信息技術(shù)一級(jí)

大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)

主講：袁建紅

計(jì)算機(jī)工程學(xué)院Email:yjh_1123@第一章信息、信息技術(shù)與計(jì)算科學(xué)[本章要點(diǎn)]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(jì)算與計(jì)算科學(xué)1.5計(jì)算機(jī)的信息表示與編碼下一張1.1探索信息的真諦已知骰子有六個(gè)面，各為1、2、3、4、5、6個(gè)點(diǎn)。擲一次骰子，六種結(jié)局（點(diǎn)）的出現(xiàn)概率相等。如果告訴你某個(gè)人擲骰子的結(jié)局是單數(shù)或者雙數(shù)，這就是一個(gè)信息。那么這個(gè)信息如何表示？又如何計(jì)算？質(zhì)量、能量和信息量是三個(gè)非常重要的量

人們很早就知道用秤或者天平計(jì)量物質(zhì)的質(zhì)量大小。然而，我們關(guān)于熱、燃料、功與能的計(jì)量問(wèn)題，遲至19世紀(jì)中葉，隨著熱功當(dāng)量的明確和能量守恒定律的建立才逐漸清楚。能量一詞就是它們的總稱(chēng)，而能量的計(jì)量則通過(guò)“卡、焦耳”等新單位的出現(xiàn)而得到解決。為闡明質(zhì)量概念做出偉大貢獻(xiàn)的是發(fā)現(xiàn)物體力學(xué)定律的牛頓(SirIsaacNewton，1642-1727)為闡明能量概念作出偉大貢獻(xiàn)的是熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)者們：邁耳(JuliusRobertvonMayer，1814-1878)、焦耳(JamesPrescottJoule，1818-1899)、赫爾姆霍茲(HermannvonHelmholtz，1821-1894)等。

然而，關(guān)于文字、數(shù)字、圖畫(huà)、聲音的知識(shí)已有幾千年歷史了。但是它們的總稱(chēng)是什么，它們?nèi)绾谓y(tǒng)一地計(jì)量，直到19世紀(jì)末還沒(méi)有被正確地提出來(lái)，更談不上如何去解決了。20世紀(jì)初期，隨著電報(bào)、電話(huà)、照片、電視、無(wú)線(xiàn)電、雷達(dá)等的發(fā)展，如何計(jì)量信號(hào)中信息量的問(wèn)題被隱約地提上日程。

1.1.1什么是信息？

就一般意義而言，信息可以理解成消息、情報(bào)、知識(shí)、見(jiàn)聞、通知、報(bào)告、事實(shí)、數(shù)據(jù)等等。從不同角度對(duì)信息的理解：1.最早對(duì)信息進(jìn)行科學(xué)定義的是哈特萊（RalphV.L.Hartley）。他認(rèn)為，發(fā)信者所發(fā)出的信息，就是他在通信符號(hào)表中選擇符號(hào)的具體方式，并主張用所選擇的自由度來(lái)度量信息。2.1948年，信息論創(chuàng)始人，美國(guó)科學(xué)家香農(nóng)(C.E.Shannon)從研究通信理論出發(fā)，第一次用數(shù)學(xué)方法定義“信息就是不確定性的消除量”。認(rèn)為信息具有使不確定性減少的能力，信息量就是不確定性減少的程度。3.控制論創(chuàng)始人之一，美國(guó)科學(xué)家維納(N.Wiener)指出“信息就是信息，不是物質(zhì)，也不是能量?！本S納把人們與外界環(huán)境交換信息的過(guò)程看成是一種廣義的通信過(guò)程，試圖從信息自身具有的內(nèi)容屬性給信息定義。4.關(guān)于信息的定義，有人提出用變異量來(lái)度量，認(rèn)為“信息就是差異”。他提出：“信息是反映事物的形式、關(guān)系和差別的東西。信息是包含于客體間的差別中，而不是在客體本身中。”5.信息是“事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方式，也就是事物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部聯(lián)系的狀態(tài)和方式”。6.《辭源》對(duì)信息定義為：“信息就是收信者事先所不知道的報(bào)導(dǎo)?！?.“信息是指對(duì)諸如事實(shí)、數(shù)據(jù)或觀點(diǎn)之類(lèi)的知識(shí)的傳遞或描述，這些知識(shí)可以存在于任何媒體或形式之中，包括文本形式、數(shù)字形式、圖表形式、圖形形式、敘述形式或視聽(tīng)形式?！?.1.2從信息論到信息科學(xué)信息論發(fā)展的三個(gè)階段：

