《信息技术概述》PPT课件.ppt

大学计算机信息技术 基础教程,计算机科学与通信工程学院 刘志锋,内容安排 第一章 信息技术概述 第二章 计算机组成原理 第三章 计算机软件 第四章 计算机网络与因特网 第五章 数字媒体与应用 第六章 信息系统与数据库,第一章 信息技术概述,本章学习目标与要求,1. 了解计算机发展 2. 了解什么是信息，什么是信息处理，什么是信息技术 3.描述计算机信息处理的特点 4.了解什么是二进制，为什么计算机使用二进制 5. 掌握二进制、八进制、十进制、十六进制之间换算 6.掌握定点数及浮点数的表示方法以及原、反、补码之间的换算关系 7.了解什么是微电子技术，它的作用和意义,1.1 计算机技术,计算机的诞生与发展,公元前5世纪 中国的算盘 1642年，Blaise Pascal设计了自动进位加法器 1694年，德国数学家Gottfried Wilhemvon Leibniz改进了Pascal的加法器，使之可以计算乘法 法国人Colmar发明了可以进行四则运算的计算器。 1812年英国数学家C巴贝奇开始研究差分机，并描绘出程序控制方式的计算机的雏型基本原理为IPOS,加法器,计算机的诞生与发展,1935年IBM公司推出IBM 601机，它是一台有算术部件且能在1秒钟内算出乘法的穿孔卡片计算机 电驱动计算机 COLOSSUS： 二次大战时英国人为破译德国的密码而设计，英国数学家Turing协助设计，1934年开始使用。由于属于军事秘密，三十年后才公开。,图为Alan Turing,计算机的诞生与发展,对计算机的诞生和发展做出重大贡献的两个人： 阿伦图灵（Alan Turing) 冯诺依曼（John Von Neumman ）,计算机的诞生与发展,阿伦.图灵 英国数学家、哲学家、密码破译家 30年代初，发表了一篇著名的论文论数字计算在决断难题中的应用，他提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置，用它来计算所有能想象得到的可计算函数。图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论基础。 图灵机有限状态自动机,计算机的诞生与发展,1945年Von Neuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks 发表了一篇论文电子计算机装置逻辑结构初探 提出了两个主要论点: * 使用二进制 * 存储程序和程序控制 奠定了当代计算机硬件 由控制器、运算器、存 储器、输入设备、输出 设备等组成的结构体系,冯诺依曼教授（John Von Neumman）和他设计的“存储程序式”计算机EDVAC（埃德瓦克）,计算机的诞生与发展,第一台电子计算机诞生 ENIAC ：电子数字积分机与计算机 （Electronic Numerical Integrator And Computer） 时 间：1946年2月 地 点：美国宾夕法尼亚大学 用 途：军事计算 运算速度：5000次/秒 体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元,1943年由 John Brainered领导ENIAC开始研究。图为 John Mauchly 及J. Presper Eckert负责这计划的执行者,计算机的诞生与发展,此后，计算机速度提高、功能增加、体积缩小、成本降低、应用扩大，其发展之快，不断改写预测。 早期，810年其运算速度就提高十倍，而成本和体积却是原来的1/10。 1980s开始，几乎每三年计算机的性能就提高近四倍，成本却下降一半。 推动力：微电子技术的进展和计算机应用需求 为计算机划代：按主机所使用的元器件,计算机的诞生与发展,以计算机使用的基本电子元件作为划分依据，计算机的发展经历了四个阶段。 基本电子元件的演变： 集成电路（IC）,电子管,晶体管,中小规模集成电路芯片,大规模超大规模集成电路芯片,计算机的诞生与发展,按主要元器件分代 第一代（约1946-1957） 电子管计算机 几十次/秒几万次/秒， 水银延迟线内存，千字 外设：磁鼓、纸带、卡片、磁带 机器语言编程 第二代（约1957-1964） 晶体管计算机 几十万次/秒， 汇编语言或高级语言编程 1948年Bell发明晶体管，磁芯十万字，磁盘,图为美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机,图为在第一代电子计算机中使用的磁鼓,计算机的诞生与发展,第三代（约1965-1972）中小规模集成电路计算机 (SSI,MSI-Medium Scale Integration) 几十万次/秒几百万次/秒 半导体存储器 汇编语言或高级语言编程 第四代（1971年起）是大规模(LSI)和超大规模集成电路计算机 (Very Large Scale Integration) 几百万次/秒亿次/秒 汇编语言或高级语言编程,计算机的诞生与发展,过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。