第1章--信息、信息技术与计算科学-v2

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 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,1.1 探索信息的真谛,1.1 探索信息的真谛,1.1.1 什么是信息 不用领域不同角度对信息的定义不一致，因此信息没有定论。 信息论创始人，美国科学家C.E.Shannon（香农）创立了“狭义信息论”，认为信息是在通信的任何可逆的重新编码或翻译中那些保持不变的东西。 最早对信息进行定义的是哈特莱，控制论的创始人之一维纳。 数据：数字、文字、符号、声音、图像、信号等；经过处理的数据便成了信息。,1.1.2 从信息论到信息科学 香农提出

2、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科学。所以，人们又将其称为狭义信息论，或经典信息论。 信息论发展的第二个阶段是一般信息论。 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。 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,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。 广义信息论以各种系统、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、传输、储存、处理、控制和利用的一般规律。 1.1.3

3、 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。,1.1 探索信息的真谛,香农提出：信息的传播过程是“信源” 把要提供的信息经过“信道”传递给“信宿”，信宿接收这些经过“译码”的信息符号的过程。 信道是在物理线路上划分的逻辑通道。 1.1.4信息的度量 在香农确定信息量名称时，将热力学中的“熵”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。熵越大，表明系统越混乱无序。信息熵（平均信息量）表示事件不确定性大小的量，信息熵越大，说明不确定越大。,1.1 探索信息的真

4、谛,1.1 探索信息的真谛,信息熵定义公式（pi表示事件发生的概率）： H(X)= 当底数为2时，信息熵的计量单位为比特（bit）。,1.1.5 数据、消息、信号与信息的区别 1.数据 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。 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,图1- 4 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。 按照香农理论，在通信过

5、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)才能获取其中的信息的。,1.1 探索信息的真谛,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。 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。,1.1 探索信息的真谛,1.2 信息科学,信息科学是一门新兴的综合性学科。 研究对象：信息 研究内容：信息的运动规律和应用方法 研究工具：计算机等技术 目标：扩展人类的信息功能 基础和核心：信息和控制 40年代末，美国数学家香农创立信息论，为信息学科研究奠定了基础。 伴随学科的发展，不同年代信息科学研究的主

6、要课题也不同；目前研究课题主要集中在六个方面。,1.2 信息科学,1.2.2 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： (1)探讨信息的基本概念和本质。 (2)研究信息的数值度量方法。 (3)阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效(控制)等过程的一般规律。 (4)揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理。 (5)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。,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

7、学的基本科学体系分为三个层次（图1-5）： (1)信息科学的哲学层次； (2)信息科学的基础理论层次； (3)信息科学的技术应用层次； 信息科学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。,1.2 信息科学,图1- 5 信息科学体系的三个层次,1.3 信息技术,1.3 信息技术,人的信息器官,人的信息功能,感觉器官 传导神经网络 思维器官 效应器官,获取信息 传递信息 加工/记忆信息 施用信息,信息技术：扩展人的信息功能的技术,1.3 信息技术,人的信息器官,感觉器官 传导神经网络 思维器官 效

8、应器官,信息技术,感测技术：获取信息的技术 通信技术：传递信息的技术 计算机技术：处理信息的技术 控制技术：利用信息的技术,基础和核心,信息技术：扩展人的信息功能的技术,1.3 信息技术,信息技术的“四基元” 感测技术 通信技术 计算机和智能技术 控制技术 信息技术的核心技术 计算机与智能技术 通信技术 传感技术 控制技术 信息技术的主要支撑技术 微电子技术,1.3 信息技术,在人类社会发展历史上发生了五次信息技术革命。,1.4 计算与计算科学,1.4 计算与计算科学,1936年，阿兰图灵(Alan Mathison Turing)提出了一种抽象的计算模型 图灵机 (Turing Machin

9、e)。 图灵机为计算机的诞生提供了理论基础。图灵被称为计算机理论之父。,图灵机计算模型,不是具体的机器,一粒苹果引发的血案,1.4 计算与计算科学,图灵机是一种数学自动机器; 仅仅是理论模型; 是一种抽象计算模型; 不是真正的计算机。,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5.1 信息在计算机中的表示 1信息表示 在计算机内部都采用二进制数，只有两个数0和1 。 使用二进制的主要原因： （1）二进制数在物理上最容易实现。 （2）二进制数运算简单。 （3）二进制数的“ 0 ”和“ 1 ”正好与逻辑命题的两个值“否”和“是”或称“假”和“真”相对应，为计算机实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利的条件。,

