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1.信息技术发展史

（1）信息技术的概念

信息技术是指获取、表示、传输、存储和加工信息的各种技术总和。信息技术的发展，从最初的语言、文字的出现，到造纸术和活字印刷术的发明，再到电报、电话、广播和电视的出现，最后发展到以通信技术、计算机技术为核心的现代信息技术。

信息技术包括通信技术、计算机技术、多媒体技术、自动控制技术等，计算机技术是其中一个重要组成部分。计算机从诞生以来就不停地为人们处理大量的信息，随着计算机技术的不断发展，计算机处理信息的能力也在不断加强。现在计算机已经深入人类社会生活的各个方面。现代信息技术一刻也离不开计算机技术。

（2）计算机的发展

①计算机的诞生及发展过程

1946年，世界上第一台通用电子数字积分计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。ENIAC 的主要元件是电子管，每秒可完成5000次加法运算，300多次乘法运算，比当时运算最快的计算工具要快300倍。ENIAC重30多吨，占地约170m²，采用了18000多个电子管、1500多个继电器、70000多个电阻和10000多个电容，功率为150kW。如图1-1所示。

图1-1 ENIAC

虽然ENIAC的体积庞大，性能不佳，但它的出现具有划时代的意义，开创了电子技术发展的新时代--计算机时代。

同一时期，ENIAC 项目组的一个美籍匈牙利研究人员冯·诺依曼开始研制离散变量自动电子计算机( Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC），该计算机是当时运算最快的计算机，其主要设计理论是二进制和存储程序方式，因此人们把该理论称为冯·诺依曼体系结构，并沿用至今，冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。

从第一台计算机 ENIAC 诞生至今的几十年，计算机技术成为发展最快的现代技术之一，根据计算机所采用的物理器件，可以将计算机的发展划分为4个阶段，如表1-1所示。

表1-1计算机发展的4个阶段

②计算机的分类

计算机的种类非常多，划分的方法也有很多种。

按计算机的用途，计算机可分为专用计算机和通用计算机两种。其中，专用计算机是指为适应某种特殊需要而设计的计算机，如计算导弹弹道的计算机等。因为这类计算机都增强了某些特定功能，忽略了一些次要要求，所以有高速度、高效率、使用面窄和专机专用的特点。通用计算机广泛应用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等领域，具有功能多、配置全、用途广和通用性强等特点，目前市场上销售的计算机大多属于通用计算机。

按计算机的性能、规模和处理能力，计算机可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5类，具体介绍如下。

巨型机，也称超级计算机或高性能计算机，是运算速度最快、处理能力最强的计算机，是为少数部门的特殊需要而设计的。通常，巨型机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，现有的巨型机运算速度大多可以达到每秒一万亿次。2014年6月，在德国莱比锡市发布的世界超级计算机 500 强排行榜上，中国超级计算机系统“天河二号”位居榜首，其浮点运算速度达到每秒 33.86 千万亿次。中国新一代百亿亿次超级计剿“天河三号”于 2018 年正式上线投用，2022 年入选国际超算组织“TOP500”榜单。可以看出，如今我国在计算机、芯片领域已取得了显著成就。如图1-2所示。

图1-2  巨型机

l  大型机，也称大型主机，其特点是运算速度快、存储量大和通用性强，主要针对计算量大、信息流通量多、通信能力强的用户，如银行、政府部门和大型企业等。目前，生产大型机的公司主要有 IBM 等。

l  中型机，中型机的性能低于大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业。

l  小型机，小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于微型机和大型机之间。小型机的特点是结构简单、可靠性高和维护费用低，常用于中小型企业。随着微型机的飞速发展，小型机最终被微型机取代的趋势已非常明显。

l  微型机，微型机是应用最普及的机型，占了计算机总数中的绝大部分，而且价格低、功能齐全被广泛应用于机关、学校、企事业单位和家庭。微型机按结构和性能可以划分为单片机、单板机、个人计算机(PC）、工作站和服务器等。其中，个人计算机（PC）又包括多种类型，如台式计算机、笔记本电脑、一体机、平板电脑等，如图 1-3所示。

台式计算机	笔记本电脑
一体电脑	平板电脑

图 1-3 PC机常见类型

工作站是一种高端的通用微型机，它可以提供比个人计算机更强大的性能，通常配有高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，并具有极强的信息和高性能的图形、图像处理功能，主要用于图像处理和计算机辅助设计领域。服务器是提供计算服务的设备，它可以是大型机、小型机或高档微型机，在网络环境下，根据服务器提供的服务类型不同，可分为文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和 Web 服务器等。

