令的执行，如条件转移、无条件转移、调用子程序、 返回、停机等； 输入／输出指令：用来实现外部设备与主机之间的数据传输； 其他指令：对计算机的硬件进行管理等。 3．指令的执行 对计算机来说， 所有复杂的事务处理都可以简化成为两种最基本的操作： 二进制数据传 输和二进制数操作。 因此从软件运行层次来看， 诺依曼计算机模型是一台指令执行机器。 冯· 一条程序指令地执行可能包含许多操作， 但是， 主要由 “取指令” 、 “指令译码” 、 “指令执行” 、“结果写回”4 种基本操作构成，这个过程是不断重复进行的。 取指令(IF)： CPU 内部有—个指令寄存器(IP)， 在 它保存着当前所处理指令的内存单元 地址。当 CPU 开始工作时，按照指令寄存器地址，通过地址总线，查找到指令在内存单元的 位置，然后利用数据总线将内存单元的指令传送到 CPU 内部的指令高速缓存。 指令译码(ID)：CPU 内部的译码单元将解释指令的类型与内容，判定这条指令的作用对 象(操作数)， 并且将操作数从内存单元读入 CPU 内部的高速缓存中。 译码实际上就是将二进 制指令代码翻译成为特定的 CPU 电路微操作，然后由控制器传送给算术逻辑单元。 指令执行(IE)：控制器根据不同的操作对象，将指令送入不同的处理单元。如果是整数 运算、逻辑运算、内存单元存取、一般控制指令等，则送入算术逻辑单元(ALU)处理。如果 操作对象是浮点数据(如三角函数运算)，则送入浮点处理单元(FPU)进行处理。如果在运算 过程中需要相应的用户数据， CPU 首先从数据高速缓存中读取相应数据。 则 如果数据高速缓 存没有用户需要的数据，则 CPU 通过数据通道，从内存中获取必要的数据，运算完成后输出 运算结果。 在 CPU 解释和执行指令之后，控制单元告诉指令寄存器从内存单元中读取下一条指令。 这个过程不断重复执行， 最终产生用户在显示器上所看到的结果。 事实—上各种程序都是由 一系列指令和数据组成。 计算机的工作就是自动和连续地执行一系列指令， 而程序开发人员 的工作就是编制程序。非冯· 1.3.3 非冯·诺依曼计算机结构非冯·诺依曼结构是一种由数据而不是由指令来驱动程序执行的体系结构。 具有冯· 诺依曼体系结构的计算机， CPU 和主存之间只有一条每次只能交换一个字的 在 数据通路， 它称为冯· 诺依曼瓶颈。 不论 CPU 和主存的吞吐率有多高， 不论主存容量有多大， 只能顺序处理和交换数据。 另外， 随着软件系统复杂性和开发成本不断提高， 软件的可靠性、 可维护性和整个系统的性能都会明显下降。大量的系统资源消耗在必不可少的软件开销上， “软件危机”出现了，其问题根源在于冯·诺依曼体系结构的不适应性。随着计算机应用领 域的扩大，这种矛盾愈来愈突出，迫使人们不断对这种体系结构进行改进。例如，出现了流 水处理机、并行处理机、相联处理机、多处理机和分布处理机等。但这些结构的计算机本质 上仍是存储程序型的顺序操作概念。冯·诺依曼体系结构两个最主要的特征还没有被突破， 一是计算机内部的信息流动是由指令驱动的， 而指令执行的顺序由指令计数器决定； 二是计 算机的应用主要是面向数值计算和数据处理。 为了使计算机具有更强的计算能力， 让计算机 能模拟人类在自然语言理解、图像与声音的识别和处理、学习和探索、思维和推理等方面的 功能，以及具有良好的环境自适应能力，出现了对非冯·诺依曼计算机结构的研究。 非冯·诺依曼体系结构的计算机主要有数据流计算机、归约计算机、基于面向对象程序 设计语言的计算机、面向智能信息处理的智能计算机等。 数据流计算机彻底改变了冯· 诺依曼体系结构的指令流驱动的机制， 而采用了数据流驱 动的机制。 归约计算机也是基于数据流的计算机模型， 但执行的操作序列取决于对数据的需求， 即 由需求驱动，而这种需求又来源于函数式语言对表达式的化简。 基于面向对象程序设计语言的计算机， 这种计算机体系结构具有高效能的、 面向对象的 动态存储管理、存储保护和快速匹配、检索对象的机制，同时还提供实现对象之间高效通信 的机制。面向对象程序设计语言具备固有的并行性，因此，基于面向对象程序设计语言的计 算机还应当是一个多处理机系统， 以便让多个对象组成的模块， 分别在各自分配到的处理机 上执行，提高计算机并行处理的能力。智能计算机从功能上看， 它的体系结构具备以下特点： 具有高效的推理机制和极强的符号 处理能力；能有效地支持非确定性计算，同时也能有效地支持确定性计算；具有高度并行处 理、 多重处理或分布处理能力； 具有能适应不同应用特点和需求的动态可变的开放式的拓扑 结构；有大容量存储器，数据不是以线性模式存储，而是分布存储，存储访问具有不可预测 性；具有知识库管理功能；有良好的人机界面，具有自然语言、声音、文字、图像等智能接 口功能；具有支持智能程序设计语言功能。 非冯·诺依曼体系结构计算机的主要优点为：支持高度的并行操作；与超大规模集成电路 技术相适应； 有利于提高软件生产能力。 它的缺点是： 操作开销过大； 不能有效地利用冯· 诺 依曼体系结构计算机已积累起来的丰富的软件资源。1.4信息与信息技术 信息与信息技术1.4.1 信息与数据长期以来，人们把能源和物质材料看作人类赖以生存的两大要素。随着社会发展，信息 已成为人类赖以生存第三大要素。 对信息一词认识也在不断的变化， 至今没有一个严格的定 义，一般认为，所谓信息(1nformation)就是人们用于表示具有一定意义的符号的集合，这些 符号可以是文字、数字、图形、图像、动画、声音和光等。