计算机科学导论

普通高等院校“十四五”计算机类专业系列教材

计算机科学导论

主编杜小甫刘鹤丹付爽

副主编郭一晶曾党泉白书平

陈晓凌黄凤英

内容简介

本书着重培养学生的“计算思维”能力，力图使读者通过学习本书，对计算机科学建立

起初步而全面的了解。全书共分12章，内容主要包括计算机科学基本概念、数制与信息编

码、计算机硬件组成、操作系统基础、程序设计与软件开发基础、网络与信息安全基础、数

据库应用基础、Office办公软件应用和计算机科学前沿展望等。

本书兼具基础性、前沿性和应用性，在普及计算机科学基本原理的同时，介绍近年来计

算机学科发展的前沿成果，同时又着重培养学生的应用实践能力。

本书适合作为普通高校信息大类“计算机导论”课程的教材，也可以作为计算机专业学

习者的入门自学教材。

图书在版编目（CIP）数据

计算机科学导论/杜小甫，刘鹤丹，付爽主编.—

北京：中国铁道出版社有限公司，2022.8

普通高等院校“十四五”计算机类专业系列教材

ISBN978-7-113-29353-6

Ⅰ.①计…Ⅱ.①杜…②刘…③付…Ⅲ.①计算机

科学-高等学校-教材Ⅳ.①TP3

中国版本图书馆CIP数据核字（2022）第111179号

书名：计算机科学导论

作者：杜小甫刘鹤丹付爽

策划：贾星编辑部电话：（010）63549501

责任编辑：贾星贾淑媛

封面设计：刘颖

责任校对：焦桂荣

责任印制：樊启鹏

出版发行：中国铁道出版社有限公司（100054，北京市西城区右安门西街8号）

网址：/51eds/

印刷：三河市宏盛印务有限公司

版次：2022年8月第1版2022年8月第1次印刷

开本：787mm×1092mm1/16印张：23.25字数：624千

书号：ISBN978-7-113-29353-6

定价：60.00元

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书，如有印制质量问题，请与本社教材图书营销部联系调换。电话：（010）63550836

