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计算机与信息技术概述
第1章 计算机与信息技术概述
1.1 计算机概述
计算是人类表达思维活动的一种方式，而计算工具则是人类思维活动的结晶。
从远古到现代，人类使用的计算工具先后经历了手工、机械和机电3个发展阶段，目前的电子计算机是人类计算工具的最新发展。
那什么是计算机呢？
简单地说，计算机是一种能快速且高效地自动完成信息处理的电子设备。
它与以往的计算设备最大的区别在于，计算机实现了存储程序，即程序在计算机内部可以发生变化。
在本章中将首先简单介绍计算机的发展、特点和应用领域以及信息技术及计算机病毒等基本概念，然后重点介绍计算机中信息的表示与存储。
1.1.1 计算机发展简史
我国早在春秋战国时期就发明了算筹法，这使得后来的数学家祖冲之计算出了当时最精确的圆周率。
唐朝末期，标志着古老东方文明的算盘又在我国诞生。
1642年，法国数学家Pascal发明了能完成加、减运算的手摇式机械计算机。
1694年，德国数学家Leibnitz设计出了能完成加、减、乘、除和开方运算的手摇式机械计算机。
1820年，英国数学家Babbage提出了用卡片存储数据和让计算机根据条件决定下一步计算的设想。
1910年，美国IBM公司生产出了一种用卡片存储数据、用继电器完成计算的计算机。
1941年，美籍匈牙利数学家VonNeumann提出了3个非常重要的概念。
（1）存储程序：
存储不仅要存储数据，而且要存储程序。
（2）采用二进制：
计算机内部使用二进制。
（3）顺序控制：
从存储器中取指令或数据，由控制器解释，由运算器完成计算。
这3个基本概念的提出为电子计算机的出现奠定了坚实的理论基础，而以它们为理论制造出来的计算机至今仍然是计算机体系结构的主流，VonNeumann也因此被誉为电子计算机之父。
1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机——埃尼亚克（TheElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生。
研制者是JohnW.Mauchly教授和他的学生J.PreperEckertJr.等人。
ENIAC犹如一个庞然大物，它重达30吨，占地170平方米，内装18000个电子管，但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。
ENIAC的诞生标志着科学技术的发展进入了计算机时代。
从第一台电子计算机诞生至今，计算机这个人类创造的科学奇迹已逐渐步入现代社会的各个角落，并已成为人类生活不可缺少的组成部分。
尽管现代计算机已完全超越了一般计算工具的概念，但其发展的确可以追溯到古代计算工具的创造与发展。
纵观计算机的发展过程，人们普遍认为计算机的发展历经了4代，现在正向新一代迈进。
1．第一代（1946—1957年）——电子管时代
这一时代的计算机具备如下一些主要技术指标和特点。
（1）元器件：
采用真空电子管和继电器，内存储器采用水银延迟线，外存储器采用纸带、卡片、磁带、磁鼓和磁芯。
（2）软件：
使用线路和机器语言编程。
（3）特点：
计算机体积大，造价高，运算速度慢，存储容量小，编程繁琐。
（4）应用范围：
用于数值计算、军事研究和人口普查。
（5）代表产品：
ENIAC、UNIVCAI、EDVAC、IBM70X系列。
2．第二代（1958—1964年）——晶体管时代
1947年，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组发明了晶体管。
晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。
同时，它的出现又为后来集成电路的诞生吹响了号角。
晶体管比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低、工作可靠性好。
1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小。
1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。
第二代计算机的主要特点分别介绍如下。
（1）元器件：
采用晶体管；内存储器采用磁芯存储器，外存储器增加了磁盘；开发了一些外部设备。
（2）软件：
出现了监控程序和管理软件；出现了高级语言，如FORTRAN、Cobol等。
（3）特点：
计算机体积减小，成本降低，功能增强，可靠性提高；运算速度提高到每秒几十万次；存储容量扩大；由于程序设计语言的出现，使编程更加方便。
（4）应用范围：
科学计算、数据处理与事务管理。
（5）代表产品：
UNIVACII、IBM7000系列、ATLAS。
3．第三代（1965—1970年）——中、小规模集成电路时代
20世纪60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命，第三代计算机诞生了。
第三代计算机的主要特点分别介绍如下。
（1）元器件：
小规模和中等规模集成电路，磁芯存储器容量增加，外部设备大量出现。
（2）软件：
出现了操作系统，程序设计语言的种类进一步增多。
（3）特点：
体积进一步减小，功能进一步增强，可靠性进一步提高；运算速度达到每秒几百万次；存储容量进一步扩大；计算机向标准化、多样化、通用化与系列化方向发展。
（4）应用范围：
已广泛用于各个领域。
（5）代表产品：
IBMSystem/360、PDP11、NOVA。
4．第四代（1971年至今）——大规模和超大规模集成电路时代
第四代计算机的主要特点分别介绍如下。
（1）元器件：
采用大规模和超大规模集成电路；半导体存储器代替了磁芯存储器；出现了光盘、U盘等存储设备。
（2）软件：
操作系统更加完善，种类更加齐全，程序设计语言由非结构化向结构化和面向对象方向转变。
（3）特点：
计算机制造和软件生产形成产业化，计算机网络化是这个时代的一大特征。
（4）应用范围：
已经普及、深入到各行各业之中。
（5）代表产品：
IBM4300系列、CRAY系列、微型计算机、网络计算机。
微型计算机是大规模和超大规模集成电路发展的一大成果。
大规模集成电路的一个重要特点是将中央处理器（CPU）制作在一块电路芯片上，这种芯片习惯上称为微处理器。