,计算机信息处理的特点,（1）通用性强、速度高 （2）提供友善的使用方式和多种多样的信息输出形式 （3）具有庞大的信息存储能力和极快的信息存取速度 （4）打破时空限制，实现信息的共享与交流 （5）计算机在辅助开发新的信息处理应用方面能提供有力的支持,计算机的巨大作用,（1）开拓了人类认识自然、改造自然的新资源 （2）增添了人类发展科学技术的新手段 （3）提高了人类物质生产水平和社会生产率，促进了经济的飞跃 （4）提供了人类创造文化的新工具 （5）引起了人类的工作与生活方式的变化,国际计算机界的重要奖项,ACM 图灵奖 1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计算机界的诺贝尔奖之称。 IEEE 计算机先驱奖 1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。,1.2 信息与信息技术,1.2.1 信息与信息处理,信息定义,信息就是信息，它既不是物质也不是能量。 N.Wiener（控制论创始人） 事物运动的状态及状态变化的方式。 客观事物立场 认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。 认识主体立场,“信息”和“数据”，这2个术语的概念在计算机信息处理中是既有区别又有联系的。 计算机是一种基于二进制运算的信息处理机器，任何需要由计算机进行处理的信息，都必须进行一定程度的形式化，并表示成二进制编码的形式。这就引进了数据的概念。,国际标准化组织ISO： “数据是计算机中对事实、概念或指令进行描述的一种特殊格式，这种（特殊）格式适合于使用计算机及其相关设备自动地进行传输、翻译（转换）或加工处理。” 在这个定义中，首先强调的是数据表达了一定的内容，即“事实、概念或指令”，这就是数据的语义；其次，数据具有一定的格式（即数据的语法），其目的是使计算机能自动进行加工处理、通信传递以及翻译转换。,数据的定义,信息处理过程,与信息处理相关的行为和活动,信息收集感知、测量、识别、获取、输入等 信息加工分类、计算、分析、综合、转换、检索、管理等 信息存储 信息传递 信息施用控制、显示等,1.2.2 信息技术,信息技术,信息技术：用来扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。 人的信息器官及功能： 感觉器官（眼耳鼻舌身）获取信息 神经网络传递信息 思维器官（大脑）处理信息并再生信息 效应器官（手脚）施用信息,基本信息技术,感知与识别技术扩展感觉器官功能, 提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度 通信技术与存储技术扩展神经网络功能, 消除人们交流信息的空间和时间障碍 计算处理技术扩展思维器官功能, 增强人们的信息加工处理能力 控制与显示技术扩展效应器官功能，增强人们的信息控制能力,1.2.3 信息处理系统,信息处理系统,用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统。,信息处理系统结构,信息处理系统分类,依据自动化程度人工的、半自动的、全自动的 依据技术手段机械的、电子的、光学的 依据通用性专用的、通用的 ,信息处理系统实例,雷达是一种以感知与识别为主要目的的系统 电视/广播系统是一种单向的、点到多点（面）的以信息传递为主要目的的系统 电话是一种双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统 银行是一种以处理金融业务为主的系统 图书馆是一种以信息收藏和检索为主的系统 Internet是一种跨越全球的多功能信息处理系统,1.2.4 电子信息技术简介,概述,现代信息技术的特点： 采用电(光)子技术：进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制 以数字技术为基础（computer_based） 以计算机及其软件为核心（software_centric） 现代信息技术领域： 微电子、通信、广播、计算机、遥感遥测、自动控制、机器人等,1.3 数字技术基础,1.3.1 二进制,二进制信息的计量单位（一）,比特(bit) 字节(byte) 字(word),二进制数的运算（一）,对二进制数可以进行两种不同类型的基本运算： 算术运算和逻辑运算 算术运算： 两个一位数的加法和减法的基本运算规则是： 加法 减法 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 10 0 1 1 0 （向高位进1） （向高位借1） 两个多位二进制数的加、减法可以从低位到高位按上述规则进行，但必须考虑进位和借位的处理,二进制数的运算（二）,最基本的逻辑运算有三种： 逻辑加（也称“或”运算，用符号“OR”、“”或“”表示） 逻辑乘（也称“与”运算，用符号“AND”、“”或“”表示） 取反（也称“非”运算，用符号“NOT”或“”表示） 异或（两个值不同时为真，相同时为假，用符号“XOR”表示） 