第1章 信息社會與計算技術(shù)

大學(xué)計算機基礎(chǔ)

第1章息社會與計算技術(shù)

昆明理工大學(xué).計算中心2內(nèi)容提要信息與計算計算工具的發(fā)展信息的表示計算機信息處理計算技術(shù)的發(fā)展趨勢3信息與計算信息（Information）是對社會、自然界的客觀事物特征、現(xiàn)象、本質(zhì)及其運動規(guī)律的描述其內(nèi)容能通過某種載體（如符號、聲音、文字、圖形、圖像等）來表征和傳播計算（Computing）廣義的計算是按照某些規(guī)則求解各種問題得到正確結(jié)果的過程對客觀事物信息的提取、描述、加工、變換的過程都屬于計算范疇物質(zhì)能量信息W4信息化社會信息的生產(chǎn)和消費信息化是一個動態(tài)變化的過程信息技術(shù)不斷開發(fā)和利用信息產(chǎn)品不斷創(chuàng)造和發(fā)展在以網(wǎng)民為基礎(chǔ)的信息社會里，人們的行為方式、思維方式甚至社會形態(tài)都將發(fā)生顯著的變化

信息技術(shù)（InformationTechnology）能夠延伸和拓展人的信息功能的技術(shù)（信息獲取、傳遞、存儲、轉(zhuǎn)換、檢索等）信息素養(yǎng)(InformationLiteracy)是指人們能夠適時獲取信息，對信息進行評價和判斷，并有效利用信息的能力信息化概念60’3C3A80’信息高速公路90’國家信息化戰(zhàn)略微電子通信計算機5計算能力與計算思維用計算機解決問題實質(zhì)上就是將現(xiàn)實中各種問題抽象為一些可計算的符號、方法和過程，建立相應(yīng)的計算模型，然后由計算機進行處理，尋找解決方案。

計算能力是人類最基本的能力：聽、說、讀、寫、計算計算：廣義的“計算”已拓展為使用信息技術(shù)解決各種問題的方法和步驟，是把問題抽象為符號和規(guī)則，按規(guī)則自動運算

計算力（ComputingPower）：任何智能設(shè)備都具有計算能力。人充分利用計算機解決問題的能力。計算思維：運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。用計算機求解問題的思維習(xí)慣。？如何理解計算聽說過“城市計算”嗎？6計算工具的發(fā)展手指、石子算籌、算盤計算尺、圓算尺機械計算機電控計算機電子計算機

現(xiàn)實——>符號化——>規(guī)則化

抽象自動化石子、數(shù)珠、數(shù)字、齒輪、穿孔卡片、電信號、光磁狀態(tài)我們所使用的工具影響著我們的思維方法和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力。7通用計算機的發(fā)展電子計算機的誕生1946年2月,ENIAC,18000只電子管,每秒進行5000次加法運算,通過開關(guān)和配線盤操縱機器第一代計算機（1946～1953年）電子管、電阻、電容等分離元件構(gòu)成，每秒數(shù)千次到幾萬次之間，機器語言與匯編語言，科學(xué)計算第二代計算機（1954～1963年）晶體管、電阻、電容等分離元件構(gòu)成，每秒數(shù)萬次到幾百萬次之間，高級語言FORTRAN等，數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理8通用計算機的發(fā)展第三代計算機（1964～1970年）中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，每秒數(shù)百萬次到幾千萬次之間，分時操作系統(tǒng)和交互式高級語言，企業(yè)管理、自動控制，IBM360大型機第四代計算機（1971年至今）大規(guī)模集成電路（LSI）或超大規(guī)模集成電路（VLSI）構(gòu)成，速度每秒數(shù)千萬次以上，分布式及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)以及4GL語言，各個領(lǐng)域電子計算機的發(fā)展方向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化納米技術(shù)、光技術(shù)、生物技術(shù)、量子技術(shù)9信息的表示信息化最基礎(chǔ)的工作就是實現(xiàn)信息與計算機數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化。將各種信息進行編碼，轉(zhuǎn)化為計算機能接受和處理的數(shù)據(jù)。需要呈現(xiàn)信息時再將計算機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為文字、聲音、圖像、視頻等各種形式的信息。首先需要了解人類感知的各種信息在計算機中如何表示。

