1、一、计算机的发展、应用与组成(一) 计算机的发展与应用1.计算机的发展历程多年来，人们习惯于以计算机主机所使用的主要元器件为着眼点，把计算机的发展划分成为四代:第一代(约 19461957 年 )是电子管计算机的时代。其特征是采用电子管作为运算和逻辑元件，数据表示主要是定点数，用机器语言和汇编语言编写程序，主要用于科学和工程计算。第二代(约 19581964 年 )是晶体管计算机的时代。其特征是用晶体管代替电子管作为运算和逻辑元件，软件方面出现了 FORTRAN、ALGOL 和 COBOL 等高级程序设计语言，除了科学计算之外，计算机被广泛应用于数据处理领域，同时还开始用于过程控制。第三代(约
2、 19651970 年 )是中、小规模集成电路计算机时代。其特征是用集成电路代替了分立元件，用半导体存储器取代了磁心存储器，软件方面，操作系统日益成熟，多道程序、并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件的发展，大大提高了计算机的性能。这一时期计算机在科学计算、数据处理、过程控制等领域都得到了更加广泛的应用。第四代(约 1971 年开始)是大规模集成电路和超大规模集成电路计算机时代。其特征是以大规模集成电路 LSI(Large Scale Integration)和超大规模集成电路 VLSI(Very Large Scale Integration) 作为计算机的主要功能部件;软件
3、方面发展了数据库系统、分布式操作系统、网络软件等;特别是 80 年代个人计算机的出现，以及 90 年代计算机网络的迅猛发展，使计算机应用领域进一步向纵深发展。学术界和工业界已不再沿用“第 X 代计算机”的说法。人们正在研究开发的新一代计算机系统，主要着眼于机器的智能化，它以知识处理为基础，具有智能接口，它可以模拟或部分替代人的智能活动，并具有自然的人机通信能力。2.计算机的发展趋势(1)计算机的处理速度不断提高(2)计算机体积不断缩小(3)计算机的价格将持续下降(4)计算机的信息处理功能走向多媒体化(5)计算机与通信相结合，计算机应用进入“网络计算时代 ”网络计算的应用模式对计算机、网络、乃至
4、整个信息社会，将产生巨大的深远的影响。3.计算机的应用按照传统的说法，计算机的应用可以归纳为下述几个主要方面:(1)科学计算(2)数据处理(3)自动控制(4)计算机辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)(5)智能模拟近几年来，随着计算机性能/价格比的迅速提高，光纤通信技术的飞速发展，计算机网络的逐步成熟，数据库应用的不断普及，许多发达国家竞相建设各种形式的信息基础设施，有效地开发利用信息资源，加快推进社会的信息化进程。我国是发展中国家，工业化、信息化水平还不高，我们要面对挑战，不失时机地推进信息化进程，用信息化促进现代化，提高综合国力，参与世界竞争。(二) 计算机的组成与分类1.计算机的组成计算
5、机硬件指有形的物理设备，是计算机系统中所有实际物理装置的总称，可以是电子的、电磁的、机电的或光学的元件/装置或者由它们所组成的计算机部件。例如，计算机的处理器芯片、存储器芯片、底板(母板) 、各类扩充板卡、机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、软盘、硬盘等都是计算机的硬件。计算机软件指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档，其中程序是让计算机硬件完成特定功能的指令序列，数据是程序处理的对象。软件是计算机系统中不可缺少的组成部分。(1)中央处理器(CPU)处理器主要由运算器和控制器两部分组成。运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算，它也称为执行单元。控制器是指挥中心，它能解释指令的含义，控制运算
6、器及其他部件的工作，记录内部状态等。另外，为了暂存运算的中间结果，处理器中还包含几十个甚至上百个“寄存器” ，用来临时存放正在处理的数据。大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都能集成在一块半导体芯片上，这样的处理器称为“微处理器” 。例如 Intel 公司的 Pentium(奔腾) 处理器。一台计算机中可能包含多个微处理器，它们各有不同的任务。其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，它是任何一台计算机必备的核心部件。常用的 PC 机，其 CPU 仅由一个处理器组成，为了提高计算机的速度， CPU 也可以由2
