高等学校计算机应用规划教材 大学计算机 唐永华刘鑫编著 北 京

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2 高等学校计算机应用规划教材 大学计算机 唐永华刘鑫编著 北 京

3 内容简介 本书结合近几年的教学改革 当今计算机前沿技术及全国计算机二级 MS Office 高级应用考试大纲及试题, 经过认真归纳总结后组织编写而成 主要包括计算机基础知识 计算机中信息的表示与存储 中文操作系统 Windows 7 文字处理软件 Word 2010 电子表格软件 Excel 2010 演示文稿制作软件 PowerPoint 2010 数据库技术基础 程序设计基础 网络基础与应用共 9 章内容, 涵盖了全国计算机二级 MS Office 高级应用考试大纲规定的内容 全书内容较新 层次清晰 图文并茂 通俗易懂, 既有丰富的理论知识, 又有大量难易适中 新颖独特的实例, 具有很强的实用性和可操作性 本书既可作为不同类型高等院校非计算机专业计算机基础课程的教材, 又可作为计算机等级考试及各类计算机培训和自学的教材 本书的电子课件 课后习题及答案 实例源文件和教学视频可以从 网站下载 本书封面贴有清华大学出版社防伪标签, 无标签者不得销售 版权所有, 侵权必究 侵权举报电话 : 图书在版编目 (CIP) 数据 大学计算机 / 唐永华, 刘鑫编著. 北京 : 清华大学出版社,2018 ( 高等学校计算机应用规划教材 ) ISBN Ⅰ. 1 大 Ⅱ. 1 唐 2 刘 Ⅲ. 1 电子计算机 - 高等学校 - 教材 Ⅳ. 1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2018) 第 号 责任编辑 : 胡辰浩李维杰封面设计 : 孔祥峰版式设计 : 思创景点责任校对 : 牛艳敏责任印制 : 丛怀宇 出版发行 : 清华大学出版社 网 址 : 地 址 : 北京清华大学学研大厦 A 座 邮 编 : 社总机 : 邮 购 : 投稿与读者服务 : ,c-service@tup.tsinghua.edu.cn 质 量 反 馈 : ,zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn 印装者 : 三河市君旺印务有限公司 经 销 : 全国新华书店 开 本 :185mm 260mm 印 张 :21.25 字 数 :517 千字 版 次 :2018 年 8 月第 1 版 印 次 :2018 年 8 月第 1 次印刷 定价 :58.00 元 产品编号 :

4 前 言 随着计算机技术的飞速发展, 高校计算机基础教育的改革也在不断地深化和发展 根据教育部 关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求, 结合近几年的教学改革 当今计算机前沿技术及全国计算机二级 MS Office 高级应用考试大纲和试题, 经过认真归纳总结, 我们组织编写了本书 书中涵盖了全国计算机二级 MS Offi ce 高级应用考试大纲的基本知识点, 内容具有前瞻性 先进性 本书针对高校非计算机专业计算机基础教学的特点, 以计算机基础课程教学需要为基础, 通过对教学内容的不断重新审视, 使其更适合新形势下的计算机基础教学, 满足社会发展对应用型人才的高素质需求 全书内容较新 层次清晰 图文并茂 通俗易懂 突出应用, 既有丰富的理论知识, 又有大量难易适中 新颖独特的实例 ; 注重对学生实际动手能力的培养和训练, 具有很强的实用性和可操作性 本书由教学经验丰富 长期从事 大学计算机基础 课程教学的一线教师, 在总结多年教学经验和教改实践的基础上精心编写, 力求计算机基础知识和培养应用能力相结合, 注重计算机基础教育的实践性, 使读者在应用中实现对知识的融会贯通 为了方便读者学习, 本书配有教学课件 实例素材 大量的练习题和教学视频 本书主要内容包括计算机基础知识 计算机中信息的表示与存储 中文操作系统 Windows 7 文字处理软件 Word 2010 电子表格软件 Excel 2010 演示文稿制作软件 PowerPoint 2010 数据库技术基础 程序设计基础 网络基础与应用, 这些内容能够满足高校本科计算机基础课程教学的需要 本书共 9 章 第 1 章和第 7~9 章由刘鑫编写, 第 2~6 章由唐永华编写, 全书最后由唐永华统稿和定稿 另外, 参与本书编写的人员还有唐烨 张彦弘 周林 王婕 宋文慧 钟鸣 代炎珂 廉奇 陈震 支政 姜天一 蒋国栋 李士伦等 计算机技术的发展日新月异, 高等学校计算机基础教育改革也在不断地深化, 加之编写本书的时间仓促, 书中难免有欠妥之处, 恳请读者批评指正 本书的的电子课件 课后习题及答案 实例源文件和教学视频可以从 网站下载 作者 2018 年 5 月

5 目 录 第 1 章计算机基础知识 计算机的发展 电子计算机的诞生 计算机的发展历程及未来趋势 计算机发展的新热点 计算机系统的组成与工作原理 计算机系统的组成 微型计算机的硬件系统 微型计算机的软件系统 计算机的工作原理 计算机的主要技术指标 计算机安全相关知识 信息安全 计算机黑客 计算机犯罪 计算机病毒 防火墙 39 第 2 章计算机中信息的表示与存储 数制及其转换 二进制数 数制 不同数制间的转换 数值型数据的编码 信息的存储单位 原码 反码 补码和 BCD 码 定点数与浮点数 非数值型数据的编码 字符编码 汉字编码 多媒体信息编码 55 第 3 章中文操作系统 Windows 操作系统概述 操作系统的定义 操作系统的功能 当前主流的操作系统简介 Windows 7 的基本操作 安装 Windows 7 系统 Windows 7 的启动和退出 桌面的组成及设置 窗口操作 菜单 对话框操作 文件管理 文件概述 文件与文件夹的管理 文件与文件夹操作 任务和磁盘管理 任务管理器 磁盘属性 硬盘分区和磁盘格式化 磁盘维护程序 控制面板与环境设置 桌面显示属性设置 94

6 3.5.2 系统时间和日期设置 创建用户账户 添加硬件 虚拟内存设置 99 第 4 章文字处理软件 Word Word 2010 概述 Word 2010 的启动和退出 Word 2010 的工作窗口 Word 2010 基本操作 新建文档 输入文本 文本的简单编辑 查找和替换 保存和打印文档 Word 简单排版 设置字符格式 设置段落格式 边框和底纹 分栏和首字下沉 项目符号和编号 设置页眉页脚与页码 设置页面布局 实例练习 图文混排 插入图片 插入图形 插入 SmartArt 图形 插入文本框 插入艺术字 创建公式 实例练习 表格 创建表格 编辑表格 表格格式化 表格与文本的相互转换 将表格数据转换成图表 表格的排序和计算 实例练习 Word 2010 高级操作 创建文档封面 样式的创建及使用 插入脚注和尾注 创建文档目录 审阅和修订 邮件合并 166 第 5 章电子表格软件 Excel 输入和编辑数据 Excel 2010 的工作窗口 Excel 2010 的基本概念 工作簿的基本操作 工作表的编辑 工作表的基本操作 工作表结构的建立 工作表中各种数据的输入 数据的编辑 单元格或区域选定 行 列的插入与删除 行高和列宽的调整 窗口的拆分和冻结 工作表的格式化 单元格格式设置 自动套用格式 设置工作表背景 条件格式设置 实例练习 公式和函数 公式的使用 单元格引用 函数的使用 实例练习 图表 创建图表 编辑图表 202 IV

7 目 录 格式化图表 迷你图 实例练习 数据管理 数据排序 数据筛选 数据分类汇总 数据透视表和数据透视图 实例练习 打印输出 页面设置 设置打印区域 打印预览与打印 221 第 6 章演示文稿制作软件 PowerPoint PowerPoint 2010 概述 PowerPoint 2010 的工作窗口 PowerPoint 2010 的基本概念 PowerPoint 2010 视图 创建演示文稿 幻灯片的基本操作 幻灯片的选定 幻灯片的插入 删除 移动和复制 幻灯片的重用 幻灯片的显示和隐藏 幻灯片编号的添加 日期和时间的添加 幻灯片分节 向幻灯片中添加对象 插入文本 插入艺术字 插入图形对象 插入声音和视频 修饰演示文稿 幻灯片中各种对象的修饰 利用主题修饰演示文稿 利用配色方案修饰演示文稿 利用背景修饰演示文稿 利用母版修饰演示文稿 设置播放效果 设置动画效果 设置幻灯片切换效果 设置超链接 幻灯片放映方式的设置 演示文稿的打印与发布 演示文稿的打印 发布 CD 数据包 252 第 7 章数据库技术基础 数据库基础知识 计算机数据管理技术的发展 数据库系统 数据模型 关系数据库 关系模型 关系运算 关系的完整性约束 Access 简介 Access 数据库的开发环境 Access 数据库的系统结构 应用系统实例 : 学生选课管理系统 系统分析 系统设计 系统实现 269 第 8 章程序设计基础 程序设计过程与方法 计算机程序概述 结构化程序设计方法 面向对象的程序设计方法 290 V

8 8.2 算法 算法概念 算法特征 常用的基本算法 算法及程序设计实例 查找法 冒泡排序法 295 第 9 章网络基础与应用 计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络的分类 网络的体系结构 计算机局域网 局域网的组成 典型的局域网 局域网互联 局域网拓扑结构 典型无线局域网组建案例 Internet 基础 Internet 概述 接入 Internet IP 地址 网站的建立 网站概述 网站的基本构成 建立网站的途径 网站建立过程 网页的制作 HTML 简介 Dreamweaver CS6 的工作界面 使用 Dreamweaver CS6 创建网页 Dreamweaver CS6 网页基本操作 Dreamweaver CS6 站点管理 Dreamweaver CS6 页面布局 330 VI

9 第 1 章 计算机基础知识 目前, 计算机与网络技术已经被广泛应用到社会的各个领域, 逐步改变着人们传统的学习 工作和日常生活方式, 极大地推动了整个社会的信息化发展 作为现代社会中的一员, 掌握计算机与计算思维知识和应用是必须具备的基本素质之一 1.1 计算机的发展 电子计算机的诞生计算机是一种能够进行高速计算 具有内部存储能力 由程序控制操作过程的自动电子装置, 其主要功能是进行数字计算和信息处理 数字计算是指对数字进行加工处理的过程, 如科学与工程计算 ; 信息处理是指对字符 文字 图形 图像 声音等信息进行采集 组织 存储 加工和检索的过程 计算机是一种能够存储程序, 并能按照程序自动 高速 精确地进行大量计算和信息处理的电子机器 科技的进步促使计算机的产生和迅速发展, 而计算机的产生和发展又反过来促使科学技术和生产水平的提高 电子计算机的发展和应用水平已经成为衡量一个国家科学技术水平和经济实力的重要标志 目前, 人们公认的第一台计算机是在 1946 年 2 月由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功的 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer), 即电子数字积分计算机, 如图 1-1 所示 承担 ENIAC 研制任务的莫尔小组由埃克特 莫克利 戈尔斯坦 博克斯 4 位科学家和工程师组成, 该小组的总工程师埃克特仅仅 24 岁 ENIAC 最初被专门用于火炮弹道计算, 后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机 它采用电子管作为计算机的基本元件, 由 多个电子管,1500 多个继电器, 多个电容器和 多个电阻构成, 占地 170m 2, 重量达 30t, 耗电 140kW~150kW, 每秒能进行 5000 次加减运算 这台完全采用电子线路执行算术运算 图 1-1 第一台电子数字计算机 ENIAC 逻辑运算和信息存储的计算机, 运算速度比继电器计算机快 1000 倍

10 尽管 ENIAC 的功能不能和现在的任何一台计算机相比, 甚至不如现在的微机, 但在计算机发展的历史长河中,ENIAC 的诞生具有划时代的意义 在计算机的发展过程中有两位杰出的科学家 重要的奠基人, 分别是英国科学家阿兰 图灵 (Alan Mathison Turing, 图 1-2(a)) 和美籍匈牙利科学家冯 诺依曼 (John Von Neumann, 图 1-2(b)) 阿兰 图灵的贡献是建立了对数字计算机有深远影响的图灵机理论模型, 该模型奠定了人工智能的基础, 而冯 诺依曼则提出了计算机的存储体系结构, 并沿用至今 (a) 阿兰 图灵 (b) 冯 诺依曼图 1-2 阿兰 图灵与冯 诺依曼 1. 阿兰 图灵阿兰 图灵 (Alan Mathison Turing),1912 年 6 月 23 日出生于英国伦敦,1954 年 6 月 7 日去世, 享年 41 岁 图灵在科学特别是在数理逻辑和计算机科学方面, 取得了举世瞩目的成就, 是 20 世纪杰出的数学家 逻辑学家 他的一些科学成果, 构成了现代计算机技术的基础, 被称为计算机之父 人工智能之父 1936 年, 图灵发表了著名的论文 论数字计算在决断难题中的应用 (On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungs-problem) 文中提出了 算法 (algorithms) 和 计算机 (Computing Machines) 两个核心概念, 被誉为现代计算机原理的开山之作 1950 年, 图灵发表了关于机器思维问题的论文 计算机器与智能 (Computing Machinery and Intelligence), 为后来的人工智能科学提供了开创性的构思, 并提出了著名的 图灵测试 : 如果第三者无法辨别人类与人工智能机器反应的差别, 则可以论断该机器具备人工智能 这一划时代的作品, 使图灵赢得了 人工智能之父 的桂冠 1966 年, 为了纪念图灵对计算机科学的巨大贡献, 美国计算机协会 (Association for Computing Machinery,ACM) 设立了 图灵奖, 该奖项被公认为 计算机界的诺贝尔奖, 用以表彰在计算机科学中做出突出贡献的人 2. 冯 诺依曼冯 诺依曼 (John Von Neumann), 著名的美籍匈牙利数学家,1903 年 12 月 28 日出生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭,1957 年 2 月 8 日在华盛顿去世, 享年 54 岁 冯 诺依曼少年天才, 从小就展现出惊人的数学天赋, 年仅 22 岁便以优异的成绩获得布达佩斯大学的数学博士学位, 并相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师,27 岁便成为 2

11 第 1 章计算机基础知识 普林斯顿大学的终身教授, 是 20 世纪最重要的数学家之一 冯 诺依曼在数学领域 经济学领域 物理领域以及计算机领域都有杰出的 开拓性的贡献 在计算机方面, 他参与了世界上第一台电子管元件的计算机 ENIAC( 电子数字积分计算机 ) 的研制, 提出了计算机存储程序的原理, 并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本的工作方法 半个多世纪以来, 尽管计算机制造技术发生了巨大变化, 但冯 诺依曼体系结构仍然被沿用至今, 他被誉为 计算机之父 计算机的发展历程及未来趋势 从 ENIAC 问世至今, 计算机从最初的用电子管做元器件, 发展到今天的用超大规模集成电路做元器件, 已走过了七十多年的历程 在这段时间里, 计算机的应用领域不断拓宽, 系统结构也发生了巨大的变化 根据计算机所采用的电子元件的不同, 计算机的发展历程可划分为电子管 晶体管 集成电路 大规模和超大规模集成电路 4 个阶段 1. 第一代 电子管计算机 ( 年 ) 第一代计算机是电子管计算机 其基本元件是电子管, 内存储器采用水银延迟线, 外存储器有纸带 卡片 磁带和磁鼓等 其运算速度为每秒几千次到几万次, 内存容量只有几千字节 计算机程序设计还处于最低阶段, 用一串 0 和 1 表示的机器语言进行编程, 直到 20 世纪 50 年代才出现汇编语言 由于尚无操作系统出现, 计算机操作困难, 仅能在科学 军事和财务等少数尖端的领域得到应用 尽管这个时期计算机的运用有很大的局限性, 但作为世界上第一台计算机,ENIAC 的出现奠定了计算机发展的基础 与 ENIAC 不同的是,EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer, 离散变量自动电子计算机 ) 首次使用二进制, 可以说 EDVAC 是第一台现代意义的通用计算机 EDVAC 由 5 个基本部分组成 : 运算器 控制器 存储器 输入装置以及输出装置, 使用了大约 6000 个真空管 个二极管, 功率为 56kW, 重达 7850kg, 占地面积缩小到了 45.5m 2, 工作时需要 30 个技术人员同时操作 被誉为 计算机之父 的冯 诺依曼参与了 EDVAC 的研制, 起草并发表了长达 101 页的著名的 关于 EDVAC 报告草案, 该草案中提出的计算机的存储体系结构沿用至今 这份草案在计算机发展史上具有划时代的意义, 因为它向世界宣告了电子计算机的时代开始了 第一代计算机体积庞大 造价昂贵 速度低 存储容量小 可靠性差 不易掌握, 主要应用于军事和科学研究领域 其代表机型有 IBM650 IBM709 等 2. 第二代 晶体管计算机 ( 年 ) 1954 年, 美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机, 取名 TRADIC(Transistorized Airborne Digital Computer) 相较于第一代计算机采用的电子管元件在运行时产生的热量太多 可靠性较差 运算速度不快 价格昂贵 体积庞大的诸多缺点, 尺寸小 重量轻 寿命长 效率高 发热少 功耗低的晶体管开始被用作计算机的基本元件 使用晶体管后, 电子线路的结构大大改观, 制造高速电子计算机就更容易实现了 第二代计算机以晶体管为主要元件, 其体积明显缩小, 功耗降低, 可靠性也有所提高 与电子管相比, 晶体管的平均寿命提高到了 100~1000 倍, 耗电降到了电子管的 1/10, 3

