新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

普通高等院校“十四五”規(guī)劃教材

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

????程雷◎主?編

楊金相?韓彥龍◎副主編

內(nèi)容簡介

本書結(jié)合教育部編制的《高等職業(yè)教育?？菩畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2021年版）》和上

海市教委提出的上海市高等學(xué)校信息技術(shù)課程的改革方案，組織本校有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師

進(jìn)行編寫。書中重點(diǎn)講述了信息技術(shù)與計(jì)算思維、Windows操作系統(tǒng)、辦公軟件的應(yīng)用、

數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字媒體技術(shù)、數(shù)字媒體集成等內(nèi)容。本書一方面嚴(yán)格依據(jù)《上海

市高等學(xué)校信息技術(shù)水平（一級）〈大學(xué)信息技術(shù)+數(shù)字媒體基礎(chǔ)〉考試大綱（2021年版）》

編寫，強(qiáng)調(diào)以考促教、以考促學(xué)；另一方面結(jié)合職業(yè)教育和課程思政的理念，在努力提

升學(xué)生信息素養(yǎng)的同時(shí)，強(qiáng)化信息技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，同時(shí)也充分考慮了學(xué)情特點(diǎn)和

就業(yè)崗位的需求。

本書適合作為普通高等院校和高職高專信息技術(shù)基礎(chǔ)課程的教材，也可作為社會人

員學(xué)習(xí)信息技術(shù)的培訓(xùn)教材或相關(guān)人員的自學(xué)用書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)/程雷主編.—北京：中國鐵道

出版社有限公司，2022.9

普通高等院?！笆奈濉币?guī)劃教材

ISBN978-7-113-29522-6

Ⅰ.①新…Ⅱ.①程…Ⅲ.①電子計(jì)算機(jī)-高等學(xué)校-教材

Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2022）第143524號

書名：新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

作者：程雷

策劃：曹莉群?侯?偉??????????編輯部電話：（010）63549508

責(zé)任編輯：陸慧萍

封面設(shè)計(jì)：劉穎

責(zé)任校對：孫玫

責(zé)任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網(wǎng)址：/51eds/

印刷：三河市國英印務(wù)有限公司

版次：2022年9月第1版2022年9月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：18字?jǐn)?shù)：483千

書號：ISBN978-7-113-29522-6

定價(jià)：49.00元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報(bào)電話：（010）63549461

目錄

前言

當(dāng)前我們已經(jīng)步入了信息時(shí)代，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和

區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，信息技術(shù)的應(yīng)用已滲透到人類社會生活的方方

面面，極大地影響和改變著我們的學(xué)習(xí)、工作和生活。

為了能提升當(dāng)代大學(xué)生的信息素養(yǎng)、強(qiáng)化大學(xué)生信息技術(shù)的應(yīng)用能力，尤其是高

職學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)技能，教育部于2021年4月正式發(fā)布了《高等職業(yè)教育?？?/p>

信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2021年版）》，其中強(qiáng)調(diào)了信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，主要包括

信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化創(chuàng)新與發(fā)展、信息社會責(zé)任四個(gè)方面。

2018年在上海市教育委員會高等教育處指導(dǎo)下成立了上海高校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改

革課題組，明確了深化大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革，全面提升大學(xué)生信息素養(yǎng)的改革方向，

并于2021年公布了《上海市高等學(xué)校信息技術(shù)水平考試（一級）考試大綱（2021年

版）》。為了結(jié)合當(dāng)前高職高專的學(xué)情特點(diǎn)和職業(yè)教育的需要，經(jīng)過多方調(diào)研和論

證，我們在2016年編寫的《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》的基礎(chǔ)上，重新組織多位教學(xué)一線的老

師，充分利用他們的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新的考試大綱和新的發(fā)展趨勢進(jìn)行新版教材

的編寫。

本書立足于新大綱，適用于大學(xué)“信息技術(shù)”課程，目的是要讓學(xué)生不僅了解相

關(guān)信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)、實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢，同時(shí)強(qiáng)調(diào)“理論夠用、突出實(shí)用、達(dá)

到會用”的原則，著力解決當(dāng)前教學(xué)中存在的“內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、理論多、應(yīng)用少”

的矛盾，堅(jiān)持以職業(yè)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，側(cè)重技能的培養(yǎng)。

全書共分6章，第1章介紹了信息技術(shù)的一些基礎(chǔ)理論、發(fā)展趨勢和新一代信息

技術(shù)；第2章介紹了利用操作系統(tǒng)進(jìn)行文件資料的管理；第3章以MicrosoftOf?ce

2016為例，介紹了如何運(yùn)用辦公軟件進(jìn)行辦公數(shù)據(jù)的處理；第4章介紹了數(shù)據(jù)通信

與網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)的一些基礎(chǔ)知識；第5章介紹了數(shù)字媒體的一些基本概念，并利用

相關(guān)的軟件進(jìn)行音頻、圖像、動(dòng)畫和視頻等的處理；第6章介紹了利用Web技術(shù)進(jìn)

行數(shù)字媒體的集成。

I

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

本書由程雷任主編，楊金相、韓彥龍任副主編。在整個(gè)編寫過程中，得到了楊欣、

游婷、任曉康、張竹梅、張丹鳳、周丹妮、王穎慧、干書娟、徐德新等老師的大力支持，

同時(shí)也得到了上海工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院、石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。

由于水平和經(jīng)驗(yàn)的不足，加之信息技術(shù)及行業(yè)發(fā)展迅速，書中難免存在一些疏漏

與不妥之處，歡迎有關(guān)專家、同行和讀者批評指正。

編者

2022年6月

II

目錄

目錄

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維1小結(jié)47

習(xí)題47

1.1信息技術(shù)概述1

1.1.1信息和數(shù)據(jù)1第2章Windows.操作系統(tǒng)51

1.1.2信息技術(shù)的發(fā)展22.1常見操作系統(tǒng)51

1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展32.1.1Windows操作系統(tǒng)51

1.1.4現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)容62.1.2Linux操作系統(tǒng)53