打击盗版举报电话：（010）63549461

前言

近年来，经历着第三次工业革命和第四次工业革命的大潮洗礼，人类已经全面进入

了信息时代，以计算机为代表的信息技术已经成为人类的基础生产力。信息技术深刻地

影响着其他一切行业的基本运行模式，计算机技术已渗透到各行各业，“计算思维”也成

为大学教育的重要基础组成部分。无论哪个专业，都有必要掌握“计算思维”，了解计算

机技术在各自学科领域中的应用技术。“计算思维”也成为了继“实验思维”和“理论思

维”之后的第三种基本科学思维方法。

本书在编写过程中以通俗易懂、紧跟科技前沿为宗旨，期望能够适应学生的需求，贴合

教学目标。在内容组织上强调计算思维能力的培养，将计算思维能力的训练融入计算机专业

完整的教学体系中，从而实现计算机导论课程的教学改革。本书的主要特色如下：

●着重对计算机基础理论知识进行讲解和介绍。

●力求通过深入浅出的语言风格，讲授计算机和计算思维之间相互支撑和相互制约的关系。

●突出介绍计算机科学与技术发展的最新技术和成果，将其融入课程内容中。

●将“计算思维”的新理念贯穿始终，达到提升计算机专业能力的教学目的。

●将理论知识和实际应用相结合，让学生清楚地了解计算机擅长哪些方面、计算机能做

什么、如何利用计算机来解决实际问题。

本书共分12章，内容主要包括计算机科学的基本概念、数制与信息编码、计算机硬

件组成、操作系统基础、程序设计与软件工程基础、计算机网络与信息安全基础、数据

库应用基础、Office办公软件应用和计算机科学前沿展望等。

本书的编者都是多年从事大学计算机专业教学的一线教师，在各自从事的专业领域

具有丰富的教学经验。各章节中有很多素材，也经历了多年的一线教学实践的检验。本

书由杜小甫、刘鹤丹、付爽任主编，由郭一晶、曾党泉、白书平、陈晓凌、黄凤英任副

主编。具体编写分工如下：第1章、第5章由杜小甫编写，第2章由陈晓凌编写，第3

章由白书平编写，第4章、第8章由付爽编写，第6章由郭一晶编写，第7章、第10

章、第11章由刘鹤丹编写，第9章由黄凤英编写，第12章由曾党泉编写。刘鹤丹、

付爽参与全书各章节修改及编校工作，全书由杜小甫统稿和定稿。

由于编者水平有限，加上时间仓促，书中难免会存在疏漏和不足之处，恳请广大读

者批评指正。勘误信息请发送到电子邮箱duerfu@163.com。

编者

2022年3月

目录

第1章计算机科学概述1

1.1计算机发展历史1

1.1.1第一台电子计算机1

1.1.2电子计算机的发展2

1.1.3微型计算机的发展2

1.1.4计算机的未来发展4

1.2计算机的特点及分类5

1.2.1计算机的特点5

1.2.2计算机的分类6

1.3冯·诺依曼体系计算机8

1.3.1基本概念8

1.3.2当代计算机基本硬件结构9

1.3.3当代计算机的基本软件结构10

1.3.4操作系统10

1.3.5数据库管理系统11

1.3.6语言处理程序12

1.3.7应用软件12

1.4计算机的应用领域13

1.5计算思维14

1.5.1“计算思维”的基本概念14

1.5.2“计算思维”的特征14

1.5.3“计算思维”的要素15

本章小结17

习题17

第2章数制与信息编码18

2.1数制的基本概念18

2.1.1“模拟”和“数字”18

2.1.2数制系统19

2.2数制转换19

2.2.1常见数制19

2.2.2R进制数转换为十进制数21

2.2.3十进制数转换为R进制数21

2.2.4二进制数与八进制、十六进制数之间的转换23

2.3整数的机内表示23

2.3.1有符号整数和无符号整数23

2.3.2原码、反码、补码24

I

计算机科学导论

2.3.3基本的整数运算27

2.4小数的机内表示29

2.4.1定点表示法29

2.4.2浮点表示法30

2.5字符的机内表示30

2.5.1ASCII码31

2.5.2汉字编码32

2.5.3统一编码字符集34

2.6其他信息的机内表示34

2.6.1图像信息编码35

2.6.2声音信息编码36

2.6.3视频信息编码38

本章小结39

习题40

第3章计算机硬件组成41

3.1计算机硬件的三个子系统41

3.1.1计算机硬件系统的组成41

3.1.2计算机的工作原理43

3.1.3计算机组成部件的三个子系统43

3.2中央处理单元和指令执行43

3.2.1中央处理单元44

3.2.2指令执行46

3.3存储子系统48

3.3.1主存储器48

3.3.2辅助存储器50

3.3.3主存储器与辅助存储器的区别53

3.3.4主存储器与寄存器和高速缓冲存储器的比较54

3.4输入/输出子系统54

3.4.1输入设备54

3.4.2输出设备56

3.5三个子系统互连58

3.5.1通过总线实现CPU和主存储器的连接58

3.5.2通过接口实现I/O设备的连接58

3.5.3微型计算机子系统互连设备—主板59

本章小结61

习题61

第4章操作系统基础62

4.1操作系统的概念和发展历史62

4.1.1操作系统的概念62

4.1.2操作系统发展历史63

4.2操作系统基础64

II

目录

4.2.1用户界面64

4.2.2内存管理器64

4.2.3进程管理器65

4.2.4设备管理器66

4.2.5文件管理器66

4.3主流操作系统介绍67

4.3.1DOS67

4.3.2Windows67

4.3.3Linux68

4.3.4UNIX68

4.3.5MacOS69

4.3.6国产操作系统介绍69

4.4Windows10操作系统70

4.4.1桌面及其设置70

4.4.2账户与设置73

4.4.3程序与文件管理77

4.4.4管理文件和文件夹81

4.4.5磁盘和设备管理86

本章小结96

习题96

第5章程序设计基础98

5.1程序设计的基本概念98

5.2程序设计语言的发展历史和种类98

5.3程序基本结构100

5.4程序开发基础102

5.4.1Scratch介绍102

5.4.2顺序结构程序104

5.4.3选择结构程序107

5.4.4循环结构程序108

5.4.5一个完整的小游戏108

5.5常用算法介绍110