12 并且体积又减少了一个数量级 晶体管计算机的内存储器由磁性材料制成的磁芯做成, 外存储器有磁盘 磁带, 增加了浮点运算, 运算速度达到每秒几十万次, 内存容量也扩大到几十万字节 同时计算机软件也有了较大的发展, 出现了监控程序并发展成为后来的操作系统, 高级语言 BASIC FORTRAN 被推出, 使编写程序的工作变得更为方便并实现了程序兼容 第二代计算机的使用范围也从单一的科学计算扩展到商务领域的数据处理和事务管理等其他领域 其代表机型有 IBM7094 CDC 第三代 集成电路计算机 ( 年 ) 第三代计算机的主要元件是小规模集成电路和中规模集成电路 1958 年, 美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明了集成电路 这种集成电路是用特殊的工艺将几十个甚至是几百个分立的电子元件组成的电子线路做在一个仅仅几平方毫米的硅片上, 通常只有四分之一邮票大小 与晶体管电路相比, 集成电路计算机的体积更小, 寿命更长, 功耗 价格进一步下降, 在存储器容量 速度和可靠性等方面都有了较大的提高 同时, 计算机软件技术有了进一步发展, 尤其是操作系统的逐步成熟是第三代计算机的显著特点 软件出现了结构化 模块化程序设计方法, 如出现 Pascal 语言 第三代计算机主要应用于科学计算 企业管理 自动控制 辅助设计和辅助制造等领域 最有影响的机型是 IBM 公司研制的 IBM360 计算机系列 4. 第四代 大规模 超大规模集成电路计算机 (1970 年至今 ) 第四代计算机的主要元件是大规模集成电路和超大规模集成电路 随着集成电路技术的不断发展,20 世纪 70 年代出现了可容纳数千至几十万个晶体管的大规模和超大规模集成电路 采用大规模集成电路可以在一个 4mm 2 的硅片上至少容纳相当于 2000 个晶体管的电子元件 这种技术使得计算机的制造者可以把计算机的核心部件甚至整个计算机做在一个硅片上, 从而使计算机的体积 重量都进一步减小 内存储器也用集成度很高的半导体存储器完全代替了磁芯存储器 磁盘的存取速度和存储容量大幅度上升, 开始引入光盘, 计算速度可达到每秒几百万次至上亿次 操作系统向虚拟操作系统发展, 数据管理系统不断完善和提高, 程序语言进一步发展和改进, 软件行业发展成为新兴的高科技产业 这个时期计算机的类型除小型机 中型机 大型机外, 开始向巨型机和微型机两个方面发展 其中, 巨型机的研发和利用, 代表着一个国家的经济实力和科学研究水平 ; 微型计算机的研发和运用, 反映了一个国家科学技术的普及程度 世界上最早的微型计算机是由美国 Intel 公司的工程师马西安 霍夫 (M. E. Hoff) 于 1971 年研制成功的 它的突出特点就是将集成了运算器和控制器的微处理器做在不同的芯片上, 然后通过总线连接, 组成了世界上第一台微型计算机 MCS-4 它的计算性能远远超过了第一代计算机 ENIAC, 且具有体积小 重量轻 功耗小 可靠性强 价格低廉 对使用环境的要求低的特点 所以微型计算机一经出现, 就显现了强大的生命力 我国在 1992 年研制出了每秒能进行 10 亿次运算的巨型计算机 银河 II, 从而使我国成为世界上为数不多的具有研制巨型机能力的国家 计算机技术的迅猛发展使得计算机的应用领域不断向社会各方面渗透, 如办公自动 4

13 第 1 章计算机基础知识 化 数据库管理 图形识别和专家系统 人工智能等, 并且进入了家庭 计算机发展阶段示意表如表 1-1 所示 器件 阶段 第一代 年 表 1-1 计算机发展阶段示意表 第二代 年 第三代 年 电子器件电子管晶体管中 小规模集成电路 主存储器 外部辅助存储器 处理方式 运算速度 阴极射线管或汞延迟线 磁芯 磁鼓 磁芯 磁鼓 半导体存储器 第四代 1970 年至今 大规模和超大规模集成电路 半导体存储器 纸带 卡片磁带 磁鼓磁带 磁鼓 磁盘磁带 磁盘 光盘 机器语言 汇编语言 几千次 / 秒 ~3 万次 / 秒 高级语言程序 几十万次 / 秒 ~ 上百万次 / 秒 多道程序 实时处理 上百万次 / 秒 ~ 几百万次 / 秒 实时处理 分时处理 网络操作系统 几百万次 / 秒 ~ 上千亿次 / 秒 随着硅芯片技术的高速发展, 硅技术越来越接近于其自身的物理发展极限, 因此, 迫切要求计算机从结构变革, 到器件与技术的变革这一系列的技术都要产生一次质的飞跃 预测未来新型计算机的类型如下 : 量子计算机量子计算机是在量子效应基础上开发的, 它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态, 利用激光脉冲来改变分子的状态, 使信息沿着聚合物移动, 从而进行运算 一个量子位可以存储两个数据,0 和 1 可同时存取 同样数量的存储位, 量子计算机的存储量比普通计算机要大得多, 而且能够实行量子并行计算, 其运算速度可能比现有的个人计算机的芯片快将近 10 亿倍 光子计算机光子计算机即全光数字计算机, 以光子代替电子, 光互连代替导线互连, 光硬件代替计算机中的电子硬件, 光运算代替电运算 光的高速, 天然决定了光计算机有超高运算速度 ; 与只能在低温下工作的超高速电子计算机相比, 光子计算机可在正常室温下工作 ; 光计算具有容错性, 从这个层面上, 可以与人脑相媲美 分子计算机其运算过程指蛋白质分子与化学介质的相互作用, 计算机的转换开关是酶, 生物分子组成的计算机能在生化环境下, 甚至在生物有机体中运行, 并能以其他分子形式与外部环境交换 因此它将在医疗诊治 遗传追踪和仿生工程中发挥不可替代的作用 分子芯片的体积虽然大大减小, 但效率大大提高, 分子计算机完成一项运算, 所需的时间仅为 10 微微秒, 比人的思维速度快 100 万倍 分子计算机具有惊人的存储容量,1 立方米的 DNA 溶液可存储 1 万亿亿的二进制数据 分子计算机消耗的能量非常小, 只有电子计算机的十亿分之一 由于分子芯片的原材料是蛋白质分子, 因此分子计算机既有自我修复的功能, 又可直接与分子活体相连 纳米计算机纳米技术的终极目标是使人类按照自己的意志直接分离单个原子, 制 造出具有特定功能的产品 现在纳米技术能把传感器 电动机和各种处理器集成在一个硅芯片上 ; 纳米计算机内存芯片的体积不过与几百个原子的大小相当 生物计算机 20 世纪 80 年代以来, 生物工程学家对人脑 神经元和感受器的研究 5

14 倾注了很大精力, 以期研制出可以模拟人脑思维 低耗 高效的第六代计算机 生物计算机 用蛋白质制造的计算机芯片, 存储量可以达到普通计算机的 10 亿倍 生物计算机元件的密度比大脑神经元的密度高 100 万倍, 传递信息的速度也比人脑思维的速度快 100 万倍 神经计算机其特点是可以实现分布式联想记忆, 并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能 它是一种有知识 会学习 能推理的计算机, 具有能理解自然语言 声音 文字和图像的能力, 并且具有说话的能力, 使人机能够用自然语言直接对话 它可以利用已有的和不断学习到的知识, 进行思维 联想 推理, 并得出结论, 能解决复杂问题, 具有汇集 记忆 检索有关知识的能力 计算机发展的新热点 我们将利用各种不同的设施进行相互联络, 包括一些看起来像电视机 像今天的个人计算机或像电话机的设置, 有些东西可能与一个钱包的大小与形状相似 它们的核心都将有一台功能强大的计算机, 无形地与成百万的其他计算机连接在一起 不久的将来, 会有这么一天, 你可能不必离开书桌或扶手椅, 就可以办公 学习 探索这个世界和它的各种文化, 进行各种娱乐, 交朋友, 逛附近的商场, 向远方的亲戚展示照片, 等等 你不会忘记带走你遗留在办公室或教室里的网络连接用品, 它将不仅仅是你随身携带的一个小物件, 或你购买的一个用具, 而是你进入一种新的 媒介生活方式的通行证 比尔 盖茨 未来之路 1995 年, 比尔 盖茨在 未来之路 一书中用预言的方式描述了人们未来的生活方式 当时网络才刚刚兴起, 信息技术对人们生活方式的影响还微乎其微 然而在今天, 这些预言的大部分在新思想 新技术 新应用的驱动下已经实现或者正在被实现 云计算 移动互联网 物联网 大数据等产业呈现出蓬勃发展的态势, 全球的信息技术产业正在经历深刻的变革 1. 云计算 2006 年,Google 首席执行官埃里克 施密特 (Eric Schmidt) 在搜索引擎大会上首次提出 云计算 (Cloud Computing) 的概念 云计算将计算任务分布在大量分布式计算机构成的资源池中 ( 并非本地计算机 ), 使各种应用系统能够根据需要获取计算能力 存储空间和服务信息 云计算之所以称为 云, 主要原因是它在某些方面具有云的特征 比如, 云可大可小 可动态伸缩 边界模糊 而且云在空中的位置飘忽不定, 虽然无法确定它的具体位置, 但是它确实存在于某处 所以可以借用云的这些特点来形容云计算中服务能力和信息资源的伸缩性, 以及后台服务设施位置的透明性 2007 年,Google 与 IBM 公司合作搭建计算机存储 运算中心, 然后用户通过网络借助浏览器就可以方便地访问, 把 云 作为资料存储以及应用服务的中心 两者开始在美国大学校园, 包括卡内基梅隆大学 麻省理工学院 斯坦福大学 加州大学伯克利分校及马里兰大学等, 推广云计算的计划, 希望通过云计算降低分布式计算技术在学术研究方面的成本, 随后云计算逐渐延伸到商业应用以及社会服务等多个领域 目前, 云计算正在从一个新的思想角度变革信息技术产业 随着信息技术的发展, 特 6

15 第 1 章计算机基础知识 殊行业中使用的 昂贵的大型计算机变成了人人都易得易用的个人计算机, 这大大提升了企业和个人的工作效率 互联网将每个信息节点汇聚成庞大的信息网络, 极大地提高了人类的信息沟通 共享以及协作的效率 而云计算带来的深刻变革会将信息产业变成绿色环保和资源节约型的产业, 例如, 将信息技术基础设施变成如水电一样按需使用和付费的社会公用基础设施, 从而有效地降低企业的信息技术基础设施的成本 云计算的本质就是要通过整合 共享和动态提供资源来实现信息技术投资利用率的最大化 云计算不需要舍弃原有的信息技术基础设施资源, 它包括新投资的资源和已有的资源 云计算的优点很多, 可以提供最可靠 最安全的数据存储中心, 使用户不用再担心数据丢失 病毒入侵等问题带来的麻烦 ; 云计算对用户端的设备要求最低, 使用起来也最方便, 可以轻松实现不同设备间的数据与应用的共享 另外, 云计算为网络的使用提供了无限多的可能性, 为数据的存储和管理提供了几乎无限多的空间, 也几乎为各类应用提供了无限大的计算能力 云计算目前已经发展到云安全和云存储两大领域, 微软 谷歌公司涉足的是云存储领域, 国内的瑞星公司已经推出了云安全产品 2. 移动互联网十年前的你能想象到吗? 你在家里发一条微博或微信就可以做成一单生意, 下载一个移动应用就可以集合一个兴趣群体, 利用打车软件可以按需 按时叫车, 利用智能手机可以随时随地通过在线教育学习需要的知识 实际上, 这就是移动互联网对我们生活的影响 移动互联网 (Mobile Internet,MI), 是指将智能移动终端和互联网两者结合起来成为一体 移动互联网是互联网的技术 平台 商业模式和应用与移动通信技术相结合并实践的活动的总称 随着宽带无线接入技术和移动终端技术的飞速发展, 人们迫切希望能够随时随地, 甚至在移动的过程中都能够高速地接入互联网, 便捷地获取信息和服务 可见, 移动与互联网相结合的趋势是历史的必然 据统计, 截至 2014 年 4 月, 我国移动互联网用户总数达 8.48 亿, 其中, 在移动电话用户中的渗透率达 67.8%; 手机网民规模达 5 亿, 占总网民数的八成多, 手机保持第一大上网终端地位 我国移动互联网的发展已进入全民时代 移动互联网是一个全国性的 以宽带 IP 为技术核心并可以同时提供语音 传真 图像 数据 多媒体等高品质电信服务的新一代开放的电信基础网络 移动互联网正以 应用轻便 通信便捷 的特点逐渐渗透到人们的学习 工作和生活中 无论是个人还是企业, 无论是我们的工作还是生活, 都受着如潮水一般的移动互联网的极大影响 3. 物联网在信息时代, 科技的发展日新月异, 互联网深刻地改变着人们的生活方式与习惯 从一般的计算机到互联网, 从互联网再到物物相连的物联网, 网络从人与人之间的沟通, 进一步拓展到人与物 物与物之间的沟通 1999 年, 美国 MIT Auto-ID 中心提出了物联网 (Internet of Things) 的概念 : 通过射频识别 (RFID)(RFID+ 互联网 ) 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器 气体感应器等信息传感设备, 按约定的协议, 把任何物品与互联网连接起来, 进行信息交换和通信, 以实现智 7

