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2 大学计算机基础 徐久成王岁花主编 北京

3 内容简介本书是一本讲述计算机基础知识和应用的教材 全书内容共分 8 章, 分别介绍计算机基础知识 操作系统概述及 Windows 基础 Word 文字处理 Excel 电子表格处理 PowerPoint 演示文稿制作 计算机网络与信息安全 多媒体技术基础和软件技术基础等 本书注重基本原理 基本方法及实用性, 并包含了计算机发展的最新技术 为了便于读者理解书中的知识和操作, 每章后面均配有习题 本书内容丰富 语言精练 通俗易懂, 适合作为高等院校计算机基础课程教材, 也可供自学者或相关领域的工程技术人员学习 参考 不同层次的读者可以根据需要选学其中的章节 图书在版编目 (CIP) 数据 大学计算机基础 / 徐久成, 王岁花主编. 北京 : 科学出版社,2009 ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 2 Ⅰ. 大 Ⅱ.1 徐 2 王 Ⅲ. 电子计算机唱高等学校唱教材 Ⅳ.TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2009) 第 号 责任编辑 : 匡敏王剑虹潘斯斯潘继敏 / 责任校对 : 钟洋责任印制 : 张克忠 / 封面设计 : 耕者设计工作室 北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : http :// w w w.sciencep.co m 出版 中国科学院印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销倡 2009 年 8 月第一版开本 : / 年 8 月第一次印刷印张 :23 印数 : 字数 : 定价 :33 畅 00 元如有印装质量问题, 我社负责调换

4 前 言 中国高校的计算机基础教育始于 20 世纪 80 年代初, 大学计算机基础 ( 计算机文化基础 ) 一直都是许多高校学生学习的第一门计算机课程, 但随着中学 信息技术 课程的开设, 高校新生的计算机基础水平逐年提高, 同时社会对大学生的计算机素质也提出了新的要求 在这种形势下, 本课程的教学内容及教学方法必须进行改革 为此, 我们根据教育部高等院校非计算机专业计算机基础课程教学指导分委员会提出的枟关于进一步加强高校计算机基础教学的意见枠, 以及有关 大学计算机基础 课程最新的教学要求和教学大纲, 组织从事计算机基础教学工作的一线教师和专家, 编写了这本枟大学计算机基础枠 希望通过本书为广大师生提供内容丰富 能够学以致用的教学资料, 为学生实践操作技能训练和自主学习能力的培养, 为教师灵活 高效地组织教学活动提供便利的条件 本书内容丰富 结构严谨 语言简明扼要 通俗易懂, 具有较强的专业性 可操作性和实用性 全书内容共分 8 章, 内容主要包括计算机基础知识 操作系统概述及 Window s 基础 Office 办公软件 计算机网络与信息安全 多媒体技术基础和软件技术基础等 本书不仅保证了知识的完整性与科学性, 同时涵盖了全国计算机等级考试二级公共基础知识部分, 在内容上确保基础与提高兼顾 理论与实用结合 本书既与中学 信息技术 课程教学内容紧密衔接, 又体现大学计算机课程特点 本书较好地跟踪世界计算机技术的发展, 比以前的同类教材更加系统 深入地介绍计算机科学与技术的基本概念和基本原理, 并配合相应的实验课程, 着重强化学生的动手能力与实践技能的培养, 以基础理论为主体, 构建学生终生学习的平台 本书的编写人员都是多年从事高校计算机基础教学的专职教师, 具有较丰富的理论知识和教学经验, 书中不少内容就是对实践经验的总结 参加本书编写的有王岁花 孙全党 邹健 钟毓田 王川 岳冬利, 全书最后由徐久成修改统编定稿 本书的编写参考了近年来出版的相关技术资料, 吸取了许多专家和同仁的宝贵经验, 在此向他们表示衷心的感谢! 由于作者水平有限, 时间仓促, 书中难免存在疏漏 不当之处, 敬请读者批评指正 编者 2009 年 6 月

5 目 录 前言 第 1 章计算机基础知识 1 1 畅 1 计算机信息技术概述 1 1 畅 1 畅 1 计算机技术与信息化 1 1 畅 1 畅 2 计算机的发展 3 1 畅 1 畅 3 计算机的分类 5 1 畅 1 畅 4 计算机的应用 7 1 畅 2 计算机系统的运算基础 10 1 畅 2 畅 1 进位计数制 10 1 畅 2 畅 2 几种常用计数制之间的转换 11 1 畅 2 畅 3 二进制数的运算规则 13 1 畅 2 畅 4 信息在计算机中的表示 14 1 畅 2 畅 5 信息在计算机中的存储 18 1 畅 3 计算机系统的构成 19 1 畅 3 畅 1 冯 诺依曼体系计算机的结构特点 20 1 畅 3 畅 2 计算机的硬件系统 20 1 畅 3 畅 3 计算机的软件系统 20 1 畅 3 畅 4 计算机程序及其运行原理 21 1 畅 3 畅 5 计算机的性能指标 23 1 畅 4 微型计算机硬件组成 24 1 畅 4 畅 1 中央处理器 24 1 畅 4 畅 2 主板 25 1 畅 4 畅 3 内存储器 28 1 畅 4 畅 4 微机总线 29 1 畅 4 畅 5 常用外部设备 30 1 畅 4 畅 6 外存储器 34 1 畅 4 畅 7 键盘及其基本操作 35 习题一 36 第 2 章操作系统 38 2 畅 1 操作系统概述 38

6 iv 大学计算机基础 2 畅 1 畅 1 操作系统的基本概念 38 2 畅 1 畅 2 操作系统的功能 38 2 畅 1 畅 3 主要操作系统介绍 39 2 畅 2 Window s XP 基本知识和基本操作 41 2 畅 2 畅 1 Windows XP 的启动与退出 41 2 畅 2 畅 2 鼠标和键盘操作 42 2 畅 2 畅 3 Windows XP 的桌面 43 2 畅 2 畅 4 窗口及其基本操作 46 2 畅 2 畅 5 对话框与菜单 47 2 畅 2 畅 6 Windows XP 的帮助系统 50 2 畅 3 Window s XP 文件和文件夹管理 51 2 畅 3 畅 1 基本概念 51 2 畅 3 畅 2 资源管理器 53 2 畅 3 畅 3 文件与文件夹的基本操作 54 2 畅 3 畅 4 磁盘管理 58 2 畅 4 Window s XP 程序管理 62 2 畅 4 畅 1 应用程序的启动与退出 63 2 畅 4 畅 2 任务管理器 63 2 畅 4 畅 3 程序的安装与卸载 64 2 畅 5 Window s XP 系统设置 65 2 畅 5 畅 1 控制面板 65 2 畅 5 畅 2 显示属性设置 66 2 畅 5 畅 3 键盘和鼠标设置 68 2 畅 5 畅 4 输入法设置 68 2 畅 5 畅 5 用户账户管理 69 2 畅 5 畅 6 设备管理 70 2 畅 5 畅 7 注册表 71 2 畅 6 Window s XP 常用附件 72 2 畅 6 畅 1 写字板与记事本 72 2 畅 6 畅 2 画图 73 2 畅 6 畅 3 计算器 74 2 畅 6 畅 4 娱乐 74 习题二 75 第 3 章 Word 2003 文字处理 76 3 畅 1 Word 2003 的窗口组成 76

