第1章信息社会与计算技术

1、WLJX .KMUST.EDU.CN大学计算机基础大学计算机基础 昆明理工大学昆明理工大学. .计算中心计算中心大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学2内容提要内容提要信息与计算信息与计算 计算工具的发展计算工具的发展 信息的表示信息的表示 计算机信息处理计算机信息处理计算技术的发展趋势计算技术的发展趋势 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学3信息与计算信息与计算信息（信息（InformationInformation） 是对社会、自然界的客观事物特征、现象、本质及是对社会、自然界的客观事物特征、现象、本质及其运动规律的描述其运动规律的描述 其内容能通过某种载体（

2、如符号、声音、文字、图其内容能通过某种载体（如符号、声音、文字、图形、图像等）来表征和传播形、图像等）来表征和传播 计算（计算（ComputingComputing） 广义的计算是按照某些广义的计算是按照某些规则求解规则求解各种问题得到正确各种问题得到正确结果的过程结果的过程 对客观事物信息的提取、描述、加工、变换的过程对客观事物信息的提取、描述、加工、变换的过程都属于计算范畴都属于计算范畴 物质物质能量能量信息信息大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学4信息化社会信息化社会 信息的生产和消费信息的生产和消费 信息化是一个动态变化的过程信息化是一个动态变化的过程 信息技术不断开发

3、和利用信息技术不断开发和利用 信息产品不断创造和发展信息产品不断创造和发展在以网民为基础的信息社会里，人们的行为方式、思维方在以网民为基础的信息社会里，人们的行为方式、思维方式甚至社会形态都将发生显著的变化式甚至社会形态都将发生显著的变化 信息技术（信息技术（Information TechnologyInformation Technology）能够延伸和拓展人的信息功能的技术（信息获取、传递、存能够延伸和拓展人的信息功能的技术（信息获取、传递、存储、转换、检索等）储、转换、检索等） 信息素养信息素养(Information Literacy) (Information Literacy)

4、是指人们能够适时是指人们能够适时获取信息获取信息，对信息进行，对信息进行评价和判断评价和判断，并，并有有效利用效利用信息的能力信息的能力 信息化概念603C3A 80信息高速公路90国家信息化战略微电子微电子通信通信计算机计算机大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学5计算能力与计算思维计算能力与计算思维用计算机解决问题用计算机解决问题实质上就是将现实中各种问题抽象为一些可计算的符号、实质上就是将现实中各种问题抽象为一些可计算的符号、方法和过程，建立相应的计算模型，然后由计算机进行处方法和过程，建立相应的计算模型，然后由计算机进行处理，寻找解决方案。理，寻找解决方案。 计算能力是人

5、类最基本的能力：计算能力是人类最基本的能力：听、说、读、写听、说、读、写 、计算、计算计算：计算：广义的广义的“计算计算”已拓展为使用信息技术解决各种问题已拓展为使用信息技术解决各种问题的方法和步骤，是把问题抽象为符号和规则，按规则自动运的方法和步骤，是把问题抽象为符号和规则，按规则自动运算算 计算力（计算力（Computing PowerComputing Power）：）：任何智能设备都具有计算能任何智能设备都具有计算能力。力。人充分利用计算机解决问题的能力。人充分利用计算机解决问题的能力。计算思维：计算思维：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统运用计算机科学的基础概念进行问题求解、

6、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。思维活动。用计算机求解问题的思维习惯。用计算机求解问题的思维习惯。大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学6计算工具的发展计算工具的发展手指、石子手指、石子算筹、算盘算筹、算盘计算尺、圆算尺计算尺、圆算尺机械计算机机械计算机电控计算机电控计算机电子计算机电子计算机 现实现实 符号化符号化 规则化规则化 抽象抽象 自动化自动化石子、数珠、数字、齿轮、穿孔卡片、电信号、光磁状态石子、数珠、数字、齿轮、穿孔卡片、电信号、光磁状态 我们所使用的工具影响着我们的思维方法和思维

7、习惯，我们所使用的工具影响着我们的思维方法和思维习惯， 从而也将深刻地影响着我们的思维能力。从而也将深刻地影响着我们的思维能力。大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学7通用计算机的发展通用计算机的发展电子计算机的诞生电子计算机的诞生 19461946年年2 2月月, , ENIACENIAC , 18000 , 18000只电子管只电子管, ,每秒进行每秒进行50005000次加法运算次加法运算 , , 通过开关和配线盘操纵机器通过开关和配线盘操纵机器 第一代计算机（第一代计算机（1946194619531953年年）电子管、电阻、电容等分离元件构成，每秒数千次电子管、电阻、电容

