第一章-信息與計算科學(xué)

1、1,福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院 基礎(chǔ)教研組,大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ),課程介紹,教學(xué)目的,理論教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)安排,實踐教學(xué)內(nèi)容,掌握信息技術(shù)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)使用計算機(jī)及常規(guī)軟件的基本技能，為今后深入學(xué)習(xí)計算機(jī)技術(shù)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、提高計算機(jī)應(yīng)用能力打下良好基礎(chǔ)。,課程介紹,教學(xué)目的,教學(xué)安排,理論教學(xué)內(nèi)容,實踐教學(xué)內(nèi)容,信息技術(shù)與計算科學(xué) 計算機(jī)硬件系統(tǒng) 計算機(jī)軟件系統(tǒng) 多媒體技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ) 軟件設(shè)計基礎(chǔ) 通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 信息系統(tǒng)安全,課程介紹,教學(xué)目的,教學(xué)安排,理論教學(xué)內(nèi)容,實踐教學(xué)內(nèi)容,Windows XP基本操作 Word 2002基本操作 Powerpoint 2002基本操作 Ac

2、cess 2002基本操作 Windows多媒體程序的使用 Internet及其應(yīng)用,課程介紹,教學(xué)目的,教學(xué)安排,理論教學(xué)內(nèi)容,實踐教學(xué)內(nèi)容,上課：分章節(jié)講授基本知識（16學(xué)時） 實驗：簡要介紹操作要點(diǎn)，課內(nèi)上機(jī)與課外自由上機(jī)相結(jié)合。（24學(xué)時） 考試：參加省高校計算機(jī)等級考試,6,第1章 信息技術(shù)與計算科學(xué),【本章內(nèi)容】 1.1 探索信息的真諦 1.2 信息科學(xué) 1.3 信息技術(shù) 1.4 計算與計算科學(xué) 1.5 計算機(jī)的信息表示與編碼,7,1.1 探索信息的真諦,1、什么是信息（Information）？ 1928年，哈特萊首先提出“信息的概念”。 1948年美國科學(xué)家香農(nóng)從研究通信理論出

3、發(fā)，用數(shù)學(xué)方法定義“信息就是不確定性的消除量”。 1948年美國科學(xué)家維納把人們與外界環(huán)境交換信息的過程看成是一種廣義的通信過程。 郎格的觀點(diǎn)“信息就是差異”,8,現(xiàn)代“信息”的概念，已經(jīng)與半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息服務(wù)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、信息經(jīng)濟(jì)、信息化社會、信息管理、信息論等含義緊密地聯(lián)系在一起。,9,2、從信息論到信息科學(xué) 香農(nóng)的研究成果標(biāo)志著信息論（Information Theory）的誕生。 信息論的三個發(fā)展階段：,10,3、香農(nóng)對信息的定義 信息是有秩序的量度，是人們對事物了解的不確定性的消除或減少。信息是對組織程度的一種測度，信息能使物質(zhì)

4、系統(tǒng)有序性增強(qiáng)，減少破壞、混亂和噪音。 通信系統(tǒng)模型：,信道：在物理線路上劃分的邏輯通道。,11,香農(nóng)將“熵”的概念引入信息領(lǐng)域。一個系統(tǒng)的熵就是它的無組織程度的度量。而一個系統(tǒng)中的信息量是它的組織化程度的度量，這說明信息與熵恰好是一個相反的量，信息是負(fù)熵。,12,4、信息的度量 自信息量及其計算 若某事件的基本空間可能出現(xiàn)的元素分別為x1，x2xm；且每一個可能值的概率為： P（X= xi）p i=1,2,m 則定義一個隨機(jī)事件x所含的信息量稱為x的自信息量： I(x)log（1/p(x)）log p(x) 其中I(x)代表x的自信息量，p(x)為事件x出現(xiàn)的概率,當(dāng)?shù)讛?shù)為2時，信息的計量單

