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第1章 计算机基础知识教学目标：通过本章的学习，了解计算机发展的历史和未来的新型计算机，了解计算机的分类、特点、应用领域，掌握微型计算机的基本结构、硬件组成、软件配置以及微机的组装等，掌握计算机中的信息表示，了解计算机病毒的概念，了解计算机和网络相关的政策和法律法规，理解信息素质的概念和信息素质的内涵及标准，培养遵守网络使用规范和网络道德，能够识别和抵制不良信息的良好行为。教学内容：本章主要介绍计算机的基础知识，主要包括：1计算机的概念、计算机的产生和发展及未来的计算机。2计算机的分类、特点及应用领域。3计算机的信息表示。4计算机的基本结构。5微型计算机的硬件组成、系统软件配置及其性能指标。6计算机病毒的基本概念。7信息素质的概念、内涵及标准。教学重点与难点：1计算机的概念。2微型计算机的硬件组成、系统软件配置及其性能指标。3计算机的信息表示。4信息素质的概念、信息素质的概念和信息素质的内涵及标准。1.1 教学案例：计算机的发展与应用【任务】什么是计算机？世界上第一台电子计算机诞生于什么时候？从第一台电子计算机的诞生到现在电子计算机的发展经历了哪几个阶段？电子计算机的主要用途有哪些？1.1.1 学习目标通过本案例的学习，使学生充分了解计算机概念、产生和发展，掌握计算机的分类和应用，使学生积累信息技术的基本知识，为后续知识的学习奠定基础。1.1.2 相关知识现代计算机的诞生是20世纪人类最伟大的发明创造之一。计算机是各行各业必不可少的一种基本工具，计算机与信息处理知识已成为人们必修的基础文化课程之一。一、计算机的概念计算机（Computer）是一种能够在其内部指令控制下运行，并能够自动、高速而准确地对信息进行处理的现代化电子设备。它通过输入设备接受字符、数字、声音、图片和动画等数据；通过中央处理器进行计算、统计、文档编辑、逻辑判断、图形缩放和色彩配置等数据处理；通过输出设备以文档、声音、图片或各种控制信号的形式输出结果；通过存储器将数据、处理结果和程序存储起来以备后用。随着计算机技术的不断发展，计算机的功能也越来越完善，已具有了相当强的逻辑判断力、自动控制能力和记忆能力，在一定程度上代替了人脑的工作，所以有时人们也将计算机称为“电脑”。二、计算机的产生基础1. 计算机产生的技术基础在人类历史上，计算工具的发明和创造走过了漫长的道路。在原始社会，人们曾使用绳结、垒石或枝条作为计数和计算的工具。我国在春秋战国时期有了筹算法的记载，到了唐朝已经有了至今仍在使用的计算工具算盘。欧洲16世纪出现了对数计算尺和机械计算机。在20世纪50年代之前，算盘、对数计算尺、手摇或电动的机械计算机一直是人们使用的主要计算工具。到了20世纪40年代，一方面由于近代科学技术的发展，对计算量、计算精度、计算速度的要求不断提高，原有的计算工具已经满足不了应用的需要，另一方面，计算理论、电子学以及自动控制技术的发展，也为现代电子计算机的出现提供了可能。机械计算机在程序自动控制、系统结构、输入输出和存贮等方面为现代计算机的产生奠定了技术基础。制造电子计算机的关键性技术是采用电子元件代替机电式计算机中的继电元件和机械设备。进入20世纪，电子技术有了飞速的进展，1906年，美国人弗斯特发明了电子管。电子三极管控制电流的开关速度，比电磁继电器快万倍，而且可靠性高得多。可以用电子管取代继电器制作计算机。后来，把一对三极管用电路连接起来，制成电子触发器，为电子计算机的产生作了进一步的技术准备。2. 计算机产生的理论基础 现代科学的发展，特别是数学的发展，为电子计算机的产生提供了理论基础。 1854年，英国逻辑学家、数学家乔治布尔就设计了一套符号，表示逻辑理论中的基本概念，并规定了运算法则，把形式逻辑归结成一种代数运算，从而建立了逻辑代数。 应用逻辑代数可以从理论上具体解决具有两种电状态的电子管作为计算机的逻辑元件问题。提前差不多一个世纪为现代二进制计算机铺平了道路。 1936年，英国数学家图灵发表了论文理想计算机，给出了现代电子数字计算机的数学模型，从理论上论证了通用计算机产生的可能性。 1938年，现代信息论的著名创始人香侬（美国）在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。三、电子计算机的诞生及发展历程1. 电子计算机的诞生1946年2月14日，世界上第一台电子数字积分计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学诞生，如图1-1所示。它是为计算弹道和射程而设计的，主要元件是电子管，每秒钟能完成5000次加法。该机使用了1500 个继电器，18800个电子管，占地170平方米，重达30多吨，耗电150千瓦，真可谓“庞然大物”。ENIAC的问世标志着电子计算机时代的到来，它的出现具有划时代的意义。图1-1 电子数字积分计算机2. 电子计算机的发展历程从第一台电子计算机诞生到现在的近6 0多年，计算机技术以前所未有的速度迅猛发展，早期计算机大约每隔 810年速度提高10倍，成本、体积缩小10倍；近年来，大约每隔3年，计算机性能提高近4倍，成本下降50% 。