第1章 计算机基础知识

第1章计算机基础知识 2 课程简介 MSOffice 是Microsoft公司推出的办公套装软件 主要版本有MSOffice97 2000 2003 XP 2007 2010等 它包括Word Excel Access PowerPoint等应用软件 Windows 是Microsoft公司推出的基于图形用户界面的操作系统 最近的新版本包括Windows7 Windows8 MSOffice套装系列应用软件的运行平台是Windows 3 课程学习内容 计算机发展简史 特点 分类 及其应用领域计算机中数据 字符和汉字的编码多媒体技术的基本知识计算机病毒的概念和防治 4 第1章计算机基础知识 1 1计算机的发展 1 2信息的表示与存储 1 3多媒体技术简介 1 4计算机病毒及其防治 1 5本章小结 5 1 1计算机的发展 世界上第一台计算机问世 电子数字积分计算机 ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 于1946年 在美国宾夕法尼亚大学研制成功 1 1 1计算机的发展 使科学家从繁重的计算中解放出来 ENIAC的问世标志着计算机时代的到来 6 1 1计算机的发展 冯 诺依曼型计算机原理二进制 计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式表示和存储 程序存储 自动执行 程序和数据存放在存储器中 计算机执行程序时 无需人工干预 能自动 连续地执行程序 并得到预期的结果 7 1 1计算机的发展 计算机发展的四个阶段 因采用的物理器件不同 第一代 1946 1959 电子管几千 次 秒 第二代 1959 1964 晶体管几万 几十万 次 秒 第三代 1964 1972 中 小集成电路几十万 几百万 次 秒 第四代 1972 至今 大 超大规模集成电路上千万 万亿 次 秒 8 1 1计算机的发展 中国电子计算机的发展1958年 研制出第一台电子计算机 1964年 研制出第二代晶体管计算机 1971年 研制出第三代集成电路计算机 1977年 研制出第一台微型机DJS050 1983年 研制出1万次 秒的 深腾1800 计算机 2003年12月 自主研发出10万亿次 秒的 曙光4000A 高性能计算机 2010年 研制出千万亿次 秒的 天河一号 计算机 9 1 1计算机的发展 1 计算机的特点 1 高速 精确的运算能力2012年6月公布的世界超级计算机排名显示 排名第一的IBM公司 红杉 Sequoia 运算速度达到每秒16324万亿次浮点运算 我国 天河一号 实测运算速度可达每秒2570万亿次浮点运算 排名世界第五 2 准确的逻辑判断能力在信息检索方面 能够根据要求进行匹配检索 1 1 2计算机的特点应用和分类 10 1 1计算机的发展 3 强大的存储能力计算机能够长期保存大量数字 文字 图像 视频 声音等信息 如 能够 记住 一个大型图书馆的所有资料 4 自动功能计算机能够自动执行预先编写好的一组指令 称为程序 工作过程完全自动化 无需人工干预 而且可以反复进行 5 网络与通信功能目前广泛应用的 国际互联网 Internet 连接了全世界200多个国家和地区的数亿台各种计算机 网上的计算机用户可以共享网上资料 交流信息 11 1 1计算机的发展 2 计算机的应用 1 科学计算科学计算主要是使用计算机进行数学方法的实现和应用 许多科研研究仍然需要大量的运算需求 如 著名的人类基因序列分析计划气象预报前 对气象卫星云图数据进行处理 2 数据 信息处理数据 信息处理也称为非数值运算 如 计算机在文字处理方面的应用 12 1 1计算机的发展 3 过程控制过程控制计算是指利用计算机对生产过程 制造过程或运行过程进行检测与控制 即通过实时监控目标对象的状态 及时调整被控对象 使被控对象能够正确地完成生产 制造或运行 过程控制广泛应用于各种工业环境中 4 计算机辅助计算机辅助 或称为计算机辅助工程 包括 计算机辅助设计 计算机辅助制造 计算机辅助教育 计算机辅助技术 计算机仿真模拟等 13 1 1计算机的发展 5 网络通信计算机技术和数字通信技术的融合产生了计算机网络 