第一章 信息与计算科学

1,福州大学数学与计算机科学学院基础教研组,大学信息技术基础,课程介绍,教学目的,理论教学内容,教学安排,实践教学内容,掌握信息技术基础知识，培养使用计算机及常规软件的基本技能，为今后深入学习计算机技术、培养创新意识、提高计算机应用能力打下良好基础。,课程介绍,教学目的,教学安排,理论教学内容,实践教学内容,信息技术与计算科学计算机硬件系统计算机软件系统多媒体技术基础数据库技术基础软件设计基础通信与网络技术信息系统安全,课程介绍,教学目的,教学安排,理论教学内容,实践教学内容,WindowsXP基本操作Word2002基本操作Powerpoint2002基本操作Access2002基本操作Windows多媒体程序的使用Internet及其应用,课程介绍,教学目的,教学安排,理论教学内容,实践教学内容,上课：分章节讲授基本知识（16学时）实验：简要介绍操作要点，课内上机与课外自由上机相结合。（24学时）考试：参加省高校计算机等级考试,6,第1章信息技术与计算科学,【本章内容】1.1探索信息的真谛1.2信息科学1.3信息技术1.4计算与计算科学1.5计算机的信息表示与编码,7,1.1探索信息的真谛,1、什么是信息（Information）？1928年，哈特莱首先提出“信息的概念”。1948年美国科学家香农从研究通信理论出发，用数学方法定义“信息就是不确定性的消除量”。1948年美国科学家维纳把人们与外界环境交换信息的过程看成是一种广义的通信过程。郎格的观点“信息就是差异”,8,现代“信息”的概念，已经与半导体技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、信息产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息论等含义紧密地联系在一起。,9,2、从信息论到信息科学香农的研究成果标志着信息论（InformationTheory）的诞生。信息论的三个发展阶段：,10,3、香农对信息的定义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。通信系统模型：,信道：在物理线路上划分的逻辑通道。,11,香农将“熵”的概念引入信息领域。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是一个相反的量，信息是负熵。,12,4、信息的度量自信息量及其计算若某事件的基本空间可能出现的元素分别为x1，x2xm；且每一个可能值的概率为：P（X=xi）pi=1,2,m则定义一个随机事件x所含的信息量称为x的自信息量：I(x)log（1/p(x)）logp(x)其中I(x)代表x的自信息量，p(x)为事件x出现的概率,当底数为2时，信息的计量单位为比特（bit）。,13,事件的分类必然事件：在一定条件下必然要发生的事件如:星期一过后是星期二，其发生的概率为1；不可能事件：在一定条件下必然不会发生的事件如:太阳从西边升起，其发生的概率为0；随机事件：在相同条件下，可能发生也可能不发生的事件，其概率介于0到1之间。,14,例1：假设我们想由甲地告诉乙地关于甲地的状态，如甲地共有8种状态，每种状态发生的概率是相等的，即1/8。如果甲告诉乙，甲处于第i种状态，这时甲传给乙的信息量是多少？,信息量I-log2(1/8)3(bit),15,信息熵及其计算信息熵：定义平均信息量来作为信息总体的测度。设X为一离散随机变量，在集合x1，x2xn中取值，其概率分布为PX=xipii=1,2,n则定义:称H(X)为离散变量X的信息熵。,16,例2：某信源有8种相互独立的状态，其发生概率分别是1/4,0,0,1/4,0,0,0,1/2,这时信源传给信宿的信息熵是多少？,信息熵,=1.5(bit),17,5、数据、消息、信号与信息的区别数据是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。数据是未加工的信息，信息是经过加工的数据，将数据加工为数据的过程称为信息加工或处理。消息：在通信过程中，信息总是经过编码(符号化)成为消息以后，才能经由媒介传播的，而信息的接收者收到信息后，总是要经过译码(解读)才获取其中的信息。信号是数据的电磁或光脉冲编码。信号可以分为模拟信号和数字信号。,18,1.2信息科学（自学）,信息科学的产生与定义信息科学是以信息为基本研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，这是信息科学有别于一切传统科学最基本的特征。