计算机基础知识1

第 1 章计算机基础知识自从 1946 年诞生第一台计算机以来，计算机技术得到了迅猛发展。尤其是微型计算机的出现以及互联网的发展，使得计算机及其应用已渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会信息化的发展，并形成了计算机文化（ computer literacy ）。掌握和使用计算机已成为现代社会必不可少的知识与技能。学习计算机文化，首先要了解计算机的基础知识。本章将介绍计算机的基础知识，包括计算机的发展、分类及应用，计算机中的数制，计算机中的信息表示以及计算机文化的内涵等。1.1计算机概述计算机的全称是电子数字计算机，是一种能够快速、高效地对各种信息进行存储和处理的电子设备。它按照事先编写的程序对输入的原始信息进行加工、处理、存储或传输，以获得预期的输出信息，并利用这些信息来提高社会生产率，改善人民的生活质量。计算机最早用于数值计算，随着计算机技术和应用的发展，如今计算机已成为进行信息处理必不可少的一种工具。计算机发展简史在历史发展的长河中，人类发明了各种省时、省力的工具以辅助自身处理各种事务。如发明算盘用于计算，发明纸张用于传递信息，发明打字机用于帮助书写等。随着时代的进步，需要处理的信息越来越复杂多样，再针对具体事务而发明相应的工具多有不便， 在这种情况下，能够综合处理各种事务的计算机便应运而生。1 计算机的诞生1946 年 2 月，在美国宾夕法尼亚大学研制出了第一台电子数字积分计算机（ electronic numerical integrator and calculator ， ENIAC ），中文译为埃尼阿克。它标志着第一代计算机的诞生。20 世纪 40 年代初，第二次世界大战战事正酣，由于导弹、火箭、原子弹等现代科学技术的发展，出现了大量极其复杂的数学问题，原有的计算工具已无法满足要求；而当时电子学和自动控制技术的迅速发展，也为研制新的计算工具提供了物质技术条件。于是1943 年，在美国陆军作战部的资助下，由物理学家莫奇利（John W. Mauchly ）博士和埃克特（ J. Presper Eckert）博士领导的研究小组开始设计制造电子计算机。该机于1946 年 2 月正式通过验收并投入运行，一直服役到1955 年，这是世界上首台真正能自动运行的电子计算机。它使用了18800 只电子管， 1500 多只继电器， 7000 多只电阻，耗电150kW ，占地精品文档面积 150 ，重量超过 30t，每秒能完成 5000 次加法运算。 ENIAC 的主要缺点是存储容量太小，只能存储 20 个字长为 10 位的十进制数，基本上不能存储程序，每次解题都要依靠人工改接连线来编程序。尽管存在许多缺点，但是它为计算机的发展奠定了技术基础。计算机的诞生标志着人类在长期生产劳动中制造和使用的各种计算工具（如算盘、计算尺、手摇计算机、机械计算机及电动齿轮计算机等）的能力，随着世界文明的进步飞跃发展到了一个崭新的阶段，同时也标志着人类电子计算机时代的到来，具有划时代意义。2 计算机的发展阶段六十多年来，计算机随着电子元器件的发展而迅速发展，计算机的性能得到了极大的提高，其体积大大缩小，功能越来越强，应用越来越普及。计算机的发展阶段通常按照计算机中所采用的电子器件来划分，可分为4 个阶段。1）第 1 代计算机（ 19461958 年）第 1 代计算机是电子管计算机，采用电子管作为计算机的逻辑元件，内存储器为水银延迟线，外存储器为磁鼓、纸带、卡片等。内存容量为几千个字，运算速度为每秒几千到几万次基本运算。它采用二进制表示的机器语言或汇编语言编写程序，主要用于军事和科研部门进行数值运算。第 1 代计算机的典型代表是1946 年美籍匈牙利数学家冯诺依曼（Von Neumann）博士与他的同事们在普林斯顿研究所设计的存储程序计算机EDVAC （ electronicdiscretevariable automatic computer，埃德瓦克） 。它的设计与ENIAC 不同，体现了“存储程序原理”和“二进制”的思想，产生了所谓的冯诺依曼型计算机结构体系，对后来计算机的发展有着深远影响。2）第 2 代计算机（ 19581964 年）第 2 代计算机是晶体管电路计算机，采用晶体管制作计算机的逻辑元件，内存储器多为磁芯存储器，外存储器为磁盘、磁带等。第 2 代计算机体积缩小，功耗降低，功能增强，可靠性大大提高，运算速度提高到每秒几十万次基本运算，内存容量扩大到几十万字。同时，软件技术也有了很大发展，出现了 FORTRAN 、 COBOL 、ALGOL 等高级程序设计语言。计算机的应用从数值计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。其代表机型有IBM 公司的 IBM7090 、 IBM7094 、 IBM7040 、 IBM7044 等。3）第 3 代计算机（ 19641975 年）第 3 代计算机的基本电子元器件由集成电路（Integrated Circuit ）构成。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以制作在几平方毫米的单晶硅基片上集成几个到几十个电子元件（逻辑门）的小规模或中规模集成电路。