1.2計(jì)算機(jī)技術(shù)72.1.3Mac操作系統(tǒng)53

1.2.1計(jì)算機(jī)組成和工作原理82.1.4移動(dòng)端操作系統(tǒng)54

1.2.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示122.2文件資源管理56

1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成172.2.1文件和文件類型56

1.2.4智能手機(jī)系統(tǒng)242.2.2文件資源管理器57

1.2.5嵌入式系統(tǒng)252.2.3文件和文件夾的管理60

1.3信息技術(shù)的新發(fā)展262.2.4庫64

1.3.1云計(jì)算262.3系統(tǒng)設(shè)置與管理65

1.3.2物聯(lián)網(wǎng)282.3.1操作環(huán)境設(shè)置65

1.3.3大數(shù)據(jù)302.3.2硬件資源的管理68

1.3.45G通信332.3.3系統(tǒng)備份與恢復(fù)71

1.3.5人工智能342.3.4幫助系統(tǒng)的使用72

1.3.6區(qū)塊鏈382.4應(yīng)用程序管理73

1.4信息安全與安全措施412.4.1查看系統(tǒng)配置73

1.4.1相關(guān)概念412.4.2應(yīng)用程序的安裝74

1.4.2信息安全的隱患412.4.3應(yīng)用程序的管理74

1.4.3信息的安全措施422.4.4啟動(dòng)或關(guān)閉Windows功能75

1.5計(jì)算思維與信息素養(yǎng)432.5實(shí)用工具應(yīng)用75

1.5.1計(jì)算思維432.5.1記事本76

1.5.2信息素養(yǎng)442.5.2計(jì)算器76

1.5.3信息道德452.5.3WinRAR76

I

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

小結(jié)774.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)149

習(xí)題774.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述149

第3章辦公軟件的應(yīng)用814.2.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議151

4.2.3局域網(wǎng)基礎(chǔ)152

3.1辦公軟件概述81

4.2.4常用的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備155

3.1.1MicrosoftOf?ce81

4.2.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展157

3.1.2Of?ce36582

4.3互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)與應(yīng)用159

3.1.3WPSOf?ce82

4.3.1互聯(lián)網(wǎng)概述159

3.1.4其他辦公軟件83

4.3.2IP地址和域名162

3.2Word文檔處理84

4.3.3互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用166

3.2.1文檔的基本操作84

4.4網(wǎng)絡(luò)安全與防護(hù)171

3.2.2文檔格式的編排88

4.4.1網(wǎng)絡(luò)安全概述171

3.2.3對象的插入與設(shè)置93

4.4.2網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)172

3.2.4表格的插入與設(shè)置98

4.4.3網(wǎng)絡(luò)安全法律法規(guī)176

3.2.5文檔的高級應(yīng)用101

小結(jié)177

3.3Excel電子表格處理104

習(xí)題177

3.3.1電子表格的基本操作104

3.3.2公式與函數(shù)的應(yīng)用112第5章數(shù)字媒體技術(shù)181

3.3.3工作表的格式化1145.1數(shù)字媒體概述181

3.3.4數(shù)據(jù)圖表化1185.1.1媒體和數(shù)字媒體181

3.3.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與管理1205.1.2數(shù)字媒體技術(shù)182

3.4PowerPoint演示文稿制作1255.1.3數(shù)字媒體系統(tǒng)的組成186

3.4.1演示文稿的基本操作1255.1.4數(shù)字媒體的應(yīng)用190

3.4.2幻燈片的風(fēng)格設(shè)計(jì)1295.2聲音處理192

3.4.3動(dòng)畫與效果1325.2.1數(shù)字聲音基礎(chǔ)192

3.4.4放映設(shè)置與分發(fā)1345.2.2AdobeAudition基本使用196

小結(jié)1385.2.3語音合成與識別技術(shù)200

習(xí)題1385.3圖像處理203

第4章數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)網(wǎng)1425.3.1數(shù)字圖像基礎(chǔ)203

5.3.2Photoshop的基本使用206

4.1數(shù)據(jù)通信技術(shù)142

5.3.3Photoshop圖像處理211

4.1.1數(shù)據(jù)通信的常用術(shù)語142

5.3.4圖像識別與圖像檢索217

4.1.2常用傳輸介質(zhì)143

5.4動(dòng)畫制作220

4.1.3數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)145

5.4.1動(dòng)畫的基本概念220

4.1.4常用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)146

5.4.2Animate的基本使用221

II

目錄

5.4.3Animate動(dòng)畫制作2256.2Dreamweaver網(wǎng)頁設(shè)計(jì)256

5.5視頻處理2366.2.1Dreamweaver操作環(huán)境257

5.5.1數(shù)字視頻基礎(chǔ)2366.2.2站點(diǎn)的創(chuàng)建和管理259

5.5.2數(shù)字視頻編輯2406.2.3頁面屬性和布局261

小結(jié)2446.2.4網(wǎng)頁元素的集成267

習(xí)題2446.2.5表單頁面的制作272

小結(jié)275

第6章數(shù)字媒體集成248

習(xí)題276

6.1數(shù)字媒體集成基礎(chǔ)248

參考答案278

6.1.1數(shù)字媒體集成的方法248

6.1.2Web中的數(shù)字媒體249參考文獻(xiàn)280

6.1.3數(shù)字媒體集成平臺253

III

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

第1章

信息技術(shù)與計(jì)算思維

人類社會發(fā)展歷程經(jīng)歷了漫長的漁獵采集時(shí)代、農(nóng)業(yè)文明時(shí)代和工業(yè)文明時(shí)代，當(dāng)前已進(jìn)入

信息時(shí)代。同時(shí)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也在不斷推動(dòng)著世界的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技

術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)正在以驚人的速度向前推進(jìn)，并且已深入人類社會活動(dòng)的方方面面。

1.1信息技術(shù)概述

1.1.1信息和數(shù)據(jù)

1．信息

信息（Information）是客觀事物狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，它是對各種事物變化

和特征的反映，體現(xiàn)了事物之間的相互作用和聯(lián)系。

人們通過信息可以了解和認(rèn)識外部世界、傳遞和交換信息、組織社會生產(chǎn)，推動(dòng)社會進(jìn)

步，所以說人類生活離不開信息，就像人離不開空氣和水一樣。因此，信息和物質(zhì)、能量一

樣，是人類社會賴以生存和發(fā)展的三大重要資源。

信息一般有4種形態(tài)：數(shù)據(jù)、文本、聲音、圖像，這些形態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化。例如，照

片被傳送到計(jì)算機(jī)，就把圖像信息轉(zhuǎn)化成了數(shù)字信息。

2．?dāng)?shù)據(jù)

數(shù)據(jù)（Date）是信息的載體，它將信息按一定規(guī)則排列并用符號表示出來。這些符號可以

構(gòu)成數(shù)字、文字、圖像等，也可以是計(jì)算機(jī)代碼。

數(shù)據(jù)本身是沒有實(shí)際意義的，因此接收數(shù)據(jù)者必須了解構(gòu)成數(shù)據(jù)的各種符號序列的意義和

規(guī)律，才能根據(jù)這些去獲得所接收數(shù)據(jù)的實(shí)際含意。例如，有一個(gè)記錄商品銷售的數(shù)據(jù)庫，其

中某商品當(dāng)天的銷售量是45件。45件實(shí)際上是個(gè)數(shù)據(jù)，本身是沒有意義的，只有當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)以

某種形式經(jīng)過處理、描述或與其他數(shù)據(jù)對比時(shí)，數(shù)據(jù)背后的意義才會出現(xiàn)，才能使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

信息。所以，只有了解數(shù)據(jù)的背景意義后，才能獲得相應(yīng)的信息。

數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化為信息，可以用公式“數(shù)據(jù)＋背景=信息”表示。

3．信息技術(shù)

信息技術(shù)（InformationTechnology，IT）是主要用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總

稱。它主要是人們在信息獲取、整理、加工、傳遞、存儲和利用中所采取的各種技術(shù)和方法。

1

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

信息技術(shù)可以看作代替、延伸、擴(kuò)展人的感官和大腦信息處理的綜合技術(shù)。信息技術(shù)主要包括

傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、光導(dǎo)技術(shù)、人工

智能技術(shù)等。

信息技術(shù)的應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)硬件和軟件、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、應(yīng)用軟件開發(fā)工具等。自從計(jì)