信息是人们对客观世界的描述， 并可传递的一些知识，而我们熟知的数据(Data)则是信息的具体表现形式，是指人们看到的 和听到的事实，是各种各样的物理符号及其组合，它反映了信息的内容。数据经过加工、处 理并赋予一定意义后即可成为信息。 例如， 测量一个成年人的血压， 得到高压 160， 低压 80， 记录在纸上的 160／80 是数据，而 160／80 这个数据本身是没有意义的，但是，当数据经过 某种描述或与其他数据比较时，便赋予了意义。这才是信息。所以信息是有意义的数据。 在计算机领域中， 数据是信息在计算机内部的表现形式。 数据可以在物理介质上记录或传输， 并通过外围设备被计算机接收，经过处理而得到结果。有时信息本身是已经被数据化了的， 所以数据本身也就具有了信息的含义。 因此， 在计算机领域信息处理(1nformation Processing) 也叫数据处理，信息检索(1nformation Retrieval)也叫数据检索。 信息一般具有以下主要特性： (1) 不灭性 信息和物质、能量一样，具有不灭性，但信息的不灭性与它们有本质的区别。例如，某 人血压 160／80 与正常血压进行比较(成年健康人的高压范围是 90～110，低压范围是 60— 80)后，认为他的高压超出正常范围，是高血压， “血压偏高”这一信息不会因血压计损坏或 该个人不存在了而消失。一条信息产生后，其载体(如书、磁盘等)可以更换，甚至可以被毁 掉，但信息本身并不会被消失。信息的不灭性是信息的一大特点。 (2) 可传递性和共享性 一条信息复制成成千上万条信息其所用费用十分低廉， 尽管信息的创造可能需要很大的 投入，但复制只需要载体的成本，所以可以大量地复制，广泛地传播，并可共享。 (3) 知识性 信息能给人以启示，并从中增长见识，提高知识、文化水平。 (4) 时效性 某些信息在此时可能价值非常高， 但在彼时则可能一点价值也没有。 比如金融信息就是 这样。所以说，某些信息的价值会随时空的变化而改变。(5) 依附性 信息不能独立存在，必须借助于某种符号表现出来。 (6) 可处理性 信息可以被分析、计算、存储，也可以转换型态。信息经过分析、计算、处理后，实现 信息的增值，可以更有效地服务于不同的领域。1.4.2 信息技术信息技术的发展历史源远流长，2000 多年前中国历史上著名的周幽王烽火戏诸侯的故 事，讲的就是当时的烽火通信。在人类社会漫长的发展过程中，人类已经历了 4 次信息技术 革命。 第 1 次信息革命是文字的使用。文字既帮助了人们的记忆，又促进了人类的交流。文字 的出现还使人类信息的保存与传播超越了时间和地域的局限。 第 2 次信息革命是印刷术的发明。大约在 11 世纪(北宋时期)，中国人毕昇最早发明了活字 印刷技术， 这是中国人引以为豪的四大发明之一。 印刷术的使用导致了信息和知识的复制和 更广泛的传播。 这些信息和知识经过择优和系统化， 形成了一门门科学知识， 并且代代相传。 在这期间，报刊和书籍成为信息存储和传播的重要媒介，极大地推动了人类文明进步。 第 3 次信息革命是电话、广播和电视的使用。电报、电话、无线电通信等一系列技术的 广泛应用使人类进入了利用电磁波传播信息的时代。 这时信息的交流和传播更为快捷， 地域 更加广阔。传播的信息从文字扩展到声音、图像，这些先进的科学技术很快地成为了人类共 有的财富。 从 20 世纪中叶开始，第 4 次信息革命已经到来。这就是当今的电子计算机与通信相结 合的信息技术。现代信息技术将信息的传递、处理和存储融为一体，人们可以通过计算机和 计算机网络与其他地方的计算机用户交换信息，或者调用其他机器上的信息资源。 现代信息技术是应用信息科学的原理和方法， 有效地使用信息资源的技术体系， 它以计 算机技术、微电子技术和通信技术为特征。计算机是信息技术的核心，随着硬件和软件技术 的不断发展， 计算机的信息处理能力在不断增强， 离开了计算机， 现代信息技术就无从谈起； 微电子技术是信息技术的基础，集成电路芯片是微电子技术的结晶，是计算机的核心；通信 技术的发展加快了信息传递的速度和广度，从传统的电报、收音机、电视到移动电话、卫星 通信都离不开通信技术，计算机网络无不如此。1.4.3 计算机的信息表示与编码1.信息在计算机中的表示 1.信息在计算机中的表示计算机存储处理信息的基础是信息的数字化，各种类型的信息(数值、文字、声音、图像) 必须转换成数字编码的形式，才能在计算机进行处理。信息的数字形式也称为信息编码。 (1) 0 和 l 的世界──计算机为什么采用二进制 信息应以怎样的形式与计算机电子元件的某种特性对应起来，并被识别和处理呢？1940 年， 现代著名的数学家、控制论学者维纳(Norbert Wiener)，首先提出采用二进制编码形式，以 解决数据在计算机中的表示问题，确保计算机的可靠性、稳定性及高速性。 计算机采用二进制数的方式表示信息，主要原因有： ①容易表示 二进制的特点是每一位上只能出现数字 0 或 1，逢 2 就向高位进 1。0 和 l 这两个数字用来表示两种状态，用 0，1 表示电磁状态对立的两面，在技术实现上是最恰当的。如晶体管的 导通与截止，磁芯磁化的两个方向，电容器的充电和放电，开关的启闭，脉冲(电流或电压 的瞬间起伏)的有无以及电位的高低等，一切有两种对立稳定状态的器件都可以表示二进制 的“0”和“l”(如图 l-21 所示)。