計算機與信息技術

計算機與信息技術

計算機是一種能夠?qū)Ω鞣N信息進行高速、自動存儲和處理的電子裝置。它是20世紀

科學技術發(fā)展進程中最卓越的成就之一。它的出現(xiàn)為人類社會進入信息時代奠定了堅實

的基礎，有力地推動了其他科學技術的發(fā)展，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠的影響。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展及其在醫(yī)學領域中應用的不斷深入，計算機應用基礎課程已

成為高等醫(yī)藥院校學生和醫(yī)療衛(wèi)生領域在職人員繼續(xù)教育的一門必修的公共基礎

課程。本章作為計算機應用基礎的入門共安排5節(jié)，分別是計算機、信息與社會；計算機

內(nèi)信息的表示與編碼；計算機硬件組成及其工作原理；計算機軟件系統(tǒng)；信息安全與病毒

防范。

1.1計算機、信息與社會

計算機的應用已滲入社會的各行各業(yè)，正在改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的學習、工作和生活方式，

推動社會的K速發(fā)展。本節(jié)討論計算機文化、計算機的特點、計算機的發(fā)展歷史和計算機

內(nèi)信息的數(shù)字化等問題。

1.1.1計算機文化

目前，計算機應用基礎已成為文明人類必需的文化內(nèi)容，它與傳統(tǒng)的語言、基礎數(shù)學

一樣重要。一個國家的人民對計算機技術的了解和掌握的程度是這個國家全民科學素養(yǎng)的

指標之一O

1.計算機文化現(xiàn)象

計算機作為一種人類大腦思維的延伸與模擬的工具，它的邏輯推理能力、智能化處理

能力可以幫助人類進一步展開思維空間；它的高速運算能力和大容量存儲能力彌補了人類

這一方面的不足。人們通過某種計算機語言向計算機下達某些指令，可以使計算機完成人

類自身可想而不能做到的事情，而計算機的應用又將為人類社會的發(fā)展開辟全新的研究領

域，創(chuàng)造更多的物質(zhì)和精和財富。例如，電子郵件、遠程訪問等改革了人類的交流方式，

拓寬了人類生活和研究的交流空間，豐富了人類的文化生活；計算機三維動畫技術的應用

可以制造出高度逼真的視覺效果，創(chuàng)造出更多、更精彩的影視作品；圖文照排系統(tǒng)的應用ia

徹底革新了出版、印刷行業(yè)；生物芯片、基因重組技術都是借助計算機技術對人類自身奧

秘以及對動、植物進化奧秘進行探索和優(yōu)化，這也促進了生物技術突飛猛進地向前發(fā)展。

計算機的出現(xiàn)為人類創(chuàng)造文化提供了新的現(xiàn)代化工具，革新了創(chuàng)造文化的方式與方

第1章計算機與信息技術

醫(yī)學計算*與信息支術應用基

法，形成了一種新的人類文化一一計算機文化。

2.計算機應用領域

計算機技術在人類社會生活中如此重要，已經(jīng)形成了一種計算機文化。因此，人們有

必要了解計算機在人們社會生活中的應用領域。計算機的主要應用領域歸納起來可以分為

以下幾個主要方面。

(1)科學計算?？茖W計算(ScientificComputing)也稱數(shù)值計算，主要解決科學研究

和工程技術中提出的數(shù)值計算問題。這是計算機最初的也是最重要的應用領域。世界上第

一臺計算機的研制就是為科學計算而設計的，當時這臺計算機解決的科學計算問題都是人

工計算望而卻步的，有的更是人工計算無法解決的。隨著科學技術的發(fā)展，各個應用領域

的科學計算問題日趨復雜，使得人們不得不更加依賴計算機解決計算問題，如計算天體運

動軌跡、處理石油勘探數(shù)據(jù)和天氣預報數(shù)據(jù)、求解大型方程組等都需要借助計算機完成。

科學計算的特點是計算量大、數(shù)據(jù)變化范圍廣。

(2)數(shù)據(jù)處理。所謂數(shù)據(jù)處理(DataProcessing)是指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理，如

收集、存儲、傳送、分類、檢測、排序、統(tǒng)計和輸出等，從中篩選出有用信息。與科學計

算不同，數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)雖然量大，但計算方法簡單。數(shù)據(jù)處理也是計算機的一人重要而

應用廣泛的領域，用于各和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如電子商務系統(tǒng)、圖書情報檢索系統(tǒng)、生產(chǎn)管

理系統(tǒng)、酒店事務管理系統(tǒng)和醫(yī)院信息系統(tǒng)等。

(3)過程控制。過程控制(ProcedureControl)又稱實時控制，指用計算機實時采集控

制對象的數(shù)據(jù)(有時是非數(shù)值量)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理后，按被控對象的系統(tǒng)要求

對控制對象進行控制。

工業(yè)生產(chǎn)領域的過程控制是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要手段。利用計算機代替人對生

產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制，可以提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，減輕勞動者的勞動強度，保障勞動者

的人身安全，節(jié)約能源、原材料，降低成本，從而提高勞動生產(chǎn)率。目前，我國的許多生

產(chǎn)企業(yè)(如鋼鐵廠、化工廠和生物制品廠等)都已廣泛應用了生產(chǎn)過程的計算機控制系統(tǒng)。

交通運輸、航空航天領域應用過程控制系統(tǒng)更為廣泛，鐵路車輛調(diào)度、民航飛機起降、

火箭發(fā)射及其運行軌跡的實時調(diào)整都離不開過程控制。

(4)計算機輔助系統(tǒng)。計算機輔助系統(tǒng)(Computer-AidedSystem)包括計算機輔助設

if(ComputerAidedDesign,CAD)、計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)

和計算機輔助教學(ComputerAidedInstruction,CAI)等。

計算機輔助設計是指利用計算機幫助人們進行設計。由于計算機具有高速的運算能力

及圖形處理能力，使CAD技術得到廣泛應用，如建筑設計、機械設計、集成電路設計和

服裝設計等領域都有相應的CAD應用軟件。采用計算機輔助設計后，大大減輕了相應領

域設計人員的勞動強度，提高了設計速度和設計質(zhì)量。

計算機輔助制造是指利用計算機對生產(chǎn)設備進行管理、控制和操作。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過

