第1章 信息技术基础知识
1.1 信息与信息技术 1.2 计算机概述
1.3 微型计算机系统基础知识 1.4 信息的表示与编码 1.5 多媒体技术 1.6 信息安全
2
1.1 信息与信息技术
1.1.1 信息的概念及特征 1．信息的概念 作为一个科学概念，信息最早出现于通信领域。不同学者在自己的学科领域内对“信息”这一概念有着不同的理解，主要有以下几种： 3
(1) 信息是不确定性的减少或消除。
1948年，信息论的创始人香农(Shannon)认为，信息是可以减少或消除不确定性的内容。当人们利用各种方法和手段，对客观事物的有关情况的认识从不清楚变得较清楚或完全清楚时，不确定性就减少或消除了，这时就获得了关于这些事物的信息。 4
(2) 信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互交换的内容。1950年，控制论的创始人维纳(N.Wiener)提出：“信息就是我们对外界进行调节并使我们的调节为外界所了解时而与外界交换来的东西。”例如，人与人相互交换信息；人与计算机相互交换信息等。 5
(3) 信息是事物运动的状态和状态变化的形式。
信息是关于事物状态以及客观事实的可以通信的知识。信息来源于物质和物质的运动，反映了事物的状态特征及其变化，体现了人们对事物的认识和理解程度。我国信息专家钟义信教授曾提出：“事物的信息是该事物运动的状态和状态变化的方式，包括这些状态和方式的外在形式、内在含义和实际效用。” 6
(4) 信息是经过加工的、能够对接受者的行为和决策产生影响的数据。 信息是一种经过加工处理后的数据，因而具有知识的含义，而且是可以保存和传递的。
总之，信息是一个不断变化和发展的概念，它既具有物质性，又具有社会性。它是一个多元化、多层次、多功能的复杂综合体，对其应从不同角度和侧面来考察。信息是人们对客观存在的一切事物的反映，是通过载体所发出的消息、情报、指令、数据及信号中
所包含的一切可传递和交换的知识内容。 7
2．信息的主要特征
信息的特征主要体现在以下几个方面： 1) 社会性
信息一开始就直接联系于社会应用，它只有经过人类加工、取舍、组合，并通过一定的形式表现出来，才真正具有使用价值。信息化的发展表现为对国家或世界的社会、政治、经济、文化和日常生活等各个方面的深刻影响或改变。 8
2) 传递性
信息的传递性是指任何信息只有从信源出发，经过信息载体传递才能被信宿接收并进行处理和运用。也就是说，信息可以在时间上或空间上从一点转移至另一点，可以通过语言、动作、文献、通信、电子计算机等各种媒介来传递，而且信息的传递不受时间和空间限制。信息在空间中的传递称为通信；信息在时间上的传递称为存储。 3) 共享性
信息的共享性主要是指信息作为一种资源，不同个体或群体在同一时间或不同时间均可共同享用这种资源。 9
4) 不灭性
信息从信息源发出后其自身的信息量并没有减少，即信息并不因为被使用而消失，它可以被大量复制，长期保存，重复使用。信息的提供者并不因为提供了信息而失去了原有的信息内容和信息量。各用户分享的信息份额也不因为分享人的多少而受影响。 5) 时效性
时效性是指信息应能反映事物最新的变化状态。例如，基于知识的信息产业是竞争最激烈、变化最急剧的产业，在这一领域内，哪怕对知识与信息的获取与利用只领先或落后几个星期、几天，甚至几个小时，都足以使一个企业成就辉煌或面临破产。 10
6) 能动性
信息的产生、存在和流通依赖于物质和能量，反过来，信息又能动地控制或支配物质和能量的流动，并对改变其价值产生影响。例如，信息社会的新型人才必须具备很强的信息获取、信息分析和信息加工能力，它不仅是信息社会经济发展对新型人才提出的基本要求，也是推动信息社会向前发展的基础。 7) 客观性
信息的客观性是指信息是客观存在的。信息的产生源于物质，信息产生后又必须依附于物质，因此信息包含于任何物质中。 11
3．信息的分类
按照不同的分类标准，信息可分为如下几种： (1) 信息按其内容分为社会信息和非社会信息。 (2) 信息按其存在形式分为内储信息和外化信息。 (3) 信息按其状态分为动态信息和静态信息。 (4) 信息按符号种类分为语言信息和非语言信息。
(5) 信息按信息论方法分为未知信息和冗余信息。 (6) 信息按价值观念分为有害信息和无害信息。 12
1.1.2 信息技术
1．信息技术的概念
信息技术的概念，因其使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述。
广义而言，信息技术是指能充分利用与扩展人类信息器官功能的各种方法、工具与技能的总和。该定义强调的是从哲学上阐述信息技术与人的本质关系。
中义而言，信息技术是指对信息进行采集、传输、存储、加工、表达的各种技术之和。该定义强调的是人们对信息技术功能与过程的一般理解。 13
狭义而言，信息技术是指利用计算机、网络、广播电视 等各种硬件设备、软件工具与科学方法，对文、图、声、像等各种信息进行获取、加工、存储、传输与使用的技术之和。该定义强调的是信息技术的现代化与高科技含量。
综上，我们可以认为，信息技术的内涵包括两个方面。一方面是手段，即各种信息媒体，是一种物化形态的技术。例如印刷媒体、电子媒体、计算机网络等。另一方面是方法，即运用信息媒体对各种信息进行采集、加工、存储、交流、应用的方法，是一种智能形态的技术。信息技术就是由信息媒体和信息媒体应用的方法两个要素所组成的。 14
2．信息技术的分类 1) 按表现形态分类
信息技术按表现形态可分为硬技术(物化技术)与软技术(非物化技术)两种。前者指各种信息设备及其功能，如显微镜、电话机、通信卫星和多媒体电脑等。后者指有关信息获取与处理的各种知识、方法与技能，如语言文字技术、数据统计分析技术、规划决策技术和计算机软件技术等。 15
2) 按工作流程中的基本环节分类
信息技术按工作流程中的基本环节可分为信息获取技术、信息传递技术、信息存储技术、信息加工技术及信息标准化技术。 (1) 信息获取技术包括信息的搜索、感知、接收、过滤等，如显微镜、望远镜、气象卫星、温度计、钟表、Internet搜索器中的技术等。
(2) 信息传递技术是指跨越空间共享信息的技术。其具体又可分为不同类型，如单向传递与双向传递技术，单通道传递、多通道传递与广播传递技术等。 16
(3) 信息存储技术是指跨越时间保存信息的技术，如印刷术、
照相术、录音术、录像术、缩微术、磁盘术、光盘术等。
(4) 信息加工技术是对信息进行描述、分类、排序、转换、浓缩、扩充和创新等的技术。信息加工技术的发展已有两次突破：从人脑信息加工到使用机械设备(如算盘、标尺等)进行信息加工，再发展为使用电子计算机与网络进行信息加工。
17
(5) 信息标准化技术是指使信息的获取、传递、存储和加工等各环节有机衔接以及提高信息交换共享能力的技术，如信息管理标准、字符编码标准及语言文字的规范化等。 3) 按使用的信息设备分类
信息技术按使用的信息设备分为电话技术、电报技术、广播技术、电视技术、复印技术、缩微技术、卫星技术、计算机技术及网络技术等。 18
4) 按技术的功能层次分类
信息技术按技术的功能层次分为以下三种：
(1) 主体层次。信息技术的主体层次是信息技术的核心部分，主要是指直接地、具体地增强或延长人类信息器官，提高或扩展人类信息能力的技术。例如显微镜、望远镜、X光机、雷达、激光、红外线、超声、气象卫星、行星探测器、温度计及湿度计等。目前，信息获取技术中起中坚作用的是传感技术、遥测技术和遥感技术等。 19
(2) 应用层次。信息技术的应用层次是信息技术的延伸部分，主要是指主体层次的信息技术在工业、农业、商业贸易、国防、运输、科学研究、文化教育、体育运动、文学艺术及家庭生活等各个领域应用时所生成的各种具体的实用信息技术。
(3) 外围层次。信息技术的外围层次是指与信息技术相关的各类技术。一方面，信息技术在性能水平方面的进步来源于新材料技术和新能源技术的进步，即基础层次的信息技术。另一方面，信息的获取、存储、处理及传输控制等需要借助机械的、电子的(或微电子的)、激光的及生物的等技术手段来实现，即支撑层次的信息技术。 20
3．信息技术的特点 1) 高速化
计算机和通信的发展追求的均是高速度，大容量。例如，每秒能运算千万次的计算机已经进入普通家庭。在现代技术中，我们迫切需要解决的涉及高速化的问题是，抓住世界科技迅猛发展的机遇，重点在带宽“瓶颈”上取得突破，加快建设具有大容量、高速率、智能化及多媒体等基本特征的新一代高速带宽信息网络，发展深亚微米集成电路、高性能计算机等。 21
2) 网络化
信息网络分为电信网、广电网和计算机网。三网有各自的形成过程，其服务对象、发展模式和功能等有所交叉，又互为补充。信息网络的发展异常迅速，从局域网到广域网，再到国际互联网及有“信息高速公路”之称的高速信息传输网络，计算机网络在现代信息社会中扮演了重要的角色。 22
3) 数字化
数字化就是将信息用电磁介质或半导体存储器按二进制编码的方法加以处理和传输。在信息处理和传输领域，广泛采用的是只用“0”和“1”两个基本符号组成的二进制编码，二进制数字信号是现实世界中最容易被表达、物理状态最稳定的信号。
4) 个人化
信息技术将实现以个人为目标的通信方式，充分体现可移动性和全球性。实现个人通信需要全球性的、大规模的网络容量和智能化的网络功能。 23
5) 智能化
在面向21世纪的技术变革中，信息技术的发展方向之一将是智能化。智能化的应用体现在利用计算机模拟人的智能，例如机器人、医疗诊断专家系统及推理证明等方面。例如，智能化的CAI教学软件、自动考核与评价系统、视听教学媒体以及仿真实验等等。 24
4．信息技术的功能
信息技术的功能是多方面的，从宏观上看，主要体现在以下几个方面： 1) 辅人功能
信息技术能够提高或增强人们的信息获取、存储、处理、传输与控制能力，使人们的素质、生产技能管理水平与决策能力等得到提高。 2) 开发功能
利用信息技术能够充分开发信息资源，它的应用不仅推动了社会文献大规模的生产，而且大大加快了信息的传递速度。 25
3) 协同功能
人们通过信息技术的应用，可以共享资源、协同工作。例如，电子商务、远程教育等。
4) 增效功能
信息技术的应用使得现代社会的效率和效益大大提高。例如，通过卫星照相、遥感遥测，人们可以更多更快地获得地理信息。 26
5) 先导功能
信息技术是现代文明的技术基础，是高技术群体发展的核心，也是信息化、信息社会、信息产业的关键技术，它推动了世界性的新技术革命。大力普及与应用新技术可实现对整个国民经济技术基础的改造，优先发展信息产业可带动各行各业的发展。 27
5．信息技术的影响
信息技术对人类社会的影响的主流是积极的，体现在以下几个方面： (1) 对经济的影响。信息技术有助于个人和社会更好地利用资源，使其充分发挥潜力，缩小国际社会中的信息与知识差距；有助于减少物质资源和能源的消耗；有助于提高劳动生产率，增加产品知识含量，降低生产成本，提高竞争力；提高国民经济宏观调控管理水平、经济运行质量和经济效益。 28
(2) 对教育的影响。随着科学技术的飞速发展、素质教育的全面实施和教育信息化的快速推进，信息技术已逐渐成为服务于教育事业的一项重要技术。信息技术有助于教学手段的改革(如电化教学、远程教育等)，能够打破时间、空间的限制，使教育向学习者全面开放并实现资源共享，大大提高了学习者的积极性、主动性和创造性。 29
(3) 对管理的影响。信息技术有助于更新管理理念、改变管理组织，使管理结构由金字塔形变为矩阵形；有助于完善管理方法，以适应虚拟办公、电子商务等新的运作方式。例如，政府通过网络互联逐渐建立网络政府，开启了政府管理的全新时代，树立了各级政府的高效办公、透明管理的新时代形象，同时为广大人民群众提供了极大的便利。进入20世纪90年代后，美、日、欧盟等纷纷制定了自己的信息基础设施发展计划，即信息高速公路计划，并投入了巨额资金。新兴工业化国家和地区也不甘落后，投入大量资金发展网络技术和通讯技术。 30
例如，新加坡政府决定投资12.5亿美元开发和兴建信息工程，以便把新加坡建成亚洲的“智能岛”。企业通过内外网络的建设，大力发展电子商务，充分利用政府管理及市场两方面的信息资源，将促进虚拟企业的成长，实现企业经营方式的革命性转变。 31
(4) 对科研的影响。应用信息技术有助于科学研究前期工作的顺利开展；有助于提高科研工作效率；有助于科学研究成果的及时发表。
(5) 对文化的影响。信息技术促进了不同国度、不同民族之间的文化交流与学习，使文化更加开放化和大众化。 32
(6) 对生活的影响。信息技术给人们的生活带来了巨大的变化，电脑、因特网、信息高速公路、纳米技术等在生产生活中的广泛应用，使人类社会向着个性化、休闲化方向发展。在信息社会里，人们的行为方式、思维方式甚至社会形态都发生了显著的变化。例如，“虚拟社会”、“虚拟演播室”等诸多社会现象将给思想家、哲学家提出新的理论挑战，并将不断促进人类在思想方面产生新的见解和新的突破。 33
信息技术也带来了一些负面影响，主要体现在以下方面： (1) 信息泛滥。信息技术的发展导致信息爆炸，信息量的增加大大超出了人们的接受能力，有可能带来各种各样的社会问题。
(2) 信息污染。随着信息流动量的增大，“信息污染”也成为人们关注的问题。例如，一些错误信息、冗余信息、污秽信息、计算机病毒等侵占了信息存储资源，影响了信息处理和传输的速度，污染了信息环境，尤其是计算机病毒造成信息利用的严重障碍。 34
(3) 信息犯罪。近年来，出现了利用计算机和信息网络进行高科技信息犯罪的现象。例如，利用计算机网络进行经济诈骗，贩卖色情信息，散布谣言，窃取个人、企业、政府的机密等。
(4) 信息渗透。信息化发展的渗透性表现为对国家或世界社会、政治、经济、文化、日常生活等各个层面的深刻影响或改变，这使得各民族文化的独特性和差异性也受到了挑战。 35
1.1.3 信息化与信息化社会
信息化涉及国民经济各个领域，它的意义不仅仅局限于技术革命和产业发展，信息化正逐步上升为推动世界经济和社会全面发展的关键因素，成为人类进步的新标志。
1．信息化
信息化就是在人类社会各领域普遍地、大量地采用现代信息技术，从而大大提高社会生产力和生活质量的过程。信息化与工业化、现代化一样，是一个动态变化的过程。在这个过程中包含三个层面，六大要素。 36
所谓三个层面：一是信息技术的开发和应用过程，是信息化建设的基础；二是信息资源的开发和利用过程，是信息化建设的核心与关键；三是信息产品制造业不断发展的过程，是信息化建设的重要支撑。这三个层面是相互促进、共同发展的过程，也就是工业社会向信息社会演化的动态过程。 37
所谓六大要素是指信息网络、信息资源、信息技术、信息产业、信息法规环境与信息人才。
这三个层面、六大要素的相互作用过程就构成了信息化的全部内容。就是说，信息化是在经济和社会活动中，通过普遍采用信息技术和电子信息装备，更有效地开发和利用信息资源，推动经济发展和社会进步，使由于利用了信息资源而创造的劳动价值在国民生产总值中的比重逐步上升直至占主导地位的过程。 38
2．信息化社会的主要特征
信息化社会具有如下几个基本特征：
(1) 高渗透性。信息的渗透性决定了信息化发展的普遍服务原则，信息化发展的基本目标就是要让每个社会成员都有权利、有能力享用信息化发展的成果，从而彻底改变社会诸方面的生存状态。 39
(2) 生存空间的网络化。这里的网络化不仅仅包括技术方面的具体网络之间的互通互联，而且强调基于这种物质载体之上的网络化社会、政治、经济和生活形态的网络化互动关系。美国政府于1993年9月提出“国家信息高速公路”(National Information Infrastructure,简称NII计划)，计划在20年内投资4000亿美元加速美国的信息化建设，就是生存空间网络化的最好例证。当今信息社会期望与正在实施的是将电信网、有线电视网和计算机网三网合一，并建成全光纤交换网。信息化发展的区域目标是要建设数字城市、数字国家和数字地球。 40
(3) 信息劳动者、脑力劳动者的作用日益增大。信息化的发展大大加快了各主体之间的信息交流和知识传播的速度和效率。信息化水平提高必然表现为国家人口素质的普遍提高。从事信息的生产、存储、分配、交换活动的劳动者及从事相关种类工作的劳动者的人数和比重正在急剧增加。知识成了改革与制定政策的核心因素，技术是控制未来的关键力量，专家与技术人员将成为卓越的社会阶层而发挥重大的历史作用。 41
3．我国的信息化建设
我国的信息化是指在国家统一规划和组织下，在农业、工业、科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代化信息技术，深入开发、广泛利用信息资源，加速实现国家
现代化的进程。我国政府认识到发展信息基础设施的重要性，把对信息基础设施的建设提高到经济全局的战略地位。1984年，邓小平同志就题词“开发信息资源，服务四化建设\"。1990年，江泽民同志进一步指出：“四个现代化无一不和电子信息有紧密联系，要把信息化提到战略地位上来，要把信息化列为国民经济的重要方针。” 42
“七五”期间，国家投入大量资金，重点建成了经济、统计、银行、邮电、电力、铁路等多个国家级信息系统，配置了一大批计算机设备，形成了纵向信息网络。当前我国信息化建设取得的成绩体现在以下几个方面：
(1) 信息产业高速发展，产业规模迅速扩大； (2) 信息基础设施已具有相当规模； 43
(3) 电子信息产品制造业、软件业为信息化提供装备的能力增强； (4) 互联网迅速发展；
(5) 信息化重大工程取得显著成效。 我国信息化建设的24字方针是：统筹规划，国家主导；统一标准，联合建设；互联互通，资源共享。
44
1.2 计 算 机 概 述 计算机是信息化的基础。计算机及其应用已渗透到社会的各个领域，有力地推动了社会信息化的发展。计算机技术的普及应用水平已经成为衡量一个国家和地区现代化水平的重要标志。 45
1.2.1 计算机的发展
1．计算机的发展史
现代科学技术的发展及信息在社会中的重要地位，导致了计算工具的创新。1946年2月，世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学诞生，它与以前的计算工具相比，计算速度快，精度高，能按给定的程序自动进行计算。ENIAC共用了18 000多只电子管，重量达30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，真可谓“庞然大物”。 46
