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赵永刚
第1章 计算机基础概论
在信息技术飞速发展的今天，计算机已经成为人类工作和生活不可缺少的部分，掌握相应的计算机基础操作，也成为人们在各行各业工作的必备知识。
通过本章的学习，读者应了解计算机的概念及其发展史、计算机的组成以及计算机中的数制与编码等知识。
计算机的概念及发展史
计算机的组成
计算机的数制与编码
计算机安全
1.1 计算机概述
随着社会的进步和科学技术日新月异的发展，作为这个时代的标志--计算机在人们的日常生活中扮演着不可替代的作用。
计算机正作为一种工具慢慢地走进人们的生活，改变着人们工作和学习的方式。
1.1.1计算机的概念及其发展史
1.1.1 计算机的概念及其发展史
本书中所说的计算机，是指微型计算机，也称个人计算机（PC，全称为PersonalComputer）。
那么，到底什么才是计算机呢？
简单地说，计算机就是一种能够按照指令对收集的各种数据和信息进行分析并自动加工和处理的电子设备。
世界上的第一台计算机，于1946年2月诞生于美国的宾夕法尼亚大学，当时取名为ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator），读作"埃尼克"。
它是一台电子数字积分计算机，占地170平方米，共用了18000多个电子管、1500个继电器，重达30吨，每小时耗电140千瓦，可谓是一个庞然大物，如图1-1所示。
这台计算机每秒钟能完成5000次加法运算、300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快300倍。
用现在的标准看，它的功能远不及一个可编程的计算器，但它使科学家们从繁杂的计算中解放出来，它的诞生标志着人类进入了一个崭新的信息革命时代。
电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，已经历了四代，正在向第五代过渡。
每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
下面就来介绍计算机的发展简史。
1.第一代计算机--电子管计算机（1946-1957年）
第一代计算机采用的主要原件是电子管，称为电子管计算机。
其主要特征如下。
采用电子管元件，体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。
计算速度慢，一般为每秒1千次到1万次运算。
使用机器语言，几乎没有系统软件。
采用磁鼓、小磁芯作为存储器，存储空间有限。
输入输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片。
主要用于科学计算。
2.第二代计算机--晶体管计算机（1958-1964年）
晶体管的发明给计算机技术的发展带来了革命性的变化。
第二代计算机采用的主要元件是晶体管，称为晶体管计算机。
第二代计算机的主要特征如下。
采用晶体管元件，体积大大缩小、可靠性增强、寿命延长。
计算速度加快，达到每秒几万次到几十万次运算。
提出了操作系统的概念，出现了汇编语言，产生了FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言和批处理系统。
普遍采用磁芯作为内存储器，磁盘、磁带作为外存储器，容量大大提高。
计算机应用领域扩大，除科学计算外，还用于数据处理和实时过程控制。
3.第三代计算机--集成电路计算机（1965-1969年）
20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，已制造出了集成电路元件。
集成电路可以在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。
第三代计算机开始使用中小规模的集成电路元件，其主要特征如下。
采用中小规模集成电路元件，体积进一步缩小，寿命更长。
计算速度加快，可达每秒几百万次运算。
高级语言进一步发展。
操作系统的出现，使计算机功能更强，计算机开始广泛应用于各个领域。
普遍采用半导体存储器，存储容量进一步提高，而体积更小、价格更低。
计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。
4.第四代计算机--大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）
随着20世纪70年代初集成电路制造技术的飞速发展，产生出了大规模集成电路元件，使计算机进入了一个崭新的时代，即大规模和超大规模集成电路计算机时代。
第四代计算机的主要特征如下。
采用大规模（LSI，全称为LargeScaleIntegration）和超大规模集成电路（VLSI，全称为VeryLargeScaleIntegration）元件，体积与第三代相比进一步缩小。
在硅半导体上集成了几十万甚至上百万个电子元器件，可靠性更好，寿命更长。