7、个、4 个、8 个甚至几百个、几千个处理器组成，这种具有多个处理器同时执行程序的计算机系统称为多处理器系统。依靠多个处理器并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向，称为“并行处理” 。(2)主存储器和辅助存储器计算机中的存储器分为两大类:主存储器(简称主存)和辅助存储器( 简称辅存)。主存是存取速度快而容量相对较小(因容量太大，成本将十分昂贵) 的一类存储器，辅存则是存取速度较慢但容量很大的一类存储器。主存储器也称为内存储器(简称内存) ，它直接与 CPU 相连接，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存内。CPU 工作时，所执行的指令及操作数都是从主存中取出的，处
8、理的结果也存放在主存中。辅助存储器也称为外存储器(简称外存) ，其存储容量很大，存放着计算机系统中几乎所有的信息。计算机执行程序和加工处理数据时，辅存中的信息需要先传送入主存后才能被 CPU 使用。(3)输入/输出设备输入/输出设备简称 I/O(Input/Output)设备，这些设备是计算机与外界(人或其他设备，包括另一台计算机)联系和沟通的桥梁，用户通过输入 /输出设备与计算机系统互相通信。输入是把信息送入计算机的过程。输入设备是指用户能向计算机输入信息的设备。输出是从计算机送出信息的过程。输出设备一般是指能从计算机中输出可直接识别的信息的设备。由于有机械传动或物理移位等动作过程，相对而言
9、，输入/输出设备是计算机系统中运转速度最慢的部件。(4)总线这是所说的总线指的是“系统总线”(也称为“底板总线”) ，它是 CPU、存储器与各类 I/O 设备控制器之间相互交换信息的一组公用的信号线。系统总线上有 3 类信号:数据信号、地址信号和控制信号，负责传输这些信号的线路分别称为数据线、地址线和控制线，协调与管理计算机各部件通过总线传输信息还需要一个总线控制器。2.计算机的分类计算机的分类有两种。一种是按其内部逻辑结构进行分类，如单处理机与多处理机(并行机)、16 位机、32 位机或 64 位计算机等。另一种是按计算机的性能和作用进行分类。1989 年 11 月 IEEE 提出一个分类报
10、告，它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用，考虑到计算机分类的演变过程和可能的发展趋执，把计算机分成 6 大类。(1)巨型计算机(Supercomputer)(2)小巨型机(Mini Supercomputer)(3)主机(Mainframe)(4)超级小型计算机(Super Minicomputer)(5)工作站(Workstation)(6)个人计算机(Personal Computer)由于计算机联网使用日益广泛，许多计算机应用系统设计成为基于计算机网络的客户机/服务器模式(Client/Server)。在这种系统中，巨型机、小巨型机、主机均可作为系统的服务器使用，超级小型机及高档工作
11、站则可用作部门级服务器，个人计算机和低档工作站则用作客户机，它们直接面向用户，通过联网共享后台服务器的数据资源和计算机资源。鉴于客户机/服务器系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大、网络通信能力强、可靠性好，运行网络操作系统，性能/价格比高。其中有一类是由高档 PC 机提升而成的，称为 PC 服务器，很适合中小部门的计算机应用系统使用。3.微处理器和 PC 机微处理器(Microprocessor)简称 P 或 MP，通常是指以单片大规模集成电路制成的具有运算和控制功能的处理器。如果把处理器、存储器、输入/输出接口电路等都集成在单块芯片上，则称
12、之为单片计算机，也叫单片机，它们多半应用于嵌入方式的场合(如智能仪表、智能玩具)。1992 年 Intel 公司研制成 Pentium 微处理器是 PC 机世界中最重要的事件。Pentium 微处理器与 80486 完全兼容，它采用 0.8m 的 BiCMOS 工艺，在一个芯片上集成了 310 万个晶体管，封装在 273 个引脚的 PGA 包装内。Pentium 微处理器的地址总线为 36位，同时也支持 64 位物理地址空间，数据总线 64 位，内部有两个定点流水线和一个浮点流水线运算器，采用两个相互独立的可以同时访问的指令和数据超高速缓存，时钟频率可以是 120MHz、 133MHz、150