计算机网络极大地改变人们的生活和工作方式 6 人工智能人工智能 ArtificialIntellibence AI 是用计算机模拟人类的某些智力活动 其主要研究内容包括 自然语言理解 专家系统 机器人以及自动定理证明等等 14 1 1计算机的发展 7 多媒体应用多媒体是包括文本 图形 图像 音频 视频 动画等多种信息类型的综合 多媒体技术是指人和计算机交互地进行上述多种媒介信息的捕捉 传输 转换 编辑 存储 管理 并由计算机综合处理为表格 文字 图形 动画 音频 视频等视听信息有机结合的表现形式 8 嵌入式系统嵌入式系统 Embeddedsystem 是一种 完全嵌入受控器件内部 为特定应用而设计的专用计算机系统 15 1 1计算机的发展 3 计算机的分类 1 巨型机 型机是指速度最快 处理能力最强的计算机 现在又称其为高性能计算机 2 大型通用机 大型通用计算机的特点是通用性强 具有较高的运算速度 极强的综合处理能力和极大的性能覆盖 3 微型机 微型机具有小 巧 轻 使用方便的特点 是目前计算机应用的主流 16 1 1计算机的发展 4 工作站工作站是一种高档微型计算机 它比微型机有更大的存储容量和更快的运算速度 通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部和外部存储器 并具有较强的信息处理功能和高性能的图形 图像处理功能和联网功能 5 服务器服务器通常以各种应用的服务提供者角色出现 例如 服务器可以作为网络的节点 存储 处理网上80 的数据 信息 因此也被称为网络的灵魂 17 1 1计算机的发展 1 人工智能 人工智能的主要内容是研究如何让计算机完成过去只有人才能做的智能的工作 核心目标是赋予计算机人脑一样的智能 例如 模式识别中的指纹识别技术已经得到了广泛应用 计算机辅助翻译极大地提高了翻译效率 手写输入技术已经在手机上得以普及 1 1 3计算机科学研究与应用 18 1 1计算机的发展 2 网格计算 网格计算是专门针对复杂科学计算的新型计算模式 这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个 虚拟的超级计算机 其中每个参与计算的计算机就是一个 结点 成千上万个 结点 组成一张 网格 所以称其为 网格计算 网格计算有两个优势 1 处理能力超强 2 能充分利用网上的闲置处理能力 将全世界的计算机联合起来协同工作 这视为21世纪的新型网络基础架构 19 1 1计算机的发展 3 中间件技术 中间件是介于应用软件与操作系统之间的系统软件 20 1 1计算机的发展 4 云计算 云计算分布式计算 网格计算 并行计算网络存储及虚拟化计算机和网络技术发展融合的产物 云计算的核心思想是对大量用网络连接计算资源进行统一管理和调度 构成一个计算资源池向用户提供按需服务 提供资源的网络被称为 云 云计算的构成包括硬件 软件和服务 用户可用极低成本的终端设备 并支付相应的服务费用给 云计算 服务商 通过网络就可以方便地获取所需要的计算 存储等资源 21 1 1计算机的发展 1 电子计算机的发展方向 巨型化巨型化是指计算速度更快 存储容量更大 功能更完善 可靠性更高 运算速度可达万万亿次 秒 存储容量超过几百T字节 2 微型化微型计算机正在循序向便携机 掌上机发展的价格 方便的使用 丰富的软件 使其受到用户的青睐 1 1 4未来计算机的发展趋势 22 1 1计算机的发展 3 网络化网络化是指利用技术和计算机技术 把分布在不同地点的计算机互联起来 按照网络协议互相通信 以共享软件 硬件和数据资源 4 智能化智能化是指模拟人的感觉和思维能力 智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能 以及处理知识和知识库管理的功能等 23 1 1计算机的发展 2 未来新一代的计算机 1 模糊计算机 基于模糊理论 能够实现模糊的 不确切的判断进行工程处理的计算机 2 生物计算机 以生物元件构建的计算机 3 光子计算机 一种用光信号进行数字运算 信息存储和处理的计算机 4 超导计算机 用超导材料替代半导体材料制造的计算机 超导计算机具有能耗小 