第一章概論

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大學計算機基礎

大學計算機基礎Fundamentalsof

Computers

第一節信息技術概述

第二節計算機基礎知識

第三節計算機與信息處理

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第一節信息技術概述

信息的定義

1928年，哈特萊(RalphVLHartley)《貝爾系統技術雜志》

《信息傳輸》

1948年，香農(C.E.Shannon)《貝爾系統技術雜志》《通信的數

學理論》

維納(N.Wiener)《控制論》一書中指出“信息就是信息，既不是

物質也不是能量”

信息管理和信息系統學科認為信息是“事物之間相互聯系、相互作

用的狀態描述”，是“客觀世界各種事物變化和特征的反映”。

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V

信息的幾個具有代表性的定義

信息是有一定含義的數據，是用來描述客觀世界的知識。

信息是對決策或行為有現實或潛在價值的數據。

信息是經過加工后的數據，是事物存在或運動狀態的表達。

信息是數據的含義，數據是信息的載體。

從廣義上講，信息是一組被加工成特定形式的數據；而數據是

可以記錄、通信和識別的符號。

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信息具有的特性

時效性

相對性

共享性

傳遞性

壓縮性

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信息技術

信息技術(informationtechnology,IT)是指在

信息的識別、收集、存儲、處理、傳遞、檢索、分

析和利用過程中所使用的技術。

包括計算機技術、通信技術、微電子技術、多

媒體技術、自動控制技術、視頻技術、遙感技術等。

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信息技術的應用

信息高速公路

遠程教育

遠程醫療

電子商務

電子政務

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信息安全

，數據安全

信息安W（機密性、完整性、可用性）

〔信息系統安全

（信息基礎設施、信息資源和信息管理安全）

（用戶身份的驗證、授權、審計和保證）

我們所講的信息安全是指計算機網絡安全，計算機網絡安全

是對在分布式的網絡環境中進行傳輸、存儲、處理的信息提

供安全保護，防止信息被竊取、篡改及非法操作。

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計算機網絡安全是計算機安全在網絡環境下的擴展和延伸。

而所謂計算機安全，是指為數據（信息）處理系統而建立

和采取的技術與安全管理措施，以保護計算機硬件、軟件

和數據不因偶然和惡意的原因而遭到破壞、更改和泄露。

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信息安全標準

我國的信息安全標準

1999年我國正式頒布了《計算機信息系統安全保護等級

劃分準則》，即國標GB17895—1999,并于2001年1月1

日起實施。

該準則將網絡信息系統安全分為五個等級：自主保護、

系統審計保護、安全標記保護、結構化保護和訪問驗證保

護。

安全考核指標有：身份認證、自主訪問控制、數據完整

性、審計、隱蔽信道分析、客體重用、強制訪問控制、安

全標記、可信路徑和可信恢復等。

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信息安全標準

TCSEC標準

1985年美國公布了《可信任計算機標準評估準則TCSEC,Trusted

ComputerSystemEvaluationCriteria》。

r安全政策

TCSECJ可說明性

安全保障

＜文檔

計算機系統的可信程度劃分為7個安全級別，從低到高依次為D1、

C1、C2、B1、B2、B3和A1級。

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j一

計算機病毒及其防治

計算機病毒是一段人為編制的、寄生于計算機合法程序或

系統文件中的、可自我執行、具有傳染性、以自我表現或

破壞計算機系統正常工作為目的的程序，其工作過程由引

導、傳染和表現（攻擊）三個階段組成。

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防火墻技術

防火墻是建立在內外網絡邊界上的一種過

濾封鎖機制，是本地網絡與外界網絡之間

的一道防御系統，也是對這一類防范措施

的總稱。

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從應用體系結構上看，防火墻可以分為：

分組過濾型：采用一臺過濾路由器實現

雙宿主主機型（雙穴主機型）：由一臺雙宿主主機組成。

屏蔽主機型：由包過濾路由器和堡壘主機組成。

屏蔽子網型：由兩個包過濾路由器和一個堡壘主機構成。