13、MHz、166MHz、200MHz ，运算速度已超过 100MIPS。近 10 年来，微处理器和 PC 机又有了新的发展，例如 Intel 公司先后推出了 Pentium MMX(多能奔腾)、Pentium Pro(高能奔腾)和 Pentium II、Pentium III、Pentium IV 微处理器，以这些芯片为 CPU 的 PC 机，时钟频率更高，处理速度更快，不但能高速处理数值和字符信息，而且更加适合于三维图形显示、语言识别及视频信号压缩等多媒体信息处理方面的应用，使 PC 机的性能又提高到了一个新的水准。4.PC 机的性能参数测量一台 PC 机的性能是极为复杂的任务，它与 PC 机
14、的硬件、软件及处理对象都有密切的关系。从硬件的角度来说，PC 机的主要性能参数包括 :(1)CPU 字长(2)CPU 速度(3)主存容量与速度(4)Cache 存储器性能(5)硬盘存储器性能(6)系统总线的传输速率(7)系统的可靠性(三)PC 机软件1.软件的功能与分类PC 机软件与一般计算机软件没有本质的区别，它的功能主要有 4 个方面:(1)对计算机硬件资源进行控制与管理，提高计算机资源的使用效率，协调计算机各组成部分的工作(操作系统)。(2)向用户提供尽可能方便、灵活的计算机操作使用界面( 操作系统)。(3)为专业人员提供开发计算机应用软件的工具和环境( 软件工具与环境)。(4)为用户完
15、成特定应用的信息处理任务( 应用软件)。软件的分类有多种。粗略地分，可以把软件区分为两个大类:系统软件与应用软件。2.系统软件系统软件中最重要的是操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、实用程序与工具软件等。3.通用应用软件流行的通用应用软件大致可分为:文、表、图、网、统计等几大类。下表列出了有代表性的通用应用软件， 有代表性的通用应用软件分 类 名称文字处理 WPS，Word，Wordperfect，Amipro，PageMaker 电子表格 Excel，Lotus123，绘图软件 Paintbrush，AutoCAD，Photoshop ，CorelDraw，网络通信 Outlook Ex
16、press，Internet Explorer， FTP，简报软件 PowerPoint，Show Partner，统计软件 SPSS， SAS，BMDP ，二、二进制及数值信息的表示和运算(一) 二进制1.什么是二进制二进制的基数是“2” ，它只使用两个不同的数字符号，即 0 和 1，而且二进制数是“逢二进一” 。2.二进制数的运算对二进制数有两种不同类型的运算处理:算术运算和逻辑运算。3.不同进位制数之间的转换十进制整数转换成二进制整数可以采取“除以 2 取余法” 。十进制小数转换成二进制小数，可以采取“乘以 2 取整法” ，把给定的十进制小数不断乘以 2，取乘积的整数部分作为二进制小数的
17、最高位，然后把乘积小数部分再乘以 2，取乘积的整数部分，得到二进制小数的第二位，重复上述过程，就可以得到希望的位数，有时得到的是近似值。八进制数转换成二进制数的方法很简单，只要把每一个八进制数字改写成等值的 3 位二进制数即可，且保持高、低位的次序不变。八进制数字与二进制数的对应关系如下:(0)8 =000 (1)8 =001 (2)8 =010 (3)8 =011(4)8 =100 (5)8 =101 (6)8 =110 (7)8 =111十六进制数转换成二进制数的方法与八进制数转换成二进制数的方法类似，只要把每一个十六进制数字改写成等值的 4 位二进制数即可，且保持高、低位的次序不变。十六
18、进制数字与二进制数的对应关系如下:(0)16 =0000 (1)16 =0001 (2)16 =0010 (3)16 =0011(4)16 =0100 (5)16 =0101 (6)16 =0110 (7)16 =0111(8)16 =1000 (9)16 =1001 (A)16 =1010 (B)16 =1011(C)16 =1100 (D)16 =1101 (E)16 =1110 (F)16 =1111二进制数转换成八进制数，整数部分从低位向高位方向每 3 位用一个等值的八进制数来替换，最后不足 3 位时在高位补 0 凑满 3 位;小数部分从高位向低位方向每 3 位用一个等值的十六进制数来