而十进制数有 10 个基本符号(0,l,2,…,9)，要用 10 种 状态才能表示，如果要用某种器件实现 10 种状态，在技术上一定很复杂。 ②运算简单 算术运算和逻辑运算是计算机的基本运算，采用二进制可以简单方便地进行这两类运 算。 二进制数的算术运算特别简单， 加法和乘法仅各有三条运算规则(0+0=0， 0+1=1， 1+1=10 和 0×0=0，0×1=0，1×1=1)，运算时不易出错。 此外，二进制数的“1”和“0”正好可与逻辑值“真”和“假”相对应，这样就为计算 机进行逻辑运算提供了方便。图１-21 二进位设备（如开关）的 ON 状态用１表示，OFF 状态用０表示。多个二进位设备的组合可产生 １与０的特殊次序和模式，能表示字母、数字、颜色和图形2．数据表示计算机处理的包括数字、文本、照片和视频在内的多种数据，必须将各种数据转换成计 算机能够接收的形式。 我们知道， 大多数计算机都是数字设备， 处理的是 0 和 l 这样的离散数据。 形象一点说， 普通电灯开关只有开和关两个离散状态， 所以它是数字设备。 大多数计算机运用电路中可表 示两种状态的特性来处理数据。为了直观起见，我们把它们称作“开”和“关” 。通常， “开” 代表 1， “关”代表 0。这样“开” “关” “关” “开”就是 1001（如图１-21 所示） 。这些 0 和 1 都是二进制数字。我们把每一个二进制数字称为一个“位” 。计算机用一串位来数字化 地表示数字、文本、音乐、图片和视频等。 象你的年龄和年收入等数字数据都可以基于二进制数字系统来表示。 二进制数字系统只有两个数字：0 和 1。象 2 这样的数字 在这个系统中不存在，2 只能被表示为 10(不是数 10，而 是 l 和 0 两个数字)。类似地，在熟知的十进制系统中，如 果从 l 数到 10， 在数到 9 后， 你就不能用个位表示数字 10 了，而是用“10” ──“0”是占位符，而“1”代表由 图 1-22 字母Ｈ、Ｉ和字符！ 10 个 1。 用 ASCII 表示 字符数据由字母、符号和数字组成，例如你的姓名、住 址等。如图 1-22 用例子说明了计算机怎样用 0 和 1 数字表 示文本“HI！ ”中的字母和符号（表 1-1 中可查到字符编码） 。表 1-1 ASCII 码字符编码表b 3b 2b 1b 0b 6b 5b 4 000 001 010 011 100 101 110 11110 01 00 11 10 1111NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SIDLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS USSP ! & # $ % & ' （ ） * + ， . /0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; & = & ？@ A B C D E F G H I J K L M N OP Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _` a b c d e f g h i j k l m n op q r s t u v w x y z { | } ~ DEL计算机使用几种不同的编码来表示字符型数据，比如 ASCII、BCD 和 Unicode 码。 ASCII 码(American Standard Code for lnformation Interchange，美国信息交换标准码，如 表 1-1 所示)用 7 位二进制数表示每个字符。例如大写“A”的 ASCII 码为 1000001。ASCII 码为 128 个字符提供了编码。 BCD 码用 4 位二进制数表示一位十进制数，例如：BCD 码 1001 按 4 位 一组分别转换，结果是十进制数 8269，一位 BCD 码中的 4 位二进制代码都是有权的，从左 到右按高位到低位依次权是 8、4、2、1，这种二——十进制编码是一种有权码。1 位 BCD 码最小数是 0000，最大数是 1001。 统一编码(Unicode)用 16 位二进制数为 65000 个字符提供了编码，它可以用来表示多种 语言的字母。例如统一编码表示俄国古代斯拉夫字母(Russian Cyrillic)的大写“A”为 0000。 声音、图片与数字和字母不同，它们不是小的离散对象。声音和图片必须把原始的模拟 数据转换为由 0 和 1 表示的数字化形式后才能处理。 照片和图画根据其颜色， 给每个点分配 一个二进制数字。例如，如图 1-23 所示，红色的点用 1100 表示，而绿色的点用 0010 表示。 数字图像就是简单地用颜色的编码表示图中所有的点的图像。 类似地， 音乐通过为每个音符 分配二进制来数字化。 计算机要处理的所有信息都表示成相当长的 0、1 序列存储在文件中。计算机需要知道 这些 0、1 序列是 ASCII 码、二进制数字还是图片或声 音的编码。 这 个红 色的 点可 能 为了区分编码的类型， 大多数计算机文件都包含一个 被数字化为 1100 文件头。文件头与文件一起存储，计算机通过读文件头 信息，就能知道文件的内容是何种类型的编码。3．位和字节“位” 〈bit〉是“二进制数字” 〈binary digit〉的 缩写，它还可以进一步缩写为小写字母”b”，计算机 中每一个二进制数字“0”或者“1”都称为一个位。