计算机基础-2-信息技术

1、信息处理与信息技术信息与数据 。 信息定义o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） o事物运动的状态及状态变化的方式。 客观事物立场o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 一般意义上讲，信息可以理解成消息、情报、知识、见闻、事实、数据等。“梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台” 香农认为：信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。 一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。而一个系统中的信息量是它的组织化程度的度量，这说明信息与熵恰好

2、是一个相反的量，信息是负熵，所以在信息熵的公式中有负号，它表示系统获得信息后无序状态的减少或消除，即消除不确定性的大小。香农对信息的定义 1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年，从24岁到55岁，整整31年。1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。Claude Elwood Shannon （19162001）一个影响了整个数字通信时代的伟大人物。1916年4月30日诞生于美国密西根州的，幼年在一个叫Gaylord的小镇长大，在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进入MIT(麻省理工学院

3、)攻读研究生，获得了电气工程硕士学位。他是美国科学院院士、美国工程院院士、英国皇家学会会员、美国哲学学会会员。2001年2月24日，香农在马萨诸塞州辞世，享年85岁。（Information Theory）的诞生。 由于香农提出的信息论是关于通讯技术的理论，它是以数学方法研究通讯技术中关于信息的传输和变换规律的一门科学。所以，人们又将其称为狭义信息论，或经典信息论。信息论发展的第二个阶段是一般信息论。信息论发展的第三个阶段是广义信息论。 香农的研究成果-信息论 v 信息的普遍性、无限性和客观性信息的普遍性、无限性和客观性 v 信息的可共享性信息的可共享性v 信息的可存储性信息的可存储性 v 信

4、息的可传输性信息的可传输性 v 信息的可扩散性信息的可扩散性 v 信息的可转换性信息的可转换性 v 信息的可度量性信息的可度量性 v 信息的可压缩性信息的可压缩性 信息的基本特性信息的基本特性所谓信息技术就是人类开发和利用信息资源的所有手段的总和。信息技术既包括有关信息的产生、收集、表示、检测、处理和存储等方面的技术，也包括有关信息的传递、变换、显示、识别、提取、控制和利用等方面的技术。第一次革命是人类创造了语言和文字。第二次革命是造纸和印刷术的出现。第三次革命是电报、电话、电视及其他通讯技术的发明和应用。第四次革命是电子计算机和现代通讯技术在信息工作中的应用。 信息技术信息技术内容o感知与识

5、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o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o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o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。信息施效（效应器官）信息获取（感觉器官）信息传递（神经系统）信息加工（大脑）信息传递（神经系统）事物客体信息处理过程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。信息加工通信/存储控制与显示通信/存储感知与识别信息处理系统结构信息处理系统

6、实例n雷达是一种以感知与识别为主要目的的系统n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n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n银行是一种以处理金融业务为主的系统n图书馆是一种以信息收藏和检索为主的系统nInternet是一种跨越全球的多功能信息处理系统 微电子与计算机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。 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）50005000次加法次加法/ /秒秒体重体重2828吨吨占地占地170m170m2 21880

7、018800只电子管只电子管15001500个继电器个继电器功率功率150KW150KW 第一代计算机（第一代计算机（1946-1958）是采）是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管或汞延迟线作主存储器，外存主要管或汞延迟线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用领域主用机器指令或符号指令，应用领域主要是科学计算。要是科学计算。 电子恐龙的缩骨法电子恐龙的缩骨法晶体管晶体管划时代的实验装置划时代的实验装置晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。电子管的缺

8、点：电子管的缺点：体积大；体积大；耗能高、散热量大。耗能高、散热量大。晶体管的优点：晶体管的优点：体积小；体积小；耗能低；耗能低；性能稳定。性能稳定。 第二代计算机（第二代计算机（1959-1964）用晶体管代替了电子管，主存储器均采用磁芯）用晶体管代替了电子管，主存储器均采用磁芯存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理、工程设计等多个方面。处理、工程设计等多个

9、方面。 1954年美国贝尔实验室建成世界年美国贝尔实验室建成世界上第一台晶体管计算机上第一台晶体管计算机TRADIC。开始。开始了第二代计算机的发展。了第二代计算机的发展。 第二代电子计算机第二代电子计算机 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)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等 超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路集成电路(Integrated Circuit) 1964年研制出计算机历史上最成功年