计算速度加快，可达每秒几千万次到几十亿次运算。
软件配置丰富，软件系统工程化、理论化，程序设计部分自动化。
发展了并行处理技术和多机系统，微型计算机大量进入家庭，产品更新速度加快。
计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和专家系统等各个领域大显身手，计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。
5.微型计算机的发展
随着微电子技术的发展，集成电路的集成度越来越高，计算机的体积也越来越小。
微型计算机简称微机，又称微计算机，是第四代计算机微型化的产物。
微机体积小，重量轻，功耗低，价格便宜，对环境要求也不高，易学易用。
而它的功能、速度、可靠性、适用性和传统的计算机相比也毫不逊色。
现代微电子技术可以把组成计算机的核心部件--微处理器集成到一块小小的芯片上。
人们通常都习惯以微处理器为依据来讨论微型计算机的发展历史。
1.1.2计算机的分类
1.1.2 计算机的分类
根据计算机的性能指标，如机器规模的大小、运算速度的高低、主存储容量的大小、指令系统性能的强弱以及机器的价格等，可将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。
巨型机：
巨型机是指运算速度在每秒亿次以上的计算机。
巨型机运算速度快、存储量大、结构复杂、价格昂贵，主要用于尖端科学研究领域。
巨型机目前在国内还不多，我国研制的"银河"计算机就属于巨型机。
大、中型机：
大、中型机是指运算速度在每秒几千万次左右的计算机。
通常用在国家级科研机构以及重点理、工科类院校。
小型机：
小型机的运算速度在每秒几百万次左右，通常用在一般的科研与设计机构以及普通高校等。
微型机：
微型机也称为个人计算机（PC机），是目前应用最广泛的机型。
如通常所说的386、486、586及奔腾系列等机型都属于微型机。
工作站：
工作站主要用于图形、图像处理和计算机辅助设计中。
它实际上是一台性能更高的微型机。
1.1.3计算机的应用领域
1.1.3 计算机的应用领域
计算机的快速性、通用性、准确性和逻辑性等特点，使它不仅具有高速运算能力，而且还具有逻辑分析和逻辑判断能力。
这不仅可以大大提高人们的工作效率，而且现代计算机还可以部分替代人的脑力劳动，进行一定程度的逻辑判断和运算。
如今计算机已渗透到人们生活和工作的各个层面中，主要体现在以下几个方面的运用。
1.科学计算
科学计算（或数值计算）是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。
在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。
利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。
2.信息处理
信息处理（数据处理）是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。
据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大、面宽，决定了计算机应用的主导方向。
3.自动控制
自动控制（过程控制）是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。
采用计算机进行自动控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。
目前，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。
4.计算机辅助技术
计算机辅助技术是指利用计算机帮助人们进行各种设计、处理等过程，它包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助测试（CAT）等。
另外，计算机辅助技术还有辅助生产、辅助绘图和辅助排版等。
5.人工智能
人工智能（ArtificialIntelligence，简称AI）又可称为智能模拟，是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。
人工智能的研究目标是计算机更好地模拟人的思维活动，那时的计算机将可以完成更复杂的控制任务。
6.网络应用
随着社会信息化的发展，通信业也发展迅速，计算机在通信领域的作用越来越大，特别是促进了计算机网络的迅速发展。
目前，全球最大的网络（Internet，即国际互联网）已把全球的大多数计算机联系在一起。
除此之外，计算机在信息高速公路、电子商务、娱乐和游戏等领域也得到了快速的发展。
1.2计算机的组成
1.2 计算机的组成
计算机是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备。
计算机由许多部件组成，但总的来说，一个完整的计算机系统由两大部分组成，即硬件系统和软件系统，如图1-2所示。