③计算机的发展趋势

从计算机的发展历史来看，计算机的体积越来越小、耗电量越来越小、速度越来越快、性能越来越高、价格越来越低、操作越来越容易。

未来计算机的发展呈现出巨型化、微型化、网络化和智能化4个趋势。

l  巨型化，巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更强大和可靠性更高。巨型化计算机的应用范围主要包括天文、天气预报、军事和生物仿真等，这些领域需进行大量的数据处理和运算，需要性能强的计算机才能完成。

l  微型化，随着超大规模集成电路的进一步发展，个人计算机将更加微型化。膝上型、书本型、笔记本型和掌上型等微型化计算机将不断涌现，并受到越来越多的用户的喜爱。

l  网络化，随着计算机的普及，计算机网络也逐步深入人们工作和生活的各个方面。通过计算机网络，人们可以连接地球上分散的计算机，然后共享各种分散的计算机资源。计算机网络逐步成为人们工作和生活中不可或缺的事物，计算机网络化可以让人们足不出户就能获得大量的信息以及与世界各地的人们进行通信、网上贸易等。

智能化，早期，计算机只能按照人的意愿和指令处理数据，而智能化的计算机能够代替人的脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人的语言、能看懂各种图形、可以自己学习等，即计算机可以进行知识的处理，从而代替人的部分工作。未来的智能化计算机将会代替甚至超越人类某些方面的脑力劳动。

计算机中最重要的核心部件是芯片，未来新一代计算机芯片技术是推动计算机未来发展的动力。英特尔(Intel）公司的创始人之一戈登·摩尔在 1965 年预言了计算机集成技术的发展规律，就是每 18 个月在同样面积的芯片中集成的晶体管数量将翻一番，而成本将下降一半。

几十年来，计算机芯片的集成度严格按照摩尔定律进行发展，不过该技术的发展并不是无限的。因为计算机采用电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是原子，一个原子的直径大约等于 1nm，目前芯片的制造工艺已经达到了 5nm 甚至更小，也就是说一条传输流的导线的直径即5个原子并排的长度。那么最终晶体管的尺寸将接近纳米级，即达到一个原子的直径长度。但是这样的电路是极不稳定的，因为电流极易造成原子迁移，电路也会中断。

由于晶体管计算机存在上述物理极限，因而世界上许多国家在很早的时候就开始了各种非晶体管计算机的研究，如超导计算机、生物计算机、光子计算机和量子计算机等，这类计算机也被称为第五代计算机或新一代计算机，它们能在更大程度上仿真人的智能，这类技术是目前世界各国计算机发展技术研究的重点。

2.      计算机中信息的表示和存储

在计算机中，各种信息都是以数据的形式出现的。计算机中处理的数据可分为数值数据和非数值数据(如字母、汉字和图形等）两大类，无论什么类型的数据，在计算机内部都是以二进制的形式进行存储和运算。计算机在与外部交流时会采用人们熟悉和便于阅读的形式表示数据，如十进制数、文字和图形等，它们之间的转换则由计算机系统来完成。

(1)数制及其转换

①计算机中常用的数制

数制是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。其中，按照进位方式计数的数制称为进位计数制。计算机中常用的进位计数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。

十进制(Decimal）

十进制数有10个不同的数码，分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。其运算规则为“逢十进一”。

二进制(Binary）

二进制数有2个不同的数码，分别为0、1。其运算规则为“逢二进一”。

八进制(Octal）

八进制数有8个不同的数码，分别为0、1、2、3、4、5、6、7。其运算规则为“逢八进一”。

十六进制(Hexadecimal）

十六进制数有16个不同的数码，分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。其运算规则为“逢十六进一”。

进位计数制中每个数码的数值不仅取决于数码本身，还取决于该数码在数中的位置，如十进制数 828.41，整数部分的第1个数码“8”处在百位，表示 800，第2 个数码“2”处在十位，表示 20，第3个数码“8”处在个位，表示8，小数点后第 1个数码“4”处在十分位，表示 0.4，小数点后第 2 个数码“1”处在百分位，表示 0.01。也就是说，数码处在不同位置所代表的数值是不同的，数码在一个数中的位置称为数制的“数位”。数制中数码的个数称为数制的“基数”，十进制数有 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 共 10 个数码，其基数为 10。在每个数位上的数码所代表的数值等于该数位上的数码乘以一个固定值，该固定值称为数制的“位权”，简称“权”。如十进制数828.41可写成：

