第1章计算机系统基础（计算机系统基础）

学习目标：1．掌握计算机系统的组成；，下面我们就来聊聊关于第1章计算机系统基础?接下来我们就一起去了解一下吧!

第1章计算机系统基础

学习目标：

1．掌握计算机系统的组成；

2．理解计算机的工作原理，计算机中信息的表示；

3．了解计算机的发展及其特点、计算机中信息的表示和数制的基本概念、以计算机为

基础的信息技术应用。

人类文明的发展犹如一条长河，在漫长的进程中，先后经历了旧石器和新石器为代表的

狩猎和采集文明阶段，以青铜器和铁器为代表的农业文明阶段，以及以蒸汽机和电力、内燃机

机、电讯为代表的工业文明阶段，目前我们正处于以计算机为核心的信息文明时代。

计算机技术作为信息社会最主要的支柱之一，其应用已渗透到科学技术、国民经济、社会

会生活等各个领域，改变了人们传统的工作和生活方式，成为人们生活中不可缺少的重要组成

成部分。各行各业的人都在运用计算机解决各自的问题，可以说今天的计算机已经是无处不在

在，无所不能，信息技术的未来前途无量。本章将介绍有关信息技术和计算机系统的基础知识

识。

第一节 信息与信息技术概述

信息时代是一个充满活力、富于创造和创新的时代，是一个科学技术高度发展的时代。

在信息时代里，信息成为重要的战略资源，信息产业则成为主导产业，信息网络成为了社会

这是重要基础设施。可以说，以信息技术为核心的科技发展对世界的影响是深刻的，已经渗透

到社会生活的方方面面。信息化正在全面提高经济运行效率，提高企业核心竞争力和人民

提升生活质量的重要方式。

一、信息

1．信息的概念

当我们看到一缕霞光从窗前透过，那是清晨的信息；冰河解冻、流水淙淙，那是春天的

信息；大雁南飞，告知人们寒冷即将来到……

我们还可以通过读书、看报、电视、网络得到各方面的信息，诸如：科技信息、人才招

聘信息、经济信息、生活信息、学习工作中查找的资料、卫星拍摄的照片和传回的数据、医

院体检的心电图、B 超等数据。在我们的生活和工作中，信息无处不在。

而对信息的表达在古人诗歌中也常常出现，用于表示音信、消息。例如：唐代诗人杜牧

在《寄远》诗中就这样写道：“塞外音书无信息，道旁车马起尘埃”；宋代诗人李清照在诗

中写道：“不乞隋珠与和璧，只乞乡关新信息”。今天，“信息”这个词汇可以说是世界上

使用频率最高的词汇之一。那么究竟什么是信息，信息有什么作用和特征呢？

（1）信息的定义

人类把信息作为一门学科来研究，是从二十世纪中叶开始的。对信息的认识有一个逐步

深入的过程，而这个过程仍在继续进行中。不同领域的专家从不同的角度和不同的层次，对

信息的概念提出了各自的想法。如“信息是用以消除不确定的东西”、“信息是具有新知识和新内容的消息”、“信息就是消息、情报”、“信息是事物的表现形式”、“信息是客观

事物的各种表现和反应”等。1948 年，创立信息论的美国数学家香农提出：“信息是能够

用来消除不确定性的东西。”