1.2.1计算机的硬件系统
（1）
1.2.1 计算机的硬件系统
（1）
计算机的硬件是指能够看得见、摸得着的物理原件。
计算机的硬件系统是整个计算机系统进行工作的基础，也是决定计算机性能的主要因素。
这些硬件主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。
下面对计算机的主要硬件组成部分进行简要介绍。
1.主板
主板又叫主机板（Mainboard）、系统板（Systemboard）或母板（Motherboard）。
图1-3所示为主板外观图。
主板是整个计算机硬件系统中最重要的部件之一，它不但是整个计算机系统平台的载体，也是系统中各种信息交流的中心。
主板的类型和档次决定着整个计算机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个计算机系统的性能。
2.中央处理器（CPU）
中央处理器也叫CPU，英文全称是CentralProcessingUnit。
CPU的作用和人的大脑比较类似，它主要负责处理和运算计算机内的所有数据，是计算机的核心组成部分。
CPU的外观如图1-4所示。
CPU主要由基板、核心和针脚3部分组成。
基板：
基板是承载核心和针脚的载体，核心和针脚通过基板连接成一个整体，它们决定着CPU的时钟频率，负责内核芯片和外界信息的交流，如图1-5所示。
核心：
核心又叫内核，是CPU最重要的组成部分，它的制作原材料是单晶硅，CPU中所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心完成的，如图1-6所示。
针脚：
CPU的接口方式有引脚式、卡式、触电式及针脚式等。
目前，CPU的接口方式都是针脚接口，如图1-7所示。
3.存储器
存储器是计算机中的一种具有记忆能力的部件，用来存放程序或数据。
存储器分为内存储器和外存储器两类。
内存储器简称内存，用于暂时存放系统中的数据。
它的特点是存储容量较小，但运行速度较快。
外存储器简称外存（如硬盘），用于存放永久性的数据。
它的特点是存储容量较大，但存取速度比内存慢。
图1-8所示为内存和硬盘的外观。
1.2.1计算机的硬件系统
（2）
1.2.1 计算机的硬件系统
（2）
4.显示卡
显示卡（DisplayCard）简称显卡，它的基本作用是控制计算机的图形输出，主要负责将CPU送来的影像数据经过处理后，转换成数字信号或者模拟信息，再将其传输到显示器上，可见显卡是主机与显示器之间进行沟通的桥梁。
显卡的外观如图1-9所示。
显卡由显示芯片、显示内存及RAMDAC等组成，这些组件决定了计算机屏幕上的输出质量，包括屏幕画面显示的速度、颜色、刷新频率及显示分辨率等。
5.声卡
声卡也叫音频卡，是多媒体计算机中的重要部件，可以实现声波/数字信号的相互转换。
声卡是对送来的声音信号进行处理，然后再由声卡送到音箱进行还原。
声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。
声卡主要由音效处理芯片、游戏/MIDI插口、线性输入输出插口、话筒输入插口和内置声音输出接口组成。
目前，大部分主板都集成了音效处理芯片，用户一般无须另外购置独立的声卡。
如图1-10所示为主板集成的音效处理芯片；图1-11所示为主板后部的集成声卡接口。
6.网卡
网卡（NetworkInterfaceCard）也称网络适配器，它是连接计算机与网络的硬件设备，是计算机上网必备的硬件之一。
网卡的主要作用是通过网线（双绞线、同轴电缆等）或者其他的媒介来实现与网络中的其他用户实现共享资源和交换数据的功能。
网卡分为有线网卡、无线网卡和无线移动网卡3种。
有线网卡：
目前台式计算机中普遍使用的是有线网卡。
有线网卡又分为独立网卡（如图1-12所示）和集成网卡（如图1-13所示）两类。
由于网卡的重要性，现在大部分主板都集成了网卡。
无线网卡：
无线网卡的显著特点就是连接网络时不需要网线，它利用无线技术取代了网线，如图1-14所示。
无线移动网卡：
无线移动网卡和无线网卡相比，它的优点是可以通过中国电信、中国移动或中国联通的3G无线通信网络上网，这种上网方式非常方便，但资费较高，与有线网络相比，网速稍慢。
图1-15所示为3G无线上网卡。
7.光驱
光驱是光盘驱动器的简称，用来读取光盘上的数据，光驱主要由以下几部分组成：
激光头、旋转马达、内存机芯、外托架和程序芯片。
目前的光驱技术已经发展得相当完善。
常见的光驱有：
CD-ROM光驱、DVD-ROM光驱、CD-RW刻录机、DVD-RW刻录机和COMBO（康宝）等。
CD-ROM光驱：
CD-ROM光驱在前几年比较流行，如图1-16所示，主要能够读取CD、VCD格式的光盘，但随着DVD-ROM技术的日益成熟和完善，CD-ROM光驱已经基本上被淘汰。
DVD-ROM光驱：
DVD-ROM光驱的功能比较强大，是现在比较常见的光驱，它能够读取CD、VCD和DVD格式的光盘，如图1-17所示。
1.2.1计算机的硬件系统（3）
1.2.1 计算机的硬件系统（3）
CD-RW刻录机：