狹義信息論（或經(jīng)典信息論）通信技術(shù)問(wèn)題一般信息論仍是通信技術(shù)問(wèn)題，但增加了噪聲理論廣義信息論超出了通信技術(shù)的范疇1.1.3香農(nóng)對(duì)信息的定義但是信息到底是什么呢？申農(nóng)的狹義信息論第一個(gè)給予信息以科學(xué)定義：信息是有秩序的量度，是人們對(duì)事物了解的不確定性的消除或減少。信息是對(duì)組織程度的一種測(cè)度，信息能使物質(zhì)系統(tǒng)有序性增強(qiáng)，減少破壞、混亂和噪音。例如，廈門(mén)的秋天常常是秋高氣爽，因此在這個(gè)季節(jié)里如果天氣預(yù)報(bào)說(shuō):“明天白天晴”,人們習(xí)以為常，因而得到的信息量很小。但若天氣預(yù)報(bào)說(shuō):“明天白天有雪”,人們將會(huì)感到十分意外，后一條天氣預(yù)報(bào)給人們的信息量比前一條大，因?yàn)樵趶B門(mén)從來(lái)沒(méi)有過(guò)下雪的天氣。從這個(gè)例子，我們可以看出，消息出現(xiàn)的可能性越小，則此消息中攜帶的信息量就越多。反之，消息出現(xiàn)的可能性越大，則此消息中攜帶的信息量就越少。另一方面，如果事件是必然的，即發(fā)生的概率為1,則它傳遞的信息量應(yīng)為零;如果事件是不可能的，即概率為0，則它將有無(wú)窮的信息量。如果我們得到不是由一個(gè)事件構(gòu)成而是由若干個(gè)獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，那么我們得到的總的信息量，就是若干個(gè)獨(dú)立事件的信息量的總和。

1.1.4

信息的度量從上例中，可以初步斷定消息中所含的信息量H與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)。或者說(shuō)是概率的函數(shù)。H=H(px)其中，p(x)是消息出現(xiàn)的概率。而函數(shù)H究竟是什么我們暫時(shí)還不知道。根據(jù)上面的描述，為了計(jì)算信息量，消息中所含的信息量H與消息出現(xiàn)的概率間的關(guān)系式應(yīng)當(dāng)反映如下規(guī)律:（1）消息中所含的信息量H是該消息出現(xiàn)的概率p(x)的函數(shù)，即H=H[p(x)](2)消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含的信息量愈大;反之信息量愈小，且當(dāng)p(x)=1時(shí)，H=0。(3)若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和，即H[p(x1)+p(x2)…]=H[p(x1)]+H[p(x2)]…數(shù)學(xué)的分析表明并不是任何函數(shù)都具有上述三個(gè)要求的性質(zhì)，而僅有對(duì)數(shù)函數(shù)滿(mǎn)足上面提的要求。所以前面的未知函數(shù)H僅可能是對(duì)數(shù)函數(shù)log。即消息所含的信息量H與消息出現(xiàn)的概率p(x)有如下關(guān)系：上式一般稱(chēng)為等概率事件的信息量計(jì)算公式哈特萊首先提出采用消息出現(xiàn)概率的對(duì)數(shù)測(cè)度作為離散消息的信息度量單位。信息量的單位的確定取決于上式中對(duì)數(shù)底a的確定。當(dāng)對(duì)數(shù)以2為底時(shí)，則信息量的單位為比特(bit);對(duì)數(shù)以e為底時(shí)，信息量單位為奈特(nit);當(dāng)對(duì)數(shù)以10為底時(shí)，信息量的單位稱(chēng)為哈特萊。目前應(yīng)用最為廣泛的單位是比特。

由于log22=1Bit，有兩個(gè)等可能性結(jié)局的抽樣實(shí)驗(yàn)的結(jié)局的不確定性就恰好是1比特。這對(duì)應(yīng)于擲一枚硬幣，也對(duì)應(yīng)于通信過(guò)程中訊號(hào)僅有兩個(gè)等可能結(jié)局，例如高電位和低電位（或者1和0）的情況。由于它比以10為底的對(duì)數(shù)表示不確定性在通信和計(jì)算機(jī)界更好用，所以被計(jì)算機(jī)界廣泛使用。今天“比特”已經(jīng)成了信息的代名詞。而哈特利（10為底對(duì)數(shù)）、納特（e為底對(duì)數(shù)）都可以用于表示不確定性的大小，僅是應(yīng)用面比較小而已。

