1、第1章 計算機基礎知識本章首先介紹計算機的發展歷史，并從文化的角度討論計算機發展對人類社會的影響；然后從信息的角度出發討論學習計算機所必需掌握的基礎知識；最后介紹計算機病毒的基礎知識及計算機安全防范常識。本章要點應知：（1）計算機發展的歷史和計算機文化的基本概念。（2）信息在計算機中的表示形式、存儲方式、計算方法等。（3）計算機中信息的表示與存儲的基本單位。（4）計算機領域中各種不同信息編碼的基本概念。應會：（1）二進制數的補碼表示及運算。（2）二進制、十進制及十六進制之間的轉換。（3）計算機中各信息單位之間的轉換。1.1 概 述1.1.1 計算機發展簡史1關于世界上第一臺計算機世界上最早的計

2、算工具當數中國的算盤了。今天雖然無法考證算盤具體發明的年代，但算盤的使用卻是有了幾千年，它是最早同時具有“算”和“存”兩種功能的計算工具，但是算盤卻不是計算的機器，而世界上最早的計算的機器是歐洲的齒輪加減法器，它是1642年由法國的物理學家帕斯卡（Blaise Pascal）發明的，1673年德國的數學家萊布尼茲（G. N. Won Leibniz）在帕斯卡的基礎上增加了乘除法制成了能進行四則運算的機械式計算機器。從此計算的機器隨著工業革命的發展及需要，也不斷地發展，直到1822年英國的數學家查爾斯巴貝奇（Charles Babbage）才算真正設計出了機械式的計算機差分機，1834年又設計了

3、分析機，他的機械式計算機由3個部分構成：“倉庫（the store）”、“工廠（the mill）”和“控制桶（control barrel）”。“倉庫”是用來存儲數據信息的，“工廠”則是進行數據運算處理的，最巧妙的要算“控制桶”，它是在“倉庫”和“工廠”中用來調度使機器的運算能夠持續有序的進行。正是他的巧妙設計才奠定了今天計算機的基本構架：“倉庫”相當于現在計算機的內存，“工廠”相當于現在計算機的運算器，“控制桶”相當于現在計算機的控制器，以及輸入/輸出裝置，人們將巴貝奇稱為計算機之父就是這個原因。1936年美國的霍德華艾肯（Howard Aiken）在深入研究了巴貝奇分析機的基礎上，對巴貝

4、奇分析機設計作了重大改革，提出了用機電方法而不是純機械方法來實現分析機，次年進入哈佛大學任教，1944年終于制成了改進的巴貝奇分析機Mark I計算機。世界上公認的第一臺數字式電子計算機是1946年由美國賓夕法尼亞大學任教的物理學家約翰莫齊利（John Mauchly）和工程師普雷斯伯埃克特（J.Presper Eckert）領導研制的，取名為ENIAC（Electronic Numerical Intergrator And Calculator）的計算機。它是在第二次世界大戰中美國陸軍彈道研究所為了解決彈道問題所涉及的許多復雜計算而設計制造的，與現代的計算機相比，它體積龐大，耗電量也特別大

5、，而存儲容量卻很小，運算速度也非常慢。但在當時它的功能確實出類拔萃。例如，它可以在1秒內進行5000次加減運算，2.8毫秒便可進行一次乘法運算，比當時IBM公司生產的Mark I計算機快1000倍，在ENIAC出現之前，一個熟練的臺式計算機操作員至少要花24小時才能得出的一條拋物線的正確結果，用Mark I做要20分鐘，而用ENIAC只需30秒。但它也明顯地存在著很多缺點，如它體積龐大，重約30噸，整個機器占據了170m2；機器中用了17468只電子管，約1500只繼電器，10000多只電容器，7000余只電阻及其他各類電氣元件，運行時，耗電量很大，約為150000W。另外，它的存儲容量卻很小

6、，只能存20個字長為10位的十進制數。假如讓現代的人使用它，最不能容忍的則是編排程序都要靠人工改接連線，因此每次解題都要靠人工改接連線，準備時間大大超過實際計算時間。盡管如此，ENIAC的研制成功還是為以后計算機科學的發展做出了重大貢獻。然而，在ENIAC誕生之前，在美國依阿華大學數學物理系任教的阿塔納索夫于1940年在缺乏資金的情況下，用了300只電子管及電阻、電容等元器件完成了世界上真正的第一臺電子計算機ABC機，它能做加減法運算，可以存儲300個數字。因為其太簡陋，校方沒有看到這個“怪物”的前景，停止資助了進一步的研究工作而使阿塔納索夫當時失去了獲得世界上第一臺電子計算機發明的機會。19

7、40年12月，莫齊利在賓夕法尼亞大學召開的有關科學發展的美國聯盟會議上作了關于用模擬計算機解決氣象難題的使用潛力問題的報告，會上幸運地遇見了阿塔納索夫并獲知阿塔納索夫的杰出創造，莫齊利驚訝萬分，于是不惜花幾天的時間穿越美國中部去看那臺名為ABC機的“怪物”。在阿塔納索夫那臺“怪物”的啟發下，1942年莫齊利提出了用電子管組成計算機的設想，這一方案得到了美國陸軍彈道研究所的40萬美元的資助。當時正值第二次世界大戰之際，新武器研制中的彈道問題涉及許多復雜的計算，單靠手工計算已遠遠滿足不了要求，急需自動計算的機器。于是在美國陸軍部的資助下，1943年開始了ENIAC的研制，1946年完成并投入使用。

8、ENIAC的研制成功為以后計算機科學的發展提供了契機，雖然它存在許多缺點。然而科學家每克服它的一個缺點，都對計算機的發展帶來了很大的影響。其中影響最大的要算美國數學家馮諾依曼（Johon Von Neumann）提出的采用程序存儲方式，即在計算機中設置存儲器，將符號化的計算步驟放在存儲器中，然后依次取出存儲的內容進行譯碼，并按照譯碼結果進行計算，從而實現計算機工作的自動化。1944年9月，馮諾依曼在獲得官方特許的情況下考察了ENIAC，經過詳細的考察研究指出了ENIAC的缺陷并計劃改進后新機器EDVAC的研制工作，研制小組的其他成員包括了ENIAC的創始者埃克特和莫齊利等。EDVAC的最大改進

