《信息技术素养与数字化应用》课件-第1章 走进数字世界

信息技术素养与数字化应用第1章

走进数字世界

1.1计算机概述1.1.1计算机的发展历程与类型社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力。人类在其漫长的发展史中，不断发明和改进各种计算工具，如算筹、算盘、计算尺、机械计算机等。最初设计计算机也是为了解决社会生产力发展中的科学计算问题。1.1.1计算机的发展历程与类型通用电子计算机的问世目前，大家公认的第一台通用电子计算机是1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC），如图1.1所示，它的出现标志着电子计算机时代的到来，具有划时代的重大意义。1946年，美籍匈牙利科学家冯诺依曼提出了“存储程序原理”，该原理主要包含以下几点。①采用二进制形式表示数据和指令。②存储程序控制。程序和数据存放在存储器中，计算机执行程序时，自动从存储器中取出指令和数据，自动执行程序并得到预期结果。1.1.1计算机的发展历程与类型通用电子计算机的问世③计算机包含5个基本部件：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。这一原理又称为“冯诺依曼原理”，如图1.2所示。按照这种原理设计的计算机被称为“冯诺依曼机”。目前大多数计算机的基本结构仍采用这一原理设计。1.1.1计算机的发展历程与类型计算机的发展历程随着当代科学的不断进步，计算机技术得到了飞速发展。根据计算机采用的物理器件，一般将计算机的发展历程分为以下4个阶段。1.1.1计算机的发展历程与类型第一代电子计算机（1946—1958年）第一代电子计算机是电子管计算机。其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，数据表示方式主要是定点数，用机器语言或汇编语言编写程序。由于受到当时电子技术的限制，其运算速度仅为每秒几千次，内存容量仅几KB。1.1.1计算机的发展历程与类型第二代电子计算机（1959—1964年）第二代电子计算机是晶体管计算机。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存使用的器件大多是由铁氧体磁性材料制成的磁心存储器。其运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。与此同时，计算机软件技术也有了较大的发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。1.1.1计算机的发展历程与类型第三代电子计算机（1965—1970年）第三代电子计算机是集成电路计算机。其基本特征是逻辑元件采用小规模集成电路（SmallScaleIntegration，SSI）和中规模集成电路（MiddleScaleIntegration，MSI）。第三代电子计算机的运算速度达每秒几十万次到几百万次。在这期间，存储器进一步发展，体积越来越小、价格越来越低，并且软件越来越完善，所以计算机同时向标准化、多样化、通用化发展。1.1.1计算机的发展历程与类型第四代电子计算机（1971年至今）第四代电子计算机是大规模集成电路计算机。20世纪70年代以来，计算机逻辑元件采用大规模集成电路（LargeScaleIntegration，LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）。集成度很高的半导体存储器代替了使用达20年之久的磁心存储器。目前，计算机的运算速度最高可以达到每秒千万亿次。同时，操作系统不断完善，应用软件成为现代工业的一部分。从目前的研究情况来看，未来新一代计算机可能在以下几个方面取得革命性的突破。①光子计算机。它利用光子代替电子进行数据的运算、传输和存储，可快速完成复杂的计算工作。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据。与传统的硅芯片计算机相比，光子计算机有下列优点：超高的运算速度、强大的并行处理能力、超大的存储量、非常强的抗干扰能力、与人脑相似的容错性等。1.1.1计算机的发展历程与类型第四代电子计算机（1971年至今）②生物计算机。生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用生物芯片，生物芯片由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。在这种芯片中，信息以波的形式传播。生物计算机的运算速度比当今最新一代计算机的运算速度快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，并且拥有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点，如发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障等。③量子计算机。量子计算机是一类遵循量子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物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。与传统的电子计算机相比，量子计算机具有运算速度快、存储量大、搜索功能强和安全性较高等优点。④纳米计算机。纳米计算机是指将纳米技术运用于计算机领域所研制出的一种新型计算机。“纳米”本是一个计量单位。采用纳米技术生产芯片的成本十分低，因为这既不需要建设超洁净的生产车间，也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍。只要在实验室里将设计好的分子合在一起，就可以造出芯片。1.1.1计算机的发展历程与类型计算机的类型随着计算机技术的发展和应用的推动，尤其是微处理器的发展，计算机的类型越来越多。