信息、信息科学与信息技术的PPT.ppt

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1、第1章 信息、信息技术与计算科学主要内容：1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛1.2 信息科学信息科学1.3 信息技术信息技术1.4 计算与计算科学计算与计算科学本章小结思考与练习1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛1.1.1 什么是信息什么是信息就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知识、见闻、通知、报告、事实、数据等等。知识、见闻、通知、报告、事实、数据等等。从不同角度对信息的理解：从不同角度对信息的理解：1.1.最早对信息进行科学定义的是哈特莱（最早对信息进行科学定义的是哈特莱（Ralph V.L.Ralph V.L.HartleyHartl

2、ey）。他认为，发信者所发出的信息，就是他在通信）。他认为，发信者所发出的信息，就是他在通信符号表中选择符号的具体方式，并主张用所选择的自由度符号表中选择符号的具体方式，并主张用所选择的自由度来度量信息。来度量信息。2.19482.1948年，信息论创始人，美国科学家香农年，信息论创始人，美国科学家香农(C.E.ShannonC.E.Shannon)从研究通信理论出发，第一次用数学方法定义从研究通信理论出发，第一次用数学方法定义“信息就是信息就是不确定性的消除量不确定性的消除量”。认为信息具有使不确定性减少的能。认为信息具有使不确定性减少的能力，信息量就是不确定性减少的程度。力，信息量就是不确

3、定性减少的程度。3.3.控制论创始人之一，美国科学家维纳控制论创始人之一，美国科学家维纳(N.WienerN.Wiener)指出指出“信信息就是信息，不是物质，也不是能量。息就是信息，不是物质，也不是能量。”维纳把人们与外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，试图界环境交换信息的过程看成是一种广义的通信过程，试图从信息自身具有的内容属性给信息定义。从信息自身具有的内容属性给信息定义。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛4.4.关于信息的定义，有人提出用变异量来度量，认为关于信息的定义，有人提出用变异量来度量，认为“信息信息就是差异就是差异”。他提出：。他提出：“信息是反映

4、事物的形式、关系和信息是反映事物的形式、关系和差别的东西。信息是包含于客体间的差别中，而不是在客差别的东西。信息是包含于客体间的差别中，而不是在客体本身中。体本身中。”5.5.信息是信息是“事物运动状态和方式，也就是事物内部结构和外事物运动状态和方式，也就是事物内部结构和外部联系的状态和方式部联系的状态和方式”。6.6.辞源辞源对信息定义为：对信息定义为：“信息就是收信者事先所不知道信息就是收信者事先所不知道的报导。的报导。”7.7.“信息是指对诸如事实、数据或观点之类的知识的传递或信息是指对诸如事实、数据或观点之类的知识的传递或描述，这些知识可以存在于任何媒体或形式之中，包括文描述，这些知识

5、可以存在于任何媒体或形式之中，包括文本形式、数字形式、图表形式、图形形式、叙述形式或视本形式、数字形式、图表形式、图形形式、叙述形式或视听形式。听形式。”1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛1.1.2 1.1.2 从信息论到信息科学从信息论到信息科学香农提出的信息论是关于通信技术的理论，它是以数学香农提出的信息论是关于通信技术的理论，它是以数学方法研究通信技术中关于信息的传输和变换规律的一门方法研究通信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，或经典信息科学。所以，人们又将其称为狭义信息论，或经典信息论。论。信息论发展的第二个阶段是一般信息论。信息论发展的第二个

6、阶段是一般信息论。这种信息论虽然主要还是研究通信问题，但是新增加了噪声理这种信息论虽然主要还是研究通信问题，但是新增加了噪声理论，信号的滤波、检测、信号的编码与译码、信号的调制与解论，信号的滤波、检测、信号的编码与译码、信号的调制与解调，以及信息的处理等问题调，以及信息的处理等问题。信息论发展的第三个阶段是广义信息论。信息论发展的第三个阶段是广义信息论。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛在对信息的研究中，仅考虑其形式的方面而不考虑其内在对信息的研究中，仅考虑其形式的方面而不考虑其内容和用途，即是狭义信息。容和用途，即是狭义信息。广义信息论以各种系统、各门科学中的信息为对象，广广义信息论以各种