9、是采用了水銀延遲存儲器來存儲程序，也就是現在稱為內存的部件；另外還在機器內擯棄了原來的十進制編碼而采用二進制編碼。遺憾的是，在研制過程中，以馮諾依曼為首的理論界人士和以埃克特、莫齊利為首的技術界人士之間發生了嚴重的意見分歧而使EDVAC的研制擱淺，直到1952年EDVAC才勉強完成。而在此期間，英國劍橋大學的莫利斯威爾克思因參加了EDVAC講習班，回國后開始研制新的計算機，居然于1949年比EDVAC早一年完成了EDSAC。EDSAC是在接受EDVAC方案的影響后研制成功的，因此它與EDVAC一樣采用了二進制和程序存儲方式，運算速度為每秒670次加減法，每秒170次乘法，程序和數據的輸入采用紙

10、帶，輸出采用電傳打字機。這樣，世界上第一臺程序存儲式計算機的殊榮由EDSAC奪得。以后的計算機用的都是程序存儲方式，而采用這種方式的計算機統稱為馮諾依曼式計算機。2計算機發展的幾個階段從第一臺計算機的誕生到現在，計算機走過了50多年的發展歷程。在這期間，計算機的系統結構不斷變化，應用領域不斷拓寬，以至于影響到了人類的生存方式。根據計算機的發展歷程，顯然可以歸為以下三個大的階段。（1）計算機發展的初期階段這個階段大約是1946年世界上第一臺電子計算機誕生到20世紀70年代末個人計算機開始普及應用之前的這個階段。其特點是計算機的應用范圍基本局限于軍事、科學計算及工業大企業的大量數據處理，應用的范圍

11、很小，以及計算機和有關外設的價格非常昂貴。傳統計算機的劃分中人們根據計算機核心部件所用邏輯元件的種類劃分為四代都應屬于這個階段，它們標志性的特征分別是：第一代為電子管；第二代為晶體管；第三代為中、小規模集成電路；第四代為中大、超大規模集成電路。第一代機從第一臺計算機的出現直至20世紀50年代后期，這一時期的計算機的主要特點是采用電子管作為基本物理器件。它體積大、能耗高、速度慢、容量小、價格昂貴，其應用也僅限于科學計算和軍事。20世紀50年代后期20世紀60年代中期出現的第二代計算機采用晶體管作為基本物理器件，并采用了監控程序，這是操作系統（OS）的雛形。而適用于事務處理的COBOL語言也得到了

12、廣泛應用。這意味著計算機的應用范圍已從科學計算擴展到了事務處理領域。與第一代計算機相比，晶體管計算機體積小，成本低，功能強，可靠性高。在這一時期，計算機不僅應用在軍事與尖端技術上，而且應用在工程設計、數據處理、事務管理等方面。1964年4月，IBM公司推出了采用新概念設計的計算機IBM360，宣布了第三代計算機的誕生。它分大、中、小型等6個型號，具有通用化、系列化、標準化的特點。通用化：兼顧了科學計算、數據處理、實時控制等多方面的應用，機器指令豐富。系列化：在指令系統、數據格式、字符編碼、中斷系統、輸入/輸出方式、控制方式等方面保持統一，使用戶在低檔機上編寫的程序可以不加修改地運行在以后性能更

13、好的高檔機上，實現了程序的兼容。標準化：采用標準的輸入、輸出接口，這樣，各機型的外部設備都是通用的。第四代計算機從20世紀70年代初20世紀80年代初，其特征是以大規模集成電路VLSI為計算機主要功能部件，用16KB、64KB或集成度更高的半導體存儲器作為主存儲器，計算速度可達每秒幾百萬次至上億次。在系統結構方面發展了并行處理技術、分布式計算機系統和計算機網絡等。在軟件方面發展了數據庫系統、分布式操作系統、高效而可靠的高級語言以及軟件工程標準化等，并逐漸形成軟件產業部門。由于VLSI技術的發展，計算機系統中的硬件成本下降，軟件成本提高。人們為擴大計算機的適用范圍，不斷地增加指令系統中的指令，并

14、考慮盡量縮短指令系統與高級語言的語義差異，即增強每條指令的功能，以便于高級語言程序的編譯和降低軟件成本。這一切使得指令系統的復雜程度提高了，相應地造成CPU設計復雜及硬件成本的上升。當某一系列計算機增設新型號機或高檔機時，為維護老用戶在軟件上的投資不受損失，新機器中不得不繼承老機器指令系統中的全部指令，這也使得同一系列計算機的指令系統越來越復雜，后來稱這些計算機為“復雜指令系統計算機”，簡稱CLSC。日趨龐大的指令系統加長了新機器的研制周期，增大了機器調試和維護的難度，從而降低了系統的性能。而對CLSC機的測試表明，機器中最常執行的是一些簡單指令，僅占指令系統中指令總數的20%，而占指令總數2

15、0%的最復雜指令卻差不多占用了控制存儲器容量的80%。1975年IBM的Jhon Cocke提出精簡指令系統（簡稱RISC）的想法。RISC計算機的特點是通過簡化指令使計算機的結構更加簡單合理，從而提高運算速度，并最終達到整體上的性能優化。在采用RISC技術設計指令時，選擇使用頻率較高的簡單指令和常用指令，指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。目前的RISC機大都采用超標量流水線技術，以增加指令執行的并行度，減少指令的執行周期，并通過增加通用寄存器數量減少存取數據次數。此外還采用優化的編譯程序，可以有效地支持高級語言程序。到目前為止，各種類型的計算機都屬馮諾依曼型計算機，即采用存儲程序

