大學計算機-基于計算思維PPT完整全套教學課件

第一章計算機思維與計算機大學計算機 基于計算思維【ch01】計算機思維與計算機.pptx【ch02】計算機中的信息表示.pptx【ch03】微型計算機的系統(tǒng)組成.pptx【ch04】計算機中的問題求解.pptx【ch05】計算機中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).pptx【ch06】計算機中的數(shù)據(jù)管理.pptx【ch07】計算機網(wǎng)絡(luò)初步.pptx【ch08】信息安全.pptx【ch09】計算機的應(yīng)用領(lǐng)域.pptx全套可編輯PPT課件1.1計算機思維概論1.1.1科學研究的三大方法——理論，實驗和計算科學的概念很難定義，在不同時期有著不同的解釋。以下是對“科學”這一概念的解釋：韋氏字典定義：科學是從確定研究對象的性質(zhì)和規(guī)律這一目的出發(fā)，通過觀察、調(diào)查和實驗而得到的系統(tǒng)知識。廣義的科學概念：從廣義上講，科學是指人們對客觀世界的規(guī)律性認識，并利用客觀規(guī)律造福人類，完善自我?？茖W研究科學研究是整理、修正、創(chuàng)造知識以及開拓知識新用途的探索性工作。人們在科學研究過程中采取的各種手段和途徑稱為科學方法。從方法學的視角看，科學研究有三大基本方法理論、實驗和計算。與三大科學方法相對的是三大科學思維：以數(shù)學為基礎(chǔ)的理論思維，以物理等學科為基礎(chǔ)的實驗思維，以計算機科學為基礎(chǔ)的計算思維?！翱茖W”的定義實驗方法是人們根據(jù)一定的科學研究目的，運用科學儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人為控制或模擬研究對象的條件下，使自然過程以純粹、典型的形式表現(xiàn)出來，以便進行觀察、研究，從而獲取科學事實的方法。理論是客觀世界在人類意識中的反映和用于改造現(xiàn)實的知識系統(tǒng)，用于描述和解釋物質(zhì)世界發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律。理論源于數(shù)學，理論思維支撐著所有的學科領(lǐng)域。對于理論研究方法來說，其優(yōu)點是問題的解是精確的，其缺點是實際問題是復雜的，精確解很難得到。1.1.1科學研究的三大方法——理論，實驗和計算例如著名的伽利略在比薩斜塔的七層陽臺上把輕重不同的兩個金屬球同時拋下，而兩個球同時落地，證明了自由落體的速度和時間與物體的質(zhì)量無關(guān)。理論實驗方法在比薩斜塔上拋球是很好的實驗方法的例子，但是實驗方法也是有缺點的，有些實驗需要花費高昂的成本例如，為鑒定核爆炸裝置的威力及其性能，研究核武器的殺傷破壞因素的變化規(guī)律，研究核爆炸的和平利用而進行的核爆炸試驗，它是一項規(guī)模很大，需要多學科、多部門協(xié)同配合和耗費大量人力、物力的科學試驗；有些實驗需要過長的時間，例如，星系的形成和演化，星系核活動和黑洞吸積的物理機制等；而有些實驗具有一定的危險性，例如，美國科學家富蘭克林冒著生命危險去捕捉雷電。1.1.1科學研究的三大方法——理論，實驗和計算隨著計算的發(fā)展，科學研究有了更多可能的方法——高速計算機使我們可以模擬那些不容易觀察到的現(xiàn)象，可以求解用理論和實驗手段無法解決的重大科學技術(shù)問題。計算方法突破了實驗和理論科學方法的局限，并進一步提高了人們對自然和社會的洞察力，為科學研究與技術(shù)創(chuàng)新提供了新的重要手段和理論基礎(chǔ)。計算已和理論、實驗一起，被公認為科學的三大支柱。計算1.1.2什么是計算機思維美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年在美國計算機權(quán)威期刊CommunicationsoftheACM雜志上給出了計算思維（ComputationalThinking）的定義：計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維的概念為了使計算思維更加容易理解，周教授又對它作了進一步的解釋：1.1.2什么是計算機思維①計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法；以日常使用微波爐為例，使用者不需要深入了解微波的加熱原理、電路的控制、計時器的使用等，這些復雜難懂的理論以及操作系統(tǒng)由專家和技術(shù)人員進行處理，他們將電器元件封裝起來，將復雜的理論約簡成說明書上通俗易懂的操作步驟。所有可能用到的程序都被提前存儲起來，使用者的指令通過按鈕轉(zhuǎn)化為信號從而調(diào)用程序進行執(zhí)行，自動地控制電路的通斷、微波的發(fā)射，最后將信號轉(zhuǎn)化為熱量。通過抽象，復雜的問題被轉(zhuǎn)化為可解決的問題。用戶在整個過程中只需進行簡單的按鈕操作。②計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。例如，《命運交響曲》《藍色多瑙河》等音樂令人陶醉。但許多人因為不會演奏樂器，無法譜出自己的樂曲。而現(xiàn)在隨著計算思維的發(fā)展，不識音律者也可以圓譜曲之夢。計算機事先將音樂轉(zhuǎn)化為符號，并將其運行程序儲存起來，用戶輸入音符時，會在提示下輸入符合聲樂規(guī)律的符號，用戶將符號進行組合，然后計算機將它轉(zhuǎn)化為聲音插放出來。聲音被抽象為符號，避免了不會操作樂器的尷尬，而正常情況下，每個人都可以操作按鍵，在用戶輸入后，計算機自動提示并執(zhí)行。這一過程中，聲樂（數(shù)據(jù)）被轉(zhuǎn)化為符號，符號又被轉(zhuǎn)化為聲樂（數(shù)據(jù)），這一技術(shù)把演奏樂器與識別音律這一難題轉(zhuǎn)化為用戶可以解決的問題，計算思維讓每個人都可以成為音樂家。計算思維可以改變世界，或者說，它正在改變世界。為了使計算思維更加容易理解，周教授又對它作了進一步的解釋：1.1.2什么是計算機思維③計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐大復雜的任務(wù)或進行巨大復雜系統(tǒng)設(shè)計的方法，是基于關(guān)注分離的方法。④計算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。⑤計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復的一種思維方法。⑦計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。⑥計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也就是在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度的思維方法。1.1.2什么是計算機思維計算思維的本質(zhì)（Essence）是抽象（Abstraetion）和自動化（Automation）。它反映了計算思維的根本問題，即什么能被有效地自動執(zhí)行。任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可視為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可轉(zhuǎn)換為（也就是抽象）符號變換，使它可以用計算機進行處理。當動態(tài)演化系統(tǒng)抽象為用符號表示后，可對其建立模型、設(shè)計算法、開發(fā)軟件并實施使之自動執(zhí)行，這就是計算思維中的自動化。計算思維建立在計算過程的能力和限制之上。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計。計算思維的本質(zhì)1.1.2什么是計算機思維1計算思維是概念化的，而不是程序化的。26534計算思維面向所有的人、所有的地方。計算思維是思想，不是產(chǎn)品。計算思維是數(shù)學和工程思維的互補與融合。計算思維不是計算機的思維方式，而是人類解決問題的一種思維方式。計算思維是每個人需掌握的基本技能，而不是刻板的重復性工作。計算思維的特性1.1.3計算機思維對各學科的影響計算思維正在改變統(tǒng)計學，通過機器學習、貝葉斯方法的自動化以及圖形化模型的使用，可以從大量的數(shù)據(jù)中，如多樣化的天文學圖譜、信用卡購買以及食品超市的發(fā)票等，進行模式識別和異常檢測。就數(shù)據(jù)尺度和維數(shù)而言，統(tǒng)計學習用于各類問題的規(guī)模僅在幾年前還是不可想象的。11計算機思維的影響計算機科學對于生物學的貢獻，不僅在于從海量時序數(shù)據(jù)中搜尋模式規(guī)律的本領(lǐng)，更重要的是利用計算機專業(yè)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以闡釋其功能。計算生物學正在改變著生物學家的思考方式。2計算博弈理論正改變著經(jīng)濟學家的思考方式，納米計算改變著化學家的思考方式。量子計算改變著物理學家的思考方式。計算思維跨越了自然和人文的學科分界，影響了幾乎所有學科的學術(shù)研究。31.1.3計算機思維對各學科的影響計算機系統(tǒng)仿真是利用計算機科學和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術(shù)。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優(yōu)點，已成為分析、設(shè)計、運行、評價、培訓系統(tǒng)（尤其是復雜系統(tǒng)）的重要工具。很多實驗在現(xiàn)實中不具備進行實驗的條件，或很難多次重復實驗，例如，天氣預報的模型，衛(wèi)星運行軌跡等，都依賴于計算機仿真。例如，波音777飛機沒有經(jīng)過實際的風洞測試，而完全是采用計算機模擬測試的。41計算機思維的影響1.1.3計算機思維對各學科的影響5許多科學和工程學原理是基于大量自然界中關(guān)于物理過程的計算模擬和數(shù)學模型產(chǎn)生的。地球科學試圖模擬出一個地球，從它的內(nèi)核到表層到太陽系。