第 1 章 计算机根底学问计算机是人类历史上宏大的制造之一，虽说迄今为止只有近 70 年的历程，但在人类科学 进展的历史上，还没有哪门学科像计算机科学这样进展得如此快速，并对人类的生活、生产、学习和工作产生如此巨大的影响计算机是一一门科学，也是一种自动、高速、准确地对信息进展存储、传送与加工处理的电子工具把握以计算机为核心的信息技术的根底学问和应用力量，是信息社会中必备的根本素养本章从计算机的根底学问讲起，为进一步学习与使用计算机打下必要的根底通过本章的学习，应把握以下内容1. 计算机的进展简史、特点、分类及其应用领域2. 计算机中数据、字符和汉字的编码3. 多媒体技术的根本学问4. 计算机病毒的概念和防治1.1 计算机的进展在人类文明进展的历史长河中，计算工具经受了从简洁到简单、从低级到高级的进展过程如绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机、电子计算机等，它们在不同的历 史时期发挥了各自的作用，而且也孕育了电子计算机的设计思想和雏形本节介绍计算机的发 展历程、特点、应用、分类和进展趋势1.1.1 电子计算机简介其次次世界大战爆发带来了强大的计算需求宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫克利 (John Mauchley)和他的争论生埃克特(John Presper Eckert)打算承受真空管建筑一台通用电子 计算机，帮助军方计算弹道轨迹。
1943 年，这个打算被军方承受，莫克利和埃克特开头研制电子 数字积分计算机(Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC)， 并于 1946 年研制成功． ENIAC 如图 l—1 所示 ENIAC 的主要元件是电子管，每秒钟能完成 5 000 次加法运算，300 屡次乘法运算，比当时 最快的计算工具快 300 倍该机器使用了 l 500 个继电器、18 800 个电子管，占地 170 平方米，重 达 30 多吨，耗电 150 千瓦， 耗资 40 万美元，真可谓“庞然大物”用 ENIAC 计算题目时，首先要 依据题目的计算步骤预先编好一条条指令，再按指令连接好外部线路，然后启动它自动运行并输 出结果当要计算另一个题目时，必需重复进展上述工作，所以只有少数专家才能使用尽管这是ENIAC 的明显弱点，但它使过去要借助机械分析机用7 到 20 小时才能计算一条弹道的工作时间缩短到 30 秒，使科学家们从奴隶般的计算中解放出来至今人们仍旧公认，ENIAC 的问世标志了计算机时代的到来，它的消灭具有划时代的宏大意义ENIAC 被广泛认为是世界上第一台现代意义上的计算机，美国人也始终为这一点而骄傲。
不过直到现在，英国人仍旧认为，由著名的英国数学家图灵帮助设计的，于1943 年投入使用的一台帮助英国政府破译截获密电的电子计算机 COLOSSUS 才是世界上的第一台电子计算机英国人认为，之所以COL0SSUS 没有获得“世界第一”的殊荣，是由于英国政府将它作为军事机密，多年来始终守口如瓶的原因到底谁是“世界第一”对于我们并不重要，重要的是他们卓越的争论转变了这个世界图 1—1 第一台电子数字计算机ENIACENIAC 证明电子真空管技术可以大大地提高计算速度，但ENIAC 本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进展掌握，电路连线繁琐耗时，要花几小时甚至几天时间，在很 大程 度上抵消了 ENIAC 的计算速度为此，莫克利和埃克特不久后开头研制的机型—— 电子离散变量自动计算机(Elect onic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC)几乎与此同时， ENIAC 工程组的一个争论人员冯·诺依曼来到了普林斯顿高级争论院(Institute for AdvancedStudy，IAS)，开头研制他自己的EDVAC，即IAS(是当时最快的计算机)。
这位美籍匈牙利数学家归纳了EDVAC 的主要特点如下：(1) 计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中2) 程序和数据存放在存储器中，即程序存储的概念计算机执行程序时，无需人工干预， 能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果依据冯·诺依曼的原理和思想，打算了计算机必需有输入、存储、运算、掌握和输出五个组成局部IAS 计算机对EDV3C 进展了重大的改进，成为现代计算机的根本雏形今日计算机的根本构造仍承受冯·诺依曼提出的原理和思想，所以人们称符合这种设计的计算机为冯·诺依曼机 冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”从第一台电孑计算机诞生至今的近 70 年中，计算机技术以前所未有的速度迅猛进展一般依据计算机所承受的物理器件，将计算机的进展分为如下几个阶段，如表l—1 所示表 l-1 计算机进展的四个阶段第一代计算机是电子管计算机这个时期的计算机的特点是体积浩大、运算速度低(一般每秒几千次到几万次)、本钱高、牢靠性较差、内存容量小，主要用于军事和科学争论工作UNIVAC—I(U”qIVersal Automatic Computer，通用自动计算机)是第一代计算机的代表。