运算速度快的特点 5 量子计算机 基于量子动力学规律进行高速数学和逻辑运算 存储及处理量子信息的计算机 24 1 1计算机的发展 1 信息技术的定义 狭义定义 一般来说 信息的采集 加工 存储 传输和利用过程中的每一种技术都是信息技术 联合国教科文组织的定义 应用在信息加工和处理中的科学 技术与工程的训练方法和管理技巧 上述反复面的技巧和应用 计算机及其与人 机的相互作用 与之相应的社会 经济 和文化等诸种事物 信息技术 现代信息技术 信息技术不仅包括现代信息技术 还包括在现代文明之前的原始时代和古代社会中与那个时代相对应的信息技术 1 1 5信息技术 25 1 1计算机的发展 2 现代信息技术的内容 1 信息基础技术新材料 新能源 新器件的开发和制造技术 2 信息系统技术感测技术 通信技术 计算机与智能技术 控制技术 3 信息应用技术信息管理 信息控制 信息决策而发展起来的具体的技术类群 如 工厂的自动化 办公自动化 等 它们是信息技术开发的根本目的所在 26 1 1计算机的发展 3 现代信息技术的发展趋势 1 数字化当信息被数字化并经由数字网络流通时 便可以利用数字处理设备 最典型的是计算机 对信息进行各种所需要的处理 2 多媒体化随着信息技术的发展 多媒体技术将文字 声音 图形 图像 视频等信息媒体与计算机集成在一起 使计算机的应用由单纯的文字处理扩展到文 图 声 影集成处理 27 1 1计算机的发展 3 高速度 网络化 宽频带目前 几乎所有国家都在进行新一代的信息基础设施建设 即建设宽频信息高速公路 下一代的Internet的传输速率可达2 4GB s 4 智能化随着信息技术向智能化方向发展 在超媒体世界里 软件代理 可以替代人们在网上漫游 软件代理 不再需要浏览器 它本身就是信息的寻找器 28 1 2信息的表示与存储 数据 数据是对客观事物的符号表示 如 数值 文字 语言 图形 图像等都是不同形式的数据 信息 信息是既是对客观事物变化和特征的反映 又是事物之间相互作用 相互联系的表征 信息必须数字化编码 才能用计算机进行传送 存储和处理 信息具有针对性和时效性 1 2 1数据与信息 29 1 2信息的表示与存储 数据与信息的区别 数据是信息的载体 信息是数据处理之后产生的结果 信息有意义 而数据没有 例如 数据2 4 8 16 32是一组数据 本身是没有意义的 我们从中可以分析出是一组等比数列 很清楚的得到后面的数字 便赋予了意义 这就是信息 是有用的数据 30 1 2信息的表示与存储 二进制的优点物理上容易实现 信息的存储更加容易 可靠性强 运算简单 通用性强 1 2 2计算机中的数据 ENIAC采用十进制 31 1 2信息的表示与存储 1 位 bit 位 bit 是度量数据的最小单位 在计算机技术中用二进制表示数据 1位数据只能表示0和1两种代码 2 字节 Byte 一个字节 Byte 由8位 bit 二进制数字组成 存储器容量通常以字节为单位 Byte B 来描述 千字节1KB 1024B 210B兆字节1MB 1024KB 220B吉字节1GB 1024MB 230B太字节1TB 1024GB 240B 1 2 3计算机中数据的单位 32 1 2信息的表示与存储 3 字长字长是指计算机一次能够同时处理的二进制位数 即CPU在一个机器周期中最多能够并行处理的二进制位数 字长是计算机 CPU 的一个重要指标 直接反映一台计算机的计算能力和运算精度 字长越长 计算机的处理能力通常越强 计算机字长常常是字节的整倍数 如8位 16位 32位 发展到今天微型机的64位 大型机 巨型机已达128位 33 1 2信息的表示与存储 1 进位计数制 多位数码中每一位构成方法以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制 简称数制 如果采用R个基本符号 0 1 R 1 表示数值 则称R数制 R称为该数制的基数 Radix 例如 十进制采用10个基本符号0 1 9表示数值 十进制的基数是10 1 2 4进位计数制及其转换 34 1 2信息的表示与存储 任何一个R进制数D都可以展开为 其中 R为计数的基数 ki为第i位的系数 