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V

15

堡壘主機(BastionHost)指的是對網絡安全至關

重要的且運行防火墻系統的任何一臺主機。

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屏蔽子網型防火墻

內部路由器玄。〕DMZ區

內部網

外部網和內部網都僅能訪問到DZM中的有效資源,…要嚴格禁止通過DMZ

直接進行內外網信息傳輸。

屏蔽子網型防火墻是幾種安全體系結構中最好的一種。

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V

數據加密技術

被動入侵者僅僅監聽主動入侵者可以改變內容

加密密鑰Kft解密密鑰Ka

C=E(P,KJP=D(C,Kd)

圖1-4數據加密的基本過程

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數據加密技術

根據加密技術的原理，加密技術可分為：

傳統加密技術：1949年之前，替代加密法和換位加密法

對稱式加密：加密密鑰和解密密鑰相同，如1977年美國

政府頒布的DES（DataEncryptionStandard數據力口

密標準）

非對稱式加密：公鑰密碼體制RSA（Rivest-Shamir-

Adleman加密算法）

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計算機犯罪

廣義的計算機犯罪

相關說是指行為人實施的在主觀或客觀上涉及到計算機

的犯罪。

濫用說是指在使用計算機過程中任何不當的行為。

狹義的計算機犯罪

狹義的計算機犯罪定義從計算機犯罪范圍縮小到受害人

的單一權益（如財產權或個人隱私權或計算機資產本

身或計算機內存數據等）受到傷害從發而考慮的。

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第二節計算機基礎知識

計算技術的發展

算籌——算盤、計算尺——機械式計算機

——電子計算機

電子計算機的發展

電子管——晶體管——集成電路

——大規模集成電路

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電子計算機(ElectronicComputer)一般簡

稱由計算機(Computer),是一種能夠自動、

高速、精確地存儲和加工信息的電子設備。

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計算工具的進化

1642年Pascal加法器

手工到機械自動

史前時期，采用石塊和貝殼記數;

唐代時期，開始使用算盤；

17世紀，出現了計算尺；

1642年，法國數學家Pascal創造了第一臺能完成加、減

運算的機械計算器，計算稅收；

1822年，英國數學家巴貝奇提出了自動計算機的基本概

念，并設計出差分機和分析機；

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機械計算到電動計算

1884年，美國工程師霍雷斯創造了第一臺電動計算機，用

于人口普查；

1944年，美國哈佛大學數學教授霍華德?阿肯提出設計思

想，由舊M承建，設計出“馬克1號”計算機。

機電全自動到電子數字

1946年，第一臺數字式計算機ENIAC誕生在美國，從此

人類社會進入以計算機為主導的信息時代。

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第一代一電子管計算機（46年―50年代末）

硬件特點采用電子管作為運

算和邏輯元件，主存儲器采

用汞延遲線、磁鼓、磁芯；

外存儲器采用磁帶；

軟件用機器語言和匯編

語言編寫程序。

主要目的用于科學和工程計

算。

典型代表機型IAS

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v

第二代——晶體管計算機（50年代中期一60年代末）

硬件特點計算機運算和邏輯元件由

電子管改為晶體管，主存儲器采用鐵

漁氧磁芯器，外存儲器采用先進的

磁盤。

軟件出現了各種各樣的高級語言

如FORTRAN、ALGOL、COBIL

及編譯程序語言,開始用“操作系統”

軟件開始對整個計算機資源進行管

理。

目的除了科學計算之外，還應用于

工業控制、工程設計及數據處理。

典型代表機型：舊M/7090

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第三代——集成電路計算機（60年代中期一70年代初期）

硬件特點計算機邏輯元件采用中、小

規模集成電路,集成電路代替了原

來獨立的物理元件，半導體存儲器

代替了磁芯存儲器。

軟件出現了分時操作系統及交互式

高級語言，實現了多道程序（內存

中同時可以有多個程序）的運行，

如當其中一個等待輸入/輸出時，

另一個可以進行計算，大大提高了

運行速度。

目的大規模的計算

典型代表機型舊M/360

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第四代一一大規模/超大規模集成電路計算機(從80年代開始)