ENIAC与现代计算机相比：运算速度慢，每秒只能作五千次加法运算；不仅存储容量小，而且全部指令还没有存放在存储器中；操作复杂、稳定性差。尽管如此，ENIAC的诞生标志着科学技术的发展进入了新的时代--电子计算机时代。从第一台电子计算机诞生到现在，计算机的发展随其所采用的电子器件的变化，已经历了四代。 47
(1) 第一代(1946～1958年) —— 电子管计算机。
这一代计算机的主要特征是：以电子管为基本电子器件；使用机器语言和汇编语言；应用领域主要局限于科学计算；运算速度只有几千次至几万次每秒。由于其体积大、功率大、价格昂贵且可靠性差，因此很快被新一代计算机所替代。然而，第一代计算机奠定了计算机发展的科学基础。 48
(2) 第二代(1959～1964年) —— 晶体管计算机。 这一代计算机的主要特征是：晶体管取代了电子管；软件技术上出现了算法语言和操作系统；应用领域从科学计算扩展到数据处理；运算速度已达到几万次至几十万次每秒。此外，其体积缩小，功耗降低，可靠性有所提高。 49
(3) 第三代(1965～1970年) —— 中小规模集成电路。
这一代计算机的主要特征是：普遍采用了集成电路，使体积、功耗均显著减少，可靠性大大提高；运算速度可达几十万次至几百万次每秒；在此期间，出现了向大型和小型化两级发展的趋势，计算机品种多样化和系列化；同时，软件技术与计算机外围设备发展迅速，应用领域不断扩大。 50
(4) 第四代(1971～ ) —— 大规模和超大规模集成电路。 这一代计算机的主要特征是：中、大及超大规模集成电路(VLSI)成为计算机的主要器件；运算速度已达几万亿次至十几万亿次每秒。大规模和超大规模集成电路技术的发展，进一步缩小了计算机的体积和功耗，增强了计算机的功能；多机并行处理与网络化是第四代计算机的又一重要特征，大规模并行处理系统、分布式系统、计算机网络的研究和实施进展迅速；系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化，而且正在向工程化和智能化迈进。
此外，智能化计算机也可以称为第五代计算机，其目标是使计算机像人类那样具有听、说、写、逻辑推理、判断和自我学习等能力。 51
2．我国计算机的发展情况
我国电子计算机的研究是从1953年开始的。1958年研制出第一台计算机，即103型通用数字电子计算机，它属于第一代电子管计算机；1964年研制出第一台晶体管计算机；1971年研制出集成电路计算机；1983年研制成功每秒能进行1亿次运算的“银河Ⅰ”巨型机；1997年研制的“银河Ⅲ”巨型机每秒能进行130亿次运算。现在，我国已形成了自己的计算机工业体系，并具备相当的计算机硬件、软件和外部设备的生产能力。 52
3．计算机的发展趋势
随着大规模集成电路的迅速发展，各种类型的计算机也都得到了迅速发展。当前，计算机主要朝着以下几个方向发展： 1) 微型化
微型化是指追求体积的进一步缩小，运算速度的进一步提高，存储容量不断加大，功能更加完善可靠，应用更加灵活方便，价格更加便宜。微型化反映了计算机的应用程
度。 53
2) 巨型化
巨型化所追求的大容量、高速度，为尖端科学领域的数值分析与计算提供了有力的帮助，例如火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船的研制及气象预报的数值分析与计算等。巨型计算机目前的计算速度可达几万亿次至十几万亿次浮点每秒，它代表了计算机的发展水平。并行处理技术是巨型计算机发展的基础。 3) 网络化
21世纪人类将步入信息时代，从简单的远程终端联机到遍布全球的Internet，信息的共享和通信已成为计算机应用的主流之一。 54
4) 智能化
智能化是指利用新技术、新材料研制的计算机与仿生学、控制论等边缘学科相结合，把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起，用计算机来模拟人类的高级思维活动。目前已有许多机器人在高温、高压、有毒及辐射等环境下代替人工作。在这一领域最具代表性的是专家系统和机器人。智能化计算机将使人类社会进入一个崭新的时期。 55
5) 多媒体技术
多媒体计算机是当前开发和研究的热点。多媒体技术能将大量信息以数值、文字、声音、图形、图像及视频等形式进行表现，极大地改善、丰富了人机界面，能够充分运用人的听觉、视觉来高效率地接收信息。其中主要的技术关键是处理视频和音频数据，包括视频和音频数据的压缩、解压缩技术，多媒体数据的通信及各种接口的实现方案等。 56
6) 非冯·诺依曼体系结构的计算机
非冯·诺依曼体系结构是提高现代计算机性能的另一个研究焦点。冯·诺依曼体系结构虽然为计算机的发展奠定了基础，但是它的“集中顺序控制方面”的串行机制，却成为进一步提高计算机性能的瓶颈，而提高计算机性能的方向之一是并行处理。因此，出现了非冯·诺依曼体系结构的计算机理论，例如神经网络计算机、DNA计算机、光子计算机等。 57
1.2.2 计算机的特点 1．运算速度快
现在的PC机(Personal Computer)每秒可以处理几千万条指令；巨型计算机的运算速度则达十几万亿次每秒以上，这使得过去繁琐的计算工作如今只需在极短的时间内就能完成。
2．计算精度高
计算机采用二进制进行运算，只要配置相关的硬件电路就可增加二进制数字的长度，从而提高计算精度。目前，微型计算机的计算精度可以达到32位二进制数。 58
3．具有“记忆”和逻辑判断功能
“记忆”功能是指计算机能存储大量信息，供用户随时检索和查询。该功能
既能记忆各类数据信息，又能记忆处理加工这些数据信息的程序。逻辑判断功能是指计算机除了能进行算术运算外，还能进行逻辑运算。 4．能自动运行且支持人机交互 所谓自动运行，就是人们把需要计算机处理的问题编成程序并存入计算机中，当发出运行指令后，计算机便在该程序控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。“人机交互”则是在人们想要干预计算机时，采用问答的形式，有针对性地解决问题。 59
1.2.3 计算机的分类
随着计算机的发展，其分类方法也在不断变化。 1．按计算机处理的信号分类 计算机按处理的信号可分为： (1) 数字式计算机(Digital Computer)。数字式计算机处理的是脉冲变化的离散量，即以0、1组成的二进制数字。它的计算精度高，抗干扰能力强。通常我们使用的计算机就是数字式计算机。 60
(2) 模拟式计算机(Analog Computer)。模拟式计算机处理的是连续变化的模拟量，例如电压、电流、温度等物理量的变化曲线。其基本运算部件是运算放大器构成的各类运算电路。模拟式计算机解题速度快、精度低、通用性差，用于过程控制，已基本被数字式计算机所取代。
(3) 数模混合计算机(Hybrid Computer)。数模混合计算机是数字式计算机和模拟式计算机相结合的一种计算机。 61
2．按计算机的硬件组成及用途分类 计算机按硬件组成及用途可分为：
(1) 通用计算机。这类计算机的硬件系统是标准的，并具有扩展性，装上不同的软件就可做不同的工作。它的通用性强，应用范围广。
(2) 专用计算机。这类计算机软、硬件的规模全部根据应用系统的要求配置，因此具有较好的性能价格比，但只能完成某个专门任务。这类计算机多用于工业控制系统。 62
3．按计算机的规模分类 当前沿用较多的是“电气与电子工程师协会”(IEEE)于1989年提出的分类方法。其具体分类如下：
(1) 个人计算机(Personal Computer，简称PC)。PC机即面向个人或家庭使用的低档微型计算机，主要分为台式机和便携机两类。
(2) 工作站(Work Station，简称WS )。工作站是介于PC机和小型机之间的高档微机。它的运算速度快，主存储器容量大，易于联网，通常配有高分辨率的大屏幕显示器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能，特别适合于CAD/CAM和办公自动化。 63
(3) 小型计算机(Minicomputer)。小型计算机按照满足中、小型部门的需要设计，规模较小，结构简单，成本较低，设计周期较短，操作简便，维护容易，从而得以广泛推广应用，可用于工业控制、数据采集、分析计算等。
(4) 主机(Mainframe)。主机亦称大型主机，通常安装在机架内。它具有大容量存储器，多种类型的I/O通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式；具有通用、处理速度快和处理能力强的特点。主机一般作为大型“客户机/服务器”系统的服务器，或者“终端/主机”系统中的主机。 64
(5) 小巨型计算机(Minisupercomputer)。小巨型计算机与巨型计算机相比，特点是价格便宜，具有更好的性能价格比。
(6) 巨型计算机(Supercomputer)。巨型计算机亦称超级计算机，运算速度可达十几万亿次每秒以上，主存容量很大，处理能力很强。生产这类计算机的能力可以反映一个国家的计算机科学水平。我国是世界上能够生产巨型计算机的少数国家之一。 65
1.2.4 计算机的应用
随着计算机的飞速发展，信息社会对计算机的需求迅速增长，使得计算机的应用范围越来越广。计算机在各个领域的应用主要体现在以下几个方面。 1．科学计算
科学计算也称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，是计算机应用最早也是最成熟的应用领域。在数学、物理、化学、天文、地理等自然科学领域以及航天、汽车、造船、建筑等工程技术领域中，各种复杂的计算都是借助计算机来完成的。 66
2．数据处理
数据处理指的是对信息进行采集、查询、分类、排序、统计、存储及传送等工作。这已成为信息社会中必不可少的重要工作。目前，数据处理已广泛应用于办公自动化、企事业单位管理(如财务、计划、物资与人事的管理)、图像信息系统、图书情报检索等领域。据统计，现在世界上约80%的计算机用于数据处理工作。 67
3．过程控制
将计算机用来控制各种自动装置、自动仪表、生产过程等都称为过程控制或实时控制。例如，工业生产自动化方面的巡回检测、自动记录、监视报警、自动调控等内容；交通运输方面的行车调度；农业方面的自动温度与湿度控制；家用电器中的某些自动功能等，都是计算机在该方面的应用。 68
4．计算机辅助工程
当前用计算机进行辅助工作的系统越来越多，列举如下：
(1) 计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)，即利用计算机辅助人们进行工作，以便达到提高设计质量、缩短设计周期、使设计实现自动化的目的。目前，建筑、机械、服装、电子等行业都广泛采用了CAD技术。
(2) 计算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing)，即直接利用计算机控制零部件的生产。 69
(3) 计算机辅助教学CAI(Computer Assisted Instruction)，即利用计算机
辅助进行教学，把各种教学手段综合化、形象化、现代化。如辅导学生学习、解答问题、批改作业及编制考题等。
(4) 计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)。 (5) 计算机辅助测试CAT(Computer Aided Testing)。 70
5．人工智能
人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)是将人脑在进行演绎推理时的思维过程、规则和所采取的策略、技巧等编成计算机程序，并在计算机中存储一些公理和推理规则，然后让机器去自动探索解题的方法，用计算机实现某些与人的智能活动有关的复杂功能。这是计算机应用的一个较新的领域，其目前的研究方向有：模式识别、自然语言理解、自动定理证明、自动程序设计、知识表示、机器学习、专家系统及机器人等。 71
6．网络应用
计算机网络就是利用通信设备和线路将地域不同的计算机系统互连起来，并在网络软件支持下实现资源共享和传递信息的系统。根据计算机之间距离的远近、覆盖范围的多少，可将计算机网络分为局域网(Local Area Network，简称LAN)和广域网 (Wide Area Network，简称WAN)两种。利用网络可以进行网上浏览，检索信息，下载软件，收发电子邮件(E -mail)、传真(FAX)，传送文件(FTP)，发布公告(BBS)，参加网上会议(Net meeting)，阅读电子报纸，小说，观看体育比赛，收听音乐，参与游戏，参加各种论坛及开展电子商务(E-Business)等，也可以充分享受网上资源，丰富个人生活。 72
1.2.5 计算机系统的组成
一台完整的计算机应包括硬件部分和软件部分。硬件的功能是接受计算机程序，并在程序控制下完成数据输入、数据处理和数据输出等任务。软件可保证硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供良好的工作环境。
1946年，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(Von Neumann)提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含了三个要点： 73
(1) 采用二进制的形式表示数据和指令。 (2) 将指令和数据存放在存储器中。
(3) 由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成计算机。 该方案工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”，把按照这一原理设计的计算机称为冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，如图1.1所示。 74
计算机系统 硬件系统 主
机 中央处理单元 控制器
内存储器 运算器
图1.1 计算机系外部设备 外存储器
统的组成
输入设备
输出设备
软件系统
系统软件 操作系统
语言处理系统
服务型程序
应用软件 应用软件包
面向问题的应用软件
75
1．计算机硬件系统
计算机硬件系统是指由电子部件和机电装置组成的计算机实体，如用集成电路芯片、印刷线路板、接插件、电子元件和导线等装配成中央处理器、存储器及外部设备等。 76
计算机的规模不同，机种和型号不同，则它们在硬件配置上的差别就很大。但是，绝大多数都是根据冯·诺依曼计算机体系结构的思想来设计的，故具有共同的基本配置：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件。运算器和控制器合称为中央处理单元，即CPU(Central Processing Unit)，它是计算机的核心。 77
计算机硬件系统中五大部件的相互关系如图1.2所示。其中空心线代表数据流，实心线代表控制流。 1) 控制器
控制器是计算机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调地工作。控制器每次从存储器中读取一条指令，对读取的指令经过分析译码后产生一串操作命令，将其发向各个部件以控制各部件动作，从而使整个机器连续地、有条不紊地运行。控制器一般是由程序计数器PC(Program Counter)、指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Dcoder)和操作控制器OC(Operation Controler)等组成。 78
输 入 设 输 出 设 存 储 器 运 算 器 控 制 器 图1.2 计算机硬件系统中五大部件的相互关系 79
程序计数器PC用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。指令寄存器IR用来
存放当前要执行的指令代码。指令译码器ID用来识别IR中存放的要执行指令的性质。操作控制器OC根据指令译码器ID对要执行的指令进行译码，产生实现该指令的全部动作的控制信号。
2) 运算器
运算器是一个用于信息加工的部件。它对数据编码进行算术运算和逻辑运算。算术运算是按照算术规则进行的运算。逻辑运算一般泛指非算术性运算，例如比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及“异或”操作等。运算器通常由运算逻辑部件(ALU)和一系列寄存器组成。 80
3) 存储器
存储器的主要功能是存放程序和数据。不管是程序还是数据，在存储器中都是用二进制的形式表示的，它们统称为信息。 (1) 存储器的分类。存储器分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅助存储器)两类。
81
内存储器简称内存，是计算机各部件信息交流的中心。用户通过输入设备输入的程序和数据先送入内存，控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存，运算的中间结果和最终结果保存在内存中，输出设备输出的信息来自内存。内存中的信息如要长期保存，应送到外存中。总之，内存要与计算机的各个部件打交道，用来存放现行程序的指令和数据。所以，内存的存取速度直接影响计算机的运算速度。 82
目前，大多数内存由半导体器件构成。内存由许多存储单元组成，每个存储单元存放一个数据或一条指令，且有自己的地址，根据地址就可找到所需的数据和程序。内存具有容量小、存取速度快、停电后数据丢失的特点。
外存储器简称外存，用来存储大量暂时不参与运算的数据和程序及运算结果。通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据，而是成批地与内存交换信息。外存储器具有容量大、存取速度慢、停电后数据不丢失的特点。常见的外存设备有软盘、硬盘、闪盘、光盘和磁带等。 83
(2) 与存储器有关的术语： 地址：整个内存被分成若干存储单元，每个存储单元都可以存放程序或数据。用于标识每个存储单元的惟一的编号称为地址。
位：一个二进制数(0或1)称为位(bit，比特)，是数据的最小单位。