16、方式進行工作。隨著計算機應用領域的擴大，馮諾依曼型的工作方式逐漸顯露出其局限性，科學家早在20世紀7080年代就提出了制造非馮諾依曼式計算機以及著手開發研制第五代智能計算機，其目標為新一代的計算機應具有自動識別自然語言、圖形、圖像的能力，具有理解和推理的能力，具有知識獲取、知識更新的能力，期望能夠突破傳統馮諾依曼機的結構模式。但是究竟什么是智能計算機呢？這個問題早在20世紀30年代電子計算機還未出世之前就由英國科學家阿蘭圖靈所提出，當時有很多科學家都熱衷于人工智能的討論，1936年圖靈從數學的角度提出了計算機的模型之后，又界定了人工智能的標準“圖靈檢驗”：一個人在不知情的情況下，通過一種特殊的

17、方式與相互隔開的人和機器進行問答，如果在相當長的時間內，他分辨不出與他交流的對象哪一個是人，哪一個是機器，那么這臺機器就可以認為是具備了人工智能了。時至今日，雖然作為計算機學科一個分支的人工智能已經有了很大的發展，并出現了戰勝國際象棋大師卡斯帕洛夫（Garry Kasparov）的“深藍”計算機，但都總是無法通過圖靈檢驗，人工智能仍然任重道遠。（2）計算機的普及應用階段從1975年美國的一個小公司MITS利用Intel的8080處理器和256B的RAM推出Altair 8800微電腦開始，就掀起了計算機微型化和個人計算機普及應用的熱潮，直到20世紀70年代末蘋果機（appleI）的出現之前，為

18、電子愛好者們普及應用時期，是個人計算機系統孕育時期。此時計算機的主流產品還是大、中、小型計算機，但這個時期由電子發燒友們的愛好推動了個人計算機軟硬件的發展。硬件方面，美國計算機的生產在蘋果機（appleI）出現以前幾乎是被IBM公司壟斷的，主要生產的為大、中、小型各個系列的計算機，每臺的售價都在100萬美元以上，非常昂貴，因此IBM根本沒有把生產1萬美元以內的微型機的利潤看在眼中。然而1976年21歲的喬布斯（Steven Jobs）和26歲的Stephen Wozniak在汽車庫里組裝個人計算機，并成立了一家蘋果公司以及開始向市場推出紅極一時的apple個人計算機，售價僅為每臺1350美元的

19、apple II在短短的四年中，銷售額由1977年的100萬美元急速攀升至1980年的1.17億美元，極大地震撼了IBM公司在計算機界“龍頭老大”的地位，為此IBM公司才在1980年下半年急急忙忙組織人員涉足微電腦領域，研究生產個人計算機。另外從軟件方面的發展來說，20世紀70年代微型機才出現，各生產商生產的機型很多，最大的問題是它們的接口、控制口和磁盤驅動器都不統一，相互之間編寫的軟件不兼容，計算機操作系統的標準化需求很迫切，在此情況下1973年基爾代爾（Kildill）為單機單用戶的微型機編寫了世界上第一個磁盤操作系統PLM。它可以用在任何有16KB內存和8080、Z80的CPU的微型機上

20、，初步統一了個人計算機的操作系統。后經Seattle Computer Products公司修改后取名為QDOS（Quick and Dirty Operating System），1980年比爾蓋 茨（Bill Gates）的微軟公司以5萬美元買下并重寫成為了后來的MS-DOS（PC-DOS）操作系統。1980年IBM公司與比爾蓋茨的微軟公司合作，將微軟的MS-DOS作為IBM公司新推出微型PC機的操作系統取名為PC-DOS。與此同時，IBM公司為了與蘋果公司競爭個人計算機市場，便將PC機的機器架構公諸于世，于是在IBM公司PC機推出并急劇占領個人計算機市場的同時，眾多的大公司爭相生產IBM

21、公司PC機的兼容機，由于微軟的MS-DOS操作系統并沒有被IBM公司買斷產權，才使眾多公司的兼容機同樣也使用微軟的DOS操作系統。在以上諸多巧合因素的影響下，“微軟帝國”借助DOS操作系統便初步形成，同時計算機的應用也隨著廉價的以DOS為操作系統的PC兼容機而逐漸普及。1984年，一家名為Novell的美國公司推出了一種新的局域網操作系統Netware 1.0，通常稱為Novell LAN，在此系統下的每一臺工作站的操作的界面及命令與DOS操作系統下的單用戶機幾乎完全相同，而工作站由于沒有硬盤其成本下降許多，因此受到了不少用戶的青睞，特別是教育系統用戶用來組建微機局域網進行計算機教學。隨后，N

22、ovell公司的Novell LAN發展迅猛，幾經升級并一直延續到20世紀90年代中期都是組建微機局域網的主流產品，之后隨著DOS操作系統的衰落淘汰才逐步淡出市場。Novell LAN是一個網絡的操作系統，由于其組建的局域網成本低，而使更多的人能夠學習計算機的操作使用，降低了計算機學習使用的成本，從而極大地加速了計算機的普及應用，對計算機的普及應用起到了不可低估的作用。從上述計算機的發展經歷不難看出，計算機的普及應用是計算機硬件和軟件兩個方面共同發展，并且相輔相成、相互推動、相互適應而發展起來的。這個階段是以個人計算機的普及應用為標志的，它主要以蘋果機（appleI）的出現為開始。計算機的普及

23、應用階段為計算機文化階段奠定了基礎，而計算機文化階段又引發了更高一個層次的計算機普及應用。（3）計算機文化階段計算機作為一種文化提出來是在1981年瑞士洛桑召開的第三次世界計算機教育大會上由前蘇聯學者伊爾肖夫首次提出的，雖然伊爾肖夫提出的是“計算機程序設計語言是第二文化”，與現在所講到的計算機文化有本質的區別，但其不同凡響的觀點在會上引起了巨大反響，幾乎得到了所有與會專家的支持。實質上計算機程序設計語言并不是計算機文化，所謂計算機文化指的是由于計算機這種具有“大腦”部分功能的工具的產生與廣泛使用，致使人類在思維方式、行為方式、生活方式等人類生存方式的方方面面都在發生巨大的變化，從本質上產生了一