算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)普及以來，人們?nèi)找嫫毡榈厥褂糜?jì)算機(jī)來生產(chǎn)、處理、交換和傳播各種形式的信

息（如圖書、商業(yè)文件、報(bào)刊、唱片、電影、電視節(jié)目、語音、圖形、影像等）。

信息技術(shù)不僅被嵌入產(chǎn)品中，還被嵌入服務(wù)中。例如，金融信息服務(wù)、購物信息服務(wù)、

GPS信息服務(wù)等，信息服務(wù)已成為信息化時(shí)代人們生活中極其重要的組成部分。

1.1.2信息技術(shù)的發(fā)展

人類社會的進(jìn)步經(jīng)歷了語言的產(chǎn)生、文字的發(fā)明、印刷術(shù)的發(fā)明、電信革命以及計(jì)算機(jī)技

術(shù)的發(fā)明和利用這5次重大變革。信息技術(shù)也隨著人類對外部世界的認(rèn)識和控制能力的提高而

逐步發(fā)展，按照信息的載體和通信方式的發(fā)展，可以大致分為古代信息技術(shù)、近代信息技術(shù)和

現(xiàn)代信息技術(shù)3個(gè)不同的發(fā)展階段。

1．古代信息技術(shù)

自有人類活動(dòng)以來到1837年有線電報(bào)發(fā)明之前，在漫長的古代信息技術(shù)發(fā)展階段中，信

息技術(shù)基本上是以聲、光、文字、圖形等方式進(jìn)行的。在這一期間，信息技術(shù)經(jīng)歷了語言的產(chǎn)

生、文字的產(chǎn)生、印刷術(shù)的發(fā)明三個(gè)重大變革。

人類最初的信息表達(dá)和傳遞主要是通過手勢、面部表情、形體動(dòng)作或簡單的嗓音進(jìn)行的，

只能在有限范圍內(nèi)近距離傳遞。隨著歷史的演變，簡單的嗓音逐漸發(fā)展為語言，經(jīng)過了長時(shí)期

的進(jìn)化，語言變得越來越豐富多彩，人類開始通過語言來表達(dá)和傳遞信息。

為了克服人腦容易遺忘的缺陷，人類創(chuàng)造了各種符號來記錄語言，經(jīng)過長期的演變，這些

符號逐漸成為文字，文字的產(chǎn)生使古代信息技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，使得人類可以在大腦之

外記錄和存儲大量信息。

有了文字，還要有記錄文字的載體。在紙張發(fā)明前，文字的載體先后有石刻、甲骨、青銅

器、竹簡、木牘、絲綢等。公元105年，東漢的蔡倫發(fā)明了紙張，使得文字的記錄變得既方便

又經(jīng)濟(jì)。印刷術(shù)的發(fā)明經(jīng)歷了石刻印刷、雕版印刷和活字印刷的發(fā)展過程，活字印刷術(shù)是中國

四大發(fā)明之一。印刷術(shù)的發(fā)明和使用，結(jié)束了人類單純依靠手書寫文字的階段。

紙張和印刷術(shù)的結(jié)合，不僅把信息的記錄、存儲、傳遞和使用范圍擴(kuò)大到更廣闊的空間和

時(shí)間，同時(shí)也促使了信息以嶄新的方式（書信）進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的傳遞。

古代信息技術(shù)的特征是以文字記錄為主要信息存儲手段，以書信傳遞為主要信息傳遞方

式，不論是信息的采集、傳遞、傳輸都是在人工條件下實(shí)施的。因此，當(dāng)時(shí)人們的信息活動(dòng)范

圍小、效率低、可靠性也較差。

2．近代信息技術(shù)

近代信息技術(shù)的發(fā)展是以電為主角的信息傳輸技術(shù)的突破為先導(dǎo)的。整個(gè)近代信息技術(shù)的

發(fā)展過程就是信息技術(shù)第四次重大變革——電信革命。

1837年，美國科學(xué)家莫爾斯成功地發(fā)明了有線電報(bào)和莫爾斯電碼，拉開了以信息的電傳輸

技術(shù)為主要特征的近代信息技術(shù)發(fā)展的序幕。

電通信是利用電波作為信息載體，將信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。攜帶信息的電波沿著通信線路傳輸

的通信方式稱為有線電通信；電波借助于空間傳播的通信方式稱為無線電通信。電通信傳遞信

息的速度快、距離遠(yuǎn)、信息量大。電通信的問世，是人類通信發(fā)展史上的一大飛躍。它使信息

2

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

傳輸空間空前縮小，傳信時(shí)效空前提高，整個(gè)地球儼然成了一個(gè)小小的村落。

在物理學(xué)，特別是電子學(xué)和電子技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，有線通信、無線通信、衛(wèi)星通信等新

的信息傳遞方式不斷涌現(xiàn)，如電報(bào)、有線電話、無線電話、傳真、廣播、電視等信息傳播工具。

近代信息技術(shù)發(fā)展階段的特征是以電為主體的信息傳輸技術(shù)，它大大提高了信息傳遞的速

度和傳播的距離，從而使人類的信息活動(dòng)步入新的階段。在信息傳播技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，諸如錄

音、唱片、照相、攝錄像等信息存儲方式也在飛速發(fā)展。

3．現(xiàn)代信息技術(shù)

電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是進(jìn)入現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展階段的標(biāo)志。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明人是阿塔那索

夫（J.V.Atanasoff），他和研究生貝瑞（C.Berry）一起于1941年發(fā)明制造了名為ABC（Atanasoff-

BerryComputer）的第一臺電子計(jì)算機(jī)，如圖1-1-1所示。而極負(fù)盛名的ENIAC電子計(jì)算機(jī)誕生

于1946年，如圖1-1-2所示。

圖1-1-1第一臺電子計(jì)算機(jī)ABC圖1-1-2ENIAC電子計(jì)算機(jī)

隨著社會生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展，人類信息活動(dòng)的強(qiáng)度和范圍急劇增大，社會的信息量猛

增，尤其在20世紀(jì)60年代后，人類社會進(jìn)入“信息爆炸”時(shí)代，而信息技術(shù)也進(jìn)入了高速發(fā)

展的階段。

推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的直接動(dòng)力是計(jì)算機(jī)的智能化、價(jià)格低廉化和通信設(shè)施的大容量

化、高速化。計(jì)算機(jī)智能化的發(fā)展使其能快速處理大容量的數(shù)據(jù)，強(qiáng)大的功能再加上低廉的價(jià)

格，使它快速地在普通家庭中得以普及。由于ADSL、光纖、無線電通信、衛(wèi)星通信等各種通

信技術(shù)的發(fā)展，通信的速度和容量飛速提高，通信成本不斷降低，使網(wǎng)絡(luò)通信快速滲透到人們

的日常生活中。

另外，隨著電子學(xué)的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)、通信技術(shù)、

傳感技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、遠(yuǎn)紅外技術(shù)、人工智能技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重大突