运算规则如下： 逻辑加 逻辑乘 取反 异或 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 两个多位二进制数进行逻辑运算时，按位独立进行，相邻位之间不发生关系,二进制信息的计量单位（二）,在计算机信息处理系统中，使用各种不同类型的存储器来存储二进制信息时，存储容量的度量单位要比字节或字大得多，经常使用的单位有： “千字节”(KB)，1KB = 210字节 = 1024B “兆字节”(MB)，1MB = 220字节 = 1024KB “吉字节”(GB)，1GB = 230字节 = 1024MB（千兆字节） “太字节”(TB)，1TB = 240字节 = 1024GB（兆兆字节）,二进制信息的计量单位（三）,在计算机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有所不同，且使用的是十进制。经常使用的速率单位： “比特秒”(b/s)，也称“bps”。如：9600bps(9600b/s)、56 kbps(56kb/s) “千比特秒”(kb/s)，1Kb/s = 103 比特秒 = 1000 b/s “兆比特秒”(Mb/s)，1Mb/s = 106 比特秒 = 1000 Kb/s “吉比特秒”(Gb/s)，1Gb/s = 109 比特秒 = 1000 Mb/s “太比特秒”(Tb/s)，1Tb/s = 1012比特秒 = 1000 Gb/s,任意（R）进制数,每种进位制都有固定的数码基数 按基数进位或借位逢R进一 用位权值来计数 位权值：在任何进位计数制中，数码所处的位置不同，代表的数值大小也不同。对每一个数位赋予的位值，在数学上叫做“权”。 位权与基数的关系：位权的值等于基数的若干次幂。 （KnKn1 . K1K0 K1K2 . Km）R KnRnKn1Rn1.K1R1K0R0 K1R1K2R2+KmRm 人们用字母B、Q、D、H分别表示二、八、十、十六进制,任意（R）进制数,表示法： 1.并列表示（位置计数法） （34567854）10 2.多项式表示法（权展开法） （345） 10=3102+4101+5100,十进制数（Decimal）,十进制的基数是“10”，使用09这十个数字符号，逢十进一205.4921020101310041019102 一般地说，一个十进制数： SKnKn1 . K1K0. K1K2 . Km 所代表的实际数值是： SKn10nKn110n1.K1101K0 100 K1101K2 102+Km 10m,二进制数,二进制的基数是“2”，使用0和1两个不同的数字符号，逢二进一 (101.01)2122021120021122 (5.25)10 一般地说，一个二进制数 SKnKn1 . K1K0 . K1K2 . Km 所代表的实际数值是： S = Kn2n Kn12n1 K121 K0 20 K1 21 K2 22Km 2m,八进制数和十六进制数,八进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7八个符号，逢八进一 (365.2)8= 382681580 281 = (245.25)10 十六进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F十六个符号，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制的10、11、12、13、14、15。逢十六进一 (F5.4)16=1516151604161 = (245.25)10,(1) 二进制转换成十进制 按照二进制数的一般表示方法， 将二进 制数按位权展开即可。 例1. 将二进制数(1010101)2转换成十进制数。 （1010101)2=126025124023 122 0 21120 =641641(85)10,1. 二进制与十进制间的转换,(1) 二进制转换成十进制（续）,例2. 将二进制数(11010.101)2转换成十进制数。 (11010.101)2=124123+121+ 12-112-3 =16820.50.125 =(26.625)10,(2) 十进制数转换成二进制数, 纯整数部分的转换 十进制数整数部分转换为二进制数，采用“除2取余”的方 法. 例1. 将(307)10转换为二进制数。,307,2,153,2,76,2,38,2,19,2,9,2,4,2,2,2,1,2,0,余1,余1,余1,余0,余0,余1,余0,余0,余1,（高位）,（低位）,故：(307)10(100110011)2,(2) 十进制数转换成二进制数（续）, 纯小数部分的转换 十进制小数转换为二进制小数，采用“乘2取整”的方法。 例2. 将(0.8125)10转换为二进制数。 0.8125 （高位） 2,1. 2500,2,0 .5000,2,1 . 0000,（低位）,故：(0.8125)10(0.1101)2,1 . 625, 2,(2) 十进制数转换为二进制数(续),例3. 将（307.8125)10转换成二进制数。 