字节：每8个相邻的二进制位称为一个字节。为了衡量存储器的容量，统一以字节(Byte，简写为B)为基本单位。存储器的容量一般使用KB、MB、GM、TB表示，它们之间的关系是1 KB=1024 B，1 MB=1024 KB，1 GB=1024 MB，1 TB=1024 GB，其中1024=210。 84
字和字长：在计算机中，作为一个整体被存取或运算的最小信息单位称为字或单元；每个字中存放的二进制数的长度称为字长。计算机字长一般是指参加运算的寄存器所能表示的二进制数的位数。计算机的功能设计决定了机器的字长。机器字长可以是8位、16位、32位、64位等，显然，机器字长包括一个或多个字节。 4) 输入设备
输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变换为计算机能识别的形式而存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等。输入设备与主机之间通过接口连接。 85
5) 输出设备
输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和音响等。外存储器是计算机中重要的外部设备，它即可以作为输入设备，也可以作为输出设备。
总之，计算机硬件系统是运行程序的基本组成部分，人们通过输入设备将程序和数据存入存储器；运行时，控制器从存储器中逐条取出指令，将其解释成控制命令，去控制各部件的动作；数据在运算器中加工处理，处理后的结果通过输出设备输出。 86
2．计算机软件系统 软件系统是指为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合；数据是程序处理的对象和处理的结果；文档是描述程序操作及使用的相关资料。计算机的软件是计算机硬件与用户之间的一座桥梁。
计算机软件按其功能分为应用软件和系统软件两大类。用户与计算机系统各层次之间的关系如图1.3所示。 87
用 用 统
应 系
计算
机硬件
软 软
件
用户 件
用户
图1.3 用户与计算机系统各层次之间的关系 88
1) 系统软件
系统软件是指控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务的一类软件。其功能是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。系统软件具有两大特点：一是通用性，其算法和功能不依赖特定的用户，无论哪个应用领域都可以使用；二是基础性，其他软件都是在系统软件的支持下开发和运行的。
系统软件是构成计算机系统必备的软件，通常将系统软件分为以下几类： 89
(1) 操作系统(Operating System，简称OS)。操作系统是管理计算机的各种资源、自动调度用户的各种作业程序、处理各种中断的软件。它是计算机硬件的第一级扩充，是用户与计算机之间的桥梁，是软件中最基础和最核心的部分。它的作用是管理计算机中的硬件、软件和数据信息，支持其他软件的开发和运行，使计算机能够自动、协调、高效地工作。
操作系统多种多样，目前常用的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、Linux、Windows 98、NetWare、Windows NT等。 90
(2) 程序设计语言。人们要使用计算机，就必须与计算机进行交流，要交流就必须使用计算机语言。目前，程序设计语言可分为四类：机器语言、汇编语言、高级语言及甚高级语言。 91
机器语言是计算机硬件系统能够直接识别的、不需翻译的计算机语言。机器语言中的每一条语句实际上是一条二进制形式的指令代码，由操作码和操作数组成。操作码指出进行什么操作；操作数指出参与操作的数或在内存中的地址。用机器语言编写程序时工作量大、难于使用，但执行速度快。它的指令二进制代码通常随CPU型号的不同而不同，不能通用，因而说它是面向机器的一种低级语言。通常不用机器语言直接编写程序。 92
汇编语言是为特定计算机或计算机系列设计的。汇编语言用助记符代替操作码，用地址符号代替操作数。由于这种“符号化”的做法，因而汇编语言也称为符号语言。用汇编语言编写的程序称为汇编语言“源程序”。汇编语言程序比机器语言程序易读、易检查、易修改，同时又保持了机器语言执行速度快、占用存储空间少的优点。汇编语言也是面向机器的一种低级语言，不具备通用性和可移植性。 93
高级语言是由各种意义的词和数学公式按照一定的语法规则组成的，它更容易阅读、理解和修改，编程效率高。高级语言不是面向机器的，而是面向问题，与具体机器无关，具有很强的通用性和可移植性。高级语言的种类很多，有面向过程的语言，例如FORTRAN、BASIC、PASCAL、C等；有面向对象的语言，例如C++、Visual Basic、Java等。 94
不同的高级语言有不同的特点和应用范围。FORTRAN语言是1954年提出的，是出现最早的一种高级语言，适用于科学和工程计算；BASIC语言是初学者的语言，简单易学，人机对话功能强；PASCAL语言是结构化程序语言，适用于教学、科学计算、数据处理和系统软件开发，目前逐步被C语言所取代；C语言程序简练、功能强，适用于系统软件、数值计算、数据处理等，已成为目前高级语言中使用最多的语言之一；C++、Visual Basic等面向对象的程序设计语言，给非计算机专业的用户在Windows环境下开发软件带来了福音；Java语言是一种基于C++的跨平台分布式程序设计语言。 95
40余年来，高级语言发生了巨大的变化，但从根本上说，上述的通用语言仍都是“过程化语言”。编码的时候，要详细描述问题求解的过程，告诉计算机每一步应该“怎样做”。为了把程序员从繁重的编码中解放出来，还需寻求进一步提高编码效率的新语言，这就是甚高级语言(VHL)或第4代语言(4GL)产生的背景。
对于4GL语言，迄今仍没有统一的定义。一般认为，3GL是过程化的语言，目的在于高效地实现各种算法；4GL则是非过程化的语言，目的在于直接地实现各类应用系统。前者面向过程，需要描述“怎样做”；后者面向应用，只需说明“做什么”。 96
(3) 语言处理程序。将计算机不能直接执行的非机器语言源程序翻译成能直接执行的机器语言的语言翻译程序总称为语言处理程序。
· 源程序：用各种程序设计语言编写的程序称为源程序，计算机不能直接识别和执行。
· 目标程序：源程序必须由相应的解释程序或编译程序翻译成机器能够识别的机器指令代码后，计算机才能执行，这正是语言处理程序所要完成的任务。翻译后的机器语言程序称为目标程序。
· 汇编程序：将汇编语言源程序翻译成机器语言程序的翻译程序称为汇编程序，如图1.4(a)所示。 97
汇编语 源程序 汇编 汇编程 机器语 目标程序 结 执行
图1.4 语言处理程序 (a) 汇编过程；(b) 编译过程 98
高级语言程序
机器语言程序
编译
结果
源程序 目标程序编译程序 执行
图1.4 语言处理程序 (a) 汇编过程；(b) 编译过程 99
· 编译方式和解释方式：编译方式是将高级语言源程序通过编译程序翻译成机器语言目标代码，如图1.4(b)所示。解释方式是对高级语言源程序进行逐句解释，解释一句就执行一句，但不产生机器语言目标代码，例如BASIC语言大都是按这种方式处理的。大部分高级语言都采用编译方式。 100
(4) 数据库管理系统。利用数据库系统可以有效地保存和管理数据，并利用这些数据得到各种有用的信息。数据库系统主要包括数据库(Data Base)和数据库管理系统(Data Base
Management System)。数据库是按一定方式组织起来的数据集合。数据库管理系统具有建立、维护和使用数据库的功能；具有使用方便、高效的数据库编程语言的功能；能提供数据共享和安全性保障。数据库管理系统按数据模型的不同，分为层次型、网状型和关系型三种类型。其中关系型数据库使用最为广泛，例如SQL Server、FoxPro、Oracle、Access、Sybase等都是常用的关系型数据库管理系统。 101
(5) 工具软件。工具软件又称为服务性程序，是在系统开发和系统维护时使用的工具，完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务，包括编辑程序、链接程序、计算机测试和诊断程序、数据库管理软件及数据仓库等。这种程序需要操作系统的支持，而它们又支持软件的开发和维护。
数据仓库是近年来迅速发展起来的一种存储技术，是面向主题的、集成化的、稳定的、随时间变化的数据集合，是用以支持决策管理的一个过程。 102
2) 应用软件
应用软件是用户利用计算机硬件和系统软件，为解决各种实际问题而设计的软件。它包括应用软件包和面向问题的应用软件。一些应用软件经过标准化、模块化，逐步形成了解决某些典型问题的应用程序的组合，称为软件包(Package)。例如，AutoCAD绘图软件包，通用财务管理软件包，Office 软件包等。目前，软件市场上能提供数以千计的软件包供用户选择。 103
面向问题的应用软件是指计算机用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门的目的而开发的软件。例如，科学计算、工程设计、数据处理、事务管理等方面的程序。随着计算机的广泛应用，应用软件的种类及数量将越来越多、越来越庞大。应用软件根据其功能，大致可分为字处理软件、电子表格软件、辅助设计软件、网络软件、实时控制软件等。 104
(1) 文字和电子表格处理软件主要用于将文字或表格输入到计算机并存储在外存中，用户能对输入的文字或表格进行修改、编辑，并能将计算机中的文字或表格打印出来。例如，办公自动化软件包Office 2000、WPS 2000等。
(2) 计算机辅助设计软件能高效率地绘制、修改、输出工程图纸，普遍应用
于机械、电子、服装、建筑等行业。目前常用的辅助设计软件有AutoCAD、Protel等。用于图形图像处理的辅助设计软件有Photoshop、3D Studio MAX、Flash等。 105
(3) 网络应用软件包括网页制作软件和网络通信软件。例如，用于网页制作的软件有FrontPage、Dreamweaver等；用于网络通信的软件有Outlook Express、Internet Explorer、Netscape Navigator等。
(4) 实时控制软件。在现代化工厂里，计算机普遍用于生产过程的自动控制。例如，用于控制电压、温度、压力、流量等的模拟量以及为解决科研及生产中的实际问题而由用户设计的应用程序。 106
(5) 工具软件一般用于对计算机系统本身进行维护、优化和测试等。例如，压缩软件WinZip、WinRAR；磁盘复制软件Ghost；杀毒软件Kill、KV3000、金山毒霸、瑞星等。
(6) 使用计算机进行娱乐的方式有听音乐、看VCD、玩计算机游戏等。娱乐软件主要分为两大类：
① 多媒体播放软件。各种各样的音频、视频文件必须使用软解压软件来播放，目前常见的有Xing、Realplayer、豪杰解霸系列等。
② 游戏软件。游戏软件各种各样，有角色扮演类、即时战略类和益智类等。 107
1.2.6 计算机工作原理
计算机工作时，先要把程序和所需数据送入计算机内存，然后存储起来，这就是\"存储程序\"的概念。运行时，计算机根据事先存储的程序指令，在程序的控制下由控制器周而复始地取出指令，分析指令，执行指令，直至完成全部操作。 108
1．指令和指令系统
指令是指挥计算机进行基本操作的命令，是一组二进制代码。一台计算机所能识别和执行的全部指令的集合叫做这台计算机的指令系统。程序是由指令组成的有序集合。一般指令包含两部分内容：操作码和操作数，即操作性质(进行哪一种操作)和被操作对象(操作数)。对一个计算机系统进行总体设计时，设计师必须根据要完成的总体功能设计一个指令系统。指令系统中包含许多指令，为了区别这些指令，每条指令用惟一的代码来表示其操作性质，这就是指令操作码。操作数表示指令所需要的数值或数值在内存中所存放的单元地址。 109
2．计算机的工作过程
计算机的工作过程实际应是计算机依次执行程序指令的过程。一条指令执行完毕后，控制器再取下一条指令执行，如此下去，直到程序执行完毕。计算机完成一条指令操作分为取指令、分析指令和执行指令三个阶段。 110
(1) 取指令：控制器根据程序计数器的内容(存放指令的内存单元地址)从内存中取出指令送到指令寄存器，同时修改程序计数器的值，使其指向下一条要执行的指令。 (2) 分析指令：对指令寄存器中的指令进行分析和译码。
(3) 执行指令：根据分析和译码实现本指令的操作功能。 111
1.3 微型计算机系统基础知识
微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，又称个人计算机(或PC机)，微处理器是它的核心部件。多媒体技术和网络技术的产生和发展，使微型计算机不仅能处理数据、文字、图形，还可以处理音频、视频、动画，以及在因特网上浏览信息，发送、接收电子邮件等。本节就微型计算机系统的基本组成——硬件系统和软件系统分别进行阐述。
112
1.3.1 微型计算机的硬件系统
微型计算机的硬件系统根据冯·诺依曼体系结构配置，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。
微型计算机的硬件系统一般由安装在主机箱内的CPU、主板、内存、显示卡、硬盘、软驱、电源以及显示器、键盘、鼠标等组成，如图1.5所示。
113
图1.5 微型计算机的硬件组成 114
1．总线
1) 总线的概念
为将各部件和外围设备与CPU直接连接，常用一组线路配以适当的接口电路来实现，这组多个功能部件共享的信息传输线称为总线，计算机系统通过总线将CPU、主存储器及输入/输出设备连接起来。所以，总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信号的公用通道。 115
从物理上讲，总线是计算机硬件系统中各部分互相连接的方式，具体体现为扩展槽；从逻辑上讲，总线是一种通信标准，是关于扩展卡能在PC中工作的协议。采用总线结构便于部件或设备的扩充；使用统一的总线标准，不同设备间互联将更容易实现。总线结构如图1.6所示。 116
图1.6 微型计算机总线结构示意图 117
2) 总线的分类
现代计算机系统的总线包括内部总线、系统总线和外部总线。内部总线指CPU内部连接各部件的总线。系统总线指计算机系统的CPU、存储器与I/O接口之间的总线。外部总线指微机与外部设备之间或多机系统之间的互连。 系统总线从物理结构上来看，是一组两端带有插头、用扁平线构成的互连线，亦即传输线。这组传输线根据传送信号的不同，分为以下三种： 118
(1) 数据总线(Data Bus)：用于CPU与内存、I/O接口之间传送数据。计算机数据总线的宽度等于计算机的字长。数据总线的宽度(根数)决定每次能同时传输信息的位数，因此，数据总线的宽度是决定计算机性能的主要指标。数据总线通常双向传输。目前，微型计算机采用的数据总线有16位、32位、64位等几种类型。 119
(2) 地址总线(Address Bus)：用于CPU访问内存和外部设备时传送相关地址，实现信息传送的设备地址选择。例如，CPU与主存传送数据或指令时，必须将主存单元的地址送到地址总线上。地址总线通常是单向线，地址信息由源部件发送到目的部件。地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。若某计算机的地址总线为n位，则此计算机的寻址范围为0～2n-1。 120
(3) 控制总线(Control Bus)：用于CPU访问内存和外部设备时传送控制信号，从而控制对数据总线和地址总线的访问和使用。控制总线通常是单向传输，有从CPU发送出去的，也有从设备发送出去的。
3) 常用总线标准
在计算机系统中通常采用标准总线。标准总线不仅具体规定了线数及每根线的功能，而且还规定了统一的电气特性。随着计算机通信技术、多媒体技术和CPU生产技术的不断发展，高速CPU、性能优异的外部设备及功能强大的软件大量涌现，总线技术也得到了飞速发展，先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP等总线标准。 121
(1) ISA总线。ISA称为“工业标准体系结构”，也称为PC/XT总线，是具有开放式结构的计算机总线，它与IBM个人计算机一起首次出现于1981年。它是针对Intel 8088设计的，是一个8位总线。1984年，ISA总线扩充到16位(即AT总线)，适用于80286的IBM PC/AT微机系统，它与XT总线兼容。它的数据宽度为16位，最大传输速率为16 MB/s。 122
(2) EISA总线。1988年，由Compaq、HP、AST、Epson及NEC等9家计算机公司联合推出了一个32位总线标准——扩展的工业标准体系结构(EISA)，它是在ISA总线基础上发展起来的高性能总线，是AT总线的扩展，保持了与ISA的完全兼容。由于EISA的公开性，使EISA在应用领域得到充分发展。它的数据宽度为32位，最大传输速率为33 MB/s。 123
(3) VESA总线。VESA总线是“视频电子标准协会”于1991年推出的32位局部总线，把对数据传输率高的显示卡、网络卡等通过局部总线控制器与CPU总线相连，局部总线时钟与CPU时钟同步。它定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33 MHz的时钟频率，最大传输速率为132 MB/s，是一种高速的局部总线。VESA总线可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。
124
(4) PCI总线。PCI即外围部件互连总线，也称为局部总线，是当前流行的总线之一，是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33 MHz或66 MHz的时钟频率，传输速率为132 MB/s。
(5) 通用串行总线USB。USB(Universal Serial Bus)是Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范。USB接口就是为解决现行PC与周边设备的通用连接而设计的。USB可以树状结构连接127个(涵盖几乎目前所有的)外部设备，例如DVD、ISDN、显示器、数字音响、扫描仪、数字照相机、Modem、打印机及键盘等。 125