10數(shù)制與編碼數(shù)制數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、….基數(shù)：R位權(quán)：Ri

二進制數(shù)碼：0、1

基數(shù)：2

位權(quán)：2i

例如：1011.01(B)=23+21+20+2-2=11.25(D)十六進制數(shù)碼：0、1…、9、A、B、C、D、E、F基數(shù)：16位權(quán)：16i

例如：5B.2F(H)=5×161+11×160+2×16-1+15×16-2≈91.18359(D)11二進制數(shù)的特點算術(shù)運算減法轉(zhuǎn)化為加法運算除法轉(zhuǎn)化為移位運算和加法運算左移1位相當(dāng)于乘2，右移1位相當(dāng)于除以2邏輯運算0--“假”，1--“真”

電子元件邏輯電路計算機中采用二進制兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元件計算機是由邏輯電路構(gòu)成的

加法運算乘法運算0+0=00×0=01+0=0+1=11×0=0×1=01+1=101×1=1“與”運算∧“或”運算∨“非”運算～0∧0=00∨0=0～0=10∧1=00∨1=1～1=01∧0=01∨0=11∧1=11∨1=112數(shù)制轉(zhuǎn)換及數(shù)碼二進制“B”

，八進制“O”，十進制“D”，十六進制“H”

其他進制——十進制：各位數(shù)值乘以位權(quán)之和十進制——其他進制：13數(shù)值數(shù)據(jù)的表示數(shù)的符號（+或-）和數(shù)的值一樣都要采用二進制0、1編碼二進制數(shù)的最高位（左端）為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)；其他位為數(shù)值部分，保存該數(shù)的二進制數(shù)值。對數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示常用的有原碼、補碼、反碼和移碼原碼的數(shù)值部分保持與其實際二進制值相同,正數(shù)的反碼、補碼都與原碼相同負數(shù)的反碼數(shù)值部分是將其原碼數(shù)值部分按位取反（0變1，1變0）負數(shù)的補碼是將其對應(yīng)的反碼加114補碼的特性補碼的零是唯一的（各位全部是0）補碼的減法可以轉(zhuǎn)化為加法實現(xiàn)[X+Y]補＝[X]補+[Y]補；[X-Y]補＝[X]補+[-Y]補

