作者：冉兆春主编
出版社：人民邮电出版社
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大学计算机应用基础(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)试读：
前言
“大学计算机应用基础”是为高职高专计算机和非计算机专业学生开设的一门重要的基础必修课。通过本课程的学习，使学生能较系统地了解计算机的基本知识和常用的微机操作技术，提高学生获取新知识的能力，从而提高计算机文化素质，适应未来工作的需要，为今后进一步学习计算机知识和技术打下良好的基础。全书共分9章。第1章介绍计算机基础知识，包括计算机的发展、分类、特点和计算机的体系结构，并且详细介绍了计算机中的数据编码。第2章介绍Windows XP 操作系统，包括Windows XP 资源管理器的使用、系统的设置、Windows XP 附件的应用等。第3章介绍文字处理软件Word 2003 的使用，包括文档的排版、表格的绘制、图文混排等。第 4章介绍电子表格软件Excel 2003 的使用，包括工作表的基本操作、工作表的计算、数据的管理与分析、数据图表等。第 5章介绍文稿演示软件PowerPoint 2003 的使用，包括多媒体的基础知识、演示文稿的排版、演示文稿中的动画和超链接技术等。第6章介绍计算机网络基础知识与Internet 的使用，包括网络的分类、Internet 基础知识。第7章介绍网页制作软件FrontPage 2003，包括网站的创建、网页的编辑、站点的发布技术等。第8章介绍数据库的基础知识及 Access 2003 的使用，包括数据库的概念、关系型数据库和数据库的设计，Access 2003 数据库的管理等。第9章介绍信息与信息安全技术，主要包括信息的含义、分类，信息安全的含义、分类，计算机病毒等。“大学计算机应用基础”课程教学总学时一般为64 学时，其中课堂讲授为32学时，上机实践为32 学时。教师在教学过程中要结合每章案例教学，以实践为主，注重技能培养，将理论与实践知识贯穿于教学的整个过程之中，体现以“教师为主导，学生为主体”的教学理念。
本书由冉兆春任主编，张晓宇、陆凯任副主编，参与编写的老师还有肖萍丽、张家文、吴佳女、李仕友、刘阳、祁冰。全书由冉兆春、张晓宇编纂定稿。
由于编者水平有限，加之计算机技术日新月异，书中难免存在错误之处，恳请各位读者批评指正。编者2012年6月 第1章计算机基础知识【本章概述】
从世界上第一台电子计算机于1946年在美国诞生以来，经过半个多世纪的发展，计算机已经被社会的各个领域广泛应用，并彻底地改变了人们的生活和工作方式。随着计算机网络技术的发展，现代社会已经变成信息化社会，作为一名当代大学生，学习和掌握计算机知识、熟练操作计算机，已成为适应当今社会工作和生活需要的必备技能。本章介绍计算机的发展、特点、组成及应用，并详细介绍计算机的数据编码。1.1 计算机概述1.1.1 计算机的发展
1．第一代计算机时代：电子管计算机（1946—1958年）
世界上第一台电子管数字计算机于1946年2月14日在美国研制成功，如图1-1所示。它的名称叫ENIAC（The Electronic Numberical Intergrator and Computer，电子数值积分计算机）。图1-1 ENIAC
电子计算机是在第二次世界大战弥漫的硝烟中开始研制的。当时为了给美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表，迫切需要有一种高速的计算工具。1942年美国物理学家莫希利（W.Mauchly）提出试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。因此，在美国军方的大力支持下，成立了以宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利和埃克特（Eckert）为首的研制小组，于1943年开始研制工作，并于1945年年底研制成功。2
ENIAC 长30.48m，高2.44m，占地面积170m，30个操作台，约相当于10 间普通房间的大小，重达30t，耗电量150kW，造价48 万美元。它使用约18 000个电子管，70 000个电阻，10 000个电容，1 500个继电器，6 000 多个开关，每秒执行5 000 次加法或400 次乘法运算，是当时已有的继电器计算机运算速度的1 000 倍、手工计算速度的20 万倍。ENIAC 工作时，常常因为电子管烧坏而不得不停机检修。尽管如此，在人类计算工具发展史上，它仍然是一座不朽的里程碑。
电子管（见图1-2）元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。图1-2 电子管
第一代计算机主要特点如下。
① 采用电子管作为逻辑开关元件。
② 内存储器使用水银延迟线、静电存储管等，容量非常小，仅1 000～4 000 B。
③ 外存储器采用纸带、卡片、磁带和磁鼓等。
④ 没有操作系统，使用机器语言。
⑤ 体积大、速度慢、可靠性差。
2．第二代计算机时代：晶体管计算机（1959—1964年）
1954年5月24日，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管，如图1-3所示。图1-3 晶体管计算机
1955年，美国在阿塔拉斯洲际导弹上装备了以晶体管为主要元件的小型计算机。10年以后，在美国生产的同一种型号的导弹中，由于改用集成电路元件，重量只有原来的1/100，体积与功耗减少到原来的1/300；
1958年，ALGOL58 语言问世；
1958年，美国的IBM 公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501 型；