程中，用計算機控制生產(chǎn)設備的運行、處理生產(chǎn)過程中所需的數(shù)據(jù)、控制和處理生產(chǎn)材料

圜J的流動，以及對產(chǎn)品進行檢驗等都屬于計算機輔助制造技術。采用計算機輔助制造技術可

SJ以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短生產(chǎn)周期、降低勞動強度(如用數(shù)控機床加工二件)。

U計算機輔助教學是指利用計算機幫助教師教學，指導學生學習。目前，國內(nèi)外CAI教

學軟件比比皆是，尤其是近年來計算機多媒體技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)上的CAI教

2=第1章計算機與信息技術

學軟件如雨后春筍，競相爭輝。

(5)人工智能。人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是指用計算機模擬人類的演繹

推理和決策等智能活動。在計算機中存儲一些定理和推理規(guī)則，設計程序讓計算機自動探

索解題方法和推導出結論是人工智能領域的基本方法。人工智能是計算機應用研究的前沿

學科。人工智能領域的應用成果十分廣泛，例如，模擬醫(yī)學專家的經(jīng)驗對某一類疾病進行

診斷；具有低等智力的機器人；計算機與人類進行棋類的對弈；數(shù)學中的符號積分和幾何

定理證明等。

(6)信息高速公路。信息高速公路(InformationSuper-Highway)的概念源于美國。早

在1991年，參議員戈爾提出把美國所有信息庫及信息網(wǎng)絡聯(lián)成一個全國性大網(wǎng)，讓各種

形態(tài)的信息在大網(wǎng)中高速交互傳輸。1993年9月，美國總統(tǒng)克林頓正式宣相實施國家信息

基礎設施計劃，即“信息高速公路”計劃。這項計劃預計20年內(nèi)耗資4000億美元，計劃

1997—2000年初步建成。這項計劃震驚全球，各國紛紛提出白己的發(fā)展信息高速公路的計

劃，積極加入到這場世紀之交的大競爭中去。

國家信息基礎設施建設包括人才的培養(yǎng)、信息資源建設、高性能計算機的投入、高速

寬帶通信基礎設施的建設和一系列的標準法規(guī)等政策的制定。我國政府及時抓住了發(fā)展契

機，提出了我國發(fā)展國家信息基礎設施的計劃，目前正在抓緊實施各方面基礎建設。

3.計算機醫(yī)學應用

作為醫(yī)學工作者，有必要了解計算機在醫(yī)學領域的應用情況。20世紀50年代末開始,

計算機應用逐漸滲透到醫(yī)藥衛(wèi)生領域，形成了一門多學科交叉的邊緣學科一一醫(yī)藥信息學

(MedicalInformationScience),它的研究對象是具有生命活動特征的醫(yī)學信息。20世紀70

年代末，“國際醫(yī)藥信息學會”宣告成立；80年代初，“中國醫(yī)藥信息學會”成立。這兩個

學會的成立及開展的工作為醫(yī)藥信息學的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

20世紀90年代，全球性的信息高速公路建設浪潮給計算機醫(yī)學應用帶來新的機遇和

挑戰(zhàn)。1995年，中國衛(wèi)生部宣布啟動“金衛(wèi)工程”建設項目，這是一項以醫(yī)院信息系統(tǒng)為

基礎，包括建設城鎮(zhèn)職工醫(yī)療保險信息網(wǎng)絡和遠程診療信息系統(tǒng)的大型信息系統(tǒng)，各省、

市、區(qū)正在抓緊實施。以下介紹計算機醫(yī)學應用的主要方面。

(1)醫(yī)院信息系統(tǒng)。醫(yī)院信息系統(tǒng)(HospitalInformationSystem,HIS)是采集、管理

醫(yī)院各類信息，實現(xiàn)信息共享的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。國外的醫(yī)院信息系統(tǒng)研究始于20世紀

50年代，大多數(shù)系統(tǒng)建立在大型或小型主機上，目前正由集中式系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)過渡、

