第1章计算机基础知识 知识点梳理汇总

1、第1章 计算机基础知识本章首先介绍计算机的发展历史，并从文化的角度讨论计算机发展对人类社会的影响；然后从信息的角度出发讨论学习计算机所必需掌握的基础知识；最后介绍计算机病毒的基础知识及计算机安全防范常识。本章要点应知：（1）计算机发展的历史和计算机文化的基本概念。（2）信息在计算机中的表示形式、存储方式、计算方法等。（3）计算机中信息的表示与存储的基本单位。（4）计算机领域中各种不同信息编码的基本概念。应会：（1）二进制数的补码表示及运算。（2）二进制、十进制及十六进制之间的转换。（3）计算机中各信息单位之间的转换。1.1 概 述1.1.1 计算机发展简史1关于世界上第一台计算机世界上最早的计

2、算工具当数中国的算盘了。今天虽然无法考证算盘具体发明的年代，但算盘的使用却是有了几千年，它是最早同时具有“算”和“存”两种功能的计算工具，但是算盘却不是计算的机器，而世界上最早的计算的机器是欧洲的齿轮加减法器，它是1642年由法国的物理学家帕斯卡（Blaise Pascal）发明的，1673年德国的数学家莱布尼兹（G. N. Won Leibniz）在帕斯卡的基础上增加了乘除法制成了能进行四则运算的机械式计算机器。从此计算的机器随着工业革命的发展及需要，也不断地发展，直到1822年英国的数学家查尔斯巴贝奇（Charles Babbage）才算真正设计出了机械式的计算机差分机，1834年又设计了

3、分析机，他的机械式计算机由3个部分构成：“仓库（the store）”、“工厂（the mill）”和“控制桶（control barrel）”。“仓库”是用来存储数据信息的，“工厂”则是进行数据运算处理的，最巧妙的要算“控制桶”，它是在“仓库”和“工厂”中用来调度使机器的运算能够持续有序的进行。正是他的巧妙设计才奠定了今天计算机的基本构架：“仓库”相当于现在计算机的内存，“工厂”相当于现在计算机的运算器，“控制桶”相当于现在计算机的控制器，以及输入/输出装置，人们将巴贝奇称为计算机之父就是这个原因。1936年美国的霍德华艾肯（Howard Aiken）在深入研究了巴贝奇分析机的基础上，对巴贝

4、奇分析机设计作了重大改革，提出了用机电方法而不是纯机械方法来实现分析机，次年进入哈佛大学任教，1944年终于制成了改进的巴贝奇分析机Mark I计算机。世界上公认的第一台数字式电子计算机是1946年由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约翰莫齐利（John Mauchly）和工程师普雷斯伯埃克特（J.Presper Eckert）领导研制的，取名为ENIAC（Electronic Numerical Intergrator And Calculator）的计算机。它是在第二次世界大战中美国陆军弹道研究所为了解决弹道问题所涉及的许多复杂计算而设计制造的，与现代的计算机相比，它体积庞大，耗电量也特别大

5、，而存储容量却很小，运算速度也非常慢。但在当时它的功能确实出类拔萃。例如，它可以在1秒内进行5000次加减运算，2.8毫秒便可进行一次乘法运算，比当时IBM公司生产的Mark I计算机快1000倍，在ENIAC出现之前，一个熟练的台式计算机操作员至少要花24小时才能得出的一条抛物线的正确结果，用Mark I做要20分钟，而用ENIAC只需30秒。但它也明显地存在着很多缺点，如它体积庞大，重约30吨，整个机器占据了170m2；机器中用了17468只电子管，约1500只继电器，10000多只电容器，7000余只电阻及其他各类电气元件，运行时，耗电量很大，约为150000W。另外，它的存储容量却很小

6、，只能存20个字长为10位的十进制数。假如让现代的人使用它，最不能容忍的则是编排程序都要靠人工改接连线，因此每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。尽管如此，ENIAC的研制成功还是为以后计算机科学的发展做出了重大贡献。然而，在ENIAC诞生之前，在美国依阿华大学数学物理系任教的阿塔纳索夫于1940年在缺乏资金的情况下，用了300只电子管及电阻、电容等元器件完成了世界上真正的第一台电子计算机ABC机，它能做加减法运算，可以存储300个数字。因为其太简陋，校方没有看到这个“怪物”的前景，停止资助了进一步的研究工作而使阿塔纳索夫当时失去了获得世界上第一台电子计算机发明的机会。19

7、40年12月，莫齐利在宾夕法尼亚大学召开的有关科学发展的美国联盟会议上作了关于用模拟计算机解决气象难题的使用潜力问题的报告，会上幸运地遇见了阿塔纳索夫并获知阿塔纳索夫的杰出创造，莫齐利惊讶万分，于是不惜花几天的时间穿越美国中部去看那台名为ABC机的“怪物”。在阿塔纳索夫那台“怪物”的启发下，1942年莫齐利提出了用电子管组成计算机的设想，这一方案得到了美国陆军弹道研究所的40万美元的资助。当时正值第二次世界大战之际，新武器研制中的弹道问题涉及许多复杂的计算，单靠手工计算已远远满足不了要求，急需自动计算的机器。于是在美国陆军部的资助下，1943年开始了ENIAC的研制，1946年完成并投入使用。

8、ENIAC的研制成功为以后计算机科学的发展提供了契机，虽然它存在许多缺点。然而科学家每克服它的一个缺点，都对计算机的发展带来了很大的影响。其中影响最大的要算美国数学家冯诺依曼（Johon Von Neumann）提出的采用程序存储方式，即在计算机中设置存储器，将符号化的计算步骤放在存储器中，然后依次取出存储的内容进行译码，并按照译码结果进行计算，从而实现计算机工作的自动化。1944年9月，冯诺依曼在获得官方特许的情况下考察了ENIAC，经过详细的考察研究指出了ENIAC的缺陷并计划改进后新机器EDVAC的研制工作，研制小组的其他成员包括了ENIAC的创始者埃克特和莫齐利等。EDVAC的最大改进

