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第一章 计算机基础知识概述1.1 计算机的发展电子计算机是20世纪最伟大的技术发明之一，它具有高速、准确、可靠的计算能力，以及能够模拟人类分析、判断、逻辑思维和记忆等能力。计算机的产生不是孤立的，而是经过一系列历史演变的产物，是许许多多科学家经过不断发明创造得到的结晶。1. 早期计算工具的发展人类创造计算工具和发展计算技术的历史，源远流长。在人类文明的源头上，算数已成为生产和生活的一部分，埃及、古巴比伦、印度和中国都形成了自己独特的运算符号系统，并逐步寻找简洁的计算工具。在古代，我国春秋战国时期就有“筹算法”（用竹筹计数），东汉时发明了十进位计数法，13世纪又在筹算的基础上发明了珠算盘。自17世纪以来，迈入近代科学门槛的西方世界开始寻找更为快捷的运算工具。苏格兰人发明了能进行加减乘除混合运算的工具计算尺，英国人发明了滑动计算尺。随着社会经济的发展，计算日趋复杂，以上计算工具都满足不了当时日益繁复的科学计算的需要，开始出现了比较先进的计算工具。2. 近代计算机器的发展在17世纪和18世纪，机械计算机器的发明已是热火朝天。进行过这类发明创造的有几位还是近代科学巨匠，例如开普勒、帕斯卡和萊布尼茨等。1624年开普勒与伙伴谢克哈特在海德堡大学研制成功第一台有加减乘除四种功能的计算器（计算钟）；帕斯卡是17世纪法国数学家、物理学家和哲学家。他的父亲是位地方税务官，据说，帕斯卡为了减轻父亲繁重的算帐工作，在1642年也即19岁时，发明了一台手动计算机器，能做加法和减法，把文艺复兴时达芬奇的加法器的梦想变为现实；萊布尼茨是德国伟大的数学家和哲学家，他和牛顿一起创立了微积分。比起帕斯卡，在计算机的制造上，他算是晚辈。但他后来居上，1673年，萊布尼茨建造了一台能进行四则运算的机械计算机器，轰动了欧洲。值得一提的是，萊布尼茨的这台机器，在进行乘法运算时采用进位加（shift-add）的方法，这种方法后来演化为二进制，也被现代电子计算机采用。萊布尼茨的计算机器是一个小高潮，此后100多年里，虽有不少的类似装置，但都没有突破手工操作的框架，是一种手动机械计算装置，换言之，还是一种算盘，只是结构更复杂而已。19世纪初，英国数学家查尔斯巴贝奇设计的差分机和分析机突破了手工操作的框架，不但能快速地完成加、减、乘、除的计算，还能够自动地完成复杂的运算，从而使计算机器从手动机械跃入自动机械的新时代。1834年，巴贝奇参照提花机中穿孔卡片的自控功能设计的分析机，已经包括了现代电子计算机具有的五大基本部分：输入装置、处理装置、存储装置、控制装置、输出装置。当时正值人类社会由蒸汽时代向电气时代的跃进，这部以齿轮为主，以蒸汽为动力的机器只有设计模型而没能成为现实，直到100年后巴贝奇的梦想才变成现实。3. 现代计算机的发展20世纪，由于电器技术的发展，计算机器由机电计算机向电子计算机迈进。这时，先进的电子技术代替了机械或机电技术，笨重的齿轮、继电器依次被电子管、晶体管、集成电路取代，发展越来越快。1946年世界上第一台电子计算机ENIAC（The Electronic Numerical Integrator and Computer）在美国宾夕法尼亚大学摩尔电机学院诞生。该机共用18000个电子管，1500个电子继电器，70000个电阻器，18000个电容器，重30吨，耗电150千瓦，占地面积167平方米，总耗资达48.6万美元，合同前前后后修改过二十余次。用现在的眼光看它有一系列严重的缺点，例如，体积大、耗电高、电子管太多、容易出故障，不具备现代计算机的“内部存储程序”的特点等。但是，ENIAC的成功却标志着人类计算工具的历史性变革。首先，在运算速度方面显示出了巨大的优越性，比当时已有的计算机器快1000倍。其次，能按照人们编好的程序，采用电子线路自动地执行算术运算、逻辑运算并能够储存信息。自ENIAC问世以来，现代电子计算机经历了50多年的发展，其中最重要的代表人物是美籍匈牙利科学家冯诺依曼和英国科学家艾兰图灵，他们为现代电子计算机科学奠定了基础。冯诺依曼是世界著名的数学家，在参加ENIAC设计、制造之前，正参与第一颗原子弹的研究工作。他深感原有和现有的计算工具速度太慢，严重影响了一些重大科研项目的进度。当冯诺依曼来到摩尔电机学院时，ENIAC刚好建到一半，ENIAC正碰上程序存储的问题。他提出了一个新的改进方案，一是用二进制代替十进制，进一步提高电子元件的运算速度，二是存储程序，即把程序放在计算机内部的存储器中，换言之，把能进行数据处理的程序放在数据处理系统内部，程序和该程序处理的数据用同样的方式储存，即把程序本身也当作数据来对待。1945年6月，他写了一篇题为关于离散变量自动电子计算机的草案的论文，长达101页，第一次提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念。这是所有现代电子计算机的范式，被称为“冯诺依曼结构”，按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机，又称为通用计算机。