内存储器已开始采用半导体存储器芯片，存储容量和可靠性都有了较大提高，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，出现了人机会话式语言BASIC ，特别是操作系统的逐渐成熟， 成为第 3 代计算机的显著特点。 计算机开始广泛应用在各个领域，最有影响的是 IBM360 系列计算机（中型机） ， IBM370 计算机（大型机） 。这个时期的另一特点是小型计算机的应用，如DEC 公司的 PDP-11 系列小型计算机等。4）第 4 代计算机（ 1975 年至今）第 4 代计算机采用大规模集成电路（ large scale integration ，LSI ）和超大规模集成电路（ very large scale integration ， VLSI ）技术，在硅半导体基片上集成几百到几千甚至几万个.精品文档以上的电子元器件。计算机的运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算。在软件方面，出现了数据库系统、分布式操作系统等，软件配置空前丰富，应用软件的开发已逐步成为一个庞大的现代化产业。在研制出运算速度达每秒几亿次、几十亿次，甚至百亿次的巨型计算机的同时，微型计算机的产生、发展和迅速普及是这一时期的一个重要特征。微型计算机诞生于20 世纪70 年代，80 年代得到迅速推广。 由于它的出现使计算机的应用已经涉及到人类生活和国民经济的各个领域，并且进入了家庭，同时也为计算机网络普及化创造了条件。微型计算机的出现与发展是计算机发展史上的重大事件。表 1-1 对计算机各个发展阶段的主要特点进行了比较。表 1-1计算机各个发展阶段主要特点比较发展阶段第 1 代第 2 代第 3 代第 4 代性能指标（1946 1958 年）（ 1958 1964 年）（1964 1975 年）（ 1975 至今）逻辑元件电子管晶体管中、小规模集成大规模、超大规电路模集成电路主存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓半导体存储器半导体存储器辅助存储器磁鼓、磁带磁鼓、磁带、磁鼓、磁带、磁带、磁盘、磁盘磁盘光盘处理方式机器语言作业连续处理编实时、分时处理多实时、分时处理汇编语言译语言道程序网络结构运算速度（次 /秒）几千几万几万几十万几十万几百万几百万几百亿主要特点体积大，耗电大，体积小，重量轻，小型化，耗电少，微型化，耗电极可靠性差， 价格昂耗电小，可靠性高可靠性高少，可靠性高贵，维修复杂从 20 世纪 80 年代开始，日本、美国和欧洲部分国家纷纷投入大量的人力和物力研制新一代计算机，如模拟人脑思维的神经网络计算机；运用生物工程技术的生物计算机；用光作为信息载体的光计算机等。新一代计算机与前4 代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以称为人工智能计算机。可以预言，新一代计算机的研制成功和应用，必将对人类社会的发展产生更为深远的影响。3 微型计算机的发展以微处理器（ microprocessor）为核心部件的微型计算机属于第4 代计算机。微处理器是利用大规模和超大规模集成电路技术，把运算器和控制器制作在一块集成电路芯片上形成的器件，又称中央处理单元或中央处理器（central processing unit ， CPU）。通常以微处理器型号为标志划分微型计算机，如286 计算机、 386 计算机、 486 计算机、 Pentium 计算机、 Pentium 计算机、 Pentium计算机、 Pentium4 计算机等；也可以按计算机运算部件处理的数据位数来划分，如8 位计算机、 16 位计算机、 32 位计算机、 64位计算机等，位数越多计算机运算速度越快。微型计算机的发展史实际上就是微处理器的发展史。微处理器的发展一直按照摩尔定律（ Moore law ），其性能平均每18 个月提高一倍。美国Intel 公司的芯片设计和制造工艺.精品文档一直领导着芯片业界的潮流，Intel 公司的芯片发展史从一个侧面反映了微处理器和微型计算机的发展，宏观上可划分为80x86 时代和 Pentium 时代。表 1-2 列出了 Intel 公司生产的微处理器芯片发展简史。表 1-2 Intel 公司生产的微处理器芯片发展简史年份芯片名称位简单说明19714004/404042250 个晶体管，用它制成4 位微型计算机 MCS-41972800883500 个晶体管， 45 条指令1973808086000 个晶体管，时钟频率2MHz ，运算速度比 4004 快 20 倍197880861629000 个晶体管， 80x86 指令集197980881629000 个晶体管，时钟频率4.77MHz1982802861613.4 万个晶体管，时钟频率20MHz 。 