有效解決電腦運行緩慢或者停止響應，本期視頻和內容絕對不容錯過，將為大家介紹幾個關鍵步驟前往嘗試解決系統性能問題，從而提升電腦運行速度，完善操作體驗。
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//貼心小提示
在開始一系列診斷操作之前，建議先移除所有外設。這將有助于排除是系統本身還是外接設備所導致的性能問題，外接設備如打印機或者拓展底座等。
1
定期重啟電腦
重啟電腦可以幫助清除系統內存（RAM），并徹底關閉已啟動的任何錯誤進程和服務。如果電腦一直處于使用狀態，那么建議至少每周重啟一次。
2
使用Dell SupportAssist掃描優化系統
在搜索框中，輸入并打開SupportAssist，點擊立即開始進行優化檢測。
3
運行硬件檢測
采用ePSA進行硬件掃描，具體操作過程可以參考相關推文?：ePSA診斷程序介紹。若ePSA無法確定原因，便可按以下方式嘗試運行線上診斷：打開戴爾技術支持頁面，輸入對應服務標簽；或點擊檢測PC，接著點擊診斷，再點擊完整測試，并根據提示完成后續操作。
4
使用病毒查殺軟件，為設備運行深度掃描
Win系統的電腦，一般都內置Windows Defender，大多數戴爾電腦也預裝了基本邁克菲防病毒軟件，可適當使用病毒軟件進行電腦整體掃描檢查。
//貼心小提示
在計算機上安裝多個防病毒軟件并不能為系統提供更好防護，可能還會進一步降低設備性能，故適當安裝合適靠譜的防病毒軟件即可。
5
重置還原，重裝系統
若以上方法依舊無法解決問題，那么可嘗試重置還原?：Win10系統還原功能，或者重裝系統?：如何在系統中，重裝系統？具體操作過程可以參考以上給出的相關文章教程。
即刻掌握以上幾個提升系統運行速度的寶藏知識，助力電腦順暢操作，讓工作效率瞬間提升。
人類在認識自然、改造自然的過程中，曾經創造過各種各樣的計算工具。中國古代早在 春秋戰國時已使用竹子制作的算籌進行計數。唐代時出現早期的算盤，宋代時已有算盤口訣 的記載。17 世紀后，隨著西方產業革命的到來，推動了計算工具的進一步發展，在歐洲出 現了能實現加減乘除運算的機械式計算機。1944 年美國物理學家艾肯教授領導完成了第一 臺機電式通用計算機 MARK1，其主要元件采用繼電器，是一臺可編程序的自動計算機。 世界上的第一臺通用電子數字計算機是美國賓夕法尼亞大學莫爾學院的莫奇利和埃克 特領導的科研小組建造的，取名為 E N I A C ,即電子數字積分計算機;
該計算機 由 18000 多個電子管、1500 多個繼電器等組成，占地 170 平方米，重量達 30 噸，耗電 140 千瓦，投資超過 48 萬美元。該機器字長 10 位，采用十進制，計算速度為 5000 次／秒，每 次至多只能存儲 20 個字長為 10 位的十進制數。計算程序是通過插件式“外接”線路實現的， 尚未采用“程序存儲”的方式。為了在機器上進行幾分鐘的數字計算，準備工作往往要用幾 小時甚至 1~2 天的時間，使用很不方便。
ENIAC 計算機于 1945 年底宣告竣工，1946 年 2 月 15 日正式舉行揭幕典禮，它標志著人類計算工具的歷史性變革。其重要意義在于它奠定 了計算機發展的基礎，開創了計算機時代，引發了一場由工業化社會發展到信息化社會的新 技術革命浪潮，揭開了人類歷史發展的新紀元。計算機問世以后，經過半個多世紀的飛速發 展，已由早期單純的計算工具發展成為在信息社會中舉足輕重、不可缺少的具有強大信息處 理功能的現代化電子設備。
（1） 第一代電子計算機( 1 9 4 6～1 9 5 8 年)
早期的計算機采用電子管作為基本邏輯元件，體積大、耗電多、價格貴，運行速度低， 存儲容量小，可靠性差。編寫程序的語言是機器語言或匯編語言，幾乎沒有什么軟件配置。 盡管如此，這一代計算機卻奠定了計算機的技術基礎，如：二進制、自動計算和程序設計等， 并對以后計算機的發展產生了深遠的影響。 這個時期計算機的商品化主要由美國國際商業機器公司( IBM)實現，以 IBM 系列機為 代表，其代表機型有 IBM650、IBM709 等。 這一時期計算機的應用領域主要是科學計算，主要用于軍事和科研部門。
（2） 第二代電子計算機( 1 9 5 8～1 9 6 4 年)
第二代計算機使用晶體管作為邏輯元件。晶體管與電子管相比，具有體積小、壽命長、 開關速度快、省電等優點。由于采用了晶體管，第二代計算機的體積大大減小，運算速度及 可靠性等性能大為提高。
第二代計算機所用的編程語言成為以后計算機語言的基礎，高級語言 FORTRAN、 COBOL、ALGOL 等相繼問世，因而使程序設計的復雜性大大降低，方便了計算機的使用。 代表機型有 IBM-7094 機、CDC7600 機。 這一時期計算機的應用已由科學計算拓展到數據處理、過程控制等領域。
（3） 第三代電子計算機( 1 9 6 4 ~ 1 9 7 4 年)
第三代計算機采用半導體中小規模集成電路作為邏輯元件。由于集成電路體積更小，耗 電更省，壽命更長，可靠性更高，這使得第三代計算機的總體性能較之第二代計算機有了大 幅度的躍升。計算機系統結構也有了很大改進，在商品計算機設計上出現了標準化、通用化、 系列化的局面。同時，計算機軟件技術的進一步發展，尤其是操作系統的逐步成熟是第三代 計算機的顯著特點。軟件出現了結構化模塊化程序設計方法。這一時期最有影響的是 IBM 公司研制的 IBM-360 計算機系列。此外，計算機的應用進入到許多科學技術領域。
（4） 第四代電子計算機( 1 9 7 4 年以后)
采用大規模集成電路作為邏輯元件是第四代計算機的主要特征。這個時期是計算機發展 最快、技術成果最多、應用空前普及的時期。在軟件方面，出現了數據庫系統、分布式操作 系統等，網絡軟件大量涌現，計算機網絡進入普及時代。應用軟件的開發已逐步成為一個龐 大的現代產業。
第四代計算機中最有影響的機種莫過于微型計算機，它誕生于70年代中期， 80 年代得到了迅速推廣，這是計算機發展史上最重要的事件。
自進入第四代計算機以來，計算機的硬件與軟件技術都獲得了驚人的發展。計算機系統 向微型化、巨型化、網絡化和智能化的方向發展，計算機的系統軟件的功能日趨完善，規模 越來越大、應用軟件的開發日趨簡便。多媒體技術的興起引起計算機應用領域的革命，人們 利用聲音、符號、圖形、圖像即可開發計算機的應用。在網絡技術的支持下，信息表達工具 (電話、電視、終端)、信息處理工具(計算機)和信息傳輸工具(有線通訊、無線通訊及衛星通 訊)已趨于一體化，為人類方便地處理信息開辟了更廣闊的前景。 現在，電子計算機的應用已經深入到國民經濟和社會生活的各個領域。計算機技術與通 信技術的結合，出現了計算機網絡，尤其是互聯網的快速發展，使得世界各地的人們可以相 互交流，縮短了彼此之間的距離。同時，隨著遠程教學、遠程醫療和電子商務的發展，使我 們的生活方式和生活環境發生很大變化。計算機產業也已成為國民經濟中發展最快、最具有 活力的部門之一，計算機及其技術對人類社會的進步和文明正在起著越來越顯著的積極作用。
習目標：
1．掌握計算機系統的組成；
2．理解計算機的工作原理，計算機中信息的表示；
3．了解計算機的發展及其特點、計算機中信息的表示和數制的基本概念、以計算機為
基礎的信息技術應用。
人類文明的發展猶如一條長河，在漫長的進程中，先后經歷了舊石器和新石器為代表的
狩獵和采集文明階段，以青銅器和鐵器為代表的農業文明階段，以及以蒸汽機和電力、內燃機
機、電訊為代表的工業文明階段，目前我們正處于以計算機為核心的信息文明時代。
計算機技術作為信息社會最主要的支柱之一，其應用已滲透到科學技術、國民經濟、社會
會生活等各個領域，改變了人們傳統的工作和生活方式，成為人們生活中不可缺少的重要組成
成部分。各行各業的人都在運用計算機解決各自的問題，可以說今天的計算機已經是無處不在
在，無所不能，信息技術的未來前途無量。本章將介紹有關信息技術和計算機系統的基礎知識
識。
第一節 信息與信息技術概述
