第 1 章信息与计算机

第1章信息与计算机

本章要点 ★ 什么是信息？ ★ 信息分为哪几类？ ★ 什么是信息技术，计算机在信息社会中的作用是什么？ ★计算机有着怎样的发展过程？ ★计算机有哪些特点和用途？

目录 • 1.1 信息与信息分类 • 1.2 信息技术 • 1.3 信息社会 • 1.4 信息处理的主要工具——计算机

1.1 信息与信息分类 • 数据和信息是有着密切的关系 • 信息来源于数据

1.1.1 数据与信息 • 数据 • 数据是一组表示数量、行为和目标的非随机的可鉴别的符号，是现实世界客观存在的实体或事物的属性值。 • 数据一般是未被加工、处理过的，因而往往称之为原始数据。 • 从产生和采集来看，数据具有离散性、变化性和规律性。

1.1.1 数据与信息 • 信息 • 信息是描述客观事物运动状态及运动方式的数据 • 科学上所说的信息应该是从原始的、含糊不清的概念中加以概括、提炼、提高和开拓后得到的。 • 对信息的定义有很多，一般只是在某一方面对其的理解 • 控制论的创始人维纳从控制论的角度出发描述信息 • 信息论创始人仙农认为，信息是用以消除不确定性的东西 • 美国《书伯斯特词典》的解释：信息是知识和情报的通信和接受，是通过调查、研究或要求而得到的知识，是情报、消息、新闻、事实和数据等。 • 不同的解释从不同的侧面、不同的层次揭示了信息的特征与性质，但同时也都存在着这样或那样的局限性。 • 人类社会中，语言、文字、书刊、报纸、文章、信件、广告等都是信息的表达形式。

智慧知识信息数据 1.1.1 数据与信息 • 数据和信息的关系 • 数据是原料，信息是产品。只有使用了正确、可靠的数据，才能提炼出有用的信息。 • 联合国教科文组织把信息化社会的知识结构描述为多层次的金字塔结构： • 数据→信息→知识→智慧。 • 数据和信息是知识的源泉 • 智慧是指经过客观现实验证而得到充实的知识

1.1.2 信息论及其创始人 • 信息论是研究控制广义通信系统设计的数学规律的理论 • 信息论的主要任务是： • 研究通信系统的有效性和可靠性， • 通信的本质就是信息的传输。 • 信息论是现代通信理论的基础 • 信息论在计算技术、自动控制等方面得到了广泛的应用。 • 信息论主要包括的内容是： • 信息的度量、信源（待传输的消息，这些消息是信息的载体）编码、信息传输、纠错编码、信息率——失真理论、检测与估计和保密学等。

1.1.2 信息论及其创始人 • 信息论是在20世纪中叶从电信技术中总结和发展起来的理论，美国数学家仙农是信息论的创始人。 • 仙农（香农），1916年出生于美国，他研究了继电器和开关的关系，证明了布尔逻辑代数和开关电路具有等同性，并在相关文章中首次使用了比特（bit）的概念。 • 1948年仙农撰写的论文《通信的数学理论》为信息论的创立奠定了基础 • 论文中明确了信息量的定量表示方法，即信息以二进制符号表示，比特是信息的最小单位，从概率论表示信息的不足程度而采用了“熵”的概念。引出的一系列有关信息量的定义，在通信编码中起着重要的作用。 • 仙农熵反应了一个随机试验的不肯定性，它是关于发生概率的函数，它的形式与热力学中的熵十分相似，因此称它为仙农熵。

1.1.2 信息论及其创始人 • 仙农指出，符号信息的最大传送能力取决于传输线路的频带宽度和噪声程度。 • 根据在信息论研究中总结出的信道容量公式称为仙农公式： C = W×Log2(1+S/N) • 其中： • C表示信息的传输速率 • 表示有用信号功率 • W表示频带宽度 • N表示噪声功率 • 从公式中可以看出，要提高信息的传输速率C，可以采用两种途径： • 加大带宽W • 提高信噪比S/N

1.1.3 信息的基本属性 • 事实性 • 信息应以事实为依据，能真实反映客观现实的信息是真实信息。对真实信息的处理才有可能产生正确的结果。 • 等级性 • 信息的等级，反映了信息的安全层次和安全级别。 • 滞后性 • 由于信息是加工后的数据，而数据的采集和处理需要一定的时间，因此信息相对于事实有一段时间的延迟。 • 时效性 • 即信息的新旧程度。在某一时刻得到的信息（例如股市情），将可以随着时间的推移，失去原有的价值。

1.1.3 信息的基本属性 • 可压缩性 • 可以抽取关键内容，进行合理、科学的压缩，压缩应以不丢失信息原有的含义为度。压缩使信息更精炼。 • 扩散性 • 这是信息区别于物质交换的一个特性。信息可以通过各种渠道无限扩散，信息不会因为得知的人数增加而减少。 • 但扩散性存在着两面性，既有利于知识的传播，又可能会出现非法扩散 • 传输性 • 传输性表现在信息可以在时间上或空间中从一点传递到另一点，可以通过口头、信件、报纸、广播、电视、电报、电话、网络等传输。