时至今日，所有的电脑都有一个共同的名字，叫“冯诺依曼机器”，它超越了品牌、国界、速度和岁月。正如美国电脑界有冯诺依曼一样，在英国，也有一个对电脑的进展有巨大影响力的天才，他就是艾兰图灵。他对于电脑技术的发展有着无可替代的影响。1936年，图灵发表了一篇著名的论文论数字计算在决断难题中的应用，他提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置，用它来计算所有能想象得到的可计算函数。这一装置只是一种理想的计算模型，或者说是一种理想中的计算机。正如飞机的真正成功得力于空气动力学一样，图灵的这一思想奠定了整个现代计算机的理论基础。这就是电脑史上与“冯诺依曼机器”齐名的“图灵机”。1950年，他发表了另一篇著名的论文计算机器与智能，指出如果一台机器对于质问的响应与人类作出的响应完全无法区别，那么这台机器就具有智能。今天人们把这一论断称为图灵测试，它奠定了人工智能的理论基础。图灵对计算机科学做出了重大贡献。为了纪念图灵的理论成就，美国计算机协会（ACM）于1966年专门设立了图灵奖，成为计算机学术界的最高成就奖 。4. 计算机的分代现代电子计算机在50年的发展过程中进行了几次重大的技术改造，留下了鲜明的标志，其中电子计算机更新换代的主要标志之一是电子器件的变更。如果以采用的电子器件来划分年代，计算机的发展已经经历了四代。第一代（19461957）是电子管计算机，始于ENIAC及EDVAC的设计方案。这一代计算机的主要特点是用电子管作为逻辑元件；受当时电子技术限制，速度在千次秒至万次秒之间；软件为机器语言和汇编语言。主要用于科学计算。第二代（19581964）是晶体管计算机。这一代计算机的主要特点是采用晶体管代替电子管；速度在万次秒至十万次秒之间；软件为算法语言、程序设计和管理程序。主要用于科学计算、数据处理。第三代（19651970）是中小规模集成电路计算机。这一代计算机的主要特点是用中、小规模集成电路代替了分立元件晶体管；速度在几百万次至几千万次之间；软件为操作系统，会话式语言和各种高级语言。用于科学计算、数据处理、文字处理和工业控制等方面。第四代（1971迄今 ）是大规模集成电路计算机。这一代计算机的物理器件采用超大规模集成电路；计算机体积、成本大幅度降低，稳定性提高；运算速度达每秒上百亿次；操作系统、编译程序等系统软件更趋完善。这一阶段，计算机图像识别、语音处理和多媒体技术有了很大发展，冯诺依曼结构也开始被突破。5. 计算机研究的新进展迄今，新一代计算机的研究已经取得了新进展。90年代中期,比电子计算机更先进的光计算机的研究如火如荼。美国率先推出了世界上第一台实验性光计算机(砷化镓光开关),其最大特点是用光处理信息,而不是用电。因此,在处理数据的功能上要比电子计算机大1000多倍,处理信息的速度为每秒10亿次。光计算机与电子计算机的工作原理不同,电子计算机借助电荷在线路中的流动来处理各种输入信息,而光计算机则借助激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中对信息进行处理。光计算机与电子计算机的相似之处在于光计算机也是靠产生一系列的逻辑运算操作来处理各种输入信息和解决复杂的计算问题的。与电子计算机比较,光计算机具有速度快、信息存储量特别大、抗干扰能力和对环境的适应性很强 等 一系列的优势。目前,在光计算机研制领域,最引人注目的研究成果是由欧共体和法国、德国、英国以及意大利等国60多名科学家联合研发成功的世界上第一台光计算机,其运算速度要比目前速度最快的超级计算机快1000多倍,并准确无误。把生物学和工程学结合起来制造生物计算机也已不是天方夜谭。20世纪80年代以来，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，科学家们激发了研制生物元件的灵感。 美国南加州大学计算机科学家伦纳德艾德曼已研制成功一台DNA计算机。艾德曼说：“DNA分子本质上就是数学式，用它来代表信息是非常方便的，试管中的DNA分子在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应。28.3g DNA的运行速度超过了现代超级计算机的10万倍” 科学家们认为：生物工程是全球高科技领域最具活力和发展潜力的一门学科，加上计算机、电子工程等学科的专家通力合作，有可能在21世纪将实用的生物计算机推向世界。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。 迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。虽然，新一代计算机的开发已有了新的突破，但是，新的研究脚步还远没有停止。更多的人认为未来的计算机将是能够理解语言、思考问题和进行逻辑推理的智能型计算机。计算机系统的应用也由数值计算和数据处理进入到知识处理的阶段。所谓知识是“人们在社会实践中积累起来的经验”。