16 能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 物联网的概念包含两种含义 : 第一, 物联网的核心和基础仍然是互联网, 是在互联网基础上延伸和扩展的网络 ; 第二, 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间, 进行信息交换和通信 因此, 物联网就是利用网络连接所有能够被独立寻址的普通物理对象, 从而实现对物品的智能化识别 定位 跟踪 监控和管理 它具有普通对象设备化 自治终端互联化 普适服务智能化的重要特征 物联网的应用目的在于建立一个更加智能的社会 现在的物联网应用领域拓展到了国防安全 智能交通管理 智能医疗管理 环境保护 平安家居和个人健康等多个领域 物联网被称为继计算机和互联网之后, 世界信息产业的第三次浪潮, 代表着当前和今后一段时间内信息网络的发展方向 4. 大数据现在的社会, 科技发达, 信息通畅, 人们的交流密切, 生活方便, 大数据就是这个高科技时代的产物 阿里巴巴创始人马云在一次演讲中提到 未来的时代将不是 IT 时代, 而是 DT(Data Technology, 数据科技 ) 时代 这显示出未来的社会中, 大数据将处于举足轻重的地位 最早提出 大数据 时代到来的是全球知名咨询公司麦肯锡全球研究所, 该公司指出 : 大数据是一种规模大到在获取 存储 管理 分析方面大大超出传统数据库软件工具能力范围的数据集合, 具有海量的数据规模 快速的数据流转 多样的数据类型和价值密度低四大特征 牛津大学教授维克托 迈尔 - 舍恩伯格与 经济学人 数据编辑肯尼斯 库克耶在合著的 大数据时代 一书中指出, 大数据是指不用随机分析法 ( 抽样调查 ) 这样的捷径, 而采用所有数据进行分析处理 而对于 大数据 (Big Data), 研究机构 Gartner 认为 : 大数据 是需要新处理模式才能具有更强的决策力 洞察发现力和流程优化能力的海量 高增长率和多样化的信息资产 大数据在物理学 生物学 环境生态学等领域以及军事 金融 通信等行业已存有时日, 因为近年来互联网和信息行业的发展而引起人们关注 大数据已经渗透到当今每个行业和业务职能领域, 已成为重要的生产因素 目前, 人们对大数据还没有一个准确的定义, 大数据是一个正在形成的 发展中的阶段性概念, 一般从 4 个方面的特征来理解其内容, 即数量 (Volume) 多样性(Variety) 速度 (Velocity) 和真实性 (Veracity), 简称 4V 特征 Volume: 数据量大, 数据量的大小决定所考虑的数据的价值和潜在的信息, 大数据的起始计量单位至少是 P(1000TB) E(100 万 TB) 或 Z(10 亿 TB) Variety: 数据类型繁多, 包括网络日志 音频 视频 图片 地理位置信息等, 多类型的数据对数据的处理能力提出了更高的要求 Velocity: 获得数据的速度快 时效高, 这是大数据区别于传统数据挖掘最显著的特征 Veracity: 数据真实性高, 随着社交数据 企业内容 交易与应用数据等新数据源的兴起, 传统数据源的局限被打破, 企业越发需要有效的信息以确保其真实性及安全性 8

17 第 1 章计算机基础知识 随着云时代的来临, 大数据也吸引了越来越多人的目光 大数据通常用来形容一家公司创造的大量非结构化和半结构化数据, 这些数据在下载到关系型数据库中用于分析时会花费过多时间和金钱 大数据分析常和云计算联系到一起, 因为实时的大型数据集分析需要向数十 数百或甚至数千台计算机分配工作 大数据技术的重要性并不在于掌握庞大的数据信息, 而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理 如今, 信息海量存在, 但这些数据的价值密度相对较低 如何对这些含有意义的数据进行专业化处理, 提高对数据的加工能力, 迅速地完成数据的价值 提纯, 是大数据时代亟待解决的难题 目前, 大数据已经在各个领域展开了应用 如大数据帮助电商公司向客户推荐心仪的商品和服务, 大数据帮助社交网站提供更准确的好友推荐, 大数据帮助娱乐行业预测歌手 歌曲 电影 电视剧的受欢迎程度, 并为企业分析评估娱乐节目的受众, 以帮助企业提升广告投放精准度 大数据的收集有很多种方法, 如根据人们浏览的网页 搜索的关键字, 推测出人们感兴趣的东西, 也可以根据 QQ 微信类的社交软件聊天记录来收集有用的信息, 还可以通过网页上的调查问卷来了解人们对某种事物的看法和态度 这些收集起来的数据会被存储起来, 在需要时运用软件进行分析处理 国家有国家的数据, 公司有公司的数据, 数据量越大代表实力越强, 未来发展的可能性也就越大 越好 未来, 大数据的身影将无处不在, 因大数据而产生的变革浪潮将很快淹没地球上的每个角落 大数据将被用来解决社会问题 商业问题 科学技术问题, 以及解决人的衣食住行问题 5. 可穿戴计算机可穿戴计算机 ( 简称可穿戴机 ) 的前身并不光彩 20 世纪 60 年代, 美国赌场里的赌客们将小型的摄像头 对讲机等机器挂在身上或放在口袋里, 以此得到同伴的信息进而在赌局中获胜 尽管如此, 它仍向人们透露了一个信息 : 人们已不满足于将计算机置于桌面上的人机分离状态, 开始思考如何使人机结合得更紧密 在一些发达国家, 可穿戴机已经被广泛应用于危险事件的处理中 大楼起火, 烟雾弥漫, 漆黑一片, 消防员随身佩戴的可穿戴机将信息整合后可以迅速提示其在整个楼房中的位置 楼内哪里还有幸存的生命, 从而救出被困人员 ; 灾情突然发生, 受伤人员急需现场手术, 救护人员通过可穿戴机进行远程会诊, 成功实施手术 ; 进行飞机紧急维修的维修工人通过可穿戴机一边阅读存储器中的维修手册, 一边与总部沟通, 同时自如地进行维修 1989 年, 日本著名漫画家鸟山明在其推出的 龙珠 Z 漫画中创造了一种 战斗力侦测器, 这是一种像眼镜一样戴在头上的东西, 佩戴者可以通过目测, 看出每一个人的战斗力数值 23 年后, 谷歌公司推出了一款谷歌眼镜 虽然这款眼镜看不出战斗力, 但拥有主流智能手机的所有功能, 通信 数据业务一应俱全 一百多年来, 全球科技发展日新月异, 科技产品从想象变为现实的例子比比皆是, 而其中能大规模商用的比例并不高 谷歌眼镜会是其中之一吗? 值得注意的是, 尽管思路完全不同, 老牌电子消费企业索尼也有自己的商用化头戴式产品, 而苹果公司也在动类似的脑筋 众星捧月 之下, 解放双手的头戴式设备到底离我们有多远? 其实一点都不远 9

18 在可穿戴机可预见的未来, 孩子背着书包出门, 父母通过孩子随身佩戴的可穿戴机可看见他所处的环境, 随时与他面对面通话 ; 商店里, 面对琳琅满目的商品不知所措的丈夫经由妻子的 远程 参考后买回了满意的商品 ; 年迈的父母无法纵情山水, 通过在旅游胜地的儿女的眼睛 看旅游 虽然可穿戴机已在许多特殊任务领域得到充分利用, 但人们更希望它早日进入日常生活 许多人认为, 可穿戴机 无非是一个小的 PC 挂在身上, 一些计算机基础研究者对其也不以为然 可穿戴机虽然看起来是穿戴在人身上工作, 但并不能仅仅理解为将计算机穿在身上, 在可穿戴计算工程中有 11 项关键技术, 如无线自组网 System-on-Chip( 一个芯片一台机 ) 无线通信 嵌入式操作系统等都是当前计算机科学的难关 业内专家也曾宣称: 任何有利于缩小人机隔阂的研究都是有生命力价值的! 正是基于这一点, 国内计算机的先锋 青年计算机科技论坛 曾专门以此为论题召开了可穿戴计算机新技术报告会 加拿大传媒学家麦克卢汉在 20 世纪 60 年代就提出了 媒介是人的延伸, 今天的可穿戴计算机正在实现着人身上各个器官的功能, 并延长着每一个功能 6. 虚拟仿真技术虚拟仿真技术又称虚拟现实技术或模拟技术, 就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术 从狭义上讲, 虚拟仿真技术是指 20 世纪 40 年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术 ; 从广义上来说, 虚拟仿真技术在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着 由于计算机技术的发展, 仿真技术逐步自成体系, 成为继数学推理 科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法, 而且正在发展成为人类认识 改造和创造客观世界的一项通用性 战略性技术 人们对仿真技术的期望越来越高, 过去, 人们只用仿真技术来模拟某个物理现象 设备或简单系统 ; 今天, 人们要求能用仿真技术来描述复杂系统, 甚至由众多不同系统组成的系统体系 这就要求仿真技术需要进一步发展, 并吸纳 融合其他相关技术 虚拟现实 (Virtual Reality) 技术, 简称 VR, 是 20 世纪 80 年代新崛起的一种综合集成技术, 涉及计算机图形学 人机交互技术 传感技术 人工智能等 它是由计算机硬件 软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境 虚拟环境, 可以逼真地模拟现实世界 ( 甚至是不存在的 ) 的事物和环境, 人投入到这种环境中, 立即有一种 身临其境 的感觉, 并可亲自操作, 自然地与虚拟环境进行交互 VR 技术主要有三方面的含义 : 第一, 借助于计算机生成的环境是虚幻的 ; 第二, 人对这种环境的感觉 ( 视 听 触 嗅等 ) 是逼真的 ; 第三, 人可以通过自然的方法 ( 手动 眼动 口说 其他肢体动作等 ) 与这个环境进行交互, 虚拟环境还能够实时地做出相应的反应 虚拟仿真技术, 则是在多媒体技术 虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上, 将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物, 是一种更高级的仿真技术 虚拟仿真技术以构建全系统统一的 完整的 虚拟环境为典型特征, 并通过虚拟环境集成与控制众多的实体 实体可以是模拟器, 也可以是其他的虚拟仿真系统, 也可用一些简单的数学模型表示 实体在虚拟环境中相互作用, 或与虚拟环境作用, 以表现客观世界的真实特征 虚拟仿真技术的这种集成化 虚拟化与网络化的特征, 充分满足了现代仿真技术的发展需求 10

19 第 1 章计算机基础知识 虚拟仿真技术具有以下 4 个基本特性 沉浸性 (Immersion): 虚拟仿真系统中, 使用者可获得视觉 听觉 嗅觉 触觉 运动感觉等多种感知, 从而获得身临其境的感受 理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能 交互性 (Interaction): 虚拟仿真系统中, 不仅环境能够作用于人, 人也可以对环境进行控制, 而且人是以近乎自然的行为 ( 自身的语言 肢体的动作等 ) 进行控制的, 虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应 例如, 当飞行员按动导弹发射按钮时, 会看见虚拟的导弹发射出去并跟踪虚拟的目标 ; 当导弹碰到目标时会发生爆炸, 能够看到爆炸的碎片和火光 虚幻性 (Imagination): 即系统中的环境是虚幻的, 是由人利用计算机等工具模拟出来的 计算机既可模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境, 又可模拟客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境, 还可模拟客观世界中并不会存在的而仅仅属于人们幻想的环境 逼真性 (Reality): 虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面 一方面, 虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像, 一切感觉都是那么逼真, 如同在真实世界中一样 ; 另一方面, 当人以自然的行为作用于虚拟环境时, 环境做出的反应也符合客观世界的有关规律 如当给虚幻物体一个作用力时, 该物体的运动就会符合力学定律, 沿着力的方向产生相应的加速度 ; 当它遇到障碍物时, 会被阻挡 7. 人工智能人工智能 (Artificial Intelligence), 英文缩写为 AI 它是研究 开发用于模拟 延伸和扩展人的智能的理论 方法 技术及应用系统的一门新的科学 人工智能是计算机科学的一个分支, 它试图了解智能的实质, 并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器, 该领域的研究包括机器人 语言识别 图像识别 自然语言处理和专家系统等 人工智能从诞生以来, 理论和技术日益成熟, 应用领域也不断扩大, 可以设想, 未来人工智能带来的科技产品, 将会是人类智慧的 容器 人工智能可以实现对人的意识 思维的信息过程的模拟 人工智能不是人的智能, 但能像人那样思考, 也可能超过人的智能 人工智能是一门极富挑战性的科学, 从事这项工作的人必须懂得计算机知识 心理学和哲学 人工智能是一门涉及十分广泛的科学, 它由不同的领域组成, 如机器学习 计算机视觉等 总的来说, 人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作 但不同的时代 不同的人对这种 复杂工作 的理解是不同的 2017 年 12 月, 人工智能入选 2017 年度中国媒体十大流行语 人工智能的传说可以追溯到古埃及, 但随着 1941 年以来电子计算机的发展, 已最终可以创造出机器智能 人工智能 一词最初是在 1956 年的达特茅斯会议上提出的, 从那以后, 研究者发展了众多理论和原理, 人工智能的概念也随之扩展 在它还不长的历史中, 人工智能的发展比预想的要慢, 但一直在前进, 从 60 多年前出现至今, 已经出现了许多 AI 程序, 并且它们也影响到了其他技术的发展 11

20 (1) 竞赛 LOEBNER( 人工智能类 ) 以人类的智慧创造出堪与人类大脑相媲美的机器大脑 ( 人工智能 ), 对人类来说是一个极具诱惑的领域, 人类为了实现这一梦想也已经奋斗了很多年 而从一个语言研究者的角度来看, 要让机器与人之间自由交流是相当困难的, 甚至说可能会是一个永无答案的问题 人类的语言 人类的智能是如此复杂, 以至于我们的研究还并未触及其导向本质的外延部分的边缘 日常生活中人们开始感受到计算机和人工智能技术的影响, 计算机技术不再只属于实验室中的一小群研究人员 个人电脑和众多技术杂志使计算机技术展现在人们面前, 有了像美国人工智能协会这样的基金会, 因为 AI 开发的需要, 还出现了一阵研究人员进入私人公司的热潮 150 多家像 DEC( 它雇用 700 多名员工从事 AI 研究 ) 这样的公司共花了 10 亿美元在内部 AI 开发组上 其他 AI 领域也在 20 世纪 80 年代进入市场, 其中一项就是机器视觉 MINSKY 和 MARR 的成果如今用到了生产线上的相机和计算机中, 进行质量控制 尽管还很简陋, 但这些系统已能够通过黑白区别分辨出物件形状的不同 到 1985 年美国有一百多家公司生产机器视觉系统, 销售额共达 8 千万美元 但 20 世纪 80 年代对 AI 工业来说也不全是好年景 年对 AI 系统的需求下降, 使业界损失了近 5 亿美元, Teknowledge 和 Intellicorp 两家公司共损失超过 600 万美元, 大约占利润三分之一的巨大损失迫使许多研究领导者削减经费 另一个令人失望的项目是美国国防部高级研究计划署支持的所谓 智能卡车, 这个项目旨在研制一种能完成许多战地任务的机器人 由于项目缺陷和成功无望,Pentagon 停止了项目的经费 尽管经历了这些受挫的事件,AI 仍在慢慢恢复发展, 新的技术在日本被开发出来, 如在美国首创的模糊逻辑, 它可以从不确定的条件做出决策 ; 还有神经网络, 被视为实现人工智能的可能途径 总之,20 世纪 80 年代 AI 被引入市场, 并显示出实用价值 可以确信它将是通向 21 世纪的钥匙 人工智能技术接受检验, 在 沙漠风暴 行动中, 军方的智能设备经受了战争的考验 人工智能技术被用于导弹系统和预警显示以及其他先进武器 AI 技术也进入了家庭, 智能电脑的出现激起了公众的兴趣 一些面向苹果机和 IBM 兼容机的应用软件, 例如语音和文字识别已可买到 使用模糊逻辑,AI 技术简化了摄像设备, 对人工智能相关技术更大的需求促使新的进步不断出现, 人工智能已经并且将继续不可避免地改变我们的生活 (2) 强弱对比人工智能的一个比较流行的定义, 也是该领域较早的定义, 是由约翰 麦卡锡 (John Mccarthy) 在 1956 年的达特茅斯会议上提出的 : 人工智能就是要让机器的行为看起来就像是人所表现出的智能行为一样 但是这个定义似乎忽略了强人工智能的可能性 另一个定义指人工智能是人造机器所表现出来的智能性 总体来讲, 对人工智能的定义大多可划分为 4 类, 即机器 像人一样思考 像人一样行动 理性地思考 理性地行动 这里的 行动 应广义地理解为采取行动, 或制定行动的决策, 而不是肢体动作 (3) 强人工智能 (BOTTOM-UP AI) 强人工智能观点认为有可能制造出真正能推理 (Reasoning) 和解决问题 (Problem-Solving) 的智能机器, 并且这样的机器被认为是有知觉的 有自我意识的 强人工智能可以有两类 : 类人的人工智能, 即机器的思考和推理就像人的思维一样 ; 非类人的人工智能, 即机器产生 12