在人文藝術(shù)領(lǐng)域，通過數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)聯(lián)邦等計算方法生成的電子圖書館、文物收藏等，為探究和理解人類行為的新趨勢、新模式和新關(guān)聯(lián)創(chuàng)造了機會。在未來，更深層次的計算思維一通過對更智慧更復雜的抽象方式的選擇，也許可以讓科學家和工程師模擬和分析比他們現(xiàn)在可以處理的系統(tǒng)大出無數(shù)個數(shù)量級的系統(tǒng)。而通過類似分層分解的抽象層次的使用，我們希望可以達到以下目標：模擬出基于多重時間維度和三維空間分辨率的系統(tǒng)；模擬多種復雜系統(tǒng)之間的相互影響，來識別在臨界點和突發(fā)行為時的狀況；在一段時間內(nèi)，對這些模型進行超前式和后退式的試驗；并且將這些模型與標準統(tǒng)計模型進行驗證。6計算思維也開始影響到超越科學和工程學的學科和專業(yè)。例如，醫(yī)藥算法、計算考古學、計算經(jīng)濟學、計算金融、計算與新聞學、計算法、計算社會科學以及數(shù)字人文科學。1計算機思維的影響1.1.3計算機思維對各學科的影響計算機對人類的影響力之大己經(jīng)無人質(zhì)疑，己經(jīng)成為一種生活形態(tài)，也是一種計算機文化形態(tài)，大部分讀者應(yīng)該已經(jīng)了解計算機中信息是以二進制形式表示的。所有可以由計算機進行處理的內(nèi)容都必須被表示成為二進制，這是計算機所有功能的基礎(chǔ)。二進制目前已經(jīng)不僅僅局限于計算機，它也改變了通信、電視等傳統(tǒng)的處理方法，二進制集中體現(xiàn)了計算思維的抽象本質(zhì)，本書的第2章將介紹字符、文字、圖像、聲音等如何用二進制表示，同時也領(lǐng)略計算思維抽象的神奇和無比強大。2本教材中的計算思維計算思維中信息如何抽象：1.1.3計算機思維對各學科的影響計算機廣泛地應(yīng)用于科學、工程技術(shù)和社會科學等方面的計算，這是計算機應(yīng)用的一個基本方面，也是讀者比較熟悉的。例如，人造衛(wèi)星軌跡計算，導彈發(fā)射的各項參數(shù)的計算，房屋抗震強度的計算等，在這些計算中，通常包含幾百個線性方程組，幾十階微分方程組及函數(shù)的積分等大量復雜運算，如果利用人工來進行這些計算，通常需要幾年甚至幾百年，而結(jié)果也不一定能滿足及時性、精確性等要求。計算機的迅速發(fā)展使這種龐大復雜的計算成為可能，利用計算機行計算帶來了巨大的經(jīng)濟效益，在電子、土木、機械等工程領(lǐng)域，計算高階項可以提高精度，進而提高質(zhì)量、減少浪費并節(jié)省制造成本。計算思維中問題如何求解：2本教材中的計算思維1.1.3計算機思維對各學科的影響用計算機對大量數(shù)據(jù)及時地加以記錄、整理和計算，加工成人們所要求的形式，稱為數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理與數(shù)值計算相比較，它的主要特點是原始數(shù)據(jù)多，處理量大，時間性強。計算思維中數(shù)據(jù)如何處理：2本教材中的計算思維1.2計算機概述1.2.1計算機的特點1.運算速度快當今計算機系統(tǒng)的運算速度已達到每秒萬億次，微機也可達每秒幾億次以上。大量的科學計算過去人工需要幾年、幾十年，而現(xiàn)在利用計算機只需要幾天或幾小時甚至幾分鐘就可以完成。2.運算精度高在計算機中，其字長越長則表示數(shù)的范圍就越大，同時運算精度也就越高。隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機的字長也在不停地增加，使得它能夠滿足高精度數(shù)值計算的需要。例如，對圓周率的計算，數(shù)學家們經(jīng)過長期艱苦的努力只算到了小數(shù)點后500位，而使用計算機很快就能夠算到小數(shù)點后200萬位?？茖W技術(shù)的發(fā)展特別是尖端科學技術(shù)的發(fā)展，需要高度精確的計算。計算機控制的導彈之所以能準確地擊中預定的目標，是與計算機的精確計算分不開的。一般計算機可以有十幾位甚至幾十位（二進制）有效數(shù)字，計算精度可由千分之幾到百萬分之幾，是任何其他計算工具所望塵莫及的。1.2.1計算機的特點3.可靠性高計算機基于數(shù)字電路的工作原理，而在數(shù)字電路中表示“0”"1”這樣的二進制數(shù)非常方便，其運行狀態(tài)穩(wěn)定，再加上計算機內(nèi)部電路所采用的各種校驗手段，使得計算機具有非常高的可靠性。4.具有邏輯判斷功能，邏輯性強計算機不僅能進行精確計算，還具有邏輯運算功能，可以對各種信息（如語言、文字、圖形、圖像、音樂等）進行比較和判斷，以及推理和證明。1.2.1計算機的特點5.儲存容量大計算機內(nèi)部的存儲器具有記憶特性，隨著計算機存儲容量的不斷增大，可存儲記憶的信息越來越多。計算機不僅能進行計算，而且能把參加運算的數(shù)據(jù)、程序以及中間結(jié)果和最后結(jié)果保存起來，以供用戶隨時調(diào)用。6.自動化程度高由于計算機具有存儲記憶能力和邏輯判斷能力，因此人們可以將預先編好的程序組存入計算機內(nèi)存，在程序控制下，計算機可以連續(xù)、自動地工作，不需要人的干預。1.2.2計算機的發(fā)展現(xiàn)代計算機是從古老的計算工具一步步發(fā)展而來的。算盤是我國人民獨特的創(chuàng)造，是一種采用十進制的計算工具。1642年在歐洲，法國物理學家帕斯卡（BlaisePascal，1623--1662）于1642年發(fā)明了第一臺能進行加、減法運算的齒輪式加減法器。1637年在帕斯卡研究的基礎(chǔ)上，1673年德國數(shù)學家萊布尼茲（G.N.WonLeibniz，1646=1716）改進了帕斯卡的設(shè)計，增加了乘除法器，制成了可以進行四則運算的機械式計算器。1計算機的起源1.2.2計算機的發(fā)展直到19世紀機械式計算機才開始成為商品進行使用。19世紀20年代英國數(shù)學家查爾斯·巴比奇（CharlesBabbage，1791-1871）最先提出了通用數(shù)字計算機的基本設(shè)計思想，并于1822年和1834年先后設(shè)計了差分機和分析機，試圖以蒸汽機為動力來實現(xiàn)，但是受到當時技術(shù)和工藝的限制而失敗了。1936年美國科學家霍華德·艾肯（HowardAiken，1900-1973）采用機電方法來實現(xiàn)巴比奇分析機的想法，并于1944年研制成功了MarkI計算機，使巴比奇的夢想變成現(xiàn)實，所以國際計算機界稱巴比奇為“計算機之父”。1計算機的起源1.2.2計算機的發(fā)展1926年馮·諾依曼于1946年首先提出了在計算機中存儲程序的思想，并確定了存儲程序計算機的基本組成和基本工作方法。馮·諾依曼的這一設(shè)計思想被譽為計算機發(fā)展史上的里程碑，標志著計算機時代的真正開始。1946年2月14日世界上第一臺電子計算機ENIAC在美國于1946年2月14日誕生。ENIAC的問世具有劃時代的意義，它標志著人類計算工具的歷史性變革，它的成功，開辟了提高計算速度的極為廣闊的前景，從此，計算機登上了人類社會發(fā)展的歷史舞臺。1計算機的起源1.2.2計算機的發(fā)展1952年ENIAC研制的同時，馮·諾依曼也于1952年和他的同事們研制了第二臺電子計算機EDVAC。這臺機器的硬件系統(tǒng)由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5部分組成，它采用了二進制編碼，把程序和數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。EDVAC的發(fā)明為現(xiàn)代計算機在體系結(jié)構(gòu)和工作原理上奠定了基礎(chǔ)，對后來的計算機設(shè)計產(chǎn)生了重大影響。事實上，真正實現(xiàn)內(nèi)存儲程序式的世界第一臺電子計算機是由英國劍橋大學的威爾克斯（M.V.Wilkes）等根據(jù)馮·諾依曼的設(shè)計思想設(shè)計的EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticCaculator，電子延遲存儲自動計算器）。1949年5月EDSAC于1949年5月制成并投入運行，采用了二進制編碼和存儲器，即事先把指令存入計算機的存儲器，省去了在機外編排程序的麻煩，保證了計算機能按事先存入的程序自動地進行運算，其硬件系統(tǒng)由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5部分組成。計算機孕育于英國，誕生于美國，遍布于全世界。1計算機的起源1.2.2計算機的發(fā)展自1946年電子計算機問世以來，計算機在制作工藝與元件、軟件、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都取得了突飛猛進的發(fā)展。根據(jù)計算機所采用的邏輯元器件的不同，一般將計算機的發(fā)展分成4個階段，習慣上稱為4代，4代計算機的主要特點比較見表1-1。2計算機的發(fā)展1.2.2計算機的發(fā)展電子管計算機時代（1946-1957）。邏輯元件采用電子管，軟件方面用機器語言或匯編語言編寫程序，主要用于軍事和科學計算。特點是體積大、耗能高、速度慢（一般每秒數(shù)千次至數(shù)萬次）、存儲容量小、價格昂貴。其代表機型有EDVAC、IBM704等。第一代計算機晶體管計算機時代（1958-1964）。邏輯元件采用晶體管，軟件方面出現(xiàn)了一系列高級程序設(shè)計語言，并提出了操作系統(tǒng)的概念。計算機設(shè)計出現(xiàn)了系列化的思想。應(yīng)用范圍也從軍事與科學計算方面延伸到工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理及其他科學研究領(lǐng)域。其代表機型有IBM7090、ATLAS等。第二代計算機1.2.2計算機的發(fā)展中、小規(guī)模集成電路計算機時代（1965-1970）。邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路（IC），軟件方面出現(xiàn)了操作系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計方法，高級語言在這一時期有了很大的發(fā)展。