作者：刘瑞新
出版社：机械工业出版社
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计算机应用基础(Windows 7+Office 2010)试读：
前言
随着计算机科学的迅速发展和计算机软硬件的不断更新换代，计算机教学内容也必须随之不断更新。为了适应计算机技术的发展和应用，适应信息化社会对大学生应具有更丰富的计算机技术知识和更强的计算机技术应用能力的实际需要，大学计算机基础课程的培养目标、教学内容、教学方法和教学手段都应有新的提高和突破，需要更加注重实际操作技能、应用能力以及创新能力的培养，使学生能够在今后的学习和工作中，将计算机技术与本专业紧密结合，使计算机技术更为有效地应用于各专业领域。
本书根据教育部计算机课程教学指导委员会制订的教学要求以及最新版全国计算机等级考试大纲的要求编写，紧跟计算机技术的发展和应用水平，以案例和任务为驱动，强化应用，注重实践，引导创新，全面培养和提高学生应用计算机处理信息、解决实际问题的能力。本书充分考虑了当前计算机技术的发展，学生应用计算机水平的现状和其他专业对学生计算机知识和应用能力的要求，合理安排了理论与应用、深度与广度方面的内容，使之更能满足现阶段对学生计算机知识的要求。本书是对在校计算机专业和非计算机专业共同开设的计算机基础课程的公共教材，主要内容包括：计算机系统基础、Windows 7操作系统的使用、计算机网络与Internet应用基础、Word 2010文字编辑软件的使用、Excel 2010数据处理软件的使用、PowerPoint 2010演示软件的使用、多媒体技术基础和信息安全基础。每章都配有适量的习题以方便练习。本书在编写的主导思想上着重突出“用”，因此在介绍操作方法时，都是通过具体的实例来讲解，这样就实现了一边学习，一边使用的效果。
本书由刘瑞新、江国学主编，具体分工如下：刘瑞新编写第1章，万忠编写第2章，付强编写第3章，江国学编写第4章，崔淼编写第5章，刘克纯编写第6章，第7章及教学资源的制作由韩建敏、庄恒、万兆君、刘大学、陈文明、缪丽丽、王金彪、孙明建、骆秋容、崔瑛瑛、孙洪玲、翟丽娟、万兆明、徐云林、庄建新、丁新建、徐维维、刘大莲完成。全书由刘瑞新教授统编定稿。本书在编写过程中得到了许多教师的帮助和支持，提出了许多宝贵意见和建议，在此感谢。
由于计算机信息基础发展迅速，书中难免有不足和谬误之处，恳请广大师生批评指正。编者第1章计算机系统基础
电子计算机的发明是20世纪最重大的事件之一，它使得人类文明的进步达到了一个全新的高度，大大推动了科学技术的迅猛发展。随着微型计算机的出现以及计算机网络的发展，计算机的应用已渗透到社会的各个方面，对人类社会的生产和生活产生了极大影响。本章介绍计算机的发展及时代划分、计算机系统的组成、计算机中的数与信息编码、微型计算机等内容。1.1 计算机的初期发展史和时代划分
计算机（Computer）是电子计算机的简称，它是一种按照事先储存的程序，自动、高速、精确地对数据进行输入、处理、输出和存储的电子设备。计算机在诞生初期主要被用于科学计算，因此被称之为计算机。现在电子计算机可以对数值、文字、声音以及图像等各种形式的数据进行处理。1.1.1 电子计算机的初期发展史
下面简单介绍1936～1946年期间，电子计算机发展初期的历史。
1.图灵机
英国数学家艾兰·图灵（Alan Turing）在1937年发表著名的《论应用于解决问题的可计算数字》论文。图灵在论文中把证明数学题的推导过程转变为一台自动计算机的理论模型（被称作图灵机），从理论上证明了制造出通用计算机的可能性，为现代计算机硬件和软件做了理论上的准备。
1966年，为纪念图灵的论文发表30周年，美国计算机协会（ACM）设立“图灵奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人，专门奖励在计算机科学研究中做出创造性贡献、推动了计算机技术发展的杰出科学家。
2.世界上第一台电子计算机——Atanasoff-Berry Computer，简称ABC
世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学（Iowa State University）的约翰·文森特·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克利福特·贝瑞（Clifford Berry）在1939年研制出来的，人们把这台样机称为Atanasoff-Berry Computer（简称ABC），即包含他们两人名字的计算机。阿塔纳索夫的设计目标是能够解含有29个未知数的线性方程组的一台机器。这台计算机的电路系统中装有300个电子真空管执行数值计算与逻辑运算。机器上装有两个记忆鼓，使用电容器来进行数值存储。以电量表示数值。数据输入采用打孔读卡，采用二进位制。ABC的基本体系结构与现代计算机一致，其外观如图1-1所示。图1-1 Atanasoff-BerryComputer“ABC”在时间上要早于其他任何我们现在所知道的有关电子计算机的设计方案。事实上，除ENIAC外，其他电子计算机应该说都是独立发明的。尽管ABC不是通用的，而仅仅是用于求解线性方程组，但目前仍公认它是世界上第一台电子计算机。
3.英国的Collossus计算机
Collossus（巨人）计算机是1943年3月开始研制的，当时研制它的主要目的是破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。1944年1月10日，巨人计算机开始运行。
巨人计算机呈长方体状，长4.9m，宽1.8m，高2.3m，重约4t。它的主体结构是两排机架，上面安装了2500个电子管。它利用打孔纸带输入信息，由自动打字机输出运算结果，每秒可处理5000个字符。它的耗电量为4500W。
巨人计算机知名度不高，其主要原因是它原先属于高级军事机密。在二战期间研制的10台同类计算机在战后均被秘密销毁，直到20世纪70年代有关材料才逐渐解密。
