《计算机基础与C语言程序设计》课件第0章

第0章计算机基础知识0.1计算机概述0.2计算机系统的组成0.3微型计算机系统0.4多媒体计算机系统0.5信息的表示及编码0.6计算机网络基础0.7计算机安全

现代电子计算机是一种不需要人的干预，能够自动连续、快速、准确地完成信息的存储、数值计算、数据处理和过程控制等多种功能的电子机器。电子逻辑器件是它的物质基础，其基本功能是进行数字化信息处理。0.1计 算 机 概 述计算机问世以来，发展异常迅速，应用十分广泛，效果极为显著，从尖端科学领域到人类社会生活，随处可见计算机所带来的深刻变化和深远影响。不少科学家认为，计算机的发明和应用，在人类文明史中像蒸汽机的发明一样，具有划时代的历史意义。0.1.1计算机的发展

在人类发展史上，计算技术和计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的漫长发展过程。从结绳计数到进位制计数，从算盘、计算尺到手摇计算机、电动计算机，人类一直在寻求高效、快捷的计算方法和计算工具，以解决越来越复杂的计算问题。电子计算机的发明给这个问题提交了一份出色的答卷。电子计算机的问世是人类科学技术史上的一大丰碑，是20世纪人类最卓越的成就。通常我们说“计算机(Computer)”指的就是电子计算机，又称为数字电子计算机。

1.计算机的发展历程

世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它的名称叫做ENIAC(埃尼阿克，如图0-1所示)，是电子数值积分计算机(TheElectronicNumbericalIntergratorAndComputer)的缩写。它是由宾夕法尼亚大学的莫奇来(Mauchly)博士和他的学生爱克特(Eckert)研制成功的。ENIAC计算机共用了18000多个电子管，重达30吨，占地面积约170平方米，耗电150千瓦，每秒能进行5000次加法运算。图0-1ENIAC计算机与现代计算机相比，除了体积大、速度慢和能耗大外，它还有许多不足，如存储容量太小，要用外接线路的方法来设计计算程序等，但它标志着计算技术已经进入了新的电子计算机时代。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。

ENIAC诞生后，数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论，主要有两点：一是电子计算机应该以二进制为运算基础；二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作。冯·诺依曼进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。冯·诺依曼的这些理论的提出，解决了计算机运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用，所以现在的计算机都被称为以存储程序原理为基础的冯

诺依曼型计算机。冯·诺依曼还和科学家莫尔合作研制了世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，离散变量自动电子计算机)。

1951年第一款商用计算机UNIVAC(UNIVersalAutomaticComputer，全功能自动计算机)开始生产，此时，计算机第一次被作为商品出售。UNIVAC计算机生产了近50台且作为商品出售，用于公众领域的数据处理。

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、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路，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。从第一台计算机诞生到现在，计算机的发展大致可分为四代(见表0-1)，并正在向第五代发展。

表0-1电子计算机的分代

1)第一代电子计算机

第一代电子计算机是电子管计算机(1946～1957年)，这一时期计算机的主要特点是：采用电子管作为基本元件，计算机体积庞大，可靠性差，输入和输出设备有限；主存容量仅有数百字到数千字，主要以单机方式完成科学计算；程序设计使用机器语言或汇编语言；主要用于科学和工程计算；运算速度为几千次至几万次每秒。其代表机型有IBM650(小型机)、IBM709(大型机)等。

2)第二代电子计算机

第二代电子计算机是晶体管计算机(1958～1964年)，这一时期计算机的主要特点是：采用晶体管作为基本元件；体积缩小，功耗降低，提高了运算速度(可达几十万次每秒)和可靠性；用磁芯作主存储器，外存储器采用磁盘和磁带等；程序设计采用高级语言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；在软件方面还出现了操作系统。计算机的应用范围进一步扩大，除进行传统的科学和工程计算外，还应用于数据处理和事务处理等更广泛的领域。其代表机型有IBM7090、CDC7600等。

3)第三代电子计算机

第三代电子计算机是集成电路计算机(1965～1970年)，这一时期计算机的主要特点是：采用集成电路作为基本元件；体积减小，功耗、价格等进一步降低，而运算速度及可靠性则有了更大的提高；用半导体存储代替了磁芯存储器；运算速度可达几十万次到几百万次每秒；在软件方面，操作系统日益完善。这时计算机设计思想已逐步走向标准化、模块化和系列化并且应用范围更加广泛。其代表机型有IBM360等。

4)第四代电子计算机

第四代电子计算机是大规模集成电路计算机(1971年至今)，这一时期计算机的主要特点是：功能元件采用大规模、超大规模集成电路；用集成度更高的半导体芯片作为主存储器；运算速度可达百万次至亿次每秒；在系统结构方面，处理机系统、分布式系统和计算机网络的研究进展迅速；系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化，而且正在向智能化方向迈进；各种应用软件层出不穷，极大地方便了用户。第四代计算机的另一个重要分支是以LSI(大规模集成电路)为基础而发展起来的微处理器和微型计算机。

2.我国计算机的发展历程

我国电子计算机的研究是从1956年开始的，1958年研制出第一台电子管计算机，即103型通用数字电子计算机。

1964年，第一台晶体管电子计算机正式投入运行，它的运算速度达到5万次每秒。

1971年，第一台集成电路计算机研制成功，它是我国研制成功的第一批第三代计算机，同年由北京大学研制的150型百万次集成电路数字电子计算机投入使用。

1983年12月，国防科技大学成功研制出我国第一台运算速度在1亿次每秒以上的巨型机“银河—Ⅰ”。

1989年，运算速度达10亿次每秒的“银河—Ⅱ”研制成功，这是我国第一台通用并行巨型机。它具有联网能力，既可以作为超级计算机中心的主机，又可以作为大量数据处理的中心处理机，具有广泛的应用领域。

1995年5月11日，国家科委在北京组织召开了“曙光1000并行机”成果鉴定会。“曙光1000”突破了一大批大规模并行处理的关键技术，其峰值速度可达25亿次每秒，实际浮点运算速度超过10亿次每秒，内存容量为1024兆字节。“曙光1000”的研制成功，标志着我国并行处理技术迈上了一个新台阶。“曙光1000”可广泛应用于气象预报、石油勘探、地震数据处理及科研等领域。

1995年底，“曙光2000

—Ⅰ”诞生，其峰值浮点运算速度可达500亿次每秒。

20世纪末，诞生了运算速度为1000亿次每秒的“曙光2000

—Ⅱ”。

21世纪初，我国研究制造的曙光3000超级服务器投入使用。它兼顾大规模科学计算、事务处理和网络信息服务。系统峰值浮点运算速度为4032亿次每秒。

2003年初，曙光推出了面向网格技术、达到3万亿次每秒运算能力的高性能计算机曙光4000L。

2003年12月9日，联想承担的国家网格主节点“深腾6800”超级计算机正式研制成功，其实际运算速度达到4.183万亿次每秒，全球排名第14位，运行效率达78.5%。同年，曙光10万亿次超级计算机落户上海超级计算中心。