从计算机的运算速度等性能指标来看，计算机可以分为高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器、嵌入式计算机等。1.1.1计算机的发展历程与类型高性能计算机高性能计算机是指目前运算速度最快、处理能力最强的计算机，在过去它被称为巨型机或大型机。高性能计算机的数量不多，但它却有重要和特殊的用途。在军事方面，高性能计算机可用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统等；在民用方面，高性能计算机可用于大区域中长期天气预报系统、大面积物探信息处理系统、大型科学计算和模拟系统等。高性能计算机一向被视为国家竞争力的体现，世界上运算速度最快的计算机的宝座近年来一直被中国、美国和日本这3个国家交替占据。中国的超级计算机“神威太湖之光”和“天河二号”在世界最快超级计算机榜单上创下了纪录，计算性能峰值超过每秒100多亿亿次，在运算速度方面居世界前列。1.1.1计算机的发展历程与类型微型计算机微型计算机又称为个人计算机（PersonalComputer，PC），简称微机。自IBM公司于1981年采用Intel微处理器推出IBMPC以来，微型计算机因其小巧、轻便、价格便宜等优点，在过去的30多年中得到了快速发展。现在，微型计算机的应用已经遍及社会的各个领域。微型计算机的种类有很多，一般可以分为3类：台式计算机、笔记本电脑和平板电脑（如iPad、MatePad等）。1.1.1计算机的发展历程与类型工作站工作站是一种介于微型计算机与小型计算机之间的高档微型计算机系统。工作站通常配有高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内外存储器，并且具有较强的数据处理能力与图形处理能力。1.1.1计算机的发展历程与类型服务器服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统。从硬件上来说，服务器的各项性能都相当强大，关键是它还需要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。根据提供的服务，服务器可以分为数据库服务器、文件服务器、应用服务器和通信服务器等。1.1.1计算机的发展历程与类型嵌入式计算机嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件嵌入应用系统的计算机。嵌入式计算机与通用计算机最大的区别是用户很难或不能改变运行固化的软件。嵌入式计算机的应用最广泛，其数量远远超过微型计算机的数量。1.1.2计算机的应用计算机具有存储容量大、处理速度快、工作全自动、可靠性高、通用性强等特点。计算机作为人们智力劳动的工具，已被广泛应用到社会的各行各业，正在改变着人们传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。归纳起来，计算机的应用主要有以下几方面。1.科学计算科学计算也称为数值计算，通常指用于解决科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。科学计算是计算机最早的应用领域。随着科学技术的发展，各领域的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复杂的计算问题。例如，天文学、量子力学、空气动力学、核物理学等领域都需要依靠计算机进行复杂的计算。目前，科学计算仍然是计算机的主要应用领域之一。神舟十号与天宫一号对接（见图1.3），就需要科学计算机完成准确进入轨道、精准对接、稳定组合运行、各类科学实验计算、顺利返回等科学任务。图1.3神舟十号与天宫一号对接2.数据处理数据处理也称为非数值计算，是指对大量的数据进行加工处理，如统计分析、合并、分类等。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量大，但计算方法较简单。早在二十世纪五六十年代，银行、企业和政府机关纷纷用计算机来处理账册、管理仓库或统计报表，从数据的收集、存储、整理到检索、统计，数据处理的应用范围日益扩大，很快就超过了科学计算，成为计算机最大的应用领域。数据处理是现代化管理的基础。它不仅应用于日常的事务，还能支持科学的管理与决策。3.过程控制过程控制又称实时控制，是指用计算机实时采集、检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。现代工业的生产规模不断扩大，技术和工艺日趋复杂，对实现生产过程自动化的控制系统的要求也日益增多。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的实时性和准确性，从而改善劳动条件，提高质量，节约能源，降低成本。计算机过程控制已在航天、石油、化工、冶金、水电、机械、交通等领域得到了广泛应用。4.辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是指用计算机帮助设计人员进行设计。由于计算机有较快的数值计算速度、较强的数据处理能力及模拟能力，因此CAD技术得到了广泛应用，如工业设计、建筑设计、机械设计、电子电气设计等。采用CAD技术后，不但减少了设计人员的工作量，加快了设计速度，更重要的是提高了设计质量。计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期。除了CAD和CAM之外，计算机辅助系统还有计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）、计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）等。4.