英国布莱切利园目前展有巨人计算机的重建机，如 图1-2所示。图1-2 Collossus计算机4.第一台通用电子计算机——ENIAC
第二次世界大战期间，当时为了给美国军方计算弹道轨迹，迫切需要一种高速的计算工具。因此在美国军方的支持下，ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）于1943年开始研制。参加研制工作的是以宾夕法尼亚大学约翰·莫奇利（John Mauchley）教授和他的研究生普雷斯波·艾克特（John Presper Eckert）为首的研制小组，历时两年多，建造完成的机器在1946年2月14日公布。ENIAC是世界上第一台通用电子计算机，它是比图灵完全的电子计算机，能够重新编程，解决各种计算问题。
ENIAC长30.48m，宽1m，安装在一排2.75m高的金属柜里，占地2面积为170m，重达30t，耗电量150kW。安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多个电阻器，10000多只电容器，1500只继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法。ENIAC是按照十进制而不是按照二进制来计算。当年运行中的ENIAC如图1-3所示。图1-3 当年运行中的ENIAC5.第一台冯·诺依曼结构的计算机——EDVAC
EDVAC的建造者还是宾夕法尼亚大学的电气工程师约翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特。1944年8月，EDVAC的建造计划就被提出，在ENIAC充分运行之前，其设计工作就已经开始。和ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验场的弹道研究实验室研制。
冯·诺依曼以技术顾问形式加入，总结和详细说明了EDVAC的逻辑设计，1945年6月发表了一份长达101页的报告，这就是著名的关于EDVAC的报告草案，报告提出的体系结构（即冯·诺依曼结构）一直延续至今。图1-4 冯·诺依曼与EDVAC
与它的前任ENIAC不同，EDVAC采用二进制编码，而且是一台冯·诺依曼结构的计算机。EDVAC使用了大约6000个真空管和120002个二极管，占地45.5m，重达7850kg，消耗电力56kW，如图1-4所示。EDVAC是二进制串行计算机，具有加减乘和软件除的功能。物理上包括：一个磁带记录仪；一个连接示波器的控制单元；一个分发单元，用于从控制器和内存接受指令，并分发到其他单元；一个运算单元；一个定时器；使用汞延迟线的存储器单元。
EDVAC于1949年8月交付给弹道研究实验室。在发现和解决许多问题之后，直到1951年EDVAC才开始运行，而且局限于基本功能。6.冯·诺依曼体系结构
电子计算机的问世，最重要的奠基人是英国数学家艾兰·图灵（Alan Turing）和美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John Von Neumann）。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型，奠定了人工智能的基础。而冯·诺依曼则是首先提出了计算机体系结构的设想。
冯·诺伊曼结构（Von Neumann Architecture）是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。冯·诺伊曼结构这个词出自冯·诺伊曼的论文《First Draft of a Report on the EDVAC》，在EDVAC制造期间，于1945年6月30日发表。冯·诺依曼提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储。冯·诺伊曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照顺序执行程序。如图1-5所示，冯·诺伊曼定义了计算机的三大组成部件。
I/O设备：负责数据和程序的输入、输出。
存储器：存储程序和数据。
处理器：分成运算器和控制器，运算器负责数据的加工处理，控制器控制程序的逻辑。
注意：传统的教科书上又把冯·诺伊曼体系结构分成五部分，即输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。
从ENIAC到现在最先进的计算机，计算机制造技术发生了巨大变化，但都采用的是冯·诺依曼体系结构。图1-5 冯·诺伊曼体系结构
计算机科学的历史就是一直围绕着这三大部件，从硬件革命到软件革命的发展史。从软件革命的历史来看，计算机科学一直围绕着数据、逻辑和界面三大部分演变，数据对应着存储器，逻辑对应着处理器，界面对应着I/O设备。1.1.2 电子计算机的时代划分
现代电子计算机的发展，主要是根据其所采用的电子器件的发展而划分，在60多年的发展过程中，一般分成四个阶段，通常称为四代。每代之间不是截然分开的，在时间上有 重叠。1.第一代——电子管计算机时代（1946～1957年）
第一代是电子管计算机，它的基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度是每秒几千次～几万次基本运算，内存容量仅几千个字。因此，第一代计算机体积大、耗电多、速度低、造价高、使用不便，主要局限于一些军事和科研部门。软件上采用机器语言，后期采用汇编语言。
代表机型为IBM公司自1952年起研制开发的IBM700系列计算机，从1953年起，美国IBM公司开始批量生产应用于科研的大型计算机系列，从此电子计算机走上了工业生产阶段。图1-6所示是IBM在1954年推出的产品IBM704型电子计算机。图1-6 IBM704型电子计算机2.第二代——晶体管计算机时代（1958～1970年）
