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计算机与信息技术
第1章
计算机与信息技术
计算机是一种能够对各种信息进行高速、自动存储和处理的电子装置。
它是20世纪科学技术发展进程中最卓越的成就之一。
它的出现为人类社会进入信息时代奠定了坚实的基础，有力地推动了其他科学技术的发展，对人类社会的发展产生了极其深远的影响。
随着计算机技术的迅速发展及其在医学领域中应用的不断深入，计算机应用基础课程已成为高等医药院校学生和医疗卫生领域在职人员继续教育的一门必修的公共基础课程。
本章作为计算机应用基础的入门共安排5节，分别是计算机、信息与社会；计算机内信息的表示与编码；计算机硬件组成及其工作原理；计算机软件系统；信息安全与病毒防范。
1.1计算机、信息与社会
计算机的应用已渗入社会的各行各业，正在改变人们传统的学习、工作和生活方式，推动社会的飞速发展。
本节讨论计算机文化、计算机的特点、计算机的发展历史和计算机内信息的数字化等问题。
1.1.1计算机文化
目前，计算机应用基础已成为文明人类必需的文化内容，它与传统的语言、基础数学一样重要。
一个国家的人民对计算机技术的了解和掌握的程度是这个国家全民科学素养的指标之一。
1．计算机文化现象
计算机作为一种人类大脑思维的延伸与模拟的工具，它的逻辑推理能力、智能化处理能力可以帮助人类进一步展开思维空间；它的高速运算能力和大容量存储能力弥补了人类这一方面的不足。
人们通过某种计算机语言向计算机下达某些指令，可以使计算机完成人类自身可想而不能做到的事情，而计算机的应用又将为人类社会的发展开辟全新的研究领域，创造更多的物质和精神财富。
例如，电子邮件、远程访问等改革了人类的交流方式，拓宽了人类生活和研究的交流空间，丰富了人类的文化生活；计算机三维动画技术的应用可以制造出高度逼真的视觉效果，创造出更多、更精彩的影视作品；图文照排系统的应用彻底革新了出版、印刷行业；生物芯片、基因重组技术都是借助计算机技术对人类自身奥秘以及对动、植物进化奥秘进行探索和优化，这也促进了生物技术突飞猛进地向前发展。
计算机的出现为人类创造文化提供了新的现代化工具，革新了创造文化的方式与方法，形成了一种新的人类文化——计算机文化。
2．计算机应用领域
计算机技术在人类社会生活中如此重要，已经形成了一种计算机文化。
因此，人们有必要了解计算机在人们社会生活中的应用领域。
计算机的主要应用领域归纳起来可以分为以下几个主要方面。
（1）科学计算。
科学计算（ScientificComputing）也称数值计算，主要解决科学研究和工程技术中提出的数值计算问题。
这是计算机最初的也是最重要的应用领域。
世界上第一台计算机的研制就是为科学计算而设计的，当时这台计算机解决的科学计算问题都是人工计算望而却步的，有的更是人工计算无法解决的。
随着科学技术的发展，各个应用领域的科学计算问题日趋复杂，使得人们不得不更加依赖计算机解决计算问题，如计算天体运动轨迹、处理石油勘探数据和天气预报数据、求解大型方程组等都需要借助计算机完成。
科学计算的特点是计算量大、数据变化范围广。
（2）数据处理。
所谓数据处理（DataProcessing）是指对大量的数据进行加工处理，如收集、存储、传送、分类、检测、排序、统计和输出等，从中筛选出有用信息。
与科学计算不同，数据处理的数据虽然量大，但计算方法简单。
数据处理也是计算机的一个重要而应用广泛的领域，用于各种数据处理系统，如电子商务系统、图书情报检索系统、生产管理系统、酒店事务管理系统和医院信息系统等。
（3）过程控制。
过程控制（ProcedureControl）又称实时控制，指用计算机实时采集控制对象的数据（有时是非数值量），对采集的数据进行分析处理后，按被控对象的系统要求对控制对象进行控制。
工业生产领域的过程控制是实现工业生产自动化的重要手段。
利用计算机代替人对生产过程进行监视和控制，可以提高产品数量和质量，减轻劳动者的劳动强度，保障劳动者的人身安全，节约能源、原材料，降低成本，从而提高劳动生产率。