图 1-23 每个点分配二进编码数字 化图像8 个位组成 1 个字节，通常被缩写为大写字母 B。 传输速率用位表示，而存储空间用字节表示。例如，大多数音频调制解调器的速率是 56Kbps。 硬盘驱动器的容量是 80GB-80gigabytes。 常见的存储单位之间的转换见表 1-2 所示： 名称 Kilo Mega Giga Tera Pata 缩写 K M G T P 容量(字节) 1K=210=0=1024kB 1G=230=1024MB 1T=240=1024GB 1K=250=1024TB表 1-2 存储单位转换表1.4.4 数值数据的表示1．数的编码表示 在计算机中，用 0 和 1 来表示表示数。但是在计算机里却难以表示正、负号，所以我们要表 示一个数的符号（+号或者-号）也只能借用 0 和 1 这两个数字来表示，就是将符号数字化， 我们规定：用 0 表示正，1 表示负，即当符号位为 0，表示其后的数值为正；当符号位为 1， 表示其后的数值为负。 例如：8 位字长的数 N1=+1001100 表示为 ，N2=-1001100 表示为 。 （1）原码 只将最高位作符号位（以 0 代表正，1 代表负），其余的各位代表数值本身的绝对值（以 二进制表示）。如： +7 的原码为： 的原码为： 的原码为： 的原码为： 显然，+0 和-0 表示的是同一个 0，而在内存中却有两个不同的表示。也就是说，0 的表 示不唯一，这不适合计算机的运算。 (2) 反码 如果是一个正数，则它的反码与原码相同。 如果是一个负数，则符号位为 1，其余各位是对原码取反。 如：+7 的反码为： 的反码为： 的反码为： 的反码为： 同样，反码 0 的表示也不唯一。用反码表示数，现已不多用。 (3)补码 如果是一个正数，则它的补码与原码相同。 如果是一个负数，则将该数的绝对值的二进制形式，按位取反，然后再加 1。 如：+7 的补码为： 的补码为： 的补码为：
-0 的补码为： 补码 0 的表示是唯一的，所以计算机是以补码形式存放数的。 例：计算 25-18=？，用补码运算。 25 的补码为： 的补码为：11001 + 00111 2.定点数和浮点数 在选择计算机的数值数的表示方式时， 需要考虑以下几个因素： (1)要表示的数的类型(小数、 整数、实数和复数)；(2)可能遇到的数值范围；(3)数值精确度；(4)数据存储和处理所需要 的硬件代价。 计算机处理的数值数据多数带有小数，小数点在计算机中通常有两种表示方法，一种是 约定所有数值数据的小数点隐含在某一个固定位置上，称为定点表示法，简称定点数；另一 种是小数点位置可以浮动，称为浮点表示法，简称浮点数。 （1）定点数表示法(fixed-point) 所谓定点格式， 即约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。 在计算机中通常采用两 种简单的约定：将小数点的位置固定在数据的最高位之前，或者是固定在最低位之后。一般 常称前者为定点小数，后者为定点整数。 定点小数是纯小数，约定的小数点位置在符号位之后、有效数值部分最高位之前。若数据 x 的形式为 x = x0.x1x2…xn ( 其中 x0 为符号位，x1～xn 是数值的有效部分，也称为尾数， x1 为最高有效位 )，则在计算机中的表示形式为：一般说来，如果最末位 xn = 1，前面各位都为 0 ，则数的绝对值最小，即 |x|min = 2-n 。 如果各位均为 1，则数的绝对值最大，即 |x|max =1-2-n 。所以定点小数的表示范围是： 2- n ≤ | x | ≤ 1 - 2- n 定点整数是纯整数， 约定的小数点位置在有效数值部分最低位之后。 若数据 x 的形式为 x = x0 x1x2…xn ( 其中 x0 为符号位，x1～xn 是尾数， xn 为最低有效位 )，则在计算机中的 表示形式为：定点整数的表示范围是： 1≤ | x | ≤ 2n - 1 当数据小于定点数能表示的最小值时，计算机将它们作 0 处理，称为下溢；大于定点数能表 示的最大值时，计算机将无法表示，称为上溢，上溢和下溢统称为溢出。 计算机采用定点数表示时，对于既有整数又有小数的原始数据，需要设定一个比例因子，数 据按其缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运算，运算结果，根据比例因子，还原成实 际数值。若比例因子选择不当，往往会使运算结果产生溢出或降低数据的有效精度。用定点数进行运算处理的计算机被称为定点机。 （2） 浮点数表示法(floating-point number) 与科学计数法相似，任意一个 J 进制数 N，总可以写成 N = J E × M 式中 M 称为数 N 的尾数(mantissa)，是一个纯小数；E 为数 N 的阶码(exponent)，是一个 整数，J 称为比例因子 J E 的底数。这种表示方法相当于数的小数点位置随比例因子的不 同而在一定范围内可以自由浮动，所以称为浮点表示法。 底数是事先约定好的(常取 2)，在计算机中不出现。在机器中表示一个浮点数时，一是要给 出尾数，用定点小数形式表示。尾数部分给出有效数字的位数，因而决定了浮点数的表示精 度。二是要给出阶码，用整数形式表示，阶码指明小数点在数据中的位置，因而决定了浮点 数的表示范围。 浮点数也要有符号位。 因此一个机器浮点数应当由阶码和尾数及其符号位组 成：其中 ES 表示阶码的符号，占一位，E1～En 为阶码值，占 n 位，尾符是数 N 的符号，也 要占一位。