21 第 1 章计算机基础知识 了和人完全不一样的知觉和意识, 使用和人完全不一样的推理方式 (4) 弱人工智能 (TOP-DOWN AI) 弱人工智能观点认为不可能制造出能真正地推理和解决问题的智能机器, 这些机器只不过看起来像是智能的, 但是并不真正拥有智能, 也不会有自主意识 主流科研集中在弱人工智能上, 并且一般认为这一研究领域已经取得了可观的成就 强人工智能的研究则处于停滞不前的状态 (5) 对强人工智能的哲学争论 强人工智能 一词最初是约翰 罗杰斯 希尔勒针对计算机和其他信息处理机器创造的, 其定义为 : 强人工智能观点认为计算机不仅是用来研究人的思维的一种工具 ; 相反, 只要运行适当的程序, 计算机本身就是有思维的 这是指使计算机从事智能的活动 在这里智能的含义是多义的 不确定的, 像下面提到的就是其中的例子 利用计算机解决问题时, 必须明确知道程序 可是, 人即使在不清楚程序时, 根据发现 (HEU-RISTIC) 法而设法巧妙地解决问题的情况是不少的 如识别书写的文字 图形 声音等, 所谓认识模型就是一例 另外, 能力因学习而得到提高, 因归纳推理 依据类推而进行的推理等, 也是其例 此外, 解决的程序虽然是清楚的, 但是实行起来需要很长时间, 对于这样的问题, 人能在很短的时间内找出相当好的解决方法, 如竞技比赛等就是其例 还有, 计算机在没有给予充分的合乎逻辑的正确信息时, 就不能理解它的意义, 而人在仅被给予不充分 不正确信息的情况下, 根据适当的补充信息, 也能抓住它的意义 自然语言就是其例, 用计算机处理自然语言, 称为自然语言处理 关于强人工智能的争论不同于更广义的一元论和二元论的争论 其争论要点是 : 如果一台机器的唯一工作原理就是对编码数据进行转换, 那么这台机器是不是有思维的? 希尔勒认为这是不可能的 他列举中文房间的例子来说明, 如果机器仅仅是对数据进行转换, 而数据本身是对某些事情的一种编码表现, 那么在不理解这一编码和实际事情之间的对应关系的前提下, 机器不可能对其处理的数据有任何理解 基于这一论点, 希尔勒认为即使有机器通过图灵测试, 也不一定说明机器就真的像人一样有思维和意识 也有哲学家持不同的观点 Daniel C. Dennett 在其著作 Consciousness Explained 里认为, 人也不过是一台有灵魂的机器而已, 为什么我们认为人可以有智能而普通机器就不能呢? 他认为上述数据转换机器是有可能有思维和意识的 有的哲学家认为如果弱人工智能是可实现的, 那么强人工智能也是可实现的 比如 Simon Blackburn 在其哲学入门教材 Think 里说道, 一个人看起来是 智能 的行动并不能真正说明这个人就真的是智能的 我永远不可能知道另一个人是否真的像我一样是智能的, 还是说他仅仅是看起来是智能的 基于这个论点, 既然弱人工智能认为可以令机器看起来像是智能的, 那就不能完全否定机器真的是智能的 Blackburn 认为这是一个主观认定的问题 需要指出的是, 弱人工智能并非和强人工智能完全对立, 也就是说, 即使强人工智能是可能的, 弱人工智能也仍然是有意义的 至少, 今天的计算机能做的事, 像算术运算等, 在一百多年前被认为是很需要智能的 13

22 1.2 计算机系统的组成与工作原理 随着计算机技术的快速发展, 计算机应用已渗透到社会的各个领域 为了更好地使用计算机, 我们必须对计算机系统有个全面的了解 下面介绍计算机系统的基本组成及其工作原理 计算机系统的组成完整的计算机系统是由计算机硬件系统和计算机软件系统两个部分组成的, 如图 1-3 所示 硬件系统 主机 中央处理单元 内部存储器 控制器运算器只读存储器 (ROM) 随机存取存储器 (RAM) 外部设备 外部存储器 : 硬盘 U 盘 光盘等 输入设备 : 键盘 鼠标 扫描仪等 输出设备 : 显示器 打印机 绘图仪等 计算机系统 其他设备 : 调制解调器等操作系统 系统软件 程序语言处理系统 数据库管理系统 软件系统 服务程序 : 检查 诊断 排错 应用软件 通用应用软件 : 如 Office 2010 办公软件等 专用应用软件 : 用户程序 图 1-3 计算机系统的组成计算机硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称, 是计算机系统的物质基础, 如 CPU 存储器 输入设备 输出设备等 计算机硬件系统又称为裸机, 裸机只能识别由 0 1 组成的机器代码, 没有软件系统的计算机几乎是没有用的 计算机软件系统是指为使计算机运行和工作而编制的程序和全部文档的总和 硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境, 而软件系统的发展又给硬件系统提出了新的要求 微型计算机的硬件系统微型计算机是发展最快的一类计算机, 被广泛应用在各个领域 一台典型微型计算机的硬件系统, 宏观上可分为主机箱 显示器 键盘 鼠标 打印机等几个部分, 主机箱内部有电源 系统主板 光盘驱动器 硬盘等, 系统主板上插有 CPU 内存和各种适配器 14

23 第 1 章计算机基础知识 1. 主板主板 (Mother Board Main Board 或称 System Board) 是微型计算机的主体 主板上布满了各种电子元件 插槽 接口等, 如图 1-4 所示 它为 CPU 内存和各种功能卡( 声 图 通信 网络 TV SCSI 等 ) 提供安装插座 ( 槽 ); 为各种存储设备 I/O 设备 多媒体和通信设备提供接口 计算机在正常运行时对系统内存 存储设备和其他 I/O 设备的控制都必须通过主板来完成, 因此计算机整体运行的速度和稳定性取决于主板的性能 不同的板型通常要求不同的主机箱与之匹配 目前常见的主板结构规范主要有 AT ATX LPX 等 它们之间的差别主要有尺寸大小 形状 元器件的放置位置和电源供应器等方面 图 1-4 主板芯片组 (Chipset) 是主板的灵魂, 决定了主板的性能和价格 正如人的大脑分左脑和右脑一样, 主板上的芯片组由北桥芯片和南桥芯片组成, 如图 1-5 所示 北桥芯片提供对 CPU 的类别和主频 内存的类型和最大容量 ISA/PCI/AGP 插槽 ECC 纠错等的支持 南桥芯片则提供对 KBC( 键盘控制器 ) RTC( 实时时钟控制器 ) USB( 通用串行总线 ) ACPI( 高级能源管理 ) 等的支持 其中北桥芯片起着主导作用, 也称为主桥 (Host Bridge) (a) 南桥芯片 (b) 北桥芯片 图 1-5 主板芯片 2. 中央处理器中央处理器 (Central Processing Unit,CPU), 又称微处理器 它包括运算器和控制器两个部件, 是计算机系统的核心 CPU 的主要功能是按照程序给出的指令序列分析指令 执行指 15

24 令, 完成对数据的加工和处理 计算机所发生的全部动作都受 CPU 的控制 控制器用来协调和指挥整个计算机系统的操作, 本身不具有运算功能, 而是通过读取各种指令, 并对其进行翻译 分析, 然后对各部件做出相应的控制 它主要由指令寄存器 译码器 程序计算器 时序电路等组成 运算器主要完成算术运算和逻辑运算, 是对信息加工和处理的部件, 它主要由算术逻辑部件和寄存器组成 衡量 CPU 的性能有以下几个主要指标 (1) 主频主频是指 CPU 时钟的频率 主频越高,CPU 单位时间内完成的操作就越多 主频的单位是 MHz 或 GHz (2) 内部数据总线内部数据总线是 CPU 内部的数据传输通道 内部数据总线一次可传输二进制数据的位数越多,CPU 传输和处理数据的能力就越强 (3) 外部数据总线外部数据总线是 CPU 与外部的数据传输通道 外部数据总线一次可传输二进制数据的位数越多,CPU 与外部交换数据的能力就越强 (4) 地址总线地址总线是 CPU 访问内存时的数据传输通道 地址总线一次可传输二进制的位数越多,CPU 的物理地址空间就越大 通常地址总线是 n 位,CPU 的物理地址空间就是 2 n 字节 目前, 大多数微机都使用 Intel 公司生产的 CPU 美国 Intel 公司成立于 1968 年,1971 年 Intel 推出了 4 位微处理器 ( 即 4004), 首次采用 100MHz 系统总线, 相继生产出 32 位的时钟频率为 400MHz 和 450MHz 的微处理器 Pentium Ⅱ, 随后又推出 Pentium Ⅲ Pentium 4 Core 1 Core 2 Duo 等, 如图 1-6 所示 (a) 第 1 代 Intel 处理器 4004 (b) Intel 486 是 Intel 最后一代以数字编号的 CPU (c) Core 2 Duo 图 1-6 CPU 3. 存储器存储器是计算机的记忆和存储部件, 用来存放信息 对存储器而言, 容量越大 存取速度越快越好 计算机的操作, 主要是与存储器之间交换信息, 存储器的工作速度相对 CPU 的运算速度要低得多, 因此存储器的工作速度是制约计算机运算速度的主要因素之一 目前计算机的存储系统由各种不同的存储器组成 通常至少有两级存储器 : 一级是包含在计算机中的内存储器, 它直接和运算器 控制器联系, 容量小, 但存取速度快, 用于 16

25 第 1 章计算机基础知识 存放那些急需处理的数据或正在运行的程序 ; 另一级是外存储器, 它间接和运算器 控制器联系, 存取速度慢, 但存取容量大, 价格低廉, 用来存放暂时不用的数据 (1) 内存储器内存储器又称为主存储器, 实质上是一组或多组具备数据输入 / 输出和存储功能的集成电路 内存储器的主要作用是用来存放计算机系统执行时所需要的数据, 存放各种输入 输出数据和中间计算结果, 以及与外部存储器交换信息时作为缓冲 内存储器的存取速度较快, 由于价格上的原因, 一般容量较小 1 内存储器的主要技术指标 存储器容量在内存储器中含有大量存储单元, 每个存储单元可存储 8 位 (bit,b) 二进制信息, 这样的存储单元称为一个字节 (Byte,B) 存储器容量是指存储器中包含的字节数, 通常以 KB MB GB TB 作为存储器容量单位, 其中 :1B=8b,1KB =1024B,1MB = 1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB 读写时间从存储器读一个字或向存储器写入一个字所需的时间为读写时间 两次独立的读写操作之间所需的最短时间称为存储周期 本指标反映存储器的存取速度, 早期的存取周期有 60ns 70ns 80ns 等几种, 目前的存取周期有 7ns 8ns 10ns 等几种 2 内存的分类 只读存储器 ROM 存储在 ROM 中的数据理论上是永久的, 即使在关机后, 保存在 ROM 中的数据也不会丢失 因此,ROM 中常用于存储微型机的重要信息, 如主板上的 BIOS 等 随机存取存储器 (RAM) RAM 主要用来存放系统中正在运行的程序 数据和中间结果, 以及用于与外部设备的信息交换 它的存储单元根据需要可以读出, 也可以写入, 但它只能用于暂时存放信息 一旦关闭电源或发生断电, 其中的数据就会丢失 随机存储器就是通常所说的内存条 随机存储器又分为动态随机存储器 (DRAM) 和静态随机存储器 (SRAM) 目前比较常用的内存条有 SDRAM DDR SDRAM 和 RDRAM 等, 如图 1-7 所示 (a) SDRAM 内存条 (b) DDR SDRAM 内存条 (c) RDRAM 内存条 图 1-7 内存条 17

26 高速缓冲存储器高速缓冲存储器是位于 CPU 和主内存 DRAM 之间的规模较小但速度很快的存储器, 通常由 SRAM 组成 把在一段时间内 一定地址范围内被频繁访问的信息的集合, 成批地从主存中读到一个能高速存取的小容量存储器中存放起来, 供程序在这段时间内随时采用, 而减少或不再去访问速度较慢的主存, 就可以加快程序的运行速度 这个介于 CPU 和主存之间的高速小容量存储器就称为高速缓冲存储器, 简称 Cache 显然, 程序访问的局部化性质是 Cache 得以实现的基础 目前,CPU 一般设有一级缓存 (L1 Cache) 和二级缓存 (L2 Cache) (2) 外存储器内存由于技术及价格上的原因, 容量有限, 不可能容纳所有的系统软件及各种用户程序, 因此, 计算机系统都要配置外存储器 外存储器又称为辅助存储器, 它的容量一般都比较大, 而且大部分可以移动, 便于不同计算机之间进行信息交流 目前常见的外存储器有硬盘 光盘以及可移动磁盘等 1 硬盘硬盘 (Hard Disk) 是计算机中不可缺少的存储设备 由一组大小相同 涂有磁性材料的铝合金或玻璃片环绕一个共同的轴心组成 通常, 硬盘盘片和驱动装置合为一体, 盘片完全密封在驱动器内, 不可更换 每个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, 硬盘的外观及内部结构如图 1-8 所示 空气过滤片 串行接口 主轴 磁盘 音圈马达 磁头磁头停泊区 (a) 硬盘外形 永磁铁 (b) 硬盘的内部结构 磁头臂 图 1-8 硬盘硬盘是由磁道 (Tracks) 扇区(Sectors) 柱面(Cylinders) 和磁头 (Heads) 组成的 一个硬盘可以有 1 到 10 张甚至更多张盘片, 所有的盘片串在一根轴上, 两个盘片之间仅留出安置磁头的距离 柱面是指使磁盘的所有盘片具有相同编号的磁道 硬盘的容量取决于硬盘的磁头数 柱面数以及每个磁道的扇区数, 由于硬盘一般都有多个盘片, 因此用柱面这个参数代替磁道 每一扇区的容量为 512B, 硬盘的容量 =512B 磁头数 柱面数 每磁道扇区数 硬盘的性能指标如下 : 硬盘容量硬盘容量指在一块硬盘中可以容纳的数据的容量 硬盘作为计算机最主要的外部存储器, 其容量是第一性能指标 硬盘容量通常以 GB 为单位 目前主流硬盘容量为 18