(6) AGP总线。AGP总线(Accelerated Graphics Port，即图形加速接口)，由Intel公司于1996年提出，用来提高图像信息处理(特别是3D图形)的性能。AGP接口使用64位图形总线将CPU与内存直接连接，是目前使用最多的总线结构。 126
4) 系统总线的性能指标
(1) 总线的带宽。总线的带宽是指单位时间内总线上可传送的数据量，即每秒传送的字节数。它与总线的位宽和总线的工作频率有关。
(2) 总线的位宽。总线的位宽是指总线能同时传送的数据位数，即数据总线的位数。
(3) 总线的工作频率。总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位，总线带宽越宽，则总线工作速度越快。 127
2．中央处理单元(CPU) 1) CPU的功能
CPU是由大规模和超大规模集成电路组成的模块，又被称为微处理器MPU(Micro- processing Unit)。它由运算器、控制器和寄存器组成，是微机硬件中的核心部件。CPU处理数据速度的快慢直接影响着整台电脑性能的发挥，所以人们把CPU形象地比喻为电脑的心脏。 128
计算机之所以能够在短短二十几年中在全世界迅速普及，主要原因是它功能的强大、操作的简便化和价格的直线下降，而计算机功能的每一次翻天覆地的变化都是缘于CPU功能的大幅度改进。我们常说的286、386、486、586以及今天的Pentium 4都是指CPU的型号。20世纪90年代以前，CPU的主要生产厂商Intel公司用“80x86”系列作为自己生产的CPU名称，例如，486就是80486的简称。 129
由于其他CPU厂家的CPU型号也是用486、586来表示的，这就使很多人误以为凡是标明为486、586的CPU都是Intel公司的产品。为了与其他厂家区别开来，Intel 公司将自己的586改名为“Pentium”，中文译为“奔腾”。Intel公司新近推出的Pentium 4强化了多媒体指令，新增了上百条命令。目前，著名的CPU生产厂家除了Intel公司外，还有AMD公司和Cyrix公司等。
130
2) CPU的主要组成部件
(1) 程序计数器。它是控制器中的一个重要部件，是存放指令地址的一个寄存器。在程序执行过程中，其内容总是指向下一条指令在存储器中的地址，以便执行完当前的指令后，再去取下一条指令，从而保证工作的连续进行。
(2) 控制电路。控制电路的功能是根据指令要求，生成对各部件的控制信号。 (3) 累加器。累加器一般用来存放运算的原始数据或中间结果，如被加数或和数。 131
(4) 算术逻辑运算单元。它是运算器的主要部件，其功能是按指令的规定对操作数进行算术运算或逻辑运算。
(5) 数据寄存器。数据寄存器用于暂时存放参与运算的数据。CPU从主存储器读取数据时，该数据要先进入数据寄存器，然后再参与运算；运算结果送往主存储器时，该数据也要先进入数据寄存器，然后才能送出。除了数据寄存器之外，还有存放数据地址的地址寄存器，存放运算特征的标志寄存器等。 132
3) CPU的主要性能指标
(1) 字与字长。前面讲过，计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的
一串二进制数，称为一个字。在计算机中，许多数据是以字为单位进行处理的，是数据处理的基本单位。字长越长，运算能力就越强，计算精度就越高。 133
(2) 主频。CPU有主频、倍频和外频三个重要参数，它们的关系是：主频＝外频×倍频。主频是CPU内部的工作频率，即CPU的时钟频率(CPU Clock Speed)。外频是系统总线的工作频率。倍频是主频和外频相差的倍数。CPU的运行速度通常用主频表示，以赫兹(Hz)作为计量单位。主频越高，CPU的运算速度越快。目前CPU的主频可达3.06 GHz以上。
(3) 时钟频率，即CPU的外部时钟频率(外频)。它由电脑主板提供，直接影响CPU与内存之间的数据交换速度。目前时钟频率可达200 MHz以上。
134
(4) 地址总线宽度。地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间，即CPU能够使用多大容量的内存。假设CPU有n条地址线，则其可以访问的物理地址为2n个。 (5) 数据总线宽度。数据总线宽度决定了整个系统的数据流量的大小，决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。 135
3．内存储器
内存储器是计算机中最主要的部件之一，用来存储计算机运行期间所需要的大量程序和数据。
1) 内存储器的分类
内存储器按功能分为随机存储器(Random Access Memory，简称RAM)、只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)和高速缓冲存储器(Cache)。 136
(1) 随机存储器(RAM)。它的作用是临时存放正在运行的用户程序和数据及临时(从磁盘)调用的系统程序。其特点是，RAM中的数据可以随机读出或者写入；关机或停电时，其中的数据会丢失。
RAM又可分为静态存储器和动态存储器。
· 静态存储器(Static RAM，简称SRAM)的“静态”是指数据被写入后，除非重新写入新数据或关机，否则写入的数据保持不变。 137
· 动态存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)就是我们平常所说的内存。它用MOS型晶体管中的栅极电容存储数据信息，需要定时(一般为2 ms)充电，以补充丢失的电荷，因此称为动态存储器，充电的过程称为刷新。
SRAM要比DRAM速度更快，常用来作计算机的高速缓存(Cache)。 目前，微机中常用的内存以内存条的形式插于主板上。 138
(2) 只读存储器(ROM)。它的作用是存放一些需要长期保留的程序和数据，如系统程序、控制时存放的控制程序等。其特点是只能读，一般不能改写；能长期保留其上的
数据，即使断电也不会破坏。一般在系统主板上装有ROM-BIOS，它是固化在ROM芯片中的系统引导程序，完成系统加电自检、引导和设置输入/输出接口的任务。 只读存储器分为以下几种：
139
固定只读存储器(ROM)：其内容由厂家生产时写入，用户不能改写；
可写入只读存储器(PROM)：其内容由用户事先写入，写入后不能再改写； 可改写只读存储器(EPROM)：其内容可用紫外线照射擦除，然后重新写入。 电擦除只读存储器(E2PROM)：其内容可用电擦除，然后重新写入。 140
(3) 高速缓冲存储器(Cache)。由于现在的CPU的速度越来越快，动态随机存取存储器的速度受到制造技术的限制，无法与CPU的速度同步，因而经常导致CPU不得不降低自己的速度来适应DRAM的速度。Cache的作用是缓解高速度的CPU与低速度的DRAM之间的矛盾，以提高整机的工作效率。其实现方法是将当前要执行的程序段和要处理的数据复制到Cache，CPU读写时，首先访问Cache。当Cache中有CPU所需的数据时，直接从Cache中读取； 141
如果没有，就从内存中读取，并把与该数据相关的部分内容复制到Cache，为下一次访问做好准备。
一般Cache分为两种：一种是CPU内部Cache，也称一级Cache，它集成在CPU芯片内，容量较小；另一种是CPU外部Cache，也称二级Cache，它放在系统主板上，容量比一级Cache大一个数量级，价格也便宜。目前一级Cache和二级Cache通常集成到CPU芯片中。为了进一步提高性能，还可以把Cache设置成三级。
142
2) 内存的性能指标
(1) 存储容量。通常以RAM的存储容量来表示微型计算机的内存容量，常用单位有KB、MB、GB等。
(2) 存取周期。内存的存取周期是指存储器进行两次连续、独立的操作(存数的写操作和取数的读操作)之间所需要的最短时间，以ns(纳秒)为单位。该值越小速度越快，常见的有7 ns、10 ns、60 ns等。存储器的存取周期是衡量主存储器工作速度的重要指标。 (3) 功耗。它能反映存储器耗电量的大小，也可反映发热程度。功耗小，对存储器的工作稳定有利。 143
4．系统主板
系统主板(Systemboard)又称主板或母板，用于连接计算机的多个部件。它安装在主机箱内，是微型计算机的最基本、最重要的部件之一。在微机系统中，CPU、RAM、存储设备和显示卡等部件都连接在主板上，主板性能和质量的好坏将直接影响整个系统的性能。
集成在主板上的主要部件有：系统扩展槽(总线)、芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片、电池、CPU插座、内存槽、Cache芯片、DIP开关、键盘插座及小线接脚等。目前新型的主板还集成了显卡、声卡、网卡及调制解调器等接口。其结构如图1.7所示。 144
键盘主存储器RAMROM键盘接口CPU硬盘接口软盘接口显示器接口打印机接硬盘软盘显示器打印机 PCI AG
CP
电
内
图1.7 主板的结构 145
主板的结构规范大体上有AT结构标准和ATX结构标准两种。AT结构标准是由IBM公司于1984年推出的IBM PC/AT结构标准演化而来的；而ATX结构标准是Intel公司提出的一种新的主板标准，充分考虑了CPU、RAM、长短卡的位置而设计出来的，可实现软关机和Modem远程遥控开关机等先进功能。 146
1) CPU插座与插槽
不同主板支持不同的CPU，其上的CPU插座(或插槽)也各不相同。 2) 内存插槽与内存条
在主板上，有专门用来安插内存条的插槽，叫做“系统内存插槽”。根据内存条的线数，可以把内存分为30线、72线、168线等；根据内存条的容量，可以把内存分为64 MB、128 MB、256 MB、512 MB等。用户可以根据自己主板上的内存插槽类型和个数，酌情增插内存条，以扩充计算机内存。目前常用的是168线内存条。 147
3) 扩展槽与扩展总线
在主板上有一系列的扩展槽，用于连接各种接口板。任何接口板插入扩展槽后，都可通过系统总线与CPU连接。扩展槽为个人电脑提供了功能扩展的接口。它可以连接声卡、显示卡等设备，并把它们的信号传给主板电路，同时，将主板的信号传递给外部设备。扩展槽相当于主板与外界交流的桥梁，为用户扩充和组装设备提供了便利。扩展槽的接口有ISA、PCI和AGP等多种。ISA接口用处不大，但仍不可缺少；PCI接口用途较广；
148
AGP是新兴的3D图形加速端口。扩展槽总线是主板与插到它上面的板卡的数据流通通道。有了总线，各板卡才能与主板建立联系，供计算机使用。扩展槽口中的金属线就是扩展总线，板卡插到扩展槽中时，其管脚的金属线与槽口的扩展总线相接触，就达到了信号互递的作用。扩展槽有ISA、EISA、VESA、PCI和AGP等多种类型，相应的扩展总线也分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种类型。 149
4) CMOS电路
CMOS是一块小型的RAM，具有工作电压低、耗电量少的特点。在CMOS中保存有存储器和外部设备的种类、规格及当前日期、时间等系统硬件配置和一些用户设定的参数，为系统的正常运行提供所需数据。若CMOS上记载的数据出错或数据丢失，则系统将无法正常工作。恢复CMOS参数的方法是：系统启动时按设置键(通常是 5) BIOS芯片 BIOS(Basic Input Output System)芯片是“基本输入输出系统”程序的专用存储芯片。它保存着计算机中基本输入/输出程序、系统信息设置、自检程序及引导操作系统等，为计算机提供最低级、最直接的硬件控制功能。在主板通电后，BIOS芯片负责对计算机的各系统部件进行自检，当一切正常时才开始启动操作系统。486以下微机的BIOS芯片出厂后无法修改，而586以上微机主板的BIOS芯片用户可自行修改。2003年，Intel公司启用了新的软件系统EFI(Extensible Firmware Interface，可扩展固件界面软件)来代替BIOS。 151 6) 主板芯片组 芯片组是主板最重要的部件，决定了主板的结构及CPU的使用，目前使用最多的是Intel系列主板芯片组。 7) 主板I/O接口电路 在386、486微机中，各种I/O接口电路一般不设置在主板上，而是通过多功能卡(简称AT卡)与外部设备连接。而在586以上微机的系统主板上则直接配置了各种I/O接口电路。 152 (1) 软盘驱动器接口电路。该接口电路通过34芯信号线连接到软盘驱动器上，在信号线连接驱动器一端有两个插头，端部插头用于连接A驱动器，中间端连接B驱动器。所连接的驱动器可为3.5英寸和5.25英寸两种。 (2) 硬盘驱动器接口电路。早期的硬盘驱动器接口电路使用过ST506/412、ESDI、IDE接口，目前计算机中使用最广泛的是EIDE接口。 153 (3) USB接口。USB即通用串行总线，是一种新型的接口总线标准。USB接口可以连接键盘、鼠标、数码相机及扫描仪等。USB接口为D型4针接口，2根为电源线，2根为信号线。USB接口主要有连接简单、支持热插拔和传输速率快等特点。 (4) 键盘、鼠标接口。PS/2键盘接口和鼠标接口通常为6针插座。 154 (5) 串行和并行接口。 串行接口：微机一般都配置有两个RS-232串行接口电路，用DB-25型或DB-9型的孔型插座与外部设备相连。串行接口连接的主要设备有鼠标、Modem、绘图仪等。另外，串行接口经常用在计算机之间通信或与其他设备通信。主板上的串行接口有时标注为COM1和COM2。 并行接口：用于连接打印机等设备。主板上的并行接口有时标识为LPT和PRN。许多主板为方便用户正确连接电缆，将接口的最后一根针去掉，形成不规则形状的插座。 155 并行接口一次可同时传送8个二进制位，而串行接口一次只能传送一个二进制位，因此，并行接口传输速度要比串行接口速度快得多，而串行接口传输的距离则更远。 (6) IDE接口。IDE称为集成设备电子部件，主要连接IDE硬盘和IDE光驱。现在主板上都留有两组IDE接口，分别标识为IDE1和IDE2。IDE1多用于连接系统引导硬盘，IDE2多用于接入光驱。 156 8) 跳线开关 跳线开关就是一组微型开关。它利用开关的通、断实现跳线的短路、开路功能。利用跳线开关，可扩大系统主板的通用性，如调整CPU的速度、总线的时钟、调整CPU的供电电压等。 157 5．外存储器 外存储器又称为辅助存储器，用来长期保存数据、信息。常用的外存储器有软盘、硬盘、光盘和近年来研制的闪盘、可移动硬盘等。 1) 软盘存储器 软盘存储器由软盘、软盘驱动器和软磁盘控制器组成。软盘驱动器是一个相对独立的装置，又称作软磁盘机或软磁盘子系统。软磁盘控制器则是插在主机总线槽中的接口板，完成主机与软盘驱动器之间数据的交换及控制。 158 (1) 软盘的发展。世界上第一台软磁盘机是1972年美国IBM公司的IBM3740数据录入系统，它是8英寸单面单密度软盘，容量只有256 KB。1976年，出现了5.25英寸软盘，20世纪80年代，出现了3.5英寸和2.5英寸微型软盘，容量达到1 MB以上。短短十几年时间，软盘就发展成为最主要的外存设备之一。 159 (2) 软盘的分类。按盘片的直径软盘可分为8英寸、5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸软盘；按面数可分为单面和双面软盘；按存储密度可分为单密度、双密度和高密度软盘。目前微机中常用的是3.5英寸双面高密度软盘。 (3) 软盘的结构。软盘由盘片和盘套组成。盘片与盘轴连接，上面有读写定位机构；在盘套上开设有读写窗口和写保护块。3.5英寸软盘的外观如图1.8所示。 160 读写 金窗口 属滑片 盘套 标签 写保图1.8 3.5英寸软盘的外观 161 盘套：由具有一定硬度的塑料或衬垫组成。它的作用是当盘片在盘套内旋转时，清除盘片上的灰尘和消除静电。 读写窗口：为使磁头与磁盘接触、对磁盘上的信息进行读写而在盘套上开出的窗口。 写保护块：用于保护磁盘上的重要信息。3.5英寸软盘的写保护块位于磁盘角的一个方孔处。当拨动滑块遮住方孔时，可对磁盘进行“读”或“写”；当拨动滑块露出方孔时，磁盘上的信息将只能“读”出，而不能“写”入其他信息，从而起到保护磁盘信息的作用。 162 磁盘内部的盘片以聚酯薄膜为基底，表面涂覆一层均匀的磁性材料。新盘在“格式化”之后，盘片的面将被划分成许多不同半径的同心圆，称为磁道(Track)，信息就记录在这些磁道上。磁道编号由0开始，自外向圆心排序。为便于读写，磁道又被径向划分为若干段，由于这些分区的物理形状呈扇形，所以称为扇区(Sector)。扇区编号由1 开始，自定位点顺时针旋转。3.5英寸软盘的内部结构如图1.9所示。 163 图1.9 3.5英寸软盘的内部结构 164 (4) 软盘的存储容量。一个软盘的存储容量可由下式计算： 护块 容量 = 面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数 其中每扇区字节数均为512字节。例如，常见的3.5英寸软盘(双面高密度)每面磁道数为80，每磁道扇区数为18，容量为1.44 MB。软盘的存取周期一般为300 ms。 165 (5) 使用软盘的注意事项： · 要远离较强的磁场，以免磁盘上的信息遭到破坏。 · 关闭系统电源之前，需从驱动器中取出盘片。磁头正在进行读写操作时，驱动器的指示灯就会亮起，这时绝不能取出或插入盘片。 · 平常保管磁盘时应注意防尘、防磁、防火并垂直放置。 · 不要触摸、刻划磁盘的裸露部分，更不要弯曲、折叠磁盘，以防盘片损坏。 · 软盘驱动器是比较容易出故障的部件，为此要用专用的清洗盘定期清洗磁头。 166 (6) 软盘驱动器的主要性能指标有道密度(磁道数/英寸)、位密度(数据位数/英寸)、平均存取时间、传输率等。 2) 硬盘存储器 (1) 硬盘的组成。硬盘盘片以金属为基底，表面涂有磁性材料，从而可以记录信息。一块完整的硬盘由磁性盘片、驱动盘片转动的驱动系统、读写系统以及控制系统四部分组成。应用最广的硬盘是温彻斯特式硬盘，它是在一个轴上平行安装若干个圆形磁盘片，它们同轴旋转。每片磁盘的表面都装有一个读写磁头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动。硬盘驱动器结构如图1.10所示。 167 磁道 扇区 硬盘片 读写磁头 图1.10 硬盘结构 168 每个盘片有两面，每面有一个读写磁头并被划分为若干个磁道。