人们常按制造计算机所采用的元器件将计算机分为四代：（1）第一代计算机第一代电子管计算机（1946-1957年），其基本元件是电子管。内存为磁鼓，外存为磁带，使用机器语言或汇编语言编程，运算速度为每秒几千次到几万次，内存储器容量非常小。这一代的计算机体积庞大、造价昂贵、速度低、存储容量小、可靠性差、不易掌握、应用范围小，主要应用于军事和科研领域的科学计算。UNIVACI是第一代计算机的代表。（2）第二代计算机第二代晶体管计算机（1958-1964年），其主要元件是晶体管。晶体管计算机体积小，速度快、功能强和可靠性高。第二代计算机与第一代计算机相比，其运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存储器容量扩展到几十万字节，使用范围也由单一的科学计算扩展到数据处理和事务处理等其他领域中。IBM-7000系列机是第二代计算机的代表。（3）第三代计算机第三代集成电路计算机（1965-1972年），其主要元件是采用小规模集成电路和中规模集成电路。所谓集成电路是用特殊的工艺将完整的电子线路做在一个硅片上，通常只有四分之一邮票大小。与晶体管相比，集成电路计算机的体积、重量、功耗都进一步减少，运算速度、逻辑运算功能和可靠性都进一步提高。此外，软件在这个时期形成了产业。操作系统在规模和功能上发展很快，提出了结构化、模块化的程序设计思想，出现了结构化的程序设计语言。这一时期的计算机同时向标准化、多样化、通用化、机种系列化发展。IBM360系列是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机的代表。（4）第四代计算机第四代大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今），其主要特征是逻辑器件采用大规模和超大规模集成电路。计算机的体积、重量和耗电量进一步减少，计算机的性能价格比基本上以每18个月翻一番的速度上升。IBM4300系列，3080系列、3090系列和9000系列是这一代计算机的代表性产品。尽管人们早已谈论第五代、第六代计算机了，但一些专家认为，新一代计算机系统的本质是智能化，它具有知识表示和推理能力，可以模拟或部分代替人的智能，具有人-机自然通信能力。从1946年第一台计算机诞生起，计算机已经走过了半个世纪的发展历程。60多年来，计算机在提高速度、增加功能、缩小体积、降低成本和开拓应用等方面不断发展。未来的计算机在朝着巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化的方向发展。四、计算机的分类按照国际上比较流行的分类法，计算机可以根据其规模和处理能力分为巨型计算机、大型主机、小巨型计算机、小型计算机、工作站和微型计算机6大类。1. 巨型机巨型计算机（Supercomputer）又称为超级计算机，通常指最大、最快、最贵的计算机。例如目前世界上运行最快的超级机速度为每秒1704亿次浮点运算。世界上只有少数几个公司能生产巨型机。例如，美国的克雷公司就是巨型机的主要生产厂家，它生产的Cray-1、Cray-2和Cray-3等都是著名的巨型机。2. 大型主机大型主机（Mainframe）也称大型计算机，包括通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式，即把大型主机放在计算中心的机房中，用户要上机就必须去计算中心的终端上工作。大型主机经历了批处理阶段、分时处理阶段，进入了分散处理与集中管理的阶段。一般只有大中型企事业单位才有必要配备和管理大型主机，并以这台机器及其外部设备为基础，组成一个计算中心，统一安排对主机资源的使用。美国IBM公司是大型主机的主要生产厂家，IBM 360、370、4300、3090，以及9000系列都曾是有名的大型主机型号，日本的富士通、NEC公司也生产这类计算机。3. 小巨型计算机小巨型计算机（Minisupercomputer）是新发展起来的小型超级计算机，或称桌面型超级计算机，它可以使巨型机缩小成个人机的大小，或者使个人机具有超级计算机的性能。它是对巨型机的高价格发出的挑战，发展非常迅速。例如，美国Conver公司的C系列、Alliant公司的FX系列就是比较成功的小巨型机。4. 小型计算机由于大型主机价格昂贵，操作复杂，只有大企业大单位才能买得起，因此，随着集成电路的问世，20世纪60年代DEC推出了一系列小型计算机。小型机（Minicomputer）的软件、硬件系统规模比较小，但价格低、可靠性高、便于维护和使用，为中小企事业单位所采用。例如，美国DEC公司的VAX系列、DG公司的MV系列、IBM公司的AS/400系列，以及富士通公司的K系列都是有名的小型机。5. 工作站工作站（Workstation）有自己鲜明的特点，它的运算速度通常比微型计算机要快，需要配置大屏幕显示器和大容量的存储器，并且要有比较强的网络通信功能，主要用于特殊的专业领域，例如图像处理、计算机辅助设计等方面。工作站又分为初级工作站、工程工作站、超级工作站，以及超级绘图工作站等，典型机型有HP-Apollo工作站、Sun工作站等。