1984 年 IBM 公司以 Intel80286芯片为 CPU 推出 IBM PC/AT 计算机1985803863227.5 万个晶体管，时钟频率15.2MHz/33MHz19898048632120 万个晶体管，时钟频率25MHz/33MHz/50MHz1993Pentium32310 万个晶体管，时钟频率60MHz/75MHz/90MHz/100MHz/120MHz/133MHz1995Pentium Pro32550 万个晶体管，时钟频率150MHz/166MHz/180MHz/200MHz1997Pentium II32750 万个晶体管，时钟频率233 450MHz1999Pentium III32950 万个晶体管，时钟频率450MHz 1GHz2000Pentium 4324200 万个晶体管，时钟频率大于 1GHz1971 年 Intel 公司研制成功了第1 台微处理器4004，并以此为核心组成了微型计算机MCS-4 。1973 年该公司又研制成功了8 位微处理器8080，随后其他许多公司竞相推出微处理器微型计算机产品。1977 年美国 APPLE 公司推出了著名的APPLE 计算机，它采用8位的微处理器，是第一种被广泛应用的微型计算机，开创了微型计算机的新时代。1981 年IBM 公司基于 Intel8088 芯片推出的 IBM-PC 计算机以其优良的性能、 低廉的价格以及技术上的优势迅速占领市场，使微型计算机进入到了一个迅速发展的实用时期。在短短的十几年内，微型计算机经历了从 8 位到 16 位、 32 位再到 64 位的发展过程。4 我国计算机的发展概况我国从 1956 年开始研制第1 代计算机。 1958 年研制成功第1 台电子管小型计算机103计算机。 1959 年研制成功运行速度为每秒1 万次的 104 计算机， 这是我国研制的第1 台大型通用电子数字计算机，其主要技术指标均超过了当时日本的计算机，与英国同期已开发的运算速度最快的计算机相比，也毫不逊色。20 世纪 60 年代初，我国开始研制和生产第2 代计算机。 1965 年研制成功第1 台晶体管计算机 DJS-5 小型机，随后又研制成功并小批量生产121、 108 等 5 种晶体管计算机。我国于 1965 年开始研究第3 代计算机， 并于1973 年研制成功了集成电路的大型计算机 150 计算机。 150 计算机字长48 位，运算速度达到每秒100 万次，主要用于石油、 地质、气象和军事部门。1974 年又研制成功了以集成电路为主要器件的DJS 系列计算机。1977 年 4 月我国研制成功第一台微型计算机DJS-050，从此揭开了中国微型计算机的发展历史，我国的计算机发展开始进入第4 代计算机时期。如今在微型计算机方面，我国已研制开发了长城系列、紫金系列、联想系列等微机并取得了迅速发展。.精品文档在国际科技竞争日益激烈的今天，高性能计算机技术及应用水平已成为展示综合国力的一种标志。 1983 年由国防科技大学研制成功的银河I 号亿次运算巨型计算机是我国自行研制的第 1 台亿次运算计算机系统，该系统的研制成功填补了国内巨型机的空白，使我国成为世界上为数不多的能研制巨型机的国家之一。1992 年研制成功银河号十亿次通用、并行巨型计算机。1997 年研制成功银河号百亿次并行巨型计算机，该机的系统综合技术达到国际先进水平，被国家选作军事装备之用。1995 年 5 月曙光1000 研制完成，这是我国独立研制的第1 套大规模并行计算机系统。1998 年，曙光 2000-I 诞生，它的峰值运算为每秒 200 亿次。 1999 年，曙光 2000-超级服务器问世，其峰值速度达到每秒1117亿次，内存高达50GB 。 1999 年 9 月神威 -I 号并行计算机研制成功并投入运行，其峰值运算速度达到每秒3840 亿次，它是我国在巨型计算机研制和应用领域取得的重大成果，标志着我国继美国、日本之后，成为世界上第3 个具备研制高性能计算机能力的国家。近几年来我国的高性能计算机和微型计算机的发展更为迅速。曙光信息产业有限公司于 2003 年岁末推出了全球运算速度最快的商品化高性能计算机曙光4000A ，它采用2192 个主频为2.4GHz 的 64 位处理器，运算峰值达每秒10 万亿次，位居世界高性能计算机的第 10 位，进一步缩短了我国高性能计算机与世界顶级水平的差距。2002 年 9月，我国首款可商业化、拥有自主知识产权的32 位通用高性能CPU 龙芯 1 号研制成功，标志我国在现代通用微处理设计方面实现了零的突破。2005 年 4 月，我国首款64 位通用高性能微处理器龙芯2 号正式发布，最高频率为500MHz ，功耗仅为 3 5W，已达到 Pentium的水平。我国的微机生产近几年基本与世界水平同步，诞生了联想、长城、方正、同创、同方、浪潮等一批国产微机品牌，它们正稳步向世界市场发展。5 未来计算机的发展趋势计算机技术是世界上发展最快的科学技术之一，产品不断升级换代。当前计算机正朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计算机本身的性能越来越优越，应用范围也越来越广泛，从而使计算机成为工作、学习和生活中必不可少的工具。计算机技术的发展主要有以下 5 个特点。1）巨型化巨型化是指发展高速、 大存储量和强功能的巨型计算机。 巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。2）微型化微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。自从 1971 年微型计算机问世以来，在短短的 30 多年内，微型计算机得到了极为迅速的发展，硬件与软件技术不断升级换代，价格不断下降，并且广泛地应用到社会生活的各个方面。