7、系统、各门科学中的信息为对象，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的获取、计量、泛地研究信息的本质和特点，以及信息的获取、计量、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。1.1.3 香农对信息的定义香农对信息的定义香农认为：信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不香农认为：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。息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛香农提出：信息的

8、传播过程是香农提出：信息的传播过程是“信源信源”把要把要提供的信息经过提供的信息经过“信道信道”传递给传递给“信宿信宿”，信，信宿接收这些经过宿接收这些经过“译码译码”的信息符号的过程。的信息符号的过程。信道是在物理线路上划分的逻辑通道。信道是在物理线路上划分的逻辑通道。在香农确定信息量名称时，将热力学中的在香农确定信息量名称时，将热力学中的“熵熵”的概念应用到信息领域。一个系统的熵就是的概念应用到信息领域。一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。它的无组织程度的度量。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛1.1.4 信息的度量信息的度量不确定性的大小可以被直观地看成是事先猜测某随机事件是否不确定

9、性的大小可以被直观地看成是事先猜测某随机事件是否发生的可能程度。发生的可能程度。由于信息源发出的消息是随机的，可以用随机变量来表示。由于信息源发出的消息是随机的，可以用随机变量来表示。I(xI(x)只能表示信息源发出的某一特定消息只能表示信息源发出的某一特定消息x x的自信息量，而对的自信息量，而对于不同的消息则有不同的自信息量，所以于不同的消息则有不同的自信息量，所以I(xI(x)不足以作为整不足以作为整个信息源的总体信息测度，可以定义平均信息量来作为信息个信息源的总体信息测度，可以定义平均信息量来作为信息总体的测度，即信息熵。总体的测度，即信息熵。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛定义：

10、定义：信息熵是从整个信息源的统计特性来考虑的，它从平信息熵是从整个信息源的统计特性来考虑的，它从平均的意义上来表示信息源的总体信息测度，它表示信均的意义上来表示信息源的总体信息测度，它表示信息源息源X X在没有发出消息以前，信宿对信息源在没有发出消息以前，信宿对信息源X X存在着平存在着平均不确定性。均不确定性。随着信息概念的广泛应用，香农信息论的局限性逐渐随着信息概念的广泛应用，香农信息论的局限性逐渐暴露出来。主要是由于狭义信息论没有解决信息的语暴露出来。主要是由于狭义信息论没有解决信息的语义问题和有效性问题。义问题和有效性问题。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛1.1.5 数据、消息、信

11、号与信息的区别1.数据数据数据是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。数据是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。信息和数据的区别可以理解为：数据是未加工的信息，而信息和数据的区别可以理解为：数据是未加工的信息，而信息是数据经过加工以后的能为某个目的使用的数据，信信息是数据经过加工以后的能为某个目的使用的数据，信息是数据的内容或诠释。息是数据的内容或诠释。数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛图图1-4 数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系 2.消息信息

12、论的先驱哈特莱认为信息是包含在消息中的抽象量，消息信息论的先驱哈特莱认为信息是包含在消息中的抽象量，消息是具体的，其中蕴含着信息。是具体的，其中蕴含着信息。按照香农理论，在通信过程中，信息总是经过编码按照香农理论，在通信过程中，信息总是经过编码(符号化符号化)成成为消息以后，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，总是要经过译码后，总是要经过译码(解读解读)才能获取其中的信息的。才能获取其中的信息的。3.信号把消息变换成适合信道传输的物理量，这种物理量称为信号。把消息变换成适合信道传输的物理量，这种物理量称为信号。信号是数据的电磁或光

13、脉冲编码。信号可以分为模拟信号和数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。字信号。1.1 探索信息的真谛探索信息的真谛“科学科学”(Science)(Science)与与“技术技术”(Technology):(Technology):“科学科学”是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系的联系,是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系；是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系；“技术技术”则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法，泛则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法，泛指根据生产实践