信息時代是一個充滿活力、富于創造和創新的時代，是一個科學技術高度發展的時代。
在信息時代里，信息成為重要的戰略資源，信息產業則成為主導產業，信息網絡成為了社會
這是重要基礎設施。可以說，以信息技術為核心的科技發展對世界的影響是深刻的，已經滲透
到社會生活的方方面面。信息化正在全面提高經濟運行效率，提高企業核心競爭力和人民
提升生活質量的重要方式。
一、信息
1．信息的概念
當我們看到一縷霞光從窗前透過，那是清晨的信息；冰河解凍、流水淙淙，那是春天的
信息；大雁南飛，告知人們寒冷即將來到……
我們還可以通過讀書、看報、電視、網絡得到各方面的信息，諸如：科技信息、人才招
聘信息、經濟信息、生活信息、學習工作中查找的資料、衛星拍攝的照片和傳回的數據、醫
院體檢的心電圖、B 超等數據。在我們的生活和工作中，信息無處不在。
而對信息的表達在古人詩歌中也常常出現，用于表示音信、消息。例如：唐代詩人杜牧
在《寄遠》詩中就這樣寫道：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃”；宋代詩人李清照在詩
中寫道：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息”。今天，“信息”這個詞匯可以說是世界上
使用頻率最高的詞匯之一。那么究竟什么是信息，信息有什么作用和特征呢？
（1）信息的定義
人類把信息作為一門學科來研究，是從二十世紀中葉開始的。對信息的認識有一個逐步
深入的過程，而這個過程仍在繼續進行中。不同領域的專家從不同的角度和不同的層次，對
信息的概念提出了各自的想法。如“信息是用以消除不確定的東西”、“信息是具有新知識和新內容的消息”、“信息就是消息、情報”、“信息是事物的表現形式”、“信息是客觀
事物的各種表現和反應”等。1948 年，創立信息論的美國數學家香農提出：“信息是能夠
用來消除不確定性的東西。”
從本質上看，信息是對物質運動的狀態和方式的描述，它的基本功能是消除認識上的障礙
確定性。
（
2）與信息相關的概念
一般來說，信息既是對各種事物運動的狀態和方式的描述，又是事物之間相互作用和聯
系的表征。人通過接受信息來認識事物，從這個意義上來說，信息是一種知識，是接受者原
來不了解的知識。信息是知識的原始素材，知識是經過加工和優化的信息。
信息和數據是計算機課程中常用的術語。數據用來描述客觀存在，以文字、符號、圖形、
圖像或聲音的形式體現。數據是信息的素材，當數據被賦予意義、具有可利用性時，就成為
信息。而對不同的使用目的和不同的使用對象，可以從同一原始數據中加工提取不同的信息。
信息同物質、能源一樣重要，是信息社會中人類生存和社會發展的三大基本資源之一。
可以說信息不僅維系著社會的生存和發展，而且在不斷地推動著社會和經濟的發展。
2．信息的特性
所謂信息的特性，是指信息區別于其他事物的本質屬性。信息的特性包括兩個方面：信
息的物質特性和信息的應用特性。信息的物質特性主要有無大小、無重量、可復制。而信息
應用特性主要有普遍性、依附性、傳遞性、共享性、可處理性和價值相對性等。
（1）普遍性
從本質上說，信息描述的是物質運動的狀態和方式。宇宙中物質是普遍存在的，有物質
就有信息，所以信息是普遍存在的。
（
2）依附性
信息是描述物質運動的狀態和方式的，本身不是物質，所以不能獨立存在，必須借助于物質
一定的載體。如“味道很香”是信息，但它借助的是空氣這個載體。同一信息還可以有不同
的載體。如“今天的天氣情況”這個信息，可以從廣播、電視、網絡、報紙等不同的載體上，
通過聲音、視頻、文字等形式獲得。
（
3）傳遞性和共享性
信息在空間上的傳遞為通信；在時間上的傳遞則以存儲來實現，而且存儲的信息可以再
利用。信息可以通過普通電話傳遞；信息存在軟盤中，可以隨時并且多次使用。
信息源發出信息后，可以由多個信息接收，且信息本身不減少。如“電子郵件”，一個
信息通過電子郵件形式可以發給一個以上的接收者，使得不同的人可以在同一時間或不同地方
間共同使用手機收到的信息。
（
4）可處理性
信息的作用和功能是通過它的可處理性來體現的。信息可以壓縮、提取、存儲、傳遞，
可以有序化，可以轉換存在形式，可以經過加工、提煉、去偽存真成為新的信息。如商品的
市場供求，要通過使用者反饋的信息不斷調整商品的供應，才能符合市場的實際需要。為了
快速、準確地處理信息，并將信息加以利用，處理信息的技術和方法也越來越受到人們的重
視。如數據庫技術、信息壓縮技術、信息管理系統等。
（
5）價值相對性
信息可以作為商品進行交易，是有價值體現的，但信息的價值取決于使用者的需求，以
及對信息準確性的判斷和利用能力。信息在處理中，留下有用的信息，去掉無用的信息，重
新組合，可以增加信息的價值。如過時的信息價值就會減少很多，而及時的、正確的信息，
會帶來經濟效益，體現出信息的價值，所以信息的時效性也很重要。二、信息技術
就像人類渴望飛翔而發明了飛機一樣，為解決大量的、人力所不能及的計算，人類借助
自己的智慧創造機器來幫助進行計算，于是出現了計算機。隨著計算機技術的不斷發展，逐
步形成了以計算機技術為核心的現代信息技術。
一般來說，信息采集、加工、存儲、傳輸和利用過程中的每一種技術都是信息技術。信
息技術不僅包括現代信息技術，還包括在現代文明之前的原始時代和古代社會中與之時代相
對應的信息技術。
1．現代信息技術
從信息技術的物理構成上講，信息技術是指以微電子技術、通信技術、計算機技術為主
干，結合傳感技術、網絡技術、多媒體技術、控制技術、數據的存儲壓縮技術、機器人技術
和數字音頻視頻技術等的綜合性技術。簡單地說，信息技術就是用信息科學的原理和方法，
來有效地使用信息資源的技術體系。
從對信息的操作層面上講，信息技術是指與獲取、加工、存儲、傳輸、表示和應用有關
的對信息進行操作處理的技術。而這些操作技術的實現需要借助具體的物理技術，也就是有
關支撐信息技術操作的物理層面的技術。信息技術擴展了人的信息器官功能。十九世紀以來
陸續出現了電報、電話、無線電通信、雷達、電視、遙控、衛星通信、光導通信、計算機、
計算機網絡等新技術，其中計算機是人類思維器官功能的擴展和延伸，其他則是人類感覺器
官和傳導神經系統的擴展和延伸。
2．現代信息技術的內容
一般來說，現代信息技術包含 3 個層次的內容：信息基礎技術、信息系統技術和信息
應用技術。
（
1）信息基礎技術
信息基礎技術是信息技術的基礎，包括新材料、新能源、新器件的開發和制造技術。近
幾十年來，發展最快、應用最廣泛、對信息技術以及整個高科技領域的發展影響最大的是微
電子技術和光電子技術。
（
2）信息系統技術
信息系統技術是指有關信息的獲取、傳輸、處理、控制的設備和系統的技術。目前，人
們把通信技術、計算機技術和控制技術合稱為 3C(Communication、Computer 和 Control)技
術。3C 技術是信息技術的主體。
（
3）信息應用技術
信息應用技術是針對各種實用目的，如信息管理、信息控制、信息決策而發展起來的具
體的技術群，如工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化、人工智能和通信技術等。它們是信
息技術開發的根本目的。
3．信息技術的應用和前景
以計算機技術為核心的現代信息技術正向各個領域滲透，其應用遍及教育、科研、農業、
商業、金融、醫學、交通運輸、軍事等各行各業，信息技術可以用來進行科學計算、數據處
理、自動控制、輔助教學、機器人、多媒體、通訊、網絡等。我們的學習、工作、日常生活、
娛樂也都依賴著信息技術為我們提供的便利。如可視電話、電視會議、遠程教學等。
信息技術的應用正在影響著人類的生存方式，我們所處的是一個信息時代，計算機高度
普及，不斷發展，計算機網絡提供各種服務，人類生活時刻與計算機發生著聯系，這一切都標志著，我們的社會是一個信息化的社會。
同時，信息資源的開發、利用和控制也是經濟和科技競爭的焦點，是國家的地位和經濟
實力的核心，由此可以說，我們進入了知識經濟時代。知識經濟是以現代科學技術為核心，