而知识处理就是在把人类知识的整体与计算机系统的技术相结合的基础上，开展对知识的结构与分类，知识的获取与存取，知识预测、传输与转换，知识的表示与管理，知识的利用（包括匹配、搜索、推理、归纳）、知识的扩展及学习机制等问题进行研究。也就是让计算机具有人的智能。美国计划用10亿美元研制的新一代计算机叫超智能计算机或超级计算机。日本设想的新一代计算机最终将建成通用推理机。其核心语言是PROLOG，体系结构为没有程序计数器的数据流计算机。计划用10年时间分三个阶段进行研制：第一阶段制成基于硬件的推理超级个人计算机；第二阶段研制成并行处理的推理计算机；第三阶段制成大型的知识信息处理计算机。目前，日本的新一代计算机技术开发计划，美国国防部的战略计算机计划，西欧的ESPIRIT计划、英国的阿尔维计划，都已投入了可观的人力和财力，并已取得了相当大的进展。未来计算机将被构想为，其主体将是神经网络计算机，线路结构模拟人脑的神经元联系，用光材料和生物材料制造具有模糊化和并行化的处理器，可以在知识库的基础上处理不完整的信息。例如，它能象孩子一样认出母亲的不同表情。 6 国内计算机的发展我国计算机事业正式起步于1956年。1958年研制成我国第一台电子管计算机，其运算速度每秒两千次；1967年研制成第一台晶体管计算机，运算速度每秒五千次。我国的第一台集成电路计算机于1970年研制成功，71年又制成了DJS-130型多用途集成电路计算机；八十年代后，我国在第四代计算机的研制方面也取得了可喜的成绩，既有象“长城”，“浪潮”等微机的大批量生产，又有象“银河-I”亿次巨型机、“银河-II”10亿次巨型机和“银河-III”100亿次巨型机的小批量生产。近年来，我国巨型机的研发也取得了很大的成绩，推出了“曙光”、“联想”等代表国内最高水平的巨型机系统，并在国民经济的关键领域得到了应用。联想的深腾6800实际运算速度为每秒4.183万亿次，峰值运算速度为每秒5.324万亿次。2004年11月在上海超级计算机中心落户的曙光4000A的运算速度达到每秒8万亿次，全球排名第十。 40年来，我国计算机事业从无到有，从小到大，已经形成产业，同时也为致力于计算机事业的朋友提供了发挥创造的良好环境。1.2 计算机的分类日常生活中，我们使用最多的计算机叫微机。除此之外，我们还会听到大型机、小型机、工作站等名词，它们是否都是计算机，有什么区别，主要应用在什么领域？它们都是计算机，就像计算机的“分代”代表了计算机纵向的发展，计算机系统的分类可用来说明横向的发展。1. 巨型机电子计算机分类中所说的“巨型”，并非从外观、体积等方面去衡量，主要是从性能方面。巨型机运算速度快，目前的运算速度可达每秒万亿次、存储量大、结构复杂，主要用于尖端科学研究领域，如核武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等。2. 大型机大型机规模次于巨型机，有比较完善的指令系统和丰富的外部设备。它包括我们通常所说的大、中型计算机。其特点是通用性极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面。主要应用于科研、金融、公司、政府部门和制造厂家等。通常人们称大型机为“企业级”计算机。3. 小型机这类机器一般是一个主机带多个用户。小型机较之大型机成本较低，维护也较容易，小型机用途广泛，现可用于科学计算和数据处理，也可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理等。主要应用于商业或科研机构。5. 工作站工作站是高档微机，它的独到之处，就是易于联网，配有大容量的内外存储器，再加上一定的外部设备，如高分辨率、大屏幕的显示器、扫描器、绘图仪等。一般用于专门场合，如CAD/CAM。6. 微型机微型计算机亦称个人计算机。微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组成，它是体积小、功耗低、更具灵活性、使用方便、价格便宜的计算机。需要说明的是，计算机的分类完全是一种相对的概念。因为它们基于相同的技术基础，都随着基础技术进步而进步，但在同一时间点上，各类机器仍是保持着相对的关系。1.3 计算机系统的组成与工作原理计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。所谓硬件系统就是泛指实际的物理设备，主要包括运算器、控制器、存储器、输入和输出五个部分。常有人误认为计算机系统就是指这五部分，这是片面的，只能说它们构成了计算机的硬件系统。只有硬件的裸机是无法运行的，还需要软件的支持。所谓软件系统，就是指实现算法的程序及其文档，包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成任务所需的应用软件。计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行给定任务的。计算机系统的组成如图1-1所示。