从本质上看，信息是对物质运动的状态和方式的描述，它的基本功能是消除认识上的障碍

确定性。

（

2）与信息相关的概念

一般来说，信息既是对各种事物运动的状态和方式的描述，又是事物之间相互作用和联

系的表征。人通过接受信息来认识事物，从这个意义上来说，信息是一种知识，是接受者原

来不了解的知识。信息是知识的原始素材，知识是经过加工和优化的信息。

信息和数据是计算机课程中常用的术语。数据用来描述客观存在，以文字、符号、图形、

图像或声音的形式体现。数据是信息的素材，当数据被赋予意义、具有可利用性时，就成为

信息。而对不同的使用目的和不同的使用对象，可以从同一原始数据中加工提取不同的信息。

信息同物质、能源一样重要，是信息社会中人类生存和社会发展的三大基本资源之一。

可以说信息不仅维系着社会的生存和发展，而且在不断地推动着社会和经济的发展。

2．信息的特性

所谓信息的特性，是指信息区别于其他事物的本质属性。信息的特性包括两个方面：信

息的物质特性和信息的应用特性。信息的物质特性主要有无大小、无重量、可复制。而信息

应用特性主要有普遍性、依附性、传递性、共享性、可处理性和价值相对性等。

（1）普遍性

从本质上说，信息描述的是物质运动的状态和方式。宇宙中物质是普遍存在的，有物质

就有信息，所以信息是普遍存在的。

（

2）依附性

信息是描述物质运动的状态和方式的，本身不是物质，所以不能独立存在，必须借助于物质

一定的载体。如“味道很香”是信息，但它借助的是空气这个载体。同一信息还可以有不同

的载体。如“今天的天气情况”这个信息，可以从广播、电视、网络、报纸等不同的载体上，

通过声音、视频、文字等形式获得。

（

3）传递性和共享性

信息在空间上的传递为通信；在时间上的传递则以存储来实现，而且存储的信息可以再

利用。信息可以通过普通电话传递；信息存在软盘中，可以随时并且多次使用。

信息源发出信息后，可以由多个信息接收，且信息本身不减少。如“电子邮件”，一个

信息通过电子邮件形式可以发给一个以上的接收者，使得不同的人可以在同一时间或不同地方

间共同使用手机收到的信息。

（

4）可处理性

信息的作用和功能是通过它的可处理性来体现的。信息可以压缩、提取、存储、传递，

可以有序化，可以转换存在形式，可以经过加工、提炼、去伪存真成为新的信息。如商品的

市场供求，要通过使用者反馈的信息不断调整商品的供应，才能符合市场的实际需要。为了

快速、准确地处理信息，并将信息加以利用，处理信息的技术和方法也越来越受到人们的重

视。如数据库技术、信息压缩技术、信息管理系统等。

（

5）价值相对性

信息可以作为商品进行交易，是有价值体现的，但信息的价值取决于使用者的需求，以

及对信息准确性的判断和利用能力。信息在处理中，留下有用的信息，去掉无用的信息，重

新组合，可以增加信息的价值。如过时的信息价值就会减少很多，而及时的、正确的信息，

会带来经济效益，体现出信息的价值，所以信息的时效性也很重要。二、信息技术

就像人类渴望飞翔而发明了飞机一样，为解决大量的、人力所不能及的计算，人类借助

自己的智慧创造机器来帮助进行计算，于是出现了计算机。随着计算机技术的不断发展，逐

步形成了以计算机技术为核心的现代信息技术。

一般来说，信息采集、加工、存储、传输和利用过程中的每一种技术都是信息技术。信

息技术不仅包括现代信息技术，还包括在现代文明之前的原始时代和古代社会中与之时代相

对应的信息技术。

1．现代信息技术

从信息技术的物理构成上讲，信息技术是指以微电子技术、通信技术、计算机技术为主

干，结合传感技术、网络技术、多媒体技术、控制技术、数据的存储压缩技术、机器人技术

和数字音频视频技术等的综合性技术。简单地说，信息技术就是用信息科学的原理和方法，

来有效地使用信息资源的技术体系。

从对信息的操作层面上讲，信息技术是指与获取、加工、存储、传输、表示和应用有关

的对信息进行操作处理的技术。而这些操作技术的实现需要借助具体的物理技术，也就是有

关支撑信息技术操作的物理层面的技术。信息技术扩展了人的信息器官功能。十九世纪以来

陆续出现了电报、电话、无线电通信、雷达、电视、遥控、卫星通信、光导通信、计算机、

计算机网络等新技术，其中计算机是人类思维器官功能的扩展和延伸，其他则是人类感觉器

官和传导神经系统的扩展和延伸。

2．现代信息技术的内容

一般来说，现代信息技术包含 3 个层次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息

应用技术。

（

1）信息基础技术

信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。近

几十年来，发展最快、应用最广泛、对信息技术以及整个高科技领域的发展影响最大的是微

电子技术和光电子技术。

（

2）信息系统技术

信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。目前，人

们把通信技术、计算机技术和控制技术合称为 3C(Communication、Computer 和 Control)技

术。3C 技术是信息技术的主体。

（

3）信息应用技术

信息应用技术是针对各种实用目的，如信息管理、信息控制、信息决策而发展起来的具

体的技术群，如工厂自动化、办公自动化、家庭自动化、人工智能和通信技术等。它们是信

息技术开发的根本目的。

3．信息技术的应用和前景

以计算机技术为核心的现代信息技术正向各个领域渗透，其应用遍及教育、科研、农业、

商业、金融、医学、交通运输、军事等各行各业，信息技术可以用来进行科学计算、数据处

理、自动控制、辅助教学、机器人、多媒体、通讯、网络等。我们的学习、工作、日常生活、

娱乐也都依赖着信息技术为我们提供的便利。如可视电话、电视会议、远程教学等。

信息技术的应用正在影响着人类的生存方式，我们所处的是一个信息时代，计算机高度

普及，不断发展，计算机网络提供各种服务，人类生活时刻与计算机发生着联系，这一切都标志着，我们的社会是一个信息化的社会。

同时，信息资源的开发、利用和控制也是经济和科技竞争的焦点，是国家的地位和经济

实力的核心，由此可以说，我们进入了知识经济时代。知识经济是以现代科学技术为核心，

建立在知识和信息的生产、储存、消费之上的经济。

纵观人类科技发展的历程，还没有一项技术能像现代信息技术那样对人类社会产生如此

巨大的影响。展望未来，在社会生产力发展、人类认识和实践活动的推动下，信息技术将得

到更深、更广、更快的发展，其发展趋势可以概括为数字化、多媒体化、高速度、网络化、

宽带、智能化等。

第二节 计算机技术的发展与应用

从科学实验到生产实践，从社会到家庭，计算机无处不在，其应用之广泛，影响之深远，

发展之快速是人类社会少见的，电子计算机的应用和技术发展已经成为衡量一个国家现代化

水平的重要标志。

一、计算机技术的发展

计算机作为人类脑力的延伸工具，从广义上讲，可追溯到计算工具的研制发明，计算技

术的发展是和人类社会的技术发展紧密相关的。

1. 计算机发展简史

人类在认识自然、改造自然的过程中，曾经创造过各种各样的计算工具。中国古代早在

春秋战国时已使用竹子制作的算筹进行计数。唐代时出现早期的算盘，宋代时已有算盘口诀

的记载。17 世纪后，随着西方产业革命的到来，推动了计算工具的进一步发展，在欧洲出

现了能实现加减乘除运算的机械式计算机。1944 年美国物理学家艾肯教授领导完成了第一

台机电式通用计算机 MARK1，其主要元件采用继电器，是一台可编程序的自动计算机。

世界上的第一台通用电子数字计算机是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫奇利和埃克

特领导的科研小组建造的，取名为 E N I A C (即电子数字积分计算机，见图 1.1)。该计算机

由 18000 多个电子管、1500 多个继电器等组成，占地 170 平方米，重量达 30 吨，耗电 140

千瓦，投资超过 48 万美元。该机器字长 10 位，采用十进制，计算速度为 5000 次／秒，每

次至多只能存储 20 个字长为 10 位的十进制数。计算程序是通过插件式“外接”线路实现的，

尚未采用“程序存储”的方式。为了在机器上进行几分钟的数字计算，准备工作往往要用几

小时甚至 1~2 天的时间，使用很不方便。ENIAC 计算机于 1945 年底宣告竣工，1946 年 2

月 15 日正式举行揭幕典礼，它标志着人类计算工具的历史性变革。其重要意义在于它奠定

了计算机发展的基础，开创了计算机时代，引发了一场由工业化社会发展到信息化社会的新

技术革命浪潮，揭开了人类历史发展的新纪元。计算机问世以后，经过半个多世纪的飞速发

展，已由早期单纯的计算工具发展成为在信息社会中举足轻重、不可缺少的具有强大信息处

理功能的现代化电子设备。 图 1.1 ENIAC 电子计算机

从 1946 年 ENIAC 诞生到现在 60 年的时间里，在推动计算机发展的众多因素中，电子

元器件的发展起着决定性的作用（见表 1.1）；其次，计算机系统结构和计算机软件技术的

发展也起了重要的作用。计算机发展的分代史，通常是以计算机所采用的逻辑元件作为划分

的标准的。迄今为止，计算机的发展已经历四代，正向新一代计算机过渡。

表 1.1 电子计算机的发展阶段

年代

器件

第一代

1946-1958

第二代

1958-1964

第三代

1964-1974

第四代

1974-至今

电子器件

电子管

晶体管

中、小规模集成电路

大规模和超大

规模集成电路

主存储器

磁芯、磁鼓

磁芯、磁鼓

磁芯、磁鼓、

半导体存储器

半导体存储器

外部辅助

存储器

磁带、磁鼓

磁带、磁鼓

磁带、磁鼓、磁盘

磁带、磁盘、光盘

处理方式

机器语言

汇编语言

监控程序

连续处理作业

高级语言编译

多道程序

实时处理

实时、分时处理

网络操作系统

运算速度

5 千~3 万次/秒

几十万~百万次/秒

百万~几百万次/秒

几百万~千亿次/秒

（

1） 第一代电子计算机( 1 9 4 6～1 9 5 8 年)

早期的计算机采用电子管作为基本逻辑元件，体积大、耗电多、价格贵，运行速度低，

存储容量小，可靠性差。编写程序的语言是机器语言或汇编语言，几乎没有什么软件配置。

尽管如此，这一代计算机却奠定了计算机的技术基础，如：二进制、自动计算和程序设计等，

并对以后计算机的发展产生了深远的影响。

这个时期计算机的商品化主要由美国国际商业机器公司( IBM)实现，以 IBM 系列机为

代表，其代表机型有 IBM650、IBM709 等。

这一时期计算机的应用领域主要是科学计算，主要用于军事和科研部门。

（

2） 第二代电子计算机( 1 9 5 8～1 9 6 4 年)

第二代计算机使用晶体管作为逻辑元件。晶体管与电子管相比，具有体积小、寿命长、

开关速度快、省电等优点。由于采用了晶体管，第二代计算机的体积大大减小，运算速度及

可靠性等性能大为提高。第二代计算机所用的编程语言成为以后计算机语言的基础，高级语言 FORTRAN、

COBOL、ALGOL 等相继问世，因而使程序设计的复杂性大大降低，方便了计算机的使用。

代表机型有 IBM-7094 机、CDC7600 机。

这一时期计算机的应用已由科学计算拓展到数据处理、过程控制等领域。

（

3） 第三代电子计算机( 1 9 6 4 ~ 1 9 7 4 年)