5.5.1算法基础110

5.5.2算法流程图112

5.5.3排序算法113

5.6常用数据结构介绍114

5.6.1数据结构基础114

5.6.2数组基础115

本章小结116

习题116

第6章软件工程基础117

6.1软件生存周期117

III

计算机科学导论

6.1.1需求分析117

6.1.2系统设计120

6.1.3系统实现123

6.1.4系统测试124

6.2常见软件开发模型介绍126

6.2.1瀑布模型126

6.2.2快速原型模型127

6.2.3增量模型128

6.2.4敏捷开发模型129

6.3常用软件开发工具介绍130

本章小结131

习题131

第7章计算机网络与信息安全132

7.1计算机网络的基本概念132

7.1.1计算机网络的定义和功能132

7.1.2计算机网络的组成与分类133

7.2网络协议与体系结构134

7.2.1网络协议的基本概念134

7.2.2网络体系结构134

7.3因特网应用136

7.3.1万维网WWW136

7.3.2浏览器InternetExplorer的设置138

7.3.3电子邮件146

7.3.4网盘的应用151

7.4信息安全基本概念155

7.4.1信息安全与信息系统安全155

7.4.2信息安全的实现目标156

7.5常用保密技术介绍157

7.5.1信息安全威胁157

7.5.2信息系统不安全因素158

7.5.3信息安全防范技术159

本章小结165

习题165

第8章数据库应用基础166

8.1数据库原理概述166

8.1.1数据库技术的概念166

8.1.2数据模型167

8.1.3概念模型168

8.1.4逻辑模型171

8.2关系数据库173

8.2.1数据结构173

IV

目录

8.2.2常用术语174

8.3Access2016基础知识175

8.3.1Access2016概述175

8.3.2数据表177

8.3.3查询187

8.3.4窗体192

8.3.5报表195

8.3.6宏195

8.3.7模块195

本章小结196

习题196

第9章Word2016文字处理199

9.1Word2016简介199

9.1.1Word2016概述199

9.1.2Word2016的新增功能199

9.2Word2016基础知识200

9.2.1Word2016的启动200

9.2.2Word2016的退出200

9.2.3Word2016的窗口组成201

9.3文档的基本操作202

9.3.1文档的新建202

9.3.2文档的保存203

9.3.3文档的打开和关闭204

9.3.4文档的显示方式205

9.4文档的基本排版207

9.4.1输入文档内容207

9.4.2文本的编辑210

9.4.3拼写检查与自动更正214

9.4.4字符的格式化215

9.4.5段落的格式化216

9.4.6页面格式化219

9.5图文混排220

9.5.1使用文本框220

9.5.2图片221

9.5.3使用艺术字224

9.5.4使用各类图形225

9.5.5使用图表227

9.6使用表格227

9.6.1创建表格227

9.6.2编辑表格228

9.6.3设置表格格式232

9.6.4表格的高级应用233

V

计算机科学导论

9.7文档的高级排版237

9.7.1格式刷的使用237

9.7.2长文档处理237

9.7.3分隔符242

9.7.4编辑页眉和页脚244

9.7.5脚注、尾注和题注247

9.7.6文档的页面设置与打印248

本章小结252

习题252

第10章电子表格处理软件Excel2016254

10.1Excel2016的基础知识254

10.1.1Excel2016的新增功能254

10.1.2Excel2016的基本功能及特点255

10.1.3Excel2016的启动和退出255

10.1.4Excel2016的窗口页面257

10.2Excel2016的基本操作258

10.2.1工作簿的创建、保存和打开258

10.2.2选定单元格260

10.2.3撤销与恢复261

10.2.4数据编辑261

10.2.5数据自动填充263

10.2.6单元格的操作264

10.3工作表的编辑266

10.3.1选定工作表266

10.3.2插入工作表267

10.3.3删除工作表267

10.3.4重命名工作表267

10.3.5复制和移动工作表267

10.3.6隐藏或显示工作表268

10.3.7共享工作簿268

10.4工作表的格式化269

10.4.1使用格式刷269

10.4.2设置字符格式270

10.4.3设置数字格式270

10.4.4设置单元格对齐方式272

10.4.5设置边框272

10.4.6设置背景273

10.4.7设置行高和列宽274

10.4.8自动套用样式275

10.4.9条件格式275

10.5公式与函数278

10.5.1使用公式278

VI

目录

10.5.2使用函数283

10.5.3错误值285

10.6数据管理287

10.6.1数据筛选288

10.6.2数据排序290

10.6.3数据分类汇总290

10.6.4数据透视表和数据透视图291

10.7数据图表295

10.7.1创建图表295

10.7.2修改图表297

10.8页面设置与打印299

10.8.1页面设置299

10.8.2打印预览301

10.8.3打印工作表301

10.9Excel2016的重要功能303

10.9.1自定义功能区303

10.9.2公式编辑器304

本章小结305

习题305

第11章PowerPoint2016电子演示文稿308

11.1PowerPoint2016的基础知识308

11.1.1PowerPoint2016的新增功能308

11.1.2PowerPoint2016的工作界面308

11.1.3PowerPoint2016的视图309

11.2创建演示文稿313

11.2.1创建空白演示文稿313

11.2.2用模板来创建文稿315

11.2.3幻灯片的操作与编辑315