信息熵公式

上述公式是對(duì)等概率事件信息量的計(jì)算公式。下面再研究非等概率事件的信息量計(jì)算。如在通信中傳輸中文或者英文時(shí)并不是每個(gè)字（符）的出現(xiàn)機(jī)會(huì)都相同。例如,據(jù)統(tǒng)計(jì)，A、B、C、D…Z的概率分別是0.0668、0.01179、0.02260、0.03100…..和0.00063在其他的抽樣實(shí)驗(yàn)也會(huì)出現(xiàn)各個(gè)概率不相同的情況。設(shè)離散信息源是由n個(gè)符號(hào)組成的集合，稱(chēng)為符號(hào)集。符號(hào)集中的每一個(gè)符號(hào)xi在消息中分別按概率p(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，又設(shè)符號(hào)集中各符號(hào)出現(xiàn)的概率為:則x1x2…xn所包含的信息量分別為-log2p(x1)、-log2p(x2)、…-log2p(xn)。則每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為:H(x)=-∑p(xi)*log2p(xi)

（i=1,2,3,...,n）Xi表示第i個(gè)狀態(tài)（共n個(gè)狀態(tài)）；P(Xi)代表出現(xiàn)第i個(gè)狀態(tài)時(shí)的概率；H(x)為消除不確定性所需的信息量。單位為比特(bit)。

在申農(nóng)尋信息量定名稱(chēng)時(shí)，數(shù)學(xué)家馮.諾依曼建議稱(chēng)為熵，理由是不定性函數(shù)在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中已經(jīng)用在熵下面了。在熱力學(xué)中熵是物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的一個(gè)函數(shù)，它表示微觀粒子之間無(wú)規(guī)則的排列程度，即表示系統(tǒng)的紊亂度舉例一、拋擲硬幣:由于拋擲硬幣只有兩種可能:出現(xiàn)A面的概率出現(xiàn)B面的概率0.50.5所以平均信息量：H(x)=P(X1)log2(1/P(X1))+P(X2)log2(1/P(X2))=0.5*log2(1/0.5)+0.5*log2(1/0.5)=0.5*log22+0.5*log22=1bit舉例二試驗(yàn)二設(shè)有一個(gè)試驗(yàn)，可能有兩種結(jié)果：出現(xiàn)A面的概率出現(xiàn)B面的概率0.990.01所以平均信息量：H(x)=P(X1)log2(1/P(X1))+P(X2)log2(1/P(X2))=0.99*log2(1/0.99)+0.01*log2(1/0.01)=0.0808bit舉例3：拋擲骰子骰子共有六個(gè)面，每面的點(diǎn)數(shù)分別為1-6點(diǎn)，每面出現(xiàn)的概率相等，均為1/6，所以平均信息量為H(x)=1/6*log2(6))+1/6*log2(6))+…1/6*log2(6))=log2(6)=2.6bit例四：如果通訊時(shí)規(guī)定僅可以傳英文字母和空格，而且已經(jīng)調(diào)查了英文文獻(xiàn)中每個(gè)字符的出現(xiàn)概率為：空格0.1817A0.0668B0.01179C0.02260D0.03100…..Z0.00063則可以用公式（8.2）計(jì)算出每收到一個(gè)英文訊號(hào)消除的不確定程度H是4.0651比特。這里要注意有兩個(gè)計(jì)算信息量的公式，一是對(duì)等概率事件，一是對(duì)非等概率事件的平均信息量。如例一，若問(wèn)“出現(xiàn)A面”這句話(huà)的信息量，則用公式一計(jì)算：H(x)=-log2(1/2)=1(比特）。對(duì)例三，若計(jì)算“出現(xiàn)一點(diǎn)”這個(gè)事件的信息量：H(x)=)=-log2(1/6)=2.6bit.而對(duì)例二與例四，是非等概率事件，必需用求平均信息量公式計(jì)算?；貞涢_(kāi)始提出的問(wèn)題：由于單數(shù)與雙數(shù)的概率都是二分之一，所以：H(x)=-log2(1/2)=1bit1.1.5數(shù)據(jù)、消息、信號(hào)與信息的區(qū)別