6. 微型计算机微型计算机（Microcomputer）又称微型计算机或个人计算机（PC），目前已经非常普及，广泛应用于办公、教育领域及普通家庭。随着微型计算机的用户日众，人们对其要求也不断提高，目前微机正在由桌上型向笔记本型发展，功能也由单一的办公用具发展为集音视频、电话、传真和电视等一体化的多媒体计算机，不但可以满足日常办公的需要，还成为人们的一大娱乐工具。五、计算机的特点机械可使人类的体力得以放大，计算机则可以使人类的智慧得以放大。作为人类智力的工具，计算机具有以下主要特点：1运算速度快通常以每秒种完成基本加法指令的数目表示计算机的运算速度。现在每秒执行百万次的计算机已不罕见，有的机器可达数百亿次、甚至数千亿次。计算机的高速度使它在金融、交通、通信等领域达到实时、快速的服务。2精确度高计算机在进行数值计算时达到很高的精度。在常用的数字用表中，数值的结果达到4位，如果要达到8位或16位的话，用手工计算需花费很多时间，而对于计算机来说，让它来快速而又精确地生成32位或64位的结果是件非常容易的事。如用计算机计算圆周率，目前可达到小数点后数百万位了。3具有记忆功能计算机的存储器相当于人的大脑，可以“记忆”大量的信息。能够把数据、指令等信息存储起来，在需要的时候再将它们调出，描述计算机记忆能力的是存储容量，常用的存储容量单位有：字节（B）、KB、MB、GB等，现在的计算机的存储容量越来越大。4具有逻辑判断功能计算机不仅能完成加、减、乘、除等数值计算，还能实现逻辑运算。逻辑运算的结果为“真”或“假”。计算机的这种功能可以用以实现事务处理，并广泛用于各种管理决策中。5实现自动控制功能冯诺依曼体系结构计算机的基本思想之一是存储程序的控制，用户只要将编制好的程序输入计算机，然后发出执行的指令，计算机就能自动完成一系列预定的操作，因此计算机在人们编制好的程序控制下，自动工作，不需要人工干预，工作完全自动化。6可靠性高计算机硬件采用大规模和超大规模集成电路，使计算机具有非常高的可靠性，其平均无故障时间可达到以“年”为单位了。可靠性非常高。7适用范围广，通用性强计算机是靠存储程序控制进行工作的。无论是数值的还是非数值的数据，都可以表示成二进制数的编码；无论是复杂的还是简单的问题，都可以分解成基本的算术运算和逻辑运算，并可用程序描述解决问题的步骤。所以，在不同的应用领域中，只要编制和运行不同的软件，计算机就能在此领域中很好地服务，即通用性很强。六、计算机的应用计算机得以飞速发展的根本动力是计算机的广泛应用。目前计算机已被广泛应用于各种学科领域，并迅速渗透到人类社会的各个方面，同时也进入了家庭。概括起来计算机的应用分为以下几个方面。1科学计算计算机是为科学计算的需要而发明的。科学计算所解决的大都是从科学研究和工程技术中所提出的一些复杂的数学问题，计算量大而且精确度要求高，传统的计算工具是难以完成的，只有具有高速运算和存储量大的计算机系统才能完成。例如：建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出了一系列复杂方程，但长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解，使用计算机不但求解出了这类方程，而且还引起了弹性理论上的一次突破。2信息处理信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。信息处理是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、整理、统计、加工、利用和传送的过程。现代社会是信息社会，信息是资源，信息已经和物质、能量一起被列为人类社会活动的三大基本要素，用计算机进行信息处理，对办公自动化、管理自动化乃至社会信息化都有积极的促进作用。3过程控制过程控制是指用计算机对生产或其他过程中所采集到的数据按一定的算法经过处理，然后反馈到执行机构去控制相应过程，它是生产自动化的重要技术和手段。比如，在冶炼车间可将采集到的炉温、燃料和其他数据传送给计算机，由计算机按照预定的算法计算并确定控制吹氧或加料的多少等。过程控制可以提高自动化程度、减轻劳动强度、提高生产效率、节省原料、降低生产成本、保证少品质量的稳定。4计算机辅助设计和辅助制造计算机辅助设计和辅助制造分别简称CAD（Computer Aided Design）和CAM（Computer Aided Manufacturing）。在CAD系统与设计人员的相互作用下，能够实现最佳化设计的判定和处理，能自动将设计方案转变成生产图纸。CAD技术提高了设计质量和自动化程度，大大加快了新产品的设计与试制周期，从而成为生产现代化的重要手段。例如利用计算机图形方法学，对建筑工程、机械结构和部件进行设计，飞机、船舶、汽车、建筑、印刷电路板等。通过CAD和CAM的结合就可直接把CAD设计的产品加工出来。5现代教育近年来，随着计算机的发展和应用领域的不断扩大，它对社会的影响已经有了“文化”层次的含义。在学校教学中，已把计算机应用技术作为“文化基础”课程安排于教学计划中。计算机作为现代教学手段在教育领域中应用得越来越广泛、深入。