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1 普通高等教育 十二五 规划教材公共课系列 柴欣史巧硕唐云廷主编 赵秀平宋洁副主编 科学出版社职教技术出版中心 北京

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3 内容简介本书是大学计算机基础课程的教材 全书共分 11 章 第 1~2 章较为系统地讲述计算机的基础知识, 计算机硬件 软件知识和微机组成的基本知识 ; 第 3 章介绍操作系统的基本知识及 Windows 操作系统的使用 ; 第 4~ 6 章介绍办公自动化软件, 包括 Word Excel 和 PowerPoint 的使用 ; 第 7~ 8 章介绍计算机网络的基础知识 因特网的基本技术与应用 网页的制作 ; 第 9 章介绍 Access 数据库的应用 ; 第 10 章介绍多媒体技术的应用, 包括多媒体技术的基本概念 图像 音频 视频 动画的常用处理工具等 ; 第 11 章介绍计算机与网络安全方面的知识 本书本着加强基础 注重实践的原则, 在内容讲解上采用循序渐进逐步深入的方法, 突出重点, 注意将难点分开, 使读者易学易懂 本书除作为本科和专科各专业的教材之外, 也可作为全国计算机水平考试及各类培训班的教材 图书在版编目 (CIP) 数据 / 柴欣等主编. 北京 : 科学出版社,2011 ISBN Ⅰ. 1 大 Ⅱ. 1 柴 Ⅲ. 1 电子计算机 - 高等学校 - 教材 Ⅳ. 1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2011) 第 号责任编辑 : 赵丽欣戴薇 / 责任校对 : 刘玉靖责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 印刷科学出版社发行各地新华书店经销 * 2012 年 2 月第一版开本 : / 年 2 月第一次印刷印张 :23 3/4 字数 : 定价 :36.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 ) 销售部电话 编辑部电话 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ; 科学出版社职教技术出版中心

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5 前 言 随着计算机技术和网络技术的飞速发展, 计算机已深入到社会的各个领域, 并深刻地改变了 人们工作 学习和生活的方式 信息的获取 分析 处理 发布 应用能力已经成为现代社会中 人们的一个必备的技能 因此, 作为大学面向非计算机专业学生的公共必修课程, 计算机基础课 程就有着非常重要的地位 通过该课程的学习, 可以使学生了解计算机的基础知识和基本理论, 掌握计算机的基本操作和网络的使用方法, 并为后续的计算机课程奠定一个较为扎实的基础 同时, 该课程对于激发学生的创新意识 培养自学能力 锻炼动手实践的本领也起着极为重要的作用 作者在编写本书的过程中, 本着加强基础 注重实践 勇于创新 突出应用的原则, 对全书的体系结构进行了梳理, 对教学内容进行了精选 同时, 根据计算机技术的发展, 融入了最新的计算机知识, 力求将前沿信息提供给读者 本书共分 11 章, 第 1~2 章较为系统地讲述计算机的基础知识, 计算机硬件 软件知识和微机组成的基本知识 ; 第 3 章介绍操作系统的基本知识及 Windows 操作系统的使用 ; 第 4~6 章介绍办公自动化软件, 包括 Word Excel 和 PowerPoint 的使用 ; 第 7~8 章介绍计算机网络的基础知识 因特网的基本技术与应用 网页的制作 ; 第 9 章介绍 Access 数据库的应用 ; 第 10 章介绍多媒体技术的应用, 包括多媒体技术的基本概念 图像 音频 视频 动画的常用处理工具等 ; 第 11 章介绍计算机与网络安全方面的知识 为了理论联系实际, 配合本教程还编写了 大学计算机基础实验教程 实验教程与本书相呼应, 各章均安排了选择题与上机试验内容, 以方便师生有计划 有目的地进行上机操作和知识学习, 从而达到事半功倍的教学效果 为了帮助学生更好地进行上机操作练习, 我们还配合教程开发了计算机上机练习教学软件, 学生上机时可以选择操作模块进行操作练习, 操作结束后可以由系统给出分数评判 这样可以使学生在学习 练习 自测及综合测试等各个环节进行有目的的学习, 进而达到课程的教学要求 教师也可以利用测试系统对教学的各个单元方便地检查, 随时了解教学的情况, 进行有针对性的教学 本书由柴欣 史巧硕 唐云廷任主编, 赵秀平 宋洁任副主编, 李建晶 梁艳红 林晓静 路静 王建勋 王岩参加编写 各章编写分工如下 : 第 1 章由柴欣编写, 第 2 章由赵秀平编写, 第 3 章由宋洁编写, 第 4 章由李建晶编写, 第 5 章由梁艳红编写, 第 6 章由史巧硕编写, 第 7 章由王岩编写, 第 8 章由王建勋编写, 第 9 章由林晓静编写, 第 10 章由唐云廷主编, 第 11 章由路静编写 在本书编写过程中, 参考了大量文献资料, 在此向这些文献资料的作者深表感谢 由于时间仓促和水平所限, 书中难免有不当和欠妥之处, 敬请各位专家 读者不吝批评指正 科学出版社职教技术出版中心

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7 目 前言第 1 章概论 信息与信息化 信息的概念和特征 信息技术的概念及其发展历程 信息化与信息化社会 信息素养 计算机的发展 电子计算机的诞生 电子计算机的发展历程 微型计算机的发展 我国计算机技术的发展 计算机的发展趋势 未来计算机 计算机的特点 应用及分类 计算机的特点 计算机的应用 计算机的分类 计算机中的数制与编码 计算机的数制 计算机数据的存储方式 数值数据的编码 字符的编码 汉字的编码 29 第 2 章计算机系统 计算机系统构成 计算机硬件系统 计算机硬件的组成 计算机的工作原理 计算机软件系统 系统软件 应用软件 办公软件 微型计算机及其硬件系统 微型计算机概述 45 录 微型计算机的主机 微型计算机的外存储器 微型计算机的输入设备 微型计算机的输出设备 微机的主要性能指标 60 第 3 章操作系统及其应用 操作系统概述 操作系统的概念 操作系统的功能 操作系统的分类 常用的操作系统 Windows XP 概述 Windows XP 的启动与退出 Windows XP 的用户界面 Windows 中文输入 Windows XP 的帮助系统 Windows XP 的文件管理 文件管理的基本概念 通过文件夹窗口和资源管理器 窗口管理文件和文件夹 文件和文件夹操作 文件的搜索 程序管理 运行程序的操作 打开文档的操作 85 科学出版社职教技术出版中心 创建和使用快捷方式 自定义工作环境 定制任务栏 定制 开始 菜单 定制桌面 通过控制面板设置系统的软 硬件参数 计算机管理 Windows 任务管理器 Windows 用户管理 Windows 磁盘管理 101

8 iv 目 录 第 4 章文字处理软件 Word Word 2003 的基本知识 Word 2003 的启动与退出 Word 2003 的菜单操作 工具栏的移动 打开 关闭和定制 Word 2003 的基本操作 文档的创建 录入及保存 文档的视图方式 文本的选定及操作 文本的查找与替换 公式操作 文档的版面设计 设置字符 段落 页面格式 文档页面修饰 样式和模板的使用 表格的制作和处理 表格的创建及编辑 修饰表格的外观 表格和文本的互换 图文处理 图片操作 文本框操作 图文混排 142 第 5 章电子表格处理软件 Excel Excel 2003 的基本知识 Excel 2003 的特点 Excel 2003 的基本概念及术语 Excel 2003 窗口的组成 Excel 2003 的基本操作 工作表数据的输入 工作表的编辑操作 工作表的格式化 工作表的管理操作 公式和函数 公式 函数 数据图表 创建图表 图表的编辑与格式化 数据的管理 数据清单 数据排序 数据筛选 数据分类汇总 数据透视表和数据透视图 173 第 6 章演示文稿制作软件 PowerPoint PowerPoint 基本知识 PowerPoint 的基本概念及术语 PowerPoint 2003 的窗口与视图 演示文稿的创建 演示文稿的编辑与格式化 幻灯片的基本操作 幻灯片的外观设计 幻灯片的放映设置 利用动画方案设置动画效果 自定义动画 设置切换效果 演示文稿中的超链接 在幻灯片中运用多媒体技术 演示文稿的放映 设置放映方式 设置放映时间 使用画笔 演示文稿放映和打包演示文稿 196 第 7 章计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络的发展 计算机网络的组成与分类 计算机网络的功能与特点 计算机网络的通信协议 网络协议 计算机网络体系结构 数据传输与数据交换技术 数据传输 207

9 目 录 v 数据交换技术 计算机网络的硬件设备 计算机设备 网络传输介质 网络互联设备 因特网的基本技术 因特网的概念与特点 TCP/IP 协议 IP 地址与域名地址 网络接入基本技术 221 第 8 章因特网应用与网页制作 因特网信息浏览 因特网信息浏览的基本概念和术语 浏览器的基本操作 网页浏览技巧 网上信息的检索 搜索引擎 专用搜索引擎 利用 FTP 进行文件传输 文件传输概述 从 FTP 网站下载文件 从 WWW 网站下载文件 使用专用工具传输文件 文件的压缩与解压缩 电子邮件的使用 电子邮件概述 通过 Web 方式收发电子邮件 通过电子邮件应用程序收发电子邮件 因特网的其他服务与扩展应用 即时通信及即时通信工具 博客 维客与威客 RSS 及其阅读器 电子商务与电子政务 物联网 云计算 使用 FrontPage 2003 制作网页 FrontPage 2003 窗口的组成 FrontPage 2003 的视图模式及网页视图方式 网页的基本操作 网页的基本编辑 网页的高级操作 发布网站 283 第 9 章数据库基础及 Access 数据库的基础知识 计算机数据管理技术 数据模型 数据库系统 Access 2003 数据库 Access 2003 的特点 数据库对象 创建数据库 表 表结构 创建表 编辑表 建立表之间的关系 查询 选择查询 表达式 参数查询 总计查询 306 科学出版社职教技术出版中心 9.5 窗体 利用向导创建窗体 窗体的设计视图 窗体的窗体视图 报表 311 第 10 章多媒体技术的应用 多媒体及多媒体计算机概述 多媒体技术的基本概念 多媒体计算机的基本组成 多媒体计算机的辅助媒体设备 318

10 vi 目 录 10.2 多媒体图像处理 图像的相关概念 常见的图像文件格式 常见的图像编辑软件 图像处理软件 Photoshop CS 多媒体音频 音频的相关概念 常见的音频文件格式 多媒体视频 多媒体视频的基本概念 常见的多媒体视频文件格式 常见的多媒体播放器 多媒体动画 多媒体动画的基本概念 常见多媒体动画文件格式 动画制作软件 Flash CS3 介绍 多媒体数据压缩 多媒体数据压缩的概念 多媒体数据压缩和编码技术标准 常用多媒体数据压缩软件 网络流媒体技术 流媒体及流媒体的基本原理 流媒体传输协议及标准 流媒体服务器 多媒体应用系统简介 可视电话系统 视频会议系统 IP 电话 VOD 系统 多媒体消息业务 MMS 344 第 11 章信息安全与计算机病毒的防范 信息安全概述 信息安全基本概念 信息安全等级及评估标准 计算机病毒概述 计算机病毒的种类 常见危害最大的计算机病毒 计算机病毒的主要症状 常见计算机病毒的解决方案 计算机的防毒杀毒 常用计算机杀毒软件 瑞星杀毒软件的使用 保护计算机安全的常用措施 黑客及黑客的防范 黑客常用的漏洞攻击手段 网络安全防范措施 个人防火墙 信息安全技术 信息安全产品 信息安全技术 数据加密及数据加密技术 SSL 信息安全法规与计算机道德 国内外信息安全立法简况 使用计算机网络应遵循的道德规范 367

11 第 1 章 概 论 学习目标 了解信息 信息技术及信息化社会的概念 ; 培养信息化社会中应该具备的素养 了解计算机的诞生及计算机的发展历程 了解计算机的特点 应用及分类 理解计算机中的数制与编码知识, 掌握各类数制间的转换 诞 生于 20 世纪 40 年代的电子计算机是人类最伟大的发明之一, 并且一直以飞快的速度发展着 进入 21 世纪的现代社会, 计算机已经走入各行各业, 并成为各行业必不可少的工具 掌握计算机的基本知识和使用, 已成为有效学习和工作所必需的基本技能之一 本章首先介绍了有关信息与信息化社会的基本知识, 然后介绍了计算机的发展历程, 讲解了计算机的特点 应用及分类, 最后介绍了计算机中的数制与编码, 使读者对计算机有一个初步的认识 1.1 信息与信息化 今天, 人们不论做什么事情都非常重视信息 例如, 就经营而言, 过去认为人 物 钱是经营的三要素, 现在认为人 物 钱 信息是经营的要素, 并认为信息是主要的要素 在当今社会中, 能源 材料和信息是社会发展的三大支柱, 人类社会的生存和发展, 时刻都离不开信息, 信息就像空气一样, 时时刻刻在人们身边 了解信息的概念 特征及分类, 对于在信息社会中更好地使用信息是十分重要的 信息的概念和特征 1. 信息 科学出版社职教技术出版中心 信息一词来源于拉丁文 Information, 其含义是情报 资料 消息 报道 知识 所以长期以来人们就把信息看做是消息的同义语, 简单地把信息定义为能够带来新内容 新知识的消息 但是后来发现信息的含义要比消息 情报的含义广泛得多, 不仅消息 情报是信息, 指令 代码 符号语言 文字等, 一切含有内容的信号都是信息 作为日常用语, 信息 经常指音讯, 消息 ; 作为科学技术用语, 信息 被理解为对预先不知道的事件或事物的报道或者指在观察中得到的数据 新闻和知识 在信息时代, 人们越来越多地在接触和使用信息, 但是究竟什么是信息, 迄今说法不一, 信息使用的广泛性使得我们难以给它一个确切的定义 但是, 一般说来, 信息可以界定为由信息源