19、替换，最后不足 3 位时在低位补 0 凑满 3 位。二进制数转换成十六进制数，整数部分从低位向高位方向每 4 位用一个等值的十六进制数来替换，最后不足 4 位时在高位补 0 凑满 4 位;小数部分从高位向低位方向每 4 位用一个等值的十六进制数来替换，最后不足 4 位时在低位补 0 凑满 4 位。二进制数与八进制数、十六进制数有很简单、直观的对应关系。二进制数太长，书写、阅读、记忆均不方便; 八进制、十六进制却像十进制数一样简练，易写易记。必须注意，计算机中只使用二进制一种计数制，并不使用其他计数制，但为了开发程序、调试程序、阅读机器内部代码时的方便，人们经常使用八进制或十六进制来等价地表示二
20、进制，所以大家也必须熟练地掌握八进制和十六进制。4.二进制信息的计量单位二进制的每一位(即“0” 或“1”) 是组成二进制信息的最小单位，称为 1 个“比特”(bit)，或称 “位元” ，简称“位” ，一般用小写的字母“b”表示。比特是计算机中处理、存储、传输信息的最小单位。另一种稍大些的二进制信息的计量单位是“字节”(Byte)，也称“位组” ，一般用大写字母“B”表示。一个字节等于 8 个比特。在信息处理系统中，使用各种不同的存储器来存储二进制信息时，使用的度量单位是比字节或字大得多，经常使用的单位有:“千字节”(KB)，1KB=2 10 字节=1024B“兆字节”(MB)，1MB=2 2
21、0 字节=1024KB“吉字节”(GB)，1GB=2 30 字节=1024MB(千兆字节 )“太字节”(TB)，1TB=2 40 字节=1024GB( 兆兆字节)在网络中传输二进制信息时，由于是一位一位串行传输的，传输速率的度量单位与上述单位有所不同，且使用的是十进制。经常使用的速度单位有:“比特/秒”(b/s)，有时也称“bps” 。如 2400bps(2400b/s)，9600bps(9600b/s) 等。“千比特/秒”(kb/s)，1kb/s=10 3 比特/ 秒=1000b/s“兆比特/秒”(Mb/s)，1Mb/s=10 6 比特/ 秒=1000kb/s“吉比特/秒”(Gb/s)，1G
22、b/s=10 9 比特/秒=1000Mb/s“太比特/秒”(Tb/s) ，1Tb/s=10 12 比特/ 秒=1000Gb/s在计算机内部对二进制信息进行运算和处理时，使用的单位除了位(比特) 和字节之外，还经常使用“字”作为单位。以 80x86 或 Pentium 微处理器为例，处理器可直接进行操作处理的数据单位有 5 种: 位(dit) 、字节(Byte)、字(Word)、双字(DoubleWord)和四字(QuadWord)。(二) 数值信息在计算机内的表示1.整数(定点数)的表示整数不使用小数点，所以它也叫做“定点数” 。计算机中的整数分为两类:不带符号的整数(Unsigned Int
23、eger) ，带符号的整数 (Signed Integer)。不带符号的整数常用于表示地址等正整数，它们可以是 8 位、16 位甚至 32 位。8个二进位表示的正整数其取值范是 0255(2 8 -1)，16 个二进位表示的正整数其取值范是065535(2 16 -1) ，32 个二进位表示的正整数其取值范是 02 32 -1。带符号的整数必须使用一个二进位作为其符号位，一般总是最高位(最左面的一位) ，“0”表示“+” (正数)， “1”表示“-”( 负数)，其余各位则用来表示数值的大小。为了内部运算处理方便，负整数在计算机内不止一种表示方法。上面的表示法称为“原码” ，另外的两种方法分别叫
24、做“反码”和“补码” 。负数使用反码表示时，符号位仍为“1” ，但绝对值部分却正好与原码相反(“0”变为“1” ， “1”变为“0”)。负数使用补码表示时，符号位也是“1” ，但绝对值部分却是反码的个位加“1”后所得到的结果。注意:正整数无论采用原码、反码还是补码表示，其编码都是相同的，并无区别。还有一种整数也经常在计算机内使用，称为“二进制编码的十进制”整数(Binary Coded Decimal，简称 BCD 整数) ，它使用 4 个二进位表示 1 个十进制数字，符号的表示仍与上相同。2.实数(浮点数)的表示实数也叫浮点数，因为它的小数点位置不固定。一个实数总可以表达成一个纯小数和一个乘