24、場偉大而深刻的文化變遷，這種文化的變遷便稱為計算機文化。計算機文化階段是計算機普及應用發展到一定的程度才出現的，它是由兩方面因素決定的：一是微型計算機價格不斷下降，有更多的人買得起、用得起微型計算機；二是微型計算機軟硬件的發展不斷拓展應用空間，使其逐步覆蓋人類活動的各個方面。因此，我們認為計算機文化階段應該是從多媒體計算機出現及Internet 普遍使用開始算起，即從1991年世界上第一臺多媒體微機在美國拉斯維加斯電腦大展上首次展出開始。從20世紀70年代開始，微機在美國逐漸普及，特別是apple機的出現，應用微機辦公成了必然趨勢，因此在19781979兩年間，幾乎同時出現了兩個革命性的計算機

25、應用軟件公司，一個是魯賓斯坦（S.Rubinstein）創辦了一家MicroPro公司開發字處理軟件，成功推出名為WordStar（文字之星，簡稱WS）的字處理軟件，到1982年，WS的年銷售量超過100萬套，MicroPro公司一躍躋身全美大型軟件公司行列；另一個是布萊克林成立了一家軟件藝術公司（SA）來開發電子表格軟件，推出的電子表格名為VisiCalc，它大約每秒鐘能計算50個格子，比手工計算機快得多，更為奇妙的是在某一格的數據被改變時，其他行列的相應數據還能自動調整改變。到1983年初，VisiCalc電子表格銷售量一舉突破50萬套。這兩家公司同時開創了辦公自動化的先河，由于這兩個軟件

26、的誕生，特別是WordStar字處理軟件的出現，大大提高了辦公人員的工作效率，也使計算機放下了它高貴的架子，進入了人類的尋常生活，開始了它的逐漸改變人類生存方式的道路。字處理軟件和電子表格的成功使微軟的比爾蓋茨看到了辦公軟件廣闊的市場前景，分別于1982年和1983年斥巨資向兩個軟件方向進軍，雖然幾經周折，但最后都因微軟的規模經濟逐漸占了上風，特別是在微軟推出Windows操作系統后以及1993年微軟把字處理軟件Word 6.0和電子表格Excel 5.0集成在一起為Office 4.0成為套裝軟件，相互之間能共享數據，極大地方便了用戶的使用，更使其他辦公軟件望塵莫及。辦公軟件的出現及快速發展

27、加速了計算機的普及應用，為引導人類文化向計算機方向遷移奠定了基礎。1981年8月12日，IBM公司的PC機橫空出世，其優良的性能使蘋果機相形見絀，蘋果公司的喬布斯也不甘心，立即組織人員投入了新產品的研究工作，分別于1983年初和1984年底推出了麗薩（Lisa）電腦和麥金托斯（Macintosh，簡稱Mac）電腦，麗薩電腦首創了第一臺圖形用戶界面的機器，而且還在電腦上第一次采用了鼠標器；麥金托斯電腦更是性能絕倫，其配置為摩托羅拉32位、主頻8MHz的68000微處理器芯片，內存為128KB，并采用了全新的system 1.0的操作系統，性能大大地超越了IBM的PC機。不僅如此，麥金托斯電腦的用

28、戶界面為大眾型的圖形用戶平臺并且可以像人一樣發聲講話，它應該算是世界上第一臺多媒體計算機的雛形。遺憾的是，喬布斯沒有抓住IBM趨于保守和Windows尚未出世的大好時機，仍然堅持“不開放”的政策，堅決拒絕其他廠商制造能運行Mac軟件的兼容電腦，眼睜睜地看著IBM的PC機成長及微軟的Windows漸漸地羽翼豐滿，失去了一個千載難逢的大好機會。1985年11月，微軟公司推出了Windows 1.0版本，由于微機硬件性能跟不上和欠缺應用軟件而沒有受到用戶的青睞，但微軟公司沒有氣餒，除了繼續完善Windows操作系統外，加大力度開發Windows的應用軟件。1989年Intel公司發布486芯片后，在

29、微機的硬件性能大幅度提高的同時，微軟公司的辦公應用軟件也漸成氣候，1987年10月推出全新的Windows版本的電子表格Excel；1990年完成Word的視窗1.0版本的字處理軟件，從此以后微軟的業績便扶搖直上：1990年5月22日，Windows 3.0推出，5個星期內賣出38萬套，到年底銷售總量超過200萬套；1992年4月6日，Windows 3.1推出，年內賣出2700萬套，Windows操作系統席卷全球。個人計算機的硬件及軟件相互牽制且相輔相成地發展到20世紀90年代，已經為多媒體計算機的誕生打下了良好的基礎，在人類步入20世紀90年代之時個人計算機就僅僅剩下不會說話唱歌而已了。計

30、算機要完成多媒體化，除了上面講到這些計算機軟硬件的基礎外，還有兩個問題要解決：一個是大容量的存儲介質解決存儲圖像、視頻、聲音等占用存儲容量大的信息；另一個就是要讓計算機開口說話唱歌。在20世紀90年代以前，計算機存儲容量一直是限制計算機發展的瓶頸之一，90年代90年代中期，個人計算機的外存儲器硬盤容量只有數十到數百兆字節（MB），而一幅圖像文件或一分鐘的聲音文件一般都是數兆字節；視頻文件更是大得驚人，一秒鐘（30幀分辨率為352240、24位/像素）大約7.5MB，500MB容量的硬盤也只能存一分多鐘的視頻文件，由此看來在90年代解決多媒體問題比較困難了。可喜的是從60年代起一家總部位于歐洲荷