第三代计算机采用半导体中小规模集成电路作为逻辑元件。由于集成电路体积更小，耗

电更省，寿命更长，可靠性更高，这使得第三代计算机的总体性能较之第二代计算机有了大

幅度的跃升。计算机系统结构也有了很大改进，在商品计算机设计上出现了标准化、通用化、

系列化的局面。同时，计算机软件技术的进一步发展，尤其是操作系统的逐步成熟是第三代

计算机的显著特点。软件出现了结构化模块化程序设计方法。这一时期最有影响的是 IBM

公司研制的 IBM-360 计算机系列。此外，计算机的应用进入到许多科学技术领域。

（

4） 第四代电子计算机( 1 9 7 4 年以后)

采用大规模集成电路作为逻辑元件是第四代计算机的主要特征。这个时期是计算机发展

最快、技术成果最多、应用空前普及的时期。在软件方面，出现了数据库系统、分布式操作

系统等，网络软件大量涌现，计算机网络进入普及时代。应用软件的开发已逐步成为一个庞

大的现代产业。

第四代计算机中最有影响的机种莫过于微型计算机，它诞生于70年代中期，

80 年代得到了迅速推广，这是计算机发展史上最重要的事件。

自进入第四代计算机以来，计算机的硬件与软件技术都获得了惊人的发展。计算机系统

向微型化、巨型化、网络化和智能化的方向发展，计算机的系统软件的功能日趋完善，规模

越来越大、应用软件的开发日趋简便。多媒体技术的兴起引起计算机应用领域的革命，人们

利用声音、符号、图形、图像即可开发计算机的应用。在网络技术的支持下，信息表达工具

(电话、电视、终端)、信息处理工具(计算机)和信息传输工具(有线通讯、无线通讯及卫星通

讯)已趋于一体化，为人类方便地处理信息开辟了更广阔的前景。

现在，电子计算机的应用已经深入到国民经济和社会生活的各个领域。计算机技术与通

信技术的结合，出现了计算机网络，尤其是互联网的快速发展，使得世界各地的人们可以相

互交流，缩短了彼此之间的距离。同时，随着远程教学、远程医疗和电子商务的发展，使我

们的生活方式和生活环境发生很大变化。计算机产业也已成为国民经济中发展最快、最具有

活力的部门之一，计算机及其技术对人类社会的进步和文明正在起着越来越显著的积极作用。

2. 计算机的特点及分类

（

1）计算机的特点

计算机的出现，已成为第三次工业革命中最激动人心的成就，电子计算机之所以发展如

此迅速，有如此广泛的应用，主要是由于有以下几个方面的特点。

①运算速度快

运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法

的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展

到现在的可达每秒万亿次。

计算机高速运算的能力极大地提高了工作效率，把人们从浩繁的脑力劳动中解放出来。

过去用人工旷日持久才能完成的计算，而计算机在“瞬间”即可完成。曾有许多数学问题，

由于计算量太大，数学家们终其一生也无法完成，使用计算机则可轻易地解决。

②计算精度高

在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字，而计算机对数据处理的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，根据需要

甚至可达到任意的精度。

③存储容量大

计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。目前计算机的存

储容量越来越大，已高达千兆数量级的容量。计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具

的一个重要区别。

④具有逻辑判断功能

计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的

功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆存储能力的结合，使得可以模仿人的某些智能

活动。因此，计算机已经远远不只是计算的工具，而成为人类脑力延伸的重要助手。有时把

计算机称作“电脑”，就是这个原因。

⑤基于内置的程序控制，自动化程度高，通用性强

由于计算机的工作方式是将程序和数据预先存放在机器内，工作时按程序规定的操作，

一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所

不具备的。

上述的几个特点，赋予了计算机高速、自动、持续的运算能力，使得计算机的应用领域

不断开拓，渗透到社会生活的各个领域，计算机也成为处理信息的有力工具，成为信息社会

发展的重要推动力量。

(2) 计算机的分类

电子计算机发展到今天，可谓品种繁多，门类齐全，功能各异。通常人们从三个不同的

角度对电子计算机分类。

①按工作原理分类

计算机处理的信息，在机器内可用离散量或连续量两种不同的形式表示。离散量也称为

断续量，即用二进制数字表示的量(如用断续的电脉冲来表示数字 0 或 1 )。连续量则是用连

续变化的物理量(如电压的振幅等)表示被运算量的大小。

可用一个通俗的比喻来大致说明离散量和连续量的含义。在传统的计算工具中，算盘运

算时，是用一个个分离的算盘珠来代表被运算的数值，算盘珠可看成是离散量；而计算尺运

算时，是通过拉动尺片，用计算尺上连续变化的长度来代表数值的大小，这即是连续量。

根据计算机内信息表示形式和处理方式的不同，可将计算机分为以下两大类：

A. 电子数字计算机(采用数字技术，处理离散量)

B. 电子模拟计算机(采用模拟技术，处理连续量)

目前，使用得最多的是电子数字计算机，而电子模拟计算机用得很少。由于当今使用的

计算机绝大多数都是电子数字计算机，故将其简称为电子计算机。

②按应用分类

根据计算机的用途和适用领域，可分为：

A. 通用计算机：通用计算机的用途广泛，功能齐全，可适用于各个领域。

B. 专用计算机：专用计算机是为某一特定用途设计的计算机。

其中，通用计算机数量最大，应用最广。

③按规模分类

根据计算机的规模(主要指硬件性能指标及软件配置)大小，可分为：

A. 巨型机：也叫超级计算机，是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计

算普通 PC 机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。现代的超级计算机用于核

物理研究、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、中长期天气预报等方面，是强有力的模拟和计算工具。它是一个国家科研实力的体现，对国家安全，经济和社