建立在知識和信息的生產、儲存、消費之上的經濟。
縱觀人類科技發展的歷程，還沒有一項技術能像現代信息技術那樣對人類社會產生如此
巨大的影響。展望未來，在社會生產力發展、人類認識和實踐活動的推動下，信息技術將得
到更深、更廣、更快的發展，其發展趨勢可以概括為數字化、多媒體化、高速度、網絡化、
寬帶、智能化等。
第二節 計算機技術的發展與應用
從科學實驗到生產實踐，從社會到家庭，計算機無處不在，其應用之廣泛，影響之深遠，
發展之快速是人類社會少見的，電子計算機的應用和技術發展已經成為衡量一個國家現代化
水平的重要標志。
一、計算機技術的發展
計算機作為人類腦力的延伸工具，從廣義上講，可追溯到計算工具的研制發明，計算技
術的發展是和人類社會的技術發展緊密相關的。
1. 計算機發展簡史
人類在認識自然、改造自然的過程中，曾經創造過各種各樣的計算工具。中國古代早在
春秋戰國時已使用竹子制作的算籌進行計數。唐代時出現早期的算盤，宋代時已有算盤口訣
的記載。17 世紀后，隨著西方產業革命的到來，推動了計算工具的進一步發展，在歐洲出
現了能實現加減乘除運算的機械式計算機。1944 年美國物理學家艾肯教授領導完成了第一
臺機電式通用計算機 MARK1，其主要元件采用繼電器，是一臺可編程序的自動計算機。
世界上的第一臺通用電子數字計算機是美國賓夕法尼亞大學莫爾學院的莫奇利和埃克
特領導的科研小組建造的，取名為 E N I A C (即電子數字積分計算機，見圖 1.1)。該計算機
由 18000 多個電子管、1500 多個繼電器等組成，占地 170 平方米，重量達 30 噸，耗電 140
千瓦，投資超過 48 萬美元。該機器字長 10 位，采用十進制，計算速度為 5000 次／秒，每
次至多只能存儲 20 個字長為 10 位的十進制數。計算程序是通過插件式“外接”線路實現的，
尚未采用“程序存儲”的方式。為了在機器上進行幾分鐘的數字計算，準備工作往往要用幾
小時甚至 1~2 天的時間，使用很不方便。ENIAC 計算機于 1945 年底宣告竣工，1946 年 2
月 15 日正式舉行揭幕典禮，它標志著人類計算工具的歷史性變革。其重要意義在于它奠定
了計算機發展的基礎，開創了計算機時代，引發了一場由工業化社會發展到信息化社會的新
技術革命浪潮，揭開了人類歷史發展的新紀元。計算機問世以后，經過半個多世紀的飛速發
展，已由早期單純的計算工具發展成為在信息社會中舉足輕重、不可缺少的具有強大信息處
理功能的現代化電子設備。 圖 1.1 ENIAC 電子計算機
從 1946 年 ENIAC 誕生到現在 60 年的時間里，在推動計算機發展的眾多因素中，電子
元器件的發展起著決定性的作用（見表 1.1）；其次，計算機系統結構和計算機軟件技術的
發展也起了重要的作用。計算機發展的分代史，通常是以計算機所采用的邏輯元件作為劃分
的標準的。迄今為止，計算機的發展已經歷四代，正向新一代計算機過渡。
表 1.1 電子計算機的發展階段
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
電子器件
電子管
晶體管
中、小規模集成電路
大規模和超大
規模集成電路
主存儲器
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓
磁芯、磁鼓、
半導體存儲器
半導體存儲器
外部輔助
存儲器
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓
磁帶、磁鼓、磁盤
磁帶、磁盤、光盤
處理方式
機器語言
匯編語言
監控程序
連續處理作業
高級語言編譯
多道程序
實時處理
實時、分時處理
網絡操作系統
運算速度
5 千~3 萬次/秒
幾十萬~百萬次/秒
百萬~幾百萬次/秒
幾百萬~千億次/秒
（
1） 第一代電子計算機( 1 9 4 6～1 9 5 8 年)
早期的計算機采用電子管作為基本邏輯元件，體積大、耗電多、價格貴，運行速度低，
存儲容量小，可靠性差。編寫程序的語言是機器語言或匯編語言，幾乎沒有什么軟件配置。
盡管如此，這一代計算機卻奠定了計算機的技術基礎，如：二進制、自動計算和程序設計等，
并對以后計算機的發展產生了深遠的影響。
這個時期計算機的商品化主要由美國國際商業機器公司( IBM)實現，以 IBM 系列機為
代表，其代表機型有 IBM650、IBM709 等。
這一時期計算機的應用領域主要是科學計算，主要用于軍事和科研部門。
（
2） 第二代電子計算機( 1 9 5 8～1 9 6 4 年)
第二代計算機使用晶體管作為邏輯元件。晶體管與電子管相比，具有體積小、壽命長、
開關速度快、省電等優點。由于采用了晶體管，第二代計算機的體積大大減小，運算速度及
可靠性等性能大為提高。第二代計算機所用的編程語言成為以后計算機語言的基礎，高級語言 FORTRAN、
COBOL、ALGOL 等相繼問世，因而使程序設計的復雜性大大降低，方便了計算機的使用。
代表機型有 IBM-7094 機、CDC7600 機。
這一時期計算機的應用已由科學計算拓展到數據處理、過程控制等領域。
（
3） 第三代電子計算機( 1 9 6 4 ~ 1 9 7 4 年)
第三代計算機采用半導體中小規模集成電路作為邏輯元件。由于集成電路體積更小，耗
電更省，壽命更長，可靠性更高，這使得第三代計算機的總體性能較之第二代計算機有了大
幅度的躍升。計算機系統結構也有了很大改進，在商品計算機設計上出現了標準化、通用化、
系列化的局面。同時，計算機軟件技術的進一步發展，尤其是操作系統的逐步成熟是第三代
計算機的顯著特點。軟件出現了結構化模塊化程序設計方法。這一時期最有影響的是 IBM
公司研制的 IBM-360 計算機系列。此外，計算機的應用進入到許多科學技術領域。
（
4） 第四代電子計算機( 1 9 7 4 年以后)
采用大規模集成電路作為邏輯元件是第四代計算機的主要特征。這個時期是計算機發展
最快、技術成果最多、應用空前普及的時期。在軟件方面，出現了數據庫系統、分布式操作
系統等，網絡軟件大量涌現，計算機網絡進入普及時代。應用軟件的開發已逐步成為一個龐
大的現代產業。
第四代計算機中最有影響的機種莫過于微型計算機，它誕生于70年代中期，
80 年代得到了迅速推廣，這是計算機發展史上最重要的事件。
自進入第四代計算機以來，計算機的硬件與軟件技術都獲得了驚人的發展。計算機系統
向微型化、巨型化、網絡化和智能化的方向發展，計算機的系統軟件的功能日趨完善，規模
越來越大、應用軟件的開發日趨簡便。多媒體技術的興起引起計算機應用領域的革命，人們
利用聲音、符號、圖形、圖像即可開發計算機的應用。在網絡技術的支持下，信息表達工具
(電話、電視、終端)、信息處理工具(計算機)和信息傳輸工具(有線通訊、無線通訊及衛星通
訊)已趨于一體化，為人類方便地處理信息開辟了更廣闊的前景。
現在，電子計算機的應用已經深入到國民經濟和社會生活的各個領域。計算機技術與通
信技術的結合，出現了計算機網絡，尤其是互聯網的快速發展，使得世界各地的人們可以相
互交流，縮短了彼此之間的距離。同時，隨著遠程教學、遠程醫療和電子商務的發展，使我
們的生活方式和生活環境發生很大變化。計算機產業也已成為國民經濟中發展最快、最具有
活力的部門之一，計算機及其技術對人類社會的進步和文明正在起著越來越顯著的積極作用。
2. 計算機的特點及分類
（
1）計算機的特點
計算機的出現，已成為第三次工業革命中最激動人心的成就，電子計算機之所以發展如
此迅速，有如此廣泛的應用，主要是由于有以下幾個方面的特點。
①運算速度快
運算速度是計算機的一個重要性能指標。計算機的運算速度通常用每秒鐘執行定點加法
的次數或平均每秒鐘執行指令的條數來衡量。計算機的運算速度已由早期的每秒幾千次發展
到現在的可達每秒萬億次。
計算機高速運算的能力極大地提高了工作效率，把人們從浩繁的腦力勞動中解放出來。
過去用人工曠日持久才能完成的計算，而計算機在“瞬間”即可完成。曾有許多數學問題，