14、经验和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法、技指根据生产实践经验和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法、技能和技巧。能和技巧。工程（工程（EngineeringEngineering）是指将科学原理应用到工农业等生产部门中）是指将科学原理应用到工农业等生产部门中去而形成的各门学科的总称。去而形成的各门学科的总称。1.2 信息科学1.2.1 信息科学的产生与定义信息科学的产生与定义信息和控制是信息科学的基础和核心。信息和控制是信息科学的基础和核心。2020世纪世纪6060年代中，由于出现复杂的工程大系统需要用计算机来年代中，由于出现复杂的工程大系统需要用计算机来控制生产过程，系统辨识成为重要研究

15、课题。控制生产过程，系统辨识成为重要研究课题。2020世纪世纪7070年代以来，电视、数据通信、遥感和生物医学工程的年代以来，电视、数据通信、遥感和生物医学工程的发展，向信息科学提出大量的研究课题。发展，向信息科学提出大量的研究课题。1.2 信息科学什么是信息科学？有着不同的定义：什么是信息科学？有着不同的定义：。定义。定义1 1：信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处：信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理、显示、识别和利用的科学，是一门结合了数学、物理、天文、理、显示、识别和利用的科学，是一门结合了数学、物理、天文、生物和人文等基础学科的新兴与综合性学科。生物

16、和人文等基础学科的新兴与综合性学科。定义定义2 2：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。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。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。1.2 信息科

17、学1.2.2 信息科学的研究内容与体系信息科学的研究内容与体系将信息科学研究的基本内容归纳为五个方面：将信息科学研究的基本内容归纳为五个方面：(1)(1)探讨信息的基本概念和本质。探讨信息的基本概念和本质。(2)(2)研究信息的数值度量方法。研究信息的数值度量方法。(3)(3)阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效表示、施效(控制控制)等过程的一般规律。等过程的一般规律。(4)(4)揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理。揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理。(5)(5)寻求通过加工信息来生成智能

18、的机制和途径。寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。信息科学的研究范围已经远远超出了香农的信息论的信息科学的研究范围已经远远超出了香农的信息论的领域而深入到了控制科学、系统科学、复杂性科学、领域而深入到了控制科学、系统科学、复杂性科学、人工智能理论、认知科学等领域。人工智能理论、认知科学等领域。1.2 信息科学从信息科学的研究内容来划分，我们可以将信息科学从信息科学的研究内容来划分，我们可以将信息科学的基本科学体系分为三个层次（图的基本科学体系分为三个层次（图1-51-5）：）：(1)(1)信息科学的哲学层次；信息科学的哲学层次；(2)(2)信息科学的基础理论层次；信息科学的基础理论层次；(

19、3)(3)信息科学的技术应用层次；信息科学的技术应用层次；信息科学信息科学以香农创立的信息论为理论基础，以现代科以香农创立的信息论为理论基础，以现代科学方法论作为主要研究方法、以研究信息及其运动规学方法论作为主要研究方法、以研究信息及其运动规律为主要内容、以扩展人的信息功能作为主要研究目律为主要内容、以扩展人的信息功能作为主要研究目标的一门科学。标的一门科学。1.2 信息科学图图1-5 信息科学体系的三个层次信息科学体系的三个层次1.3.1 1.3.1 信息技术的发展与定义信息技术的发展与定义人类社会已经发生过四次信息技术革命人类社会已经发生过四次信息技术革命。第一次革命是人类创造了语言和文字

20、，出现了文献。第一次革命是人类创造了语言和文字，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。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。人们对信息技术的定义，因其使用的目的、范围、层次不同人们对信息技术的定义，因其使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述：而有不同的表述：定义定义1 1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、

21、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。处理、检索、检测、分析和利用等的技术。1.3 信息技术定义定义2 2：现代信息技术：现代信息技术“以计算机技术、微电子技术和通信技术为以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征特征”。定义定义3 3：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、存储、变换、显示和传输文字、数值、图像以及声音信息，包括存储、变换、显示和传输文字、数值、图像以及声音信息，包括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。定义定义4 4：信息技术指：