從單純面向管理到面向醫(yī)療過渡、從醫(yī)院局域網(wǎng)到逐步與院外的廣域網(wǎng)、無線網(wǎng)相連接。

我國的醫(yī)院信息系統(tǒng)建設始于20世紀80年代，大體上經(jīng)歷了單機單任務、基于文件服務

器的醫(yī)院內(nèi)部信息系統(tǒng)、客戶/服務器體系結構的醫(yī)院信息系統(tǒng)二個階段。“金衛(wèi)工程”的

啟動，促進了各地區(qū)的HIS系統(tǒng)建設，國內(nèi)具有代表性的建設項目有衛(wèi)生部醫(yī)院管理研究

所主持開發(fā)的“中國醫(yī)院信息系統(tǒng)”和解放軍總后勤部衛(wèi)生部主持開發(fā)的軍隊HIS系統(tǒng)。

(2)醫(yī)學數(shù)據(jù)處理。人工處理醫(yī)學數(shù)據(jù)是相當煩瑣的。醫(yī)學統(tǒng)計軟件包的誕生把廣大

醫(yī)學科技工作者從煩瑣的數(shù)據(jù)計算中解脫出來，同時提高了數(shù)據(jù)處理結果的準確性、可靠

性和科研管理水平。目前常用的專業(yè)統(tǒng)計軟件有SAS、SPSS等?，F(xiàn)在MicrosoftOffice的

Excel軟件，由于其應用廣泛，使用方便，逐步成為醫(yī)學數(shù)據(jù)處理最常用的軟件。

醫(yī)學數(shù)據(jù)的科學計算，目前已成為醫(yī)學圖像處理、醫(yī)學計算機仿真(醫(yī)學生理仿真、

醫(yī)臨床仿直)的重要手段.利用計算機網(wǎng)絡計算發(fā)展成型的“循證醫(yī)學”，是計算機技術

醫(yī)學計算*與信息支術應用基

推動醫(yī)學進步發(fā)展的典范。

“人類基因組計劃”是人類探索自身奧秘的計劃，所建立的人類基因組圖將成為疾病

的預測、預防、診斷和治療的基礎。由于基因數(shù)據(jù)的超級龐大，這一跨世紀的大型工程就

只有利用計算技術和網(wǎng)絡技術才可能實施。人類基因研究的背景和計算機技術的結合，誕

生了目前科學領域最熱門的學科之------“生物信息學”。

（3）醫(yī)藥信息檢索系統(tǒng)。早期的醫(yī)藥信息檢索一般使用主從結構的國際聯(lián)機檢索系統(tǒng)，

用戶獲得的信息有限，要求用戶有較強的檢索技能并且檢索費用高，令人望而卻步。另外

一種變通辦法是用戶單位訂購某類光盤（如Medline）,讓用戶在本地檢索信息。

目前，隨著Internet的飛速發(fā)展和信息高速公路計劃的提出與實施，用戶通過網(wǎng)絡可

以訪問多臺信息服務器，檢索手段靈活。Internet的發(fā)展是促使國際聯(lián)機檢索系統(tǒng)向客戶/

服務器體系結構網(wǎng)絡系統(tǒng)過渡的重要原因。中國目前已經(jīng)建成“中國500所大型醫(yī)院信息

庫”、“中國醫(yī)院信息網(wǎng)”等信息資源庫。

（4）智能化醫(yī)療儀器的研制。微型計算機、微處理機及單片機的誕生使計算機應用于

智能化醫(yī)療儀器的研制成為可能。目前已有各類智能化醫(yī)療儀器面市，如電子溫度計、電

子血壓計、心電功能監(jiān)護儀、生化分析儀、電子計算機斷層掃描儀（CT）、核磁共振儀

（NMR）、正電子發(fā)射成像（PET）、單光子發(fā)射成像（SPECT）和y刀等。尤其是CT、

NMR等大型醫(yī)療儀器的研制和應用，使醫(yī)學影像診斷和參與治療的手段前進了一大步，

而計算機在三維超聲診斷、各種射線治療設備（如丫刀等）等計算機輔助治療方面的應用，

大大提高了醫(yī)療水平。

（5）醫(yī)學專家系統(tǒng)。醫(yī)學專家系統(tǒng)（MedicalExpertSystem）是以醫(yī)學專家知識為基礎，

以解決某一醫(yī)學領域問題的人工智能系統(tǒng)。這是國內(nèi)計算機醫(yī)學應用最活躍的領域之一，

尤以中醫(yī)計算機輔助診斷系統(tǒng)獨具特色，受到國內(nèi)、國際的重視和關注。它的作用是協(xié)助

醫(yī)生做出更正確的診斷，制定更合理的醫(yī)療方案。

生物芯片、納米技術、圖像處理技術等計算機技術的引入將進一步促進數(shù)字醫(yī)學應用

領域的深入和發(fā)展。

1.1.2計算機的特點

計算機之所以應用廣泛，是由它的特點決定的。

1.運算速度快

計算機的運算速度是計算機性能最重要的評價指標。從第一臺5000次每秒的計算機

發(fā)展到目前高達280萬億次浮點運算的超級計算機，不僅大大加快了問題求解的速度，而

旦使某些過去靠人根本無法完成的計算工作有了完成的可能。例如天氣預報用一組數(shù)學微

分方程描述天氣的變化，需要快速實時地求解微分方程組的數(shù)值解，實質(zhì)上是把復雜的數(shù)

學公式化解為數(shù)以億萬次的四則運算。這些重復性、大量的簡單運算，理論上人是可以用

簡單計算工具完成的，但實際上因工作量太大，不僅容易出錯，而且在一個限定時間內(nèi)是

無法完成的。中長期天氣預報對計算機運算速度要求更高，只有在百億次以上的巨型機上

國才能按時完成。

蜀2.運算精度高

運算精度是指數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)表示的有效位數(shù)。計算機上的單精度實數(shù)運算一般只