31、蘭的著名電器設備公司飛利浦（PHILIPS）公司為研制高畫質電影和高保真音響，一改傳統的磁記錄方式而想用光記錄來實現，他們經過多次失敗最后決定采用激光在反射介質上反射光的差別來記錄信息，1978年首先推出的是類似于老唱片的直徑30cm的LD影碟，這種影碟仍然采用的是模擬信號記錄方式。由于沒有引起多大的市場反響，飛利浦公司接著對光盤及記錄方式作了重大的改進：30cm的LD光盤縮小到只有12cm，并采用數字信號的記錄方式并取名為CD（Compact Disk），電路上也相應地采用數字編碼技術。為了迅速占領市場及將CD變為世界性的規格，飛利浦公司找到了日本的索尼（Sony）公司一起攜起手來進一步完善

32、CD技術，1981年在薩爾斯堡復活節音樂會上，第一張CD播放的合唱交響曲清脆悅耳，令專門請來的德國柏林愛樂交響樂團的著名指揮家卡拉揚先生和在場的音樂評論家為之傾倒，CD取得了巨大的成功！1985年，飛利浦公司與日本的索尼公司再度合作發表只讀光盤的標準命名為CD-ROM，之后CD-ROM便漸漸走進了個人計算機的機箱內，從90年代開始幾乎所有的廠商售出的PC機都帶著這個CD-ROM，它在微機的配件中被稱為“光盤驅動器”，簡稱為光驅，每張光盤的存儲容量為640MB，但這在90年代初已算是海量了。雖然光盤容量很大，但對于視頻這樣的媒體信息仍然難于滿足，特別是在網絡上傳輸就更不可能。這當中的3個限制，即

33、存儲容量限制、計算機處理速度限制和傳輸帶寬的限制都要求媒體信息量減少，因此就不得不考慮對媒體信息數據的壓縮。視頻活動圖像的壓縮早在1988年就成立了一個活動圖像專家組（moving picture experts group），專門致力于活動圖像及伴音壓縮的有關研究及制定壓縮編碼的標準，簡稱MPEG，1992年MPEGI成為國際標準，要求在可接受的質量下，把視頻及其伴音壓縮到速率大約為1.2MB/s1.5MB/s的單一的數據流，這樣用CD-ROM驅動器來播放每秒30幀的全活動電影就可以成為現實。1994年MPEGII成為國際標準，把視頻及其伴音壓縮到10MB/s；1998年MPEGIV為國際標

34、準，傳輸率最大為64MB/s。90年代CD-ROM正好解決了大容量存儲介質的問題，為多媒體計算機的順利誕生掃清了一個重大障礙。要個人電腦說話，實際上早在1984年蘋果公司的麥金托斯（Mac）電腦便開口講話了，雖然它發出的聲音比較粗糙，但為了這一點粗糙的聲音喬布斯在它的主板上內置了一個8位的數字音效裝置，應該說他就是聲卡的雛形。假如喬布斯能很敏銳地發現他創造性的這個類似于聲卡的裝置的商業前景的話，也許個人計算機的歷史將又是另一番景象，然而恰恰相反，喬布斯不僅沒有將他的數字音效裝置發揚光大，反而因對圖形和動畫情有獨衷，為獲得比特爾（Beatle）公司優質顯示器使用權，與比特爾公司協議不涉足音樂行業

35、，與聲卡的發明失之交臂，也許喬布斯是一個只熱衷于創造性發明而對商業前景反應遲鈍的人。在此之后，雖然也有一個加拿大音樂老師發明了一種“摩奇聲卡”（Adlib），但真正的聲卡之父則是一位名叫沈望傅的新加坡的華人，從小特別喜愛鋼琴的沈望傅1981年成立了他的創新科技公司，為了圓兒時的夢想，創新公司幾經磨難，在1984年研制的CUBIC99型電腦也終于能夠開口說話了，1987年創新公司的第一套初級音樂系統和作曲軟件面世，沈望傅向他的“電腦鋼琴”一步一步地逼進，1989年創新公司在原聲卡的基礎上增加了一組特別的脈沖編碼調制PCM電路的第一塊聲卡誕生，其音響效果分外逼真，因此在美國市場聲威大震，創新公司為

36、它取了一個非常響亮的名字Sound Blaster，中文譯名為“聲霸卡”，1991年創新公司又經改進推出具有20復音立體聲音效的“超級聲霸卡”（SB Pro），從這款聲卡開始，創新公司被多媒體個人電腦（MPC）協會接受為多媒體電腦的音響標準。至此，多媒體個人電腦（MPC）的出世已具備了全部條件，1991年在美國拉斯維加斯電腦大展上，世界上第一臺多媒體個人計算機終于誕生了。談到計算機的多媒體不得不講到多媒體的創始人尼葛洛龐帝先生。1979年，尼葛洛龐帝教授在麻省理工學院院長魏斯納的積極支持下創辦了媒體實驗室，開始，這個實驗室的工作并不被人們理解，甚至還受到電腦科學界的排斥，但經過十多年的默默耕耘

37、，媒體實驗室的多媒體電腦的概念及其創新的思想終于被1991年推出的多媒體個人電腦得以證實。尼葛洛龐帝的創新帶來了人類發展史上信息表達、獲取和處理方式的又一次革命。多媒體計算機是人類在發展計算機技術的同時借助不斷完善的計算機這樣一個具備一定“思維”的工具并采用了“數字化”的手段去征服人類生活的各種信息，它的產生極大影響了人類的生活方式，然而孤立的、一臺臺的計算機對人類的生活方式的影響必定有限，大量信息的傳遞只有以光盤為載體通過市場傳播，其速度慢、成本高。實際上早在1969年這種信息的傳播和接收的方式就已經實現，那是美國國防部高級研究計劃局建成的跨越美國東西部的名為 ARPANET 的網絡，最初只