辅助设计计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）是指以计算机为中心，将现代信息技术应用于企业管理与产品开发、制造的新一代制造系统，是CAD、CAPP、CAM、CAE、计算机辅助质量（ComputerAidedQuality，CAQ）、产品数据管理系统（ProductDataManagement.System，PDMS）、管理与决策、网络与数据库及质量保证系统等子系统的技术集成。CIMS将管理、设计、生产、经营等环节的信息集成并进行优化与分析，从而确保企业的信息流、资金流、物流能够高效、稳定地运行，最终使企业实现整体最优效益。5.网络计算机网络是指将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路（有线或无线）连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络的应用涉及的主要技术是网络互联技术、路由技术、数据通信技术，以及信息浏览技术和网络安全技术等。随着因特网、移动互联网的普及，计算机网络已经无处不在，并给人们的学习、工作和生活带来了极大的便利。6.电子商务电子商务是指利用计算机和网络进行的商务活动，具体地说，是指综合利用因特网进行商品交易、金融汇兑，或提供网络广告、娱乐节目等的商业活动。电子商务涵盖的范围很广，主要有企业对企业（Business-to-Business，B2B）和企业对消费者（Business-to-Consumer，B2C）两种模式。随着国内因特网用户的增加，利用因特网进行网络购物，并用银行卡付款的消费方式已日渐流行。电子商务的市场份额在迅速增长，电子商务网站层出不穷。7.多媒体技术多媒体（Multimedia）又称超媒体（Hypermedia），是一种以交互方式将文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息，经过计算机设备的获取、操作、编辑、存储等综合处理后，以单独或合成的形态表现出来的技术和方法。多媒体技术以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面，因而其应用领域十分广泛。它不仅覆盖了计算机的绝大部分应用领域，同时还拓宽了计算机的应用领域，如视频会议、互动电视、数字出版、手机媒体等。实际上，多媒体技术的应用以极强的渗透力进入了人们工作和生活的各个领域，改变着人们的生活和工作方式，且成功地塑造了一个绚丽多彩的多媒体世界。8.人工智能人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指用计算机来模拟人类的某些思维过程和智能行为，如学习、推理、思考、规划等。虽然计算机的能力在许多方面远远超过了人类，如计算速度，但是计算机真正要达到人类的智能还是非常遥远的事情。目前，一些智能系统已经能够替代人类进行部分脑力劳动，尤其是在智能控制、模式识别、专家系统、机器人等方面已获得了实际的应用，如图1.4所示。图1.4由计算机控制的机器人第1章

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1.2计算机系统的组成1.2.1硬件系统的基本组成硬件系统由主板、CPU、存储器、总线与接口、输入/输出设备等组成。1.2.1硬件系统的基本组成主板主板是微型计算机中最大的一块集成电路板。主板上有芯片组、CPU插座、BIOS芯片、内存插槽，还集成了软盘接口、硬盘接口、光驱接口、并行接口、串行接口、USB接口、PCI插槽、PCI-E插槽、键盘和鼠标接口、多媒体和通信设备接口等，如图1.5所示。现在的主板都集成了网卡、声卡，有的还集成了显卡。微型计算机通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。芯片组（Chipset）是主板的核心组成部分，用作CPU与周边设备沟通的桥梁。芯片组就像人体的中枢神经一样，控制着整个主板的运行，决定着主板的性能与功能。1.2.1硬件系统的基本组成CPU在微型计算机中，运算器和控制器被制作在一个半导体芯片上，这个半导体芯片称为中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU），又称为微处理器。从1971年CPU诞生以来的50多年里，在速度、功能、体积和性价比等方面，CPU的技术水平平均每18个月就有一个数量级的提高。最具有代表性的产品是Intel公司的微处理器系列，先后有4004、4040、8080、8085、8088、8086、80286、80386、80486、Pentium系列（见图1.6）、Core系列、Xeon系列、Itanium系列等，它们的功能越来越强，工作速度越来越快，内部结构越来越复杂，从每秒完成几十万次基本运算发展到每秒完成上亿次基本运算。目前最好的芯片加工工艺能达到10nm以内，每个微处理器包含的半导体电路元件也从两千多个发展到几亿个。1.2.1硬件系统的基本组成内部存储器内部存储器简称内存，是微型计算机的重要部件之一。它是存放程序与数据的装置，一般由记忆元件和电子线路构成。内存包括随机存取存储器、只读存储器和Cache。①随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）。平常说的计算机内存通常指RAM，即计算机的主存。CPU对RAM既可读出数据又可写入数据，但是一旦关机断电，RAM中的数据将全部消失，因此也称RAM为易失性存储器。目前，微型计算机上广泛采用动态随机存储器（DynamicRandomAccessMemory，DRAM），它的特点是数据以电荷的形式保存在小电容器内，由于小电容器放电回路的存在，超过一定的时间，存放在小电容器内的电荷就会消失，因此必须对小电容器进行周期性刷新来保存数据。DRAM的集成度高，成本低。目前微型计算机中广泛使用DDR3SDRAM。DDR3SDRAM的速率是DDR2SDRAM的2倍，它使用了更先进的同步电路，速率是标准SDRAM的8倍。微型计算机上使用的DRAM以内存条的形式出现，内存条插在主板的内存插槽上。