每个磁道又分成若干个扇区，每个扇区存放512字节，各盘面磁道号相同的磁道合称为一个柱面。因此，可用下式计算硬盘的容量： 容量 = 磁头数×柱面数×每磁道扇区数×每扇区字节数 169 硬盘是非常精密的设备，在高速旋转情况下，即使是非常微小的灰尘也能将盘片划伤，因此，通常都用金属外壳将盘片组和磁头密封起来。在运行时，盘片组在金属壳内高速旋转，电动机的转速有5400 r/min、7200 r/min、12000 r/min等多种。硬盘的容量从 早期的10 MB到现在的120 GB，硬盘的数据传输速率从早期的10 Mb/s到现在的80 Mb/s。硬盘盘片直径有1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸、5.25英寸4种，3.5英寸常用于台式机中。硬盘和软盘相比，容量大，速度快。目前市场上还出现了可移动硬盘。 170 (2) 使用硬盘的注意事项： · 不要频繁开关电源，供电电源应稳定。 · 未经授权的普通用户切勿进行“硬盘格式化”、“硬盘分区”及“硬盘高级格式化”等操作。 · 防止震动和碰撞。 · 防止病毒对硬盘数据的破坏，应注意对重要数据的备份。 171 (3) 硬盘的主要性能指标。 转速：单位是r/min，目前硬盘主轴电机的转速为5400～7200 r/min。 平均访问时间：指磁头从寻址开始到目标磁道的时间，单位是ms，硬盘的平均寻道时间为8～12 ms。数据传输率：指硬盘读写数据的速度，单位是MB/s。目前硬盘的最大外部传输率不低于16.6 MB/s。 172 3) 光盘存储器 (1) 光盘及其分类。光盘又称 CD(Compact Disc，压缩盘)，由于其存储容量大(600 MB～7.8 GB)、存储成本低、易保存，因此在微机中得到了广泛的应用。光盘存储器由光盘驱动器和盘片组成，其盘片(亦称为母盘)上敷以光敏材料，在激光照射时，分子排列发生变化，形成小坑点(亦称为光点)，以此记录二进制信息。常见的光盘驱动器有以下几种： 173 CD-ROM光驱。它可以读取CD盘和CD-ROM(只读型光盘)中的信息，其工作原理是利用激光束扫描光盘盘片，把盘片上的光电信息转换成数字信息并传给计算机。 DVD-ROM光驱。DVD(Digital Versatile Disc)又称数字化视频光盘，是CD-ROM的后继产品。其采用650 nm短波长的激光，单面单层容量为4.7 GB、双面双层容量为17 GB。盘片尺寸与CD-ROM相同，且在使用上兼容目前的音频CD和CD-ROM。DVD-ROM是近年来为适应人们对大容量、高性能的存储媒体的需求发展起来的，与CD-ROM的150 KB/s的传输率相比，DVD的传输率可以达到1350 KB/s，目前已经广泛应用于音频、视频领域。 174 刻录机。它能够对一次写入型光盘(包括CD-R和DVD±R)和可擦写型盘片(包括CD-RW和DVD±RW)一次性或重复地写入数据。其工作原理是用强激光束对光介质进行烧孔或起泡，从而产生凹凸不平的表面。它还可当作CD-ROM光驱和DVD-ROM光驱使用。 (2) 使用光盘的注意事项： · 保持盘面清洁，小心轻放，以免盘面划伤。 · 光盘在高速旋转状态中，不能按“弹出”按钮，以免损伤盘面。 175 (3) 光盘驱动器的主要性能指标。光盘驱动器(这里指CD-ROM驱动器)是接收 光盘视频、音频、文本等信息的必备部件，是多媒体计算机的重要组成部分。数据传输率(一秒内读取最大的数据量)是光盘驱动器最重要的性能指标，根据数据传输率可将光盘驱动器分为单倍速(150 KB/s)、8倍速、16倍速、24倍速、32倍速等，现在使用最多的是48倍速和52倍速光盘驱动器。 176 4) 闪盘 闪盘是可抽取式的硬盘，具有USB接头，只要将其插入任何个人计算机USB插槽，计算机即会检测到并把它视为另一个硬盘，又称优盘或闪存。目前常见的闪盘存储容量为64 MB和128 MB等，资料储存期限可达10年以上。闪盘按功能可分为无驱型、固化型、加密型、启动型和红外型等。 177 6．输入设备 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机及数字化仪等。 1) 键盘 (1) 键盘的功能。键盘是计算机最常用的输入设备，主要用于向计算机输入数据、文本、程序和命令。 (2) 键盘的组成。键盘由触位开关、检测电路与编码电路三部分组成，每个键对应一个触位开关。当用户按下某一个键时，检测电路发现开关闭合，编码电路根据开关的物理位置将其转换成相应的二进制码，再通过键盘接口传送给计算机。 178 (3) 键盘的分类。键盘按接触方式可分为机械式和电容式键盘。机械式键盘结构简单，成本低，但寿命短。电容式键盘无触点开关，内部由固定电极和活动电极组成电容器。目前常用的键盘是电容式键盘。 键盘按照键的多少可分为83键、101键、102键、104键和105键等。早期的键盘使用83键，目前常用的键盘是104键和105键，比以前的键盘多出几个Windows专用键。除此之外，还有一些其他类型的键盘，如无线键盘、多媒体键盘等。图1.11所示键盘为104键。 179 键盘按照键的接口可分为AT接口(大口插头)键盘和PS/2接口(6针小口插头)键盘。目前常用的是PS/2接口键盘。 (4) 键盘的使用。按照各类按键的功能和排列位置，可将键盘分为四区：打字机键区、功能键区、编辑键区和数字小键盘区，如图1.11所示。 打字机键区：与英文打字机键的排列次序相同，位于键盘中间，除了字符键外，又附加了一部分功能键，对双字符键可用 功 编辑 打字机 数字小 图1.11 键盘 181 功能键区：指的是 编辑键区：位于打字机键盘和数字小键盘之间，用于光标定位和编辑操作。 数字小键盘区：位于键盘右边，当输入大量数字时，用右手在数字小键盘上击键可大大提高输入速度，其中的双字符键具有数字键和编辑键的双重功能。单击数字锁定键 表1.1 常用键的功能 键 Esc Tab Caps Lock Shift 183 说 明 称为“释放键”，不同的应用程序对它有 不同的定义，在Windows环境下是取消前 称为“跳格键”，每单击一次，光标向右 称为“字母大写锁定键”，Caps Lock指示 灯亮，表示字母为大写状态，否则为小写状 称为“上挡控制键”，单独使用无意义。先按下Shift键不释放，再按下某个双字符 Ctrl Alt Space Backs Enter Ins Delete Home 184 185 (5) 养成良好的打字习惯，对打字速度和质量的提高都是非常重要的。 ① 打字姿势。我们总结为八字口诀——“直腰、弓手、立指、弹键”。其中，“直腰”是指身体坐直，手腕平直，打字的全部动作都在手指上；“弓手”是指手指弯曲，手型呈勺状；“立指”是指手指尖垂直向键位用力，瞬间完成，并立即反弹回去；“弹键”是指击打键的力度应适中。 186 ② 指法。这里的指法是指把打字机键区中的键位合理地分配给双手各手指。每个手指负责按固定的几个键位，使之分工明确，各司其职。正确的指法不但能提高输入的速度和质量，同时还是实现“盲打”的基础，即操作时两眼看着书面材料或屏幕，不看键位。如图1.12所示，左手的食指负责“4、R、F、V”和“5、T、G、B”两列；左手的中指负责“3、E、D、C”一列；左手的无名指负责“2、W、S、X”一列；左手的小指负责“1、Q、A、Z”一列及其他一些罕用的键。右手完全类似，两个大拇指负责一个空格键。 187 图1.12 基本键位和指法 188 ③ 基本键位。基本键位是指双手不击键时应保持在一定的位置：左手的小指、 无名指、中指和食指应依次轻轻放在“A、S、D、F”键上；右手的食指、中指、无名指和小指应依次轻轻放在“J、K、L、；”键上；双手的拇指轻轻放在空格键上。这是我们输入时的“根据地”，如图1.12所示。当击键时，手指均从基本键位伸出，击键完毕，手指立即回到此键位。久而久之，每个键位相对于基本键位的位置、距离就会非常熟悉，击键的准确性和速度自然而然地就提高了。 189 2) 鼠标器 鼠标器是一种屏幕标定装置，在图形处理软件的支持下，其在屏幕上进行图形处理比键盘方便得多。 190 图1.13 有线鼠标器 191 (1) 鼠标器的分类。鼠标器分为有线鼠标器和无线鼠标器。 常见的有线鼠标器有两种：机械式和光电式。无线鼠标器也有两种：红外线型和无线电波型。目前常用的鼠标器是机械式和光电式。图1.13所示为有线鼠标器。 机械式鼠标下面有一个可以滚动的小球，当鼠标在桌面上移动时，小球与桌面发生摩擦，产生移动。此时屏幕上的光标随着鼠标的移动而移动，光标和鼠标的移动方向是一致的，而且与移动的距离成正比。这种鼠标故障率高，但价格便宜。 192 光电式鼠标的下面是两个平行的小光源，它只能在特定的反射板上使用，光源发出的光经反射后，再由鼠标接收，并转换为移动信号送入计算机，使屏幕上的光标随鼠标的移动而移动。 193 (2) 鼠标器的主要技术指标。 分辨率：以DPI为单位，即每英寸有多少个点。分辨率越高，越便于控制。 轨迹速度：反映鼠标的移动灵敏度，以mm/s为单位。 通信标准：有MS(Microsoft)鼠标和PC鼠标两种。MS鼠标使用左、右两个键；PC鼠标使用左、中、右三个键。现在多数鼠标器都与这两个通信标准兼容，通常在鼠标器底部设有一个切换开关，扳动即可转换。 194 (3) 鼠标器的用法。 单击：选择目标后，单击鼠标左键，然后释放。 双击：选择目标后，连续两次单击。 右击：选择目标后，单击鼠标右键，然后释放。 拖动：选择目标后，按住鼠标左键不释放，移动光标到达新位置后再释放。 右拖：选择目标后，按住鼠标右键不释放，移动光标到达新位置后再释放。 指向：将光标移动到某一目标上(不击键)。 195 3) 扫描仪(Canner) 扫描仪是一种输入图形和图像的设备，由电荷耦合器件组成。 扫描仪按其工作原理可分为线阵列和面阵列两种，普遍使用的是线阵列电子扫描仪；按其扫描方式可分为平面式和手持式两种；按其灰度和色彩可分为二值化扫描仪、灰度扫描仪和彩色扫描仪。 4) 手写板 手写板不仅可以通过手写输入中文，还可以代替鼠标进行操作。 196 5) 摄像头 摄像头属于多媒体输入设备，可以把各种影像输入到计算机中进行处理和保存。 197 7．输出设备 常用的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等。 1) 显示器 (1) 显示器的功能。显示器是操作电脑时传递各种信息的窗口。它能以数字、字符、图形、图像等形式，显示各种设备的状态和运行结果，编辑各种文件、程序和图形，从而建立起计算机和操作员之间的联系。 198 (2) 显示器的分类。 显示器按显示颜色分为单色显示器和彩色显示器。现在几乎都使用彩色显示器。 显示器按显示器件分为阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管显示器(LED)和等离子体显示器(PDP)等。CRT用于台式机，使用最多；平板型显示器多用于笔记本计算机，以LCD较普遍。 199 (3) 显示器的显示方式。显示器的显示方式分为字符显示方式和图形显示方式两种。 在字符显示方式下，计算机首先把显示字符的代码(ASCII码或汉字代码)送入主存储器中的显示缓冲区，再由显示缓冲区送往字符发生器(ROM构成)，将字符代码转换成字符的点阵图形，最后通过视频电路送给显示器显示。这种方式只需较小的显示缓冲区就可工作，而且控制简单，显示速度快。 200 图形显示方式是直接将显示字符或图像的点阵(不是字符代码)送往显示缓冲区，再由显示缓冲区通过视频控制电路送给显示器显示。这种显示方式要求显示缓冲区很大，但可以直接对屏幕上的“点”进行操作。 (4) 主要技术参数和概念。 屏幕尺寸：指矩形屏幕的对角线长度，以英寸(\")为单位，反映显示屏幕的大小。 现在通常使用17 \"的显示器。纵横比：指屏幕高度与宽度的比例，通常为3∶4。 201 点距：彩色显示器由红、蓝、绿三个电子枪组合在一起显示彩色，它决定像素的大小及能够达到的最高显示分辨率。现有的点距规格有0.20、0.25、0.28、0.31等，显然点距越小越好。 像素：指屏幕上能被独立控制其颜色和亮度的最小区域，即荧光点，是显示画面的最小组成单位。 显示分辨率：指屏幕像素的点阵，通常写成(水平点数)×(垂直点数)的形式。目前有640×480、800×600、1024×768等许多规格。它取决于垂直方向和水平方向扫描线的线数，而这又与选择的显示卡类型有关。 202 刷新频率：屏幕上的像素点经过一遍扫描(每行自左向右、行间自上向下)之后，便得到一帧画面，每秒内屏幕画面更新的次数，称为刷新频率。刷新频率越高，画面闪烁越小，通常是75～200 Hz。 灰度和颜色：灰度指像素点亮度的差别，常用二进制数进行编码，位数越多，级数越多；灰度编码使用彩色显示方式时，则代表颜色。 数模转换速度：表示数模转换器将数字图像数据转换为显示器模拟信号的速度，用MHz表示。显示分辨率越高，更新画面越快，则要求生成和显示像素的速度也越快。例如：在1024×768的分辨率、75 Hz的刷新频率下，要求DAC速度至少达到80 MHz。 203 2) 显示卡 显示卡也称为显示适配器或显卡，是连接CPU与显示器的接口电路，负责把需要显示的图像数据转换成视频信号，控制显示器的显示。显示卡由寄存器、显示存储器和控制电路三部分组成。显示存储器用来暂存显示卡芯片所处理的数据。 显示卡的型号有VGA(视频图形阵列显示卡)、SVGA(增强型VGA显示卡)、XVGA(加速VGA显示卡)等。显示卡最基本的三项指标是分辨率、色深和刷新频率。分辨率代表显示卡在显示器屏幕上所能描绘的像素点的数量； 204 色深也称为颜色数，是指显示卡在当前分辨率下能同屏显示的色彩数量，以多少色或多少位(Bit)色来表示，例如256色；刷新频率是指图像在显示器屏幕上更新的速度，单位是“赫兹”(Hz)。目前大部分流行的显示卡都能在800×600分辨率下达到85 Hz的刷新频率。刷新频率越高，屏幕上图像的闪烁感越小，视觉效果越好。以上三项指标越高，要求的显示内存越大。 205 3) 打印机 打印机也是重要的输出设备之一，它将计算机的中间结果或运行结果等打印在纸上。打印机按工作方式可分为击打式和非击打式两种。击打式打印机中最常见的是点阵式打印机，非击打式打印机有喷墨印字机和激光印字机两类。 206 (1) 点阵式打印机。点阵式打印机由走纸机构、打印头、色带和控制电路组成。打印机接收到通过并行端口传送过来的控制信号，使打印头中的部分针头击打色带，在打印 纸上产生由点阵构成的字符。点阵式打印机噪声大、速度慢、打印字符质量差，但价格便宜，对纸张要求不高。常见的点阵式打印机有Epson LQ-1600K、Star CR3240等。 (2) 激光印字机。激光印字机是一种非击打式打印机。它通过激光感光原理印字，速度快，分辨率高，质量好，无击打噪声。常见的激光印字机有HP Laser Jet系列和Canon Laser Jet系列等。 207 (3) 喷墨印字机。喷墨印字机是将墨水通过精细的喷头喷射到纸上以产生字符或图形。它印字速度较快，分辨率较高，无击打噪声。常用的喷墨印字机有Canon BJC-4300、HP Ddek Jet 1120C等。 208 4) 绘图仪 绘图仪在绘图软件的支持下可绘制出复杂、精确、漂亮的图形，主要用于工程设计(CAD)、轻印刷和广告制作。目前比较流行的有笔式和喷墨式绘图仪两种。绘图仪的性能指标主要有绘图笔数、图纸尺寸、分辨率、灰度、色度以及接口形式等。彩色绘图仪由四种基本颜色组成，即红、蓝、黄、黑，通过自动调和，可形成不同的色彩。一般而言，分辨率越高，绘制出的灰度越均匀，色调越柔和。 209 1.3.2 微型计算机的分类与主要特性 1．微型计算机的分类 微型计算机按不同的分类标准有不同的类型。 (1) 微型计算机按不同的字长可分为8位机、16位机、32位机和64位机等。 (2) 微型计算机按CPU的型号可分为286机、386机、486机和Pentium 机等。 (3) 微型计算机按结构分为单片机、单板机和多板机。 210 单片机是把微机处理器、存储器、输入/输出接口都集成在一块集成电路芯片上，它的特点是体积小、输入/输出接口简单，但存储量小，功能较少。 单板机是将计算机的各个部分都组装在一块印制电路板上。 多板机是由多个功能不同的电路板组成的计算机，目前的微机都属于多板机。单片机和单板机主要用于设备和仪器仪表的控制部件或用于生产过程控制。 211 2．微型计算机的主要性能指标 1) 字长 字长是CPU的主要参数，字长越长，可以表示的有效位数就越多，运算精度就越高，能支持功能的指令就越强。因此，计算机的处理能力越强，计算机的数据处理速度就越快。微机的字长一般为32位和64位。 212 2) 运算速度 计算机的运算速度指每秒所能执行的指令数。由于不同类型的指令所需时间不同，因此，运算速度有不同的运算方法。现在多用各种指令的平均执行时间及相应指令的运行比例来综合计算运算速度，即用加权平均法求出等效速度。其单位为MIPS(百万条指令/ 秒)。 3) 主频和外频 主频越高，CPU的运算速度就越快。外频由电脑主板提供，直接影响CPU与内存之间的数据交换速度。人们通常把微机的类型与主频标注在一起，例如，P4/2.4G，表示CPU芯片的类型为P4，主频为2.4 GHz。 213 4) 内存容量 内存容量是指随机存储器RAM存储容量的大小，它决定了可运行程序的大小和程序运行的效率。内存越大，则主机外设交换数据所需要的时间越少，因而运行速度越快。 5) 硬盘容量 硬盘容量反映了微机存取数据的能力。 除了以上主要指标外，还可用存取周期、系统的兼容性、可靠性、可维护性、可用性及性能价格比等因素来衡量计算机的性能。 214 1.4 信息的表示与编码 计算机能够处理的信息除了数字信息外，还能识别和处理非数字信息，如字母、文字等。由于计算机内部只能使用二进制数，因此为表示这些数据，必须使用二进制编码形式。本节介绍信息的不同编码及其表示方法。 215 1.4.1 计算机中的数 计算机内部为什么要用二进制表示信息呢？原因有四点： (1) 电路简单。计算机是由逻辑电路组成的，逻辑电路通常只有两个状态。例如，电流的“通”和“断”，电压电平的“高”和“低”等。这两种状态正好表示成二进数的两个数码0和1。 (2) 工作可靠。两个状态代表的两个数码在数字传输和处理中不容易出错，因此电路更加可靠。 