①信息與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與信息是計(jì)算機(jī)科學(xué)中常用的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。數(shù)據(jù)是描述客觀事實(shí)、概念的一組文字、數(shù)字或符號(hào)。它不僅包括數(shù)值數(shù)據(jù)，還包括非數(shù)值數(shù)據(jù)。例如學(xué)籍登記表中的姓名、性別、通訊地址等也叫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是信息的素材，根據(jù)不同的使用目的和使用對(duì)象，可以從原始數(shù)據(jù)中經(jīng)過(guò)加工取出不同的信息。雖然一切信息都是從數(shù)據(jù)中提取，但并非一切數(shù)據(jù)都能產(chǎn)生消除不確定性且服務(wù)于一定目的的信息②信息與消息信息是消息的內(nèi)核，信息是能給人帶來(lái)新知識(shí)的消息。對(duì)特定的接收者，一則消息可能包含豐富的信息，也可能沒(méi)有信息。③信息與信號(hào)信息通過(guò)信號(hào)來(lái)傳遞。信號(hào)是信息的攜帶者，但并不是信息本身。同一種信息既可以用這種信號(hào)表示，也可以用另一種信號(hào)表示。例如，在十字路口既可以用警察的手勢(shì)也可以用紅綠燈作為信號(hào)，表示是否可通行的信息。

1.2信息科學(xué)

“科學(xué)”(Science)與“技術(shù)”(Technology)“科學(xué)”是指探知事物的本質(zhì)、特征、內(nèi)在規(guī)律以及與其他事物的聯(lián)系,是關(guān)于自然、社會(huì)和思維的發(fā)展與變化規(guī)律的知識(shí)體系；“技術(shù)”則是運(yùn)用科學(xué)規(guī)律解決實(shí)現(xiàn)某一目的的手段和方法，泛指根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)原理而發(fā)展形成的各種工藝操作方法、技能和技巧。工程（Engineering）是指將科學(xué)原理應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)部門(mén)中去而形成的各門(mén)學(xué)科的總稱(chēng)。1.2.1信息科學(xué)的產(chǎn)生與定義信息和控制是信息科學(xué)的基礎(chǔ)和核心。20世紀(jì)60年代中，由于出現(xiàn)復(fù)雜的工程大系統(tǒng)需要用計(jì)算機(jī)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程，系統(tǒng)辨識(shí)成為重要研究課題。20世紀(jì)70年代以來(lái)，電視、數(shù)據(jù)通信、遙感和生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展，向信息科學(xué)提出大量的研究課題。關(guān)于什么是信息科學(xué)（Informationscience），有著不同的定義：定義1：信息科學(xué)是研究信息的產(chǎn)生、獲取、變換、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示、識(shí)別和利用的科學(xué)，是一門(mén)結(jié)合了數(shù)學(xué)、物理、天文、生物和人文等基礎(chǔ)學(xué)科的新興與綜合性學(xué)科。定義2：以信息為主要研究對(duì)象，以信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究?jī)?nèi)容，以計(jì)算機(jī)等技術(shù)為主要研究工具，以擴(kuò)展人類(lèi)的信息功能為主要目標(biāo)的一門(mén)新興的綜合性學(xué)科。信息科學(xué)是以信息為基本研究對(duì)象，以信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究?jī)?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。1.2.2信息科學(xué)的研究?jī)?nèi)容與體系將信息科學(xué)研究的基本內(nèi)容歸納為五個(gè)方面：(1)探討信息的基本概念和本質(zhì)。(2)研究信息的數(shù)值度量方法。(3)闡明信息感知、識(shí)別、變換、傳遞、存儲(chǔ)、檢索、處理、再生、表示、施效(控制)等過(guò)程的一般規(guī)律。(4)揭示利用信息來(lái)描述系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的方法和原理。(5)尋求通過(guò)加工信息來(lái)生成智能的機(jī)制和途徑。信息科學(xué)的研究范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了香農(nóng)的信息論的領(lǐng)域而深入到了控制科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)、人工智能理論、認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域。從信息科學(xué)的研究?jī)?nèi)容來(lái)劃分，我們可以將信息科學(xué)的基本科學(xué)體系分為三個(gè)層次：(1)信息科學(xué)的哲學(xué)層次；(2)信息科學(xué)的基礎(chǔ)理論層次；(3)信息科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用層次；信息科學(xué)以香農(nóng)創(chuàng)立的信息論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代科學(xué)方法論作為主要研究方法、以研究信息及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主要內(nèi)容、以擴(kuò)展人的信息功能作為主要研究目標(biāo)的一門(mén)科學(xué)。1.3