1.1.3 信息的基本属性 • 分享性 • 信息可以被分享，如网络、电视上的信息可以多人分享 • 转换性 • 信息可以被转换。转换的主要条件是信息必须被人们有效地利用，从而创造更多的物质财富和能量。 • 保密性 • 保密性是指根据信息的价值来确定保密的级别和程度。如：军事机密信息、商业机密信息、银行金融信息等 • 增值性 • 合理地使用信息，或对信息的再次加工，可以使信息增值。

1.1.4 信息的分类 信息有多种不同的分类方法，下面列举几种： • 按信息生成领域分类 • 宇宙信息 • 地球自然信息 • 人类社会信息 • 按信息的地位分类 • 客观信息和主观信息 • 按信息的应用部门分类 • 工业信息、农业信息、军事信息、医学信息、政治信息、科技信息、经济信息和管理信息等 • 按携带信息的信号形式分类 • 连续信息、离散信息等

1.1.5 信息的表示和传输形式 • 信息的表现形式各种文字、图像、图形、声音等是信息的表现形式，也是计算机处理、存储的对象。 1．数字：指用数表示的信息，如商场销售统计数据 2．文本：指各种文字性信息，如书刊 3．图表：表示各种情况和注有各种数字的图和表的总称。如股市行情分析图。 4．语音：指语言的声音，如来自于广播的信息。 5．图形：一般是指图绘形象，它描画出物体的轮廓、形状或外部的界限，如几何图形。 6．图像：一般是指绘制、摄制或印制的形象，如照片 7．视频：指电视、摄像等的画面，是一些可以感觉到相对时间、位置、方向和速度的活动的影像。

1.1.5 信息的表示和传输形式 • 信息传输形式按携带信息的信号形式可以将信息分为连续信息和离散信息。信号是携带信息的形式，通过它们能传达消息或信息、情报、声音和图像等。信号在信道中进行传送。所谓信道是指传送信息的物理通道。按照信道中传送的不同信号的形式，将信号分为模拟信号和数字信号。传送信号的通信系统的一般由发送端、信道和接收端构成，其基本模型如图。信息传输系统的一般模型

1.1.5 信息的表示和传输形式 • 模拟信号 • 是指信号的波高（幅度）和频率（即每秒的波数）在时间上是连续变化的信号。它是有关时间的连续函数 • 如电视、广播、雷达信号，基本形式如图所示。 • 模拟信号在模拟信道上传输，可通过电流和电压等的变化进行传输。 • 数字信号 • 数字信号的幅值也被限定为某些离散值 • 文本、语音、图形、图像、视频等信息都可以转变成数字信号，以便于计算机等数字化设备进行信息处理。

1.1.5 信息的表示和传输形式 数字信号，可由二进制数码（第2章介绍）0和1组合而成，而计算机内所有的数据就是用0和1来表示的。 • 数字传输与模拟传输相比，有以下优点： • 数字信号可以再生，能消除传输过程中引入干扰的积累； • 建立的费用更低 • 便于使用现代计算机技术对信号进行处理、存储和变换，从而提高了信息传输的灵活性 • 能提供高速通信 • ……

1.2 信息技术 信息技术以极快的速度渗透到人类社会的每一个角落人们的衣食住行、工作生活和学习，卫星、飞船的发射，都与计算机技术、通讯技术、控制技术等有着千丝万缕的联系。

1.2.1 信息技术的概念 • 信息学是关于信息的本质和传输规律的学科 • 信息技术（information technology，IT）可以理解为与信息处理有关的一切技术，或者说依据信息科学的原理和方法来实现信息处理的技术。这里的信息处理指对信息的： • 收集、识别、提取、变换、 • 存贮、传递、处理、检索、 • 检测、分析、利用等 • 利用信息技术可以使人们更方便地获取信息、存储信息、再生信息、利用信息，同时更好地为社会服务。

器官名称 器官功能功能扩展技术感觉器官获取信息感测技术神经网络传输信息通信技术思维器官存储、加工并再生信息信息处理技术/计算机技术执行器官施用信息控制技术 1.2.1 信息技术的概念 • 信息技术是可以扩展人的信息功能的技术 • 信息技术包括了延伸人们获取、传输、存储和使用信息的功能。 • 人类信息器官的功能和对应的功能扩展技术如表：

1.2.1 信息技术的概念 • 就信息技术的主体而言，最重要的部分是以微电子技术为基础的“计算机”、“通信”和“控制”技术， • 有人认为信息技术(IT，Information Technology)简单地说就是3C • Computer（计算机） • Communication （通信） • Control（控制）

1.2.2 信息技术的产生与发展 • “科学”是指对发现、积累并公认的普遍真理或普遍定理的运用，是已经系统化和公式化了的知识。 • “技术” 是在劳动生产方面或其他操作方面的经验、知识和技巧，是人们扩展各种器官功能的具体方法和手段。 • 科学技术的产生和发展源于人类社会实践活动的实际需要。 • 信息技术的产生和发展也是如此。 • 社会的信息化促进了信息技术的迅速发展。