有7?8位有效數(shù)字，雙精度實數(shù)運算可提供15?16位有效數(shù)字。必要時可借助軟件提高

4第1章計算機與信息技術

精度。

3.存儲容量大

目前計算機主存儲器（內(nèi)存）容量大大提高，達到GB的數(shù)量級，而且輔助存儲器（外

存）容量已達TB級。主存儲器由半導體材料制成，其工作速度與中央處理器同步。輔助

存儲器包括磁帶、磁盤和光盤，用來保存大量數(shù)據(jù)和資料?，以實現(xiàn)海量存儲。

4.自動化程度高、可靠性好

計算機的運行是在程序控制下自動進行的，無需人工參與，而且可靠性好。

5.嚴密的邏輯判斷能力

計算機不僅可以完成數(shù)值計算，而且還可施行各種邏輯運算（如判斷大小、異同和真

假等）。例如，計算機可根據(jù)從人造地球衛(wèi)星發(fā)送回來的大量數(shù)據(jù)和圖片信息，判斷地面

農(nóng)作物長勢、病蟲害，判斷環(huán)境污染、森林火災、江河水災和軍事設施等。

6.聯(lián)網(wǎng)通信，共享資源

計算機聯(lián)成網(wǎng)絡后，匯集了世界上所有的信息資源，為人們提供了一種有效及嶄新的

交流手段，便于世界各地的人們充分利用人類共有的知識財富。

1.1.3計算機的發(fā)展歷史

人類創(chuàng)造計算工具、發(fā)展計算技術的歷史悠久。從13世紀誕生在中國的算盤到17世

紀誕生于英國的計算尺，再到現(xiàn)代的電子計算機，都證明了任何一項科學技術的發(fā)明都離

不開當時的社會發(fā)展需要以及當時科學技術的發(fā)展水平。而電子數(shù)字計算機的發(fā)明和發(fā)展

則是近半個世紀的事情，它對現(xiàn)代科學技術和社會發(fā)展的影響是人類所始料不及的，如何

評價都不為過。

1.計算機的誕生

19世紀50年代，英國數(shù)學家喬治?布爾（GeorgeRoole,1815—1864）創(chuàng)立了邏輯代

數(shù)，奠定了電子計算機的數(shù)學理論基礎。1936年，英國科學家圖靈（AlanTuring,

1912-1954）首次提出了邏輯機的模型一一“圖靈機”，并建立了算法理論，被譽為計算

機之父。

兩位科學巨匠的研究為計算機的誕生提供了重要的理論依據(jù)。20世紀初，科學技術的

飛速發(fā)展要求一種高速、準確的計算工具以解決當時科學研究與工程技術上的計算問題。

所以，電子計算機在20世紀誕生是必然的。

1946年2月，世界上第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd

Calculator,電子數(shù)字積分計算機）誕生于美國賓州大學。這臺計算機使用約18000個電子

管，能做每秒5000次加法運算（運算速度），體積為90m3,耗電140多kW,占地170m2,

重約30t。原先需要100多名工程師工作一年的問題，ENIAC只需要2小時。

1946年6月，美籍匈牙利數(shù)學家馮?諾依曼（JohnVonNeumann,1903—1957）在他

的“電子計算機裝置邏輯結構初探”報告中首次提出了順序存儲程序通用電子計算機的方

案，從而奠定了電子計算機結構的基本框架。時至今日，計算機技術日新月異，但其結構

仍是馮?諾依曼結構。

2.計算機的分代

自計算機誕牛以來，計算機技術發(fā)展速度之快,影響之大是其他仟何技術所不能相比

醫(yī)學計算*與信息支術應用基

的。從硬件上來看，計算機已經(jīng)歷了4代發(fā)展歷程，現(xiàn)正在向新一代邁進。

（1）第一代（1946—20世紀50年代中期）。電子管計算機。主要性能指標包括器件

使用電子管（真空管）、汞延遲線存儲器和磁鼓等；1萬次每秒；2KB存儲器；機器語言。

典型計算機有ENIAC、EDVAC、UNIVAC和IBM650等。

（2）第二代（20世紀50年代中期一20世紀60年代中后期）。晶體管計算機。主

要性能指標包括器件使用晶體管、磁芯存儲器等；300萬次每秒：32KB存儲器：軟件有

匯編語言、ALGOL60、FORTRAN和COBOL。典型計算機有IBM7090、IBM7094和

CDC6600等。

（3）第三代（20世紀60年代中后期一20世紀80年代初）。中小規(guī)模集成電路計

算機。主要性能指標包括硬件有中小規(guī)模集成電路、半導體存儲器、磁盤和微處理器等；

1億?10億次浮點運算每秒；8?256MB存儲器；軟件有操作系統(tǒng)、結構化程序設計語言、

并行算法和數(shù)據(jù)庫等。典型計算機有IBM360、370和PDP-11等。

（4）第四代（20世紀80年代初至今）。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機。主耍性

能指標包括硬件有大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、半導體存儲器、磁盤、光盤、微處理器、

微型計算機、多處理機系統(tǒng)、分布式計算機系統(tǒng)、并行計算機系統(tǒng)和工作站等；10億次以

上浮點運算每秒；256?4096MB存儲器；軟件有ADA語言、Java語言、專家系統(tǒng)、軟件

工具和支撐環(huán)境等。典型計算機有IBM308X、CRAY_2和CRAY_3等。

目前計算機正在向面向人工智能、神經(jīng)元網(wǎng)絡計算機和生物芯片方向發(fā)展。面向人工

智能應用計算機的硬件有超大規(guī)模集成電路、GAAS、HEMT、半導體存儲器和大規(guī)模并

行計算機系統(tǒng)；軟件有邏輯型語言、函數(shù)型語言、面向?qū)ο笳Z言和智能軟件等；典型計算

機有LISP機、PROLOG機等。神經(jīng)元網(wǎng)絡計算機的硬件有超大規(guī)模集成電路、GAAS、

HEMT、JJ、光計算機和生物計算機，典型計算機有MARKV、NX」6和NX」/I6等。

3.中國計算機發(fā)展歷史

中國計算機事業(yè)起步于1956年，電子計算機的研制被列入當年制訂的“十二年科學

技術發(fā)展規(guī)劃”的重點項目中。1957年，我國研制成功第一臺模擬電子計算機。1958年，

我國研制成功第一臺電子數(shù)字計算機（103機）。1964年開始，我國推出一系列晶體管計算

機，如109乙、109丙、108乙和320等。從1971年開始，我國生產(chǎn)出一系列集成電路計

算機，如150、DJS-100系列和DJS-200系列等。這些產(chǎn)品成為我國當時應用的主流機種。

20世紀80年代后，我國計算機事業(yè)蓬勃發(fā)展。1983年，I億次巨型計算機“銀河-I”

