信息技術基礎課件：信息技術與計算機

1.1信息與信息技術1.2計算機歷史1.3計算機構成1.4二進制與編碼1.5物聯(lián)網(wǎng)與云計算等新技術1.1信息與信息技術1.1.1信息概述1.信息的概念(1)信息論創(chuàng)始人香農認為：信息是不確定量的減少，是用來消除隨機不確定性的東西，是指有新內容或新知識的消息，因此信息可以幫助人們消除認識上的不確定性。(2)控制論的奠基人維納則提出：信息就是信息，不是物質，也不是能量，它是區(qū)別于物質與能量的第三類資源。物質、能量和信息是構成世界的三大要素，是人類賴以生存的三種資源。(3)我國信息論專家鐘義信教授認為：信息是事物運動的狀態(tài)和方式，也就是事物內部結構和外部聯(lián)系的狀態(tài)和方式。(4)我國有些專家學者認為：信息是對事物運動的狀態(tài)和方式的表征，能夠消除認識上的不確定性。(5)也有專家學者認為：信息是指利用文字、符號、聲音、圖形、圖像等形式作為載體，通過各種途徑傳播的內容。2.信息的載體形式由于信息本身不是實體，因此必須通過一定的載體才能夠進行存儲、傳遞和表現(xiàn)。符號、文字、語言、圖形、圖像、視頻、音頻和動畫等都可以承載信息，是信息的載體形式，也是信息的常見表現(xiàn)形態(tài)。沒有無載體的信息，沒有載體便沒有信息。3.信息的傳播過程信息傳播過程主要有四個要素：信息、信息傳播者、信息傳播媒介和信息接收者。一個完整的計算機信息傳播過程應該包括：信息來源(Source)、編碼器(Encoder)、信息(Message)、解碼器(Decoder)和接收器(Receiver)。4.信息的接收方式人們接收信息的主要方式是通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等獲取信息。5.信息的基本特征(1)傳遞性。信息的傳遞打破了時間和空間的限制。(2)共享性。信息作為一種資源，通過交流可以在不同個體或者群體間共享。(3)依附性和可處理性。信息不能獨立存在，必須依附于一種或多種載體才能夠表現(xiàn)出來，為人們所接受，并按照某種需要進行處理和存儲。同一條信息可以依附于不同的載體。(4)價值相對性。同一條信息只能滿足某些群體在某些方面的需要，其價值是相對的。(5)時效性。信息不是一成不變的東西，它會隨著客觀事物的變化而變化，反映事物某一特定時刻的狀態(tài)(6)真?zhèn)涡?。人們接收到的信息并非都是對事物的真實反映，因此信息具有真?zhèn)涡浴４送?，信息還具有普遍性、不完全性等特征。6.獲取信息的基本過程確定信息需求→確定信息來源→采集信息→保存信息1.1.2信息技術概述1.信息技術的含義信息技術(InformationTechnology，IT)是指一切與信息的獲取、加工、表達、交流、管理和評價等有關的技術。目前，信息技術主要包括計算機技術、通信技術、傳感器技術、微電子技術等。2.信息技術的發(fā)展人類社會發(fā)展歷史上發(fā)生過五次信息革命。第一次革命是語言的產生和應用。第二次革命是文字的發(fā)明和應用。第三次革命是造紙術和印刷術的發(fā)明及應用。第四次革命是電報、電話、廣播、電視等電信技術的發(fā)明和應用。第五次革命是電子計算機和通信技術的應用。3.信息技術的發(fā)展趨勢(1)多元化。(2)網(wǎng)絡化。(3)多媒體化。(4)智能化。(5)虛擬化。4.信息技術的應用信息技術在日常生活、辦公、教育、科學研究、醫(yī)學保健、軍事等方面都有廣泛應用。CAE：計算機輔助工程；CAD：計算機輔助設計；CAT：計算機輔助測試；CAM：計算機輔助制造；CAI：計算機輔助教學。5.信息技術對社會的影響1)信息技術產生的積極影響(1)促進社會發(fā)展，創(chuàng)造新的人類文明。(2)推動科技進步，加速產業(yè)變革。(3)提高人們的生活質量和學習效率。2)信息技術帶來的消極影響(1)信息泛濫。(2)信息污染。(3)信息犯罪。(4)可能危害人們的身心健康。1.2計算機歷史.2.1計算機的誕生1946年2月14日，由美國軍方定制的世界上第一臺“電子數(shù)字積分計算機”(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，ENIAC)在美國賓夕法尼亞大學問世。ENIAC(埃尼阿克)如圖1.1所示，是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研制的，這臺計算機使用了18800個電子管，占地170m2，重達28000kg，功耗為150kW，每秒可執(zhí)行5000次加法或400次乘法運算，造價約487000美元。ENIAC的問世具有劃時代的意義，代表了電子計算機時代的到來。同一時期，賓夕法尼亞大學的電氣工程師約翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特在美國奧伯丁武器試驗場的彈道研究實驗室研制了EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)，即離散變量自動電子計算機。馮·諾伊曼以技術顧問身份加入，總結和詳細地說明了EDVAC的邏輯設計，1945年6月發(fā)表了一份長達101頁的報告，這就是著名的《關于EDVAC的報告草案》，報告提出的體系結構一直沿用至今，即馮·諾伊曼結構。可以說，EDVAC是第一臺現(xiàn)代意義上的通用計算機。和ENIAC不同，EDVAC首次使用了二進制，而不是十進制。整臺計算機共使用了約600個電子管和12000個二極管，功率為56W，占地面積45m2，重7850kg，使用時需要30名技術人員同時操作。EDVAC由5個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置。