第一 台产品于l951 年交付美国人口统计局使用它的交付使用标志着计算机从试验室进入了市场，参军事应用领域转入了数据处理领域20 世纪 50 年月后期到 60 年月中期消灭的其次代计算机承受晶体管作为根本物理器件与第一代计算机相比，晶体管计算机体积小、本钱低、功能强、牢靠性高与此同时，计算机软件也有了较大的进展，消灭了监控程序并进展成为后来的操作系统，高级程序设计语言Basic、FORTRAN 和 COBOL 的推出访编写程序的工作变得更为便利并实现了程序兼容，同时使计算机工作的效率大大提高除了科学计算外，计算机还用于数据处理和事务处理IBM-7000 系列机是其次代计算杪的代表第三代计算杪．的主要元件是小规模集成电路 (Small Scale Integrated circuits，SSI) 和中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits，MSI)所谓集成电路，是用特别的工艺将完整的电子线路制作在一个半导体硅片上形成的电路与晶体管计算机相比，集成 电路计算机的体积、重量、功耗都进一步减小，运算速度、规律运算功能和牢靠性都进一步 提高软件方面，操作系统进一步完善，高级语言种类增多，提出了构造化、模块化的程序设计思想，消灭了构造化的程序设计语言 Pascal，消灭了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面对用户的应用软件。
计算机的牢靠性和存储容量进 步提高，外部设备种类繁多， 使计算机和通信技术亲热结合起来，广泛地应用到科学计算、数据处理、事务治理、工业控 制等领域这一时期的计算机同时向标准化、多样化、通用化、机种系列叱方向进展IBM 一 360 系列是最早承受集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机．第四代计算机的特征是承受大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits，LSI)和超大规 模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits，VLSI)计算机重量和耗电量进一步削减，计算 机性能价格比根本上以每l8 个月翻一番的速度上升，符合著名的摩尔定律操作系统向虚拟操作系统进展，各种应用软件产品丰富多彩，大大扩展了计算机的应用领域IBM 4300 系列、3080 系列、3090 系列和 9000 系列是这一时期的主流产品随着集成度更高的特大规模集成电路(Super Large Scale Integrated circuits，SLSI)技术的出 现，使计算机朝着微型化和巨型化两个方向进展尤其是微处理器的制造使计算机在外观、处理 力量、价格以及有用性等方面发生了深刻的变化。
20 世纪 70 年月后期消灭的微型计算机体积 小、重量轻、性能高、功耗低、价格廉价，使得计算机异军突起，以迅猛的态势渗透到工业、教育、生活等各个领域我国在 1956 年，由周恩来总理亲自提议、主持、制定我国《十二年科学技术进展规划，》选定了“讨‘算机、电子学、半导体、自动化”作为“进展规划”的四项内容，并制定了计算机科研、生产、教育进展打算我国由此开头了计算机研制的起步1958 年研制出第一台电子计算机；1964 年研制出其次代晶体管计算机；1971 年研制出第三．代集成电路计算机；1977 年研制出第一台微机DJS050；1983 年研制成功“深腾l800”计算机，运算速度超过 1 万次／秒；2023 年 12 月，我国自主研发出 10 万亿次曙光 4000A 高性能计算机；2023 年，国防科大研制出“天河一号”现在千万亿次计算机的消灭，为中国高科技打算的实施供给了宽阔的平台1.1.2 计算机的特点、应用和分类计算机能够依据程序确定的步骤，对输入的数据进展加工处理、存储或传送，以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量计算机 之所以具有如此强大的功能，能够应用于各个领域，这是由它的特点所打算的。
1．计算机的特点计算机主要具有以下一些特点1) 高速、准确的运算力量目前世界上已经有超过每秒万万亿次运算速度的计算机2023 年 6 月公布的世界超级计 算机排名显示，排名第一的是 IBM 公司的“红杉”(Sequoia)，其运算速度到达每秒 l6 324 万亿次 浮点运算我国的“天河一号”实测运算速度可以到达每秒2 570 万亿次，排名世界第五2) 准确的规律推断力量计算机能够进展规律处理，也就是说它能够“思考”这是计算机科学界始终为之努力实现 的，虽然它现在的“思考”只局限在某一个特地的方面，还不具备人类思考的力量，但在信息查询等方面，已能够依据要求进展匹配检索，这已经是计算机的一个常规应用3) 强大的存储力量计算机能存储大量数字、文字、图像、视频、声音等各种信息，“记忆力”大得惊人，如它可以轻易地“记住”一个大型图书馆的全部资料计算机强大的存储力量不但表现在容量大， 还表现在“长期”对于需要长期保存的数据和资料，无论是以文字形式还是以图像的形式， 计算机都可以长期保存4) 自动功能计算机可以牛乍预先编好的一组指令(称为程序)先“记”下来，然后自动地逐条取出这些指令 并执行，工作过程完全自动化，不需要人的干预，而且可以反复进展。
5) 网络与通信功能计算机技术进展到今日，不仅可将一个个城市的计算机连成一个网络，而且能将一个个国家 的计算机连在一个计算机网上目前最大、应用范围最广的“国际互联网”(|nternet)连接了全世 界 200 多个国家和地区数亿台的各种计算机在网上的全部计算机用户可共享网上资料、沟通信息、相互学习，将世界变成了地球村计算机网络功能的重要意义是：它转变了人类沟通的方式和信息猎取的途径2．计算机的应用 ．计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此得名而今的计算机几乎和全部学科相结合，在经济弛会各方面起着越来越重要的作用我国的计算机工业虽然起步较晚，但 在改 革开放后取得了很大的进展，缩小了与世界的距离现在，计算机网络在交通、金融、企业治理、 教育、邮电商业等各个领域得到了广泛的应用1) 科学计算科学计算主要是使用计算机进展数学方法的实现与应用今日，计算机“计算”力量的提高 推动了很多科学的争论的进展，如著名的人来基因序列分析打算、人造卫星的轨道测算等国家气象中心使用计算机，不但能够快速、准时地气象卫星云图数据进展处理，而且可以根 据对大量历史数据的计算进展天气推测在网络应用越累来越深入的今日，“云计算”。