信息技術(shù)1.3.1信息技術(shù)的發(fā)展與定義

信息技術(shù)是人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用信息資源的所有手段的總和；信息技術(shù)既包括有關(guān)信息的產(chǎn)生、收集、表示、檢測(cè)、處理和存儲(chǔ)等方面的技術(shù)，也包括有關(guān)信息的傳遞、變換、顯示、識(shí)別、提取、控制和利用等方面的技術(shù)。迄今為止，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)發(fā)生過(guò)四次信息技術(shù)革命：

第一次革命是人類(lèi)創(chuàng)造了語(yǔ)言和文字，接著現(xiàn)出了文獻(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(bào)、電話(huà)、電視及其他通訊技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用。

第四次革命是電子計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通訊技術(shù)在信息工作中的應(yīng)用。

人們對(duì)信息技術(shù)的定義，因其使用的目的、范圍、層次不同而有不同的表述：定義1：信息技術(shù)是指有關(guān)信息的收集、識(shí)別、提取、變換、存貯、傳遞、處理、檢索、檢測(cè)、分析和利用等的技術(shù)。定義2：現(xiàn)代信息技術(shù)“以計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)為特征”。定義3：信息技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)支持下用以獲取、加工、存儲(chǔ)、變換、顯示和傳輸文字、數(shù)值、圖像以及聲音信息，包括提供設(shè)備和提供信息服務(wù)兩大方面的方法與設(shè)備的總稱(chēng)。定義4：信息技術(shù)指“應(yīng)用在信息加工和處理中的科學(xué)，技術(shù)與工程的訓(xùn)練方法和管理技巧；上述方法和技巧的應(yīng)用；計(jì)算機(jī)及其與人、機(jī)的相互作用，與人相應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化等諸種事物。定義5：信息技術(shù)包括信息傳遞過(guò)程中的各個(gè)方面，即信息的產(chǎn)生、收集、交換、存儲(chǔ)、傳輸、顯示、識(shí)別、提取、控制、加工和利用等技術(shù)。定義6：從技術(shù)的本質(zhì)意義上講，信息技術(shù)就是能夠擴(kuò)展人的信息器官功能的一類(lèi)技術(shù)。1.3.2擴(kuò)展人類(lèi)信息器官功能的信息技術(shù)人類(lèi)的信息器官與功能：

感覺(jué)器官：視、聽(tīng)、觸等感覺(jué)器官傳導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：導(dǎo)入、導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思維器官：記憶、聯(lián)想、分析和決策等效應(yīng)器官：操作（手）、行走（腳）、語(yǔ)言（口）等器官。1.3.2擴(kuò)展人類(lèi)信息器官功能的信息技術(shù)信息技術(shù)的“四基元”：

感測(cè)技術(shù)：感覺(jué)器官功能的延長(zhǎng)。通信技術(shù)：傳導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的延長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)和智能技術(shù)：思維器官功能的延長(zhǎng)。控制技術(shù)：效應(yīng)器官功能的延長(zhǎng)。1.3.3信息技術(shù)的核心技術(shù)信息技術(shù)主要包括：計(jì)算機(jī)與智能技術(shù)（人的思維器官處理信息和決策的功能的擴(kuò)展）通信技術(shù)（擴(kuò)展人的神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息的功能）傳感技術(shù)（擴(kuò)展人的感覺(jué)器官收集信息的功能）控制技術(shù)（擴(kuò)展了人對(duì)信息的控制和使用能力）計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)通信就是一定時(shí)空距離的信息的傳遞和交流;通信技術(shù)則是指理通信的手段和方法.(一〉現(xiàn)代通信方式

從信息的傳播媒體看,現(xiàn)代通信方式可分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信兩大類(lèi),有線(xiàn)通信包括金屬電纜傳輸、光纖傳輸?shù)?無(wú)線(xiàn)通信包括微波傳輸、移動(dòng)通信、衛(wèi)星傳輸?shù)取?/p>

(二〉通信網(wǎng)絡(luò)與信息高速公路對(duì)于通信來(lái)講,通信網(wǎng)絡(luò)等基本設(shè)施的建設(shè)是極其重要的一環(huán)。通信網(wǎng)絡(luò)由主干網(wǎng)和接入網(wǎng)組成,主干網(wǎng)使用光纖、衛(wèi)星等光域通信技術(shù),接入網(wǎng)通過(guò)電話(huà)線(xiàn)或光纜與最終用戶(hù)相連。信息高速公路源于1993年美國(guó)克林頓政府提出的"國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施"計(jì)劃,又稱(chēng)"信息高速公路"計(jì)劃。