這種體系結構一直沿用至今，現(xiàn)在使用的計算機，其基本工作原理仍然是存儲程序和程序控制，所以一般被稱為馮·諾依曼結構計算機。鑒于馮·諾依曼在發(fā)明電子計算機中所起到關鍵性作用，他被西方人譽為“計算機之父”。1.2.2計算機的發(fā)展過程計算機的發(fā)展歷程，大體分為下面四個階段。1.第1代電子管計算機(1946—1958年)第1代計算機的邏輯元件采用了真空電子管，而主存儲器則采用了汞延遲線、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓、磁芯；其外存儲器則采用了磁帶。第1代計算機的軟件則采用了機器語言、匯編語言。第1代計算機具有體積大、功耗高、速度慢和價格昂貴等特點，主要用于軍事和科學計算中，為以后計算機的快速發(fā)展奠定了基礎。第1代典型計算機的具體說明如表1.1所示。2.第2代晶體管計算機(1958—1964年)第2代計算機的邏輯元件采用了晶體管，開始使用高級計算機語言和編譯程序，計算機系統(tǒng)初步成形，磁鼓和磁盤開始作為主要輔助存儲器。第2代計算機具有體積縮小、功耗降低、可靠性提高、運算速度提高等特點。其運行速度比第1代計算機提高了近百倍(一般為10萬次/秒，甚至可高達300萬次/秒)，被廣泛應用于科學計算和事務處理中，并開始進入工業(yè)控制領域。第2代典型計算機的具體說明，如表1.2所示。3.第3代集成電路計算機(1964—1970年)第3代計算機的邏輯元件采用了中、小規(guī)模的集成電路(MSI、SSI)，主存儲器仍采用磁芯。在軟件方面，則出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)以及結構化、規(guī)?；绦蛟O計方法。相對于前兩代計算機，第3代計算機體積更小、功耗更低、可靠性更高，而價格則進一步下降，目標偏向通用化、系統(tǒng)化和標準化等方向。第3代計算機形成了一定規(guī)模的軟件子系統(tǒng)，操作系統(tǒng)也日益完善，磁盤逐漸成為不可或缺的輔助存儲器，其應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。4.第4代大規(guī)模集成電路計算機(1970年至今)第4代計算機的邏輯元件采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(LSI和VLSI，運算速度顯著提高(一般為上千萬次/秒，甚至可高達十萬億次/秒)，同時具有微型化、功耗小和可靠性高的特點，開創(chuàng)了微型計算機的新時代。微型計算機又稱為微電腦或PC，是集成技術和半導體芯片集成高速發(fā)展的產物。它是由微處理器和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組裝而成的。微型計算機具有體積小、價格便宜、使用方便、運算速度大幅提高等特點。同時，這一時期還產生了新一代的程序設計語言以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡軟件等。隨著計算機中物理元器件的變化，計算機的外部設備也在不斷地變革。隨著時代的不斷發(fā)展，計算機會繼續(xù)朝著微型化、網(wǎng)絡化、人工智能化方向發(fā)展。第4代典型計算機的具體說明，如表1.3所示。1.3計算機構成1.3.1計算機硬件1.主機箱、中央處理器和主板計算機主機箱內的硬件主要包括主板、電源、中央處理器、隨機存取存儲器、顯卡、聲卡、硬盤。1)主板主板(Motherboard)又稱主機板、系統(tǒng)板、邏輯板、母板、底板等，是構成復雜的電子系統(tǒng)。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵和面板控制開關接口、指示燈插接件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件，如圖1.2所示。2)電源電源(見圖1.3)是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器(PowerSupply)，它提供計算機中所有部件所需要的電能。電源功率的大小、電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計算機的工作性能和使用壽命。3)中央處理器中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺計算機的運算核心和控制核心，如圖1.4所示。它的主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機程序中的數(shù)據(jù)。CPU主要包括運算器、高速緩沖存儲器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線。它與內部存儲器和輸入、輸出設備合稱為計算機三大核心部件。4)隨機存取存儲器隨機存取存儲器(RandomAccessMemory，RAM)是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內部存儲器，也叫主存(內存)，如圖1.5所示。它可以隨時讀寫，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介。這種存儲器在斷電時會丟失存儲內容，故主要用于存儲短時間使用的程序。按照存儲單元的工作原理，隨機存儲器又分為靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)和動態(tài)隨機存儲器(DRAM)兩種。5)顯卡顯卡(VideoCard)全稱為顯示接口卡，又稱為顯示適配器，是計算機最基本、最重要的配件之一，如圖1.6所示。顯卡作為計算機主機里的一個重要組成部分，是電腦進行數(shù)模信號轉換的設備，承擔輸出顯示圖形的任務。