軟、硬件都向標準化、多樣化、通用化、機種系列化的方向發(fā)展。計算機開始廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。其代表機型有IBM360等。第三代計算機大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機時代（1971年至今）。邏輯元件采用大規(guī)模集成電路（LSI，LargeSealeIntegration）和超大規(guī)模集成電路（VLSI，VeryLargeScaleIntegration）。伴隨性能的不斷提高，計算機體積、重量、功耗、價格不斷下降，而速度和可靠性不斷提高，應(yīng)用范圍進一步擴大。操作系統(tǒng)不斷完善，應(yīng)用軟件已成為現(xiàn)代工業(yè)的一部分。這些年來，多媒體、網(wǎng)絡(luò)也在不斷地發(fā)展著，今天計算機的發(fā)展進入了以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征的時代。第四代計算機1.2.2計算機的發(fā)展分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其他分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無法替代的作用。2計算技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）分子計算機1.2.2計算機的發(fā)展量子計算機是利用原子所具有的量子特性進行信息處理的一種全新概念的計算機。量子理論認為，非相互作用下，原子在任一時刻都處于兩種狀態(tài)，稱之為量子超態(tài)。原子會旋轉(zhuǎn)，即同時沿上、下兩個方向自旋，這正好與電子計算機0與1完全吻合。如果把一群原子聚在一起，它們不會像電子計算機那樣進行線性運算，而是同時進行所有可能的運算，例如，量子計算機處理數(shù)據(jù)時不是分步進行而是同時完成的。1990年初，美國貝爾實驗室制成世界上第一臺光子計算機。光子計算機是一種由光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計算機。光子計算機的基本組成部件是集成光路，要有激光器、透鏡和核鏡。由于光子比電子速度快，光子計算機的運行速度可高達一萬億次。它的存儲量是現(xiàn)代計算機的幾萬倍，還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。（2）量子計算機（3）光子計算機1.2.2計算機的發(fā)展納米計算機是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件的尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機?！凹{米”是一個計量單位，一個納米等于10°米，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)正從微電子機械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。20世紀80年代以來，生物工程學家對人腦、神經(jīng)元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高效的第6代計算機——生物計算機。用蛋白質(zhì)制造的計算機芯片，存儲量可以達到普通計算機的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。其特點是可以實現(xiàn)分布式聯(lián)想記憶，并能在一定程度上模擬人和動物的學習功能。（4）納米計算機（5）生物計算機1.2.3計算機的分類科學與工程計算計算機1按計算機的用途分類數(shù)據(jù)處理計算機工業(yè)控制計算機專門用于科學與工程領(lǐng)域的計算問題。主要用于數(shù)據(jù)處理，如辦公事務(wù)處理、報表統(tǒng)計等。主要用于生產(chǎn)過程監(jiān)測和控制。1.2.3計算機的分類專用計算機2按計算機的使用范圍分類通用計算機專用計算機是指為解決某種特定問題而設(shè)計的計算機，這種計算機具有運算速度快、精度高、運行效率好、針對性強和結(jié)構(gòu)簡單等特點。專用計算機一般用于銀行存取款、飛機的自動控制、數(shù)控機床等方面。通用計算機是指為解決各種一般問題而設(shè)計的計算機，這種計算機具有很強的綜合處理能力，能夠解決各種類型的問題，通用性是其主要特點。通用計算機既可用于數(shù)據(jù)處理、科學計算，又可用于工程設(shè)計和工業(yè)控制等，它是一種用途廣泛、結(jié)構(gòu)復雜的計算機。1.2.3計算機的分類3按計算機的規(guī)模和處理能力分類超級計算機（Supereomputer），早期叫巨型機，現(xiàn)在常簡稱為“超算”。與大型機相比，超級計算機通常由成千上萬個計算結(jié)點和服務(wù)結(jié)點組成，具有強大的計算和處理數(shù)據(jù)的能力。主要特點表現(xiàn)為超高的計算速度和超大的存儲容量，并配有多種外部和外圍設(shè)備及功能豐富的軟件系統(tǒng)。超級計算機1.2.3計算機的分類大型機（Mainframe）或稱大型計算機。一般作為大型的高性能商業(yè)服務(wù)器，因其具有較大的體積（通常占地面積幾十平方米）而得名。大型機通常使用專用的處理器指令集、專用的操作系統(tǒng)和專用的應(yīng)用軟件，通常具有較高的運算速度，一般為每秒數(shù)千萬億次級別，還具有較大的存儲容量，具備較好的通用性，功能也比較完備，能支持大量用戶同時使用計算機數(shù)據(jù)和程序，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，但大型機的價格相對昂貴。大型機3按計算機的規(guī)模和處理能力分類1.2.3計算機的分類小型機（Minicomputer或Minis）是相對于大型機而言的，小型機的軟件、硬件系統(tǒng)規(guī)模比較小，但價格低、便于維護和使用。小型機的應(yīng)用范圍很廣，既可作為醫(yī)療設(shè)備、測量儀器、工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)采集、分析計算設(shè)備，也可作為巨型機、大型機的輔助設(shè)備，主要用于企業(yè)管理、大學和研究所的科學計算和事務(wù)管理等。小型機采用的是主機/終端模式，并且各廠商均有各自的體系結(jié)構(gòu)，如處理器架構(gòu)、I/O通道和操作系統(tǒng)軟件等都是特別設(shè)計的，一般彼此之間互不兼容。與普通服務(wù)器相比，小型機還具有高RAS（Reliability、Availability、Serviceability）特性：①高可靠性，計算機可以7×24持續(xù)工作永不停機；②高可用性，重要資源都有備份，能檢測到潛在異常，能轉(zhuǎn)移任務(wù)到其他資源以減少停機時閭保持持續(xù)運行，且具備實時在線維護和延遲性維護等功能；③高服務(wù)性，能夠?qū)崟r在線診斷，精確定位發(fā)生的故障，并能做到準確無誤的快速修復。小型機3按計算機的規(guī)模和處理能力分類1.2.3計算機的分類平常說的微機指的就是個人計算機（PC，PersonalComputer）。這種計算機以其設(shè)計先進（總是率先采用高性能微處理器）、軟件豐富、功能齊全、價格便宜等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。自1971年Intel公司推出世界上第一臺4位微型計算機MCS-4后，微型計算機開始以“摩爾第一定律”的速度發(fā)展，即平均每18個月芯片的集成度提高1倍、性能提高1倍、價格下降一半。這就是說，微機將向著運算速度更快、功能更強、更易用、價格更便宜、體積更小、重量更輕、攜帶更方便的方向發(fā)展。微型機3按計算機的規(guī)模和處理能力分類1.3計算機的工作原理1.3計算機的工作原理著名的美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，于1946年提出了“存儲程序式計算機”方案，從而使計算機實現(xiàn)了自動化。存儲程序的工作原理是：在計算機中設(shè)置存儲器，將程序和數(shù)據(jù)存放到存儲器中，計算機按照程序指定的邏輯順序依次取出存儲器中的內(nèi)容進行處理，直到得出結(jié)果。計算機的工作原理1.3計算機的工作原理所謂指令（Instruction）是指計算機完成某一種操作的命令。一條指令就是計算機機器語言的一個語句，它一般包括操作碼和地址碼兩部分，如圖1.1所示。計算機的工作原理操作碼地址碼圖1.1指令的組成格式操作碼（OP，OperationCode）用來表示一條指令的操作特性和功能，即指出進行什么操作；地址碼（AC，AddressCode）規(guī)定操作數(shù)的值或地址、操作結(jié)果的地址及下一條指令的地址等。地址碼部分的地址可能不止一個，也可能沒有。地址是每個存儲單元對應(yīng)的一個固定編號，只要給出確定的地址，就能訪問相應(yīng)的存儲單元，對該單元進行讀/寫操作，從中讀出指令，并將執(zhí)行結(jié)果寫回到存儲器。1.3計算機的工作原理一條指令的執(zhí)行過程一般可分為取指令（Fetch）、分析指令（Decode）、執(zhí)行指令（Execute）3個階段。一系列指令的執(zhí)行過程實際上就是在不斷重復上述3個階段的過程，如圖1.2所示。計算機的工作原理1.3計算機的工作原理一臺計算機所能識別并執(zhí)行的全部指令的集合稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)與計算機的硬件系統(tǒng)密切相關(guān)，它是根據(jù)計算機使用要求設(shè)計的，一旦確定了指令系統(tǒng)，硬件上就必須保證指令系統(tǒng)的實現(xiàn)，因此，指令系統(tǒng)是設(shè)計一臺計算機的基礎(chǔ)，它決定了計算機硬件的主要性能和基本功能。