1.2.1硬件系统的基本组成内部存储器②只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）。CPU对ROM只读出数据不写入数据，ROM里面存放的数据一般由计算机制造厂写入并经固化处理，用户一般是无法修改的。即使断电，ROM中的数据也不会丢失，因此也称ROM为非易失性存储器。ROM中一般存放了计算机系统管理程序。目前，微型计算机上采用带电可擦可编程ROM存储元件，在正常工作状态或关机状态下，其功能与普通的ROM相同。在特殊情况下运行专门的程序，可以通过专设的电子线路改写其中的内容。采用带电可擦可编程ROM，可以使计算机在不更换硬件的条件下，升级基本输入/输出系统，适应新的需要。1.2.1硬件系统的基本组成内部存储器③Cache。Cache是介于CPU和内存之间的一种高速缓冲存储器，是CPU和RAM之间的桥梁，用于解决它们之间的速度差异。Cache用于临时存储一些数据，且存取速度非常快。CPU内部的Cache也称为一级Cache，简称L1，它是CPU内核的一部分，在CPU内部寄存器与外部Cache之间起缓冲作用。CPU外部的Cache相对于CPU是独立的部件，也称为二级Cache，简称L2。从PentiumⅢ开始，L2与CPU内核封装在同一块芯片中，但L2不属于CPU，由于其工作频率与CPU内核相同，因此L2又称全速Cache。CPU的Cache容量、速度是CPU的重要技术指标，直接影响CPU的工作效率。1.2.1硬件系统的基本组成外部存储器外部存储器（简称外存）是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器，此类存储器一般在断电后仍然能保存数据。外存中的数据一般不能直接送到运算器中，只能成批地转运到内存中，再进行处理。常用的外存有磁介质存储器、光介质存储器和移动存储器。①磁介质存储器。目前常用的磁介质存储器是硬盘。一个硬盘一般由若干个硬盘片组成，硬盘片是涂有磁性材料的圆形铝合金片。每个硬盘片有两个面，各个面依次称为0面、1面。每个盘面逻辑地划分成若干个同心圆，各个盘面上大小相同的同心圆构成一个柱面；每个同心圆表示一个磁道；磁道又等分成若干段，每段表示一个扇区，一个扇区一般可存放512B的数据。硬盘的存储容量大，读取速度快，价格便宜，是目前使用最广泛的外存之一。由于硬盘一般都固定在主机箱内，因此它不便于携带。1.2.1硬件系统的基本组成外部存储器②光介质存储器。光介质存储器是微型计算机上使用较多的存储设备。应用激光在某种介质上写入信息，然后再用激光读出信息的技术称为光存储技术。目前，微型计算机上使用的光介质主流产品是光盘，需要通过专用的设备（光驱）才能读取光盘中的信息。光盘和其他存储介质相比，具有存储容量大、价格低、不怕磁性干扰、存取速度快等特点。按光盘的读/写性能，光盘可分为只读光盘与可读/写光盘。只读光盘（CD-ROM）上的数据采用压模方法压制而成，用户只能读取数据，而不能写入或修改数据。可读/写光盘可以分为一次性写入光盘（CD-R）和可擦除光盘（CD-RW）。CD-R的特点是只能写入数据不能擦除数据，写完后的CD-R的数据无法被改写，但可以被多次读取，因此CD-R主要用于长期保存重要数据和备份数据。CD-RW可以反复写入数据和擦除数据。DVD与CD的大小相同，但DVD的存储密度更大，读/写速度更快，支持双面多层结构。例如，单层单面DVD的容量可达到4.7GB。1.2.1硬件系统的基本组成外部存储器③移动存储器。常见的移动存储器有移动硬盘和U盘。移动硬盘直接由台式计算机的硬盘或笔记本电脑的硬盘改装而成，采用USB接口。它具有容量大、便于携带、传输速度快等优点。U盘使用Flash芯片作为存储介质，采用USB接口，可擦写100万次，具有质量轻、体积小、容量大、存取速度快、安全性高、价格便宜、便于携带等优点。一般的U盘只有拇指大小，重量约30g，存储容量从几十MB到几百GB不等，现已成为移动存储器的主流设备。1.2.1硬件系统的基本组成总线在计算机中，为了简化硬件电路设计与系统结构，常用一组线路（配置了适当的接口电路）与各部件和外部设备连接，这组公用的连接线路称为总线（Bus）。总线就像高速公路，总线上传输的信号则可视为高速公路上的车辆。微型计算机中的总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线位于CPU内部，而系统总线是指主板上连接CPU与其他部件的总线，外部总线则是微型计算机和外部设备之间的总线。按照功能的不同，可将系统总线分为3种:数据总线（DataBus，DB）、地址总线（AddressBus，AB）和控制总线（ControlBus，CB），即所谓的三总线。1.2.1硬件系统的基本组成总线目前，最主要的外部总线有PCI总线和PCI-E总线。PCI-E总线是新一代的总线，它的规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，可满足不同系统设备对不同数据传输带宽的需求。PCI-E总线提供了比以往带宽大得多的带宽，按照PCI-E3.0规范，X32端口的双向速率高达32Gbit/s。1.2.1硬件系统的基本组成接口接口就是外部设备与计算机连接的端口。主板上的接口如图1.9所示。常用的接口介绍如下。图1.9主板上的接口1.2.1硬件系统的基本组成接口1①键盘接口、鼠标接口。目前，常用的键盘接口和鼠标接口为PS/2接口，但PS/2接口正逐步被USB接口所取代。2②串行接口。计算机上的串行接口分为9针和25针两种。串行接口被赋予了专门的设备名COM。目前，很多主板一般只带一个9针串行接口，一些主板已经不提供串行接口了。3③并行接口。计算机上的并行接口有25个导电的小孔。并行接口由于常用于连接打印机，所以常被称为打印口，并被赋予了专门的设备名LPT。目前很多主板已经不提供并行接口了。4④通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）。