12 2 第 1 章概 论 ( 如自然界 人类社会等 ) 发出的被使用者接受和理解的各种信号 作为一个社会概念, 信息可以理解为人类共享的一切知识, 或社会发展趋势以及从客观现象中提炼出来的各种消息之和 信息并非事物本身, 而是表征事物之间联系的消息 情报 指令 数据或信号 一切事物, 包括自然界和人类社会, 都在发出信息 我们每个人每时每刻都在接收信息 在人类社会中, 信息往往以文字 图像 图形 语言 声音等形式出现 科学的发展, 时代的进步, 必将给信息赋予新的内含 如今 信息 的概念已经与微电子技术 计算机技术 网络通信技术 多媒体技术 信息产业和信息管理等含义紧密地联系在一起 但是, 信息的本质是什么? 仍然是需要我们进一步探讨的问题 2. 信息分类根据不同的依据, 信息有多种分类方法 从宏观上, 人们一般把信息分为宇宙信息 地球自然信息和人类社会信息 1 宇宙信息宇宙空间中恒星不断发出的各种各样的电磁波信息和行星通过反射发出的信息, 形成了直接传播或者反射传播的信息, 称这些信息为宇宙信息 2 地球自然信息地球自然信息包括地球上的生物为了繁衍生存而表现出来的各种形态 行为以及生物运动的各种信息, 另外还包括无生命物质的信息 3 人类社会信息人类社会信息是指人类从事社会活动, 通过五官以及媒体 语言 文字 图表 图形等表现出来的描述客观世界的信息 另外, 根据信息的来源不同, 也可以把信息分为四种类型 一类是来源于书本上的信息, 这种信息随着时间的推移变化不大, 比较稳定 ; 第二类信息则来源于广播 电视 报刊 杂志等, 它们具有很强的实效性, 经过一段时间后, 这类信息的实用价值会大大降低 ; 第三类信息是人与人之间各种交流活动产生的信息, 这些信息只在很小的范围内流传 ; 第四类信息是最重要的, 也是最难获得的信息, 它来源于具体事物, 是具体事物的信息, 这类信息能增加整个社会的信息量, 能给人类带来更多的财富 3. 信息的基本特征信息具有如下的基本特征 可度量性 信息可采用某种度量单位进行度量, 并进行信息编码 如现代计算机使用的二进制 可识别性 信息可采取直观识别 比较识别和间接识别等多种方式来把握 可转换性 信息可以从一种形态转换为另一种形态 如自然信息可转换为语言 文字和图像等形态, 也可转换为电磁波信号或计算机代码 可存储性 大脑就是一个天然信息存储器 人类发明的文字 摄影 录音 录像以及计算机存储器等都可以进行信息存储 可处理性 人脑就是最佳的信息处理器 人脑的思维功能可以进行决策 设计 研究 写作 改进 发明 创造等多种信息处理活动 计算机也具有信息处理功能 可传递性 信息的传递是与物质和能量的传递同时进行的 语言 表情 动作 报刊 书籍 广播 电视 电话等是人类常用的信息传递方式

13 1.1 信息与信息化 3 可再生性 信息经过处理后, 可以其他方式再生成信息 输入计算机的各种数据 文字等信息, 可用显示 打印 绘图等方式再生成信息 可压缩性 信息可以进行压缩, 可以用不同的信息量来描述同一事物 人们常常用尽可能少的信息量描述一件事物的主要特征 可利用性 信息具有一定的实效性和可利用性 可共享性 信息具有扩散性, 因此可共享 信息技术的概念及其发展历程 信息技术是指对信息的收集 存储 处理和利用的技术 信息技术能够延长或扩展人的信息功能 信息技术可能是机械的, 也可能是激光的 ; 可能是电子的, 也可能是生物的 1. 信息技术的定义 到目前为止, 对于信息还没有一个统一的公认的定义, 所以对信息技术也就不可能有公认的定义了 由于人们使用信息的目的 层次 环境 范围不同, 因而对信息技术的表述也各不一样 根据在 中国公众科技网 上的表述 : 信息技术是指有关信息的收集 识别 提取 变换 存储 传递 处理 检索 检测 分析和利用等的技术 概括而言, 信息技术 (Information Technology) 是在信息科学的基本原理和方法的指导下扩展人类信息功能的技术, 是人类开发和利用信息资源的所有手段的总和 信息技术既包括有关信息的产生 收集 表示 检测 处理和存储等方面的技术, 也包括有关信息的传递 变换 显示 识别 提取 控制和利用等方面的技术 在现今的信息化社会, 一般来说, 我们所提及的信息技术, 又特指是以电子计算机和现代通信为主要手段实现信息的获取 加工 传递和利用等功能的技术总和 信息技术是一门多学科交叉综合的技术, 计算机技术 通信技术和多媒体技术 网络技术互相渗透 互相作用 互相融合, 将形成以智能多媒体信息服务为特征的大规模信息网 2. 信息技术的发展历程 在人类发展史上, 信息技术经历了五个发展阶段, 即五次革命 第一次信息技术革命是语言的使用 距今大约 ~ 年前出现了语言, 语言成为人类进行思想交流和信息传播不可缺少的工具 第二次信息技术革命是文字的创造 大约在公元前 3500 年出现了文字, 文字的出现, 使人类对信息的保存和传播取得重大突破, 较大地超越了时间和地域的局限 第三次信息技术革命是印刷术的发明和使用 大约在公元 1040 年, 我国开始使用活字印刷技术, 欧洲人则在 1451 年开始使用印刷技术 印刷术的发明和使用, 使书籍 报刊成为重要的信息存储和传播的媒体 第四次信息技术革命是电报 电话 广播和电视的发明和普及应用 人类从此进入利用电磁波传播信息的时代 第五次信息技术革命是电子计算机的普及应用, 计算机与现代通信技术的有机结合以及网际网络的出现 第五次信息技术革命的时间是从 20 世纪 60 年代电子计算机与现代技术相结合开始至今 科学出版社职教技术出版中心

14 4 第 1 章概 论 我们现在所说的信息技术一般特指的就是第五次信息技术革命, 是狭义的信息技术 对于狭义的信息技术而言, 从其开始到现在不过几十年的时间 它经历了从计算机技术到网络技术再到计算机技术与现代通信技术结合的过程 目前, 以多媒体和网络技术为核心的信息技术掀起了新一轮的信息革命浪潮 多媒体计算机和互联网的广泛应用对社会的发展 科技进步及个人生活和学习产生了深刻的影响 信息化与信息化社会 1. 信息化的概念信息化的概念起源于 20 世纪 60 年代的日本, 首先是由一位日本学者提出来的, 而后被译成英文传播到西方, 西方社会普遍使用 信息社会 和 信息化 的概念是 20 世纪 70 年代后期才开始的 关于信息化的表述, 中国学术界作过较长时间的研讨 有的认为, 信息化就是计算机 通信和网络技术的现代化 ; 有的认为, 信息化就是从物质生产占主导地位的社会向信息产业占主导地位的社会转变发展的过程 ; 有的认为, 信息化就是从工业社会向信息社会演进的过程, 等等 1997 年召开的首届全国信息化工作会议, 对信息化和国家信息化定义为 : 信息化是指培育 发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程 国家信息化就是在国家统一规划和组织下, 在农业 工业 科学技术 国防及社会生活各个方面应用现代信息技术, 深入开发广泛利用信息资源, 加速实现国家现代化进程 在通信经济学中对信息化的定义是 : 所谓信息化, 是指社会经济的发展, 从以物质与能源为经济结构的重心, 向以信息为经济结构的重心转变的过程 而在信息管理学中对信息化的定义则是 : 指在现代信息技术广泛普及的基础之上, 社会和经济的各个方面发生深刻的变革, 通过提高信息资源的管理和利用水平, 在各种社会活动的功能和效率上大幅地提高, 从而达到人类社会新的物质和精神文明水平的过程 从以上对信息化的定义可以看出, 信息化代表了一种信息技术被高度应用, 信息资源被高度共享, 从而使得人的智能潜力以及社会物质资源潜力被充分发挥, 个人行为 组织决策和社会运行趋于合理化的理想状态 同时, 信息化也是 IT 产业发展与 IT 在社会经济各部门扩散的基础之上, 不断运用 IT 改造传统的经济 社会结构, 从而通往如前所述的理想状态的一个持续的过程 2. 信息化的特征信息化的特征体现在信息化的 四化 和 四性 上 所谓信息化的 四化 如下 智能化 知识的生产成为主要的生产形式, 知识成了创造财富的主要资源 电子化 光电和网络代替工业时代的机械化生产, 人类创造财富的方式不再是工厂化的机器作业 全球化 信息技术正在取消时间和距离的概念, 信息技术及其发展大大加速了全球化的进程 非群体化 在信息时代, 信息和信息交换遍及各个地方, 人们的活动更加个性化 而信息化的 四性 如下 综合性 信息化在技术层面上指的是多种技术综合的产物 它整合了半导体技术 信息传

15 1.1 信息与信息化 5 输技术 多媒体技术 数据库技术和数据压缩技术等 ; 在更高的层次上它是政治 经济 社会 文化等诸多领域的整合 竞争性 信息化与工业化的进程不同的一个突出特点是, 信息化是通过市场和竞争推动的 政府引导 企业投资 市场竞争是信息化发展的基本路径 渗透性 信息化使社会各个领域发生全面而深刻的变革, 它同时深刻影响物质文明和精神文明, 已成为经济发展的主要牵引力 信息化使经济和文化的相互交流与渗透日益广泛和加强 开放性 创新是高新技术产业的灵魂, 是企业竞争取胜的法宝 参与竞争, 在竞争中创新, 在创新中取胜 开放不仅是指社会开放, 更重要的是心灵的开放 开放是创新的心灵开放, 开放是创新的源泉 总之, 信息化特征的主要表现概括起来有四个方面 : 虚拟性 全球性 交互性与开放性 3. 信息化社会 信息社会与工业社会的概念没有什么原则性的区别 信息社会也称信息化社会, 是脱离工业化社会以后, 信息将起主要作用的社会 在农业社会和工业社会中, 物质和能源是主要资源, 所从事的是大规模的物质生产, 而在信息社会中, 信息成为比物质和能源更为重要的资源, 以开发和利用信息资源为目的的信息经济活动迅速扩大, 逐渐取代工业生产活动而成为国民经济活动的主要内容 信息经济在国民经济中占据主导地位, 并构成社会信息化的物质基础 以计算机 微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉 信息技术在生产 科研教育 医疗保健 企业和政府管理以及家庭中的广泛应用对经济和社会发展产生了巨大而深刻的影响, 从根本上改变了人们的生活方式 行为方式和价值观念 信息素养 信息素养 (Information Literacy) 是一个内容丰富的概念 它不仅包括利用信息工具和信息资源的能力, 还包括选择获取识别信息 加工 处理 传递信息并创造信息的能力 信息素养的本质是全球信息化需要人们具备的一种基本能力 简单的定义来自 1989 年美国图书馆学会 (American Library Association,ALA), 它包括能够判断什么时候需要信息, 并且懂得如何去获取信息, 如何去评价和有效利用所需的信息 国内最早阐释信息素养的是在王吉庆的 信息素养论 中, 阐释为 : 信息素养是一种可以通过教育所培养的, 在信息社会中获得信息 利用信息 开发信息方面的修养与能力 它包括了信息意识与情感 信息伦理道德 信息常识以及信息能力多个方面, 是一种综合性的 社会共同的评价 2003 年 1 月, 我国 普通高中信息技术课程标准 将信息素养定义为 : 信息的获取 加工 管理与传递的基本能力 ; 对信息及信息活动的过程 方法 结果进行评价的能力 ; 流畅地发表观点 交流思想 开展合作, 勇于创新 并解决学习和生活中的实际问题的能力 ; 遵守道德与法律, 形成社会责任感 可以看出, 信息素养是一种基本能力, 是一种对信息社会的适应能力, 它涉及信息的意识 信息的能力和信息的应用 同时, 信息素养也是一种综合能力, 它涉及各方面的知识, 是一个特 科学出版社职教技术出版中心