7 目 录 v 3 畅 2 文档的基本操作 77 3 畅 2 畅 1 文档的建立 78 3 畅 2 畅 2 文档的输入 79 3 畅 2 畅 3 文档的保存 79 3 畅 2 畅 4 文档的打开 80 3 畅 2 畅 5 文档的显示 81 3 畅 3 文档的编辑 82 3 畅 4 文档的排版 85 3 畅 4 畅 1 字符的格式化 85 3 畅 4 畅 2 段落的格式化 86 3 畅 5 Word 的其他应用 91 3 畅 5 畅 1 样式 91 3 畅 5 畅 2 目录 93 3 畅 5 畅 3 邮件合并 93 3 畅 6 表格操作 95 3 畅 6 畅 1 创建表格 95 3 畅 6 畅 2 编辑表格 97 3 畅 6 畅 3 表格的格式化 99 3 畅 6 畅 4 表格的数据处理 畅 6 畅 5 图表 畅 7 图文混排 畅 7 畅 1 图片的插入与编辑 畅 7 畅 2 图形 畅 7 畅 3 艺术字 畅 7 畅 4 文本框 畅 7 畅 5 公式编辑器的使用 畅 8 页面的设置打印 113 习题三 115 第 4 章 Excel 2003 电子表格 畅 1 Excel 2003 概述 畅 1 畅 1 Excel 2003 的窗口组成 畅 1 畅 2 Excel 2003 的基本概念 畅 2 Excel 2003 的基本操作 畅 2 畅 1 新建工作簿 畅 2 畅 2 单元格 区域 行 列的选定 120

8 vi 大学计算机基础 4 畅 2 畅 3 数据的输入 畅 2 畅 4 数据的编辑 畅 3 工作表的编辑和格式化 畅 3 畅 1 工作表的编辑 畅 3 畅 2 工作表的格式化 畅 4 公式和函数 畅 4 畅 1 公式 畅 4 畅 2 函数 畅 5 数据管理 畅 5 畅 1 数据清单 畅 5 畅 2 数据排序 畅 5 畅 3 数据筛选 畅 5 畅 4 分类汇总 畅 5 畅 5 数据透视表 畅 6 图表操作 畅 6 畅 1 图表的创建 畅 6 畅 2 图表的编辑及格式化 畅 7 页面设置和打印 畅 7 畅 1 设置打印区域和分页 畅 7 畅 2 页面设置 畅 7 畅 3 打印预览和打印 149 习题四 151 第 5 章 PowerPoint 2003 演示文稿 畅 1 PowerPoint 2003 概述 畅 1 畅 1 PowerPoint 2003 的工作界面 畅 1 畅 2 PowerPoint 2003 的基本概念 畅 2 创建与编辑演示文稿 畅 2 畅 1 创建演示文稿 畅 2 畅 2 幻灯片基本操作 畅 2 畅 3 幻灯片版式设计 畅 2 畅 4 文字的输入与编辑 畅 2 畅 5 插入图片 图形 艺术字 畅 2 畅 6 插入表格和图表 畅 2 畅 7 插入声音和影片 畅 3 设置幻灯片的外观 161

9 目 录 vii 5 畅 3 畅 1 使用母版 畅 3 畅 2 使用配色方案 畅 3 畅 3 使用设计模板 畅 4 设置幻灯片的动态效果 畅 4 畅 1 设置动画效果 畅 4 畅 2 设置超链接功能 畅 5 放映演示文稿 畅 5 畅 1 编辑放映过程 畅 5 畅 2 启动演示文稿的放映 畅 5 畅 3 演示文稿的打包 172 习题五 172 第 6 章计算机网络基础与信息安全 畅 1 计算机网络概述 畅 1 畅 1 计算机网络的概念及发展 畅 1 畅 2 网络协议和网络体系结构 畅 1 畅 3 计算机网络的分类 畅 1 畅 4 局域网技术 畅 2 Internet 概述 畅 2 畅 1 Internet 的起源与发展 畅 2 畅 2 Internet 的主要组成及特点 畅 2 畅 3 Internet 所提供的服务 畅 2 畅 4 Internet 的工作原理 畅 2 畅 5 连接 Internet 畅 3 使用 Internet Explorer 浏览网页 畅 3 畅 1 IE 7 畅 0 界面 畅 3 畅 2 IE 7 畅 0 的常用设置 畅 3 畅 3 IE 7 畅 0 的使用 畅 4 常用互联网服务 畅 4 畅 1 电子邮件 畅 4 畅 2 文件下载 畅 4 畅 3 即时通信软件 畅 5 网页编辑工具 畅 5 畅 1 H T ML 简介 畅 5 畅 2 Dreamweaver 的使用 畅 6 信息安全 220

10 viii 大学计算机基础 6 畅 6 畅 1 信息安全概述 畅 6 畅 2 网络安全 畅 6 畅 3 计算机病毒及其防治 畅 6 畅 4 网络道德及相关法规 226 习题六 228 第 7 章多媒体技术 畅 1 多媒体技术概述 畅 1 畅 1 多媒体技术的基本概念 畅 1 畅 2 多媒体技术的特点及应用 畅 1 畅 3 多媒体技术的发展方向 畅 1 畅 4 多媒体中主要的媒体元素 畅 1 畅 5 多媒体计算机系统 畅 2 音频信息的处理 畅 2 畅 1 常见的音频文件格式 畅 2 畅 2 音频信息采集 畅 2 畅 3 编辑声音 畅 2 畅 4 音频格式转换 畅 3 图像信息处理 畅 3 畅 1 基础知识 畅 3 畅 2 数字图像获取 畅 3 畅 3 图片浏览 畅 3 畅 4 图像的编辑处理 畅 4 视频处理 畅 4 畅 1 常见的视频文件格式 畅 4 畅 2 视频信息处理 畅 4 畅 3 视频格式转换 畅 5 多媒体动画制作 畅 5 畅 1 多媒体动画基本概念 畅 5 畅 2 GIF 动画制作 畅 5 畅 3 Flash 动画制作 278 习题七 288 第 8 章软件技术基础 畅 1 算法与数据结构 畅 1 畅 1 算法的基本概念 畅 1 畅 2 算法复杂度 293

11 目 录 ix 8 畅 1 畅 3 数据结构的基本概念 畅 1 畅 4 线性结构与非线性结构 畅 1 畅 5 线性表及其顺序存储结构 畅 1 畅 6 栈和队列 畅 1 畅 7 线性表的链式存储结构 畅 1 畅 8 树与二叉树 畅 1 畅 9 查找和排序方法 畅 2 程序设计基础 畅 2 畅 1 程序设计方法与风格 畅 2 畅 2 结构化程序设计 畅 2 畅 3 面向对象的程序设计 畅 3 软件工程基础 畅 3 畅 1 软件工程的概念 畅 3 畅 2 结构化分析方法 畅 3 畅 3 结构化设计方法 畅 3 畅 4 软件测试 畅 3 畅 5 程序的调试 畅 4 数据库设计基础 畅 4 畅 1 数据管理技术的发展 畅 4 畅 2 数据库系统 畅 4 畅 3 数据模型 畅 4 畅 4 关系数据库基础 畅 4 畅 5 数据库设计 351 习题八 352 参考文献 354