1959年，美国菲尔克公司研制成功的第一台大型通用晶体管计算机；
1959年，IBM 公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090；
1959年，Grace Murray Hopper 开始开发COBOL（Common Business-Orientated Language）语言，完成于1961年；
1960年，ALGOL60：第一个结构化程序设计语言推出；
1961年，IBM 的Kennth Iverson 推出APL 编程语言；
1961年，世界上最大的晶体管电子计算机ATLAS 安装完毕；
1963年，由英国剑桥大学推出CPL 语言；
1963年，PDP-8：DEC 公司推出第一台小型计算机；
1964年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机441—B 型；
1965年，BASIC 语言问世。
晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程。因而。人们将之称为第二代计算机时代，即晶体管计算机时代。从印制电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断的革新使晶体管电子计算机日臻完善。第一代计算机使用的是“定点运算制”，参与运算数的绝对值必须小于１；而第二代计算机增加了浮点运算，使数据的绝对值可达２的几十次方或几百次方，计算机的计算能力实现了一次飞跃。同时，这个时期的计算机用晶体管取代了电子管，晶体管具有体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、价格低、寿命长等一系列优点，使计算机的结构与性能都发生了很大改变。
第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言FORTRAN 语言和COBOL 语言相继开发出来并被广泛使用。这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关。
第二代计算机的主要特点如下。
① 采用晶体管作为逻辑开关元件。
② 使用磁芯作为主存储器（内存），辅储器（外存）采用磁盘和磁带；存储量增加，可靠性提高。
③ 输出/输入方式有了很大改进。
④ 开始使用操作系统，使用汇编语言及高级语言。
⑤ 体积减小、重量减轻、速度加快、可靠性增强。
3．第三代计算机时代：集成电路计算机（1965—1970年）
1958年Jack Kilby 发明了集成电路IC，将3 种电子元件结合到一片小小的硅片上。科学家使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。于是，计算机的体积更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。
1964年4月7日，IBM 宣布了IBM System/360 系列计算机，声称“这是公司历史上宣布的最重要的产品”。该项目总设计师和总指挥是弗雷德里克· 布鲁克斯。
IBM System/360 的开发投资5.5 亿美元，其中硬件2 亿美元，软件3.5 亿美元。IBM System/360 系列计算机，共有6个型号的大、中、小型计算机和44 种新式的配套设备。从功能较弱的360/51 型小型机，到功能超过51 型500 倍的360/91 型大型机，形成了庞大的IBM/360 计算机系列。图1-4 IBM System/360模型
IBM System/360 以其通用化、系列化和标准化的特点，对全世界计算机产业的发展产生了巨大而深远的影响，被认为是划时代的杰作。IBM System/360 的推出，也使IBM 在短短两年时间内，即到1966年，其资本积累就增加到45 亿美元，职工总数净增6 万，达到19 万，成为名副其实的“蓝色巨人”。到20 世纪60年代末，360 系列机的市场占有率达到15%，到20世纪70年代中期，超过了50%。
第三代计算机以IBM System/360 系列计算机为标志。人们将1965—1970年划为第三代计算机时代。第三代计算机的特征是集成电路，采用中、小规模集成电路制造的电子计算机。所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅片上，故又称其为芯片。每片元件数在100 以下的称为小规模集成电路芯片；每片集成100～1 000个元件的称为中规模集成电路。
集成电路计算机从1964年开始出现，20 世纪60年代末大量生产。其机种多样化、系列化，外部设备品种繁多，并开始与通信设备相结合而发展为由多机组成的计算机网络。运算速度可达每秒几百万次，甚至几千万次、上亿次。
第三代计算机的特点如下。
① 采用中、小规模集成电路。
② 使用内存储器，用半导体存储器淘汰了磁芯存储器，存储容量和存取速度有了大幅度的提高。
③ 输入设备出现了键盘，使用户可以直接访问计算机。
④ 输出设备出现了显示器，可以向用户提供立即响应。
⑤ 使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。
4．第四代计算机时代：大规模集成电路计算机（1971年迄今）
第四代计算机以Intel 公司研制的第一代微处理器Intel 4004 为标志，这个时期的计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。微处理器是指将运算器、控制器、寄存器及其他逻辑单元集成在一块小的芯片上。微处理器的出现使计算机在外观、处理能力、价格、实用性以及应用范围等方面发生了深刻的变化。
