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计算机基础知识
计算机基础知识
电子计算机的产生和计算机技术的迅速发展是当代科学技术最突出的成就之一。
计算机的发明和应用延伸了人类的大脑，提高和扩展了人类脑力劳动的效能，发挥和激发了人类的创造力，标志着人类文明的发展进入了一个崭新的阶段。
同任何先进的科学技术的发展一样，计算机也是社会生产和科学技术发展到一定阶段的产物，计算机技术也随着社会生产和科学技术的进一步发展而不断发展。
1.1计算机的发展和应用
1.1.1计算机的产生
1．第一台电子计算机
世界上第一台电子计算机ENIAC（electronicnumericalintegratorandcalculator），即“电子数字积分计算机”，于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学。
ENIAC以电子管为基本部件，其体积约85m3，重达30t，使用了18 000个电子管，1500个继电器，70000个电阻，10000个电容，功率为140kW，占地170m2，真可谓是“庞然大物”。
它每秒可进行五千多次加法运算。
ENIAC产生后立即用于军事计算。
原先，美国陆军部用人工计算发射弹道需七个多小时，而用ENIAC来计算只需3s，速度提高了8400倍，显示了巨大的威力。
至今人们仍公认，ENIAC的问世表明了电子数字计算机时代的到来，具有划时代的伟大意义。
2．存储程序式计算机
虽然ENIAC的研制成功把世界带入了一个新的时代，但是ENIAC在计算题目时，需事先根据计算步骤花费几天时间连接好外部线路。
而且每换一个题目又得重新连线，所以只有少数专家才能使用。
美籍匈牙利人冯·诺依曼（JohnvonNeumann）教授针对ENIAC应用中的问题，于1946年6月发表的论文中提出了“存储程序”的设想。
按照这种设想，将组成解题程序的一条条指令像数据一样事先存入计算机中，运
行时，只须顺序取出这些指令，经译码后执行相应的操作即可，从而可以实现真正的全自动运算。
冯·诺依曼的“存储程序”的思想成了后来计算机设计的主要依据。
半个多世纪以来，计算机技术有了飞速的发展，但是其工作原理还是没有跳出“存储程序”这个范围。
基于以上原因，有时也将以“存储程序”方式工作的计算机称为冯·诺依曼机。
第一台存储程序计算机是EDSAC（electronicdelaystorageautomaticcalculator，电子延时存储自动计算机），在英国剑桥大学研制成功，1949年5月投入运行。
1.1.2电子计算机的发展
半个多世纪以来，根据电子计算机所采用的电子器件，一般将电子计算机的发展分成以下几个阶段，其主要性能见表1-1。
表1-1各代电子计算机比较
第一代
（1946—1956年）
第二代
（1957—1964年）
第三代
（1965—1970年）
第四代
（1971年至今）
电子器件
电子管
晶体管
中、小规模集成电路
大规模、超大规模集成电路
主存储器
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓、
半导体存储器
半导体存储器
辅助存储器
磁带、磁鼓
磁带、磁鼓、磁盘
磁带、磁鼓、磁盘
磁盘、磁带、光盘
处理方式
机器语言
汇编语言
作业连续处理
编译语言
多道程序
实时处理
网络结构
实时、分时处理
运算速度/
（次·s–1）
5000~4万
几十万~百万
百万~几百万
几百万~几十亿
代表机种
ENIAC、EDVAC、
IBM705
IBM7090、
CDC6600
IBM360、PDP11、
NOVA1200
IBM370、CRAY Ⅱ、
VAX11、IBMPC
1．第一代电子计算机
电子管（又称真空管）是1913年发明的，起初用于雷达等电子设备中。
它于1946年才被用于ENIAC及其之后的电子计算机。
电子器件是电子管的计算机被统称为第一代电子计算机，开创了电子数字计算机的新时代。
2．第二代电子计算机
第二代电子计算机的特点是用晶体管代替了电子管。
半导体晶体管于1948年由贝尔实验室研制出来，从1956年开始用于制作电子计算机部件。
晶体管的优点是体积小、发热少、耗电少、寿命长、价格低，特别是工作速度比电子管更快。
另外，第二代计算机普遍采用磁芯存储器作内存，采用磁盘与磁带作外存，使存储容量增大，可靠性提高，加快了汇编语言取代机器语言的步伐，并为FORTRAN和COBOL等高级语言的应用提供了条件。
3．第三代电子计算机
第三代电子计算机的主要特征是以中、小规模集成电路取代了晶体管。
集成电路（IC）是将许多个晶体管和电子元件集中制造在同一块很小的硅片上。
集成电路的体积更小，耗电更少，功能更强，存储器开始集成电路化，内存容量大幅增加。
随着计算机硬件技术的更新，系统软件和应用软件也有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计方法，为电子数字计算机进一步快速发展奠定了基础。
第三代计算机的典型机型有IBM360系统、PDP11系列等。