USB接口为外部设备提供电源，能同时连接127个外部设备，可同时支持高速设备和低速设备的访问。1.2.1硬件系统的基本组成输入设备输入设备将数据、程序等转换成计算机能接收的二进制代码，并将它们送入内存。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数位板、触摸屏、数字化仪、智能手持设备等。①扫描仪。扫描仪是一种可将静态图像输入计算机的图像采集设备。对于桌面排版系统、印刷制版系统，扫描仪十分有用。如果配上文字识别软件，扫描仪可以快速、方便地把整个中文报告输入计算机内，可加快文字的输入速度。②数位板。数位板又称绘图板、绘画板、手绘板等，通常由一块板子和一支压感笔组成。它作为非常规的输入产品，主要用于满足设计类的输入需求。③触摸屏。触摸屏又称触控屏、触控面板，是一种可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置，可用于取代机械式的按钮面板。当接触屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编好的程序驱动各种连接装置，并借由液晶显示画面制作出生动的影音效果。④智能手持设备。智能手持设备是一种台式计算机或笔记本电脑的连接应用工具，它主要通过摄像头、感应器、小键盘等进行输入和控制，可以进行数据的访问、管理、生成和收集。未来智能手持设备将变得越来越智能化，并逐步变成新技术和新功能融合的产物。智能手持设备有扫码器、识别器、感应器等。1.2.1硬件系统的基本组成输出设备输出设备将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字、字符、图像、声音等形式并显示、打印或播放出来。输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。①打印机。目前使用的打印机主要有3类：针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。针式打印机一般适用于打印票据；喷墨打印机的价格便宜，但耗材比较贵；激光打印机具有打印成本低、打印速度快等特点。②显示器。显示器是计算机中重要的输出设备，所有的视觉信息都要通过显示器显示出来，因此有一台色彩自然、画面稳定的显示器是非常重要的。显示器主要有两类：传统的阴极射线管（CathodeRayTube，CRT）显示器和液晶显示器。CRT显示器要使用高频信号，高频处理电路的能耗较高，会产生辐射；液晶显示器具有能耗低、发热量比较小、噪声小、产生的辐射少等优点。目前，液晶显示器已成为个人计算机的主流配置。1.2.1硬件系统的基本组成其他设备目前，不少设备同时集成了输入/输出两种功能，如调制解调器，它是数字信号和模拟信号之间的桥梁。一台调制解调器能将计算机的数字信号转换成模拟信号，通过电话线将模拟信号传送到另一台调制解调器上，经过解调，再将模拟信号转换成数字信号并送入计算机，实现两台计算机之间的数据通信。光盘刻录机可作为输入设备，将光盘上的数据读入计算机主存；也可作为输出设备，将数据录制到CD-R或CD-RW上。1.2.1硬件系统的基本组成微型计算机的主要性能指标微型计算机的性能涉及体系结构、软硬件配置等多个方面，主要有以下性能指标。①字长：CPU内部各寄存器之间一次能够直接处理的数据位。字长越大，计算机处理数据的速度就越快。目前个人计算机的CPU字长大多为64位。②CPU主频：也叫工作频率，是CPU内核电路的时钟频率，因此也叫CPU内频。一般而言，CPU主频越高，运算速度越快。目前，个人计算机的CPU主频均已达到GHz数量级。③CPU外频：CPU总线频率，是主板为CPU提供的基准时钟频率。在正常情况下，CPU外频和内存总线频率相同，所以在CPU外频提高后，CPU与内存之间交换数据的速度也相应地得到了提高，这对提高计算机整体运行速度的影响较大。④运算速度：用基准程序测试到的计算机每秒执行的指令条数。一般用百万条指令/秒（MIPS）或百万条浮点指令/秒（MFPOS）来描述。⑤存储容量：包括主存容量和辅存容量，主要指主存储器的容量。主存容量越大，所能运行的程序就越大，处理能力就越强，整体的运算速度越快。目前主存容量一般都在GB数量级。⑥存取周期：存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间（或读/写时间），而存储器连续进行两次独立的“读”或“写”操作（如连续的两次“读”操作）所需的最短时间称为存取周期（或存储周期）。微型计算机的内存储器的存取周期很短，约为几十到一百纳秒（ns）。微型计算机的性能指标还包括可靠性、可维护性、平均无故障时间和性价比等。对于某一个具体的设备，还会有更详细的性能指标。1.2.2软件系统的基本组成软件系统是指为方便使用计算机和提高使用效率而组织的程序，以及用于开发、使用和维护的有关文档的集合。软件系统可以分为系统软件和应用软件两大类。软硬件系统的关系如图1.10所示。

图1.10软硬件系统的关系1.2.2软件系统的基本组成系统软件由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，其主要功能包括启动计算机，存储、加载和运行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成机器语言等。系统软件主要包括操作系统、语言处理系统、服务程序和数据库管理系统等。操作系统是系统软件的核心，是管理和控制计算机中所有软硬件资源的一组程序，它的功能是进行进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理和文件管理等。目前，常用的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、Linux、Windows、MacOS等。