可以为0 1 R 1中的任意1个 Ri称为第i位的权 35 1 2信息的表示与存储 表1 2计算机中常用的几种进位计数制的表示 36 1 2信息的表示与存储 2 R进制转换为十进制 将R进制数按前述展开式展开求和即可得到相应的十进制数 例如 234 H 2 162 3 161 4 160 H 512 48 4 D 564 D 10110 B 1 24 0 23 1 22 1 21 0 20 B 16 4 2 D 22 D 37 1 2信息的表示与存储 3 十进制转换为R进制 将十进制数转换为R进制数时 可将此数分为整数和小数两部分分别进行转换 然后再拼接起来即可 一种常见的十进制数转换为R进制数的方法是 整数部分用 除R取余 小数部分用 乘R取整 38 1 2信息的表示与存储 例1 1 将十进制数225 8125转换成二进制数 整数部分小数部分2 225余1低位0 81252 112余1 2取整高位2 56余11 625012 28余1 22 14余11 250012 7余1 22 3余10 500002 1余1 20高位1 00001低位 39 1 2信息的表示与存储 4 八进制转换为十六进制 二进制数虽然非常适合计算机内部的数据表示 但是书写起来位数比较长 很不方便 也不直观 因此 在书写程序和数据用到二进制数的地方 往往采用八进制数或十六进制数的形式 1位八进制数相当于3位二进制数 1位十六进制数相当于4位二进制数 根据这种对应关系 二进制数转换为八进制数 十六进制数时 以小数点为中心 向左右两边分组 每3 4位为一组 两头不足3 4位补0即可 40 1 2信息的表示与存储 表1 5八进制数 十六进制数与二进制数的对应关系 41 1 2信息的表示与存储 1 西文字符的编码 计算机中最常用的字符编码是ASCII AmericanStandardCodeforInformationInterchange 美国信息交换标准交换代码 为国际标准 国际通用的ASCII码是7位ASCII码 用7位二进制数表示一个字符的编码 共有27 128个不同的编码值 相应可以表示128个不同字符的编码 计算机用一个字节 8个二进制位 存放一个7位ASCII码 最高位置为0 1 2 5字符的编码 42 1 2信息的表示与存储 7位ASCII代码表 1 2信息的表示与存储 字符十六进制表示十进制表示空格20H32 0 9 30H 39H48 57 A Z 41H 5AH65 90 a z 61H 7AH97 122 控制字符 0 32 127 普通字符 94个 例 a 字符的编码为1100001 十进制数是97 ASCII码的排列有大小之分 空格 数字 大写字母 小写字母 43 44 1 2信息的表示与存储 2 汉字的编码 一级汉字 3755个 按汉语拼音排列二级汉字 3008个 按偏旁部首排列 由94个区号和94个位号构成 每个汉字占两个字节 国标码 GB2312 80 区位码 45 1 2信息的表示与存储 例 中 区位码 5448 转换为国标码 5448 D 区 位分别加32 8680 D十六进制形式 3630 H 2020 H 5650 H二进制形式 0011011000110000 0010000000100000 B 0101011001010000 B 区 位分别加32 国标码 ASCII表中的控制码 区位码转换为国标码 1 2信息的表示与存储 通过键盘输入汉字的输入码 输出汉字时 将汉字的机内码通过简单的对应关系转换为相应的汉字地址码 通过汉字地址码对汉字库进行访问 从字库中提取汉字的字形码 最后根据字形数据显示和打印出汉字 将输入码转换为相应国标码 再转换为机内码 就可以在计算机内存储和处理了 46 3 汉字的处理过程 47 1 2信息的表示与存储 1 汉字输入码 为将汉字输入计算机 利用计算机标准键盘上按键的不同排列组合来对汉字的输入进行编码 音码类 全拼 双拼 微软拼音 智能ABC等形码类 五笔字型法 郑码输入法等其它 语音 手写输入或扫描输入等 1 2信息的表示与存储 汉字在计算机内部进行存储 处理的代码 汉字内码 2个字节存储每个字节最高位置 1 目地 区分于ASCII码方法 汉字的国标码 