27 第 1 章计算机基础知识 500GB~2TB 硬盘转速硬盘转速指硬盘的电动机旋转的速度, 它的单位是 RPM(Revolutions Per Minute), 即每分钟多少转 它是决定硬盘内部传输率的决定因素之一, 它的快慢决定了硬盘的速度, 同时也是区别硬盘档次的重要标志 目前, 硬盘的转速主要有 5400RPM 7200RPM 和 10000RPM 种 速度越快, 硬盘的性能越好, 较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间 平均寻道时间平均寻道时间是指硬盘的读写磁头在盘面上移动到数据所在磁道需要的时间, 它是衡量硬盘机械能力的重要指标 寻道时间越短, 数据读写速度自然就越快, 表示硬盘的性能越好 目前大多数主流硬盘的平均寻道时间为 4.5~12.6ms 高速缓存高速缓存是计算机缓解数据交换速度差异的必备设备, 高速缓存的大小对硬盘速度有较大影响, 硬盘内部传输速度与硬盘外部传输速度目前还不一致, 必须有缓存的缓冲 目前主流硬盘的高速缓存主要有 8~64MB 等几种 其类型一般是 EDODRAM 或 SDRAM, 一般以 SDRAM 为主 硬盘接口类型硬盘接口是指连接硬盘驱动器和计算机的专用部件, 它对计算机的性能以及扩充系统时计算机连接其他设备的能力有着很大影响 不同类型的接口往往制约着硬盘的容量, 更影响硬盘速度的发挥 一般按接口来分, 硬盘主要有 IDE 接口 SCSI 接口和 SATA 接口 使用硬盘时的注意事项如下 : 保持使用环节的清洁 ; 使用环境, 温度 10~40, 湿度 20%~80%; 避免振动与冲击 ; 不要随意拆卸硬盘 ; 避免频繁地开关机器电源 ; 计算机在运行时, 不要随意移动 目前比较流行的新型硬盘 : 固态硬盘 固态硬盘 (Solid State Drive) 简称固盘, 它是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘, 由控制单元和存储单元 (Flash 芯片 DRAM 芯片 ) 组成 固态硬盘在接口的规范和定义 功能及使用方法上与普通硬盘完全相同, 在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致, 被广泛应用于军事 车载 工控 视频监控 网络监控 网络终端 电力 医疗 航空 导航设备等领域 其芯片的工作温度范围很宽, 商规产品为 0~70, 工规产品为 -40~85 虽然成本较高, 但也正在逐渐普及到 DIY 市场 由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同, 因此产生了不少新兴的存储器厂商 厂商只需要购买 NAND 存储器, 再配合适当的控制芯片, 就可以制造固态硬盘了 新一代的固态硬盘普遍采用 SATA-2 接口 SATA-3 接口 SAS 接口 MSATA 接口 PCI-E 接口 NGFF 接口 CFast 接口和 SFF-8639 接口 固态硬盘的存储介质分为两种, 一种是采用闪存 (Flash 芯片 ) 作为存储介质, 另外一种是采用 DRAM 作为存储介质 基于闪存的固态硬盘 : 基于闪存的固态硬盘 (IDEFLASH DISK Serial ATA Flash Disk) 采用 Flash 芯片作为存储介质, 这也是通常所说的 SSD 它的外观可以被制作成多种模样, 例如 : 笔记本硬盘 微硬盘 存储卡 U 盘等样式 这种 SSD 固态硬盘最大的优点就是可以移动, 而且数据保护不受电源控制, 能适应于各种环境, 19

28 适合个人用户使用 一般它的可擦写次数普遍为 3000 次左右, 以常用的 64GB 固态硬盘为例, 在 SSD 的平衡写入机理下, 可擦写的总数据量为 64GB 3000= GB, 如果每天下载 100GB 的视频, 可用天数为 / 100=1920, 也就是 1920 / 365=5.26 年 如果每天写入的数据远低于 10GB, 就以 10GB 来算, 可以不间断用 52.5 年 ; 如果用的是 128GB 的 SSD, 可以不间断用 104 年! 这是什么概念? 它像普通硬盘一样, 理论上可以无限读写 云储固态硬盘 : 基于 DRAM 的固态硬盘, 采用 DRAM 作为存储介质, 应用范围较窄 它仿效传统硬盘的设计, 可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理, 并提供工业标准的 PCI 和 FC 接口用于连接主机或服务器 应用方式可分为 SSD 硬盘和 SSD 硬盘阵列两种 它是一种高性能的存储器, 而且使用寿命很长, 美中不足的是需要独立电源来保护数据安全 云储固态硬盘属于非主流的设备 对比传统硬盘, 固态硬盘的接口规范和定义 功能及使用方法与普通硬盘几乎相同, 外形和尺寸也基本与普通的 2.5 英寸硬盘一致 固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写 重量轻 能耗低以及体积小等特点, 同时劣势也较为明显 尽管 IDC 认为 SSD 已经进入存储市场的主流行列, 但其价格仍较为昂贵, 容量较低, 一旦硬件损坏, 数据较难恢复等 ; 并且有人认为固态硬盘的耐用性 ( 寿命 ) 相对较短 影响固态硬盘性能的几个主要因素是 : 主控芯片 NAND 闪存介质和固件 在上述条件相同的情况下, 采用何种接口也可能会影响 SSD 的性能 主流的接口是 SATA( 包括 3Gb/s 和 6Gb/s 两种 ) 接口, 也有 PCIE 3.0 接口的 SSD 问世 由于 SSD 与普通磁盘的设计及数据读写原理的不同, 使得其内部的构造也有很大的不同 一般而言, 固态硬盘 (SSD) 的构造较为简单, 并且也可拆开 ; 我们通常看到的有关 SSD 性能评测的文章中大多附有 SSD 的内部拆卸图 固态硬盘的优点如下 : 读写速度快 : 采用闪存作为存储介质, 读取速度相对机械硬盘更快 固态硬盘不用磁头, 寻道时间几乎为 0 持续写入的速度非常惊人, 固态硬盘厂商大多会宣称自家的固态硬盘持续读写速度超过 500MB/s, 固态硬盘的速度快绝不仅仅体现在持续读写上, 随机读写速度快才是固态硬盘的终极目标, 这直接体现在绝大部分的日常操作中 与之相关的还有极低的存取时间, 最常见的 7200RPM 机械硬盘的寻道时间一般为 12~14ms, 而固态硬盘可以轻易达到 0.1ms 甚至更低 防振抗摔性 : 传统硬盘都是磁盘型的, 数据存储在磁盘扇区里 而固态硬盘是使用闪存颗粒 ( 即 MP3 U 盘等存储介质 ) 制作而成, 所以 SSD 固态硬盘内部不存在任何机械部件, 这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用, 而且在发生碰撞和振荡时能够将数据丢失的可能性降到最小 相较于传统硬盘, 固态硬盘占有绝对优势 低功耗 : 固态硬盘在功耗上要低于传统硬盘 无噪音 : 固态硬盘没有机械马达和风扇, 工作时噪声值为 0 分贝 基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低 ( 但高端或大容量产品的能耗会较高 ), 内部不存在任何机械活动部件, 不会发生机械故障, 也不怕碰撞 冲击 振动 由于固态 20

29 第 1 章计算机基础知识 硬盘采用无机械部件的闪存芯片, 因此具有发热量小 散热快等特点 工作温度范围大 : 典型的硬盘驱动器只能在 5~55 范围内工作, 而大多数固态硬盘可在 -10~70 范围内工作 固态硬盘比同容量机械硬盘体积小 重量轻 固态硬盘的接口规范和定义 功能及使用方法与普通硬盘相同, 在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致 其芯片的工作温度范围很宽 (-40~85 ) 固态硬盘的重量更轻, 与常规 1.8 英寸的硬盘相比, 重量轻 20~30 克 2 光盘光盘是近年来逐渐淡出主流存储设备的一种辅助存储器, 可以存放各种文字 图形 图像 声音 动画等信息, 当年曾是多媒体技术迅速获得推广的重要推动力之一 光盘系统包括光盘盘片和光盘驱动器, 其中光盘盘片由聚碳酸酯注塑而成, 表面有大量凸凹, 用来存储数据信息 ; 光盘驱动器通过激光束照射到带凹坑的光盘上, 反射光的强弱不同来读取光盘数据 光盘和光盘图 1-9 光盘图 1-10 光盘驱动器驱动器如图 1-9 和图 1-10 所示 光盘包括 CD(Compact Disk) 和 DVD(Digital Versatile Disk) 两大类 其中,CD 光盘的容量约为 650MB, 而 DVD 光盘又分为单面单层 单面双层 双面单层和双面双层 4 类, 容量从 4.7GB 到 17GB 不等 根据光盘读写功能的不同,CD 和 DVD 又可分别分为只读型 (CD-ROM,DVD-ROM) 一次写入型(CD-R,DVD±R) 和重复写入型 (CD-RW,DVD± RW) 等类型 光盘驱动器读写数据的速度通常用倍速来描述 目前,CD-ROM 读取速度一般为 48 倍速或 52 倍速 ( 单倍速的读写速度为 150KB/s),CD-R 和 CD-RW 的写入速度分别为 48 倍速和 24 倍速 ;DVD-ROM 的读取速度一般为 16 倍速 (DVD 中单倍速的读写速度为 1.385MB/s), 而 DVD±R 和 DVD±RW 的写入速度为 16 倍速和 8 倍速 光盘具有容量大 读写速度快 数据保存时间长 便于携带 单位价格较低等优点, 已成为多媒体计算机的重要组成部分 目前比较流行的是蓝光光盘 蓝光光盘 (Blue-ray Disc,BD) 是 DVD 之后的下一代光盘格式之一, 用以存储高品质的影音以及高容量的数据存储 蓝光光盘的命名是由于其采用波长为 405 纳米 (nm) 的蓝色激光光束来进行读写操作 (DVD 采用 650 纳米波长的红光读写器,CD 则采用 780 纳米波长 ) 一个单层的蓝光光盘的容量为 25GB 或 27GB, 足够录制一个长达 4 小时的高清晰影片 2008 年 2 月 19 日, 随着 HD DVD 领导者东芝宣布在 3 月底退出所有 HD DVD 相关业务, 持续多年的下一代光盘格式之争正式画上句号, 最终由索尼主导的蓝光光盘胜出 蓝光光盘使用 YcbCr 颜色空间的色与空间, 采用 的色度抽样 (Chroma Subsampling), 色彩深度为 8 位 尽管蓝光光盘有很大的存储空间, 但随着网络带宽的不断增加, 其他存储设备成本的不断降低, 未来高清电影的移动方案将主要由移动硬盘和大容量闪存盘来承担, 蓝光 DVD 不会成为主流载体 21

30 3 可移动磁盘目前, 一种用半导体集成电路制成的电子盘正逐渐成为可移动外存的主流 这种电子盘又分为 U 盘和移动硬盘两种 其中,U 盘采用闪存 (Flash Memory) 作为存储介质, 可反复存取数据, 使用时只要插入计算机中的 USB 插口即可 由于 USB 2.0 接口的传输速率可达 480MB/s, 因此, 使用 U 盘传输文档资料速度非常快 另外, 移动硬盘通过一个转接电路把 2.5 英寸或 3.5 英寸的硬盘连接到 USB 接口上, 具有容量大 便于携带的优点, 适合大量数据的移动存储或备份 U 盘的容量从几百 MB 到几十 GB, 而移动硬盘的容量可以高达上百 GB 近年来, 可移动磁盘的发展极其迅猛, 已成为主要的数据存储设备 U 盘和移动硬盘如图 1-11 所示 4. 输入 / 输出设备 (1) 输入设备输入设备用于将系统文件 用户 (a) U 盘 (b) 移动硬盘图 1-11 可移动磁盘 程序及文档 计算机运行程序所需的数据等信息输入到计算机的存储设备中备用 常见的输入设备有键盘 鼠标 光笔 扫描仪 数码相机等 键盘键盘是最常用的输入设备, 通过连线和主机的键盘接口相连接, 计算机中大部分的输入工作主要由键盘完成 鼠标鼠标也是主要的输入设备, 其主要功能用于移动显示器上的光标并通过菜单或按钮向主机发出各种命令, 但不能输入字符和数据 按照工作原理, 鼠标可分为机械式鼠标和光电式鼠标两种 机械式鼠标在底部有一个可以滚动的小球, 当鼠标在桌面上移动时, 小球和桌面摩擦, 发生转动, 屏幕上的光标随着鼠标的移动而移动 这种鼠标价格便宜, 但易沾灰尘, 影响移动速度, 且故障率高, 应经常清洗 光电式鼠标在底部是两个平行放置的小光源, 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, 使屏幕光标随着移动 光电式鼠标分辨率高, 故障率低, 应用范围越来越广泛 扫描仪图像扫描仪 (Image Scanner) 简称扫描仪, 用于获取照片 书籍上的文字和图片, 是以图片文件的形式保存在计算机中的一种输入设备, 如图 1-12 所示 随着技术的进步和价格的下降, 以前只有专业人士才能使用的扫描仪已经走进千家万户, 扫描仪可以说是除了键盘和鼠标之外应用最广泛的计算机输入设备 扫描仪的工作原理是通过光源照射到被扫描的材料上, 材料将光线反射到 CCD(Charge Coupled Device, 电荷耦合器件 ) 的光敏元件上,CCD 器件将这些强弱不同的光线转换成数字信号, 并传送到计算机中, 从而获得材料的图像 22

31 第 1 章计算机基础知识 扫描仪最主要的性能指标是光学分辨率, 它是用两个数字相乘表示的, 如 , 其中前一个数字代表扫描仪的横向分辨率, 后一个数字代表扫描仪的纵向分辨率 扫描仪的另一个指标是色彩深度, 又称色彩位数, 是指扫描仪对图像进行采样的数据位数, 也就是扫描仪所能辨别的色彩范围 目前有 18 位 24 位 30 位 36 位 42 位 48 位等多种, 位数越高, 扫描效果越好 其他还应考虑的性能参数包括扫描幅面 接口类型等 数码相机数码相机 (Digital Camera), 又叫数字式相机, 简称 DC 数码相机是实现了光学 机械 电子一体化的产品, 它集成了影像信息的转换 存储和传输等部件, 具有即时拍摄 图片数字化存储 浏览简便 与计算机交互处理等特点, 如图 1-13 所示 图 1-12 扫描仪 图 1-13 数码相机 数码相机的核心是成像感光器件, 它代替了传统相机的 胶卷 当感光器表面受到光线照射时, 能把光线转换成电荷, 通过模数转换芯片转换成数字信号, 所有感光器产生的信号加在一起, 就构成一幅完整的画面, 数字信号经过压缩后由相机内部的闪存和内置硬盘卡保存 数码相机的种类繁多, 性能各不相同, 它的主要性能参数包括 :1 像素数目, 如 800 万 1000 万 1500 万 2000 万等, 像素数目越多, 所获得的图片分辨率越高, 质量也越好, 但需要更多的存储空间, 价格相应也越贵 2 感光器件, 感光器件是数码相机的关键, 成像部件主要有 CCD 元件和 CMOS( 互补金属氧化物导体 ) 器件, 目前主流感光器采用 CCD 元件 除了以上提到的常用输入设备, 其他还有光笔 游戏手柄 游戏摇杆 数码摄像头和话筒等, 如图 1-14 所示 (a) 光笔 (b) 游戏手柄 (c) 摄像头 (d) 话筒 图 1-14 常用的输入设备 23

32 (2) 输出设备输出设备用于将计算机内部以二进制代码形式表示的信息转换为用户所需要并能识别的形式, 如十进制数字 文字 符号 图形 图像 声音, 或者其他系统所能接受的信息形式 在微型计算机系统中, 主要的输出系统是显示器 打印机和绘图仪等 1 显示器系统显示器系统由显示器和图形适配器 (Graphics Adapter, 也称为图形卡或显卡 ) 组成 它们共同决定了图像的输出质量 显示器类型很多, 按显示的内容可以分为只能显示 ASCII 码字符的字符显示器和能显示字符与图形的图形显示器 ; 按显示的颜色可以分为单色显示器和彩色显示器 ; 按显示原理可以分为阴极射线管显示器 (CRT) 和液晶显示器 (LCD LED 等 ) 目前主流的显示器为 LED 显示器, 如图 1-15 所示 (a) CRT 显示器 (b) LCD 显示器 (c) LED 显示器 显示器的技术参数主要有以下几个 图 1-15 显示器 显示模式当前微型计算机的显示模式主要有 MDA(Monochrome Graphics Adapter, 单色显示器 ) CGA(Color Graphics Adapter, 彩色图形显示器 ) EGA(Enhanced Graphics Adapter, 增强图形显示器 ) VGA(Video Graphics Array, 影像图形阵列显示器 ) 及扩展 VGA(SVGA 及 TVGA) 等模式 在彩色显示模式中,EGA VGA 和扩展 VGA 是目前的主流 点距点距一般指显像管水平方向相邻同色荧光点的间距 ; 以毫米为单位表示, 点距越小, 图像的清晰度越高 目前多数显示器的点距为 0.28mm 高端显示器则往往采用更小的点距以提高显示分辨率和图像的质量 刷新频率刷新频率是指屏幕每秒内刷新的次数 刷新率低, 则画面有闪烁和抖动现象, 人眼容易疲劳 刷新频率达到 75Hz 以上, 人眼基本上感觉不到闪烁和抖动 分辨率分辨率是指水平方向和垂直方向上最大像素的个数, 一般用 ( 水平方向像素数 ) ( 垂直方向像素数 ) 表示 可视角度可视角度是指用户可以从不同的方向清晰地观察 LCD 显示器屏幕上所有内容的角度 支持 LCD 显示器显示的光源经折射和反射后输出时已有一定的方向性, 超出这一范围观看 24