,19,信息科学的研究内容：探讨信息的基本概念和本质研究信息的数值度量方法阐明信息感知、识别、转换、传递、存储、处理、再生、表示、控制的一般规律揭示利用信息来描述系统和优化系统的原理和方法寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径信息科学的体系：信息科学的哲学层次信息科学的理论基础层次信息科学的技术应用层次,20,1.3信息技术,1、信息技术的定义与发展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，包括信息的产生、收集、表示、检测、处理和存储，以及信息的传递、变换、显示、识别、提取、控制和利用等方面的技术。,21,迄今为止，人类发生过四次信息技术革命：,第一次革命是创造了语言和文字，出现了文献；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、电视及其他通信技术的发明和应用；第四次革命是电子计算机和现代通信技术在信息工作中的应用。,22,2、信息技术对人类信息器官的扩展:,23,3、信息技术的核心（自学）计算机与智能技术通信技术感测技术控制技术4、信息技术主要支撑技术（自学）微电子技术和光电子技术,片上系统（SOC）,24,1.4计算与计算科学,1、探索计算之源计算：即符号串的变换算法：求解某类问题的通用法则或方法，即符号串变换的规则,25,计算科学计算科学是对描述和变换信息的算法过程，包括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。其根本问题是什么能被（有效地）自动进行，即“能行性问题”,26,2、计算模型与图灵机计算模型：指具有状态转换特征，能够对所处理的对象的数据或信息进行表示、加工、变换、接收、输出的数学机器。图灵机是一种抽象计算机模型，用来精确定义可计算函数。,27,图灵机由一个控制器，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组成。,图灵机计算模型,存储设备,决定读写头的每一步操作,28,带子存储设备命令相当于一组预先设计、存储好的程序控制器决定读写头的每一步操作,图灵机就其思想而言，包含了存储程序的重要思想，为现代计算机的出现提供了重要的依据。图灵在设计了上述模型后提出，凡可计算的函数都可用这样的机器来实现，这就是著名的图灵论题。图灵机的计算能力概括了数字计算机的计算能力。在此基础上发展了可计算性理论,29,3、计算思维（自学）计算思维涉及运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它选择合适的方式去陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模并用最有效的办法实现问题求解。计算思维的六大特征：概念化，不是程序化；根本的，不是刻板的技能；人的，不是计算机的思维；数学和工程思维的互补与融合；是思想，不是人造物；面向所有人，所有地方。,30,4、计算机科学的研究领域(自学),计算机系统结构的研究程序设计科学与方法论的研究软件工程基础理论的研究人工智能与知识处理的研究网络、数据库及各种计算机辅助技术的研究理论计算机科学的研究计算机科学史的研究,31,1.5计算机的信息表示与编码,1、信息在计算机中的表示1940年，维纳首先提出采用二进制编码形式，以解决数据在计算机中的表示问题。二进制的特点是：基数为2，用0，1表示，逢二进一。采用二进制计数的优点：容易表示（可行性）运算简单逻辑性强可靠性高,32,二进制的单位：位（bit）：译音比特，代表二进制位，是存储器中最小的单位。字节（Byte，简写为B）：存储容量的基本单位。1字节=8位1K=210=10241M=1024K1G=1024M1T=1024G1P=1024T例3：1KB表示有1024个字节。,33,字（Word）：计算机进行数据存取、传送与处理的单位。一个字所包含的二进制位数称为字长，字长是衡量计算机性能的重要指标。1字长=n（位）=n/8（字节）数据在机内的表示方法1）按值表示：在选定的二进制中正确地表示数值。2）按形表示：按一定的编码方法表示数据。,34,2、信息的编码编码：用按一定规则组合而成的若干位二进制码来表示数字或字符。1）ASCII码（美国标准信息交换代码）采用7位的二进制编码，表示128个字符，用一个字节表示，最高位不用为0，共表示128个字符。常用字符的ASC码值:A65(41H),a97(61H),048(30H)，回车13(DH),空格32(20H),35,2）中文信息编码及标准包括输入码、交换码、内部码和字型码。