第1章计算机基础

第一章计算机基础知识,计算机发展历史的知识关联图,计算机分类及应用知识关联图,1.1计算机的发展,计算机的历史作用可以概括为：开辟了一个新时代信息时代，孵化了一类新产业信息产业，创立了一门新学科计算机科学与技术，形成了一种新文化计算机文化。计算机的划时代作用是把人类社会从工业时代推向信息时代，从物质产业时代推向信息产业时代，直至走向知识经济时代,1.1.1图灵机与冯诺依曼式计算机的诞生,现代电子计算机已经历了半个多世纪的发展，英国科学家艾伦图灵（AlanMathesonTuring）和美籍匈牙利科学家冯诺依曼（John.Von.Neumann）是这个时期的杰出代表。现代电子计算机的早期研究是从20世纪30年代末期开始的。早在1936年，图灵为了解决纯数学的一个基础理论问题，发表了一篇著名的“理想计算机”论文，他在该文中提出了现代通用计算机应具有的全部功能和局限性，后人将这种机器称之为“图灵机”。,图灵奖被称为“计算机界的诺贝尔奖”，在每年的ACM年会上都要为在计算机科学与技术领域作出杰出贡献的科学家颁发此奖。一个完整的冯诺依曼式计算机系统由两大部分组成，即硬件系统和软件系统。硬件是指构成计算机的物理设备，即由机械、电子器件构成的具有输入、存储、计算、控制和输出功能的实体部件。软件称“软设备”，广义地说软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需的所有文档的集合。,1.1.2计算机的发展阶段,计算机的发展划分成如下五代。（1）第一代（1946年-1958年）：电子管计算机时代。（2）第二代（1958年-1964年）：晶体管计算机时代。（3）第三代（1965年-1970年）：是集成电路IntegratedCircuit，简记为IC）计算机时代。（4）第四代（1971年以后）：是大规模和超大规模集成电路计算机时代。（5）第五代计算机：目前人们使用的计算机都属于第四代计算机，而新一代计算机即第五代计算机正处在设想和研制阶段。,1.1.3计算机系统的特点,计算机作为一种通用的信息处理工具，它具有极高的处理速度，很强的存储能力，精确的计算和逻辑判断能力。（1）运算速度快（2）计算精确度高（3）具有超强的记忆功能（4）逻辑判断能力强（5）具有自动控制能力（6）应用越来越广泛,1.1.4计算机系统的分类,计算机系统分类可以有各种侧重点，一般采用两种方法来描述。一种是按计算机的功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机配有解决特定问题的软件和硬件，适用于某一特殊的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的自动控制等，因此专用计算机在特定用途下最有效，但功能单一。通用计算机功能齐全、通用性强，具有广泛的用途和使用范围，可以应用于科学计算、数据处理和过程控制等等，但其效率、速度相对专用机要低一些，人们平常所说的计算机一般都是指的通用计算机。,另一种是按计算机的综合性能指标（运算速度、存储容量、输入输出能力、规模大小、软件配置）可将计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站和服务器等六大类。（1）巨型机（Supercomputer）（2）大型机（Main-frame）（3）小型机（minicomputer）（4）微型机（Microcomputer）（5）工作站（Workstation）（6）服务器（Server）,1.1.5计算机技术发展趋势,当前计算机正朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计算机本身的性能越来越优越，应用范围也越来越广泛，从而使计算机成为工作、学习和生活中必不可少的工具。李国杰院士指出：我在看待计算机科学发展趋势时，通常是把它分为三维考虑。一维是是向“高”的方向。性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高,另一个方向就是向“广”度方向发展，计算机发展的趋势就是无处不在，以至于像“没有计算机一样”。,12计算机的应用1.2.1科学计算,科学计算也称数值计算。计算机最开始是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具。,1.2.2信息处理,在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据（信息），其中包括大批图片资料以及多媒体信息。所谓信息处理就是对有关的信息进行收集、分类、排序、加工、整理、合并、统计、制表、检索，以及存储、计算、传输等操作。,1.2.3自动控制,目前，计算机自动控制被广泛应用于操作复杂的钢铁、石油、化工、电力、医药、机器制造等工业企业的生产过程中，极大地提高了控制的实时性和准确性，提高了生产效率和产品质量，降低了成本，缩短了生产周期。通过计算机对某一过程的实现进行自动控制，它勿需人工干预，能够按照人事先预定的目标和预定的状态进行过程控制（亦称实时控制）。