第1章 信息社會(huì)與計(jì)算技術(shù)

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

第1章息社會(huì)與計(jì)算技術(shù)

昆明理工大學(xué).計(jì)算中心2內(nèi)容提要信息與計(jì)算計(jì)算工具的發(fā)展信息的表示計(jì)算機(jī)信息處理計(jì)算技術(shù)的發(fā)展趨勢3信息與計(jì)算信息（Information）是對社會(huì)、自然界的客觀事物特征、現(xiàn)象、本質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述其內(nèi)容能通過某種載體（如符號(hào)、聲音、文字、圖形、圖像等）來表征和傳播計(jì)算（Computing）廣義的計(jì)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(jì)算范疇物質(zhì)能量信息W4信息化社會(huì)信息的生產(chǎn)和消費(fèi)信息化是一個(gè)動(dòng)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(huì)里，人們的行為方式、思維方式甚至社會(huì)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(chǔ)、轉(zhuǎn)換、檢索等）信息素養(yǎng)(InformationLiteracy)是指人們能夠適時(shí)獲取信息，對信息進(jìn)行評價(jià)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(jì)算機(jī)5計(jì)算能力與計(jì)算思維用計(jì)算機(jī)解決問題實(shí)質(zhì)上就是將現(xiàn)實(shí)中各種問題抽象為一些可計(jì)算的符號(hào)、方法和過程，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，尋找解決方案。

計(jì)算能力是人類最基本的能力：聽、說、讀、寫、計(jì)算計(jì)算：廣義的“計(jì)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(hào)和規(guī)則，按規(guī)則自動(dòng)運(yùn)算

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

現(xiàn)實(shí)——>符號(hào)化——>規(guī)則化

抽象自動(dòng)化石子、數(shù)珠、數(shù)字、齒輪、穿孔卡片、電信號(hào)、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(jì)算機(jī)的發(fā)展電子計(jì)算機(jī)的誕生1946年2月,ENIAC,18000只電子管,每秒進(jìn)行5000次加法運(yùn)算,通過開關(guān)和配線盤操縱機(jī)器第一代計(jì)算機(jī)（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(jī)器語言與匯編語言，科學(xué)計(jì)算第二代計(jì)算機(jī)（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(jì)算機(jī)的發(fā)展第三代計(jì)算機(jī)（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(shí)操作系統(tǒng)和交互式高級語言，企業(yè)管理、自動(dòng)控制，IBM360大型機(jī)第四代計(jì)算機(jī)（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(gè)領(lǐng)域電子計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)信息與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化。將各種信息進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受和處理的數(shù)據(jù)。需要呈現(xiàn)信息時(shí)再將計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算減法轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算除法轉(zhuǎn)化為移位運(yùn)算和加法運(yùn)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(yùn)算0--“假”，1--“真”

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

加法運(yùn)算乘法運(yùn)算0+0=00×0=01+0=0+1=11×0=0×1=01+1=101×1=1“與”運(yùn)算∧“或”運(yùn)算∨“非”運(yùn)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(jìn)制“B”

，八進(jìn)制“O”，十進(jìn)制“D”，十六進(jìn)制“H”

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

計(jì)算機(jī)中的整數(shù)通常采用補(bǔ)碼編碼加法由加法器實(shí)現(xiàn)，減法是轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼的加法來運(yùn)算。乘法有乘法器實(shí)現(xiàn)，除法由移位來實(shí)現(xiàn)。加法器、乘法器都可以由相應(yīng)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)15浮點(diǎn)數(shù)表示單精度（32位）和雙精度（64位），IEEE754尾數(shù)用補(bǔ)碼表示，階碼用移碼表示。移碼就是補(bǔ)碼的符號(hào)位取反（0變1，1變0）其余各位不變SEM313023220SEM636252510單精度浮點(diǎn)數(shù)（4字節(jié)）：符號(hào)S占1位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1階碼E占8位，>127為正，<127為負(fù)尾數(shù)M占23位，精度達(dá)到223雙精度浮點(diǎn)數(shù)（8字節(jié)）：符號(hào)S占1位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1階碼E占11位，>1023為正，<1023為負(fù)尾數(shù)M占52位，精度達(dá)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(hào)、字母、數(shù)字符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、運(yùn)算符、圖形符號(hào)、漢字等常用的字符編碼有ASCII碼、擴(kuò)展ASCII碼、UTF-8碼等ASCII碼：占一個(gè)字節(jié)的低7位（27=128），最高位平時(shí)不用（一般為0），僅在數(shù)據(jù)通信時(shí)用作奇偶校驗(yàn)位漢字國標(biāo)碼、機(jī)內(nèi)碼：GB2312是一個(gè)簡體中文字符集，由6763個(gè)常用漢字和682個(gè)全角的非漢字字符（字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、圖形）組成大五碼Big5：臺(tái)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(hào)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(hào)自動(dòng)選擇編碼的長短，可用1到6個(gè)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(shí)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(jìn)制的位序編碼表示出來圖形數(shù)據(jù)由點(diǎn)、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(jìn)制編碼即可時(shí)間上離散的數(shù)值序列tvtv聲音（模擬信號(hào)）采樣量化01101100000110001101000110110011010011000001110000101101數(shù)字聲音18信息的表示計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)文件都帶有一個(gè)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(jì)算機(jī)中都用二進(jìn)制進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的過程信息識(shí)別、信息轉(zhuǎn)換信息加工對計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字化信息進(jìn)行判別、篩選、分類、排序、比較、分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和研究等一系列操作的過程專用程序自動(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息有目的的流動(dòng)信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)格式、信息存儲(chǔ)介質(zhì)、數(shù)據(jù)保護(hù)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(jì)算技術(shù)的發(fā)展趨勢計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式主機(jī)型計(jì)算。個(gè)人機(jī)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算高性能計(jì)算（HPC）理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)、高性能計(jì)算科學(xué)國家超級計(jì)算中心，每秒千萬億次計(jì)算能力：每年進(jìn)行兩次的全球超級計(jì)算機(jī)排名并行計(jì)算多處理機(jī)并行工作協(xié)同完成同一個(gè)大型任務(wù)并行計(jì)算需要有高度集成的巨型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和可并行執(zhí)行的應(yīng)用軟件22計(jì)算技術(shù)的發(fā)展趨勢分布式計(jì)算研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來得到最終的結(jié)果網(wǎng)格計(jì)算利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的計(jì)算機(jī)組織成一個(gè)“虛擬的超級計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的電腦就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”

23計(jì)算技術(shù)的發(fā)展趨勢云計(jì)算是由并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算發(fā)展來的，是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型云計(jì)算的最終目標(biāo)是將計(jì)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(jì)算機(jī)資源軟件即服務(wù)(SoftwareasaService,SaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PlatformasaService,PaaS)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(InfrastructureasaService，IaaS)普適計(jì)算通過藍(lán)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(jì)算設(shè)備連接起來，形成一個(gè)“以人為