大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页第10章 信息的数字表示与处理(目录)10.1 计算机基本工作原理 10.2 信息数字化的方法与技术 10.3 信息安全 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.1 计算机基本工作原理 在当今的信息时代，计算机可以协助人们获取信息、处理信息、存储 信息和传递信息，所以说计算机是信息处理机。本节通过对计算机基本工 作原理的描述，使读者对计算机处理信息的过程有一个比较正确和更深入 的认识。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.1.1 冯诺依曼的设计思 想 世界上第一台电子数字计算机ENIAC（ Electronic Numerical Integrator And Computer） 于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运 行。ENIAC诞生后，美籍匈牙利数学家冯诺依曼提 出了新的设计思想，主要有两点：其一是计算机应该 以二进制为运算基础，其二是计算机应该采用“存储 程序和程序控制”方式工作。并且进一步明确指出整 个计算机的结构应该由五个部分组成：运算器、控制 器、存储器和输入设备、输出设备。冯诺依曼的这 一设计思想解决了计算机的运算自动化的问题和速度 匹配问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用 ，标志着计算机时代的真正开始。 冯诺依曼设计思想决定了人们使用计算机的主要方式编写程序 和运行程序。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.1.2 计算机的指令系统 指令是一种采用二进制表示的、要计算机执行某种操作的命令。一台计算机 可以有许多指令，指令的作用也各不相同，所有指令的集合称为计算机的指令系 统。 指令通常由两部分组成：操作码和地址码。操作码指明计算机应该执行的某 种操作的性质与功能，比如加法；地址码则指出被操作的数据（操作数）存放在 何处，即指明操作数所在的地址。 指令按其功能可以分为两种类型：一类是命令计算机的各个部件完成基本的 算术逻辑运算、数据存取和数据传送等操作，称为操作类指令；另一类则是用来 控制程序本身的执行顺序，实现程序的分支、转移等，称为控制转移类指令。 每一种类型的中央处理器（CPU）都有自己的指令系统。因此，某一类计算 机的程序代码未必能够在其他计算机上执行，这就是所谓的计算机“兼容性”问 题。比如，目前个人计算机中使用最广泛的中央处理器（CPU）是Intel公司和 AMD公司的产品，由于两者的内部设计类同，指令系统几乎一致，因此这些个人 计算机是相互兼容的。而Apple公司生产的Macintosh计算机，其中央处理器（ CPU）采用Motorola公司的PowerPC，与Intel公司和AMD公司处理器的结构不同， 指令系统大相径庭，因此无法与采用Intel公司和AMD公司中央处理器（CPU）的 个人计算机兼容。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.1.3 程序的自动执行 计算机执行程序的过程就是一条一条执行指令的过程，程序中的指令和需 要处理的数据都存放在存储器中，由中央处理器（CPU）负责从存储器中逐条 取出并执行它所规定的操作。中央处理器（CPU）执行每一条指令都需要分成 若干步骤，每一步完成一个操作。一条指令的执行过程大致如下： 取出指令。中央处理器（CPU）从存储器中取得一条指令。 分析指令。中央处理器（CPU）对得到的指令进行分析。 获取操作数。中央处理器（CPU）根据指令分析结果计算操作数的地址 ，并根据地址从存储器中获取操作数。 运算。中央处理器（CPU）根据操作码的要求，对操作数完成指定的运 算。 保存。若有必要，可以将运算结果保存到存储器中。 修改指令地址。为中央处理器（CPU）获取下一条指令做好准备。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2 信息数字化的方法与技术 10.2.1 计算机的数字系统 人们日常生活中最熟悉的是十进制数，但在与计算机打交道时，会接触到 二进制、八进制、十六进制数。无论哪种数制，其共同之处都是进位记数制。 1）认识进位计数制 一般来说，如果数制只采用R个基本符号，则称为基R数制，R称为数制的 “基数”，而数制中每一固定位置对应的单位值称为“权”。 为了区分一个数是几进制数，可以使用两种方法。一种方法是将要表示 的数用小括号括起来，然后用一个下标表示该数是几进制数，如(10110.101)2 表示一个二进制数。另一种方法是在数的后面加一个大写字母，其中，B表示 二进制数，O表示八进制数，D表示十进制数，H表示十六进制数，如101B表示 二进制数101。 2）数制之间的转换 二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数。基数为二、八、十六 的数字，只要将各位数字与它的权相乘，其积相加，和数就是十进制数。大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.1 计算机的数字系统 (1110101)2=126+125+124+023+122+021+120=64+32+16+0+4+0+1=(117)10(1010.1001)2=123+022+121+020+12-1+02-2+02-3+12-4=8+0+2+0+1/2+0+0+1/16=(10.5625)10(76)8=781+680=56+6=(62)10(55.12)8=581+580+18-1+28-2=40+5+1/8+2/64=(45.15625)10(55)16=5161+5160=80+5=(85)10(F.B)16=15160+1116-1=15+11/16=(15.6875)10 十进制整数转换为二进制整数，可以用十进制整数连续地除以2，直至商为0， 其余数即为二进制整数的各位数码。