傳感技術(shù)傳感技術(shù)同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱(chēng)為信息技術(shù)的三大支柱。傳感技術(shù)是關(guān)于從自然信息源獲取信息，并對(duì)之進(jìn)行處理（變換）和識(shí)別的一門(mén)多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它涉及傳感器（又稱(chēng)換能器）、信息處理和識(shí)別的規(guī)劃設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制／建造、測(cè)試、應(yīng)用及評(píng)價(jià)改進(jìn)等活動(dòng)?？刂萍夹g(shù)

1.3.4信息技術(shù)主要支撐技術(shù)—微電子技術(shù)微電子技術(shù)是指設(shè)計(jì)、制造和使用微小型電子元器件和電路,實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能的新型技術(shù)。它是現(xiàn)代信息科技的基礎(chǔ),主要包括半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)等,核心和代表是集成電路技術(shù)。微電子技術(shù)是二十世紀(jì)下半葉才發(fā)展起來(lái)的。1947年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了第一支半導(dǎo)體晶體管。1958年,出現(xiàn)世界上第一塊集成電路。70年代從元件數(shù)小于1000個(gè)的中、小規(guī)模集成電路發(fā)展到1000以上的大規(guī)模集成電路,80年代以來(lái)又發(fā)展到10萬(wàn)個(gè)以上的超大規(guī)模集成電路,現(xiàn)正朝著上億個(gè)集成元件的特大集成電路發(fā)展。目前,微電子技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出"三微四最"的特征,"三微"指尺寸微米級(jí)、功耗微瓦級(jí)、速度毫微秒級(jí),"四最"指最佳方案、最潔凈環(huán)境、最低成本和最精細(xì)工藝。1.4計(jì)算與計(jì)算科學(xué)1.4.1探索計(jì)算之源計(jì)算：即符號(hào)串的變換從一個(gè)已知的符號(hào)串開(kāi)始，按一定的規(guī)則，一步步改變符號(hào)串，經(jīng)有限步驟之后得到一個(gè)滿(mǎn)足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)串，這種變換過(guò)程就是計(jì)算。如1+1變換成2，這就是一個(gè)計(jì)算。按這種定義，定理證明、文字翻譯等也都是計(jì)算。算法：求解某類(lèi)問(wèn)題的通用法則或方法，即符號(hào)串變換的規(guī)則。一個(gè)問(wèn)題是不是可計(jì)算的，與該問(wèn)題是不是具有相應(yīng)的算法是完全一致的。1.4.2計(jì)算模型與圖靈機(jī)

圖靈機(jī)計(jì)算模型控制器100001111111

圖靈機(jī)是一種抽象計(jì)算模型，用來(lái)精確定義可計(jì)算函數(shù)。圖靈機(jī)由一個(gè)控制器，一條可以無(wú)限延伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀寫(xiě)頭組成。這個(gè)概念如此簡(jiǎn)單的機(jī)器，理論上卻可以計(jì)算任何直觀可計(jì)算函數(shù)。圖靈在設(shè)計(jì)了上述模型后提出，凡可計(jì)算的函數(shù)都可用這樣的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是著名的圖靈論題。圖靈機(jī)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)提供了重要的依據(jù)：帶子——存儲(chǔ)設(shè)備命令——相當(dāng)于一組預(yù)先設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)好的程序控制器——決定讀寫(xiě)頭的每一步操作阿蘭·圖靈(AlanTuring)英國(guó)數(shù)學(xué)家，24歲時(shí)提出了圖靈機(jī)理論31歲參與了Colossus(二戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)破解德國(guó)通訊密碼的計(jì)算機(jī))的研制33歲時(shí)構(gòu)思了仿真系統(tǒng)35歲提出自動(dòng)程序設(shè)計(jì)概念38歲設(shè)計(jì)了“圖靈測(cè)試”后來(lái)還創(chuàng)造了一門(mén)新學(xué)科—非線(xiàn)性力學(xué)42歲去世返回目錄1.4.3計(jì)算思維計(jì)算思維就是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、劃分和仿真的方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的思維方法。周以真教授總結(jié)了計(jì)算思維的6大特征:（1）概念化,不是程序化;（2）根本的,不是刻板的技能;（3）是人的,不是計(jì)算機(jī)的思維方式;（4）數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)和融合;（5）是思想,不是人造物;（6）面向所有的人,所有地方。周以真教授認(rèn)為：計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。計(jì)算思維涉及運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為。1.4.4計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究領(lǐng)域計(jì)算學(xué)科的研究包括從算法與可計(jì)算性的研究到根據(jù)可計(jì)算硬件和軟件的實(shí)際實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的研究。計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究領(lǐng)域可以概括為以下七個(gè)方面：1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究2.程序設(shè)計(jì)科學(xué)與方法論的研究3.軟件工程基礎(chǔ)理論的研究4.人工智能與知識(shí)處理的研究5.網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)及各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的研究6.理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究7.計(jì)算機(jī)科學(xué)史的研究1.5計(jì)算機(jī)的信息表示與編碼