計算機的邏輯元件和主存儲器

采用了大規模集成電路LSI

(LargeScaleIntegrationof

Circuits)。

超大規模集成電路應用的直接

結果是微型計算機的誕生。1971

年末，世界上第一臺微處理器和微

型計算機在美國舊金山南部的硅谷

應運而生，它的誕生開創了微型計

算機的新時代。

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v

中國計算機的發展

大型機及巨型機銀河、曙光、神威

微型機長城、聯想、方正

中央處理器“龍芯片(2001)、曙光推出具有中國知識產權“龍騰”服

務器(2002)o

軟件YH0S、CCDOS、WPS、LinuxOS、C0SIX64、OpenBASE

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V

計算機的未來

未來電子計算機的發展方向

巨型化、微型化、網絡化、智能化

應用其他技術的計算機

光計算機、生物計算機、分子計算機、量子計算機、

DNA計算機

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計算機系統的組成

主機相顯示器

CD-ROM

耳機、麥克風

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硬件系統是計算機

系統中所有實際物理計算機系統的組成

裝置的總稱。

軟件系統是控制

計算機工作流程及具

體操作計算機工作的

核心，只有通過軟件

才能實現人們的不同

工作意圖，軟件系統

包括了計算機系統運

行時所需要的各種程

序、數據及相關文檔

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中央處理器光驅

Ulin.

CPU插座

—刀1推冰曹

串彳亍接口.

C0M1,COM2連接

串行鼠標和

Modem等設備

AGP擴展槽片組（變拉I

加速圖形接口V北橋）

PCI擴展槽.

BIOS芯片

存放與主板匹

CMOS電池-配的基本輸入

為CMOS電路/輸出程序。

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管理、監控和維護計算機資

直接面對用源。包括了操作系統和各種

系統應用程序。

戶應用為用用戶

戶解決不同

領域中的特包括微處理器、寄存

應用軟件個

器、存儲器，以及各

定實際應用軟件層

問題。系統軟件種I/O設施和設備等,

是整個計算機系統運

機器語言

行的物理基礎。其指

硬件系統硬件層令系統組成了對外界

f面，系統軟件通過執

計算機系統的層次結構行機器指令來訪問和

控制各種計算機硬件

析

系統中的每一層都具特定的功能并提供相應

的接口界面，接口屏蔽了層內的實現細節，并對

X上提供了使用約定。34

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V

計算機的分類

按照其規模、性能和價格的綜合性能指標分類：

巨型機(supercomputer)也稱超級計算機：速度最快、處理能力最強。

例如：曙光4000L644GB內存，浮點運算達每秒3萬億次

小巨型機(minisupercomputer)也叫小超級機：是巨型機的微型化，

性價比較高。如美國的Convex公司的C系列機如C4、02、C-3等。

主機(mainframe)全名為大型主機，包括通常所說的大型機和中型機。

作“客戶機/服務器”的服務器，作“終端/主機”的主機。如舊M360、

IBM9000。

小型機(minicomputer)：規模小，結構簡單，設計試制周期短，工藝先

進、使用維護簡單。如DEC公司的VAX」1系列、舊M公司的AS/400,以

及我國自己制造生產的“太極”系列計算機。

工作站(workstation)：介于PC與小型機之間，高分辨率、大容量內外

存，交互式的用戶界面和功能齊全的圖形及各種專業軟件。形成了專用

于處理某類特殊事務的一種獨立的計算機系統。

個人計算機PC(PersonalComputer)也稱為個人電腦或微型計算機：

設計先進、功能齊全、價格能、可靠性高、使用方便、應用軟件豐富。

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計算機的應用領域

科學計算

數據處理

過程控制

計算機輔助系統

人工智能(ArtificialIntelligence)