1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后，晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小、耗电少、成本低、逻辑功能强，使用方便、可靠性高。软件上广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。
1959年，IBM公司生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090，如图1-7所示。IBM7000系列计算机是这一代计算机的主流产品。图1-7 IBM7090型电子计算机3.第三代——中、小规模集成电路计算机时代（1963～1970年）
随着半导体技术的发展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。第三代计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高，体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络。
1965年4月问世的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，是这一代的代表产品，如图1-8所示。图1-8 IBM360型电子计算机4.第四代——大规模和超大规模集成电路计算机时代（1971～现在）
在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，并立即在电子计算机上得到了应用。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路或超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器。第四代计算机的跨度很大，随着计算机芯片集成度的迅速提高，高性能计算机层出不穷。运算速度飞速增加，达到每秒数千万次至数十万亿次基本运算。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。另外，网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。
1965年，Intel公司创始人摩尔发现了著名的“摩尔定律”——18个月至24个月内每单位面积芯片上的晶体管数量会翻番。在过去40多年里，摩尔定律一直代表的是信息技术进步的速度，也带来了一场个人计算机的革命。
随着集成电路集成度的提高，计算机一方面向巨型机化发展，另一方面向小型化、微型化发展。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。20世纪70年代，微型计算机问世，电子计算机开始进入普通人的生活。微型计算机是第四代计算机的产物。
目前，尚无法确定第四代的结束和第五代的开始。人们期待着非冯·诺依曼结构计算机的问世和能够取代大规模集成电路的新材料出现。1.1.3 计算机的分类
随着计算机技术的发展和应用范围的扩大，可以按照不同的方法对计算机分类。1.计算机的分类方法（1）按计算机处理数据的类型分类
按计算机处理数据的类型可以分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算机。（2）按计算机的用途分类
按计算机的用途可分为专用计算机和通用计算机。
专用计算机功能单一，配备有解决特定问题的硬件和软件，能够高速、可靠、经济地解决特定问题，如在导弹、汽车、工业控制等设备中使用的计算机大部分都是专用计算机。
通用计算机功能多样，适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。2.通用数字计算机的分类
通用数字计算机如果不加特别说明，均称为计算机。按照计算机的性能、规模和处理能力，如运算速度、字长、存储容量、体积、外部设备和软件配置等多方面的综合性能指标，将计算机分为巨型机、大型机、微型机、工作站、服务器等几类。（1）巨型机
巨型机也称超级计算机（Super Computer），是计算机家族中运行速度最快、存储容量最大、功能最强、体积最大的一类，主要应用于核武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。
2012年10月，隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室的Titan（泰坦）成为世界上运算速度最快的超级计算机，这台超级计算机的浮点计算性能达到了每秒1.759 PFlops（千万亿次浮点运算/s）。Titan超级计算机拥有200个机柜，18688个节点。每一个节点由一个16核心AMD Opteron 6274 CPU和一个NVIDIA Tesla K20 GPU组成。每个节点CPU配有32GB DDR3内存，GPU配有6GB of GDDR5（ECC指出）显存，因此Titan的总内存710TB，它的硬盘则超过10PB——由1万个标准1TB 7200 RPM 2.5in硬盘组成。I/O子系统能传输240GB/s数据。Titan的操作系统是Cray Linux Environment。由于大部分工作都是远程执行的，Titan内部还有几十个10Gbit/s以太网链接，接入了能源部能源科学网络（ESNET）的100Gbit/s骨干网内。Titan超级计算机的外观，如图1-9所示。
2010年10月，中国国防科学技术大学研制的第一台千万亿次超级计算机“天河一号”在湖南长沙亮相，全系统峰值性能为1.206PFlops（千万亿次浮点运算/s），是当时世界上最快的超级计算机。“天河一号”的研制成功使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。“天河一号”由140个机柜组成，由14336颗Intel六核至强X56702.93GHz CPU、7168颗NVIDIA Tesla M2050 GPU和2048颗自主研发的八核飞腾FT-1000 CPU。操作系统采用64位Linux，支持C、C++、Fortran77/90/95、Java语言。其外观如图1-10所示。图1-9 Titan（泰坦）超级计算机图1-10 “天河一号”超级计算机