8×10² 2×10¹ 8×10⁰ 4×10^-1×10^-2

上式为数值按位权展开的表达式(按权展开式），其中的10ⁱ 即为不同数位上的权值。

②不同数制间的转换

l  非十进制数转换为十进制数

采用按权展开的方法。

例1:将二进制数1110转换成十进制数。

(1110）₂=1×2³ 1×2² 1×2¹ 0×2⁰=(14）₁₀

例2:将八进制数 123 转换成十进制数。

(123）₈=1×8²-2×8¹ 3×8⁰=(83）₁₀

例3:将十六进制数2BA 转换成十进制数。

(2BA）₁₆=2×16² 11×16¹ 10×16⁰=(698）₁₀

l  十进制数转换为其它进制数

整数部分采用“除R取余倒读法”，小数部分采用“乘R取整正读法”，R为基数。以十进制数(123.48）₁₀转换为二进制数为例进行讲解。

A.整数部分的转换(除2取余倒读法）

所以，(123）₁₀=(1111011）₂

B.小数部分的转换(乘2取整正读法）

所以，(0.48）₁₀=(0.01111）₂

将整数部分和小数部分转换的结果组合起来，得到的最终结果如下：

(123.48）₁₀=(1111011.01111）₂

l  非十进制数之间的转换

由于二进制、八进制、十六进制之间存在着特殊的对应关系，即2³=8，2⁴=16，所以每3为二进制数对应1位八进制数，每4位二进制数对应1位十六进制数。

A.二进制数与八进制数的相互转换

因为每3位二进制数对应1位八进制数，所以二进制数转换成八进制数的方法如下:以小数点为基准，整数部分从右向左3位一组，最高位不足3位时，左边添0补足3位；小数部分从左向右3位一组，最低位不足3位时，右边添0补足3位；将每组的3位二进制数用相应的八进制数表示即可得到八进制数。现将二进制数(10011.0101）₂，转换成八进制数，不足3位的组合在其对应位置加0，其转换方法如下。

 所以，(10011.0101）₂=(23.24）₈

八进制数转换成二进制数的方法如下:将每一位八进制数用3位对应的二进制数表示，转换时不够3位的，可在该数的左边用0补足3位。

例如，将八进制数(217.36)₈转换为二进制数的方法如下。

所以，(217.36）₈=(10001111.011110）₂

B.二进制数与十六进制数的相互转换

因为二进制数的基数是2，而十六进制数的基数是16，所以4位二进制数对应一位十六进制数。

二进制数转换成十六进制数的方法如下:以小数点为基准，整数部分从右向左4位一组，最高位不足4位时，左边添0补足4位，小数部分从左向右4位一组，最低位不足4位时，右边添0补足4位；将每组的4位二进制数用相应的十六进制数表示，即可得到十六进制数。

例如，将二进制数(1011011.0111101)₂，转换成十六进制数的方法如下。

十六进制数转换成二进制数的方法如下：将每一位十六进制数用4位对应的二进制数表示。

例如，将十六进制数(4F.A9）转换成二进制数的方法如下。

所以，(4F.A9)₁₆=(1001111.10101001)₂。

从以上讨论可知，二进制数与八进制数、十六进制数的转换比较简单、直观。因此，在程序设计的过程中，开发者通常将书写起来很长且容易出错的二进制数用简洁的十六进制数表示。

(2)计算机中的信息编码

各种信息交由计算机处理前必须转换成二进制数，将信息转换成二进制数的过程称为信息编码，汉字也必须转换成二进制数才能被计算机识别、处理。

①数字编码

在数字系统中，一般采用二进制数进行运算。但是由于人们习惯使用十进制，因此，需要采用编码的方法用一组二进制码来表示1位十进制数。

8421BCD码是一种使用最广泛的数字编码，每位十进制数用4位二进制编码来表示。如表1-2所示。

表1-2 8421（BCD）编码

8421BCD码是一种有权码。权是指权值，其各位的权分别为(从最高有效位到最低有效位）8、4、2、1。

例:写出十进制数563.97D对应的8421BCD码。

解:563.97D=(010101100011.10010111）8421BCDo

例:写出8421BCD码1101001.01011对应的十进制数。

解:(1101001.01011）8421BCD=(01101001.01011000）8421BCD=69.58D。

②西文字符编码

在计算机中对字符进行编码，通常采用ASCII和Unicode两种编码。

ASCII(美国信息交换标准码）是一种常用的字符编码，使用7位二进制数表示1个字符。它是国际通用的信息交换标准代码，主要用于在信息技术设备中表示英文、数字等字符。如，字母A的ASCII码为二进制数1000001，对应十进制数65。