22、信息技术指“应用在信息加工和处理中的科学，技术与工应用在信息加工和处理中的科学，技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方法和技巧的应用；计算机及其程的训练方法和管理技巧；上述方法和技巧的应用；计算机及其与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。定义定义5 5：信息技术包括信息传递过程中的各个方面，即信息的产生、：信息技术包括信息传递过程中的各个方面，即信息的产生、收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利收集、交换、存储、传输、显示、识别、提取、控制、加工和利用等技术。用等技术。1.3 信息技术定义定义6 6

23、：从技术的本质意义上讲，信息技术就是能够：从技术的本质意义上讲，信息技术就是能够扩展人的信息器官功能的一类技术。扩展人的信息器官功能的一类技术。1.3.2 1.3.2 扩展人类的信息器官功能的信息技术扩展人类的信息器官功能的信息技术1 1.人类的信息器官与功能人类的信息器官与功能人的信息器官主要包括以下四类（如图人的信息器官主要包括以下四类（如图1-61-6所示）：所示）：1.3 信息技术图图1-6 信息器官及其信息器官及其功能系统功能系统(1)(1)感觉器官。感觉器官。(2)(2)传导神经网络。传导神经网络。(3)(3)思维器官。思维器官。(4)(4)效应器官。效应器官。人类的这四类信息器官

24、和它们的信息功能是有机地人类的这四类信息器官和它们的信息功能是有机地联系在一起的。联系在一起的。2.2.信息技术的信息技术的“四基元四基元”(1)(1)感测技术感测技术感觉器官功能的延长。感觉器官功能的延长。(2)(2)通信技术通信技术传导神经网络功能的延长。传导神经网络功能的延长。(3)(3)计算机和智能技术计算机和智能技术思维器官功能的延长。思维器官功能的延长。(4)(4)控制技术控制技术效应器官功能的延长。效应器官功能的延长。信息技术四基元和谐有机地合作，共同完成扩展人的智力功能信息技术四基元和谐有机地合作，共同完成扩展人的智力功能的任务。的任务。1.3 信息技术由图由图1-71-7可见

25、，信息技术四基元及其功能系统完全与人可见，信息技术四基元及其功能系统完全与人的信息器官及其功能系统相对应。的信息器官及其功能系统相对应。图中也表明，通信技术和计算机与智能技术处在整个图中也表明，通信技术和计算机与智能技术处在整个信息技术的核心位置，感测技术和控制技术则是核心信息技术的核心位置，感测技术和控制技术则是核心与外部世界之间的接口。与外部世界之间的接口。1.3 信息技术图图1-7 信息技术四基元信息技术四基元及功能系统及功能系统1.3.3 信息技术的核心技术信息技术的核心技术1.计算机与智能技术计算机与智能技术计算机技术的进步，将使大量的体力劳动为观察活动所取代，危险和有计算机技术的进

26、步，将使大量的体力劳动为观察活动所取代，危险和有害健康的工作被淘汰，进而对就业结构产生重大影响。害健康的工作被淘汰，进而对就业结构产生重大影响。多媒体技术是多媒体技术是2020世纪世纪8080年代才兴起的一门技术，它把文字、数据、图形、年代才兴起的一门技术，它把文字、数据、图形、语音等信息通过计算机综合处理，使人们得到更完善、更直观的综合信语音等信息通过计算机综合处理，使人们得到更完善、更直观的综合信息。息。2.通信技术通信技术现代通信技术主要包括数字通信、卫星通信、微波通信、光纤现代通信技术主要包括数字通信、卫星通信、微波通信、光纤通信等。通信等。通信技术的迅速发展大大加快了信息传递的速度。

27、通信技术的迅速发展大大加快了信息传递的速度。1.3 信息技术人类在通信技术方面的发展取得了前所未有的成绩。人类在通信技术方面的发展取得了前所未有的成绩。计算机网络与通信技术是密不可分的。基于网络的工作模式已经成为计算机网络与通信技术是密不可分的。基于网络的工作模式已经成为未来社会所必需的一种工作模式。未来社会所必需的一种工作模式。3.3.传感技术传感技术传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理和识别的一门传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规

