第一章 信息技术与计算机文化
1.1 信息与信息技术
1.1.1 信息与数据
所谓数据，是指存储在某种媒体上可以加以鉴别的符号资料。这里所说的符号，不仅指文字、字母、数字，还包括了图形、图像、音频与视频等多媒体数据。由于描述事物的属性必须借助于一定的符号，所以这些符号就是数据的形式。
信息是现代社会中广泛使用的一个概念，关于信息的定义众说纷纭 。
控制论创始人美国数学家维纳认为：信息是我们在适应外部世界、感知外部世界的过程中与外部世界交换的内容。
信息论创始人美国数学家香农认为：信息能够用来消除不确定性的因素。
一般认为：信息是在自然界、人类社会和人类思维活动中普遍存在的一切物质和事物的属性。 数据处理
数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。
数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。
信息与数据的区别与联系：
在一般用语中，信息与数据并没有严格的区分。但是，从信息科学的角度来看，它们是不等同的。数据是信息的具体表现形式，是信息的载体，而信息是对数据进行加工得到的结果，它可以影响到人们的行为、决策，或对客观事物的认知。
信息的符号化就是数据，所以数据是信息的具体表示形式，信息是数据抽象出来的逻辑意义。
1.1.2 前导题目
1. 我们通常所说的IT 就是指的信息技术。
2. 信息技术指的是计算机技术。
3. 信息化的发展既能促进社会的发展，也对社会的发展有负面影响 。
1.1.2 信息技术
信息技术是指自20世纪70年代以来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，围绕着信息的产生、收集、存储、处理、检索和传递，形成的一个全新的、用以开发和利用信息资源的高技术群，包括微电子技术、新型元器件技术、通信技术、计算机技术、各类软件及系统集成技术、光盘技术、传感技术、机器人技术和高清晰度电视技术等，其中以微电子技术、计算机技术、软件技术和通信技术为主导。
简单地讲，信息技术是指人们获取、存储、传递、处理、开发和利用信息资源的相关技术体系。
1.1.3 信息社会
信息社会也称信息化社会，是指以信息活动为社会发展的基本活动，以信息经济为主导经济，以信息技术为技术基础，以信息文化改变人类教育、生活和工作方式以及价值观念的新兴社会形态。
在信息社会里，信息作为继物质和能源之后的第三资源，在社会发展中起着主导作用，当今社会的主导产业将从传统工业转向信息产业和知识产业。
1.1.4 “计算机文化”的内涵
一、文化的定义
对于文化的定义，尽管众说纷纭，但有一点得到公认，即都认为文化是人类社会的特有现象。
所谓文化，是人类在物质和精神两方面具有整体性的创造力的表现，是人类对客观世界整体性把握的一种能力，也是人类进步的一种标志。
文化的核心是: 观念和价值
二、文化具有的基本属性
广泛性：既涉及全社会的每一个人、每一个家庭，又涉及全社会的每一个行业、每一个应用领域。
传递性：这种事物应当具有传递信息和交流思想的功能。
教育性：这种事物应能成为存储知识和获取知识的手段。
深刻性：不是给社会某一方面带来变革，而是给整个社会带来全面、深刻的根本性变革。
三、计算机文化
计算机文化的提法最早出现在20世纪80年代初，是在瑞士洛桑召开的第三届世界计算机教育大会上提出来的。
所谓计算机文化就是以计算机为核心，集网络文化、信息文化、多媒体文化为一体，并对社会生活和人类行为产生广泛、深远影响的新型文化。
计算机文化是人类文化发展的四个里程碑之一（前三个分别为：语言的产生、文字的使用与印刷术的发明）。
计算机文化的真正内涵是具有计算机信息处理能力。
1.2 计算机技术概述
1.2.1 前导题目（判断）
1）第一台电子计算机ENIAC 是1946年在美国研制的，该计算机采用了二进制和存储程序思想。
2）伴随着第一台电子计算机ENIAC 的诞生，出现了世界上最早的操作系统。
3）世界上第一台计算机和第一个计算机网络的出现，都是基于军事发展的需要。
4）第一台电子计算机ENIAC 体积庞大，主要的电子元件是电子管。
5）布尔最先提出了通用数字计算机的基本设计思想
1.2.1.1 计算机的起源
1. 早期的计算方法或工具：结绳、垒石、枝条 、算盘、计算尺、计算器。
2. 计算机诞生的理论基础：1854年，英国数学家布尔（提出了符号逻辑的思想；19世纪中期，英国数学家巴贝奇（被称为“计算机之父”）提出了通用数字计算机的基本设计思想。