16 6 第 1 章概 论 殊的 涵盖面很宽的能力, 它包含人文的 技术的 经济的 法律的诸多因素, 和许多学科有着紧密的联系 具体来说, 信息素养主要包括四个方面 信息意识 即人的信息敏感程度, 是人们对自然界和社会的各种现象 行为 理论 观点等, 从信息角度的理解 感受和评价 通俗地讲, 面对不懂的东西, 能积极主动地去寻找答案, 并知道到哪里 用什么方法去寻求答案, 这就是信息意识 信息知识 既是信息科学技术的理论基础, 又是学习信息技术的基本要求 通过掌握信息技术的知识, 才能更好地理解与应用它 它不仅体现着人们所具有的信息知识的丰富程度, 而且还制约着他们对信息知识的进一步掌握 信息能力 它包括信息系统的基本操作能力, 信息的采集 传输 加工处理和应用的能力, 以及对信息系统与信息进行评价的能力等 这也是信息时代重要的生存能力 信息道德 培养学生具有正确的信息伦理道德修养, 要让学生学会对媒体信息进行判断和选择, 自觉地选择对学习 生活有用的内容, 自觉抵制不健康的内容, 不组织和参与非法活动, 不利用计算机网络从事危害他人信息系统和网络安全 侵犯他人合法权益的活动 信息素养的四个要素共同构成一个不可分割的统一整体 信息意识是先导, 信息知识是基础, 信息能力是核心, 信息道德是保证 信息素养是信息社会人们发挥各方面能力的基础, 犹如科学素养在工业化时代的基础地位一样 可以认为, 信息素养是工业化时代文化素养的延伸与发展, 但信息素养包含更高的驾驭全局和应对变化的能力, 它的独特性是由时代特征决定的 1.2 计算机的发展 在人类文明发展的历史长河中, 计算工具经历了从简单到复杂 从低级到高级的发展过程, 例如, 绳结 算筹 算盘 计算尺 手摇机械计算机 电动机械计算机等 它们在不同的历史时期发挥了各自的作用, 同时也孕育了电子计算机的雏形 电子计算机的诞生 1946 年 2 月, 世界上第一台数字电子计算机 电子数字积分器和计算机 (Electronic Numerical Integrator And Computer,ENIAC) 在美国的宾夕法尼亚大学诞生, 如图 1-1 所示 设计这台计算机主要用于解决第二次世界大战时军事上弹道课题的高速计算 虽然它的运算速度仅是每秒完成 次加 减法运算, 但它把一个有关发射弹道导弹的运算题目的计算时间从台式计算器所需的 7~10 小时缩短到 30s 以下, 这在当时是了不起的进步 制造这台计算机使用了 个电子管 多个继电器 个电阻, 占地面积约 170m 2, 重量达 kg, 耗电 150kW 它的存储容量很小, 只能存储 20 个字长为 10 位的十进制数 ; 另外, 它采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图 1-1 第一台电子计算机 ENIAC 接连线, 准备时间大大超过实际计算时间

17 1.2 计算机的发展 7 虽然这台计算机的性能在今天看来微不足道, 但在当时确实是一种创举 ENIAC 的研制成功为以后计算机科学的发展奠定了基础, 具有划时代的意义 它的成功, 使人类的计算工具由手工到自动化产生了一个质的飞跃, 为以后计算机的发展提供了契机, 开创了计算机的新时代 ENIAC 计算机有两个很大的缺点 : 一是存储容量太小, 不足以存储程序, 自动计算的步骤是靠存储器外部的开关 继电器和插线来控制的, 运算前大量的准备工作, 只有专家才能操作 ; 二是使用的电子管太多, 可靠性较差, 而且 ENIAC 是采用十进制来表示数据 1946 年, 曾担任 ENIAC 研制顾问的美籍匈牙利科学家冯 诺依曼教授 (John Von Neuman) 提出了全新的存储程序的通用计算机方案, 并为美国军方设计了一台 存储程序式 计算机 EDVAC 它是 电子离散变量计算机 (Electronic Discreate Variable Automatic Computer) 的缩写 与 ENIAC 相比,EDVAC 有两点重要的改进, 一是采用了存储程序和程序控制的原理 存储程序是把预先编制好的程序及运行中所需的数据, 通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中, 程序控制是指计算机能自动地逐一取出存储程序中的一条条指令, 加以分析并执行所规定的操作, 使计算机按程序规定运行 二是采用二进制表示数据, 这样可以直接模拟开关电路的两种状态, 提高运行效率 这就是著名的存储程序原理 存储程序式 计算机结构为后人普遍接受, 此结构又称为冯 诺依曼体系结构, 此后的计算机系统基本上都采用了冯 诺依曼体系结构 1952 年,EDVAC 正式投入使用, 如图 1-2 所示 这台计算机总共采用了 个电子管, 使用水银延迟线作为存储器, 运算速度比 ENIAC 快 20 倍, 冯 诺依曼的设想在这台计算机上得到了圆满的体现 世界上首台 存储程序式 电子计算机是 1949 年 5 月在英国剑桥大学研制成功的 EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Computer), 它是剑桥大学的威尔克斯 (Wilkes) 教授于 1946 接受了冯 诺依曼的存储程序计算机结构后开始设计研制的 电子计算机的发展历程 计算机界传统的观点是将计算机的发展大致分为四代, 这种划分是以构成计算机的基本逻辑 部件所用的电子元器件的变迁为依据的 从电子管到晶体管, 再由晶体管到中小规模集成电路, 再到大规模集成电路直至现今的超大规模集成电路, 元器件的制造技术发生了几次重大的革命, 芯片的集成度不断提高, 这些使计算机的硬件得以迅猛发展 图 1-2 冯 诺依曼设计的计算机 EDVAC 科学出版社职教技术出版中心 从第一台计算机诞生以来的 60 余年时间里, 计算机的发展过程可以划分如下 1. 第一代计算机 (1946~1954 年 ): 电子管计算机时代第一代计算机是电子管计算机, 其基本元件是电子管, 内存储器采用水银延迟线, 外存储器有纸带 卡片 磁带和磁鼓等 受当时电子技术的限制, 运算速度仅为每秒几千次到几万次, 而且内存储器容量也非常小, 仅为 1 000~4 000B 此时的计算机程序设计语言还处于最低阶段, 要用二进制代码表示的机器语言进行编程, 工作十分繁琐, 直到 20 世纪 50 年代末才出现了稍微方便一点的汇编语言

18 8 第 1 章概 论 第一代计算机体积庞大, 造价昂贵, 因此基本上局限于军事研究领域的狭小天地里, 主要用于数值计算 UNIVAC(Universal Automatic Computer) 是第一代计算机的代表, 于 1951 年首次交付美国人口统计局使用 它的交付使用标志着计算机从实验室进入了市场, 从军事应用领域转入数据处理领域 2. 第二代计算机 (1955~1964 年 ): 晶体管计算机时代晶体三极管的发明标志着一个新的电子时代的到来 1947 年, 贝尔实验室的两位科学家布拉顿 (W.Brattain) 和巴丁 (J.Bardeen) 发明了点触型晶体管,1950 年科学家肖克利 (W.Shockley) 又发明了面结型晶体管 比起电子管, 晶体管具有体积小 重量轻 寿命长 功耗低 发热少 速度快的特点, 使用晶体管的计算机, 其电子线路结构变得十分简单, 运算速度大幅度提高 1951 年, 美籍华人王安发明了磁心存储器, 改变了继电器存储器的工作方式及其与处理器的连接方法, 大大缩小了存储器的体积 第二代计算机是晶体管计算机, 以晶体管为主要逻辑元件, 内存储器使用磁心, 外存储器有磁盘和磁带, 运算速度从每秒几万次提高到几十万次, 内存储器容量也扩大到了几十万字节 图 1-3 晶体管计算机 TRADIC 1955 年, 美国贝尔实验室研制出了世界上第一台全晶体管计算机 TRADIC, 如图 1-3 所示, 它装有 800 只晶体管, 功率仅为 100 W 1959 年,IBM 公司推出了晶体管化的 7000 系列计算机, 其典型产品 IBM 7090 是第二代计算机的代表, 在 1960~1964 年间占据着计算机领域的统治地位 此时, 计算机软件也有了较大的发展, 出现了监控程序并发展为后来的操作系统, 高级程序设计语言也相继推出 1957 年,IBM 研制出公式语言 FORTRAN;1959 年, 美国数据系统语言委员会推出了商用语言 COBOL;1964 年,Dartmouth 大学的 J.Kemeny 和 T.Kurtz 提出了 BASIC 高级语言的出现, 使得人们不必学习计算机的内部结构就可以编程使用计算机, 为计算机的普及提供了可能 第二代计算机与第一代计算机相比, 体积小 成本低 重量轻 功耗小 速度快 功能强且可靠性高 使用范围也由单一的科学计算扩展到数据处理和事务管理等其他领域中 3. 第三代计算机 (1965~1971 年 ): 中小规模集成电路计算机时代 1958 年, 美国物理学家基尔比 (J.Kilby) 和诺伊斯 (N.Noyce) 同时发明了集成电路 集成电路是用特殊的工艺将大量完整的电子线路制作在一个硅片上 与晶体管电路相比, 集成电路计算机的体积 重量 功耗都进一步减小, 而运算速度 运算功能和可靠性则进一步提高 第三代计算机的主要元件采用小规模集成电路 (Small Scale Integrated Circuits,SSI) 和中规模集成电路 (Medium Scale Integrated Circuits,MSI), 主存储器开始采用半导体存储器, 外存储器使用磁盘和磁带 IBM 公司 1964 年研制出的 IBM S/360 系列计算机是第三代计算机的代表产品, 它包括 6 个型号的大 中 小型计算机和 44 种配套设备, 从功能较弱的 360/51 小型机, 到功能超过它 500

19 1.2 计算机的发展 9 倍的 360/91 大型机 IBM 为此耗时 3 年, 投入 50 亿美元的研发费, 超过了 二战 时期原子弹的研制费用 IBM S/360 系列计算机是当时最成功的计算机,5 年内售出 台, 创造了计算机销售中的奇迹, 奠定了 蓝色巨人 在当时计算机业的统治地位 此后,IBM 又研制出与 IBM S/360 兼容的 IBM S/370, 其中最高档的 370/168 机型的运算速度已达每秒 250 万次 软件在这个时期形成了产业, 操作系统在种类 规模和功能上发展很快, 通过分时操作系统, 用户可以共享计算机资源 结构化 模块化的程序设计思想被提出, 而且出现了结构化的程序设计语言 Pascal 4. 第四代计算机 (1971 年至今 ): 大规模和超大规模集成电路计算机时代随着集成电路技术的不断发展, 单个硅片可容纳电子线路的数目也在迅速增加 20 世纪 70 年代初期出现了可容纳数千个至数万个晶体管的大规模集成电路 (Large Scale Integrated Circuits,LSI),20 世纪 70 年代末期又出现了一个芯片上可容纳几万个到几十万个晶体管的超大规模集成电路 (Very Large Scale Integrated Circuits,VLSI) 利用 VLSI 技术, 能把计算机的核心部件甚至整个计算机都做在一个硅片上, 一个芯片显微结构如图 1-4 所示 第四代计算机的主要元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路 集成度很高的半导体存储器完全代替了磁心存储器, 外存磁盘的存取速度和存储容量大幅度上升, 计算机的速度可达每秒几百万次至上亿次, 而其体积 重量和耗电量却进一步减少, 计算机的性能价格比基本上以每 18 个月翻一番的速度上升, 此即著名的 More 定律 美国 ILLIAC-IV 计算机, 是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机, 它标志着计算机的发展已到了第四代 1975 年, 美国阿姆尔公司研制成 470V/6 型计算机, 随后日本富士通公司生产 出 M-190 计算机, 是比较有代表性的第四代计算机 英国曼彻斯特大学 1968 年开始研制第四代计算机,1974 年研制成功 DAP 系列计算机 1973 年, 德国西门子公司 法国国际信息公司与荷兰飞利浦公司联合成立了统一数据公司, 研制出 Unidata 7710 系列计算机 图 1-4 芯片显微结构 1982 年以后, 许多国家开始研制第五代计算机 其特点是以人工智能原理为基础, 希望突破 原有的计算机体系结构模式, 还提出了神经网络计算机等新概念, 这些都属新一代计算机, 目前 科学出版社职教技术出版中心 尚不成熟 微型计算机的发展 20 世纪 70 年代出现了微型计算机, 微型计算机开发的先驱是美国英特尔 (Intel) 公司的霍夫 (Hoff) 和意大利的弗金 (Fagin) 霍夫首先提出了可编程通用计算机的设想, 即把计算机的全部电路制作在 4 个集成电路芯片上 这个设想首先由弗金实现, 他在 mm 2 的硅片上集成了 个晶体管构成中央处理器, 即 4 位微处理器 Intel 4004, 再加上一片随机存储器 一片只读存储器和一片寄存器, 通过总线连接就构成了一台 4 位微型电子计算机 凡由集成电路构成的中央处理器 (Central Processing Unit,CPU), 人们习惯上称为微处理器 (Micro Processor) 由不同规模的集成电路构成的微处理器, 形成了微型计算机的几个发展阶段