同時顯卡還具有圖像處理能力，可協(xié)助CPU工作，提高整體運行速度。對于從事專業(yè)圖形設計的人來說，顯卡非常重要。6)聲卡聲卡(SoundCard)也叫音頻卡，是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波、數(shù)字信號相互轉換的一種硬件，如圖1.7所示。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號進行轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等設備，或通過音樂設備數(shù)字接口(MID1)使樂器發(fā)出美妙的聲音。7)硬盤硬盤是電腦主要的存儲媒介之一，硬盤有固態(tài)硬盤(SSD)、機械硬盤(HDD)、混合硬盤(HHD)。SSD采用閃存顆粒來存儲，HDD采用磁性碟片來存儲，由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成，碟片外覆蓋有鐵磁性材料，如圖1.8所示。是把磁性硬盤和閃存集成到一起的一種硬盤。2.輸入/輸出設備輸入設備主要有鍵盤、鼠標、麥克風、攝像頭等，輸出設備主要有顯示器、音箱、打印機等。1)鍵盤鍵盤是最常用也是最主要的輸入設備，通過鍵盤可以將英文字母、數(shù)字、標點符號等輸入到計算機中，從而向計算機發(fā)出命令、輸入數(shù)據(jù)等，如圖1.9所示。2)鼠標鼠標是計算機的一種輸入設備，分為有線鼠標和無線鼠標兩種，也是計算機顯示系統(tǒng)橫縱坐標定位的指示器，因形似老鼠而得名“鼠標”，如圖1.10所示。3)麥克風麥克風是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件，由“Microphone”這個英文單詞音譯而來，也稱話筒、微音器，如圖1.11所示。4)攝像頭攝像頭(Camera或Webcam)又稱為電腦相機、電腦眼、電子眼等，如圖1.12所示。5)顯示器顯示器屬于計算機的輸出設備，它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具，如圖1.13所示。根據(jù)制造材料的不同，可分為陰極射線管顯示器(CRT)、等離子顯示器(PDP)和液晶顯示器(LCD)等。6)音箱音箱(見圖1.14)是整個音響系統(tǒng)的終端，其作用是把音頻電能轉換成相應的聲能，并把它輻射到空間去。它擔負著把電信號轉變成聲信號供人直接聆聽的任務。7)打印機打印機(Printer)是計算機的輸出設備之一，用于將計算機的處理結果打印在相關介質上，如圖1.15所示。衡量打印機好壞的指標有三項：打印分辨率、打印速度和打印噪聲。打印機的種類很多，按打印元件對紙張是否有擊打動作，分為擊打式打印機和非擊打式打印機兩種；按打印字符結構，分為全形字打印機和點陣字符打印機兩種；按一行字在紙上形成的方式，分為串式打印機和行式打印機兩種；按所采用的技術，分為柱形、球形、噴墨式、熱敏式、激光式、靜電式、磁式、發(fā)光二極管式等多種打印機。3.其他外部設備常用的計算機外部設備有光驅、存儲卡、U盤、移動硬盤等。1)光驅光驅是一種用于讀取光盤信息的設備，如圖1.16所示。因為光盤存儲容量大，價格便宜，保存時間長，適宜保存大量的數(shù)據(jù)。2)存儲卡存儲卡是用于手機、數(shù)碼照相機、便攜式電腦、MP3和其他數(shù)碼產品上的獨立存儲介質，一般是卡片的形態(tài)，故統(tǒng)稱為“存儲卡”，又稱為“數(shù)碼存儲卡”“數(shù)字存儲卡”“儲存卡”等，如圖1.17所示。存儲卡具有體積小巧、攜帶方便、使用簡單的優(yōu)點。3)U盤U盤全稱USB閃存驅動器，是一種無需物理驅動器的微型高容量移動存儲產品，通過USB接口與計算機連接，可實現(xiàn)即插即用，如圖1.18所示。U盤連接到計算機的USB接口后，即可與計算機交換資料。4)移動硬盤移動硬盤(Mobileharddisk)是以硬盤為存儲介質，與計算機之間交換大容量數(shù)據(jù)、強調便攜性的存儲產品，如圖1.19所示。移動硬盤多采用USB接口，可以較高的速度與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。1.3.2計算機軟件1.計算機操作系統(tǒng)1)操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是為了方便用戶管理和控制計算機軟、硬件資源的系統(tǒng)軟件(或程序集合)。從用戶角度看，操作系統(tǒng)可以看成對計算機硬件的擴充；從人機交互方式來看，操作系統(tǒng)是用戶與機器的接口；從計算機的系統(tǒng)結構看，操作系統(tǒng)是一種層次化、模塊結構的程序集合，屬于有序分層法，是無序模塊的有序層次調用。操作系統(tǒng)在設計方面體現(xiàn)了計算機技術和管理技術的結合。操作系統(tǒng)是軟件，而且是系統(tǒng)軟件。它在計算機系統(tǒng)中的作用，大致可以從兩個方面體現(xiàn)：對內，操作系統(tǒng)管理計算機系統(tǒng)的各種資源，擴充硬件的功能；對外，操作系統(tǒng)提供良好的人機界面，方便用戶使用計算機。操作系統(tǒng)在整個計算機系統(tǒng)中具有承上啟下的作用。2)操作系統(tǒng)的組成一般來說，操作系統(tǒng)由以下幾個部分組成。(1)進程調度子系統(tǒng)：決定哪個進程使用CPU，對進程進行調度、管理。(2)進程間通信子系統(tǒng)：負責各個進程之間的通信。(3)內存管理子系統(tǒng)：負責管理計算機內存。(4)設備管理子系統(tǒng)：負責管理各種計算機外部設備，主要由設備驅動程序構成。(5)文件子系統(tǒng)：負責管理磁盤上的各種文件和目錄。