图1-1计算机系统组成1.3.1 计算机的硬件组成迄今为止，所有冯诺依曼结构的计算机都由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，也称计算机的五大部件，其结构如图1-2所示。图1-2 计算机的硬件组成（1）运算器运算器负责数据的算术运算和逻辑运算，即数据的加工处理。（2）控制器控制器负责对程序规定的控制信息进行分析、控制并协调输入、输出操作或内存访问。 运算器和控制器是计算机的核心部件，这两部分合称中央处理单元（Centre Process Unit，简称CPU）。（3）存储器存储器是实现记忆功能的部件。负责存储程序和数据。存储器又分为主存储器和辅助存储器两类。 主存储器（也称为内存），用于存放当前调入系统执行的数据和程序。内存按其工作方式可分为随机存储器（Random Acess Memory，简称RAM）和只读存储器（Read Only Memory，简称ROM）两类。RAM在计算机工作时，既可从中读出信息，也可随时写入信息，所以，RAM是一种在计算机正常工作时可读/写的存储器。但随机存储器存储只当前使用的程序和数据，一旦机器断电，就会丢失数据，而且无法恢复。因此，用户在操作计算机过程中应养成随时存盘的习惯，以免断电时丢失数据。ROM只读存储器中的信息是在制造时用专门的设备一次性写入的，只能从中读出信息，不能随时写入信息。只读存储器用来存放固定不变重复执行的程序，并可以永久性保存，即使关机或断电也不会消失。 辅助存储器（也称外存储器），需要永久保存的数据和程序，应存入辅助存储器中。外存储器的特点是存储容量大，价格较低，,而且在断电的情况下也可以长期保存信息，所以称为永久性存储器。但其存取速度比内存储器慢， 常见的外存储器有以下几种：磁盘、磁带、U盘和光盘等。（4）输入设备输入设备负责把用户的程序和数据输入到计算机的内存，供计算机处理。目前常用的设备有键盘，扫描仪，磁带输入机，光笔，CD-ROM、数码相机和视频摄像机。（5）输出设备输出设备负责从计算机中取出程序执行结果或其它结果信息，转换成外界能够识别和使用的数字、字符、声音、图像、图形等信息形式，供用户查看。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。1.3.2 计算机的软件系统计算机的基本结构构成了计算机的硬件，但只有硬件，计算机还不能工作。要使计算机能正确地运行并解决各种问题，必须给它编制各种程序，为运行、维护、管理和应用计算机而编制的所有程序的总称为软件。软件又分为系统软件和应用软件两大类。1. 系统软件系统软件是管理、控制、监控和维护计算机资源的。它主要包括：操作系统；各种程序设计语言及其解释程序和编译程序；机器的监控管理程序、调试程序、故障检查和诊断程序等。（1）操作系统操作系统（Operating SystemOS）是计算机系统中系统软件的重要组成部分。计算机中的主要部件之间相互配合，协调一致的工作都是依靠操作系统的统一控制才得以实现的。任何一个用户都是通过操作系统使用计算机。操作系统由许多模块组成，每个模块完成一种特殊的功能。根据模块的功能可以分为五个方面。处理机管理：计算机的核心部件中央处理机（CPU）是计算机系统中一个十分重要的资源，操作系统对包括CPU在内的系统资源进行管理，提高CPU的利用率，从而提高系统的性能。存储管理：即是对内存的管理。对内存的管理和有效使用是操作系统的重要功能之一。通常采用虚拟内存和缓存机制技术实现。文件管理：文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取；实现文件共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给用户一套能方便使用文件的操作和命令。设备管理：设备管理的主要任务是管理各类外部设备，主要完成用户提出的IO（输入输出）请求、提高IO设备的利用率，以及提供每种设备的驱动程序和中断处理程序等。作业管理：用于对用户作业进行控制和管理，即作业调度和作业控制。操作系统的分类是指根据处理方式、运行环境、服务对象和功能的不同，操作系统通常分为单用户操作系统、批处理操作系统、实时操作系统、分时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等几类。微机中常见的操作系统有WINDOWS操作系统、UNIX操作系统、LINUX操作系统、DOS操作系统。 WINDOWS操作系统WINDOWS操作系统是Microsoft公司的产品。它以图形化的用户界面、多任务的操作环境及将多媒体技术、网络技术和Internet技术融为一体的优势成为微型计算机上最常见的操作系统。 UNIXUNIX操作系统是一个相对复杂的多用户、多任务的操作系统。UNIX操作系统在大型机、小型机以及工作站上形成了一种工业标准操作系统。在微型机领域中，也正以多用户分时、多任务处理等特点及强大的文字处理与网络支持性能，逐步得到广泛的应用。 LINUX操作系统LINUX操作系统起源于1991年芬兰一个大学生的思想。