会发展具有举足轻重的意义。中国第一台实测性能超千万亿次的超级计算机曙光“星

云”于 2011 年 11 月在国家超级计算深圳中心全面开通运行。截止到 2014 年 6 月 23

日（top500 ），世界上运算速度最快的超级计算机是由中国国防科学技术大

学研制的天河二号计算机，它在一项名为“线性系统软件包”(Linpack)的标准测试中实

现了持续计算速度每秒 3.386 亿亿次(33.86 Pflop/s)浮点运算的优异性能位居榜首，成

为全球最快超级计算机。第二名是美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National

Laboratory)的“泰坦”(Titan)，每秒 1.759 万万亿次的运算速度。

B. 大型机：直到 20 世纪 60 年代后期，大型机是唯一的计算机类型。价格在 5 千美元

到 500 万美元间。随着 60 年代后期小型机出现，依照其尺寸变化出现了中型机和小型机（价

格在 5 千到 20 万美元之间）等类型。

C. 工作站：20 世纪 80 年代出现，具有强大的图形处理能力，主要用于复杂的科学、

数学和工程上的计算以及 CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)。

D. 微型机：也叫个人计算机（PC），PC 可分为台式计算机、笔记本计算机和 IPAD。

E. 微控制器：也叫嵌入式计算机，是一种专用的微处理器，可以安装在智能仪器仪表

中，在家用电子设备如数码相机，智能手机等上面都有这类嵌入式计算机。

flops 是每秒浮点操作（Floating-point Operations of Per Second）的缩写，flops

用于度量计算机的性能。

目前巨型计算机是最为强大的计算机，但是科学家正在研制未来新一代的计算机，新的

计算机依赖纳米技术，通过使用分子规模的纳米结构来创建保存数据或执行任务，生物学上

的纳米计算机由 DNA 制成，能植入人类的一个细胞。该生物计算机将使用 DNA 作为软件，生

物酶作为硬件，具有分子大小的电路。

④服务器

服务器是用于描述一种特殊用途的计算机。是指在网络中，用于运行管理软件以控制对

网络或网络资源（磁盘驱动器、打印机等）进行访问的计算机，并能够为在网络上的计算机

（客户端）提供资源使其犹如工作站那样地进行操作。通常分为文件服务器、数据库服务器

和应用程序服务器。相对于普通 PC 来说，服务器在稳定性、安全性、性能等方面都要求更

高，因此 CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件和普通 PC 有所不同。

前已述及，当今计算机的发展呈现出多极化的趋势，而微型化和巨型化则是其中的两个

重要方向。多极化是指巨、大、中、小、微各机种均在发展，它们在计算机家族中都占有一

席之地，拥有各自的应用领域。其中，微型机发展最快，数量最多，应用最普及。

以上是计算机的传统分类法，事实上，随着计算机科学技术的发展，各机种之间的界限

已不是很分明。例如，大型机与中型机的界限比较模糊，而当今使用的某些超级微型机的功

能已超过了当年的中、小型机，甚至可以与大型机匹敌。

二、计算机在信息社会中的应用

计算机的高速发展，全面促进了计算机的应用。在信息社会中，计算机的应用极其广泛，

已遍及经济、政治、军事及社会生活的各个领域，正在改变着人们传统的工作、学习和生活

方式，推动着社会的发展。目前,计算机的应用可概括为以下几个方面。

1． 科学与工程计算

通常是指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，是计算机最早的应用

方面。历史上每一种科学工具的创新与进步都推动了有关科学的发展，而其进展的程度总是与工具性能的提高成正比。例如望远镜、显微镜、加速器等仪器，都延伸和强化了人的观察

能力，进而带动了相关科学的进步。同样，计算机也是人类能力的延伸，它强化了人的思维

智能，增进了人的计算、仿真能力，因此对所有的科学技术领域都有很大的推动作用。

第一台电子计算机研制的目的就是用于军事计算，计算机发展的初期也主要用于科学计

算。虽然计算机后来在其他方面的应用不断加强，但仍然一直是科学研究和科学计算的最佳

工具。随着科学技术的发展，各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复

杂的计算问题。例如在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学等领域中，都需要依靠计

算机进行复杂的运算。科学计算的特点是计算工作量大、数值变化范围大。因此，科学计算

要求计算机速度快、精度高、存储容量大。

2．数据处理

数据处理是指对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作，

处理的数据有文字、图形、声音、图像等各种数据信息。数据处理的领域包括办公自动化、

企业管理、情报检索、报刊编排处理等，特点是要处理的原始数据量大，而算术运算较简单，

有大量的逻辑运算与判断，结果要求以表格或文件形式存储、输出。数据处理是现代化管理

的基础。它不仅应用于处理日常的事务，且能支持科学的管理与决策。以一个企业为例，从

市场预测、经营决策、生产管理到财务管理，无不与数据处理有关。数据处理是计算机应用

最广泛的领域。

3．过程控制

计算机可以用于科学技术、军事、工业、农业等各个领域的过程控制，用计算机采集检

测数据，按最佳值对控制对象进行自动控制或自动调节。利用计算机进行过程控制，不仅提

高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件，提高

质量，节约能源，降低成本。计算机控制系统中，需有专门的数字—模拟转换设备和模拟—

数字转换设备(称为 D／A 转换和 A／D 转换)。由于过程控制一般都是实时控制，要求计算

机可靠性高、响应及时。目前在实时控制系统中广泛采用集散系统，即把控制功能分散给若

干台计算机担任，而操作管理则集中在一台或多台高性能计算机上进行。计算机过程控制已

在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门得到广泛的应用。

微机在工业控制方面的应用大大促进了自动化技术的提高。利用计算机进行控制，可以

节省劳动力，减轻劳动强度，提高劳动生产效率，并且还可以节省生产原料，减少能源消耗，

降低生产成本。

利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入到计算

机，再根据需要对这些数据进行处理。这样的系统称为计算机检测系统。但一般来说,实际

的工业生产过程是一个连续的过程，往往既需要用计算机进行检测，又需要用计算机进行控

制。例如，在化工、电力、冶金等生产过程中，用计算机自动采集各种参数，监测并及时控

制生产设备的工作状态；在导弹、卫星的发射中，用计算机随时精确地控制飞行轨道与姿态;

在热处理加工中，用计算机随时检测与控制炉窑的温度；在对人有害的工作场所，用计算机

来监控机器人自动工作等等。特别是微型计算机进入仪器仪表后所构成的智能化仪器仪表，

将工业自动化推向了一个更高的水平。

4．计算机辅助系统

计算机辅助系统包括计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造

(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助测试(Computer Aided Test，CAT)、计

算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)等系统。

计算机辅助设计是利用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品设计和工程技术设计。在设计中可通过人机交互更改设计和布局，反复迭代设计直至满意为止。它能使

设计过程逐步趋向自动化，大大缩短设计周期，增强产品在市场上的竞争力，同时也可节省

人力和物力，降低成本，提高产品质量。

计算机辅助制造就是用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如在产品的

制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流

动以及对产品进行检验等。使用 CAM 技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、

降低劳动强度。除了 CAD／CAM 之外，计算机辅助系统还有计算机辅助工艺规划(Computer

Aided Process Planning，CAPP)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等。