11.3制作幻灯片317

11.3.1选择幻灯片版式317

11.3.2插入文本319

11.3.3插入图片和剪贴画321

11.3.4插入表格和图表322

11.3.5插入SmartArt图形326

11.3.6插入超链接和动作设置（动画）330

11.3.7添加音频和视频文件333

11.4修饰幻灯片335

11.4.1幻灯片母版335

11.4.2幻灯片主题的设计336

11.5设置幻灯片的放映效果337

11.5.1幻灯片的动画337

11.5.2设置幻灯片的切换效果338

VII

计算机科学导论

11.5.3幻灯片的放映339

11.6演示文稿的导出342

11.6.1将演示文稿导出为其他格式文件342

11.6.2保护演示文稿342

11.6.3打印演示文稿343

本章小结344

习题344

第12章计算机科学前沿347

12.1人工智能技术347

12.1.1人工智能技术概述347

12.1.2人工智能技术研究和应用349

12.1.3人工智能技术对未来的影响350

12.2云计算技术350

12.2.1云计算技术概述350

12.2.2云计算技术应用351

12.2.3云计算技术对未来的影响352

12.3大数据技术352

12.3.1大数据技术概述352

12.3.2大数据技术应用353

12.3.3大数据技术对未来的影响354

12.4物联网技术354

12.4.1物联网技术概述354

12.4.2物联网技术应用355

12.4.3物联网技术对未来的影响356

12.5区块链技术357

12.5.1区块链技术概述357

12.5.2区块链技术应用358

12.5.3区块链技术对未来的影响359

本章小结360

习题360

参考文献360

VIII

第1章

计算机科学概述

随着以计算机、物联网、云计算、人工智能、5G通信、智能制造等技术为代表的第

四次工业革命的蓬勃发展，计算机技术已经成为各行各业的基础生产力。在日常工作、学

习过程中，几乎离不开计算机的帮助。

回顾计算机科学的发展历史，同时也是在回顾第三次工业革命的历史，我们可以再次

深刻地认识到“科学技术是第一生产力”这一伟大论断的正确性。新中国成立后，通过几

十年几代人的艰苦奋斗，中国在第三次工业革命中一直努力走在世界科技发展的前沿。而

在方兴未艾的第四次工业革命中，中国弯道超车，更是在很多领域位于世界科技发展的第

一梯队中。作为新时代的大学生，大家要增强对我国科技发展的自信心，树立科技强国理

念，坚定“四个自信”，在专业领域作出自己的贡献。

通过本章的学习，大家将会对计算机的发展历史、冯·诺依曼体系计算机的基本组成

以及计算机应用领域等知识具有初步的认知。希望大家能够初步认识并建立起“计算思

维”，为后续的专业学习打下基础。

1.1计算机发展历史

1.1.1第一台电子计算机

目前对“计算机”比较公认的定义为：能够按照程序自动运行，高效处理海量数据的

现代智能电子设备。和所有事物一样，人类计算工具的发展也经历了从简单到复杂、从低

级到高级的过程。人类历史中使用的算盘、计算尺、机械齿轮计算机等，都属于传统计算

工具。它们在不同的历史时期发挥了各自的作用，也为现代电子计算机的产生和发展奠定

了一定的基础。

20世纪初，电子技术得到了迅猛的发展。1904年，英国电气工程师弗莱明（J.A.Fleming）

研制出了真空二极管；1906年，美国发明家、科学家福雷斯特（D.Forest）发明了真空三

极管。这些都为电子计算机的出现奠定了基础。

目前世界公认的第一台电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC。1943

年，正值第二次世界大战，由于军事上的需要，美国军械部与宾夕法尼亚大学的莫尔学院

签订合同，研制一台电子计算机，取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd

Computer），意思是“电子数值积分和计算机”。在莫奇里（J.W.Mauchly）和埃克脱（J.Eckert）

的领导下，ENIAC于1945年底研制成功。1946年2月15日，人们为ENIAC举行了揭幕

1

计算机科学导论

典礼，所以通常认为世界上第一台电子计算机诞生于1946年。

ENIAC重30t，占地167m2，用了18000多个电子管、1500多个继电器、70000多个

电阻、10000多个电容，功率为150千瓦。ENIAC每秒可完成5000次加减法运算，虽然其

运算速度很慢，但它的诞生宣布了电子计算机时代的到来。

1.1.2电子计算机的发展

自ENIAC诞生以来，由于人们不断将最新的科学技术成果应用在计算机上，同时科学

技术的发展也对计算机提出了更高的要求，再加上计算机公司之间的激烈竞争，在短短的

50多年中，计算机技术取得了突飞猛进的发展，计算机体积越来越小、功能越来越强、价

格越来越低、应用越来越广。通常人们按计算机所采用的核心元器件将其划分为4代。

1．第一代计算机（1945—1958年）

这一时期计算机的元器件大都采用电子管，因此称为电子管计算机。这时计算机软件

还处于初始发展阶段，人们使用机器语言与符号语言编制程序，应用领域主要是科学计算。

第一代计算机不仅造价高、体积大、耗能多，而且故障率高。第一代计算机的代表性产品

有ENIAC（1946年）、ISA（1946年）、EDVAC（1951年）、UNIVACl（1951年）、IBM701

（1953年）等。

2．第二代计算机（1959—1964年）

这一时期计算机的元器件大都采用晶体管，因此称为晶体管计算机。其软件开始使用计算机

高级语言，出现了较为复杂的管理程序，在数据处理和事务处理等领域得到应用。这一代计算机

的体积大大减小，具有运算速度快、可靠性高、使用方便、价格便宜等优点。第二代计算机的代

表性产品有UnivacLARC（1960年）、IBM7030（1962年）、ATLAS（1962年）等。

3．第三代计算机（1965—1970年）

这一时期计算机的元器件大都采用中小规模集成电路，因此称为中小规模集成电路计

算机。软件出现了操作系统和会话式语言，应用领域扩展到文字处理、企业管理、自动控