Unicode也是一种国际标准代码，采用两个字节编码，能够表示世界上所有书写语言中可能用于计算机通信的文字和其它符号。目前，Unicode在网络、Windows和大型软件中得到应用。

③汉字编码

用计算机处理汉字时，必须先将汉字代码化。由于汉字种类繁多，编码比较困难，而且在一个汉字处理系统中，输入、内部处理、输出对汉字代码的要求不尽相同，所以用的代码也不相同。

将汉字转换成计算机能够接收的0、1组合的编码，称为汉字输入码。输入码进入计算机后必须转换成汉字机内码，若想显示、打印汉字，则需要将机内码转换成汉字字形码。《信息交换用汉字编码字符集基本集》是收录多个汉字编码的字符集，能够满足使用计算机处理汉字的需求。表1-3所示为汉字编码示例表。

表1-3 汉字编码示例表

（3）计算机中的数据存储单位

计算机存储数据时，通常要涉及以下2种数据单位。

① 位(bit，b）。计算机中的数据都以二进制码来表示。二进制码只有0和1两个数码，需采用多个数码(0和1的组合）来表示一个数，其中每一个数码称为一位。如二进制数10010011的位数是8位。位是计算机中最小的数据单位。

② 字节(Byte，B）。字节是计算机中组织和存储信息的基本单位，也是计算机体系结构的基本单位。在存储二进制数据时，以8位二进制码为一个单元存放在一起，称为1字节，即1Byte=8bit。

在计算机中，通常以B、KB(千字节）、MB(兆字节）、GB(吉字节）或TB(太字节）为单位来表示存储器(如内存、硬盘和U盘等）的存储容量或文件的大小。存储单位B、KB、MB、GB和TB间的换算关系如下。

1KB(千字节）=1024B(字节）=2¹⁰B(字节）；

1MB(兆字节）=1024KB(千字节）=2²⁰B(字节）；

1GB(吉字节）=1024MB(兆字节）=2³⁰B(字节）；

1TB(太字节）=1024GB(吉字节）=2⁴⁰B(字节）。

如，某文件的大小为32KB，某计算机内存容量为16GB等。

3.计算机基本结构

1945年，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出了一个“存储程序式”微型计算机方案，这个方案包含以下3个要点。

①采用二进制数的形式表示数据和指令。

②）将指令和数据存放在存储器中。

③ 微型计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

根据这一方案制造的计算机被称为冯·诺依曼体系结构的计算机。直到现在，尽管各种计算机在性能和用途等方面有所不同，但是其基本结构都遵循冯·诺依曼体系结构。

冯·诺依曼型计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分组成，这5个组成部分的职能和相互关系如图 1-4所示。从图 1-4 中可知，计算机工作的核心是控制器、运算器和存储器3个部分。其中，控制器是计算机的指挥中心，它根据程序执行每一条指令，并向存储器、运算器及输入/输出设备发出控制信号，控制计算机自动地、有条不紊地进行工作；运算器是在控制器的控制下对存储器里所提供的数据进行各种算术运算(加、减、乘、除 ）、逻辑运算(与、或、非）和其他处理(存数、取数等 ），控制器与运算器构成了中央处理器(Central Processing Unit，CPU），被称为“计算机的心脏”；存储器是计算机的记忆装置，它以二进制的形式存储程序和数据，可以分为内存储器和外存器器，内存储器是影响计算机运行速度的主要结构之一，外存储器主要有硬盘、光盘、 U盘等，存储器中能够存放的最大信息数量称为存储容量，常见的存储单位有 KB、MB、GB 和 TB 等。输入设备是计算机中重要的人机接口，用于接收用户输入的命令和程序等信息，并负责将命令转成计算机能够识别的二进制代码，并放入内存中，输入设备主要包括键盘、鼠标等。输出设备用于将计算机处理的结果以人们可以识别的信息形式输出，常用的输出设备有显示器和打印机等。

根据冯·诺依曼体系结构，计算机内部以二进制的形式表示和存储指令及数据，要让计算机工作就必须先把程序编写出来，然后将编写好的程序和原始数据存入存储器中，接下来计算机在不需要人干预的情况下，自动逐条读取并执行指令。因此，计算机只能执行指令并被指令控制。

指令是指挥计算机工作的指示和命令，程序是一系列按一定顺序排列的指令。每条指令通常由操作码和操作数两部分组成，操作码表示运算性质，操作数指参与运算的数据及其所在的单元地址。执行程序和指令的过程就是计算机的工作过程。