该十进制数中的整数部分和小数部分前面已转换过，只需将两部分连接起来即可。 （307)10（100110011）2 （0. 8125)10（0. 1101）2 故：（307.8125）10=（100110011.1101）2,注意：,并非所有的十进制小数都能用有限位的二进制小数来表示。例4. 将(0.63)10转换为二进制。,0.63,2,1. 26,2,0. 52,2,1 . 04,2,0 . 08,（高位）,（低位）,因为，小数部分乘以2会无限循环下去，故：取近似值.,（0.63)10(0.1010)2 舍去,2.八进制数与二进制数的转换,(1) 二进制与八进制之间的转换 一位八进制数相当于三位二进制数,八进制数转换为二进制数时，只需将每一位八进制数用三位等值的二进制数表示；同理，二进制数转换为八进制数时，只需将三位二进制数用一位等值的八进制数表示即可。,转换表 八进制数 二进制数 八进制数 二进制数 0 000 4 100 1 001 5 101 2 010 6 110 3 011 7 111,八进制数与二进制数的转换,二进制与八进制之间的转换（续）,例1.将(011110111.100010101)2转换为八进 制数 。 (011 110 111 . 100 010 101)2(367.425)8 3 6 7 . 4 2 5 注意：二进制转换为八进制时，要以小数点为中心，整数部分从低位向高位(即从右向左) 每三位用一个八进制数来表示，最后一组不足三位时，用0补齐；小数部分从高位向低位（即从左向右）每三位用一个八进制数来表示，最后不足三 位时，用0补齐。,二进制与八进制之间的转换（续）,例2. 将(16.327)8转换为二进制数。 (16.327)8(001 110 . 011 010 111)2 1 6 . 3 2 7 (1110.011010111)2,2. 二进制与十六进制间的转换,一位十六进制数相当于四位二进制数，十六进制数转换为二进制数时，只需将每一位十六进制数用四位等值的二进制数表示；反之，亦然。 例1. 将(111001011010.10111001)2转换为十六进制数。 (1110 0101 1010 . 1011 1001)2 E 5 A . B 9 （E5A.B9）16,十六进制数与二进制数的转换,转换表 十六进制数 二进制数 十六进制数 二进制数 0 0000 8 1000 1 0001 9 1001 2 0010 A 1010 3 0011 B 1011 4 0100 C 1100 5 0101 D 1101 6 0110 E 1110 7 0111 F 1111,二进制与十六进制间的转换（续）,注意：二进制转换为十六进制时，要以小数点中心，整数分从低位向高位（即从右向左）每四位用一个十六进制数来表示， 最后组不足四位时，用0补齐；小数部分从高位向低位(即从左向右）每四位用一个十六进制数来表示，最后不足四 位时，用0补齐。 例2. 将(4C.2E) 16转换为二进制数。 (4C.2E)16(0100 1100 . 0010 1110)2 4 C 2 E (1001100.0010111)2,3. 十进制与八进制或十六进制间的转换,(1) 八进制或十六进制转换为十进制 与二进制转换为十进制类似，八进制或十六制转换为十进制时，只需按其一般表示形式，按位权展 开即可。 例1. 将(16A.B)16转换为十进制数。 (16A.B)16(11626161101601116-1)10 (25696100.69)10 (362.69)10,(2) 十进制转换为八进制或十六进制,十进制整数转换为八进制或十六进制数时，可采用“除八取余”或“除十六取余”的方法；十进制小数转换为八进制或十六进制数时，可采用“乘8取整”或“乘 十六取整”的方法。 例1. 将(273)10转换为八进制数。 （余数）(低位) 8 | 273_ ? 8 | 34_ - 1 8 | 4_- 2 0 - 4 故：(273)10(421)8 (高位),(2)十进制转换为八进制或十六进制(续）,例2. 将十进制数(0.71875)8转换为八进制数 。 (高位) 0. 71875 8 5. 75000 8 6. 00000 故：(0.71875)10(0.56)8 (低位),使用不同进制的原因,计算机中只使用二进制一种计数制的原因： 二进制中只有0和1两个符号，使用有两个稳定状态的电子器件就可以分别表示它们，而制造有两个稳定状态的电子器件要比制造有多个稳定状态的电子器件容易得多 二进制数的运算规则简单，易于进行高速运算 数理逻辑中的“真”和“假”可以分别用“1”和“0”来表示，这样就把非数值信息的逻辑运算与数值信息的算术运算联系了起来 使用八进制和十六进制的原因： 二进制数太长，书写、阅读、记忆均不便 八进制和十六进制与二进制之间的转换直观、方便,1.3.2 数值信息的表示,计算机中的数值信息分类,整数和实数:它们都是用二进制表示的，但表示方法有很大差别。,整数（定点数）的表示（一）,整数的概念： 整数不使用小数点，或者说小数点始终隐含在个位数的右面，所以整数也叫做“定点数” 整数的分类： 不带符号的整数(unsigned integer)，一定是正整数取值范围：8位 0255(281)，16位 065535(2161)，32位 02321 带符号的整数(signed integer)，既可表示正整数，又可表示负整数。