25、幂之积。任意一个实数，在计算机内部都可以用“指数”(这是整数) 和“尾数”(这是纯小数)来表示，这种用指数和尾数表示实数的方法叫做“浮点表示法” 。所以，在计算机中实数也叫做“浮点数” ，而整数则叫做“定点数” 。由于指数可以选用不同的编码(原码、补码等) ，尾数的格式和小数点位置也可以有不同规定，因此，浮点数的表示方法不是惟一的。不同计算机可以有不同的规定，这就引起了相互间数据格式的不兼容性。为此，美国电气与电子工程师协会(IEEE)制订了有关浮点数表示的工业标准 IEEE754，已被当代所有各类处理器采用。浮点数的长度可以是 32 位、64 位甚至更长，位数越多，可表示的数值的范围越大，精
26、度也越高。(三) 整数的性质和运算1.整数补码表示的数学意义无符号二进制整数的原码，其编码与数值之间的关系如下。设 K n Kn-1 K1 K0 是一个无符号二进制整数，S 是它相应的十进制数值，则S=Kn 2 n +Kn-1 2n-1 + +K1 21 +K0 2 0其中的 Kj(j=n，n-1，1，0)只能为 0 或 1，Kn 是最高位，K0 是最低位(个位)。Kn Kn-1 K1 K0 用来表示带符号整数时，Kn 是符号位，Kn-1 K1 K0 则为数值位。若 Kn Kn-1 K1 K0 表示的是原码编码的整数，则十进制数值 S 与编码的关系是:S=Kn-1 2n-1 +K12 1 +K
27、0 2 0 (当 Kn =0)S=-(Kn-1 2 n-1 +K 1 2 1 +K0 20 )(当 Kn =1)但是，如果 Kn n-1 K1 K0 表示的是补码编码的整数时，不论符号位 K n 如何，十进制数值 S 与编码的关系可以统一地表示成为:S=Kn (-2n )+Kn-1 2n-1 +K1 21 +K0 20 采用补码表示的 n 位二进制带符号整数的有效范围是: -2n-1 S2n-1 -1计算机在整数运算过程中，若结果超出此允许范围，则称为发生“溢出” 。2.整数的算术、逻辑运算(1)不同长度整数之间的转换一般而言，短整数可以转换成长整数表示，而反过来却不行。短整数转换成长整数表示
28、的方法是:把符号位向左扩充至所需要的长度为止。(2)整数的变号操作所谓“变号操作”是指将该整数变成绝对值相同但符号相反的另一个整数。变号操作又叫“取负”运算，它的处理方法是:将该整数的每一个二进位变反，然后在最末位(个位)加 1，其结果即为所求值。(3)整数的移位操作移位操作有多种，按照移位方向来分，移位操作可分成左移、右移两大类;按照操作性质则又可区分为算术移位、逻辑移位和循环移位等不同类型。它们有些只对整数进行，有些则可以对任何二进制数进行。(4)逻辑运算逻辑运算(又叫布尔运算 )总是按位进行处理的，即对应位之间进行规定的逻辑运算，不考虑位与位之间的进位。常用的基本逻辑运算有 4 种: “
29、非”运算(NOT)、 “或”运算(OR)、 “与”运算 (AND)、 “按位加”运算(XOR) ，它们都非常简单。(5)整数加法两个带符号整数相加的运算方法很简单，只需从低位到高位把所有位(包括符号位) 相加，逢 2 进 1，最高位产生的进位忽略不计。(6)整数减法两个带符号整数相减的运算方法也很简单，只需先把减数变号，然后再与被减数相加即可。(7)整数乘法两个无符号整数的乘法很简单，它与日常用纸和笔进行乘法几乎没有什么不同。(8)整数除法对于补码表示的两个带符号整数，其除法运行比乘法还要复杂一些。下面是算法的简单描述(假设被除数和除数都是 n 位):把除数(补码)放入寄存器 M，把被除数从
30、n 位扩展成 2n 位长的补码后放入寄存器 A 和 Q，高位部分放入 A(全 0 或全 1)，低位部分放入 Q。把寄存器 A 和 Q 向左移 1位。如果 A 和 M 同号，执行 A=A-M，否则执行 A=A+M。执行上一步操作的前后，若 A 的符号保持不变，或者 A 和 Q(高位部分)的结果都是 0，则操作成功，令 Q0 =1;否则操作不成功，恢复 A 原来的内容，并令 Q0 =0。重复上述步骤共 n 次，结束。除法结束后，寄存器 A 中存放的是余数，寄存器 Q 中是得到的商。若被除数与除数异号，则商为负数，所以应再对 Q 取补。不论何种情况，被除数、除数、商和余数总满足下面的公式:被除数=商
31、除数 +余数(四) 实数的性质和运算1.实数(浮点数)的性质下表所示是 Pentium 微处理器中 32 位浮点数和 64 位浮点数的一些性质。32 位浮点数 64 位浮点数符号 阶码 尾数 数值符号 阶码尾数 数值+0 0 全 0 全 0 0 0 全 0 全 0 0-1 1 全 0 全 0 0 1 全 0 全 0 0+ 0 全 1 全 0 + 0 全 1 全 0 +- 1 全 1 全 0 - 1 全 1 全 0 -规格化的非 0 正实数 0 0 (1.f)规格化的非 0 负实数 1 0 非规格化的非 0 正实数 0 0 f0 2 -126 (0.f) 0 0 f0 2 -1022(0.f)非