语言处理系统包括机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是指计算机能直接识别和执行的语言。汇编语言是由一组与机器语言指令一一对应的符号语言和简单语法组成的。用汇编语言编写的程序不能直接在计算机中运行，需要用汇编程序将它翻译成目标机器语言程序才能运行。1231.2.2软件系统的基本组成高级语言比较接近自然语言，它对机器的依赖性低，是适用于各类计算机的计算机语言。常用的高级语言有VB、C、C++、Java、VB.net、C#等。用高级语言编写的程序不能直接在计算机上运行，必须将它翻译成机器语言程序才可以运行。有两种翻译程序可以将用高级语言编写的程序翻译成机器语言程序，一种叫“编译程序”，另一种叫“解释程序”。编译程序将用高级语言编写的程序作为一个整体来处理，编译后与子程序库连接，形成一个完整的可执行程序。它的特点是编译、连接较费时，但其执行程序的速度很快。C、C++等语言都采用编译方式。解释程序则对高级语言进行逐句解释与执行，它的特点是程序设计的灵活性大，但程序的运行效率较低。BASIC、LISP等语言采用解释方式。Java也采用解释方式，但它与BASIC不同，Java要先将Java源程序编译成Java字节码，运行时通过Java虚拟机对Java字节码进行解释与执行。数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，DBMS）是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。常用的数据库管理系统有SQLServer、Oracle、DB2、Sybase等。1.2.2软件系统的基本组成应用软件应用软件是为了解决各类实际问题而设计的程序系统。应用软件可以分为通用软件和专用软件。常用的通用软件有Office办公软件、图像处理软件Photoshop、计算机辅助设计软件AutoCAD、Protel等。1.2.3计算机的工作原理1.2.3计算机的工作原理指令和程序：指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它用于规定计算机能完成的某一种操作。所有指令的集合称为计算机的指令体系。一条指令通常由两部分组成：操作码、操作数。操作码指明指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。操作数指明操作对象的内容或所在的单元地址，操作数在大多数情况下是地址码。程序是按一定处理步骤编排，能完成特定功能的计算机指令序列的集合。1.2.3计算机的工作原理工作原理：计算机的工作过程实际上是快速执行指令的过程，执行指令的过程分为4个步骤：取指令、分析指令、执行指令、指向下一条指令。计算机在运行时，CPU从内存中读取一条指令到CPU内并执行，指令执行完成后，再从内存中读出下一条指令到CPU内并执行。CPU不断地取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行过程。计算机的工作就是执行程序，即自动、连续地执行一系列指令。一般把计算机执行完一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，执行指令的速度就越快。通常所说的CPU主频，就反映了指令周期的长短。1.2.4软硬件的基本维护1.2.4软硬件的基本维护在使用计算机的过程中，采用正确的使用方法不但可以延长计算机的寿命，还能减少不必要的损害。学会使用计算机后，维护计算机就显得尤为重要了。合理且有效的维护工作能延长计算机的使用寿命，并能防止计算机中的数据丢失和损坏。计算机的维护包括很多方面，如稳定的电压、良好的使用环境、正确的使用方法等。计算机工作时的电压应处于稳定状态，忽高忽低的电压会给计算机造成极大的损害。一个良好的使用环境对计算机来说是非常重要的，房间温度过高或环境不洁净，都可能使计算机运行不稳定或引发故障。计算机的故障种类有很多，平时如果不注意对计算机进行维护，则易导致问题集中爆发，甚至导致计算机系统瘫痪。其实，只要平时注意维护，就可以“防患于未然”，确保计算机正常运作。1.2.4软硬件的基本维护就像我们每天都要将家里的桌子擦干净一样，计算机也需要每天进行维护，并且我们要养成良好的习惯。习惯一：保持放置计算机的房间干燥、清洁，尤其是放置计算机的工作台要每天（或两三天，视清洁程度而定）除尘。不要让计算机工作在一个潮湿和充满灰尘的环境里，更不要将液体泼洒到计算机上。习惯二：正确的开机次序是先开外部设备，后开主机；正确的关机次序是先关主机，后关外部设备。习惯三：使用外来的U盘或光盘前，一定要先检查是否有计算机病毒，计算机病毒主要会对程序和数据造成破坏。习惯四：系统非正常退出或意外断电后，应尽快进行硬盘扫描，及时修复。因为在这种情况下，硬盘的某些簇链接会丢失，给系统带来潜在的危险。如果不及时修复，则会导致某些程序紊乱，甚至危及系统的稳定运行。1.2.4软硬件的基本维护根据计算机的使用频繁程度，要定期进行软件系统的维护。第一步：用干净的系统盘启动机器，选择新版杀毒软件进行病毒检测，一定要确保在没有病毒的情况下进行下一步。第二步：在控制面板中单击“设备管理器”选项，在“设备管理器”窗口里看有没有带黄色“！”或红色“×”的设备选项，如果有，则说明硬件设备有冲突，可以先卸载该设备，然后进行新硬件检测，按照安装向导重新安装驱动程序或进行必要的驱动程序升级，以解决系统的冲突问题。第三步：打开附件/系统工具/磁盘清理工具，搜集硬盘中的各类临时文件、中间文件、衍生文件以及无效文件，将这类文件彻底删除。第四步：运行附件/系统工具/磁盘碎片整理程序，将硬盘上的碎片文件合并，以提高计算机的性能。第五步：用一些注册表清理工具给注册表“瘦身”。目前有许多功能强大的专用于维护系统的软件，如360安全卫士、QQ电脑管家、金山卫士等，它们不但可以清理计算机、优化系统，还可以修复漏洞、查杀木马等。1.3.1计算机中的信息存储1.3.1计算机信息存储的单位前面学习了存储器，衡量存储器性能的一个重要指标是存储信息的多少，即存储容量。