计算机集成制造系统是指以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理与产品开

发制造的新一代制造系统，是集工程设计、生产过程控制、生产经营管理为一体的高度计算

机化、自动化和智能化的现代化生产大系统，是制造业的未来。它将企业生产、经营的各个

环书，从市场分析、经营决策、产品开发、加工制造到管理、销售、服务等视为一个整体，

即以充分的信息共享，促进制造系统和企业组织的优化运行，其目的在于提高企业的竞争能

力及生存能力。CIMS 通过将管理、设计、生产、经营等各个环节的信息集成后进行优化分

析，从而确保企业的信息流、资金流、物流能够高效、稳定地运行，最终使企业实现整体最

优效益。

5．基于计算机的多媒体技术

多媒体技术是用计算机把数字、文字、声音、图形、图像和动画等多种媒体信息有机整

合起来，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理(包括对这些媒体的录入、压缩和解压

缩、存储、显示和传输等)的技术。人们熟悉的报纸、电影、电视等，都是以它们各自的媒

体进行信息传播的。有些是以文字为媒体，有些是以图像为媒体，有些是以图、文、声、像

为媒体。多媒体技术以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更

自然、更丰富的用户界面，因而其应用领域十分广泛。它不仅覆盖计算机的绝大部分应用领

域，同时还拓展了新的应用领域，如可视电话、视频会议系统等。实际上，多媒体系统的应

用以极强的渗透力进入了人类工作和生活的各个领域，正改变着人类的生活和工作方式，成

功地塑造了一个绚丽多彩的划时代的多媒体世界。

6．计算机通信和网络应用

计算机通信和网络应用是计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将

处在不同地域的计算机用通信线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。例如，

基于因特网的电子商务、电子政务、网络电话等。前面我们介绍的很多信息技术应用都和网

络技术密不可分。

7．人工智能

人工智能是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的学科，其主要任务是建立智

能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。虽然计算机的能

力在许多方面远远超过了人类，如计算速度，但是真正要达到人的智能还是非常遥远的事情。

但是目前一些智能系统已经能够替代人的部分脑力劳动，获得了实际的应用，尤其是在机器

人、专家系统、模式识别等方面。人工智能的研究领域包括知识工程、机器学习、模式识别、

自然语言处理、智能机器人和神经计算等多个方面。第三节 计算机工作原理与系统组成

一、计算机模型与工作原理

在人类的发明创造活动中，理论与实践的关系有两种模式。一种是实践先行，理论跟上，

即先进行实验，开发出产品，而后逐步建立起相关的理论体系。例如人类摆脱地球引力的束

缚、实现在空中飞翔的理想，就是如此。经过无数次的失败，莱特兄弟(Wilbur Wright 和 Orville

Wright)终于在 100 多年前发明了能上蓝天的飞机。在这之后，空气动力学等相关学科才建

立和完善起来，并促使飞机性能不断改进，终于在 1927 年 5 月 21 日由林德伯格（Charles

Lindbergh,1902—1974）独自驾机实现了首次穿越大西洋的不间断飞行，为民用航空开辟了

道路。另一种模式与此相反，先有人进行理论探讨，提出科学假设，在理论指导下，才开发

出相关的产品。计算机的问世就是这一模式的范例。我们前面说过，世界上第一台电子计算

机是 1946 年诞生的，而计算机的理论基础则在 10 年以前就由艾伦·图灵（Alan Turing，1912

—1954）奠定了。

1. 图灵机

图灵是英国数学家，1934 年他在一篇论文中提出了计算机的抽象模型，被公认为是现

代计算机的原型，现在被大家称为“图灵机”（Turing Machine）。图灵机由哪些部件构成，

它是怎样工作的呢？

图灵机由一条双向都可无限延长的被分为一个个小方格的磁带、一个有限状态控制器和

一个读写磁头组成，如图 1.2 所示。图灵机一步步地进行工作，机器工作情况取决于三个条

件，即：

．机器的内部状态

．读写磁头扫描在磁带的哪个方格上

．该方格上有什么信息

读写磁头 磁带

…. D A T A B D ….