9、是采用了水银延迟存储器来存储程序，也就是现在称为内存的部件；另外还在机器内摈弃了原来的十进制编码而采用二进制编码。遗憾的是，在研制过程中，以冯诺依曼为首的理论界人士和以埃克特、莫齐利为首的技术界人士之间发生了严重的意见分歧而使EDVAC的研制搁浅，直到1952年EDVAC才勉强完成。而在此期间，英国剑桥大学的莫利斯威尔克思因参加了EDVAC讲习班，回国后开始研制新的计算机，居然于1949年比EDVAC早一年完成了EDSAC。EDSAC是在接受EDVAC方案的影响后研制成功的，因此它与EDVAC一样采用了二进制和程序存储方式，运算速度为每秒670次加减法，每秒170次乘法，程序和数据的输入采用纸

10、带，输出采用电传打字机。这样，世界上第一台程序存储式计算机的殊荣由EDSAC夺得。以后的计算机用的都是程序存储方式，而采用这种方式的计算机统称为冯诺依曼式计算机。2计算机发展的几个阶段从第一台计算机的诞生到现在，计算机走过了50多年的发展历程。在这期间，计算机的系统结构不断变化，应用领域不断拓宽，以至于影响到了人类的生存方式。根据计算机的发展历程，显然可以归为以下三个大的阶段。（1）计算机发展的初期阶段这个阶段大约是1946年世界上第一台电子计算机诞生到20世纪70年代末个人计算机开始普及应用之前的这个阶段。其特点是计算机的应用范围基本局限于军事、科学计算及工业大企业的大量数据处理，应用的范围

11、很小，以及计算机和有关外设的价格非常昂贵。传统计算机的划分中人们根据计算机核心部件所用逻辑元件的种类划分为四代都应属于这个阶段，它们标志性的特征分别是：第一代为电子管；第二代为晶体管；第三代为中、小规模集成电路；第四代为中大、超大规模集成电路。第一代机从第一台计算机的出现直至20世纪50年代后期，这一时期的计算机的主要特点是采用电子管作为基本物理器件。它体积大、能耗高、速度慢、容量小、价格昂贵，其应用也仅限于科学计算和军事。20世纪50年代后期20世纪60年代中期出现的第二代计算机采用晶体管作为基本物理器件，并采用了监控程序，这是操作系统（OS）的雏形。而适用于事务处理的COBOL语言也得到了

12、广泛应用。这意味着计算机的应用范围已从科学计算扩展到了事务处理领域。与第一代计算机相比，晶体管计算机体积小，成本低，功能强，可靠性高。在这一时期，计算机不仅应用在军事与尖端技术上，而且应用在工程设计、数据处理、事务管理等方面。1964年4月，IBM公司推出了采用新概念设计的计算机IBM360，宣布了第三代计算机的诞生。它分大、中、小型等6个型号，具有通用化、系列化、标准化的特点。通用化：兼顾了科学计算、数据处理、实时控制等多方面的应用，机器指令丰富。系列化：在指令系统、数据格式、字符编码、中断系统、输入/输出方式、控制方式等方面保持统一，使用户在低档机上编写的程序可以不加修改地运行在以后性能更

13、好的高档机上，实现了程序的兼容。标准化：采用标准的输入、输出接口，这样，各机型的外部设备都是通用的。第四代计算机从20世纪70年代初20世纪80年代初，其特征是以大规模集成电路VLSI为计算机主要功能部件，用16KB、64KB或集成度更高的半导体存储器作为主存储器，计算速度可达每秒几百万次至上亿次。在系统结构方面发展了并行处理技术、分布式计算机系统和计算机网络等。在软件方面发展了数据库系统、分布式操作系统、高效而可靠的高级语言以及软件工程标准化等，并逐渐形成软件产业部门。由于VLSI技术的发展，计算机系统中的硬件成本下降，软件成本提高。人们为扩大计算机的适用范围，不断地增加指令系统中的指令，并

14、考虑尽量缩短指令系统与高级语言的语义差异，即增强每条指令的功能，以便于高级语言程序的编译和降低软件成本。这一切使得指令系统的复杂程度提高了，相应地造成CPU设计复杂及硬件成本的上升。当某一系列计算机增设新型号机或高档机时，为维护老用户在软件上的投资不受损失，新机器中不得不继承老机器指令系统中的全部指令，这也使得同一系列计算机的指令系统越来越复杂，后来称这些计算机为“复杂指令系统计算机”，简称CLSC。日趋庞大的指令系统加长了新机器的研制周期，增大了机器调试和维护的难度，从而降低了系统的性能。而对CLSC机的测试表明，机器中最常执行的是一些简单指令，仅占指令系统中指令总数的20%，而占指令总数2

15、0%的最复杂指令却差不多占用了控制存储器容量的80%。1975年IBM的Jhon Cocke提出精简指令系统（简称RISC）的想法。RISC计算机的特点是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度，并最终达到整体上的性能优化。在采用RISC技术设计指令时，选择使用频率较高的简单指令和常用指令，指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。目前的RISC机大都采用超标量流水线技术，以增加指令执行的并行度，减少指令的执行周期，并通过增加通用寄存器数量减少存取数据次数。此外还采用优化的编译程序，可以有效地支持高级语言程序。到目前为止，各种类型的计算机都属冯诺依曼型计算机，即采用存储程序