制等。第三代计算机的体积和功耗都进一步减小，可靠性和速度也得到了进一步提高，产

品实现系列化和标准化。第三代计算机的代表性产品有IBM360（1965年）、CDC7600（1969

年）、PDPⅡ（1970年）等。

4．第四代计算机（1971年至今）

这一时期计算机的元器件大都采用大规模或超大规模集成电路（VLSI），因此称为大规

模或超大规模集成电路计算机。软件也越来越丰富，出现了数据库系统、可扩充语言、网

络软件等。这一代计算机的各种性能都得到大幅度提升，并随着微型计算机网络的出现，

其应用已经渗透到国民经济的各个领域，在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识

别、专家系统及家庭娱乐等众多领域中大显身手。第四代计算机的代表性产品有CRAYⅠ

（1976年）、VAXⅡ（1977年）、IBM4300（1979年）、IBMPC（1981年）等。

1.1.3微型计算机的发展

在第四代计算机发展过程中，人们采用超大规模集成电路技术，将计算机的中央处理

器（CPU）制作在一块集成电路芯片内，将其称作“微处理器”。由微处理器、存储器和输

2

–第1章计算机科学概述

入/输出接口等部件构成的计算机称为微型计算机。我们日常生活中使用的台式计算机、笔

记本计算机等，都属于微型计算机。

1971年，美国英特尔（Intel）公司研制成功第一个微处理器Intel4004，同年，以这

个微处理器构造了第一台微型计算机MSC4，此后这一系列的微处理器不断发展，不仅引

导了微处理器发展的潮流，而且还引导了微型计算机发展的潮流。

自Intel4004问世以来，微处理器发展极为迅速，大约每两三年就换代一次。依据微

处理器的发展进程，微型计算机的发展也大致可分为几代：

1．第一代微型计算机（1971—1973年）

第一代微型计算机采用的是4位或8位微处理器，包括Intel公司的4004、4040、8008

等。这些微处理器集成度达到每片2000个晶体管，功能相对简单。这一代微型计算机的

代表性产品有Intel公司的MSC4和MSC8。

2．第二代微型计算机（1973—1977年）

第二代微型计算机采用的是8位微处理器，包括Intel公司的8080、8085，Motorola

公司的M6800和Zilog公司的Z80等，集成度达到每片9000个晶体管。这一代微型计算

机也称8位微型计算机。其代表性产品有Radioshack公司的TRS80和Apple公司的Apple

Ⅱ。特别是AppleⅡ，被誉为微型计算机发展的第一个里程碑。

3．第三代微型计算机（1978—1983年）

第三代微型计算机采用的是16位微处理器，包括Intel公司的8086、8088、80286，

Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000等，其集成度达到每片29000个晶体管。这

一代微型计算机也称16位微型计算机。代表性产品有DEC公司的LSI11、DGC公司的

NOVA和IBM公司的IBMPC。

特别是IBMPC，性能优良、功能强大，被誉为微型计算机发展的第二个里程碑。IBM

公司开放了PC体系架构标准，允许其他公司研发符合PC标准的各种设备。很快PC体系

就成为个人计算机领域的行业标准，直至今日仍然保持极高的市场占有率。

4．第四代微型计算机（1983—2001年）

第四代微型计算机采用的是32位微处理器，包括Intel公司的80386、80486、Pentium

（奔腾）、PentiumⅡ、PentiumⅢ，Motorola公司的M68020和HP公司的HP32等，其集

成度达到每片10万个晶体管以上。后期的奔腾系列CPU，单个芯片上集成的晶体管数量已

经达到千万级以上。这一代微型计算机的代表性产品有ComPaq公司的ComPaq486、

ComPaq586，AST公司的AST486、AST586等。

有些资料中，会把1993年问世的奔腾系列处理器看作第五代微处理器。尤其是1997

年问世的第3代奔腾处理器（PentiumⅢ），首次采用了MMX（多媒体扩展）指令集。它的

出现，使普通个人计算机也能够处理视频、音频等多媒体数据，从而让个人计算机真正进

入多媒体时代。从这个角度来说，奔腾系列微处理器确实居功甚伟。

5．第五代微型计算机（2001年至今）

第五代微型计算机采用的是64位微处理器，包括Intel公司的Itanium(安腾)、Itanium2、Core

（酷睿），AMD公司的Sempron、Opteron、Athlon、Duron、Ryzen等。Itanium微处理器是Intel公

司于2001年5月推出的，它是Intel公司和HP公司合作开发的第一款通用64位微处理器。

3

计算机科学导论

第五代微处理器中，单个芯片的集成度普遍达到每片1000万个晶体管以上，2006年

发布的Core2，单个芯片的集成度已经达到一亿四千万以上。另外，在第五代微处理器中，

广泛采用多核技术。也就是在一块CPU上集成多个内核，每个内核的性能就是传统意义上

的一个CPU。这种多核技术，使普通家用计算机的CPU集成度达到了恐怖的十亿级别。这

使得微型计算机的性能得到极大提高，很多微型计算机的性能都达到或超过小型计算机。

1.1.4计算机的未来发展

目前绝大多数计算机的核心元器件仍然采用超大规模集成电路，所以仍然普遍认为我

们还处于第四代计算机时代。但是计算机的未来发展已经在很多方向出现了曙光。基于各

种新型核心计算元器件的新型计算机初露苗头，它们采用的核心元器件不再是集成电路，

甚至不再是单纯的电子设备。

1．量子计算机

量子计算机，简单地说，它是一种可以实现量子计算的机器，它通过量子力学规律实

现数学和逻辑运算，实现信息存储和处理。量子计算机以“量子态”为基本的记忆单元，

将量子动力学演化为信息传递与加工的基础，因此在量子计算机中各种硬件元件的尺寸达

到原子或分子量级。传统计算机可以通过一些基础物理状态的变化来表示0或1的区别，

例如集成电路中某个电路的通断、磁盘中某个小磁粒的极性、光盘轨道上某个位置是否有

坑等等。量子计算机也有着自己的基本单位—昆比特（Qubit）。昆比特又称量子比特，