32、规格化的非 0 负实数 1 0 f0 -2 -126 (0.f) 1 0 f0 -2 -1022(1.f)2.实数(浮点数)的四则运算浮点数的加、减运算要比定点数(整数) 复杂得多。下面只做简要介绍。设浮点数 A=As 2Ea ，B=Bs 2Eb 则和数 C=(As 2Ea-Eb+Bs )2Eb ，差 D=(As 2Ea -Eb -Bs )2Eb(若 Ea Eb )或者:和数 C=(As Bs 2Eb -Eb )2Ea ，差 D=(As -Bs 2Eb -Ea )2Ea (若 Ea Eb )一般说来，浮点数的加、减运算有如下几个步骤:(1)检测 A 和 B 中有无 0，若 A=0，则 C=B，
33、若 B=0，则 C=A。运算结束。(2)计算两数阶码之差，即 d=Ea -Eb ，若 d0，则将尾数 Bs 向右移 d 位，若d0，则将尾数 A s 向右移-d 位，若 d=0，则 As 和 Bs 均不移位。这个过程叫做 “对阶” 。(3)两尾数相加或相减。(4)把结果进行规格化。对于 Pentium 微处理器来说，若结果尾数绝对值小于 1，则尾数不断左移且阶码不断减 1，直至尾数绝对值大于或等于 1;若结果尾数绝对值大于或等于 2，则尾数右移 1 位且阶码加 1。注意:两浮点数加/减时，在结果规格化的过程中，可能会发生 “上溢”或“下溢” 。浮点数的乘/除法比加/减法稍简单一些，其公式为:乘
34、积=(As Bs )2Ea +Eb 商=(As /Bs )2Ea +Eb 处理过程如下:(1)检测 A 和 B 中有无 0，若 AS =0，则乘积(商)=0，运算结束 ;若 BS =0，乘法时乘积=0 ，除法时商为，运算结束(2)计算两数阶码之和(或差 )。(3)两尾数相乘或相除。(4)把结果进行规格化。即，若结果尾数绝对值小于 1，则尾数不断左移且阶码不断减 1;若结果尾数绝对值大于或等于 2，则尾数右移且阶码加 1。注意:两浮点数乘/除时，在阶码相加(减) 的过程中，或者在结果规格化的过程中，可能会发生“上溢”或“下溢” 。浮点数运算过程中，为了保证浮点数运算的精度，当尾数右移时，对移出的
35、位还需进行“舍入”处理。三、字符和文本的表示(一) 西文字符的编码西文是由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号所组成的，它们统称为“字符”(Charac ter)。所有字符的集合叫做 “字符集” 。字符集中每一个字符各有一个代码( 即字符的二进制表示)，它们互相区别，构成了该字符集的代码表，简称码表。目前计算机中使用得最广泛的西文字符集及其编码是 ASCII 码，即美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange)。它已被国际标准化组织(ISO)批准为国际标准，称为 ISO-646 标准，它适用于所有拉丁文字字母，已在全
36、世界通用。我国相应的国家标准是 GB1988(称为 信息处理交换用的七位编码字符集标准) 。(二) 汉字的编码1.GB2312-80 汉字编码1981 年我国颁布了信息交换用汉字编码字符集基本集(GB2312-80)。该标准选出 6763 个常用汉字和 682 个非汉字字符，为每个字符规定了标准代码，以供这 7445个字符在不同计算机系统之间进行信息交换使用。这个标准所收集的字符及其编码称为国际码，又叫做国际交换码。2.BIG5 汉字编码BIG5 汉字编码是我国台湾地区计算机系统中使用的汉字编码字符。它包含了 420个图形符号和 13070 个汉字( 不使用简化汉字) 。3.汉字的输入/输出(
37、1)汉字的输入汉字输入编码方法大体分成 4 类。数字编码，这是一类用一串数字来表示汉字的编码方法，例如电报码、区位码等，它们难以记忆，不易推广。字音编码，这是一种基于汉语拼音的编码方法，简单易学，适合于非专业人员。缺点是同音字引起的重码多，需增加选择操作。字形编码，这是将汉字的字形分解归类而给出的编码方法，重码少、输入速度快，但编码规则不易掌握，五笔字形法和表形码就是这类编码。形音编码，它吸取了字音编码和字形编码的优点，使编码规则简化、重码减少，但掌握起来也不容易。汉字输入编码与汉字内码、汉字交换码完全是不同范畴的概念，不能把它们混淆起来。(2)汉字的输出每一个汉字的字形都必须预先存放在计算机