5、位為比特（bit）。,13,事件的分類 必然事件：在一定條件下必然要發(fā)生的事件如:星期一過后是星期二，其發(fā)生的概率為1； 不可能事件：在一定條件下必然不會發(fā)生的事件如:太陽從西邊升起，其發(fā)生的概率為0； 隨機(jī)事件：在相同條件下，可能發(fā)生也可能不發(fā)生的事件，其概率介于0到1之間。,14,例1：假設(shè)我們想由甲地告訴乙地關(guān)于甲地的狀態(tài)，如甲地共有8種狀態(tài)，每種狀態(tài)發(fā)生的概率是相等的，即1/8。如果甲告訴乙，甲處于第i種狀態(tài)，這時甲傳給乙的信息量是多少？,信息量 I-log2(1/8)3 (bit),15,信息熵及其計算 信息熵：定義平均信息量來作為信息總體的測度。 設(shè)X為一離散隨機(jī)變量，在集合 x1

6、，x2xn中取值，其概率分布為 P X= xi pi i=1,2,n 則定義: 稱H(X)為離散變量X的信息熵。,16,例2：某信源有8種相互獨(dú)立的狀態(tài)，其發(fā)生概率分別是1/4,0,0,1/4,0,0,0,1/2,這時信源傳給信宿的信息熵是多少？,信息熵,= 1.5(bit),17,5、數(shù)據(jù)、消息、信號與信息的區(qū)別 數(shù)據(jù)是對客觀實體的一種描述形式，是信息的載體。數(shù)據(jù)是未加工的信息，信息是經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)加工為數(shù)據(jù)的過程稱為信息加工或處理。 消息：在通信過程中，信息總是經(jīng)過編碼(符號化)成為消息以后，才能經(jīng)由媒介傳播的，而信息的接收者收到信息后，總是要經(jīng)過譯碼(解讀)才獲取其中的信息。 信

7、號是數(shù)據(jù)的電磁或光脈沖編碼。信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號。,18,1.2 信息科學(xué)（自學(xué)）,信息科學(xué)的產(chǎn)生與定義 信息科學(xué)是以信息為基本研究對象，以信息的運(yùn)動規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究內(nèi)容，這是信息科學(xué)有別于一切傳統(tǒng)科學(xué)最基本的特征。,19,信息科學(xué)的研究內(nèi)容： 探討信息的基本概念和本質(zhì) 研究信息的數(shù)值度量方法 闡明信息感知、識別、轉(zhuǎn)換、傳遞、存儲、處理、再生、表示、控制的一般規(guī)律 揭示利用信息來描述系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的原理和方法 尋求通過加工信息來生成智能的機(jī)制和途徑 信息科學(xué)的體系： 信息科學(xué)的哲學(xué)層次 信息科學(xué)的理論基礎(chǔ)層次 信息科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用層次,20,1.3 信息技術(shù),1、信息技術(shù)的定義

8、與發(fā)展 所謂信息技術(shù)就是人類開發(fā)和利用信息資源的所有手段的總和，包括信息的產(chǎn)生、收集、表示、檢測、處理和存儲，以及信息的傳遞、變換、顯示、識別、提取、控制和利用等方面的技術(shù)。,21,迄今為止，人類發(fā)生過四次信息技術(shù)革命：,第一次革命是創(chuàng)造了語言和文字，出現(xiàn)了文獻(xiàn)； 第二次革命是造紙和印刷術(shù)的出現(xiàn)； 第三次革命是電報、電話、電視及其他通信技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用； 第四次革命是電子計算機(jī)和現(xiàn)代通信技術(shù)在信息工作中的應(yīng)用。,22,2、信息技術(shù)對人類信息器官的擴(kuò)展:,23,3、信息技術(shù)的核心（自學(xué)） 計算機(jī)與智能技術(shù) 通信技術(shù) 感測技術(shù) 控制技術(shù) 4、信息技術(shù)主要支撐技術(shù)（自學(xué)） 微電子技術(shù)和光電子技術(shù),片