網絡通信

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計算疝與信息處理

計算機最主要的功能就是處理信息，而信息在計算

機中如何表示、存放、傳遞？這是首先要解決的問題。基

本要求是：信息的表示、存放和傳遞要方便、可靠、易處

理。顯然，在計算機內部，信息只有經過數字化編碼后才

能表示、存放和傳遞。

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信息的表示及采集

編碼：用少量的基本符號，根據簡單的組合規則，以表

示大量復雜的信息。

二進制：是一種最簡單的編碼系統。

多媒體信息的表示與采集

基于計算機的信息處理

信息的組織

信息的傳輸

信息的檢索

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計算機為什么選用二進制

計算機中的信息采用二進制編碼來表示。

二進制表示數字容易實現（只有0、1）。

二進制運算規則簡單（逢二進一）。

二進制編碼在物理上最容易實現；自然界中具有兩個固

定狀態的物理量很多，例如：電流的有無、電壓的高

低等。

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計算機中的數制

數制：人們利用符號來計數的科學方法。

進位計數制：按一定進位規則進行計數的方法。

基數：是指該進制中允許使用的基本數碼的個數。

十進制的基數為10,數碼為0,1,2,…，9十個。

二進制的基數為2,數碼為0,1兩個。

八進制的基數為8,數碼為0,1,…，7八個。

十六進制的基數為16,數碼為0?9,A?F十六個。

位權：數制每一位所具有的值。

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678.34=6xl02

CM權

按權展開式：234.32=2*102+3*101+4*100+3*10-1+2*10-2

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十進制表示法

在按位定制的計數制中，十進制數可以表示成下列形式（用D代

表）：

/=-m

do=ED.X101

1

=Dn_jX1曠1+Dn_2X1H+…+D0XlCP+D^Xla+...+D』X10』

舉例：

210-1-2

519.02=5X10+1X10+9X10+0X10+2X10

特點：有0-9十個數字符號，基數為10,是逢十進一的計數制,

數位的權是以10為底的累。

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二進制表示法

一個二進制數可以表示成下列形式(用B代表)：

n-1n_2-m

(8)2=%X2+Bn_2X2+...+B0X2°+且1X2」+…且mX2

舉例：

1101.01=1X^+1X^+0X^+1X^+OX2!+1X22

特點：數值用31表示，基數為2,是逢二進一的計數制，各

數位的權是以2為底的事。

表示：表示.01B或(1101.01)2

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八進制表示法

一個八進制數可以表示成下列形式（用Q代表）：

n1n-2-m

(、B)/o8=Brni-11X8_+Bn-z9X8+...+BunX8°+B-1.X8-mX8

舉例：,,

3765.02=3X8^+7Xy+6xU+5xg+0X81+2X82

特點：數值用0—7表示，基數為8,是逢八進一的計數制，各數位的權

是以8為底的黑。

表示：452.16Q或(1101.01)8

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十六進制表示法

一個十六進制數可以表示成（用H代表）：

n21

（H）16=Hn-X16向+乩.2乂l6-+...+H0X2°+H1Xl6-+...HmX16*

舉例：

A3F.3B=10X+3X16+15X1^+3X161+11X162

特點：有0-9及A-F共16個數字符號，基數為16,是逢十六

進一的計數制，各數位的權是以16為底的幕。

表示：3EFH或（20）16

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二八、十六進制轉換成十進制

(11001.101)2=1X24+1X23+0X22+0X21+1X2°+1X2-1+0X2-2+

3

1X2-=(25.625)10

211

(16A.B)16=(1X16+6X16+10X160+11X16)10

=(256+96+10+0.69)10

=(362.69)10

(34.6)8=?