12 第 1 章计算机基础知识 20 世纪最重大的成就之一就是计算机的发明和计算技术的应用及发展 自 1946 年美国的莫奇利和埃克特发明第一台电子管计算机以来, 仅仅经历了 60 多年的时间, 计算机的软硬件及其应用技术都得到飞速的发展, 计算机已在工业 农业 国防等部门得到了广泛应用, 并已深入到日常办公及家庭生活中 计算机作为信息技术的核心, 在各个领域 各个部门发挥着越来越重要的作用 1 畅 1 计算机信息技术概述 信息技术是用于信息的获取 处理 传输 储存等相关技术的总称, 其中包括多媒体技术 网络技术 光导纤维技术 集成电路技术和传感技术等 至 20 世纪末信息产业的产值已占各种产业产值总和的 20 %, 信息产业仍将是 21 世纪全球经济中规模最宏大 最具有活力的产业之一, 信息科技仍将是 21 世纪发展最迅速 影响最广泛的科技领域之一 1 畅 1 畅 1 计算机技术与信息化 1 畅信息化 信息化 是指在国家统一规划和组织下, 在社会 国民经济与国防军事各个方面, 应用现代信息技术, 以先进的思想为指导, 以现代信息技术为手段, 以深入开发 广泛利用信息资源为重点, 以提高社会 ( 系统 ) 效率 生产能力 管理能力 作战能力为目的的现代化进程 信息化 一词是在 20 世纪 60 年代末提出的, 信息化的概念起源于 60 年代的日本, 日本社会学家梅倬忠夫在其发表的枟信息产业论枠中首次提出了 信息化 这个概念, 认为信息社会是信息产业高度发达且在产业结构中占据优势的社会, 信息化是由工业社会向信息社会演进的动态发展过程 而后 信息化 一词被译成英文传播到西方, 西方社会从 70 年代后期才开始普遍使用 信息社会 和 信息化 的概念 到 20 世纪 90 年代, 信息化呈现出鲜明的时代特色 信息资源是信息化的基础, 开发利用信息资源是信息化的核心 随着社会 经济和科学技术的发展, 社会信息量急剧增长, 信息已成为现代社会发展的重要支柱和战略资源 信息业已经成为整个社会经济结构的基础产业, 信息活动对社会发展的贡献已经居于突出的地位 信息时代是继农业时代 工业时代之后, 人类社会历史发展出现的崭新时代 信息社会具有下列主要特征 : (1) 信息成为重要的战略资源 在工业社会, 能源和材料是最重要的资源 信息技术的发展, 使人们日益认识到信息在促进经济发展中的重要作用, 信息也被当作一种重

13 2 大学计算机基础 要的战略资源 (2) 信息网络成为社会的基础设施 随着各国 国家信息基础设施 计划的提出和互联网的扩大运行, 网络就是计算机 的思想已深入人心 因此, 信息化不单是让计算机进入普通家庭, 更重要的是将信息网络联通到千家万户 信息技术的主要发展方向 : (1) 信息技术的核心内容之一是微电子器件 光电子器件与芯片加工和制造技术, 随着量子 电子 光量子技术和纳米技术的发展, 其功能和规模将会取得革命性的进展 (2) 信息技术的另一个核心内容是计算机技术, 计算机技术将向微型化 超功能化 智能化和网络化方向发展 随着智能科学研究的进展, 模拟人脑认知 思维过程的新概念计算机将有可能问世, DN A 计算机目前正在研制过程中 2 畅计算机技术的作用计算机科学与信息技术是现代信息技术的核心, 计算机科学与技术的进步在其中无疑起着关键性的作用 它的发展促进了社会的高速发展, 计算机的发明事实上是对人脑智力的继承和延伸 经过 60 多年的量变, 计算机技术的应用领域几乎无所不在, 计算机的应用已经深入到了人类社会的各行各业, 进入了千家万户, 成为人们工作 生活 学习不可缺少的重要组成部分, 其应用将随着社会信息化程度的不断提高越来越广泛 信息化 数字化 全球化 网络化是 21 世纪人类社会的重要特征, 已成为人们的共识 其中, 以计算机网络迅猛发展而形成的网络化则是推动信息化 数字化和全球化的基础和核心, 因为计算机网络系统正是一种全球开放的 数字化的综合信息系统, 基于计算机网络的各种网络应用系统通过在网络中对数字信息的综合采集 存储 传输 处理和利用, 把全球范围的人类社会更紧密地联系在一起, 并以不可抗拒之势影响和冲击着人类社会政治 经济 军事 日常工作和生活的各个方面 因此, 计算机网络必将成为 21 世纪全球信息社会最重要的基础设施 计算机网络技术的发展也将以其融合一切现代先进信息技术的特殊优势在 21 世纪形成一场崭新的信息技术革命, 并进一步推动社会信息化和知识经济的发展, 而计算机网络系统和相关技术也必将在信息化和知识经济浪潮中取得更快更大的发展 计算机技术的发展和广泛应用, 使得大数据量的存储和共享成为可能 因此, 伴随着现代计算机技术的发展 应用而建立和推动的信息化, 虽然历时不长, 但已经给经济和社会的方方面面带来了深刻的影响 3 畅相关概念 1) 数据数据 (data) 是指能够输入计算机并由计算机处理的符号 例如, 数值 文字 语言 图形 图像等 它是信息的载体, 是信息的具体表示形式 从广义的角度来说, 它是对客观事物的符号表示, 是通过观察得来的事实和概念, 是人们对现实世界中事物的概念描述

14 第 1 章计算机基础知识 3 2) 信息信息是经过加工处理之后并对客观世界产生影响的数据, 是对数据所表达含义的解释 信息既是对各种事物的变化和特征的反映, 又是事物之间相互作用和联系的表征 人们通过信息认识各种事物, 借助信息进行交流 相互协作, 从而推动社会的进步 信息 材料 能源是组成社会物质文明的三大要素 3) 信息技术信息技术 (information technology, I T) 是关于信息的产生 发送 传输 接收 变换 识别 控制等应用技术的总称, 是在信息科学的基础原理和方法的指导下扩展人类信息处理功能的技术 其主要支柱是 3C 技术, 即计算机 (computer) 通信 (communication) 和控制 (control) 4) 计算机技术计算机技术是信息技术的核心 计算机作为信息处理的工具, 在信息存储 处理 交流传播等方面起着核心作用 计算机信息处理技术主要包括对信息的编码 压缩 加密和再生等技术 计算机多媒体技术 计算机网络技术和计算机数据库技术是当前信息技术发展的热点 5) 信息高速公路信息高速公路 (information super highway, IS H) 是国家信息基础设施 (national information infrastructure, NII) 和全球信息基础设施 (global information infrastruc 唱 ture, GII) 的总称 前者常称为国家信息高速公路, 后者常称为全球信息高速公路 信息高速公路 是指在现代技术条件下建设的一个以超大容量光纤传输网为骨干, 以高性能计算机为枢纽, 以多媒体终端为联接和操作手段的地区 国家间的高速度 全方位 大容量 交互式智能综合信息网络系统 1 畅 1 畅 2 计算机的发展 1945 年由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发生产了第一台全自动电子数字计算机 埃尼阿克 (electronic numerical integrator and computer, ENIAC) 它是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制的, 主要发明人是电气工程师普雷斯波 埃克特 (J 畅 Prespen Eckert) 和物理学家约翰 莫奇利 (John W 畅 Mauchly) 博士 这台计算机于 1946 年 2 月交付使用, 共服役 9 年 它采用电子管作为计算机的基本元件, 每秒可进行 5000 次加减运算 它使用了 只电子管, 只电容, 7000 只电阻, 体积 3000ft 3 ( 立方英尺 ) 1, 占地 170m 2, 重量 30t, 耗电 140 ~ 150kW, 是一个名副其实的 庞然大物 ENIAC 机的问世具有划时代的意义, 它奠定了现代计算机的发展基础, 开辟了一个计算机科学技术的新纪元, 表明了现代计算机时代的到来 所谓现代计算机是指采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术 有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志 在以后的 60 多年里, 计算机技术发展异常迅速, 在人类科技史上还没 1 1ft 3 = 2 畅 83 m 3