16、方式进行工作。随着计算机应用领域的扩大，冯诺依曼型的工作方式逐渐显露出其局限性，科学家早在20世纪7080年代就提出了制造非冯诺依曼式计算机以及着手开发研制第五代智能计算机，其目标为新一代的计算机应具有自动识别自然语言、图形、图像的能力，具有理解和推理的能力，具有知识获取、知识更新的能力，期望能够突破传统冯诺依曼机的结构模式。但是究竟什么是智能计算机呢？这个问题早在20世纪30年代电子计算机还未出世之前就由英国科学家阿兰图灵所提出，当时有很多科学家都热衷于人工智能的讨论，1936年图灵从数学的角度提出了计算机的模型之后，又界定了人工智能的标准“图灵检验”：一个人在不知情的情况下，通过一种特殊的

17、方式与相互隔开的人和机器进行问答，如果在相当长的时间内，他分辨不出与他交流的对象哪一个是人，哪一个是机器，那么这台机器就可以认为是具备了人工智能了。时至今日，虽然作为计算机学科一个分支的人工智能已经有了很大的发展，并出现了战胜国际象棋大师卡斯帕洛夫（Garry Kasparov）的“深蓝”计算机，但都总是无法通过图灵检验，人工智能仍然任重道远。（2）计算机的普及应用阶段从1975年美国的一个小公司MITS利用Intel的8080处理器和256B的RAM推出Altair 8800微电脑开始，就掀起了计算机微型化和个人计算机普及应用的热潮，直到20世纪70年代末苹果机（appleI）的出现之前，为

18、电子爱好者们普及应用时期，是个人计算机系统孕育时期。此时计算机的主流产品还是大、中、小型计算机，但这个时期由电子发烧友们的爱好推动了个人计算机软硬件的发展。硬件方面，美国计算机的生产在苹果机（appleI）出现以前几乎是被IBM公司垄断的，主要生产的为大、中、小型各个系列的计算机，每台的售价都在100万美元以上，非常昂贵，因此IBM根本没有把生产1万美元以内的微型机的利润看在眼中。然而1976年21岁的乔布斯（Steven Jobs）和26岁的Stephen Wozniak在汽车库里组装个人计算机，并成立了一家苹果公司以及开始向市场推出红极一时的apple个人计算机，售价仅为每台1350美元的

19、apple II在短短的四年中，销售额由1977年的100万美元急速攀升至1980年的1.17亿美元，极大地震撼了IBM公司在计算机界“龙头老大”的地位，为此IBM公司才在1980年下半年急急忙忙组织人员涉足微电脑领域，研究生产个人计算机。另外从软件方面的发展来说，20世纪70年代微型机才出现，各生产商生产的机型很多，最大的问题是它们的接口、控制口和磁盘驱动器都不统一，相互之间编写的软件不兼容，计算机操作系统的标准化需求很迫切，在此情况下1973年基尔代尔（Kildill）为单机单用户的微型机编写了世界上第一个磁盘操作系统PLM。它可以用在任何有16KB内存和8080、Z80的CPU的微型机上

20、，初步统一了个人计算机的操作系统。后经Seattle Computer Products公司修改后取名为QDOS（Quick and Dirty Operating System），1980年比尔盖 茨（Bill Gates）的微软公司以5万美元买下并重写成为了后来的MS-DOS（PC-DOS）操作系统。1980年IBM公司与比尔盖茨的微软公司合作，将微软的MS-DOS作为IBM公司新推出微型PC机的操作系统取名为PC-DOS。与此同时，IBM公司为了与苹果公司竞争个人计算机市场，便将PC机的机器架构公诸于世，于是在IBM公司PC机推出并急剧占领个人计算机市场的同时，众多的大公司争相生产IBM

21、公司PC机的兼容机，由于微软的MS-DOS操作系统并没有被IBM公司买断产权，才使众多公司的兼容机同样也使用微软的DOS操作系统。在以上诸多巧合因素的影响下，“微软帝国”借助DOS操作系统便初步形成，同时计算机的应用也随着廉价的以DOS为操作系统的PC兼容机而逐渐普及。1984年，一家名为Novell的美国公司推出了一种新的局域网操作系统Netware 1.0，通常称为Novell LAN，在此系统下的每一台工作站的操作的界面及命令与DOS操作系统下的单用户机几乎完全相同，而工作站由于没有硬盘其成本下降许多，因此受到了不少用户的青睐，特别是教育系统用户用来组建微机局域网进行计算机教学。随后，N

22、ovell公司的Novell LAN发展迅猛，几经升级并一直延续到20世纪90年代中期都是组建微机局域网的主流产品，之后随着DOS操作系统的衰落淘汰才逐步淡出市场。Novell LAN是一个网络的操作系统，由于其组建的局域网成本低，而使更多的人能够学习计算机的操作使用，降低了计算机学习使用的成本，从而极大地加速了计算机的普及应用，对计算机的普及应用起到了不可低估的作用。从上述计算机的发展经历不难看出，计算机的普及应用是计算机硬件和软件两个方面共同发展，并且相辅相成、相互推动、相互适应而发展起来的。这个阶段是以个人计算机的普及应用为标志的，它主要以苹果机（appleI）的出现为开始。计算机的普及

23、应用阶段为计算机文化阶段奠定了基础，而计算机文化阶段又引发了更高一个层次的计算机普及应用。（3）计算机文化阶段计算机作为一种文化提出来是在1981年瑞士洛桑召开的第三次世界计算机教育大会上由前苏联学者伊尔肖夫首次提出的，虽然伊尔肖夫提出的是“计算机程序设计语言是第二文化”，与现在所讲到的计算机文化有本质的区别，但其不同凡响的观点在会上引起了巨大反响，几乎得到了所有与会专家的支持。实质上计算机程序设计语言并不是计算机文化，所谓计算机文化指的是由于计算机这种具有“大脑”部分功能的工具的产生与广泛使用，致使人类在思维方式、行为方式、生活方式等人类生存方式的方方面面都在发生巨大的变化，从本质上产生了一