8、等分离元件构成，每秒数千次到几万次之间，机器语言与汇编语言，科学计算到几万次之间，机器语言与汇编语言，科学计算 第二代计算机（第二代计算机（1954195419631963年年）晶体管、电阻、电容等分离元件构成，每秒数万次晶体管、电阻、电容等分离元件构成，每秒数万次到几百万次之间，高级语言到几百万次之间，高级语言FORTRANFORTRAN等，数据处理和等，数据处理和事务处理事务处理 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学8通用计算机的发展通用计算机的发展第三代计算机（第三代计算机（1964196419701970年年）中小规模集成电路构成，每秒数百万次到几千万次中小规模集成电路

9、构成，每秒数百万次到几千万次之间，分时操作系统和交互式高级语言，企业管理之间，分时操作系统和交互式高级语言，企业管理、自动控制、自动控制 ，IBM 360IBM 360大型机大型机 第四代计算机（第四代计算机（19711971年至今年至今）大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）或超大规模集成电路（）或超大规模集成电路（VLSIVLSI）构成，速度每秒数千万次以上，分布式及网络操）构成，速度每秒数千万次以上，分布式及网络操作系统以及作系统以及4GL4GL语言，各个领域语言，各个领域 电子计算机的发展方向电子计算机的发展方向 巨型化、微型化、网络化、智能化巨型化、微型化、网络化、智能化纳米

10、技术、光技术、生物技术、量子技术纳米技术、光技术、生物技术、量子技术 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学9信息的表示信息的表示信息化最基础的工作就是实现信息与计算机数据的相互转化。将各种信息进行编码，转化为计算机能接受和处理的数据。需要呈现信息时再将计算机数据转化为文字、声音、图像、视频等各种形式的信息。 首先需要了解人类感知的各种信息在计算机中如首先需要了解人类感知的各种信息在计算机中如何表示。何表示。 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学10数制与编码数制与编码数制数制 数码数码：0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9

11、9、. . 基数基数：R R位权位权：R Ri i 二进制二进制 数码：数码：0 0、1 1 基数：基数： 2 2 位权：位权：2 2i i 例如：例如：1011.01(B)=21011.01(B)=23 3+2+21 1+2+20 0+2+2-2-2 =11.25(D) =11.25(D) 十六进制十六进制数码数码：0 0、1 1、9 9、A A、B B、C C、D D、E E、F F 基数基数： 16 16 位权位权：1616i i 例如：例如：5B.2F (H)=55B.2F (H)=516161 1+11+1116160 0+2+21616-1-1+15+151616-2-2 91.1

12、8359 (D) 91.18359 (D) 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学11二进制数的特点二进制数的特点算术运算算术运算减法减法转化为加法运算转化为加法运算除法除法转化为移位运算和加法转化为移位运算和加法运算运算 左移左移1 1位相当于乘位相当于乘2 2，右移，右移1 1位位相当于除以相当于除以2 2 逻辑运算逻辑运算0-0-“ “假假”，1-1-“ “真真” 电子元件逻辑电路电子元件逻辑电路计算机中采用二进制计算机中采用二进制 两种两种稳定状态稳定状态的元件的元件计算机是由计算机是由逻辑电路逻辑电路构成的构成的 加法运算加法运算 乘法运算乘法运算 0+0=0 00+0

13、=0 00=0 0=0 1+0=0+1=1 11+0=0+1=1 10=00=01=0 1=0 1+1=10 11+1=10 11=11=1“与与”运算运算 “或或”运算运算 “非非”运运算算0 0 = 0 0 0 = 0 0 = 10 1 = 0 0 1 = 1 1 = 01 0 = 0 1 0 = 1 1 1 = 1 1 1 = 1大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学12数制转换及数码数制转换及数码二进制二进制 “B B” ” ，八进制，八进制“O O” ”，十进制，十进制“D D” ”，十六进制，十六进制“H H” ” 其他进制其他进制十进制：各位数值乘以位权之和十进制：