20 10 第 1 章概 论 从 1971 年世界上出现第一个 4 位的微处理器 Intel 4004 算起, 至今微型计算机的发展经历了 6 个阶段 1) 第一代微型计算机第一代微型计算机是以 4 位微处理器和早期的 8 位微处理器为核心的微型计算机 4 位微处理器的典型产品是 Intel 4004/4040, 芯片集成度为 个晶体管 ( 片 ), 时钟频率为 1MHz 第一代产品采用了 PMOS 工艺, 基本指令执行时间为 10~20μs, 字长 4 位或 8 位, 指令系统简单, 速度慢 微处理器的功能不全, 实用价值不大 早期的 8 位微处理器的典型产品是 Intel ) 第二代微型计算机 1973 年 12 月,Intel 8080 的研制成功, 标志着第二代微型计算机的开始 其他型号的典型微处理器产品是 Intel 公司的 Intel 8085 Motorola 公司的 M6800 以及 Zilog 公司的 Z80 等, 它们都是 8 位微处理器, 集成度为 4 000~7 000 个晶体管 ( 片 ), 时钟频率为 4MHz 其特点是采用了 NMOS 工艺, 集成度比第一代产品提高了一倍, 基本指令执行时间为 1~2μs 1976~1977 年, 高档 8 位微处理器以 Z80 和 Intel 8085 为代表, 使运算速度和集成度又提高了一倍, 已具有典型的计算机体系结构及中断 直接数据存取 (Direct Memory Access,DMA) 等控制功能, 指令系统比较完善 它们所构成的微型计算机的功能显著增强, 最著名的是 Apple 公司的 AppleⅡ, 软件可以使用高级语言, 进行交互式会话操作, 此后微型计算机的发展开始进入全盛期 3) 第三代微型计算机 1978 年,Intel 公司推出第三代微处理器代表产品 Intel 8086, 集成度为 个晶体管 ( 片 ) 1979 年又推出了 Intel 8088, 同年 Zilog 公司也推出了 Z8000, 集成度为 个晶体管 / 片 这些微处理器都是 16 位微处理器, 采用 HMOS 工艺, 基本指令执行时间为 0.5μs, 各方面的性能比第二代又提高了一个数量级 由它们构成的微型计算机具有丰富的指令系统, 采用多级中断 多重寻址方式 段式寄存器结构, 并且配有强有力的系统软件 1982 年,Intel 公司在 8086 的基础上又推出了性能更为优越的 80286, 集成度为 13.4 万个晶体管 ( 片 ) 其内部和外部数据总线均为 16 位, 地址总线为 24 位 由 Intel 公司微处理器构成的微型机首次采用了虚拟内存的概念 Intel 微处理器芯片的问世, 使 20 世纪 80 年代后期 286 微型计算机风靡全球 4) 第四代微型计算机 1985 年 10 月,Intel 公司推出了 32 位字长的微处理器 Intel 80386, 标志着第四代微型计算机的开始 芯片内集成了 27.5 万个晶体管 ( 片 ), 其内部 外部数据总线和地址总线均为 32 位, 随着内存芯片制造技术的发展和成本的下降, 内存容量已达到 16MB 和 32MB 1989 年, 研制出的 80486, 集成度为 120 万个晶体管 ( 片 ), 把 的浮点运算处理器和 8KB 的高速缓存集成到一个芯片, 并支持二级 Cache, 极大地提高了内存访问的速度 用该微处理器构成的微型计算机的功能和运算速度完全可以与 20 世纪 70 年代的大中型计算机相匹敌 5) 第五代微型计算机 1993 年 Intel 公司推出了更新的微处理器芯片 Pentium, 中文名为 奔腾, 这次它不以 Intel 命名, 主要是为了与其他生产 微处理器芯片的生产厂家相区别 Pentium 微处理器芯片内集成了 310 万个晶体管 ( 片 ) 随后又陆续推出了 Classic Pentium( 经典奔腾 ) Pentium Pro

21 1.2 计算机的发展 11 ( 高能奔腾 ) Pentium MMX( 多能奔腾,1997 年初 ) Pentium Ⅱ( 奔腾二代,1997 年 5 月 ) Pentium Ⅲ( 奔腾三代,1999 年 ) 和 Pentium 4( 奔腾第四代产品,2001 年 ) 的微型计算机 在 Intel 公司 各阶段推出微处理器的同时, 各国厂家也相继推出与奔腾微处理器结构和性能相近的微型机 6) 第六代微型计算机 2004 年,AMD 公司推出了 64 位芯片 Athlon 64, 次年初 Intel 公司也推出了 64 位奔腾系列 芯片 2006 年 Intel 公司推出了酷睿系列的 64 位双核微处理器,AMD 公司也相继推出了 64 位双 核微处理器 2007 年,AMD 公司和 Intel 公司又相继推出了四核的处理器 64 位技术和多核技术 的应用使得微型计算机进入了一个新的时代, 现代微型计算机的性能远远超过了早期的巨型机 随着近些年来微型机的发展异常迅速, 芯片集成度不断提高, 并向着重量轻 体积小 运算 速度快 功能更强和更易使用的方向发展 我国计算机技术的发展 我国计算机的发展起步较晚,1956 年国家制定 12 年科学规划时, 把发展计算机 半导体等 技术学科作为重点, 相继筹建了中国科学院计算技术研究所 中国科学院半导体研究所等机构 1958 年组装调试成第一台电子管计算机 (103 机 ),1959 年研制成大型通用电子管计算机 (104 机 ),1960 年研制成第一台自己设计的通用电子管计算机 (107 机 ) 其中,104 机运算速度为每 秒 次, 主存为 2048B(2KB) 1964 年, 我国开始推出第一批晶体管计算机, 如 109 机 108 机及 320 机等, 其运算速度为 每秒 10 万 ~20 万次 1971 年, 研制成第三代集成电路计算机, 如 150 机 1974 年后,DJS-130 晶体管计算机形成 了小批量生产 1982 年, 采用大 中规模集成电路研制成 16 位的 DJS-150 机 1983 年, 长沙国防科技大学推出向量运算速度达 1 亿次的银河 Ⅰ 巨型计算机 1992 年, 向量 运算达到 10 亿次的银河 Ⅱ 投入运行 1997 年, 银河 Ⅲ 投入运行, 速度为每秒 130 亿次, 内存容 量为 9.15 GB 进入 20 世纪 90 年代, 我国的计算机开始步入高速发展阶段, 不论是大型 巨型计算机, 还 是微型计算机, 都取得长足的发展 1993 年, 中国第一台 10 亿次巨型银河计算机 Ⅱ 型通过鉴定 1994 年, 银河计算机 Ⅱ 型在国家气象局正式投入运行, 用于天气中期预报 1995 年, 曙光 1000 大型机通过鉴定, 其峰值可达每秒 25 亿次 1996 年, 国产联想电脑在国内微机市场中销售量第一 1997 年, 银河 -Ⅲ 并行巨型计算机研制成功 1998 年, 中国微机销量达 408 万台, 国产占有率高达 71.9% 1999 年, 银河四代巨型机研制成功 1999 年 3 月, 全球第一套完整的中文 Linux 发行版 XteamLinux 中文版 1.0 由冲浪平台 ( 中 国 ) 软件技术有限公司开发成功并正式发布, 受到中国用户的广泛欢迎 中软总公司于 1999 年发 布的 COSIX64, 是我国第一个符合国际技术标准的 64 位高端操作系统, 可以胜任国家有关部门 的业务应用 科学出版社职教技术出版中心 2000 年, 我国自行研制成功高性能计算机 神威 I, 其主要技术指标和性能达到国际先进水

22 12 第 1 章概 论 平 我国成为继美国 日本之后, 世界上第三个具备研制高性能计算机能力的国家 2001 年, 中科院计算所研制成功我国第一款通用 CPU 龙芯 芯片 2001~2002 年, 随着方舟一号 龙芯 CPU 设计验证系统等具有自主知识产权产品的开发成功, 标志着我国集成电路设计水平又取得了重要进展 中国的半导体制造技术与国际主流技术的差距逐渐减小 2002 年 11 月, 由国防科技大学计算机学院研制的新一代 银河 高性能实时仿真计算机系统在长沙通过技术鉴定 同年, 由曙光公司推出完全自主知识产权的 龙腾 服务器 2003 年初, 曙光公司推出了面向网格的高性能计算机曙光 4000L, 运算能力达到 3 万亿次, 如图 1-5 所示 目前, 代表国内最高水平的曙光 4000 正逐渐走向成熟 2003 年底, 全球运算速度名列前茅的商品化高性能计算机 10 万亿次曙图 1-5 曙光 4000L 巨型机核心光 4000A 落户上海超算中心, 负责网格计算的海量信息服务及数据交互等系列工作 而于 2005 年底完成的曙光 4000 TOP 高性能计算机, 其十大核心技术将全部是自主知识产权的, 包括 龙芯 -3 CPU 和 SMP 主板 蓝鲸 网络存储 网格应用路由器 织女星 网格操作系统等 巨型机是国家综合实力的象征 这个领域一直是日本和美国的竞技场 今天, 中国的巨型机已在第一阵营, 我国在巨型机领域与美国只有很小的差距 软件方面, 我国软件产业销售额每年递增, 一大批优秀的国产应用软件在办公自动化 财税 金融电子化建设等电子政务 企业信息化方面以及国民经济和社会生活中得到广泛应用, 成功地为 金卡 金税 金关 等国家信息化工程开发了应用软件系统, 为贯彻落实 以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化 和大力推广信息技术应用, 改造提升传统产业和推动国家信息化建设工作发挥了重要作用 计算机的发展趋势展望未来, 从构成技术上看, 计算机将是半导体技术 超导技术 光学技术 仿生技术相互结合的产物 ; 从发展上看, 它将向着巨型化和微型化的方向发展 ; 从应用上看, 它将向着多媒体化 网络化 智能化的方向发展 1. 巨型化这里的巨型化并不是指计算机的体积大, 而是指计算机的运算速度更高 存储容量更大 功能更强 为了满足天文 气象 宇航 核反应等科学技术发展的需要, 也为了满足计算机能模拟人脑学习 推理等功能所必需的大量信息记忆的需要, 必须发展超大型计算机 现在的巨型机运算速度高达每秒数万亿次 美国还在开发每秒 万亿次运算的巨型机 2. 微型化集成电路的集成度的不断提高为计算机的微型化创造了有利条件 目前, 微型机可渗透到诸如仪表 家用电器 导弹弹头等中小型机无法进入的领地, 同时作为工业控制过程的心脏, 使仪器设备实现 智能化 当前微型机的标志是运算器和控制器集成在一起, 今后将逐步发展到对存储器 通道处理器 高速运算部件 图形卡 声卡的集成, 进一步将系统的软件固化, 最终达到

23 1.2 计算机的发展 13 整个微型机系统的集成 3. 多媒体化 多媒体是指 以数字技术为核心的图像 声音与计算机 通信等融为一体的信息环境 多媒 体技术的目标是无论在何地, 只需要简单的设备就能自由自在地以交互和对话方式收发所需要的 信息, 实质就是使人们利用计算机以更接近自然的方式交换信息 多媒体计算机系统融合多媒体 采集 传输 存储 处理和显示控制技术于一体 多媒体处理技术向处理器芯片级渗透, 标志着多媒体技术和计算机技术的进一步融合 今后 的计算机和网络, 必然要朝着如何更好地满足多媒体信息处理的需求方向发展 4. 网络化 随着计算机应用的深入, 特别是家用计算机越来越普及, 一方面众多用户希望能共享信息资 源, 另一方面也希望各计算机能相互传递信息进行通信 个人计算机的硬件和软件配置一般都比 较低, 其功能也有限, 因此, 要求大型机与巨型机的硬件和软件资源以及它们所管理的信息资源 能为众多的微型机所共享, 以便充分利用这些资源 这些原因促使计算机向网络化发展, 将分散 的计算机联网, 组成计算机网络 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物 目前, 计算机网络技术已成为计算 机系统集成应用的支柱技术 Client/Server( 客户机 / 服务器 ) 结构逐步代替由各种计算功能构成 的 主机 终端 系统, 网络的发展将改变人类传统的生活方式, 电子商务的发展也将使人们实 现网上购物 计算机网络在交通 金融 企业管理 教育 邮电 商业中等方面将得到更广泛的 应用 5. 智能化 智能化是新一代计算机实现的目标 智能化是建立在现代化科学基础之上 综合性很强的边 缘学科 它是让计算机来模拟人的感觉 行为和思维过程, 使计算机具备视觉 听觉 语言 行 为 思维 逻辑推理 学习 证明等能力, 形成智能型 超智能型计算机 人工智能的研究使计 算机突破了 计算 这一初级含义, 从本质上拓宽了计算机的能力, 可以越来越多地代替或超越 人类某些方面的脑力劳动 智能化的主要研究领域中, 最有代表性和最尖端的两个领域是专家系统和智能机器人 这些 领域已经取得了不同程度的进展 未来计算机 科学出版社职教技术出版中心 随着计算机应用领域的开拓更新, 采用存储程序原理和二进制编码进行工作的冯 诺依曼型 计算机已不能满足需要 因为从本质上讲, 冯 诺依曼型计算机尽管被称为 电脑, 但仅是一种机器, 没有思维, 不具有智能, 它只能在人们事先设计好的程序的控制下工作, 只能部分地 有限地模仿人的智能, 所以科学家们纷纷开展对新型计算机, 即非冯 诺依曼式计算机的研究 现在, 人们已较少使用第五代计算机等称呼, 而把各种新型计算机统称为未来型计算机 (Future Generation Computer System,FGCS)

24 14 第 1 章概 论 1. 神经网络计算机近年来, 日 美 西欧等国家大力投入对人工神经网络 (Artificial Neural Network,ANN) 的研究, 并取得很大进展 人脑是由数千亿个脑细胞 ( 神经元 ) 组成的网络系统, 神经网络计算机, 就是用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元, 从而模拟人脑活动的一种巨型信息处理系统 它应具有智能特性, 能模拟人的逻辑思维 记忆 推理 设计 分析 决策等智能活动, 人机之间有自然通信能力 2. 生物计算机生物计算机 ( 见图 1-6) 于 20 世纪 80 年代初着手研制 其最大的特点是采用了生物芯片, 它比最新一代计算机快 10 万倍, 而能量消耗仅为普通计算机的 1/10, 并拥有巨大的存储能力 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, 如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片故障, 还能模仿人脑的思考机制等 3. 光计算机光计算机是利用光作为信息的传输媒体 与电子相比, 光子具有许多独特的优点 : 首先光的速度是 m/s, 是电子的 300 图 1-6 生物计算机多倍, 所以理论上光计算机运算速度比目前的计算机高出 300 倍 光子还具有电子所不具备的频率及偏振特征, 从而可大大提高传输信息的能力 此外, 光信号传播不需要导线, 抗干扰能力强 一块直径仅 2cm 的光棱镜可以通过的信息比特率可以超过全世界全部电缆总和的 300 倍 1984 年 5 月, 由法国 德国等国 60 多名科学家联合研制出世界上第一台光计算机, 其运算速度比目前世界上最快的超级计算机快 多倍, 并且准确性极高 此外, 光计算机的并行能力强, 具有超高速的运算潜力 在工作环境要求方面, 超高速的计算机只能在低温条件下工作, 而光计算机在室温下就可以正常工作 目前, 光计算机的许多关键技术, 如光存储技术与光存储器 光电子集成电路等都已取得重大突破 4. 量子计算机量子计算机是由美国阿贡国家实验室提出来的 所谓量子计算机是指利用多现实态下的原子进行运算的计算机 这种多现实态是量子力学的标志 在某种条件下, 原子世界里存在着多现实态, 即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处或彼处, 可以同时表现出高速和低速, 可以同时向上或向下运动 如果用这些不同的原子状态分别代表不同的数字和数据, 就可以利用一组具有不同潜在状态组合的原子, 在同一时间对某个问题的所有答案进行探寻, 并最终使代表正确答案的组合脱颖而出 1.3 计算机的特点 应用及分类 计算机的特点 计算机具有的独到特点, 使得它能被广泛应用于人类社会生产和生活的各个领域