24、场伟大而深刻的文化变迁，这种文化的变迁便称为计算机文化。计算机文化阶段是计算机普及应用发展到一定的程度才出现的，它是由两方面因素决定的：一是微型计算机价格不断下降，有更多的人买得起、用得起微型计算机；二是微型计算机软硬件的发展不断拓展应用空间，使其逐步覆盖人类活动的各个方面。因此，我们认为计算机文化阶段应该是从多媒体计算机出现及Internet 普遍使用开始算起，即从1991年世界上第一台多媒体微机在美国拉斯维加斯电脑大展上首次展出开始。从20世纪70年代开始，微机在美国逐渐普及，特别是apple机的出现，应用微机办公成了必然趋势，因此在19781979两年间，几乎同时出现了两个革命性的计算机

25、应用软件公司，一个是鲁宾斯坦（S.Rubinstein）创办了一家MicroPro公司开发字处理软件，成功推出名为WordStar（文字之星，简称WS）的字处理软件，到1982年，WS的年销售量超过100万套，MicroPro公司一跃跻身全美大型软件公司行列；另一个是布莱克林成立了一家软件艺术公司（SA）来开发电子表格软件，推出的电子表格名为VisiCalc，它大约每秒钟能计算50个格子，比手工计算机快得多，更为奇妙的是在某一格的数据被改变时，其他行列的相应数据还能自动调整改变。到1983年初，VisiCalc电子表格销售量一举突破50万套。这两家公司同时开创了办公自动化的先河，由于这两个软件

26、的诞生，特别是WordStar字处理软件的出现，大大提高了办公人员的工作效率，也使计算机放下了它高贵的架子，进入了人类的寻常生活，开始了它的逐渐改变人类生存方式的道路。字处理软件和电子表格的成功使微软的比尔盖茨看到了办公软件广阔的市场前景，分别于1982年和1983年斥巨资向两个软件方向进军，虽然几经周折，但最后都因微软的规模经济逐渐占了上风，特别是在微软推出Windows操作系统后以及1993年微软把字处理软件Word 6.0和电子表格Excel 5.0集成在一起为Office 4.0成为套装软件，相互之间能共享数据，极大地方便了用户的使用，更使其他办公软件望尘莫及。办公软件的出现及快速发展

27、加速了计算机的普及应用，为引导人类文化向计算机方向迁移奠定了基础。1981年8月12日，IBM公司的PC机横空出世，其优良的性能使苹果机相形见绌，苹果公司的乔布斯也不甘心，立即组织人员投入了新产品的研究工作，分别于1983年初和1984年底推出了丽萨（Lisa）电脑和麦金托斯（Macintosh，简称Mac）电脑，丽萨电脑首创了第一台图形用户界面的机器，而且还在电脑上第一次采用了鼠标器；麦金托斯电脑更是性能绝伦，其配置为摩托罗拉32位、主频8MHz的68000微处理器芯片，内存为128KB，并采用了全新的system 1.0的操作系统，性能大大地超越了IBM的PC机。不仅如此，麦金托斯电脑的用

28、户界面为大众型的图形用户平台并且可以像人一样发声讲话，它应该算是世界上第一台多媒体计算机的雏形。遗憾的是，乔布斯没有抓住IBM趋于保守和Windows尚未出世的大好时机，仍然坚持“不开放”的政策，坚决拒绝其他厂商制造能运行Mac软件的兼容电脑，眼睁睁地看着IBM的PC机成长及微软的Windows渐渐地羽翼丰满，失去了一个千载难逢的大好机会。1985年11月，微软公司推出了Windows 1.0版本，由于微机硬件性能跟不上和欠缺应用软件而没有受到用户的青睐，但微软公司没有气馁，除了继续完善Windows操作系统外，加大力度开发Windows的应用软件。1989年Intel公司发布486芯片后，在

29、微机的硬件性能大幅度提高的同时，微软公司的办公应用软件也渐成气候，1987年10月推出全新的Windows版本的电子表格Excel；1990年完成Word的视窗1.0版本的字处理软件，从此以后微软的业绩便扶摇直上：1990年5月22日，Windows 3.0推出，5个星期内卖出38万套，到年底销售总量超过200万套；1992年4月6日，Windows 3.1推出，年内卖出2700万套，Windows操作系统席卷全球。个人计算机的硬件及软件相互牵制且相辅相成地发展到20世纪90年代，已经为多媒体计算机的诞生打下了良好的基础，在人类步入20世纪90年代之时个人计算机就仅仅剩下不会说话唱歌而已了。计

30、算机要完成多媒体化，除了上面讲到这些计算机软硬件的基础外，还有两个问题要解决：一个是大容量的存储介质解决存储图像、视频、声音等占用存储容量大的信息；另一个就是要让计算机开口说话唱歌。在20世纪90年代以前，计算机存储容量一直是限制计算机发展的瓶颈之一，90年代90年代中期，个人计算机的外存储器硬盘容量只有数十到数百兆字节（MB），而一幅图像文件或一分钟的声音文件一般都是数兆字节；视频文件更是大得惊人，一秒钟（30帧分辨率为352240、24位/像素）大约7.5MB，500MB容量的硬盘也只能存一分多钟的视频文件，由此看来在90年代解决多媒体问题比较困难了。可喜的是从60年代起一家总部位于欧洲荷