主要有以下几种形式：（1）计算机辅助教学目前，流行的计算机辅助教学CAI（Computer Aided Instruction）模式有练习与测试模式和交互的教学模式。计算机辅助教学适用于很多课程，更适应于学生个别化、自主化的学习。（2）计算机模拟计算机模拟是一种计算机辅助教学的手段。例如，在电工教学中，让学生利用计算机设计电子线路实验并模拟，查看是否达到预期的结果，这样可以避免不必要的电子器件的损坏，节省费用。同样，飞行模拟器训练飞行员，汽车驾驭模拟器训练汽车驾驭员都是利用计算机模拟进行教学、训练的例子。（3）多媒体教室利用多媒体计算机和相应的配套设备建立的多媒体教室可以演示文字、图形、图像、动画和声音，给教师提供了强有力的现代化教学手段，使得课堂教学变得图文并茂，生动直观。（4）网上教学和电子大学利用计算机网络将大学校园内开设的课程传送到校园以外的各个地方，使得更多的人能有机会受到高等教育。网上教学和电子大学在地域辽阔的中国将有诱人的发展前景。6人工智能人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能是计算机应用的一个新的领域，这方面的研究和应用正处于发展阶段。在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面，已有显著的成效。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定的“思维能力”。机器人是计算机人工智能的典型例子，其核心就是计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人对外界信息能够反馈，有一定的触觉、视觉、听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，可以模仿人完成某些动作。机器人不怕疲劳，精确度高，适应力强，现已开始用于搬运、喷漆、焊接、装配等工作中。机器人还能代替人在危险工作中进行繁重的劳动，如在有放射线、污染有毒、高温、低温、高压、水下等环境中工作。1.1.3 应用举例一、计算机大事年表（1946-1984）1621年，英国人威廉奥特瑞发明了计算尺。1642至1643年，巴斯卡（Blaise Pascal）为了帮助做收税员的父亲， 他就发明了一个用齿轮运作的加法器，叫 “Pascalene” ，这是第一部机械加法器。机械计算器用纯粹机械代替了人的思考和记录，标志着人类已开始向自动计算工具领域迈进。1847年，计算机先驱、英国数学家Charles Babbages开始设计机械式差分机。总体设计耗时尽2年，这台机器可以完成31位精度的运算并将结果打印到纸上，因此被普遍认为是世界上第一台机械式计算机。但由于设计过于复杂且改动过于频繁，Charles Babbages直到去世也没有把自己的设计变成现实。直到2008年3月，人们才把Charles Babbages的差分机造出来，这台机器有8000个零件，重5吨，目前放置在美国加利福尼亚州硅谷的计算机历史博物馆里供人参观，如图1-2所示。设计的理论非常的超前，类似于百年后的电子计算机。1854年，George Boole 出版“An Investigation of the Laws of Thought”，是讲述符号及逻辑理由，它后来成为计算机设计的基本概念。 1889年，Herman Hollerith 的电动制表机在比赛中有出色的表现，并被用于 1890 中的人口调查。Herman Hollerith 采用了Jacquard 织布机的概念用来计算，他用咭贮存资料，然后注入机器内编译结果。这机器使本来需要十年时间才能得到的人口调查结果，在短短六星期内做到。 1937年，Alan Turing 想出了一个“通用机器（Universal Machine）” 的概念，可以执行任何的算法，形成了一个“可计算（computability）”的基本概念。Turing 的概念比其它同类型的发明为好，因为他用了符号处理（symbol processing） 的概念。 图1-2 查尔斯巴贝奇和他设计的差分机、分析机1943年，由 John Brainered领导，ENIAC开始研究。而 John Mauchly 及J. Presper Eckert负责这计划的执行。 1946年，第一台电子数字积分计算器（ENIAC）在美国建造完成。 1960年，数据处理系统IBM1401研制成功。 1961年，程序设计语言COBOL问世。 1961年，第一台分系统计算机由麻省理工学院设计完成。 1963年，BASIC语言问世。 1971年，第一台微处理机4004由英特尔公司研制成功。 1977年，苹果II型微电脑诞生。 1984年，日本计算机产业着手研制“第五代计算机” 具有人工智能的计算机。二、 未来的新型计算机按照摩尔定律，每过18个月，微处理器硅芯片上晶体管的数量就会翻一番。随着大规模集成电路工艺的发展，芯片的集成度越来越高，也越来越接近工艺甚至物理的上限，最终，晶体管会变得只有几个分子那样小。在这样小的距离内，起作用的将是“古怪”的量子定律，电子从一个地方跳到另一个地方，甚至越过导线和绝缘层，从而发生致命的短路。