25 1.3 计算机的特点 应用及分类 运算速度快 大型 巨型计算机由 20 世纪 50 年代初的每秒几万次的运算速度, 发展到 1976 年每秒 1 亿次 及 1985 年前后的每秒 100 亿次 ;20 世纪 90 年代初达到每秒 1 万亿次 ;1996 年, 美国已推出每秒 2.4 万亿次的巨型计算机 2. 计算精度高 由于计算机采用二进制数进行计算, 其计算精度随着表示数字位数的增加而提高, 再加上先 进的算法, 可以达到人们要求的任何计算精度 例如,π 值的计算, 发明计算机前的 多 年中经过数代科学家的人工计算, 其精度只达到小数点后的几百位, 当计算机诞生后, 利用计算机计算可达到 位, 目前计算精度可达到上亿位 3. 具有记忆和逻辑判断功能 计算机的存储器能记忆大量的计算机程序和数据 目前, 微型计算机的内存储器的容量已达到 1GB 以上, 用若干张光盘甚至可以保存一座图书馆的全部内容 计算机的逻辑判断功能指的是计算机不仅能进行算术运算, 还能进行逻辑运算, 实现推理和证明 计算机的记忆功能与算术运算和逻辑判断功能相结合, 使之可模仿人的某些智能活动, 成为人类脑力活动延伸的重要工具, 故人们又把计算机称做电脑 4. 高度自动化又支持人机交互 人们把需要计算机处理的问题编成程序存储在计算机中, 当向计算机发出运行命令后, 计算机便在该程序的控制下自动执行程序中的指令完成指定的任务, 但当人要干预时, 计算机又可及时响应, 实现人机交互 5. 通用性强 使用计算机时, 不需要了解其内部构造和原理, 从而适合各界人士使用, 并可应用于不同的领域, 只需执行相应的程序即可完成不同的工作 计算机的应用 日常接触的各种数据中, 无论是数值还是非数值数据, 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, 并可用算法和程序描述解决问题的步骤 所以, 计算机能在许多领域和场合广泛使用 可以说在现代社会中, 有信息的地方就需要使用计算机 以下从科学计算 信息处理 电子商务 过程控制 计算机辅助设计 计算机辅助教学等几个方面介绍计算机的应用 1. 科学计算 科学出版社职教技术出版中心 科学计算又称为数值计算, 是计算机的传统应用领域 在科学研究和工程技术中, 有大量 复杂的计算问题, 利用计算机高速运算和大容量存储的能力, 可进行浩繁而复杂 人工难以完成或根本无法完成的各种数值计算 例如, 有数百个变元的高阶线性方程组的求解 ; 气象预报中卫

26 16 第 1 章概 论 星云图资料的分析计算等 用计算机研究素数, 也取得了许多重要成果 有一个著名的例子是圆周率 π 值的计算 19 世纪一位英国数学家把圆周率 π 的值计算到小数点后面 707 位, 共花了 15 年的时间, 可惜后人发现, 他从第 526 位就开始算错了, 而 1984 年, 一位日本人用计算机将 π 值计算到 万位, 只用了 24 个小时 科学计算是计算机成熟的应用领域, 由大量经过 千锤百炼 精益求精的实用计算程序组成的软件包早已商品化, 成为计算机应用软件的一部分 2. 信息处理信息处理又称为数据处理, 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, 信息处理方面的应用约占全部应用的 3/4 以上 信息社会的一个重要特点是信息密集, 有人曾用 知识爆炸 一词来形容知识更新的速度和信息量的庞大 在信息社会中需要对大量的 以各种形式表示的信息资源 ( 如数值 文字 声音和图像等 ) 进行处理, 计算机因其具备的种种特点, 自然成为处理信息的得力工具 所谓信息处理是指用计算机对原始数据进行收集 存储 分类 加工 输出等处理过程 信息处理是现代管理的基础, 广泛地用于情报检索 文字处理 统计 事务管理 生产管理自动化 决策系统 办公自动化等方面 信息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. 电子商务虽然电子商务还没有一个较为全面 具有权威性的 能够为大多数人所接受的定义, 但它确实已进入了我们生活 工作 学习及消费的各个领域, 并由此涉及政府 工商 金融等多方面 联合国经济合作和发展组织 (OECD) 指出, 电子商务是发生在开放网络上的包含企业之间 (Business to Business) 企业和消费者之间(Business to Consumer) 的商业交易 电子商务有广义和狭义之分 广义的电子商务是使用各种电子工具从事商务活动, 这些工具包括从初级的电报 电话 广播 电视 传真到计算机 计算机网络, 进一步到 NII( 国家信息基础结构 信息高速公路 ) GII( 全球信息基础结构 ) 和 Internet 等现代系统 狭义电子商务主要指的是利用 Internet 从事商务活动 电子商务是在技术 经济高度发达的现代社会里, 掌握信息技术和商务规则的人系统化地运用电子工具, 高效率 低成本地从事以商品交换为中心的各种活动的总称 Internet 上的电子商务按交易类型可分为三种 : 企业内部电子商务, 即企业内部各部门之间通过企业内部网 Intranet 处理与交换商务信息 ; 企业间的电子商务, 即企业与企业之间通过 Internet 或专用网进行商务活动 ; 企业与消费者之间的电子商务, 即企业通过 Internet 为消费者提供一个全新的购物环境 网上商店, 消费者通过网络进行选购和支付, 可以足不出户地购物 电子商务是 Internet 爆炸式发展的直接产物, 是网络技术应用的全新发展方向 Internet 本身所具有的开放性 全球性 低成本 高效率的特点, 也成为电子商务的内在特征, 并使得电子商务大大超越了作为一种新的贸易形式所具有的价值, 它不仅会改变企业本身的生产 经营 管理活动, 而且将影响到整个社会的经济运行与结构 4. 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

27 1.3 计算机的特点 应用及分类 17 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的信息去调节控制整个生产过程, 使之以最优化方案进行 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及现代化战争的武器系统中得到了广泛应用 5. 计算机辅助系统计算机辅助系统是指能够部分或全部代替人完成各项工作 ( 如设计 制造及教学等 ) 的计算机应用系统, 其主要包括办公自动化 生产自动化 数据库应用 网络应用 计算机模拟以及计算机辅助教育 1) 办公自动化办公自动化 (Office Automation,OA) 是 20 世纪 70 年代中期从发达国家发展起来的一门综合性技术 它是计算机 通信与自动化技术相结合的产物, 也是当代应用面最广的一类技术 长期以来, 办公离不开笔和纸, 有时还要加上算盘 1930~1960 年间, 办公室开始使用打字机 电话机和电传打字机 随着 PC 和字处理软件的推广, 一个由 PC 复印机 电话机和传真机等构成的现代办公环境逐步形成, 于是 OA 一词开始流行 OA 是一门综合性的技术, 是一个以先进的计算机和通信技术为基础的 高效的人机交互信息处理系统 它使办公人员能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 2) 生产自动化生产自动化 (Production Automation) 包括计算机辅助设计 (Computer Aided Design,CAD) 计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing,CAM) 和计算机集成制造系统 (Computer Integrated Making System,CIMS) 等内容 它们是计算机在现代生产领域, 特别是制造业中的应用, 不仅能提高自动化 水平, 而且使传统的生产技术发生了革命性的变化, 自动化控制流水线如图 1-7 所示 计算机辅助设计和计算机辅助制造是指工程设计人员和工艺设计人员在计算机系统的辅助 下, 根据一定的设计和制造流程进行产品设计和加工的一项 专门技术 工程技术人员利用 CAD 系统, 通过人机交互操 作方式进行产品设计构思 产品总体设计 技术资料编制和 图 1-7 自动化控制流水线 科学出版社职教技术出版中心 零部件结构图绘制等 ; 工艺设计人员利用 CAM 提供的功能, 进行零部件加工路径的控制和加工 状况预显示, 以及生成零部件加工信息或数控程序, 控制数控机床加工零部件 它取代了原来的 手工设计和操作过程, 使设计的效率 加工精度和产品质量都得到了很大的提高 将 CAD/CAM 和数据库技术集成在一起, 形成 CIMS( 计算机集成制造系统 ) 技术, 实现设计 制造和管理的 完全自动化 CAD/CAM 应用最早和最广泛的是飞机和汽车制造业 3) 数据库应用数据库应用 (DataBase Applications) 在计算机的现代应用中占有十分重要的地位, 办公自动化和生产自动化都离不开数据库的支持 事实上, 今天在任何一个发达国家, 大到国民经济信息系统和跨国的科技情报网, 小到个人与亲友的通信和银行储蓄, 无一不与数据库打交道 了解 学习数据库, 已成为计算机应用的一项基本内容 在早期的数据处理中, 人们已注意到要积累有

28 18 第 1 章概 论 用的数据, 并把它们存入文件 随着数据量的快速增长, 同一单位不同部门存储的数据往往大量重复 于是提出了数据库的思想, 借以实现数据的共享, 按照不同的数据模型, 先后出现了层次型数据库 网状型数据库和关系型数据库 进入 20 世纪 80 年代后, 许多公司又开发了能在 PC 上使用的关系型数据库, 一些著名的关系型数据库管理系统应运而生 例如 dbase FoxBASE FoxPro Oracle Access SQL Server 等, 都是计算机用户比较熟悉的关系型数据库管理系统 此外, 还有近几年迅速发展起来并得到广泛应用的面向对象的数据库程序设计语言, 例如 Power Builder Delphi 等 4) 网络应用 (Networking Application) 早在 20 世纪 70 年代, 国外已有一批广域网投入使用 例如, 美国国立医学图书馆的国际情报检索网当时共连接 多个终端, 其中约 4/5 分布在美国, 其余 1/5 分布在日本 德国 法国和加拿大 从 20 世纪 70 年代末到 80 年代, 是局域网 (LAN) 取得巨大进展的时期 由于局域网 (LAN) 具有距离近 ( 一般在 10km 之内, 最多不超过 25km) 传输快 ( 可达 2~1 000 Mb/s) 误码率低等特点, 一个大楼或系统内的计算机用 LAN 连接起来, 可在全系统内实现资源共享, 提高系统工作的可靠性和单台计算机的可用性 从 20 世纪 70 年代早期的以太网 (Ethernet) 开始, LAN 技术日趋成熟, 应用软件不断丰富, 各种标准逐步统一, 尤其是 PC 的普及推动了 LAN 的发展 大量 LAN 的出现, 又为人们熟悉网络工作方式 加速各国和全球的网络建设准备了条件 正是在这种背景下, 美国提出了建设信息高速公路的计划 我国也在政府的统一规划下, 制定并开始实施规模空前的国家经济信息网 教育科研网和公用数据通信网的建设计划 中国教育科研网 (China Education and Research Network,CERNet) 现已与国际互联网 Internet 相连, 并把全国大部分高校的校园网经过地区网络中心与 CERNet 连接起来 5) 计算机模拟在传统工业生产中, 常使用模型对产品或工程进行分析和设计 例如在制造飞机前先做一个飞机模型, 建筑水坝前先做一个水坝模型等 20 世纪 60 年代以后, 人们尝试用计算机程序代替实物模型来做模拟实验, 并为此开发了一批模拟语言, 如 Simulation 67 GPSS Simscript 等, 这就逐渐形成了计算机模拟 (Computer Simulation) 实践表明, 计算机模拟不仅成本低, 而且得出结果快, 所以在工业和科研部门被广泛采用 目前, 这一技术广泛应用于电影 电视的特技和广告的动画设计制作中 6) 计算机辅助教育计算机辅助教育 (Computer Based Education,CBE) 是计算机在教育领域的应用, 也是近 20 年来新兴的一种教育技术 计算机辅助教育包含计算机辅助教学 (CAI) 和计算机管理教学 (CMI) 两个部分 后者包括用计算机实现各种教学管理, 例如教务管理 教学计划制定 课程安排 计算机题库与计算机评分等 通常说的计算机辅助教学主要是指 CAI, 它使用计算机作为教学工具, 把教学内容编制成教学软件 课件, 学生可根据自已的需要和爱好选择不同的内容, 在计算机的帮助下学习, 以实现教学内容的多样化和形象化 随着计算机网络技术的不断发展, 特别是全球计算机网络 Internet 的出现, 计算机远程教育已成为当今计算机应用技术发展的主要方向之一, 它有助于构建个人的终生教育体系, 是现代教育的一种教学模式 6. 人工智能人工智能 (Artificial Intelligence,AI) 是用计算机来模拟人的智能, 代替人的部分脑力劳动