由于計算量太大，數學家們終其一生也無法完成，使用計算機則可輕易地解決。
②計算精度高
在科學研究和工程設計中，對計算的結果精度有很高的要求。一般的計算工具只能達到幾位有效數字，而計算機對數據處理的結果精度可達到十幾位、幾十位有效數字，根據需要
甚至可達到任意的精度。
③存儲容量大
計算機的存儲器可以存儲大量數據，這使計算機具有了“記憶”功能。目前計算機的存
儲容量越來越大，已高達千兆數量級的容量。計算機具有“記憶”功能，是與傳統計算工具
的一個重要區別。
④具有邏輯判斷功能
計算機的運算器除了能夠完成基本的算術運算外，還具有進行比較、判斷等邏輯運算的
功能。這種能力是計算機處理邏輯推理問題的前提。
計算機的計算能力、邏輯判斷能力和記憶存儲能力的結合，使得可以模仿人的某些智能
活動。因此，計算機已經遠遠不只是計算的工具，而成為人類腦力延伸的重要助手。有時把
計算機稱作“電腦”，就是這個原因。
⑤基于內置的程序控制，自動化程度高，通用性強
由于計算機的工作方式是將程序和數據預先存放在機器內，工作時按程序規定的操作，
一步一步地自動完成，一般無須人工干預，因而自動化程度高。這一特點是一般計算工具所
不具備的。
上述的幾個特點，賦予了計算機高速、自動、持續的運算能力，使得計算機的應用領域
不斷開拓，滲透到社會生活的各個領域，計算機也成為處理信息的有力工具，成為信息社會
發展的重要推動力量。
(2) 計算機的分類
電子計算機發展到今天，可謂品種繁多，門類齊全，功能各異。通常人們從三個不同的
角度對電子計算機分類。
①按工作原理分類
計算機處理的信息，在機器內可用離散量或連續量兩種不同的形式表示。離散量也稱為
斷續量，即用二進制數字表示的量(如用斷續的電脈沖來表示數字 0 或 1 )。連續量則是用連
續變化的物理量(如電壓的振幅等)表示被運算量的大小。
可用一個通俗的比喻來大致說明離散量和連續量的含義。在傳統的計算工具中，算盤運
算時，是用一個個分離的算盤珠來代表被運算的數值，算盤珠可看成是離散量；而計算尺運
算時，是通過拉動尺片，用計算尺上連續變化的長度來代表數值的大小，這即是連續量。
根據計算機內信息表示形式和處理方式的不同，可將計算機分為以下兩大類：
A. 電子數字計算機(采用數字技術，處理離散量)
B. 電子模擬計算機(采用模擬技術，處理連續量)
目前，使用得最多的是電子數字計算機，而電子模擬計算機用得很少。由于當今使用的
計算機絕大多數都是電子數字計算機，故將其簡稱為電子計算機。
②按應用分類
根據計算機的用途和適用領域，可分為：
A. 通用計算機：通用計算機的用途廣泛，功能齊全，可適用于各個領域。
B. 專用計算機：專用計算機是為某一特定用途設計的計算機。
其中，通用計算機數量最大，應用最廣。
③按規模分類
根據計算機的規模(主要指硬件性能指標及軟件配置)大小，可分為：
A. 巨型機：也叫超級計算機，是指由數百數千甚至更多的處理器（機）組成的、能計
算普通 PC 機和服務器不能完成的大型復雜課題的計算機。現代的超級計算機用于核
物理研究、航天航空飛行器設計、國民經濟的預測和決策、中長期天氣預報等方面，是強有力的模擬和計算工具。它是一個國家科研實力的體現，對國家安全，經濟和社
會發展具有舉足輕重的意義。中國第一臺實測性能超千萬億次的超級計算機曙光“星
云”于 2011 年 11 月在國家超級計算深圳中心全面開通運行。截止到 2014 年 6 月 23
日（www.top500.org ），世界上運算速度最快的超級計算機是由中國國防科學技術大
學研制的天河二號計算機，它在一項名為“線性系統軟件包”(Linpack)的標準測試中實
現了持續計算速度每秒 3.386 億億次(33.86 Pflop/s)浮點運算的優異性能位居榜首，成
為全球最快超級計算機。第二名是美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National
Laboratory)的“泰坦”(Titan)，每秒 1.759 萬萬億次的運算速度。
B. 大型機：直到 20 世紀 60 年代后期，大型機是唯一的計算機類型。價格在 5 千美元
到 500 萬美元間。隨著 60 年代后期小型機出現，依照其尺寸變化出現了中型機和小型機（價
格在 5 千到 20 萬美元之間）等類型。
C. 工作站：20 世紀 80 年代出現，具有強大的圖形處理能力，主要用于復雜的科學、
數學和工程上的計算以及 CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)。
D. 微型機：也叫個人計算機（PC），PC 可分為臺式計算機、筆記本計算機和 IPAD。
E. 微控制器：也叫嵌入式計算機，是一種專用的微處理器，可以安裝在智能儀器儀表
中，在家用電子設備如數碼相機，智能手機等上面都有這類嵌入式計算機。
flops 是每秒浮點操作（Floating-point Operations of Per Second）的縮寫，flops
用于度量計算機的性能。
目前巨型計算機是最為強大的計算機，但是科學家正在研制未來新一代的計算機，新的
計算機依賴納米技術，通過使用分子規模的納米結構來創建保存數據或執行任務，生物學上
的納米計算機由 DNA 制成，能植入人類的一個細胞。該生物計算機將使用 DNA 作為軟件，生
物酶作為硬件，具有分子大小的電路。
④服務器
服務器是用于描述一種特殊用途的計算機。是指在網絡中，用于運行管理軟件以控制對
網絡或網絡資源（磁盤驅動器、打印機等）進行訪問的計算機，并能夠為在網絡上的計算機
（客戶端）提供資源使其猶如工作站那樣地進行操作。通常分為文件服務器、數據庫服務器
和應用程序服務器。相對于普通 PC 來說，服務器在穩定性、安全性、性能等方面都要求更
高，因此 CPU、芯片組、內存、磁盤系統、網絡等硬件和普通 PC 有所不同。
前已述及，當今計算機的發展呈現出多極化的趨勢，而微型化和巨型化則是其中的兩個
重要方向。多極化是指巨、大、中、小、微各機種均在發展，它們在計算機家族中都占有一
席之地，擁有各自的應用領域。其中，微型機發展最快，數量最多，應用最普及。
以上是計算機的傳統分類法，事實上，隨著計算機科學技術的發展，各機種之間的界限
已不是很分明。例如，大型機與中型機的界限比較模糊，而當今使用的某些超級微型機的功
能已超過了當年的中、小型機，甚至可以與大型機匹敵。
二、計算機在信息社會中的應用
計算機的高速發展，全面促進了計算機的應用。在信息社會中，計算機的應用極其廣泛，
已遍及經濟、政治、軍事及社會生活的各個領域，正在改變著人們傳統的工作、學習和生活
方式，推動著社會的發展。目前,計算機的應用可概括為以下幾個方面。
1． 科學與工程計算
通常是指用于完成科學研究和工程技術中提出的數學問題的計算，是計算機最早的應用
方面。歷史上每一種科學工具的創新與進步都推動了有關科學的發展，而其進展的程度總是與工具性能的提高成正比。例如望遠鏡、顯微鏡、加速器等儀器，都延伸和強化了人的觀察
能力，進而帶動了相關科學的進步。同樣，計算機也是人類能力的延伸，它強化了人的思維
智能，增進了人的計算、仿真能力，因此對所有的科學技術領域都有很大的推動作用。
第一臺電子計算機研制的目的就是用于軍事計算，計算機發展的初期也主要用于科學計
算。雖然計算機后來在其他方面的應用不斷加強，但仍然一直是科學研究和科學計算的最佳
工具。隨著科學技術的發展，各種領域中的計算模型日趨復雜，人工計算已無法解決這些復
雜的計算問題。例如在天文學、量子化學、空氣動力學、核物理學等領域中，都需要依靠計
算機進行復雜的運算。科學計算的特點是計算工作量大、數值變化范圍大。因此，科學計算
要求計算機速度快、精度高、存儲容量大。
2．數據處理
數據處理是指對數據資料的收集、存儲、加工、分類、排序、檢索和發布等一系列工作，
處理的數據有文字、圖形、聲音、圖像等各種數據信息。數據處理的領域包括辦公自動化、
企業管理、情報檢索、報刊編排處理等，特點是要處理的原始數據量大，而算術運算較簡單，