CD-RW刻录机既能读取光盘，又能将数据以CD的格式刻录到光盘上，功能比CD-ROM更强大，如图1-18所示。
但因为CD的容量比较小和DVD-ROM刻录机的发展，CD-RW刻录机也已逐渐被淘汰。
DVD-RW刻录机：
DVD-RW刻录机不仅能读取DVD光盘中的数据，还能将数据以DVD的格式刻录到DVD光盘上，是目前比较常见的光盘刻录机，如图1-19所示。
COMBO（康宝）：
CMOBO指的是一种既具有DVD光驱读取DVD功能，又具有CD刻录机刻录CD功能的光驱。
目前，由于DVD-RW刻录机的价格已经很低，很少有用户还买康宝了。
现在康宝多用于低端笔记本计算机上。
最新的康宝驱动器还可以读取蓝光光盘，刻录DVD等。
8.机箱和电源
机箱是主机中各个硬件设备的载体，它的外观如图1-20所示。
机箱分为立式和卧式两种，目前最常见的为立式机箱。
机箱的正面设有电源按钮、重启按钮、指示灯和光驱等部件。
一般来说，电源按钮会标有符号或写有Power字样、重启按钮会标有Reset字样，指示灯用来指示计算机的工作状态。
机箱的背面是一些接口，主要包括电源输入接口、PS/2接口、串行接口、USB接口、音频设备接口、并行接口、网卡接口和视频设备接口等，如图1-21所示。
电源输入接口：
用来连接电源，为主机供电。
PS/2接口：
机箱后面共有紫色和绿色两个PS/2接口，其中绿色接口用于连接鼠标，紫色接口用于连接键盘。
串行接口：
主要用于连接外置的Modem和手写板等串口设备。
USB接口：
主要用于连接带有USB接口的设备，如U盘、移动硬盘、MP3、数码相机、摄像头和手机等。
音频设备接口：
主要用于连接音频设备，包括音箱、麦克风等。
并行接口：
用于连接具有并口数据线的设备，如某些打印机、扫描仪等。
网卡接口：
用于连接网线。
视频接口：
通过数据线与显示器相连，输出视频信号到显示器。
另外，电源也是机箱内的重要部件，它主要为计算机的各个硬件的正常工作提供充足电力保证，如图1-22所示。
9.键盘和鼠标
键盘是计算机中最基本的也是最重要的输入设备，如图1-23所示。
通过键盘，用户可以向计算机输入字母、文字和标点符号等，从而实现数据的输入和控制功能。
鼠标又称Mouse，可以说是操作系统的"钥匙"，它的发明主要是为了让操作系统更加方便易用。
鼠标的方便性和灵活性使它成为计算机中使用最为频繁的设备之一。
如图1-24所示为目前最常用的光电鼠标。
10.显示器
显示器是计算机中必不可少的输出设备，它将计算机中的文字、图片和视频数据转换成为人的肉眼可以识别的信息显示出来。
显示器为用户和计算机之间提供了一个交流的平台。
显示器主要分为CRT（Cathode-Ray-Tube，即阴极显示管）显示器和LCD（LiquidCrystalDisplay，即液晶显示器），如图1-25所示。
1.2.2计算机的软件系统
1.2.2 计算机的软件系统
只有硬件，计算机还不能发挥其作用，还必须为计算机安装软件。
计算机的软件系统指的是在硬件设备上运行的各种程序、数据以及有关的资料，它包括系统软件和应用软件两种。
系统软件包括操作系统、语言处理系统、数据库系统、分布式软件系统等，应用软件主要指的是针对某项工作专门开发的一组程序，如Office系列软件等。
1.操作系统
操作系统是最基本的系统软件，它的主要功能包括存储器管理、处理器管理、文件管理、设备管理作业管理等。
计算机只有在安装了操作系统之后才能够正常运行和使用其他软件。
它为用户和计算机之间架起了一座沟通的桥梁，为用户提供了一个方便有效和友善的工作环境。
2.语言处理系统
语言处理系统是用户与计算机进行信息交换的媒介。
它相当于一位优秀的翻译，主要负责将用户的指令翻译成计算机能够识别的目标程序。
常见的该类程序有汇编语言和C语言等。
3.数据库系统
数据库系统是用于支持数据管理和存取的软件。
它包括数据库系统和数据库管理系统等。
其主要功能包括数据库的定义和操纵，共享数据的并发控制、数据的安全与保密等。
4.分布式软件系统
分布式软件系统包括分布式操作系统、分布式程序设计系统、分布式数据库系统、分布式文件系统等，其主要功能是管理分布式计算机系统的资源和控制分布式程序的运行等。
5.应用软件
除了系统软件以外的所有软件都可以称为应用软件。
应用软件种类繁多，而正是因为有了各种各样的应用软件，才使计算机可以在各行各业大显身手，从而推动了计算机的普及和发展。
应用软件按其功能划分，大致可分为工具软件、办公软件、游戏娱乐软件和通信软件等几种。
例如，图片处理软件Photoshop、音乐播放软件"千千静听"等，如图1-26所示。
1.2.3计算机的常用外设
1.2.3 计算机的常用外设
计算机的常用外设主要包括打印机、扫描仪、音箱、手写板、U盘和移动硬盘等。
打印机：
打印机可以把计算机中的文字、图像等信息打印到传统的纸质媒体上。
打印机可以分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机，如图1-27所示。
扫描仪：
扫描仪是计算机的一种输入设备，能够将图片和文字等内容直接以图片的形式存储在计算机中。