28、划设计、开发、制建造、测试、应用及评价改进等活动。的规划设计、开发、制建造、测试、应用及评价改进等活动。4.4.控制技术控制技术控制指施控主体对受控客体的一种能动作用，这种作用能够使得受控控制指施控主体对受控客体的一种能动作用，这种作用能够使得受控客体根据施控主体的预定目标而动作，并最终到达一目标。客体根据施控主体的预定目标而动作，并最终到达一目标。一个控制系统概念模型如图一个控制系统概念模型如图1-91-9所示。所示。1.3 信息技术计算机控制技术是计算机技术与控制理论、自动化计算机控制技术是计算机技术与控制理论、自动化技术相结合的产物。技术相结合的产物。计算机的应用促进了控制理论的发展。计

29、算机的应用促进了控制理论的发展。1.3 信息技术图图1-7 信息技术四基元信息技术四基元及功能系统及功能系统1.3.4 1.3.4 信息技术主要支撑技术信息技术主要支撑技术微电子技术微电子技术信息技术信息技术(特别是现代信息技术特别是现代信息技术)的支撑技术主要是指微电子技术和光的支撑技术主要是指微电子技术和光电子技术。电子技术。信息技术的发展必须具备两个基本的条件：一是快速，二是体积小。信息技术的发展必须具备两个基本的条件：一是快速，二是体积小。微电子技术满足了这两个要求。微电子技术满足了这两个要求。所谓微电子是相对所谓微电子是相对“强电强电”、“弱电弱电”等概念而言，指它处理的电子等概念而

30、言，指它处理的电子信号极其微小。它所研究的核心是集成电路或集成系统的设计和制造。信号极其微小。它所研究的核心是集成电路或集成系统的设计和制造。现代微电子技术已渗透到现代高科技的各个领域。现代微电子技术已渗透到现代高科技的各个领域。微电子已成为支持信息技术的核心技术。微电子已成为支持信息技术的核心技术。1.3 信息技术大规模集成电路指每一单晶硅片上可以集成制作数百万个以上的大规模集成电路指每一单晶硅片上可以集成制作数百万个以上的电子元器件。集成电路有专用电路和通用电路。计算机的换代就电子元器件。集成电路有专用电路和通用电路。计算机的换代就取决于这两项集成电路的集成规模。取决于这两项集成电路的集成

31、规模。SoCSoC可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器(执行信息获取功执行信息获取功能能)和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统集成芯片。集成芯片。光学与电子学的结合，成为光电子技术，为微电子技术的进一步光学与电子学的结合，成为光电子技术，为微电子技术的进一步发展找到了新的出路。发展找到了新的出路。1.3 信息技术1.4.1 1.4.1 探索计算之源探索计算之源人类文明的进化

32、历史，从某种意义上讲，最早是始于计算的。人类文明的进化历史，从某种意义上讲，最早是始于计算的。最早悟出万事万物背后都有数的法则在起作用的，是生活在最早悟出万事万物背后都有数的法则在起作用的，是生活在25002500年前的古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯（年前的古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯（PythagorasPythagoras，约，约公元前公元前572572前前501501）。）。很早以前我国的学者就认为：对于一个数学问题只有当确定了很早以前我国的学者就认为：对于一个数学问题只有当确定了其可用算盘解算它的规则时，这个问题才算可解，这就是古代中其可用算盘解算它的规则时，这个问题才算可解，这就是

33、古代中国的算法化思想。它蕴含着中国古代学者对计算的根本问题：即国的算法化思想。它蕴含着中国古代学者对计算的根本问题：即能行性问题的理解。能行性问题的理解。1.4 计算与计算科学从从2020世纪世纪3030年代开始，形成了一个专门的数学分支：递归论和年代开始，形成了一个专门的数学分支：递归论和可计算理论，并因此导致计算机科学的诞生。可计算理论，并因此导致计算机科学的诞生。计算就是符号串的变换。凡是可以从某些初始符号串开始在有计算就是符号串的变换。凡是可以从某些初始符号串开始在有限步骤内得到计算结果的函数都是一般递归函数。限步骤内得到计算结果的函数都是一般递归函数。计算科学是对描述和变换信息的算法