2004年6月21日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室公布了最新的全球计算机500强名单，曙光计算机公司研制的超级计算机“曙光4000A”排名第10，运算速度达8.061万亿次每秒。

3.计算机的发展趋势

未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。

1)巨型化

巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算，要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量，这就需要研制功能更强的巨型计算机。目前正在研制的巨型计算机其运算速度可达百万亿次每秒。

2)微型化

微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、更易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。

3)网络化

将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接，就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用大大提高。随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。

4)智能化

目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动，因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，这就需要进一步进行研究。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。

近年来，通过进一步的深入研究，人们发现由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机，如生物计算机、光子计算机、超导计算机等。0.1.2计算机的特点

电子计算机的特点主要有如下几点。

1.运算速度快

电子计算机具有神奇的运算速度，其速度已达到几百亿次乃至上千亿次每秒。例如，为了将圆周率π的近似值计算到小数点后第707位，一位数学家曾为此花十几年的时间，而如果用现代的计算机来计算，可能瞬间就能完成，同时可精确到小数点后第200万位。

2.计算精度高

电子计算机具有人类无法比拟的高精度控制能力。科学技术的发展，特别是尖端科学技术的发展需要高度准确的计算，只要计算机内使用的表示数值的位数足够多，就能提高运算精度。计算机的有效位数已从十几位、几十位达到目前的几百位。

3.存储容量大

计算机的存储容量是任何人的记忆能力所无可比拟的。在计算机中有容量很大的存储装置，它不仅可以长久性地存储大量的文字、图形、图像、声音等信息资料，还可以存储指挥计算机工作的程序。

4.工作自动化

电子计算机可以无需人工干预而自动、协调地完成各种运算。计算机是由内部控制和操作的，只要将事先编制好的应用程序输入计算机，计算机就能自动按照程序规定的步骤完成预定的处理任务。

5.判断能力强

电子计算机除了具有数值计算能力外，还具有很强的逻辑推理和判断能力，因而可用来代替人的一部分脑力劳动，参与企业管理、指挥生产等等。计算机的这种判断能力可以实现计算机工作的自动化，从而保证计算机控制的判断可靠、反应迅速、控制灵敏。0.1.3计算机的分类

电子计算机是一种通过电子线路对信息进行加工处理以实现其计算功能的机器，它按照不同的原则可以有多种分类方法。下面介绍一些常用的分类方法：

(1)按照信息在计算机内的表示形式是模拟还是数字量来划分，可以分成电子模拟计算机和电子数字计算机以及混合计算机三大类。

(2)根据计算机的大小、规模、性能等来划分，可以分成巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。

(3)按照计算机的设计目的来划分，分为通用计算机和专用计算机。通用计算机指用于解决各类问题的计算机。它既可以进行科学计算，又可以用于数据处理等。它是一种用途广泛、结构复杂的计算机系统。0.1.4计算机的应用

计算机的应用已渗透到国民经济的各个领域，它不仅用于科学研究，完成大量的科学计算和数据处理，而且用于辅助设计、辅助制造、辅助医疗及各种信息加工。它可以代替人的体力劳动，使大量重复性工作实现自动化，还可代替部分脑力劳动。根据应用性质，大体可分为以下几个方面。

1.科学计算

科学计算是计算机最原始的应用领域。在科学技术和工程设计中，存在大量的各类数学计算问题，其特点是数据量不很大，但计算工作量很大、很复杂，如复杂电子电路的计算、天气预报计算等。对于这类问题，若非计算机具有快速性和精确性，那么其它计算工具是难以解决的。“数值仿真”则是在此基础上发展起来的应用，例如，可以用计算机仿真原子弹的爆炸，从而避免过多的实弹试验。

2.数据处理

数据处理即信息处理，是指把各种数据输入到计算机中加工、计算、分类和整理。当前计算机的主要用途即是数据处理。数据处理的应用领域十分广泛，如企业管理、情报检索、气象预报、飞机订票、防空警戒等。数据处理的特点是要处理的原始数据量很大，而运算比较简单，有大量的逻辑运算与判断，其处理结果往往以表格或文件形式存储或输出。

3.过程控制

过程控制是指实时采集、检测数据，并进行处理和判定，按最佳值进行调节的过程。利用计算机实现生产过程的控制，不仅可以大大提高自动化水平，减轻人们的劳动强度，提高生产率，更重要的是提高了控制的准确性，提高了产品质量及成品的合格率。近年来，计算机过程控制系统在机械、冶金、石油、化工、电力、建材及轻工业等各个行业得到了广泛的应用，并获得了很高的经济效益。

4.计算机辅助设计

计算机辅助设计(CAD)是指利用计算机帮助工程人员进行各种工程设计，使设计过程趋于自动化和半自动化。使用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。CAD技术已广泛应用于船舶设计、飞机制造、建筑工程设计、大规模集成电路版图设计、机械制造等行业。CAD技术迅速发展，其应用范围日益扩大，又派生出许多新的技术分支，如计算机辅助制造CAM、计算机辅助测试CAT、计算机辅助教学CAI等等。计算机辅助教学(CAI)是指利用计算机进行辅助教学工作。它可以利用图形图像、动画、声音、视频等方式使教学过程形象化；还可以采用人机对话的方式因材施教。CAI不仅有利于提高学生的学习兴趣，还可以利用计算机辅导学生、解决问题、批改作业等。

5.人工智能

人工智能是计算机理论科学研究的一个重要领域。人工智能是研究用计算机软硬件系统模拟人类某些智能行为，如感知、推理、学习、理解等的理论和技术，其最具代表性的两个领域是专家系统和机器人。计算机专家系统可用于医疗诊断、模拟法官和律师、风险评估等领域。机器人包括遥控机器人、程序机器人、示教-再现机器人和智能机器人等。例如，利用机器人到火星表面和火山坑中采集数据。

6.多媒体应用

多媒体计算机的主要特点是集成性和交互性，即集文字、声音、图像等信息于一体，并使双方能通过计算机交互。多媒体技术的发展大大拓宽了计算机的应用领域，视频和音频信息的数字化，使得计算机逐步走向家庭，走向个人。多媒体技术丰富了人和计算机之间传递信息的途径，目前已开始用于教育训练、演示、咨询、管理、出版、办公自动化等方面。多媒体技术的发展和成熟，将为人们的学习、工作和生活建立新的方式，增添新的风采。

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统指看得见摸得着的东西；软件系统指控制计算机的各种信息，就好像存在人脑里面的各种知识一样，是看不见也摸不着的。一个完整的计算机系统组成如图0-2所示。0.2计算机系统的组成

图0-2计算机系统的组成0.2.1计算机硬件系统

计算机硬件指的是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和设备，其基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列操作，是计算机软件运行的基础。