近年来，各种便携式计算机的大量问世和使用，是计算机微型化的一个 标志。将来计算机体积会更小，速度更快，功能更强大，形成一个便于携带的个人信息中心；计算机的使用将越来越简单，如同使用普通电器。3）智能化智能化使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，使计算机成为智能计算机。这.精品文档也是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括图像识别、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前，已研制出多种具有人的部分智能的机器人。4）网络化网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（ Internet ）已经连接包括我国在内的 150 多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。5）多媒体多媒体计算机是当前计算机领域中最引人注目的高新技术之一。多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机。这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机联系，并集成为一个具有交互性的系统。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着人类接受和处理信息的最自然的方式发展。计算机的分类计算机发展到今天，已是琳琅满目、种类繁多，并表现出各自不同的特点。可以从不同的角度对计算机进行分类。按 计 算 机 信 息 的 表 示 形 式 和 对 信 息 的 处 理 方 式 不 同 分 为 数 字 计 算 机 （ digital computer）、模拟计算机（ analogue computer ）和混合计算机。数字计算机所处理数据都是以 0 和 1 表示的二进制数字，是不连续的离散数字，具有运算速度快、准确、存储量大等优点，因此适宜科学计算、信息处理、过程控制和人工智能等，具有最广泛的用途。模拟计算机所处理的数据是连续的，称为模拟量。模拟量以电信号的幅值来模拟数值或某物理量的大小，如电压、电流、温度等都是模拟量。模拟计算机解题速度快，适于解高阶微分方程，在模拟计算和控制系统中应用较多。混合计算机则是集数字计算机和模拟计算机的优点于一身。按计算机的用途不同分为通用计算机（ general purpose computer）和专用计算机 （specialpurpose computer）。通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等，具有功能多、配置全、用途广、通用性强的特点，市场上销售的计算机多属于通用计算机。专用计算机是为适应某种特殊需要而设计的计算机，通常增强了某些特定功能，忽略一些次要要求，所以专用计算机能高速度、高效率地解决特定问题，具有功能单纯、使用面窄甚至专机专用的特点。模拟计算机通常都是专用计算机，在军事控制系统中被广泛地使用，如飞机的自动驾驶仪和坦克上的兵器控制计算机。本书内容主要介绍通用数字计算机，平常所用的绝大多数计算机都是该类计算机。计算机按其运算速度快慢、存储数据量的大小、功能的强弱，以及软硬件的配套规模等不同又分为巨型机、大中型机、小型机、微型机、工作站与服务器等。.精品文档1 巨型机（ giant computer）巨型机又称超级计算机（super computer），是指运算速度超过每秒1 亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机，主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机关中，可供几百个用户同时使用。运算速度快是巨型机最突出的特点。如美国Cray 公司研制的Cray 系列机中，Cray-Y-MP运算速度为每秒2040 亿次，我国自主生产研制的银河巨型机为每秒100亿次， IBM 公司的 GF-11 可达每秒115 亿次，日本富士通研制了每秒可进行3000 亿次科技运算的计算机。最近我国研制的曙光4000A 运算速度可达每秒10 万亿次。世界上只有少数几个国家能生产这种机器，它的研制开发是一个国家综合国力和国防实力的体现。2 大中型计算机（large-scale computer and medium-scale computer）这种计算机也有很高的运算速度和很大的存储量并允许相当多的用户同时使用。当然在量级上都不及巨型计算机，结构上也较巨型机简单些，价格相对巨型机来得便宜，因此使用的范围较巨型机普遍，是事务处理、商业处理、信息管理、大型数据库和数据通信的主要支柱。大中型机通常都像一个家族一样形成系列， 如 IBM370 系列、DEC 公司生产的 VAX8000 系列、日本富士通公司的 M-780 系列。同一系列的不同型号的计算机可以执行同一个软件，称为软件兼容。