目前应用面还不广，但它正以其良好的稳健的性能、丰富的功能，以及代码公开和完全免费得以迅速发展。 DOS操作系统DOS是磁盘操作系统（disk operating system）的简称，它是较WINDOWS操作系统之前，在微型计算机上使用的一种操作系统。（2）程序设计语言程序设计语言经历了从低级语言到高级语言的发展历程。 机器语言机器语言属于低级语言，这是计算机唯一能够识别并能直接执行的语言。每台计算机都配有自己能执行的一组指令，叫作指令系统。其中每条指令都对应一串二进制代码，这些二进制代码指令称为机器语言。用机器语言编写程序是十分繁琐的，且写出的程序可读性很差。 汇编语言汇编语言属于低级语言。汇编语言是为了解决机器语言难于理解和记忆，用易于理解和记忆的名称和符号表示的机器指令。汇编语言虽比机器语言直观，但基本上还是一条指令对应一种基本操作。 高级语言高级语言是人们为了解决低级语言的不足而设计的程序设计语言。它由一些接近于自然语言和数学语言的语句组成。因而，更接近于要解决的问题的表示方法并在一定程度上与机器无关。用高级语言编写程序，接近于自然语言与数学语言，易学、易用、易维护，但是由于机器硬件不能直接识别高级语言中的语句，因此必须经过“翻译程序”，将用高级语言编写的程序翻译成机器语言的程序，计算机才能识别和执行。 高级语言高级语言又可分为面向过程的语言和面向问题的语言。面向过程的语言在编程时不仅要告诉机器“做什么”，而且要告诉机器“怎么做”，如PASCAL、C、C+、Visual Basic、Java等。面向问题的语言只要告诉机器“做什么”，如LIST、PROLOG等高级语言，也常称之为人工智能语言。（3）语言处理程序除机器语言程序可以直接为机器识别外，无论是汇编程序还是高级语言程序，要让机器识别，都必须经过“翻译”。所谓“翻译”是由一种特殊的程序把源程序转换成机器码，这种特殊的程序就是语言处理程序。语言处理程序分为汇编程序、编译程序和解释程序，它们的功能分别是：汇编程序把汇编语言源程序“翻译”成机器语言程序，该过程叫“汇编”；编译程序把高级语言源程序“翻译”成目标程序，该过程叫“编译”；解释程序是逐条“翻译”执行高级语言程序的语句。编译（或汇编）程序得到的目标代码经连接后形成的可执行程序，执行速度比解释执行程序要快，但是人机会话功能差，调试修改较复杂。（4）数据库管理系统数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）是用于管理数据库的软件系统。DBMS为各类用户或有关的应用程序提供了访问与使用数据库的方法，其中包括建库、存储、查询、检索、恢复、权限控制、增加、修改、删除、统计、汇总和排序分类等各种手段。目前最流行的是数据库管理系统。在关系型DBMS中，把一张二维表看作一个关系；关系型数据库中的一个文件相当于一张关系表，表的每一行相当于一个记录（称为元组），每一列称为一个字段（称为属性），这与现实世界中的报表完全类似。DBMS大都包含数据库的定义功能、数据库的操作功能、数据库的运行控制功能，数据库的建立与维护功能以及数据字典等。目前比较流行的DBMS有Foxpro，Access，Oracle，SQL Server等。2应用软件应用软件是为了解决实际应用问题而编制的软件的总称，它涉及到计算机应用的所有领域，各种科学和工程计算的软件和软件包、各种管理软件、各种辅助设计软件和过程控制软件都属于应用软件范畴，如Word字处理软件、Execl电子表格、常见的媒体播放、动画制作都属于应用软件。总之，由于计算机应用的深入普及，应用软件的种类及数量还将不断增加。1.3.3 计算机工作过程为使计算机按规定步骤工作，首先要为计算机编制程序。程序是一个特定的指令序列，它告诉机器要做哪些事，按什么步骤做。操作人员通过输入设备将程序和原始数据送入存储器；在启动运行后，计算机就从存储器中取出指令，送到控制器中去分析、识别；控制器根据指令的含义发出相应的命令，控制存储器和运算器分别进行读取数据和运算的操作；当运算器任务完成后，就可以根据指令序列将结果通过输出设备输出。操作人员还可以通过工作平台启动或停止机器的运行，或对程序的执行进行某种干预。1.4 计算机内信息表示计算机的本质就是通过电子线路对数据进行处理。数在计算机中是以元器件的物理状态来表示的。一个具有两种不同稳定状态且能相互转换的元器件，就可以用来表示一位二进制数。因此，在计算机内使用二进制数既简单又可靠。计算机内部采用二进制编码来表示世界上的各类信息，即计算机内部使用的数字符号只有“0”和“1”两个。也就是说计算机内部使用的所有的数值数据和非数值数据，都是由“0”和“1”这两个数字符号加以组合而成的，我们称之为“二进制代码”。计算机是信息处理的工具，任何信息必须转换成二进制形式数据后才能由计算机进行处理、存储和传输。计算机内部采用二进制的主要原因是：（1）容易实现 计算机采用逻辑电路组成。在逻辑电路中产生高电平和低电平两种状态。而二进制数只有两个数码0和1，正好用高电平和低电平来表示，因此在物理上最容易实现。（2）工作可靠 用两个易于识别的稳定高、低电平代表两个数码，使电路具有很高的稳定性和可靠性。 （3）简化运算 二进制运算规则简单。两个一位二进制数的求和、求积运算规则是：000，011，101，1110（向高位进一）及000，01，100，111。而求两个一位十进制的和与积的运算组合规则各有55种之多，计算机去实现要困难的多。 （4）逻辑性强 计算机的工作是建立在逻辑运算基础上的，逻辑代数是逻辑运算的理论依据。二进制只有两个数码，正好代表逻辑代数中的“真”与“假”。 （5）易于转换 二进制数与十进制数之间可以互相转换。这样，既有利于充分发挥计算机的特点，又不影响人们使用十进制数的习惯。1.4.1 进位计数制所谓进位计数制是指按进位的原则进行计数。十进制即逢十进一，生活中也常常遇到其它进制，如六十进制（每分钟60秒、每小时60分钟，即逢60进1），八进制，十二、十六进制等。任何进位计数制都有它生存的原因。人类的屈指计数沿袭至今，由于日常生活中大都采用十进制计数，因此对十进制最习惯。如十二进制，商业中不少包装计量单位“一打”。使用进位计数制需要知道两个重要的概念：基数和位权。 1基数进位计数制采取“逢N进一”。N是指进位计数制表示一位所需要的符号数目，称为基数。例如十进制数，它是由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字符号组成，基数为10，逢十进一。二进制数由0、1两个数字符号组成，基数为2，逢二进一。八进制数由0、1、2、7八个数字符号组成。基数为8，逢八进一。十六进制数由09，A，B，C，D，E，F十六个数字符号组成。其中AF对应十进制的1015。基数为16，逢十六进一。下表是计算机常用的四种进位制数的对应关系。表1-1计算机常用的四种进位制数的对应关系 十进制二进制八进制十六进制0123456789101112131415011011100101110111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789ABCDEF2位权进位计数制采取位权表示法。位权是指一个数字在某个固定位值上所代表的值，处在不同位置上的数字所代表的值不同，每个数字的位置决定了它的值，这个固定位上的值称为位权。如十进制数字6在十位数位置上表示60，在百位数上表示600，而在小数点后1位表示0.6。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。十进制的个位数位置的位权是100，十位数位置上的位权为101，小数点后1位的位权为10-1 。例1 在十进制数中，3058.72 可表示为： 3058.72=3103+0102+5101+8100+710-1+210-2例2 在二进制数中，10111.01 可表示为： 10111.01=124+023+122+121+120+02-1+12-21.4.2 不同进位计数制间的转换（1） 二进制数和十进制数之间的转换 二进制数转换为十进制数：可以使用按权相加法，即各位二进制数码乘以与其对应的权之和即为与该二进制数相对应的十进制数。例3 求（1100101.101）2 的等值十进制数。解 （1100101.101）2=126+125+024+023+122+021+120+12-1 +02-2+12-3 =64+32+0+0+4+0+1+0.5+0.125 =（101.625）10 即 （1100101.101）2=（101.625）10十进制数转换为二进制数：整数的转换可采用除2取余法，即把要转换的十进制数的整数部分不断除以2，并记下每次除所得余数，直到商为0为止，将所得余数，从最后一次除得余数读起，就是这个十进制整数所对应的二进制整数。小数部分的转换采用乘2取整法，被转换的小数部分，每次相乘后，所得乘积的整数部分就为对应的十进制数，将所得小数从第一次乘得整数读起，就是这个十进制小数所对应的二进制小数。例4 求（66.625）10的等值二进制数解 先求（66）10的等值二进制数2 660233121602802402202110 即（66）10=（1000010）2 再求（0.625）10的等值二进制数 0.6252=1.250 1 0.2502=0.500 0 0.5002=1.000 1 即（0.625）10=（0.101）2 所以，（66.625）10=（1000010.101）2这里要说明的是，十进制小数不一定都能转换成完全等值的二进制小数，所以有时要取近似值。（2）二进制数与八进制数、十六进制数间的相互转换由表1-1可见，三位二制进数恰好是一位八进制数，四位二进制数恰好是一位十六进制数。因此，把二进制数转换成为八进制时，只需将整数部分自右向左和小数部分自左向右分别按每三位一组，不是三位用0补齐，用表1-1中对应的八进制数写出，即为其对应的八进制数。反之，将八进制数转换为二进数，只要把每位八进数制用对应的三位二进制数表示即可。二进制数与十六进制数的转换同二进制与八进制转换相仿，只是按四位进行分组。例如：将1101101.10101转换成对应的八进制数。解：所以，1101101.10101155.52同理，用相反的方法可以将八进制数转换成对应的二进制数。