1965年，摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍（10年后修正为每两年）。
1967年，由英国剑桥大学在CPL 语言基础上推出BCPL 语言。
1969年，英特尔成功开发出第一个PMOS 硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。
1970年，由美国贝尔实验室的K.Thompson 以BCPL 语言为基础，推出B 语言，并使用B 语言写出著名的UNIX 操作系统。
1971年，推出了一个全新的语言Pascal。
1971年11月15日，英特尔发布了其第一个微处理器4004，如图1-5所示。4004 规格为1/8英寸 × 1/16 英寸，包含2 300个晶体管，采用英特尔10μm 的PMOS 技术生产，字长4 位，时钟频率为108kH，每秒执行6 万条指令。图1-5 Intel4004微处理器
1973年，由美国贝尔实验室的D.M.Ritchie 在B 语言基础上设计出C 语言。
1973年，由IBM 公司研制成功第一片软磁盘。
1975年4月4日，微软公司成立。
1975年，第一台商业化的微型计算机问世，它使用了Intel 公司的8080 芯片。
1977年，Apple 公司成立，先后开发成功了“AppleⅠ”和“Apple Ⅱ”型微型计算机，使得Apple 公司成为当时微型计算机市场的主导产品之一。
1978年，Intel 公司研制开发出8086 微处理器（16 位处理器）。
1979年，Intel 公司研制开发出8088 微处理器（准16 位处理器）。
1980年，英特尔标志性地把英特尔8088 微处理器销售给IBM 新的个人电脑事业部，武装了IBM 新产品IBM PC 的中枢大脑。16 位8088 处理器含有2.9 万个晶体管，运行频率为4.77MHz、8MHz 和10MHz。8088 的成功使英特尔公司进入了财富500 强企业。
1980年初，由美国贝尔实验室的Ｂjarne Stroustrup 在Ｃ语言基础上，扩展了Ｃ语言，推出面向对象语言C++。
1981年8月12日，IBM 公司使用Intel 8088 微处理芯片和微软操作系统研制开发出IBM PC 机，同时，发布MS-DOS1.0 和PC-DOS1.0，IBM 推出的个人计算机主要用于家庭、办公室和学校。
1982年，286 微处理器（又称80286）推出，成为英特尔的第一个16 位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286 处理器使用了13400个晶体管。运行频率为6MHz、8MHz、10MHz 和12.5MHz。
1985年，英特尔386 微处理器问世，32 位芯片，含有27.5 万个晶体管，是最初4004 晶体管数量的100 多倍，每秒可执行600 万条指令。
1985年，微软发布Windows 1.0。
1987年，微软发布Windows 2.0。
1989年，英特尔486 微处理器问世，这款经过4年开发和3 亿美元资金投入的芯片的首次实破了100 万个晶体管的界限，集成了120 万个晶体管，使用1μm 的制造工艺。80486 的时钟频率从25MHz 逐步提高到33MHz 以上。
1987年，微软发布Windows 3.0。
1993年3月22日，英特尔奔腾处理器（Peutium）问世，含有300 万个晶体管，早期核心频率为60～66MHz，每秒执行1 亿条指令，采用英特尔0.8μm 制程技术生产。
1995年8月23日，微软纯32 位多任务操作系统Windows 95 发布。
1997年5月7日，英特尔发布二代奔腾处理器（PeutiumⅡ）。
1998年6月25日，微软Windows 98 发布。
1999年7月：英特尔发布了奔腾Ⅲ处理器。奔腾Ⅲ是1×1 正方形硅，含有950 万个晶体管，采用英特尔0.25μm 制程技术生产。
2000年2月，微软发布Windows 2000 操作系统。
2001年10月25日，微软发布Windows XP 操作系统。
2002年1月，英特尔奔腾4 处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22 亿个周期运算。它采用英特尔0.13μm 制程技术生产，含有5 500 万个晶体管。
2003年4月24日，微软发布Windows 2003 Server 操作系统。
2005年5月，英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D 处理器”诞生，含有2.3 亿个晶体管，采用英特尔90ns 制程技术生产。
2006年7月，英特尔酷睿2 双核处理器诞生。该处理器含有2.9 亿多个晶体管。
2006年11月30日，微软在全球同期发布的2007 Microsoft Windows Vista（下一代操作系统）、Office system 和Exchange Server 2007。
2007年4月，英特尔Core2 Extreme QX6800 2.93GHz 处理器，其总线频率达到了1 066MHz，二级缓存容量达到了8MB，采用了先进的65ns 技术制造，将2个X6800 双核酷睿2 处理器集成在一块芯片上而成。如图1-6所示。图1-6 Core2 64位四核处理器结构图
微型计算机严格地说仅是计算机中的一种，尽管微型计算机对人类社会的发展产生了极其深远的影响，但是微型计算机由于其内部的体系结构与计算机存在较大区别，它仍然无法完全取代其他类型的计算机。利用大规模集成电路制造出的多种逻辑芯片，组装出大型计算机、巨型计算机，使运算速度更快、存储容量更大、处理能力更强，这些企业级的计算机一般要放到可控制温度的机房里，因此很难被普通公众看到。