目前，我国的许多生产企业（如钢铁厂、化工厂和生物制品厂等）都已广泛应用了生产过程的计算机控制系统。
交通运输、航空航天领域应用过程控制系统更为广泛，铁路车辆调度、民航飞机起降、火箭发射及其运行轨迹的实时调整都离不开过程控制。
（4）计算机辅助系统。
计算机辅助系统（Computer-AidedSystem）包括计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）和计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，CAI）等。
计算机辅助设计是指利用计算机帮助人们进行设计。
由于计算机具有高速的运算能力及图形处理能力，使CAD技术得到广泛应用，如建筑设计、机械设计、集成电路设计和服装设计等领域都有相应的CAD应用软件。
采用计算机辅助设计后，大大减轻了相应领域设计人员的劳动强度，提高了设计速度和设计质量。
计算机辅助制造是指利用计算机对生产设备进行管理、控制和操作。
在产品的生产过程中，用计算机控制生产设备的运行、处理生产过程中所需的数据、控制和处理生产材料的流动，以及对产品进行检验等都属于计算机辅助制造技术。
采用计算机辅助制造技术可以提高产品质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度（如用数控机床加工工件）。
计算机辅助教学是指利用计算机帮助教师教学，指导学生学习。
目前，国内外CAI教学软件比比皆是，尤其是近年来计算机多媒体技术和网络技术的飞速发展，网上的CAI教学软件如雨后春笋，竞相争辉。
（5）人工智能。
人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指用计算机模拟人类的演绎推理和决策等智能活动。
在计算机中存储一些定理和推理规则，设计程序让计算机自动探索解题方法和推导出结论是人工智能领域的基本方法。
人工智能是计算机应用研究的前沿学科。
人工智能领域的应用成果十分广泛，例如，模拟医学专家的经验对某一类疾病进行诊断；具有低等智力的机器人；计算机与人类进行棋类的对弈；数学中的符号积分和几何定理证明等。
（6）信息高速公路。
信息高速公路（InformationSuper-Highway）的概念源于美国。
早在1991年，参议员戈尔提出把美国所有信息库及信息网络联成一个全国性大网，让各种形态的信息在大网中高速交互传输。
1993年9月，美国总统克林顿正式宣布实施国家信息基础设施计划，即“信息高速公路”计划。
这项计划预计20年内耗资4000亿美元，计划1997—2000年初步建成。
这项计划震惊全球，各国纷纷提出自己的发展信息高速公路的计划，积极加入到这场世纪之交的大竞争中去。
国家信息基础设施建设包括人才的培养、信息资源建设、高性能计算机的投入、高速宽带通信基础设施的建设和一系列的标准法规等政策的制定。
我国政府及时抓住了发展契机，提出了我国发展国家信息基础设施的计划，目前正在抓紧实施各方面基础建设。
3．计算机医学应用
作为医学工作者，有必要了解计算机在医学领域的应用情况。
20世纪50年代末开始，计算机应用逐渐渗透到医药卫生领域，形成了一门多学科交叉的边缘学科——医药信息学（MedicalInformationScience），它的研究对象是具有生命活动特征的医学信息。
20世纪70年代末，“国际医药信息学会”宣告成立；80年代初，“中国医药信息学会”成立。
这两个学会的成立及开展的工作为医药信息学的发展做出了巨大的贡献。
20世纪90年代，全球性的信息高速公路建设浪潮给计算机医学应用带来新的机遇和挑战。
1995年，中国卫生部宣布启动“金卫工程”建设项目，这是一项以医院信息系统为基础，包括建设城镇职工医疗保险信息网络和远程诊疗信息系统的大型信息系统，各省、市、区正在抓紧实施。
以下介绍计算机医学应用的主要方面。
（1）医院信息系统。