29 1.3 计算机的特点 应用及分类 19 人工智能既是计算机当前的重要应用领域, 也是今后计算机发展的主要方向 人工智能应用中所 要研究和解决的问题难度很大, 均是需要进行判断和推理的智能性问题, 因此, 人工智能是计算 机在更高层次上的应用 尽管在这个领域中技术上的困难很多 ( 如知识的表示 知识的处理等 ), 但目前仍取得了一些重要成果 1) 机器人 机器人可分为两类 : 一类称为 工业机器人, 只能完成 规定的重复动作, 通常用于车间的生产流水线上, 完成装配 焊接 喷漆等工作 ; 另一类称为 智能机器人 ( 见图 1-8), 具有一定的感知和识别能力, 能说一些简单的话语, 这类机器人可以从事更复杂的工作, 如展览会迎宾 月球探测等 目前, 世界上研制及使用机器人最多的国家是日本 2) 定理证明借助计算机来证明数学猜想或定理, 这是一项难度极大的工作, 人工智能应用在这方面已取得一些成果 最著名的图 1-8 现代人工智能机器人例子是四色猜想的证明 四色猜想是图论中的一个世界级难题, 它的内容是 : 任意一张地图只需用四种颜色来着色, 就可以使地图上的相邻区域具有不同的颜色 换言之, 用 4 种颜色就可绘制任何地图,3 种颜色不够, 而 5 种颜色多余 这个猜想的证明不知难倒了多少数学家, 虽然经过无数次的验证, 猜想的结论都是千真万确的, 但却一直无法在理论上给出证明, 所以有人认为, 证明这个猜想的难度丝毫不亚于哥德巴赫猜想 1976 年, 美国数学家哈根和阿贝尔用计算机成功地证明了四色猜想 这个猜想的证明需要进行一百亿次逻辑判断, 这个天文数字的工作量如果用人工来完成, 则需两万年时间, 这就是计算机问世以前, 任何人都无法证明或推翻这个猜想的原因 1976 年以后, 四色猜想 正式更名为 四色定理 此外, 平面几何中此类别的定理也用计算机程序成功地进行了证明 例如, 中国科学院成都计算机应用所的张景中院士在用计算机证明平面几何定理的研究中取得了杰出的成就 3) 模式识别模式识别是通过抽取被识别对象的特征, 与存放在计算机内的已知对象的特征进行比较和判别, 从而得出结论的一种人工智能技术 其主要是图形识别和语言识别 如刑侦学中的指纹辨别 手写汉字的识别 语音识别等都是模式识别的应用实例 4) 专家系统专家系统是一种能够模仿专家的知识 经验和思想, 代替专家进行推理和判断, 并做出决策处理的人工智能软件 现在已有医疗专家系统等多种实用专家系统投入使用 人工智能除了上述的一些应用外, 还包括自然语言处理 机器翻译 智能检索和博奕论等方面的应用 计算机的分类 计算机发展到今天, 已是琳琅满目, 种类繁多 可以从不同的角度对它们进行分类 1. 按处理数据的方式分类 按处理数据的方式分类, 可以分为数字计算机 模拟计算机和混合计算机 科学出版社职教技术出版中心

30 20 第 1 章概 论 1 数字计算机数字计算机所处理的数据都是以 0 和 1 表示的二进制数字, 是不连续的数字量 如职工人数 工资数据等 ; 处理结果以数字形式输出 ; 其基本运算部件是数字逻辑电路 数字计算机的优点是精度高 存储量大 通用性强 目前, 常用的计算机大都是数字计算机 2 模拟计算机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 接收的模拟数据经过处理后, 仍以连续的数据输出, 这种计算机称为模拟计算机 一般说来, 模拟计算机解题速度快, 但不如数字计算机精确, 且通用性较差 模拟计算机常以绘图或量表的形式输出 3 混合计算机混合计算机集数字计算机和模拟计算机的优点于一身 2. 按使用范围分类 按使用范围分类, 可以分为通用计算机和专用计算机 1 通用计算机通用计算机适用于一般科技运算 学术研究 工程设计和数据处理等广泛用途的计算 通常所说的计算机均指通用计算机 2 专用计算机专用计算机是为适应某种特殊应用而设计的计算机, 其运行程序不变, 效率较高, 速度较快, 精度较高, 但不宜作它用 如飞机的自动驾驶仪, 坦克的火控系统中用的计算机, 都属专用计算机 3. 按性能分类 这是最常用的分类方法, 所依据的性能主要包括字长 存储容量 运算速度 外部设备 允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高低等 根据这些性能可将计算机分为 : 微型计算机 小型计算机 大型计算机和巨型计算机 4 类 1) 微型计算机微型计算机 (Microcomputer) 包括个人计算机 (PC) 便携计算机和单片计算机 个人计算机是指台式电脑, 又称微机, 是目前家庭和办公领域中最常见的计算机, 如图 1-9 所示 便携计算机包括笔记本电脑和掌上电脑, 它们广泛用于野外作业和移动作业的地方 单片机是将微处理器 存储器和输入 / 输出接口电路集中在一个很小的硅片上, 构成一个可以独立工作的计算机 它广泛用于仪器仪表 家用电器 工业控制和通信等领域 图 1-9 个人计算机微机自 1977 年推出以来, 以体积小 功耗低 价格便宜等特点深受用户的青睐, 它已应用于各行各业和千家万户 微机的出现使得计算机真正面向全人类, 真正成为大众化的信息处理工具 2) 小型计算机小型计算机 (Minicomputer) 从体积来看比微型机稍大, 在性能上则优于微机, 它可以同时为多个用户执行任务 通常简称小型机, 它通过多个终端来输入处理请求并显示运行结果 终端 由输入键盘和输出显示器组成, 但它本身没有处理能力, 必须通过小型机的主机处理事务 小型机系统一般用于中小型企业的特殊工作, 如记账 付款 销售等 小型机有它的特定应用时代, 当微型机的速度较慢 内外存容量较小时, 使用速度快 内外存容量较大但价格较贵的小型机, 是很多计算中心和大工程项目所采用的方法 但在现今微型机

31 1.4 计算机中的数制与编码 21 性价比极佳的情况下, 小型机的概念逐渐淡化, 被分化 融合为不同规模的工作站或服务器 工作站和服务器是专门用来处理某些特殊事务的计算机 从技术上讲, 工作站和服务器并无 本质区别, 不同的是工作站用来满足工程师 建筑师及其他需要进行图形处理和计算机辅助设计 等专业人员的需要, 具有很强的处理能力和很大的存储器, 并一般配以分辨率较高的大屏幕显示 器 服务器主要用来满足联网的需要 3) 大型计算机 大型计算机 (Mainframe Computer) 的体积大, 速度快, 价格昂贵, 通常简称大型机 大型 机中的处理器运算速度可达百万次浮点运算 ( 每秒几百万次浮点运算 ) 与小型机相比, 大型机也可以通过终端同时为多个用户执行处理任务, 并且可以存储更多的数据, 速度也更快, 它通常都像一个家族一样形成系列, 如 IBM 4300 系列 IBM 9000 系列等 同一系列的不同型号的计算机可以运行同一个软件, 称为软件兼容 大型机的特点往往表现在通用性强 具有很强的综合处理能力 性能覆盖面广等, 主要应用在需要对大量数据进行存储 处理和管理工作的大型公司企业 商业管理或大型数据库管理系统等机构, 也可用做大型计算机网络中的主机 在信息化社会里, 随着信息资源的剧增, 带来了信息通信 控制和管理等一系列问题, 而这正是大型机的特长, 未来将赋予大型机更多的使命 4) 巨型计算机巨型计算机 (Super Computer) 又称超级计算机, 简称巨型机, 是运算速度最快 功能最强 存储容量和体积最大 价格最贵的一类计算机 巨型机可以被几百个用户同时访问 它主要用于国家级高科技领域和国防尖端技术中的科学计算和科学研究中, 如空间技术 地震分析 石油勘探 中长期大范围天气预报和战略武器 ( 如核武器和反导弹武器 ) 的设计等 另外, 巨型机还为包含大量数学运算的科学应用服务 航空 汽车 化工 生物 电子和石油等行业也使用巨型机 巨型机的研制水平 生产能力及应用程度已成为一个国家经济实力与科技水平的重要标志 1.4 计算机中的数制与编码 信息在现实世界中无处不在, 它们的表现形式也是多种多样, 如数字 字母 符号 图表 图像 声音等 而任何形式的信息都可以通过一定的转换方式变成计算机能直接处理的数据 这种计算机能直接处理的数据是用二进制来表示的 也就是说, 在计算机内部无论是存储数据还是进行数据运算, 一律采用二进制 虽然为了书写 阅读方便, 用户可以使用十进制或其他进制形式表示一个数, 但不管采用哪种形式, 计算机都要把它们变成二进制数存入计算机并以二进制方式进行运算, 当要输出运算结果时, 也必须把运算结果转换成人们所习惯的十进制等形式通过输出设备进行输出 那么, 为什么计算机要采用二进制数形式呢? 第一是由于二进制数在电器元件中最容易实现, 而且稳定 可靠, 二进制数只要求识别 0 和 1 两个符号, 计算机就是利用电路输出电压的高或低分别表示数字 1 或 0 的 ; 第二是二进制数运算法则简单, 可以简化硬件结构 ; 第三是便于逻辑运算, 逻辑运算的结果称为逻辑值, 逻辑值只有两个 0 和 1 这里的 0 和 1 并不是表示数值, 而是代表问题的结果有两种可能 : 真或假 正确或错误等 科学出版社职教技术出版中心

32 22 第 1 章概 论 计算机的数制 人们在生产实践和日常生活中, 创造了各种表示数的方法, 这种数的表示系统称为数制 按照进位方式计数的数制叫进位计数制 在日常生活中, 会遇到不同进制的数 例如, 十进制, 逢十进一 ; 十二进制 ( 一年等于十二个月 ), 逢十二进一 ; 七进制 ( 一周等于七天 ), 逢七进一 ; 六十进制 ( 一小时等于六十分 ), 逢六十进一 平常用的最多的是十进制数, 而计算机内部使用的是二进制数据, 有时编写程序还要用到八进制和十六进制数据, 因此, 需要了解不同进制是如何转换的 首先, 来理解基数与位权的概念 1. 基数与位权 进位计数制涉及两个基本问题 : 基数与各数位的位权 所谓某进位数制的基数是指该进制中允许选用的基本数字符号的个数 1 十进制 (Decimal) 其每位数位上允许使用的是 这 10 个数字符号中的一个, 故基数为 10 2 二进制 (Binary) 其每位数位上允许使用的是 0 和 1 两个数字, 故基数为 2 这就是说, 如果给定的数中, 除 0 和 1 外还有其他数, 例如 1012, 它就决不会是一个二进制数 3 八进制 (Octal) 其每位数位上允许使用 这 8 个数字符号中的一个, 故基数为 8 4 十六进制 (Hexadecimal) 其每位数位上允许使用 A B C D E F 这 16 个数字符号中的一个, 故基数为 16 其中 A~F 分别代表十进制数的 10~15 每个数位上的数字所表示的数值等于该数字乘以一个与数字所在位置有关的常数, 这个常数就是位权 位权的大小是以基数为底, 以数字所在位置的序号为指数的整数幂 1) 十进制十进制数 可以表示成 :886.78= 而对于一个有 n 位整数 m 位小数的十进制数 a n 1 a 0.a 1 a m, 则它的值可以这样展开为 a n 1 10 n 1 +a n 2 10 n 2 + +a a a a m 10 m 这里,10 是十进制数的基数,10 i (i= m~n 1,m n 为自然数 ) 就是每位数位上的位权 十进制计数时按 逢十进一 的原则进行计算 2) 二进制由于二进制数只有两个数字符号 1 和 0, 计数时按 逢二进一 的原则进行计算 对于二进制数 则可以表示成 ( ) 2= 同样, 对于一个有 n 位整数 m 位小数的二进制数 a n 1 a 0.a 1 a m, 则它的值可以这样展开为 a n 1 2 n 1 +a n 2 2 n 2 + +a a a a m 2 m 这里,2 是二进制数的基数,2 i (i= m~n,m n 为自然数 ) 就是每位数位上的位权 同理类推可得, 八进制数的基数为 8, 位权为 8 i (i= m~n 1,m n 为自然数 ), 其进位方式按 逢八进一 的原则进行计算 ; 十六进制数的基数为 16, 位权为 16 i (i= m~n 1,m n 为自然数 ), 其进位方式按 逢十六进一 的原则进行计算 为了区分各种数制, 在数后加 D B O H 分别表示十进制 二进制 八进制 十六进制数,

33 1.4 计算机中的数制与编码 23 也可用下标来表示各种数制的数 如 (1010) 2 (1010) 8 (1010) 10 (1010) 16 所代表的数值就不同 2. 不同数制间的转换 1) 其他数制转换成十进制数 只要将某种数制的数按位权展开然后求和, 就可以把这个数转换成十进制数 二进制数转换成十进制数 : (1001) 2 = = (9) 10 (11.101) 2 = = (3.625) 10 八进制数转换成十进制数 : (35) 8 = =24+5= (29) 10 (1276) 8 = = = (702) 10 十六进制数转换成十进制数 : (32CF) 16 = = = (13007) 10 (2B4E) 16 = = = (11086) 10 2) 十进制数转换成其他进制数 如果将十进制数转换为 R 进制的数, 可将十进制的整数部分和小数部分分离开来, 然后按下 列规则转换 : 十进制整数化为 R 进制数 : 除 R 取余法, 得 R 进制整数 十进制纯小数化为 R 进制数 : 乘 R 取整法, 得 R 进制纯小数 例如, 将 (237.25) 10 转换成二进制数, 则 整数部分转换如下 : 余数为 1, 即 b 0 =1, 注意 : 此位为最低位 余数为 0, 即 b 1 = 余数为 1, 即 b 2 = 余数为 1, 即 b 3 = 余数为 0, 即 b 4 =0 小数部分转换如下 : 2 7 余数为 1, 即 b 5 =1 2 3 余数为 1, 即 b 6 =1 1 余数为 1, 即 b 7 =1, 注意 : 此位为最高位 科学出版社职教技术出版中心 整数部分为 0, 即 b 1 =0, 注意 : 此位为最高位 整数部分为 1, 即 b 2 =1, 注意 : 此位为最低位 0.00 余下的纯小数为零, 结束最后结果为 :(237.25) 10 = ( ) 2