8080H 中 字的国标码转换为汉字内码 国标码 5650 H 8080 H D6D0 H或 0101011001010000 1000000010000000 1101011011010000 2 汉字内码 48 例 49 1 2信息的表示与存储 用于汉字在显示屏或打印机输出 通常有两种表示方式 点阵和矢量表示方式 汉字字形码 汉字字形点阵的代码 16 16点阵显示汉字 需要多少存储空间 计算 16 16 8 32字节 4 汉字字形码 49 50 1 2信息的表示与存储 5 汉字地址码 汉字库中存储汉字字形信息的逻辑地址码输出设备输出汉字时 必须通过地址码 字形信息是按一定顺序连续存放在存储介质上 所以汉字地址码大多是连续有序的 与汉字内码间有简单的对应关系 以简化汉字内码到汉字地址码的转换 51 1 2信息的表示与存储 6 其他汉字内码 GBK 扩充汉字内码规范UCS 通用多八位编码字符集Unicode 国际编码标准BIG5 繁体汉字编码标准 52 1 3多媒体技术简介 多媒体 Multimedia 能够同时对两种或两种以上媒体进行采集 操作 编辑 存储等综合处理的技术 是一门跨学科的综合技术 多媒体的特征交互性 具有人机交互功能 集成性 集成多种媒体技术及获取 存储等 多样性 信息和媒体传播 展示手段等的多样化 实时性 声音和视频是强实时的 1 3 1多媒体的特征 53 1 3多媒体技术简介 1 声音 定义 声音是一种连续的模拟信号 声波 声音的数字化声音文件格式WAV文件 wav MPEG文件 mp1 mp2 mp3 MIDI mid 文件 MOD文件 RealAudio文件等等 1 3 2媒体的数字化 54 1 3多媒体技术简介 2 图像 定义 图像是自然界中的客观景物通过某种系统的映射 使人们产生的视觉感受 图像有黑白 灰度 彩色 摄影图像等 静态图像 分为矢量图形和点位图图像两种 动态图像 分为视频和动画 通常将摄像机拍摄得到的动态图像称为视频 计算机或绘画方法生成的动态图像称为动画 55 1 3多媒体技术简介 常用图像文件格式BMP bmp 标准Windows图像格式 GIF gif 使用LZW压缩算法 支持多画面循环显示 TIFF tiff 位图图像格式 PNG png 保留GIF文件的一些特性如 流式读 写性能 透明性 无损压缩等 同时增加了一些新特性 WMF wmf 剪贴画 56 1 3多媒体技术简介 常用视频文件格式AVI avi 文件MOV mov 文件MPG MPEG mpg mpeg 文件DAT dat 文件流式视频 StreamingVideo 文件RealMediaASF和WMV格式 57 1 3多媒体技术简介 1 无损压缩 利用数据的统计冗余进行压缩 可完全恢复原始数据而不引入任何失真 但压缩率受到统计冗余度理论限制 一般为2 1到5 1 多媒体应用中经常使用的无损压缩方法主要是基于统计的编码方案 如行程编码 runlength Huffman编码 算术编码和LZW编码等等 常用工具 WinRar WinZip ARC等1 行程编码2012年6月公布的世界超级计算机排名显示 排名第一的IBM公司 红杉 Sequoia 运算速度达到每秒16324万亿次浮点运算 我国 天河一号 实测运算速度可达每秒2570万亿次浮点运算 排名世界第五 在信息检索方面 能够根据要求进行匹配检索 1 3 3多媒体数据压缩 58 1 3多媒体技术简介 2 有损压缩 有损压缩是指压缩后的数据不能够完全还原成压缩前的数据 与原始数据不同但是非常接近的压缩方法 也称破坏性压缩 以损失文件中某些信息为代价来换取较高的压缩比 其损失的信息多是对视觉和听觉感知不重要的信息 但压缩比通常较高 约为几十到几百 常用于音频 图像和视频的压缩 59 1 3多媒体技术简介 常用的有损压缩方法有 预测编码 变换编码 主要是离散余弦变换方法 基于模型编码 分形编码 适量量化编码等 常用压缩标准有 JPEG JPG2000 MPEG等 60 1 4计算机病毒及其防治 1 计算机病毒 定义 人为编写的一段程序代码或是指令集合 能够通过复制不断感染其它程序 文件等 计算机病毒的特性寄生性 破坏性 传染性 潜伏性