2010年，“天河一号”曾在第三十六届超级计算机TOP500榜单上名列第一，2011年时排名第二，2012年排名下降至第五。
2013年6月，美国能源部下属橡树岭国家实验室的“泰坦”从上次第一名降至本次第二名，而“天河二号”的运行速度比它快近一倍。
目前，美国拥有全球500强超级计算机的一半以上。中国（不含港、澳、台）共有65个超级计算机进入500强榜单，位居第二。日本以30个位列第三。世界上运算速度最快的超级计算机宝座近年来一直被美国、中国、日本三国交替占据。英国、法国和德国分别以29个、23个和19个位列第四至第六位。
从上面超级计算的配置可以知道，它们所使用的处理器并不特殊，并不是为超级计算机定做的处理器芯片，实际上这些处理器、图形处理器与高端微型计算机中所使用的硬件是一样的。现在，处理器的运行速度并没有得到提高，只是增加了处理器的数量而已。（2）大型主机（Mainframe）
包括过去所说的大型机和中型机，具有大型、通用、内外存储容量大、多类型I/O通道、支持批处理和分时处理等多种工作方式。近年来，新型机采用了多处理、并行处理等技术，具有很强的管理和处理数据的能力，如IBM AS/400、RS/6000等。广泛应用于金融业、天气预报、石油、地震勘探等领域。（3）微型机（Microcomputer）
微型机在美国称为个人计算机（Personal Computer），简称PC机，主要指办公和家庭的台式微型计算机和笔记本计算机。（4）工作站（Workstation）
工作站包括工程工作站、图形工作站等，是一种主要面向特殊专业领域的高档微型机。例如图像处理、计算机辅助设计（CAD）和网络服务器等方面的应用。（5）服务器（Server）
服务器一词很恰当地描述了计算机在应用中的角色，而不是刻画计算机的档次。服务器作为网络的节点，存储、处理网络上的数据。服务器具有功能强大的处理能力，容量很大的存储器，以及快速的输入输出通道和联网能力。通常它的处理器采用高端微处理器芯片组成，例如用64位的Alpha芯片组成的UNIX服务器，用Intel、AMD公司的多个微处理器芯片组成的NT服务器。现在的云计算、云存储，其功能仍然是服务器。1.1.4 计算机的特点和应用1.计算机的特点
计算机是一种能迅速而高效地自动完成信息处理的电子设备，它能按照程序对信息进行加工、处理和存储。计算机具有以下一些特点。（1）高速、精确的运算能力
现代计算机每秒钟可运行几百万条指令，数据处理的速度相当快，是其他任何工具无法比拟的。计算精度也非常高，是传统计算工具无法比的。（2）准确的逻辑判断能力
具有可靠逻辑判断能力是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。能进行逻辑判断，使计算机不仅能对数值数据进行计算，也能对非数值数据进行处理，使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域，如信息检索、图形识别以及各种多媒体应用等。（3）强大的存储能力
计算机能存储大量数字、文字、图像、视频、声音等各种信息，而且还可以长期保存。（4）自动功能
利用计算机解决问题时，人们启动计算机输入编制好的程序以后，计算机可以自动执行，一般不需要人直接干预运算、处理和控制过程，而且可以反复运行。（5）网络与通信功能
通过网络可以连接距离在校园内、企业内、城市内、国家内的用户。尤其是通过互联网（Internet）可以连接全世界的用户。计算机网络功能的重要意义是它改变了人类交流的方式和信息获取的途径。2.计算机的应用
正是由于计算机具有卓越的计算及信息处理能力，从而在现代社会中得到越来越广泛的应用。根据目前使用情况，计算机的应用大致划分为以下几个方面。（1）科学计算
在自然科学中，诸如数学、物理、化学、天文、地理等领域；在工程技术中，诸如航天、汽车、造船、建筑等领域，计算工作量非常大。传统的计算工具难以完成，现在无一不利用计算机进行复杂的计算，使很多幻想变成现实。（2）数据和信息处理
数据和信息处理也称非数值计算。信息处理就是指对各种信息进行收集、存储、整理、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称，目的是获取有用的信息作为决策的依据。目前，计算机信息处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、电影电视动画设计、会计电算化、图书管理、医疗诊断等等各行各业。（3）过程控制
工业生产过程自动控制能有效地提高劳动生产率。过去工业控制主要采用模拟电路，响应速度慢、精度低，现在已逐渐被微型机控制所取代。微机控制系统，把工业现场的模拟量、开关量以及脉冲量经放大电路和模/数、数/模转换电路，送给微型机进行数据采集处理、显示以及控制现场。微机控制系统除了应用于工业生产外，还广泛应用于交通、邮电、卫星通信等。（4）计算机辅助
利用计算机辅助人们完成某一个系统的任务，叫作“计算机辅助系统”。目前计算机辅助系统主要有以下三种：
1）计算机辅助设计（CAD）。利用计算机辅助人们进行设计工作，使设计过程实现半自动化或自动化。
2）计算机辅助制造（CAM）。利用计算机直接控制零件的加工，实现无图纸加工。
20世纪60年代开始，许多西方国家就开始了计算机辅助设计与制造的研究。应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，如飞机、船舶、汽车、建筑、印制电路板等。通过CAD和CAM的结合，就可直接把CAD设计的产品加工出来。
3）计算机辅助教学（CAI）。利用计算机辅助进行教学，它把课程内容编成计算机软件，不同学生可以根据自己的需要选择不同的内容和进度，从而改变了传统的教学模式。
4）游戏。可以与计算机或者通过Internet与其他玩家比赛。（5）网络通信