当底数取 2 时，二进制数 N 的小数点每右移一位，阶码减小 1，相应尾数右移 一位；反之，小数点每左移一位，阶码加 1，相应尾数左移一位。 若不对浮点数的表示作出明确规定，同一个浮点数的表示就不是唯一的。例如 11.01 也可 以表示成 0. ，0. 等等。为了提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝对值应大于等于 0.5，即尾数域的最高有效位应为 1，否则要以修改阶码同时左右 移小数点的方法，使其变成这一要求的表示形式，这称为浮点数的规格化表示。 当一个浮点数的尾数为 0 时，不论其阶码为何值，或者当阶码的值遇到比它能表示的最小 值还小时，不管其尾数为何值，计算机都把该浮点数看成 0 值，称为机器零。 浮点数所表示的范围比定点数大。假设机器中的数由 8 位二进制数表示(包括符号位)：在 定点机中这 8 位全部用来表示有效数字(包括符号)；在浮点机中若阶符、阶码占 3 位，尾 符、 尾数占 5 位， 在此情况下， 若只考虑正数值， 定点机小数表示的数的范围是 0.0000000 到 0.1111111，相当于十进制数的 0 到 127／128，而浮点机所能表示的数的范围则是 2 11×0.0001 到 211×0.1111，相当于十进制数的 1／128 到 7.5 。显然，都用 8 位，浮 点机能表示的数的范围比定点机大得多。 尽管浮点表示能扩大数据的表示范围，但浮点机在运算过程中，仍会出现溢出现象。下面以 阶码占 3 位，尾数占 5 位(各包括 1 位符号位)为例，来讨论这个问题。图 2-1 给出了相 应的规格化浮点数的数值表示范围。图 2-1规格化浮点数分布示意图图 2-1 中， “可表示的负数区域”和“可表示的正数区域”及“0”， 是机器可表示的数据 区域；上溢区是数据绝对值太大，机器无法表示的区域；下溢区是数据绝对值太小，机器无 法表示的区域。若运算结果落在上溢区，就产生了溢出错误，使得结果不能被正确表示，要停止机器运行，进行溢出处理。若运算结果落在下溢区，也不能正确表示之，机器当 0 处 理，称为机器零。 一般来说，增加尾数的位数，将增加可表示区域数据点的密度，从而提高了数据的精度；增 加阶码的位数，能增大可表示的数据区域。1.4.5 汉字信息基础要让计算机能进行汉字信息处理，必须解决汉字信息的输入、储存、输出和编码转换等 问题。图 1-24汉字处理过程计算机处理汉字的基本过程如图 1-24 所示。用户用键盘输入的汉字编码，通过代码转 换程序转换成汉字机内码进行储存、处理、加工，转换时要利用输入码到码表中去检索机内 码。输出时，再利用字形检索程序在汉字字模库中查到表示这个汉字的字形码，根据字形码 在显示器或打印机上输出。 1.汉字编码 如前所述，计算机对字母和符号采用国际上通用的 ASCII 码来编码。标准的 ASCII 码 用 7 位二进制数编码，字符存放时采用一个字节，规定最高位为 0，这样可以表示 128 个字 符。同样，计算机对汉字也有一个编码问题。 计算机通过包含汉字在内的字符集与用户进行信息交换， 这些信息由计算机处理时， 首 先要把它变成计算机能接受的代码形式， 最终计算机处理的信息又必须将内部代码形式转换 成汉字的字形，才能被用户所理解。 (1) GB2312-80 在 20 世纪 70 年代末，我国已认识到统一汉字编码对计算机中文信息的发展十分重要， 为适应计算机信息处理技术发展的需要，1980 年颁布了《信息交换用汉字编码字符集—— 基本集》（国家标准代号为 GB2312-80）。 在 GB2312-80 中共收录了汉字 6763 个，各种字母符号 682 个，合计 7445 个。这些汉 字根据其常用程度又分为一级汉字、二级汉字。一级常用汉字 3755 个，以拼音为序，约占 近代文献汉字累计使用频度 99.9%左右；二级汉字 3008 个，以偏旁部首为序。一级、二级 汉字约占累计使用频度 99.99%以上。 国标码以 94 个可显示的 ASCII 码字符为基集，采用双字节对汉字和符号进行编码，即 用连续的两个字节表示一个汉字的编码。 为了和 ASCII 区别， 规定每个字节的最高位均为 1。 国标码与 ASCII 码属于同一制式，可以认为国标码是扩展的 ASCII 码。目前我国使用的汉 字编码就是采用这个标准。GB2312-80 规定，所有的国标汉字与符号组成一个 94×94 的矩阵。矩阵中的每一行称 为一个“区”，每一列称为一个“位”。因此共有 94 个区（区号：01～94），每区 94 个位 （位号：01～94）。 一个汉字所在的区号和位号简单地组合在一起就构成了该汉字的“国标区位码”。在连 续的两个字节中， 高位字节为区号， 低位字节为位号。 即区位码的编码范围是： 。 例如， 区的 33 位是符号 1 “×” 则输入 ， “×” 可用区位码 0133。 区的 29 位是汉字 41 “山” ， 则输入“山”可用区位码 4129。 (2) 汉字机内码 计算机系统中用来表示中文或西文信息的代码称为机内码，简称内码。ASCII 码是一种 西文机内码，用一个字节表示。汉字机内码用连续两个字节表示，每个字节的最高位是 1。 GB2312-80 的内码编码的范围为：A1A1H～FEFEH。