誕生；1993年，10億次巨型計算機“銀河-II”誕生；1995年，曙光1000大型機通過鑒

定，其峰值達25億次每秒；1997年，130億次巨型計算機“銀河-III”誕生;2000年7月,

3840億次巨型計算機“神威-I”問世；2001年，我國研制的曙光3000超級計算機峰值達

4032億次每秒；2002年8月，聯(lián)想集團研制的深騰1800超級計算機峰值達1.08萬億次每

秒的運算速度，位居全球第43位；2003年12月，聯(lián)想集團又推出了深騰6800超級計算

機，其運算能力達4.183萬億次每秒；2004年6月，由中國科學院計算技術研究所、曙光

凰公司和上海超級計算中心三方共同研制的曙光4000A超級服務器，峰值運算速度達到11

S]萬億次每秒。這是中國成為世界上繼美國、日本之后第三個跨越10萬億次計算機研發(fā)和應

aj用的國家。

在微型計算機產(chǎn)品方面，我國先后推出了聯(lián)想、長城、方正、同創(chuàng)、浪潮和實達等國

6第1章計算機與信息技術

產(chǎn)品牌，國產(chǎn)品牌市場占有率越來越高。軟件產(chǎn)業(yè)更是興旺發(fā)達，先后推出北大方正漢字

激光照排系統(tǒng)、反病毒程序和字處理軟件等。

1.1.4計算機的分類

計算機按應用特點可分為專用計算機和通用計算機；按機器規(guī)模大體上可分為巨型計

算機、大型通用計算機、小型通用計算機和微型計算機。

1.巨型計算機

又稱超級計算機(SuperComputer)或超高性能計算機。在各類計算機中，此類計算

機運算速度最快，主存容量最大，不僅有標量運算，而且還有向量運算。它用來解決其他

類計算機不能或難以解決的大型復雜問題，如中長期天氣預報、石油勘探與開發(fā)的數(shù)值計

算和科學研究的數(shù)據(jù)處理等問題。

2.大型通用計算機

它是處理能力強大的通用計算機(MainframeComputer),屬于比較早期的機種，既

適用于科學計算，又能進行大量數(shù)據(jù)處理。大型通用計算機一般擁有4?8個CPU,最高

處理速度高達6億次每秒，它擁有多達百臺大容量磁盤機，支持大型數(shù)據(jù)庫，連接數(shù)百臺

用戶終端，可實現(xiàn)分時處理?，F(xiàn)代企業(yè)的管理信息系統(tǒng)(ManagementInformationSystem,

MIS)早期幾乎都是建立在大型通用計算機的基礎之上的。

3.小型通用計算機

又稱超級小型計算機(Minicomputer),該機種除規(guī)模小一些外，與大型通用計算機

的低檔機型接近，其性能價格比高，適合廣大中小企業(yè)使用。

4.微型計算機

又稱個人計算機(PersonalComputer,PC)。在各種類型計算機中，微型計算機發(fā)展

最快，性能價格比最高，應用最廣泛，最具發(fā)展前途，因而在各行各業(yè)得到普遍應用。微

型計算機是以先進的微處理器作為CPU,當今奔騰微處理器P1V的主頻已高達3.8GHz以

上，運行速度達20億次每秒，內(nèi)存容量主流是1024MB或2048MB,硬盤容量高達80GB?

ITBo當今微型計算機已發(fā)展出單片機、便攜式微型計算機(筆記本)、臺式微型計算機

和工作站。工作站是一種小巧緊湊的計算機系統(tǒng)，它配有高速整數(shù)和浮點運算處理部件，

有很大的虛擬存儲空間、強有力的人機交互圖形顯示接口和網(wǎng)絡通信接口，以及功能齊全

的系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件。高檔工作站的CPU可多達20多個。工作站具有比臺

式機更強的數(shù)據(jù)處理、圖形圖像處理和網(wǎng)絡功能，因此廣泛應用于科學計算、軟件工程、

CAD/CAM和人工智能等領域。

今后隨著多核微處理器技術和并行處理技術的發(fā)展，采用多處理器技術來研制巨型計

算機已成為計算機研制中的一個重要方向。目前計算機的研制正朝巨型計算機和微型計算

機兩個方向發(fā)展。巨型計算機的研制是國力的象征、世界其他尖端技術發(fā)展的需要；微型

機的快速研制開發(fā)推動了計算機的普及與應用市場的需求。

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，服務器的作用愈來愈重要。在Internet技術中，用作服務器的

計算機可以是大型計算機、微型計算機甚至是巨型計算機。專用服務器與普通計算機的區(qū)

