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1、第1章 计算机基础知识基 础本章主要内容：. 计算机发展史、分类和应用领域. 数值、字符、汉字和图像编码. 计算机组成和原理. 计算机安全基础知识1.1 计算机概述计算机技术的迅猛发展，促使人类走向丰富多彩的信息社会。信息时代的生产方式和生活方式具有数字化、集成化、智能化、移动化、个性化等特点。1.1.1 计算机的发展世界上第一台电子数字式计算机ENIAC于1946年2月15日诞生在美国宾夕法尼亚大学。它奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元，标志着人类第三次产业革命的开始。ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中
2、、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。在推动计算机发展的众多因素中，电子元器件的发展起着决定性的作用，计算机系统结构和计算机软件技术的发展也起了重大的作用。从生产计算机的主要技术来看，计算机的发展过程可以划分为四个阶段，如表1-1所示。表1-1 计算机发展历程发展阶段时间电子元器件存储器内存容量运算速度软件第
3、一代1946年1958年电子管内存采用水银延迟线；外存采用磁鼓、纸带、卡片等几千字节每秒几千次到几万次基本运算机器语言、汇编语言续表发展阶段时间电子元器件存储器内存容量运算速度软件第二代1958年1964年晶体管磁芯、磁盘、磁带等几十万字节每秒几十万次基本运算FORTRAN、ALGOL-60、COBOL 第三代1964年1975年集成电路半导体存储器几百K字节每秒几十万到几百万次基本运算操作系统逐渐成熟第四代1975年至今大规模集成电路集成度很高的半导体存储器几百兆字节每秒几百万次甚至上亿次基本运算数据库系统、分布式操作系统等，应用软件的开发随着计算机应用的广泛深入，又向计算机技术本身提出了更
4、高的要求。当前，计算机的发展表现为4种趋向：巨型化、微型化、网络化和智能化。1.1.2 计算机的分类按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法，计算机可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机和网络计算机。1巨型机巨型机又称超级计算机，是所有计算机类型中价格最贵、功能最强的一类计算机，其浮点运算速度已达每秒万亿次。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能；二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由100台以上的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一
5、个课题，来达到高速运算的目的。美国、日本是生产巨型机的主要国家，俄罗斯及英国、法国、德国次之。我国在1983年、1992年、1997年分别推出了银河、银河和银河，进入了生产巨型机的行列。2大型通用机大型通用机相当于国内常说的大型机和中型机，国外习惯上称为主机。近年来大型机采用了多处理、并行处理等技术，其内存一般为1GB以上，运行速度可达300750MIPC（每秒执行3亿至7.5亿条指令）。大型机具有很强的管理和处理数据的能力，一般在大企业、银行、高校和科研院所等单位使用。3小型机小型机的机器规模小、结构简单、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。它们已广泛应用
6、于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。近年来，小型机的发展也引人注目，特别是出现了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）体系结构。RISC的思想是把那些很少使用的复杂指令用子程序来取代，将整个指令系统限制在数量甚少的基本指令范围内，并且绝大多数指令的执行都只占一个时钟周期，甚至更少，优化编译器，从而提高机器的整体性能。4微型机微型机技术在近十年内发展迅猛，更新换代快。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统，多媒体技术等领域，并且开始成
7、为城镇家庭的一种常规电器。现在除了台式微型机外，还有膝上型、笔记本、掌上型、手表型等微型机。5工作站工作站是一种高档微型机系统。它具有较高的运算速度，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力，且兼有微型机的操作便利和良好的人机界面。其最突出的特点是具有很强的图形交互能力，因此在工程领域特别是计算机辅助设计领域得到迅速应用。典型产品有美国Sun公司的Sun系列工作站。6网络计算机专为计算机网络作为客户机使用的计算机，简称NC，它是在互联网充分普及和Java语言推出的情况下提出的一种全新概念的计算机。根据IBM、Oracle和Sun公司共同制定的网络计算机参考标准，NC是一种使用基于Java技术的瘦
8、客户机系统，它提供了一个混合系统，在这个混合系统中，根据不同的应用建立方式，某些应用在服务器上执行，某些应用在客户机上执行。1.1.3 计算机的应用计算机主要具备以下几方面的特点：（1）运算速度快计算机的CPU采用超大规模集成电路，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且，其运算速度还以每隔几年提高一个数量级的水平不断发展。（2）存储容量大存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地写入或读出这些信息。计算机的应用使得从浩如烟海的文献、资料、数据中查找信息并且处理这些信息成为容易的事情。例如，一台普通PC机就可以把一个大型图书馆内的所有文献资料保存起来，并且能够实现快速查找。（3）具有逻辑