汉字机内码与区位码的关系为： 汉字机内码高位字节＝区位码高位字节＋A0H 汉字机内码低位字节＝区位码低位字节＋A0H 例如，“×”的区位码是 0133，则： 高字节：（01）10+（A0）16=（01）16+（A0）16=（A1）16 低字节：（33）10+（A0）16=（21）16+（A0）16=（C1）16 则“×”的内码为 A1C1。 又如，“山”的区位码是 4129，则： 高字节：（41）10+（A0）16=（29）16+（A0）16=（C9）16 低字节：（29）10+（A0）16=（1D）16+（A0）16=（BD）16 则“山”的内码为 C9BD。 Windows2000 内置的内码输入法支持区位码、GBK 内码、UNICODE 码的输入。用户 可以在区位码的输入状态下，输入内码。即在区位码状态下，输入 0133 和 A1C1 都出现符 号“×”。 GBK 是汉字扩展内码规范，GBK 的目的是解决汉字收字不足、简繁同平面共存、简化 代码体系间转换等汉字信息交换的瓶颈问题，它与 GB2312-80 内码体系完全兼容，并向最 终的国际统一双字节字符集标准 ISO10646.1 迈进。用户可以使用“全拼”输入 GBK 中的汉 字，采用“全拼”输入法输入汉字时，只要在切换到“全拼”输入状态后，用小写字母输入 拼音原样。例如要输入“俶”字，它在“标准”或“五笔字型”输入法中均不能输入，但在 “全拼”中只要输入 chu，再翻几页就可以找到。需要说明的是，该汉字因为不属于 GB2312-80，故不能以仿宋体及楷体等字体显示，但可以用宋体、黑体、隶书等字体显示。 2.汉字输入码 汉字输入方法一般有两种实现途径： 一是由计算机自动识别汉字， 要求计算机模拟人的 智能；二是由人来完成识别工作，将相应的计算机编码以手动方式用键盘输入计算机。自动 识别主要有 3 种方法： 一是利用汉字识别技术， 通过特殊的手写笔在感应板上书写汉字进行输入； 二是利用语 音识别技术，通过声音输入汉字；三是扫描识别输入，即把印在纸上或写在纸上的汉字通过 扫描仪输入计算机， 再用相应的软件将输入的信息转换成汉字机内码。 下面主要介绍键盘输 入方法。 计算机用的标准键盘只有几十个键，而汉字至少有数千个，因此用键盘输入汉字，需对 汉字进行编码。从 20 世纪 80 年代开始，到目前已经有数百种汉字输入编码方案产生，如区 位码、全拼、五笔字型、微软拼音、智能 ABC 等，它们属于外码。 按照编码原理，汉字输入码主要分为 4 类：顺序码（无重码）、音码、形码和以汉字的 音、形相结合的音形码或形音码。顺序码是将 GB2312-80 中的所有汉字按一定顺序排列起来，予以编码，如区位码、国 标码、电报码，它们无重码。音码是指采用汉语拼音的编码方式，常见的有智能 ABC、微 软拼音、全拼、简拼、双拼等。形码是采用汉字字形（如偏旁、字根）来编码的，如五笔字 型、五笔划等。音形码是结合汉字的拼音和字形产生的编码，如自然码。 3．汉字字库 汉字信息存储在计算机内采用机内码， 但输出时必须转换成字形码， 以人们熟悉的汉字 形式输出才有意义。因此对每一个汉字，都要有对应的字的模型（简称字模）储存在计算机 内，字模的集合就构成了字模库，简称字库。汉 字输出时，需要先根据内码找到字库中对应的字 模，再根据字模输出汉字。 构造汉字字形有两种方法：向量（矢量）法 和点阵法。 向量法是将汉字分解成笔画，每种笔画使用 一段段的直线（向量）近似地表示，这样每个字 形都可以变成一连串的向量。 点阵方式又称“字模点阵码”。每一个汉字 图 1-25 用点阵组成的汉字字形 以点阵形式存储在记录介质上，有点的地方为“1”， 空白的地方为“0”。例如，可以将“春”字画在图 1-25 所示的 24×24 的方格上，则“春”字的字形码是 、 、……000。每一行为 24 位，共 24 行 组成一个汉字的字形码，即共需要二进制位 24×24=576 位，等于 72 字节。 汉字的表示也可以采用 16×16、24×24、32×32、48×48、128×128 点阵等，当使用 24×24 点阵时，此时表示一个汉字，需要 24×24÷8=72 个字节。点阵规模越大，每个汉字 存储的字节数就越多，字库也就越庞大。但字形分辨率越好，字形也越美观。 大多数汉字信息处理系统把汉字字库存放在磁盘上，这样的字库称为“软字库”，使用 时全部或部分调入内存储器， 并通过专门的软件实现从汉字机内码转变为对应的汉字字模点 阵码的地址，根据地址找到相应的字形码。 相对于 “软字库” 一般将固化在 EPROM 或 MASK-ROM 的芯片中的汉字字库称为 ， “硬 字库”。一般打印机等设备中都安装有带有固化汉字库的集成电路芯片，以提高输出汉字的 速度。1.5计算机中的数制计算机的基本功能是对数据进行运算和加工处理。数据有两种，一种是数值数据，另一 种是非数值数据。 由于计算机硬件的各个组成部分均是由仅具有两个稳定状态的物理元件组 成，因此，数据在计算机中都是用二进制数码表示。计算机能识别的只有二进制数值，一个 数在计算机中的表示形式称为机器数， 数值处理采用二进制运算， 非数值处理采用二进制编 码，它们具有运算简单、电路实现方便、成本低廉等优点。1.5.1 进位计数制一种进位计数制具有一组数码符号和两个基本要素：① 数码：一组用来表示某种数制的符号。如：1、2、3、A、B。 ② 基数：数制所用的数码个数，用 R 表示，称 R 进制，其进位规则是“逢 R 进 1”， “借 1 当 R”。如：十进制的基数是 10，逢 10 进 1，借 1 当 10。 ③ 位权：数码在不同位置上的权值。