指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)因計算機類型的不同而不同，少則幾十條，多則數(shù)百條。一臺計算機的指令系統(tǒng)按其功能可以分成以下5類。①數(shù)據(jù)傳送類指令：主要用于向寄存器、存儲器傳送數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理類指令：主要完成算術(shù)運算和邏輯運算等。③程序控制類指令：主要用于控制程序的執(zhí)行方向。④輸入與輸出類指令：主要用于實現(xiàn)主機與外部設(shè)備之間的信息交換。⑤CPU控制和調(diào)試指令：主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。計算機的工作原理1.3計算機的工作原理依照存儲程序的工作原理，計算機的工作方式應(yīng)該有兩個基本能力：一是能夠存儲程序和數(shù)據(jù)，二是能夠自動地執(zhí)行程序。于是，計算機中必須有一個存儲器，用以存儲程序與數(shù)據(jù)；有一個計算器，用以執(zhí)行指定的操作；有一個控制部件，以便實現(xiàn)自動操作；還要有輸入部件和輸出部件，以便輸入原始數(shù)據(jù)、程序和輸出計算結(jié)果。計算機的工作原理1.3計算機的工作原理由此可見，計算機的硬件系統(tǒng)一般由5個基本功能部件組合而成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，如圖1.3所示。計算機的工作原理1.3計算機的工作原理計算機的工作原理①運算器（ArithmeticUnit）也稱為算術(shù)邏輯部件（ALU，ArithmeticLogicUnit），是計算機中執(zhí)行各種算術(shù)運算和邏輯運算的部件。算術(shù)運算是指加、減、乘、除及它們的復合運算。而邏輯運算是指“與”“或”“非”等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計算機中，任何復雜運算都轉(zhuǎn)化為基本的算術(shù)與邏輯運算，在運算器中完成。②控制器（ControlUnit）是計算機的神經(jīng)中樞和指揮中心，是指揮整個計算機各功能部件協(xié)調(diào)一致動作的部件。它的基本功能是從內(nèi)存取指令和執(zhí)行指令?？刂破魍ㄟ^地址訪問存儲器、逐條取出指定單元指令，分析指令，并根據(jù)指令產(chǎn)生的控制信號作用于其他各部件來完成指令要求的工作。上述工作周而復始，保證了計算機能自動連續(xù)地工作。通常將運算器和控制器合起來稱為中央處理器（CPU，CentralProcessingUnit）。CPU是計算機硬件的核心部件，控制了計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。計算機的性能主要取決于CPU。1.3計算機的工作原理計算機的工作原理③存儲器（Memory）是計算機中具有記憶功能的部件，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。根據(jù)存儲器與CPU聯(lián)系的密切程度可分為主存儲器和輔助存儲器。④輸入設(shè)備（InputDevice）是用于將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機中的設(shè)備，其功能是將數(shù)據(jù)、程序及其他信息，從人們熟悉的形式轉(zhuǎn)化為計算機能夠識別和處理的形式輸入到計算機內(nèi)部，如鍵盤、鼠標等。⑤輸出設(shè)備（OutputDevice）是用來將計算機處理的結(jié)果進行表示的設(shè)備，其功能是將計算機內(nèi)部的二進制形式的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成人們所需要的或其他設(shè)備能接收和識別的信息形式，如顯示器、打印機等。1.3計算機的工作原理一臺計算機的指令系統(tǒng)按其功能可以分成以下5類。計算機中的五大部件每一個部件都有相對獨立的功能，分別完成各自不同的工作。五大部件是在控制器的控制下協(xié)調(diào)統(tǒng)一地進行如下工作。第一步：把表示計算步驟的程序和計算中需要的原始數(shù)據(jù)，在控制器輸入命令的控制下，通過輸

入設(shè)備送入計算機的存儲器存儲。第二步：當計算開始時，在取指令作用下把程序指令逐條送入控制器，控制器對指令進行譯碼，并根據(jù)指令的操作要求向存儲器和運算器發(fā)出存儲、取數(shù)命令和運算命令，經(jīng)過運算器計算并把結(jié)果存放在存儲器內(nèi)。第三步：在控制器的取數(shù)和輸出命令的作用下，通過輸出設(shè)備輸出計算結(jié)計算機的工作原理1.4計算機應(yīng)用技術(shù)展望1.4.1普適計算普適計算（UbiquitousComputing或PervasiveComputing），又稱為普存計算、普及計算，是一個強調(diào)和環(huán)境融為一體的計算概念，而計算機本身則從人們的視線里消失。在普適計算的模式下，人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。普適計算的核心思想是小型、便宜、網(wǎng)絡(luò)化的處理設(shè)備廣泛分布在日常生活的各個場所，計算設(shè)備將不只依賴命令行、圖形界面進行人機交互，而更依賴“自然”的交互方式，計算設(shè)備的尺寸將縮小到毫米甚至納米級。在普適計算的環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將廣泛普及。例如，在環(huán)保和交通等領(lǐng)域無線傳感器將無處不在，人體傳感器網(wǎng)絡(luò)也將大大促進健康監(jiān)控及人機交互等的發(fā)展。各種新型交互技術(shù)（如觸覺顯示、OLED等）將使交互更容易、更方便。普適計算1.4.2人工智能人工智能人工智能是運用知識來解決問題，模仿、延伸和擴展人的智能，從而實現(xiàn)機器智能，使計算機也具有人類聽、說、讀、寫、思考、學習、適應(yīng)環(huán)境變化、解決各種實際問題的能力，是研究用計算機模擬人的某些思維過程和智能行為的學科。人工智能的核心問題包括構(gòu)建能夠與人類相似甚至超卓的推理、知識、規(guī)劃、學習、交流、感知、使用工具和操控機械的能力等。當前有大量的工具應(yīng)用了人工智能，其中包括搜索和數(shù)學優(yōu)化、邏輯推演。而基于仿生學、認知心理學，以及基于概率論和經(jīng)濟學的算法等也在逐步探索當中。人工智能學科研究的主要內(nèi)容包括：機器翻譯、智能控制、專家系統(tǒng)、機器人學、語言和圖像理解、遺傳編程、自動程序設(shè)計、航天應(yīng)用、龐大的信息處理、存儲與管理，以及執(zhí)行生命體無法執(zhí)行的或復雜或規(guī)模龐大的任務(wù)等。值得一提的是，機器翻譯是人工智能的重要分支和最先應(yīng)用領(lǐng)域。1.4.2人工智能人工智能人工智能在計算機上實現(xiàn)時有兩種不同的方式。一種是采用傳統(tǒng)的編程技術(shù)，使系統(tǒng)呈現(xiàn)智能的效果，而不考慮所用方法是否與人或動物機體所用的方法相同。這種方法稱為工程學方法（EngineeringApproach），它已在一些領(lǐng)域內(nèi)做出了成果，如文字識別、計算機下棋等。另一種是模擬法（ModelingApproach），它不僅要看效果，還要求實現(xiàn)方法也和人類或生物機體所用的方法相同或類似。1.4.3云計算云計算云計算（CloudComputing）是分布式計算的一種，是指通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解成無數(shù)個小程序，然后通過多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進行處理和分析這些小程序得到結(jié)果并返回給用戶?？傊朴嬎悴皇且环N全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而是一種全新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概念，云計算的核心概念就是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，在網(wǎng)站上提供快速且安全的云計算服務(wù)與數(shù)據(jù)存儲，讓每一個使用互聯(lián)網(wǎng)的人都可以使用網(wǎng)絡(luò)上的龐大計算資源與數(shù)據(jù)中心。1.4.3云計算（1）支持異構(gòu)基礎(chǔ)資源云計算可以構(gòu)建在不同的基礎(chǔ)平臺之上，即可以有效兼容各種不同種類的硬件和軟件基礎(chǔ)資源。硬件基礎(chǔ)資源主要包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三大類設(shè)備，即計算（服務(wù)器）、存儲（存儲設(shè)備）和網(wǎng)絡(luò)（交換機、路由器等設(shè)備）；軟件基礎(chǔ)資源則包括單機操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫等。（2）支持資源動態(tài)擴展支持資源動態(tài)伸縮，實現(xiàn)基礎(chǔ)資源的網(wǎng)絡(luò)冗余，意味著添加、刪除、修改云計算環(huán)境的任一資源結(jié)點，抑或任一資源結(jié)點異常宕機，都不會導致云環(huán)境中的各類業(yè)務(wù)的中斷，也不會導致用戶數(shù)據(jù)的丟失。這里的資源結(jié)點可以是計算結(jié)點、存儲結(jié)點和網(wǎng)絡(luò)結(jié)點。而資源動態(tài)流轉(zhuǎn)，則意味著在云計算平臺下實現(xiàn)資源調(diào)度機制，資源可以流轉(zhuǎn)到需要的地方。云計算的可貴之處在于高靈活性、可擴展性和高性比等，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式相比，其具有如下優(yōu)勢與特點。