有大量的邏輯運算與判斷，結果要求以表格或文件形式存儲、輸出。數據處理是現代化管理
的基礎。它不僅應用于處理日常的事務，且能支持科學的管理與決策。以一個企業為例，從
市場預測、經營決策、生產管理到財務管理，無不與數據處理有關。數據處理是計算機應用
最廣泛的領域。
3．過程控制
計算機可以用于科學技術、軍事、工業、農業等各個領域的過程控制，用計算機采集檢
測數據，按最佳值對控制對象進行自動控制或自動調節。利用計算機進行過程控制，不僅提
高了控制的自動化水平，而且大大提高了控制的及時性和準確性，從而改善勞動條件，提高
質量，節約能源，降低成本。計算機控制系統中，需有專門的數字—模擬轉換設備和模擬—
數字轉換設備(稱為 D／A 轉換和 A／D 轉換)。由于過程控制一般都是實時控制，要求計算
機可靠性高、響應及時。目前在實時控制系統中廣泛采用集散系統，即把控制功能分散給若
干臺計算機擔任，而操作管理則集中在一臺或多臺高性能計算機上進行。計算機過程控制已
在冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天等部門得到廣泛的應用。
微機在工業控制方面的應用大大促進了自動化技術的提高。利用計算機進行控制，可以
節省勞動力，減輕勞動強度，提高勞動生產效率，并且還可以節省生產原料，減少能源消耗，
降低生產成本。
利用計算機對工業生產過程中的某些信號自動進行檢測，并把檢測到的數據存入到計算
機，再根據需要對這些數據進行處理。這樣的系統稱為計算機檢測系統。但一般來說,實際
的工業生產過程是一個連續的過程，往往既需要用計算機進行檢測，又需要用計算機進行控
制。例如，在化工、電力、冶金等生產過程中，用計算機自動采集各種參數，監測并及時控
制生產設備的工作狀態；在導彈、衛星的發射中，用計算機隨時精確地控制飛行軌道與姿態;
在熱處理加工中，用計算機隨時檢測與控制爐窯的溫度；在對人有害的工作場所，用計算機
來監控機器人自動工作等等。特別是微型計算機進入儀器儀表后所構成的智能化儀器儀表，
將工業自動化推向了一個更高的水平。
4．計算機輔助系統
計算機輔助系統包括計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)、計算機輔助制造
(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計算機輔助測試(Computer Aided Test，CAT)、計
算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)等系統。
計算機輔助設計是利用計算機的計算、邏輯判斷等功能，幫助人們進行產品設計和工程技術設計。在設計中可通過人機交互更改設計和布局，反復迭代設計直至滿意為止。它能使
設計過程逐步趨向自動化，大大縮短設計周期，增強產品在市場上的競爭力，同時也可節省
人力和物力，降低成本，提高產品質量。
計算機輔助制造就是用計算機進行生產設備的管理、控制和操作的過程。例如在產品的
制造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產過程中所需的數據，控制和處理材料的流
動以及對產品進行檢驗等。使用 CAM 技術可以提高產品的質量、降低成本、縮短生產周期、
降低勞動強度。除了 CAD／CAM 之外，計算機輔助系統還有計算機輔助工藝規劃(Computer
Aided Process Planning，CAPP)、計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等。
計算機集成制造系統是指以計算機為中心的現代化信息技術應用于企業管理與產品開
發制造的新一代制造系統，是集工程設計、生產過程控制、生產經營管理為一體的高度計算
機化、自動化和智能化的現代化生產大系統，是制造業的未來。它將企業生產、經營的各個
環書，從市場分析、經營決策、產品開發、加工制造到管理、銷售、服務等視為一個整體，
即以充分的信息共享，促進制造系統和企業組織的優化運行，其目的在于提高企業的競爭能
力及生存能力。CIMS 通過將管理、設計、生產、經營等各個環節的信息集成后進行優化分
析，從而確保企業的信息流、資金流、物流能夠高效、穩定地運行，最終使企業實現整體最
優效益。
5．基于計算機的多媒體技術
多媒體技術是用計算機把數字、文字、聲音、圖形、圖像和動畫等多種媒體信息有機整
合起來，使它們建立起邏輯聯系，并能進行加工處理(包括對這些媒體的錄入、壓縮和解壓
縮、存儲、顯示和傳輸等)的技術。人們熟悉的報紙、電影、電視等，都是以它們各自的媒
體進行信息傳播的。有些是以文字為媒體，有些是以圖像為媒體，有些是以圖、文、聲、像
為媒體。多媒體技術以計算機技術為核心，將現代聲像技術和通信技術融為一體，以追求更
自然、更豐富的用戶界面，因而其應用領域十分廣泛。它不僅覆蓋計算機的絕大部分應用領
域，同時還拓展了新的應用領域，如可視電話、視頻會議系統等。實際上，多媒體系統的應
用以極強的滲透力進入了人類工作和生活的各個領域，正改變著人類的生活和工作方式，成
功地塑造了一個絢麗多彩的劃時代的多媒體世界。
6．計算機通信和網絡應用
計算機通信和網絡應用是計算機技術與通信技術結合的產物，計算機網絡技術的發展將
處在不同地域的計算機用通信線路連接起來，配以相應的軟件，達到資源共享的目的。例如，
基于因特網的電子商務、電子政務、網絡電話等。前面我們介紹的很多信息技術應用都和網
絡技術密不可分。
7．人工智能
人工智能是研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規律的學科，其主要任務是建立智
能信息處理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能行為的計算系統。雖然計算機的能
力在許多方面遠遠超過了人類，如計算速度，但是真正要達到人的智能還是非常遙遠的事情。
但是目前一些智能系統已經能夠替代人的部分腦力勞動，獲得了實際的應用，尤其是在機器
人、專家系統、模式識別等方面。人工智能的研究領域包括知識工程、機器學習、模式識別、
自然語言處理、智能機器人和神經計算等多個方面。第三節 計算機工作原理與系統組成
一、計算機模型與工作原理
在人類的發明創造活動中，理論與實踐的關系有兩種模式。一種是實踐先行，理論跟上，
即先進行實驗，開發出產品，而后逐步建立起相關的理論體系。例如人類擺脫地球引力的束
縛、實現在空中飛翔的理想，就是如此。經過無數次的失敗，萊特兄弟(Wilbur Wright 和 Orville
Wright)終于在 100 多年前發明了能上藍天的飛機。在這之后，空氣動力學等相關學科才建
立和完善起來，并促使飛機性能不斷改進，終于在 1927 年 5 月 21 日由林德伯格（Charles
Lindbergh,1902—1974）獨自駕機實現了首次穿越大西洋的不間斷飛行，為民用航空開辟了
道路。另一種模式與此相反，先有人進行理論探討，提出科學假設，在理論指導下，才開發
出相關的產品。計算機的問世就是這一模式的范例。我們前面說過，世界上第一臺電子計算
機是 1946 年誕生的，而計算機的理論基礎則在 10 年以前就由艾倫·圖靈（Alan Turing，1912
—1954）奠定了。
1. 圖靈機
圖靈是英國數學家，1934 年他在一篇論文中提出了計算機的抽象模型，被公認為是現
代計算機的原型，現在被大家稱為“圖靈機”（Turing Machine）。圖靈機由哪些部件構成，
它是怎樣工作的呢？
圖靈機由一條雙向都可無限延長的被分為一個個小方格的磁帶、一個有限狀態控制器和
一個讀寫磁頭組成，如圖 1.2 所示。圖靈機一步步地進行工作，機器工作情況取決于三個條
件，即：
．機器的內部狀態
．讀寫磁頭掃描在磁帶的哪個方格上
．該方格上有什么信息
讀寫磁頭 磁帶
…. D A T A B D ….