別是在服務器的設計中充分發(fā)揮了多處理器、高速磁盤接口、磁盤陣列和磁盤鏡像等先進

技術，以確保服務器的穩(wěn)定性、運算的高速和大存儲容量等特別的需求。

醫(yī)學計算機與信息支術應用基

1.1.521世紀計算機發(fā)展趨勢

21世紀的計算機將會向以下幾個方面發(fā)展。

（1）超級計算機的研制仍然是熱點。截止到2006年年底，當今超級計算機的最高速

度達280萬億次浮點運算每秒，為IBM公司制造的BlueGene/L。目前美國、日木正在研

制1000萬億次的超級計算機。

（2）由于微處理器的電子制造工藝到一定時期會達到一個物理極限，人們將尋求新的

制造領域，光電子計算機和生物計算機將是21世紀的主力軍。光電子計算機的優(yōu)點是快速

（比電快1000倍以上）、不發(fā)熱、電路之間沒有干擾，能克服當今硅芯片的最大缺陷。生

物計算機的最大特點是運算速度快，處理信息的時間僅為集成電路的萬分之一，其本身具

有并行處理能力，而不必依賴數(shù)千臺微處理器的聯(lián)合。

（3）計算機將進一步微型化，亳微米技術將產(chǎn)生更加微型化的機器人。現(xiàn)在Mitre公

司已制造出5mm小的機器人，將使它具有自我復制能力；與醫(yī)學結合，在人類的血液中

置入微型機器人以對付癌癥、艾滋病和先天性免疫功能喪失綜合征等疾病，幫助人類戰(zhàn)勝

病魔。

（4）計算機人工智能化、人性化。在建立人工智能化、自然化和人性化系統(tǒng)方面，最

基本的技術可能就是自然語言處理技術。語音識別技術在近年獲得了令人驚訝的進展，如

IBM公司的ViaVoice就可以對連續(xù)的語音進行比較可靠的識別?，F(xiàn)在這些產(chǎn)品有一個較

大的限制，即在于用戶必須讀出標點符號，如“逗號”或者“句號”，但這類限制很快就

會得到解決。在今后的系統(tǒng)中，人們可以像對人說話一樣對計算機提問或者提要求，計算

機將給出滿意的回答。計算機甚至可以理解人類的情緒。

（5）計算機網(wǎng)絡將繼續(xù)向高速寬帶網(wǎng)發(fā)展，真正做到在網(wǎng)上共享硬件資源、信息資源。

人類將完全實現(xiàn)無紙辦公和移動辦公。利用計算機精確地實現(xiàn)全球定位系統(tǒng)（Global

PositioningSystem,GPS）導航等。

1.1.6信息的數(shù)字化

人類社會最基本的三個耍素是物質(zhì)、能量和信息。物質(zhì)是基礎，能量是動力，而信息

則是社會經(jīng)濟系統(tǒng)賴以構造和協(xié)調(diào)的紐帶，是合理配置、正確調(diào)度的依據(jù)，是社會生產(chǎn)力

的倍增器。任何社會活動都包含著對信息的采集、傳輸、存儲、加工處理和利用。信息技

術正從整體上影響著世界經(jīng)濟和社會發(fā)展的進程，信息技術的發(fā)展水平、應用水立和教育

水平已經(jīng)成為衡量社會進步程度的重要標志。

1.信息的概念

人類對自身生存、進步三要素（物質(zhì)、能量和信息）的認識經(jīng)歷了漫長而曲折的歷程。

人類首先認識了物質(zhì)世界。在遠古，人類在求生存的過程中學會了制造和使用石器、銅器

及鐵器等工具，學會了狩獵、取火和種植；在近代和現(xiàn)代，人類不斷創(chuàng)造發(fā)明新技術、新

凰產(chǎn)品，發(fā)展生產(chǎn)力，改善生存條件。人類在與大自然長期斗爭中認識到：客觀存在的物質(zhì)

S）世界是人類賴以生存的基本條件。人類對能量的認識要晚得多。到17世紀蒸汽機誕生以后,

融人類從大規(guī)模的機器工業(yè)革命中才逐漸認識到：物質(zhì)在運動中將產(chǎn)生一種推動社會生產(chǎn)力

發(fā)展的強大動力，這就是能量。人類最后認識信息。20世紀中葉，電話、電報和遙感等通

8第1章計算機與信息技術

信技術相繼問世，人類開始時信息產(chǎn)生認識；電子計算機的誕生進一步發(fā)展了人類對信息

的認識。但是時至今日，人類對信息的認識還需要不斷地深入和探索。

對于信息，一種比較流行的看法認為：信息是客觀存在的一切事物及其運動狀態(tài)的表

征，信息通過物質(zhì)載體以消息、情報、數(shù)據(jù)和信號等方式被表達并進行傳遞和交換。

2.信息的特征

信息的巨大作用源于信息的基本特征。

（1）普遍性。無論是生命世界或無生命世界，還是社會生活或人類思維，信息都是無

處不在、無時不有的。

（2）寄載性。物質(zhì)是信息存在的基礎，產(chǎn)生的源泉，即信息必須寄載于一定的物質(zhì)載

體上，信息不可能獨立于物質(zhì)之外。

（3）共享性。信息是一種資源，可以為人類所共享。

（4）時效性。即信息被利用的價值，會因時間、地點和對象而異。信息可能是此處有

用他處無用；此時有用彼時無用：對你有用對他無用。

（5）可識別性。包括直接識別（通過人類的眼、耳、鼻、舌和身等感官）和間接識別

（通過各種探測手段）。

（6）可表征性。世界.匕一切存在的事物及其運動都會產(chǎn)生信息，而信息正是表征這些

存在的事物及其運動狀態(tài)的一種普遍形式。對某事物及其運動，可以用事件發(fā)生來描述，

事件發(fā)生前的平均信息量可用美國科學家申儂的信息端公式計算。可見，信息不僅表征事

物，而且信息量（表征的能力）也是可以度量的。

（7）可處理性。對信息可進行存儲、分析、轉(zhuǎn)換、傳遞、壓縮和再生等處理。

3.信息與數(shù)據(jù)

計算機實際上是一臺信息（數(shù)據(jù)）處理機。也就是說，用計算機處理信息時，必須將

現(xiàn)實世界中的信息轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別、存儲和處理的形式，即二進制的。和1,以及

其他各種經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過加工處理，再將結果（新的信息）提供給外界。例如,

數(shù)字視頻技術就是將通過攝像機等獲得的光學運動圖像進行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化圖像，然

后進行壓縮，以便存儲在磁盤、光盤等介質(zhì)上，或通過電纜等其他方式傳送出去。

這里所談的數(shù)據(jù)，不僅僅是指一些數(shù)字，還包括各種數(shù)值數(shù)據(jù)、字符數(shù)據(jù)（如英文字

母、漢字、標點符號和運算符等）、文字數(shù)據(jù)（字符串數(shù)據(jù)）、圖形圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)

等。通常所謂數(shù)據(jù)處理，指對各種數(shù)據(jù)進行如采集、存儲、傳送、轉(zhuǎn)換、分類、排序、計

算和圖像顯示等工作。在計算機內(nèi)，任何形式的數(shù)據(jù)都用二進制數(shù)表示。

信息與數(shù)據(jù)既有聯(lián)系又有區(qū)別。數(shù)據(jù)是計算機化的信息，是信息的載體和表達形式；

而信息是數(shù)據(jù)表達的內(nèi)涵或解釋。數(shù)據(jù)是具體的物理形式，而信息則是抽象出來的邏輯意

義。由于信息與數(shù)據(jù)的關系如此緊密，因此在很多場合下，人們通常不區(qū)分“信息”與“數(shù)

據(jù)”、“信息處理”與“數(shù)據(jù)處理”兩對概念。

世界上浩如煙海的信息都用0和1來表示，要存儲如此多的二進制位數(shù)據(jù)顯然需要存

儲量特別大的存儲介質(zhì)，同時要提高計算機的信息處理速度，提高信息傳輸能力（即提高

網(wǎng)絡的信息通信能力）等。這既是計算機科學技術研究的基本內(nèi)容，也是計算機特有的功

能，更是信息社會的邏輯基礎。

醫(yī)學計算機與信息支術應用基

1.2計算機內(nèi)信息的表示與編碼

二進制數(shù)是計算機表示信息的基礎。本節(jié)首先引入二進制數(shù)的概念，再介紹數(shù)值型數(shù)