3 小型机（ minicomputer）其规模和运算速度比大中型机要差，但仍能支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、价格低、性能价格比高等优点，适合中小企业、事业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业管理以及科学计算等，也可做巨型机或大中型机的辅助机。典型的小型机是美国 DEC 公司的 PDP 系列计算机、 IBM 公司的 AS/400 系列计算机，我国的 DJS-130 计算机等。4 微型计算机（ microcomputer）微型计算机简称微机， 是当今使用最普及、 产量最大的一类计算机， 体积小、 功耗低、成本少、灵活性大，性能价格比明显地优于其他类型计算机，因而得到了广泛应用。微型计算机可以按结构和性能划分为单片机、单板机、个人计算机等几种类型。1）单片机（ single chip computer ）把微处理器、一定容量的存储器以及输入输出接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机。 可见单片机仅是一片特殊的、具有计算机功能的集成电路芯片。单片机体积小、功耗低、 使用方便， 但存储容量较小，一般用做专用机或用来控制高级仪表、家用电器等。2）单板机（ single board computer ）把微处理器、存储器、输入输出接口电路安装在一块印刷电路板上，就成为单板计算机。一般在这块板上还有简易键盘、液晶和数码管显示器以及外存储器接口等。单板机价格低廉且易于扩展，广泛用于工业控制、微型机教学和实验，或作为计算机控制网络的前端执行机。3）个人计算机（personal computer ， PC）供单个用户使用的微型机一般称为个人计算机或PC，是目前用得最多的一种微型计算.精品文档机。 PC 配置有一个紧凑的机箱、显示器、键盘、打印机以及各种接口，可分为台式微机和便携式微机。台式微机可以将全部设备放置在书桌上，因此又称为桌面型计算机。当前流行的机型有 IBM-PC 系列， Apple 公司的 Macintosh ，我国生产的长城、浪潮、联想系列计算机等。便携式微机包括笔记本计算机、袖珍计算机以及个人数字助理（Personal DigitalAssistant，PDA ）。便携式微机将主机和主要外部设备集成为一个整体，显示屏为液晶显示，可以直接用电池供电。5 工作站工作站（workstation ）是介于 PC 和小型机之间的高档微型计算机， 通常配备有大屏幕显示器和大容量存储器，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有微型计算机操作便利和人机界面友好的特点。工作站的独到之处是具有很强的图形交互能力， 因此在工程设计领域得到广泛使用。 SUN、HP、SGI等公司都是著名的工作站生产厂家。6 服务器随着计算机网络的普及和发展，一种可供网络用户共享的高性能计算机应运而生，这就是服务器。服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部接口，运行网络操作系统，要求较高的运行速度，为此很多服务器都配置双CPU。服务器常用于存放各类资源，为网络用户提供丰富的资源共享服务。常见的资源服务器有DNS（Domain Name System ，域名解析）服务器、 E-mail（电子邮件） 服务器、 Web（网页）服务器、 BBS（Bulletin Board System ，电子公告板）服务器等。计算机的特点与性能指标1 计算机的特点有人说，机械可以使人类的体力得以放大，计算机则可使人类的智慧得以放大。作为人类智力劳动的工具，计算机具有以下主要特点。1）运算速度快计算机的运算速度又称处理速度，用每秒钟可执行百万条指令（MIPS ）来衡量。现代一般计算机每秒可运行几百万条指令即几个MIPS ，巨型机的运行速度可达数百MIPS ，数据处理的速度相当快。计算机如此高的数据运行速度是其他任何运算工具所无法比拟的，使得许多过去需要几年甚至几十年才能完成的科学计算，现在只要几天、几个小时，甚至更短的时间就可以完成。计算机处理数据的高速度使得它在商业、金融、交通、通信等领域能达到实时、快速的服务，这也是计算机广泛使用的主要原因之一。例如，国外一位数学家花了 15 年时间把圆周率算到了小数点后第707 位，而这样的工作， 现在用计算机不到一个小时就能完成。计算机运算速度快的特点，不仅能极大地提高工作效率，而且使得许多复杂的科学计算问题得以解决，把人们从繁杂的脑力劳动中解放出来。2）精度高科学技术的发展，特别是一些尖端科学技术的发展，要求具有高度准确的计算结果。数据在计算机内部都是采用二进制数字进行运算，数的精度主要由表示这个数的二进制码的位数或字长来决定。随着计算机字长的增加和配合先进的计算技术，计算精度不断提高，.精品文档可以满足各类复杂计算对计算精度的要求。如用计算机计算圆周率，目前已可达到小数点后数百万位了。3）存储容量大计算机的存储器类似于人类的大脑，可以记忆（存储）大量的数据和信息。存储器不但能够存储大量的数据与信息而且能够快速准确地找到或取出这些信息，使得从浩如烟海的文献资料、数据中查找并且处理信息成为十分容易的事情。如微机目前一般的内存容量在几百兆字节甚至上千兆字节。