虽然目前计算机的种类很多，制造技术发生了极大的变化，但在基本的硬件结构方面，一直沿袭着冯·诺依曼的体系结构，从功能上都可以划分为五个基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大功能部件相互配合，协同工作。其中，运算器和控制器集成在一起，称之为中央处理器(CPU)，是计算机的核心部件。存储器又分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅存储器)，中央处理器和内存储器合称主机，外存储器和输入/输出设备合称外设。硬件系统采用总线结构，各个部件之间通过总线相连构成一个统一的整体。

1.运算器

运算器也称为算术逻辑单元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，其功能是进行算术运算和逻辑运算，主要负责对信息进行加工处理。运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。

2.控制器

控制器是计算机的指挥中枢，用于控制计算机各个部件有条不紊地协同工作，其基本功能就是从内存取指令和执行指令。

3.存储器

存储器主要负责对数据和控制信息进行存储，是计算机的记忆单元。存储器分为内存(主存储器)和外存(辅存储器)两种。

1)内存

内存由半导体器件构成，计算机可以直接从中存取信息。内存分为ROM(只读存储器)和RAM(随机存储器)两种形式。

(1)

ROM：只能从中读取信息，不能写入信息(固化指令)；

(2)

RAM：既可以从中读取信息，也能写入信息。

通常所说的内存主要是指RAM。如果断电，RAM中的信息会自动消失，不会重现。

2)外存

外存用来长期存放程序和数据；外存上的信息主要由操作系统来管理；外存一般只和内存进行信息交换。常见的外部存储器有软盘(FloppyDisk)、硬盘(HardDisk)、磁带(Tape)、光盘(CompactDisc)、闪存盘(FlashMemory)。

4.输入设备

输入设备用于接受用户输入的数据和程序，并将它们转换成计算机能接受的形式(二进制数)存放到内存中。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。

5.输出设备

输出设备用于将存放在内存中的计算机处理结果输出给用户。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。0.2.2计算机软件系统

计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序、数据以及有关的文档，包括系统软件和应用软件两大类。软件是计算机的灵魂，计算机之所以能够完成各种有意义的工作，都是在软件的控制下进行的。没有安装软件的计算机称为“裸机”，无法完成任何工作。

1.系统软件

系统软件是指面向计算机管理的、支持应用软件开发和运行的软件。系统软件的通用性很强，能最大限度地发挥计算机的作用，充分利用计算机资源，便于用户使用和维护。系统软件主要包括操作系统软件、语言处理程序、数据库管理系统和其它一些软件。

1)操作系统

操作系统(OperatingSystem)是最基本、最重要的系统软件。它负责管理计算机系统的各种硬件资源(例如CPU、内存空间、磁盘空间和外部设备等)，并且负责解释用户对机器的管理命令，使之转换为机器实际的操作。常见的操作系统有DOS、Windows、Linux和UNIX等。

计算机系统的所有软、硬件资源都受操作系统统一管理、控制和调度。用户使用计算机系统的所有软、硬件资源，时刻都离不开操作系统，它给计算机系统所有软、硬件资源的利用提供了高效完善的运行环境。要操纵计算机硬件，必须通过操作系统来完成，所以操作系统是用户与计算机硬件的接口。操作系统是计算机系统中不可缺少的最基本的系统软件。其它的系统软件和软件开发工具都建立在操作系统的基础之上，它们的运行和应用都需要操作系统的支持。计算机正式使用之前，必须首先把操作系统装入硬盘，开机之后，必须先启动操作系统，然后才能干其它事。

概括地说，操作系统有两大功能：一是对计算机系统硬件和软件资源进行管理、控制与调度，以提高计算机的效率和各种硬件的利用率；二是作为用户与硬件的接口和人机对话的界面，为用户提供最佳的工作环境和最友好的服务。通俗点说，操作系统有两个职能，一是“管理员”，二是“服务员”。前一个职能旨在最大限度地提高各个计算机硬件的运行效率，以最充分地发挥各种软件及其开发工具的应用效力。后一个职能旨在最大限度地为用户使用计算机提供尽可能多的服务和方便，最大限度地提高用户使用计算机的效率。

2)计算机语言

计算机语言也称为程序设计语言，指用以编制解决实际问题的各类计算机程序。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列的集合。

计算机语言按其发展阶段一般分为三大类：机器语言、汇编语言和高级语言。

(1)机器语言。计算机只能直接接收和识别由0和1组成的指令代码，这种指令称为机器指令，机器指令的集合称为机器语言。

用机器语言编写的程序称为手编程序，手编程序能在计算机上直接执行，所以又称为目标程序。

使用机器语言编写程序，计算机能够直接识别，运行速度快，占用内存少，但难编、难读、难修改，而且机器语言因机种的不同而有所不同，用机器语言编写的程序不具有通用性。

(2)汇编语言。用一些助记符来表示机器指令，就是汇编语言。用汇编语言编写的程序称为汇编源程序。

汇编语言简单直观、便于记忆，用汇编语言编写的程序，比用机器语言编写的程序好写、好读、好修改。但计算机不能直接识别汇编语言，必须经过一个事先放在计算机内存中的翻译程序来翻译。把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编，这个翻译程序称做汇编程序。

(3)高级语言。高级语言比较接近人类的自然语言(如英语和数学语言)，易于学习和掌握，是面向过程的语言或面向对象的语言。用高级语言编写的程序，具有易学、易懂、易修改的特点，同时具有很好的通用性。常用的高级语言有BASIC、FORTRAN、Delphi、C、C++、Java等。用高级语言编制的程序(称为高级语言源程序)也需要经过翻译，计算机才能识别执行。这个过程可有两种方式：编译方式与解释方式。编译方式把高级语言所写的程序作为一个整体进行处理，使用编译程序编译后与子程序库链接，形成一个完整的可执行程序。这种方法的缺点是编译和链接较费时，但可执行程序运行速度很快。FORTRAN和C语言等都采用这种编译方法。解释方式则是使用解释程序对高级语言程序逐句解释执行。这种方法的特点是程序设计的灵活性大，但程序的运行效率较低。BASIC语言就采用这种编译方法。

3)数据库管理系统

日常许多业务处理，都是对数据库进行管理，所以计算机制造商也开发了许多数据库管理程序(DBMS)，如SQLServer、DB2、Oracle、Mysql和VisualFoxPro等。

4)其它软件

此外，系统软件还包括联网及通信软件、各类服务程序和工具软件等。

2.应用软件

应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。如微软的Office系列，就是针对办公应用的应用软件。