31、兰的著名电器设备公司飞利浦（PHILIPS）公司为研制高画质电影和高保真音响，一改传统的磁记录方式而想用光记录来实现，他们经过多次失败最后决定采用激光在反射介质上反射光的差别来记录信息，1978年首先推出的是类似于老唱片的直径30cm的LD影碟，这种影碟仍然采用的是模拟信号记录方式。由于没有引起多大的市场反响，飞利浦公司接着对光盘及记录方式作了重大的改进：30cm的LD光盘缩小到只有12cm，并采用数字信号的记录方式并取名为CD（Compact Disk），电路上也相应地采用数字编码技术。为了迅速占领市场及将CD变为世界性的规格，飞利浦公司找到了日本的索尼（Sony）公司一起携起手来进一步完善

32、CD技术，1981年在萨尔斯堡复活节音乐会上，第一张CD播放的合唱交响曲清脆悦耳，令专门请来的德国柏林爱乐交响乐团的著名指挥家卡拉扬先生和在场的音乐评论家为之倾倒，CD取得了巨大的成功！1985年，飞利浦公司与日本的索尼公司再度合作发表只读光盘的标准命名为CD-ROM，之后CD-ROM便渐渐走进了个人计算机的机箱内，从90年代开始几乎所有的厂商售出的PC机都带着这个CD-ROM，它在微机的配件中被称为“光盘驱动器”，简称为光驱，每张光盘的存储容量为640MB，但这在90年代初已算是海量了。虽然光盘容量很大，但对于视频这样的媒体信息仍然难于满足，特别是在网络上传输就更不可能。这当中的3个限制，即

33、存储容量限制、计算机处理速度限制和传输带宽的限制都要求媒体信息量减少，因此就不得不考虑对媒体信息数据的压缩。视频活动图像的压缩早在1988年就成立了一个活动图像专家组（moving picture experts group），专门致力于活动图像及伴音压缩的有关研究及制定压缩编码的标准，简称MPEG，1992年MPEGI成为国际标准，要求在可接受的质量下，把视频及其伴音压缩到速率大约为1.2MB/s1.5MB/s的单一的数据流，这样用CD-ROM驱动器来播放每秒30帧的全活动电影就可以成为现实。1994年MPEGII成为国际标准，把视频及其伴音压缩到10MB/s；1998年MPEGIV为国际标

34、准，传输率最大为64MB/s。90年代CD-ROM正好解决了大容量存储介质的问题，为多媒体计算机的顺利诞生扫清了一个重大障碍。要个人电脑说话，实际上早在1984年苹果公司的麦金托斯（Mac）电脑便开口讲话了，虽然它发出的声音比较粗糙，但为了这一点粗糙的声音乔布斯在它的主板上内置了一个8位的数字音效装置，应该说他就是声卡的雏形。假如乔布斯能很敏锐地发现他创造性的这个类似于声卡的装置的商业前景的话，也许个人计算机的历史将又是另一番景象，然而恰恰相反，乔布斯不仅没有将他的数字音效装置发扬光大，反而因对图形和动画情有独衷，为获得比特尔（Beatle）公司优质显示器使用权，与比特尔公司协议不涉足音乐行业

35、，与声卡的发明失之交臂，也许乔布斯是一个只热衷于创造性发明而对商业前景反应迟钝的人。在此之后，虽然也有一个加拿大音乐老师发明了一种“摩奇声卡”（Adlib），但真正的声卡之父则是一位名叫沈望傅的新加坡的华人，从小特别喜爱钢琴的沈望傅1981年成立了他的创新科技公司，为了圆儿时的梦想，创新公司几经磨难，在1984年研制的CUBIC99型电脑也终于能够开口说话了，1987年创新公司的第一套初级音乐系统和作曲软件面世，沈望傅向他的“电脑钢琴”一步一步地逼进，1989年创新公司在原声卡的基础上增加了一组特别的脉冲编码调制PCM电路的第一块声卡诞生，其音响效果分外逼真，因此在美国市场声威大震，创新公司为

36、它取了一个非常响亮的名字Sound Blaster，中文译名为“声霸卡”，1991年创新公司又经改进推出具有20复音立体声音效的“超级声霸卡”（SB Pro），从这款声卡开始，创新公司被多媒体个人电脑（MPC）协会接受为多媒体电脑的音响标准。至此，多媒体个人电脑（MPC）的出世已具备了全部条件，1991年在美国拉斯维加斯电脑大展上，世界上第一台多媒体个人计算机终于诞生了。谈到计算机的多媒体不得不讲到多媒体的创始人尼葛洛庞帝先生。1979年，尼葛洛庞帝教授在麻省理工学院院长魏斯纳的积极支持下创办了媒体实验室，开始，这个实验室的工作并不被人们理解，甚至还受到电脑科学界的排斥，但经过十多年的默默耕耘

37、，媒体实验室的多媒体电脑的概念及其创新的思想终于被1991年推出的多媒体个人电脑得以证实。尼葛洛庞帝的创新带来了人类发展史上信息表达、获取和处理方式的又一次革命。多媒体计算机是人类在发展计算机技术的同时借助不断完善的计算机这样一个具备一定“思维”的工具并采用了“数字化”的手段去征服人类生活的各种信息，它的产生极大影响了人类的生活方式，然而孤立的、一台台的计算机对人类的生活方式的影响必定有限，大量信息的传递只有以光盘为载体通过市场传播，其速度慢、成本高。实际上早在1969年这种信息的传播和接收的方式就已经实现，那是美国国防部高级研究计划局建成的跨越美国东西部的名为 ARPANET 的网络，最初只