34、过程。能行问题贯穿在整计算科学是对描述和变换信息的算法过程。能行问题贯穿在整个学科包括硬件和软件在内的理论、方法、技术的研究，以及应个学科包括硬件和软件在内的理论、方法、技术的研究，以及应用各方向的研究与开发之中。用各方向的研究与开发之中。1.4 计算与计算科学“能行性能行性”这个计算学科的根本问题决定了计算机本身的结构这个计算学科的根本问题决定了计算机本身的结构和它处理的对象都是离散型的，甚至许多连续型的问题也必须在和它处理的对象都是离散型的，甚至许多连续型的问题也必须在转化为离散型问题以后才能被计算机处理。转化为离散型问题以后才能被计算机处理。1.4.2 1.4.2 计算模型与图灵机计算模

35、型与图灵机自动计算模型并不是指建立在数学描述基础上用来求解某一自动计算模型并不是指建立在数学描述基础上用来求解某一（类）问题计算机方法的数学模型，而是指具有状态转换特征，（类）问题计算机方法的数学模型，而是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、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。输出的数学机器。图灵提出了通用机的概念，这是一个描述计算步骤的数学模型。图灵提出了通用机的概念，这是一个描述计算步骤的数学模型。1.4 计算与计算科学图灵机是一种抽象计算模型（图图灵机是一种抽象计算模型（图1-111-11），用来精确定义可计

36、算），用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在函数。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。带子上左右移动的读写头组成。1.4 计算与计算科学图图1-11 图灵机计算模型图灵机计算模型带子：存贮设备带子：存贮设备命令：相当于一组预先设计、存贮好的程序命令：相当于一组预先设计、存贮好的程序控制器：决定读写头的每一步操作控制器：决定读写头的每一步操作图灵在设计了他的单带模型后提出：凡是可计算的函数都可以用图灵在设计了他的单带模型后提出：凡是可计算的函数都可以用一台图灵机来计算。一台图灵机来计算。理论研究指出，图灵机的计算能力概

37、括了数字计算机的计算能力。理论研究指出，图灵机的计算能力概括了数字计算机的计算能力。从图灵机与计算理论可知，实际上，一种抽象的计算机只需要很从图灵机与计算理论可知，实际上，一种抽象的计算机只需要很少几条基本运算指令就可以有强大的计算能力。少几条基本运算指令就可以有强大的计算能力。1.4 计算与计算科学图灵机包含了存贮程序的重要思想，为现代计算机的出现图灵机包含了存贮程序的重要思想，为现代计算机的出现提供了重要的依据提供了重要的依据：电子技术和程序技术只是计算科学的两种基本的技术形式。真电子技术和程序技术只是计算科学的两种基本的技术形式。真正构成计算科学基本的、核心的内容是围绕计算而展开的大量带

38、正构成计算科学基本的、核心的内容是围绕计算而展开的大量带有基础性的知识，而不是具体的实现技术。有基础性的知识，而不是具体的实现技术。图灵理论的意义在于，它深入细致地研究了计算机的能力和极图灵理论的意义在于，它深入细致地研究了计算机的能力和极限。限。1.4.3 计算思维计算思维计算思维就是通过约简、嵌入、划分和仿真的方法，把一个看计算思维就是通过约简、嵌入、划分和仿真的方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法。来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法。1.4 计算与计算科学周以真教授总结了计算思维的周以真教授总结了计算思维的6 6大特征大特征:（1

39、1）概念化）概念化,不是程序化不是程序化;（2 2）根本的）根本的,不是刻板的技能不是刻板的技能;（3 3）是人的）是人的,不是计算机的思维方式不是计算机的思维方式;（4 4）数学和工程思维的互补和融合）数学和工程思维的互补和融合;（5 5）是思想）是思想,不是人造物不是人造物;（6 6）面向所有的人）面向所有的人,所有地方。所有地方。周以真教授认为：计算思维是每个人的基本技能，不周以真教授认为：计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。仅仅属于计算机科学家。计算思维涉及运用计算机科学的基础概念去求解问题、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。设计