计算机软件已发展成为一个巨大的产业，软件的应用范围也涵盖了生活的方方面面，很多问题都可通过相应的软件来解决。以下是一些主要应用领域的软件。

办公应用：MicrosoftOffice、WPSOffice、OpenO、永中Office等。

平面设计：Photoshop、Illustrator、Freehand、CorelDRAW等。

网站开发：FrontPage、Dreamweaver等。

辅助设计：AutoCAD、Rhino、Pro/E等。

三维制作：3dsmax、Maya等。

多媒体开发：Authorware、Director、Flash等。

各个专业领域也有自己的应用软件，比如神舟七号的指挥控制系统、超市里的销售软件、民航和铁路的订票系统和企业里的ERP软件等。

微型计算机系统体积小、价格低、可靠性高、应用面广，所以发展速度非常快，是现在最为普及的一种计算机系统。0.3微型计算机系统0.3.1微型计算机的发展

1.微处理器的发展

微机的出现是以微处理器的产生为标志的，微型计算机的简史实际就是微处理器的简史。微处理器(微CPU)是微型计算机的核心部件，是计算机的中枢，对计算机的所有控制都是由CPU完成的。CPU性能是计算机的主要性能指标。

20世纪70年代初期，大规模集成电路投入市场，以大规模集成电路为主要器件的微型计算机应运而生。短短的三十几年，微型计算机或者说微处理器已经历了六个阶段，大约每三四年或更短的时间就推出一代新产品。

第一代微处理器是Intel公司于1971年推出的，以4004(4位微处理器)、4040(4位微处理器)、8008(8位微处理器)为典型代表，采用PMOS工艺，集成度达到2000晶体管/片。

第二代微处理器是1974年推出的，典型代表是8080、M6800和Z80(均为8位微处理器)。它们采用NMOS工艺，集成度达到9000晶体管/片。

第三代微处理器出现在20世纪70年代后期，由于超大规模集成电路投入使用，进一步推动微处理器向更高层次发展，以8086/8088、M68000和Z8000为代表的产品相继问世，它们采用HMOS高密度工艺，集成度达到了29000晶体管/片，是16位微处理器，运算速度比8位机快2～5倍。

第四代微处理器。1985年Intel公司又率先推出了32位微处理器80386。1989年又推出了在同一芯片中集成了数字协处理器80387的32位微处理器80486。

第五代微处理器。1993年Intel公司推出了Pentium(Pentium实际上应该称为80586，但Intel公司出于宣传竞争方面的考虑，改变了“x86”传统的命名方法)。1995年以来，CPU发展更为迅速，性能显著提高，并采用许多新技术、新工艺，更新的、性能更好的PentiumPro、PentiumMMX、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium4等芯片相继投入市场。其它公司推出的第五代CPU还有AMD公司的K5、K6、AthlonXP，VIA公司的C3处理器等。

第六代微处理器。2003年9月，AMD公司发布了面向台式机的64位处理器Athlon64和Athlon64FX，标志着64位微机时代的到来。

2.微型计算机与PC机

利用微处理器作为主要逻辑部件的电子计算机称为微型计算机。在20世纪70年代，微处理器不断发展，但微型计算机并没有成型的产品。最初的微处理器(4004)用于布什内尔发明的游戏机上。1974年，罗伯茨利用8080微处理器组装了名为“阿尔泰”的计算机，勉强可称为世界上第一台微型电脑。“阿尔泰”并未引起计算机企业的兴趣，却吸引了一批大学生，他们自发组织了一个微型电脑“协会”，自行组装“阿尔泰”，为它编制程序。比尔·盖茨为“阿尔泰”编写过BASIC程序，进而开创了Microsoft(微软)公司，专门研制销售计算机软件。乔布斯开创了苹果(Apple)公司，专营“苹果”微电脑。当微电脑引起了“蓝色巨人”美国国际商用机器公司(IBM)的注意后，该公司在1981年8月推出了采用Intel公司8088微处理器作为CPU的16位个人计算机——PC(PersonalComputer)。IBM-PC推出以后，IBM公司又利用不断更新的微处理器，相继推出IBM-PC/XT、IBM-PC/AT等换代机型，从而形成了IBM-PC系列。

3. PC机与兼容机、组装机

随着IBM-PC的兴盛，其它一些公司也纷纷仿效，相应生产了DELL(戴尔)、Compaq(康柏)、AST(宏志)、HP(惠普)等品牌的个人计算机。这些计算机以IBM-PC为参照标准，在结构设计、器件选用上与IBM-PC不尽一致，在性能上和软件应用上与IBM-PC没有很大的差异，某些方面甚至优于PC，故一般相对IBM-PC而言称之为兼容机。

购置计算机器件自行组装的计算机称为组装机。0.3.2微型计算机的组成

1.中央处理器

微型计算机硬件系统的核心是中央处理器(CPU，CentralProcessingUnit)。CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。在逻辑运算单元和控制单元中包括一些寄存器，这些寄存器用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。简单地讲，CPU是由控制器和运算器两部分组成的。

运算器是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算(加、减、乘、除等)和逻辑运算(与、或、非、异或、比较等)。控制器的功能如下：①从存储器中取出指令，并对指令进行译码；②根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号；③保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。

2.主板

主板又叫主机板(Mainboard)、系统板(Systemboard)或母板(Motherboard)。它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯接插件、扩展插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板采用开放式结构，一般上面都有几个扩展插槽，供PC机外围设备的控制卡(适配器)接插。通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。总之，主板在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。可以说，主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。

3.存储器

存储器是微机记忆或暂存数据的部件。微机中的全部信息，包括原始的输入数据、经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也存放在存储器中。

存储器分为主存储器和辅助存储器。要执行的程序和要使用的数据必须放在主存内，CPU只能直接和主存交换数据。目前，计算机和微型计算机内部使用的主存都是半导体存储器。现代微型计算机系统中广泛应用的半导体存储器有如下三种主要类型。

1)随机存取存储器(RAM)

随机存取存储器既可以读取其中的数据也可以写入数据，但是数据不能长期保存，断电后数据会很快丢失。随机存取存储器又分为静态随机存取存储器(SRAM)和动态随机存取存储器(DRAM)。

(1)静态随机存取存储器。SRAM是通过有源电路，即一个双稳态电路来保持存储器中的信息。只要存储体的电源不断，存放在它里面的信息就不会丢失。静态存储器的主要优点是它与微处理器的接口很简单，所需要的附加硬件很少，使用方便，速度快。静态存储器的缺点是它的功耗较大，集成度低，成本高。静态存储器从器件的原理上分，可分为双极型和MOS型。

(2)动态随机存取存储器。动态存储器与静态存储器不同，如果没有外部支持逻辑电路，它就不能长期地保存数据。这是由于它的信息是以电荷形式保存在小电容器(无源器件)中，由于电容器的放电回路存在，超过一定的时间后，存放在电容器中的电荷就会消失，信息就会丢失。因此，为了保证数据不丢失，就需要对动态存储器进行周期性的刷新。

2)只读存储器(ROM)

只读存储器在正常的使用中只能从ROM中读出数据，而不能写入数据。它与微处理器的接口也很简单，总是处于读的状态。存放在ROM中的信息，就是在没有电源的情况下也能保持。目前，常用的只读存储器包括：①可擦除可编程只读存储器，称为EPROM。用户可通过编程器将数据或程序写入EPROM，如需重新写入的话，可通过紫外线照射EPROM，将原来的信息擦除，然后再重新写入。②电可擦除只读存储器，称为EEPROM。它的擦除不像EPROM那样用紫外线照射，它可以像RAM那样，写入时擦除原有的信息，但它需要一个擦除电压，写入时的速度也较慢。③快擦型存储器(闪存)，称为FlashMemory。快擦型存储器具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间同DRAM相似，而写入速度较慢。