38、有4台，到1973年已经发展到了40台，1983年为100多台，并且跨越了美洲大陆，连通了美国的许多高等院校，甚至于通过卫星与欧洲等地的计算机网络互相联通。但ARPANET除了科研、军事等少数部门使用以外，其高额的费用令普通的市民是无法接受。20世纪90年代初多媒体的出现，ARPANET的商业价值凸现，于是美国政府同意在ARPANET的基础上建设全国的信息高速公路，取名为Internet。1993年美国建成并开通了“信息高速公路”，很快世界各国也相继投入巨资修建“信息高速公路”接入Internet。说到Internet，我们不得不讲到一位计算机界最值得尊敬的英国科学家蒂姆伯纳 斯李（Tim B

39、erners-Lee），他就是现在风靡全世界的WWW（World Wide Web）的发明人，一个没有要专利的发明人。1989年，伯纳斯李提出了一个称之为World Wide Web的全球超文本项目计划，目的是能够将各自的信息通过超文本传输实现网络共享。一年以后，伯纳斯李开发出了架构起全球信息网的3大基本技术：http（超文本传输协议电脑与服务器之间的沟通语言）、html（超文本描述语言全球通用的文件格式）、URL（网址文件位置的标示系统）。1991年初伯纳斯李便将自己发明的全球信息网毫无保留地放到了互联网上，于是很快WWW便迅速传遍了全世界，并使伯纳斯李获得了“互联网之父”的美誉。伯纳斯李的

40、这项发明加速了信息革命的步伐，推动了计算机向文化方向发展的进程。为了使Internet大众化，1993年4月，在美国伊利诺州立大学国家超级电脑应用中心（Netional Center of Supercomputing Applications，NCSA）推出了首个图形界面的WWW浏览器Mosaic，翌年，Mosaic的主要设计人Marc Andreessen和James H.Clark合作成立了网景公司（Netscape Communications Corporation）并于年底推出了浏览器Netscape Navigator，到1995年Netscape Navigator夺取了高达九

41、成的浏览器市场。微软直到此时才如梦初醒，在意欲入股网景公司遭到拒绝之后，花数百万美元从软件商Spyglass手中购得Mosaic浏览器的技术使用权，然后调动500余名程序员夜以继日开发Internet Explorer（简称IE浏览器），于1995年8月24日推出IE的1.0版本，随后不断推出升级版本，逐渐蚕食Netscape Navigator浏览器的市场，最后微软采取免费下载IE，免费供应各ISP服务商，甚至于将IE捆挷在Windows 98内，利用Windows在操作系统市场的垄断地位将Netscape Navigator浏览器赶出市场，这引起了1998年美国司法部及19个州的政府联合控

42、告其利用操作系统的市场优势对网景公司进行的不公平竞争。除了浏览器的发展外，1998年网上传呼机ICQ和免费网页、免费电子邮件的热潮势不可挡，吸引了数以千万计的Internet用户。另外，Internet上网络公司不断增多，它们开办的网站为用户提供了应有尽有的服务，Internet成了一个信息的海洋，网络成了人们生活中一个不可或缺的部分：工作、学习、娱乐、休闲都离不开网络；政府、企业、学校、家庭也都成了网络的一部分；生产、管理、决策、投资也无一不与网络有关；更有甚者是网络成了战争帮凶，卫星、飞机、导弹、坦克都成了网络控制的武器，甚至于每个士兵身上都带有与网络随时联系的计算机。计算机文化正是由这些

43、使我们周围充斥着多媒体信息的工具并借助信息的“高速公路”高速传播信息而使人们感觉到了它的存在，这也正是我们所说的计算机文化的阶段。3我国计算机技术的发展概况我国从1956年开始研制计算机，1958年研制成功第一台电子管计算机103机。1959年夏研制成功运行速度为每秒1万次的104机，这是我国研制的第一台大型通用电子管数字计算机。103机和104机的研制成功，填补了我国在计算机技术领域的空白，为促进我国计算机技术的发展做出了贡献。1964年研制成功晶体管计算机，1971年研制了以集成电路为主要器件的DJS系列机。在微型计算机方面，研制开发了长城系列、紫金系列、联想系列等微机，并取得了迅速发展。

44、在国际高科技竞争日益激烈的今天，高性能计算机技术及应用水平已成为显示综合国力的一种标志。1978年，邓小平同志在第一次全国科技大会上曾说：“中国要搞四个现代化，不能没有巨型机！”。20多年来，在我国计算机界专家的不懈努力下，取得了丰硕成果，“银河”、“曙光”和“神威”计算机的研制成功使我国成为具备独立研制高性能巨型计算机能力的国家之一。1983年底，我国第一个被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机诞生了。1992年，10亿次巨型电子计算机银河II研制成功。1997年6月，每秒130亿浮点运算，全系统内存容量为9.15GB的银河III并行巨型计算机在北京通过国家鉴定。1995年5月曙光1000研制

45、完成，这是我国独立研制的第一套大规模并行机系统，打破了国外在大规模并行机技术方面的封锁和垄断。1998年，曙光2000I诞生，它的峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算。1999年9月，曙光2000II超级系统问世，它是国家863计划的重大成果，峰值速度达到每秒1117亿次，内存高达50GB。1999年9月，江泽民主席亲笔题名“神威”的并行计算机研制成功并投入运行，其峰值运算速度可高达系统科学3840亿浮点运算，位居当今全世界已投入商业运行的前500位高性能计算机的第48位。我国在巨型机技术领域中取得了跨“银河”、迎“曙光”、显“神威”的鼓舞人心的巨大成就。1.1.2 计算机文化概述文化是人类社