破，使信息技術(shù)真正成為一種適應(yīng)現(xiàn)代信息社會需要的高科技。

現(xiàn)代信息技術(shù)之所以能夠處于現(xiàn)代高新技術(shù)群體中最核心、最先導(dǎo)的地位，根本原因在于

它是一門滲透性、綜合性極強(qiáng)的技術(shù)，它包括諸如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、光纖通信、遙感、遙測等多

方面的技術(shù)，它的發(fā)展也要依靠眾多關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

由此可見，現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展階段的基本特征是：計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?，F(xiàn)代

信息技術(shù)是產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)換和加工圖像、文字、聲音等數(shù)字信息的一切現(xiàn)代高新技術(shù)的總稱。

1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在漫長的人類文明發(fā)展過程中，出現(xiàn)過各種各樣的計(jì)算工具，從石頭到算盤、從計(jì)算尺到

3

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

計(jì)算器、從機(jī)械加法機(jī)到乘法機(jī)、從差分機(jī)和分析機(jī)到手搖計(jì)算機(jī)和穿孔制表機(jī)等，這些計(jì)算

工具幫助人們進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，為推動(dòng)人類文明進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，真正讓人類文明

進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，要屬電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。

直至今日，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展共經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代、晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代、集成電路

計(jì)算機(jī)時(shí)代、大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代四個(gè)階段，這四個(gè)時(shí)代的體系結(jié)構(gòu)均延續(xù)

了“馮·諾依曼”體系結(jié)構(gòu)。

1．電子管時(shí)代（1946—1958年）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是采用電子管作為基本元器件，體積大、容量小、耗電量大、

壽命短、可靠性差；運(yùn)算速度每秒幾千次至幾萬次；程序設(shè)計(jì)使用機(jī)器語言和匯編語言；主要

用于科學(xué)和工程計(jì)算，典型機(jī)種是ENIAC、UNIVAC等。

2．晶體管時(shí)代（1959—1964年）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)主要采用晶體管為主要邏輯部件，體積小、重量輕、功耗降低；提高了

運(yùn)行速度（每秒運(yùn)算可達(dá)幾十萬次）和可靠性；用磁芯作為主存儲器，外存儲器采用磁盤

等；程序設(shè)計(jì)采用高級語言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；在軟件方面還出現(xiàn)了操作

系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，除進(jìn)行傳統(tǒng)的科學(xué)和工程計(jì)算外，還應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理

等更廣泛的領(lǐng)域。

3．集成電路時(shí)代（1965—1970年）

這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)采用集成電路作為基本元器件，體積減小，功耗、價(jià)格等進(jìn)一步降低，

而速度及可靠性則有更大的提高；用半導(dǎo)體存儲器代替了磁芯存儲器；運(yùn)算速度每秒可達(dá)幾

十萬次到幾百萬次；在軟件方面，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，使軟件技術(shù)得到較大的提高，操

作系統(tǒng)日臻完善，出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)，允許多用戶分享計(jì)算機(jī)資源；這時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想已

逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，應(yīng)用范圍更加廣泛。

4．大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1971年以后）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要功能器件采用大規(guī)模集成電路（LSI），并用集成度更高的半導(dǎo)體芯片

作為主存儲器，使得計(jì)算機(jī)的體積更小、功能更強(qiáng)、運(yùn)算速度更快（可達(dá)每秒百萬次至億次）；

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，多處理機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展迅速；系統(tǒng)軟件的發(fā)展不

僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化，而且正在向智能化方向邁進(jìn)；各種應(yīng)用軟件層出不窮，極大地方

便了用戶；微處理器的出現(xiàn)使微型機(jī)異軍突起，獨(dú)樹一幟，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。

5．計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢

目前新一代計(jì)算機(jī)正朝著微型化、智能化和高性能化方向發(fā)展。這一代計(jì)算機(jī)是把信息采

集、存儲、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或處理一

般的信息，主要能面向知識處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力，能夠幫助人們

進(jìn)行判斷、決策、開拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識，人機(jī)之間可以直接通過自然語言（聲音、文

字）或圖形圖像交換信息。

1）超級計(jì)算機(jī)

超級計(jì)算機(jī)（SuperComputer）又稱巨型機(jī)，是與高性能計(jì)算機(jī)或高端計(jì)算機(jī)相對應(yīng)的概

念。超級計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)的組件基本相同。它采用渦輪式設(shè)計(jì)，每個(gè)刀片就是一個(gè)服務(wù)

器，能實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，并可根據(jù)應(yīng)用需要隨時(shí)增減，能夠執(zhí)行一般個(gè)人計(jì)算機(jī)無法處理的大量

資料與高速運(yùn)算。以我國2016年研制成功的超級計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”為例，全部采用國

產(chǎn)處理器構(gòu)建，它的持續(xù)性能為9.3×108億次/秒，峰值性能可以達(dá)到12.5×108億次/秒，連續(xù)

4

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

兩年成為全球最快的計(jì)算機(jī)。

超級計(jì)算機(jī)多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究，是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重

要標(biāo)志。一個(gè)國家的高性能超級計(jì)算機(jī)，直接關(guān)系到國家的民生、關(guān)系到國家的安全。

2000年12月，由上海市政府投資成立了上海超級計(jì)算中心（SSC），它是國內(nèi)第一個(gè)面向

社會開放，實(shí)現(xiàn)資源共享的高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺。從2009年5月起我國先后在天津、深

圳、濟(jì)南、長沙、廣州、無錫等地建立了國家超級計(jì)算中心。隨著“天河一號”“神威藍(lán)

光”“曙光星云”“天河二號”“神威·太湖之光”等一批超級計(jì)算機(jī)先后完成了部署和應(yīng)用，

中國自主超級計(jì)算技術(shù)的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)完成了跨越式發(fā)展。

2）納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)指將納米技術(shù)運(yùn)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所研制出的一種新型計(jì)算機(jī)。“納米”是一個(gè)微

小的計(jì)量單位，1nm=10-9m，納米技術(shù)把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上構(gòu)成

一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的千分之一。

2013年9月26日斯坦福大學(xué)宣布，人類首臺基于碳納米晶體管技術(shù)的計(jì)算機(jī)已成功測試運(yùn)

行。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功證明了人類有望在不遠(yuǎn)的將來，擺脫當(dāng)前硅晶體技術(shù)，使得計(jì)算設(shè)備體積

越來越小、價(jià)格越來越低廉、反應(yīng)速度越來越快，同時(shí)幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，其性能要比

現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用到微型機(jī)器人中。

3）量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物

理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量

子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)主要有運(yùn)行速度較快、處理信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等。與一般計(jì)算機(jī)相

比，信息處理量越多，量子計(jì)算機(jī)實(shí)施運(yùn)算越有利，從而確保了運(yùn)算的精準(zhǔn)性。

2007年，加拿大DWave公司成功研制出一臺具有16昆比特的“獵戶星座”量子計(jì)算機(jī)。

2017年，IBM推出全球首個(gè)商業(yè)“通用”量子計(jì)算服務(wù)。2017年5月，中國科學(xué)院潘建偉團(tuán)隊(duì)

構(gòu)建的光量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)計(jì)算能力已超越早期計(jì)算機(jī)。

4）光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計(jì)算機(jī)。它

由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備構(gòu)成，靠激光束進(jìn)入反射鏡和透鏡組