以摩尔速度发展的微处理器使全世界的微电子技术专家面临着新的挑战。尽管传统的、基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台，但旨在超越它的超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机正在跃跃欲试。1. 超导计算机当电子开关元件的速度达到纳秒级时，整个计算机必须容纳在边长小于3厘米的立体中，才不会因信号传输而降低整机速度。可是，芯片的集成度越高，计算机的体积越小，机器发热的后果就越严重。解决问题的出路是研制超导计算机。所谓超导，是指在接近绝对零度的温度下，电流在某些介质中传输时所受阻力为零的现象。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”，与传统的半导体计算机相比，使用被称作“约瑟夫逊器件”的超导元件制成的计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需时间却要快上100倍。1999年11月，日本超导技术研究所与企业合作，在超导集成电路芯片上密布了1万个约瑟夫逊元件。此项成果使日本朝着制造超导计算机的方向迈进了一大步。据悉，这家研究所定于5年后生产这种超导集成电路，在10年后制造出使用这种集成电路的超导计算机。2. 纳米计算机科学家发现，当晶体管的尺寸缩小到0.1微米（100纳米）以下时，半导体晶体管赖以工作的基本原理将受到很大限制。研究人员需另辟蹊径，才能突破0.1微米界，实现纳米级器件。现代商品化大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米（即350纳米），而纳米计算机的基本元器件尺寸只有几到几十纳米。目前，在以不同原理实现纳米级计算方面，科学家提出四种工作机制：电子式纳米计算技术，基于生物化学物质与DNA的纳米计算机，机械式纳米计算机，量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。像硅微电子计算技术一样，电子式纳米计算技术仍然利用电子运动对信息进行处理。不同的是：前者利用固体材料的整体特性，根据大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律；后者利用的是在一个很小的空间（纳米尺度）内，有限电子运动所表现出来的量子效应。3. 光计算机与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行运算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。运算速度快，光开关每秒可进行1万亿次逻辑动作，很容易实现并行处理信息，光信息在交叉时也不会发生干扰，在空间可实现几十万条光同时传递，不产生热，噪声小。研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维米勒研制出小型光开关，为同实验室的艾伦黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年1月，黄的实验室开始用光计算机工作。从采用的元器件看，光计算机有全光学型和光电混合型。1990年贝尔实验室研制成功的那台机器就采用了混合型结构。相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算速度。然而，要想研制出光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，若用它们造成台式计算机将有一辆汽车那么大。因此，要想短期内使光计算机实用化还很困难。4. DNA生物计算机1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士提出一个奇思妙想，即以DNA碱基对序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对序列发生反应，以此实现数据运算。阿德勒曼在科学上公布了DNA计算机的理论，引起了各国学者的广泛关注。在过去的半个世纪里，计算机的意义几乎完全等同于物理芯片。然而，阿德勒曼提出的DNA计算机拓宽了人们对计算现象的理解，从此，计算不再只是简单的物理性质的加减操作，而又增添了化学性质的切割、复制、粘贴、插入和删除等种种方式。DNA计算机的最大优点在于其惊人的存贮容量和运算速度：1立方厘米的DNA存储的信息比1万亿张光盘存储的还多；十几个小时的DNA计算，就相当于所有电脑问世以来的总运算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有电子计算机的一百亿分之一。据耶路撒冷邮报报道，以色列海法理工大学的研究人员在一块镀金芯片上，使用数种酶为计算机“硬件”，DNA（脱氧核糖核酸）为“软件”，输入和输出的“数据”都是DNA链。把溶有这些成分的溶液恰当地混合，就可以使其自动发生反应，进行“运算”。