11

=(3X8+4X8°+6X8-)10

=(24+4+0.75)10=(28.75)10

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V

十進制整數轉換成二進制整數

方法：除2反序取余法（低位）

2129

例：(29)IO=(?)2

2|14.…??1

結果：(29)10=(11101)2

2|7.......0

2I3.......1

0.......1

(高位)

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十進制小數轉換成二進制小數并非所有的十

進制小數都能

方法：乘2順序取整法

例：(O.125)IO=(?)2用有限位的二

進侏!J4、數來表

0.125(高位)

X2示。例如將

0.250(0.63)工。轉換為

￡_______二進制。因為，

20.500小數部分乘以2

會無限循環下

（低位）

1.000去，故：只能

結果：（O.125）IO=（O.OO1）2

隼近似值。

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v

十進制轉化成八、十六進制

100(D)=144(Q)=64(H)

八進制

十六進制

8100

16100

8124

16|64

84

06

01

49

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二進制與八進制之間的轉換

八進制數轉換為二進制數

只需將每一個八進制數字改寫成等值的3位二進制數即可，

且要保持高、低位次序的不變。

(16.327)8=(001110.011010111)2

=(1110.011010111)2

50

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二進制數轉換成八進制數

整數部分從低位向高位方向每3位用一個等值的八進制數

來替換，最后若不足3位的在高位處用。補夠3位；小數部

分從高位向低位每3位用一個等值的八進制數來替換，不

足3位的在低位處用0補夠3位。

(011110111.100010101)2=(367.425)8

367.425

51

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二進制與十六進制間的轉換

十六進制數轉換成二進制數

把每一個十六進制數字改寫成等值的4位二進制數即一位

拆成四位，且要保持高、低位的次序不變。

1

(4C.2E)16=(01^01100?0曠^0)2

=(1001100.0010111)2

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二進制數轉換為十六進制數

整數部分從低位向高位方向每4位用一個等值的十六進制數

來替換，即四位并為一位，最后不足4位時在高位處補0,

補夠4位；小數部分從高位向低位方向每4位用一個等值的

十六進制數來替，最后不足4位時在低位處補0,補夠4位。

(111001011010.10111001)2=(E5A.B9)16

E5A.B9

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編

計算機是美國人發明的,因此計算機的字符集中自然包

含了英文的26個字母。

計算機要在全世界通用,必須采用公認的標準格式對字

符、符號進行編碼。

常用的字符編碼有ASCH碼、BCD碼、西文字符編碼和

EBCDIC碼。

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BCD(BinaryCodedDecimal)碼

十進制數的二進制編碼(BCD)是指十進制數在計算機中用

二進制編碼來表示。

二一十進制編碼的方法很多，8421碼是最常見的一

種，即每一位十進制數用四位二進制編碼來表示。

例如，十進制數2816的8421碼為：

十進制數2816

8421碼0010100000010110

BCD碼在形式上變成了0和1組成的二進制形

式，而實際上它表示的是十進制數，只不過是

X樂位十進制數是用4位二進制編碼表示。55

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ASCII碼

ASCII（AmericanStandardCodeforInformation

Interchange,美國標準信息交換碼）

ASCH碼有標準ASCH碼和擴展ASCH碼兩種。

標準的ASCH碼使用7位的二進制數來編碼，即每一個

字符對應著一個7位的二進制數。所以用標準的ASCH碼

可以表示27=128個字符，其中包含10個阿拉伯數字，52

個英文大小字母，33個符號及33個控制字符。

擴展的ASCH碼用8位二進制數來表示，可以表示256

種不同的符號。

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西文字符處理起來比較簡單，而中文信息處理起來就復雜