14、各位数值乘以位权之和十进制十进制其他进制：其他进制： 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学13数值数据的表示数值数据的表示 数的符号（数的符号（+ +或或- -）和数的值一样都要采用二进制）和数的值一样都要采用二进制0 0、1 1编码编码 二进制数的最高位（左端）为二进制数的最高位（左端）为符号位符号位，0 0表示正数表示正数，1 1表示负数；其他位为数值部分，保存该数的二表示负数；其他位为数值部分，保存该数的二进制数值。进制数值。 对数值数据的编码表示常用的有原码、补码、反对数值数据的编码表示常用的有原码、补码、反码和移码码和移码 原码原码的数值部分保持与其实际二进制值相同的

15、数值部分保持与其实际二进制值相同, ,正数正数的反码、补码都与原码相同的反码、补码都与原码相同 负数的负数的反码反码数值部分是将其原码数值部分按位取反数值部分是将其原码数值部分按位取反（0 0变变1 1，1 1变变0 0） 负数的负数的补码补码是将其对应的反码加是将其对应的反码加1 1 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学14补码的特性补码的特性补码的零是唯一的（各位全部是补码的零是唯一的（各位全部是0 0） 补码的减法可以转化为加法实现补码的减法可以转化为加法实现 X+YX+Y补补XX补补+Y+Y补补 ；X-YX-Y补补XX补补+-Y+-Y补补 计算机中的整数通常采用补码编码

16、计算机中的整数通常采用补码编码加法由加法器实现，减法是转换成补码的加法来加法由加法器实现，减法是转换成补码的加法来运算。乘法有乘法器实现，除法由移位来实现。运算。乘法有乘法器实现，除法由移位来实现。加法器、乘法器都可以由相应的逻辑电路实现加法器、乘法器都可以由相应的逻辑电路实现 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学15浮点数表示浮点数表示单精度（单精度（3232位）和双精度（位）和双精度（6464位），位），IEEE 754 IEEE 754 尾数用补码表示，阶码用移码表示。移码就是补尾数用补码表示，阶码用移码表示。移码就是补码的符号位取反（码的符号位取反（0 0变变1 1，1

17、 1变变0 0）其余各位不变）其余各位不变 S E M31 30 23 22 0S E M63 62 52 51 0单精度浮点数（4字节）：符号S占1位，正数为0，负数为1阶码E占8位，127为正，1023为正，1023为负尾数M占52位，精度达到252大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学16字符数据的表示字符数据的表示 字符数据包括了各种控制符号、字母、数字符号、标点符字符数据包括了各种控制符号、字母、数字符号、标点符号、运算符、图形符号、汉字等号、运算符、图形符号、汉字等常用的字符编码有常用的字符编码有ASCIIASCII码、扩展码、扩展ASCIIASCII码、码、UTF-

18、8UTF-8码等码等ASCIIASCII码码：占一个字节的低：占一个字节的低7 7位（位（2 27 7=128=128） ，最高位平时不，最高位平时不用（一般为用（一般为0 0），仅在数据通信时用作奇偶校验位），仅在数据通信时用作奇偶校验位汉字国标码、机内码汉字国标码、机内码 ：GB 2312GB 2312是一个简体中文字符集，由是一个简体中文字符集，由67636763个常用汉字和个常用汉字和682682个全角的非汉字字符（字母、数字、个全角的非汉字字符（字母、数字、标点符号、图形）组成标点符号、图形）组成大五码大五码Big5Big5：台湾、香港、澳门及其他海外华人地区，使用：台湾、香港、澳门

19、及其他海外华人地区，使用的是繁体中文字符集的是繁体中文字符集UnicodeUnicode编码与编码与UTF-8UTF-8编码编码 ：UnicodeUnicode统一了各种语言和符号统一了各种语言和符号的编码方式，但是它的效率不高；的编码方式，但是它的效率不高；UTF-8UTF-8可以根据不同的符可以根据不同的符号自动选择编码的长短，可用号自动选择编码的长短，可用1 1到到6 6个字节编码个字节编码UnicodeUnicode字符字符 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学17多媒体数据的表示多媒体数据的表示 声音数据声音数据 通过时间上的离散化（通过时间上的离散化（采样采样）和振

20、幅上的离散化（）和振幅上的离散化（量化量化），就可以将连续的声音用二进制的位序编码），就可以将连续的声音用二进制的位序编码表示出来表示出来 图形数据图形数据 由点、线、多边形、圆和弧线等元素构成的矢量图由点、线、多边形、圆和弧线等元素构成的矢量图(Vector)(Vector)可通过可通过数学公式数学公式来描述来描述彩色照片一般使用彩色照片一般使用位图位图（BitmapBitmap）来表示，按行列）来表示，按行列顺序将各像素的顺序将各像素的颜色值颜色值RGBRGB用二进制编码用二进制编码即可即可 时间上离散的数值序列tvtv声音（模拟信号）采样量化 0110110000011000110100