38、有4臺，到1973年已經發展到了40臺，1983年為100多臺，并且跨越了美洲大陸，連通了美國的許多高等院校，甚至于通過衛星與歐洲等地的計算機網絡互相聯通。但ARPANET除了科研、軍事等少數部門使用以外，其高額的費用令普通的市民是無法接受。20世紀90年代初多媒體的出現，ARPANET的商業價值凸現，于是美國政府同意在ARPANET的基礎上建設全國的信息高速公路，取名為Internet。1993年美國建成并開通了“信息高速公路”，很快世界各國也相繼投入巨資修建“信息高速公路”接入Internet。說到Internet，我們不得不講到一位計算機界最值得尊敬的英國科學家蒂姆伯納 斯李（Tim B

39、erners-Lee），他就是現在風靡全世界的WWW（World Wide Web）的發明人，一個沒有要專利的發明人。1989年，伯納斯李提出了一個稱之為World Wide Web的全球超文本項目計劃，目的是能夠將各自的信息通過超文本傳輸實現網絡共享。一年以后，伯納斯李開發出了架構起全球信息網的3大基本技術：http（超文本傳輸協議電腦與服務器之間的溝通語言）、html（超文本描述語言全球通用的文件格式）、URL（網址文件位置的標示系統）。1991年初伯納斯李便將自己發明的全球信息網毫無保留地放到了互聯網上，于是很快WWW便迅速傳遍了全世界，并使伯納斯李獲得了“互聯網之父”的美譽。伯納斯李的

40、這項發明加速了信息革命的步伐，推動了計算機向文化方向發展的進程。為了使Internet大眾化，1993年4月，在美國伊利諾州立大學國家超級電腦應用中心（Netional Center of Supercomputing Applications，NCSA）推出了首個圖形界面的WWW瀏覽器Mosaic，翌年，Mosaic的主要設計人Marc Andreessen和James H.Clark合作成立了網景公司（Netscape Communications Corporation）并于年底推出了瀏覽器Netscape Navigator，到1995年Netscape Navigator奪取了高達九

41、成的瀏覽器市場。微軟直到此時才如夢初醒，在意欲入股網景公司遭到拒絕之后，花數百萬美元從軟件商Spyglass手中購得Mosaic瀏覽器的技術使用權，然后調動500余名程序員夜以繼日開發Internet Explorer（簡稱IE瀏覽器），于1995年8月24日推出IE的1.0版本，隨后不斷推出升級版本，逐漸蠶食Netscape Navigator瀏覽器的市場，最后微軟采取免費下載IE，免費供應各ISP服務商，甚至于將IE捆挷在Windows 98內，利用Windows在操作系統市場的壟斷地位將Netscape Navigator瀏覽器趕出市場，這引起了1998年美國司法部及19個州的政府聯合控

42、告其利用操作系統的市場優勢對網景公司進行的不公平競爭。除了瀏覽器的發展外，1998年網上傳呼機ICQ和免費網頁、免費電子郵件的熱潮勢不可擋，吸引了數以千萬計的Internet用戶。另外，Internet上網絡公司不斷增多，它們開辦的網站為用戶提供了應有盡有的服務，Internet成了一個信息的海洋，網絡成了人們生活中一個不可或缺的部分：工作、學習、娛樂、休閑都離不開網絡；政府、企業、學校、家庭也都成了網絡的一部分；生產、管理、決策、投資也無一不與網絡有關；更有甚者是網絡成了戰爭幫兇，衛星、飛機、導彈、坦克都成了網絡控制的武器，甚至于每個士兵身上都帶有與網絡隨時聯系的計算機。計算機文化正是由這些

43、使我們周圍充斥著多媒體信息的工具并借助信息的“高速公路”高速傳播信息而使人們感覺到了它的存在，這也正是我們所說的計算機文化的階段。3我國計算機技術的發展概況我國從1956年開始研制計算機，1958年研制成功第一臺電子管計算機103機。1959年夏研制成功運行速度為每秒1萬次的104機，這是我國研制的第一臺大型通用電子管數字計算機。103機和104機的研制成功，填補了我國在計算機技術領域的空白，為促進我國計算機技術的發展做出了貢獻。1964年研制成功晶體管計算機，1971年研制了以集成電路為主要器件的DJS系列機。在微型計算機方面，研制開發了長城系列、紫金系列、聯想系列等微機，并取得了迅速發展。

44、在國際高科技競爭日益激烈的今天，高性能計算機技術及應用水平已成為顯示綜合國力的一種標志。1978年，鄧小平同志在第一次全國科技大會上曾說：“中國要搞四個現代化，不能沒有巨型機！”。20多年來，在我國計算機界專家的不懈努力下，取得了豐碩成果，“銀河”、“曙光”和“神威”計算機的研制成功使我國成為具備獨立研制高性能巨型計算機能力的國家之一。1983年底，我國第一個被命名為“銀河”的億次巨型電子計算機誕生了。1992年，10億次巨型電子計算機銀河II研制成功。1997年6月，每秒130億浮點運算，全系統內存容量為9.15GB的銀河III并行巨型計算機在北京通過國家鑒定。1995年5月曙光1000研制

45、完成，這是我國獨立研制的第一套大規模并行機系統，打破了國外在大規模并行機技術方面的封鎖和壟斷。1998年，曙光2000I誕生，它的峰值運算速度為每秒200億次浮點運算。1999年9月，曙光2000II超級系統問世，它是國家863計劃的重大成果，峰值速度達到每秒1117億次，內存高達50GB。1999年9月，江澤民主席親筆題名“神威”的并行計算機研制成功并投入運行，其峰值運算速度可高達系統科學3840億浮點運算，位居當今全世界已投入商業運行的前500位高性能計算機的第48位。我國在巨型機技術領域中取得了跨“銀河”、迎“曙光”、顯“神威”的鼓舞人心的巨大成就。1.1.2 計算機文化概述文化是人類社