例如：（714.431）8=（111 001 100. 100 011 001）2 7 1 4 . 4 3 1例如：将1101101.10101B转换成对应的十六进制数解： 所以 1101101.101016D.8A同理，用相反的方法可以将十六进制数转换成对应的二进制数。例如：(43B.E5)16=(0100 0011 1011. 1110 0101)2 4 3 B . E 5例5 将（741.566）8转换成为二进制数解 （741.566）8=（111100001.101110110）2例6 将（1011010.10111）2转换为十六进制数解 （1011010.10111）2=（01011010.10111000）2 =（5A.B8）16即 （1011010.10111）=（5A.B8）161.4.3 计算机的编码在计算机中只能识别二进制数码信息，因此，一切字母、数字、符号等信息都要用二进制特定编码来表示。下面只对ASCII码和汉字编码做一下介绍。1. ASCII编码计算机处理的信息除了数字之外还需要处理字母、符号等，例如键盘输入及打印机、CRT输出的信息大部分是字符。因此，计算机中的字符也必须采用二进制编码的形式。编码方式有多种，微型机中普遍采用的是ASCII （American Standard Code for Information Interchange）码，即美国标准信息交换代码。这种编码方案中，用八位二进制来存放一个字符，其中最高位用于奇偶校验位，其余七位用来表示128个不同的字符，其中包括数码（09）、大小写英文字母和其它专用字符。 基本ASCII码见表1-4。表1-4 ASCII码表字符ASCII字符ASCII字符ASCII字符ASCIINULBELLFFFCRSF!#%&,（）*+,-./012300070A0C0D202122232425262728292A2B2C2D2E2F30313233456789:;?ABCDEFGHIJKL3435363738393A3B3C3D3E3F404142434445464748494A4B4CMNOPQRSTUVWXYZabcde4D4E4F505152535455565758595A5B5C5D5E5F606162636465FGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ666768696a6b6c6d6e6f707172737475767778797a7b7c7d7e 2. 汉字编码计算机处理汉字信息时，由于汉字具有特殊性，因此汉字的输入、存贮、处理及输出过程中所使用的汉字代码不相同。其中，用于汉字输入的为输入码，用于机内存贮和处理的为机内码，用于输出显示和打印的为字模点阵码（或称字形码）。（1）信息交换用汉字编码字符集基本集信息交换用汉字编码字符集基本集是我国于1980年制定的国家标准GB2312-80，代号为国标码，是国家规定的用于汉字信息处理使用的代码的依据。GB2312-80中规定了信息交换用的6763个汉字和682个非汉字图形符号(包括几种外文字母、数字和符号)的代码。6763个汉字又按其使用频度、组词能力以及用途大小分成一级常用汉字3755个，二级常用汉字3008个。在此标准中，每个汉字(图形符号)采用2个字节表示，每个字节只用低7位。由于低7位中有34种状态是用于控制字符的，因此，只有94(128-34=94)种状态可用于汉字编码。这样，双字节的低7位只能表示9494=8836种状态。（2）汉字的机内码汉字的机内码是供计算机系统内部进行存储、加工处理、传输统一使用的代码，又称为汉字内部码或汉字内码。不同的系统使用的汉字机内码有可能不同。目前使用最广泛的一种为两个字节的机内码，俗称变形的国标码。这种格式的机内码是将国标GB2312-80交换码的两个字节的最高位分别置为1而得到的。其最大优点是机内码表示简单，且与交换码之间有明显的对应关系，同时也解决了中西文机内码存在二义性的问题。例如“中”的国标码为十六进制5650(01010110 01010000)，其对应的机内码为十六进制D6D0(11010110 11010000)，同样，“国”字的国标码为397，其对应的机内码为B9F。说明：国标码用2个字节表示1个汉字，每个字节只用后7位。计算机处理汉字时，不能直接使用国标码，而要将最高位置成1，变换成汉字机内码，其原因是为了区别汉字码和ASCII码，当最高位是0时，表示为ASCII码，当最高位是1时，表示为汉字码。（3）汉字的输入码(外码)汉字输入码是为了利用现有的计算机键盘，将形态各异的汉字输入计算机而编制的代码。目前在我国推出的汉字输入编码方案很多，其表示形式大多用字母、数字或符号。编码方案大致可以分为：以汉字发音进行编码的音码，例如全拼码、简拼码、双拼码等；按汉字书写的形式进行编码的形码，例如五笔字型码；也有音形结合的编码，例如自然码。（4）汉字的字形码汉字字形码是汉字字库中存储的汉字字形的数字化信息，用于汉字的显示和打印。