巨型计算机（亦称超级计算机）是当代计算机的一个重要发展方向，它的研制水平标志着一个国家工业发展的总体水平，象征着一个国家的科技实力。解决尖端和重大科学技术领域的问题，例如，在核物理、空气动力学、航空和空间技术、石油地质勘探、天气预报等方面，都离不开巨型机的工作。巨型机一般指运算速度亿次/秒以上，价格数千万元以上的超级计算机。我国的银河-II 并行处理计算机，美国的克雷-II（CRAY-II）等都是十亿次/秒的机器。
2007年6月，IBM 研发出一台新型Blue Gene（蓝色基因）超级计算机系统——Blue Gene/P。此次IBM 推出的蓝色基因/P 采用多核CPU，每个芯片上整合的4 颗PowerPC 450 核心，每颗850MHz。安装294 912个核心的计算能力可突破每秒1 千万亿次浮点运算每秒（Petaflops，即每秒10 的15 次方运算），性能相当于堆起来高1.5 英里的笔记本电脑总和，需要72个机柜，通过光纤网络连接；安装884 736个核心则可达3 千万亿次。如图1-7、图1-8所示。图1-7 IBM Blue Gene/L超级计算机图1-8 IBM Blue Gene/P超级计算机
2004年6月，由中科院计算所和曙光公司等单位研发的曙光4000A 超级服务器在全球高性能计算机TOP500 排行榜中，以每秒80 610 亿次Linpack 计算值位列全球第十，在基于AMD 芯片的超级计算机中，Linpack 效率也达到了全球第一。这是中国超级计算机得到国际同行认可的最好成绩，使中国成为继美、日后第3个能研制和应用10 万亿次超级计算机的国家。
该款计算机使用了2 560个AMD 公司的Opteron 芯片，除CPU 和Linux 平台系统外，其他部件都使用了自己的技术。曙光4000A 浮点峰值达到11 万亿次，存储容量达到42TB。如图1-9、图1-10所示。图1-9 曙光4000A监控制中心图1-10 曙光4000A机房入口
当代计算机正随着半导体器件以及软件技术的发展而发展，速度越来越快，功能不断增强和扩大，而且价格更便宜，使用更方便，因此应用也越来越广泛，并正向着巨型化、微型化、多媒体和网络化的方向发展。
今天的计算机已广泛用于记录、运算数字，处理文字、图像、声音、信号、决策、管理及实现过程控制等各种非数值信息的处理。但目前的一至四代计算机主要还是基于冯·诺依曼结构，其本质是面向数值处理和二值逻辑的。因此，对于非数值问题、非逻辑问题的处理比较困难，使计算机在目前结构原理下进一步提高处理速度和存储容量受到了限制。目前，各国都相继投入了大量人力物力进行新一代计算机的研究。
第四代计算机主要特点如下。
① 使用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件。
② 主存储器采用半导体存储器，辅助存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘。
③ 外部设备有了很大发展，采用光字符阅读器（ocr）、扫描仪、激光打印机和各种绘图仪。
④ 操作系统不断发展和完善，数据库管理系统进一步发展，计算机广泛应用于图形、图像、音频及视频等处理。
⑤ 数据通信、计算机网络已有很大发展，微型计算机异军突起，遍及全球。计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度高达几百万至千万亿次/秒，存储容量、可靠性等又有了大幅度提升。
根据计算机所采用物理器件的不同，通常可将计算机的发展过程分成几个阶段，计算机的分代情况如表1-1所示。表1-1 计算机时代的划分1.1.2 计算机的分类
1．按工作原理分类
电子计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。
模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。
数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用二进制表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以被称为“计算机”。
2．按计算机用途分类
数字计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。
专用与通用计算机在效率、速度、配置、结构复杂度、造价、适应性等方面有所区别。
专用计算机针对某类问题能显示出最有效、快速和经济的特性，但它的适应性较差，不适于其他方面的应用，这是专用计算机的局限性。在导弹和火箭上使用的计算机绝大多数是专用计算机。
通用计算机适应性很强，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。
3．按计算机的规模分类
通用计算机按其规模、速度和功能等可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及工作站。这些计算机之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能、数据存储容量、指令系统、设备、软件配置等方面的不同。（1）巨型机（超级计算机）
巨型机是指运算速度每秒能执行几亿次运算以上的计算机。它的数据存储容量大、规模大、结构复杂、价格昂贵，主要用于大型科学计算。我国自主研制的“银河”计算机和曙光4000A 系列计算机就属于巨型机。（2）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、银行及重点理、工科类院校的实验室。（3）小型机
小型机是指运算速度在每秒几百万次左右的计算机。通常用在科研与设计机构以及普通高校等。（4）工作站