成的陣列進(jìn)行信息處理，以光子代替電子，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。

光子計(jì)算機(jī)的并行處理能力很強(qiáng)，具有超高運(yùn)算速度，還具有與人腦相似的容錯(cuò)性，系統(tǒng)中某

一元件損壞或出錯(cuò)時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。光子在光介質(zhì)中傳輸所造成的信息畸變和失真極

小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時(shí)能量消耗和散發(fā)熱量極低，對環(huán)境條件的要求比電子計(jì)算機(jī)低得多。隨著現(xiàn)代

光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來，光子計(jì)算機(jī)將成為人類通用的工具。

5）生物計(jì)算機(jī)

生物計(jì)算機(jī)又稱仿生計(jì)算機(jī)，是以核酸分子作為“數(shù)據(jù)”，以生物酶及生物操作作為信息

處理工具的一種新穎的計(jì)算機(jī)模型。其主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此

作為生物芯片來替代半導(dǎo)體硅片。

生物計(jì)算機(jī)芯片具有并行處理的功能，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代的計(jì)算機(jī)更快。生物

計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能，自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，

還能模仿人腦的機(jī)制等。生物計(jì)算機(jī)可以直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴(kuò)

充部分，并能由人體細(xì)胞吸收營養(yǎng)補(bǔ)充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內(nèi)，

幫助人類學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)造、發(fā)明的理想的伙伴。

5

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

1.1.4現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)容

現(xiàn)代信息技術(shù)是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心、以通信技術(shù)為命脈、以信息

應(yīng)用技術(shù)為目標(biāo)的技術(shù)群。

1．信息的基礎(chǔ)技術(shù)

信息基礎(chǔ)技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，它涵蓋了各種新產(chǎn)品、新能源、新設(shè)備的開發(fā)與制造技

術(shù)。近年來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的、影響最大的就是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)。

1）微電子技術(shù)

微電子技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的直接基礎(chǔ)，它的主要成果是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路芯

片，計(jì)算機(jī)的核心——CPU就是超大規(guī)模集成電路的芯片。

在集成電路中，電子元器件和線路做得越小、越細(xì)，同樣大小芯片內(nèi)包含的元器件的數(shù)量

就越多，集成度也就越高，芯片運(yùn)行的速度也可以更高。Intel公司前總裁摩爾有個(gè)著名的摩爾

定律：集成電路芯片的集成度（即單片芯片中的電子器件數(shù)）每18個(gè)月翻一番，而價(jià)格保持不

變甚至下降。幾十年的歷史證明了這條定律的正確性。

從21世紀(jì)初開始，Intel等集成電路制造廠商的產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展成多核的處理器，雙核處理器

相當(dāng)于在一個(gè)芯片中存在2個(gè)CPU在同時(shí)工作，四核處理器相當(dāng)于在一個(gè)芯片中存在4個(gè)CPU

在同時(shí)工作。顯然，只要它們之間能夠協(xié)調(diào)配合，工作效率就會成倍提高。目前市場上已經(jīng)有

大量多核的CPU芯片，如Corei7、Corei9（最高十八核），大大提高了計(jì)算機(jī)的整體性能。

2）光電子技術(shù)

光學(xué)與電子學(xué)的結(jié)合構(gòu)成光電子技術(shù)。光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)后的又一項(xiàng)綜合性高新

技術(shù)，它為微電子的進(jìn)一步發(fā)展找到了新的出路。光電子技術(shù)是利用光信號發(fā)送、傳遞、處理

和接收數(shù)據(jù)，涵蓋了新材料、微加工和微機(jī)電、器件和系統(tǒng)的集成等各個(gè)領(lǐng)域。光電子技術(shù)涉

及光顯示、光存儲、光通信、激光等領(lǐng)域，是未來信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。

平板顯示（FPD）技術(shù)包括液晶顯示（LCD）、等離子體顯示（PDP）、真空熒光顯示

（VFD）和發(fā)光二極管顯示（LED）等，除在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，已在虛擬顯示、高清晰度

顯示、語言和圖形識別等軍用領(lǐng)域應(yīng)用。

光纖是隨著光通信的發(fā)展而不斷發(fā)展的，各種結(jié)構(gòu)和類型的光纖支持著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)

展。目前，單根光纖傳輸?shù)男畔⒘恳堰_(dá)萬億位。激光技術(shù)是光電子領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的技術(shù)。作

為光電子主導(dǎo)產(chǎn)品的激光器的發(fā)展，經(jīng)歷了原理上的4次變革，體積日益變小、功率不斷增大、

可靠性得到了很大的提高。

2．信息的主體技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)是關(guān)于信息的獲取、傳輸、處理、控制、展示和存儲等的技術(shù)，它的主體技

術(shù)主要包括數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及

信息展示技術(shù)。

1）數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

獲取數(shù)據(jù)是產(chǎn)生和利用信息的先決條件。為了克服人體器官的局限和外界條件的限制，人

們不斷研制和創(chuàng)造各種傳感器來間接獲取數(shù)據(jù)。例如，使用顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、攝像

機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星等來獲取小、遠(yuǎn)、高速運(yùn)動(dòng)物體的信息；用超聲波檢測儀、X光透視儀、核磁

共振儀等成像技術(shù)對人體或物體內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測；用遙感遙測儀器替代人體感覺器官獲取遠(yuǎn)

距離人體不能感知的數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的核心是傳感技術(shù)。

6

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

2）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)在空間的傳輸稱為通信。從古代的烽火臺，近代的信號彈、燈光、手旗等簡易信號通

信，到近代以電傳輸為特色的電報(bào)、電話、電傳、電視、廣播等通信技術(shù)?，F(xiàn)代通信技術(shù)則是

以光纖通信、衛(wèi)星通信、無線移動(dòng)通信、數(shù)字通信等高新技術(shù)作為通信技術(shù)基礎(chǔ)的。

通信技術(shù)的功能是使數(shù)據(jù)能在大范圍內(nèi)迅速、準(zhǔn)確、有效地傳遞，以便讓眾多用戶共享，

從而發(fā)揮其作用。信息技術(shù)的每次重大變革，實(shí)際上都是以數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為主要內(nèi)容的變革。

通信技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的命脈，因此，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的核心是通信技術(shù)。

3）數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)處理就是對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、轉(zhuǎn)換、加工，保證數(shù)據(jù)安全可靠地存儲、傳輸，并

能方便地檢索、再生和利用，或從中提煉知識、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、產(chǎn)生信息。

數(shù)據(jù)處理技術(shù)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、轉(zhuǎn)換、整理、加

工、再生和利用的專門技術(shù)。它能幫助人們更好地存儲數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、產(chǎn)生信息

和利用信息。一些新的技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等，不斷給數(shù)據(jù)處理開拓新的局

面。因此，數(shù)據(jù)處理技術(shù)的核心是計(jì)算機(jī)技術(shù)。

4）數(shù)據(jù)控制技術(shù)

在信息系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)實(shí)施有效的控制，是利用信息的重要前提。數(shù)據(jù)控制技術(shù)就是利用

信息傳遞和信息反饋來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行控制的技術(shù)?？刂剖峭ㄟ^對信息的反饋來實(shí)現(xiàn)的。