其主存储器容量达1～4MB，运算速度达200万次/s。
4．第四代电子计算机
第四代电子计算机的主要特点就是用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）取代中、小规模集成电路。
由于微电子学理论和计算机控制工艺方面的发展，为集成电路的集成度大幅度提高创造了条件。
在这个过程中出现了微处理器，从而产生了微型计算机，由于微型计算机的突出优点，使其得以迅速发展和普及，开始形成信息时代的特征。
第四代电子计算机的代表机种有IBM370、CRAY Ⅱ等。
从20世纪80年代开始，日、美等国家开展了新一代称为“智能计算机”的计算机系统的研究，并将其称为第五代电子计算机。
实际上，目前计算机的发展有如下四个重要的方向。
（1）巨型化。
用于天气预报、军事计算、飞机设计、工艺系统模拟等。
运算速度达千亿次每秒以上。
（2）微型化。
微型计算机已从台式发展到便携式、掌上型。
主要满足人们日常生活和学习娱乐的要求等。
（3）网络化。
计算机网络技术的发展，使得单个计算机的实际效用得到很大的提高。
（4）智能化。
使计算机具有更多的类似人的智能，包括学习能力和逻辑推理能力及感情表达能力等。
1.1.3微型计算机的发展
20世纪70年代计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。
微型计算机开发的先驱是美国Intel公司年轻的工程师马西安∙霍夫（M.E.Hoff）。
1969年，他接受日本一家公司的委托，设计台式计算器系统的整套电路。
他大胆地提出了一个设想，把计算机的全部电路做在四个芯片上，即中央处理器芯片、随机存取存储器芯片、只读存储器芯片和寄存器电路芯片。
这就是一片4位微处理器Intel4004、一片320位（40B）的随机存取存储器、一片256B存储空间的只读存储器和一片10位的寄存器，通过总线把它们连接起来，就组成了世界上第一台4位微型电子计算机MCS-4。
1971年诞生的微型计算机揭开了世界微型计算机发展的序幕。
1．第一代微处理器
1972年，Intel公司研制成功8位微处理器Intel8008，它主要采用工艺技术简单、速度较低的P沟道MOS（metaloxidesemiconductor，金属氧化物半导体）电路。
这就是人们通常称作的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。
2．第二代微处理器
1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，称为第二代微处理器。
具有代表性的产品有Intel公司的Intel8085、Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80等。
第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型计算机及其外围设备都得到了迅速发展。
由第二代微处理器装备起来的微型计算机称为第二代微型计算机。
3．第三代微处理器
1978年，16位微处理器的出现，标志着微处理器进入第三代。
首先开发成功16位微处理器的Intel公司，由于采用了H-MOS（H-Highperformance）新工艺，使新的微处理器Intel8086比第二代的Intel8085在性能上又提高了将近10倍。
类似的16位微处理器还有Z8000、M68000等。
采用了第三代微处理器装备起来的微型计算机称第三代微型计算机。
4．第四代微处理器
1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器问世，标志着第四代微处理器的诞生，如Intel公司的Intel80386、惠普公司的HP-32、NS公司的NS-16032等。
用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。
1993年，Intel公司推出32位微处理器芯片Pentium系列，它的外部数据总线为64位，工作频率为66～200MHz。
之后，又有了PⅡ、PⅢ的发展历程。
现在流行的P4微处理器的工作频率达到了2.4GHz。
1.1.4计算机的特点
1．运算速度快
计算机的运算速度已从几千次每秒（加法运算）发展到现在高达几千亿次每秒。
如此高的计算速度，不仅极大地提高了工作效率，而且使许多极复杂的科学问题得以解决。
例如，外国的一位数学家花了15年的时间把圆周率π的值算到小数点后707位，而用现代计算机计算不到1小时就完成了。
2．计算精度高
尖端科学技术的发展往往需要高度准确的计算能力，只要电子计算机内用以表示数值的位数足够多，就能提高运算精度。
一般的计算工具只有几位有效数字，而计算机的有效数字可以精确到十几位、几十位，甚至数百位，这样就能精确地进行数据计算和表示数据的计算结果。
3．存储功能强
计算机具有存储“信息”的存储装置，可以存储大量的数据，当需要时又可准确无误地取出来。