工作站主要用于图形图像处理和计算机辅助设计，它是介于小型机与微型机之间的一种高档微机，如Apple 图形工作站。（5）微型机
即微型计算机，也称为个人计算机（Personal Computer，PC），简称微机，俗称电脑，是目前应用最广泛的机型。通常使用Intel 奔腾Ⅲ、奔腾4 等CPU 组装而成的桌面型或笔记本型电脑都属于微型机。1.1.3 计算机的特点
1．自动地运行程序
计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。由于采用存储程序控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，启动计算机后，就能自动地执行直至完成任务。这是计算机最突出的特点。
2．运算速度快
计算机能以极快的速度进行计算。现在普通的微型计算机每秒可执行几十万条指令，而巨型机则达到每秒几十亿次甚至几百亿次。随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需十几分钟就可以完成。
3．运算精度高
电子计算机具有以往计算机无法比拟的计算精度，目前已达到小数点后上亿位的精度。
4．具有记忆和逻辑判断能力
人是有思维能力的，而思维能力本质上是一种逻辑判断能力。计算机借助于逻辑运算，可以进行逻辑判断，并根据判断结果自动地确定下一步该做什么。计算机的存储系统由内存和外存组成，具有存储和“记忆”大量信息的能力，现代计算机的内存容量已达到上百兆甚至几千兆，而外存也有惊人的容量。如今的计算机不仅具有运算能力，还具有逻辑判断能力，可以使用其进行诸如资料分类、情报检索等具有逻辑加工性质的工作。
5．可靠性高
随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。计算机应用在管理中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。用同一台计算机能解决各种问题，应用于不同的领域。
微型计算机除了具有上述特点外，还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易操作、功能强、使用灵活、价格便宜等特点。计算机还能代替人做许多复杂繁重的工作。1.2 计算机的体系结构1.2.1 计算机的基本原理
1945年，在第一代电子计算机研制工作的中期，著名美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Von.Neumann）在参与研制ENIAC 的基础上，提出了重大的理论改进。
① 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5 大部分组成，每个部分有一定的功能。
② 以二进制的形式表示数据和指令。二进制是计算机的基本语言。
③ 程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。
在该理论基础上，整个计算机的结构组成被分成了5个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备（见图1-11）。冯· 诺依曼提出的理论，解决了计算机运算自动化的问题和速度配合的问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大多数的计算机仍在遵照冯·诺依曼提出的工作原理。图1-11 计算机的结构组成1.2.2 计算机硬件系统
硬件是指组成计算机的各种物理设备，它包括计算机的主机和外部设备，具体由5 大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这5 大部分相互配合，协同工作，其结构如图1-12所示。图1-12 计算机硬件系统结构图
计算机的工作流程概括为：首先由输入设备接收外界信息（程序和数据），控制器发出指令将数据送入内存储器，然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令被逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存放在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。
计算机的5 大组成部分的功能特点如下。
1．运算器
运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。它是完成各种算术运算和逻辑运算的装置，能做加、减、乘、除等数学运算，也能做与、或、非、异或、比较等逻辑运算。
2．控制器
控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码。根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。
硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。它主要由控制器、运算器、寄存器及其他逻辑部件组成。采用超大规模集成电路工艺制成的中央处理器芯片，又称微处理器芯片。
3．存储器
将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存放于存储器中。存储器有两种，分别叫做内存储器和外存储器。内存储器分为只读存储器和随机存储器（可擦写存储器）两种，其中，随机存储器简称为内存。
存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括用户输入的数据、经过初步加工的中间数据以及最后处理结果都存放在存储器中。而且，计算机的各种程序也都存放在存储器中。