計算機中的整數(shù)通常采用補碼編碼加法由加法器實現(xiàn)，減法是轉(zhuǎn)換成補碼的加法來運算。乘法有乘法器實現(xiàn)，除法由移位來實現(xiàn)。加法器、乘法器都可以由相應(yīng)的邏輯電路實現(xiàn)15浮點數(shù)表示單精度（32位）和雙精度（64位），IEEE754尾數(shù)用補碼表示，階碼用移碼表示。移碼就是補碼的符號位取反（0變1，1變0）其余各位不變SEM313023220SEM636252510單精度浮點數(shù)（4字節(jié)）：符號S占1位，正數(shù)為0，負數(shù)為1階碼E占8位，>127為正，<127為負尾數(shù)M占23位，精度達到223雙精度浮點數(shù)（8字節(jié)）：符號S占1位，正數(shù)為0，負數(shù)為1階碼E占11位，>1023為正，<1023為負尾數(shù)M占52位，精度達到25216字符數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)包括了各種控制符號、字母、數(shù)字符號、標(biāo)點符號、運算符、圖形符號、漢字等常用的字符編碼有ASCII碼、擴展ASCII碼、UTF-8碼等ASCII碼：占一個字節(jié)的低7位（27=128），最高位平時不用（一般為0），僅在數(shù)據(jù)通信時用作奇偶校驗位漢字國標(biāo)碼、機內(nèi)碼：GB2312是一個簡體中文字符集，由6763個常用漢字和682個全角的非漢字字符（字母、數(shù)字、標(biāo)點符號、圖形）組成大五碼Big5：臺灣、香港、澳門及其他海外華人地區(qū)，使用的是繁體中文字符集Unicode編碼與UTF-8編碼：Unicode統(tǒng)一了各種語言和符號的編碼方式，但是它的效率不高；UTF-8可以根據(jù)不同的符號自動選擇編碼的長短，可用1到6個字節(jié)編碼Unicode字符17多媒體數(shù)據(jù)的表示聲音數(shù)據(jù)通過時間上的離散化（采樣）和振幅上的離散化（量化），就可以將連續(xù)的聲音用二進制的位序編碼表示出來圖形數(shù)據(jù)由點、線、多邊形、圓和弧線等元素構(gòu)成的矢量圖(Vector)可通過數(shù)學(xué)公式來描述彩色照片一般使用位圖（Bitmap）來表示，按行列順序?qū)⒏飨袼氐念伾礡GB用二進制編碼即可時間上離散的數(shù)值序列tvtv聲音（模擬信號）采樣量化01101100000110001101000110110011010011000001110000101101數(shù)字聲音18信息的表示計算機中存儲的所有的數(shù)據(jù)都是以長長的0和1的位序列形式構(gòu)成大多數(shù)的計算機文件都帶有一個文件頭，其中包含一些代碼信息，說明文件中數(shù)據(jù)的表示方法通過讀取文件頭中的信息，程序就知道文件的內(nèi)容是如何編碼的了有格式的數(shù)據(jù)才能表示出信息19信息的表示任何信息在計算機中都用二進制進行編碼英文：China0100001101101000011010010110111001100001漢字：中國11010110110100001011100111111010數(shù)值：-37811111111111111111111111010000110音樂：11000001010010100110101101001010…………01100001圖像：100101011100101001001001…………0110101001101000視頻：01000101001010111110100101001110…………01001100編碼20計算機信息處理信息獲取信息獲取就是利用各種輸入設(shè)備、傳感設(shè)備將自然界中的信息轉(zhuǎn)換成計算機中的二進制數(shù)據(jù)的過程信息識別、信息轉(zhuǎn)換信息加工對計算機中各種數(shù)字化信息進行判別、篩選、分類、排序、比較、分析、計算、統(tǒng)計和研究等一系列操作的過程專用程序自動加工、大眾信息技術(shù)工具加工、智能化信息加工信息傳輸利用計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息有目的的流動信息存儲信息存儲格式、信息存儲介質(zhì)、數(shù)據(jù)保護信息檢索信息檢索（InformationRetrieval）是指信息按一定的方式組織起來，并根據(jù)信息用戶的需要找出有關(guān)的信息的過程和技術(shù)21計算技術(shù)的發(fā)展趨勢計算機應(yīng)用模式主機型計算。個人機計算、網(wǎng)絡(luò)計算高性能計算（HPC）理論科學(xué)、實驗科學(xué)、高性能計算科學(xué)國家超級計算中心，每秒千萬億次計算能力：每年進行兩次的全球超級計算機排名并行計算多處理機并行工作協(xié)同完成同一個大型任務(wù)并行計算需要有高度集成的巨型計算機硬件系統(tǒng)和可并行執(zhí)行的應(yīng)用軟件22計算技術(shù)的發(fā)展趨勢分布式計算研究如何把一個需要非常巨大的計算能力才能解決的問題分成許多小的部分，然后將它們分配給許多地理上分布的計算機進行處理，最后把這些計算結(jié)果綜合起來得到最終的結(jié)果網(wǎng)格計算利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的計算機組織成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的電腦就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”

23計算技術(shù)的發(fā)展趨勢云計算是由并行計算、分布式計算、網(wǎng)格計算發(fā)展來的，是一種新興的商業(yè)計算模型云計算的最終目標(biāo)是將計算、服務(wù)和應(yīng)用作為一種公共設(shè)施提供給公眾，使人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣使用計算機資源軟件即服務(wù)(SoftwareasaService,SaaS)、平臺即服務(wù)(PlatformasaService,PaaS)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(InfrastructureasaService，IaaS)普適計算通過藍牙技術(shù)、無線通信技術(shù)和因特網(wǎng)技術(shù)將這些智能化可計算設(shè)備連接起來，形成一個“以人為