46、會的特有現象。英國學者泰勒（E.B.Tylor）指出：“文化是一種復合的整體，包括知識、信仰、藝術、道德、法律、習慣以及作為社會一份子所獲得的任何其他能力。”這就是說，文化是人類特有的能力，知識、信仰、藝術、道德、法律、習慣以及社會組織結構和精神產品，是人類在幾千年的文明進化過程中積累起來的，它表現在人類特有的思維方式、行為方式、生活方式、交往方式之中。或者說，文化即人類行為的社會化，是人類創造功能和創造成果的最高、最普遍的社會形式。計算機從問世直至發展到今天，才短短五十多年時間，但計算機技術卻以前所未有的發展速度影響著人類的生存方式，即人類通過廣泛地使用計算機在思維方式、行為方式、生活方式、

47、交往方式等都在發生巨大的變化，計算機已不再是單純的科學名詞，而是越來越多地賦予了一種新的文化的內涵，越來越多地豐富了人類文化的內容。我們可以清楚地看到，由于計算機的產生與廣泛使用，在本質上反映了一場偉大而深刻的文化變遷，這種文化的變遷，我們便稱之為計算機文化。清華大學何克抗教授從信息社會的角度分析到：根據目前國內外大多數計算機教育專家的意見，最能體現“計算機文化”的知識結構和能力素質，應當是與“信息獲取、信息分析與信息加工”有關的基礎知識和實際能力。其中信息獲取包括信息發現、信息采集與信息優選；信息分析包括信息分類、信息綜合、信息查錯與信息評價；信息加工則包括信息的排序與檢索、信息的組織與表達

48、、信息的存儲與變換以及信息的控制與傳輸等。這種與信息獲取、分析、加工有關的知識可以簡稱之為“信息學基礎知識”，相應的能力可以簡稱之為“信息能力”。這種知識與能力既是“計算機文化”水平高低和素質優劣的具體體現，又是信息社會對新型人材培養所提出的最基本要求。換句話說，達不到這方面的要求，將無法適應信息社會的學習、工作與競爭的需要，就會被信息社會所淘汰。從這個意義上完全可以說，缺乏信息方面的知識與能力就相當于信息社會的“文盲”。這就是當代“計算機文化”的真正內涵。計算機文化是以計算機技術為核心而迅速膨脹起來的文化形態，是由電子計算機的廣泛使用而引發的一場文化的革命，這場革命正在推動人類文化的發展，這

49、種人類文化的發展產生的巨大影響形成了與語言具有同樣價值的計算機文化現象。我們每個人從小就練習寫字，這是文化教育中的一項基本技能訓練。學會寫字，寫好字將受益終身。同樣，在信息化的社會里，學習使用計算機也是文化教育中的一項基本技能訓練，人人都要使用計算機，用好計算機，也將終身受益。因此說：計算機作為一種文化，體現這種文化的知識與能力，在信息社會中已和體現傳統文化的“讀、寫、算”方面的知識與能力一樣重要，不可缺少。換句話說，“讀、寫、算、信息”是信息社會中文化基礎課的四大支柱。與其他自然科學文化相比較，計算機文化對人類文化的影響更為深遠，更具廣泛的價值及意義。數學的發展給人類文化帶來了深遠的影響，從

50、古代的文明直到現代社會，數學總是作為一種基本的文化基礎體現出來，“算”是體現文化知識能力的一個方面；物理學的發展致使近代科學技術突飛猛進，對近代工業革命產生的文明作出了主要的貢獻，也給人類文化增添了許多內容。而以計算機為核心的信息技術的發展則在短短的幾十年中對人類的文明進程產生的影響遠遠超過了前兩者，這從以下兩個方面可以體現出來：一是廣泛性，計算機即將既涉及全社會的每一個人、每一個家庭，又將涉及全社會的每一個行業、每一個應用領域；二是深刻性，計算機的普及應用給人類社會帶來的影響不是帶來社會某一方面、某個部門或某個領域的改良與變革，而是帶來整個社會從生產方式、工作方式、學習方式到生活方式的根本性

51、變革。1.1.3 計算機科學體系電子計算機早期的功能也確實主要是計算，但后來高水平的計算機已遠遠超越了單純計算的功能，它還可以模擬、思維、進行自適應反饋處理等，因此把它叫做“電腦”更為合乎實際。由于電子計算機功能的飛躍性發展，應用于生產和生活的各個方面，直接和顯著地提高了生產、工作、生活的效率和節奏與水平，在軟科學研究和應用中它也起著關鍵作用，因此它已被公認為是現代技術的神經中樞，是未來信息社會的心臟和靈魂。在這種背景下，從對計算機的技術研究，又上升到了對計算機的科學研究，于是，計算機科學逐漸建立起來了。盡管在1946年世界第一臺電子計算機ENIAC就已經問世，但是直到1963年美國斯坦福大學

52、Forsythe教授才引入“計算機科學”這個術語。不過對于它的含義，隨著計算機科學的發展，在不同的發展階段，面對不同背景，人們給予了不同的理解。D.E.Knuth認為：“我中意的描述計算機科學的辦法是把它看作為算法的學問。算法是精確定義的一系列規則：指出怎樣從給定的輸入信息經過有限步驟產生所求的輸出信息”。關于算法的學問，主要涉及研究算法的理論、執行算法的機器、描述算法的語言以及對于具體算法的分析。這種提法大體反映了20世紀50年代計算機硬、軟件取得的成就，包括了用物理形式實現的各種計算設備以及算法、程序和程序設計語言等。然而，僅從這些方面尚未能說明計算機科學的本質。P.Wegner強調計算機

53、科學是一種“關于信息結構轉換的科學”，他認為“工業革命中起核心作用的是能量；在計算機革命中它將被信息取代”。顯然，把計算機科學看作是研究信息結構的表示、變換、傳輸、利用，這是很大的進步。它反映了計算機實踐的信息處理之內涵，強調了計算機科學的數學統一性。20世紀60年代對自動機理論、形式語言理論、運算語義和數學語義理論進行了抽象研究，這些都導致人們把計算機科學作為某種數學模型的抽象演繹來研究。20世紀70年代后，人們又提出計算機科學是計算機工程技術的理論基礎的觀點。例如對軟件工程的理論研究；對知識表示、存儲和利用的研究等。這反映了對創新軟件工藝所做的努力，從而把計算機科學當作技術科學來研究。近年