汉字输入码常见的有:音码(如智能全拼),形码(如五笔),音形码(如自然码)等汉字交换码（国标码GB2312-80）:一个汉字用两个字节表示，且各字节最高位为0。国标码包括6763个汉字(一级汉字3775个按拼音顺序,二级汉字3008个按部首顺序),还包括全角字符、中文标点、数字序号及特殊符号等。,36,汉字机内码：计算机存储、处理汉字信息时所用代码。一个汉字的内码占两个字节，且各字节最高位为1。注：汉字的内码=汉字的国标码+8080H汉字字型码：一种以点阵表示汉字字型的编码,它是汉字的输出形式。例4：一个1616点阵的汉字字型，需要多少存储空间？,37,一个1616点阵的汉字字型编码其中被画到的地方用表示，空白处用表示一个汉字点阵占1616/8=32字节,38,字库：汉字字型的集合。一般存在外存上，需要时才装入内存。（字库所占存储空间为：每个汉字所占字节数字数）其它中文编码标准：国家标准GB18030-2000BIG5（大5码）：针对繁体汉字的汉字编码。3）Unicode编码工业标准。目的在全球范围内统一代码，它采用32位对字符进行编码。,39,3、数制及其转换,数制：用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法。基数：一个数制所包含的数字符号的个数。位值：也叫权，通常称某个固定位置上的计数单位为位值。数值的按权展开126.07=1102+2101+6100+710-2,40,41,不同进制间的转换,1）k进制数十进制数各位数字按位权展开后相加例5：二进制11011B十进制数11001120102100220123812416（11001)2=124+123+022+021+120=(25)10,42,例6：八进制数27651O十进制数(27651)8=284+783+682+581+180=(12201)10,43,例7：十六进制数2D.CH十进制数(2D.C)16=2161+13160+1216-1=32+13+0.75=(45.75)10,44,2）十进制数k进制数整数部分：除k取余（倒取）小数部分：乘k取整（顺取）例8：(512.75)10(1000.6)8,45,例9：(130.125)10(10000010.001)2,46,例10：(0.6)10(.100110011001)2,0.6,循环小数位数由转换精度来定,47,3）八/十六进制数二进制数每1位八/十六进制数用3/4位二进制数取代(整数前及小数末尾的零可略)例11：(63.54)8(110011.101100)2,小数点末尾的零可略,48,例12：(D8.C4)16(11011000.11000100)2,49,4）二进制数八/十六进制数以小数点为基点，分别向左、向右每3/4位二进制数用1位八/十六进制数取代（不足的位用零补齐）例13：(110011.101100)2(63.54)811022+21=601121+20=310122+20=510022=4,50,例14：(11000.110001)2(18.C4)16000120=(1)10=(1)16100023=(8)10=(8)16110023+22=(12)10=(C)16010022=(4)10=(4)16,前补0,后补0,51,几种进制的关系,52,4、计算机的逻辑运算与逻辑门电路逻辑关系：输入信号与输出信号之间存在一定的因果关系。逻辑量只有两种取值，逻辑“真”或逻辑“假”。在计算机中逻辑“真”用“1”表示，逻辑“假”用“0”表示。,53,1、逻辑或运算,逻辑或真值表,54,2、逻辑与运算,逻辑与真值表,55,3、逻辑非运算,逻辑非值表,56,4、异或运算,异或逻辑真值表,57,（补充内容）数值数据的机内表示,机器数是将数本身及符号一起数字化了的数。机器数分为定点数和浮点数。,58,1.定点整数的表示例：-110010（即十进制数-50），设字长为8位,符号位：1表示负数0表示正数,59,2.定点小数的表示例：-0.011001，设字长为8位,符号位：1表示负数0表示正数定点小数绝对值均小于等1,60,例：10101.101表示为：1.01011012100也可表示为：0.101011012101规格化浮点数：小数点后第一位数不为0。如上例的0.101011012101即为规格化浮点数,3.浮点数的表示,61,5.25D=101.01(二进制真值）=0.10101x1011(规格化二进制)尾数：0.10101阶：11底：10,62,在机器内部，表示定点整数（含浮点数的阶码）、定点小数（含浮点数的尾数）的方法有三种：原码表示法反码表示法补码表示法,4.原码、反码与补码,63,X=+90(十进制真值)=+1011010(二进制真值)设字长为8位X原=010