1.4.3云計算（3）支持異構(gòu)多業(yè)務(wù)體系在云計算平臺上，可以同時運行多個不同類型的業(yè)務(wù)。異構(gòu)，表示該業(yè)務(wù)不是同一的，不是已有或事先定義好的，而應(yīng)該是用戶可以自己創(chuàng)建并定義的服務(wù)。（4）支持海量信息處理云計算，在底層，需要面對各類眾多的基礎(chǔ)軟/硬件資源；在上層，需要能夠同時支持各類眾多的異構(gòu)的業(yè)務(wù)；而具體到某一業(yè)務(wù)，往往也需要面對大量的用戶。由此，云計算必然需要面對海量信息交互，需要有高效、穩(wěn)定的海量數(shù)據(jù)通信/存儲系統(tǒng)作支撐。（5）按需分配，按量計費按需分配，是云計算平臺支持資源動態(tài)流轉(zhuǎn)的外部特征表現(xiàn)。云計算平臺通過虛擬分拆技術(shù)，可以實現(xiàn)計算資源的同構(gòu)化和可度量化，可以提供小到一臺計算機，多到千臺計算機的計算能力。按量計費起源于效用計算，在云計算平臺實現(xiàn)按需分配后，按量計費也成為云計算平臺向外提供服務(wù)時的有效收費形式。云計算的可貴之處在于高靈活性、可擴展性和高性比等，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式相比，其具有如下優(yōu)勢與特點。1.4.3云計算云計算云計算機的服務(wù)類型分為三類，即基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）。aaS（Infrastructure-as-a-Service）：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。消費者通過網(wǎng)絡(luò)可以從完善的計算機基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)，例如硬件服務(wù)器租用。PaaS（Platform-as-a-Service）：平臺即服務(wù)。PaaS實際上是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務(wù)，以SaaS的模式提交給用戶。因此，PaaS也是SaaS模式的一種應(yīng)用。但是，PaaS的出現(xiàn)可以加快SaaS的發(fā)展，尤其是加快SaaS應(yīng)用的開發(fā)速度，如軟件的個性化定制開發(fā)。SaaS（Software-as-a-Service）：軟件即服務(wù)。它是一種通過網(wǎng)絡(luò)提供軟件的模式，用戶無須購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理企業(yè)經(jīng)營活動。1.4.4物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)（IOT，IntemetofThings）是指通過信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)有其鮮明的特征。首先，它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。其次，它是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)。再次，物聯(lián)網(wǎng)不僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制。根據(jù)其實質(zhì)用途可以歸結(jié)為三種基本應(yīng)用模式：1.4.4物聯(lián)網(wǎng)①對象的智能標簽。通過二維碼、RFID等技術(shù)標識特定的對象，用于區(qū)分對象個體，例如在生活中使用的各種智能卡，條碼標簽的基本用途就是用來獲得對象的識別信息；此外，通過智能標簽還可以用于獲得對象物品所包含的擴展信息，例如智能卡上的金額余額，二維碼中所包含的網(wǎng)址和名稱等。②環(huán)境監(jiān)控和對象跟蹤。利用多種類型的傳感器和分布廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對某個對象的實時狀態(tài)的獲取和特定對象行為的監(jiān)控。例如，使用分布在市區(qū)的各個噪聲探頭監(jiān)測噪聲污染，通過二氧化碳傳感器監(jiān)控大氣中二氧化碳的濃度；通過GPS標簽跟蹤車輛位置，通過交通路口的攝像頭捕捉實時交通流程等。③對象的智能控制。物聯(lián)網(wǎng)基于云計算平臺和智能網(wǎng)絡(luò)，可以依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用獲取的數(shù)據(jù)進行決策，對對象的行為進行控制和反饋。例如，根據(jù)光線的強弱調(diào)整路燈的亮度，根據(jù)車輛的流量自動調(diào)整紅綠燈間隔等。1.4.5大數(shù)據(jù)1.大數(shù)據(jù)的定義大數(shù)據(jù)（BigData）是一個較為抽象的概念，正如信息學領(lǐng)域大多數(shù)新興概念一樣，至今尚無確切、統(tǒng)一的定義，不同的機構(gòu)和個人給出了不同的定義。國際數(shù)據(jù)公司（IDC，InternationalDataCompany）對大數(shù)據(jù)的定義為：大數(shù)據(jù)一般涉及兩種或兩種以上的數(shù)據(jù)形式。大數(shù)據(jù)研究機構(gòu)，全球領(lǐng)先的信息技術(shù)研究和咨詢公司高納德（Gartner）給出了這樣的定義：大數(shù)據(jù)是海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)，大數(shù)據(jù)需經(jīng)過成本效益高的、創(chuàng)新的信息處理模式處理，才能具有更強的決策能力、洞察力和流程優(yōu)化能力。維基百科全書的大數(shù)據(jù)定義：大數(shù)據(jù)是指無法在可容忍的時間范圍內(nèi)使用常用的軟件工具獲取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。亞馬遜公司的大數(shù)據(jù)科學家JohnRauser

給出了一個簡單的定義：大數(shù)據(jù)是任何超過了一臺計算機處理能力的數(shù)據(jù)量。這同樣是一個非常寬泛的定義。1.4.5大數(shù)據(jù)2.大數(shù)據(jù)的特征雖然不同的企業(yè)或個人對大數(shù)據(jù)都有著自己不同的解讀，但人們都普遍認為大數(shù)據(jù)具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)的真實性及低的價值密度五大特征，簡稱為大數(shù)據(jù)的5個V特征，即Volume、Velocity、Variety、Veracity和Value.Volume（海量）：數(shù)據(jù)體量巨大。這是指以秒為單位生成的數(shù)據(jù)量。Variety（多樣）：數(shù)據(jù)形態(tài)多樣、類別豐富。大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型豐富，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)占10%左右，主要是指存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)占90%左右。Velocity（高速）：數(shù)據(jù)產(chǎn)生和處理的速度快。通常，數(shù)據(jù)處理和分析的速度要達到秒級響應(yīng)。這是指數(shù)據(jù)生成、存儲、分析和移動的速度。Veracity（真實）：數(shù)據(jù)應(yīng)具有真實性。研究大數(shù)據(jù)就是從龐大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中提取出能夠解釋和預測現(xiàn)實事件的過程。Value（價值）：價值密度低，商業(yè)價值高。數(shù)據(jù)價值密度低是大數(shù)據(jù)關(guān)注的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的重要屬性。1.4.5大數(shù)據(jù)3.大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用大數(shù)據(jù)需要特殊的技術(shù)，適用于大數(shù)據(jù)的技術(shù)有大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、云計算平臺、互聯(lián)網(wǎng)以及可擴展的存儲系統(tǒng)等。大數(shù)據(jù)的分析不能采用隨機分析法（抽樣檢測）之類的捷徑，須采用對全部數(shù)據(jù)進行分析的方法，其特色在于對海量數(shù)據(jù)的挖掘，所以大數(shù)據(jù)必然無法用人腦來推算、估測，也是無法用單臺計算機進行處理的，而必須采用分布式的計算架構(gòu)，需依托于云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲和虛擬化等技術(shù)。從技術(shù)層面上看，大數(shù)據(jù)與云計算的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分，大數(shù)據(jù)的處理、分析和挖掘必須要使用云計算技術(shù)。研究大數(shù)據(jù)要善于從已有的數(shù)據(jù)中洞悉可能發(fā)生的事物以及事物間存在的隱蔽聯(lián)系。在各行各業(yè)中均存在大數(shù)據(jù)，人們需要將收集到的龐大數(shù)據(jù)進行整理、分析、歸納和總結(jié)后，方可揭示隱含在其中的規(guī)律，挖掘出其潛在的價值，從而實現(xiàn)信息資產(chǎn)的有效利用。