34 24 第 1 章概 论 再如, 将 转换成八进制数, 则 整数部分转换如下 : 余数为 2, 即 b 0 =2, 注意 : 此位为最低位 余数为 1, 即 b 1 = 余数为 2, 即 b 2 = 余数为 2, 即 b 3 = 余数为 6, 即 b 4 =6 1 余数为 1, 即 b 5 =1, 注意 : 此位为最高位 小数部分转换如下 : 整数部分为 6, 则 b 1 =6, 注意 : 此为最高位 整数部分为 4, 则 b 2 =4, 注意 : 此为最低位 余下的纯小数为零, 结束 最后结果为 :( ) 10 = ( ) 8 3) 二进制数与八进制数的相互转换 二进制的基数为 2, 八进制的基数为 8, 由于 8 是 2 的整数次幂, 即 8=2 3, 故一位八进制数 正好相当于 3 位二进制数 因此, 将二进制数转换成八进制数, 只需以小数点为界, 分别向左 向右每 3 位一组划分, 最后剩下的位数不够 3 位时补 0, 再将每 3 位代以八进制数字即可 例如, 将 ( ) 2 转换成八进制数 : 所以 ( ) 2 = ( ) 8 若将八进制转换成二进制, 则分别将每位八进制数字代之以 3 位二进制数字即可 例如, 将 (72.531) 8 转换成二进制数 所以 (72.531) 8 = ( ) 2 4) 二进制数与十六进制数的相互转换 二进制的基数为 2, 十六进制的基数为 16, 由于 16 是 2 的整数次幂, 即 16=2 4, 一位十六进 制数正好相当于 4 位二进制数 因此, 将二进制数转换成十六进制数, 只需以小数点为界, 分 别向左 向右每 4 位一组划分, 最后剩下的位数不够 4 位时补 0, 再将每 4 位代以十六进制数 字即可

35 1.4 计算机中的数制与编码 25 例如, 将 ( ) 2 转换成十六进制数 所以 ( ) 2 = (F53.B8) F 5 3. B 8 若将一个十六进制数转换成二进制数, 则每一个十六进制数字用 4 位二进制数字代替即可 例如, 将 (2AF.C5) 16 转换成二进制数 : 2 A F. C 所以 (2AF.C5) 16 = ( ) 2 十六进制与二进制之间的转换极为方便, 用十六进制书写比用二进制书写简短, 口读也方便 ; 特别是, 计算机存储器以字节为单位, 一个字节包含 8 个二进制位, 用两个十六进制位即可表示 因此, 十六进制常用于指令的书写 手编程序或目标程序的输入与输出等 5) 八进制数和十六进制数的相互转换 要实现八进制数与十六进制数之间的转换, 最简单的方法是借助于二进制数来实现, 即将八 进制数转换为二进制数, 再将二进制数转换为十六进制数 ; 同理, 十六进制数转换为八进制数时, 也可采用相同的方法, 即将十六进制数转换为二进制数, 再将二进制数转换为八进制数即可 十进制数与二进制数 八进制数和十六进制数的对照表如表 1-1 所示 表 1-1 十进制数与二 八 十六进制数的对照表 十进制 二进制 八进制 十六进制 十进制 二进制 八进制 十六进制 A B C D E F 计算机数据的存储方式 科学出版社职教技术出版中心 计算机只识别二进制数, 即在计算机内部, 运算器运算的是二进制数 因此, 计算机中数据的最小单位就是二进制的一位数, 简称为位, 英文名称是 bit, 音译为 比特 一个比特只能表示两种状态(0 或 1), 两个比特就能表示 4 种状态 ( ) 而对于人们平时常用的字母 数字和符号, 只需要用 8 位二进制进行编码就能将它们区分开来 因此, 将 8 个二进制位的集合称做 字节, 英文名称是 Byte, 它是计算机存储和运算的基本单位 这样, 一个数字 字母或字符就可以用 1 个字节来表示 如字符 A 就表示成 由于汉字不像英文那样可以由 26 个字母组合而成, 为了区分不同的汉字, 每个汉字必须用两个字节来表示

36 26 第 1 章概 论 在计算机内部的数据传送过程中, 数据通常是按字节的整数的倍数传送的, 将计算机一次能同时传送数据的位数称为字长 (Word Size) 字长是由 CPU 本身的硬件结构所决定的, 它与数据总线的数目是对应的 不同的计算机系统内的字长是不同的 计算机中常用的字长有 8 位 16 位 32 位 64 位等 图 1-10 表示组成计算机字长的位数, 其中 MSB 为最高有效位,LSB 为最低有效位 图 1-10 组成计算机字长的位数 一个字长最右边的一位称为最低有效位, 最左边的一位称最高有效位 在 8 位字长中, 自右而左, 依次为 b 0 ~b 7, 为一个字节 在 16 位字长中, 自右而左, 依次为 b 0 ~b 15, 为两个字节, 左边 8 位为高位字节, 右边 8 位为低位字节 数值数据的编码 1. 机器数 在计算机中, 因为只有 0 和 1 两种形式, 所以数的正 负号, 也必须以 0 和 1 表示 通常把一个数的最高位定义为符号位, 用 0 表示正, 1 表示负, 称为数符, 其余位表示数值 把在机器内存放的正 负号数码化的数称为机器数 ; 把机器外部由正 负号表示的数称为真值数 例如, 真值为 B 的机器数为 B, 存放在机器中 要注意的是, 机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制, 字长和数据类型定了, 机器数能表示的数值范围也就定了 例如, 若表示一个整数, 字长为 8 位, 则最大的正数为 , 最高位为符号位, 即最大值为 127, 若数值超出 127, 就要 溢出 2. 数的定点和浮点表示 计算机内表示的数, 主要有定点小数 定点整数与浮点数三种类型 1) 定点小数的表示法定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数 一般把小数点固定在最高位的左边, 小数点前边再设一位符号位 按此规则, 任何一个小数都可以写成 N=N SN-1N-2 N-M 其中,N S 为符号位 如图 1-11 所示, 即在计算机中用 M+1 个二进制位表示一个小数, 最高 ( 最左 ) 一个二进制位表示符号 ( 通常用 0 表示正号, 1 表示负号 ), 后面的 M 个二进制位表示该小数的数值 小数点不用明确表示出来, 因为它总是定在符号位与最高数值位之间 对用 M+1 个二进制位表示的小数来说, 其值的范围为 N 1-2 -M

37 1.4 计算机中的数制与编码 27 图 1-11 定点小数 2) 整数的表示法整数所表示的数据的最小单位为 1, 可以认为它是小数点定在数值最低位 ( 最右 ) 右边的一种表示法 整数分为带符号整数和无符号整数两类 对于带符号整数, 符号位放在最高位 可以表示为 N=N S N M -1N M -2 N 2 N 1 N 0 其中,N S 为符号位, 如图 1-12 所示 图 1-12 整数 对于用 M+1 位二进制位表示的带符号整数, 其值的范围为 N 2 M 对于无符号整数, 所有的 M+1 个二进制位均看成数值, 此时数值表示范围为 0 N 2 M+1-1 在计算机中, 一般用 8 位 16 位和 32 位等表示数据 一般定点数表示的范围都较小, 在数值计 算时, 大多采用浮点数 3) 浮点数的表示法 浮点表示法对应于科学 ( 指数 ) 计数法, 如 可表示为 N= = = = 在计算机中一个浮点数由两部分构成 : 阶码和尾数 阶码是指数, 尾数是纯小数 其存储格 式如图 1-13 所示 图 1-13 浮点数存储格式 阶码只能是一个带符号的整数, 它用来指示尾数中的小数点应当向左或向右移动的位数, 阶 码本身的小数点约定在阶码最右面 尾数表示数值的有效数字, 其本身的小数点约定在数符和尾 数之间 在浮点数表示中, 数符和阶符都各占一位, 阶码的位数随数值表示的范围而定, 尾数的 位数则依数的精度要求而定 科学出版社职教技术出版中心 注意浮点数的正 负是由尾数的数符确定, 而阶码的正 负只决定小数点的位置, 即决定浮点数的绝对值大小 另外, 在计算机中, 带符号数还有其他的表示方法, 常用的有原码 反码和补码等

38 28 第 1 章概 论 字符的编码 字符编码 (Character Code) 就是规定用怎样的二进制码来表示字母 数字以及一些专用符号 1.ASCII 码 在计算机系统中, 有两种重要的字符编码方式, 一种是美国国际商业机器公司 (IBM) 的扩充二进制码 EBCDIC, 主要用于 IBM 的大型主机, 还有一种就是微型计算机系统中用得最多最普遍的美国标准信息交换码 (American Standard Code for Information Interchange,ASCII) 该编码已被国际标准化组织 (ISO) 接收为国际标准, 所以又称为国际 5 号码 因此,ASCII 码是目前国际上比较通用的信息交换码 ASCII 码有 7 位 ASCII 码和 8 位 ASCII 码两种 7 位 ASCII 码称为基本 ASCII 码, 是国际通用的 它包含 10 个阿拉伯数字 52 个英文大小写字母 32 个字符和运算符以及 34 个控制码, 一共 128 个字符, 具体编码如表 1-2 所示 当微型机采用 7 位 ASCII 码作机内码时, 每个字节的 8 位只占用了 7 位, 而把最左边的那 1 位 ( 最高位 ) 置 0 要注意的是, 十进制数字字符的 ASCII 码与二进制值是有区别的 如十进制数值 3 的 7 位二进制数为 ( ) 2, 而十进制数字字符 3 的 ASCII 码为 ( ) 2 很明显, 它们在计算机中的表示是不一样的 数值 3 能表示数的大小, 并且可以参与数值运算 ; 而数字字符 3 只是一个符号, 它不能参与数值运算 8 位 ASCII 码称为扩充 ASCII 码 由于 128 个字符不够, 就把原来的 7 位码扩展成 8 位码, 因此它可以表示 256 个字符, 前面的 ASCII 部分不变, 在编码的 128~255 范围内, 增加了一些字符, 比如一些法语字母 2.BCD 码 BCD(Binary Coded Decimal) 码是二进制编码的十进制数, 有 4 位 BCD 码 6 位 BCD 码和扩展的 BCD 码三种 BCD 码 8421 BCD 码是用 4 位二进制数表示一个十进制数字,4 位二进制数从左到右其位权依次为 , 它只能表示十进制数的 0~9 十个字符 为了能对一个多位十进制数进行编码, 需要有与十进制数的位数一样多的 4 位组 2 扩展 BCD 码由于 8421 BCD 码只能表示 10 个十进制数, 所以在原来 4 位 BCD 码的基础上又产生了 6 位 BCD 码 它能表示 64 个字符, 其中包括 10 个十进制数,26 个英文字母和 28 个特殊字符 但在某些场合, 还需要区分英文字母的大小写, 这就提出了扩展 BCD 码, 它是由 8 位组成的, 可表示 256 个符号, 其名称为 Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, 缩写为 EBCDIC EBCDIC 码是常用的编码之一,IBM 及 UNIVAC 计算机均采用这种编码 3.Unicode 编码 扩展的 ASCII 码所提供的 256 个字符, 用来表示世界各地的文字编码还显得不够, 还需要表示更多的字符和意义, 因此又出现了 Unicode 编码

39 1.4 计算机中的数制与编码 29 十进制 十六进制 字符 十进制 表 1-2 标准 ASCII 码字符集 十六进制 字符 十进制 十六进制 字符 十进制 0 00 NUL SP SOH 33 21! A a 2 02 STX " B b 3 03 ETX # C c 4 04 EOT $ D d 5 05 ENQ % E e 6 06 ACK & F f 7 07 BEL ` G g 8 08 BS ( H h 9 09 HT ) I i 10 0A LF 42 2A * 74 4A J 106 6A j 11 0B VT 43 2B B K 107 6B k 12 0C FF 44 2C, 76 4C L 108 6C l 13 0D CR 45 2D D M 109 6D m 14 0E SO 46 2E. 78 4E N 110 6E n 15 0F SI 47 2F / 79 4F O 111 6F o DLE P p DC Q q DC R r DC S s DC T t NAK U u SYN V v ETB W w CAN X x EM Y y 26 1A SUB 58 3A : 90 5A Z 122 7A z 27 1B ESC 59 3B ; 91 5B [ 123 7B { 28 1C FS 60 3C < 92 5C \ 124 7C 29 1D GS 61 3D = 93 5D ] 125 7D } 30 1E RS 62 3E > 94 5E ^ 126 7E ~ 31 1F VS 63 3F? 95 5F _ 127 7F DEL Unicode 是一种 16 位的编码, 能够表示 多个字符或符号 目前, 世界上的各种语言一般所使用的字母或符号都在 个左右, 所以 Unicode 编码可以用于任何一种语言 Unicode 编码与现在流行的 ASCII 码完全兼容, 二者的前 256 个符号是一样的 目前,Unicode 编码已经在 Windows NT OS/2 Office 2000 等软件中使用 汉字的编码 十六进制 字符 科学出版社职教技术出版中心 ACSII 码只对英文字母 数字和标点符号进行编码 为了在计算机内表示汉字, 用计算机处