目前，计算机网络已经无处不在，越来越多的工作、生活已经依赖网络，例如，办公、购物、联系、娱乐等。（6）人工智能
人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断专家系统、推理证明等各方面。（7）多媒体应用
多媒体是指包括文本、图形、图像、音频、视频、动画等多种信息类型的综合。多媒体技术是指人和计算机交互地进行上述多种媒介信息的捕捉、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为表格、文字、图形、动画、音频、视频等视听信息有机结合的表现形式。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于娱乐、教育、广告、设计等方面。（8）嵌入式系统
在工业制造系统、电子产品中，把处理器芯片嵌入这些设备中，完成特定的功能，这些系统称为嵌入式系统。如工厂机器人、数码相机、自动洗衣机等，都使用了不同功能的处理器。1.1.5 计算机的发展趋势
计算机发展的趋势是巨型化、微型化、多媒体化、网络化和智能化。1.巨型化
巨型化是指发展高速、大储量和强功能的超大型计算机。这既是诸如天文、气象、原子、核反应等尖端科学以及进一步探索新兴科学，诸如宇宙工程、生物工程的需要，也是为了能让计算机具有人脑学习、推理的复杂功能。在目前知识信息急剧增加的情况下，存储和处理这些信息是必要的。现在巨型机的计算速度高达千万亿次浮点运算/s。2.微型化
因大规模、超大规模集成电路的出现，计算机微型化迅速。因为微型机可渗透至诸如仪表、家用电器、导弹弹头等中、小型机无法进入的领域，所以20世纪80年代以来发展异常迅速，可以预见其性能指标将进一步提高，而价格则逐渐下降。3.多媒体化
多媒体是“以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通信等融为一体的信息环境”的总称。多媒体技术的目标是：无论在何时何地，只需要简单的设备就能自由地以交互和对话的方式交流信息。其实质是让人们利用计算机以更加自然、简单的方式进行交流。4.网络化
计算机网络是计算机技术发展中崛起的又一重要分支，是现代通信技术与计算机技术结合的产物。从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。目前的云计算就是网络化的新阶段。5.智能化
智能化是让计算机模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，从而使计算机具备和人一样的思维和行为能力，形成智能型和超智能型的计算机。智能化的研究包括模式识别、物形分析、自然语言的生成和理解、定理的自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统、智能机器人等。人工智能的研究使计算机远远突破了“计算”的最初含义，从本质上拓宽了计算机的能力，可以越来越多地、更好地代替或超越人的脑力劳动。1.2 计算机系统的组成
一个计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件是由电子的、磁性的、机械的部件组成的实体，包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5个基本组成部分；软件则是程序和相关文档的总称，包括系统软件和应用软件两类。系统软件是为了计算机的软硬件资源进行管理、提高计算机的使用效率和方便用户而编制的各种通用软件，一般由软件公司设计。常用的系统软件有操作系统、程序设计语言编译系统、诊断程序等。应用软件是专门为某一应用目的而编制的软件，常用的应用软件有字处理软件、表处理软件、统计处理软件、计算机辅助软件、过程控制与适时处理软件以及其他应用于社会各行各业的应用程序。1.2.1 冯·诺伊曼型计算机的特点
1945年，数学家冯·诺伊曼等人在研究EDVAC时，提出了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺伊曼型机。它的特点可归结为以下几个方面。
1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成。
2）各基本部件的功能是：在存储器中以同等地位存放指令和数据，并按地址访问，计算机能区分数据和指令；控制器能自动执行指令；运算器能进行加、减、乘、除等基本运算；操作人员能通过输入、输出设备与主机进行通信。
3）计算机内部采用二进制表示指令和数据。指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置。由一串指令组成程序。
4）把编好的程序和原始数据送入主存储器中，启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
到目前为止，大多数计算机基本上仍属于冯·诺伊曼型计算机。1.2.2 计算机的硬件系统
计算机硬件（Computer Hardware）是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础。计算机的硬件系统一般由五大部分组成，即运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。现代的计算机以存储器为中心，如图1-11所示（图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线）。运算器和控制器常合在一起称为中央处理器，简称CPU（Central Processing Unit），而中央处理器和主存储器（内存）一起构成计算机主机，简称主机。
外部设备简称“外设”，它是计算机系统中输入、输出设备（包括外存储器）的统称，是除了CPU和内存以外的其他设备，对数据和信息起着传输、转送和存储的作用。外部设备能扩充计算机系统。1.运算器（Arithmetic Logic Unit）