1.5.1信息在計(jì)算機(jī)中的表示計(jì)算機(jī)既可以處理數(shù)字信息和文字信息,也可以處理圖形、聲音、圖像等，但歸根結(jié)底，一切信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的表現(xiàn)形式，也就是說(shuō)，一切信息都以0和1兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行各種組合來(lái)表示。所以說(shuō)，二進(jìn)制是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的基本方式。計(jì)算機(jī)中為什么要用二進(jìn)制

計(jì)算機(jī)中的數(shù)為什么不用我們熟悉的十進(jìn)制表示，而要采用二進(jìn)制呢？這是因?yàn)閿?shù)在計(jì)算機(jī)中是以電子器件的物理狀態(tài)來(lái)表示的，采用二進(jìn)制數(shù)便于物理元件的實(shí)現(xiàn)；可以用這兩個(gè)代碼表示任何數(shù)，運(yùn)算簡(jiǎn)單；二進(jìn)制數(shù)使用器材少，節(jié)省存儲(chǔ)空間；便于實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，易于求補(bǔ)碼，因此，計(jì)算機(jī)中的數(shù)通常采用二進(jìn)制（"0"和"1"）表示。位的概念

數(shù)據(jù)的最小單位是二進(jìn)制數(shù)的一位數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)位（bit，比特）。一個(gè)位只能表示兩種狀態(tài)：0和1。位是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最小單位。字節(jié)的概念通常將8個(gè)比特位組成一個(gè)字節(jié)（byte，拜特），作為計(jì)算機(jī)容量的基本單位，例如存儲(chǔ)器的容量就是用字節(jié)來(lái)計(jì)算和表示的，Byte也可以簡(jiǎn)寫(xiě)為大寫(xiě)的英文字母“B”。1024個(gè)字節(jié)稱(chēng)為1KB，1024KB稱(chēng)為1MB，1024MB稱(chēng)為1GB，1024GB稱(chēng)為1TB。一般地，一個(gè)英文符可用一字節(jié)表示，一個(gè)漢字可用兩字節(jié)表示。字的概念數(shù)據(jù)的另一個(gè)單位是計(jì)算機(jī)的字（word），它是計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和處理的單位。計(jì)算機(jī)中常用“字長(zhǎng)”來(lái)表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，通常地說(shuō)，“字長(zhǎng)”就是“字”的長(zhǎng)度。1個(gè)“字”由若干個(gè)字節(jié)（8位二進(jìn)制為1字節(jié)）組成。字長(zhǎng)決定了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的效率，因此是衡量計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。1.5.2信息的編碼由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0和1兩個(gè)數(shù)字符號(hào)，但是輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是由字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)以及各種專(zhuān)用符號(hào)等組成的，因此必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。所謂字符編碼就是規(guī)定用怎樣的二進(jìn)制碼來(lái)表示字母、數(shù)字以及各種專(zhuān)用符號(hào)。由于這是一個(gè)涉及世界范圍內(nèi)有關(guān)信息表示、交換、處理、存儲(chǔ)的基本問(wèn)題，因此都以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布施行。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有兩種重要的字符編碼方式：EBCDIC和ASCII。前者主要用于IBM的大型主機(jī)，后者則用于小型機(jī)和微型機(jī)。下面我們就著重介紹ASCII編碼。ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)碼即美國(guó)信息交換碼，是計(jì)算機(jī)處理西文字符所采用的編碼，用7位二進(jìn)制表示一個(gè)字符。這樣從0000000到1111111共可表示128個(gè)符號(hào)，最高位為0.所表示的字符包括：0000000-0011111共32個(gè)字符為控制字符。0100000-0101111為特殊字符，如空格，！/等0110000-0111001為0-9十個(gè)數(shù)字1000001-1011010為A-Z;1100001-1111010為a-z;例如,字符!1Aa在計(jì)算機(jī)中用Ascii碼表示為：字符二十六十0000011177響鈴00001101D13回車(chē)！0010000121331001100013149A010000014165a011000016197中文信息編碼及標(biāo)準(zhǔn)漢字編碼即GB2312-80編碼，是計(jì)算機(jī)處理漢字采用的編碼，它規(guī)定每個(gè)漢字由兩個(gè)7位二進(jìn)制編碼表示，又稱(chēng)國(guó)標(biāo)碼或漢字交換碼，其收集漢字、圖形符號(hào)7455個(gè)，漢字占6763個(gè)（一級(jí)3755按拼音字母排列，二級(jí)3008按部首排列）。BIG5碼（又稱(chēng)大5碼）是針對(duì)繁體漢字的漢字編碼。中文信息編碼及標(biāo)準(zhǔn)