此方法称为除2取余法。十进制纯小数转换 为二进制小数时，可连续地乘以2，直到小数部分为0，或达到所要求的精度为 止（小数部分可能永不为0），从每次乘积的整数部分得到二进制纯小数的各位 数码。此方法称为乘2取整法。对于十进制小数，可分别进行整数部分和小数部 分的转换，然后再拼在一起。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.1 计算机的数字系统 (57)10=(111001)22 57 余数2 28 1 低位2 14 02 7 02 3 12 1 10 1 高位(0.3125)10=(0.0101)2整数部分0.31252=0.625 00.6252=1.25 10.252=0.5 00.52=1.0 1(57.3125) 10=(111001.0101)2大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.1 计算机的数字系统 二进制数与八进制数、十六进制数之间的相互转换。二、八、十六进制的权 之间有内在的联系，即23=8，24=16，因而它们之间的转换比较容易。每位八进制 数相当于3位二进制数，每位十六进制数相当于4位二进制数。 常用计数制对照表如下： 3）二进制数的运算 在计算机中，对二进制数 可作两种基本运算：算术运算 和逻辑运算。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.2 信息数字化和压缩 1）数值在计算机中的表示整数的表示。由于采用二进制，计算机也只能用“0”、“1”来表示数的正负， 即把符号数字化。原码、反码和补码是把符号位和数值位一起编码的表示方法。 这三种方法均将最高位作为符号位，规定符号位为“0”时表示正数，为“1” 时表示负数。现在的计算机基本上采用补码 。 定点数和浮点数。所谓定点数和浮点数，是指在计算机中一个数小数点的位置是 固定的，还是浮动的，如果一个数中小数点的位置是固定的，则叫定点数，否则 为浮点数。浮点数表示的范围比定点数大得多，在相同的条件下浮点运算速度比 定点快。目前的计算机都采用浮点数表示法，或同时具有定点和浮点两种表示法 。 纯小数表示法 整数表示法 在计算机中，浮点数通常表示如下形式： 二进制数N=2+1010.1011101（相当于十进制数23.25）。其浮点数表示为： 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.2 信息数字化和压缩 2）图形图像的数字表示 用图形图像补充文字信息，可以增强人们对 展示信息的理解和记忆 。有时 用语言和文字难以表达的事物，用一张简单 的图就能准确而直观地展现，因此 在计算机中图形图像信息的获取和处理就显得非常重要。在计算机中，图像采 用位图形式来表示，图形采用矢量形式来表示。 我们可以使用扫描仪、数码相机等设备把图像输入到计算机中，这个过程称 为图像的数字化，它的处理步骤大体上分为： 取样 分色 量化 （1）位图图像。位图图像又称为光栅图像或点阵图像，是由一个个像素点（ Pixel）排成阵列组成的。 （2）矢量图形。另一种生成图像的方法并不直接描述图像中的每一点，而是 描述生成这些点的过程和方法，这种通过数学方法生成的图像称为矢量图形。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.2 信息数字化和压缩 3）视频的数字表示 视频 是指内容随时间变 化的一个图像序列，也称为动态图 像。人类眼睛具 有一种“视觉 停留”的生物现象，即在观察过物体后，物体的映像将在人眼的 视网膜上保留短暂的时间 ，如果以足够快的速度不断地、每次略微改变物体的 位置和形状，人眼将感觉到物体在连续 运动。所有的视频 （如电影和电视 ）都 是应用这一原理产生的动态图 像，这一幅幅图像被称为“帧”，“帧”是构成 视频 信息的基本单位。视频 每秒显示的帧数因不同的制式而异，中国使用的是 PAL制式，每秒显示25帧，欧美国家采用的NTSC制式。每秒显示30帧。 视频分为模拟视频和数字视频。个人计算机可以通过视频卡将模拟视频信号 转换为数字视频信号并存储在硬盘上，或通过DV（Digital Video）卡（1394卡 ）将数码(DV)摄像机拍摄的数字视频信号直接输入到计算机中。 视频数据量=图像水平分辨率图像垂直分辨率颜色深度8每秒 帧数 目前，国际标准化组织制定的有关数字视频压缩编码的标准主要有MPEG-1 、MPEG-2和MPEG-4。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.2 信息数字化和压缩 4）音频的数字表示在计算机中，声音信号用一组二进制数字表示，称之为数字音频。数 字音频和模拟音频的区别在于：模拟音频在时间上是连续的，而数字音频 是一个数据序列，在时间上是离散的。声音进入计算机有两种途径：一种 是通过数字化录制直接获取，一种是利用声音合成技术实现。数字音频。声音信息的数字化过程就是采样和量化。 声音合成。声音合成是指使用微处理器和数字信号处理器（DSP） 代替发声部件，模拟出声音波形数据，并将其转换 成数字音频发 送到放大器，合成出声音或音乐。 大学计算机应用基础教程第10章 信息的数字表示与处理 首页末页10.2.2 信息数字化和压缩 5）流媒体技术 传统 的网络传输 音频和视频 等多媒体信息的方式是完全下载后再播 放，下载常常要花数分钟甚至数小时。而采用流媒体技术，就可实现 流式 传输 ，将声音和视频 由服务器向用户计 算机进行连续 、不间断传送，用 户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过 几秒或十几秒的启动延时 即可进行观看。当声音和视频 在用户的计算机上播放时，文件的剩余部分 还会从服务器上继续 下载。 流式传输技术分为两种，一种是顺序流式传输，