15 4 大学计算机基础 有一种学科可以与电子计算机的发展速度相提并论 现代计算机的划代原则主要是依据计算机所采用的电子器件不同来划分的, 这就是人们通常所说的电子管, 晶体管, 集成电路, 大规模 超大规模集成电路等 1 畅第一代 : 电子管计算机 (1946 ~ 1957) 1946 年 2 月 15 日, 标志着现代计算机诞生的 ENIAC 在费城公诸于世 它通过不同部分之间的重新接线编程, 还拥有并行计算能力 第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的, 每种机器有各自不同的机器语言, 功能受到限制, 速度也慢 ; 另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据 2 畅第二代 : 晶体管计算机 (1957 ~ 1964) 1948 年, 晶体管的发明代替了体积庞大的电子管, 电子设备的体积不断减小 1956 年, 晶体管在计算机中使用, 晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生 第二代计算机体积小 速度快 功耗低 性能更稳定 1960 年出现了一些成功地应用在商业领域 大学和政府部门的第二代计算机, 该类计算机用晶体管代替电子管, 还具有现代计算机的一些部件 : 打印机 磁带 磁盘 内存和操作系统等 计算机中存储的程序使计算机有很强的适应性, 可以更有效地用于商业用途, 在这一时期出现了更高级的 COBOL 和 FOR T RA N 等语言, 使计算机编程更容易 新的职业 ( 程序员 分析员和计算机系统专家 ) 和整个软件产业由此诞生 3 畅第三代 : 集成电路计算机 (1964 ~ 1972) 1958 年德州仪器的工程师 Jack Kilby 发明了集成电路 (integrated circuit, IC), 将三种电子元件结合到一片小小的硅片上, 更多的元件集成到单一的半导体芯片上, 使计算机变得更小, 功耗更低, 速度更快 这一时期的发展还包括使用了操作系统, 使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序 4 畅第四代 : 大规模 超大规模集成电路计算机 (1972 ~ 现在 ) 大规模集成电路 (large 唱 scale integrated circuit, LSI) 可以在一个芯片上容纳几百个元件 到了 20 世纪 80 年代, 超大规模集成电路 (very large 唱 scale integrated circuit, V LSI) 在芯片上容纳了几十万个元件, 后来特大规模集成电路 (ultra large 唱 scale inte 唱 grated circuit, U LSI) 将这一数字扩充到百万级 可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积不断减小, 价格不断下降, 而功能和可靠性不断增强 70 年代中期, 计算机制造商开始将计算机销售给普通消费者, 这时的小型机带有友好界面的软件包, 该软件包中拥有供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理与电子表格程序 1981 年 IBM 推出了个人计算机 (personal computer, PC), 用于家庭 办公室和学校 80 年代个人计算机的竞争使得价格不断下降, 微机的拥有量不断增加, 计算机体积继续缩小 与 IBM PC 竞争的 Apple Macintosh 系列于 1984 年推出, Macintosh 提供了友好的图形界面, 用户可以用鼠标方便地进行操作

16 第 1 章计算机基础知识 5 5 畅第五代 : 智能化计算机第五代智能化计算机是把信息采集 存储 处理 通信与人工智能结合在一起的智能计算机系统, 其基本结构通常由问题求解与推理 知识库管理和智能化人机接口三个基本子系统组成 该系统结构将突破传统的冯 诺依曼体系的概念 它除了能进行数值计算或处理一般的信息外, 更主要的是能够面向知识处理, 具有形式化推理 联想 学习和解释的能力, 能够帮助人们进行判断 决策 开拓未知领域和获得新的知识, 人机之间可以直接通过自然语言 ( 声音 文字 ) 或图形图像交换信息 智能化计算机的研制和发展必然引起新一代软件工程的发展, 极大地提高软件的生产率和可靠性 6 畅计算机的发展趋势 (1) 巨型化 巨型化是指发展高速 存储容量大和功能强的巨型计算机, 这主要是为了满足诸如原子 天文 核技术等尖端科学以及探索新兴领域的需要 (2) 微型化 微型化是指在保证功能的同时体积更小, 更适合移动的环境和便携式终端 先进材料是发展高技术产业的物质基础, 随着 21 世纪材料科技的发展, 信息功能材料 纳米材料 生物材料等将在 21 世纪得到进一步的开发和广泛应用 计算机将迅速向微型化嵌入式的方向发展 (3) 网络化 计算机网络是计算机技术发展的又一重要分支, 是现代通信技术与计算机技术相结合的产物 网络化就是利用现代通信技术和计算机技术, 将分布在不同地点的计算机连接起来, 按照网络协议互相通信, 共享软件 硬件和数据资源 (4) 智能化 第五代计算机要实现的目标是 智能 计算机, 让计算机来模拟人的感觉 行为 思维过程, 使计算机具有视觉 听觉 语言 推理 思维 学习等能力, 成为智能型计算机 再往后还将出现光计算机 超导计算机和生物计算机, 届时人类社会的信息化进程又将出现质的飞跃 由 I T 界众多权威专家组成的一个小组, 公布了一个 最具革命性的 10 大技术 清单, 即多内核处理器 云计算 (cloud computing) 用户界面 社交网络与社交软件 网络聚合应用 (web mashups) 普适计算 (ubiquitous computing) 关联性计算 (con 唱 textual computing) 增强现实 (augmented reality) 语义学 虚拟技术 这 10 种技术被认为将在 2008 ~ 2012 年间改变 I T 业界的格局 1 畅 1 畅 3 计算机的分类计算机按其规模 速度和功能等可分为巨型机 大型机 中型机 小型机 微型计算机及单片机等 这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小 结构复杂程度 功率消耗 性能指标 数据存储容量 指令系统和设备 软件配置等的不同 依照运算速度 存储容量和用户数量等综合性能指标为标准, 目前国际上比较流行的通用计算机分类如下 1 畅巨型机巨型机指运算速度快 存储容量大 功能最强和价格最贵的高性能计算机, 它采用

17 6 大学计算机基础 了大规模并行处理的体系结构, CPU 由数以千计 万计的处理器组成, 有极强的运算处理能力, 但价格也最为昂贵 这类计算机速度可达 4000MIPS (4000 兆条指令 / 秒 ), 巨型机主要用于国家高科技领域和国防尖端技术的研究, 解决有关国防 能源 环境 基础设施和国家安全的问题, 如核物理研究 核武器设计 核爆炸模拟 反导弹武器系统 空间技术 航天航空飞行器设计 卫星图像处理 空气动力学 大范围中长期气象预报 石油地质勘探开发 密码学情报分析 国民经济的预测和决策 国家新闻中心等 巨型机是强有力的模拟和计算工具, 它的研制水平是一个国家计算机技术水平的重要标志, 这一领域的竞争是世界计算机界的热点 超级计算机技术在西方是禁止向中国出口的, 因为它的主要用户是军事部门和国家级单位 为占领世界巨型机领域的制高点, 夺取信息技术优势, 世界各发达国家不惜投入大量的人力 物力和财力用于发展巨型计算机 发展巨型机的源动力来自政府行为和市场驱动两个方面 一方面出于科技发展和国家安全的需要 ; 另一方面, 在市场驱动下, 超级计算机正从科学计算向经济和商业各个领域扩展, 其数量急剧增加, 最高运算速度已突破万亿次 / 秒 经过几十年不懈的努力, 我国巨型计算机系统的研制已取得了丰硕成果, 银河 曙光 神威 深腾 等一批国产高端计算机系统的出现, 使我国成为继美国 日本之后第三个具备研制巨型计算机系统能力的国家 巨型计算机主要用于解决我国某些最重要的科学问题, 它们具有从根本上改变 提高我国科学创新的潜能, 已成为重要的国家安全资源 每年公布两次 (6 月 11 月 ) 全球超级计算机 500 强排名的 T OP500 畅 Org 组织, 公布了 2008 年 11 月的全球超级计算机 500 强排行榜 IBM 巨型计算机 Roadrunner 系统 ( 图 1 唱 1) 是目前世界上功能最强大的巨型计算机, 每秒计算能力超过了一千万亿次, 达到 1 畅 026PetaFLOPS, 是此前最强的 IBM BlueGene/L 的计算能力的两倍还多 我国曙光公司的曙光 5000A 计算机 ( 图 1 唱 2) 以峰值速度 230 万亿次浮点运算 (230 T FLOPS) Linpack 值 180 万亿次的成绩列世界超级计算机第十名 这一成绩证明了中国在高性能计算机领域的设计与制造能力, 也使中国成为继美国之后世界上第二个可以研发生产超百万亿次超级计算机的国家, 也表明我国生产 应用 维护高性能计算机的能力已达到世界先进水平 图 1 唱 1 IBM 超级计算机 Roadrunner 图 1 唱 2 曙光 5000A 超级计算机