图 1.2 图灵机

机器执行一步工作的过程如下：读写磁头在所扫描的方格上写上符号，原有符号自然消

除；磁头向右或向左移动一个方格，机器由当前状态转向另一个状态，进入下一步工作。如

此周而复始，除非遇到命令机器停止工作的状态。例如，图 1.5 中的机器在某一步上处于状

态 q3 ，将所扫描方格中的 A 改写为 E，左移一个方格，进入状态 q2，磁头将要扫描的方格

内的字母为 T。机器下一步的工作由 q2和信息 T 唯一确定。

图灵机的这种由状态、符号确定的工作过程叫图灵机的程序，可以方便地用下列五元

组所确定的一个阵表来定义：

<q, b, a, m, q’>

其中 q、q’是有限状态控制器中的状态，q 为当前状态，q’为下一状态；b、a 表示方格

中的符号，b 是当前方格原有符号(before)，a 是修改后的符号(after)；m 指示磁头移动方向，

若左移为 L(Left)，若右移为 R(Right)，不动用 N 表示(No-motion)。这样，上述图灵机的一

有限状态控制器

q1 q2 q3 q4 q5步动作就可用下列五元组确切地描述：

< q3 ，A，E，L，q2>

如果用 Q={ q1 , q2 , q3 ,…,qm}表示有限状态集，用∑＝{a1，a2，a3，…，an}表示磁带

方格上的符号集，用 R、L、H 分别表示右移一格、左移一格或停机，那么图灵机（程序）

也可以用下述映射进行定义：

Q ×∑→∑×{R, L ,H}×Q

大家看，图灵抽象出来的图灵机做为今天的极为复杂的计算机的理论模型，其构成却是

如此简单和清晰！而这正是图灵机的意义所在。表面看来，图灵机的计算功能似乎很弱，实

际上，只要提供足够的时间(也就是允许足够多的步数)和足够的空间(也就是磁带足够长)，

则图灵机的能力极强，足以代替目前的任何计算机。图灵自己就信心十足地指出，凡是可计

算的函数都可以用他的图灵机来计算，这被称为图灵论题。美国著名的数学家和逻辑学家、

因发明λ演算而闻名的阿伦索·邱奇(Alonzo Church，1903—1995)也认为：任何计算，如果

存在一有效过程，它就能被图灵机所实现，这一著名命题被称为邱奇论题。有时两者合称图

灵—邱奇论题。

2. 冯·诺依曼机及其工作原理

我们前面讨论了图灵机和图灵机上的程序，说明了它是现代计算机的理论模型，在计算

机科学中占有极为重要的地位。但是我们一般称当前计算机是“冯·诺依曼型计算机”，或

“冯·诺依曼型体系结构的计算机”，它们是按“冯·诺依曼原理”工作的，这又是怎么回

事呢？

原来，图灵机是图灵在讨论一个数学问题的一篇文章中“顺便”提出来的，是经过高度

抽象的计算机理论模型，只回答了为了由机械完成计算，需要些什么基本部件以及这些部件

如何协同工作这两个最基本的问题。它并不回答实际计算机设计与运作中的细节与具体问题。

例如，就机器组成而言，在图灵的计算模型中，磁带既作为存储器，同时又兼作输入设备和

输出设备，这对于实际机器来说显然是不方便的；就机器的运作方式而言，数据和程序之间

应该有什么关系？在图灵的计算模型中也没有明确的规定。诸如这样一些重大问题是后来由

冯·诺依曼（John Von Neumann,1903－1957）提出方案加以解决的。

冯·诺依曼是出生在匈牙利的美国数学家，第二次世界大战中担任美国陆军阿伯丁实验

场的科学顾问。一个偶然的机会使他知道宾州大学莫尔学院正在研制计算机，引起他极大兴

趣和重视。1945 年３月他来到莫尔学院，其时 ENIAC 已接近完成，正在调试。他详细了解

了ENIAC的设计与工作方式，并同主要开发人员进行了两天深入的讨论，研究如何对ENIAC

进行改进，尤其是如何解决 ENIAC 的解题程序需要通过人工接插线方式输入这一重大问题。

在此基础上，经过深思熟虑，冯·诺依曼在当年 6 月拟定与发表了 EDVAC 计算机（Electronic

Discrete Variable Automatic Computer）方案，为存储程序（这是现代计算机的主要特征）式

计算机奠定了基础。

冯·诺依曼方案的基本内容如下：

（1）用二进制形式表示数据和指令；

（

2）将程序（指令序列）和数据预先存放在主存储器中，使计算机在工作时能够自

动高速地从存储器中取出指令和数据，并加以执行，这是“存储程序控制”的

基本特点；

（

3）确立了计算机系统的 5 大基本部件：存储器、控制器、运算器、输入设备和输

出设备，同时也规定了 5 大部件的基本功能。见图 1.3 所示。图 1.3 冯·诺依曼计算机结构图

冯·诺依曼型计算机的两大特征是“程序存储”和“采用二进制”。具体地说，在上述

计算机中，要实现机器的自动计算，必须先根据题目的要求，编制出求解该问题的计算程序，

并通过输入设备将该程序存入计算机的存储器中，称之“程序存储”；在计算机中计算程序

及数据是用二进制代码表示的，计算机只能存储并识别二进制代码表示的计算程序和数据，

称之为“采用二进制”。

因此，我们大体上可以这样来理解：所谓“图灵机”是计算机的“粗框图”，是计算机

的概念模型，奠定了现代计算机的理论基础；而“冯·诺依曼机”是计算机的“细框图”，

是计算机的结构模型，奠定了现代计算机的设计基础。两者在计算机科学与技术的发展史上

都具有重要的意义。

还应该说明的是，战后，图灵在英国国家物理实验室亲自设计与领导建造电子计算机

ACE(Automatic Computing Engine)的过程中，也独立地构思与采用了存储程序的思想，使程

序也如同数据那样，放在存储器中；也如同数据那样，可由计算机加工、处理。但由于 ACE

的影响远比 EDVAC 小，图灵本人也没有把 ACE 项目进行到底，因此虽然冯·诺依曼本人

从来没有说过存储程序的概念是他发明的，却多次说过图灵是现代计算机设计思想的创始人，

但学术界通常把计算机发展史上这一历史性贡献归功于冯·诺依曼。

二、计算机系统的组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，硬件系统和软件系统

组成一个完整的系统，是计算机系统中缺一不可的两个方面。其中，硬件是软件的基础，软

件是硬件功能的完善和扩充，它们相互依存，相互渗透，相互促进。两者的有机结合，使计

算机具有了强大的生命力。因此我们说计算机系统是由硬件和软件组成的统一整体。

1. 计算机硬件系统

计算机硬件系统实际是由各种物理部件组成的，直观上看，计算机硬件系统就是一大堆

物理设备，是看得见、摸得着的那些东西，硬件系统是计算机的物质基础。我们将组成计算

机系统的所有电子和机械装置称为硬件。计算机的硬件系统包括计算机的全部硬设备和功能

部件。如输入/输出部件，信息的存储部件，工作控制部件及加工数据的运算部件等。一台

计算机从硬件系统看主要由四大部分组成：存储器、中央处理器、输入设备和输出设备，如

图 1.4 所示，图中实线表示数据线，虚线表示控制线。

中央处理器

输入设备

存储器

输出设备图 1.4 计算机硬件系统

（

1）存储器

存储器是计算机的记忆装置。它的功能是存放信息(数据和程序)。其中，将信息存入存

储器称为“写”存储器，从存储器中取出信息称为“读”存储器。存储器通常是按地址来进

行存取数据和程序的，它由许多存储单元组成，为了区分不同的存储单元，把存储单元按一

定的顺序编号，这个编号称为地址。要进行数据的读写操作，应先指出存储单元的地址，然

后由存储器按指定的地址“选择”相应的存储单元，才能进行数据的读写。这种情形和人们

在大楼里找人，要按照他的住址(房间号)寻找他的过程类似。

通常，对存储器的要求是存储容量大、存取速度快、可靠性高。目前，半导体(大规模

集成电路)存储器与其他存储器相比，具有速度快、体积小、功耗低、可靠性高等优点，但

价格较高。存储器分为两级：内存储器（简称内存，又称主存）和外存储器（简称外存，又

称辅存）。主存储器中存放当前要用的数据和程序，而暂时不用的数据和程序以文件的形式

存放在外存储器中。外存储器具有容量大、价格低的优点，但速度较慢。

（

2）中央处理器

中央处理器简称 CPU，CPU 是计算机硬件系统中最重要的部件之一，它的性能高低直

接决定了计算机主要性能的优劣，它是整个计算机的核心，计算机发生的所有动作都是受

CPU 控制的。

CPU 主要包括运算器、控制器和寄存器三个部分。

运算器也称为算术逻辑部件 ALU，主要是执行算术运算(如加、减、乘、除)、逻辑运算

(如与、或、非运算)以及其它操作(如取数、存数、移位等)的部件，它的任务是对信息进行

加工处理。在运算过程中，运算器不断从存储器中获取数据，并把所求得的结果送回存储器。

对运算器的基本要求是速度快、运算精度高和工作可靠。

控制器是计算机的指挥控制部件，其作用是使计算机能够自动地执行程序。它的主要功

能是根据程序中每条指令发出相应的控制和定时信号，控制和协调计算机的各个部件工作，

以完成指令所规定的操作。因此控制器是计算机的指挥控制中心。

CPU 内部的寄存器用来存放运算时所需要的数据。

（

3）输入设备

输入设备用于计算机的各种信息输入，是计算机信息的入口。要让计算机执行指定的任

务，就必须向计算机提供相应的数据和信息，不同的输入设备将不同的信息表现形式转换成

计算机中惟一的信息表示形式(二进制编码)进入计算机。

计算机的输入设备种类很多，如键盘、鼠标、扫描仪、光笔、触摸屏、数码相机、摄像

头、语音录入装置等，最常用的输入设备是键盘和鼠标。

（

4）输出设备

输出设备的功能是把运算处理结果按照人们所要求的形式输出，它是计算机信息的出口。

输出设备将计算机中的二进制编码信息转换成人们需要的信息形式(如图形、声音等)表现出

来，使人们得以利用。

计算机的输出设备种类也很多，如显示器、打印机、绘图仪、音响装置等，最常用的输

出设备是显示器和打印机。