再加上大容量的软盘、硬盘、光盘等外部存储器，实际存储容量已达到海量。计算机的这种存储信息的能力，使它们成为信息处理的有力工具。4）具有可靠的逻辑判断力计算机可以进行算术运算又能进行逻辑运算，具有可靠的逻辑判断能力是计算机的一个重要特点，是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。冯诺依曼结构计算机的基本思想就是先将程序输入并存储在计算机内，在程序执行过程中，计算机会根据上一步的执行结果，运用逻辑判断方法自动确定下一步该做什么，应该执行哪一条指令。能进行逻辑判断，使计算机不仅能对数值数据进行计算，也能对非数值数据进行处理，使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域，如信息检索、图像识别以及各种多媒体应用。5）可靠性高和通用性强由于采用了大规模和超大规模集成电路，计算机具有非常高的可靠性，其平均无故障时间可达到以年为单位。一般来说，无论数值还是非数值的数据，都可以表示成二进制数的编码；无论是复杂的还是简单的问题，都可以分解成基本的算术运算和逻辑运算，并可用程序描述解决问题的步骤。所以，在不同的应用领域中，只要编制和运行不同的应用软件，计算机就能在此领域中很好地服务，通用性极强。2 计算机的性能指标一台计算机的性能是由多方面的指标决定的，不同的计算机其侧重面有所不同。计算机的主要技术性能指标如下。1）字长字长是指计算机的运算部件一次能直接处理的二进制数据的位数，它直接涉及到计算机的功能、用途和应用领域，是计算机的一个重要技术性能指标。一般计算机的字长都是字节的 1、 2、 4 、 8 倍，微型计算机的字长为8 位、16位、 32 位和 64 位。如一台Pentium CPU 字长为 32 位，表示其能处理的最大二进制数为232。首先，字长决定了计算机的运算精度，字长越长，运算精度就越高，因此高性能计算机字长较长，而性能较差的计算机字长相对短些；其次，字长决定了指令直接寻址的能力；字长还影响计算机的运算速度，字长越长，其运算速度就快。2）内存容量内存储器中能存储信息的总字节数称为内存容量。字节（Byte ）是指作为一个单位来处理的一串二进制数位，通常以8 个二进制位（b）为一个字节（B）。 1KB=1024B ，1MB=1024KB ， 1GB=1024MB 。目前一般微机内存容量在128 512MB 之间。内存的容量越大，存储的数据和程序量就越多，能运行的软件功能越丰富，处理能力就越强，同时也会加快运算或处理信息的速度。.精品文档3）主频主频即 CPU 的时钟频率 （ Clock Speed ），是指 CPU 在单位时间内发出的脉冲数，也就是 CPU 运算时的工作频率。主频的单位是赫兹（Hz）。目前微机的主频都在800 兆赫兹（ MHz ）以上， Pentium4 的主频在 1 吉赫兹（ 1GHz ）以上。在很大程度上CPU 的主频决定着计算机的运算速度，主频越高， 一个时钟周期里完成的指令数也越多，当然 CPU 的速度就越快，提高CPU 的主频也是提高计算机性能的有效手段。4）存取周期存储器完成一次读（取）或写（存）信息所需时间称为存储器的存取（访问）时间。连续两次读（或写）所需的最短时间，称为存储器的存取周期。存取周期是反映内存储器性能的一项重要技术指标，直接影响计算机的速度。微机的内存储器目前都由超大规模集成电路技术制成，其存取周期很短，约为几十纳秒（ns）左右。5）外设配置外设配置是指计算机的输入输出设备以及外存储器等。如键盘、鼠标、显示器与显示卡、音箱与声卡、打印机、硬盘和光盘驱动器等。不同用途的计算机要根据其用途进行合理的外设配置。例如，联网的多媒体计算机，由于要具有连接互联网的能力与多媒体操作的能力， 因此要配置高速率的调制解调器（ modem）和高速的 CD-ROM （ compact disc-readonly memory ）驱动器、一定功率的音箱、一定位数的声卡、显示卡等，以保证计算机的网络通信和图像显示。除上面列举的 5 项主要指标外，计算机还应考虑机器的兼容性（ compatibility ）、可靠性（ reliability ）、可维护性（ maintainability ）、机器允许配置的外部设备的最大数目等。综合评价计算机性能的指标是性能价格比，其中性能是包括硬件、软件的综合性能，价格是指整个系统的价格。计算机的应用领域计算机以其卓越的性能和强大的生命力，在科学技术、国民经济、社会生活等各个方面得到了广泛的应用，并且取得了明显的社会效益和经济效益。计算机的应用几乎包括人类生活的一切领域，可以说是包罗万象，不胜枚举。 据统计， 计算机已应用于8000 多个领域，并且还在不断扩大。根据计算机的应用特点可以归纳为以下8 大类。1 科学计算在科学研究和工程设计等方面的数学计算问题称为科学计算。 计算机是为科学计算的需要发明的，科学计算的特点是计算量大、求解精确度高、结果可靠。利用计算机的高速性、大存储量、连续运算能力，可以进行繁琐而复杂、人工难以完成甚至根本无法完成的各种科学计算问题。例如建筑设计中的计算；各种数学、物理问题的计算；气象、水文预报中的数据计算；宇宙空间探索、 人造卫星轨道的计算；对多种计算方案进行比较，选取最佳方案等。