3)高速缓冲存储器Cache

随着CPU工作频率的不断提高，CPU对RAM的读写速度要求也更快。因此，RAM读写速度成了系统运行速度的关键。如果RAM的读写速度很慢，则CPU访问RAM时不得不插入等待周期，这实际上是降低了CPU的工作速度，对CPU来说是很大的浪费。为此，在设计存储器系统时，一种可供选择的方案是使用更为高速高性能的动态存储器DRAM芯片。但目前的技术还无法生产出如此高速的DRAM。如能生产出的话，成本也会很高，会使整个系统的性能价格比降低。一种现实的解决方案就是采用高速缓冲存储器(Cache)技术。Cache存储器是由双极型静态随机存储器构成的。它的访问速度是DRAM的10倍左右。它的容量相对主存要小得多，一般为128KB、256KB或512KB。Cache位于主存和CPU之间，可以看成是主存中面向CPU的一组高速暂存寄存器。

在一个计算机系统中，除了有主存储器外，一般还有辅助存储器，用于长期存储暂时不用的程序和数据。目前，常用的辅助存储器有软盘、硬盘、磁带和光盘存储器。它们和内存一样，存储容量也是以字节为基本单位。

1)软盘存储器

软盘是用柔软的聚酯材料制成的圆形底片，在两个表面涂有磁性材料。常用的软盘其直径为3.5英寸。信息在磁盘上是按磁道和扇区来存放的。磁道即盘上一组同心圆环形的信息记录区，它们由外向内编号。每道被划成相等的区域，称为扇区。常见的3.5英寸的软盘容量是1.44MB。现在软盘存储器已经很少使用了。

2)硬盘存储器

硬盘是由涂有磁性材料的铝合金圆盘组成的，每个硬盘都由若干个磁性圆盘组成。目前大多数微机上使用的硬盘是3.5英寸的。这些硬盘驱动器通常采用温彻斯特技术，其特点是把磁头、盘片及执行机构密封在一个腔体内，与外界环境隔绝。采用这种技术的硬盘也称为温盘。硬盘的两个主要性能指标是平均寻道时间和内部传输速率。一般来说，转速越高的硬盘，寻道的时间越短且内部传输速率也越高，不过内部传输速率还受硬盘控制器的Cache影响，大容量的Cache可以改善硬磁盘的性能。目前，硬盘的转速有5400r/min、7200r/min、10000r/min等。

硬盘的每个存储表面被划分成若干个磁道(不同的硬盘磁道数不同)，每个磁道被划分成若干个扇区(不同的硬盘扇区数不同)。每个存储表面的同一道形成一个圆柱面，称为柱面。柱面是硬盘的一个常用指标。

3)磁带存储器

磁带存储器是顺序存取设备，即磁带上的文件依次存放。假如某文件存放在磁带的尾部而磁头的位置在磁带的前部，则必须空转磁带到尾部才能读取文件。因此，磁带的存取时间比磁盘长。磁带存储器由磁带机和磁带两部分组成。磁带分为开盘式磁带和盒式磁带两种。在微型计算机中大多数采用的是盒式磁带。微型计算机上的磁带机基本上作为一个后备存储装置，用于资料保存、文件复制、备份等，以便在硬盘发生故障时用于恢复系统或数据。

4)光盘存储器

光盘指的是利用光学方式进行读写信息的圆盘。计算机系统中所使用的光盘存储器是在激光视频唱片(又叫电视光盘)和数字音频唱片(又叫激光唱片)基础上发展起来的。应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术。如果光存储使用的介质是磁性材料，亦即利用激光在磁记录介质上存储信息，就称为磁光存储。人们把采用非磁性介质进行光存储的技术称为第一代光存储技术，其缺点是不能像磁记录介质那样把内容抹掉后重新写入新的内容。磁光存储技术是在光存储技术基础上发展起来的，称为第二代光学存储技术，其主要特点是可擦写。根据性能和用途的不同，光盘存储器可分成以下几种类型。

(1)

CD-ROM。CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)即只读型光盘，这种光盘的内容是由生产厂家预先写入的数据或程序，出厂后用户只能读取，而不能写入、修改。在计算机领域，CD-ROM主要用于软件的存放、检索文献数据库或其它数据库，也可用于计算机辅助教学等。

(2)

CD-R。CD-R是指CD-Recordable，即一次性可写入光盘，它必须在专用的光盘刻录机中运行。通常光盘刻录机既可以作刻录机用，也可读普通的CD-ROM盘片。光盘刻录机有内置和外置两种，内置采用IDE或SCSI接口，外置采用USB接口。

(3)

CD-RW。CD-RW即CD-ReWritable，这种光盘刻录机既可以作刻录机用，也可当光驱用，而且可以对可擦写的CD-RW光盘进行反复操作。CD-RW盘片就像硬盘一样，可以随机删除和写入。

(4)

DVD-ROM。DVD-ROM(DigitalVersatileDisc-ReadOnlyMemory)是CD-ROM的后继产品，DVD-ROM盘片的尺寸与CD-ROM盘片完全一致，不同之处是DVD-ROM采用较短的激光波长，为650nm。DVD-ROM标准向下兼容，能读目前的音频CD和CD-ROM。DVD-ROM盘片单面单层的容量为4.7GB，单面双层的容量为7.5GB，双面双层的容量为17GB。

其它常用的DVD产品还有DVD-R和DVD-RAM。DVD-R与CD-R相对应，它允许一次性写入。DVD-RAM是一种可重复读写的介质，其工作原理基于相位变化技术。DVD的一倍速的数据传输速率为1.35MB/s。

4.输入设备

输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息(包括数据和指令)转换成计算机能识别的二进制代码，并送入存储器保存。常见的输入设备有以下几种。

1)键盘(Keyboard)

图0-3键盘键盘是最常见的输入设备。标准键盘上的按键可以分为3个区域：字符键区、功能键区和数字键区(数字小键盘)，如图0-3所示。

(1)字符键区。由于键盘的前身是英文打字机，键盘排列已经标准化，因此，计算机的键盘最初就全盘采用了英文打字机的QWERTY排列方式。

(2)功能键区。键盘的最上一排主要包括F1～F12这12个功能键，通常人们称其为热键，因为用户可以根据自己的需要来定义它们的功能，以减少重复击键的次数，方便操作。

(3)数字键区。数字键区又称小键盘区，安排在整个键盘的右部。它原来是为专门从事数字录入的工作人员提供的。

计算机键盘中几种键位的详细功能如表0-2所示。

表0-2计算机键盘中几种键位的功能

2)鼠标(Mouse)