医院信息系统（HospitalInformationSystem，HIS）是采集、管理医院各类信息，实现信息共享的计算机网络系统。
国外的医院信息系统研究始于20世纪50年代，大多数系统建立在大型或小型主机上，目前正由集中式系统向分布式系统过渡、从单纯面向管理到面向医疗过渡、从医院局域网到逐步与院外的广域网、无线网相连接。
我国的医院信息系统建设始于20世纪80年代，大体上经历了单机单任务、基于文件服务器的医院内部信息系统、客户/服务器体系结构的医院信息系统三个阶段。
“金卫工程”的启动，促进了各地区的HIS系统建设，国内具有代表性的建设项目有卫生部医院管理研究所主持开发的“中国医院信息系统”和解放军总后勤部卫生部主持开发的军队HIS系统。
（2）医学数据处理。
人工处理医学数据是相当烦琐的。
医学统计软件包的诞生把广大医学科技工作者从烦琐的数据计算中解脱出来，同时提高了数据处理结果的准确性、可靠性和科研管理水平。
目前常用的专业统计软件有SAS、SPSS等。
现在MicrosoftOffice的Excel软件，由于其应用广泛，使用方便，逐步成为医学数据处理最常用的软件。
医学数据的科学计算，目前已成为医学图像处理、医学计算机仿真（医学生理仿真、医临床仿真）的重要手段。
利用计算机网络计算发展成型的“循证医学”，是计算机技术推动医学进步发展的典范。
“人类基因组计划”是人类探索自身奥秘的计划，所建立的人类基因组图将成为疾病的预测、预防、诊断和治疗的基础。
由于基因数据的超级庞大，这一跨世纪的大型工程就只有利用计算技术和网络技术才可能实施。
人类基因研究的背景和计算机技术的结合，诞生了目前科学领域最热门的学科之一——“生物信息学”。
（3）医药信息检索系统。
早期的医药信息检索一般使用主从结构的国际联机检索系统，用户获得的信息有限，要求用户有较强的检索技能并且检索费用高，令人望而却步。
另外一种变通办法是用户单位订购某类光盘（如Medline），让用户在本地检索信息。
目前，随着Internet的飞速发展和信息高速公路计划的提出与实施，用户通过网络可以访问多台信息服务器，检索手段灵活。
Internet的发展是促使国际联机检索系统向客户/服务器体系结构网络系统过渡的重要原因。
中国目前已经建成“中国500所大型医院信息库”、“中国医院信息网”等信息资源库。
（4）智能化医疗仪器的研制。
微型计算机、微处理机及单片机的诞生使计算机应用于智能化医疗仪器的研制成为可能。
目前已有各类智能化医疗仪器面市，如电子温度计、电子血压计、心电功能监护仪、生化分析仪、电子计算机断层扫描仪（CT）、核磁共振仪（NMR）、正电子发射成像（PET）、单光子发射成像（SPECT）和刀等。
尤其是CT、NMR等大型医疗仪器的研制和应用，使医学影像诊断和参与治疗的手段前进了一大步，而计算机在三维超声诊断、各种射线治疗设备（如 刀等）等计算机辅助治疗方面的应用，大大提高了医疗水平。
（5）医学专家系统。
医学专家系统（MedicalExpertSystem）是以医学专家知识为基础，以解决某一医学领域问题的人工智能系统。
这是国内计算机医学应用最活跃的领域之一，尤以中医计算机辅助诊断系统独具特色，受到国内、国际的重视和关注。
它的作用是协助医生做出更正确的诊断，制定更合理的医疗方案。
生物芯片、纳米技术、图像处理技术等计算机技术的引入将进一步促进数字医学应用领域的深入和发展。
1.1.2计算机的特点
计算机之所以应用广泛，是由它的特点决定的。
1．运算速度快
计算机的运算速度是计算机性能最重要的评价指标。
从第一台5000次每秒的计算机发展到目前高达280万亿次浮点运算的超级计算机，不仅大大加快了问题求解的速度，而且使某些过去靠人根本无法完成的计算工作有了完成的可能。
例如天气预报用一组数学微分方程描述天气的变化，需要快速实时地求解微分方程组的数值解，实质上是把复杂的数学公式化解为数以亿万次的四则运算。
这些重复性、大量的简单运算，理论上人是可以用简单计算工具完成的，但实际上因工作量太大，不仅容易出错，而且在一个限定时间内是无法完成的。