运算器又称为算术逻辑单元（简称ALU），是执行算术运算和逻辑运算的功能部件，包括加、减、乘、除算术运算及与、或、非逻辑运算等。运算器的组成包括两部分，一部分是算术逻辑部件，是运算器的核心，主要由加法器和有关数据通路组成；另一部分是寄存器部件，用来暂时存放指令、将被处理的数据以及处理后的结果。图1-11 以存储器为中心的计算机结构框图
运算器的性能是影响整个计算机性能的重要因素。运算器并行处理的二进制代码的位数（字长）的多少决定了计算机精度的高低，同时运算器进行基本运算的速度也将直接影响系统的速度，因此，精度和速度就成了运算器的重要性能参数。2.控制器（Control Unit）
控制器是计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整机各部件协调一致地自动工作。控制器要从内存中按顺序取出各条指令，每取出一条指令，就进行分析，基本功能是将指令翻译并转换成控制信号（电脉冲），并按时间顺序和节拍，发往其他各部件，指挥各部件有条不紊地协同工作。当一条指令执行完毕后，它会自动顺序地去取下一条要执行的指令，重复上述工作过程，直到整个程序执行完毕。3.存储器（Memory）
存储器是计算机用来存储数据的重要功能部件，它不仅能保存大量二进制信息，而且能读出信息，交给处理器处理，或者把新的信息写入存储器。
一般来说，存储系统分为两级：一级为内存储器（主存储器），其存储速度较快，但容量相对较小，可由CPU直接访问；另一级为外存储器（辅助存储器），它的存储速度慢，但容量很大，不能被CPU直接访问，必须把其中的信息送到主存储器后才能被CPU处理。
内存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可以存放若干个二进制代码，该代码可以是指令，也可以是数据。为区分不同的存储单元，通常把内存中全部存储单元统一编号，此号码称为存储单元的地址码，当计算机要把一个代码存入其存储单元中或者从其存储器取出时，首先要把该存储单元的地址码通知存储器，然后由存储器找到该地址对应的存储单元，并存取信息。4.输入设备（Input Device）
输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。5.输出设备（Output Device）
输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、音箱、绘图仪等。
磁盘及磁盘驱动器是计算机中的常用设备，既能从中读取数据（输入），也能把数据保存到其中（输出）。因此，磁盘及驱动器既是输入设备，也是输出设备，同时又是存储设备。
输入设备与输出设备，统称为I/O设备。6.总线（Bus）
将上述计算机硬件的五大功能部件，按某种方法用一组导线连接起来，构成一个完整的计算机硬件系统。这一组导线通常称为总线，它构成了各大部件之间信息传送的一组公共通路。采用总线结构后，计算机系统的连接就显得十分清晰，部件间联系比较规整，既减少了连线，同时使部件的增减变得容易，给计算机的生产、维修和应用带来很大的方便。1.2.3 计算机的软件系统
软件是和硬件相对应的概念，计算机软件（Computer Software，也称软件、软体）是指计算机系统中的程序及其文档，程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。程序必须装入机器内部才能工作，文档一般是给人看的，不一定装入机器。泛指能在计算机上运行的各种程序甚至包括各种有关的资料。计算机软件具有重复使用和多用户使用的特性。裸机是指没有配置操作系统和其他软件的计算机，在裸机上只能运行机器语言源程序。
计算机软件系统由系统软件、支撑软件和应用软件组成，包括操作系统、语言处理系统、数据库系统等。软件可以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、监督和维护计算机资源的软件。系统软件的作用是缩短用户准备程序的时间，扩大计算机处理程序的能力，提高其使用效力，充分发挥计算机的各种设备的作用等。它包括操作系统、程序设计语言、语言处理程序、数据库管理系统、网络软件、系统服务程序等。（1）操作系统
操作系统（Operating System，OS）用于管理计算机的硬件资源和软件资源，以及控制程序的运行。操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，其他所有的软件都必须运行在操作系统之中。操作系统是所有计算机都必须配置的软件，是系统软件的核心，通常具有5大功能，即作业管理、文件管理、存储管理、设备管理、进程管理。操作系统的主要作用是资源管理、程序控制和人机交互等。
操作系统的类型分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统。
著名的操作系统有UNIX、DOS、OS/2、Mac OS X、Windows、Linux、Chrome OS等，现在最有名的微机操作系统是Microsoft公司的Windows（2000/XP/VISTA/7/8/10）、Apple公司的Mac OS X、源代码完全开放的Linux和Google公司的Chrome OS。（2）程序设计语言
语言处理程序是用于处理程序设计语言的软件，如编译程序等。程序设计语言从历史发展的角度来看，包括以下几种：
1）机器语言（Machine Language）。机器语言也称作二进制代码语言，是用直接与计算机打交道的二进制代码指令组成的计算机程序设计语言。一条指令就是机器语言中的一个语句，每一条指令都由操作码和操作数组成，无须编译和解释。这是第一代语言。
2）汇编语言（Assembler Language）。汇编语言是第二代语言，是一种符号化了的机器语言，也称符号语言，于20世纪50年代开始使用。它更接近于机器语言而不是人的自然语言，所以仍然是一种面向机器的语言。汇编语言执行速度快、占用内存小。它保留了机器语言中每一条指令都由操作码和操作数组成的形式。使用汇编语言不需要直接使用二进制“0”和“1”来编写，不必熟悉计算机的机器指令代码，但是还要一条指令一条指令地编写。