计算机这种存储信息的“记忆”能力，使它能成为信息处理的有力工具。
4．具有逻辑判断能力
计算机既可以进行数值运算，也可以进行逻辑运算，可以对文字或符号进行判断和比较，进行逻辑推理和证明，这是其他任何计算工具无法相比的。
5．具有自动运行能力
计算机不仅能存储数据，还能存储程序。
由于计算机内部操作是按照人们事先编制的程序一步一步自动地进行的，不需要人工操作和干预。
这是计算机与其他计算工具最本质的区别。
可以说，计算机以上几个方面的特点是促使计算机迅速发展并获得极其广泛应用的最根本原因。
1.1.5计算机的应用领域
目前，计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。
概括起来，计算机的应用主要表现在以下几个方面。
1．科学计算
科学计算又称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。
它是电子计算机的重要应用领域之一，世界上第一台计算机就是为科学计算而设计的。
随着科学技术的发展，使得各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复杂的计算问题。
例如，在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中，都需要依靠计算机进行高速和高精度的运算。
科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。
2．数据处理
数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，例如，分析、合并、分类、统计等，最后形成有用的信息。
与科学计算不同，数据处理涉及的数据量一般很大。
人类在很长一段时间内，只能用自身的感官去收集信息，用大脑存储和加工信息，用语言交流信息。
当今社会正从工业社会进入信息社会，面对积聚起来的浩如烟海的各种信息，为了全面、深入、精确地认识和掌握这些信息所反映的事物本质，就必须借助于计算机进行处理。
目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等，数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。
3．过程控制
过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按系统要求迅速地对控制对象进行控制。
现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益增高。
利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本。
计算机过程控制已在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门得到广泛的应用。
4．计算机辅助系统
计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。
计算机辅助设计CAD（computer-aideddesign），就是利用计算机帮助各类设计人员进行设计。
由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，使CAD技术得到广泛应用，例如，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。
采用计算机辅助设计，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计的速度，更重要的是提高了设计的质量。
计算机辅助制造CAM（computer-aidedmanufacturing），是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。
例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器设备的运行、处理生产过程中所需的数据、控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。
使用CAM技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度。
计算机辅助教育CBE（computer-basededucation），包括计算机辅助教学CAI（computer-assistedinstruction），近年来由于多媒体技术和网络技术的发展，推动了CBE的发展，许多学校已经开展了网上教学和远程教学。
开展CBE不仅使学校教育发生了根本变化，还可以使学生在学校里就能体验计算机的应用，为毕业后应用计算机奠定基础。
5．人工智能
人工智能AI（artificialintelligence），一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。