9、上系統(tǒng)（SOC）,24,1.4 計算與計算科學(xué),1、探索計算之源 計算：即符號串的變換 算法：求解某類問題的通用法則或方法，即符號串變換的規(guī)則,25,計算科學(xué) 計算科學(xué)是對描述和變換信息的算法過程，包括對其理論、分析、設(shè)計、效率、實現(xiàn)和應(yīng)用等進(jìn)行的系統(tǒng)研究。 其根本問題是什么能被（有效地）自動進(jìn)行，即“能行性問題”,26,2、計算模型與圖靈機(jī) 計算模型：指具有狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征，能夠?qū)λ幚淼膶ο蟮臄?shù)據(jù)或信息進(jìn)行表示、加工、變換、接收、輸出的數(shù)學(xué)機(jī)器。 圖靈機(jī)是一種抽象計算機(jī)模型，用來精確定義可計算函數(shù)。,27,圖靈機(jī)由一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭組成。,圖靈機(jī)計

10、算模型,存儲設(shè)備,決定讀寫頭的每一步操作,28,帶子存儲設(shè)備 命令相當(dāng)于一組預(yù)先設(shè)計、存儲好的程序 控制器決定讀寫頭的每一步操作,圖靈機(jī)就其思想而言，包含了存儲程序的重要思想，為現(xiàn)代計算機(jī)的出現(xiàn)提供了重要的依據(jù)。 圖靈在設(shè)計了上述模型后提出，凡可計算的函數(shù)都可用這樣的機(jī)器來實現(xiàn)，這就是著名的圖靈論題。 圖靈機(jī)的計算能力概括了數(shù)字計算機(jī)的計算能力。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了可計算性理論,29,3、計算思維（自學(xué)） 計算思維涉及運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，它選擇合適的方式去陳述一個問題，對一個問題的相關(guān)方面建模并用最有效的辦法實現(xiàn)問題求解。 計算思維的六大特征： 概念化，不

11、是程序化； 根本的，不是刻板的技能； 人的，不是計算機(jī)的思維； 數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合； 是思想，不是人造物； 面向所有人，所有地方。,30,4、計算機(jī)科學(xué)的研究領(lǐng)域(自學(xué)),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究 程序設(shè)計科學(xué)與方法論的研究 軟件工程基礎(chǔ)理論的研究 人工智能與知識處理的研究 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫及各種計算機(jī)輔助技術(shù)的研究 理論計算機(jī)科學(xué)的研究 計算機(jī)科學(xué)史的研究,31,1.5 計算機(jī)的信息表示與編碼,1、信息在計算機(jī)中的表示 1940年，維納首先提出采用二進(jìn)制編碼形式，以解決數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的表示問題。 二進(jìn)制的特點(diǎn)是：基數(shù)為2，用0，1表示，逢二進(jìn)一。 采用二進(jìn)制計數(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 容易表示（可行性）

12、運(yùn)算簡單 邏輯性強(qiáng) 可靠性高,32,二進(jìn)制的單位： 位（bit）：譯音比特，代表二進(jìn)制位，是存儲器中最小的單位。 字節(jié)（Byte，簡寫為B）：存儲容量的基本單位。 1字節(jié) = 8位 1K=210=1024 1M=1024K 1G=1024M 1T=1024G 1P=1024T 例3：1KB表示有1024個字節(jié)。,33,字（Word）：計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取、傳送與處理的單位。一個字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長，字長是衡量計算機(jī)性能的重要指標(biāo)。 1字長 = n（位） = n/8（字節(jié)） 數(shù)據(jù)在機(jī)內(nèi)的表示方法 1）按值表示：在選定的二進(jìn)制中正確地表示數(shù)值。 2）按形表示：按一定的編碼方法表示數(shù)據(jù)。,34