中长期天气预报对计算机运算速度要求更高，只有在百亿次以上的巨型机上才能按时完成。
2．运算精度高
运算精度是指数据在计算机内表示的有效位数。
计算机上的单精度实数运算一般只有7～8位有效数字，双精度实数运算可提供15～16位有效数字。
必要时可借助软件提高精度。
3．存储容量大
目前计算机主存储器（内存）容量大大提高，达到GB的数量级，而且辅助存储器（外存）容量已达TB级。
主存储器由半导体材料制成，其工作速度与中央处理器同步。
辅助存储器包括磁带、磁盘和光盘，用来保存大量数据和资料，以实现海量存储。
4．自动化程度高、可靠性好
计算机的运行是在程序控制下自动进行的，无需人工参与，而且可靠性好。
5．严密的逻辑判断能力
计算机不仅可以完成数值计算，而且还可施行各种逻辑运算（如判断大小、异同和真假等）。
例如，计算机可根据从人造地球卫星发送回来的大量数据和图片信息，判断地面农作物长势、病虫害，判断环境污染、森林火灾、江河水灾和军事设施等。
6．联网通信，共享资源
计算机联成网络后，汇集了世界上所有的信息资源，为人们提供了一种有效及崭新的交流手段，便于世界各地的人们充分利用人类共有的知识财富。
1.1.3计算机的发展历史
人类创造计算工具、发展计算技术的历史悠久。
从13世纪诞生在中国的算盘到17世纪诞生于英国的计算尺，再到现代的电子计算机，都证明了任何一项科学技术的发明都离不开当时的社会发展需要以及当时科学技术的发展水平。
而电子数字计算机的发明和发展则是近半个世纪的事情，它对现代科学技术和社会发展的影响是人类所始料不及的，如何评价都不为过。
1．计算机的诞生
19世纪50年代，英国数学家乔治·布尔（GeorgeBoole，1815—1864）创立了逻辑代数，奠定了电子计算机的数学理论基础。
1936年，英国科学家图灵（AlanTuring，1912—1954）首次提出了逻辑机的模型——“图灵机”，并建立了算法理论，被誉为计算机之父。
两位科学巨匠的研究为计算机的诞生提供了重要的理论依据。
20世纪初，科学技术的飞速发展要求一种高速、准确的计算工具以解决当时科学研究与工程技术上的计算问题。
所以，电子计算机在20世纪诞生是必然的。
1946年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，电子数字积分计算机）诞生于美国宾州大学。
这台计算机使用约18000个电子管，能做每秒5000次加法运算（运算速度），体积为90m3，耗电140多kW，占地170m2，重约30t。
原先需要100多名工程师工作一年的问题，ENIAC只需要2小时。
1946年6月，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（JohnVonNeumann，1903—1957）在他的“电子计算机装置逻辑结构初探”报告中首次提出了顺序存储程序通用电子计算机的方案，从而奠定了电子计算机结构的基本框架。
时至今日，计算机技术日新月异，但其结构仍是冯·诺依曼结构。
2．计算机的分代
自计算机诞生以来，计算机技术发展速度之快，影响之大是其他任何技术所不能相比的。
从硬件上来看，计算机已经历了4代发展历程，现正在向新一代迈进。
（1）第一代（1946—20世纪50年代中期）。
电子管计算机。
主要性能指标包括器件使用电子管（真空管）、汞延迟线存储器和磁鼓等；1万次每秒；2KB存储器；机器语言。
典型计算机有ENIAC、EDVAC、UNIVAC和IBM650等。
（2）第二代（20世纪50年代中期—20世纪60年代中后期）。
晶体管计算机。
主要性能指标包括器件使用晶体管、磁芯存储器等；300万次每秒；32KB存储器；软件有汇编语言、ALGOL60、FORTRAN和COBOL。
典型计算机有IBM7090、IBM7094和CDC6600等。
（3）第三代（20世纪60年代中后期—20世纪80年代初）。
中小规模集成电路计算机。