在某进位制中，处于不同数位的数码，代表不同 的数值， 某一个数位的数值是由这位数码的值乘上这个位置的固定常数构成， 这个固定常数 0 2 称为“位权”。如：十进制的个位的位权是“10 ”，百位的位权是“10 ”。对于任意 P 进 制数 an-1an-2…a1a0a-1…a-m 都可表示成按位权展开的下列形式：N (P) = a n ?1 × P n ?1 + a n ?2 × P n ?2 + L + a 1 × P1 + a 0 × P 0 + a ?1 × P ?1 + L + a ?m × P ? m= ∑ a i × Pi?m n ?1其中，P 表示 P 进制数；n，m 分别表示 P 进制数 N 的整数和小数部分分别是 n 位，m 位； a i 表示 p 进制数 N 第 i 位的数字； P 表示 P 进制数 N 中第 i 位的位权。i(1) 十进制 十进制数，它的数码是用 10 个不同的数字符号 0、1、…… 8、9 来表示的。由于它有 10 个数码，因此基数为 10。数码处于不同的位置表示的大小是不同的，如
这个数 中的 4 就表示 4×102＝400，这里把 102 称作位权，简称为“权”，十进制数又可以表示成 按“权”展开的多项式。例如：×103＋4×102＋6×101＋8×100＋7×10-1+9× 10-2+5×10-3 十进制数的运算规则是：逢 10 进 1，借 1 当 10。 (2) 二进制 计算机中的数据是以二进制形式存放的， 二进制数的数码是用 0 和 1 来表示的。 二进制 n 的基数为 2，权为 2 ，二进制数的运算规则是：逢 2 进 1，借 1 当 2。 对于一个二进制数，也可以表示成按权展开的多项式。例如： ×24＋0×23＋1×22＋1×21＋0×20＋1×2-1＋0×2-2＋1×2-3 (3) 八进制和十六进制 八进制数的数码是用 0、1、…… 6、7 来表示的。八进制数基数为 8，权为 8n，八进制 数的运算规则是：逢 8 进 1，借 1 当 8。 十六进制数的数码是用 0、1、…… 9、A、B、C、D、E、F 来表示的。十六进制数的 基数为 16，权为 16n，十六进制数的运算规则是：逢 16 进 1，借 1 当 16。 其中数码 A 对应十进制中的数 10，B 表示数 11，……，F 表示十进制中的数 15。 各进制数在书写时，可用以下 3 种格式： 第 1 种：111 01101（2），331（8），35.81（10），FA5（16） 第 2 种：（）2，（755）8，（139）10，（AD6）16 第 3 种：B， 761Ο ，3762D ，2CE6H 其中 B、O、D、H 分别表示二进制、八进制、十进制和十六进制。如省略，则默认为 十进制。1.5.2 数制之间的转换(1) 二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数 各种进制的数按权展开后， 按照十进制数的运算规则计算按权展式， 求得的结果即为十 进制数。 例 1.1 将二进制数（ 转换成等值的十进制数。 （＝1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3 ＝8+0+2+1+1/2+0+1/8＝（11.625）10 八进制数和十六进制数均可按位权展开转换成十进制数。 例 1.2 将（2576）8、（3D.B）16 分别转换成十进制数。 （×83+5×82＋7×81＋6×80＝（1406）10 － （3D.B）16＝3×161＋13×160＋11×16 1＝（61.) 十进制数转换为二进制数 ① 十进制整数转换成二进制整数 一个十进制整数转换为二进制整数的方法如下： 十进制整数转换为二进制整数（除 2 取余法）：逐次除以 2，将每次求得的余数取出， 然后将取得的余数按照一定的规律排列起来即为转换所得的结果。注意商为 0 时结束取余。 例 1.3 将十进制整数（215）10 转换成二进制整数 余数 2 215 2 107 2 53 2 26 2 2 2 13 6 3 1 1 1 1 0 1 0 1 1于是（215）10＝（ 十进制整数转换成二进制整数的方法清楚以后， 那么， 十进制整数转换成八进制或十六 进制就很容易了。十进制整数转换成八进制整数的方法是“除 8 取余法”，十进制整数转换 成十六进制整数的方法是“除 16 取余法”。 ② 十进制小数转换成二进制小数 十进制纯小数转换为二进制小数（乘 2 取整法）：逐次乘以 2，将每次乘积所得结果的 整数部分取出， 然后将取得的整数按照一定的规律排列起来即为转换所得的结果。 注意小数 部分为 0 或是达到一定的精度时结束取整。 例 1.4 将十进制小数（0.6875）10 转换成二进制小数。 将十进制小数 0.6875 连续乘以 2，把每次所进位的整数，按从上往下的顺序写出。 于是 （0.6875）10＝（0..6875 ×) 2 1.3750 整数＝1 0.3750×) 2 0.7500 整数＝0 ×) 2 1.5000 整数＝1 0.5000 ×) 2 1.0 整数＝1 十进制小数转换成二进制小数的方法清楚以后， 那么， 十进制小数转换成八进制小数或十六 进制小数就很容易了。十进制小数转换成八进制小数的方法是“乘 8 取整法”，十进制小数 转换成十六进制小数的方法是“乘 16 取整法”。 (3) 二进制数与八进制数的互相转换 ① 二进制数转换成八进制数 二进制数转换成八进制数的方法是(三位一并法)：二进制数从小数点开始分别向左（整 数部分）和向右（小数部分）每 3 位二进制数码分成一组，不足三位的用 0 补齐，然后把每 一组转换成对应的八进制数码中的数字，按顺序写出来即是。 例 1.5 把二进制数（0011）2 转换为八进制数。二进制 3 位分组： 转换成八进制数： 011 3 110 6 010 2 . . 111 7 001 1 100 4（0011）2＝（362.714）8 ② 八进制数转换成二进制数 八进制数转换成二进制数的方法是(一分为三法)：将八进制数的每一位数转成相应的 3 位二进制数，再按顺序排列好，前后多余的 0 省略。 例 1.6 把八进制数（ 转换为二进制数。八进制 1 位： 二进制 3 位： 2 010 3 011 7 111 6 110 . . 1 001 4 100（＝（.) 二进制数与十六进制数的互相转换 二进制数与十六进制数的转换方法和二进制数与八进制数的转换方法类似： 4 位二进 将 制数码作为一组转换成对应的十六进制数字，同样前后不足 4 位的用 0 补齐(四位一并法)； 而十六进制数与二进制数的转换是将每位十六进制数表示成 4 位二进制数，再按顺序排列 好，同样前后多余的 0 省略(一分为四法)。 例 1.7 把二进制数（001.011）2 转换为十六进制数。二进制 4 位分组： 转换成十六进制数： 0 A 1110 E 1001 9 . . 0110 6（001.011） ＝ （6AE9.6） 2 16在这里我们看到二进制和八进制、十六进制之间的转换非常直观，因此，要把一个十进 数转换成二进制数可以先转换为八进制数或十六进制数，然后再快速地转换成二进制数。 同样， 在转换中若要将十进制数转换为八进制数和十六进制数时。 也可以先把十进制数 转换成二进制数， 然后再转换为八进制数或十六进制数， 如表 1-3 所示为常用计数制对照表。 例如将十进制数 673 转换为二进制数， 可以先转换成八进制数 （除以 8 求余法） 1241， 得 再按每位八进数转为 3 位二进数，求得 B，如还要转换成十六进制数用 4 位一组 很快就能得到 2A1H。表 1-3 常用计数制对照表十 二 八 十六 十 二 八 十六 进制数 进制数 进制数 进制数 进制数 进制数 进制数 进制数0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 10 11 100 101 110 111
2 3 4 5 6 7 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 … 11 10 1111 … 11 12 13 14 15 16 17 … 9 A B C D E F …习 题一、填空题 1．计算机硬件系统由 、 、 、 和 5 大部分 组成，每部分实现一定的基本功能。 2．将指令和数据预先存入存储器中，使计算机能自动高速地按顺序取出存储器中的指 令加以执行，即执行 。 、 、 、 和 。 3．当前，计算机的发展表现为五种趋势： 4．一个完整的计算机系统由 和 组成。 5．ASCII 码是对___________进行编码的一种方案。 6．将二进制数 .11101 转换为十进制数 。 7．十进制数 115.125 转换为二进制数是 ，十六进制数是 。 二、选择题 1．以真空管为主要零件的是_________。 A．第一代计算机 B．第二代计算机 C．第三代计算机 D．第四代计算机 2．CAD 是计算机主要应用领域，它的含义是_________。 A．计算机辅助教育 B．计算机辅助测试 C．计算机辅助设计 D．计算机辅助管理 3．某机场的机场订票系统程序属于_________。 A．工具软件 B．系统软件 C．应用软件 D．文字处理软件 4．在下列计算机应用中不属数值应用的是_________。A．天气预报 B．公文收发 C．地震预报 D．结构设计 5．冯结构计算机包括：输入设备、输出设备、存储器、控制器、_________五大组成部 分。 A．处理器 B．运算器 C．显示器 D．模拟器 6．在冯?诺伊曼计算机模型中，存储器是指_________单元 A．内存 B．外存 C．缓存 D．闪存 7．指令的数量与类型由_________决定。 A．CPU B．DRAM C．SRAM D．BIOS 8． 一条指令通常由_________和操作数两个部分组成。 A．程序 B．操作码 C．机器码 D．二进制数 9．一条指令通常由_________和操作数两个部分组成。 A． 程序 B． 操作码 C． 机器码 D． 二进制数 10．下面几个数中，最小的数是_________。 A．二进制数
B．八进制数 420 C．十进制数 273 D．十六进制数 10F 三、问答题 1．计算机的发展经历了那些发展阶段？ 2．如右图所示是“次”的 16×16 点阵表示形式，试写出其字形码， 并用 16 进制数表示。 3．计算机硬件由哪五大部分组成？ 4．简述计算机的基本工作原理。 5．微型计算机三大总线是什么?各有什么作用? 6．在计算机中表示汉字的机内码是怎样转换来的?如果某一个汉字的区位码是 3121H, 那么该汉字的机内码是多少? 7．利用计算机网络查找有关未来计算机的相关资料，以加深了解和认知。
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