(6)網(wǎng)絡子系統(tǒng)：負責處理各種與網(wǎng)絡有關的東西。2.計算機應用軟件1)應用軟件的定義應用軟件是指為用戶的某種應用目的所編寫的軟件，是用戶可以使用的各種程序設計語言，以及用各種程序設計語言編制的應用程序的集合，分為應用軟件包和用戶程序。它可以拓寬計算機系統(tǒng)的應用領域，放大硬件的功能。2)常用應用軟件(1)辦公軟件：如微軟Office辦公軟件、WPSOffice等。(2)圖像處理軟件：如Adobe、PhotoShop、數(shù)碼大師、影視屏王等。(3)媒體播放器：如Realplayer、WindowsMediaPlayer、暴風影音、千千靜聽等。(4)媒體編輯器：如會聲會影、聲音處理軟件CoolEdit、視頻解碼器ffdshow等。(5)媒體格式轉換器：如MoyeaFLVtoVideoConverter、TotalVideoConverterWinaviVideoConverter.WinMPGVideoConvert.WinMPGIPodConvert.RealmediaEditor等。(6)圖像瀏覽工具：如ACDSee、2345看圖王、GooglePicasa、Xnview等。(7)截圖工具：如Snagit、EPSnap、HyperSnap等。(8)圖像/動畫編輯工具：如3Dmax、Fash、PhotoShop、GIFMovieGear、Picasa、光影魔術手等。(9)通信工具：如QQ、微信等。(10)編程/程序開發(fā)軟件：如JDK、VisualASM、MicrosoftVisualStudio2005等。(11)翻譯軟件：如PowerWord、Magicwin、Systran等。(12)防火墻和殺毒軟件：如金山毒霸、卡巴斯基、瑞星、諾頓、360安全衛(wèi)士等。(13)閱讀器：如CAJViewer、AdobeReader等。(14)輸入法：如搜狗、拼音加加、智能ABC、極品五筆等。(15)網(wǎng)絡電視：如PowerPlayer、PPLive、PPMate、PNV、PPStream、QQLive等。(16)系統(tǒng)優(yōu)化/保護工具：如Windows清理助手、Windows優(yōu)化大師、超級兔子、奇虎360安全衛(wèi)士、數(shù)據(jù)恢復文件EasyRecovery等。(17)下載軟件：如Thunder、WebThunder、BitComet、FlashGet等。除此之外，常用的軟件還有壓縮軟件WINRAR、虛擬光驅DAEMONTools、數(shù)學公式編輯軟件mathType、文本編輯器UltraEdit等。1.4二進制與編碼1.4.1二進制數(shù)在計算機內的表示1.帶符號二進制數(shù)的表示法任何信息在計算機內部都是用“0”和“1”的某種組合來表示的，所以數(shù)值的正負號也通過0和1加以區(qū)分。通常規(guī)定一個數(shù)的最高位作為符號位，該位不代表任何數(shù)值，僅用來表示該位的符號：用“0”表示“＋”，用“1”表示“－”。連同符號位一起作為一個數(shù)，稱為機器數(shù)，其原來的數(shù)值形式則稱為這個機器數(shù)的真值。在計算機的數(shù)字系統(tǒng)中，表示機器數(shù)的方法很多，目前常用的有原碼、反碼和補碼。1)原碼(TrueForm)原碼表示法又稱符號-數(shù)值表示法，用最高位表示數(shù)符，若為正數(shù)，符號位為“0”；若為負數(shù)，符號位為“1”；數(shù)值部分保持不變。2)反碼(One'sComplement)反碼的符號位表示法與原碼相同，即符號“0”表示正數(shù)，符號“1”表示負數(shù)。與原碼不同的是，反碼數(shù)值部分的形成和它的符號位有關。正數(shù)反碼的數(shù)值和原碼數(shù)值相同，而負數(shù)反碼的數(shù)值是原碼的數(shù)值按位求反。3)補碼(Two'sComplement)補碼的符號表示和原碼相同，“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。正數(shù)的補碼和原碼、反碼相同，就是二進制數(shù)值本身。負數(shù)的補碼是這樣得到的：將數(shù)值部分按位求反，再在最低位加“1”，即：補碼＝反碼＋1。計算機中對帶符號數(shù)一律用補碼表示，而且運算結果也是補碼，所以補碼最重要。由上可知：(1)正數(shù)的原碼、反碼、補碼，三者相同；(2)負數(shù)的原碼、反碼和補碼不同，但三者符號位都是1；(3)反碼與補碼只差1，因此只需將反碼加1，即得補碼。2.數(shù)的小數(shù)點表示1)定點小數(shù)的表示法定點小數(shù)，是指小數(shù)點準確固定在數(shù)據(jù)某個位置上的小數(shù)。從實際上看，都把小數(shù)點固定在最高數(shù)據(jù)位的左邊，小數(shù)點前邊再設一位符號位。按此規(guī)則，任何一個小數(shù)都可以被寫成N＝NSN-1N-2…N-m如果在計算機中用m＋1個二進制位表示上述小數(shù)，則可以用最高(最左)一個二進制位表示符號(如0表示正號，則1就表示負號)，而用后面的m個二進制位表示小數(shù)的數(shù)值。小數(shù)點不用明確表示出來，因為它總是定在符號位與最高數(shù)值位之間，已經(jīng)成為定論。定點小數(shù)的值的范圍很小，對于m＋1個二進制位表示的小數(shù)來說，其值的范圍為|N|≤1－2-m即小于1的純小數(shù)，這對用戶計算是十分方便的。在計算前，必須把要用的數(shù)通過合適的“比例因子”化成絕對值小于1的小數(shù)，并保證運算的中間數(shù)據(jù)和最終結果的絕對值也都小于1，在輸出真正結果時，還要把計算的結果按相應的比例加以擴大。定點小數(shù)表示法主要用在早期的計算機中，它最節(jié)省硬件。