據(jù)在計算機內(nèi)的表示方式和字符（包括英文字符和漢字）在計算機內(nèi)的表示方式。

1.2.1二進制

人類習慣使用十進制表示數(shù)。十進制有10個不同的數(shù)字（表記符號），分別是0,I,

2,3,4,5,6,7,8,9。兩個十進制數(shù)進行運算時遵循“逢10進1”的規(guī)則。在進位計

數(shù)制中所用不同數(shù)字的個數(shù)稱為該進位計數(shù)制的基數(shù)，那么十進制的基數(shù)是10o

在人類社會發(fā)展過程中，人類還創(chuàng)造了各種不同的進位計數(shù)制。如一天有24小時，

即二十四進制，逢24進1；一小時為60分，即六十進制，逢60進1；一周有7天，即七

進制，逢7進1。在上述進位計數(shù)制中，有的有自己的表記符號，有的借用其他進位計數(shù)

制的表記符號。用什么表記符號并不重要，只要使用方便即可。不同進位計數(shù)制之間的區(qū)

別在于它們的基數(shù)和表記符號不同，進位規(guī)則不同。

1.二進制數(shù)

二進制數(shù)只有。和1兩個記數(shù)符，其進位的基數(shù)是2,遵循“逢2進1”的進位規(guī)則。

在計算機中采用二進制數(shù)表示數(shù)據(jù)的原因如下。

（1）計算機科學理論已經(jīng)證明：計算機中使用e進制（e弋2.718）最合理，取整數(shù)，

可以使用二進制。

（2）由于二進制數(shù)值可以采用的電子元器件（開關特性）很容易實現(xiàn)計算機內(nèi)數(shù)值1

和。的存儲、計算和表達。如果使用三進制則需要3個電壓量來表達其3個表記符號。顯

然，其可靠性比使用二進制更容易受電壓波動的影響。

（3）運算簡單。0+0=0,0+1=1,1+0=1,l+l=10o數(shù)值量與邏輯量共存，便于用邏輯

運算器件實現(xiàn)算術運算。

二進制的基數(shù)為2,表記符號只有0和1兩個，運算遵循“逢2進1”的規(guī)則。例如:

1100110100

+11III00000

11100010100

2.八進制與十六進制數(shù)

人類使用二進制表達一個比較大的數(shù)值時，書寫長，看起來不直觀，很容易出錯。由

于八進制和十六進與二進制有運算上的完全對應關系，所以常常采用八進制和十六進制記

數(shù)法（便于人類閱讀）。

八進制的基數(shù)為8,共有。?7共8個表記符號，運算遵循“逢8進1”的規(guī)則。一位

八進制數(shù)正好用3位二進制數(shù)表達，它們的對應關系如表1-1所示。

表1-1八進制數(shù)與二進制數(shù)的對應關系

八進制0I234567

一進制000001010011100101110111

10第1章計算機與信息技術

去學計算機與信息技術應用基礎

八進制數(shù)與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換很容易，按照表1-1,每一位八進制數(shù)寫成對應的3位二

進制數(shù)，即完成八進制數(shù)到二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換；從低位到高位每3位二進制數(shù)寫成對應的1

位八進制數(shù)，即完成二進制數(shù)到八進制數(shù)的轉(zhuǎn)換。如(157)8=(001101lll)2o

十六進制的基數(shù)為16,共有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F16

個表記符號，運算遵循“逢16進1”的規(guī)則。一位十六進制數(shù)正好用4位二進制數(shù)表達，

它們的對應關系如表1?2所示。

表1-2十六進制數(shù)與二進制數(shù)的對應關系

十六進制0123456789ABCDEF

二進制0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

十六進制數(shù)與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換同樣很容易，按照表1-2,每1位十六進制數(shù)寫成

對應的4位二進制數(shù)，即完成十六進制數(shù)到二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換；從低位到高位每4位二進

制數(shù)寫成對應的一位十六進制數(shù)，即完成二進制數(shù)到十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換。如(FD57h二

(1111110101010111)20

3.二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換

十進制畢竟是人們最熟悉的數(shù)制。在計算機的輸入輸出中采用十進制，即人類使用十

進制數(shù)輸入數(shù)據(jù)，計算機輸出數(shù)據(jù)時也使用十進制數(shù)，而計算機內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)使用二進制。

數(shù)據(jù)的輸入、輸出過程中的十進制數(shù)到二進制數(shù)，二進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換由機器自動

完成。

(1)二進制數(shù)向十進制數(shù)轉(zhuǎn)換

一個二進制數(shù)按其權位(權位用十進制表示)展開求和，即可得到相應的十進制數(shù)。如

(110.101)2=(1X22+1X21+0X2°+1X2-1+0X2-2+1X2-3)IO

=(4+2+O.5+O.125)io=(6.625)10

(2)十進制數(shù)向二進制數(shù)轉(zhuǎn)換

整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“除2取余”法。十進制數(shù)整數(shù)部分除以2,余數(shù)作為相應二進

制數(shù)整數(shù)部分的最低位；用上步的商再除以2,余數(shù)倫為二進制數(shù)的次低位；……一直除

到商為0,最后一步的余數(shù)作為二進制數(shù)的最高位。

例如，將十進制數(shù)11轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的過程如下：

除法商余數(shù)

114-251

5?221

24-210

14-201

故(11)10=(1011)2

小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“乘2取整”法。十進制小數(shù)部分乘2,積的整數(shù)部分為相應二

進制數(shù)小數(shù)部分的最高位；用上步積的小數(shù)部分再乘2,同樣取積的整數(shù)部分作為相應二

進制數(shù)小數(shù)部分的次高位；……一直乘到積的小數(shù)部分為0或達到所要求的精度為止。

例加，將十進制數(shù)0.625轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的過程如下。

醫(yī)學計算*與信息支術應用基

乘法積的整數(shù)部分積的小數(shù)部分

0.625X2:10.25

0.25X200.5

0.5X210

故(0.625)io=(0.101)2

1.2.2數(shù)在計算機內(nèi)的表示方法

1.信息度量單位

無論是數(shù)值型數(shù)據(jù)，還是字符（包括英文字符、漢字或其他符號）都是存儲在一個稱

為字節(jié)的單元中。

一個二進制位稱為位（bit）,8個二進制位組成一個字節(jié)（byte）,更大的度員單位是

KB、MB、GB、TBo1KB=1024字節(jié)，1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GBo計