计算机必须将汇编语言程序翻译成由机器代码组成的目标程序才能执行。这个翻译过程称为汇编。自动完成汇编过程的软件叫汇编程序。
汇编工作由机器自动完成，最后得到以机器码表示的目标程序。将二进制机器语言程序翻译成汇编语言程序的过程称反汇编。
3）高级语言（High-level Programming Language）。高级语言是高度封装了的编程语言，与低级语言相对。它是以人类的日常语言为基础的一种编程语言，使用一般人易于接受的文字来表示，使程序编写员编写更容易，亦有较高的可读性。由于早期计算机业的发展主要在美国，因此一般的高级语言都是以英语为蓝本。高级语言是第三代语言，它是一种算法语言，可读性强，从根本上摆脱了语言对机器的依附，由面向机器转为面向过程，进而面向用户。现在微机的高级语言均运行在Windows下，例如C#、Java等。
目前，第四代非过程语言、第五代智能语言相继出现，可视化编程就像处理文档一样简单。发展的结果是使程序的设计更简捷，而功能更强大。（3）语言处理程序
用汇编语言或各种高级语言编写的程序称为源程序。把计算机本身不能直接执行的源程序翻译成相应的机器语言程序，这种翻译后的程序称为目标程序。这个翻译过程有两种方式：解释方式和编译方式，如图1-12所示。图1-12 高级语言使用过程
a）编译过程 b）解释过程（4）数据库管理系统
数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）是专门用于管理数据库的计算机系统软件，介于应用程序与操作系统之间，是一层数据管理软件。数据库管理系统能够为数据库提供数据的定义、建立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、安全性进行控制的功能。
现今广泛使用的数据库管理系统有微软公司的Microsoft SQL Server、Access，甲骨文公司的ORACLE、MySQL，IBM公司的DB2、Informix等。（5）网络软件
主要指网络操作系统，如UNIX、Windows Server、Linux等。（6）系统服务程序
又称为软件研制开发工具、支持软件、支撑软件、工具软件，常用的服务程序主要有编辑程序、调试程序、装配和连接程序、测试程序等。2.应用软件
应用软件是用户为了解决某些特定具体问题而开发和研制或外购到的各种程序，它往往涉及应用领域的知识，并在系统软件的支持下运行。例如，字处理、电子表格、绘图、课件制作、网络通信（如WPS Office、Word、Excel、PowerPoint、AutoCAD、Protel DXP等），以及用户程序（如工资管理程序、财务管理程序等）。1.2.4 程序的自动执行
程序是按照一定顺序执行的、能够完成某一任务的指令集合。人们把事先编好的程序调入内存，并通过输入设备将待处理的数据输入内存中；一旦程序运行，控制器便会自动地从内存逐条取出指令，对指令进行译码，按指令的要求来控制硬件各部分工作；运算器在控制器的指挥下从内存读出数据，对数据进行处理，然后把处理的结果数据再存入内存；输出设备在控制器的指挥下将结果数据从内存读出，以人们要求的形式输出信息，让人们看到或听到，这样就完成了人所规定的一项任务。
计算机就是这样周而复始地读取指令和执行指令，自动、连续地处理信息，或者暂时停下来向用户提出问题，待用户回答后再继续工作，直至完成全部任务。这种按程序自动工作的特点使计算机成为唯一能延伸人脑功能的工具，因此被人们称为“电脑”。1.2.5 计算机的指标
计算机的技术指标影响着它的功能和性能，一般用计算机配置的高低来衡量计算机性能的优劣。与配置有关的技术指标有位数、速度、容量、带宽、版本、可靠性等。1.位
计算机内部采用二进制来计数和运算，一个二进制数的最小存储单位被称为一个位（bit），它具有0和1两种状态，按“逢二进一”的规律计数。例如，十进制的2用二进制表示就是10，读作“壹零”而不是“十”。计算机里所有的指令都是用二进制表示。
位是指计算机处理器，特别是其中的寄存器，能够保存数据的位数。寄存器的位数越高，处理器一次能够处理的信息就越多。位数用英文“bit”来表示。计算机的位数有8位、16位、32位及64位之分。
计算机存储信息最小的单位是字节（Byte，1Byte=8bit）。早期的286计算机是16位，Intel Pentium系列都是32位，Intel Core系列都是64位。2.速度
速度是指计算机处理速度的快慢，它可以用每秒钟处理指令的多少来表示，也可以用每秒钟处理事务的多少来表示。单位MIPS（Million Instructions Per Second），表示每秒执行一百万条指令。速度是用户最关心的一项技术指标。由于运算快慢与微处理器的时钟频率紧密相关，所以更常用主频来表示处理速度，主频的单位是Hz。例如，Intel Core i73770的主频是3.5GHz。3.容量
容量通常指存储器容量。存储容量的大小不仅影响着存放程序和数据的多少，而且也影响着运行这些程序的速度。这是用户在购买机器时关心的又一个关键问题。存储容量的基本单位是字节（Byte，简称B），另外还用KB、MB、GB、TB作为存储容量的单位。4.带宽
带宽是指计算机的数据传输率，主要针对网络通信，它反映了计算机的通信能力，与通信相关的设备、线路都有带宽指标。数据传输率的单位是bit/s，代表每秒传输的位数。除了bit/s以外还有kbit/s，表示每秒传输1000bit，Mbit/s表示每秒传输1Mbit，Gbit/s表示每秒传输1Gbit。例如，网络适配器（网卡）的速率为10Mbit/s或100Mbit/s（10/100Mbit/s），调制解调器速率为56kbit/s等。5.版本
计算机的硬件、软件在不同时期有不同的版本，本来型号及版本带有更多商业色彩，不能算作技术指标，但是版本序号往往能简单地反映出性能的优劣。一般来说，版本越高其性能就越优越。例如，Windows 7操作系统比Windows VISTA/XP操作系统的性能更优越。6.可靠性