3. 埃尼克ENIAC ：第一台真正意义上的数字电子计算机，是Electronic Numerical Integrator And Calculator的缩写。它于1946年2月在美国的宾夕法尼亚大学正式投入研制成功并运行，ENIAC 共使用了约18 800个真空电子管，重达30吨，耗电174千瓦，占地约140平方米，用十进制计算，每秒运算5 000次加法。它没有今天的键盘、鼠标等设备，人们只能通过扳动庞大面板上的无数开关向计算机输入信息。ENIAC 的诞生奠定了电子计算机的发展基础，开辟了信息时代的新纪元，是人类第三次产业革命开始的标志。（参见下图）
有关第一台计算机
1. 产生年代、国家、名字
2. 主要元器件：电子管
3. 主要用途：科学计算
4. 没有采用二进制和存储程序，没有自己的操作系统
1.2.1.2 计算机的发展
1. 计算机的发展阶段划分的依据：计算机采用的元器件。
2. 划分为四个阶段。
3. 每个阶段的主要元器件是什么？
4. 与每个阶段对应的软件发展情况如何
1.2.2.1 计算机的特点
1）运算速度快: （2010年11月信息）“天河一号”超级计算机系统，以峰值速度４７００万亿次、持续速度２５６６万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一
2）存储容量大：计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。
3）通用性强：通用性是计算机能够应用于各种领域的基础，任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算和逻辑操作。
4）工作自动化：计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。
5）精确性高：计算机的可靠性很高，差错率极低，一般来讲只在那些人工介入的地方才有可能发生错误。
数字信号与模拟信号的波形
1. 计算机分类
2. 输入输出设备（A/D D/A）
3. 声卡功能
4. 调制解调器
1.2.3 计算机的应用
1. 科学计算
科学计算是指科学和工程中的数值计算。它与理论研究、科学实验一起成为当代科学研究的三种主要方法。主要应用在航天工程、气象、地震、核能技术、石油勘探和密码解译等涉及复杂数值计算的领域。
2. 信息管理（数据处理）
是指非数值形式的数据处理，是指以计算机技术为基础，对大量数据进行加工处理，形成有用的信息。被广泛应用于办公自动化、事务处理、情报检索、企业管理和知识系统等领域。信息管理是计算机应用最广泛的领
3. 过程控制
又称实时控制，指用计算机及时采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。目前已在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械和航天等部门得到广泛应用。
4. 计算机辅助系统
指通过人机对话，使计算机辅助人们进行设计、加工、计划和学习等工作。 如计算机辅助设计CAD 、计算机辅助制造CAM 、计算机辅助教育CBE 、计算机辅助教学CAI 、 计算机辅助教学管理CMI 。另外还有计算机辅助测试CA T 和计算机集成制造系统CIMS 等。
5. 人工智能
人工智能（AI ，Artificial Intelligence）是研究怎样让计算机做一些通常认为需要智能才能做的事情，又称机器智能，主要研究智能机器所执行的通常是人类智能的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计思考、规划、学习和问题求解等思维活动。
6. 计算机网络与通信
利用通讯技术，将不同地理位置的计算机互联，可以实现世界范围内的信息资源共享，并能交互式地交流信息。正所谓“一线联五洲”，Internet 的建立和应用使世界变成了一个“地球村”，同时深刻地改变了我们的生活、学习和工作方式。
1.2.4 计算机的发展趋势
1. 巨型化
指研制速度更快的、存储量更大的和功能更强大的巨型计算机。主要应用于天文、气象、地质和核技术、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域，研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。
2. 微型化
指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。
计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向，各种笔记本电脑和PDA 的大量面世和使用，是计算机微型化的一个标志。
3. 网格化