隨著硬件成本的大幅降低，現(xiàn)代通用計算機都被設計成能處理和計算多種類型數(shù)值的計算機。2)浮點小數(shù)的表示法浮點數(shù)，是指小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置可以左右移動的數(shù)據(jù)。它通常被表示成N＝M·RE這里的M(Mantissa)稱為浮點數(shù)的尾數(shù)，R(Radix)稱為階的基數(shù)，E(Exponent)稱為階的階碼。計算機中一般規(guī)定R為2、8或16，是一個常數(shù)，不需要在浮點數(shù)中明確表示出來。因此要表示浮點數(shù)，一是要給出尾數(shù)M，通常用定點小數(shù)形式表示，它決定了浮點數(shù)的表示精度，即可以給出的有效數(shù)字的位數(shù)。二是要給出階碼，通常用整數(shù)形式表示，它指出的是小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置，決定了浮點數(shù)的表示范圍。浮點數(shù)也要有符號位。在計算機中，浮點數(shù)通常表示成如下格式：Ms是尾數(shù)的符號位，安排在最高一位。E是階碼，緊跟在符號位之后，占用m位。M是尾數(shù)，在低位部分，占用n位。合理地選擇m和n的值是十分重要的，以便在總長度為1＋m＋n個二進制位表示的浮點數(shù)中，既保證有足夠大的數(shù)值范圍，又保證有所要求的數(shù)值精度。從上述討論可以看到，浮點數(shù)比定點小數(shù)和整數(shù)的使用更方便，上述值都無法直接用定點小數(shù)或整數(shù)表示，要受數(shù)值范圍和表示格式方面的限制，所以在計算機中引入浮點數(shù)的表示形式是非常必要的。1.4.2常用的信息編碼1.BCD碼BCD碼來自英文BinaryCodedDecimal的縮寫，簡稱二-十進制編碼，專門解決用二進制數(shù)表示十進制數(shù)的問題，它是采用若干位二進制數(shù)碼表示一位十進制數(shù)的編碼方案。二—十進制編碼方法很多，最常用的是8421編碼，8421碼和十進制數(shù)之間的轉換采用一種直接按位轉換，其方法是用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，而4位二進制數(shù)自左至右每一位對應的位權是23、22、21、20，即8、4、2、1。BCD碼用4位二進制數(shù)碼表示0～9的十進制數(shù)，如表1.4所示。BCD碼常用于IBM大型機中，多用于科學計算。2.ASCⅡ碼ASCⅡ碼是英文AmericanstandardCodeInformationInterchange的縮寫，意為“美國標準信息交換碼”，用于給西文字符編碼。這種編碼由七位二進制數(shù)組合而成，可以表示27＝128種編碼，其中包括：數(shù)碼0～9，26個大寫英文字母，26個小寫英文字母，以及各種運算符號、標點符號及控制命令等，詳見表1.5。由表1.5可知，ASCⅡ碼值的排列由小到大為空格、字符、數(shù)字、大寫英文字母、小寫英文字母，其中英文字母又按從A到Z依次增加的方式排列。通常，每個字符的ASCⅡ碼用一個字節(jié)(8位二進制碼)來存儲和表示，其最高位(即左端第一位)一般置“0”。而最高位置“1”的ASCⅡ碼，即碼值大于十進制數(shù)128的稱為擴展ASCⅡ碼，用于表示其他幾種西文文字和一些特殊符號。為了表示方便，一般不將某個字符的ASCⅡ碼直接書寫成二進制數(shù)碼，而用其對應的十進制或十六進制數(shù)表示。3.漢字編碼漢字處理系統(tǒng)對每種漢字輸入方法規(guī)定了漢字輸入計算機的代碼，即漢字外部碼(又稱輸入碼)，由鍵盤輸入漢字用的是漢字的外部碼。計算機識別漢字時，要把漢字的外部碼轉換成漢字的內部碼(漢字的機內碼)以便進行處理和存儲。1)漢字外部碼漢字的外部碼又稱輸入碼，簡稱外碼，由鍵盤輸入漢字時主要是輸入漢字的外碼，每一個漢字對應一個外部碼。2)漢字機內碼漢字機內碼簡稱內碼，是計算機內部存儲和處理漢字時所用的代碼。計算機處理漢字，實際上是處理漢字機內碼。不管用哪種漢字輸入碼將漢字輸入計算機，為了存儲和處理方便，都需要將各種輸入碼轉換成長度一致的漢字機內碼。一般用兩個字節(jié)表示一個漢字的內碼。對于英文DOS而言，機內碼是ASCⅡ碼，用一個字節(jié)表示一個字符。3)漢字交換碼漢字交換碼又稱國際碼。漢字信息在傳遞、交換中必須規(guī)定統(tǒng)一的編碼才不會造成混亂。目前國內計算機普遍采用的標準漢字交換碼是1981年我國根據(jù)有關國際標準規(guī)定的《信息交換用漢字編碼字符集——基本集》，即GB2312－1980，簡稱國際碼。交換碼采用二維表的形式列出，在此二維表中有94行、94列，其中行號叫區(qū)號，列號叫位號。漢字區(qū)位碼就是漢字實際所在的區(qū)號和位號組合在一起而得到的。4)漢字輸出碼漢字輸出碼又稱漢字字形碼或漢字發(fā)生器編碼，對漢字字形經(jīng)過點陣的數(shù)字化的一串二進制數(shù)稱為漢字輸出碼。漢字輸出碼的作用是輸出漢字。但漢字機內碼不能直接作為每個漢字輸出的字形信息，還需根據(jù)漢字機內碼在字形庫中檢索出相應漢字的字形信息后才能由輸出設備輸出。漢字字形點陣：漢字的字形稱為字模，以點陣表示。點陣中的點對應存儲器中的一位，對于16×16點陣的漢字，共有256個點，即256位。由于在計算機中，一個字節(jié)相當于8個二進制位，因此16×16點陣漢字需要2×16＝32個字節(jié)表示一個漢字的點陣數(shù)字信息(字模)。總之，點陣數(shù)越大，分辨率越高，字形越美觀，但是占用的存儲空間越大。漢字字庫：漢字字形數(shù)字化后，以二進制文件形式存儲在存儲器中，構成漢字字模庫。漢字字模庫又稱漢字字形庫，簡稱漢字字庫。