它通过量子两态的量子力学体系来表示0或1，比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中

电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，原子中量子处在的两个不同能级，或任何量子系

统的空间模式等。量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化。

以中国科学院潘建伟院士为代表的中国量子计算机研发团队，目前处于世界领先地位。

2020年12月4日，潘建伟院士团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解

数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破

使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

2．分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。它的运行是吸收分子晶体上以电荷

形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子芯片体积大大减小，效率大大提

高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。

分子计算机具有惊人的存储容量，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分

子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。

3．光子计算机

1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。

光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。由于光子比电子速度

快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。它的存储量是现代计算机的几万倍，还可以

对语言、图形和手势进行识别与合成。

许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技

4

–第1章计算机科学概述

术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

4．纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件的尺寸在几到几十纳

米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单

位，一个纳米等于10-9米，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅

速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制

造出具有特定功能的产品。纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种

处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体

积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要

耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

5．生物计算机

20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以

期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机——生物计算机。用蛋白质制造的计

算机芯片，存储量可以达到普通计算机的10亿倍。生物计算机元件的密度比大脑神经元的密

度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。其特点是可以实现分布式联

想记忆。并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。它是一种有知识、会学习、能推理的计

算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用

自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出

结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

1.2计算机的特点及分类

1.2.1计算机的特点

1．运算速度快

计算机可以高速准确地完成各种算术运算，计算机最基本的特点就是速度快。

Flops（Floating-pointOperationPerSecond，每秒浮点运算）是目前最常用的衡量计算

机性能的单位，指计算机每秒能进行多少次浮点数运算。目前普通家用计算机速度可达每

秒几十到几百GFlops，在1秒内可以完成几百亿到几千亿次浮点运算。

在各类计算机中，运算速度最快的是超级巨型计算机。根据2021年6月底公布的最新

超级计算机排行榜，目前排名第一的是日本超级计算机Fugaku，速度达到了442PFlops，

也就是每秒完成44.2亿亿次浮点运算。

超级计算机是一个国家综合国力的体现，我国近年来在超级计算机领域始终处于第一

梯队。例如最新榜单中，我国的“神威·太湖之光”位于第四名（见图1-1），速度达到93

PFlops。它一分钟的计算量，相当于全球72亿人利用手持计算器连续计算32年。另外，

我国的“天河二号”目前排名第七，速度达到61PFlops。

2．计算精度高

科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导

弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有