33 第 1 章计算机基础知识 就会产生色彩失真现象, 可视角度越大, 视觉效果越好 目前市场上大多数产品的可视角度为 150 ~170, 部分产品可超过 170 CRT 显示器不涉及此参数 带宽带宽决定显示器可以处理的信号频率范围 带宽越宽, 显示器处理的信号频率范围就越大, 图像的边缘就越清晰 带宽 = 最大分辨率 刷新频率 辐射与环保液晶显示器属于低辐射的环保型显示器 阴极射线管显示器需要工作在高电压 高脉冲状态下, 会辐射对人体有害的电磁波和射线 国际上有多种关于显示器环保的认证 显卡 (Video Card,Graphics Card) 的全称为显示接口卡, 又称显示适配器, 是计算机最基本的配置, 也是最重要的配件之一 显卡作为计算机主机里的一个重要组成部分, 是计算机进行数模信号转换的设备, 承担输出显示图形的任务 显卡接在主板上, 它将数字信号转换成模拟信号并让显示器显示出来, 同时显卡还具有图像处理能力, 可协助 CPU 工作, 提高整体的运行速度 对于从事专业图形设计的人来说, 显卡非常重要 民用和军用显卡图形芯片供应商主要包括 AMD( 超微半导体 ) 和 NVIDIA( 英伟达 ) 两家 现在的 TOP 500 计算机, 都包含显卡计算核心 在科学计算中, 显卡被称为显示图 1-16 显卡加速卡, 显卡如图 1-16 所示 显卡的分类如下 : 核芯显卡核芯显卡是 Intel 产品的新一代图形处理核心, 同以往显卡的设计不同,Intel 凭借其在处理器制程上的先进工艺以及新的架构设计, 将图形核心与处理核心整合在同一块基板上, 构成一颗完整的处理器 智能处理器架构这种设计上的整合大大缩减了处理核心 图形核心 内存及内存控制器间的数据周转时间, 有效提升了处理效能并能大幅降低芯片组的整体功耗, 有助于缩小核心组件的尺寸, 为笔记本电脑 一体机等产品的设计提供更大的选择空间 核芯显卡的优点 : 低功耗是核芯显卡的最主要优势, 由于新的精简架构及整合设计, 核芯显卡对整体能耗的控制更加优异, 高效的处理性能大幅缩短了运算时间, 进一步缩减了系统平台的能耗 高性能也是它的主要优势 : 核芯显卡拥有诸多优势技术, 可以带来充足的图形处理能力, 相较于前一代产品, 性能的进步十分明显 核芯显卡可支持 DX10/DX11 SM 4.0 OpenGL 2.0 以及全高清 Full HD MPEG2/H.264/VC-1 格式解码等技术, 即将加入的性能动态调节功能可大幅提升核芯显卡的处理能力, 令其完全满足普通用户的需求 核芯显卡的缺点 : 低端核芯显卡难以胜任大型游戏 集成显卡集成显卡是将显示芯片 显存及相关电路都集成在主板上, 将它们融为一体的元件 集成显卡的显示芯片可以是单独的, 但大部分都集成在主板的北桥芯片中 一些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存, 但其容量较小, 集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱, 不能对显卡进行硬件升级, 但可以通过 CMOS 调节频率或刷入新 BIOS 文件实现软件升级来挖掘显示芯片的潜能 25

34 集成显卡的优点 : 功耗低 发热量小, 部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡, 所以不用花费额外的资金购买独立显卡 集成显卡的缺点 : 性能相对略低, 且固化在主板或 CPU 上, 本身无法更换, 如果必须更换, 就只能换主板 独立显卡独立显卡是指将显示芯片 显存及相关电路单独做在一块电路板上, 自成一体而作为一块独立的板卡存在, 它需要占用主板的扩展插槽 (ISA PCI AGP 或 PCI-E) 独立显卡的优点 : 单独安装有显存, 一般不占用系统内存, 在技术上也较集成显卡先进得多, 性能上肯定也不差于集成显卡, 容易进行显卡的硬件升级 独立显卡的缺点 : 系统功耗有所加大, 发热量也较大, 需要额外花费购买显卡的资金, 同时 ( 特别是对笔记本电脑 ) 占用更多空间 由于显卡性能的不同对显卡的要求也不一样, 因此独立显卡实际分为两类, 一类是专门为游戏设计的娱乐显卡, 一类则是用于绘图和 3D 渲染的专业显卡 2 打印机打印机是计算机的重要输出设备之一, 可用来打印字符 数字 图形和表格等 打印机的种类很多, 按照打印原理, 可分为击打式打印机和非击打式打印机 击打式打印机是用机械方法, 使打印针或字符锤击打色带, 在打印纸上印出字符, 其产品主要是针式打印机 非击打式打印机通过激光 喷墨 热升华或热敏等方式将字符印在打印纸上, 其产品主要有喷墨打印机和激光打印机, 如图 1-17 所示 (a) 针式打印机 (b) 喷墨打印机 (c) 激光打印机 图 1-17 打印机 3 绘图仪绘图仪 (Plotter) 是一种输出图形硬拷贝的输出设备 打印机虽然也能输出图形硬拷贝, 但对复杂 精确的图形无能为力 绘图仪可以在绘图软件的支持下, 绘制出各种复杂 精确的图形, 它已成为计算机辅助设计必不可少的设备, 绘图仪如图 1-18 所示 5. 总线和接口图 1-18 绘图仪 (1) 总线总线 (Bus) 是计算机内部传输指令 数据和各种控制信息的高速通道, 是微型计算机中各组成部分在传输信息时共同使用的 公路 微型计算机中的总线分为内部总线 系统总线和外部总线 3 个层次 内部总线位于 CPU 芯片内部, 用于连接 CPU 的各个组成部 26

35 第 1 章计算机基础知识 件 ; 而系统总线是指主板上连接微型计算机中各大部件的总线 ; 外部总线则是微型计算机和外部设备之间的总线, 通过该总线和其他设备进行信息与数据交换 如果按总线内传输的信息种类, 可将总线分类为 : 1 数据总线 (Data Bus,DB), 用于 CPU 与内存或 I/O 接口之间的数据传递, 它的条数取决于 CPU 的字长, 信息传送是双向的 ( 可送入 CPU, 也可由 CPU 送出 ) 2 地址总线 (Address Bus,AB), 用于传送存储单元或 I/O 接口的地址信息, 信息传送是单向的, 它的条数决定了计算机内存空间的范围大小, 即 CPU 能管辖的内存数量 3 控制总线 (Control Bus,CB), 传送控制器的各种控制信息, 它的条数由 CPU 的字长决定 微型计算机采用开放体系结构, 由多个模块构成一个系统 一个模块往往就是一块电路板 为了方便总线与电路板的连接, 总线在主板上提供了多个扩展槽与插座, 任何插入扩展槽的电路板 ( 如显卡 声卡 ) 都可以通过总线与 CPU 连接, 这为用户自己组合可选设备提供了方便 微型处理器 总线 存储器 接口电路和外部设备 ( 简称外设 ) 的逻辑关系如图 1-19 所示 图 1-19 微处理器 总线 存储器 接口电路和外设的逻辑关系 目前, 微型计算机常用的系统总线标准有 : 1 PCI(Peripheral Component Interconnect, 外部设备互连 ) 总线 PCI 总线于 1991 年由 Intel 公司推出, 它为 CPU 与外部设备之间提供了一条独立的数据通道, 让每种设备都能与 CPU 直接联系, 使图形 通信 视频 音频设备都能同时工作 PCI 总线的数据传送宽度为 32 位, 可以扩展到 64 位, 工作频率为 33MHz, 数据传输可达 133MB/s 2 AGP(Advanced Graphics Port, 加速图形接口 ) 总线 AGP 总线是 Intel 公司配合 Pentium 处理器开发的总线标准, 它是一种可自由扩展的图形总线结构, 能增加图形控制器的可用带宽, 并为图形控制器提供必要的性能, 有效地解决 3D 图形处理的瓶颈问题 AGP 总线宽度为 32 位, 时钟频率有 66 MHz 和 133MHz 两种 (2) 接口接口就是设备与计算机或其他设备连接的端口, 主要用来传送信号 一部分是数据信号, 另一部分是控制信号, 它们都是为传输数据服务的 数据传输方式可分为串行 并行两种方式 用于串行传输的接口就叫串行接口 (Serial Port) 被传送的数据排成一串, 一次发送, 其特点是传输稳定 可靠 传输距离长, 但数据传输速率较低 用于并行传输的接口就是并行接口 (Parallel Port), 特点是数据传输速率较高 协议简单 易于操作 ; 由于并行传输在传输时容易受到干扰 传输距离短 有时会发生数据丢失 27

36 等问题, 因此并口设备的连接电缆一般比较短, 否则不能保证正常使用 在计算机行业中最早出现的串行接口标准是 RS-232 标准, 这个标准直到现在还在个人计算机上使用, 这就是用来外接鼠标或调制解调器 (Modem) 的 COM1 COM2 接口 随着计算机技术的发展, 现在又出现了许多新的接口标准, 如 SCSI USB 和 IEEE 1394 等 USB(Universal Serial Bus) 是一种通用串行总线接口, 其最大的好处在于能支持多达 127 个外设, 并且可以独立供电 ( 可从主板上获得 500mA 的电流 ) 和支持热插拔 ( 开机状态下的插拔 ), 真正做到即插即用 目前可以通过 USB 接口连接的设备有扫描仪 打印机 鼠标 键盘 外置硬盘 数码相机 音箱, 甚至还有显示器,USB 接口具有很好的通用性 USB 2.0 标准的传输速率可高达 480MB/s, 非常适用于一些视频输入 / 输出产品 微型计算机的软件系统 1983 年,IEEE( 国际电气与电子工程协会 ) 提出的软件定义是 : 计算机程序 方法 规则和相关的文档资料以及在计算机上运行时所必需的数据 可见, 计算机软件是相对于硬件而言的, 它包括程序 相关数据及其说明文档 硬件是软件运行的基础, 软件则是发挥计算机功能的关键 在计算机中软件与硬件相互依存, 没有软件, 计算机只是一台没有任何功能的机器 有了软件, 人们可以绕开计算机本身的硬件结构和运行原理来使用计算机 1. 软件分类针对不同的角度, 软件有不同的分类方式 按照软件功能分为系统软件和应用软件 (1) 系统软件 : 一般将靠近硬件部分的软件称为系统软件 具有代表性的系统软件包含操作系统 语言处理程序 数据库系统和辅助程序 系统软件的主要功能是调度 监控和维护计算机系统, 负责管理计算机系统中各种独立的硬件, 使它们可以协调工作 系统软件使用户在使用计算机和其他软件时不需要考虑底层的每个硬件是如何工作的 操作系统操作系统 (OS) 是最底层的软件, 是计算机软件中最重要 最基本的软件 它控制和管理整个计算机的资源, 是计算机裸机与用户之间的纽带 通过操作系统, 用户可以方便地使用计算机 某种软件或程序 常见的操作系统有 DOS 操作系统 Windows 操作系统 UNIX 操作系统和 Linux 等操作系统 语言处理程序语言处理程序是指将高级语言编写的源程序转换成机器语言的形式, 以便计算机能够识别和执行, 这种转换是由翻译软件完成的, 完成这种翻译的软件称为高级语言编译软件, 通常把它归入系统软件 目前常用的高级语言有 Python C++ Java 等, 它们各有特点, 分别用于编写某一类程序, 它们都有各自的编译软件 数据库管理系统数据库管理系统是一种管理数据库的软件, 用于建立 使用和维护数据库 常见的数据库管理系统有 FoxPro Access Oracle 和 Sybase 等 辅助程序辅助程序也称为 支撑软件, 主要是指支持应用软件开发的软件, 如编辑程序 调试程序 汇编和链接程序等 (2) 应用软件 : 它们是为满足用户的各种需求, 解决计算机各类应用问题, 使用计算机语言编制的应用程序的集合, 具有很强的实用性 应用软件一般是在系统软件支持下开发 28

37 第 1 章计算机基础知识 的, 分为应用软件包和用户程序两类 应用软件包是为实现某种特殊功能或计算的独立软件系统, 如办公自动化软件 Office 系列 图形图像处理软件 Photoshop 等 用户程序是用户为解决特定的问题而二次开发的软件, 如财务管理系统 信息管理系统等 2. 软件与硬件的关系计算机系统是由计算机软件系统和硬件系统组成的, 其结构是层次结构, 如表 1-2 所示, 最下面一层是计算机硬件系统, 最上面为用户层 计算机硬件系统是计算机进行数据处理的物理装置 只有硬件的计算机称为裸机, 裸机不具备任何功能, 并不能用来处理数据信息 在裸机的基础上配上各种软件 (BIOS 操作系统和应用软件) 之后, 才能称为计算机系统, 才具有信息处理功能 用户通过软件系统使用这些物理装置 例如, 用户可以通过操作系统访问计算机 可以通过操作系统提供的文件管理功能, 创建 复制或删除文件, 还可以使用计算机语言平台设计程序 表 1-2 计算机系统的层次结构 计算机软件系统 计算机硬件系统 应用软件 系统软件 用户层 办公软件 信息管理软件 图形图像编辑软件等 驱动程序 操作程序 编译程序等 计算机的工作原理在介绍计算机的基本工作原理之前, 先说明几个相关的概念 所谓指令, 指的是指挥计算机进行基本操作的命令, 是计算机能够识别的一组二进制编码 通常一条指令由两部分组成 : 第一部分指出应该进行什么样的操作, 称为操作码 ; 第二部分指出参与操作的数据本身或该数据在内存中的地址 在计算机中, 可以完成各种操作的指令有很多, 计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统 把能够完成某一任务的所有指令 ( 或语句 ) 有序地排列起来, 就组成程序, 即程序是能够完成某一任务的指令的有序集合 现代计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制 这一原理是由美籍匈牙利数学家冯 诺依曼于 1946 年提出的, 因此, 又称为冯 诺依曼原理 其主要思想是 : (1) 计算机硬件由 5 个基本部分组成 : 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 (2) 在计算机内采用二进制编码方式 (3) 程序和数据一样, 都存放在存储器中 ( 即存储程序 ) (4) 计算机按照程序逐条取出指令加以分析, 并执行指令规定的操作 ( 即程序控制 ) 计算机的基本工作方式如图 1-20 所示 图 1-20 中, 实线为数据和程序, 虚线为控制命令 首先, 在控制器的作用下, 计算所需的原始数据和计算步骤的程序指令通过输入设备送入计算机的存储器中 然后, 控制器向存储器发送取指命令, 存储器中的程序指令被送入控制器中 控制器对取出的指令进行译码, 接着向存储器发送取数指令, 存储器中相关的运算数据被送入运算器中 控制器向运算器发送运算指令, 运算器执行运算, 并得到结果, 并把运算结果存入存储器中 控制器向存储器发出取数指令, 数据被送往输出设备 最后, 控制器向输出设备发送输出指令, 29