存储容量的常用术语有如下几个。①位（bit）：数字电路和计算机中的二进制代码只有0和1，其中无论是0还是1，在CPU中都是一位。②字节（Byte）：8个二进制位为一个字节，存储器的容量一般以字节为单位，如KB、MB、GB、TB等，它们之间的换算关系是1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，其中1024=210。1.3.1计算机信息存储的单位③字长（WordLength）：CPU在单位时间内一次能处理的二进制数据的位数。例如，64位的CPU在单位时间内能处理字长为64位的二进制数据。字长越长，计算机的运算精确度越高，处理数据的速度越快，但价格也越高。1.3.2计算机中的数制1.3.2计算机中的数制在采用进位计数方式的数字系统中，如果只用R个基本符号表示数值，则称其为R数制。R为该数制的基数，而数制中每一个固定位置对应的单位值称为权。不同的数制有共同的特点：第一，采用进位计数的方式，每一种数制都有固定的基本符号（称为数码）；第二，都使用位置计数法，即处于不同位置的数码代表的值不同，这与它所在位置的“权”值有关。各种进位计数制中权的值恰好是基数R的某次幂。因此，用任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式之和，任意一个R进制数N可表示为：其中：ai是数码，r是基数，ri是权；不同的基数表示不同的进制数。例如：(109.21)D=1×102+0×101+9×100+2×10-1+1×10-2常用D表示十进制数，用B表示二进制数，用O表示八进制数，用H表示十六进制数。1.3.2计算机中的数制二进制是计算机技术中使用最广泛的一种数制。二进制数用0和1两个数码来表示，它的基数为2，进位规则是“逢二进一”。二进制数也采用位置计数法，其位权是以2为底的某次幂。计算机中的数据均采用二进制数表示，这是因为二进制数具有以下特点。①二进制数中只有两个字符0和1，因此在电路设计中二进制数可以用于表示具有两个不同稳定状态的元器件。例如，可以用二进制数来表示电路中有无电流、电路中电压的高低、晶体管的导通和截止等。②二进制数的运算简单，大大简化了计算机中运算部件的结构。由于二进制数在使用时位数太长，不容易记忆，因此后来人们又提出了八进制数和十六进制数。1.3.2计算机中的数制不同进位计数制间的转换将R进制数转换成十进制数将R进制数转换成十进制数的方法是按权展开，只需要将各位数码乘以各自的权值并累加即可。例如，将二进制数110011.101转换成十进制数：(110011.101)B=1×25+1×24+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=(51.625)D1.3.2计算机中的数制不同进位计数制间的转换将十进制数转换成R进制数将十进制数转换为R进制数时，可以将十进制数分成整数与小数两个部分分别进行转换，然后将结果拼接起来。将整数部分转换成R进制数采用除以R取余法，即将十进制整数不断除以R并取余数，直到商为0，首次取得的余数排在最右边（低位），最后得到的余数排在最左边（高位）。将小数部分转换成R进制数采用乘R取整法，即将十进制小数不断乘以R并取整数，直到小数部分为0或达到所求的精度（小数部分可能永远不会为0）；所得的整数从小数点开始自左往右排列，首次取得的整数排在最左边（高位），最后取得的整数排在最右边（低位）。1.3.3计算机信息编码1.3.3计算机信息编码在计算机内部，所有的信息，包括数字、文字、图形、图像、声音、视频等，最终都要转化为一个二进制的字符串。每一个二进制位有0和1两种状态，因此8个二进制位就可以组合出256种状态，8个二进制位为一个字节。也就是说，一个字节一共可以表示256种不同的状态，每一个状态对应一个符号，共256个符号。要表示更多的符号，就要用更多的字节。计算机信息编码的方法很简单：先确定需要编码的字符总数，然后按顺序确定每一个字符的编号，并把编号作为识别与使用这些字符的依据。随着计算机的应用与发展，出现了多种信息编码标准。1.3.3计算机信息编码目前，计算机中用得最广泛的字符集及其编码是由美国国家标准协会（AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）制定的美国标准信息交换码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII），它已被国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）定为国际标准，并被称为ISO646标准。ASCII适用于所有拉丁字母。ASCII有7位码和8位码两种形式。国际通用的是7位ASCII，用7位二进制数表示一个字符的编码，共有128个不同的编码，相应地可以表示128个不同的字符，如表1.2所示。ASCII1.3.3计算机信息编码在ASCII表中可以看到，第0～32号及第127号（共34个）是控制字符或通信专用字符，例如控制符LF（换行）、CR（回车）、FF（换页）、DEL（删除）、BS（退格)、BEL（振铃）等，通信专用字符SOH（文头）、EOT（文尾）、ACK（确认）等；第33～126号（共94个）是字符，其中，第48～57号为10个阿拉伯数字，第65～90号为26个大写英文字母，第97～122号为26个小写英文字母，其余为标点符号、运算符号等。在这些字符中，0～9、A～Z、a～z都是按顺序排列的，且小写字母的编码值比大写字母的编码值大32。需要记住以下几个特殊的字符编码：“0”字符的编码为0110000，对应的十进制数是48；则“1”的编码值是49；“a”字符的编码为1100001，