在信息系統(tǒng)中，反饋是用來改變輸入以修正輸出的。反饋回來的誤差或問題可以用來修正輸入

數(shù)據(jù)，或者改變某個(gè)過程，從而起到控制的作用，以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

上述的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)合稱為3C（Communication、Computer、Control）

技術(shù)，是信息技術(shù)的主體。因此，也有人直接把信息技術(shù)稱為“3C技術(shù)”。

5）數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲技術(shù)就是與各種數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)相關(guān)的技術(shù)。在繼承了古、近代信息技術(shù)發(fā)展階段的紙

張、錄音、唱片、照相、攝錄像等數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的同時(shí)，在需求的牽引下，隨著現(xiàn)代磁技術(shù)、光電

技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)也有了更快速的發(fā)展，如光存儲、云存儲等。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)存儲技術(shù)主要可分為直接連接存儲（如硬盤）、移動(dòng)存儲（如U盤）和網(wǎng)絡(luò)存儲

（如云盤）三方面。

6）信息展示技術(shù)

如何使信息內(nèi)容及時(shí)、有效、生動(dòng)地展示在需要該信息的對象面前，已經(jīng)成為信息技術(shù)的

一個(gè)極其重要的分支。其中，文字、聲音、圖像、圖形、音頻、視頻的綜合處理和展示也就是

通常所說的多媒體技術(shù)。

展示技術(shù)又稱再現(xiàn)技術(shù)，是目前發(fā)展得非常迅速的信息技術(shù)分支。2010年的上海世博會，

各個(gè)展館都采用了最先進(jìn)的聲像技術(shù)介紹自己展館的特色內(nèi)容。例如，使用大量的球幕電影、

3D和4D電影，給人以身臨其境的感覺，加上各種聲響系統(tǒng)往往可以起到震撼的效果。在展示

器材方面，有小到手機(jī)屏幕，大到整幢大樓的幕墻。

1.2計(jì)算機(jī)技術(shù)

自第一臺計(jì)算機(jī)誕生至今，已有70多年的歷史。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的

應(yīng)用已經(jīng)成為人們生活中必不可少的組成部分。多年前我們還在思考計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用到哪些領(lǐng)

域，而現(xiàn)在思考的是還有哪些領(lǐng)域不用計(jì)算機(jī)。

7

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

1.2.1計(jì)算機(jī)組成和工作原理

美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼于1945年發(fā)表了《關(guān)于EDVAC的報(bào)告》，給出了“程序存

儲通用計(jì)算機(jī)（EDVAC）”的設(shè)計(jì)方案，在1946年又提出了《關(guān)于電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)的初

步討論》的設(shè)計(jì)報(bào)告，提出了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，如二進(jìn)制、程序存儲、程序控制、五大組成部

件等。目前，大部分計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想還是基于這些設(shè)計(jì)思想，因此通常把這樣的計(jì)算機(jī)稱為

“馮·諾依曼計(jì)算機(jī)”。

1．基本組成

計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成（見圖1-2-1），集成電

路出現(xiàn)以后，就把運(yùn)算器和控制器制作在同一個(gè)芯片中，成為“中央處理器（CPU）”。

圖1-2-1計(jì)算機(jī)的基本組成

（1）運(yùn)算器：又稱為算術(shù)邏輯單元（ALU），是計(jì)算機(jī)對信息數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的部件，它的

主要功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

（2）控制器：是計(jì)算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)從存儲器中取出指令，并對指令進(jìn)行譯碼，根據(jù)

指令要求，按時(shí)間的先后順序向其他各部件發(fā)出控制信息，保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作。

（3）存儲器：是計(jì)算機(jī)記憶或暫存數(shù)據(jù)的部件，用來保存數(shù)據(jù)、指令和運(yùn)算結(jié)果等，一般

分為內(nèi)存儲器和外存儲器。

（4）輸入設(shè)備：將數(shù)字、字符、圖像、聲音、視頻等信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的二進(jìn)制代

碼輸入計(jì)算機(jī)，供計(jì)算機(jī)處理的設(shè)備。

（5）輸出設(shè)備：將計(jì)算機(jī)處理后的各種內(nèi)部格式的信息轉(zhuǎn)換為人們能識別的形式進(jìn)行輸出

的設(shè)備。

早期的計(jì)算機(jī)以控制器和運(yùn)算器為中心，這使得快速的運(yùn)算器不得不等待低速的輸入/輸出

設(shè)備，即快速的中央處理器等待慢速的外圍設(shè)備。同時(shí)，由于所有部件的操作由控制器集中控

制，使控制器的負(fù)擔(dān)過重，從而嚴(yán)重影響了機(jī)器的運(yùn)行速度，制約了設(shè)備利用率。因此，設(shè)計(jì)者

將計(jì)算機(jī)改成以主存儲器為中心，讓系統(tǒng)的輸入/輸出與CPU的運(yùn)算并行，多種輸入和輸出并行。

2．二進(jìn)制編碼

計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，CPU要處理各種數(shù)值，存儲器要存儲各種數(shù)值。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電子電

路難以直接表示“0”到“9”這10種不同的數(shù)字，卻能很自然、準(zhǔn)確地表示兩種不同的數(shù)字，

8

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

所以，采取二進(jìn)制的方法在計(jì)算機(jī)中表示各類數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用的是二進(jìn)制編碼。任何信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)都采用“0”和“1”的各種組合來

表示。也就是說在存儲器里，指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制代碼出現(xiàn)，運(yùn)算時(shí)也采用二進(jìn)制運(yùn)算。采

用二進(jìn)制的原因，一是二值器件物理上容易實(shí)現(xiàn)；二是在人類思維中，“是”和“否”兩種狀

態(tài)的判斷最為簡單和穩(wěn)定。

1）數(shù)制的基本概念

數(shù)制：用一組固定的數(shù)字符號和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法稱為數(shù)制。這種數(shù)字符

號稱為數(shù)符。

基數(shù)：在一種數(shù)制中，只能使用一組固定的數(shù)字符號來表示數(shù)目的大小，具體所使用符號

的數(shù)目稱為該數(shù)制的基數(shù)，如十進(jìn)制的基數(shù)為10。

位權(quán)：對于多位數(shù)，某一位上的數(shù)字所表示的數(shù)值大小稱為該位的位權(quán)，如十進(jìn)制數(shù)千位

的位權(quán)為103。

任何一個(gè)數(shù)，可以將其展開成多項(xiàng)式和的形式，如r進(jìn)制的數(shù)N表示如下：

nn??1210

Nar=nn×+a?1×r++×+×ar21ar

n-1n-20

其中，an、an-1、a1等是數(shù)符；r、r、r等是位權(quán)。

計(jì)算機(jī)中常用的幾種進(jìn)制的特點(diǎn)見表1-2-1。

表1-2-1常用進(jìn)制的特點(diǎn)

類型十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制

規(guī)則逢十進(jìn)一逢二進(jìn)一逢十六進(jìn)一

基數(shù)10216

數(shù)符0,1,…,90,10,1,…,9,A,B,…,F

位權(quán)10i2i16i

表示DBH

2）數(shù)制的轉(zhuǎn)換

平常在書寫和敘述有關(guān)計(jì)算機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，甚至在編寫程序代碼時(shí)，比較多的還是采用