网格（Grid ）技术可以更好地管理网上的资源，它把整个互联网虚拟成一台空前强大的一体化信息系统，犹如一台巨型机，在这个动态变化的网络环境中，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，从而让用户从中享受可灵活控制的、智能的、协作式的信息服务，并获得前所未有的使用方便性和超强能力。
4. 智能化
计算机智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等等。目前已研制出多种具有人的部分智能的机器人，可以代替人在一些危险的工作岗位上工作。有人预测，家庭智能化的机器人将是继PC 机之后下一个家庭普及的信息化产品。
1.3 计算机中信息的表示
1.3.1 数制及其转换
一、基本概念
1. 进位计数制：用进位的方法进行计数的数制，简称进制 。
2. 数码：一组用来表示某种数制的符号。如：1、2、3、4、A 、B 、C 、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等。
3. 基数：数制所使用的数码个数。常用“R”表示，称R 进制。如二进制的数码是：0、1，那么基数便为2。
4. 位权：指数码在不同位置上的权值。在进位计数制中，处于不同数位的数码代表的数值不同。例如十进制数111，个位数上的1权值为100，十位数上的1权值为101，百位数上的1权值为102。以此推理，第n 位的权值便是10 n-1 ,如果是小数点后面第m 位，则其权值为10 –m 。
对于一般数制，某一整数位的位权是基数（位数-1），某一小数位的位权则是基数-位数 。
1.3.1 数制及其转换
二、常见的几种进位计数制
1. 十进制（Decimal ）：由0、1、2、…、8、9十个数码组成，即基数为10。特点为：逢十进一，借一当十。 用字母D 表示。
2 . 二进制（Binary ）：由0、1两个数码组成，即基数为2。二进制的特点为：逢二进一，借一当二。 用字母B 表示。
3. 八进制（Octal ）：由0、1、2、3、4、5、6、7八个数码组成，即基数为8。八进制的特点为：逢八进一，借一当八。 用字母O 表示。
4. 十六进制（Hexadecimal ）：由0、1、2、…、9、A 、B 、C 、D 、E 、F 十六个数码组成，即基数为16。十六进制的特点为：逢十六进一，借一当十六。 用字母H 表示。
1.3.1 数制及其转换
三、数制的转换
1. 二进制、八进制、十六进制数转化为十进制数
对于任何一个二进制数、八进制数、十六进制数，均可以先写出它的位权展开式，然后再按十进制进行计算即可将其转换为十进制数。
例如：
（1111.11）2= 1×23 + 1×22 + 1×21 + 1×20 + 1×2-1 + 1×2-2 = 15.75
（A10B.8）16= 10×163 + 1×162 + 0×161 + 11×160 + 8×16-1 = 41 227.5
注意：在不至于产生歧义时，可以不注明十进制数的进制，如上例。
2. 十进制数转化为二进制数
十进制数的整数部分和小数部分在转换时需作不同的计算，分别求值后再组合。
基本规则：
整数部分：除2取余，逆序排列
小数部分：乘2取整，顺序排列
整数部分采用除2取余法，即逐次除以2，直至商为0，得出的余数倒排，即为二进制各位的数码。小数部分采用乘2取整法，即逐次乘以2，从每次乘积的整数部分得到二进制数各位的数码。
3. 二进制数与八进制数的相互转换
（三位合一）
二进制数转换成八进制数的方法是：将二进制数从小数点开始，对二进制整数部分向左每3位分成一组，不足3位的向高位补0；对二进制小数部分向右每3位分成一组，不足3位的向低位补0凑成3位。每一组有3位二进制数，分别转换成八进制数码中的一个数字，全部连接起来即可。
将八进制数转换成二进制数，只要将每一位八进制数转换成相应的3位二进制数，依次连接起来即可。（一位拆三位）
4. 二进制数与十六进制数的相互转换
（四位合一）
二进制数转换成十六进制数，只要把每4位分成一组，再分别转换成十六进制数码中的一个数字，不足4位的分别向高位或低位补0凑成4位，全部连接起来即可。
十六进制数转换成二进制数，只要将每一位十六进制数转换成4位二进制数，然后依次连接起来即可。 （一位拆四位)
四、二进制的运算规则
1. 算术运算规则
加法规则：0 + 0 = 0； 0 + 1 = 1；
1 + 0 = 1； 1 + 1 = 10（向高位有进位）；
减法规则：0 - 0 = 0； 10- 1 = 1 （向高位借位）；
1 - 0 = 1； 1 - 1 = 0;
乘法规则：0×0 = 0； 0×1 = 0；
1×0 = 0； 1×1 = 1
除法规则：0 / 1 = 0； 1 / 1 = 1
2. 逻辑运算规则