謝謝觀看第二章計算機中的信息表示大學計算機 基于計算思維2.1信息與信息技術(shù)2.1.1信息與數(shù)據(jù)在計算機領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)是信息在計算機內(nèi)部的表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)可以在物理介質(zhì)上記錄或傳輸，并通過外圍設(shè)備被計算機接收，經(jīng)過處理得到結(jié)果。有時信息本身是已經(jīng)被數(shù)據(jù)化了的，所以數(shù)據(jù)本身也就具有了信息的含義。因此，在計算機領(lǐng)域信息處理（InformationProcessing）也稱為數(shù)據(jù)處理，信息檢索（InformationRetrieval）也稱為數(shù)據(jù)檢索。在計算機領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)是信息在計算機內(nèi)部的表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)可以在物理介質(zhì)上記錄或傳輸，并通過外圍設(shè)備被計算機接收，經(jīng)過處理得到結(jié)果。有時信息本身是已經(jīng)被數(shù)據(jù)化了的，所以數(shù)據(jù)本身也就具有了信息的含義。因此，在計算機領(lǐng)域信息處理（InformationProcessing）也稱為數(shù)據(jù)處理，信息檢索（InformationRetrieval）也稱為數(shù)據(jù)檢索。信息一般具有以下主要特性：2.1.1信息與數(shù)據(jù)①不滅性。信息與物質(zhì)、能量一樣，具有不滅性，但信息的不滅性與它們有本質(zhì)的區(qū)別。一條信息產(chǎn)生后，其載體（如書、磁盤等）可以變換，甚至可以被毀掉，但信息本身并沒有被消滅。信息的不滅性是信息的一大特點。②可傳遞性和共享性。一條信息復制為成千上萬條信息所用的費用十分低廉。盡管信息的創(chuàng)造可能需要很大的投入，但復制只需要載體的成本，所以可以大量地復制，廣泛地傳播，并可以共享。③知識性。信息能給觀察者以啟示，并從信息中獲得知識。2.1.1信息與數(shù)據(jù)④時效性。某些信息在此時可能價值非常高，但在彼時則可能一點價值也沒有。比如金融信息，在某一時刻，會非常有價值，但過了這一時刻，可能就會毫無價值。所以說，某些信息的價值是隨著時空的變化而快速變化的。⑥可處理性。信息可以被分析、計算、存儲，也可以轉(zhuǎn)換形態(tài)。信息經(jīng)過分析、計算處理后，實現(xiàn)信息的增值，可以更有效地服務(wù)于不同的領(lǐng)域。⑤依附性。信息不能獨立存在，必須借助于某種符號才能表現(xiàn)出來，而這些符號又必須記載于某種物體之上。2.1.2信息資源信息資源是信息與資源兩個概念整合衍生出的新概念。信息是事物的一種普遍屬性，資源是指自然界及人類社會中一切對人類有用的事物。信息資源與其他資源相比，具有可再生性和可共享性的特點。按對信息的開發(fā)使用程度，可以把信息資源分為潛在的信息資源和現(xiàn)實的信息資源兩大類。潛在的信息資源是指人類在利用感覺器官或各種儀器感知和接收信息后，經(jīng)過一系列思維活動，存儲在大腦中的知識。潛在的信息資源能夠為個人所利用，進行知識信息的再生產(chǎn)，但無法為他人直接利用。一旦經(jīng)過表述輸出，形成現(xiàn)實的信息資源，就可以被人們廣泛地利用，成為可無限再生的信息資源。信息一般現(xiàn)實的信息資源按照表述方式又可以分為口語信息資源、體語信息資源、實物信息資源、文獻信息資源、數(shù)字信息資源等：2.1.2信息資源①口語信息資源是指人類用口頭語言表達出來而未被記錄下來的信息資源，主要通過談話、授課、討論、演講、集會等方式進行傳播使之得到利用。②體語信息資源是指人類用表情、姿態(tài)、動作等方式表達出來的未被記錄下來的信息資源，它們通常依附于一定的文化背景，如舞蹈。體語信息資源同樣通過面對面的人際傳播方式得到傳播和利用。③實物信息資源是指人類通過創(chuàng)造性的勞動以實物形式表達出來的信息資源，如產(chǎn)品樣本、標本、模型、雕塑等?？梢酝ㄟ^參觀博覽會、博物館、展覽館、樣品室、標本室，實地調(diào)查等方式獲取相關(guān)信息。2.1.2信息資源⑤數(shù)字信息資源是指經(jīng)過數(shù)字化處理的，可以通過計算機系統(tǒng)或通信網(wǎng)絡(luò)等識別、傳遞、瀏覽的一種信息資源。④文獻信息資源是指人類用文字、數(shù)據(jù)、圖像、音頻、視頻等方式記錄在一定載體上的信息資源。只要這些載體不損壞或消失，文獻信息資源就可以跨越時空無限循環(huán)地為人類服務(wù)，如圖書、期刊、會議文獻、專利文獻、科技報告、標準文獻、學位論文、檔案文獻和政府出版物等。2.1.2信息資源

數(shù)字信息資源主要有數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)信息資源兩種形式：數(shù)據(jù)庫是按一定結(jié)構(gòu)存儲在計算機中的相關(guān)信息的集合。按照數(shù)據(jù)庫中所含信息的內(nèi)容可以分為：文獻書目數(shù)據(jù)庫、數(shù)值型數(shù)據(jù)庫、事實型數(shù)據(jù)庫、全文本數(shù)據(jù)庫、圖像數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等。網(wǎng)絡(luò)信息資源是指以數(shù)字化形式記錄的、以多種媒體形式表達的、分布式存儲在Internet不同主機上的，并能夠通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行傳遞的信息資源的集合。通過Internet查找和利用這些信息資源，是當今獲取信息的最主要途徑。2.1.3信息技術(shù)信息技術(shù)（IT，InformationTechnology）是指與信息的產(chǎn)生、獲取、處理、傳輸、控制和利用等相關(guān)的技術(shù)。這些技術(shù)包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新型元器件技術(shù)、光電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)等。其中，計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)是它的核心技術(shù)。隨著計算機的普及，信息技術(shù)在社會各行業(yè)中得到廣泛的滲透，顯示出它強大的生命力，它正在從根本上不斷地改變著人類社會的生產(chǎn)方式和生活方式。2.1.4信息化社會1993年美國首先提出了“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”的計劃，也稱“信息高速公路”。從此拉開了全球信息化的序幕。信息化（Informatization）是指信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟和社會各個領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮著主導的作用，并且作用日益增強，使經(jīng)濟運行效率、勞動生產(chǎn)率、企業(yè)核心競爭力和人民生活水平達到全面提高的過程。它以信息產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的比重、信息技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用程度和國家信息基礎(chǔ)建設(shè)水平為主要標志。信息化已成為推進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的助力器，信息化水平則成為一個城市或地區(qū)現(xiàn)代化水平和綜合實力的重要標志。因此，世界各國都把加快信息化建設(shè)作為國家的發(fā)展戰(zhàn)略。信息化給人類帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。2.1.4信息化社會信息成為重要的戰(zhàn)略資源信息產(chǎn)業(yè)上升最重要的產(chǎn)業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)成為社會的基礎(chǔ)施信息化社會具有以下征：2.2信息在計算機中的表示2.2.1數(shù)制按照進位的原則進行計數(shù)的數(shù)制稱為進位計數(shù)制，簡稱進制。日常生活中，除了采用十進制數(shù)，還有二十四進制（24小時為一天）、六十進制（60分鐘為1小時，60秒為1分鐘）、二進制（鞋、襪子等兩只為一雙）等。表示數(shù)值大小的數(shù)碼與它在數(shù)中的位置無關(guān)的數(shù)制稱為非進位計數(shù)制，如羅馬數(shù)字就是典型的非進位計數(shù)制。1.數(shù)制的概念數(shù)制（NumberingSystem）即表示數(shù)值的方法，有進位計數(shù)制和非進位計數(shù)制兩種。2.2.1數(shù)制①使用固定個數(shù)的數(shù)碼表示數(shù)值的大小。數(shù)碼的個數(shù)R稱為該數(shù)制的基數(shù)（Radix），最小數(shù)碼是0，最大數(shù)碼是R-1。數(shù)碼在一個數(shù)中所處的位置稱為數(shù)位。例如，十進制數(shù)（Decimal）的基數(shù)是10，使用0~9十個數(shù)碼；二進制數(shù)（Binary）的基數(shù)是2，使用0、1兩個數(shù)碼；八進制數(shù)（Octal）的基數(shù)是8，使用0~7八個數(shù)碼；十六進制數(shù)（Hexdecimal）的基數(shù)是16，使用0~9、a~f（或A~F）十六個數(shù)碼。進位計數(shù)制的基本特點如下：1.數(shù)制的概念②逢R進一。在各種進制中，有一套統(tǒng)一的規(guī)則。