4．输入设备
将数据、程序、文字符号、图像、声音等输送到计算机中。输入设备是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。常用的输入设备有键盘、鼠标器、数字化仪、光笔、光电阅读器和图像扫描器以及各种传感器等。
5．输出设备
将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来，或以其他可以被人们识别的方式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。1.2.3 计算机软件系统
软件是指控制计算机各部分协调工作并完成各种功能的程序和数据的集合。微型计算机系统的软件分为两大类，即系统软件和应用软件。
系统软件是指由计算机生产厂家（部分由“第三方”）为计算机用户提供的基本软件。最常用的有操作系统、语言编译或解释系统、数据库管理系统、网络及通信软件、各类服务程序、工具软件等。
应用软件是指为了解决用户某些具体问题而开发出来的软件，如Word、Excel、PowerPoint、Authorware、Photoshop、AutoCAD、Flash、财务管理软件、教学软件、数据库应用系统及各种用户程序等。
系统软件依赖于机器，而应用软件则更接近用户业务的数字化管理。
以下简单介绍计算机中几种常用的系统软件。
1．操作系统
操作系统（Operating System）是最基本、最重要的系统软件。它负责管理计算机系统的各种硬件资源（例如，CPU、内存空间、磁盘空间、外部设备等）及软件资源。操作系统负责解释用户对机器的管理命令，把它转换为机器的实际操作；同时，为其他系统软件或用户软件提供理想的运行环境。操作系统性能的好坏，直接影响到计算机性能的发挥。优秀的操作系统，可以很好地管理硬件资源，充分地支持先进的硬件技术，高效率地运行其他软件，并为用户提供一定的安全保障。例如，微软公司的MS-DOS 磁盘操作系统及Windows 98/2000/XP/Vista 操作系统、UNIX 多用户操作系统等。
2．程序设计语言
计算机语言分机器语言、汇编语言和高级语言。
① 机器语言（Machine Language）：是指机器能直接识别的语言，它是由“1”和“0”组成的一组代码指令。
② 汇编语言（Assemble Language）：由一组与机器语言指令一一对应的符号指令（助记符）和简单语法组成。
③ 高级语言（High level language）：其表达格式比较接近人类交流的语言，对计算机硬件依赖性低，是适用于多种计算机环境的程序设计语言，如BASIC、FORTRAN、Delphi、C/C++、Visual Basic、Visual C++、Java、C#语言等。
3．语言编译或解释系统
将高级语言所写的程序翻译为机器语言程序，有两类翻译程序，一类叫“编译程序”，另一类叫“解释程序”。
编译系统把高级语言所写的程序作为一个整体进行处理，经编译、连接生成一个完整的可执行程序，如图1-13所示。这种方法的缺点是编译、连接较费时，程序调试不方便，对初学者学习不方便，但经过编译后的可执行程序运行速度快。FORTRAN、Delphi、C 语言等都采用这种编译方法。图1-13 用编译程序将高级语言翻译成机器语言
解释系统则对高级语言程序逐句解释执行，如图1-14所示。这种方法的特点是程序设计的灵活性大，但程序的运行效率较低。BASIC 的运行属于解释系统。图1-14 用解释系统将高级语言翻译成机器语言
4．数据库管理系统
日常许多业务处理，都属于对数据组进行管理，所以计算机制造商也开发了许多数据库管理程序（DBMS）。较著名的适用于微机使用的数据库管理系统有SQL Server、Sybase、Informix、Oracle 等。
另外，还有网络及通信软件、各类服务程序和工具软件等。1.3 计算机中的数据编码
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，是学习计算机原理时首先遇到的一个重要问题。
由于技术原因，计算机内部一律采用二进制，而人们在编程中经常使用十进制，有时为了方便还采用八进制和十六进制。
计算机内部采用二进制表示信息，其主要原因有以下4 点。（1）电路简单
计算机内部是由逻辑电路实现的，逻辑电路通常有两个状态。例如开关的接通或断开，电路的导通或截止，磁性材料的正向磁化或反向磁化等。这两种状态正好用二进制的0 和1 来表示。（2）工作可靠
用两个截然不同的状态表示两个数据，这样数字传输和处理不容易出错，因而电路更加可靠。（3）简化运算
二进制运算法则简单。例如，求和法则有3个，求积法则也只有3个。（4）逻辑运算强
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”。1.3.1 数制与转换
不同数进制之间进行转换应遵循转换原则。转换原则是：两个有理数如果相等，则有理数的整数部分和分数部分一定分别相等。也就是说，若转换前两数相等，转换后仍必须相等，数制的转换要遵循一定的规律。
1．二、八、十六进制数转换为十进制数（1）二进制数转换成十进制数
将二进制数转换成十进制数，只要将二进制数用计数制通用形式表示出来，计算出结果，便得到相应的十进制数。632-1
例：（1101100.111）=1×2＋1×25＋1×2＋1×2＋1×2＋1×2-2-32＋1×2
=64＋32＋8＋4＋0.5＋0.25＋0.125
=（108.875）10（2）八进制数转换为十进制数
八进制数→十进制数：以8 为基数按权展开并相加。
例：把（652.34） 转换成十进制。8210-1-2
解：（652.34）=6×8＋5×8＋2×8＋3×8＋4×88