十進(jìn)制數(shù)來表示，然而任何數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)都是采用二進(jìn)制來表示。例如，一個(gè)十進(jìn)制的4位

數(shù)9999，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部要用14位二進(jìn)制數(shù)10011100001111來表示。在閱讀和書寫二進(jìn)制數(shù)時(shí)，

容易出現(xiàn)錯(cuò)漏等現(xiàn)象，因此在某些場合比較多地采用十六進(jìn)制的形式來表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因

為二進(jìn)制和十六進(jìn)制間的相互轉(zhuǎn)換十分簡單直觀，我們也常常把十六進(jìn)制看作二進(jìn)制的緊湊形

式。（注：這里只是想讓學(xué)生了解數(shù)制間的基本轉(zhuǎn)換，均以整數(shù)為例）

（1）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成其他進(jìn)制——采用“除以基數(shù)逆序取余”法。

例如：將十進(jìn)制數(shù)37轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是100101B，或(100101)2。

9

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

例如：將十進(jìn)制數(shù)1014轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是3F6H，或(3F6)16。

（2）其他進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制——采用“按權(quán)展開累加”法。

例如：將二進(jìn)制數(shù)1110101B轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是117D，或(117)10。

1110101B=1×26＋1×25＋1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

=64＋32＋16＋0＋4＋0＋1=117

例如：將十六進(jìn)制數(shù)57CAH轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是22474D，或(22474)10。

57CAH=5×163＋7×162＋12×161＋10×160

=5×4096＋7×256＋12×16＋10×1=22474

（3）二進(jìn)制和十六進(jìn)制間的互換——采用“8421”法。

因?yàn)?3=8、22=4、21=2、20=1，二進(jìn)制數(shù)1111B=15，而十六進(jìn)制數(shù)FH=15，因此4位二進(jìn)制

數(shù)正好對應(yīng)1位十六進(jìn)制數(shù)。

例如：將二進(jìn)制數(shù)11010011101B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是69DH，或(69D)16。

011010011101

↓↓↓

69D

例如：將十六進(jìn)制數(shù)A2C7H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，結(jié)果是1010001011000111B，或

(1010001011000111)2。

A2C7

↓↓↓↓

1010001011000111

上述的數(shù)制轉(zhuǎn)換也可以采用Windows10操作系統(tǒng)自帶的“計(jì)算器（calc.exe）”程序來實(shí)

現(xiàn)，如圖1-2-2所示。

圖1-2-2用“計(jì)算器”進(jìn)行數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

10

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

3．存儲程序

馮·諾依曼提出了存儲程序的構(gòu)想：計(jì)算機(jī)是利用存儲器（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程

序的，而稱為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)

行，直至完成全部指令任務(wù)為止。同時(shí)設(shè)計(jì)者們根據(jù)馮·諾依曼的構(gòu)想將計(jì)算機(jī)以控制器和

運(yùn)算器為中心改成以主存儲器為中心，讓系統(tǒng)的輸入/輸出與CPU的運(yùn)算并行，多種輸入和

輸出并行。

“存儲程序”的思想是近代電子計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)算的根本保證，同時(shí)計(jì)算機(jī)性能

的好壞也和存儲器能存儲的信息量是密切相關(guān)的。

存儲器中有許多存放指令或數(shù)據(jù)的存儲單元。每一個(gè)存儲單元都有一個(gè)地址的編號，地址

編號按由小到大的順序增加。對該存儲單元取出或存入的二進(jìn)制信息稱為該地址的內(nèi)容?？梢?/p>

按地址去尋找、訪問存儲單元里的內(nèi)容。所要處理的數(shù)據(jù)以及進(jìn)行處理所用的命令都是預(yù)先存

放在存儲器中，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行。

存儲器按其存取信息的方式可分為兩類：隨機(jī)存儲器和順序存儲器。

（1）隨機(jī)存儲器的地址按線性排列，CPU對它的每一個(gè)單元都是按照地址用同樣的方法在

極短的時(shí)間內(nèi)找到該存儲單元的位置，對內(nèi)容進(jìn)行讀取或把內(nèi)容寫入，因此隨機(jī)存儲器中對所

有存儲單元的存取時(shí)間都是一樣快，保證了計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)行。

（2）順序存儲器的存儲單元只能按順序存取，對各個(gè)單元的存取時(shí)間不同，總體速度比較

慢。例如，磁帶存儲器對磁帶中間位置存儲單元的訪問必須是磁頭達(dá)到該單元時(shí)才可進(jìn)行。

存儲器中最重要的是內(nèi)存儲器，也稱主存儲器或主存，目前個(gè)人計(jì)算機(jī)主存的容量可達(dá)到

千兆字節(jié)。主存一般由隨機(jī)存儲器組成。

在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，二進(jìn)制的單位是位（bit），存儲容量的基本單位是字節(jié)（byte，B），一個(gè)

字節(jié)由8位二進(jìn)制數(shù)組成（1byte=8bit）。比字節(jié)大的單位依次是KB、MB、GB、TB、PB、EB、

ZB等。我們將210字節(jié)即1024字節(jié)稱為千字節(jié)（記為1KB），220B=1024KB=1MB（兆字節(jié)），

230B=1024MB=1GB（吉字節(jié)），240B=1024GB=1TB（太字節(jié)），以此類推。

4．指令系統(tǒng)

當(dāng)今使用的計(jì)算機(jī)都是基于馮·諾依曼提出的“存儲程序控制”的原理進(jìn)行工作的，即每

個(gè)問題的解算步驟（程序）連同它所處理的數(shù)據(jù)都使用二進(jìn)制表示，并預(yù)先存放在存儲器中。

由于計(jì)算機(jī)只認(rèn)識“機(jī)器語言”，所有通過輸入設(shè)備輸入的指令都首先由計(jì)算機(jī)“翻譯”成計(jì)

算機(jī)能夠識別的機(jī)器指令，再根據(jù)指令的順序逐條執(zhí)行。

用來指揮硬件動(dòng)作的命令稱為指令。指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作碼指明

計(jì)算機(jī)執(zhí)行何種操作，而操作數(shù)則指明操作對象的內(nèi)容或所在地址，在大多數(shù)情況下是地址

碼。一臺計(jì)算機(jī)的所有指令的集合稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，一個(gè)指令系統(tǒng)中往往有幾十種，

甚至幾百種操作碼，以完成各種復(fù)雜的任務(wù)。而程序就是計(jì)算機(jī)指令的有序集合。

指令的執(zhí)行步驟如下：

（1）取指令：將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存中取出送到CPU。

（2）指令譯碼：由譯碼器對指令的操作碼進(jìn)行譯碼，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，由地址碼

確定操作數(shù)的地址。

（3）執(zhí)行指令：根據(jù)操作碼和操作數(shù)完成相應(yīng)的操作。

11

新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

（4）存操作結(jié)果：將計(jì)算所得的結(jié)果存到目的地，供后面的指令使用。

一條指令執(zhí)行完成后，程序計(jì)數(shù)器加1或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計(jì)數(shù)器，然后又開始取指