,1.2.4计算机辅助工程,计算机辅助工程人们普遍认为应包括：（1）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、（2）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）（3）计算机集成制造系统（ComnuterIntegratedManufacturinsSystem，CIMS）（4）和计算机辅助教育（ComputerAidedInstruction，CAI）等。（5）其他计算机辅助系统,1.2.5办公自动化,办公自动化（OfficeAutomation，简称OA）是20世纪70年代中期在发达国家迅速发展起来的一门综合性技术。办公自动化系统从功能上一般可分为三个层次，或者三个子系统：即事务型办公自动化系统、管理型办公自动化系统和决策型办公自动化系统。办公自动化的核心强调的就是办公的便捷方便，提高效率，所以，作为办公软件，就应具备三大特性：易用性、健壮性、开放性。,易用性没有全面的应用做基础，一切都是空谈。管理落地必须面向全员，所以，软件也必须能够被全员所接受，被全员所喜爱。健壮性必须具备超大用户、高并发应用的稳定性。支撑软件也必须能保证全员应用的稳定性，尤其是针对集团型企业，软件必须具备超大用户、高并发应用的稳定性。开放性能够与其它软件系统完成必要的关联性整合应用。,1.2.6电子政务与电子商务,（1）电子政务的定义电子政务（ElectronicGovernment）的表述，国内外有多种多样的提法，如电子政府、政府信息化、数字政府、网络政府、虚拟政府等，这些提法从不同角度描述了电子政务的概念与特征。电子政务主要包括三个组成部分：一、内部的电子化和网络化办公；二、政府部门之间通过计算机网络而进行的信息共享和实时通信；三、政府部门通过网络与民众之间进行的双向信息交流。,电子政务与传统政务有很大的区别。从具体操作上看，传统政务实际上是一种高成本、低效率的粗放管理方式；电子政务则通过先进生产力来解放管理能力，它可以降低管理成本、提高管理效率。电子政府和电子政务并不是对等的概念。电子政府，是一种全新的政府管理形态，是一个理想化的目标，即一种以信息和技术为依托，以实现完善的政府服务为目标的“虚拟政府”。而电子政务，则是一个动态的过程，是实体政府利用信息和技术以提高政府效率的一种方式。从长远的角度来看，电子政务是电子政府发展的一个重要阶段；而电子政府，则是电子政务发展的长期目标。,（2）电子商务电子商务（ElectronicBusiness），是通过电子手段进行的商业事务活动，通过使用互联网等电子工具，使公司内部、供应商、客户和合作伙伴之间，利用电子业务共享信息，实现企业间业务流程的电子化，配合企业内部的电子化生产管理系统，提高企业的生产、库存、流通和资金等各个环节的效率。电子商务最常见之安全机制有SSL（安全套接层协议）及SET(安全电子交易协议），如图1-5所示。,从电子商务的含义及发展历程可以看出电子商务具有如下基本特征：普遍性方便性整体性安全性协调性集成性,1.2.7其他应用领域,计算机所具有的强大应用功能，产生了巨大的市场需要，未来计算机性能应向着微型化、网络化、智能化和巨型化的方向发展。随着信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种“媒体”综合起来，构成一种全新的概念“多媒体”（Multimedia）。多媒体的应用以很快的步伐在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播电视和出版等领域出现。,计算机网络化彻底改变了人类世界。通过现代高速信息网实现数据与信息的查询、高速通讯服务（如电子邮件、文档传输、可视电话、可视会议等）、远程教育、电子图书和电子图书馆、电子商务、远程医疗和会诊、交通信息管理、电子娱乐等。人们通过互联网进行沟通、交流（OICQ、微博等），教育资源共享（文献查阅、远程教育等）、信息查阅共享（百度、谷歌）等，特别是无线网络的出现，极大的提高了人们使用网络的便捷性，未来计算机将会进一步向网络化方面发展。计算机应用的高速发展进一步推动着信息社会更快地向前发展。,1.3计算机与多媒体技术,多媒体技术就是利用计算机把文字、图形、影象、动画、声音及视频等媒体信息都数字化，并将其整合在一定的交互式界面上，使计算机具有交互展示不同媒体形态的能力。它极大的改变了人们获取信息的传统方法，符合人们在信息时代的阅读方式。多媒体技术本质上是一种计算机接口技术，它采用图形交互界面、窗口选择操作等，使人机交互能力增强，有利于人与计算机之间的信息交流。,131多媒体与多媒体技术,“多媒体”一词译自英文“Multimedia”，目前流行的多媒体的概念，主要仍是指文字、图形、图像、声音等人的器官能直接感受和理解的多种信息类型，多媒体包括文本，图形，静态图像，声音，动画，视频等基本要素。多媒体技术，即是计算机交互式综合处理多媒体信息文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。