不过，与传统的“看得见、摸得着”，并有着精致外型的硅电子计算机不同，目前的DNA生物计算机都还是躺在试管里的液体。科学家预计，10到20年后，DNA生物计算机将进入实用阶段。当然，也有不少科学家对此提出质疑。毕竟，要想看清可能对未来产生重大影响的技术的前途，10年的时间实在太短！5. 量子计算机量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样一个比喻：假设一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过。量子计算机与传统计算机在外形上有较大差异：它没有传统计算机的盒式外壳，看起来像是一个被其他物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景，这使得众多国家和科技实体乐此不疲。尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段，但不可否认，终有一天它会取代传统计算机进入寻常百姓家。显然，以上这些新思想和新设计都还不够完美，而且，即使有了工作样机，离真正的商业化应用也还有相当差距，根本无法与硅电子计算机的便利性与有效性相比。但是，谁又能保证，我们未来的生活不会因为它们而发生翻天覆地的变化？1.2 教学案例：数制和编码【任务】表面上千差万别的数据在计算机内部是怎样表示、存储和处理的?信息的主要用途有哪些？1.2.1 学习目标通过本案例的学习，使学生了解各种数制的基本概念，熟悉二进制的特性和基本运算，掌握不同数制间的转换，了解数据的相关概念和编码，熟悉常用数据编码，特别是汉字编码标准和规范，为信息数据处理奠定基础。1.2.2 相关知识一、数制的基本概念1数制的概念数制是用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法。按照进位方式计数的数制叫进位计数制。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），十二进制，十六进制等。人们日常生活中习惯使用十进制记数，计算机内部采用二进制处理信息，但是由于二进制数表示数值的位数较长，因此在书写时常采用八进制或十六进制。2基数基数是指该进制中允许选用的基本数码的个数。十进制：基数为10，有10个计数符号：0、1、2、9。运算规则是“逢十进一”。二进制：基数为2，有2个计数符号：0和1。运算规则是“逢二进一”。八进制：基数为8，有8个计数符号：0、1、2、7。运算规则是“逢八进一”。十六进制：基数为16，有16个计数符号：0-9，A，B，C，D，E，F。其中AF对应十进制的1015。运算规则是“逢十六进一”。3位权一个数码处在不同位置上所代表的值不同，如数字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，可见每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做位权。位权的大小是基数R的i次幂Ri（i为数码所在位置的序号）。不同的进制由于其进位的基数的不同，权值是不同的。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，小数点后第1位的位权为10-1 。对于十进制数（34958.34）10，在小数点左边，从右向左，每一位对应权值分别为100、101、102、103、104；在小数点右边，从左向右，每一位对应的权值分别为10-1、10-2。对于二进制数（100101.01）2，在小数点左边，从右向左，每一位对应的权值分别为20、21、22、23、24；在小数点右边，从左向右，每一位对应的权值分别为2-1、2-2。4数值的按权展开式十进制数（34958.34）10=3104+4103+9102+5101+8100+310-1+410-2二进制数（100101.01）2=125+024+023+122+021+120+02-1+12-2一般而言，对于任意的R进制数an-1an-2a1a0a-1a-m （其中n为整数位数，m为小数位数），可以表示为下面的和式，该式称为该数的按权展开式：an-1Rn-1+an-2Rn-2+a1R1+a0R0+a-1R-1+a-mR-m （其中R为基数）。二、二进制及其运算在计算机内部几乎毫无例外地使用二进制来表示信息，这是因为：（1）可行性采用二进制，只有和两个状态，能够表示、两种状态的电子器件很多，如开关的接通和断开，晶体管的导通和截止、磁元件的正负剩磁、电位电平的低与高等。使用二进制，电子器件具有实现的可行性。（2）简易性二进制数的运算法则少，运算简单，使计算机运算器的硬件结构大大简化（十进制的乘法九九口诀表有55条公式，而二进制乘法只有条规则）。（3）逻辑性由于二进制和正好和逻辑代数的假（false）和真（true）相对应，有逻辑代数的理论基础，用二进制表示二值逻辑很自然。1二进制数的算术运算二进制数的算术运算与十进制数类似， 但其运算规则更为简单，其规则见表1-2。