在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序，让计算机自动探索解题的方法。
人工智能是计算机应用研究的前沿学科。
6．信息高速公路
1993年9月美国正式宣布实施“国家信息基础设施（NII）”计划，俗称“信息高速公路”计划，即将所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，把大网络连接到所有的机构和家庭中去，让各种形态的信息（如文字、数据、声音、图像等）都能在大网络里交互传输。
该计划引起了世界各发达国家、新兴工业国家和地区的极大震动，纷纷提出了自己的发展信息高速公路计划的设想，积极加入到这场世纪之交的大竞争中去。
国家信息基础设施，除了通信、计算机、信息本身和人力资源四个关键要素外，还包括标准、规则、政策、法规和道德等软环境，其中最主要的当然是“人才”。
针对我国信息技术落后、信息产业不够强大、信息应用不够普遍和信息服务队伍还没有壮大的现状，有关专家提出我国的“信息基础设施”应该加上两个关键部分，即民族信息产业和信息科学技术。
我国政府不失时机地抓紧了国家经济信息化的建设，党的十四届五中全会把“加速国民经济信息化进程”写入了“关于制定国民经济和社会发展九·五计划和2010年远景目标”的建议中，把信息产业的发展摆在突出的地位，有力地促进了我国信息产业的发展。
例如，上海市提出用15～20年的时间完成上海“信息港”的全面建设，到2010年将率先建成地区“信息高速公路”和信息化的国际大都市。
7．电子商务（E-business）
电子商务是在Internet的广阔联系与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上相互关联的动态商务活动。
简单地讲，电子商务是通过计算机和网络进行商务活动。
电子商务发展前景广阔，可为人们提供众多的机遇。
世界各地的许多公司已经开始通过Internet进行商业交易。
他们通过网络方式与顾客、批发商、供货商、股东等进行相互间的联系，迅速快捷，费用很低，其业务量往往超出传统方式。
同时，电子商务系统也面临诸如保密性、可测性和可靠性的挑战。
但这些挑战将随着网络信息技术的发展和社会的进步得以克服。
电子商务旨在通过网络完成核心业务，改善售后服务，缩短周转时间，从有限的资源中获取更大的收益，从而达到销售商品的目的。
它向人们提供新的商业机会和市场需求，也对有关政策和规范提出挑战。
电子商务始于1996年，起步虽然不长，但其高效率、低支付、高收益和全球性的优点，很快受到各国政府和企业的广泛重视，发展势头不可小觑。
目前，电子商务交易额正以10倍的速度增长，2002年全球电子商务交易额已超过10000亿美元。
1.2计算机中的数据与编码
数据是指能够输入计算机并被计算机处理的数字、字母和符号的组合，在计算机内部，各种数据都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。
因此，掌握数据信息编码的概念与处理技术是很重要的。
1.2.1数字化信息编码的概念
所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂多样的信息。
基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。
例如，用10个阿拉伯数码表示数字，用26个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。
在计算机中，广泛采用的是只用“0”和“1”两个基本符号组成的基2码，或称为二进制码。
在计算机中采用二进制码的原因如下。
（1）二进制码在物理上最容易实现。
例如，可以只用高、低两个电平表示“1”和“0”，也可以用脉冲电压的有无或者脉冲电压的正负极性表示它们。
（2）二进制码用来表示的二进制数，其编码、计数和加减运算规则都很简单。
（3）二进制码的两个符号“1”和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”或称“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利的条件。
1.2.2进位记数制
在采用进位记数的数字系统中，如果只用r个基本符号（例如0，1，2，…，r–1）表示数值，则称其为基r数制（Radix-rNumberSystem），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和1，则为二进制数。
对于不同的数制，它们的共同特点如下。
（1）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）数制都使用位置表示法：
即处于不同位置的数符所代表的值不同，与它所在位置的权值有关。
例如，十进制数5555.555可表示为
5555.555=5×103+5×102+5×101+5×100+5×10–1+5×10–2+5×10–3