21、0110110011010011000001110000101101数字声音大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学18信息的表示信息的表示计算机中存储的所有的数据都是以长长的计算机中存储的所有的数据都是以长长的0 0和和1 1的的位序列位序列形式构成形式构成 大多数的计算机文件都带有一个大多数的计算机文件都带有一个文件头文件头，其中包，其中包含一些代码信息，说明文件中数据的表示方法含一些代码信息，说明文件中数据的表示方法通过读取文件头中的信息，程序就知道文件的内通过读取文件头中的信息，程序就知道文件的内容是如何编码的了容是如何编码的了 有有格式格式的数据才能表示出信息的数据才能表

22、示出信息 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学19信息的表示信息的表示任何信息在计算机中都用二进制进行编码任何信息在计算机中都用二进制进行编码英文：China 01000011 01101000 01101001 01101110 01100001汉字：中国 11010110 11010000 10111001 11111010 数值：-378 11111111 11111111 11111110 10000110音乐：11000001 01001010 01101011 01001010 01100001图像：10010101 11001010 01001001 011010

23、10 01101000视频：01000101 00101011 11101001 01001110 01001100编码编码大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学20计算机信息处理计算机信息处理信息获取信息获取 信息获取就是利用各种输入设备、传感设备将自然界中的信息转换成信息获取就是利用各种输入设备、传感设备将自然界中的信息转换成计算机中的二进制数据的过程计算机中的二进制数据的过程信息识别、信息转换信息识别、信息转换信息加工信息加工 对计算机中各种数字化信息进行判别、筛选、分类、排序、比较、分对计算机中各种数字化信息进行判别、筛选、分类、排序、比较、分析、计算、统计和研究等一系列

24、操作的过程析、计算、统计和研究等一系列操作的过程专用程序自动加工、大众信息技术工具加工、智能化信息加工专用程序自动加工、大众信息技术工具加工、智能化信息加工 信息传输信息传输 利用计算机网络和数字通信网络，实现信息有目的的流动利用计算机网络和数字通信网络，实现信息有目的的流动 信息存储信息存储 信息存储格式、信息存储介质、数据保护信息存储格式、信息存储介质、数据保护 信息检索信息检索 信息检索（信息检索（Information RetrievalInformation Retrieval）是指信息按一定的方式组织起）是指信息按一定的方式组织起来，并根据信息用户的需要找出有关的信息的过程和技术来

25、，并根据信息用户的需要找出有关的信息的过程和技术 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学21计算技术的发展趋势计算技术的发展趋势计算机应用模式计算机应用模式 主机型计算。个人机计算、网络计算主机型计算。个人机计算、网络计算 高性能计算（高性能计算（HPCHPC）理论科学、实验科学、高性能计算科学理论科学、实验科学、高性能计算科学国家超级计算中心，每秒千万亿次计算能力国家超级计算中心，每秒千万亿次计算能力 ：每年进行两次的全球超级计：每年进行两次的全球超级计算机排名算机排名 并行计算并行计算 多处理机并行工作协同完成同

26、一个大型任务多处理机并行工作协同完成同一个大型任务 并行计算需要有高度集成的巨型计算机硬件系统和并行计算需要有高度集成的巨型计算机硬件系统和可并行执行的应用软件可并行执行的应用软件 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学22计算技术的发展趋势计算技术的发展趋势分布式计算分布式计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后将它们分配给许多的问题分成许多小的部分，然后将它们分配给许多地理上分布的计算机进行处理，最后把这些计算结地理上分布的计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果果综合起来得到最终

27、的结果 网格计算网格计算 利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个一个“虚拟的超级计算机虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算，其中每一台参与计算的电脑就是一个的电脑就是一个“节点节点”，而整个计算是由成千上，而整个计算是由成千上万个万个“节点节点”组成的组成的“一张网格一张网格” 大学计算机基础大学计算机基础昆明理工大学昆明理工大学23计算技术的发展趋势计算技术的发展趋势云计算云计算 是由并行计算、分布式计算、网格计算发展来的，是一种新是由并行计算、分布式计算、网格计算发展来的，是一种新兴的商业计算模型兴的商业计算模型云计算的最终目标是将计算、服务和应用作为一种公共设施云计算的最终目标是将计算、服务和应用作为一种公共设施提供给公众，使人们能