216 (3) 简化运算。二进制运算法则简单。 (4) 逻辑性强。计算机的工作是建立在逻辑运算基础上的，二进制只有两个数码，正好代表逻辑代数中的“真”和“假”。 因此，数字式电子计算机内部处理数字、字符、声音及图像等信息时，是与以0和1组成的二进制数的某种编码形式相对应的。 217 1．数制的有关概念 数制是人们利用符号来记数的科学方法。数制可以有很多种，但在计算机的设计和使用中，通常引入二进制、十进制、八进制和十六进制。 下面介绍进位计数制的有关概念(参照日常生活中广泛使用的十进制数)： (1) 0～9这些数字符号称为数码。 (2) 数制中所使用的数码的个数称为基数，如十进制数的基数是10。 218 (3) 数制每一位所具有的值称为权，如十进制各位的权是以10为底的幂。例如，680 326这个数，从右到左各位的权为个、十、百、千、万、十万，即以10为底的0次幂、1次幂、2次幂等。为了简便，也可以顺次称其各位为0权位、1权位、2权位等。 (4) 用“逢基数进位”的原则进行计数，称为进位计数制。如十进制数的基数是10，所以其计数原则是“逢十进一”。 (5) 位权与基数的关系是：位权的值等于基数的若干次幂。 219 例如，十进制数4567.123可以展开成下面的多项式： 4567.123 = 4×103+5×102+6×101+7×100+1×10-1 +2×10-2+3×10-3 式中：103、102、101、100、10-1、10-2、10-3为该位的位权，每一位上的数码与该位权的乘积，就是该位的数值。 220 (6) 任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和，其一般形式为： N=dn-1bn-1+dn-2bn-2+dn-3bn-3+„+d1b1+d0b0 +d-1b-1+„+d-mb-m 221 式中： n -- 整数部分的总位数； m —— 小数部分的总位数； d下标 —— 该位的数码； b —— 基数。如二进制数 b=2，十进制数b=10，十六进制数b=16等； b上标 —— 位权。 222 2．常用计数制的表示方法 (1) 常用计数制的比较见表1.2。 表1.2 常用计数制的比较 进 二进八进十进十六 数 码 基2 8 11 位2811 计数逢二逢八逢十逢十 01 01234567 0123456789 0123456789ABC 223 (2) 常用计数制的对应关系(见表1.3)。 表1.3 常用计数制的对应关系 十进制 数 二进制 数 0000 八进制 数 十六进 制数 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1 2 3 4 5 6 7 224 (3) 常用计数制的书写规则。在应用不同进制的数时，常采用以下两种方法进行标识。 ① 采用字母后缀： B(Binary) —— 表示二进制数。二进制数101可写成101B。 O(Octonary) —— 表示八进制数。八进制数101可写成101O。 D(Decimal) —— 表示十进制数。十进制数101可写成101D；一般情况下，十进制数后的D可以省略，即无后缀的数字默认为十进制数。 H(Hexadecimal)—— 表示十六进制数。十六进制数101可写成101H。 225 ② 采用括号外面加下标。例如： (1011)2 —— 表示二进制数1011。 (1617)8 —— 表示八进制数1617。 (9981)10 —— 表示十进制数9981。 (A9E6)16 —— 表示十六进制数A9E6。 226 3．不同进制数之间的转换 (1) r进制数与十进制数之间的转换。 ① 将r进制数转换为十进制数。r进制数转换为十进制数使用“位权展开式求和”的方法。 例如，将二进制数1101.011转换为十进制数： 1101.011B =1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+ 1×2-2+1×23=13.375D 227 ② 将十进制数转换为r进制数。十进制数转换为r进制数的方法如下： 整数部分除以r取余，直到商为0，然后余数从右向左排列(即先得到的余数为低位，后得到的余数为高位)；小数部分乘以r取整，然后所得的整数从左向右排列(即先得到的整数为高位，后得到的整数为低位)，并取有效精度。 例如，将十进制数13.25转换为二进制数。 228 先将整数部分13转换为二进制数： 2 13 „„„„ 余数为1，即a0=1 2 6 „„„„ 余数为0，即a1=0 2 3 „„„„ 余数为1，即a2=1 2 1 „„„„ 余数为1，即a3=1 0 229 再将小数部分0.25转换为二进制数： 0.25 ×) 2 0.50 整数为0，即a-1=0 0.50 ×) 2 1.00 整数为1，即a-2=1 最后转换结果：13.25D=1101.01B。 230 (2) 二进制、八进制、十六进制之间的转换。 因为8=23，16=24，所以八进制数相当于三位二进制数，十六进制数相当于四位二进制数。 ① 二进制数转换为八进制数或十六进制数。 方法：以小数点为界向左和向右划分，小数点左边(整数部分)每三位或每四位一组构成一位八进制数或十六进制数，位数不足三位或四位时最左边补“0”；小数点右边(小数部分)每三位或每四位一组构成一位八进制数或十六进制数，位数不足三位或四位时最右边补“0”。 231 例如，将二进制数10111011.0110001011 转换为八进制数： 010 111 011.011 000 101 100 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 2 7 3 . 3 0 5 4 10111011.0110001011B=273.3054O 232 ② 八进制数或十六进制数转换为二进制数。 方法：只需把一位八进制数用三个二进制数表示，把一位十六进制数用四个二进制数表示。 例如，将八进制数135.361转换为二进制数: 1 3 5 . 3 6 1 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 001 011 101 . 011 110 001 135.361O= 001011101.011110001B = 1011101.011110001B 233 4．进制数在计算机中的表示 数以正负号数码化的方式存储在计算机中，称为机器数。机器数通常以二进制数码0、1的形式保存在有记忆功能的电子器件——触发器中。每个触发器记忆一位二进制代码，所以n位二进制数将占用n个触发器，将这些触发器排列组合在一起，就成为寄存器。一台计算机的“字长”取决于寄存器的位数。目前常用的寄存器有8位、16位、32位及64位等。 要全面完整地表示一个机器数，应考虑三个因素：机器数的范围、机器数的符号和机器数中小数点的位置。 234 (1) 机器数的范围。机器数的范围由硬件决定。当使用16位寄存器时，字长为16位，所以一个无符号整数的最大值是：1111111111111111B=(216-1)D=65535D。 (2) 机器数的符号。二进制数与我们通常使用的十进数一样也有正负之分，为了在计算机中正确表示有符号数，通常规定寄存器中最高位为符号位，并用0表示正，用1表示负。在一个8位字长的计算机中，正数和负数的格式分别如图1.14和图1.15所示。 235 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图1.14 正数 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 图1.15 负数 236 最高位D7为符号位，D6～D0为数值位。这种把符号数字化，并和数值位一起 编码的方法，很好地解决了带符号数的表示方法及其计算问题。常用的有原码、反码和补码三种编码方法。 ① 原码。编码规则：符号位用0表示正，用1表示负，数值部分不变。 例如，写出N1= +1010110、N2= -1010110的原码。 [N1]原=01010110 [N2]原=11010110 237 ② 反码。编码规则：正数的反码与原码相同；负数的反码是将符号位用1表示，数值部分按位取反。 例如，写出N1= +1010110、N2= -1010110的反码。 [N1]反=01010110 [N2]反=10101001 ③ 补码。编码规则：正数的补码与原码相同；负数的补码是将符号位用1表示，数值部分先按位取反，然后末位加1。 例如，写出N1= +1010110、N2= -1010110的补码。 [N1]补=01010110 [N2]补=10101010 238 (3) 机器数中小数点的位置。计算机中的数据有定点数和浮点数两种表示方法，这是由于在计算机内部难以表示小数点的缘故。因此小数点的位置是隐含的，隐含的小数点位置可以是固定的，也可以是浮动的，前者表示形式称为“定点数”，后者表示形式称为“浮点数”。 ① 定点数。定点数是指小数点固定在某个位置上的数据，一般有小数和整数两种表现形式。定点整数是把小数点固定在数据数值部分的右边，如图1.16所示。定点小数是把小数点固定在数据数值部分的左边、符号位的右边，如图1.17所示。 239 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 数值部分 符号位 小数点位置 图1.16 机器内的定点整数 240 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 数值部分 符号位 小数点位置 图1.17 机器内的定点小数 241 例如，设机器的定点数长度为两个字节，用定点整数表示313D。 因为313D = 100111001B，故机器内表示形式如图1.16所示。 例如，用定点小数表示 -0.8125D。 因为 -0.8125D = -0.110100000000000B，故机器内的表示形式如图1.17所示。 242 ② 浮点数。现在将十进制数68.38、-6.838、0.6838、-0.068 38用指数形式表示，它们分别为：0.6838×102、-0.6838×101、0.6838×100、 -0.6838×10-1。 我们可以用一个纯小数(称为尾数，有正、负)与10的整数次幂(称为阶码，有正、负)的乘积形式来表示一个数，这就是浮点数的表示法。同理，一个二进制数N也可以表示为： N=±S×2±P 243 阶 符 阶 码P 数 符 尾 数S 图1.18 浮点的存放方式 244 图1.18 浮点的存放方式 245 注意：在浮点表示法中，尾数的符号和阶码的符号各占一位；阶码是定点整数，阶码的位数决定了所表示的数的范围；尾数是定点小数，尾数的位数决定了数的精度。在不同字长的计算机中，浮点数所占的字节不同。 246 1.4.2 计算机常用编码 1．十进制数的二进制编码 计算机中使用的是二进制数，人们习惯的是十进制数。因此，输入到计算机中去的十进制数，需要转换成二进制数；数据输出时，又需将二进制数转换成十进制数。这个转换工作，是通过标准子程序实现的。两种进制数间的转换依据是数的编码。 用二进制数码来表示十进制数，称为“二—十进制编码”，简称BCD(Binary-Coded Decimal)码。 247 因为十进制数有0～9这10个数码，显然需要4位二进制数码以不同的状态分 别表示它们，而4位二进制数码可编码组合成16种不同的状态。因此，选择其中的10种状态作为BCD码的方案有许多种，这里只介绍常用的8421码，见表1.4。 248 表1.4 8421编码表 十进制数 0 1 2 3 4 8421编码 0000 0001 0010 0011 0100 十进制数 8 9 10 11 12 8421编码 1000 1001 0001 0000 0001 249 从表中可以看到，这种编码是有权码。若按权求和，和数就等于该代码所对应的十进制数。例如，0110=22+21=6。这就是说，编码中的每位仍然保留着一般二进制数所具有的位权，而且4位代码从左到右的位权依次是8、4、2、1。8421码就是因此而命名的。例如十进制数63，用8421码表示为0110 0011。 250 2．字符编码 字符是计算机中使用最多的信息形式之一，也是人与计算机通信的重要媒介。因此在计算机内部，要为每个字符指定由一串二进制位“0”和“1”组合而成的编码，作为识别与使用这些字符的依据。 国际上使用的字符信息表示系统有很多种，现在国际上广泛采用美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange)，简称ASCII码。它选用了常用的128个符号，其中包括32个控制字符、10个十进制数码、52个英文大写和小写字母及34个专用符号。 251 128个字符分别由128个二进制数码串表示。目前广泛采用键盘输入方式实现人与计算机间的通讯。当键盘提供输入字符时，编码电路给出与字符相应的二进制数码串，然后送交计算机处理。计算机输出处理结果时，则把二进制数码串按同一标准转换成字符。 ASCII码由7位二进制数对它们进行编码，即用0000000～1111111共128种不同的数码串分别表示128个字符(见表1.5)。因为计算机的基本存储单位是字节(byte)，一个字节含8个二进制位(bit)，所以ASCII码的机内码要在最高位补一个“0”，以便用一个字节表示一个字符。 252 例如，分别用二进制数和十六进制数写出“good!”的ASCII码。 二进制数表示： 01100111B 01101111B 01101111B 01100100B 00100001B 十六进制数表示：67H 6FH 6FH 64H 21H 253 表1.5 ASCII 码 0000 000 空白 转 001 义 P 0S 0 1 1 1 1p q r s t u 0 1 2 3 4 5 @ A B C D E P Q R S T U 、 a b c d e 0001 (NUL) 0010 序始 (DLE) ! 〞 # $ 0011 (SOH) 0100 文始 机控 1(DC1) 0101 (STX) 机控 254 3．汉字编码 计算机处理汉字信息的前提条件是对每个汉字进行编码，称汉字编码。归纳起来可分为以下四类：汉字输入码、汉字交换码、汉字内码和汉字字形码。 四种编码之间的逻辑关系如图1.19所示，即通过汉字输入码将汉字信息输入到计算机内部，再用汉字交换码和汉字内码对汉字信息进行加工、转换、处理，最后使用汉字字形码将汉字从显示器上显示出来或用打印机打印出来。 255 图1.19 四种汉字编码之间的逻辑关系 256 1) 汉字输入码 汉字输入码是为从计算机外部输入汉字而编制的汉字编码，也称汉字外部码，简称外码。到目前为止，国内外提出的编码方法有百种之多，每种方法都有自己的特点，可归并为下列几种： (1) 顺序码。这是一种使用历史较长的编码方法，是用4位十六进制数或4位十进制数编成一组代码，每组代码表示一个汉字。编码可以按照汉字出现的概率的大小顺 序进行编码，也可根据汉字的读音顺序进行编码。这种代码不易记忆，不易操作。例如区位码和邮电码等。 257 (2) 音码。这种编码方法根据汉字的读音进行编码。输入时可在通用键盘上像输入西文一样进行，但同音异字、发音不准或不知道发音的字难以处理。例如微软拼音输入法和智能ABC输入法等。 (3) 形码。这种编码方法是根据汉字的字形进行编码，将汉字分解成若干基本元素(即字元)，然后给每个字元确定一个代码，并按字元位置(左右、上下、内外)顺序将其代码排列，就可以构成汉字的代码。例如五笔字型、表形码和郑码等。 258 (4) 音形码。这种编码方法是综合了字形和字音两方面的信息而设计的。例如全息码和五十字元等。 为提高输入速度，输入方法逐步智能化是目前的发展趋势。例如，基于模式识别的语音识别输入、手写板输入或扫描输入等。 259 2) 汉字交换码 汉字交换码是指在不同汉字信息系统之间进行汉字交换时所使用的编码。我国1981年制定的“中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码”(代号GB 2312－80)中规定的汉字交换码为标准汉字编码，简称GB2312－80编码或国标码。 国标码中共收录了7445个汉字和字符符号。其中一级常用汉字3755个，二级非常用汉字和偏旁部首3008个，字符符号682个。在这个汉字字符集中，汉字是按使用频度进行选择的，其中包含的6763个汉字使用覆盖率达到了99%。 260 一个国标码由两个七位二进制编码表示，占两个字节，每个字节最高位补0。例如，汉字“大”的国标码为3473H，即00110100 01110011。 为了方便编码，将国标码中的汉字和字符符号分成94个区，每个区又分成94个位，这样，汉字和字符符号就排列在这94×94个编码位置组成的代码表中。每个字符用两个字节表示，第一个字节代表区码，第二个字节代表位码，由区码和位码构成了区位码。因此，国标码和区位码是一一对应的：区位码是十进制表示的国标码，国标码是十六进制表示的区位码。 261 3) 汉字内码 汉字内码是汉字在信息处理系统内部最基本的表现形式，是信息处理系统内部存储、处理、传输汉字而使用的编码，简称内码。 前面讲过，一个国标码占两个字节，每个字节最高位补0，而ASCII码的机内码也是在最高位补一个“0”，以便用一个字节表示一个字符。因此，为了在计算机内部能够区分是汉字编码还是ASCII码，可将国标码的每个字节的最高位由“0”变为“1”，变换后的国标码称汉字机内码。例如，汉字“大”的机内码为10110100 11110011。也由此可知，汉字机内码的每个字节都大于128，而每个西文字符的ASCII码值均小于128。 262 4) 汉字字形码 汉字字形码是表示汉字字形信息的编码，在显示或打印时使用。目前，汉字字形码通常有两种表示方式：点阵方式和矢量方式。 (1) 点阵方式。此方式是将汉字字形码用汉字字形点阵的代码表示，所有汉字字形码的集合就构成了汉字库。经常使用的汉字库有16×16点阵、24×24点阵、32×32点阵和 263 48×48点阵，一般16×16点阵汉字库用于显示，而其他点阵汉字库则多在打印输出时使用。如图1.20所示的点阵及代码是以“大”字为例，点阵中的每一个点都由“0”或“1”组成，一般用1代表“黑色”，用0代表“白色”。 