鼠标的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠标。它在图形界面环境中使用频率相当高，可以代替键盘的大部分功能。鼠标分为机械式、光学式和光学机械式三种，对鼠标的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这四种不同的操作可以实现不同的功能。

5.输出设备

输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。

1)显示器(Display)

显示器是微型机不可缺少的输出设备，用户通过它可以很方便地查看送入计算机的程序、数据和图形等信息及经过计算机处理后的中间和最后结果。显示器是人机对话的主要工具。显示器常用的有CRT阴极射线管显示器和LCD液晶显示器。显示器上的字符和图形是由一个个像素(Pixel)组成的。显示器的分辨率一般用整个屏幕上光栅的列数与行数的乘积来表示，这个乘积越大，分辨率就越高。显示器必须配置正确的显示适配器(俗称显卡)才能构成完整的显示系统。

2)打印机(Printer)

打印机是微型机的另一种常用输出设备，可以把文字或图形在纸上输出，供用户阅读和保存。打印机按工作原理可以分为击打式打印机和非击打式打印机两类。现在使用的打印机多数都是非击打式的喷墨打印机和激光打印机。

6.总线与接口

所谓总线(Bus)，一般指通过分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是计算机中传输数据的公共通道。

总线的工作原理：当总线空闲(其它器件都以高阻态形式连接在总线上)且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线发出地址和数据。其它以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信后，将总线让出(输出变为高阻态)。

计算机中的总线按其功能可以分为地址总线、数据总线和控制总线。

接口：与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同。因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，常见接口有并行接口、串行接口、磁盘接口、SCSI接口、USB接口等。0.3.3微型计算机的主要性能指标

微型机的种类很多，根据计算机处理的字长的不同分为16位、32位机和64位机等，下面列出一些主要的性能指标。

1.字长

字长是指CPU能够直接处理二进制的位数。它标志着计算机处理数据的精度，字长越长，精度越高。同时字长与指令长度有一个对应关系，因而指令系统功能的强弱程度与字长有关。

2.主频

主频是指计算机的时钟频率，它在很大程度上决定了计算机的运算速度。一般时钟频率越高，运算速度就越快，但也不要认为CPU的时钟频率就等于计算机的运算速度。主频的单位是MHz。如微处理器Pentium100的主频为100MHz。

3.内存容量

任何程序和数据的存取都要通过内存，内存容量的大小反映了存储程序和数据的能力，从而反映了信息处理能力的强弱。存储容量越大，所运行的软件越丰富。

4.存取周期

存储器完成一次读或写信息操作所需的时间称为读写时间，两次读/写操作之间的时间间隔称为存取周期。存取周期是衡量存储器速度的重要标志。

5.运算速度

计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。其单位为每秒百万条指令(简称MIPS)或者每秒百万条浮点指令(简称MFLOPS)，它们都是用基准程序来测试的。

随着微电子、计算机、通信和数字化声像等技术的飞速发展，多媒体计算机技术应运而生。计算机处理的信息不仅包括文字、数字和图形，还包括图像和声音等。因此，为了改善人与计算机的交互界面，集文、声、图、像于一体，就要开发多媒体技术。0.4多媒体计算机系统0.4.1多媒体技术简介

1.媒体和多媒体

现实生活中，信息的表现形式是丰富多彩的。媒体是指信息表示和传播的载体。如人们日常生活中使用的数字、文字、声音、图形、图像、幻灯片、视频、交通信号灯等都可称为媒体。所谓“多媒体”(Multimedia)，从字面上理解就是“多种媒体的集合”。目前，对多媒体还没有一个权威性的定义，但这并不妨碍多媒体技术的发展和应用。从应用的角度来看，我们可以将多媒体定义为：多媒体是指把文本、声音、图形、图像、视频等多种媒体的信息通过计算机进行数字化加工处理，集成为一个具有交互性系统的一种技术。注意，这个定义中体现出了多媒体的两个关键的特性：媒体的数字化及交互性。这也正是我们并不将彩色画报、电视等称为“多媒体”的缘由。

2.多媒体技术的特点

多媒体技术是指利用计算机技术把文本、声音、图形、图像等综合一体化，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理的技术。这里说的“加工处理”主要是指对这些媒体的录入、对信息进行压缩和解压缩、存储、显示、传输等。多媒体技术具有以下特点。

1)集成性

多媒体技术的集成性是指将多媒体有机地组织在一起，共同表达一个完整的多媒体信息，使声音、文字、图形、图像一体化。

2)交互性

交互性是指人和计算机能“对话”，以便进行人工干预控制。交互性是多媒体技术的关键特性。

3)数字化

数字化是指多媒体中的各媒体都是以数字形式存放在计算机中。

4)实时性

多媒体技术是多种媒体集成的技术，在这些媒体中，有些媒体(如声音和动态图像)是与时间密切相关的，这就决定了多媒体技术必须支持实时处理。

多媒体技术是基于计算机技术的综合技术，它包括数字信号处理技术、音频和视频技术、计算机硬件和软件技术、人工智能和模式识别技术、通信和图像技术。多媒体技术是正处于发展过程中的一门综合性高新技术。

3.多媒体技术的应用

随着多媒体技术的发展，其应用也越来越广泛，已渗透到各个学科领域和国民经济的各个方面。

多媒体应用主要体现在以下几个方面。

1)教育与培训

多媒体技术为教育与培训增添了丰富多彩的教学方式。多媒体技术可以将课文、图表、声音、动画、影像等组合在一起构成教学课件，这种图、文、声、像并茂的场景将大大提高学生的学习兴趣和接受能力，并且可以方便地进行交互式的指导和因材施教。用于军事、体育、医学、驾驶等各方面培训的多媒体计算机，不仅可以使受训者在生动、直观、逼真的场景中完成训练过程，而且能够设置各种复杂环境，提高受训人员对困难和突发事件的应变能力，并能自动评测学员的学习成绩。

2)商业领域

多媒体技术在商业领域中的应用也是十分广泛的。例如，多媒体技术用于商品广告、商品展示、商业演讲等方面，使人们有一种身临其境的感觉。

3)信息领域

利用CD-ROM大容量的存储空间，与多媒体声像功能结合，可提供大量的多媒体信息产品，如百科全书、地图系统、旅游指南等电子工具和各种电子出版物，又如Internet上多媒体网页、多媒体电子邮件、可视电话、多媒体远程会议、电子商务等都离不开多媒体技术。

4)娱乐与服务

多媒体技术用于计算机后，使声音、图像、文字融于一体，用计算机既能听音乐，又能看影视节目，使家庭文化生活进入一个更加美妙的境地。多媒体计算机还可以为家庭提供全方位的服务，如家庭教师、家庭医疗、家庭商场等。0.4.2多媒体计算机

所谓多媒体计算机是指能综合处理多媒体信息，将文字、图形、图像、音频、视频、动画多种信息建立联系，并具有交互性的计算机系统。在一台普通计算机上添加一些多媒体卡件，如光驱、声卡、视频卡等就可以组成一台多媒体计算机。多媒体计算机由多媒体计算机硬件系统和多媒体计算机软件系统组成。