38 输出设备将计算机结果输出 一系列的操作完成以后, 控制器再从存储器中取出下一条指令, 进行分析, 执行该指令, 周而复始地重复 取指令 分析指令 执行指令 的过程, 直到程序中的全部指令执行完毕为止 图 1-20 计算机的基本工作方式按照冯 诺依曼原理构造的计算机称为冯 诺依曼计算机, 其体系结构称为冯 诺依曼体系结构 冯 诺依曼计算机的基本特点如下 : (1) 程序和数据在同一个存储器中存储, 二者没有区别, 指令与数据一样可以送入运算器中进行运算, 即由指令组成的程序是可以修改的 (2) 存储器采用按地址访问的线性结构, 每个单元的大小是一定的 (3) 通过执行指令直接发出控制信号来控制计算机操作 指令在存储器中按顺序存放, 由指令计算器指明将要执行的指令在存储器中的地址 指令计算器一般按顺序递增, 但执行顺序也可以随外界条件的变化而改变 (4) 计算过程以运算器为中心, 输入 / 输出设备与存储器间的数据传送都要经过运算器 当今, 计算机正在以难以置信的速度向前发展, 但其基本原理和基本构架仍然没有脱离冯 诺依曼体系结构 计算机的主要技术指标计算的性能是由多方面的指标决定的, 不同类型的计算机侧重的方面也不同 主要的指标如下 : 1. 字长字长是计算机性能的一个重要指标, 是指计算机中每个字所包含的二进制的位数, 由计算机 CPU 的类型决定 根据计算机的不同, 字长有固定字长和可变字长两种 固定字长是指字的长度在任何情况下都不发生改变 可变字长是指在一定范围内, 字的长度可以发生变化 计算机处理数据的速率与一次能进行加工的二进制的位数以及运行的快慢有关 对于相同运算速度的计算机来说, 同等时间内字长长的运算速度快 一般来说, 字长越长, 计算机一次处理的信息位就越多, 精度就越高 2. 主频主频是指计算机的时钟频率, 即 CPU 每秒内的平均操作次数, 单位用 MHz 表示 主频在很大程度上决定了计算机的运算速度 ( 每秒所能执行的指令条数,MIPS) 30

39 第 1 章计算机基础知识 3. 内存容量内存是 CPU 可以直接访问的存储器, 需要执行的程序与需要处理的数据就存放在内存中 内存容量是指内存储器中能够存储信息的总字节数, 一般以 KB MB 为单位 该指标直接影响计算机的工作能力, 内存越大, 机器处理信息的能力越强 4. 存取周期存取周期与存储器的访问时间有关, 存储器的访问时间是指存储器进行一次性读或写操作所需的时间 将信息代码存入存储器, 称为 写操作 把信息代码从存储器中取出, 称为 读操作 连续两次读或写操作所需的最短时间称为存储周期 存取周期通常用纳秒 (ns) 表示 (1ns=10-3 μs=10-9 s) 存取周期反映了内存的速度性能 存取周期越短, 存取的速度越快 5. 外存储器的容量主要指硬盘的存储容量 ( 包括内置硬盘和移动硬盘 ), 外存储器的容量越大, 存储的信息就越多 目前硬盘的存储容量为 500GB~1TB, 有的已经超过 2TB 6. 外设配置外设一般指计算机根据实际需要配置的输入 / 输出设备, 如显示器 音箱 显卡等 7. 软件配置根据需要配置的相应软件, 包括操作系统 数据库管理系统 网络通信软件 汉字支持软件及其他各种应用软件 8. 运算速度运算速度是指计算机每秒所能执行的指令条数, 一般用 MIPS( 百万条指令 / 秒 ) 为单位 影响计算机运行速度的主要因素是 CPU 的主频和存储器存取周期 如某种型号的计算机的运算速度是 100 万次 / 秒, 也就是说, 这种计算机在一秒钟内可执行加法指令 100 万次 以上只是一些主要的性能指标 实际上, 计算机功能的强弱或性能的高低, 并不是由某项指标决定的, 而是由它的系统结构 指令系统 硬件组成 软件配置等多方面的因素综合决定的 1.3 计算机安全相关知识 信息安全随着 Internet 的发展, 信息化的浪潮席卷全球 传统的生产方式 生活方式和学习方式都发生了巨大的变化 今天的计算机网络跨越了城市 国家和地区, 连接了世界各地, 深入到了国防 商业 科研与文化等各个领域, 推动了社会的发展 但是这种发展也带来了负面的影响, 各种各样的安全问题也随之而来 网络的连通与开放牺牲了网络的安全性, 突出了网络安全的脆弱性和复杂性 安全已不仅仅是个人或公司的事情, 而是关系到整个国家的稳定与发展 31

40 1. 计算机信息安全国际标准化组织 (International Organization for Standardization) 将信息安全定义为 为数据处理系统所采取的技术和管理的安全保护, 保护计算机硬件 软件 数据不因偶然的或恶意的原因而遭到破坏 更改 显露 我国公安部计算机管理监察司将信息安全定义为 计算机安全是指计算机资产安全, 即计算机信息系统资源和信息资源不受自然和人为有害因素的威胁和危害 可见, 计算机信息系统安全的范畴主要包括 : 实体安全 信息安全 运行安全和人员安全 实体安全是指保护计算机设备 设施免遭破坏的措施 过程 破坏的主要因素既有人为因素, 也有自然因素等 计算机的实体安全是有效防止信息受到破坏或攻击的第一步 信息安全是指防止信息被故意或偶然地非法授权 泄露 更改 破坏或使信息被非法系统识别或控制, 系统连续 可靠 正常地运行, 信息服务不中断 运行安全是指信息处理过程中的安全, 如系统数据的备份与恢复 遇到紧急情况的应急处理等 人员安全主要是指计算机工作人员应该具有安全意识 法律意识 安全技能等 除无法预知和避免的自然灾害外, 尽量通过对安全知识的学习避免人为灾害 2. 计算机系统面临的安全问题当前, 计算机系统面临的安全问题越来越严重 在信息社会, 对计算机的攻击手段复杂 隐蔽 多样 硬件的故障或者操作人员的偶然失误都会对计算机的信息安全构成威胁 ; 此外, 针对计算机的盗窃犯罪 计算机病毒以及黑客对计算机发起的网络攻击等都是非常现实 严峻的问题 (1) 物理安全计算机涉及的物理安全主要是指计算机所处的物理环境的安全隐患 例如水灾 火灾 风暴 电磁干扰 雷电 地震, 计算机所处环境的湿度 温度等自然环境的问题所带来的影响, 以及因为人为的操作失误或者计算机辅助保障系统的问题而导致的计算机不能正常运行的行为 (2) 计算机的系统故障系统故障涉及软件和硬件两种 软件系统包括操作系统 数据库系统以及应用程序, 由于软件自身的复杂性和某种未能预见的程序漏洞, 容易造成数据的泄露和篡改 计算机自身的硬件问题, 如设备老化 电源不稳定 数据处理部分的硬件容易被破坏, 这些问题会使计算机的部分设备暂时或永久失效 (3) 对计算机信息的攻击对计算机攻击的类型可以分为两种 : 一种是对计算机实体的攻击, 另一种是对信息的攻击 对计算机实体的攻击以破坏计算机及其外设和网络为目标 以暴力的方式对计算机设备和相应设施进行物理破坏 对信息的攻击, 目的是破坏信息自身的保障手段, 从而达到非法阅读 修改和泄露信息的目的 对信息的攻击分为信息泄露和信息破坏 信息泄露是指偶然地或人为地在数据处理或传输过程中获得目标系统中的信息, 其手段有侦攻 截获 窃取 分析和破译 信息破坏是指偶 32

41 第 1 章计算机基础知识 然地或人为地泄露或破坏目标系统中数据的完整性 正确性和可用性, 其手段有利用系统本身的脆弱性有选择地修改 删除 添加 伪造 冒充和复制信息 (4) 其他的不安全因素如计算机存储介质容易造成信息的泄露, 磁盘存储介质由于自身的特性, 即使被格式化多次之后, 残留的信息仍能够被恢复 ; 直接植入系统, 破坏 盗取系统数据的恶意软件, 给网络带来了极其严重的安全隐患 ; 另外, 通过互联网传播的破坏国家团结稳定的 宣扬迷信 色情 凶杀以及教唆犯罪等违反社会治安程序内容的信息具有极大的社会危害性, 同样是不容忽视的不安全因素 计算机黑客 1. 计算机黑客介绍黑客 (Hacker), 原指水平高超的计算机技术专家, 而现在已经异化为网络犯罪的代名词, 一般指的是计算机网络的非法入侵者, 他们大都是掌握高级硬件和软件知识的程序员, 对计算机技术和网络技术非常精通, 了解系统的漏洞及其原因所在, 喜欢非法闯入并以此作为一种智力挑战而沉醉其中 有些黑客仅仅是为了验证自己的能力而非法闯入, 并不一定会对信息系统或网络系统产生破坏作用, 但也有很多黑客非法闯入是为了窃取机密的信息 盗用系统资源或出于报复心理而恶意毁坏某个信息系统等 2. 黑客的危害黑客利用计算机技术 网络技术, 非法侵入 干扰 破坏他人的计算机系统, 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很大的威胁性和危害性 黑客的危害一言难尽, 大多数黑客喜欢侵入他人主机, 利用他人的名义做坏事, 然后逃避法律的制裁 他们寻找网络的安全漏洞, 攻击网络服务器, 使其瘫痪或者取得服务器的控制权, 进而修改 删除重要文件, 发布不实言论, 窥视政府的机密信息和企业的商业秘密, 以及有利可图的个人隐私资料等 随着计算机的普及和网络技术的发展, 黑客们也在不断地发展 国外的黑客喜欢对政府或跨国企业下手, 如美国的国防部就经常是黑客们大展拳脚的地方 总之, 由于黑客的存在, 小到个人的计算机, 大到企业 地区和国家都会受到影响, 因黑客的入侵而导致的计算机或网络的瘫痪, 其损失也是无法估量的 为了尽可能地避免受到黑客的攻击, 我们有必要先了解黑客常用的攻击手段和方法, 然后才能有针对性地进行防御 3. 黑客攻击的步骤一般来说, 黑客对用户计算机进行攻击的步骤大致相同, 主要包括以下几步 (1) 扫描漏洞目前大多数用户计算机安装的是 Windows 操作系统,Windows 操作系统的稳定性和安全性随着版本的提升而不断提高, 但难免会出现这样或那样的安全隐患, 这些安全隐患就是漏洞 黑客通过其专业的研究可以发现这些漏洞, 使用病毒和木马通过这些漏洞来攻击 33

42 和破坏用户计算机 (2) 试探漏洞在了解了目标主机的漏洞和弱点之后, 黑客就能使用缓冲区溢出以及测试用户账号和密码等技术手段, 达到对其进行试探性攻击的目的 (3) 取得权限与提升权限如果试探出了可以利用的漏洞, 那就意味着黑客获得了攻击该目标主机的初步权限, 只要能登录目标主机, 那么提升权限将变得易如反掌, 借助木马等程序可以更顺利地达到目的 在某些情况下, 黑客在取得权限与提升权限时会采用破坏目标主机操作系统的方法来实现 (4) 木马入侵木马是一种能窃取用户存储在计算机中的账户 密码等信息的应用程序 黑客通过木马程序可以轻易地入侵并控制用户计算机, 并在用户不知情的状况下通过用户的计算机进行各种破坏活动 在日常生活中经常出现的 QQ 号码被盗的情况, 一般就是黑客通过木马进行窃取的 (5) 建立后门与清理痕迹为了达到长期控制目标主机的目的, 黑客在取得管理员权限之后会立刻在其中建立后门, 这样就可以随时登录该主机 为了避免被目标主机的管理员发觉, 在完成入侵之后需要清除其中的系统日志文件 应用程序日志文件和防火墙日志文件等, 清理完毕即可从目标主机中退出 至此, 一次完整的黑客攻击便完成了 4. 防止黑客攻击的方法 (1) 不要使用简单的密码不要简单地使用生日 单词或电话号码作为密码, 密码的长度最好在 8 个字符以上, 包含数字 大小写字母和键盘上的其他字符 对于不同的网站和程序, 要使用不同的口令, 以防止被黑客破译 要记录好你的 ID 和密码以免忘记, 但不要将记录存放在上网的计算机里 不要为了下次登录方便而保存密码 ; 另外, 要经常更改密码并且不要向任何人透露你的密码 (2) 定期给操作系统和应用软件升级补丁很多常用的程序和操作系统的内核中都会存在漏洞, 某些漏洞会让入侵者很容易进入到用户的系统, 这些漏洞会以很快的速度在黑客中传开 因此, 用户一定要小心防范 软件的开发商会公布相应的补丁, 以便用户补救这些漏洞 建议用户订阅关于这些漏洞的邮件列表, 以便及时知道这些漏洞后打上补丁, 以防黑客攻击 当然, 最好使用最新版本的浏览器软件 电子邮件软件以及其他程序, 但建议不要使用测试版本 (3) 安装防火墙和杀毒软件, 并保持病毒库更新到最新状态不要在没有防火墙和杀毒软件的情况下裸机上网, 这样用户的计算机没有任何防护功能, 很容易成为黑客或病毒攻击的目标 在安装有防火墙和杀毒软件的情况下, 一定要把病毒库更新到最新状态 在不需要上网时, 最好断开网络连接, 以减少计算机被攻击的可能性 (4) 做好 IE 浏览器的安全设置对于经常浏览 Internet 的用户, 一定要注意 IE 浏览器的安全设置 首先, 要确保自己 34

43 第 1 章计算机基础知识 使用的是较新版本的浏览器 ; 其次,IE 浏览器本身的安全设置不能太低, 因为网页中的很多恶意代码就是利用 ActiveX 控件和 Applet 等编写的小程序, 只要网页打开就会运行, 所以要避免恶意网页的攻击, 就要禁止这些恶意代码的运行 IE 对此提供了多种选择, 具体设置步骤是 : 工具 Internet 选项 安全 自定义级别, 建议用户将 ActiveX 控件与相关选项禁用 另外,IE 浏览器的历史记录中保存了用户已经访问过的所有页面的链接, 在离开之前一定要清除历史记录 ; 其次,IE 的临时文件夹 (\Windows\Temporary Internet Files) 内保存了用户已经浏览过的网页, 通过 IE 的脱机浏览特性或者其他第三方的离线浏览软件, 其他用户能够轻松地翻阅你浏览过的内容, 所以离开之前也须删除该路径下的文件 (5) 不要轻易访问不知名的网站或运行从其下载的软件目前, 网上很多非法网站的网页里嵌入了 JavaScript 攻击程序, 当用户打开计算机并浏览该网页时, 木马便被移植到用户的计算机里了, 从而可以进行后续的破坏活动 不要轻易安装和运行从那些不知名的网站 ( 特别是不可靠的 FTP 站点 ) 下载的软件和来历不明的程序 有些程序很可能是木马, 用户一旦安装了这些程序, 它们就会在用户不知情的情况下更改系统或者连接到远程服务器 这样, 黑客就可以很容易进入用户的计算机 (6) 不要轻易打开或运行电子邮件中的附件不要轻易打开电子邮件中的附件, 更不要轻易运行邮件附件中的程序, 除非知道信息的来源 要时刻保持警惕性, 不要轻易相信熟人发来的 中就一定没有黑客程序, 如 Happy 99 就会自动加在 附件中 不要在网络上随意公布或者留下自己的电子邮件地址 在 客户端软件中限制邮件大小和过滤垃圾邮件, 对于邮件附件, 要先用防病毒软件和专业清除木马的工具进行扫描后方可使用 (7) 尽可能禁止文件共享局域网里的用户喜欢将自己的计算机设置为文件共享, 以方便相互之间共享资源, 但如果用户设了共享, 就会为那些黑客留下后门, 这样他们就有机可乘, 进入你的计算机偷看文件, 甚至搞些小破坏 建议在必须设置共享的情况下, 最好为共享文件夹设置一个密码, 否则公众以及你的对手将可以自由访问你的那些共享文件 计算机犯罪 计算机犯罪是随着计算机技术的发展与普及而产生的一种新型犯罪 它是指行为人利用计算机操作所实施的危害计算机信息系统 ( 包括内存数据和程序 ) 安全和其他严重危害社会的犯罪行为 可包括两种形式 : 一种是以计算机为犯罪工具而进行的犯罪, 如利用计算机进行金融诈骗 盗窃 贪污 挪用等犯罪 ; 另一种是以计算机为破坏对象而实施的犯罪, 如非法侵入计算机系统罪 破坏计算机信息系统罪等犯罪行为 计算机犯罪事实上是信息犯罪 一般是指采取窃取 篡改 破坏 销毁计算机系统内部的程序 数据和信息, 从而实现犯罪的目的 1997 年实施的新的 中华人民共和国刑法 将计算机犯罪列入了刑事立法体系中,1994 年后陆续颁布了 中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例 中华人民共和国计算机信息网络国际联网管理暂行规定 计算机信息网络国际联网安全保护管理办法 计算机信息网络国际联网出入口信道管理办法 等法律法规来限制和制裁计算机犯罪 35