46、会的特有现象。英国学者泰勒（E.B.Tylor）指出：“文化是一种复合的整体，包括知识、信仰、艺术、道德、法律、习惯以及作为社会一份子所获得的任何其他能力。”这就是说，文化是人类特有的能力，知识、信仰、艺术、道德、法律、习惯以及社会组织结构和精神产品，是人类在几千年的文明进化过程中积累起来的，它表现在人类特有的思维方式、行为方式、生活方式、交往方式之中。或者说，文化即人类行为的社会化，是人类创造功能和创造成果的最高、最普遍的社会形式。计算机从问世直至发展到今天，才短短五十多年时间，但计算机技术却以前所未有的发展速度影响着人类的生存方式，即人类通过广泛地使用计算机在思维方式、行为方式、生活方式、

47、交往方式等都在发生巨大的变化，计算机已不再是单纯的科学名词，而是越来越多地赋予了一种新的文化的内涵，越来越多地丰富了人类文化的内容。我们可以清楚地看到，由于计算机的产生与广泛使用，在本质上反映了一场伟大而深刻的文化变迁，这种文化的变迁，我们便称之为计算机文化。清华大学何克抗教授从信息社会的角度分析到：根据目前国内外大多数计算机教育专家的意见，最能体现“计算机文化”的知识结构和能力素质，应当是与“信息获取、信息分析与信息加工”有关的基础知识和实际能力。其中信息获取包括信息发现、信息采集与信息优选；信息分析包括信息分类、信息综合、信息查错与信息评价；信息加工则包括信息的排序与检索、信息的组织与表达

48、、信息的存储与变换以及信息的控制与传输等。这种与信息获取、分析、加工有关的知识可以简称之为“信息学基础知识”，相应的能力可以简称之为“信息能力”。这种知识与能力既是“计算机文化”水平高低和素质优劣的具体体现，又是信息社会对新型人材培养所提出的最基本要求。换句话说，达不到这方面的要求，将无法适应信息社会的学习、工作与竞争的需要，就会被信息社会所淘汰。从这个意义上完全可以说，缺乏信息方面的知识与能力就相当于信息社会的“文盲”。这就是当代“计算机文化”的真正内涵。计算机文化是以计算机技术为核心而迅速膨胀起来的文化形态，是由电子计算机的广泛使用而引发的一场文化的革命，这场革命正在推动人类文化的发展，这

49、种人类文化的发展产生的巨大影响形成了与语言具有同样价值的计算机文化现象。我们每个人从小就练习写字，这是文化教育中的一项基本技能训练。学会写字，写好字将受益终身。同样，在信息化的社会里，学习使用计算机也是文化教育中的一项基本技能训练，人人都要使用计算机，用好计算机，也将终身受益。因此说：计算机作为一种文化，体现这种文化的知识与能力，在信息社会中已和体现传统文化的“读、写、算”方面的知识与能力一样重要，不可缺少。换句话说，“读、写、算、信息”是信息社会中文化基础课的四大支柱。与其他自然科学文化相比较，计算机文化对人类文化的影响更为深远，更具广泛的价值及意义。数学的发展给人类文化带来了深远的影响，从

50、古代的文明直到现代社会，数学总是作为一种基本的文化基础体现出来，“算”是体现文化知识能力的一个方面；物理学的发展致使近代科学技术突飞猛进，对近代工业革命产生的文明作出了主要的贡献，也给人类文化增添了许多内容。而以计算机为核心的信息技术的发展则在短短的几十年中对人类的文明进程产生的影响远远超过了前两者，这从以下两个方面可以体现出来：一是广泛性，计算机即将既涉及全社会的每一个人、每一个家庭，又将涉及全社会的每一个行业、每一个应用领域；二是深刻性，计算机的普及应用给人类社会带来的影响不是带来社会某一方面、某个部门或某个领域的改良与变革，而是带来整个社会从生产方式、工作方式、学习方式到生活方式的根本性

51、变革。1.1.3 计算机科学体系电子计算机早期的功能也确实主要是计算，但后来高水平的计算机已远远超越了单纯计算的功能，它还可以模拟、思维、进行自适应反馈处理等，因此把它叫做“电脑”更为合乎实际。由于电子计算机功能的飞跃性发展，应用于生产和生活的各个方面，直接和显著地提高了生产、工作、生活的效率和节奏与水平，在软科学研究和应用中它也起着关键作用，因此它已被公认为是现代技术的神经中枢，是未来信息社会的心脏和灵魂。在这种背景下，从对计算机的技术研究，又上升到了对计算机的科学研究，于是，计算机科学逐渐建立起来了。尽管在1946年世界第一台电子计算机ENIAC就已经问世，但是直到1963年美国斯坦福大学

52、Forsythe教授才引入“计算机科学”这个术语。不过对于它的含义，随着计算机科学的发展，在不同的发展阶段，面对不同背景，人们给予了不同的理解。D.E.Knuth认为：“我中意的描述计算机科学的办法是把它看作为算法的学问。算法是精确定义的一系列规则：指出怎样从给定的输入信息经过有限步骤产生所求的输出信息”。关于算法的学问，主要涉及研究算法的理论、执行算法的机器、描述算法的语言以及对于具体算法的分析。这种提法大体反映了20世纪50年代计算机硬、软件取得的成就，包括了用物理形式实现的各种计算设备以及算法、程序和程序设计语言等。然而，仅从这些方面尚未能说明计算机科学的本质。P.Wegner强调计算机

53、科学是一种“关于信息结构转换的科学”，他认为“工业革命中起核心作用的是能量；在计算机革命中它将被信息取代”。显然，把计算机科学看作是研究信息结构的表示、变换、传输、利用，这是很大的进步。它反映了计算机实践的信息处理之内涵，强调了计算机科学的数学统一性。20世纪60年代对自动机理论、形式语言理论、运算语义和数学语义理论进行了抽象研究，这些都导致人们把计算机科学作为某种数学模型的抽象演绎来研究。20世纪70年代后，人们又提出计算机科学是计算机工程技术的理论基础的观点。例如对软件工程的理论研究；对知识表示、存储和利用的研究等。这反映了对创新软件工艺所做的努力，从而把计算机科学当作技术科学来研究。近年