,132数字媒体,数字媒体（DigitalMedia）是指以二进制数的形式记录、处理、传播、获取过程的信息载体，这些载体包括数字化的文字、图形、图像、声音、视频影像和动画等感觉媒体，和表示这些感觉媒体的表示媒体（编码）等，通称为逻辑媒体，以及存储、传输、显示逻辑媒体的实物媒体。数字媒体信息可以这样认为：就是数字化了的多媒体信息。数字媒体技术是实现数字媒体（感觉媒体即文字、图形、图像、声音、视频影像和动画）的表示、记录、处理、存储、传输、显示、管理等各个环节的软硬件技术，一般分为数字媒体表示技术、数字媒体存储技术、数字媒体创建技术、数字媒体显示应用技术、数字媒体管理技术等。,数字媒体可按不同的分类方法分成很多种类。按时间属性分，数字媒体可分成静止媒体（Stillmedia）和连续媒体（Continuesmedia）。静止媒体是指内容不会随着时间而变化的数字媒体。连续媒体是指内容随着时间而变化的数字媒体，比如音频和视频。按来源属性分，则可分成自然媒体（Naturalmedia）和合成媒体（Syntheticmedia）。其中自然媒体是指客观世界存在的景物，声音等。合成媒体则是指的是以计算机为工具，生成（合成）的文本，音乐，语音，图象和动画等，比如用3D制作软件制作出来的动画角色。按组成元素来分，则又可以分成单一媒体（Singlemedia）和多媒体（Multimedia）。,（2）图片文件图片一般指静态的图形图像。与文本信息相比，图片信息一般比较直观，抽象程度较低，阅读容易。图片包括图形（Graphic）和图像（StillImage）两种。图形指的是从点、线、面到三维空间的黑白或彩色几何图，也称矢量图（VectorGraphic）。静态图像是一个矩阵，其元素代表空间的一个点，称之为像素点（Pixel），这种图像也称位图。位图中的位（Bit）用来定义图中每个像素点的颜色和高度。图形的颜色是指颜色产生的方式，以及在图形中识别的方法。如：RGB(RedGreenBlue)RGB常用于电脑显示屏上，可提供24位元全彩颜色，索引颜色（IndexedColour）为了节省图片所需存储空间，按个别图片的颜色分布，从原来RGB全彩色版选取256种颜色建立颜色表，并给每种颜色一个索引。,图片文件的格式，主要可以分为以下几类：.bmp（bitmap），位图。.jpeg（JointPhotographicExpertsGroup），文件后辍名为“Jpg”或“Jpeg”，。.gif（GraphicsInterchangeFormat），.gif分为静态和动画两种，是一种压缩位图格式，网上很多小动画都是GIF格式。.tiff.tif（TagImageFileFormat），这种图像格式复杂，占用存储空间大，其大小是GIF图像的3倍，是相应的JPEG图像的10倍。,（3）动画文件动画是利用人的视觉暂留特性，快速播放一系列连续运动变化的图形图像，也包括画面的缩放、旋转、变换、淡入淡出等特殊效果。其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。计算机动画可以分为二维动画和三维动画。二维动画指的是平面上的画面。三维动画指的是画中的景物有正面、侧面和反面，调整三维空间的视点，能够看到不同的内容。由于计算机动画是由靠显示一连串顺序的图片或帧以模拟动作。因此动画与视频一样，显示帧的速度越高，画面越流畅。,动画文件的格式，主要可以分为以下几类：.swf（shockwaveflash），是Macromedia公司的动画设计软件Flash的专用格式，是一种支持矢量和点阵图形的动画文件格式，被广泛应用于网页设计，动画制作等领域，swf文件通常也被称为Flash文件。swf可以用AdobeFlashPlayer打开，浏览器必须安装AdobeFlashPlayer插件。扩展名为.gif，是一种压缩位图格式，.gif（GraphicsInterchangeFormat），其实GIF是将多幅图像保存为一个图像文件，从而形成动画，最常见的就是通过一帧帧的动画串联，所以归根到底GIF仍然是图片文件格式。但GIF只能显示256色。,（4）音频文件音频是一种利用数字化手段对声音进行录制、存放、编辑、压缩或播放的技术，它是随着数字信号处理技术、计算机技术、多媒体技术的发展而形成的一种全新的声音处理手段。音频文件的特性一般包括：压缩率，通常指音乐文件压缩前和压缩后大小的比值，用来简单描述数字声音的压缩效率。比特率，一种数字音乐压缩效率的参考性指标，表示记录音频数据每秒钟所需要的平均比特值（bit），通常使用Kbps（每秒钟1024比特）作为单位。量化级，描述声音波形的数据是多少位的二进制数据，通常用bit做单位，如16bit、24bit。,音频文件的格式，主要可以分为以下几类：.mp3格式，全称是MPEG-1AudioLayer3，MP3能够以高音质、低采样率对数字音频文件进行压缩。.wav格式，也叫波形声音文件，WAV格式支持许多压缩算法，支持多种音频位数、采样频率和声道。.midi格式,（MusicalInstrumentDigitalInterface），又称作乐器数字接口，是数字音乐/电子合成乐器的统一国际标准。.wmv格式,(WindowsMediaAudio)是微软推出的格