2 数据处理数据处理又称信息处理，是目前计算机应用的主要领域。据统计，在计算机的所有应用中，数据处理方面的应用约占全部应用的 75%以上。信息处理是指用计算机对各种形式的数据如文字、图像、声音等收集、存储、加工、分析和传输的过程，常泛指非科学计算方面、以管理为主的所有应用。数据处理是现代管理的基础，广泛地应用于情报与图书检.精品文档索、文字处理、企业管理、决策系统、办公自动化等方面。数据处理的应用已全面深入到当今社会生产和生活的各个领域。3 过程控制过程控制也称为实时控制，是指用计算机作为控制部件对单台设备或整个生产过程进行控制。其基本原理为：将实时采集的数据送入计算机内与控制模型进行比较，然后再由计算机反馈信息去调节及控制整个生产过程， 使之按最优化方案进行。 用计算机进行控制，可以大大提高自动化水平，减轻劳动强度，增强控制的准确性，提高劳动生产率。因此，在工业生产的各个行业都得到了广泛的应用，在卫星、导弹发射等国防尖端技术领域，更是离不开计算机的实时控制。4 计算机辅助设计计算机辅助设计（ computer aided design，CAD ）是指用计算机帮助工程技术人员进行设计工作。采用 CAD 可以使设计工作半自动化或自动化，不仅可以大大缩短设计周期，节省人力物力，而且能降低生产成本，达到最佳设计效果，保证产品质量。以飞机设计为例，过去从制定方案到画出全套图纸，要花大量的人力物力，用两年半到三年时间才能完成，采用 CAD 之后，只需三个月就可以完成。当前， CAD 已广泛应用于机械、电子、建筑、航空、服装、化工等行业，成为计算机应用最活跃的领域之一。CAD 已得到世界各国的普遍重视。一些国家已经把计算机辅助设计和计算机辅助制造（ computer aided manufacturing ，CAM ）、计算机辅助测试（ computer aided test，CAT ）及计算机辅助工程（ computer aided engineering ，CAE ）等组成一个集成系统，形成计算机集成制造系统（ computer integrated manufacturing system， CIMS ）技术，实现设计、制造、测试、管理完全自动化。5 现代教育近些年来，随着计算机的发展和应用领域的不断扩大，它对社会的影响已经有了文化层次的含义。所以在各级学校的教学中，已把计算机应用技术本身作为“文化基础”课程安排于教学计划中。此外，计算机作为现代教学手段在教育领域中应用越来越广泛、深入。主要有以下4 种形式。1）计算机辅助教学计算机辅助教学（computer assister instruction ，CAI ）是指用计算机来辅助进行教学工作。它利用文字、 图形、 图像、动画、声音等多种媒体将教学内容开发成 CAI 软件的方式，使教学过程形象化；还可以采用人机对话方式，对不同学生采取不同的内容和进度，改变了教学的统一模式，不仅有利于提高学生的学习兴趣，更适用于学生个性化、自主化的学习。具体产品为各种 CAI 课件、试题测试库等。2）计算机模拟除了计算机辅助教学外，计算机模拟是另外一种重要的教学辅助手段。如在电工电子教学中，让学生利用计算机设计电子线路实验并模拟，查看是否达到预期结果，这样可避免不必要的电子器件的损坏，节省费用。同样，飞行模拟器训练飞行员、汽车驾驶模拟器训练驾驶员都是利用计算机模拟进行教学的例子。3）多媒体教室利用多媒体计算机和相应的配套设备建立多媒体教室，可以演示文字、图形、图像、.精品文档动画和声音，给教师提供了强有力的现代教学手段，使得课堂教学变得图文并茂、生动直观，同时提高了教学效率，减轻了教师劳动强度，把教师从黑板前的粉尘中解放出来。4）网上教学利用计算机网络将大学校园内开设的课程传输到校园以外的各个地方，使得更多的人能有机会受到高等教育。网上教学在地域辽阔的中国将有诱人的发展前景。6 人工智能人工智能是指用计算机来模仿人的智能，使计算机具有识别语言、文字、图形和进行推理、学习以及适应环境的能力。新一代计算机的开发将成为人工智能研究成果的集中体现，具有某一方面专家的专门知识的专家系统和具有一定“思维”能力的机器人的大量出现，是人工智能研究不断取得进展的标志。如应用在医疗工作中的医学专家系统，能模拟医生分析病情，为病人开出药方，提供病情咨询等。机器制造业中采用的智能机器人，可以完成各种复杂加工、承担有害与危险作业。7 家庭管理与娱乐越来越多的人已经认识到计算机是一个多才多艺的助手。对于家庭，计算机通过各种各样的软件可以从不同方面为家庭生活与事务提供服务，如家庭理财、家庭财务管理、家庭教育、家庭娱乐、家庭信息管理等。对于在职的各类人员，可以通过运行软件或计算机网络在家里办公。8 网络与通信计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。目前遍布全球的互联网，已把地球上的大多数国家联系在一起，信息共享、文件传输、电子商务、电子政务等领域迅速发展，使得人类社会信息化程度日益提高，对人类的生产、生活的各个方面都提供了便利。计算机文化的概念1 概念的提出国际上有关“计算机文化”的提法最早出现在20 世纪 80 年代初。 1981 年在瑞士洛桑召开的第三次世界计算机教育大会上，前苏联学者伊尔肖夫首次提出“计算机程序设计语言是第二文化” ，这个不同凡响的观点，如同一声春雷在会上引起巨大反响，几乎得到所有与会专家的支持。