R進制的規(guī)則是逢R進1，例如，十進制數(shù)逢10進1，八進制數(shù)逢8進1，二進制數(shù)逢2進1，十六進制數(shù)逢16進1.2.2.1數(shù)制③采用位權(quán)表示法。表示數(shù)值大小的數(shù)碼與它在數(shù)中的位置有關(guān)，即與它所在位置的“權(quán)”值有關(guān)。位權(quán)值的大小是以基數(shù)R為底，以數(shù)碼所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪。比如，十進制整數(shù)部分的位權(quán)值從個位開始向左依次為10°，10'，102，…，十進制小數(shù)部分的位權(quán)值從小數(shù)點后第一位開始向右依次為103，102，…。例如，十進制數(shù)135.69按權(quán)展開可表示為：135.69=1×102+3×103+5×10°+6×103+9×102對于一個R進制的數(shù)A，A，…A，AA，.AηAA…它的按位權(quán)展開式的一般形式為A，×R"+A，xR°3++A，xR2+A；×R+A，×R°+AxR3+A，×R2+…+A_xR"數(shù)位、基數(shù)和位權(quán)是進位計數(shù)制中的3個要素。無論是什么進制的數(shù)，都按照基數(shù)來進位、借位，用位權(quán)值來計數(shù)。進位計數(shù)制的基本特點如下：1.數(shù)制的概念2.2.1數(shù)制2.數(shù)制的轉(zhuǎn)換R進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)非常簡單，只要寫出該進制數(shù)的按位權(quán)展開式，進行乘法和加法運算即可。例如：二進制數(shù)11010011=1x23+1×2°+0×23+1x2°+0×23+0×22+1x23+1x2°=（211）πo十六進制數(shù)a12￡.28=a×163+1×163+2×16'+f×16°+2×163+8×162=（41263.15625）ω除了用下標區(qū)別不同進制的數(shù)據(jù)，還可以在數(shù)據(jù)后加一個特定的字母來表示它所采用的進制。字母D表示數(shù)據(jù)為十進制數(shù)（也可以省略），字母B表示數(shù)據(jù)為二進制數(shù)，字母O表示數(shù)據(jù)為八進制數(shù)，字母H表示數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)。例如，1237.17D（十進制數(shù)1237.17）、211.211（十進制數(shù)211.211，省略了字母D）、1110.0011B（二進制數(shù)1110.0011）、456O（八進制數(shù)456）、234a.b5H（十六進制數(shù)234a.b5）。（1）R進制數(shù)轉(zhuǎn)換2.2.1數(shù)制2.數(shù)制的轉(zhuǎn)換將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進制數(shù)需對整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換。整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“除基數(shù)取余法”，即用基數(shù)R多次整除被轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)的整數(shù)部分，直到商為0，每次整除后所得的余數(shù)，按倒序排列便是對應(yīng)R進制數(shù)的整數(shù)部分，也就是說第一次整除基數(shù)所得的余數(shù)是該進制數(shù)的最低位，最后一次整除基數(shù)所得的余數(shù)是最高位。小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“乘基數(shù)取整法”，即用基數(shù)多次乘以被轉(zhuǎn)換的十進制數(shù)的小數(shù)部分，每次相乘后，所得乘積的整數(shù)部分按正序排列便是對應(yīng)R進制數(shù)的小數(shù)部分，也就是說第一次乘基數(shù)所得的整數(shù)部分是該進制數(shù)的最高位（小數(shù)點后第一位），最后一次是最低位。將一個十進制數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換后再組合，一個完整的轉(zhuǎn)換過程就完成了。（2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進制數(shù)2.2.1數(shù)制2.數(shù)制的轉(zhuǎn)換因為8=23、16=2°，也就是說，1個八進制數(shù)位等于3個二進制數(shù)位，1個十六進制數(shù)位等于4個二進制數(shù)位。因此，可以很容易地實現(xiàn)二進制數(shù)與八進制數(shù)、二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)，以小數(shù)點為分界點，左右每3位一節(jié)，不足3位以零補足。（3）二進制數(shù)與八進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換2.2.2計算機中的信息表示計算機是以二進制方式組織、存放信息的。這是因為二進制數(shù)只有0和1兩個數(shù)碼，對應(yīng)兩種狀態(tài)，用電子器件表示兩種狀態(tài)是很容易的（十進制數(shù)有10個數(shù)碼對應(yīng)10種狀態(tài)，用電子技術(shù)實現(xiàn)起來很困難），如電燈的亮和滅、晶體管的導通和截止、電壓的高和低等。如果用電子器件的這兩種狀態(tài)分別表示0和1，按照數(shù)位進制的規(guī)則，采用一組同類物質(zhì)可以很容易地表示出一個數(shù)據(jù)。另外，二進制數(shù)的運算規(guī)則很簡單，即0+0=0，0+1=1，1+1=10。這樣的運算很容易實現(xiàn)，在電子電路中，只要用一些簡單的邏輯運算元件就可以完成。再加上由于二進制數(shù)只有兩個狀態(tài)，所以數(shù)字的傳輸和處理不容易出錯，使計算機工作的可靠性得以提高。因此，在計算機內(nèi)部，一切信息（包括數(shù)值、字符、圖形、指令等）的存放、處理和傳送均采用二進制的形式。2.2.2計算機中的信息表示1.信息的存儲單位信息的存儲單位有位、字節(jié)和字等。在計算機內(nèi)，一個二進制的位也稱比特，記為bit或b。這是最小的信息單位，用O或1表示。由于1比特太小，無法用來表示出信息的含義，所以又引入了字節(jié)。字節(jié)也稱拜特，記為Byte或B（注意：這里B作為信息量大小的單位，不要與數(shù)的表示中表示為二進制數(shù)的B混淆），它是信息存儲中最常用的基本單位。在計算機中規(guī)定，1字節(jié)為8個二進制位（1B=8bit）。除字節(jié)外，還有千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB），拍字節(jié)（PB）。它們之間的換算關(guān)系是：1KB=1024B=23B1MB=1024KB=23KB=23B1GB=1024MB=2"MB=23KB=23B1TB=1024GB=2"GB=22MB=23KB=2*B1PB=1024TB=23TB=23GB=23MB=2*KB=23B2.2.2計算機中的信息表示1.信息的存儲單位對于不同類型的數(shù)據(jù)其編碼方式是不同的，編碼的方法也很多，一般都制定了相應(yīng)的國家標準或國際標準。如數(shù)值型數(shù)據(jù)的原碼、反碼、補碼編碼方案；西文字符的ASCII碼；漢字編碼的國標碼、機內(nèi)碼、字型碼等方案。因此，進入計算機中的各種數(shù)據(jù)，都必須先把它轉(zhuǎn)換成計算機能識別的二進制編碼。同樣，從計算機輸出的數(shù)據(jù)要進行逆向的轉(zhuǎn)換。信息轉(zhuǎn)換過程如圖2.1所示。2.3數(shù)值信息的編碼2.3.1帶符號整數(shù)的編碼1.原碼原碼最簡單，它就是機器數(shù)。其符號用0表示正號，用1表示負號，通常用［X表示x的原碼。注意，數(shù)字0的表示有兩種原碼形式：［+0］x=［+000000000000000］ε=0000000000000000［-0］ε=［-000000000000000］ε=1000000000000000原碼表示的數(shù)據(jù)范圍因字長而定，采用16位二進制原碼表示時，其真值的表示范圍為：［（23-1），+（23-1）］，即二進制的取值范圍為：［1111111111111111，0111111111111111］。例如（假設(shè)計算機用16位二進制碼表示數(shù)據(jù)）：［+1］x=［+000000000000001］==0000000000000001［-1］x［-000000000000001］ε=1000000000000001［+32767］ε=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］ε=［-111111111111111］ε=11111111111111112.3.1帶符號整數(shù)的編碼2.反碼反碼可以由原碼得到。反碼表示法規(guī)定：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼是對原碼除符號位以外的所有數(shù)位取反（0變1，1變0），通常用［X］表示x的反碼。例如（假設(shè)計算機用16位二進制碼表示數(shù)據(jù)）：［+1］a=［+000000000000001］a=0000000000000001［-1］a=［-000000000000001］α=1111111111111110［+32767］x=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］=［-111111111111111］x=1000000000000000注意，數(shù)字0的表示有兩種反碼形式：［+0］&=［+000000000000000］ε=0000000000000000［-0］x=［-000000000000000］ε=1111111111111111反碼表示的數(shù)據(jù)范圍因字長而定。