磁盘既是输入设备，又是输出设备。输入/输出设备，又称为 I/O 设备。（

5）总线

计算机中的四大组成部件需要通过总线联结在一起才能构成一个完整的硬件系统，总线

是连接 CPU、存储器和外部设备的公共信息通道，通常由 3 部分组成：数据总线、地址总

线和控制总线。总线既可以单向传送数据，也可以双向传送数据，并能在多个设备之间选择

出惟一的源地址和目的地址。不能把总线只看作是多股导线，因为它还包括相应的控制和驱

动电路。

2. 计算机软件系统

仅有硬件系统的计算机是无法工作的，必须为它编制出由一条条指令组成的程序，它才

能正常工作。实际在用户面前的计算机系统是经过若干层软件包装的计算机，其功能的大小

与所配备的软件的丰富程度有关。正是软件使计算机成为无比强大的知识处理工具。

我们把计算机系统中的所有程序及相关的文档称为软件。计算机的软件系统就是为了运

行、管理、维护和使用计算机而编写的各种程序(包括文档)的总和。软件是计算机的灵魂。

如果没有计算机的软件去指挥、协调计算机工作，计算机将是一堆废铁。

程序是为实现一定功能，用计算机程序设计语言所编制的语句的有序集合。文档是描述

程序设计的过程及程序的使用方法的有关资料。在软件的这两种成分中，程序是可由计算机

执行的部分，文档是不能执行的部分，在软件的整个生命期内，这两种成分缺一不可。

软件系统按其功能可分为系统软件和应用软件两大部分，如图 1.5 所示。

（1）系统软件

系统软件是为有效利用计算机的资源、充分发挥计算机的工作潜力、保证正常运行、尽

可能方便用户使用计算机而编制的软件。常见的系统软件主要有操作系统、各种语言处理程

序、连接装配程序、系统实用程序、数据库管理系统、计算机网络软件等。没有这些软件，

计算机将难以发挥其功能，甚至无法工作。

系统软件具有两个特点：一是通用性。即无论哪个应用领域的计算机用户都要用到它们；

二是基础性，即应用软件要在系统软件的支持下编写和运行。

对于计算机应用人员来讲，熟悉系统软件的目的是为了更有效地开发应用软件和编制应

用程序。

（

2）应用软件

应用软件是专业人员为各种目的而开发的程序，通常使用高级语言或使用生成工具来生

成。常见的应用软件有办公自动化软件，管理信息系统、大型科学计算软件包等。随着计算

机的推广与普及，应用软件逐步地走向标准化、模块化，并按功能组合成各种软件包以方便

用户。应用软件必须在系统软件的支持下工作。

应用软件可分为两大类：一类是不分业务、行业的公共应用软件，另一类是按业务、行

业分类的。

总之，系统软件是为机器和用户提供一般服务的，它使计算机具有更强功能，更高效率，

使用起来更加方便。它由计算机厂家提供，基本上是与硬件相配套的，是处于计算机硬件与

用户之间的软件。应用软件是为不同行业的用户解决实际问题服务的。现代计算机不能没有

系统软件，否则，用户无法有效地使用计算机；现代计算机也不能没有应用软件，否则它不

能解决实际应用领域中的任何问题。系统软件能让应用软件与计算机配合，并同时帮助计算

机管理内部与外部的资源。人们主要与应用软件进行交互，应用软件与系统软件进行交互，

系统软件则主要用于控制管理硬件。

系统软件有 3 个最基本的部分。

操作系统：在任何计算机系统中，操作系统都是系统软件最核心主要的部分。

设备驱动程序：设备驱动程序帮助计算机控制外部设备。实用程序：实用程序通常用来支持、提高或扩展计算机系统中已有的程序。

此外，系统软件中还包括语言翻译工具。

操作系统

语言处理程序

系统软件 数据库管理程序

软件编程支持程序

……

软件系统

数值处理软件

信息管理软件

应用软件 过程控制软件

CAD/CAM/CAI 软件

图形图像处理软件

智能模拟软件

各种行业应用软件

图 1.5 计算机软件系统

设备驱动程序是一种特殊的软件程序，用于运行外部设备。大多数的操作系统会识别常

用的外部设备，并自动选择安装合适的设备驱动程序，这样在操作系统的管理下这些外部设

备正常工作。如果用户的操作系统没有识别出新的硬件，系统会显示信息，提示用户需要从

硬件自带的 CD 或磁盘上安装驱动程序。

实用程序也叫服务程序，是用来控制与分配计算机资源的。实用程序提高了系统软件已

有的功能或添加了其他一些系统软件程序不支持的服务。例如，我们常用的数据备份、磁盘

扫描检查、文件压缩、恢复丢失数据、系统安全管理软件等都属于这类服务程序。有时一些

实用程序也会被集成到操作系统中。

3．计算机系统中的软硬件关系

综上所述，计算机系统是硬件和软件有机结合的整体，它们之间的关系体现在以下三个

方面：

（1）

互相依存 计算机硬件与软件的产生与发展是相辅相成、互相促进的，二者密不

可分。硬件是软件的基础和依托，软件是发挥硬件功能的关键，是计算机的灵魂。在实际应

用中无论缺少哪一部分，计算机都无法使用。

计算机中还有许多功能需要通过硬件、软件配合来实现，如中断保护，实现中断屏蔽保

留现场，要有硬件，中断的分析处理又要由软件来完成。操作系统中的许多功能也都需要硬

件支持。

（

2）无严格功能界面

计算机的硬件与软件虽然各有分工，但它们之间的功能界面是浮动的。随着技术的发展，

功能既可由硬件实现，也可由软件来完成。例如，乘法、除法既可以用硬件线路去做，也可

以用程序来实现。硬件和软件的功能分配，随时间不同、机型不同而异。通过二者的合理分配可以降低成本，改进性能和提高可靠性。

（

3）相互促进 无论从实际应用还是从计算机技术的发展看，计算机的硬件与软件之

间都是相互依赖、相互影响、相互促进的。硬件技术的发展会对软件提出新的要求，促进软

件的发展；反之，软件的发展又对硬件提出新的课题。

第四节 计算机中信息的存储

一、进位计数制

1．数制的概念

数制是用一组固定的数字符号和统一约定的计数规则表示数目的方法。按照进位方式计

数的数制叫进位计数制。任何进制都有它生存的原因。人类的屈指计数沿袭至今，也就使得

日常生活中大都习惯采用十进制（10 个数字符号，计数规则是逢 10 进 1）。但是有些时候

也使用非十进制的计数方法。例如：计时采用六十进制，60 秒为 1 分，60 分为 1 小时；再

比如，24 小时为 1 天，是二十四进制。

要理解数制，必须先理解两个概念：基数和位权，下面以十进制为例来说明。

基数指用该进制表示数时所用到的数字符号的个数。十进制数用 0、1、2、3、4、5、6、

7、8、9 共十个数字来表示大小不同的数，因而基数为 10。

每一个十进制数中的数字符号的所在位置叫数位，不同数位有不同的"位权"。位权是一

个以基数为底的指数，即 Ri，R 代表基数，i 是数位的序号。一般规定整数部分个位为 0，

十位为 1，……，依次增 1；小数部分小数点右面的第一位为－1，第二位为－2，……，依

次减 1。任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和。

例如：十进制数 1234.56，基数为 10，各数位对应的位权如下；

位权

103

102

101 100

10－1 10－2

数位的序号 3

2

1

0

－1

－2

1

2

3

4

.

5

6

1234.56＝1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋5×10－1 ＋6×10－2

2．常见的几种数制

十进制：基数为 10，10 个记数符号，0、1、2、……9。 每一个数码符号根据它在这个

数中所在的位置(数位)，按“逢十进一”来决定其实际数值。

二进制：基数为 2，2 个记数符号，0 和 1。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按

“逢二进一”来决定其实际数值。

八进制：基数为 8，8 个记数符号，0、1、2、……7。每个数码符号根据它在这个数中

的数位，按“逢八进一”来决定其实际的数值。

十六进制：基数为 16，16 个记数符号，0-9，A，B，C，D，E，F。其中 A～F 对应十

进制的 10～15。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢十六进一”决定其实际的

数值。

二、 二进制和计算机内的数据表示

1．二进制的特点

二进制并不符合人们的习惯，但是计算机内部仍采用二进制表示信息，其主要原因有以

下四点：

(1)表示数据的物理器件简单计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两个状态。例如，开关的接通与断开，晶

体管的饱和与截止，电压电平的高与低等。这两种状态正好用来表示二进制数的两个数码 0

和 1。

(2)工作可靠

两个状态代表的两个数码在数字传输和处理中不容易出错，因而电路更加可靠。

(3)简化运算

二进制运算法则简单。例如，求积运算法则只有 3 个。而十进制的运算法则(九九表)对

人来说虽习以为常，但是让机器去实现就是另一回事了。

(4)逻辑性强

计算机的工作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。有两个数

码，正好代表逻辑代数中的“真”与“假”。

2．数据的单位

计算机中采用的是具有两种稳定状态的触发器，因此用二进制来表示信息，所以计算机

中数据存储的最小单位是一个二进制位，通常叫作比特（bit）。在实际应用中常把八个连

续的二进制位作为信息存储和处理的单位，称为字节（byte），用 B 表示。由于计算机存储

和处理的信息量很大，因此，人们也常用千字节（KB）、兆字节（MB）、千兆字节（GB）

和兆兆字节（TB）作为度量单位，它们的换算关系是：

1B=8bit

1KB=1024B=210 B 1KB=1024 字节，“K”的意思是“千”