扫描仪分为平板式扫描仪和手持扫描仪两种，如图1-28所示。
音箱：
音箱的主要作用是输出计算机发出的音频信号，将其转化为声波信号，供用户收听，如图1-29所示。
手写板：
手写板类似于鼠标和键盘的功能，它的作用是输入文字或者绘画，如图1-30所示。
U盘：
U盘是USB盘的简称，它的特点是体型小巧、价格低廉、存储容量大、价格便宜，是一种常见的移动存储设备，如图1-31所示。
移动硬盘：
移动硬盘是以硬盘为存储介质并注重便携性的存储产品，相对于U盘来说，它的存储容量更大，存取速度更快，但是价格比较贵一些，如图1-32所示。
1.3.1二进制编码的优点
1.3 计算机中的数制与编码
数据是计算机处理的对象。
在计算机内部，各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理，而在计算机中采用什么数制，如何表示数的正负和大小，是学习计算机首先遇到的一个重要问题。
1.3.1 二进制编码的优点
二进制并不符合人们的使用习惯，但是计算机内部却采用二进制表示信息，其主要原因有以下4点。
电路简单：
计算机是由逻辑电路组成的，逻辑电路通常只有两个状态。
例如，开关的接通与断开，电压电平的高与低等。
这两种状态正好用二进制的0和1来表示。
若采用十进制，则要求处理10种电路状态，相对于两种状态的电路来说，是很复杂的。
工作可靠：
两种状态代表两种数据信息，数字传输和处理不容易出错，因而电路更加可靠。
简化运算：
二进制运算法则简单。
例如，求和法则有3个，求积法则有3个。
逻辑性强：
计算机工作原理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"。
1.3.2不同进制的表示方法
1.3.2 不同进制的表示方法
计算机必须采用某一种方式来存储或表示数据，这种方式就是计算机中的数制。
数制，即进位计数制，是人们利用数字符号按进位原则进行数据大小计算的方法。
通常是以十进制来进行计算的。
另外，还有二进制、八进制和十六进制等。
在计算机的数制中，有数码、基数和位权这3个概念必须掌握。
下面将简单地介绍这3个概念。
数码：
一个数制中表示基本数值大小的不同数字符号。
例如，十进制有10个数码：
0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。
基数：
一个数值所使用数码的个数。
例如，二进制的基数为2，十进制的基数为10。
位权：
一个数值中某一位上的1所表示数值的大小。
例如，十进制的123，1的位权是100，2的位权是10，3的位权是1。
1.十进制（Decimalnotation）
十进制的特点如下。
有10个数码：
0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。
基数：
10。
逢十进一（加法运算），借一当十（减法运算）。
按权展开式。
对于任意一个n位整数和m位小数的十进制数D，均可按权展开为：
D=Dn-1·10n-1+Dn-2·10n-2+…+D1·101+D0·100+D-1·10-1+…+D-m·10-m
【例1-1】将十进制数314.16写成按权展开式形式。
314.16=3×102+1×101+4×100+1×10-1+6×10-2
2.二进制（Binarynotation）
二进制的特点如下。
有两个数码：
0、1。
基数：
2。
逢二进一（加法运算）；借一当二（减法运算）。
按权展开式。
对于任意一个n位整数和m位小数的二进制数D，均可按权展开为：
D=Bn-1·2n-1+Bn-2·2n-2+…+B1 ·21+B0·20+B-1·2-1+…+B-m·2-m
【例1-2】把（1101.01）2写成展开式，它表示的十进制数为：
1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2=（13.25）10
3.八进制（Octalnotation）
八进制的特点如下。
有8个数码：
0、1、2、3、4、5、6、7。
基数：
8。
逢八进一（加法运算），借一当八（减法运算）。
按权展开式。
对于任意一个n位整数和m位小数的八进制数D，均可按权展开为：
D=On-1·8n-1+…+O1·81+O0·80+O-1·8-1+…+O-m·8-m
【例1-3】（317）8相当于十进制数为：
3×82+1×81+7×80=（207）10
4.十六进制（Hexadecimalnotation）
十六进制的特点如下。
有16个数码：
0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
基数：
16。
逢十六进一（加法运算），借一当十六（减法运算）。
按权展开式。
对于任意一个n位整数和m位小数的十六进制数D，均可按权展开为：
D=Hn-1·16n-1+…+H1·161+H0·160+H-
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