40、系统和理解人类的行为。1.4 计算与计算科学1.4.4 1.4.4 计算机科学的研究领域计算机科学的研究领域计算学科的研究包括从算法与可计算性的研究到根据计算学科的研究包括从算法与可计算性的研究到根据可计算硬件和软件的实际实现问题的研究。可计算硬件和软件的实际实现问题的研究。计算机科学的研究领域可以概括为以下七个方面：计算机科学的研究领域可以概括为以下七个方面：1.1.计算机系统结构的研究计算机系统结构的研究2.2.程序设计科学与方法论的研究程序设计科学与方法论的研究3.3.软件工程基础理论的研究软件工程基础理论的研究4.4.人工智能与知识处理的研究人工智能与知识处理的研究5.5.网络、数据库

41、及各种计算机辅助技术的研究网络、数据库及各种计算机辅助技术的研究6.6.理论计算机科学的研究理论计算机科学的研究7.7.计算机科学史的研究计算机科学史的研究1.4 计算与计算科学5.1.1 5.1.1 信息在计算机中的表示信息在计算机中的表示1.“0”1.“0”和和“1”1”的世界的世界计算机为什么采用二进制计算机为什么采用二进制维纳维纳(Norbert Wiener)(Norbert Wiener)，首先提出采用二进制编码形式，以解，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，确保计算机的可靠性、稳定性决数据在计算机中的表示问题，确保计算机的可靠性、稳定性及高速性。及高速性。

42、计算机采用二进制数的方式表示信息，主要原因有：计算机采用二进制数的方式表示信息，主要原因有：容易表示容易表示二进制的特点是每一位上只能出现数字二进制的特点是每一位上只能出现数字0 0或或1 1，逢，逢2 2就向高数就向高数位进位进1 1。一切有两种对立稳定状态的器件都可以表示二进制的一切有两种对立稳定状态的器件都可以表示二进制的“0”0”和和“1”1”。运算简单运算简单算术运算和逻辑运算是计算机的基本运算，采用二进制可算术运算和逻辑运算是计算机的基本运算，采用二进制可以简单方便地进行这两类运算。以简单方便地进行这两类运算。5.1 计算机的信息表示与编码2.数在计算机内的表示方法数在计算机内的表

43、示方法数在计算机内的表示，要涉及数的长度和符号如何确定、小数数在计算机内的表示，要涉及数的长度和符号如何确定、小数点如何表示等问题。点如何表示等问题。计算机内最常用的信息单位是字节计算机内最常用的信息单位是字节(byte(byte，字节也是计算机存，字节也是计算机存储容量的基本单位。储容量的基本单位。5.1 计算机的信息表示与编码图图 二进位设备（如开关）的二进位设备（如开关）的ON状态用状态用1来表示，来表示，OFF状态可用状态可用0来表示。多个二进位来表示。多个二进位设备的组合可产生设备的组合可产生1与与0的特殊次序和模式，能表示字母、数字、颜色和图形的特殊次序和模式，能表示字母、数字、颜

44、色和图形。5.1.2 5.1.2 信息的编码信息的编码所谓编码，是指采用约定的基本符号，按照一定的组合规则，表所谓编码，是指采用约定的基本符号，按照一定的组合规则，表示出复杂多样的信息，从而建立起信息与编码之间的对应关系。示出复杂多样的信息，从而建立起信息与编码之间的对应关系。一切信息编码都包括基本符号和组合规则这两大要素。一切信息编码都包括基本符号和组合规则这两大要素。5.1 计算机的信息表示与编码图图1-13 一个字节由一个字节由8个二进制位组成个二进制位组成ASCIIASCII码采用码采用7 7位二进制比特编码，可以表示位二进制比特编码，可以表示128128个字符。字符个字符。字符分为图