圖 1.2 圖靈機
機器執行一步工作的過程如下：讀寫磁頭在所掃描的方格上寫上符號，原有符號自然消
除；磁頭向右或向左移動一個方格，機器由當前狀態轉向另一個狀態，進入下一步工作。如
此周而復始，除非遇到命令機器停止工作的狀態。例如，圖 1.5 中的機器在某一步上處于狀
態 q3 ，將所掃描方格中的 A 改寫為 E，左移一個方格，進入狀態 q2，磁頭將要掃描的方格
內的字母為 T。機器下一步的工作由 q2和信息 T 唯一確定。
圖靈機的這種由狀態、符號確定的工作過程叫圖靈機的程序，可以方便地用下列五元
組所確定的一個陣表來定義：
<q, b, a, m, q’>
其中 q、q’是有限狀態控制器中的狀態，q 為當前狀態，q’為下一狀態；b、a 表示方格
中的符號，b 是當前方格原有符號(before)，a 是修改后的符號(after)；m 指示磁頭移動方向，
若左移為 L(Left)，若右移為 R(Right)，不動用 N 表示(No-motion)。這樣，上述圖靈機的一
有限狀態控制器
q1 q2 q3 q4 q5步動作就可用下列五元組確切地描述：
< q3 ，A，E，L，q2>
如果用 Q={ q1 , q2 , q3 ,…,qm}表示有限狀態集，用∑＝{a1，a2，a3，…，an}表示磁帶
方格上的符號集，用 R、L、H 分別表示右移一格、左移一格或停機，那么圖靈機（程序）
也可以用下述映射進行定義：
Q ×∑→∑×{R, L ,H}×Q
大家看，圖靈抽象出來的圖靈機做為今天的極為復雜的計算機的理論模型，其構成卻是
如此簡單和清晰！而這正是圖靈機的意義所在。表面看來，圖靈機的計算功能似乎很弱，實
際上，只要提供足夠的時間(也就是允許足夠多的步數)和足夠的空間(也就是磁帶足夠長)，
則圖靈機的能力極強，足以代替目前的任何計算機。圖靈自己就信心十足地指出，凡是可計
算的函數都可以用他的圖靈機來計算，這被稱為圖靈論題。美國著名的數學家和邏輯學家、
因發明λ演算而聞名的阿倫索·邱奇(Alonzo Church，1903—1995)也認為：任何計算，如果
存在一有效過程，它就能被圖靈機所實現，這一著名命題被稱為邱奇論題。有時兩者合稱圖
靈—邱奇論題。
2. 馮·諾依曼機及其工作原理
我們前面討論了圖靈機和圖靈機上的程序，說明了它是現代計算機的理論模型，在計算
機科學中占有極為重要的地位。但是我們一般稱當前計算機是“馮·諾依曼型計算機”，或
“馮·諾依曼型體系結構的計算機”，它們是按“馮·諾依曼原理”工作的，這又是怎么回
事呢？
原來，圖靈機是圖靈在討論一個數學問題的一篇文章中“順便”提出來的，是經過高度
抽象的計算機理論模型，只回答了為了由機械完成計算，需要些什么基本部件以及這些部件
如何協同工作這兩個最基本的問題。它并不回答實際計算機設計與運作中的細節與具體問題。
例如，就機器組成而言，在圖靈的計算模型中，磁帶既作為存儲器，同時又兼作輸入設備和
輸出設備，這對于實際機器來說顯然是不方便的；就機器的運作方式而言，數據和程序之間
應該有什么關系？在圖靈的計算模型中也沒有明確的規定。諸如這樣一些重大問題是后來由
馮·諾依曼（John Von Neumann,1903－1957）提出方案加以解決的。
馮·諾依曼是出生在匈牙利的美國數學家，第二次世界大戰中擔任美國陸軍阿伯丁實驗
場的科學顧問。一個偶然的機會使他知道賓州大學莫爾學院正在研制計算機，引起他極大興
趣和重視。1945 年３月他來到莫爾學院，其時 ENIAC 已接近完成，正在調試。他詳細了解
了ENIAC的設計與工作方式，并同主要開發人員進行了兩天深入的討論，研究如何對ENIAC
進行改進，尤其是如何解決 ENIAC 的解題程序需要通過人工接插線方式輸入這一重大問題。
在此基礎上，經過深思熟慮，馮·諾依曼在當年 6 月擬定與發表了 EDVAC 計算機（Electronic
Discrete Variable Automatic Computer）方案，為存儲程序（這是現代計算機的主要特征）式
計算機奠定了基礎。
馮·諾依曼方案的基本內容如下：
（1）用二進制形式表示數據和指令；
（
2）將程序（指令序列）和數據預先存放在主存儲器中，使計算機在工作時能夠自
動高速地從存儲器中取出指令和數據，并加以執行，這是“存儲程序控制”的
基本特點；
（
3）確立了計算機系統的 5 大基本部件：存儲器、控制器、運算器、輸入設備和輸
出設備，同時也規定了 5 大部件的基本功能。見圖 1.3 所示。圖 1.3 馮·諾依曼計算機結構圖
馮·諾依曼型計算機的兩大特征是“程序存儲”和“采用二進制”。具體地說，在上述
計算機中，要實現機器的自動計算，必須先根據題目的要求，編制出求解該問題的計算程序，
并通過輸入設備將該程序存入計算機的存儲器中，稱之“程序存儲”；在計算機中計算程序
及數據是用二進制代碼表示的，計算機只能存儲并識別二進制代碼表示的計算程序和數據，
稱之為“采用二進制”。
因此，我們大體上可以這樣來理解：所謂“圖靈機”是計算機的“粗框圖”，是計算機
的概念模型，奠定了現代計算機的理論基礎；而“馮·諾依曼機”是計算機的“細框圖”，
是計算機的結構模型，奠定了現代計算機的設計基礎。兩者在計算機科學與技術的發展史上
都具有重要的意義。
還應該說明的是，戰后，圖靈在英國國家物理實驗室親自設計與領導建造電子計算機
ACE(Automatic Computing Engine)的過程中，也獨立地構思與采用了存儲程序的思想，使程
序也如同數據那樣，放在存儲器中；也如同數據那樣，可由計算機加工、處理。但由于 ACE
的影響遠比 EDVAC 小，圖靈本人也沒有把 ACE 項目進行到底，因此雖然馮·諾依曼本人
從來沒有說過存儲程序的概念是他發明的，卻多次說過圖靈是現代計算機設計思想的創始人，
但學術界通常把計算機發展史上這一歷史性貢獻歸功于馮·諾依曼。
二、計算機系統的組成
一個完整的計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成的，硬件系統和軟件系統
組成一個完整的系統，是計算機系統中缺一不可的兩個方面。其中，硬件是軟件的基礎，軟
件是硬件功能的完善和擴充，它們相互依存，相互滲透，相互促進。兩者的有機結合，使計
算機具有了強大的生命力。因此我們說計算機系統是由硬件和軟件組成的統一整體。
1. 計算機硬件系統
計算機硬件系統實際是由各種物理部件組成的，直觀上看，計算機硬件系統就是一大堆
物理設備，是看得見、摸得著的那些東西，硬件系統是計算機的物質基礎。我們將組成計算
機系統的所有電子和機械裝置稱為硬件。計算機的硬件系統包括計算機的全部硬設備和功能
部件。如輸入/輸出部件，信息的存儲部件，工作控制部件及加工數據的運算部件等。一臺
計算機從硬件系統看主要由四大部分組成：存儲器、中央處理器、輸入設備和輸出設備，如
圖 1.4 所示，圖中實線表示數據線，虛線表示控制線。
中央處理器
輸入設備
存儲器
輸出設備圖 1.4 計算機硬件系統
（
1）存儲器
存儲器是計算機的記憶裝置。它的功能是存放信息(數據和程序)。其中，將信息存入存
儲器稱為“寫”存儲器，從存儲器中取出信息稱為“讀”存儲器。存儲器通常是按地址來進
行存取數據和程序的，它由許多存儲單元組成，為了區分不同的存儲單元，把存儲單元按一
定的順序編號，這個編號稱為地址。要進行數據的讀寫操作，應先指出存儲單元的地址，然
后由存儲器按指定的地址“選擇”相應的存儲單元，才能進行數據的讀寫。這種情形和人們
在大樓里找人，要按照他的住址(房間號)尋找他的過程類似。
通常，對存儲器的要求是存儲容量大、存取速度快、可靠性高。目前，半導體(大規模
集成電路)存儲器與其他存儲器相比，具有速度快、體積小、功耗低、可靠性高等優點，但
價格較高。存儲器分為兩級：內存儲器（簡稱內存，又稱主存）和外存儲器（簡稱外存，又
稱輔存）。主存儲器中存放當前要用的數據和程序，而暫時不用的數據和程序以文件的形式
存放在外存儲器中。外存儲器具有容量大、價格低的優點，但速度較慢。
（
2）中央處理器
中央處理器簡稱 CPU，CPU 是計算機硬件系統中最重要的部件之一，它的性能高低直
接決定了計算機主要性能的優劣，它是整個計算機的核心，計算機發生的所有動作都是受
CPU 控制的。
CPU 主要包括運算器、控制器和寄存器三個部分。
運算器也稱為算術邏輯部件 ALU，主要是執行算術運算(如加、減、乘、除)、邏輯運算
(如與、或、非運算)以及其它操作(如取數、存數、移位等)的部件，它的任務是對信息進行
加工處理。在運算過程中，運算器不斷從存儲器中獲取數據，并把所求得的結果送回存儲器。