1.多媒体计算机的硬件系统

多媒体计算机的硬件系统主要包括以下几部分。

1)多媒体主机

多媒体主机可以是大、中型机，也可以是工作站，然而目前更为普遍的是PC机。工作站与PC机相比，它的CPU性能较高，存储容量较大，因此具有很强的多媒体处理功能，可实现图形、图像实时处理，显示分辨率高，速度快。

2)多媒体接口卡

多媒体接口卡根据多媒体系统获取、编辑音频或视频的需要插接在计算机上，以解决各种媒体数据的输入/输出问题。多媒体接口卡是建立、制作和播放多媒体应用程序必不可少的硬件设施。常用的接口卡有声卡、视频压缩卡、视频捕获卡、视频播放卡、图像扫描仪接口卡、打印机接口卡等。

3)外部存储设备

常规外部存储设备有硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器等。

4)输入设备

常规输入设备有键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏等。

音频/视频输入设备有话筒、录像机、摄像机、扫描仪、激光视盘、光盘等。

5)输出设备

常规输出设备有显示器、打印机、内置扬声器等。

音频/视频输出设备有耳机、音响设备、录像机、电视机、可读/写光盘等。

在一个具体的多媒体计算机系统的硬件配置中，不一定都包括上述全部配置，但至少要在常规的微型机上再加配音频适配卡和CD-ROM驱动器。

图0-4多媒体计算机理想的硬件配置图

2.多媒体计算机的软件系统

多媒体计算机的软件系统是以操作系统为基础的。除此之外，还有多媒体数据库系统、多媒体压缩/解压缩软件、多媒体声像同步软件、多媒体通信软件等。特别要指出的是，多媒体系统在不同的应用领域需要有不同的开发工具，而多媒体开发和创作工具为多媒体系统提供了方便、直观的创作途径。一些多媒体开发软件包提供了图形、声音、图像、动画以及各种媒体文件的转换与编辑手段。

图0-5多媒体系统的软件结构多媒体系统的软件结构如图0-5所示。它是一个层次结构，可分为六层。

最底层是直接和多媒体底层硬件打交道的驱动程序，在系统初始化引导程序作用下把它安装到系统内存中。

第二层是多媒体计算机的核心部件，即视频/

音频信息处理核心部件。它要完成的任务是：支持随机移动或扫描窗口下的运动及静止图像的处理和显示，为相关的音频和视频数据流的同步问题提供需要的实时任务调度等。

第三层是多媒体操作系统，除一般的操作系统功能外，它还为多媒体信息处理提供媒体控制接口。例如Windows操作系统提供的媒体控制接口。第四层是多媒体素材制作软件，它为多媒体开发环境(开发工具/创作语言)准备素材。如图像处理软件Photoshop、三维动画制作软件3DStudio等。

第五层是开发工具/创作语言。为了方便开发者和用户编制应用程序，不少厂商为多媒体计算机系统编制了工具软件。如Authorware、北大方正的奥思多媒体写作工具等。

第六层是多媒体应用程序。包括一些系统提供的应用程序，如Windows系统中的录音机、媒体播放器和用户开发的多媒体应用程序等。

0.5.1计算机与信息化

人们所说的“计算机(computer)”并不仅仅是一台代替人工完成复杂计算的机器，确切地讲应该是“信息处理机”，它将人们听到的事实和看到的影像等进入大脑的原始资料经过处理后变成有用的信息(information)。信息同物质和能源一样，是人类社会赖以生存与发展的重要资源。0.5信息的表示及编码

1.信息无处不在

1746年，英国工程师沃森(Watson)在两英里长的电线上传递了电信号，1832年S.F.B.莫尔斯发明了电报，1876年亚力山大·G·贝尔(GrahamBell)发明了通过电线传递声音的电话装置并获得了专利，这些活动意味着人们开始了对通信技术的一系列研究工作。1915年电传打字机问世，电报员用它发送气象公报给国家气象服务台。1924年尼奎斯特(Nyquist)发表了题为《影响电报速率因素的确定》的文章，1928年哈特莱(HartlayL.V.R)又发表了题为《信息传输》的文章，在这两篇文章里给出了信息度量的方法，研究了通信系统传输信息的能力。1948年，美国工程师香农(E.Shannon)发表了著名的《通信的数学理论》一文，给出了信息度量的数学公式，讨论了信息源和信道的特性以及信息度量和信道容量与噪声的关系，香农也因此成为信息理论的奠基人。

信息就像空气一样，虽然摸不到，但却不停地在我们身边流动，为人类服务。人们需要信息，研究信息，一时一刻也离不开信息。人类通过信息认识各种事物，借助信息的交流来沟通人与人之间的联系。著名的信息学家RafaelCapurro曾在他的著作中给出了一个关于信息的定义，他认为信息并不仅仅是交流的过程，也不是从一个主体转移到另一个主体的物质，信息是一种状态，人类的生产和生活以及其它一切活动都是在这种状态中进行的。的确如此，任何一个物种的存在，都依托于一个流通的信息环境，而当人类这个生灵在地球上出现的时候，信息就注定要以比其它物种更高的智能形态伴随着人类在艰难恶劣的自然环境中，从茹毛饮血的日子里一点一点走到今天。对信息的把握，成为人们认识世界和改造世界的有利工具。语言的产生，文字的出现，各种各样信息载体和媒介的不断拓展，使人们生活的信息状态越来越丰富和充盈。科学技术的发展，创造了一个又一个把想象变为现实的令人激动的时刻。人们惊异地发现，无处不在的信息不仅是我们离不开的生存环境，同时也是一种具有深厚挖掘潜力的资源。于是，对信息资源的开发和利用，就成了人们提升生活质量和工作效率的重要手段，在这个基础上，人们的想象力被牵引到了一个无穷无尽的空间。

人类在古代就有了各种传载信息的手段，如烽火台、指南针、语言、文字、纸张、印刷术、风标、号角、邮传驿站、瞭望塔楼等。到了近代，又有了各种信息技术的产物，如望远镜、显微镜、算盘、手摇机械计算器等。现代信息技术的产品就更多了，如计算机、人造卫星、机器人、无人驾驶系统等等。信息的传递有两种方式：通信和广播。通信包括交换、传输；广播包括发射、接收。信息的内容包括声音、数据、图像等。信息传递方式包括点到点(专线)、一点到多点(组播)、点到面(广播)和可选择的点到点(交换)等。交换包括电路交换和分组交换(包交换)，这两种交换方式还会相当长时间并存。传输包括有线传输和无线传输。有线传输主要是金属线和光纤系统；无线传输可按照波长来分，如长、中、短波和微波等，也可按照方式来分，如地面、卫星等。