40 30 第 1 章概 论 理汉字, 同样也需要对汉字进行编码 计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程 这些编码主要包括汉字输入码 汉字内码 汉字字形码 汉字地址码及汉字信息交换码等 下面分别对各种汉字编码进行介绍 1. 汉字信息交换码汉字信息交换码是用于汉字信息处理系统之间或汉字信息处理系统与通信系统之间进行信息交换的汉字代码, 简称交换码, 也叫国标码 它是为了使系统 设备之间信息交换时能够采用统一的形式而制定的 我国 1981 年颁布了国家标准 信息交换用汉字编码字符集 ( 基本集 ), 代号为 GB , 即国标码 了解国标码的下列概念, 对使用和研究汉字信息处理系统十分有益 1) 常用汉字及其分级国标码规定了进行一般汉字信息处理时所用的 个字符编码, 其中 682 个非汉字图形符号 ( 如序号 数字 罗马数字 英文字母 日文假名 俄文字母 汉语注音等 ) 和 个汉字的代码 汉字代码中又有一级常用字 个, 二级次常用字 个 一级常用汉字按汉语拼音字母顺序排列, 二级次常用字按偏旁部首排列, 部首依笔画多少排序 2) 两个字节存储一个国标码由于一个字节只能表示 2 8 (256) 种编码, 显然用一个字节不可能表示汉字的国标码, 所以一个国标码必须用两个字节来表示 3) 国标码的编码范围为了中英文兼容,GB 规定, 国标码中所有字符 ( 包括符号和汉字 ) 的每个字节的编码范围与 ASCII 码表中的 94 个字符编码相一致, 所以其编码范围是 2121H~7E7EH( 共可表示 个字符 ) 4) 国标码是区位码类似于 ASCII 码表, 国标码也有一张国标码表 简单地说, 把 个国标码放置在一个 94 行 94 列的阵列中 阵列的每一行称为一个汉字的 区, 用区号表示 ; 每一列称为一个汉字的 位, 用位号表示 显然, 区号范围是 1~94, 位号范围也是 1~94 这样, 一个汉字在表中的位置可用它所在的区号与位号来确定 一个汉字的区号与位号的组合就是该汉字的 区位码 区位码的形式是高两位为区号, 低两位为位号 如 中 字的区位码是 5448, 即 54 区 48 位 区位码与每个汉字之间具有一一对应的关系 国标码在区位码表中的安排是 :1~15 区是非汉字图形符区 ;16~55 区是一级常用汉字区 ;56~87 区是二级次常用汉字区 ;88~94 区是保留区, 可用来存储自造字代码 实际上, 区位码也是一种输入法, 其最大优点是一字一码的无重码输入法, 最大的缺点是难以记忆 2. 汉字输入码为将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码, 也叫外码 目前, 汉字主要是经标准键盘输入计算机的, 所以汉字输入码都是由键盘上的字符或数字组合而成 例如, 用全拼输入法输入 中 字, 就要输入字符串 zhong( 然后选字 ) 汉字输入码是

41 1.4 计算机中的数制与编码 31 根据汉字的发音或字形结构等多种属性及有关规则编制的, 目前流行的汉字输入码的编码方案已 有许多, 如全拼输入法 双拼输入法 自然码输入法 五笔输入法等 可分为音码 形码 音形 结合码三大类 全拼输入法和双拼输入法是根据汉字的发音进行编码的, 称为音码 ; 五笔输入法 是根据汉字的字形结构进行编码的, 称为形码 ; 自然码输入法是以拼音为主, 辅以字形字义进行 编码的, 称为音形结合码 可以想象, 对于同一个汉字, 不同的输入法有不同的输入码 例如, 中 字的全拼输入码 是 zhong, 其双拼输入码是 vs, 而五笔输入码是 kh 不管采用何种输入方法, 输入的汉字都会转 换成对应的机内码并存储在介质中 3. 汉字内码 汉字内码是为在计算机内部对汉字进行存储 处理而设置的汉字编码, 它应能满足在计算机 内部存储 处理和传输的要求 当一个汉字输入计算机后就转换为内码, 然后才能在机器内传输 和处理 汉字内码的形式也是多种多样的, 目前对应于国标码, 一个汉字的内码也用两个字节存 储, 并把每个字节的最高二进制位置 1 作为汉字内码的标识, 以免与单字节的 ASCII 码混淆 产生歧义 也就是说, 国标码的两个字节每个字节最高位置 1, 即转换为内码 4. 汉字字形码 目前, 汉字信息处理系统中产生汉字字形的方式, 大多以点阵的方式形成汉字, 汉字字形码 也就是指确定一个汉字字形点阵的编码, 也叫字模或汉字输出码 汉字是方块字, 将方块等分成有 n 行 n 列的格子, 简称为点阵 凡笔画所到的格子点为黑点, 用二进制数 1 表示, 否则为白点, 用二进制数 0 表示 这样, 一个汉字的字形就可用一串 二进制数表示了 例如,16 16 汉字点阵有 256 个点, 需要 256 位二进制位来表示一个汉字的字 形码 这样就形成了汉字字形码, 亦即汉字点阵的二进制数字化 图 1-14 所示为 中 字的 点阵字形示意图 在计算机中,8 个二进制位组成一个字节, 它是对存储空间编 地址的基本单位 可见一个 点阵的字形码需要 16 16/8=32B 存储空间 ; 同理,24 24 点阵的字形码需要 24 24/8=72B 存储空 间 ;32 32 点阵的字形码需要 32 32/8=128B 存储空间 例如, 用 点阵的字形码存储 中国 两个汉字, 需占用 /8=64B 的存储空间 显然, 点阵中行 列数划分越多, 字形的质量越好, 锯齿现 科学出版社职教技术出版中心 象也就越小, 但存储汉字字形码所占用的存储空间也就越大 汉图 1-14 中 字的 字字形通常分为通用型和精密型两类 通用型汉字字形点阵分成点阵字形示意图三种 简易型 :16 16 点阵 普通型 :24 24 点阵 提高型 :32 32 点阵 精密型汉字字形用于常规的印刷排版, 由于信息量较大 ( 字形点阵一般在 点阵以上 ),

42 32 第 1 章概 论 通常都采用信息压缩存储技术 汉字的点阵字形在汉字输出时要经常使用, 所以要把各个汉字的字形码固定地存储起来 存放各个汉字字形码的实体称为汉字库 为满足不同需要, 还出现了各种各样的字库, 如宋体字库 仿宋体字库 楷体字库 黑体字库和繁体字库等 汉字的点阵字形的缺点是放大后会出现锯齿现象, 很不美观 中文 Windows 中广泛采用了 TrueType 类型的字形码, 它采用了数学方法来描述一个汉字的字形码, 可以实现无限放大而不产生锯齿现象 5. 汉字地址码汉字地址码是指汉字库 ( 这里主要指字形的点阵式字模库 ) 中存储汉字字形信息的逻辑地址码 汉字库中, 字形信息都是按一定顺序 ( 大多数按国标码中汉字的排列顺序 ) 连续存放在存储介质中, 所以汉字地址码也大多是连续有序的, 而且与汉字内码间有着简单的对应关系, 以简化汉字内码到汉字地址码的转换 6. 各种汉字代码之间的关系汉字的输入 处理和输出的过程, 实际上是汉字的各种编码之间的转换过程, 或者说汉字编码在系统有关部件之间传输的过程 图 1-15 所示为这些代码在汉字信息处理系统中的位置及它们之间的关系 图 1-15 汉字编码在系统有关部件之间传输的过程图汉字输入码向内码的转换是通过使用输入字典 ( 或称索引表, 即外码与内码的对照表 ) 实现的 一般的系统具有多种输入方法, 每种输入方法都有各自的索引表 在计算机的内部处理过程中, 汉字信息的存储和各种必要的加工以及向软盘 硬盘或磁带存储汉字信息, 都是以汉字内码形式进行的 汉字通信过程中, 处理器将汉字内码转换为适合于通信用的交换码 ( 国标码 ) 以实现通信处理 在汉字的显示和打印输出过程中, 处理器根据汉字内码计算出汉字地址码, 按地址码从字库中取出汉字字形码, 实现汉字的显示或打印输出

43 第 2 章 计算机系统 学习目标 了解计算机的基本结构及硬件组成, 理解计算机的工作原理 掌握计算机软件系统的分类, 了解常用的系统软件与应用软件 了解办公软件的知识及办公文档的标准 了解微型计算机硬件系统的各组成部分, 包括 CPU 的发展及常用的微型计算机外部设备 计 算机系统由硬件 (Hardware) 系统和软件 (Software) 系统两大部分组成 本章分别介绍组成计算机系统的硬件系统和软件系统, 以及微型计算机硬件系统, 使读者从整体上了解计算机系统的组成和一般工作原理, 以及微型计算机硬件系统的各组成部件的有关知识 2.1 计算机系统构成 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成, 它们是计算机系统中相互依存 相互联系的组成部分 硬件系统是指组成计算机的物理装置, 由各种有形的物理器件组成, 是计算机进行工作的物质基础 软件系统指运行在硬件系统之上的并且是管理 控制和维护计算机及外部设备的各种程序 数据以及相关资料的总称 通常, 把不装备任何软件的计算机称为裸机, 它是什么任务也执行不了的 普通用户所面对的一般都不是裸机, 而是在裸机之上配置若干软件之后所构成的计算机系统 计算机硬件是支撑软件工作的基础, 没有足够的硬件支持, 软件也就无法正常地工作 硬件是计算机系统的躯体, 软件是计算机的头脑和灵魂 硬件的性能决定了软件的运行速度 显示效果等, 而软件则决定了计算机可进行的工作种类 只有将这两者有效地结合起来, 才能成为计算机系统 计算机系统的组成如图 2-1 所示 图 2-1 计算机系统的组成示意图 科学出版社职教技术出版中心

44 34 第 2 章计算机系统 2.2 计算机硬件系统 硬件是指肉眼看得见的机器部件, 它就像是计算机的 躯体 通常所看到的计算机会有一个机箱, 里边是各式各样的电子元件, 机箱外部还有键盘 鼠标 显示器和打印机等, 它们是计算机工作的物质基础 不同种类计算机的硬件组成各不相同, 但无论什么类型的计算机, 都可以将其硬件划分为功能相近的几大部分 计算机硬件的组成根据冯 诺依曼设计思想, 计算机的硬件组成由运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备 5 个基本部件组成, 如图 2-2 所示 图中空心的双箭头代表数据信号流向, 实心的单线箭头代表控制信号流向 从图中可以看出, 由输入装置输入数据, 运算器处理数据, 在存储器中存取有用的数据, 在输出设备中输出运算结果, 整个运算过程由控制器进行控制协调 这种结构的计算机称为冯 诺依曼结构计算机 60 多年来, 虽然计算机系统从性能指标 运算速度 工作方式和应用领域等方面都发生了巨大的变化, 但基本结构没有变, 都属于冯 诺依曼计算机 图 个基本功能部件的相互关系 1. 输入设备输入设备 (Input Unit) 的主要作用是把准备好的数据 程序等信息转变为计算机能接收的电信号送入到计算机中 例如, 用键盘输入信息时, 敲击它的每个键位都能产生相应的电信号送入计算机 ; 又如模 / 数转换装置, 把控制现场采集到的温度 压力 流量 电压 电流等模拟量转换成计算机能接收的数字信号, 然后再传入计算机 目前常用的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪等 2. 输出设备输出设备 (Output Unit) 的主要功能是把计算机处理后的数据 计算结果或工作过程等内部信息转换成人们习惯接受的信息形式 ( 如字符 曲线 图像 表格 声音等 ) 或能为其他机器所接受的形式输出 例如, 在纸上打印出印刷符号或在屏幕上显示字符 图形等 常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等, 它们分别能把信息直观地显示在屏幕上或打印出来

45 2.2 计算机硬件系统 存储器存储器 (Memory Unit) 是计算机的记忆装置, 其基本功能是存储二进制形式的数据和程序, 所以存储器应该具备存数和取数的功能 存数是指往存储器里 写入 数据 ; 取数是指从存储器里 读出 数据 读 / 写操作统称为对存储器的访问 计算机系统中的存储器可分为两大类 : 一类是设在主机中的内存储器, 也叫主存储器, 简称内存或主存 ; 另一类是属于计算机外部设备的存储器, 叫外存储器, 也叫辅助存储器, 简称外存或辅存 中央处理器 (CPU) 只能直接访问存储在内存中的数据, 而外存中的数据只有先调入内存后才能被中央处理器访问和处理 有关存储器的术语 位 (bit): 用来存放 0 或 1 的一位二进制数位称为位, 它是构成存储器的最小单位 字节 (byte): 每相邻 8 个二进制位为一个字节, 是存储器最基本的单位 地址 (address): 实际上, 存储器是由许许多多个二进制位的线性排列构成的, 为了存取到指定位置的数据, 通常将每 8 位二进制位组成一个存储单元称为字节, 并给每个字节编上一个号码, 称为地址 根据指定地址存取数据, 就像人们在旅馆中根据门牌号码找房间一样 因此, 可将内存描述为由若干行组成的一个矩阵, 每一行就是一个存储单元 ( 字节 ) 且有一个编号, 称为存储单元地址 每行中有 8 列, 每列代表一个存储元件, 它可存储一位二进制数 ( 0 或 1 ) 图 2-3 所示为这种内存概念模型 图 2-3 内存概念模型图 科学出版社职教技术出版中心 字长 : 在计算机中作为一个整体被存取或运算的最小信息单位称为字或单元, 每个字中所包含的二进制位数称为字长 计算机的字长都是字节的整数倍 存储容量 : 存储器能够存储信息的总字节数, 其基本单位是字节 (byte) 简写为 B 此外, 常用的存储容量单位还有 KB( 千字节 ) MB( 兆字节 ) 和 GB( 吉字节 ) 它们之间的关系如下 : 1B=8bit 1KB=2 10 B=1 024B 1MB=2 10 KB=1 024KB 1GB=2 10 MB=1 024MB 存取周期 : 存储器的存取时间, 即从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间