44 计算机犯罪属于高技术性的犯罪行为, 所使用的手法较为隐蔽且不易察觉, 常见的计算机犯罪的类型和手段如下 : 1. 计算机犯罪的类型主要包括 :1 非法入侵计算机信息系统 ;2 利用计算机实施贪污 盗窃 诈骗和金融犯罪等活动 ;3 利用计算机传播反动和色情等有害信息 ;4 对知识产权的侵犯 ;5 网上经济诈骗 ;6 网上诽谤, 个人隐私和权益遭受侵犯 ;7 利用网络进行暴力犯罪 ;8 破坏计算机系统 ( 如病毒危害等 ) 2. 计算机犯罪的手段主要包括 :1 数据欺骗 ;2 特洛伊木马 ;3 香肠术 ;4 逻辑炸弹 ;5 陷阱术 ;6 寄生术 ;7 超级冲杀 ;8 异步攻击 ;9 废品利用 ;10 伪造证件 计算机病毒在计算机网络日益普及的今天, 几乎所有的计算机用户都受到过计算机病毒的侵害 有时, 计算机病毒会对人们的日常工作造成很大的影响, 因此, 了解计算机病毒的特征, 学会如何预防 消灭计算机病毒是非常必要的 什么是计算机病毒呢? 与微生物学中 病毒 的概念不同, 计算机病毒不是天然存在的, 而是计算机病毒制造者根据计算机软硬件所固有的某种脆弱性蓄意编制出来的具有特殊功能的一段程序 ; 而与微生物学中的病毒相同的是, 计算机病毒也具有传染和破坏的性质, 并可能随着时间的推移进化出新的变种 我国在 1994 年正式颁布的 中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例 中对计算机病毒的定义为 : 计算机病毒是指编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或者损坏数据, 影响计算机使用, 并能自我复制的一组计算机指令或程序代码 计算机病毒可以对计算机系统造成很大的危害 在网络系统中, 恶性病毒可以中断一个大型计算机中心的正常工作, 并可将病毒的副本在短时间内传递给数千台机器, 使一个计算机网络陷于瘫痪 ; 对于单机系统, 恶性病毒往往删除文件 修改数据和格式化磁盘等 鉴于计算机病毒给信息化社会带来的危害, 世界各国纷纷将制作和散布计算机病毒的行为定性为犯罪行为 1. 计算机病毒的特点及分类 (1) 计算机病毒的特点计算机病毒具有生物病毒的某些特性, 如破坏性 传染性 潜伏性 寄生性 ; 同时还具有其自身独有的性质, 如可触发性和不可预见性等 1 破坏性计算机病毒的破坏性因计算机病毒的种类不同而差别很大 有的计算机病毒仅干扰软件的运行而不破坏该软件 ; 有的无限制地侵占系统资源, 使系统无法运行 ; 有的可以毁掉部分数据或程序, 使之无法恢复 ; 有的恶性计算机病毒甚至可以毁坏整个系统, 导致系统崩溃 据统计, 全世界因计算机病毒造成的损失每年以数百亿美元计 36

45 第 1 章计算机基础知识 2 传染性传染性即自我复制能力, 是计算机病毒最根本的特征, 也是病毒和正常程序的本质区别 计算机病毒具有很强的繁殖能力, 能通过自我复制到内存 硬盘和 U 盘, 甚至传染到所有文件中 Internet 日益普及, 数据共享使得不同地域的用户可以共享软件资源和硬件资源, 但与此同时, 计算机病毒也可通过网络迅速蔓延到联网的计算机系统 3 潜伏性有些计算机病毒并不立即发作, 它可以隐藏在系统中, 等到满足一定条件时才发作 在潜伏期中, 它并不影响系统的正常运行, 只是悄悄地复制 传播自身, 一旦满足某种条件 ( 例如某个特定的日期 ), 就会对系统产生很大的破坏作用 4 寄生性一般计算机病毒并不独立存在, 而是寄生在某种载体中, 当载体被激活时, 计算机病毒也随之发作 计算机病毒寄生的载体通常有磁盘系统区和文件 寄生在磁盘系统区的计算机病毒称为系统型病毒, 其中引导区病毒最常见 ; 寄生于文件中的计算机病毒称为文件型病毒 还有一部分计算机病毒既寄生于系统区又寄生于文件区, 称为混合型病毒 5 可触发性计算机病毒没有被激活时, 可以像其他普通程序一样, 安静地保存在系统中, 没有传染力, 也不具有杀伤性 ; 一旦满足某种触发条件或遇到某种特定文件, 计算机病毒就会被激活, 危害系统的安全 计算机病毒的触发条件通常是某个日期 时间, 某种文件类型或某种数据等 6 不可预见性计算机病毒种类繁多, 破坏性各异, 某些计算机病毒随着时间的推移, 还可以自我进化出未知的变种 我们可以查杀已知计算机病毒, 对未知计算机病毒或已知计算机病毒的变种却无能为力 这也是现代计算机杀毒软件所面临的一大难题 (2) 计算机病毒的分类计算机病毒种类繁多, 根据其特点的不同, 可按不同的准则进行分类 1 按计算机病毒的破坏能力, 可分为良性病毒和恶性病毒 良性病毒是指不破坏系统数据的病毒, 通常只显示一段信息 发出声响或占用少量磁盘空间, 而不会使系统彻底瘫痪 恶性病毒是指病毒制造者蓄意破坏被感染计算机的系统数据, 其破坏力和危害程度很高, 常见的手段有删除文件 修改数据 格式化硬盘等 2 按计算机病毒的传染方式, 可分为磁盘引导区传染的病毒 操作系统文件传染的病毒和一般应用程序传染的病毒 磁盘引导区传染的病毒是指用计算机病毒自身的信息取代正常的引导记录 操作系统文件传染的病毒是指寄生在操作系统提供的文件中的计算机病毒 一般应用程序传染的病毒是指寄生在一般应用程序中的计算机病毒, 这些计算机病毒随着被寄生的应用程序的运行而发作, 寻找可以感染的对象进行传染 3 按病毒程序特有的算法, 可分为伴随型病毒 蠕虫病毒 特洛伊木马 寄生型病毒等 伴随型病毒主要存在于 DOS 中, 这一类病毒并不改变可执行文件本身, 而是产生可执 37

46 行文件的伴随体, 这些伴随体与原可执行文件具有同样的名字和不同的扩展名 (.com) 计算机病毒把自身写入.com 文件, 当 DOS 加载文件时, 伴随体被优先执行, 从而引发计算机病毒发作 蠕虫病毒并不改变文件和资料信息, 而是利用网络从一台机器传播到其他机器中 除内存外, 蠕虫病毒一般不占用其他资源 蠕虫病毒倾向于在网络上感染尽可能多的计算机, 而不是像普通计算机病毒那样在一台计算机上尽可能多地复制自身 特洛伊木马程序表面上伪装成一般的应用程序, 但暗地里会对系统进行恶意操作 与一般计算机病毒不同, 特洛伊木马不会进行自我复制 2. 计算机病毒的症状通常, 感染计算机病毒的计算机具有如下症状 : 计算机中的某些文件或文件夹无故消失 ; 运行的应用程序无反应 ; 计算机运行速度突然变慢 ; 计算机中含有可疑的启动项 ; 杀毒软件无法正常进行杀毒操作 ; 计算机出现无故蓝屏 运行程序异常 ; 计算机经常出现死机现象或不能正常启动 ; 显示器上经常出现一些莫名其妙的信息或异常现象 随着制造病毒和反病毒双方较量的不断深入, 计算机病毒制造者的技术越来越高, 计算机病毒的欺骗性 隐蔽性也越来越好 因此, 只有在实践中细心观察才能发现计算机的异常现象 3. 计算机病毒的预防与清除计算机病毒的防治包括两个方面 : 一是预防, 二是清除 预防胜于治疗, 预防计算机病毒对保护个人计算机系统免受病毒破坏是非常重要的 如果个人计算机被病毒攻击, 则亡羊补牢为时未晚, 因此查杀和预防都是不可忽视的 (1) 计算机病毒的预防预防计算机病毒首先要在思想上重视, 加强管理, 防止计算机病毒的入侵 计算机病毒的预防主要是通过计算机病毒的特征判定技术来防止计算机病毒对系统进行传染和破坏 这种判定技术根据病毒程序的特征对计算机病毒进行分类 比照, 凡是运行的程序中出现类似的特征, 则可认定为计算机病毒 通过阻断计算机病毒进入系统内存或阻止计算机病毒对硬盘的读写操作, 以达到保护系统的目的 一般来说, 可采取下列措施 : 及时下载 安装最新操作系统的安全漏洞补丁 安装防火墙软件和杀毒软件, 并定期对其进行升级, 定期使用杀毒软件对计算机进行全面查杀病毒 及时取消不必要的共享目录 不运行来路不明的软件 不使用来路不明的光盘和可移动磁盘 如必须使用, 先使用杀毒软件查杀病毒 慎重对待垃圾邮件 慎用从网上下载的软件 38

47 第 1 章计算机基础知识 上网浏览时, 开启杀毒软件的实时监控功能, 不要随便单击不安全的陌生网站, 避免访问非法网站 定期对计算机硬盘数据进行备份, 一旦系统被计算机病毒破坏, 可以短时间内恢复系统和数据 (2) 计算机病毒的清除计算机病毒的清除, 是指运用计算机病毒检测技术检测计算机病毒程序, 然后根据具体计算机病毒的清除方法从被传染的程序中去除计算机病毒代码部分, 并恢复文件的原有结构信息 一般来说, 计算机如果被计算机病毒感染, 应该立即清除 通常采用人工处理和反病毒软件清除两种方法 人工的方法主要有格式化磁盘 删除被感染的文件或是覆盖被计算机病毒感染的文件 运用反病毒软件清除计算机病毒是较经济 省时省力的方法 目前市面上的杀毒软件种类很多, 主要有瑞星杀毒软件 金山毒霸 360 杀毒 卡巴斯基 Norton AntiVirus 等, 这些杀毒软件功能强大 界面友好, 并且厂商的技术支持完善, 可以及时下载升级包, 更新病毒信息库, 以检测和清除层出不穷的新病毒 防火墙 1. 防火墙的定义防火墙原指古人在房屋之间修建的一道墙, 这道墙可以防止火灾发生的时候蔓延到别的房屋 网络安全系统中的防火墙则是一道位于内部网络或计算机与外部网络之间的屏障, 实质就是一个软件或是软件与硬件设备的组合 用户通过设置防火墙提供的应用程序和服务以及端口访问规则, 达到过滤进出内部网络或计算机的不安全访问, 从而提高网络和计算机系统的安全性和可靠性 2. 防火墙的功能防火墙用于监控进出内部网络或计算机的信息, 保护内部网络或计算机的信息不被非授权访问 非法窃取或破坏, 并记录内部网络或计算机与外部网络进行通信的安全日志, 如通信发生的时间以及允许通过的数据包和被过滤的数据包信息等, 还可以限制内部网络用户访问某些特殊站点, 防止内部网络的重要数据外泄等 如果不启用防火墙, 那么类似 Internet Explorer Outlook Express 以及 Windows Messenger 等访问 Internet 的程序在浏览网页 收发电子邮件和进行即时通信时, 所有通信数据就能畅通无阻地进出内部网络或用户计算机 启用防火墙以后, 通信数据就会根据防火墙设置的访问规则受到限制, 只有被允许的网络连接才能与内部网络或用户计算机进行通信, 其他连接则被拒绝, 也只有被允许的信息才能够进出内部网络或用户计算机 3. 防火墙的类型防火墙的类型比较多, 从不同的角度看可以分成不同的类型 按照防火墙实现技术的不同可分为包过滤防火墙 状态检测防火墙 代理防火墙 动态自适应防火墙和分布式防火墙等 现在有些防火墙产品中已经嵌入了计算机病毒的实时监控和查杀计算机病毒的功 39

48 能, 所以又称病毒防火墙 按照使用对象的不同可分为个人防火墙和企业防火墙 (1) 个人防火墙个人防火墙一般就是一个软件, 用户在安装好防火墙软件以后, 再进行一些简单的访问规则的设置, 即可实现对计算机的实时监控, 只允许正常的网络通信数据进出计算机, 而将非授权访问拒绝, 如图 1-21 所示 图 1-21 个人防火墙示意图 (2) 企业防火墙企业防火墙一般是软件与硬件设备的组合, 大多数防火墙产品都把防火墙的功能集成在路由器或网关等设备中, 将防火墙置于内部网络与外部网络之间 主要作用如下 : 过滤不安全的服务, 提高企业内部网的安全性 控制对特殊站点的访问, 一般的邮件 FTP WWW 服务能被外部访问 集中化的安全管理, 降低成本 对网络访问进行记录和统计 利用防火墙可以很好地保护内部网络不受外部网络的非授权访问和来自外部网络的不安全因素, 如计算机病毒的入侵 黑客的攻击等, 还可以限制内部网络用户访问某些不安全站点, 保护企业内部的重要数据不被外泄, 如图 1-22 所示 图 1-22 企业防火墙示意图 企业防火墙中访问规则的设置相对比较复杂, 需要由专业的网络系统管理员完成, 常用的产品有 CISCO PIX 系列和 TP-LINK 防火墙路由器等 40

49 第 1 章计算机基础知识 4. 个人防火墙应用举例 Windows 防火墙在 Windows 7 操作系统中自带了一个 Windows 防火墙, 用于阻止未授权用户通过 Internet 或网络访问用户计算机, 从而帮助保护用户计算机 (1) Windows 防火墙的作用在 Windows 7 版本中,Windows 防火墙默认处于启用状态, 时刻监控计算机的通信信息 Windows 防火墙的主要作用如下 : 阻止从 Internet 或网络传入的 未经允许 的尝试连接 允许某些应用程序访问外部网络并设置访问的范围 开放某些端口, 允许外部网络通过这些端口进行通信 虽然防火墙可以保护用户计算机不被非法授权访问, 但是防火墙的功能还是有限的, 表 1-3 列出了 Windows 防火墙能实现的防范和不能实现的防范, 为了更全面地保护用户计算机, 除启用防火墙外, 用户还应该采取一些其他的防范措施, 如安装防病毒软件 定期更新操作系统 安装系统补丁以堵住系统漏洞等 表 1-3 Windows 防火墙的功能 能实现阻止计算机病毒和蠕虫到达用户计算机请求用户的允许, 以阻止或取消阻止某些连接请求创建安全日志, 记录对计算机的成功连接尝试和不成功的连接尝试 不能实现检测计算机是否感染了病毒或清除已有病毒阻止用户打开带有危险附件的电子邮件阻止垃圾邮件或未经请求的电子邮件 (2) Windows 防火墙的设置 1 单击 控制面板 中的 系统和安全 选项, 如图 1-23 所示, 在打开的窗口中单击 Windows 防火墙 选项, 打开 Windows 防火墙 窗口 图 1-23 控制面板 窗口 41

50 2 单击 打开或关闭 Windows 防火墙 选项, 如图 1-24 所示, 根据需要可启用或关闭防火墙 图 1-24 Windows 防火墙 窗口 42