10、研制出计算机历史上最成功的机型之一的机型之一IBM S/360。S/360极强的通极强的通用性适用于各方面的用户，它具有用性适用于各方面的用户，它具有“360度度”全方位的特点，并因此得名。全方位的特点，并因此得名。IBM为此投入了为此投入了50亿美元的研发费用，远远亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的的超过制造原子弹的的20亿美元。亿美元。IBM360成为第三代电脑的标志性产品成为第三代电脑的标志性产品 第三代计算机（第三代计算机（1965-1970）采用中小规模的集成电路块代替了晶体管）采用中小规模的集成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘等

11、分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、使用方式也由手工操作完全改变为自动管化的发展时期，计算机的管理、使用方式也由手工操作完全改变为自动管理，使计算机的使用效率显著提高。理，使计算机的使用效率显著提高。 第三代电子计算机第三代电子计算机集成电路的规模根据所包含的晶体管数目分为：集成电路规模集成度（个电子元件）小规模集成电路（SSI）100中规模集成电路（MSI）1003000大规模集成电路（LSI）300010万超大

12、规模集成电路（VLSI）10万100万极大规模集成电路（ULSI）100万微电子技术与集成电路 集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计算机的核心。 先进的微电子技术高集成度芯片高性能的计算机利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片o集成电路是现代信息产业和信息社会的基础o集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 2000年世界半导体产值达2000亿美元 电子信息产品市场总额超过1万亿美元o据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达15%以上，2010年全世界半导体的年销售额可达到60008000亿美元，将支持45万亿美元的电子装备市场。

13、微电子技术与集成电路集成电路的制造集成电路的制造：400多道工序集成电路的制造介绍集成电路制造过程的网站：o http:/ http:/ http:/ 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸，晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。集成电路的发展趋势o 提高集成度，关键在缩小门电路面积o 集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高o Moore定律单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番 Gordon E.Moore,1965年Intel公司创始人集成电路的发展趋势 Intel公司微处理

14、器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数o目前集成电路生产的主流技术： 12吋晶圆、0.18微米工艺，并正在向14吋晶圆、 0.09微米工艺过渡 Intel P4：已采用0.13m工艺制造生产oAMD：采用0.13m工艺制造生产的CPUo1（m微米） 1/1,000,000（米）o在未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Mo

15、ore定律得到进一步的发展集成电路的发展趋势晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,300将电脑浓缩在一颗芯片上将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片 第四代电子计算机第四代电子计算机 1976年苹果计年苹果计算机：集成电路的算机：集成电路的发展，计算机开始发展，计算机开始了小型化的历程。了小型化的历程。 笔记本笔记本电脑电脑 1982年年IBM个人个人计算机计算机 第四代计算机（第四代计算机（1971-至今）使用大规模和超大规模集成电路，主存储至今）使用大规模和超大规模集成电路，主存储器均采用半导体存储器，主要的外存储器是器均采用半导体存储

16、器，主要的外存储器是磁带、磁盘、光盘磁带、磁盘、光盘，微处理器和，微处理器和微型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，让计算机深入到社微型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，让计算机深入到社会的各个领域。会的各个领域。问题与出路o线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄以后，干扰将越益严重。 为了减少这种干扰，可以采取减小电流，降低电压的方法来解决。 但是，当晶体管的基本线条小到纳米级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作。o在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，可以利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，从而把芯片

17、的研制推向量子世界的新阶段纳米芯片技术。o同时，人们还在研究将自然界传播速度最快的光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成。集成电路的发展趋势p光子计算机光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于0.18m时，就会产生很多的问题,而光子计算机就可以避免。集成电路的发展趋势p量子计算机是运用量子力学来设计的，它们的特点是其潜在的运算速度将更大于电子计算机。从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够的能力 来完

18、成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。 因此，欧洲已经成立了量子计算机研究所， 现在估计，量子计算机可能会在今后的 十五年左右出现。图为一种可瞬间进行图像数据计算的光电计算机集成电路的发展趋势p分子计算机现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和关闭的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会导致只需要利用立体和光线就能够产生新的、甚至能够思考的计算机来解决目前晶体管的物理局限，使得未来的计算机的功能大大的增加，尺寸大大的缩小。集成电路的发展趋势p生物计算机实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用基因学的机制来开发