18 第 1 章计算机基础知识 7 2 畅大型机大型机的运算速度一般介于 100 万次 / 秒至几千万次 / 秒之间, 存储容量比巨型机小, 可容纳上百个用户同时工作 它有比较完善的指令系统 丰富的外部设备和功能齐全的软件系统, 其特点是通用, 有极强的综合处理能力 大型机一般用于大型企业 大专院校和科研机构 3 畅小型机小型机运算速度在几十万次 / 秒左右, 存储容量和机器规模比大型机小, 结构相对简单, 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 它可同时容纳几十个用户同时工作, 价格也相对比较便宜 小型机适用于中小企业 政府部门等 4 畅微型计算机微型计算机 (microcomputer) 是以微处理器为核心, 通过系统总线将存储器 外围控制电路 输入 / 输出接口连接起来的系统, 简称微机 微机具有以下特点 (1) 集成度高, 体积小, 重量轻, 价格低廉 (2) 部件标准化, 易于组装及维修 (3) 高可靠性及适应性 微型计算机是当前使用最为广泛的计算机, 现在微机的运算速度已经赶上某些大中小型机了 5 畅工作站工作站实际上是一种高档微型计算机 工作站一般配置有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的存储器, 能够满足大流量信息处理和高性能图形 图像处理的需要 1 畅 1 畅 4 计算机的应用电子计算机的诞生是 20 世纪最重大的科技成就, 它比 18 世纪瓦特发明的蒸汽机所引起的工业革命对人类的生产和生活方式的影响更为深刻 在 60 多年的发展中, 它极大地增强了人类认识世界 改造世界的能力, 深入并影响到社会和生活的各个领域, 计算机科学已成为新技术的带头学科和先导技术, 成为新的生产力的代表 现在, 计算机的发展与应用水平已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志 计算机应用范围非常广泛, 并且还在不断向各行各业渗透扩展 从计算机所处理数据的类型这个角度来看, 计算机在应用原则上可分为数值计算和非数值计算两大类, 而后者的应用范围远远超过前者, 概括起来主要有以下几个方面 1 畅科学计算即纯数值计算, 主要是用于解决与完成科学研究领域和工程技术中所提出的一些复

19 8 大学计算机基础 杂的数学问题, 计算量大而且精度要求高, 它是计算机最早的应用领域 这类计算往往公式复杂 难度很大, 用一般计算工具难以完成 例如, 气象预报需要求解描述大气运动规律的微分方程 ; 发射导弹和人造卫星需要计算弹道曲线和轨道方程 ; 水利土木工程中需要计算大量力学问题 有些科技问题计算方法并不复杂, 但计算工作量太大, 人工根本无法完成 例如, 证明画地图时只需四种颜色即可做到使相邻两区域不出现同一颜色的 四色定理, 在数学上长期得不到证明, 成为一大难题, 因为用人工证明需要昼夜不停地计算十几万年 1976 年 6 月, 美国数学家阿佩尔和哈肯利用高速计算机工作 1200 小时才完成 还有一类问题是用人工计算速度太慢, 得到结果时已失去实际意义, 如气象预报, 只有采用计算机快速计算才能及时解决 计算与理论及实验相并列, 已经成为当今世界科学活动的第三种手段 为把信息和数据变成知识, 从而探索科学未知 促进技术创新 加强国防建设 保障国家安全, 计算起着不可替代的重要作用 当前科学计算正在向大规模和高性能发展, 要达到 全物理 全系统 三维 高分辨 高逼真 的数值模拟, 发展高效的计算方法与发展高性能的计算机同等重要 2 畅数据处理数据处理又称信息加工, 是现代化管理的基础 信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一 信息处理是指用计算机对各种形式的信息 ( 如文字 图像 声音等 ) 收集 存储 加工 合并和分类统计 分析和传送的过程 当今社会, 计算机在信息处理领域的应用, 对办公自动化 管理自动化乃至社会信息化都起着积极的促进作用 3 畅计算机仿真计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一, 是通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术 虚拟现实技术是计算机仿真最具潜力的发展方向之一, 虚拟现实 (virtual reality, VR) 已是计算机世界最热门的一个词汇 根据国际标准化组织 (ISO) 中的枟数据处理词汇枠部分的名词解释, 模拟 (simulation) 与 仿真 (emulation) 两词含义分别为 : 模拟 即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征, 用另一系统来表示它们的过程 ; 仿真 即用另一数据处理系统, 主要是用硬件来全部或部分地模仿某一处理系统, 以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接收同样的数据 执行同样的程序 获得同样的结果 目前 模拟 和 仿真 两者所包含的内容都归于 仿真 的范畴, 用 simulation 来代表 综合国内外仿真学界对系统仿真的解释, 可作如下定义 : 系统仿真是指建立在控制理论 相似理论 信息处理技术和计算技术等理论基础之上的, 以计算机和其他专用物理效应设备为工具, 利用系统模型对真实或假想的系统进行试验, 并借助于专家经验知识 统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究, 进而作出决策的一门综合性和试验性的学科 总之, 计算机仿真技术是以数学理论 相似原理 信息技术 系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础, 以计算机和各种物理效应设备为工具, 利用系统模型对实际

20 第 1 章计算机基础知识 9 的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术 它集成了计算机技术 网络技术 图形图像技术与生成技术 面向对象技术 多媒体技术 信息合成技术 显示技术 软件工程 信息处理 自动控制等多个高新技术领域的知识 计算机仿真的用途非常广泛, 已经渗透到社会的各个领域, 如在核领域, 未来的核试验不用实弹而是用计算机仿真模拟来进行 4 畅过程控制过程控制又称实时控制, 其工作过程是选用传感器实时检测受控对象的数据, 求出它们与设定数据的偏差, 接着由计算机按控制模型进行计算, 然后产生相应的控制信号, 驱动伺服装置对受控对象进行控制或调节 从 20 世纪 60 年代起, 实时控制就开始应用于冶金 机械 电力和石油化工等领域 例如高炉炼铁, 计算机用于控制投料 出铁出渣以及对原料和生铁成分的管理和控制, 通过对数据的采集和处理, 实现对各工作操作的指导 实时控制是实现工业生产过程自动化的一个重要手段 5 畅计算机辅助系统 (1) 计算机辅助设计与制造 (computer aided design/manufacture, CAD/CA M ) 它是利用计算机的快速计算 逻辑判断等功能和人的经验与判断能力相结合, 形成一个专业系统, 用来帮助产品或各项工程的设计制造, 使设计和制造过程实现半自动化或自动化 这不仅可以缩短设计周期, 节省人力 物力 降低成本, 而且可提高产品质量 计算机辅助设计已广泛应用于飞机 船舶 汽车 建筑 服装等行业, 这类涉及外观形状设计的称为计算机辅助几何设计 (CAGD), 另一类是应用于集成电路中的布线, 称为计算机辅助逻辑设计 (2) 计算机集成制造系统 (computer integrated manufacture system, CIM S) 它是集设计 制造 管理等三大功能于一体的现代化工厂生产系统 CIM S 是从 20 世纪 80 年代初期迅速发展起来的一种新型的生产模式, 具有生产效率高 生产周期短等优点 (3) 计算机辅助教育 (computer 唱 based education, CBE) 它是指以计算机为主要媒介所进行的教育活动, 包括计算机辅助教学 (computer aided instruction, CAI) 和计算机管理教学 (computer managed instruction, CMI) 在计算机辅助教学中, 课件 CAI 系统所使用的教学软件, 相当于传统教学中的教材, 并能实现远程教学 个别教学, 并有自我检测 自动评分等功能 计算机辅助教育可模拟实验过程, 并通过画面直观展示给学生, 它是现代化教育强有力的手段 6 畅人工智能人工智能 (artificial intelligence, AI) 是让计算机模拟人的某些智能行为 人的智能活动是高度复杂的脑功能, 如联想记忆 模式识别 决策对弈 文艺创作 创造发明等, 都是一些复杂的生理和心理活动过程 近 20 余年来, 围绕 AI 的应用主要表现在以下几个方面