令、分析指令、執(zhí)行指令，一直到所有的指令執(zhí)行完成。

計(jì)算機(jī)工作時(shí)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)數(shù)據(jù)，按指令的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)

行算術(shù)處理。圖1-2-3所示為程序在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程。

圖1-2-3程序在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程

1.2.2數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示

數(shù)據(jù)是指能夠輸入計(jì)算機(jī)并能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)值、字符、圖像、聲音和視頻等的集

合，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，任何數(shù)據(jù)都是采用二進(jìn)制編碼來存放的。換言之，在存儲器里的二

進(jìn)制數(shù)，不僅可以表示數(shù)值，也可以用來表示其他各種信息，一般也就稱為計(jì)算機(jī)內(nèi)的

數(shù)據(jù)。

1．?dāng)?shù)值

由于數(shù)值不僅有正整數(shù)，還有負(fù)數(shù)、小數(shù)等，有時(shí)還會遇到很大的數(shù)或很小的數(shù)，另外還

要考慮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，因此數(shù)值在計(jì)算機(jī)內(nèi)表示是比較復(fù)雜的。例如，在編程時(shí)往往要定

義變量的類型，其中涉及數(shù)值時(shí)還要分整型、長整型、單精度浮點(diǎn)、雙精度浮點(diǎn)等，這實(shí)際上

就體現(xiàn)了這種復(fù)雜性。

本書利用原碼、反碼、補(bǔ)碼來介紹帶有正、負(fù)號，采用8位二進(jìn)制編碼的整數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)

部的表示方法。

1）原碼

原碼就是符號位加上真值的絕對值，即用第一位表示符號（0正1負(fù)），其余位表示值。

如：[+1]=[00000001]原、[-1]=[10000001]原、[+127]=[01111111]原、[-127]=[11111111]原

由于第一位是符號位，所以8位二進(jìn)制數(shù)的取值范圍就是：-127～127。

原碼是人腦最容易理解和計(jì)算的表示方式，但在運(yùn)算時(shí)符號位需要單獨(dú)處理，增加了運(yùn)算

的復(fù)雜性，另外數(shù)值0的表示不唯一，也增加了運(yùn)算的難度。

2）反碼

正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是在其原碼的基礎(chǔ)上，符號位不變，其余各個(gè)位取反。

12

第1章信息技術(shù)與計(jì)算思維

如：[+1]=[00000001]原=[00000001]反、[-1]=[10000001]原=[11111110]反

[+127]=[01111111]原=[01111111]反、[-127]=[11111111]原=[10000000]反

其實(shí)，反碼的運(yùn)算也不是很方便，同樣數(shù)值0也會有兩種表示，因此反碼很少使用，一般

用作求補(bǔ)碼時(shí)的中間碼。

3）補(bǔ)碼

正數(shù)的補(bǔ)碼就是其本身，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在其原碼的基礎(chǔ)上，符號位不變,其余各位取反,最

后+1（即在反碼的基礎(chǔ)上+1）。

如：[+1]=[00000001]原=[00000001]反=[00000001]補(bǔ)

[-1]=[10000001]原=[11111110]反=[11111111]補(bǔ)

[+127]=[01111111]原=[01111111]反=[01111111]補(bǔ)

[-127]=[11111111]原=[10000000]反=[10000001]補(bǔ)

在補(bǔ)碼中，數(shù)值0無論是[+0]還是[-0]，最終的反碼都是[00000000]。利用補(bǔ)碼的好處就在

于可以方便地實(shí)現(xiàn)正、負(fù)數(shù)的加法運(yùn)算。

既然原碼能夠被人腦直接識別并用于計(jì)算，那為何還會有反碼和補(bǔ)碼呢？我們都知道，根

據(jù)運(yùn)算法則減去一個(gè)正數(shù)等于加上一個(gè)負(fù)數(shù)，即1-1=1+(-1)=0，所以在計(jì)算機(jī)邏輯運(yùn)算單元設(shè)

計(jì)時(shí)，只有加法運(yùn)算器，使得計(jì)算機(jī)的運(yùn)算設(shè)計(jì)就更簡單了。但如果直接利用原碼進(jìn)行運(yùn)算，

則需要區(qū)分“符號位”，這會讓計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。于是人們想出了用補(bǔ)碼方式

使符號位一起參與運(yùn)算。

如：3-6＝3+(-6)＝[00000011]補(bǔ)+[11111010]補(bǔ)＝[11111101]補(bǔ)＝[10000011]原＝-3

-5-10＝[11111011]補(bǔ)+[11110110]補(bǔ)＝[111110001]補(bǔ)＝[10001111]原＝-15

注：運(yùn)算結(jié)果的補(bǔ)碼有9位，舍棄超出8位二進(jìn)制的最高位1即可。

2．西文字符

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，目前西文字符主要采用ASCII碼，它是美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，已被國際

標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定為國際標(biāo)準(zhǔn)。ASCII碼有7位基本ASCII碼（詳見表1-2-2）和8位擴(kuò)展

ASCII碼兩種。

基本ASCII編碼表只包含128個(gè)代碼，每個(gè)代碼用7位二進(jìn)制來表示。該表中0000000B

（00H）～0100000B（20H）和1111111B（7FH），這34個(gè)作為控制符代碼，包括退格（08H）、

換行（OAH）、回車（0DH）、空格（20H）等；0100001B（21H）～1111110B（7EH）這

94個(gè)作為大小英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字及常用符號的代碼，其中大寫英文字母的代碼范圍

為（41H～5AH），小寫英文字母的代碼范圍為（61H～7AH），阿拉伯?dāng)?shù)字的代碼范圍為

（30H～39H），其余是一些常用符號的代碼。

基本ASCII碼中的字符在計(jì)算機(jī)中占據(jù)1個(gè)字節(jié)的低7位，最高位用0填充。而擴(kuò)展ASCII

碼在計(jì)算機(jī)中占據(jù)1個(gè)字節(jié)，最高位是1。

為了字符類型的數(shù)據(jù)排序，需要為所有字符規(guī)定一種相互之間的大小關(guān)系。事實(shí)上，利用

代碼之間的大小關(guān)系來定義相應(yīng)字符的“大小”關(guān)系是一種很方便的方法。目前，在各種計(jì)算

機(jī)軟件中，西文字符的“大小”順序就是根據(jù)ASCII表內(nèi)碼值的大小來比較：小寫字母大于大

寫字母，英文字母大于數(shù)字字符，絕大多數(shù)控制符比英文和數(shù)字字符要小。

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新編大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

表1-2-2基本ASCII編碼表

ASCII碼西文字符ASCII碼西文字符ASCII碼西文字符ASCII碼西文字符

00HNUL20HSPACE40H@60H`

01HSOH21H！41HA61Ha

02HSTX22H"42HB62Hb

03HETX23H#43HC63Hc

04HEOT24H$44HD64Hd

05HENQ25H%45HE65He

06HACK26H&46HF66Hf

07HBEL27H'47HG67Hg

08HBS28H(48HH68Hh

09HHT29H)49HI69Hi

0AHLF2AH*4AHJ6AHj

0BHVT2BH+4BH