9、判断能力计算机能够根据各种条件来进行判断和分析，从而决定以后的执行方法和步骤。还能够对文字、符号、数字的大小、异同等进行判断和比较，从而决定怎样处理这些信息。计算机被称为“电脑”，便是源于这一特点的。（4）高度自动化计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。另外，计算机还具有运算精度高、工作可靠等优点。正是由于具备这些优点，计算机的应用十分广泛，根据工作方式的不同大致可以分为以下几个方面：（1）数值计算在科学研究和工程设计中，存在着大量繁琐、复杂的数值计算问题，穷
10、尽几代人的精力也无法得到最终的结果，因此人们发明了计算机。数值计算是计算机的第一个应用领域，高速度，高精度地解算复杂的数学问题正是电子计算机的专长，时至今日，它仍然是计算机应用的一个重要领域。（2）数据处理数据处理又叫做非数值计算，就是利用计算机来加工、管理和操作各种形式的数据资料。与数值计算不同的是，数据处理着眼于对大量的数据进行综合和分析处理。一般不涉及复杂的数学问题，只是要求处理的数据量极大而且经常要求在短时间内处理完毕。例如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算、信息情报检索等。近年来出现的管理信息系统（MIS）、制造资源规划软件（MRP）、电子信息交换系统（EDI）等都属于数据处理领
11、域。（3）实时控制实时控制也叫做过程控制，就是用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。实时控制不仅可提高生产自动化水平，同时也能提高产品的质量、降低成本、减轻劳动强度、提高生产效率。例如，仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。实时控制广泛应用于化工、电子、钢铁、石油、火箭和航天等领域。（4）计算机辅助系统计算机辅助系统包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助教学（CAI）等。计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程
12、设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。目前，这种技术已广泛地应用于机械、船舶、飞机和大规模集成电路版图等方面的设计。利用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。例如，计算机辅助制图系统提供了一些最基本的作图元素和命令，在这个基础上可以开发出适合不同部门应用的图库。计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，大大改善制造人员的工作条件。计算机辅助测试（CAT）是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作。计算机辅助教学（CAI）指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学习的自动化系统，使学生能够轻松自如
13、地从中学到所需要的知识。（5）模式识别与智能系统是一种计算机在模拟人的智能方面的应用。例如，根据频谱分析的原理，利用计算机对人的声音进行分解、合成，使机器能辨识各种语音，或合成并发出类似人的声音。又如，利用计算机来识别各类图像、甚至人的指纹等。综上所述，计算机可以自动高效地处理输入的各类信息，如数值、文字、图像、语音等，然后输出结果。早期的计算机由于受自身性能等各方面条件的限制，其应用领域比较单一，主要集中在数值计算。随着业务需求和计算机技术的进步，计算机已经渗透到社会的各个领域，并且朝着综合性应用的方向发展。例如，一个大型企业的信息管理系统（MIS系统），可以包括多个子系统，如销售管理系统、
14、生产管理系统、财务管理系统、人事管理系统、工程设计系统等，有些子系统主要是用来进行数据处理的，有些主要是用来进行自动控制的，有些既有复杂的数值计算功能，又有强大的数据处理能力。1.2 数据在计算机中的表示计算机的基本功能是对数进行加工和处理。数在计算机中是以器件的物理状态来表示的。一个器件的两种不同的稳定状态就可以用来表示一位二进制数。因此，二进制的表示最简单而且可靠。另外，二进制的运算规则也最简单。所以计算机中的数用二进制0和1表示。1.2.1 数制转换1进位计数制按进位的原则进行的计数方法称为进位计数制。在采用进位计数的数字系统中，如果用r个基本符号（例如0，1，2，r-1）表示数值，则称
15、其为基r数制（Radix-r Number System），r称为该数制的基（Radix）。如日常生活中常用的十进制数，就是r=10，即基本符号为0，1，2，9。如取r=2，即基本符号为0、1，则为二进制数。对于不同的数制，它们的共同特点是：（1）每一种数制都有固定的符号集：如十进制数制，其符号有10个：0，1，2，9；二进制数制，其符号有两个：0和1。（2）都是用位置表示法：即处于不同位置的数符所代表的值不同，与所在位置的权值有关。例如：十进制可表示为：可以看出，各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂。因此，对任何一种进位计数制表示的数都可以写出按其权展开的多项式之和，任意一个r进制数N可表示为：式中的di为该数制采用的基本数符，ri是位权（权），r是基数，表示不同的进制数；m为整数部分的位数，k为小数部分的位数。在十进位计数制中，是根据“逢十进一”的原则进行计数的。一般地，在基数为r的进位计数制中，是根据“逢r进一”的原则进行计数的。在微机中，常用的是二进制、八进制和十六进制，如表1-2所示。其中，二进制用得最为广泛。 表1-2 计算机中常用的几种进制数的表示