To漢字是圖形文字，常用漢字就有3000?6000個，形

狀和筆畫差異很大。這就決定了漢字字符的編碼方案必

須完全不同于西文的編碼方案。

在計算機系統中漢字的輸入、內部處理、存儲和輸出過程

中不能使用同一代碼

輸入碼

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輸入碼

輸入碼是解決漢字輸入采用的編碼，如“國標區位碼”、

“全拼”、“雙拼”、“五筆”、“智能ABC”等輸入

編碼。

每一種輸入碼之所以能存在，是因為各有其特點。如果

有人問，哪種輸入碼最好，回答是“你熟練掌握的那

種輸入碼就是最好的”。

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國標碼

我國在1980年制定了《信息交換用漢字編碼字符集?基本集》作為國家

標準GB2312-80編碼字符集，稱為國標碼。GB2312-80中規定了信息

交換用的6763個漢字和682個非漢字圖形符號（包括字母、數字和符

號，例如英文、俄文、日文平、片假名等）的代碼。

在國家標準GB2312-80中，每個漢字采用雙字節表示。每個字節只用

ASCH碼中的低7位，最高位為0。

高位低位高位低位

b7b6b5b4b3b2blbUb7b6b5b4b3b2blbO

00

國標碼采用十六進制表示。每個漢字的區位碼同時對應一個國標碼。

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區^^^編碼

十六進制編碼

212223242526??.」1........7C7D7E7F

12345691929394

非漢字圖形符號（常用符號、數字序號、俄文、

英文、法文、希臘字母、日文平、片假名等）

啊阿埃一級漢字

（3755個）

56?87

二級漢字（3008個）

78?88?94

空白區域

7E

國4^石馬編碼

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由于低7位中只有94種狀態可用于漢字編碼（其它34位是控

制字符，不能用），所以兩個字節的低7位共有94X94

二8836種不同的狀態。

國標碼將6763個漢字和682個非漢字字符（共7445個）劃分

為94個區，每個區又分為94位，稱其為區位表。每個漢

字在區位表中有唯一的一個區位碼（四位十進制數，前

兩位數是區號，后兩位數是位號）與之對應，稱之為

“區位碼”。

例如，漢字“啊”在區位表中的編碼是“1601”，既區號是

二“16”,位號是“01”。61

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機內碼

GB2312-80統一規定了漢字的基本編碼標準，但是要存儲在

計算機中與西文編碼在計算機中的表示有沖突。

例如,英文字符和“1”的ASCH碼是“76”和"108”,而

漢字的“天”的區位碼也是“76”和“108”。問題出在

ASCH碼和漢字國標碼都采用字節的低7位編碼方式。為了

避免沖突，將國標碼兩個字節的最高位置“1”，形成漢字

的機內碼。

例如，漢字“中國”，的機內碼分別是十六進制的“D6D0”

#3“B9FA”。

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字形碼

國標碼和機內碼解決了漢字的編碼標準和存儲表示，但還沒有

解決漢字的顯示和輸出問題。

一套漢字（如GB2312）其所有字符形狀的數字描述信息組合在

一起稱之為字庫（font）。

對漢字形狀的數據描述，我們稱為漢字字形碼。

3計算機系統中有兩種字形碼：點陣式字形碼和矢量字形碼。

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字形碼

以點陣方式來表示漢字。每個點用二進制的一位“0”或“1”來分別表

示漢字相應位置處的狀態，如白、黑特征，從而體現出字的形和體。

點陣越大，點數越多，輸出的字形就越清晰，越美觀。常見的有

16X16、24X24、32X32、48X48和128X128。

通過一組直線和曲線的數學描述（端點及控制點的坐標），將漢字的

每個筆畫都轉化為數字特征值，組合在一起便得到了這個漢字的字

形矢量信息。

通過矢量法表示的漢字字形大小、方向可以任意變化，這種方式構

成的漢字精度高、美觀、清晰，Windows環境中使用的

TrueType字庫采用的就是典型的矢量字形表示法。

缺點是輸出前必須通過復雜的運算處理。

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V

“大”字的區號為20,位號為83,區位碼為：2083,用14位二進制表示

為:00101001010011

國標碼：01101001110011

機內碼：1011010011110011

字形碼：0123456789101112131415十六進制碼

0■■0300

1■?0300

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