漢字字庫分為軟字庫和硬字庫兩種。軟字庫的漢字字庫文件存儲在軟盤或硬盤中，需要時從它所在的磁盤上把字庫加載到內存中即可。軟字庫使用靈活、方便，但是需要占用一定的內存空間。硬字庫是指將字庫固化在漢卡中，用漢卡存儲漢字字庫，并將漢卡安裝在機器的擴展槽中。漢卡由ROM或RAM芯片制成，使用漢卡可提高訪問速度，節(jié)省存儲空間，但是漢卡的造價較高。如今，由于存儲容量的不斷擴大，一般用戶都是使用軟字庫。1.4.3計算機中幾個常用的術語1.數(shù)據(jù)數(shù)學上用到的數(shù)據(jù)是單純數(shù)值型的，即純數(shù)字，例如正數(shù)、負數(shù)，整數(shù)、小數(shù)、有理數(shù)、無理數(shù)等。而計算機中的數(shù)據(jù)概念和信息相同，它是指人們看到的影像和聽到的事實，經(jīng)過收集、加工整理成數(shù)據(jù)，從而構成了可供人們使用的信息。2.位位是指二進制中的一個位數(shù)：0或1，記為bit。3.字節(jié)計算機在存儲數(shù)據(jù)時，以8位二進制代碼為一個單元存放在一起，稱為一個字節(jié)，英文為byte，一般記作B，即1B＝8bit，它是計算機存儲數(shù)據(jù)的基本單位。4.字與字長在計算機中，作為一個整體參與運算、處理和傳送的一串二進制數(shù)，稱為一個字(Word)。組成該字的二進制數(shù)的“位數(shù)”，稱為字長。字長是計算機一次所能處理數(shù)據(jù)的實際位數(shù)，它決定了計算機處理數(shù)據(jù)的速率，是衡量計算機性能的一個重要指標，字長越長，計算精度越高，計算速度越快。字長通常是一個或若干個字節(jié)的倍數(shù)，也常用字長來區(qū)分計算機。5.存儲容量計算機的存儲容量用于衡量存儲器存儲能力的大小，用存儲的字節(jié)數(shù)來表示，常用的單位是字節(jié)(B)、千字節(jié)(KB)、兆字節(jié)(MB)、千兆字節(jié)(CB)、太字節(jié)(TB)，它們的換算關系如下：1B＝8bit1KB＝210B＝1024B1MB＝210×210B＝1024×1024B＝1024kB1GB＝210×210×210B＝1024×1024×1024B＝1024MB1TB＝210×210×210×210B＝1024×1024×1024×1024B＝1024GB6.指令與程序指令是指揮計算機執(zhí)行某種基本操作的命令。它是計算機能夠識別的一組二進制編碼，通常一條指令由兩部分組成：第一部分指出應該進行什么樣的操作，稱為操作碼；第二部分指出參與操作的數(shù)本身或它在內存中的地址，稱為操作數(shù)。程序：一條指令規(guī)定一種操作，由一系列有序的指令組成的集合稱為程序。1.5物聯(lián)網(wǎng)與云計算等新技術1.5.1物聯(lián)網(wǎng)1.物聯(lián)網(wǎng)概述在物聯(lián)網(wǎng)提出之初，其被描述為物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，可實現(xiàn)智能化識別與管理的形式。由于其核心特點在于物與物之間的廣泛互聯(lián)，且設備多樣、多網(wǎng)融合、感控結合等遠超互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍，故命名為物聯(lián)網(wǎng)。我們認為物聯(lián)網(wǎng)是一個以互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)等為載體，讓所有能夠獨立尋址的物理隊形實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。普通對象設備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務智能化為物聯(lián)網(wǎng)的三個重要特征。美國權威機構FORRESTER認為，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)將成為萬億級的產業(yè)，它將繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信設備之后成為社會經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和科技創(chuàng)新的基石。其遠景將遠遠超越計算機、互聯(lián)網(wǎng)等。比爾·蓋茨于1995年在《未來之路》里第一次提到了物聯(lián)網(wǎng)，但當時他未提出物聯(lián)網(wǎng)這一名詞，而是著重討論了物物互聯(lián)的問題，但是由于當時的無線網(wǎng)絡、硬件以及傳感設備的發(fā)展還未達到適合物聯(lián)網(wǎng)全球化運用的程度。3年后，美國麻省理工學院(MIT)提出了EPC系統(tǒng)，這對于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來說是跨世紀的突破。1年后，美國Auto-ID中心在物品編碼、RFID技術和互聯(lián)網(wǎng)的基礎上首次提出了物聯(lián)網(wǎng)概念。雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念在20世紀90年代就已經(jīng)提出了，但是近幾年才真正走入實際應用領域。國際電信聯(lián)盟(ITU)在2005年11月17日的信息社會世界峰會(WSIS)上發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。ITU在報告上強調物聯(lián)網(wǎng)時代即將來臨，以后世界上的物品都可以通過互聯(lián)網(wǎng)主動進行信息交換。