10、1.5 计算机的信息表示与编码,2.数在计算机内的表示方法 （1）位（ bit ），简记为 b ，是计算机内部存储信息的最小单位。一个二进制位只能表示为0或1. （2）字节（ byte ），简记为 B ，是计算机内部存储信息的基本单位。一个字节由8个二进制位组成，即1B=8b。 （3）字（ word ），一个字通常由一个字节或若干个字节组成，是计算机进行信息处理时一次存取、加工和传送的数据长度。字是衡量计算机性能的一个重要指标，字长越长，计算机所能处理的信息实际位数就越多，运算精度就越高，最终变现为计算机的处理速度越快。常用字长8、16、32、64.,1.5 计算机的信息表示与编码,单位换算：

11、 1B=8b 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024M 1TB=1024GB,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5.2 信息的编码,1.5 计算机的信息表示与编码,编码：用按一定规则组合而成的若干位二进制码来表示数或字符 1数字编码 数字编码是指用若干位二进制代码来表示一位十进制数，常用的是BCD码。,1.5 计算机的信息表示与编码,2字符编码 计算机内部按照一定的规则表示西文或中文字符的二进制编码称为机内码。 ASCII 码：用1个字节的低7位表示西文字符集中的1个字母、数字符号、标点符号或特殊符号，这个字节的最高位为0，可以表示128个字符。 扩展的 ASCII 码：

12、8位ASCII 码称为扩展的ASCII码字符集。它可以表示256个字符，包括兼容的7位ASCII码。,使用最广泛的西文编码,1.5 计算机的信息表示与编码,同一个字母的ASCII码值小写字母比大写字母大32； 大小关系为：空格“0”“1”“9”“A”“B” “Z”“a”“b”“z”,计算：已知A的ASCII码为65，求E和 e 。,3. 汉字编码 （1）汉字输入码：用键盘输入汉字时所使用的汉字编码，也称为外码。它与汉字输入方式（输入法）有关，常见的有汉语拼音码、五笔字型码、智能ABC、国标区位码等数十种之多。 （2）汉字机内码：计算机内存储、表示汉字的二进制编码。目前我国主要采用GB2312-

13、80，称为国标码。每个国标码占2个字节，每个字节的最高位都是1。 （3）字形输出码点阵图形码：汉字在显示和打印时都是以点阵方式输出； 每一个二进制位bit代表一个点。一个M*N点阵的汉字所占的字节数为M*N/8 B，所有汉字点阵图形就组成了汉字库。,每一个二进制位bit代表一个点。一个M*N点阵的汉字所占的字节数为M*N/8 B，所有汉字点阵图形就组成了汉字库。,汉字输入码,汉字机内码,字形输出码,字库,存储输出码,4.信息时代的“书同文、字同码”Unicode Unicode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，让网络上的文本及软件

14、应用能被全球各地读懂。 用两个字节表示一个字符，因此允许表示 65536 个字符。 前 128 个 Unicode 字符是标准 ASCII 字符，接下来的是 128 个扩展的 ASCII 字符，其余的字符供不同的语言使用。,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5.3 数制的基及其表示 1.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(数基)的幂的和的想法。 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数的方法即数制。 在采用进位计数的数字系统中，如果只用r个数码，则称其为基r数制（Radix Num

15、ber System）或r进制。 不难定义八进制和十六进制，它们分别是“逢八进一”和“逢十六进一”，基数分别为8和16，各位的权分别是8和16的0，1，2，次幂。,1.5 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： 二进制：B（Binary），如(11101)B； 八进制：O(Octal),如(35)O； 十六进制：H(Hexadecimal), 如(1D)H。 2.不同进制间的转换 二进制与十进制的转换 首先来看十进制如何转换成二进制，如(29.625)D ，可以将整数部分和小数部分分别转换，然后再拼接起来就可以了。 二进制转换为十进制就简单得多了，整数部分直接按权展开即可，小数点后的权分别为2的-1、-2、-3、次幂。,1.5 计算机的信息表示与编码,二进制与十六进制的转换 二进制数转换为十六进制时，以小数点为中心向左右两边分组，每4位一组，每组可以转换为十六进制的1位，两头不足4位的补0即可。 八进制与二进制的对应关系如表1-3所示，不再赘述。,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5 计算机的信息表示与编码,1.5.4 计算机的逻辑运算与逻辑门电路,图1-16 常用逻辑门电路符号,1.逻辑或运算 或运算表示这