264 图1.20 字形点阵及代码 265 在汉字库中，每个汉字所占用的存储空间与汉字书写简单或复杂无关，每个点阵块分割的粗细决定了每个汉字占用空间的大小。点阵越大，占用的磁盘空间就越大，输出的字形越清晰美观，如16×16点阵的一个汉字约占256 KB。对于不同的字体应使用不同的字库。 266 (2) 矢量方式。在汉字字形码中，打印输出时也经常使用矢量方式。它存储的是汉字字形的轮廓特征，它通过计算机的计算，由汉字字形描述生成所需大小和形状的汉字点阵。Windows中使用的TrueType技术就是汉字矢量方式。 点阵和矢量方式的区别是：前者编码和存储方式简单，无需转换直接输出；后者正好相反，字形放大时效果也很好，且同一字体不同的点阵不需要不同的字库。另外，计算机中图像和声音等多媒体信息也是数字化的，我们将在下节中讲述。 267 1.5 多 媒 体 技 术 1.5.1 多媒体技术的基本概念 人类传送信息，是通过各种信号来实现的。信号是传送信息的载体。例如，通过声音和语音信号刺激人的听觉器官来得到各种信息，再进一步，通过视频图像信号，尤其是动态视频图像信号，由人的视觉来得到更生动更真实的信息。 268 当然，仅有图像是不够的，还必须配合以声音、文字等多种形式的信号。人类通过感官，用多种形式的信号交换信息，这便是我们所要讨论的多媒体技术。多媒体技术把视听信息传播能力与计算机交互控制功能相结合，创造出集图、文、声于一体的新型信息处理模型。 269 1．媒体的概念及其分类 媒体(Medium)也称为媒质或媒介，它是表示和传播信息的载体。其在不同的领域有不同的说法，仅在计算机领域就有几种含义： (1) 存储信息的媒体：如磁带、磁盘、光盘等。 (2) 传播信息的媒体：如电缆、电磁波等。 (3) 表示信息的媒体：如数值、文字、声音、图形、图像及视频等。 270 表示信息的媒体又可以进行如下的分类： ① 感觉媒体(Preception Medium)。直接作用于人的感官，产生感觉(视、听、嗅、味、触觉)的媒体称为感觉媒体。例如语言、音乐、音响、图形、动画、数据、文字、文件等都是感觉媒体。 ② 表示媒体(Presentation Medium)。为了对感觉媒体进行有效的传输，以便于进行加工和处理，而人为地构造出的一种媒体称为表示媒体。例如语言编码，静止和活动图像编码以及文本编码等都称为表示媒体。 271 ③ 显示媒体(Display Medium)。显示媒体是显示感觉媒体的设备。显示媒体又分为两类：一类是输入显示媒体，例如话筒，摄像机、光笔以及键盘等；另一种为输出显示媒体，例如扬声器、显示器以及打印机等。 272 2．多媒体的概念及其特性 1) 多媒体的概念 多媒体的“多”是指多感官作用、多种仪器设备、多学科交汇和多领域应用；“媒”是指人们与客观世界的中介；“体”是指综合集成一体化，包括多种信息及其关系的码流一体化、设备控制一体化，并具有实时交互控制环境的功能。因此，多媒体可理解为：一种以交互方式将文字、声音、图形、视频等多种媒体信息和计算机技术集成到一个数字环境中，并能扩展利用这种组合技术的新应用。多媒体技术就是对多种媒体上的信息进行处理和加工的技术。 273 2) 多媒体的信息 多媒体的信息主要包括： (1) 文本(Text)：包括数字、字母、符号和汉字。 (2) 声音(Audio)：包括语音、歌曲、音乐和各种声音。 (3) 图形(Graphics)：由点、线、面、体组合而成的几何图形。 (4) 图像(Image)：主要指静态图像，例如照片、画片等。 (5) 视频(Video)：指录像、电视、视频光盘(VCD)等播放的连续动态图像。 274 (6) 动画(Animation)：由多幅静态画片组合而成，它们在形体动作方面有连续性，从而产生动态效果。包括二维动画(2D、平面效果)和三维动画(3D、立体效果)。 275 3) 多媒体技术的主要特征 多媒体技术具有如下主要特征： (1) 多样性。多媒体技术把声音、动画、图形、图像等多种多样的表示形式引入计算机，使人们可以通过多种方式与计算机交流。 (2) 数字化。多媒体技术是“全数字”技术，各种信息媒体都是以数字形式生成、存储、处理和传送的。 276 (3) 集成性。集成性是将多种媒体有机地组织在一起，共同表达一个完整的事物，做到图、文、声、像一体化。 (4) 交互性。交互性是指人机交互，它除了制作与播放之外，还可通过与计算机的“对话”进行人工干预。例如在播放多媒体节目时，随时可以进行调整和改变。 (5) 实时性。对于需要实时处理的信息，多媒体计算机能及时处理。例如新闻报导、视频会议等，可通过多媒体计算机网络及时采集、处理和传送。 277 3．多媒体处理的关键技术 多媒体技术就是对多种载体(媒介)上的信息和多种存储体(媒质)上的信息进行处理的技术，包括多媒体的录入、压缩、存储、变换、传送、播放等。多媒体技术是基于计算机技术的综合技术。多媒体技术实际是面向三维图形、立体声和彩色全屏幕画面的“实时处理”技术。实现实时处理的技术关键是如何解决好视频、音频信号的采集、传输和存储问题；其核心则是“视频、音频的数字化”和“数据的压缩与解压缩”。此外，在应用多媒体信息时，其表达方法也不同于单一的文本信息，而是采用超文本和超媒体技术。 278 1) 视频、音频的数字化 它是将原始的视频、音频“模拟信号”转换为便于计算机进行处理的“数字符号”，然后再与文字等其他媒体信息进行叠加，从而构成多种媒体信息的组合 。 2) 数据的压缩与解压缩 (1) 数据压缩的目的。数字化后的视频、音频信号的数据量非常之大，如不进行合理压缩，则根本就无法传输和存储。例如，一帧中等分辨率的彩色数字视频图像的数据量约7.37 Mb(兆位)，100 MB的硬盘空间只能存储100帧，若按25帧/秒的标准(PAL制式)传送，则要求184 Mb/s的传送速率。 279 对于音频信号，若取采样频率44.1 kHz，采样数字数据为16 bit(比特)，双通道立体声，此时100 MB的硬盘仅能存储10分钟的录音。 因此，视频、音频信息数字化后，必须再进行压缩才有可能存储和传送。播放时则需解压缩以实现还原。数据压缩的目的就是用最少的代码表示源信息，减少所占存储空间，并利于传输。 280 (2) 数据压缩的思路。数据压缩的思路是将图像中的信息按某种关联方式进行规范化，并用这些规范化的数据描述图像，以大量减少数据量。例如，某个三角形为蓝色，这时只要保存三个顶点的坐标和蓝颜色代码即可。如此规范化之后，就不必存储每个像素的信息了。 (3) 数据压缩的分类。按照压缩后丢失信息的多少，数据压缩可分为两种：无损压缩和有损压缩。 281 无损压缩也称冗余压缩法。它去掉数据中的冗余部分，在以后还原时可以重新插入，即信息不丢失。因此，这种压缩是可逆的，但压缩比很小。 有损压缩是在采样过程中设置一个门限值，只取超过门限的数据，即以丢失部分信息来达到压缩目的。例如，把某一颜色设定为门限值后，则与其十分相近的颜色便被视为相同，而实际存在的细微差异都将被忽略了。由于丢失的信息不能再恢复，因而这种压缩是不可逆的，图像质量较差，但压缩比很大。 对数据进行压缩时应综合考虑，尽量做到压缩比要大，压缩算法要简单，还原效果要好。 282 (4) 目前应用于计算机的多媒体压缩算法标准有两种：压缩静态图像的JPEG标准和压缩运动图像的MPEG标准。 JPEG(Join Photographic Expert Group)是由国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合组织专家组制定的“静态图像压缩标准”，于1992年经ISO批准。这一标准适用于黑白和彩色的照片、传真及印刷图片，可以支持很高的图像分辨率和量化精度。 283 MPEG (Motion Photographic Expert Group)指的是采用MPEG音频压缩标准进行压缩的文件，也是由ISO和CCITT联合专家组制定的。MPEG音频文件根据对声音压缩质量和编码复杂程序的不同可分为三层，分别对应扩展名.MP1、.MP2、.MP3。例如，一分钟CD音质的音乐，未经压缩需10 MB存储空间，而经MP3压缩后只有1 MB左右，同时音质基本保持不失真，所以目前常用MP3文件格式。 284 3) 超文本 传统的文本信息是按“线性结构”组织的，即顺序排列，用户只能依次提取。超文本则采用“非线性的网状结构”来组织文本信息，各部分文本之间没有顺序、不分层次，但都有“指针”链接(Link)，用户可以随心所欲地进行跳转，调用非常灵活。因此，超文本指的是使用链接方式连接相关文件的一项技术。 4) 超媒体技术 超媒体概念除了针对文、图、声、像等多种媒体信息之外，还包含必须采用超文本技术的要求。因此，超媒体指的是使用超文本方式链接文、图、声、像等多种媒体文件的一项技术。 285 1.5.2 多媒体应用中的媒体元素 多媒体应用的根本目的是以自然习惯的方式，有效地接受计算机世界的信息，信息通过媒体展现。多媒体元素就是指多媒体应用中可以显示给用户的媒体组成元素。目前，多媒体大多只利用了人的视觉和听觉，即使在“虚拟现实”中也只用到触觉，而味觉、嗅觉尚未集成进来。媒体元素一般包括文本、图形、图像、声音、动画和视频图像等。 286 1．文本 文本就是习惯使用的文字集合，是人和计算机交互作用的主要形式。文本作为计算机文字处理的基础，也是多媒体应用程序的基础。在人机交互中，文本主要有两种形式： (1) 非格式化文本。非格式化文本是指文本中字符的大小是固定的，仅能按一种形式和类型使用，不具备排版功能。 287 (2) 格式化文本。格式化文本是指可对文本进行编排，包括各种字体、尺寸、格式及色彩等。可以进行字处理(编辑格式化文本)的软件很多，像Word、WPS等，这些软件也称作文本编辑软件，其编辑的文本文件大都可在多媒体应用程序中使用。此外，一般的图形、图像处理及多媒体编辑软件都带有一定的文字处理能力。 288 2．图形和图像 图形和图像是多媒体应用中最活跃的媒体元素。 1) 图形和图像的分类 (1) 图形和图像按媒体信息生成方式分为主观图形和客观图像。主观图形指使用各种绘制软件制作的图片，包括点、线、面、体构成的图形(Graphic)和二维、三维动画(Animation)。客观图像由光电转换设备(摄像机、扫描仪、数码相机、帧捕捉设备等)生成的具有自然明暗、颜色层次的图片，包括图像(Image)和视频(Video)。 289 (2) 图形和图像按媒体信息存储方式分为矢量图形和位图图像。 矢量(Vector)图形文件中存放的是描述图形的指令，用“数学表达式”对图形中的实体进行抽象描述(即矢量化)，然后存储这些抽象化的特征，适用于图形和动画。 位图(Bitmap)图像是指按“像素”逐点存储全部信息，一幅图像就是由若干行和若干列的像素点组成的阵列，每个像素点用若干个二进制进行编码，这就是图像的数字化，适用于各类视觉媒体信息。这种存储方式占用存储空间很大。 290 (3) 按图像的视觉效果分为静态图像和动态图像。 静态图像只有一幅图片，包括图形和图像。 任何动态图像都是由多幅连续的、顺序的图像序列构成的，序列中的每幅图像称为一“帧”。如果每一帧图像是由人工或通过一些工具软件(如3D Studio Max、FLASH等)对图像素材进行编辑制作而成时，该动态图像就称为动画，若每帧图像为计算机产生的具有真实感的图像，则称为三维真实感动画，两者统称动画； 291 而当每一帧图像是对视频信号源(如电视机、摄像机等)经过采样和数字化后得到的，即是实时获取的自然景物图像时，就称为动态影像视频，简称动态视频或视频。现在，包括模式识别在内的先进技术允许把捕捉的视频和动画结合在一起，形成了混合运动图像。动画的每一幅画面是用人工合成的方法对真实世界的模拟；视频影像是对真实世界的记录。 由上述各种分类可以看出：图形和图像之间，图像和视频之间，视频和动画之间，都既有联系，又有区别。 292 2) 图像的形成 图像的形成过程如下所述： (1) 图像采集。使用光电转换设备从第一行左端的第一个像素点开始，每行自左向右(对应行频)、各行间自上向下(对应帧频)进行水平扫描和垂直扫描，然后依次将全部像素点转换成有序的RGB电信号，便采集到一帧图像。这一过程由扫描电路和其他辅助电路自动完成。 (2) 光电转换。通过光敏器件CCD(电荷耦合器件)可以把一个像素点的颜色转换成包含有R、G、B三种信息成分的电信号。 293 (3) 图像显示。通过与图像采集完全相同的扫描过程控制显像管的电子枪依次有序地击打屏幕上的像素点；同时按该像素点的RGB数值控制电子束的强度。当把屏幕上的像素点全部扫描一遍之后，便可看到复原的一帧图像。 (4) 图像的稳定。保持一定的水平和垂直扫描速度，使显示的图像一帧一帧地不断刷新，利用人眼的“视觉暂留”现象，便看到了稳定的图像。如果每次刷新的各帧图像完全相同，就成为“静态图像”，否则就是“动态图像”。 294 3) 影响图像处理的因素 影响图像处理的因素有： (1) 分辨率。分辨率影响图像质量，包括屏幕分辨率(计算机显示屏幕图像的显示区)、图像分辨率(数字化图像的大小)和像素分辨率(像素的高宽比，一般为1∶1)三个方面。 (2) 图像灰度。可以把图像进行二维空间(行、列)分割，每个行、列的交点就称为“像素点”(pixel)。位图中的每个像素点是基本数据单位(可用一定位数的二进制表示，二进制位数也称为图像深度)，用来定义每个像素点的颜色和亮度。 295 典型的图像深度包含l、2、3、4、8、12、16或24位。对于黑白线条图(例如传真)，常用1位值表示，1位值有2个等级，故称之为二值图像；灰度图像常用4位(16种灰度)或8位(256种灰度等级)表示该点的亮度；对于彩色图像则有多种描述方式，常用RGB方式，即根据三基色原理，将红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种基本颜色进行不同比例的组合，从而组合出丰富多彩的所有颜色。 296 (3) 图像存储容量。由上可知，一幅图像分割得越细或表示每个像素点的位数越多，则图像质量越好，越接近自然状况，但需存储的数据量越大。例如，一幅640×480个像素点的图像，若每个像素点用4位表示，则其数据量为640×480×4/8=150 KB。 运动图像每秒的数据量是帧速乘以单帧数据量。若一幅图像的数据量为l MB，帧速为25帧/秒，则1秒的数据量为25 MB。可知存放运动图像(特别是视频)的数据量是很大的，必须进行压缩。 297 (4) 图像文件的存储格式。了解图像文件的存储格式，有助于对图像数据的应用和处理(文件压缩、文件格式转换等)。图像文件主要有如下几种格式： ① BMP(Bitmap)格式是Microsoft公司专门为Windows制定的位图文件格式， 也就是以前Windows版本的DIB(Device Independent Bitmap)格式。除了Windows环境下的软件之外，不能在非Windows环境下使用。 ② WMF(Windows Meta File)格式是Microsoft公司制定的图元存储格式。文件使用矢量图形描述语言，占用存储空间要比位图存储方式小很多，显示时利用编译程序将文件内容转换成可见的图形，故又称矢量格式转换文件。 298 ③ TIF(Tag Image File Format)格式是Aldus和 Microsoft公司为扫描仪和计算机的“出版软件”而制定的。 ④ GIF(Graphics Interchange Format)格式是Compu Serve公司开发的文件格式。其主要目的是为了在网上能够方便地进行图形传输和交换。 ⑤ DXF(Drawing Exchange File)格式是Autodesk公司为计算机辅助设计(CAD)制定的一种数据交换格式。 299 ⑥ AVI(Audio Video Interleaved，声音/影像交错)是Windows 所使用的动态图像格式，不需特殊的设备就可以将声音和影像同步播出，这种格式的数据量较大。 ⑦ ASF(Advanced Stream Format)是微软公司采用的流式媒体播放的格式，比较适合在网络上进行连续的视像播放。 此外，还有前面讲述过的压缩文件格式MPG和JPG等。 300 4) 常用的视频信号 ① RGB信号是根据三基色原理，由光电转换器件直接生成的电信号。 ② YUV信号采用一个亮度信号(Y)和两个色差信号(U、V)描述像素，通过降低色差信号采样频率达到频带宽度变小的目的。 ③ Y/C信号将U、V两个色差信号合成为一个色度信号C。在视频设备上使用的S-Video接口就是这种信号，它的图像质量不如YUV信号。 301 ④ 复合视频信号也称彩色全电视信号，是将Y、C信号再进行合成得到的，易产生串扰，图像质量最差。另外，视频信号有两种制式：PAL制式和NTSC制式。 PAL制式是我国和一些欧洲国家采用的电视标准，帧速是25帧/秒，每帧画面625行，以分辨率表示的图像大小为768×576。 NTSC制式是美国和日本等国家采用的电视标准，帧速是30帧/秒，每帧画面525行，以分辨率表示的图像大小为720×486。 302 3．音频 音频(Audio)有时也泛称声音，除语音、音乐外，还包括各种音响效果。数字化后，计算机中保存声音文件的格式有多种，在Windows下可以处理的音频信息有三种类型：来自自然界的声波、人工设计的电子数字音乐和CD唱片。 303 1) 波形声音(WAVE) (1) 声波的数字化技术。波形声音是来自自然界的真实声 音。若要通过计算机处理或回放这些波形声音的模拟信号，必须先用模数转换器(ADC)把它们转换成数字信号，然后才可以进行处理或者储存；回放时，则需用数模转换器(DAC)把数字信号还原成波形声音的模拟信号，然后放大输出。这个过程就是声音的数字化技术，也是声卡的工作原理。声音的数字化技术是多媒体计算机中一项重要的基本技术。 304 (2) 数据存储。波形声音的模拟信号经ADC数字化后，可将数据存储在扩展名为 .WAV的波形音频文件中。该文件直接记录了真实声音的二进制采样数据，一般没有经过压缩处理，所以占用存储空间较大。 (3) 波形声音数字化的技术参数。 采样频率(Sampling Rate)：每秒内对声波模拟信号采样的次数。采样频率越高，声音保真度越好，产生的数据量也就越大，占用存储空间也越多。为此按照对声音的不同要求，设置了三个标准，分别为语音效果、音乐效果及高保真效果。 305 采样数据位数(Sampling Data)：也称采样点精度，是指每一个采样点振幅值的二进制位数，有8、12、16之分，此位数对声音的音质有重大影响，位数越多，还原的音质越细腻，占用存储空间越大。