与运算（AND ）：0∧0 = 0； 0∧1 = 0；
1∧0 = 0； 1∧1 = 1;
或运算（OR ）： 0∨0 = 0； 0∨1 = 1；
1∨0 = 1； 1∨1 = 1;
异或运算（XOR ）：0⊕0=0； 0⊕1=1；
1⊕0=1； 1⊕1=0;
1.3.2 信息的编码
1. 计算机中数据的单位
1）位（bit ）
简记为b ，也称为比特，是计算机存储数据的最小单位。一个二进制位只能表示0或1。 如bps
2）字节（Byte ）
字节来自英文Byte ，简记为B 。规定1B=8bit。
1 KB = 210 B=1024B 1 MB = 220 B=1024KB 1 GB = 230 B=1024MB 1 TB = 240 B =1024GB
3）字（Word ）
计算机处理数据时，CPU 通过数据总线一次存取、加工和传送的数据称为字。一个字通常由一个字节或若干个字节组成。字长是计算机一次所能处理的实际位数长度，字长是衡量计算性能的一个重要指标。不同微处理器的字长是不同的
2. 数值的表示
通常规定一个数的最高位作为符号位，“0”表示正，“1”表示负。 把在机器内存放的正负号数码化后的数称为机器数；把在机器外存放的由正负号表示的数称作真值。例如真值+127的机器数是01111111，真值-127的机器数是11111111。
为了在计算机的输入输出操作中能直观迅速地与常用的十进制数相对应，习惯上用二进制代码表示十进制数，这种编码方法简称BCD 码或8421编码。例如，对于(239)10的编码如下：
3. 文字信息的表示
1）字符编码：
目前采用的字符编码主要是ASCII 码，它是American Standard Code for Information Interchange 的缩写（美国标准信息交换代码），已被国际标准化组织ISO 采纳，作为国际通用的信息交换标准代码。ASCII 码是一种西文机内码，有7位ASCII 码和8位ASCII 码两种，7位ASCII 码称为标准ASCII 码，8位ASCII 码称为扩展ASCII 码。7位标准ASCII 码用一个字节（8位）表示一个字符，并规定其最高位为0，实际只用到7位，因此可表示128
A. 汉字交换码：由于汉字数量极多，一般用连续的两个字节（16个二进制位）来表示一个汉字。1980年，我国颁布了第一个汉字编码字符集标准，即GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》，该标准编码简称国标码，是我国大陆地区及新加坡等海外华语区通用的汉字交换码。GB2312-80收录了6763个汉字，以及682符号，共7445个字符，奠定了中文信息处理的基础。汉字中一级汉字（常用汉字）3755个，二级汉字（非常用汉字)3008个 区位码
区位码共分94个区，用01～94表示。每个区分成94位，也用01～94表示。一个汉字或字符用二位区码跟二位位码表示，即区位码是四位码，当区码或位码是1～9时，应用01～09表示。一个区位码只对应一个汉字或字符，是无重码的
1、国标GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》
2、国标GB13000.1-1993（等同于国际标准 ISO/IEC 10646.1-1993）《 通用多八位编码字符集（UCS ） 第一部分：体系结构与基本多文种平面》：又称大字符集字库GBK ，是《GB2312-80》、《GB12345-90》、《BIG5》等字符集标准的超集，一共收录了中、日、韩20902个汉字。
3、国标GB18030-2000《信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充》是未来我国计算机系统必须遵循的基础性标准之一，收录了27564个汉字。
区位码、国标码、机内码
汉字信息的编码知识
1、区位码：GB2312-80字符集，组成一个94*94的矩阵。每一行称为一个“区”，每一列称
为一个“位”。一个汉字的区号和位号合在一起构成“区位码”， 区位码的编码范围是：0101～9494。
2、国标码：国标码=（区位码的十六进制表示）+2020H，国标码的取值范围：2121H ～7E7EH 。
3、机内码：中文或西文信息在计算机系统中的代码表示称为机内码。ASCII 码是一种西文机内码，用一个字节表示。汉字机内码用连续两个字节表示，每个字节的最高位是1。 机内码 = 国标码+8080H =（区位码的十六进制表示）+A0A0H。
GB2312-80的机内码编码范围为：A1A1H ～FEFEH 。
B. 汉字输入码：
将汉字通过键盘输入到计算机采用的代码称为汉字输入码，也称为汉字外部码（外码）。汉字输入码的编码原则应该易于接受、学习、记忆和掌握，码长尽可能短。