算機信息處理的最小單位是位，而計算機尋址的單位是字節(jié)。

2.原碼

二進制數(shù)在計算機內(nèi)可以使用原碼、反碼和補碼表示。

以下假設數(shù)據(jù)使用8位二進制表示，用其中一位表示數(shù)的符號（0表示正數(shù)，1表示

負數(shù)），其余7位表示數(shù)值，

例如,設十進制數(shù)A=+27,其原碼簡記為［A］原=00011011,如圖1-1所示；設十進制數(shù)

B=-37,其原碼簡記為［B］產(chǎn)10100101,如圖1-2所示c

000110I1

1

t1

符號數(shù)值

圖1-1A=+27的原碼表示

10100101

符號數(shù)位

圖1-2B=-37的原碼表示

在原碼表示法中，數(shù)值0有兩種表示方法：正0和負0,簡記為［+0］=00000000,

［-0］=10000000O

3.反碼

反碼又稱“對1的補嗎”。符號位與原碼約定相同。正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的

反碼是在原碼的基礎上按位取反。例如［+27］反=［+27］^=00011011,而［-37］反=11011010。

在反碼表示法中，數(shù)值0也有兩種表示方法：正0和負0,簡記為［+0］=00000000,

圖［-0］=11111111O

匿］反碼表示法的優(yōu)點是統(tǒng)一了加減法運算，只需要計算加法；反碼表示法的缺點是運算

3J時會引起循環(huán)進位，這既占用機器計算時間，又給機器設計帶來麻煩。因此，人們又尋求

另一種表示方法，即補碼.

12第1章計算機與信息技術

去學計算機與信息技術應用基礎

4.補碼

補碼又稱“對2的補碼”。符號位與原碼約定相同。正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)

的補碼是在原碼的基礎上按位取反后,最后位加lo例如［+27］補=［+27］原=00011011,

［-37］補=UOllOllo

在補碼表示法中，0有唯一的表示方法：［+0h卜=H)］補=OOOOOOOOo

引入補碼概念后，加法、減法都可用加法實現(xiàn)。因此，現(xiàn)代計算機多采用補碼運算。

在討論原碼時己經(jīng)假設使用8位二進制表示數(shù)，即假設計算機的字長是8位“因為要

用一位表示符號，所以只有7位用來表示數(shù)據(jù)，那么在這臺計算機上數(shù)據(jù)的表示范圍是

+127―728。當實際數(shù)據(jù)不在這個范圍內(nèi)時就會出錯，這就是溢出。當然，現(xiàn)代計算機的

字長大于8位(16、32或64位)，但終究有一個范圍。對于溢出問題，計算機要作相應處理。

前面討論的三種表示方法只能表示單純整數(shù)或小數(shù)，稱其為數(shù)的定點表示法。在計算

機中，參與運算的數(shù)一般是實數(shù)，既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分。為了表示實數(shù)，使用數(shù)的

浮點表示方法。任何一個實數(shù)可以表示成A=2，XS,其中S是實數(shù)A的尾數(shù)，S的符號可

用Cs表示，。表示正數(shù)，1表示負數(shù)；，是用二進制表示的階碼，i的符號可用G表示，0

表示正數(shù)，1表示負數(shù)0例如，實數(shù)H0.I0I可表示成2"乂0.11010屋浮點表示方法的格

式如下。

G/CsS

C、Cs各只用一位，i的位數(shù)決定實數(shù)的表示范圍，S的位數(shù)決定實數(shù)的精度。

計算機內(nèi)的數(shù)值運算以加法為基礎，其他運算都可以變成加法實現(xiàn)。然而，現(xiàn)代的微

處理器內(nèi)已集成了浮點運算部件，其中包括了乘法器等，以提高運算速度。

1.2.3編碼

編碼即字符在計算機內(nèi)的表示方法，是用二進制形式表示的，其中包括字符與漢字。

1.ASCII編碼

當今的計算機普遍采用ASCH編碼，即美國標準信息交換碼(AmericanStandardCode

forInformationInterchange)0ASCII編碼集中的字符用8位二進制數(shù)表示，但只用低7位,

共可表示128個字符。編碼為0-127稱為ASCII碼基本集：128?255的編碼稱為ASCII

碼擴展集，留作它用，如字符A的編碼表示如下：

b7b6b5b4b3b2blbO

01000001

字符的ASCH編碼如表1-3所示。其中，編碼。?31表示控制字符。控制字符對照表

如表1-4所示。

表1-3ASCII字符編碼表

^\b6-b4

000031010011100101110111

b3-b0^\

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC1J1AQaq

醫(yī)學計算機與信息支術應用基

續(xù)表

^\b6-b4

0000D1010011100101110111

b3-b0\^

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3cScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

4

0111BELETB7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYjy

1010LFSUB*:JZjz

1011VTESC+9R[k(

nooFFFS<L\II

1101CRGS-=M]m}

1110SORS?>NAn?

IlliSIUS/?O—oDel

表1-4控制字符對照表

ASCII碼控制字符主要作用輸入字符ASCII碼控制字符主要作用輸入字符

00000NUL空白Ctr1+@10000DLE數(shù)據(jù)鏈路換碼Ctrl+P

00001SOH序始Ctrl+A10001DC1設備控制1Ctrl+Q

00010STX文始Ctrl+B10010DC2設備控制2Ctrl+R

00011ETX文終Ctrl+C10011DC3設備控制3Ctrl+S

00100EOT送畢Ctrl+D10100DC4設備控制4Ctrl+T

00101ENQ詢問Ctrl+E10101NAK否認Ctrl+U

00110ACK承認Ctrl+F10110SYN同步空轉(zhuǎn)Ctrl+V

00111BEL警鈴Ctrl+G10111ETB發(fā)送塊終Ctrl+W

01000BS退格Ctrl+H11000CAN取消Ctil+X

01001HT楨表Ctrl+I11001EM我體終Ctrl+Y

01010LF換行Ctrl+J11010SUB取代Ctrl+Z

01011VT縱表Ctrl+KnonESC擴展Esc

01100FF換頁Ctrl+L11100FS文件間隔Clrl+\

01101CR何車Ctrl+M