21 10 大学计算机基础 (1) 机器人 它可分为工业机器人和智能机器人 工业机器人由事先编好的程序控制, 通常用于完成重复性的规定操作 ; 智能机器人具有感知和识别能力, 能说话和回答问题 为了能够在环境中自主活动 ( 控制 ), 智能机器人应当具有感知能力, 包括视觉 听觉 触觉等, 而且在一些应用环境中, 还应当有与环境的对话能力 近年来, 这方面的研究已经取得了显著的进展, 特别是在视觉方面的某些能力, 已经接近了人眼的水平 智能机器人已经在工业 空间 海洋 军事和医疗等众多领域得到了实际应用, 并已经取得了巨大的效益 工业机器人主要有装配机器人 搬运机器人 弧焊机器人和喷漆机器人等 这些机器人在汽车 电子 电器以及核工业中发挥了远超过人的作用 空间机器人主要从事三个方面的工作 : 空间建筑和装配 卫星和其他航天器的维护和修理以及空间生产和科学实验 海洋机器人主要用于海洋开发 打捞 扫雷 侦察和援潜救生等 如机器人在北大西洋海底找到 泰坦尼克 巨轮的事件轰动了全球 我国 863 计划项目 6000m 水下机器人的研制成功, 为我国勘探海底资源, 进行海底科学研究提供了有力的武器 军用机器人是指执行军事任务的机器人, 如扫雷机器人 排爆机器人和消防机器人等 在医疗方面, 微型机器人可以做毫米级视网膜手术 接通神经 在血管中穿行及在脏器内进行病理检查等 (2) 专家系统 它是用于模拟专家智能的一类软件, 需要时只需由用户输入要查询的问题和有关数据, 专家系统通过推理判断向用户作出解答 专家系统是一种基于知识的系统, 它主要面向各种非结构化问题, 尤其能处理定性的 启发式或不确定的知识信息, 经过各种推理过程达到系统的任务目标 这种控制技术能够适用于模型不充分 不精确甚至不存在的复杂过程 (3) 模式识别 它的实质是抽取被识别对象的特征, 即所谓模式, 与事先存在于计算机中的已知对象的特征进行比较与判别, 主要通过识别函数和模式校对来实现 文字识别 声音识别 邮件自动分检 指纹识别和机器人景物分析等都是模式识别应用的实例 (4) 智能检索 它除存储经典数据库中代表已知 事实 外, 智能数据库和知识库中还存储供推理和联想使用的 规则, 因而智能检索具有一定的推理能力 智能检索利用人工智能的方法, 解决难以用数学的方法精确描述的 复杂的 随机的 模糊的和柔性的控制问题, 具有自学习 自适应和自组织的能力 1 畅 2 计算机系统的运算基础 1 畅 2 畅 1 进位计数制数制是进位计数制的简称 在日常生活中使用最多的是十进制数, 但计算机中还广泛使用二进制数 八进制数和十六进制数等, 它们的特点很相似, 都是按进位的方式进行计数, 不同位上的数码表示不同的值 ( 即使数码相同 ) 对于任何一个数制必须弄清楚三个问题, 即基数 r r 个不同的数码和位权值 r i 表 1 唱 1 列出了计算机中常用的

22 第 1 章计算机基础知识 11 数制 表 1 唱 1 计算机中常用的各种进制数的表示 进制 数码 基数 权 进位规则 形式表示 十六进制 A B C D E F r = i 逢十六进一 H ( H exadecimal) 十进制 r = i 逢十进一 D ( Decimal) 八进制 r = 8 8 i 逢八进一 O ( Octal) 二进制 0 1 r = 2 2 i 逢二进一 B (Binary) 10 i 1 畅十进制数 十进制数, 其基数为 10, 有 十个数码, 位权值为 例如 畅 345 = 对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按其权展开的多项式之和, 即任意一个 有 n 位整数 m 位小数的 r 进制数 N 可表示为 即 N = an - 1 r n an - 2 r n a1 r 1 + a0 r 0 + n a - 1 r a - m r - m = a i r i i = - m N = n - 1 a i r i (1 唱 1) i = - m 其中, ai 是数码, r 是基数, r i 是权 ; 不同的基数表示不同的进制数 2 畅二进制数 二进制数的主要特点为 : (1) 有两个数码 0 和 1 (2) 进位方式为逢二进一, 基数是 2, 数位 k 上的权是 2 k - 1 二进制数中位数的 权 以 2 为基数, 也就是说任意一个二进制数 N 可表示为 ( N)2 = an n an n a a0 2 0 例如 (1101)2 = 畅 2 畅 2 几种常用计数制之间的转换 计算机领域中常用的数制有四种, 即十进制 二进制 八进制和十六进制 1 畅 r 进制与十进制间的相互转换 1) r 进制转十进制 位权展开法, 即公式法 ( 公式 (1 唱 1))

23 12 大学计算机基础 例 1 唱 1 分别将 (10110)2 (17 畅 2)8 (3AC)16 各制数转换为十进制数 (10110)2 = = = 22 (17 畅 2)8 = = 15 畅 25 (3AC)16 = A C 16 0 = = 940 2) 十进制转 r 进制 基数乘除法, 具体规则如下 (1) 整数部分 除 r 取余, 逆序排列 (2) 小数部分 乘 r 取整, 顺序排列 例 1 唱 2 将十进制数 25 畅 625 转换为二进制数 用 除 2 取余 方法计算与整数 25 对应的二进制整数部分 : 将先得到的余数排在低位, 后得到的余数排在高位, 即得到 25 转换成的二进制整数为 (11001)2 用 乘 2 取整 方法计算与小数 0 畅 625 对应的二进制小数部分 将先得到的整数排在高位, 后得到的整数排在低位, 即得到 0 畅 625 转换成的二进制小数为 (0 畅 101)2 所以 (25 畅 625)10 = (11001 畅 101)2 注意 : 将十进制数转换为 r 进制数时, 其小数部分可能永远不会得 0, 此时计算达到要求精度为止 例 1 唱 3 将十进制数 645 畅 12 转换为八进制数 整数部分 : 除 8 取余, 逆序排列 小数部分 : 乘 8 取整, 顺序排列 所以 (645 畅 12)10 = (1205 畅 0754)8 2 畅八进制 ( 十六进制 ) 与二进制间的相互转换 分组转换法, 由于 2 3 = 8 (2 4 = 16), 即 1 位八进制数 ( 十六进制数 ) 相当于 3 位 (4 位 ) 二进制数, 如表 1 唱 2 所示