對運算器的基本要求是速度快、運算精度高和工作可靠。
控制器是計算機的指揮控制部件，其作用是使計算機能夠自動地執行程序。它的主要功
能是根據程序中每條指令發出相應的控制和定時信號，控制和協調計算機的各個部件工作，
以完成指令所規定的操作。因此控制器是計算機的指揮控制中心。
CPU 內部的寄存器用來存放運算時所需要的數據。
（
3）輸入設備
輸入設備用于計算機的各種信息輸入，是計算機信息的入口。要讓計算機執行指定的任
務，就必須向計算機提供相應的數據和信息，不同的輸入設備將不同的信息表現形式轉換成
計算機中惟一的信息表示形式(二進制編碼)進入計算機。
計算機的輸入設備種類很多，如鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、觸摸屏、數碼相機、攝像
頭、語音錄入裝置等，最常用的輸入設備是鍵盤和鼠標。
（
4）輸出設備
輸出設備的功能是把運算處理結果按照人們所要求的形式輸出，它是計算機信息的出口。
輸出設備將計算機中的二進制編碼信息轉換成人們需要的信息形式(如圖形、聲音等)表現出
來，使人們得以利用。
計算機的輸出設備種類也很多，如顯示器、打印機、繪圖儀、音響裝置等，最常用的輸
出設備是顯示器和打印機。
磁盤既是輸入設備，又是輸出設備。輸入/輸出設備，又稱為 I/O 設備。（
5）總線
計算機中的四大組成部件需要通過總線聯結在一起才能構成一個完整的硬件系統，總線
是連接 CPU、存儲器和外部設備的公共信息通道，通常由 3 部分組成：數據總線、地址總
線和控制總線。總線既可以單向傳送數據，也可以雙向傳送數據，并能在多個設備之間選擇
出惟一的源地址和目的地址。不能把總線只看作是多股導線，因為它還包括相應的控制和驅
動電路。
2. 計算機軟件系統
僅有硬件系統的計算機是無法工作的，必須為它編制出由一條條指令組成的程序，它才
能正常工作。實際在用戶面前的計算機系統是經過若干層軟件包裝的計算機，其功能的大小
與所配備的軟件的豐富程度有關。正是軟件使計算機成為無比強大的知識處理工具。
我們把計算機系統中的所有程序及相關的文檔稱為軟件。計算機的軟件系統就是為了運
行、管理、維護和使用計算機而編寫的各種程序(包括文檔)的總和。軟件是計算機的靈魂。
如果沒有計算機的軟件去指揮、協調計算機工作，計算機將是一堆廢鐵。
程序是為實現一定功能，用計算機程序設計語言所編制的語句的有序集合。文檔是描述
程序設計的過程及程序的使用方法的有關資料。在軟件的這兩種成分中，程序是可由計算機
執行的部分，文檔是不能執行的部分，在軟件的整個生命期內，這兩種成分缺一不可。
軟件系統按其功能可分為系統軟件和應用軟件兩大部分，如圖 1.5 所示。
（1）系統軟件
系統軟件是為有效利用計算機的資源、充分發揮計算機的工作潛力、保證正常運行、盡
可能方便用戶使用計算機而編制的軟件。常見的系統軟件主要有操作系統、各種語言處理程
序、連接裝配程序、系統實用程序、數據庫管理系統、計算機網絡軟件等。沒有這些軟件，
計算機將難以發揮其功能，甚至無法工作。
系統軟件具有兩個特點：一是通用性。即無論哪個應用領域的計算機用戶都要用到它們；
二是基礎性，即應用軟件要在系統軟件的支持下編寫和運行。
對于計算機應用人員來講，熟悉系統軟件的目的是為了更有效地開發應用軟件和編制應
用程序。
（
2）應用軟件
應用軟件是專業人員為各種目的而開發的程序，通常使用高級語言或使用生成工具來生
成。常見的應用軟件有辦公自動化軟件，管理信息系統、大型科學計算軟件包等。隨著計算
機的推廣與普及，應用軟件逐步地走向標準化、模塊化，并按功能組合成各種軟件包以方便
用戶。應用軟件必須在系統軟件的支持下工作。
應用軟件可分為兩大類：一類是不分業務、行業的公共應用軟件，另一類是按業務、行
業分類的。
總之，系統軟件是為機器和用戶提供一般服務的，它使計算機具有更強功能，更高效率，
使用起來更加方便。它由計算機廠家提供，基本上是與硬件相配套的，是處于計算機硬件與
用戶之間的軟件。應用軟件是為不同行業的用戶解決實際問題服務的。現代計算機不能沒有
系統軟件，否則，用戶無法有效地使用計算機；現代計算機也不能沒有應用軟件，否則它不
能解決實際應用領域中的任何問題。系統軟件能讓應用軟件與計算機配合，并同時幫助計算
機管理內部與外部的資源。人們主要與應用軟件進行交互，應用軟件與系統軟件進行交互，
系統軟件則主要用于控制管理硬件。
系統軟件有 3 個最基本的部分。
操作系統：在任何計算機系統中，操作系統都是系統軟件最核心主要的部分。
設備驅動程序：設備驅動程序幫助計算機控制外部設備。實用程序：實用程序通常用來支持、提高或擴展計算機系統中已有的程序。
此外，系統軟件中還包括語言翻譯工具。
操作系統
語言處理程序
系統軟件 數據庫管理程序
軟件編程支持程序
……
軟件系統
數值處理軟件
信息管理軟件
應用軟件 過程控制軟件
CAD/CAM/CAI 軟件
圖形圖像處理軟件
智能模擬軟件
各種行業應用軟件
圖 1.5 計算機軟件系統
設備驅動程序是一種特殊的軟件程序，用于運行外部設備。大多數的操作系統會識別常
用的外部設備，并自動選擇安裝合適的設備驅動程序，這樣在操作系統的管理下這些外部設
備正常工作。如果用戶的操作系統沒有識別出新的硬件，系統會顯示信息，提示用戶需要從
硬件自帶的 CD 或磁盤上安裝驅動程序。
實用程序也叫服務程序，是用來控制與分配計算機資源的。實用程序提高了系統軟件已
有的功能或添加了其他一些系統軟件程序不支持的服務。例如，我們常用的數據備份、磁盤
掃描檢查、文件壓縮、恢復丟失數據、系統安全管理軟件等都屬于這類服務程序。有時一些
實用程序也會被集成到操作系統中。
3．計算機系統中的軟硬件關系
綜上所述，計算機系統是硬件和軟件有機結合的整體，它們之間的關系體現在以下三個
方面：
（1）
互相依存 計算機硬件與軟件的產生與發展是相輔相成、互相促進的，二者密不
可分。硬件是軟件的基礎和依托，軟件是發揮硬件功能的關鍵，是計算機的靈魂。在實際應
用中無論缺少哪一部分，計算機都無法使用。
計算機中還有許多功能需要通過硬件、軟件配合來實現，如中斷保護，實現中斷屏蔽保
留現場，要有硬件，中斷的分析處理又要由軟件來完成。操作系統中的許多功能也都需要硬
件支持。
（
2）無嚴格功能界面
計算機的硬件與軟件雖然各有分工，但它們之間的功能界面是浮動的。隨著技術的發展，
功能既可由硬件實現，也可由軟件來完成。例如，乘法、除法既可以用硬件線路去做，也可
以用程序來實現。硬件和軟件的功能分配，隨時間不同、機型不同而異。通過二者的合理分配可以降低成本，改進性能和提高可靠性。
（
3）相互促進 無論從實際應用還是從計算機技術的發展看，計算機的硬件與軟件之
間都是相互依賴、相互影響、相互促進的。硬件技術的發展會對軟件提出新的要求，促進軟
件的發展；反之，軟件的發展又對硬件提出新的課題。
第四節 計算機中信息的存儲
一、進位計數制
1．數制的概念
數制是用一組固定的數字符號和統一約定的計數規則表示數目的方法。按照進位方式計
數的數制叫進位計數制。任何進制都有它生存的原因。人類的屈指計數沿襲至今，也就使得
日常生活中大都習慣采用十進制（10 個數字符號，計數規則是逢 10 進 1）。但是有些時候
也使用非十進制的計數方法。例如：計時采用六十進制，60 秒為 1 分，60 分為 1 小時；再
比如，24 小時為 1 天，是二十四進制。
要理解數制，必須先理解兩個概念：基數和位權，下面以十進制為例來說明。
基數指用該進制表示數時所用到的數字符號的個數。十進制數用 0、1、2、3、4、5、6、
7、8、9 共十個數字來表示大小不同的數，因而基數為 10。
每一個十進制數中的數字符號的所在位置叫數位，不同數位有不同的"位權"。位權是一
個以基數為底的指數，即 Ri，R 代表基數，i 是數位的序號。一般規定整數部分個位為 0，
十位為 1，……，依次增 1；小數部分小數點右面的第一位為－1，第二位為－2，……，依
次減 1。任何一種數制表示的數都可以寫成按位權展開的多項式之和。
例如：十進制數 1234.56，基數為 10，各數位對應的位權如下；
位權
103
102
101 100
10－1 10－2
數位的序號 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．常見的幾種數制
十進制：基數為 10，10 個記數符號，0、1、2、……9。 每一個數碼符號根據它在這個
數中所在的位置(數位)，按“逢十進一”來決定其實際數值。
二進制：基數為 2，2 個記數符號，0 和 1。每個數碼符號根據它在這個數中的數位，按