可靠性通常用平均无故障时间（MTBF）来表示。这里的故障主要指硬件故障，不是指软件误操作引起的失败。1.3 计算机中的数与信息编码
由于技术上的原因，计算机内部采用二进制形式的数字表示数据。计算机通过对二进制形式的数字进行运算加工，实现对各种信息的加工处理。1.3.1 计算机中的数制
数制，也称计数制或计数法，是指用一组基本符号（即数码）和一定的使用规则表示数的方法，它以累计和进位的方式进行计数，实现了以很少的符号表示大范围数字的目的。在日常生活中经常用到数制，除了最常用的十进制计数外，还常用非十进制的计数法，例如，1年有12个月，是12进制计数法；1天有24个小时，是24进制计数法；1小时60分钟，是60进制计数法等。筷子、袜子、手套，两只是一双，是二进制计数法。1.十进制数（Decimal）
十进制数用0，1，2，…，9十个数码表示，并按“逢十进一”、“借一当十”的规则计数。十进制的基数是10，不同位置具有不同的位权。对于任意一个十进制数，可用小数点把数分成整数和小数两部分。在数的表示中，每个数字都要乘以基数10的幂次。十进制数中小数点向右移一位，数就扩大10倍；反之，小数点向左移一位，数就缩小为原来的1/10。【演练1-1】十进制数“12345.67”按位权展开式为：43210-1（12345.67）10=1×10+2×10+3×10+4×10+5×10+6×10+7×-210
十进制是人们最习惯使用的数制，在计算机中一般把十进制作为输入、输出的数据形式。为了把不同进制的数区分开，将十进制数表示为（N）10，有时也在数字后加上“D”或“d”来表示十进制数，如（123）10=123D=123d。2.二进制数（Binary）
二进制数用0，1两个数码表示，二进制数的运算很简单，遵循“逢二进一”、“借一当二”的规则。二进制的基数是2，不同位置具有不同的位权。在二进制数的表示中，每个数字都要乘以基数2的幂次。【演练1-2】二进制数“1010.101”按位权展开式为：3210-1-2-3（1010.101）2=1×2+0×2+1×2+0×2+1×2+0×2+1×2
二进制数常用（N）2来表示，有时也在二进制数后加上“B”或“b”来表示二进制数，例如（11001）2=11001B=11001b。3.八进制数（Octal）
八进制数用符号0，1，2，3，4，5，6，7表示。计数时“逢八进一”，基数为8。【演练1-3】八进制数“543.21”按位权展开式为：210-1-2（543.21）8=5×8+4×8+3×8+2×8+1×8
八进制数常用（N）8来表示，也可以在数字后加上“O”或“o”来表示，例如（456）8=456O=456o。4.十六进制数（Hexadecimal）
十六进制数用0，1，2，…，9，A，B，C，D，E，F十六个数码表示，A表示10，B表示11，……，F表示15。基数是16。十六进制数的运算，遵循“逢十六进一”、“借一当十六”的规则。不同位置具有不同的位权，各位上的权值是基数16的若干次幂。【演练1-4】“1CB.D8”按位权展开式为：210-1-2（1 C B.D 8）16=1×16+12×16+11×16+13×16+8×16
十六进制数常用（N）16来表示，也可以在数字后加上“H”或“h”来表示，例如（4FD）16=4FDH=4FDh。5.常用数制的基数对照表
常用的十进制、二进制、八进制、十六进制数的基数对照表，见表1-1。表1-1 十进制、二进制、八进制、十六进制数的基数对照表1.3.2 二进制数的算术运算和逻辑运算1.二进制数的算术运算
二进制数的算术运算包括：加、减、乘、除运算，它们的运算规则如下：【演练1-5】计算10101011+00100110的值。2.二进制的逻辑运算
二进制的两个数码0和1，可以表示“真”与“假”、“是”与“否”、“成立”与“不成立”。计算机中的逻辑运算通常是二值运算。它包括三种基本的逻辑运算：与运算（又称逻辑乘法）、或运算（又称逻辑加法）、非运算（又称逻辑否定）。（1）逻辑与
当两个条件同为真时，结果才为真。其中有一个条件不为真，结果必为假，这是“与”逻辑。通常使用符号∧、·、×、∩或AND来表示“与”，与运算的规则如下：
0∧0=0 0∧1=0 1∧0=0 1∧1=1
设两个逻辑变量X和Y进行逻辑与运算，结果为Z。记作Z=X·Y，由以上的运算法则可知：当且仅当X=1，Y=1时，Z=1，否则Z=0。【演练1-6】设X=10101011，Y=00100110，求X∧Y的值。（2）逻辑或
当两个条件中任意一个为真时，结果为真；两个条件同时为假时，结果为假，这是“或”逻辑。通常使用∨、+、∪、OR来表示“或”，或运算的法则如下：
0∨0=0 0∨1=1 1∨0=1 1∨1=1
设两个逻辑变量X和Y进行逻辑或运算，结果为Z。记作Z=X+Y，由以上的运算法则可知：当且仅当X=0，Y=0时，Z=0；否则Z=1。【演练1-7】设X=10101011，Y=00100110，求X∨Y的值。（3）逻辑非
逻辑非运算也就是“求反”运算，在逻辑变量上加上一条横线表示对该变量求反，例如，则是对A的非运算，也可用NOT来表示非运算。非运算的法则如下：【演练1-8】设X=10101011，求X的值。1.3.3 不同数制间的转换
数制间的转换就是将数从一种数制转换成另一种数制。由于计算机采用二进制，但用计算机解决实际问题时，对数值的输入输出通常使用十进制数，这就有一个十进制数向二进制数转换或由二进制数向十进制数转换的过程。1.十进制数转换成二进制数
将十进制数转换成二进制数，要将十进制数的整数部分和小数部分分开进行。将十进制的整数转换成二进制整数，遵循“除2取余、逆序排列”的规则；将十进制小数转换成二进制小数，遵循“乘2取整、顺序排列”的规则；然后再将二进制整数和小数拼接起来，形成最终转换结果。【演练1-9】将（69.6875）10转换成二进制数。
1）十进制数整数69转换成二进制数的过程。
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