采用16位二進制原碼表示時，其真值的表示范圍為：［-（23-1），+（2"-1）］，即二進制的取值范圍為：［1000000000000000，0111111111111111］.同樣，用反碼運算也不方便。2.3.1帶符號整數(shù)的編碼3.補碼補碼也可以由原碼得到。補碼表示法規(guī)定：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼由在其反碼的末位上加1得到，通常用［X表示x的補碼。例如（假設(shè)計算機用16位二進制碼表示數(shù)據(jù)）：［+1］ε=［+000000000000001］ε=0000000000000001［-1］s=［-000000000000001］ε=1111111111111111［+32767］w=［+111111111111111］ε=0111111111111111［-32767］n=［-111111111111111］ε=1000000000000001而對于數(shù)字0的補碼表示只有一種形式：［+0］x=［-0］，=0000000000000000補碼表示的數(shù)據(jù)范圍因字長而定，采用16位二進制補碼表示時，其真值的表示范圍為：［-2"，+23-1］，即二進制整數(shù)取補的取值范圍為：［1000000000000000，0111111111111111］.2.3.2帶符號實數(shù)的編碼數(shù)的定點表示法是指機器數(shù)中小數(shù)點的位置固定不變。定點表示法有定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種約定。定點整數(shù)約定小數(shù)點位置在機器數(shù)的最后一位之后。定點整數(shù)是用來表示純整數(shù)的，前面介紹原碼、反碼和補碼時，實際上約定的是純整數(shù)。定點小數(shù)約定小數(shù)點位置在符號位之后，定點小數(shù)是用來表示純小數(shù)的，即所有數(shù)均小于1。例如，字長為8位時，數(shù)據(jù)+22-1和-22的定點表示如圖2.2所示。1.定點表示法2.3.2帶符號實數(shù)的編碼2.浮點表示法數(shù)的浮點表示法是指機器數(shù)中小數(shù)點的位置是浮動的，浮點表示法類似科學計數(shù)法，任一數(shù)均可通過改變指數(shù)部分，使小數(shù)點位置發(fā)生變動。浮點數(shù)由兩部分組成：尾數(shù)部分和階碼部分。二進制數(shù)浮點表示法的一般形式是：N=22xM由此可見，浮點數(shù)是定點整數(shù)和定點小數(shù)的混合。假設(shè)機器字長為32位，其階碼占8位，尾數(shù)占24位，二進制數(shù)據(jù)0.00000011101011的M值為0.11101011，階碼E為-110，其浮點數(shù)表示如圖2.3所示。2.4文本信息的編碼2.4.1西文字符的編碼西文字符包括各種運算符號、關(guān)系符號、控制符號、字母和數(shù)字等。在計算機中廣泛應(yīng)用的西文字符編碼是ASCII碼（AmerieanNationalStandardCodeforInformationInterchange，美國國家信息交換標準碼）。ASCII碼采用1字節(jié)進行編碼，因此可以表示256種不同的字符。其中，二進制最高位為0的編碼稱為標準ASCII碼，是國際通用的，其范圍為0~127（00000000B~01111111B），共可以表示128個字符，包括52個英文大小寫字母、10個數(shù)字、34種控制字符、32個字符和運算符。2.4.2漢字的編碼1.定點表示法1.區(qū)位碼與漢字國標碼為了解決漢字的編碼問題，1981年我國國家標準局公布了國標GB231280漢字編碼字符集，在此標準中共收錄了7445個漢字及符號。其中，漢字6763個，漢字符號682個。在該標準的漢字編碼表中，漢字和漢字符號被分成了94個區(qū)和94個位，區(qū)、位的序號均為01~94。一個漢字的編碼由它所在的區(qū)號和位號組成，稱為區(qū)位碼。區(qū)位碼中規(guī)定，1~15區(qū)（其中有些區(qū)沒有被使用）為漢字符號區(qū)，包括西文字母、日文假名和片假名、俄文字母、數(shù)字、制表符及一些特殊的圖形符號。16~94區(qū)為漢字區(qū)。在漢字區(qū)中，按照漢字的使用頻度分為兩級：一級漢字3755個，依漢語拼音聲母順序排列（同音字再按筆畫順序排列），占用了16~55區(qū)；二級漢字3008個，按部首排列，占用了56~87區(qū)。2.4.2漢字的編碼1.區(qū)位碼與漢字國標碼這樣在區(qū)位碼表中，每一個字符可用4位十進制數(shù)唯一表示，而沒有重碼。但為了與標準ASCII碼兼容，將區(qū)碼和位碼分別加上十六進制數(shù)20H就構(gòu)成了漢字國標碼，如“啊”字的區(qū)位碼的十六進制數(shù)表示為1001H，而“啊”字的漢字國標碼則為3021H。漢字國標碼和區(qū)位碼的換算關(guān)系是：漢字國標碼漢字區(qū)位碼+2020H由于區(qū)位碼與漢字屬性之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，用戶難以記憶，所以區(qū)位碼一般用于輸入一些特殊符號。2.4.2漢字的編碼2.漢字機內(nèi)碼1.定點表示法漢字機內(nèi)碼是計算機內(nèi)部處理漢字信息時所用的漢字編碼，也稱漢字的內(nèi)碼。以GB231280國家標準為依據(jù)制定的漢字機內(nèi)碼也稱為GB2312碼，它和區(qū)位碼及漢字國標碼的換算關(guān)系是：漢字機內(nèi)碼=漢字區(qū)位碼+AOAOH=漢字國標碼+8080H與西文字符一樣，漢字在排序時也是根據(jù)它的編碼大小來確定的，即分在不同區(qū)里的漢字由機內(nèi)碼的第1字節(jié)的大小決定，在同一區(qū)中的漢字則由第2字節(jié)的大小來決定。由于漢字的內(nèi)碼都大于128，所以漢字無論是高位內(nèi)碼還是低位內(nèi)碼都大于ASCII碼（僅對GB2312碼而言）。機內(nèi)碼是漢字最基本的編碼，漢字機內(nèi)碼應(yīng)該是統(tǒng)一的，而實際上目前世界各地的漢字系統(tǒng)都還不相同。2.4.2漢字的編碼3.漢字輸入碼1.定點表示法輸入漢字使用的編碼稱為漢字輸入碼，也稱為漢字外部碼，簡稱外碼。它的作用是用鍵盤上的字母和數(shù)字來描述漢字。漢字輸入碼不是漢字在計算機內(nèi)部的表示形式，只是一種快速有效的輸入漢字的手段。不管采用什么漢字輸入方法，輸入的外碼到機器內(nèi)部都要轉(zhuǎn)換成機內(nèi)碼，才能被存儲和進行各種處理。2.4.2漢字的編碼計算機對漢字的輸入、保存和輸出過程為：在輸入漢字時，操作者在鍵盤上輸入輸入碼，通過輸入碼找到漢字國標碼，再計算出漢字的機內(nèi)碼后保存。而當顯示或打印漢字時，則首先從計算機內(nèi)取出漢字的內(nèi)碼，然后根據(jù)內(nèi)碼計算出漢字的地址碼，通過地址碼從漢字庫中取出漢字的字形碼，再通過一定的軟件轉(zhuǎn)換，將字形輸出到屏幕或打印機上，其轉(zhuǎn)換過程如圖2.4所示。4.漢字字形碼與漢字地址碼2.5女聲音和圖形圖像信息的編碼2.5女聲音和圖形圖像信息的編碼為了能對多媒體信息進行綜合處理，首先就要獲取各種媒體。而現(xiàn)實生活中媒體的物理形式是多種多樣的，比如，聲音的物理形式是聲波，圖像的物理形式是由二維或三維空間中連續(xù)變化的光和色彩組成的，它們都屬于模擬信號，在幅度和時間上是連續(xù)變化的。而在計算機內(nèi)部只能存儲和處理數(shù)字信號，是離散的。因此，多媒體信息必須轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息。多媒體信息的數(shù)字化過程一般包括3個階段：采樣、量化和編碼，如圖2.5所示。2.5聲音和圖形圖像信息的編碼采樣：就是按照一定的規(guī)律每隔一定時間間隔抽取模擬信號的值。量化：理論上采樣得到的樣本值可以是-∞~+∞之間的任意值，量化就是對樣本值進行離散化處理，即事先規(guī)定一組數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)按一定規(guī)則近似地表示一組相關(guān)采樣值。編碼：經(jīng)過量化后得到的數(shù)字信息，還必須按一定格式轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的二進制形式，才能在計算機中保存。用二進制形式表示量化值的過程稱為編碼。2.5.1聲音媒體的數(shù)字化聲音信號是典型的連續(xù)信號，不僅在時間上連續(xù)，而且在幅度上也是連續(xù)的。在時間上“連續(xù)”是指在一個指定的時間范圍里聲音信號的幅值有無窮多個，在幅度上“連續(xù)”是指幅度的數(shù)值有無窮多個。我們把在時間和幅度上都連續(xù)的信號稱為模擬信號。聲音通常用模擬波的形式來表示，有兩個基本參數(shù)：振幅和頻率。振幅反映了聲音的音量，頻率反映了聲音的音調(diào)。頻率在20Hz~20kHz的波稱為音頻波，頻率小于20Hz的波稱為次音波，頻率大于20kHz的波稱為超音波。常見聲音的頻率范圍如下。電話音頻：200~3400Hz。調(diào)頻廣播音頻：20Hz~15kHz。調(diào)幅廣播音頻：50Hz~7kHz.音頻信號是一種模擬信號，計算機不能直接處理，音頻信號必須先數(shù)字化，才能在計算機中進行處理。2.5.1聲音媒體的數(shù)字化采樣的對象是通過話筒等裝置轉(zhuǎn)換后得到的模擬電信號。采樣是每隔一定時間間隔（稱為采樣周期）在模擬波形上取一個電壓值（稱為樣本值）。采樣是對連續(xù)時間的離散化。采樣頻率越高，用采樣數(shù)據(jù)表示的聲音就越接近于原始波形，數(shù)字化音頻的質(zhì)量也就越高。常見的采樣頻率標準有44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz等。（1）采樣：1.音頻信號的數(shù)字化過程2.5.1聲音媒體的數(shù)字化用來量化的數(shù)字的二進制位數(shù)n稱為量化位數(shù)（上例的量化位數(shù)為3）