19、的新一代计算机。 现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发现人体内哪个地方脂肪的堆积， 帮 助解决问题。其实每一个细胞实际上都是一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。集成电路的发展趋势o阅读文献：奋起迎接纳米科技争夺战网址：http:/ （巨型机或大型机巨型机或大型机）： ：介于介于PC与小型机之间高档微机系统与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强高分辨率、大容量内外存，图形功能较强：台式机、笔记本和个人数字助理台

20、式机、笔记本和个人数字助理(PDA)：网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统计算机的应用计算机的应用 1. 科学计算2. 数据处理3. 电子商务4. 过程控制5. CAD/CAM/CIMS6. 多媒体技术7. 虚拟现实8. 人工智能Altair 8800 计算机发展计算机发展微型化微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。信息机器，一种个人的信息机器。 计算机发展计算机发展巨型化巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的运算速度可达每秒几百亿次运算的19751975年世界上第一台超级计算机年世

21、界上第一台超级计算机“Cray-I”Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。算的高科技领域。中国超级计算机：中国超级计算机：国防科技大学研制的国防科技大学研制的“银河银河1 1号号”、 “ “银河银河2 2号号”和和“银河银河3 3号号”“天河一号天河一号”“”“天河二号天河二号”国家智能计算机中心推出的国家智能计算机中心推出的“曙光曙光1000” 1000” 、“曙光曙光200I”200I”和和“曙光曙光3000”3000”“星云星云” 计算机

22、发展计算机发展网络化网络化计算机技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。使用远程资源，共享程序、使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。的通讯和合作。 计算机发展计算机发展智能化智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。 笛卡尔（笛卡尔（16371637）u人类第一个人类第一个“工业机器人工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的一头在纺织机上挑纱的“驴驴”（17421742年）年）u第一代机器人第一代机器人机械手（机械手（19621962年出现）年出现）u第二

23、代机器人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机器人u第三代机器人第三代机器人装有启发式计算机的装有启发式计算机的“智能机器人智能机器人” 图灵与图灵机图灵与图灵机为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。主要贡献： 建立图灵机模型，奠定了可计算理论的基础 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念 计算机的基本构成计算机的基本构成 手工计算：手工计算：计算机计算：计算机计算： 算算 盘盘笔、纸笔、纸人的控制人的控制运算器

24、运算器存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备I/OI/O例：例：1631561363412036第一步：第一步：163 156=25428第二步：第二步：136 34=4 25432第三步：第三步：120 36 = 4320 21112输出设备输出设备运算器运算器输入设备输入设备内存储器内存储器控制器控制器数据流数据流控制流控制流计算机的基本构成 程序和数据 结果结果计算机的基本构成硬件硬件主机主机控制控制 器器内存储器内存储器运算器运算器CPU输入设备输入设备输出设备输出设备外存储器外存储器外设外设键盘、鼠标键盘、鼠标CRTCRT、打印机等、打印机等磁盘（软、硬盘）磁盘（软

25、、硬盘）光盘、磁带光盘、磁带硬件系统计算机系统计算机系统软件：软件： 通俗的讲，软件就是程序。通俗的讲，软件就是程序。 如何理解程序如何理解程序？程序：程序：指令指令命令命令一条指令的组成一条指令的组成：操作码操作码 操作数操作数指令系统指令系统：全体指令全体指令指令的集合指令的集合 为完成某一特定任务而用某种为完成某一特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。语言编写的一组指令序列。计算机系统软件软件系统软件系统软件应用软件应用软件支持计算机工作的软件支持计算机工作的软件为完成某一任务而编制为完成某一任务而编制的的 程序程序操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序文字处理软件文字处理软件WPS

26、WPS、WordWord应用软件包应用软件包用户软件用户软件服务程序服务程序表格处理软件表格处理软件ExcelExcel辅助设计软件辅助设计软件AutoCADAutoCAD实时控制软件实时控制软件FIXFIX软件系统软件系统计算机系统的组成计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机外部设备外部设备内存内存CPU控制器控制器随机存储器随机存储器(RAM)(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)输入设备输入设备输出设备输出设备 系统软件系统软件(操作系统操作系统、 语言处理程序等语言处理程序等) 应用软件应用软件(字处理字处理、计算机辅助设计等计算机辅助设计等)运算器运