信息的应用非常广阔。认知、科学探索、知识传播、生产流程的控制和管理(宏观管理、微观管理)、娱乐(与声像设备结合)以及人与人之间的交流等，发展都很迅速。

2.信息的主要特征

1)不灭性

物质是不灭的，能量也是不灭的，其形式可以转化。信息不像物质和能量，它不能单独存在，必须借助某种符号才能表现出来，必须寄载于某种物体之上，即信息必须依附于载体。信息是事物运动的状态和方式而不是事物本身。信息的不灭性是指一条信息产生后，其符号和物质载体可以变换，甚至载体可以被毁掉，如一本书、一张光盘，但信息本身并不会被消灭。

2)可传递性和共享性

信息在空间上的传递称为通信行业。在通信行业，通常我们把信息的通路称为信道，如电话、微波、卫星等；把信息的发布者称为信源；把信息的接收者称为信宿。同一信源可供给多个信宿，而信源自身的信息可秋毫无损，这就是信息的共享性。信息在时间上的传递称为信息存储。利用存储介质(如纸张、磁带、磁盘、光盘等)，可将用文字、声音和图像等符号表示的信息记录下来，使其永久为人类服务。信息的创造可能需要很大的投入，但复制只需要载体的成本，因此可以大量复制，广泛传播。当然，无论是信息共享还是信息传播，都不能侵犯知识产权，这是信息社会必须遵守的信息道德。

3)可处理性

可以通过压缩、存储、排序、转换形态等方法对信息进行加工处理。经过综合、分析等处理，原有的信息可以实现增值，能够更有效地服务于不同的人群或不同的领域。信息并不神秘，不断获取信息，不断提高信息识别和加工处理能力，自觉抵制污染社会环境的有害信息，这些都是信息时代应该倡导的信息意识。

3.信息处理与信息技术

计算机可接受和处理的信息也称为“数据”。信息的压缩、存储、排序、转换等加工处理要用计算机来完成。处理信息的计算机有两大类。一类是单板机，即嵌入式设备。大量的嵌入式设备正应用于各个领域中。一辆新式汽车中的嵌入式计算机不少于10种；导弹中使用了相当多的嵌入式计算机，其中有控制导弹初始状态的，有控制导弹中间飞行的，也有控制导弹临近目标的等等。另一类计算机是独立主机，如巨型机、中型机、小型机、微机等。随着生产力的日益发展和计算工具的不断更新，人们对计算速度和精度越来越高的要求极大地促进了现代计算技术的发展，电子计算机的出现是人类计算史上一次具有深远意义的革命。

人类计算史上最大的变化莫过于计算机从“数字计算”到“信息处理”的转变。信息压缩与全数字化又带来了丰富多彩的多媒体技术；而以多媒体技术为基础的虚拟现实技术也正向我们走来。技术的进步和发展为我们带来了越来越多的变化：3S(GIS、GPS、RS)技术实现的电子地图系统、卫星遥感定位跟踪监控系统；网络技术实现的远程教育、远程医疗诊断系统；无线接入技术(蓝牙技术、WAP)实现的手机上网、无线局域网(WLAN)；电脑卡已由早期的光电卡、条码卡、磁卡发展到今天的IC卡、射频卡，而卡式管理也在社会生活中得到了广泛应用；美国五角大楼(DoD)一直就是IBM的第一大用户，现代军事与信息技术已密不可分；1998年美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，接着数字化智能小区、数字化图书馆便雨后春笋般地不断涌现；2001年1月1日，魏同悟教授在北京开办了中国首家知识银行。人在变，环境在变，世界在变，地球将变得更像一个村落。信息技术包括信息的采集、传递、处理等技术。现代信息技术包括四大类：①电子信息技术：电子感测技术、电子通信技术、电子计算机技术、电子控制技术；②量子信息技术：量子计算机；③激光信息技术：激光遥感、光导纤维通信、激光全息存储、激光控制技术、激光计算机；④生物信息技术：生物开关器件、生物存储器件、生物逻辑器件、生物计算机等等。0.5.2信息存储单位

计算机中常用的信息存储单位有位、字节和字。

1.位(bit)

计算机中最小的数据单位是二进制的一个数位，每个0或1就是一个位。它也是存储器存储信息的最小单位，通常用“b”来表示，中文叫做比特。

2.字节(Byte)

字节是计算机中表示存储容量的基本单位。一个字节由8位二进制数组成，通常用“B”表示。一个字符占一个字节，一个汉字占两个字节。

存储容量的计量单位有字节B、千字节KB、兆字节MB以及10亿字节GB等。它们之间的换算关系如下：

1B

=

8bit

1KB

=

1024B

1MB

=

1024KB

1GB

=

1024MB

因为计算机用的是二进制，所以转换单位是2的10次方。

3.字(Word)

字是指在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的一组二进制数。一个字由若干个字节组成，每个字中所含的位数是由CPU的类型所决定的，如64位微机的一个字是指64位二进制数。运算器是以字节为单位进行运算的，而控制器是以字为单位进行接收和传递的。

0.5.3数制及数制转换

1.进位计数制

按进位的方法进行计数，称为进位计数制。

人们日常习惯使用十进制数，实际上也经常使用其它进制数。如60秒为1分，60分为1小时；两只鞋为一双；中国旧制秤16两为１斤等。

计算机中应用的逻辑电子器件具有通、断两种稳定状态，与二进制数的1、0对应。因而在计算机中利用一系列的1、0来表示数字、图形、符号、语音等信息，这种二进制组合称为二进制编码。

2.基数与位权

在一种数制中，只能使用一组固定的数字符号来表示数目的大小，而具体使用的数字符号的数目，就称为该数制的基数。

在数制中还有一个规则，就是N进制必须是逢N进一。例如，十进制数是由0～9十个数字符号组成的，基数为10，逢十进一；二进制数是由0、1两个数字符号组成的，基数为2，逢二进一。

对于多位数，处在某一位上的“1”所表示的数值的大小，称为该位的位权。例如，十进制第2位的位权为10，第3位的位权为100；而二进制第2位的位权为2，第3位的位权为4；对于N进制数，整数部分第i位的位权为Ni-1，而小数部分第j位的位权为N-j。位权与基数的关系是，各进位制中位权的值恰好是基数的若干次幂。因此，任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和。例如：

(1101)10

=

1×103

+

1×102

+

0×101

+

1×100

(1101)2

=

1×23

+

1×22

+

0×21

+

1×20

=

(13)10

3.计算机中常用的数制

1)十进制(Decimal)

十进制的基数是10，它有10个数字符号，即0、l、2、3、4、5、6、7、8、9，其中最大数码是基数减1，即9，最小数码是0。

2)二进制(Binary)

二进制的基数是2，它只有两个数字符号，即0和1。这就是说，如果在给定的数中，除0和1外还有其它数，例如1012，它就决不会是一个二进制数。

3)八进制(Octal)

八进制的基数是8，它有8个数字符号，即0、l、2、3、4、5、6、7，其中最大的数码也是基数减1，即7，最小的数码是0。

4)十六进制(Hexadecimal)

十六进制的基