5

计算机科学导论

十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何其

他计算工具望尘莫及的。目前普通家用计算机内部数据位数为64位（二进制），可精确到

15位有效数字（十进制）。同时，我们可以采用算法进一步提高精度，例如在2019年，谷

歌的工程师通过超级计算机，耗时4个月，将圆周率精确到了小数点后31.4万亿位。

图1-1“神威·太湖之光”超级计算机

3．记忆能力强

计算机的存储器类似于人的大脑，能够记忆大量的信息。它能把数据、程序存入，进

行数据处理和计算，并把结果保存起来。目前普通家用计算机的存储容量达到1TB字节以

上，也就是能保存1万亿个二进制的0或1。这些信息，不仅包括各类数字信息，还包括

数字化后的各种多媒体信息，例如视频、音频、图片等。

4．逻辑判断能力强

计算机的两个基础运算能力包括算术运算，例如加、减、乘、除，还包括逻辑运算，

例如与、或、非。利用基础的逻辑运算，计算机能对信息进行比较和判断。这种能力，保

证了计算机信息处理的高度自动化。

5．智能化程度高

由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序组纳

入计算机内存中，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预，这就

是“自动化”。由于历史条件的限制，早期计算机的软硬件技术存在较大局限，当时只能实

现“自动化”。近十年，随着人工智能等技术的突破，我们已经可以说，计算机具有了“智

能化”的特征。“智能化”相对于“自动化”，最大的进步在于具有了一定程度的自主学习

能力。“自动化”的计算机，在遇到程序代码预设的条件之外的异常情况，往往无法处理，只

能寻求人工帮助。而“智能化”的计算机，遇到预料之外的异常时，具有一定的自主学习能力，

能够一定程度上自行解决问题。并且这种解决问题的能力会随着问题出现次数的增加而不断自

我完善。当问题出现次数较多时，计算机对这类问题的解决办法就会不断成熟。

1.2.2计算机的分类

随着计算机的不断发展，各种计算机类型都得到了广泛的应用。随着计算机技术的迅

速发展，计算机的种类也非常的多，可以按不同的方法对计算机进行分类，这些分类方法

在不同的时期也不完全一样。

6

–第1章计算机科学概述

1．按计算机性能分类

这是常用的一种分类方法，按这种方法，可以将计算机分为巨型机、大型机、小型机、

微型机、工作站和服务器。

（1）巨型机也称为超级计算机，是目前功能最强、速度最快，价格最昂贵的计算机，

一般用于气象、航空、能源等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算，巨型机主要用

在国家的高级研究机关，例如国防的尖端技术、空间技术、重大的灾害预报等。巨型机的

开发研制是一个国家综合国力和国防实力的体现，世界上只有少数几个国家能生产这种机

器，例如美国的Summit、Titan，日本的Fugaku等。我国生产的银河-Ⅲ、天河2号和神威·太

湖之光都属于巨型机。

（2）大型机也有较高的运算速度和较大的存储容量，规模上比巨型机要小，允许有几

十个用户同时使用，例如IBM4300系列、IBM9000系列等都属于大型机。大型机主要用

于科学计算、银行业务、大型的企业等。

（3）小型机规模比大型机要小，但仍可以支持十几个用户同时使用，这类机器价格便

宜，适合于中小型单位使用，例如DEC公司生产的VAX系统，IBM公司生产的AS/400系

列都是典型的小型机。

（4）微型机也称为个人计算机PC（PersonalComputer），采用微处理器芯片、半导体存

储器芯片和输入/输出芯片等主要元件组装，最大的特点就是体积小、价格便宜、灵活性好，

最适合于家庭个人的使用，因此更有利于普及和推广。目前，微型机已广泛应用于办公自

动化、信息检索、数据库管理、企业管理、图像识别、家庭教育和娱乐等。通常的微型机

包括台式机和笔记本计算机，除此之外，掌上电脑、PDA（个人数字助理）、平板电脑、智

能手机等也属于微型机。

（5）工作站的性能与功能较强的高档微机之间已经没有明显的差别，它们的区别往往

在于应用目的不同。普通微机用于一般办公学习，没有很强的目的性，而工作站往往用于

某个技术领域的专业开发，因此需要针对该技术领域进行相关软硬件的专门强化升级。例

如用于工程制图、计算机动画制作等工作的图形工作站，往往配备更好的显示器和更专业

的显卡，一般也需要配套AutoCAD、Photoshop、Maya等专业软件。用于音频处理、录音制

作等工作的音频工作站，则要配备专业的声卡、高保真麦克风，以及AdobeAudition、Cubase

等专业的音频处理、编曲软件。

（6）和工作站类似，服务器也是从应用目的角度划分的一种计算机类型。服务器一般

用于被网络用户共享，为广大远程用户提供优秀迅捷的网络服务。为了追求更好的性能，

服务器的硬件配置往往较高，例如高性能的CPU、大容量的存储器、快速的网络适配器等，

同时也要安装为用户服务的专用软件。服务器用于存放各类网络资源并为网络用户提供不

同的资源共享服务，根据更细致的功能划分，服务器又包括Web服务器、电子邮件服务器、

域名服务器、用于文件传输的FTP服务器等。

2．按处理数据的形态分类

按处理数据的形态，可以将计算机分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机。模拟

计算机处理的数据是连续的，称为模拟量。模拟量可以用电信号的连续变化来模拟其他物

理量的连续变化，例如用电流来模拟声波、用电压来模拟温度等。

7

计算机科学导论

数字计算机处理的数据都是用“0”或“1”表示的二进制数字，用二进制数字来表示

在时间上和幅度上都离散的量，它的基本运算部件是数字逻辑电路，运算结果也是以数字

形式保存，然后通过输出设备将其转换为相应的模拟信号形式输出。

模拟计算机的优点是运算速度快，缺点是精度差，通用性差；数字计算机优点是精度

高、存储量大、通用性强；混合计算机则是集模拟和数字计算机的优点于一身。

我们目前普及使用的计算机全称应该是微型电子数字计算机。