54、来，人们逐渐意识到“计算机科学”一词不能概括社会信息化提出的要求。1986年10月在国际信息处理联合会召开的第十届世界计算机大会上，Bjoner、Nygaard等人提出用“信息学（informatics）”代替“计算机科学”的观点。他们认为“计算机科学”含义过窄，而“信息学”才是在计算机不断创新的环境中发展起来的，像数学、物理学那样的基础科学。到20世纪末，人们在进行算法分析时发现之前并不要求设计程序，而在实现细节被引入之前就介绍类库，把它作为编写软件的虚拟机，理论通过证明的形式来介绍。这样使得与经典工程学科相比具有共同的学科架构。从而逐步认识到计算机科学就如同其他工程学科一样。事实上，这时人

55、们对计算机科学本身的认识才颇为深刻，计算机科学和计算机工程之间本质上没有区别，计算机科学注重理论和抽象，计算机工程注重抽象和设计，计算机科学和工程居中，从研究的范畴上统称为计算学科。而计算学科是对信息描述和变换的算法过程的系统研究，主要包括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等过程的研究。目前，计算机科学的研究领域可以概括为以下7个方面。1计算机系统结构的研究传统的计算机系统基于冯诺依曼的顺序控制流结构，从根本上限制了计算过程并行性的开发和利用，迫使程序员受制于“逐字思维方式”，从而使程序复杂性无法控制，软件质量无法保证，生产率无法提高。因此，对新一代计算机系统结构的研究是计算机科学面临的一

56、项艰巨任务。人们已经探索了许多非冯诺依曼结构，如并行逻辑结构、归约结构、数据流结构等。智能计算机以及其他新型计算机的研究也具有深远的意义，例如光学计算机、生物分子计算机、化学计算机等处理方法的潜在影响是不可忽视的。计算机构造学正在发展着。2程序设计科学与方法论的研究冯诺依曼系统结构决定了传统程序设计风格的缺陷，逐字工作方式，语言臃肿无力。缺少必要的数学性质。新一代语言要从面向数值计算转向知识处理，因此新一代语言必须从冯诺依曼设计风格中解放出来。这就需要分析新一代系统对语言的模型设计新的语言，再由新的语言推出新的系统结构。3软件工程基础理论的研究软件工程的研究对软件生存期作了合理的划分，引入了一

57、系列软件开发的原则和方法，取得了较明显的效果。但未能从根本上解决“软件危机”问题。软件复杂性无法控制的主要原因在于软件开发的非形式化。为了保证软件质量及开发维护效率，程序的开发过程应是一种基于形式推理的形式化构造过程。从要求规范的形式描述出发，应用形式规范导出算法版本，逐步求精，直至得到面向具体机器指令系统的可执行程序。由于形式规范是对求解问题的抽象描述，信息高度集中，简明易懂，使软件的可维护性得到提高。显然，形式化软件构造方法必须以科学的程序设计理论和方法为基础，以集成程序设计环境为支持。近年来这些方面虽取得不少进展，但距离形式化软件开发的要求还相差甚远。因此，这方面仍有不少难题有待解决。4

58、人工智能与知识处理的研究人工智能的研究正将计算机技术从逻辑处理的领域推向现实世界中自然产生的启发式知识的处理，如感知、推理、理解、学习、解决问题等。为了建立以知识为基础的系统，提高解决问题的综合能力，以启发式知识表达为基础的程序语言和程序环境的研究就成为普遍关心的重要课题。人工智能还包括许多分支领域，如人工视觉、听觉、触觉以及力觉的研究，模式识别与图像处理的研究，自然语言理解与语音合成的研究，智能控制以及生物控制的研究等。总之，人工智能向各方面的深化对计算机技术的发展将产生深远的影响。5网络、数据库及各种计算机辅助技术的研究计算机通信网络覆盖面的日趋扩大，各行业数据库的深入开发，各种计算机辅助

59、技术如CAD、CAM、CAT、CAE、CIM（计算机集成化制造）等的广泛使用，也为计算机科学提出许多值得研究的问题。如编码理论，数据库的安全与保密、异种机联网与网间互连技术、显示技术与图形学、图像压缩、存储及传输技术的研究等。6理论计算机科学的研究自动机及可计算性理论的研究，例如图灵机的理论研究还有许多工作可作。理论计算机科学使用的数学工具主要是信息论、排队论、图论、符号逻辑等，这些工具本身也需进一步发展。7计算机科学史的研究在计算机科学的发展史上，有许多对认识论、方法论很值得借鉴的丰富有趣的史料，它们同样是人类精神宝库的重要财富。1.1.4 计算机的特点曾有人说，机械可使人类的体力得以放大，

60、计算机则可使人类的智慧得以放大。作为人类智力劳动的工具，计算机具有以下主要特点。1处理速度快通常以每秒钟完成基本加法指令的数目表示计算机的运算速度。现在每秒执行50万次、100万次运算的计算机已不罕见，有的机器可达数百亿次，甚至数千亿次；使过去人工计算需要几年或几十年完成的科学计算（如天气预报、有限元计算等）能在几小时或更短时间内得到结果。计算机的高速度使它在金融、交通、通信等领域中能达到实时和快速的服务。这里的“处理速度快”指的不仅局限于算术速度，也包括逻辑运算速度。极高的逻辑判断能力是计算机广泛应用于非数值数据领域中的首要条件。2计算机精度高由于计算机采用二进制数字进行运算，因此计算精度主