24 第 1 章计算机基础知识 13 表 1 唱 2 四种常用数制之间的关系 十进制 二进制 十六进制 八进制 十进制 二进制 十六进制 八进制 A B C D E F 17 (1) 二进制数转换成八进制数 ( 十六进制数 ) 的规则为 : 从小数点开始, 整数部分 向左 小数部分向右, 每 3 位 (4 位 ) 为一组用一位八进制数 ( 十六进制数 ) 的数字表 示, 不足 3 位 (4 位 ) 的要用 0 补足, 就得到一个八进制数 ( 十六进制数 ) ( 畅 1101)2 = ( 畅 1101)2 = 畅 畅 畅 1101 B 畅 D = (72 畅 64)8 = (3B 畅 D)16 (2) 八进制数 ( 十六进制数 ) 转换成二进制数的规则为 : 把每一位八进制数 ( 十六 进制数 ) 转换成对应的 3 位 (4 位 ) 二进制数码, 就得到一个二进制数 3 畅八进制与十六进制之间的相互转换 通常, 八进制与十六进制之间的转换不需要直接进行, 可用二进制作为中间量进行 相互转换 如要将一个八进制数转换为相应的十六进制, 可以先将八进制转换为二进 制, 然后可以根据二进制直接写出对应的十六进制数, 反之亦然 常用几种进制之间也可以使用 Window s 附带的计算器来完成简单的进制转换 选 择 开始 程序 附件 计算器 菜单命令打开它 这个计算器有两种模 式, 可以从计算器窗口的 查看 菜单中选择, 使用这个计算器可以完成简单的进制转 换 只要选择相应的进制按钮, 输入数据, 然后选择需要转换的进制, 就可完成相应的 转换 1 畅 2 畅 3 二进制数的运算规则 1 畅二进制数的算术运算规则 1) 加运算 2) 减运算 3) 乘运算 = 0, = 1, = 1, = 0 ( 向高位进位 ) 1-1 = 0, 1-0 = 1, 0-0 = 0, 0-1 = 1 ( 向高位借位 ) 0 0 = 0, 0 1 = 0, 1 0 = 0, 1 1 = 1 ( 同时为 1 时结果为 1 )

25 14 大学计算机基础 4) 除运算 0 1 = 0, 1 1 = 1 2 畅二进制数的逻辑运算所有的逻辑运算都是按位操作的, 不存在算术运算中的进位或借位 我们把命题逻辑的 T 作为逻辑代数中的 1, F 作为 0, 这样就把逻辑命题的对应关系反映到代数方法中, 这就是逻辑代数 (1) 逻辑与 只有决定 结果 的条件全部满足, 结果才成立, 这种因果关系叫做逻辑与 (A ND) 逻辑与的运算符表示为 即 0 0 = 0, 0 1 = 0, 1 0 = 0, 1 1 = 1 (2) 逻辑或 决定结果的条件中只要任何一个满足, 结果就成立, 这种因果关系叫做逻辑或 (OR) 逻辑或的运算符号为 即 0 0 = 0, 0 1 = 1, 1 0 = 1, 1 1 = 1 (3) 逻辑非 第三种基本逻辑关系为 非 (NO T) 关系 最简单的描述就是结果对条件的否定 逻辑非的运算符号为 - 即 1 = 0, 0 = 1 (4) 逻辑异或 异或 是一种复合逻辑关系 因为它所表现的特殊性, 也可以把 异或 关系当作基本逻辑关系处理 当两个命题存在 两者不可兼得 关系时, 称之为异或 也可以描述异或关系为 : 相同为假, 相异为真 逻辑异或的运算符号为 磑 即 0 磑 0 = 0, 1 磑 0 = 1, 0 磑 1 = 1, 1 磑 1 = 0 例 1 唱 4 已知 X = 00FF H, Y = 5555H, 若 Z1 = X Y, Z2 = X Y, Z3 = X 珡, Z4 = X 磑 Y, 求 Z1 Z2 Z3 Z4 的值 X = Y = Z1 Z2 Z3 Z4 = = 0055 H = = 55FF H = = FF00 H = = 55A A H 1 畅 2 畅 4 信息在计算机中的表示计算机系统所处理的数据可分为两大类 : 数值数据和非数值数据 前者表示数量的多少, 后者表示字符 汉字 图形 图像和声音等, 又称符号数据 在计算机内, 无论哪一种数据, 都以二进制形式表示 1 畅计算机内部信息用二进制数表示的原因 (1) 二进制数中只有 0 和 1 两个数字符号, 具有两种不同的稳定物理状态的元件可

26 第 1 章计算机基础知识 15 以用其方便地表示 例如, 电容的充电和放电, 电位的高和低, 指示灯的开和关, 晶体 管的截止和导通, 脉冲电位的低和高等, 都可以用二进制数中的 0 和 1 表示 ( 具有上述 两个状态的这些元件制造容易, 可靠性高 ) (2) 二进制数运算规则简单, 使计算机中的运算部件结构简单 (3) 二进制数中的 0 和 1 与逻辑代数的逻辑变量一样, 可以采用二进制数进行逻辑 运算, 并运用逻辑代数作为工具来分析和设计计算机中的逻辑电路, 使得逻辑代数成为 设计计算机的数学基础 2 畅数值型数据在计算机中的表示方式 数值型数据指数学中的代数值, 具有量的含义, 且有正负 整数和小数之分 由于 计算机采用二进制, 所以输入到计算机中的任何数值型和非数值型数据都必须转换为二 进制 1) 机器数与真值 任何一个非二进制整数输入到计算机中都必须以二进制格式存放在计算机的存储器 中, 且用最高位作为数值的符号位, 并规定二进制数 0 表示正数, 二进制数 1 表示负 数, 每个数据占用一个或多个字节 这种连同数字与符号组合在一起的二进制数称为机 器数, 由机器数所表示的实际值称为真值, 如 : 2) 机器数的表示方法 + (77) 真值 机器数 在计算机中, 机器数也有不同的表示方法, 通常用原码 反码和补码三种方式表 示, 其主要目的是解决减法运算 任何正数的原码 反码和补码的形式完全相同, 负数 则各自有不同的表示形式 (1) 原码 正数的符号位用 0 表示, 负数的符号位用 1 表示, 数值部分用二进制形 式表示, 这种表示法称为原码 取反 特征 : (2) 反码 正数的反码和原码相同, 负数的反码是对该数的原码除符号位外每位 (3) 补码 正数的补码和原码相同, 负数的补码是其反码加 1 对二进制数按位求反 末位加一的运算称为求补运算, 补码表示的数具有以下 [X] 补 所以, 求负数补码的方法为 : 求补 [ - X] 补 第一步 : 写出与该负数相对应的正数的补码 第二步 : 按位求反 第三步 : 末位加 1 求补 例 1 唱 5 假设机器字长为 8 位, 求 - 46 的补码 + 46 的补码表示为 按位求反 [X] 补

27 16 大学计算机基础 末位加 所以, - 46 补码为 补码的加法规则是 : [X + Y] 补 = [X] 补 + [Y] 补 ; 补码的减法规则是 : [X - Y] 补 = [X] 补 + [ - Y] 补 其中 [ - Y] 补通过对 [Y] 补求补就可以得到 在机器内部, 补码减法是通过对减数求补后把减法转换为加法进行的 符号位参加 运算, 能自动得到正确结果 例 1 唱 6 假设机器字长为 8 位, 计算 25 + ( - 32) 25 的补码是 , - 32 的补码是 结果恰好是 - 7 的补码, 可以看出该运算结果是正确的 例 1 唱 7 假定机器字长为 8 位, 计算 32 - ( - 25) 为把减法转换为加法, 要对 - 25 求补, 实际上就是 25 的补码 , 32 的补 码是 结果恰好是 57 的补码, 该运算结果正确 在某些情况下, 要处理的数全是正数 ( 比如表示地址的数 ), 就没有必要保留符号 位了, 可以把最高有效位也作为数值处理, 这样的数称为无符号数 n 位无符号整数的表示范围是 : 0 M 2 n - 1 ; n 位有符号整数的表示范围是 : - 2 n - 1 M 2 n 畅非数值数据在计算机中的表示 字符是计算机处理的主要对象 字符编码就是规定用怎样的二进制码来表示字母 数字及各种符号, 以便使计算机能够识别 存储和处理它们 计算机在不同系统或程 序之间进行数据交换的基本要求就是交换的双方必须使用相同的数据格式, 即需要统 一的编码 编码的目的之一是为了便于标记特定的对象, 在设计编码时需要按照一定 的规则, 这些规则就叫做 码制 ( Code System) 这里介绍最常用的几种计算机 编码 1) ASCII 码 目前在小型机和微型机系统内国际上最广泛使用的字符编码是美国信息交换标准码 (American Standard Code for Information Interchange, ASCII) 标准 ASCII 码采用 7 位二进制编码, 可以表示 128 个字符, 每个字符对应一个 7 位的二进制数, 这个二进制 数的值称为 ASCII 码值 码值可采用十进制或十六进制数来表示 在计算机的存储过程中, 一个 ASCII 码值是使用 8 个二进制位 ( 一个字节 ), 其最 高位 (bit7) 用作奇偶校验位 标准 ASCII 编码如表 1 唱 3 所示