=384＋40＋2＋0.375＋0.0625
=（426.4375）10（3）十六进制数转换为十进制数
十六进制数→十进制数：以16 为基数按权展开并相加。
例：将（19BC.8） 转换成十进制数。163210-1
解：（19BC.8）=1×16＋9×16＋B×16＋C×16＋8×1616
=4096＋2304＋176＋12＋0.5
=（6588.5）10
2．十进制转换为二进制数（1）整数部分的转换
整数部分的转换采用的是除2 取余法。其转换原则是：将该十进制数除以2，得到一个商和余数（K），再将商除以2，又得到一个新0商和余数（K），如此反复，得到的商是0 时得到余数（K），然后1n-1将所得到的各位余数，以最后余数为最高位，最初余数为最低位依次排列，即KK…KK，这就是该十进制数对应的二进制数。这种n-1n-210方法又称为“倒序法”。
例：将（126） 转换成二进制数。10
结果为：（126）＝（1111110）102（2）小数部分的转换
小数部分的转换采用乘2 取整法。其转换原则是：将十进制数的小数乘以2，取乘积中的整数部分作为相应二进制数小数点后最高位K，反复乘2，逐次得到K、K、…、K，直到乘积的小数部分为-1-2-3-m0 或1 的位数达到精确度要求为止。然后把每次乘积的整数部分由上而下依次排列起来（KK…K），即是所求的二进制数。这种方法-1-2-m又称为“顺序法”。
例：将十进制数（0.534） 转换成相应的二进制数。10
结果为：（0.534）＝（0.10001）102
例：将（50.25） 转换成二进制数。10
分析：对于这种既有整数又有小数部分的十进制数，可将其整数和小数分别转换成二进制数，然后再把两者连接起来即可。
因为 （50）=（110010），（0.25）=（0.01）102102
所以 （50.25）＝（110010.01）102
3．八进制与二进制数之间的转换（1）八进制转换为二进制数
八进制数转换成二进制数所使用的转换原则是“一位拆三位”，即把1 位八进制数对应于3位二进制数，然后按顺序连接即可。
例：将（64.54） 转换为二进制数。8
结果为：（64.54）＝（110100.101100）82（2）二进制数转换成八进制数
二进制数转换成八进制数可概括为“三位并一位”，即从小数点开始向左右两边以每3 位为一组，不足3 位时补0，然后每组改成等值的1 位八进制数即可。
例：将（110111.11011） 转换成八进制数。2
结果为：（110111.11011）＝（67.66）28
4．二进制数与十六进制数的相互转换（1）二进制数转换成十六进制数
二进制数转换成十六进制数的转换原则是“四位并一位”，即以小数点为界，整数部分从右向左每4 位为一组，若最后一组不足4 位，则在最高位前面添0 补足4 位，然后从左边第一组起，将每组中的二进制数按权数相加得到对应的十六进制数，并依次写出即可；小数部分从左向右每4 位为一组，最后一组不足4 位时，尾部用0 补足4 位，然后按顺序写出每组二进制数对应的十六进制数。
例：将（1111101100.0001101） 转换成十六进制数。2
结果为：（1111101100.0001101）＝（3EC.1A）216（2）十六进制数转换成二进制数
十六进制数转换成二进制数的转换原则是“一位拆四位”，即把1 位十六进制数写成对应的4位二进制数，然后按顺序连接即可。
例：将（C41.BA7） 转换为二进制数。16
结果为：（C41.BA7）＝（110001000001.101110100111）162
在程序设计中，为了区分不同进制，常在数字后加一英文字母作为后缀以示区别。
● 十进制数，在数字后面加字母D 或不加字母也可以，如6659D 或6659。
● 二进制数，在数字后面加字母B，如1101101B。
● 八进制数，在数字后面加字母O，如1275O。
● 十六进制数，在数字后面加字母H，如CFE7BH。1.3.2 数据的单位
计算机数据的表示经常用到以下几个概念。在计算机内部，数据都是以二进制的形式存储和运算的。
1．位
二进制数据中的一个位（bit），音译为比特，是计算机存储数据的最小单位。一个二进制位只能表示0 或1 两种状态，要表示更多的信息，就要把多个位组合成一个整体，一般以8 位二进制组成一个基本单位。
2．字节
字节是计算机中数据处理的最基本单位。计算机中主要以字节为单位解释信息。字节（Byte）简记为B，规定一个字节为8 位，即1B = 8bit。每个字节由8个二进制位组成。一般情况下，一个ASCII 码占用一个字节，一个汉字国际码占用两个字节。
3．字
一个字通常由一个或若干个字节组成。字（Word）是计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的数据长度。由于字长是计算机一次所能处理信息的实际位数，所以它决定了计算机数据处理的速度，是衡量计算机性能的一个重要指标，字长越长，性能越好。
4．数据的换算关系
1Byte = 8bit，1KB = 1024B，1MB = 1024KB，1GB = 1024MB。
计算机型号不同，其字长是不同的，常用的字长有8、16、32 和64 位。一般情况下，IBM PC/XT 的字长为8 位，80286 微机字长为16 位，80386/80486 微机字长为32 位，Pentium 系列微机字长为64 位。
例如，一台微机的内存为256MB，软盘容量为1.44MB，硬盘容量为80GB，则它实际的存储字节数分别为：
内存容量 = 256×1024×1024 B = 268435456 B
软盘容量 = 1.44×1024×1024 B = 1509949.44 B
硬盘容量 = 80×1024×1024×1024B = 85899345920B