3．按使用范围分类

按使用范围可以将计算机分为通用计算机和专用计算机，通用计算机可以执行不同程

序，满足不同需求，例如可以进行科学运算、工程设计和数据处理等。我们平时使用的PC，

以及各种智能手机，都是通用计算机。

专用计算机是为满足某种特殊需要而设计的计算机，往往运行的程序单一，针对性强、

效率高。例如手持式计算器、公交车刷卡器、网络路由器等，都是专用计算机。

1.3冯·诺依曼体系计算机

1.3.1基本概念

美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出“存储程序”“二进制”“五大部件”等思想，

并成功将其运用在计算机的设计之中。根据这一系列思想原理制造的计算机被统称为

“冯·诺依曼体系计算机”。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称

为“现代计算机之父”。

从严格意义上来说，世界上第一台现代电子计算机ENIAC并不符合冯·诺依曼的思想，

并不是完整意义上的“冯·诺依曼体系结构计算机”。ENIAC存在两个明显的缺陷：①没有

存储器；②只能使用布线接板进行硬连接（硬编程）。冯·诺依曼本人在较晚期才介入到

ENIAC的研发，因此ENIAC并没有严格按照冯·诺依曼的思路来建设。为了更好地实现自

己的设想，1945年冯·诺依曼提出了EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer

的缩写）的设计草稿，并于1951年正式交付使用。EDVAC才是真正意义上的第一台“冯·诺

依曼体系计算机”。

具体来说，“冯·诺依曼体系计算机”都具有如下三个共同特征：

1．二进制

所有的“冯·诺依曼体系计算机”内部数据都采用二进制形式存储、处理、表示。

二进制具有技术实现简单、可靠性高、运算规则简单等优点。

只要一个物理量具有两种稳定的对立状态，那么就可以用来实现二进制。例如电路的

开关、磁体的极性、电压的高低、光线的明暗等，都可以用来表达实现二进制。二进制中

只使用“0”和“1”两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障计算机具有很高的

可靠性。与十进制数相比，二进制数的运算规则要简单得多，这不仅可以使运算器的结构

得到简化，而且有利于提高运算速度。

2．五大部件

冯·诺依曼体系计算机包括五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设

8

–第1章计算机科学概述

备。它们各司其职，紧密合作，完成了各种复杂的操作。即使到了今天，各种各样无比复

杂的计算机设备，也都可以归类于这五大部件。

3．“存储程序”思想

“存储程序”思想，是将“程序”和“数据”一样存放到存储器中，计算机工作时，一

条条读入程序中的指令，并在其控制下一步一步完成处理，直到得出结果。

“存储程序”思想本质上是将硬件“软化”的一种方法。首先利用硬盘等外部存储器，

将程序代码长期保存。运行程序时，将指令代码读入内部存储器，从而改变了内部存储区

的局部电路状态。这相当于临时改变了一部分硬件电路，最终导致计算机执行不同的操作，

得到不同的结果。当然，这种改变不是永久性的，内存一旦断电后，全部电路都要归零。

1.3.2当代计算机基本硬件结构

计算机系统包括硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统，硬件系统是看得见、

摸得着的实体部分；软件系统是为了利用计算机而编写的程序、数据及文档的总和。它们

的区分犹如躯体和思想一样，躯体是硬件，思想则是软件。

按照冯•诺依曼的设计，计算机结构可以归纳为五大部件，分别是控制器、运算器、存储

器、输入设备和输出设备。目前各种各样类型丰富的计算机硬件设备，都可以归类于这五大部

件之一。另外值得注意的是，随着现代计算机应用领域越来越复杂，计算机的硬件结构也越来

越复杂，很多硬件设备包含了多个部件的功能。例如在显卡（显示适配器）中，既包含了控制

器、运算器，使它可以完成复杂的视频信号处理，同时显卡中又有大容量的存储器（显存），

使其可以保存海量的中间数据，最后在显卡中又有复杂输入、输出的电路。

如图1-2所示，是当代微型计算机（简称微型机）系统的基本组成。其他类型计算机

系统的组成和其类似。

图1-2微型计算机系统组成图

9

计算机科学导论

1.3.3当代计算机的基本软件结构

软件是指计算机程序、支持程序运行的数据，以及开发、使用和维护程序所需要的相

关的技术文档的组合。可以简单地把软件看作“程

序、数据、文档”的组合。

当代计算机中，根据软件的用途可以将软件分

为系统软件、支撑软件和应用软件三大类，如图1-3

所示。

系统软件是指管理、维护计算机，为用户使用

计算机提供服务的软件。系统软件一般与具体的应

用无关，可以直接操作硬件。系统软件可以确保计

算机正常工作，并为用户提供使用计算机的操作环图1-3当代计算机的软件结构

境。系统软件包括操作系统、数据库管理系统和硬件驱动程序等。

支撑软件一般也与具体的应用无关，它们被用来开发其他软件或对其他软件的运行提

供支撑作用。和系统软件的区别主要在于，支撑软件基于系统软件之上，一般不直接操作

硬件。常见的支撑软件包括语言处理程序、程序开发工具、应用程序接口（Application

ProgrammingInterface，API）等。普通用户基本感觉不到支撑软件的存在，但是却离不开支

撑软件的支持。

应用软件是指直接为最终用户服务的各类软件，一般都运行在系统软件的平台之上，

并得到支撑软件的支持。例如各种常用的办公软件、游戏软件、音视频播放软件等，都属

于应用软件。

1.3.4操作系统

操作系统是管理、控制和监督计算机硬件、软件资源、协调程序运行的系统，由一系

列具有不同管理和控制功能的程序组成。

操作系统则是在裸机之上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，使用操作系统有

两大目的：一是统一管理计算机系统的所有资源；二是为方便用户使用计算机而在用户和

计算机之间提供接口。

1．操作系统的管理功能