使用最高位(最左面的一位)作为符号位，“0”表示“”(正数)，“1”表示“”(负数)，其余各位表示数的绝对值 取值范围：8位 127127(27+1 271) 例如： 00101011=43, 10101011=43,原码、反码、补码 计算机中，数据均以补码存放 在n位机器数中，最高位是符号位，0为正，1为负 其余的n-1位为数值位，可以为0，也可以为1 当真值为正时，原码、反码、补码的数值位完全相同 当真值为负时 原码的数值位保持原样， 反码的数值位是原码数值位的各位取反， 补码则是反码的最低位加一。 注意符号位不变。,整数（定点数）的表示（二）,整数（定点数）的表示（三）,“原码”表示法：带符号整数的表示方法 优点：简单、直观 缺点： 减法运算较繁，不便于CPU的运算处理 有0(00000000)和0(100000000) 补码表示法：在计算机中，负数使用补码表示，符号位也是“1”，但绝对值部分却是原码每一位取反后再在末位加“1” 例如：(43)原= 10101011 绝对值部分每一位取反后为： (43)反= 11010100 末位加“1”得到： (43)补= 11010101,注意： -0与+0在补码表示法中相同，而在原码、反码表示却不同。 相同位数的二进制补码，表示的范围比原码、反码多一个。 正数的原码、反码、补码都相等，即表示方法只有一种。 用一个字节表示二进制补码，表示的范围为：-128+127,整数（定点数）的表示（四）,整数（定点数）的表示（三）,补码计算规则： XY 原码=X补码 Y补码 补码 补码计算举例： 5 - 2 = 3 2 5 = -3 5补码 =00000101 2补码= 00000010 + -2补码 =11111110 -5补码= 11111011 3 补码 =00000011 -3补码= 11111101 补码表示法中“0”与“0”无区别，都表示为全“0”。 相同位数的二进制补码，可表示的数的(个数)范围 比原码多一个数，即最小负数（128）。,整数（定点数）的表示（四）,三种整数的比较,整数（定点数）的表示（五）,BCD整数（Binary Coded Decimal）称为“二进制编码的十进制整数”，使用4个二进位表示1个十进制数字，最高位仍为符号位。 例如： (43)BCD 1 0100 0011 (59601)BCD 0 0101 1001 0110 0000 0001,整数（定点数）的表示（六）JCY待续,Pentium处理器的四种带符号整数,实数（浮点数）的表示（一）,实数：既有整数部分又有小数部分的数，整数和纯小数只是实数的特例。任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积，例如： 56.725=102(0.56725) 0.0034756=102(0.34756) 指数部分指出实数中小数点的位置，括号里是一个纯小数。 二进制数的情况完全类同，例如： 1001.011=2100(0.1001011) 0.0010101=210(0.10101) 浮点表示法：计算机内部用“指数”(一个整数，称为“阶码”)和“尾数”(一个纯小数)表示实数的方法。 实数 = 尾数 * 2指数 实数N可表示为：N = S 2P （0 S 1),实数（浮点数）的表示（二）,实数（浮点数）的表示 16位机器数能够表示的实数的范围：（溢出 离散） 011111 1111111111 011111 0111111111（原码） 最小值 最大值 （12-9） 225 -1 （12-9） 225 -1,实数（浮点数）的表示（三）,浮点数的长度可以是32位、64位或更长。一般说来，位数越多，可表示的数的范围越大（阶码），精度越高（尾数） 浮点数(实数）分类： 短浮点数、浮点数、长浮点数、高精度浮点数,1.4 微电子技术,微电子技术与集成电路,微电子技术： 以集成电路为核心的电子技术 是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。,电子线路使用的基础元件的演变,真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路,电子线路使用基础元件的演变,真空电子管 在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机 晶体管 1948年发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产生了第二代计算机,电子线路使用的基础元件的演变,集成电路(Integrated Circuit，简称IC) 20世纪50年代出现，以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。 现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si