目前汉字字形的产生方式大多是数字式，即以点阵方式形成汉字，如图1-3所示。因此，汉字字形码主要是指汉字字形点阵的代码。图1-3 1616点阵显示的汉字汉字字形点阵有1616点阵、2424点阵、3232点阵、6464点阵、9696点阵、128128点阵、256256点阵等。一个汉字方块中行数、列数分得越多，描绘的汉字也就越细微，占用的存储空间也就越多。汉字字形点阵中每个点的信息要用一位二进制码来表示。对1616点阵的字表码，需要用32个字节(16168=32)表示；2424点阵的字形码需要用72个字节(24248=72)表示。汉字字库是汉字字形数字化后，以二进制文件形式存储在存储器中而形成的汉字字模库。汉字字模库亦称汉字字形库，简称汉字字库。1.4.4 信息存储单位计算机中信息的常用单位有位、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，简称为位(英文名称为bit，读音为比特)。计算机中最直接、最基本的操作就是对二进制位的操作。2字节(Byte)字节简写为B，为了表示数据中的所有字符(字母、数字以及各种专用符号，大约有128256个)，需要7位或8位二进制数。因此，人们采用8位为1个字节。1个字节由8个二进制数位组成。字节是计算机中用来表示存储空间大小的基本容量单位。例如，计算机内存的存储容量，磁盘的存储容量等都是以字节为单位表示的。除用字节为单位表示存储容量外，还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)以及十亿字节(GB)等表示存储容量。它们之间存在下列换算关系： 1B=8bit 1KB=210B=1024B1MB=220B=210KB=1024KB1GB=230B=210MB=1024MB1TB=240B=210GB=1024GB要注意位与字节的区别：位是计算机中最小数据单位，字节是计算机中基本信息单位。3字（word）在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数字符串叫做一个字或单元，每个字中二进制位数的长度，称为字长。一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统的字长是不同的，如32位、64位等，字长越长，计算机一次处理的信息位就越多，精度就越高，字长是计算机性能的一个重要指标。注意字与字长的区别，字是单位，而字长是指标，指标需要用单位去衡量。正像生活中重量与公斤的关系，公斤是单位，重量是指标，重量需要用公斤加以衡量。1.5 计算机的主要技术指标1. 字长字长是指计算机能处理的二进制数据的位数，直接涉及到计算机的功能、用途和应用范围、领域。字长决定着计算机运算的精度，如32位、64位。2. 存储容量 在存储器里以字节为单位存储信息，因此存储器的容量即指存储器所能存储的字节数，它是衡量存储器大小的重要标志。3. 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。它是衡量存储器速度的重要标志。4. 运算速度 通常运算速度用每秒钟能执行多少条指令来表示，单位一般用MIPS（百万条指令秒）。5. 主频主频是指计算机的时钟频率，单位为兆赫兹（MHZ），它在很大程度上决定了计算机的运算速度。1.6 计算机安全科技的进步推动了社会的进步，造福了人类，但也提供了新的危害人类和社会的有力手段。例如：1980年，美防空司令部指挥中心因计算机输入数据错误，引起防空报警，控制系统上显示苏联向美国本土发射导弹，美国最高指挥部命令一千枚导弹待发，一百架飞机起飞迎击，并命令部队进入实战状态，核战争一触即发。造福与危害，总是形影相随。形形色色的危害，已引起人们对计算机安全的方方面面的认真思索和探讨。目前，计算机病毒的发作日益频繁，给全球计算机系统的数据资源及正常运行造成了极大的危害和巨大的损失。如何保证数据的安全性，防止病毒的破坏，避免病毒给人类的损害，已成为计算机专业人员和广大用户所面临的重大问题。1.6.1 计算机病毒的特征计算机病毒是指编制或者在计算机程序中插入的破环计算机功能或者毁坏数据、影响计算机使用并能自我复制的一组计算机指令或者程序代码。计算机病毒一般具有如下特征：1传染性 传染性是病毒的基本特征。计算机病毒通过各种渠道从已被感染的计算机扩散到未被感染的计算机，在某些情况下造成被感染的计算机工作失常甚至瘫痪。与生物病毒不同的是，计算机病毒是一段人为编制的计算机程序代码，这段程序代码一旦进入计算机并得以执行，它会搜寻其他符合其传染条件的程序或存储介质，确定目标后再将自身代码插入其中，达到自我繁殖的目的。只要一台计算机染毒，如不及时处理，那么病毒会在这台机子上迅速扩散，其中的大量文件（一般是可执行文件）会被感染。而被感染的文件又成了新的传染源，再与其他机器进行数据交换或通过网络接触时，病毒继续进行传染。 正常的计算机程序一般不会将自身的代码强行连接到其它程序。而病毒却能使自身的代码强行传染到一切符合其传染条件的未受到传染的程序之上。计算机病毒可通过各种可能