表1-1 二进制数的运算规则加法乘法减法除法0+0=00+1=11+0=11+1=10（逢二进一） 00=0 01=0 10=0 11=10-0=01-0=11-1=00-1=1（借一当二） 00=（没有意义） 01=0 10=（没有意义） 11=12二进制数的逻辑运算逻辑运算的结果只有“真”或“假”两个值，一般用“1”表示真，用“0”表示假。逻辑值的每一位表示一个逻辑值，逻辑运算是按对应位进行的，每位之间相互独立，不存在进位和借位关系，运算结果也是逻辑值。基本的逻辑运算有“或”、“与”和“非”三种，其它复杂的逻辑关系都可以由这三种基本的逻辑运算组合而得到。“或”运算符可用+、OR、或表示。逻辑“或”的运算规则如下：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1即两个逻辑位进行“或”运算，只要有一个为“真”，逻辑运算的结果为“真”。 “与”运算符可用AND、 、或表示。逻辑“与”的运算规则如下： 00=0 01=0 10=0 11=1即两个逻辑位进行“与”运算，只要有一个为“假”，逻辑运算的结果便为“假”。 “非”运算常在逻辑变量上加一横线表示。逻辑“非”的运算规则如下： 即对逻辑位求反。三、不同数制间的转换1R进制到十进制的转换任意R进制数到十数制数的转换采用写出按权展开式，并按十进制计算方法算出结果的方法。例1：二进制数(100101.01）2=125+024+023+122+021+120+02-1+12-2=（37.25）10八进制数（1325.24）8=183+382+281+580+28-1+48-2=（725.3125）10十六进制数（2BA.4）16=2162+11161+10160+416-1=（698.25）102十进制数转换为R进制数十数制数到任意R进制数的转换采用基数乘除法，整数和小数部分须分别遵守不同的转换规则。对于整数部分：采用除R取余，逆序排列的方法，即整数部分不断除以R取余数，直到商为0为止，最先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位。对小数部分：采用乘R取整，顺序排列的方法，即小数部分不断乘以R取整数，直到小数为0或达到有效精度为止，最先得到的整数为最高位（最靠近小数点），最后得到的整数为最低位。为了将一个既有整数部分又有小数部分的十进制数转换成R进制数，可以将其整数部分和小数部分分别转换，然后再组合。3二进制数与为八、十六进制数间的转换八进制和十六进制的基数8和16都是2的整数次幂，因此3位二进制数相当于l位八进制数，4位二进制数相当于l位十六进制数（见表1-2），它们之间的转换关系也相当简单。将二进制数转换成八（或十六）进制数时，以小数点为中心分别向两边分组，每3（或4）位为一组，整数部分向左分组，不足位数左补0。小数部分向右分组，不足部分右边加0补足，然后将每组二进制数转化成对应的八（或十六）进制数即可。将八、十六进制数转换为二进制时，方法类似，只需将每位八（或十六）进制数展开为3（或4）位二进制数即可。转换结果中，整数前的高位零和小数后的低位零均可取消。表1-2 二进制、八进制、十六进制数的对应关系表二进制八进制二进制十六进制二进制十六进制0000010100111001011101110123456700000001001000110100010101100111012345671000100110101011110011011110111189ABCDEF四、计算机中数据的编码1什么是数据数据是描述客观事物的、能够被识别的各种物理符号，包括字符、符号、表格、声音和图形、图像等。数据有两种形式。一种形态为人类可读形式的数据，简称人读数据。例如图书资料、音像制品等，都是特定的人群才能理解的数据。一种形式为机器可读形式的数据，简称机读数据。如印刷在物品上的条形码、录制在磁带、磁盘、光盘上的数码、穿在纸带和卡片上的各种孔等，都是通过特制的输入设备将这些信息传输给计算机处理，它们都属于机器可读数据。显然，机器可读数据使用了二进制数据的形式。2数据的单位计算机中数据的常用单位有位、字节和字。（1）位（Bit）计算机采用二进制，运算器运算的是二进制数，控制器发出的各种指令也表示成二进制数，存储器中存放的数据和程序也是二进制数，在网络上进行数据通信时发送和接收的还是二进制数。显然，在计算机内部到处都是由0和1组成的数据流。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，读作比特）。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（Byte，简写为B）是计算机中用来表示存储空间大小的基本容量单位。1个字节由8个二进制数位组成。1Byte（字节）=8Bit（位），1KB（千字节）=1024B=210B，1MB（兆字节）=1024KB，1GB（十亿字节）=1024MB。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数据单位。（3）字（word）在计算机中，一般用若干个二进制位表示一个数或一条指令，把它们作为一个整体来处理、存储和传送。这种作为一个整体来处理的二进制位串，称为计算机字。