27、算器外存储器外存储器计算机的工作原理计算机的语言计算机的语言二进制二进制计算机如何在内存中存放数据计算机如何在内存中存放数据 程序设计语言程序设计语言计算机的语言二进制进制的概念进制的概念 “逢逢R R进一，借一当进一，借一当R R” 十进制十进制 R=10R=10，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,90,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二进制二进制 R=2R=2，可使用，可使用0,10,1 八进制八进制 R=8R=8，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,70,1,2,3,4,5,6,7 十六进制十六进制 R=16R=16，可使用，可使用0,0,9,A,B,C,D,E

28、,F,9,A,B,C,D,E,F计算机为什么使用二进制o 易于物理实现易于物理实现o 运算规则简单（运算规则简单（R(R+1)/2R(R+1)/2）o 机器可靠性高机器可靠性高o 通用性强通用性强 掌握如下内容o 二进制数转换成十进制数o 二进制数与八进制数、十六进制数之 间的转换o 八进制数、十六进制数转换成十进制数o 十进制数转换成二、八、十六进制数 o 信息编码自学内容之一各进制的表示方法十进制十六进制八进制二进制存取数据的方法l 如何理解存储器？如何理解存储器？ A1 A2 A3 A4 A5由若干个存储单元组成。由若干个存储单元组成。 l 按地址存取数据。按地址存取数据。l 地址：地址

29、：存储单元的编号。存储单元的编号。l 存储容量：存储容量：内存的大小，是计内存的大小，是计 算机能力的重要指标。算机能力的重要指标。信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）：最常用的基本单位K 字节1K = 1024 byteM（兆）字节1M = 1024 KG（吉） 字节1G = 1024 M T（太）字节1T = 1024 Gb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0=字和字长=字长：字长：一个字中所包含的二进制的位数一个字中所包含的二进制的位数。=字（字（WordWord） ：在计算机中用若干个在计算机中用若干个二进位表示一个数或一条指令。这个二二进位表示一个数

30、或一条指令。这个二进制串作为一个整体来处理或运算进制串作为一个整体来处理或运算称为计算机的字。称为计算机的字。例题例如例如：假想有操作码假想有操作码 加法加法 0001 0001 乘法乘法 0010 0010 取数取数 00110011 存数存数 01000100 题目：题目： 计算计算 F= aF= ab bc 比如：比如： a：1001 单元单元 b：1010 单元单元 c：1011 单元单元 F：1100 单元单元例题例题 程序：程序： 0011 1001 ；把把10011001单元的内容取出放单元的内容取出放 到到 A A寄存器中寄存器中0010 1010 ；把把10101010单元的

31、内容取出与单元的内容取出与A A 内容相乘内容相乘, ,结果放到结果放到 A A中中0001 1011 ；把把10111011单元的内容取出与单元的内容取出与A A 的内容相加，的内容相加， 结果放到结果放到A A中中 0100 1100 ；把把A A中的内容放到中的内容放到11001100单元单元 比如：比如： a：1001 单元单元 b：1010 单元单元 c：1011 单元单元 F：1100 单元单元 加法加法 0001 0001 乘法乘法 0010 0010 取数取数 00110011 存数存数 01000100F= abcCPU M001110010010101000011011 a

32、 b c F01001100 地址单元地址单元 0000 0001 0010 0011 1001 1011 1010 1100 地址信号地址信号 AB CB读读/写控制信号写控制信号 DB 数据信息数据信息pc+1 : :程序设计语言程序设计语言= 机器语言机器语言 这种机器能够识别的二进制代码这种机器能够识别的二进制代码 称为机器语言。称为机器语言。 特点：特点：用机器语言编的程序，运算速度快，用机器语言编的程序，运算速度快，直观性差，难掌握，易出错，通用性差。直观性差，难掌握，易出错，通用性差。load LD 取取/ /存数存数 ADD 加加 MUT 乘乘l 符号语言（汇编语言）符号语言（汇编语言） 比如：比如：取数：取数：LD ALD A，(nn) (nn) ；从内存；从内存(nn)(nn)单元中取出数放到单元中取出数放到A A存数：存数：LD (nn)LD (nn)，A A ；将；将A A的内容的内容(nn)(nn)单元单元加法：加法：ADD AADD A，(nn) ; (nn) ; 将将A A的内容的内容+(nn) A+(nn) A乘法：乘法：MUL AMU