除了ITU，歐洲智能系統(tǒng)集成技術平臺(EPoSS)在《物聯(lián)網(wǎng)2020》(《InternetofThingsin2020》)中也對物聯(lián)網(wǎng)的未來進行了預測。2009年，歐盟執(zhí)委會提出了物聯(lián)網(wǎng)行動方案，《InternetofThings—AnactionplanforEurope》，在行動方案中歐盟執(zhí)委會預測了物聯(lián)網(wǎng)技術應用的前景，并強調了物聯(lián)網(wǎng)管理的重要性，其次還需重視完善隱私和個人數(shù)據(jù)保護、提高物聯(lián)網(wǎng)的可信度、推廣標準化和開放式的創(chuàng)新環(huán)境、建立物聯(lián)網(wǎng)應用等。韓國通信委員會也于2009年制定了《物聯(lián)網(wǎng)基礎設施構建基本規(guī)劃》，該計劃建立在RFID/USN(傳感器網(wǎng))相關計劃上，著力于在RFD/USN應用和實驗網(wǎng)條件下建立世界上最先進的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施、發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務、研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術、營造物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境等。同年，日本政府IT戰(zhàn)略本部制定了新的信息化戰(zhàn)略——《I-Japan戰(zhàn)略2015》，該戰(zhàn)略著重強調到2015年，要讓數(shù)字信息技術融入社會每一個角落，特別是電子政務、醫(yī)療保健和教育人才3大核心領域，其次是激活產業(yè)和地域的活性、培養(yǎng)新產業(yè)并建設新的數(shù)字化基礎設施。我國對于互聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)也極其重視。2009年8月7日，時任國務院總理溫家寶曾在無錫發(fā)表重要講話，同時提出了“感知中國”的戰(zhàn)略構思，強調中國要抓住機遇、大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術。同年11月3日，溫家寶提出了《讓科技引領中國可持續(xù)發(fā)展》，著重強調了科學選擇新興戰(zhàn)略性產業(yè)的重要性，并且指出突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等關鍵技術迫在眉睫。2010年1月19日，時任全國人大常委會委員長吳邦國在參觀無錫物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)研究院時表示，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)是確保我國在新興產業(yè)的國際競爭中立于不敗之地的確定性因素。根據(jù)我國政府高層的一系列講話、報告和相關政策措施可知，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)已經(jīng)是我國戰(zhàn)略策略的重要一環(huán)。2.物聯(lián)網(wǎng)的主要特點1)感知識別的普適化2)聯(lián)網(wǎng)終端的規(guī)?；?)經(jīng)濟發(fā)展的跨越化4)異構設備的互聯(lián)化5)應用服務的鏈條化6)管理調控的智能化3.物聯(lián)網(wǎng)核心技術物聯(lián)網(wǎng)作為一種系統(tǒng)技術，非常復雜且形式多樣。根據(jù)其信息生成、傳輸、處理和應用的原則，一般可把物聯(lián)網(wǎng)分成4層：感知識別層、網(wǎng)絡構建層、管理服務層和綜合應用層。物聯(lián)網(wǎng)各層之間既相對獨立又緊密相連。在綜合應用層以下，同一層次上不同技術互為補充，以便物聯(lián)網(wǎng)可適用于不同環(huán)境，構成該層技術的全套應對策略。但是，不同層次則提供各種技術的配置和組合，根據(jù)應用需求再構成完整的解決方案?？傊瑧詰脼閷蜻M行技術選擇，根據(jù)不同的具體需求和環(huán)境選擇適合的感知技術、聯(lián)網(wǎng)技術和信息處理技術。4.物聯(lián)網(wǎng)應用前景物聯(lián)網(wǎng)有著廣泛的應用前景，目前已經(jīng)應用于如下領域中。1)智能物流2)智能交通3)綠色建筑4)智能電網(wǎng)5)環(huán)境監(jiān)測1.5.2云計算1.云計算概念云計算(CloudComputing)是在2007年才逐步被人們提及的新名稱，但是在不到半年的時間，其關注度就遠超很多其他的計算機用語且至今仍然炙手可熱。對于云計算是什么，學術界沒有給出明確的定義。國內比較普遍的認識是云計算是一種商業(yè)計算模型，它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使用戶能夠按需獲取計算力、存儲空間和信息服務，我們將這種資源池稱為“云”。具體來說，“云”是一些可以自我維護和管理的虛擬計算資源，最常見的是大型服務器集群，一般包括計算服務器、存儲服務器和寬帶資源等。云計算可以將信息資源集中起來，并且在專門的軟件幫助下進行自動管理。而云計算的核心概念為資源池，它與網(wǎng)絡計算池(ComputingPool)概念接近。網(wǎng)絡計算池第一次出現(xiàn)是在2002年，它是由計算和存儲資源虛擬一起任意組合分配構成的集合，池的規(guī)?？