28 第 1 章计算机基础知识 17 表 1 唱 3 7 位 ASCII 码及其对应的字符 d 3 d 2 d 1 d 0 d 6 d 5 d N U L DC0 SP P ` p 0001 SO H DCI! 1 A Q a q 0010 S T X DC2 " 2 B R b r 0011 EX T DC3 # 3 C S c s 0100 EO T DC4 $ 4 D T d t 0101 E N Q N A K % 5 E U e u 0110 A CK SY N & 6 F V f v 0111 BE L E T B 7 G W g w 1000 BS C A N ( 8 H X h x 1001 H T E M ) 9 I Y i y 1010 L F S U B 倡 : J Z j z 1011 V T ESC + ; K [ k { 1100 F F FS, < L \ l 1101 CR G S 唱 = M ] m } 1110 SO RS. > N ^ n ~ 1111 SI U S /? O _ o DE L 2) 汉字编码具有悠久历史的汉字是中华民族文化的象征 在计算机中, 汉字的应用占有十分重要的地位 因此, 必须解决汉字的输入 存储 处理和输出等一系列技术问题 由于汉字与西文字符相比不仅数量多, 而且字形复杂, 所以用计算机处理汉字要比处理西文字符困难得多 汉字处理技术的关键是汉字编码问题 汉字编码有两大困难 : 选字难和排序难 选字难是因为汉字量大 ( 包括简体字 繁体字 日本汉字和韩国汉字 ), 而字符集空间有限 排序难是因为汉字有多种排序方法 ( 拼音 部首 笔画等 ), 而每一种排序方法还存在争议, 如一些汉字还没有一致认可的笔画数 根据汉字处理过程中不同的要求, 汉字编码可分为国际码 机内码 输入码和字形码等几大类 (1) 国标码 1981 年公布的国家标准 GB2312 唱 80 枟信息交换用汉字编码字符集 - 基本集枠 ( 国标码也称汉字交换码 ), 共收录汉字 字母 图形符号共 7445 个 其中汉字 6763 个, 按其出现的频度分为一级汉字 3755 个, 二级汉字 3008 个 另外, 该字符集标准中还包括 682 个非汉字图形字符代码 但在 GB 中许多汉字并没有包括在内, 为此有了 GBK 编码 ( 扩展汉字编码, 1995 年 12 月发布 ), 它是 GB 的扩展, 共收录了 个汉字, 支持国际标准 ISO10646 中的全部中国 日本 韩国汉字, 也包含了 BIG5 ( 香港 澳门 台湾 ) 编码中的所有汉字 目前 Windows 95 以上中文版都支持 GBK 编码, 只要计算机安装了多语言支持功能, 就可以在不同的汉字系统之间自由变换 2001 年我国发布了 GB18030 编码标准, 它是 GBK 的升级, GB18030 编码空间约为 160 万码位, 目前已经纳入编码的汉字约为 2 畅 6 万个

29 18 大学计算机基础 为了编码, 将汉字分成若干个区, 每个区内有 94 个汉字 由区号和位号 ( 区中的位置 ) 构成了区位码 为了与 ASCII 码兼容, 区号和位号各加 32 就构成了国标码 (2) 机内码 汉字机内码是计算机系统内部处理和存储汉字时所用的代码, 将国标码的每个字节的最高位由 0 变为 1, 变换后的国标码称为汉字机内码, 简称内码 (3) 输入码 以字母 数字等按键的组合对汉字进行的编码, 称为汉字输入码, 或称汉字的外码 其中常见的输入码可以分为以下几种 1 数码 : 是由数字组成的编码, 代码和汉字一一对应, 无重码, 但其编码规则较难记忆, 如区位码 电报码等 2 音码 : 是用汉字拼音字母组成的编码 音码一般容易学, 但重码多, 输入速度不高, 如拼音码等 拼音方案中还有全拼 简拼和双拼等方案 3 形码 : 是把组成汉字的基本构件如偏旁 部首和字根等分类, 与不同的键相对应, 组成编码, 如五笔字型码 表形码 首尾码等 4 音形码 : 是根据汉字的读音并兼顾汉字的字形而设计的编码 音形码充分利用了汉字具有的 同音不同形, 形似不同音 的特点, 对同音字以形体加以区别, 从而克服了音码重码较多的不足, 如自然码 声韵部形码 快速输入码等 (4) 字形码 汉字字形码用在输出时产生汉字的字形, 采用点阵或者矢量形式产生 汉字的字形按一定规则排列成汉字字形库, 也称汉字库 当需要打印出不同字体的汉字时, 必须备有多种字体 不同规格的汉字库 4 畅各类数据在计算机中的转换所谓数字化, 即为对传统的信息进行编码 信息编码的目的就是把用户要求计算机处理的各种形式的信息, 如字符 图形 图像 语音 光线 电流 电压等转换为计算机所能接受 识别的二进制形式存入到计算机内进行处理, 然后把计算机的处理结果以用户需要的形式输出, 如图 1 唱 3 所示 图 1 唱 3 各类数据在计算机中的转换过程 1 畅 2 畅 5 信息在计算机中的存储 1 畅位 位 (bit) 是计算机处理信息的最小单位, 位音译为 比特, 简写为 b 二进制

30 第 1 章计算机基础知识 19 数系统中, 每个 0 或 1 就是一个位, 位是存储信息的最小单位 2 畅字节 字节 (Byte) 是计算机处理数据的基本单位, 即以字节为单位解释信息 音译为 拜特, 简写为 B 8 个二进制位编为一组称为一个字节, 即 1B = 8bit 判断几比特作为 1 字节要根据上下文的连贯性而定, 由 n 比特构成的字节被称为 n 比特字节 (n 唱 bit byte) 因为当前 8 比特字节最为普及, 所以如果没有特别注释, 一般 1 字节就被认为是 8 比特 3 畅字计算机一次存取 处理和传输的数据长度称为字 (Word), 即一组二进制数码作为一个整体来参加运算或处理的单位 一个字通常由一个或多个字节构成, 用来存放一条指令或一个数据 4 畅存储单元表示一个数据的总长度称为计算机的存储单元 在计算机中, 当一个数据作为一个整体存入或取出时, 这个数据存放在一个或几个字节中组成一个存储单元 存储单元的特点是 : 只有往存储单元送新数据时, 该存储单元的内容才以新值代替旧值, 否则将保持原有数据 5 畅存储容量某个存储设备所能容纳的二进制信息量的总和称为存储设备的存储容量 存储容量用字节数来表示, 如 4MB 2GB 等 其关系为 1KB = 1024B, 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB, 1TB = 1024GB 其一个数量级为 2 10 = 1024, 即千字节 (KB) 兆字节 (MB) 吉字节 (GB) 和太字节 ( TB) 6 畅编址与地址 (1) 编址 对计算机存储单元编号的过程称为 编址, 是以字节为单位进行的 (2) 地址 存储单元的编号称为地址 地址号与存储单元是一一对应的, CP U 通过单元地址访问存储单元中的信息, 地址所对应的存储单元中的信息是 CPU 操作的对象, 即数据或指令本身 地址也是用二进制编码表示, 为便于识别, 通常采用十六进制表示地址 1 畅 3 计算机系统的构成 计算机系统包括硬件及软件两大部分 硬件是指构成计算机的所有实体部件的集 合, 而软件则是各种程序和文档的总和