对应的十进制数是97；则“b”的编码值是98；“A”字符的编码为1000001，对应的十进制数是65；则“B”的编码值是66。1.3.3计算机信息编码中文字符汉字是象形文字，种类繁多，因此对其进行编码比较困难。在一个汉字处理系统中，输入、内存处理、输出对汉字编码的要求不尽相同，因此进行一系列的汉字编码及转换是十分必要的。1.3.3计算机信息编码汉字国标码GB2312GB2312一般指我国在1980年发布的《信息交换用汉字编码字符集基本集》，它是中国信息处理的国家标准，也称汉字交换码、GB码。根据统计资料将最常用的6763个汉字分为两级汉字：一级汉字有3755个，按汉语拼音排列；二级汉字有3008个，按偏旁部首排列。为了便于编码，将汉字分为若干个区，每个区有94个汉字。由区号和位号构成区位码。汉字的区位码（用十六进制数表示）加上(2020)H就是其对应的国标码。例如：汉字“中”的区位码是(3630)H，对应的国标码是(5650)H。中文字符1.3.3计算机信息编码汉字机内码一个国标码占两个字节，每个字节的最高位仍为0；英文字符的机内码是7位ASCII，最高位为0。为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII，将国标码的每个字节的最高位由0变为1，即国标码加上(8080)H，变换后的国标码称为汉字机内码。由此可知汉字机内码的每个字节都大于128，而每个西文字符的ASCII值均小于128。例如：汉字“中”的国标码是(5650)H，对应的机内码是(D6D0)H。由于GB2312国标码只能表示和处理6763个汉字，因此我国在此基础上又制定了汉字GBK码。GBK码是我国制定的、等同于UCS的新中文编码。为了与UCS相适应，我国发布了新的中文编码扩展国家标准GB13000，并提出了汉字内码扩展规范（GBK），这种GBK码仍以2个字节表示一个汉字。中文Windows2000/XP均支持GBK码，能统一地表示20902个汉字。BIG5编码是目前中国台湾地区、中国香港特别行政区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准，包括440个符号、5401个一级汉字、7652个二级汉字。1.3.3计算机信息编码汉字字形码汉字字形码又称汉字字模，用于在显示屏上或打印机中输出汉字。汉字字形码通常有两种表示方式：点阵（见图1.12）和矢量。汉字是方块字，将方块等分为n行n列的格子就形成了点阵。在点阵中，笔画所占的格子为黑色，用二进制数“1”表示，否则用二进制数“0”表示，这样汉字就可以用一串二进制数来表示了。例如24×24的点阵有576个格子，它需要用72个字节来存储。1.3.3计算机信息编码Unicode字符集（UCS）是国际标准化组织为满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求而制定的统一性编码。目前Unicode采用16位编码体系，其2.0版本于1996年公布，包含符号6811个、汉字20902个、韩文拼音11172个、造字区6400个、保留20249个，共计65534个。随着计算机工作能力的增强，Unicode也在面世以来的二十多年里得到了普及。Unicode的实现方式称为Unicode转换格式（UnicodeTranslationFormat，UTF）。Unicode的实现方式不同于编码方式。一个字符的Unicode是确定的，但是在实际传输过程中，由于不同系统平台的设计不一定一致，以及出于节省空间的目的，Unicode的实现方式有所不同。目前常用的实现方式有UTF-8、UTF-16和UTF-32。Unicode编码第1章

走进数字世界

1.4多媒体技术基础1.4.1了解多媒体技术1.4.1了解多媒体技术多媒体技术是当今信息技术领域发展最快、最活跃的技术之一，它使人们能够较为容易地处理以文本、图形、图像、声音和视频等形式表示的数字化信息。1．多媒体技术的定义媒体是表示和传播信息的载体，如文字、声音、图形、图像、动画、视频等。多媒体就是融合了两种或两种以上媒体的一种人机交互式信息交流和传播媒体形式。多媒体技术是利用计算机同时对两种或两种以上的媒体进行采集、操作、编辑、存储等综合处理的技术。1.4.1了解多媒体技术2.多媒体技术的特征多媒体技术具有以下特征。（1）集成性与多样性多媒体技术的集成性表现为将多种媒体有机地组织在一起，表达一个完整的多媒体信息，使声音、文字、图形、图像一体化。多样性是指信息媒体形式是多样的。（2）交互性交互性是指人和计算机能进行交互式对话，便于进行人工干预和控制。交互性是多媒体技术的关键特征。（3）数字化数字化是指多媒体中的各个单媒体都以数字的形式存放在计算机中。（4）实时性多媒体技术是集成多种媒体的技术，在这些媒体中，有些媒体（如声音和图像）是与时间密切相关的，这就决定了多媒体技术要支持实时处理。多媒体技术是基于计算机技术的综合性高新技术，包含数字信号处理技术、音频和视频技术、计算机硬件和软件技术、人工智能和模式识别技术、通信和图像技术等。1.4.2多媒体系统1.4.2多媒体系统1．多媒体系统的组成多媒体系统由以下4个部分组成：多媒体硬件系统、多媒体操作系统、媒体处理系统工具和用户应用软件。①多媒体硬件系统：包括计算机硬件、声音/视频处理器、多种媒体输入/输出设备及信号转换装置、通信传输设备及接口装置等。其中，最重要的是根据多媒体技术标准研制的多媒体信息处理芯片和板卡、光盘驱动器等。②多媒体操作系统：也称为多媒体核心系统（MultimediaKernelSystem），具有实时任务调度、多媒体数据转换和同步控制对多媒体设备的驱动和控制，以及图形用户界面管理等功能。③媒体处理系统工具：也称为多媒体系统开发工具软件，它是多媒体系统的重要组成部分。目前常用的媒体处理系统工具有Photoshop、Flash、Director、3dsMax等。④用户应用软件：根据多媒体系统终端用户的要求而定制的应用软件或面向某一领域的应用软件。用户应用软件是面向大规模用户的系统产品，如图片浏览器、媒体播放器等。1.4.2多媒体系统2.常用的媒体文件格式（1）常见的声音和音乐文件格式常见的声音和音乐文件格式如表1.3所示。表1.3

常见的声音和音乐文件格式文件格式文件扩展名说明WAVE.wav该格式用于记录声音的波形，故只要