“逢二進一”來決定其實際數值。
八進制：基數為 8，8 個記數符號，0、1、2、……7。每個數碼符號根據它在這個數中
的數位，按“逢八進一”來決定其實際的數值。
十六進制：基數為 16，16 個記數符號，0-9，A，B，C，D，E，F。其中 A～F 對應十
進制的 10～15。每個數碼符號根據它在這個數中的數位，按“逢十六進一”決定其實際的
數值。
二、 二進制和計算機內的數據表示
1．二進制的特點
二進制并不符合人們的習慣，但是計算機內部仍采用二進制表示信息，其主要原因有以
下四點：
(1)表示數據的物理器件簡單計算機是由邏輯電路組成，邏輯電路通常只有兩個狀態。例如，開關的接通與斷開，晶
體管的飽和與截止，電壓電平的高與低等。這兩種狀態正好用來表示二進制數的兩個數碼 0
和 1。
(2)工作可靠
兩個狀態代表的兩個數碼在數字傳輸和處理中不容易出錯，因而電路更加可靠。
(3)簡化運算
二進制運算法則簡單。例如，求積運算法則只有 3 個。而十進制的運算法則(九九表)對
人來說雖習以為常，但是讓機器去實現就是另一回事了。
(4)邏輯性強
計算機的工作是建立在邏輯運算基礎上的，邏輯代數是邏輯運算的理論依據。有兩個數
碼，正好代表邏輯代數中的“真”與“假”。
2．數據的單位
計算機中采用的是具有兩種穩定狀態的觸發器，因此用二進制來表示信息，所以計算機
中數據存儲的最小單位是一個二進制位，通常叫作比特（bit）。在實際應用中常把八個連
續的二進制位作為信息存儲和處理的單位，稱為字節（byte），用 B 表示。由于計算機存儲
和處理的信息量很大，因此，人們也常用千字節（KB）、兆字節（MB）、千兆字節（GB）
和兆兆字節（TB）作為度量單位，它們的換算關系是：
1B=8bit
1KB=1024B=210 B 1KB=1024 字節，“K”的意思是“千”
1MB=1024KB=210KB=220 B=1024×1024B 1MB=1024KB 字節，“M”讀“兆”。
1GB=1024MB=210MB=230 B=1024×1024KB 1GB=1024MB 字節，“G”讀“吉”。
1TB=1024GB=210GB=240 B=1024×1024MB 1TB=1024GB 字節，“T”讀“太”。
要注意比特位與字節的區別：比特是計算機中最小數據單位，字節是計算機中基本信息
單位。
3．不同形式數據在計算機中的表示
(1)數值數據的表示
數值數據有大小和正負之分。無論多大的數，正數還是負數，在計算機中只能用 0 和 l
來表示。顯然，一個 bit 所能表示范圍是有限的，最大只能表示 1，要想表示更大的數，就
得把多個 bit 作為一個整體按照進位規則來描述一個數。例如，用兩個字節表示一個整數，
用四個字節表示一個實數等。至于數的正負號，通常在二進制數的最前面規定一個符號位，
若是 l 就代表是正數，若是 0 就代表負數。
(2)字符數據的表示
人們使用計算機的基本手段是通過鍵盤與計算機交互，從鍵盤上敲入的各種命令和數據
都是以字符形式體現的。然而，計算機只能存儲二進制數，這就需要對字符數據進行編碼，
并由機器自動轉換為二進制形式存入計算機。下面介紹幾種在計算機應用中經常使用的編碼。
ASCII 碼：ASCII 碼是英文 American Standard Code for lnformation Interchange 的縮寫，
意為“美國標準信息交換代碼”。該編碼已被國際標準化組織采納，作為國際通用的信息交
換標準代碼。ASCII 碼用七位二進制數表示一個字符，由于 27=128，所以共有 128 種不同組
合，可以表示 128 個不同的字符。其中包括：數碼 0～9，英文大小寫字母，運算符號、標
點符號和控制符號等。
國家標準漢字編碼：國家標準漢字編碼簡稱“國標碼”，規定一個漢字用兩個字節表示。
漢字輸入碼：漢字輸入方法很多，如區位，拼音，五筆字型等。不同輸入法有自己的編
碼方案，方案統稱為輸入碼。輸入碼進入機器后必須轉換為機內碼進行存貯和處理。漢字字形碼：漢字字形碼是一種用點陣表示漢字字形的編碼，是漢字的輸出形式。它把
漢字按字形排列成點陣，常用的點陣有 16x16、24x24、32x32 或更高。一個 16x16 點陣的漢
字字形要占用 32 個字節，24x24 點陣要占用 72 個字節……。可見漢字點陣的信息量是非常
大的。所有不同的漢字字體、字號的字形構成漢字庫，一般存儲在硬盤上，當要顯示輸出時
才調入內存，檢索到要輸出的字形送到顯示器輸出。
(3)圖像的表示
一幅圖像可認為是由一個個像點構成的，每個像點必須用若干二進制位表示現實世 界
五彩繽紛的顏色。將圖像分解為一系列像點、每個點用若干 bit 表示時，這幅圖像就數字化
了，我們把這樣的圖像表示形式叫位圖。數字圖像數據量特別巨大，假定畫面上有 150000
個點，每個點用 24 個 bit 來表示，則這幅畫面就要占用 450000 個字節。如果希望在顯示器
上播放視頻 25 幀畫面，相當于 1125000 個字節的信息量。因此，進行圖像處理對計算機要
求是很高的。
除了可以用象素點的位圖形式表示圖像外，還可以用矢量圖表示圖形。
(4)聲音的表示
聲音是一種連續變化的模擬量，我們可以通過“模／數”轉換器對聲音信號按固定的時
間進行采樣，把它變成數字量，一旦轉變成數字形式，便可把聲音存儲在計算機中并進行處
理了。
本章內容要點
1． 信息是事物運動的狀態和方式，它的基本功能是消除認識上的不確定性。信息的
基本特性主要有普遍性、依附性、傳遞性、共享性、可處理性和價值相對性等。信息技術是
指與獲取、加工、存儲、傳輸、表示和應用信息技術有關的技術。現代信息技術包含 3 個層
次的內容：信息基礎技術、信息系統技術和信息應用技術。
2．
現代計算機的理論模型是圖靈機，而馮·諾依曼機則奠定了現代計算機的設計基礎。
馮·諾依曼型計算機的兩大特征是“程序存儲”和“采用二進制”。
3．
電子計算機具有 5 個特點，按照使用的元器件劃分發展經歷了四代。計算機系統由
硬件和軟件系統構成，軟件和硬件有機結合，互為依存。
4．計算機中的信息是采用編碼形式存儲的，二進制和二進制碼是當前計算機內部信息
表示的基礎。
習題
一、選擇題
1. 信息的作用和功能是通過它的（ ）性來體現的。
A. 普遍性 B. 可處理性 C. 共享性 D. 依附性
2．電子數字計算機 ENIAC 研制成功的時間是（ ） 年。
A. 1936 B. 1946 C. 1956 D. 1970
3. 計算機的發展階段通常是按計算機所采用的 ( ) 來劃分的。
A. 內存容量 B. 邏輯元件 C. 程序設計語言 D. 操作系統4．從第一代電子計算機到第四代計算機的體系結構都是相同的，都是由運算器、控制器、
存儲器以及輸入/輸出設備組成的，稱為 ( ) 體系結構。
A. 圖靈 B. 比爾·蓋茨 C. 馮·諾依曼 D. 諾依斯
5．一個完整的計算機系統應該包括 ( ) 。
A. 系統軟件和應用軟件 B. 計算機及其外部設備
C. 硬件系統和軟件系統 D. 系統硬件和系統軟件
6．計算機應用廣泛，而其應用最廣泛的領域是 ( ) 。
A. 科學與工程計算 B. 數據處理與辦公自動化
C. 輔助設計與輔助制造 D. 信息采集與過程控制
7．計算機硬件系統中最核心的部件是 ( ) 。
A. 主存儲器 B. CPU C. 磁盤 D. 輸入/輸出設備
8．計算機的主存儲器一般由 ( ) 組成。
A. ROM 和 RAM B. RAM 和磁盤 C. RAM 和 CPU D. ROM
9. 計算機的主存儲器比輔存儲器 （ ） 。
A．存儲容量大 B. 價格便宜 C. 存儲可靠性高 D. 讀寫速度快
10. 我們通常說的（ ）碼是指美國標準信息交換代碼
A．位圖 B. ASCII C. BCD D. 字形碼
二、簡答題
1． 信息的應用特性包括哪些方面？
2． 簡述現代信息技術的三個層次內容？
3． 計算機系統由哪兩部分組成，它們之間的關系如何？
4． 簡述存儲程序控制的基本原理？
三、分析與思考
1.上網收集有關計算機歷史資料，整理一份關于個人計算機發展的歷史資料。制作一個
小報告，講解在這段歷史中個人計算機的發展歷程以及其中的主要人物的貢獻，思考為什么
這些人能有所成就，他們都有一些什么特質？
2.上網了解電子計算機對現代生活的影響，分析帶來的利弊，討論如何用好信息技術。
3. “軟件”術語是 John Tukey 創造的，那么 John Tukey 是誰？他是否還創造了其他重
要的計算機術語？使用這個名字進行關鍵字搜索有關中英文資料，寫一個他的生平與成就短
文。