54、來，人們逐漸意識到“計算機科學”一詞不能概括社會信息化提出的要求。1986年10月在國際信息處理聯合會召開的第十屆世界計算機大會上，Bjoner、Nygaard等人提出用“信息學（informatics）”代替“計算機科學”的觀點。他們認為“計算機科學”含義過窄，而“信息學”才是在計算機不斷創新的環境中發展起來的，像數學、物理學那樣的基礎科學。到20世紀末，人們在進行算法分析時發現之前并不要求設計程序，而在實現細節被引入之前就介紹類庫，把它作為編寫軟件的虛擬機，理論通過證明的形式來介紹。這樣使得與經典工程學科相比具有共同的學科架構。從而逐步認識到計算機科學就如同其他工程學科一樣。事實上，這時人

55、們對計算機科學本身的認識才頗為深刻，計算機科學和計算機工程之間本質上沒有區別，計算機科學注重理論和抽象，計算機工程注重抽象和設計，計算機科學和工程居中，從研究的范疇上統稱為計算學科。而計算學科是對信息描述和變換的算法過程的系統研究，主要包括對其理論、分析、設計、效率、實現和應用等過程的研究。目前，計算機科學的研究領域可以概括為以下7個方面。1計算機系統結構的研究傳統的計算機系統基于馮諾依曼的順序控制流結構，從根本上限制了計算過程并行性的開發和利用，迫使程序員受制于“逐字思維方式”，從而使程序復雜性無法控制，軟件質量無法保證，生產率無法提高。因此，對新一代計算機系統結構的研究是計算機科學面臨的一

56、項艱巨任務。人們已經探索了許多非馮諾依曼結構，如并行邏輯結構、歸約結構、數據流結構等。智能計算機以及其他新型計算機的研究也具有深遠的意義，例如光學計算機、生物分子計算機、化學計算機等處理方法的潛在影響是不可忽視的。計算機構造學正在發展著。2程序設計科學與方法論的研究馮諾依曼系統結構決定了傳統程序設計風格的缺陷，逐字工作方式，語言臃腫無力。缺少必要的數學性質。新一代語言要從面向數值計算轉向知識處理，因此新一代語言必須從馮諾依曼設計風格中解放出來。這就需要分析新一代系統對語言的模型設計新的語言，再由新的語言推出新的系統結構。3軟件工程基礎理論的研究軟件工程的研究對軟件生存期作了合理的劃分，引入了一

57、系列軟件開發的原則和方法，取得了較明顯的效果。但未能從根本上解決“軟件危機”問題。軟件復雜性無法控制的主要原因在于軟件開發的非形式化。為了保證軟件質量及開發維護效率，程序的開發過程應是一種基于形式推理的形式化構造過程。從要求規范的形式描述出發，應用形式規范導出算法版本，逐步求精，直至得到面向具體機器指令系統的可執行程序。由于形式規范是對求解問題的抽象描述，信息高度集中，簡明易懂，使軟件的可維護性得到提高。顯然，形式化軟件構造方法必須以科學的程序設計理論和方法為基礎，以集成程序設計環境為支持。近年來這些方面雖取得不少進展，但距離形式化軟件開發的要求還相差甚遠。因此，這方面仍有不少難題有待解決。4

58、人工智能與知識處理的研究人工智能的研究正將計算機技術從邏輯處理的領域推向現實世界中自然產生的啟發式知識的處理，如感知、推理、理解、學習、解決問題等。為了建立以知識為基礎的系統，提高解決問題的綜合能力，以啟發式知識表達為基礎的程序語言和程序環境的研究就成為普遍關心的重要課題。人工智能還包括許多分支領域，如人工視覺、聽覺、觸覺以及力覺的研究，模式識別與圖像處理的研究，自然語言理解與語音合成的研究，智能控制以及生物控制的研究等。總之，人工智能向各方面的深化對計算機技術的發展將產生深遠的影響。5網絡、數據庫及各種計算機輔助技術的研究計算機通信網絡覆蓋面的日趨擴大，各行業數據庫的深入開發，各種計算機輔助

59、技術如CAD、CAM、CAT、CAE、CIM（計算機集成化制造）等的廣泛使用，也為計算機科學提出許多值得研究的問題。如編碼理論，數據庫的安全與保密、異種機聯網與網間互連技術、顯示技術與圖形學、圖像壓縮、存儲及傳輸技術的研究等。6理論計算機科學的研究自動機及可計算性理論的研究，例如圖靈機的理論研究還有許多工作可作。理論計算機科學使用的數學工具主要是信息論、排隊論、圖論、符號邏輯等，這些工具本身也需進一步發展。7計算機科學史的研究在計算機科學的發展史上，有許多對認識論、方法論很值得借鑒的豐富有趣的史料，它們同樣是人類精神寶庫的重要財富。1.1.4 計算機的特點曾有人說，機械可使人類的體力得以放大，

60、計算機則可使人類的智慧得以放大。作為人類智力勞動的工具，計算機具有以下主要特點。1處理速度快通常以每秒鐘完成基本加法指令的數目表示計算機的運算速度。現在每秒執行50萬次、100萬次運算的計算機已不罕見，有的機器可達數百億次，甚至數千億次；使過去人工計算需要幾年或幾十年完成的科學計算（如天氣預報、有限元計算等）能在幾小時或更短時間內得到結果。計算機的高速度使它在金融、交通、通信等領域中能達到實時和快速的服務。這里的“處理速度快”指的不僅局限于算術速度，也包括邏輯運算速度。極高的邏輯判斷能力是計算機廣泛應用于非數值數據領域中的首要條件。2計算機精度高由于計算機采用二進制數字進行運算，因此計算精度主