从此以后，“计算机文化” 的说法就在世界各国广为流传。我国出席这次会议的代表也做出了积极的响应，并向我国政府提出在中小学开展计算机教育的建议。根据这些代表的建议，1982 年原国家教委做出决定：在清华大学、北京大学和北京师范大学等 5 所大学的附中试点开设 BASIC 语言选修课，这就是我国中小学计算机教育的起源。到 20 世纪 80 年代中期以后，国际上的计算机教育专家逐渐意识到“计算机文化”内涵并不等同于计算机程序设计语言，因此植根在其基础上的“计算机文化”的提法曾一度低落，甚至销声匿迹。近几年随着多媒体技术、校园文化网络和Internet 的日益普及， “计算机文化”的说法又重新时髦起来。显然， “计算机文化”在 20 世纪 80 年代和 90 年代的两度流行，尽管提法相同，但其社会背景和内在含义已有了根本性的变化。探讨这种变化.精品文档的实质，纠正原有认识上的偏颇，深刻理解当前“计算机文化”的真正内涵，对于认清信息技术革命迅猛发展的形势，进一步迎接21 世纪的挑战，是不乏启迪意义的。2 对文化的理解在人类几千年的文化发展史中，能被称做“文化”的事物是不多的。语言文字的诞生使人类逐渐形成各种各样具有民族特色的文化，不同的语言文字必然产生不同的文化。反之，若使用共同的语言文字则总可以找到共同的文化渊源，因此“语言文字”被人们公认是一种“文化” ，而且是一种最基础的文化。如上所述，随着计算机文化的诞生和日益普及，从20 世纪 80 年代初开始也逐渐形成一种新的文化 “计算机文化” 。现在世界上的许多发达国家把 “计算机文化” 引入大中小学教育的必修课程，我们国家也正在这样做。就因为计算机是一种文化，是一种从小就需要了解和掌握的文化。那么，什么样的事物才称得上是一种“文化”，或者，要具备哪些属性才能看做是一种文化现象呢？所谓文化，通常有两种理解：第1 种是一般意义上的理解，认为只要对人的生活方式产生广泛而深刻影响的事物都属于文化，如饮食文化、茶文化、酒文化、电视文化、汽车文化等。第 2 种是严格意义上的理解，认为应当具有信息传递和知识传授功能，并对人类社会从生产方式、工作方式、学习方式到生活方式都产生广泛而深刻影响的事物才称得上文化。如语言文字的应用、计算机的日益普及和Internet 的迅速扩展，即属于这一类。也就是说，严格意义上的文化应具有广泛性、传递型、教育性及深刻性等4 个方面的基本属性。所谓广泛性主要体现在既涉及全社会的每一个人、每一个家庭，又涉及全社会的每一个行业、每一个应用领域两方面；传递性是指这种事物应当具有信息传递和交流思想的功能；教育性是指这种事物应能成为存储和获取知识的手段；深刻性是指事物的普及和应用给社会带来的影响极为深刻， 不是带来社会某一方面、 某个部门或某个领域的改良与变革，而是整个社会从生产方式、工作方式、学习方式到生活方式的深刻变革。按照上述原则来考察文化现象，就不难明白，为什么无线电广播与电视尽管也被称之为广播文化、 电视文化， 但作为一种 “文化”，并没有像计算机那样被全世界各阶层的人所认同，也没有一个国家，把这 2 种文化作为大中小学必修的基础课程。其原因就在于，它们的广泛性只涉及到个人和家庭，而不像计算机那样还涉及到全社会的各个行业和各个应用领域；它们的深刻性也主要涉及人们的生活方式和学习方式，而不像计算机那样将带来整个社会从生产方式、工作方式、学习方式到生活方式的全面变革。因此，广播和电视还不算严格意义上的文化。3 计算机文化的内涵衡量“计算机文化”素质高低的依据，通常是计算机方面最基础的知识和最主要的能力。根据目前国内外大多数计算机教育专家的意见，最能体现“计算机文化”的知识结构和能力素质，应当是“信息获取、信息分析与信息加工”有关的基础知识和实际能力。其中信息获取包括信息发现、信息采集与信息优选；信息分析包括信息分类、信息综合、信息查错与信息评价；信息加工则包括信息的排序与检索、信息的组织与表达、信息的存储与变换以及信息的控制与传输等。 这种与信息获取、 分析加工有关的知识可以简称之为 “信息学基础知识” ，相应的能力可以简称为 “信息能力” 。这种知识与能力既是 “计算机文化”水平高低和素质优劣的具体体现，又是信息社会对新型人才培养所提出的最基本要求。换.精品文档句话说，达不到这方面的要求，将无法适应信息社会的学习、工作与竞争的需要，就会被信息社会所淘汰。 从这个意义上完全可以说就相当于信息社会的 “文盲”。这就是计算机文化的真实内涵。1.2计算机的编码与数制计算机处理的是信息或数据。信息通常包括数值、字符、图像、声音等（本书主要讨论数值和字符） 。由于在计算机内部采用二进制数系统， 所以无论何种类型的信息都必须以二进制编码的形式在计算机中进行处理。因此，要了解计算机如何进行工作就必须了解信息编码、数制与二进制的概念以及不同数制之间的转换。信息编码的概念所谓信息编码， 就是采用少量基本符号（数码） 和一定的组合原则来区别和表示信息。基本符号的种类和组合原则是信息编码的两大要素。现实生活中的编码例子并不少见，如用字母的组合表示汉语拼音；用09 这 10 个数码的组合表示数值等。0 9 这 10 个数码又称为十进制码。在计算机中，信息编码的基本元素是0 和 1 两个数码，称为二进制码。计算机采用二进制码 0 和 1 的组合来