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，常见的有8位、16位、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。计算机是以字为单位进行处理、存储和传送的，所以运算器中的加法器、累加器以及一些寄存器，都选择与字长相同位数。字长一定，则计算机数据字所能表示的数的范围也就确定了。例如8位字长计算机，它可表示的无符号整数的最大值是（11111111）2=（255）10。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。正象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。3常用的数据编码数据要以规定好的二进制形式表示才能被计算机进行处理，这些规定的形式就是数据的编码。对于数值数据，可以方便地将它们转换成二进制数，以便计算机处理，但是对于字符、汉字、声音和图像等非数值数据，在计算机中也必须用二进制来编码。下面介绍几种常用的数据编码。（1）BCD码因为二进制数不直观，于是在计算机的输入和输出时通常还是用十进制数。但是计算机只能使用二进制数编码，所以另外规定了一种用二进制编码表示十进制数的方式，即每1位十进制数数字对应4位二进制编码，称BCD码（Binary Coded Decimal二进制编码的十进制数），又称8421码。表1-3是十进制数0到9与其BCD码的对应关系。表1-3 BCD编码表十进制数BCD码十进制数BCD码01234000000010010001101005678901010110011110001001（2）ASCII编码字符必须按规定好的二进制码表示，计算机才能处理。对西文字符，目前普遍采用的是ASCII码（American Standard Code for Information Interchange美国标准信息交换码），ASCII码虽然是美国国家标准，但它已被国际标准化组织（ISO）认定为国际标准。标准的ASCII码是7位码（见表1-4），用一个字节表示，最高位总是0，可以表示128个字符。前32个码和最后一个码通常是计算机系统专用的，代表一个不可见的控制字符。数字字符0到9的ASCII码是连续的，从30H到39H（H表示是十六进制数）；大写字母A到Z和小写英文字母a到z的ASCII码也是连续的，分别从41H到54H和从61H到74H。例如：A的ASCII码为1000001，即ASC（A）=65；a的ASCII码为1100001，即ASC（a）=97。表1-4 7位ASCII 码表b700001111b600110011b501010101 列行01234567b4b3b2b100000NULDLESP0Pp00011SOHDC1!1AQaq00102STXDC2“2BRbr00113ETXDC3#3CScs01004EOFDC4$4DTdt01015ENQNAK%5EUeu01106ACKSYN&6FVfv01117BELETB7GWgw10008BSCAN（8HXhx10019HTEM）9IYiy101010LFSUB*：JZjz101111CRESC+;Kk110012VTIS4,Nn111115SIIS1/?O_oDEL扩展的ASCII码是8位码，也是一个字节表示，其前128个码与标准的ASCII码是一样的，后128个码（最高位为1）则有不同的标准，并且与汉字的编码有冲突。（3）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，有用于汉字输入的输入码，用于机内存贮和处理的机内码，用于输出显示和打印的字模点阵码（或称字形码）。汉字字符集标准A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，称为国标码，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。此标准的汉字编码表有94行、94列。其行号称为区号，列号称为位号。双字节中，用高字节表示区号，低字节表示位号。非汉字图形符号置于第111区，一级汉字3755个置于第1655区，二级汉字3008个置于第5687区。BBIG5 字符集是1984年由台湾财团法人信息工业策进会和五间软件公司宏碁 （Acer）、神通 （MiTAC）、佳佳、零壹 （Zero One）、大众 （FIC）创立，故称大五码。Big5字符集共收录13，053个中文字，该字符集在中国台湾使用。Big5码使用了双字节储存方法，以两个字节来编码一个字。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。高位字节的编码范围0xA1-0xF9，低位字节的编码范围0x40-0x7E及0xA1-0xFE。尽管Big5码内包含一万多个字符，但是没有考虑社会上流通的人名、地名用字、方言用字、化学及生物科等用字，没有包含日文平假名及片假名字母。例如台湾视“着”为“著”的异体字，故没有收录“着”字。康熙字典中的一些部首用字（