例如，16位采样点精度有216个等级。 声道数(Channels)：指声音通道的个数，有单声道、双声道(立体声)和多声道。声道越多，数据量越大，空间感越强。 306 计算每秒存储声音数据量(存储容量)的公式为： 存储容量(字节数)/秒 = 采样频率×采样数据位数×声道数/8 例如，用44.1 kHz的采样频率，采样数据位数为16位，则录制1秒的立体声(双声道)节目，所需存储容量为： 44100×16×2/8 = 176 400 B 307 2) 数字音乐 数字音乐(MIDI)是乐器数字接口(Musical Instrument Digital Interface)的英文缩写，是为了把电子乐器与计算机相连而制定的一个规范，是数字音乐的一个国际标准。和图形文件格式相类似，数字音乐是以一系列指令来表示声音的，可看成是声音的符号表示，是将数据存储在扩展名为.MID的数字音频文件中。 MIDI文件与WAVE文件相比有以下几个特点： 308 (1) MIDI文件占用空间小。MIDI文件存放的不是声音采样信息，而是将电子乐器弹奏的每个音符记录为一连串的数字，然后由声卡上的合成器根据这些数字代表的含义进行合成后由扬声器放音。同样一个小时高保真的立体声音乐，使用 .MID格式存储约占400 KB；若用 .WAV格式存储约占600 MB，相差1500倍。 (2) MIDI文件可以灵活处理。MIDI文件在音序器的帮助下，用户可以任意改变音调、音色等属性，产生特殊配乐效果；但两个WAVE文件不能同时播放。当播放WAVE文件时，可同时播放MIDI音乐，从而产生配乐效果。 309 (3) MIDI文件无法得到自然界中的所有声音。WAVE文件可以从任何声源录制生成，而且在各种计算机上的播放效果基本一致；MIDI文件则无法得到自然界中的所有声音，而且播放效果还与合成器的质量有关，不同档次的声卡差异较大。 3) CD唱片 CD唱片对声音的生成、处理、还原方法与WAVE文件基本相同，也是通过数字采样技术制作的，但不生成.WAV文件，而是把采样数据直接写在光盘上。它的规范是：采样频率44.1 kHz，采样数据16位，立体声，故其能完全重现原来声音的效果。 310 1.5.3 多媒体计算机的组成与应用 在多媒体系统中，发展最快和最普及的系统平台是以PC机为基础的集成环境，这种系统简称MPC机系统。为了适应多媒体系统功能目标和应用需求，一方面可通过改进PC机体系结构，使PC机性能升级；另一方面可运用多媒体专用芯片和板卡，集成以PC机为中心的组合平台。在这样的硬件基础上，配备多媒体操作系统和服务工具，以及丰富的多媒体软件，是多媒体技术向产业化、实用化发展的技术保证。 311 多媒体计算机系统是由多媒体计算机硬件系统和多媒体计算机软件系统组成的。 1．多媒体计算机硬件系统 由于多媒体计算机需要综合声音、动画等信息量很大的多种媒体，因此多媒体计算机除了具备一般PC机的硬件配置外，还要求中央处理器、输入输出接口及系统总线的速度尽可能快，存储器的容量尽可能大。一台MPC机的硬件系统主要包括以下几部分： 312 (1) 多媒体主机。多媒体主机必须有支持多媒体指令的CPU，可以使用高档微型计算机或者工作站。这些多媒体扩展指令最早出现在Intel公司的MMX，其次是AMD公司的3D Now！，最后是近几年的Pentium Ⅲ中的SSE。MMX(多媒体指令集)共有57条指令，是Intel公司第一次对自1985年就定型的X86指令集进行的扩展。MMX主要用于增强CPU对多媒体信息的处理，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息能力。 313 3D Now!共有27条指令，重点提高了AMD公司K6系列CPU对3D图形的处理能力，但由于指令有限，该指令集主要应用于3D游戏，而对其他商业图形应用处理支持不足。SSE(Internet Streaming SIMD Extensions，因特网数据流单指令序列扩展)共有70条指令，不但涵盖了原MMX和3D Now！指令集中的所有功能，而且特别加强了SIMD浮点处理能力，另外还专门针对目前因特网的日益发展，加强了CPU处理3D网页和其他音、像信息技术处理的能力。 314 (2) 多媒体输入设备。可配置摄像机、话筒、录像机、录音机、扫描仪、CD-ROM等多媒体输入设备。 (3) 多媒体输出设备。可配置显示器、电视机、打印机、绘图仪以及各种音响设备等多媒体输出设备。 (4) 外存储器。可配置磁盘、光盘、录音录像带等外存储器。 (5) 操纵控制设备。可配置键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏以及遥控器等操纵控制设备。 (6) 多媒体接口卡。 315 图1.21 声卡 316 ① 声卡，又称为声效卡或声霸卡，是MPC机必不可少的组成部分。一般插入主机板上的PCI插槽中。它是MPC机接收、处理、播放各类音频信息的重要部件。 声卡具有录音、放音、MIDI音乐功能、混合输出功能及语音压缩、解压缩等功能。在声卡上设有多个插口，用于连接话筒、CD唱机、MIDI控制器、CD-ROM驱动器、游戏机、音频播放机以及喇叭等输入/输出设备，在其软件的支持下实现语音的输入输出和乐曲的播放。声卡的外观如图1.21所示。 317 声卡的性能指标除了讲述过的采样频率、采样数据位数(采样点精度)及声道数外，还有信噪比和音效两个参数。信噪比是指音频信号振幅与噪声信号振幅的比率，度量单位是分贝(dB)。音效是指应具有良好的声音效果。 ② 视卡及其类型。视卡又称视频卡，是MPC机的重要部件，用来连接视频设备的电路板，实现视频信号与数字信号之间的转换，可接收来自摄像机、录像机、电视机和各种激光视盘的视频信号。视频卡根据其功能不同，有多种产品和名称。 318 视频采集压缩卡：用于将摄像机、录像机、影碟机或光盘上的图像信号进行采样、量化，然后将数据压缩后存储到存储设备中。通常为电子出版物和制作电视节目所使用。 电视接收卡(TV卡)：用于计算机接收电视节目。TV卡是在视频采集卡的基础上增加一个“高频接收/调谐电路”来实现接收电视信号，而电视节目的选台、调谐、搜索等控制功能全部由软件完成。高档的TV卡除了能接收电视信号外，还具有电视信号的采集、存储及某些特技处理的功能。 319 解压卡：用于压缩图像的解压。目前，由于CPU的运算速度已能满足MPEG标准算法的解压要求，因此只需通过软件解压，不需使用解压卡了。 视频输出卡：也称视频转换卡或视频编码卡，用于将显示卡输出的RGB信号重新编码为“组合视频输出信号”，从而被录像机和电视机接收。目前许多显示卡自带此功能，不需另外附加视频输出卡。 320 2．多媒体计算机软件系统 多媒体计算机软件系统是指用于处理多媒体信息、支持多媒体硬件设备工作的程序，包括多媒体操作系统、多媒体数据库、多媒体数据的采集和制作软件以及多媒体开发制 作工具。例如，用于音频编辑的软件有Sound Forge、Cool Edit等；用于图像和动画编 辑的软件有Photoshop、Flash等；用于多媒体开发制作的软件包有Authorware、方正奥思等。 321 3．多媒体的应用 (1) 多媒体的应用从其技术的应用来说，可分为如下几个方面： ① 多媒体数据库技术的应用。近些年来，多媒体数据库技术需求已越来越大，如公共多媒体库、教学素材库、高品质数字音频库等。 322 ② 通信、网络、多媒体技术的融合。多媒体技术的应用，离不开通信技术、网络技术的支持，在通信领域中融合进多媒体技术，致使其应用的范围越来越广。例如，交互式有线电视就能让用户向有线电视系统主动点播所需的电视节目，并可同时传输几百路电视节目；又如，视频会议系统能使异地与会者如同面对面一样地充分交流信息。 ③ 虚拟现实技术。虚拟现实技术是多媒体应用的最高境界，它在模拟训练、科学可视化、娱乐等领域得到推广和应用。 323 (2) 多媒体的应用从其在信息社会的应用来说，可分为以下几个方面： ① 办公自动化。增加了图、文、声、像、视频的处理能力，增进了办公自动化的程度，提高了工作效率。例如视频会议就是多媒体协同工作的重要手段。 ② 电子商务。它是一个可视的网上购、销市场，商家可以在网上销售自己的商品，并可以为用户提供网上售后服务。 324 ③ 教育与培训。为了适应学历教育、继续教育、职业教育、远程教育等各种教育类型的需要，多媒体技术在教育中应用的热点已从单纯考虑如何准备教学资源(例如CAI)，发展为有效地使用这些资源，提出了“综合采用现代化教育技术，构建现代化教育环境”的新多媒体教室解决方案。 ④ 在家庭中的应用。随着信息化住宅小区的发展，拥有多功能的MPC，既可以办公、创作、学习，也可以游戏、娱乐。例如，采用交互视听功能，用户可以根据自己的喜好联网点播视听节目，进行卡拉OK或者观看视频节目文化娱乐。 325 ⑤ 电子出版物。随着计算机技术、多媒体技术的发展，电子出版物越来越普及，大量的图书资料已存放在光盘上，通过多媒体终端进行阅读。图书馆的多媒体阅览室已相当普及。 326 1.6 信 息 安 全 1.6.1 信息安全的概念 1．信息安全的基本概念 计算机网络的重要性和对社会的影响越来越大，大量数据需要进行存储和传输，偶然的或恶意的原因都有可能造成数据的破坏、显露、丢失或更改。所以，信息安全的根本目的是使一个国家的信息技术体系不受外来的威胁和侵害。 327 2．信息安全的特征 (1) 完整性和精确性：指信息在存储或传输过程中保持不被改变、不被破坏和不丢失的特性。 (2) 可用性：指信息可被合法用户访问并按要求的特性使用。 (3) 保密性：指信息不泄漏给非授权的个人和实体或供其利用的实体。 (4) 可控性：指具有对信息的传播及存储的控制能力。 328 1.6.2 黑客和计算机病毒的概念 信息安全的威胁多种多样，主要是自然因素和人为因素。自然因素是一些意外事故，例如服务器突然断电等；人为因素是指人为的入侵和破坏，危害性大、隐藏性强。人为的破坏主要来自于黑客，网络犯罪已经成为犯罪学的一个重要部分。造成信息安全威胁的原因主要是网络黑客和计算机病毒。 329 1．网络黑客的概念 网络黑客起源于20世纪50年代美国麻省理工学院的实验室中，他们精力充沛，热衷于解决难题。20世纪60、70年代，“黑客”用于指代那些独立思考、奉公守法的计算机迷，从事黑客活动意味着对计算机的最大潜力进行智力上的自由探索。到了20世纪 80、90年代，计算机越来越重要，大型数据库也越来越多，同时，信息越来越集中在少数人的手里。这样一场新时期的“圈地运动”引起了黑客们的极大反感。黑客们认为，信息应共享而不应被少数人所垄断，于是他们将注意力转移到涉及各种机密的信息数据库上，这时“黑客”就变成了网络犯罪的代名词。 330 因此，黑客就是利用计算机技术、网络技术，非法侵入、干扰、破坏他人的计算机系统，或擅自操作、使用、窃取他人的计算机信息资源，对电子信息交流和网络实体安全具有威协性和危害性的人。黑客攻击网络的方法是不停地寻找因特网上的安全缺陷，以便乘虚而入。 从黑客的动机、目的和对社会造成危害程度来分，黑客可以分为技术挑战性黑客、戏谑取趣性黑客和捣乱破坏性黑客三种类型。 331 2．计算机病毒的概念 计算机病毒(Computer Virus)是指在计算机系统运行过程中，能自身准确复制或有修改地复制的一组计算机指令或程序代码。计算机病毒破坏计算机功能，影响计算机使用，不仅在系统内部扩散，还会通过其他媒体传染给另外的计算机。 332 1) 计算机病毒的来源 计算机病毒多出于计算机软件开发人员之手，其动机多种多样。有的为了“恶作剧”，并带有犯罪性质；有的为了“露一手”，表现自己；有的为了保护自己的知识产权，在所开发的软件中加入病毒，以惩罚非法复制者。 由此看出，计算机病毒是人为制造的程序，它的运行属于非授权入侵。 333 2) 计算机病毒的传播途径 一般来说，计算机病毒有以下三种传播途径： (1) 存储设备。大多数计算机病毒通过一些存储设备来传播，例如，软盘、硬盘和光盘等。 334 (2) 计算机网络。计算机病毒利用网络通信可以从一个节点传染给另一个节点，也可以从一个网络传染到另一个网络。其传染速度是所有媒体中最快的一种，严重时可迅速造成网络中的所有计算机全部瘫痪。例如，电子邮件炸弹病毒可以不断重复地将电子邮件寄与同一个收件人。由于在短时间内收到上千个电子邮件，一个电子炸弹的总容量很容易就超过相应网络E-mail信箱容量所能够承受的负荷，随时会因为“超载”而导致电脑瘫痪。 (3) 通信系统。计算机病毒也可通过点对点通信系统和无线通道传播，随着信息时代的迅速发展，这种途径很可能成为主要传播渠道。 335 3) 计算机病毒的传染过程 计算机病毒的传染过程大致经过三个步骤，依次是： (1) 入驻内存：计算机病毒只有驻留内存后才有可能取得对计算机系统的控制。 (2) 等待条件：计算机病毒驻留内存并实现对系统的控制后，便时刻监视系统 的运行。一面寻找可攻击的对象，一面判断病毒的传染条件是否满足。 (3) 实施传染：当病毒的传染条件满足时，通常借助中断服务程序将其写入磁盘系统，完成全部病毒传染过程。 336 4) 计算机病毒的特征 (1) 传染性。计算机病毒具有强再生机制。计算机病毒可以从一个程序传染到另一个程序，从一台计算机传染到另一台计算机，从一个计算机网络传染到另一个计算机网络，在各系统上传染、蔓延，同时使被传染的计算机程序、计算机、计算机网络成为计算机病毒的生存环境及新的传染源。 337 (2) 寄生性。病毒程序依附在其他程序体内，当这个程序运行时，病毒就通过自我复制而得到繁衍，并一直生存下去。 (3) 潜伏性。计算机病毒侵入系统后，病毒的触发是由发作条件来确定的。在发作条件满足前，病毒可能在系统中没有表现症状，不影响系统的正常运行。 (4) 隐蔽性。隐蔽性表现在两个方面：一是传染过程很快，在其传播时多数没有外部表现；二是病毒程序隐蔽在正常程序中，当病毒发作时，实际病毒已经扩散，系统已经遭到不同程度的破坏。 338 (5) 破坏性。不同计算机病毒的破坏情况表现不一，有的干扰计算机工作，有的占用系统资源，有的破坏计算机硬件等。 (6) 不可预见性。由于计算机病毒的种类繁多，新的变种不断出现，因此，病毒对于反病毒软件来说，是不可预见的、超前的。 339 5) 计算机病毒的类型 目前对计算机病毒的分类方法多种多样，通常有下面几种： (1) 按病毒的寄生方式分类： ① 引导型病毒。这类病毒出现在系统引导阶段。系统启动时，这类病毒用自身代替原磁盘的引导记录，使得系统首先运行病毒程序，然后才执行原来的引导记录。每次启动后病毒都隐藏起来，伺机发作。 340 ② 文件型病毒。文件型病毒也被称为寄生病毒，运作在计算机存储器里，通常它感染扩展名为COM、EXE、DRV、BIN、OVL、SYS的文件。这类病毒数量最大，可细分为外壳型、源码型和嵌入型等。例如，常见的宏病毒就寄存在Office文档的宏代码中，可攻击.DOC和.DOT文件，影响这些文档的打开、存储、关闭或清除等操作。 ③ 复合型病毒。这类病毒既传染磁盘引导区，又传染可执行文件，一般可通过测试可执行文件的长度来判断它是否存在。 341 (2) 按病毒的发作条件分类： ① 定时发作型。这类病毒具有查询系统时间的功能，当系统时间等于设置时间时，病毒发作。例如，CIH病毒是一种文件型的定时发作的恶性病毒，发作时破坏计算机系统的Flash Memory芯片中的BIOS系统程序，导致系统主板破坏，同时破坏硬盘中的数据。CIH病毒是首例直接攻击、破坏硬件系统的计算机病毒，是迄今为止最为严重的病毒之一，发作时间分别为每月26日。 342 ② 定数发作型。这类病毒具有计数器，能对传染文件个数或执行系统命令次数进行统计。当达到预置数值时，病毒发作。 ③ 随机发作型。这类病毒随机发作，没有规律。 343 (3) 按破坏的后果分类： ① 良性病毒。这类病毒干扰用户工作，但不破坏系统数据。清除病毒后，便可恢复正常。常见的情况是大量占用CPU时间和内存、外存等资源，从而降低了运行速度。例如小球病毒、扬基病毒等。 ② 恶性病毒。这类病毒破坏数据，造成系统瘫痪。清除病毒后，无法修复丢失的数据。常见的情况是破坏、删除系统文件，甚至重新格式化硬盘。例如黑色星期五病毒、火炬病毒、CIH病毒等。 344 1.6.3 网络黑客和计算机病毒的防范 网络黑客和计算机病毒的出现给计算机安全提出了严峻的挑战，解决问题最重要的一点是树立“预防为主，防治结合”的思想，牢固树立计算机安全意识，防患于未然，积极地预防黑客的攻击和计算机病毒的侵入。 345 1．利用防火墙技术 1) 病毒防火墙的概念 防火墙的原理是实施“过滤”术，即将内网和外网分开的方法。它能够保护计算机系统不受任何来自“本地”或“远程”病毒的危害，向计算机系统提供双向保护，也防止“本地”系统内的病毒向网络或其他介质扩散。另外，病毒防火墙本身应该是一个安全的系统，能够抵抗任何病毒对其进行的攻击，也不应该对无害的数据造成任何形式的损伤。当应用程序(任务)对文件、邮件及附件进行打开、关闭、执行、保存、发送时，病毒防火墙会首先自动清除文件中包含的病毒之后，再完成用户的操作。 346 2) 防火墙的种类 防火墙技术按实现原理分为网络级防火墙、应用级网关、电路级网关及规则检查防火墙四大类。 2．防范措施 可采取以下几方面的措施进行防范： (1) 不要运行来历不明的程序或使用盗版软件。 (2) 对外来的计算机、存储介质(软盘、硬盘、闪盘等)或软件要进行病毒检测，确认无毒后才可使用。 347 (3) 对于重要的系统盘、数据盘以及磁盘上的重要信息要经常备份，以便遭到破坏后能及时得到恢复。 (4) 网络计算机用户要遵守网络软件的使用规定，不要轻易下载和使用网上的软件，也不要打开来历不明的电子邮件。 (5) 在网络上的文件系统、数据库系统、设备管理系统及信息网络WWW中，利用访问控制权限技术规定主体(如用户)对客体(如文件、数据库、设备)的访问权限。 348 (6) 安装计算机防毒卡或防毒软件，时刻监视系统的各种异常并及时报警，以防病毒的侵入。 (7) 对于网络环境，应设置“病毒防火墙”。 常用的杀毒软件和防火墙有KILL、SCAN、KV3000、CPAV、瑞星、金山毒霸等。使用这些工具，就可方便地清除一些病毒和防止病毒入侵，使系统得以正常工作。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容