根据微处理器的集成规模和处理能力，又形成了微型机的不同发展阶段。
5．关于新一代计算机
多年来，许多国家投入了大量的人力、物力研究新一代计算机。
其主要研究内容包括：
新的计算机体系结构；新的计算机器件，包括新材料、新工艺；智能化计算机等方面。
尽管对新一代计算机的研究尚未有突破性进展的报道，但可以肯定的是，新一代计算机的研制成功将为人类科学研究带来质的飞跃。
1.1.2 计算机的分类
1．按信息的形式和处理方式划分
（1）电子数字计算机
电子数字计算机处理的是离散的数据，输入是数字量，输出也是数字量。
其基本运算部件是数字逻辑电路，因此运算精度高、通用性强。
（2）电子模拟计算机
电子模拟计算机处理和显示的是连续的物理量，其基本运算部件是由运算放大器构成的各类运算电路。
一般说来，模拟计算机不如数字计算机精确、通用性不强，但解题速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。
（3）数模混合计算机
数模混合计算机兼有数字和模拟两种计算机的优点，既能接收、输出和处理模拟量，又能接收、输出和处理数字量。
2．按使用范围划分
（1）通用计算机
通用计算机指适用于各种应用场合，功能齐全、通用性好的计算机。
（2）专用计算机
专用计算机指为解决某种特定问题而专门设计的计算机，一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。
3．按计算机规模和处理能力划分
（1）巨型计算机
巨型计算机是运算速度最快、存储容量最大、性能最好的一类计算机。
目前的巨型机的运算速度可达每秒千万亿次浮点运算，主存容量高达千万亿字节。
这类机器价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。
由国防科技大学研制的“银河”和国家智能中心研制的“曙光”都属于这类机器。
（2）大/中型计算机
大/中型计算机是指通用性能好、外部设备负载能力强、处理速度快的一类机器。
它有完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，并允许多个用户同时使用。
这类机器主要用于科学计算、数据处理或作为网络服务器。
（3）小型计算机
小型计算机具有规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护、与外部设备连接容易等特点，是在20世纪60年代中期发展起来的一类计算机。
小型计算机应用范围广泛，如用于工业自动控制大型分析仪器、测量仪器、医疗设备中的数据采集、分析计算等，也用作为大型、巨型计算机系统的辅助机，并广泛运用于企业管理以及大学和研究所的科学计算等。
（4）微型计算机
微型计算机（简称微机，也叫个人计算机）是以运算器和控制器为核心，加上存储器、输入/输出接口和系统总线构成的体积小、结构紧凑、价格低但又具有一定功能的计算机。
如果把这种计算机制作在一块印刷电路板上，就称为单板机。
如果在一块芯片中包含运算器、控制器、存储器和输入/输出接口，就称为单片机。
以微机为核心，再配以相应的外部设备（如键盘、显示器、鼠标、打印机等）、电源、辅助电路和控制微机工作的软件等，就构成了一个完整的微型计算机系统。
从1971年世界上第一台微型机诞生至今，微型计算机已渗透到各行各业和千家万户。
（5）工作站
工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能在工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域得到了广泛的应用。
（6）服务器
服务器是在网络环境下为多用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。
该设备连接在网络上，网络用户在通信软件的支持下远程登录，共享各种服务。
目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中、大型机之间的界限已经愈来愈模糊。
无论按哪一种方法分类，各类计算机之间的主要区别是运算速度、存储容量及机器体积等。
1.1.3 计算机的特点
1．运算速度快
大型、巨型计算机已经由20世纪50年代初的几万次每秒的运算速度发展到1976年1亿次每秒及1985年前后的100亿次每秒；90年代初达到了1万亿次每秒；1996年美国推出了2.4万亿次每秒的巨型计算机；2010年，我国研发的曙光“星云”巨型机的速度已超千万亿次每秒。
2．计算精度高
例如，圆周率的计算，发明计算机前的1500多年中经过数代科学家的人工计算，其精度只能达到小数点后的几百位，当第一台计算机诞生后，利用计算机计算就可达到2000位，目前计算精度已达到上亿位。
3．存储容量大
目前微型计算机的内存储器的容量已达到2～8GB，用若干张光盘甚至可以保存一座图书馆的全部内容。
4．具有逻辑判断功能
计算机不仅能进行计算，还具有逻辑判断能力实现推理和证明，并能根据判断的结果自动决定以后执行的命令，因而能解决各种各样的问题。
例如，百年数学难题“四色猜想”（任意复杂的地图，使相邻区域的颜色不同，最多只用四种颜色即能完成），1976年美国两位科学家用IBM-370计算机进行了上百亿次的判断连续运算1200小时证明了此难题，当时震惊世界数学界。
5．高度自动化
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指令后，计算机便在该程序的控制下自动按规定步骤完成指定的任务。
1.1.4 计算机的应用
计算机已成为人类现代生活不可分割的一部分，从太空探索到计算机辅助制造，从影视制作到家庭娱乐，计算机的身影无处不在。
计算机的主要应用领域可归纳为以下7个方面。
1．科学计算（或称为数值计算）
早期的计算机主要用于科学计算。
目前，科学计算仍然是计算机应用的重要领域，主要用于计算科学研究和工程技术中提出的复杂计算问题。
60多年来，一些现代尖端科学技术的发展都是建立在计算机的基础上的，如卫星轨迹计算、气象预报等。
2．数据处理
数据处理是目前计算机应用最广泛的一个领域，可以利用计算机来加
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