1MB=1024KB=210KB=220 B=1024×1024B 1MB=1024KB 字节，“M”读“兆”。

1GB=1024MB=210MB=230 B=1024×1024KB 1GB=1024MB 字节，“G”读“吉”。

1TB=1024GB=210GB=240 B=1024×1024MB 1TB=1024GB 字节，“T”读“太”。

要注意比特位与字节的区别：比特是计算机中最小数据单位，字节是计算机中基本信息

单位。

3．不同形式数据在计算机中的表示

(1)数值数据的表示

数值数据有大小和正负之分。无论多大的数，正数还是负数，在计算机中只能用 0 和 l

来表示。显然，一个 bit 所能表示范围是有限的，最大只能表示 1，要想表示更大的数，就

得把多个 bit 作为一个整体按照进位规则来描述一个数。例如，用两个字节表示一个整数，

用四个字节表示一个实数等。至于数的正负号，通常在二进制数的最前面规定一个符号位，

若是 l 就代表是正数，若是 0 就代表负数。

(2)字符数据的表示

人们使用计算机的基本手段是通过键盘与计算机交互，从键盘上敲入的各种命令和数据

都是以字符形式体现的。然而，计算机只能存储二进制数，这就需要对字符数据进行编码，

并由机器自动转换为二进制形式存入计算机。下面介绍几种在计算机应用中经常使用的编码。

ASCII 码：ASCII 码是英文 American Standard Code for lnformation Interchange 的缩写，

意为“美国标准信息交换代码”。该编码已被国际标准化组织采纳，作为国际通用的信息交

换标准代码。ASCII 码用七位二进制数表示一个字符，由于 27 =128，所以共有 128 种不同组

合，可以表示 128 个不同的字符。其中包括：数码 0～9，英文大小写字母，运算符号、标

点符号和控制符号等。

国家标准汉字编码：国家标准汉字编码简称“国标码”，规定一个汉字用两个字节表示。

汉字输入码：汉字输入方法很多，如区位，拼音，五笔字型等。不同输入法有自己的编

码方案，方案统称为输入码。输入码进入机器后必须转换为机内码进行存贮和处理。汉字字形码：汉字字形码是一种用点阵表示汉字字形的编码，是汉字的输出形式。它把

汉字按字形排列成点阵，常用的点阵有 16x16、24x24、32x32 或更高。一个 16x16 点阵的汉

字字形要占用 32 个字节，24x24 点阵要占用 72 个字节……。可见汉字点阵的信息量是非常

大的。所有不同的汉字字体、字号的字形构成汉字库，一般存储在硬盘上，当要显示输出时

才调入内存，检索到要输出的字形送到显示器输出。

(3)图像的表示

一幅图像可认为是由一个个像点构成的，每个像点必须用若干二进制位表示现实世 界

五彩缤纷的颜色。将图像分解为一系列像点、每个点用若干 bit 表示时，这幅图像就数字化

了，我们把这样的图像表示形式叫位图。数字图像数据量特别巨大，假定画面上有 150000

个点，每个点用 24 个 bit 来表示，则这幅画面就要占用 450000 个字节。如果希望在显示器

上播放视频 25 帧画面，相当于 1125000 个字节的信息量。因此，进行图像处理对计算机要

求是很高的。

除了可以用象素点的位图形式表示图像外，还可以用矢量图表示图形。

(4)声音的表示

声音是一种连续变化的模拟量，我们可以通过“模／数”转换器对声音信号按固定的时

间进行采样，把它变成数字量，一旦转变成数字形式，便可把声音存储在计算机中并进行处

理了。

本章内容要点

1． 信息是事物运动的状态和方式，它的基本功能是消除认识上的不确定性。信息的

基本特性主要有普遍性、依附性、传递性、共享性、可处理性和价值相对性等。信息技术是

指与获取、加工、存储、传输、表示和应用信息技术有关的技术。现代信息技术包含 3 个层

次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。

2．

现代计算机的理论模型是图灵机，而冯·诺依曼机则奠定了现代计算机的设计基础。

冯·诺依曼型计算机的两大特征是“程序存储”和“采用二进制”。

3．

电子计算机具有 5 个特点，按照使用的元器件划分发展经历了四代。计算机系统由

硬件和软件系统构成，软件和硬件有机结合，互为依存。

4．计算机中的信息是采用编码形式存储的，二进制和二进制码是当前计算机内部信息

表示的基础。

习题

一、选择题

1. 信息的作用和功能是通过它的（ ）性来体现的。

A. 普遍性 B. 可处理性 C. 共享性 D. 依附性

2．电子数字计算机 ENIAC 研制成功的时间是（ ） 年。

A. 1936 B. 1946 C. 1956 D. 1970

3. 计算机的发展阶段通常是按计算机所采用的 ( ) 来划分的。

A. 内存容量 B. 逻辑元件 C. 程序设计语言 D. 操作系统4．从第一代电子计算机到第四代计算机的体系结构都是相同的，都是由运算器、控制器、

存储器以及输入/输出设备组成的，称为 ( ) 体系结构。

A. 图灵 B. 比尔·盖茨 C. 冯·诺依曼 D. 诺依斯

5．一个完整的计算机系统应该包括 ( ) 。

A. 系统软件和应用软件 B. 计算机及其外部设备

C. 硬件系统和软件系统 D. 系统硬件和系统软件

6．计算机应用广泛，而其应用最广泛的领域是 ( ) 。

A. 科学与工程计算 B. 数据处理与办公自动化

C. 辅助设计与辅助制造 D. 信息采集与过程控制

7．计算机硬件系统中最核心的部件是 ( ) 。

A. 主存储器 B. CPU C. 磁盘 D. 输入/输出设备

8．计算机的主存储器一般由 ( ) 组成。

A. ROM 和 RAM B. RAM 和磁盘 C. RAM 和 CPU D. ROM

9. 计算机的主存储器比辅存储器 （ ） 。

A．存储容量大 B. 价格便宜 C. 存储可靠性高 D. 读写速度快

10. 我们通常说的（ ）码是指美国标准信息交换代码

A．位图 B. ASCII C. BCD D. 字形码

二、简答题

1． 信息的应用特性包括哪些方面？

2． 简述现代信息技术的三个层次内容？

3． 计算机系统由哪两部分组成，它们之间的关系如何？

4． 简述存储程序控制的基本原理？

三、分析与思考

1.上网收集有关计算机历史资料，整理一份关于个人计算机发展的历史资料。制作一个

小报告，讲解在这段历史中个人计算机的发展历程以及其中的主要人物的贡献，思考为什么

这些人能有所成就，他们都有一些什么特质？

2.上网了解电子计算机对现代生活的影响，分析带来的利弊，讨论如何用好信息技术。

3. “软件”术语是 John Tukey 创造的，那么 John Tukey 是谁？他是否还创造了其他重

要的计算机术语？使用这个名字进行关键字搜索有关中英文资料，写一个他的生平与成就短

文。

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