主要性能指标包括硬件有中小规模集成电路、半导体存储器、磁盘和微处理器等；1亿～10亿次浮点运算每秒；8～256MB存储器；软件有操作系统、结构化程序设计语言、并行算法和数据库等。
典型计算机有IBM360、370和PDP-11等。
（4）第四代（20世纪80年代初至今）。
大规模、超大规模集成电路计算机。
主要性能指标包括硬件有大规模、超大规模集成电路、半导体存储器、磁盘、光盘、微处理器、微型计算机、多处理机系统、分布式计算机系统、并行计算机系统和工作站等；10亿次以上浮点运算每秒；256～4096MB存储器；软件有ADA语言、Java语言、专家系统、软件工具和支撑环境等。
典型计算机有IBM308X、CRAY_2和CRAY_3等。
目前计算机正在向面向人工智能、神经元网络计算机和生物芯片方向发展。
面向人工智能应用计算机的硬件有超大规模集成电路、GAAS、HEMT、半导体存储器和大规模并行计算机系统；软件有逻辑型语言、函数型语言、面向对象语言和智能软件等；典型计算机有LISP机、PROLOG机等。
神经元网络计算机的硬件有超大规模集成电路、GAAS、HEMT、JJ、光计算机和生物计算机，典型计算机有MARKV、NX_16和NX_1/16等。
3．中国计算机发展历史
中国计算机事业起步于1956年，电子计算机的研制被列入当年制订的“十二年科学技术发展规划”的重点项目中。
1957年，我国研制成功第一台模拟电子计算机。
1958年，我国研制成功第一台电子数字计算机（103机）。
1964年开始，我国推出一系列晶体管计算机，如109乙、109丙、108乙和320等。
从1971年开始，我国生产出一系列集成电路计算机，如150、DJS-100系列和DJS-200系列等。
这些产品成为我国当时应用的主流机种。
20世纪80年代后，我国计算机事业蓬勃发展。
1983年，1亿次巨型计算机“银河-Ⅰ”诞生；1993年，10亿次巨型计算机“银河-Ⅱ”诞生；1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值达25亿次每秒；1997年，130亿次巨型计算机“银河-Ⅲ”诞生；2000年7月，3840亿次巨型计算机“神威-Ⅰ”问世；2001年，我国研制的曙光3000超级计算机峰值达4032亿次每秒；2002年8月，联想集团研制的深腾1800超级计算机峰值达1.08万亿次每秒的运算速度，位居全球第43位；2003年12月，联想集团又推出了深腾6800超级计算机，其运算能力达4.183万亿次每秒；2004年6月，由中国科学院计算技术研究所、曙光公司和上海超级计算中心三方共同研制的曙光4000A超级服务器，峰值运算速度达到11万亿次每秒。
这是中国成为世界上继美国、日本之后第三个跨越10万亿次计算机研发和应用的国家。
在微型计算机产品方面，我国先后推出了联想、长城、方正、同创、浪潮和实达等国产品牌，国产品牌市场占有率越来越高。
软件产业更是兴旺发达，先后推出北大方正汉字激光照排系统、反病毒程序和字处理软件等。
1.1.4计算机的分类
计算机按应用特点可分为专用计算机和通用计算机；按机器规模大体上可分为巨型计算机、大型通用计算机、小型通用计算机和微型计算机。
1．巨型计算机
又称超级计算机（SuperComputer）或超高性能计算机。
在各类计算机中，此类计算机运算速度最快，主存容量最大，不仅有标量运算，而且还有向量运算。
它用来解决其他类计算机不能或难以解决的大型复杂问题，如中长期天气预报、石油勘探与开发的数值计算和科学研究的数据处理等问题。
2．大型通用计算机
它是处理能力强大的通用计算机（MainframeComputer），属于比较早期的机种，既适用于科学计算，又能进行大量数据处理。
大型通用计算机一般拥有4～8个CPU，最高处理速度高达6亿次每秒，它拥有多达百台大容量磁盘机，支持大型数据库，连接数百台用户终端，可实现分时处理。
现代企业的管理信息系统（ManagementInformationSystem，MIS）早期几乎都是建立在大型通用计算机的基础之上的。