如何表示正负和大小，在计算机中采用什么计数制，是学习计算机的一个重要问题。数据是计算机处理的对象，在计算机内部，各种信息都必须通过数字化编码后才能进行存储和处理。
由于技术原因，计算机内部一律采用二进制，而人们在编程中经常使用十进制，有时为了方便还采用八进制和十六进制。理解不同计数制及其相互转换是非常重要的。1.3.3 二进制数的运算
二进制数的运算包括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法、减法、乘法和除法运算。（1）二进制数的加法运算
二进制数的加法运算法则是：0＋0＝0，0＋1＝1＋0＝1，1＋1＝10（向高位进位）。
例：求（101101.10001）＋（1011.11001） 的值。22
解：
结果为：（101101.10001）＋（1011.11001）2=（111001.01011）22
总结：从以上加法的过程可知，当两个二进制数相加时，每一位是3个数相加，对本位则是把被加数、加数和来自低位的进位相加（进位可能是0，也可能是1）。（2）二进制数的减法运算
二进制数的减法运算法则是：0－0＝1－1＝0，1－0＝1，0－1＝1（借1 当二）。
例：求（110000.11） - （001011.01） 的值。22
解：
结果为：（110000.11）-（001011.01）＝（100101.10）222
总结：从以上运算过程可知，当两数相减时，有的位会发生不够减的情况，要向相邻的高位借1 当2。所以，在做减法时，除了每位相减外，还要考虑借位情况，实际上每位有3个数参加运算。（3）二进制数的乘法运算
二进制数的乘法运算法则是：0×0＝0，0×1＝1×0＝0，1×1＝1。
例：求（1010）×（1011） 的值。22
解：
结果为：（1010）×（1011）＝（1101110）222
总结：由以上运算过程可知，当两数相乘时，每个部分积都取决于乘数。乘数的相应位为1时，该次的部分积等于被乘数；为0 时，部分积为0。每次的部分积依次左移一位，将各部分积累加起来，就得到了最终结果。（4）二进制数的除法运算
二进制数除法运算规则是：0÷0＝0，0÷1＝0（1÷0 无意义），1÷1＝1。
例：求（111101）÷（1100） 的值。22
解：
结果为：商为101，余数为1。
总结：在计算机内部，二进制的加法是基本运算，利用加法可以实现二进制数的减法、乘法和除法运算。在计算机的运算过程中，应用了“补码”进行运算。
2．二进制数的逻辑运算
在计算机中，除了能表示正负、大小的“数量数”以及相应的加、减、乘、除等基本算术运算外，还能表示事物逻辑判断，即“真”、“假”、“是”、“非”等“逻辑数”的运算。能表示这种数的变量称为逻辑变量。在逻辑运算中，都是用“1”或“0”来表示“真”或“假”，由此可见，逻辑运算是以二进制数为基础的。
计算机的逻辑运算和算术运算的主要区别是：逻辑运算是按位进行的，位与位之间不像加减运算那样有进位或借位的关系。
逻辑运算主要包括的运算有：逻辑加法（又称“或”运算）、逻辑乘法（又称“与”运算）和逻辑“非”运算。此外，还有“异或”运算。（1）逻辑与运算（乘法运算）
逻辑与运算常用符号“×”、“∧”或“﹠”来表示。如果A、B、C 为逻辑变量，则A 和B 的逻辑与可表示成A×B=C、A∧B=Ｃ或A﹠B=C，读作“A 与B 等于C”。一位二进制数的逻辑与运算规则如表1-2所示。表1-2 与运算规则
由表1-2可知，逻辑与运算表示只有当参与运算的逻辑变量都取值为1 时，其逻辑乘积才等于1，即一假必假，两真才真。
这种逻辑与运算在实际生活中有许多应用，如计算机的电源要想接通，必须把实验室的电源总闸、USP 电源开关以及计算机机箱的电源开关都接通才行。这些开关是串在一起的，它们按照“与”逻辑接通。为了书写方便，逻辑与运算的符号可以略去不写（在不致混淆的情况下），即A ×B = A∧B = AB。
例：设A = 1110011，B = 1010101，求A∧B。
解：
结果为：A∧B＝1010001。（2）逻辑或运算（加法运算）
逻辑或运算通常用符号“＋”或“∨”来表示。如果A、B、C 为逻辑变量，则A 和B 的逻辑或可表示成A＋B=C 或A∨B=C，读作“A 或B 等于C”。其运算规则如表1-3所示。表1-3 或运算规则
由表1-3可知，逻辑或运算是：在给定的逻辑变量中，A 或B 只要有一个为1，其逻辑或的值为1；只有当两者都为0，逻辑或才为0。即一真必真，两假才假。
这种逻辑或运算在实际生活中有许多应用，如房间里有一盏灯，装了两个开关，这两个开关是并联的。显然，任何一个开关接通或两个开关同时接通，电灯都会亮。
例：设Ａ＝11001110，B=10011011，求A∨B。
解：
结果为：A∨B＝11011111。（3）逻辑非运算（逻辑否定、逻辑求反）
设A 为逻辑变量，则A 的逻辑非运算记作。逻辑非运算的规则为：如果不是0，则唯一的可能性就是1；反之亦然。逻辑非运算的真值表如表1-4所示。表1-4 非运算规则
例如，室内的电灯，不是亮，就是灭，只有两种可能性。
例：设A＝111011001，B=110111101，求、。
解：＝000100110，＝001000010。（4）逻辑异或运算（半加运算）
逻辑异或运算符为“⊕”。如果A、B、C 为逻辑变量，则A 和B的逻辑异或可表示成A⊕B＝C，读作“A 异或B 等于C”。逻辑异或的运算规则如表1-5所示。表1-5 逻辑异或的运算规则
由表1-5可知，在给定的两个逻辑变量中，只有两个逻辑变量取值相同，异或运算的结果就为0；只有相异时，结果才为1。即一样时为0，不一样才为1。
例：设A＝11010011，B＝10110111，求A⊕ B。
解：
结果为：A⊕B＝01100100。
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