38、内，一套汉字(例如 GB2312 国标汉字字符集) 的所有字符的形状描述信息集合在一起称为字形信息库，简称字库(font) 。不同的字体( 如宋体、仿宋、楷体、黑体等) 对应着不同的字库。在输出每一个汉字的时假，计算机都要先到字库中去找到它的字形描述信息，然后把字形信息送去输出。在计算机内汉字的字形主要有两种描述的方法:点阵字形和轮廓字形。Windows 中使用的 TrueType 字库采用的就是典型的轮廓字形表示方法。点阵字形和轮廓字形这两种类型的字库目前都广泛使用。(三) 通用编码字符集(UCS) 与 Unicode1.通用编码字符集(UCS)ISO/IEC10646，即“通用编码字符集”
39、(Universal Coded Character Set，即 UCS)，及等同采用该国际标准的中国国家标准 GB13000 的设计目标，就是实现所有字符在同一字符集中等长编码、同等使用的真正多文种信息处理。UCS 规定了全世界现代书面语言文字所使用的所有字符的标准编码。2.Unicode通用编码字符集是一个由各种大小字符集组成的编码体系。能容纳足够多的各种字符集，四字节的编码(UCS-4)可以安排 13 亿个字符。但是，四字节的字符编码太浪费存储空间了，它也给处理和传输带来了很大不便。因此，在 UCS 编码空间中把 00 组的 00 平面称为基本多文种平面(Basic Multilingu
40、al Plane，BMP) ，并规定，当组编码、平面编码均为 00H 时可以省略，因此安排在基本多文种平面上的字符只需要使用两个字节来表示，这就形成了一个双字节编码的字符集，它是UCS 的子集，记做 UCS-2，又称做 Unicode(统一码，或联合码 )。3.中日韩统一汉字编码字符集(CJK 编码)UCS(Unicode) 中的表意文字部分采用的是中日韩统一汉字编码(称为 CJK 编码)。所谓汉字的统一编码是指，不论国家和地区，不论汉字的字义有无区别，只要字形相同，该汉字就只有一个代码。4.GB18030-2000 编码GB18030-2000 编码标准在原来的 GB2312-1980 编码
41、标准和 GBK 编码标准的基础上进行了扩充，增加了四字节部分的编码。它可以完全映射国际标准 ISO10646(UCS)的基本平面和所有辅助平面，共有 160 多万个码位。(四) 文本1.简单文本(纯文本)最简单的文本除了可显示/打印的 ASCII 字符(汉字) 及 “回车” 、 “换行” 、 “制表”等用于格式控制的有限几个 ASCII 字符之外，几乎不包含任何其他信息。这种文本常常称为纯文本或 ASII 文本，文件的后缀名是.txt。2.丰富格式文本为了使文本能以整齐、醒目、美观、大方的形式展现给用户阅读，人们需要对纯文本进行必要的加工，这个过程称为文本的格式化，或者称为排版。经过上述处理后
42、的文本一般称为“丰富格式文本”(Rich Text Format)。由于属性标志和控制命令并不统一，因此不同的文本处理软件得到的丰富格式文本互不兼容。为了便于不同的丰富格式文本能在不同的软件和系统中互相交换使用，特地提出了一种中间格式，称为 RTF 格式，所有在PC 机上流行的文字处理软件，都可以输入和输出 RTF 文件，从而达到了文件交换的目的。超文本(Hypertext)采用一种网状结构( 非线性结构)来组织信息。采用这种网状结构，各信息块很容易按照其内容的关系加以组织。它由若干文本块(或其他信息) 组成，这些文本块可以是计算机的一个文件或文件的一部分，它们称为“节点” 。每个节点都有若干
43、指向其他节点或从其他节点指向该节点的指针，这些指针称为“链” 。每个链连接着两个节点，它是有向的，从一个节点(称之为源节点 )指向另一个节点 (称之为目的节点。链的数量与节点的内容有关，有些节点与其他节点有许多关联，因此它就有许多链;有些节点没有启程链，只能作为目的节点。节点中的数据不仅可以是文字，而且可以是图形、图像、声音、动画或动态视频，这就把超文本的节点推广到了多媒体的形式，这种基于多媒体信息节点的超文本，有时称为“超媒体”(Hypermedia)。四、声音信息的表示(一) 数字声音基础 1.波形声音的数字化声音是一种物理信号，计算机要对它进行处理，其前提是必须用二进制数字的编码形式来表