梢詣討B(tài)改變，也就是說分配給用戶的處理能力可以動態(tài)回收重用。這種新的計算模式可以提高資源利用率，同時可以提升平臺的服務質量。在這一點上“云”跟“池”是相似的，但之所以稱為“云”而不是沿用“池”，是因為“云”還具備一些“池”所沒有的特點?！霸啤痹谀承┓矫娓F(xiàn)實中的云具有相似的特征，比如云一般都比較大；云的規(guī)模是可以動態(tài)變化的，且邊界模糊；云在空中飄忽不定，沒有明確的位置，但是它確實存在。這是“云”之所以會為“云”的原因之一，它還有另外一個原因：云計算的鼻祖—Amazon公司在一開始將這種計算方式稱為“彈性計算云”(ElasticComputingCloud)，并取得了商業(yè)上的巨大成功。云計算是由并行計算(ParallelComputing)、分布式計算(DistributedComputing)和網(wǎng)格計算(GridComputing)等技術演化而來，是一種動態(tài)的、可擴展的計算模式，它將這些計算科學概念結合起來并進行商業(yè)實現(xiàn)。云計算混合了虛擬化(Virtualization)、效用計算(UtilityComputing)。云計算具有以下特點。1)超大規(guī)模2)可靠性高3)按需服務4)虛擬化5)伸縮性高6)通用性7)低成本2.云計算發(fā)展現(xiàn)狀因為云計算由多種技術混合發(fā)展而成，所以相對于物聯(lián)網(wǎng)，云計算的成熟度較高，再加上Google、Amazon、BM、微軟和Yahoo等大公司的大力推動，云計算的發(fā)展非常迅速。除了以上的先行者，在云計算領域還有眾多成功公司，如Vmware、Salesforce、Facebook、YouTube、MySpace等。按照服務類型，云計算可以分為3類：將基礎設施作為服務的IaaS、將平臺作為服務的PaaS和將軟件作為服務的SaaS。Amazon的云計算主要是為企業(yè)提供計算和存儲服務，為此Amazon研發(fā)了彈性計算云EC2和簡單存儲服務S3，其中收費的服務項目包括存儲空間、帶寬、CPU資源和月租費。存儲空間和帶寬的使用是按容量計費的，CPU資源的使用是根據(jù)運算量的時長來進行計費的，月租費則是跟電話月租費用類似。在不到兩年的時間里，Amazon的用戶就攀升至44萬人，其中大多數(shù)甚至是企業(yè)級的客戶。作為最大的云計算技術持有者，Google的搜索引擎建立在200多個站點以及超過100萬臺的服務器之上，而且這些設施的數(shù)量還在急速增長。GoogleDocs可以確保用戶的數(shù)據(jù)安全地保存在互聯(lián)網(wǎng)云端上的某一個位置，當用戶需要使用或是訪問這些數(shù)據(jù)時，他們只需要一個可以連接互聯(lián)網(wǎng)的終端，則在任何時間和地點都可以十分便利地使用或是分享這些數(shù)據(jù)。IBM推出的“藍云”平臺有“改變游戲規(guī)則”的突破性意義，其最大的特點是可以提供即買即用的云計算平臺。“藍云”計算平臺包含一系列自我管理與自我修復的虛擬云計算系統(tǒng)，這就提供了一個良好的環(huán)境使得全球的應用都可以訪問分布式的大型服務器池，并且保證了數(shù)據(jù)可以在類似于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下的鏡像運算。微軟作為軟件巨頭也未放棄在云計算中繼續(xù)發(fā)展他的軟件帝國。2008年10月，WindowsAzure操作系統(tǒng)正式面向公眾。Azure通過在互聯(lián)網(wǎng)上構架全新的云計算平臺，從而讓Windows有機會從PC延伸到“藍天”上。有全球第四代數(shù)據(jù)中心作為基礎的微軟全球基礎服務系統(tǒng)是Azure的底層基礎，其中包含220個集裝箱式數(shù)據(jù)中心，44萬臺服務器。在2010年10月召開的PDC大會上，微軟對外公布了WindowsAzure云計算平臺的未來藍圖。微軟指出，服務框架以單純的基礎架構為主的時代將成為過去，現(xiàn)在將以WindowsAzure作為服務平臺開發(fā)一套全新的工具、服務和管理系統(tǒng)。其主要目的是提供一個便捷的環(huán)境用于開發(fā)可用和可擴展的應用程序。微軟承諾將為WindowsAzure客戶推出更多新的功能，使得應用程序可以更為簡單地轉移到云中，而且增加可用服務為云托管的應用程序，充分體現(xiàn)出微軟“云”＋“端”戰(zhàn)略。在中國，云計算也是發(fā)展迅速。IBM于2008年先后在無錫和北京建立了兩個云計算中心；世紀互聯(lián)也為了提供互聯(lián)網(wǎng)主機服務和在線存儲虛擬化服務而推出名為CloudEx的產品線；中國移動研究院于2010年5月正式發(fā)布了“BigCloud”1.0，為此已經(jīng)建立了1024個CPU的云計算試驗中心；解放軍理工大學開發(fā)的云存儲系統(tǒng)Masscloud可以通過3G完成大規(guī)模視頻監(jiān)控應用和數(shù)字地球系統(tǒng)；Alibaba集團也為云計算技術的研究和開發(fā)專門成立阿里云公司，也為了大淘寶戰(zhàn)略而專門研制了分布式文件系統(tǒng)(TFS)；中國電信聯(lián)手EMC公司共同推出了“E云”——面向家庭和個人客戶的運營商級別的云信息服務。3.云計算挑戰(zhàn)擁有眾多優(yōu)勢的云計算也不是完全沒有缺陷，且其缺陷卻并非網(wǎng)絡技術就可以解決的。1)從平臺的角度來看云計算目前并沒有統(tǒng)一的標準，這就意味著不同的公司所搭建的平臺互不兼容且風格迥異。2)從計算的角度來看由PC和服務器所組成的計算資源池是云計算的主要管理對象，其中最主要的數(shù)據(jù)是松耦合型的數(shù)據(jù)。但是，由