汉字输入码
目前我国的汉字输入码编码方案已有上千种，但是在计算机上常用的有几种，根据编码规则，这些汉字输入码可分为流水码、音码、形码和音形结合码四种。全拼输入法、智能ABC 和微软拼音等汉字输入法为音码，五笔字型为形码。音码重码多、输入速度慢；形码重码较少，输入速度较快，但是学习和掌握较困难。目前以智能ABC 、微软拼音、紫光拼音输入法和搜狗
C. 汉字字形码：
所谓汉字字形码实际上就是用来将汉字显示到屏幕上或打印到纸上所需要的图形数据。 汉字字形码记录汉字的外形，是汉字的输出形式。记录汉字字形通常有两种方法：点阵法和矢量法，分别对应两种字形编码：点阵码和矢量码。所有的不同字体、字号的汉字字形构成汉字库。
输入法等音码输入法为主流汉字输入方法。
点阵码
点阵码是一种用点阵表示汉字字形的编码，它把汉字按字形排列成点阵。
一个16×16点阵的汉字要占用32个字节，一个32×32点阵的汉字则要占用128字节，而且点阵码缩放困难且容易失真。
矢量码
矢量表示法的汉字字形通过坐标的平移，缩放和旋转等方法可以获得高质量的，美观的字形效果，还可以通过不同的算法对汉字矢量进行左右倾斜、弯曲、对称和投影等变换，获得变化无穷的艺术汉字效果。
但是因为组成每个汉字的笔画数不同，不同汉字抽取的特征也有很大的差别，所以每个汉字字形在矢量汉字库中所占的大小不一样，从矢量汉字库中读取汉字字形信息要比从点阵汉字库中读取汉字形信息复杂得多。
D. 汉字机内码：
机内码是计算机内处理汉字信息时所用的汉字代码。在汉字信息系统内部，对汉字信息的采集、传输、存储、加工运算的各个过程都要用到机内码。机内码是真正的计算机内部用来存储和处理汉字信息的代码
汉字机内码
国标码GB2312不能直接在计算机中使用，以为它没有考虑与基本的信息交换代码ASCII 码的冲突。比如：“大”的国标码是3473H ，与字符组合“4S”的ASCII 相同,“嘉,”的汉字编码为3C4EH, 与码值为3CH 和4EH 的两个ASCII 字符“
汉字处理过程示意图
1.4 计算机系统
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
1.4.1 计算机硬件系统
冯·诺依曼（Von Neumann）提出的存储程序工作原理决定了计算机硬件系统由以下五个基本部分组成。
硬件指的是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求，构成一个有机整体，称为计算机硬件系统。 未配置任何软件的计算机叫裸机，它是计算机完成工作的物质基础。
1. 输入设备：主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU 调用和处理。常用的输入设备有：鼠标器、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机、A/D转换器等
2. 运算器：主要部件是ALU ，负责对信息进行加工和运算（算术运算和逻辑运算），它的速度决定了计算机的运算速度。参加运算的数（称为操作数）由控制器指示从存储器或寄存器中取出到运算器中。
3. 控制器：是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。控制器从内存储器中顺序取出指令，并对指令代码进行翻译，然后向各个部件发出相应的命令，完成指令规定的操作。它一方面向各个部件发出执行指令的命令，另一方面又接收执行部件向控制器发回的有关指令执行情况的反馈信息，控制器根据这些信息来决定下一步发出哪些操作命令。这样逐一执行一系列的指令，就使计算机能够按照这一系列的指令组成的程序的要求自动完成各项任务。因此，控制器是指挥和控制计算机各个部件进行工作的“神经中枢”。通常把控制器和运算器合称为中央处理器（CPU ，Central Processing Unit）。它是计算机的核心部件
4. 存储器: 是具有“记忆”功能的设备，由具有两种稳定状态的物理器件（也称为记忆元件）来存储信息。存储器是具有“记忆”功能的设备，由具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。
存储器是由成千上万个“存储单元”构成的，每个存储单元存放一定位数（微机上为8位）的二进制数，每个存储单元都有唯一的地址。“存储单元”是基本的存储单位，不同的存储单元是用不同的地址来区分的。计算机采用按地址访问的方式到存储器中存数据和取数据，计算机中的程序在执行的过程中，每当需要访问数据时，就向存储器送去指定位置的地址，同时发出一个“存”命令或者“取”命令（伴以待存放的数据）。