45、形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。控制字符用于数据通信收发双方动作的算符号、商用符号等。控制字符用于数据通信收发双方动作的协调与信息格式的表示。协调与信息格式的表示。5.1 计算机的信息表示与编码1.ASCII码码2.2.中文信息编码及标准中文信息编码及标准要在计算机中处理汉字，必须解决以下几个问题：首先是汉字的输入，其要在计算机中处理汉字，必须解决以下几个问题：首先是汉字的输入，其次，汉字在计算机内如何表示和存储？如何与西文兼容？最后，如何将汉次，汉字在计算机内如何表示和存储？如何与西文兼容？最后，如何将

46、汉字的处理结果输出。字的处理结果输出。处理汉字时要进行如下的代码转换：输入码处理汉字时要进行如下的代码转换：输入码交换码交换码内部码内部码字形码。字形码。内部码是汉字在计算机内的基本表示形式，是计算机对汉字进行识别、存内部码是汉字在计算机内的基本表示形式，是计算机对汉字进行识别、存储、处理和传输所用的编码。储、处理和传输所用的编码。GB 2312-80 GB 2312-80 规定，规定，“对任意一个图形字符都采用两个字节（对任意一个图形字符都采用两个字节（ByteByte）表示。）表示。每个字节均采用七位编码表示。两个字节中前面的字节为第一字节，后面每个字节均采用七位编码表示。两个字节中前面的

47、字节为第一字节，后面的字节为第二字节。的字节为第二字节。”BIG5BIG5码（又称大码（又称大5 5码）是针对繁体汉字的汉字编码。码）是针对繁体汉字的汉字编码。5.1 计算机的信息表示与编码5.1 计算机的信息表示与编码国家标准国家标准GB18030-2000GB18030-2000信息交换用汉字编码字符集基本集的信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充扩充是未来我国计算机系统必须遵循的基础性标准之一。是未来我国计算机系统必须遵循的基础性标准之一。3.3.信息时代的信息时代的“书同文、字同码书同文、字同码”UnicodeUnicodeUnicodeUnicode是是ISO10646ISO10646

48、的一种实现方式，或称为工业标准。的一种实现方式，或称为工业标准。UnicodeUnicode是一种标准的编码格式，其主要目的是希望将国际上是一种标准的编码格式，其主要目的是希望将国际上各主要文字的字符统一在一起，建立一种统一的编码系统，让各主要文字的字符统一在一起，建立一种统一的编码系统，让网络上的文本及软件应用能被全球各地读懂。网络上的文本及软件应用能被全球各地读懂。5.1 计算机的信息表示与编码5.1 计算机的信息表示与编码5.1.3 5.1.3 数制的基及其表示数制的基及其表示1 1.数制的基数制的基关于数基的概念，即把任何数表示为某一特定数字关于数基的概念，即把任何数表示为某一特定数字

49、(数基数基)的幂的幂的和的想法。的和的想法。莱布尼茨认为二进制是最简单、最有效的数系。莱布尼茨认为二进制是最简单、最有效的数系。二进制和我们在日常生活中使用的十进制是两种不同的进位计二进制和我们在日常生活中使用的十进制是两种不同的进位计数的方法即数制。数的方法即数制。在采用进位计数的数字系统中，如果只用在采用进位计数的数字系统中，如果只用r r个数码，则称其为个数码，则称其为基基r r数制（数制（Radix Number SystemRadix Number System）或）或r r进制。进制。不难定义八进制和十六进制，它们分别是不难定义八进制和十六进制，它们分别是“逢八进一逢八进一”和和“

50、逢逢十六进一十六进一”，基数分别为，基数分别为8 8和和1616，各位的权分别是，各位的权分别是8 8和和1616的的0 0，1 1，2 2，次幂。次幂。5.1 计算机的信息表示与编码各数制的数分别加不同的角标以示区别：各数制的数分别加不同的角标以示区别：二进制：二进制：B B（BinaryBinary），如），如(11101)(11101)B B；八进制：八进制：O(OctalO(Octal),),如如(35)(35)O O；十六进制：十六进制：H(HexadecimalH(Hexadecimal),),如如(1D)(1D)H H。2.2.不同进制间的转换不同进制间的转换二进制与十进制的转换