可以看出，各种进位记数制中的权的值恰好是基数的某次幂。
因此，对任何一种进位记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m位整数，k位小数的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是权，r是基数，不同的基数表示不同的进制数。
表1-2所示的是计算机中常用的几种进位数制。
表1-2计算机中常用的几种进制数的表示
二进制
八进制
十进制
十六进制
规则
逢二进一
逢八进一
逢十进一
逢十六进一
基数
r = 2
r = 8
r = 10
r = 16
数符
0，1
0，1，…，7
0，1，…，9
0，1，…，9，A，B，C，D，E，F
权
2i
8i
10i
16i
形式表示
B
O
D
H
1.2.3不同进制之间的转换
1．r进制与十进制
将r进制数值转换为十进制数值，其转换公式为
公式本身就提供了将r进制数转换为十进制数的方法。
比如，把二进制数转换为相应的十进制数，只要将二进制数只出现1的数位权相加即可。
例如，把二进制数11010转换成相应的十进制数：
（11010）B=1×24+1×23+0×22+1×21+0×20=（26）D
例如，把二进制数100110.101转换成相应的十进制数：
（100110.101）B=1×25+1×22+1×21+1×2–1+1×2–3=（38.625）D
其中，下标B和D分别表示括号内是二进制数和十进制数。
2．十进制与r进制
将十进制数值转换为r进制数值，整数部分和小数部分的转换方法是不相同的，下面分别加以介绍。
（1）整数部分的转换。
把一个十进制的整数不断除以基数r，取其余数（除r取余法），就能够转换成以r为基数的数，例如，为了把十进制的数转换成相应的二进制数，只要把十进制数不断除以2，并记下每次所得余数（余数总是1或0），所有余数连起来即为相应的二进制数。
这种方法称为除2取余法。
例如，把十进制数25转换成二进制数，计算过程如图1-1所示。
图1-1十进制整数转换成二进制数
所以（25）D=（11001）B。
注意：
第一位余数是低位，最后一位余数是高位。
（2）小数部分转换。
要将一个十进制小数转换成r进制小数时，可将十进制小数不断地乘以r，取其整数，这称为乘r取整法。
例如，将十进制数0.3125转换成相应的二进制数，计算过程如图1-2所示。
图1-2十进制小数转换成二进制数
所以（0.3125）D=（0.0101）B。
如果十进制数包含整数和小数两部分，则必须将十进制小数点两边的整数和小数部分分开，分别完成相应转换，然后再把r进制整数和小数部分组合在一起。
例如，将十进制数25.3125转换成二进制数，只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即（25.3125）D=（11001.0101）B。
例如，将十进制数193.12转换成八进制数，运算过程见图1-3。
图1-3十进制数转换成八进制数
所以（193.12）D≈（301.075）o。
其中，下标O表示括号内是八进制数。
3．非十进制数间的转换
通常两个非十进制数之间的转换方法是采用上述两种方法的组合，即先将被转换数转换为相应的十进制数，然后再将十进制数转换为其他进制数。
由于二进制、八进制和十六进制之间存在特殊关系，即81=23，161=24，因此转换方法就比较容易，如表1-3所示。
根据这种对应关系，二进制转换到八进制十分简单。
只要将二进制数从小数点开始，整数从右向左3位一组，小数部分从左向右3位一组，最后不足3位补零，然后根据表1-3即可完成转换。
表1-3二进制、八进制和十六进制之间的关系
二进制
八进制
二进制
十六进制
二进制
十六进制
000
001
010
011
100
101
110
111
0
1
2
3
4
5
6
7
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0
1
2
3
4
5
6
7
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
8
9
A
B
C
D
E
F
例如，将二进制数（10100101.01011101）B转换成八进制数：
010100101.010111010
↓↓↓ ↓↓↓
245 . 272
所以（10100101.01011101）B=（245.272）o。
将八进制转换成二进制的过程正好相反。
二进制同十六进制之间的转换就如同八进制之间一样，只是4位一组。
例如，将二进制（1111111000111.100101011）B转换成十六进制数：
0001111111000111.100101011000
↓↓↓↓↓↓↓
1F C7 .958
所以（1111111000111.100101011000）B=（1FC7.958）H。
1.2.4二进制数在计算机内的表示
1．机器数
由于在计算
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