13、,2、信息的編碼 編碼：用按一定規(guī)則組合而成的若干位二進(jìn)制碼來表示數(shù)字或字符。 1）ASCII碼（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼） 采用7位的二進(jìn)制編碼，表示128個字符，用一個字節(jié)表示，最高位不用為0，共表示128個字符。 常用字符的ASC碼值: A65(41H), a97(61H), 048(30H)， 回車13(DH), 空格32(20H),35,2）中文信息編碼及標(biāo)準(zhǔn) 包括輸入碼、交換碼、內(nèi)部碼和字型碼。 漢字輸入碼 常見的有:音碼(如智能全拼),形碼(如五筆),音形碼(如自然碼)等 漢字交換碼（國標(biāo)碼GB2312-80）:一個漢字用兩個字節(jié)表示，且各字節(jié)最高位為0 。 國標(biāo)碼包括6763個漢字

14、(一級漢字3775個按拼音順序,二級漢字3008個按部首順序),還包括全角字符、中文標(biāo)點(diǎn)、數(shù)字序號及特殊符號等。,36,漢字機(jī)內(nèi)碼：計算機(jī)存儲、處理漢字信息時所用代碼。一個漢字的內(nèi)碼占兩個字節(jié)，且各字節(jié)最高位為1 。 注：漢字的內(nèi)碼=漢字的國標(biāo)碼+8080H 漢字字型碼：一種以點(diǎn)陣表示漢字字型的編碼,它是漢字的輸出形式。 例4：一個1616點(diǎn)陣的漢字字型，需要多少存儲空間？,37,一個1616點(diǎn)陣的漢字字型編碼 其中被畫到的 地方用表示， 空白處用表 示 一個漢字點(diǎn)陣 占1616/8= 32字節(jié),38,字庫：漢字字型的集合。一般存在外存上，需要時才裝入內(nèi)存。 （字庫所占存儲空間為：每個漢字所占

15、字節(jié)數(shù)字?jǐn)?shù)） 其它中文編碼標(biāo)準(zhǔn)： 國家標(biāo)準(zhǔn)GB18030-2000 BIG5（大5碼）：針對繁體漢字的漢字編碼。 3）Unicode編碼工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 目的在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一代碼，它采用32位對字符進(jìn)行編碼。,39,3、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換,數(shù)制：用一組固定的數(shù)字和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目的方法。 基數(shù)：一個數(shù)制所包含的數(shù)字符號的個數(shù)。 位值：也叫權(quán)，通常稱某個固定位置上的計數(shù)單位為位值。 數(shù)值的按權(quán)展開 126.07=1102+2101+6100+710-2,40,41,不同進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換,1）k進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)各位數(shù)字按位權(quán)展開后相加 例5：二進(jìn)制11011B十進(jìn)制數(shù) 11001 1 201 0 210 0

16、 220 1 238 1 2416 （11001)2=124+123+022+021+120=(25)10,42,例6：八進(jìn)制數(shù)27651O十進(jìn)制數(shù) (27651)8=284+783+682+581+180=(12201)10,43,例7：十六進(jìn)制數(shù)2D.CH十進(jìn)制數(shù) (2D.C)16=2161+13160+1216-1 =32+13+0.75 =(45.75)10,44,2）十進(jìn)制數(shù)k進(jìn)制數(shù) 整數(shù)部分：除k取余（倒?。?小數(shù)部分：乘k取整（順?。?例8：(512.75)10 (1000.6 )8,45,例9：(130.125)10 (10000010.001)2,46,例10：(0.6)10

17、 (.100110011001)2,0.6,循環(huán)小數(shù)位數(shù)由轉(zhuǎn)換精度來定,47,3）八/十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù) 每1位八/十六進(jìn)制數(shù)用3/4位二進(jìn)制數(shù)取代(整數(shù)前及小數(shù)末尾的零可略) 例11：(63.54)8 (110011.101100)2,小數(shù)點(diǎn)末尾的零可略,48,例12：(D8.C4)16 (1101 1000.1100 0100)2,49,4）二進(jìn)制數(shù)八/十六進(jìn)制數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為基點(diǎn)，分別向左、向右每3/4位二進(jìn)制數(shù)用1位八/十六進(jìn)制數(shù)取代（不足的位用零補(bǔ)齊） 例13：(110 011.101 100)2 (63.54)8 11022+21=6 01121+20=3 10122+20=5 10022=4,50,例14：(1 1000.1100 01)2 (18.C4)16