44、示声音。最常用的声音信号数字化方法是取样- 量化法，它分成如下 3 个步骤:(1)取样(Sampling)(2)量化(3)编码(Encoding)2.PC 机中的声音PC 机中的数字声音有两种不同的表示方法。一种称为“波形声音” ，通过对实际声音的波形信号进行数字化( 取样和量化) 而获得，它可表示任何种类的声音。另一种是“合成声音” ，它使用符号(参数 )对声音进行描述，然后通过合成 (Synthesize)的方法生成声音，合成语音(用声母、韵母或清音、浊音、基音频率等参数描述的语音) 等。PC 机中使用最广泛的波形声音文件采用 wav 作为扩展名，称为波形文件格式(Wave File Fo
45、rmat).wav 文件格式能支持多种取样频率和样本精度，并支持压缩的声音数据。(二) 波形声音1.数字语音的压缩编码数字语音的数据压缩方法很多，从原理上可以分成 3 类:(1)波形编码(2)参数编码或模型编码(3)混合编码2.全频带声音的压缩编码(1)MPEG-1Audio(ISO/IEC11172-3)MPEG-1 声音压缩编码是国际上第一个高保真声音数据压缩的国际标准，它规定了高质量数字声音的编码方法、存储表示和解码方法，得到了极其广泛的应用。它虽然是MPEG-1 标准的一个组成部分，但完全可以独立应用。(2)MPEG-2Audio(ISO/IEC13818-3)MPEG-2Audio
46、与 MPEG-1Audio 标准都使用相同类型的编/解码器，层 1、层 2 和层 3 的结构也相同。(3)MPEG-2AAC(ISO/IEC13818-7)MPEG-2AAC(Advanced Audio Coding)是 MPEG-2 标准中一种新的先进的声音编码标准。AAC 支持的取样频率可从 8kHz 到 96kHz，AAC 编码器的输入可以是单声道的、立体声的和多声道的声音。(4)MPEG-4Audio(ISO/IEC14496-3)MPEG-4Audio 的编码对象既可以是自然音频信号(波形声音 )，也可以是合成的音频信号。(三) 合成声音 1.合成音乐与 MIDIMIDI(Musi
47、cal Instrument Digital Interface)是乐器数字接口的缩写，它起源于数字式电子乐器，因为各种产品必须使用统一接口才能进行连接，因些必须规定一种数字乐器相互间的接口标准，特别是数字乐器与计算机的接口标准，这就是 MIDI。2.合成语音语音合成目前主要指从文本到语音的合成(Text-to-Speech，简称 TTS)，也称为文语转换。五、图像、图形与视频信息的表示(一) 图像1.图像的获取与表示图像获取的过程实质上是信号扫描和数字化的过程，它的处理步骤大体可分 3 步:(1)取样;(2)分色;(3)量化。2.图像的压缩编码一幅图像的数据量可按下面的公式进行计算(以字节为
48、单位):图像数据量=图像宽度图像高度图像深度/8图像压缩方法很多，不同方法有不同的适用场合和范围。评价一种压缩编码方法的优劣主要有下列几点:(1)压缩倍数(2)重建图像的质量(3)算法复杂度(成本)(4)时间延迟ISO 和 IEO 两个国际机构联合组成了一个专家组(Joint Photographic Experts Group，简称 JPEG)，负责制定静止较像数据压缩编码的国际标准，称为 JPEG 标准(ISO/IEC10918)。3.图像文件格式(1)JPEG 文件交换格式(JPEG File Interchange Format)经 JPEG 算法压缩后的图像数据，按一定的语法规则组织
49、成 JPEG 文件交换格式，以便存储或传输，需要时再通过解码器重建原来的图像。(2)BMP 文件格式BMP(Bitmap-File)图像文件是 Windows 操作系统采用的图像文件格式，在Windows 环境下运行的所有图像处理软件几乎都支持 BMP 图像文件格式。它是一种与设备无关的位图格式(Device-Independent Bitmap，DIB)，目的是为了让 Windows 能够在任何类型的显示设备上输出所存储的图像。BMP 位图文件默认的文件扩展名是 .bmp。(3)GIF 文件格式GIF(Graphics Interchange Format)是 CompuServe 公司开发的图像文件交换格式，它以数据块(Block) 为单位来存储图像的相关信息。一个 GIF 文件由表示图像的数据块、数据子块以及显示图像的控制信息块组成，称为 GIF 数据流(Data Stream)。数据流中的所有控制信息块和数据块都必须在文件头(Header)和文件结束块 (Trailer)之间。(4)TIFF 文件格式TIFF 文件是一种极其灵活易变的格式，能支持多种压缩方法，如 RLC 编码、LZW 编码、C