3．小型通用计算机
又称超级小型计算机（MiniComputer），该机种除规模小一些外，与大型通用计算机的低档机型接近，其性能价格比高，适合广大中小企业使用。
4．微型计算机
又称个人计算机（PersonalComputer，PC）。
在各种类型计算机中，微型计算机发展最快，性能价格比最高，应用最广泛，最具发展前途，因而在各行各业得到普遍应用。
微型计算机是以先进的微处理器作为CPU，当今奔腾微处理器PⅣ的主频已高达3.8GHz以上，运行速度达20亿次每秒，内存容量主流是1024MB或2048MB，硬盘容量高达80GB～1TB。
当今微型计算机已发展出单片机、便携式微型计算机（笔记本）、台式微型计算机和工作站。
工作站是一种小巧紧凑的计算机系统，它配有高速整数和浮点运算处理部件，有很大的虚拟存储空间、强有力的人机交互图形显示接口和网络通信接口，以及功能齐全的系统软件、支撑软件和应用软件。
高档工作站的CPU可多达20多个。
工作站具有比台式机更强的数据处理、图形图像处理和网络功能，因此广泛应用于科学计算、软件工程、CAD/CAM和人工智能等领域。
今后随着多核微处理器技术和并行处理技术的发展，采用多处理器技术来研制巨型计算机已成为计算机研制中的一个重要方向。
目前计算机的研制正朝巨型计算机和微型计算机两个方向发展。
巨型计算机的研制是国力的象征、世界其他尖端技术发展的需要；微型机的快速研制开发推动了计算机的普及与应用市场的需求。
随着网络技术的发展，服务器的作用愈来愈重要。
在Internet技术中，用作服务器的计算机可以是大型计算机、微型计算机甚至是巨型计算机。
专用服务器与普通计算机的区别是在服务器的设计中充分发挥了多处理器、高速磁盘接口、磁盘阵列和磁盘镜像等先进技术，以确保服务器的稳定性、运算的高速和大存储容量等特别的需求。
1.1.521世纪计算机发展趋势
21世纪的计算机将会向以下几个方面发展。
（1）超级计算机的研制仍然是热点。
截止到2006年年底，当今超级计算机的最高速度达280万亿次浮点运算每秒，为IBM公司制造的BlueGene/L。
目前美国、日本正在研制1000万亿次的超级计算机。
（2）由于微处理器的电子制造工艺到一定时期会达到一个物理极限，人们将寻求新的制造领域，光电子计算机和生物计算机将是21世纪的主力军。
光电子计算机的优点是快速（比电快1000倍以上）、不发热、电路之间没有干扰，能克服当今硅芯片的最大缺陷。
生物计算机的最大特点是运算速度快，处理信息的时间仅为集成电路的万分之一，其本身具有并行处理能力，而不必依赖数千台微处理器的联合。
（3）计算机将进一步微型化，毫微米技术将产生更加微型化的机器人。
现在Mitre公司已制造出5mm小的机器人，将使它具有自我复制能力；与医学结合，在人类的血液中置入微型机器人以对付癌症、艾滋病和先天性免疫功能丧失综合征等疾病，帮助人类战胜病魔。
（4）计算机人工智能化、人性化。
在建立人工智能化、自然化和人性化系统方面，最基本的技术可能就是自然语言处理技术。
语音识别技术在近年获得了令人惊讶的进展，如IBM公司的ViaVoice就可以对连续的语音进行比较可靠的识别。
现在这些产品有一个较大的限制，即在于用户必须读出标点符号，如“逗号”或者“句号”，但这类限制很快就会得到解决。
在今后的系统中，人们可以像对人说话一样对计算机提问或者提要求，计算机将给出满意的回答。
计算机甚至可以理解人类的情绪。
（5）计算机网络将继续向高速宽带网发展，真正做到在网上共享硬件资源、信息资源。
人类将完全实现无纸办公和移动办公。
利用计算机精确地实现全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）导航等。
1.1.6信息的数字化
人类社会最基本的三个要素是物质、能量和信息。
物质是基础，能量是
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