按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，漢字編碼有94行94列，行號(hào)稱(chēng)區(qū)號(hào)，列號(hào)稱(chēng)位號(hào)，區(qū)號(hào)與位號(hào)（十進(jìn)制）構(gòu)成了區(qū)位碼。如“啊”的區(qū)位碼為1601，而“春”的區(qū)位碼為2026國(guó)標(biāo)碼：又稱(chēng)交換碼，它是在不同的漢字處理系統(tǒng)之間進(jìn)行漢字交換時(shí)所使用的編碼。與區(qū)位碼的關(guān)系為：區(qū)位碼H＋2020H。漢字處理原理處理漢字時(shí)要進(jìn)行如下的代碼轉(zhuǎn)換：輸入碼→交換碼→內(nèi)部碼→字形碼。輸入碼：用來(lái)輸入漢字。有區(qū)位碼、拼音、五筆等；不同的方案有不同的輸入碼。交換碼：國(guó)標(biāo)碼。區(qū)位碼H＋2020H內(nèi)碼：用來(lái)存儲(chǔ)、處理漢字；一般用兩字節(jié)表示。每字節(jié)的最高位為1，以與ASCII碼區(qū)別。區(qū)位碼H＋A0A0H輸出碼：（屏幕顯示、打?。┯命c(diǎn)陣表示。輸入碼輸入漢字時(shí)所使用的編碼稱(chēng)謂輸入碼。亦稱(chēng)外碼。輸入碼的種類(lèi)很多，目前常用的有“全拼”、“智能ABC”、“微軟拼音”、“五筆字型”、“自然碼”、“區(qū)位碼”等。輸入碼舉例：漢字“漢”①拼音：“han”②五筆字型：“icy”內(nèi)碼內(nèi)碼是計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)漢字信息進(jìn)行各種加工、處理的代碼。一般用兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)漢字的內(nèi)碼，兩個(gè)字節(jié)最高位全取“1”。內(nèi)碼與區(qū)位碼的關(guān)系為：區(qū)位碼＋A0A0H,如:

啊

漢

區(qū)位碼10011A1A(十六進(jìn)制)國(guó)標(biāo)碼30213A3A(十六進(jìn)制)內(nèi)碼B0A1BABA(十六進(jìn)制)設(shè)字符串“A5啊漢”，在內(nèi)存中為：01000001A00110101510110000啊1010000110111010漢10111010輸出碼輸出碼即漢字字形碼，其表現(xiàn)形式有：（1）鉛字形式：適合打字機(jī)和印刷機(jī)（2）點(diǎn)陣形式：適合計(jì)算機(jī)的漢字處理輸出碼是一個(gè)用二進(jìn)制數(shù)表示的漢字點(diǎn)陣。一般地，英文字符用8×8以上的點(diǎn)陣顯示，漢字則至少需要16×16的點(diǎn)陣顯示。一般來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)漢字時(shí)使用的點(diǎn)陣數(shù)越高，漢字字形的質(zhì)量也越好。例：“漢”字的的16點(diǎn)陣輸出碼010000000000100000110111

1111110000010000000010001000001000001000011000100001000000100010001000000000100100010000000100010010000000100000101000001110000001000000001000001010000000100001000100000010001000001000001001000000111000001000000001000000000000000000十六進(jìn)制：400837FC10088208621022200910112020A0E04020A021102208240E08040000共32字節(jié)漢字庫(kù)：所有漢字，包括各種字體、字形的輸出碼組成一個(gè)漢字庫(kù)。一般，屏幕顯示用16X16點(diǎn)陣，而打印用24X24，或者是48X48點(diǎn)陣。顯示漢字時(shí)，首先要根據(jù)該漢字的機(jī)內(nèi)碼計(jì)算出該漢字在漢字庫(kù)中的地址碼，再由地址碼、字模長(zhǎng)度計(jì)算出該漢字字模在字庫(kù)中的起始位稱(chēng)值，再將該字字模顯示到