1.2.2 信息技术的产生与发展 • 信息技术的发展历史人类处理信息的历史大致分为4个阶段。 • 原始阶段 • 最初人们通过语言来传播知识和信息。 • 后来出现绳结语、画图或刻画标记、算筹等方法和工具来记事和计算，开始扩展自己的信息器官。 • 手工阶段 • 文字的出现和使用扩展了人们大脑的功能，并使信息长久保留 • 造纸术和印刷术等的出现，对信息的传播和继承产生了很大作用。 • 机电阶段 • 1776年第一台瓦特蒸汽机的投产使用，开始了以蒸汽技术为动力、以机器制造业为龙头的工业化运动。 • 随后出现了机械式计算机、无线电报的传送、有线电话、雷达等，这些技术与设备使人类处理信息的能力有了进一步提高。 • 现代阶段 • 指近几十年来迅速发展并普及的一系列技术 • 其核心是计算机技术、现代通信技术和控制技术。

1.2.2 信息技术的产生与发展 • 信息技术发展趋势 • 信息技术的发展在一定程度上就是计算机技术和网络技术的发展。 • 摩尔定律和曼卡夫定律为计算机和网络的快速发展提供了依据。 • 摩尔定律：Intel公司创始人摩尔于1965年提出，后来表达为： • 根据这个定律，每18个月（即1.5年）集成电路器件数翻一番。 • 曼卡夫定律：以太网发明者Metcalfe于20世纪90年代初提出的，其表达式为：网络价值≈N(N-1)/2，N为用户数。 • 任何通信网络的价值是以网络内用户数的平方增长。

1.2.2 信息技术的产生与发展 下面几方面信息技术应用，展示了信息技术广阔的前景。 • 电子商务 • 远程教育 • 远程医疗 • 虚拟现实技术 • 计算机辅助技术 • 统称为CAX，包括了CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）和CAPP（计算机辅助工艺设计）等内容。 • 嵌入式系统 • 网格与集群 • 数据挖掘 • ……

1.2.2 信息技术的产生与发展 要实现并加强信息技术的应用，对信息技术的发展有更进一步的要求，基本趋势是：1．超级计算机 • 高速计算机始终是计算机技术追求的主要目标 • 速度大幅度地提高 • 另外网格和集群技术也是推进了超级计算机发展 • 存储容量也将越来越大，性能越来越好。 2．网络技术 • 电话网、有线电视网、计算机网（主要指Internet）“三网合一” • 网络朝着更大、更快、更好、更安全、更方便、更多业务的方向发展。 3．数字化技术 • 数字化产品也有利于与计算机或计算机网络结合 • 如数码相机、数码摄像机、数字电视等已经产生。 • 将来会有更多的数字化产品诞生。

1.2.2 信息技术的产生与发展 4．软件技术 • 软件技术是一种提高能力的技术 • 大量的软件将被开发成构件形式，可以像工业产品一样随意组装，异构数据库之间可以互联互访。 • 利用软件技术可以开拓新软件、新应用。 5．半导体、集成电路等技术 • 按摩尔定律，集成电路芯片的速度和集成密度还在不断提高。 • 如分子芯片、生物芯片、纳米技术和其它新技术正在不断涌现

1.2.3 信息技术的主要领域 • 微电子技术 • 是基于半导体材料采用微米级甚至纳米级加工工艺制造微小型化电子元器件和微型化电路的技术，通过它将人类的智慧与创造固化在一块小小的硅芯片上。 • 微电子技术发展已进入系统集成芯片的时代，将整个应用电子系统集成在一个芯片中的片上系统（System on Chip，SOC），已成为现代电子系统设计的趋势。 • 感测技术 • 主要是指传感技术和测量技术。 • 可以大大扩展人们获得信息的能力，使人类更好地从外部世界获得信息，检测到人的五官中不能感受的参数。 • 测量技术是指测量中所采用的原理、方法和技术措施 • 传感技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，用于感知外界各种被测信号。

1.2.3 信息技术的主要领域 • 通信技术 • 是有关信息的传输技术，它可以看作是人类传导神经网络功能的延伸 • 卫星通信的成功，是通信技术的又一次飞跃 • 现代通信技术紧密地与电子技术和计算机技术相结合。并朝着数字化、宽带化、高速化和智能化趋势发展。 • 计算机技术 • 可用于信息的处理，实现信息的存储、处理和再生等。 • 本书后面将作进一步介绍 • 控制技术 • 控制技术主要包括各种在利用信息的过程中进行的控制、操纵、指挥、决策等采用的技术。

1.2.3 信息技术的主要领域 事实上，信息技术包含有很多技术因素，它包括的内容有： • 计算机技术（包括硬件与软件） • 微电子技术 • 通信技术 • 网络技术 • 光电子技术 • 多媒体技术 • 缩微复印技术 • 声像技术 • 办公自动化技术 • 数据库技术（包括数据存储和压缩技术） • 人工智能技术 • 仿真技术 • ……

1.3 信息社会1.3.1 信息社会的标志 • 信息社会又称为信息化社会 • 信息化是当今世界发展的大趋势，是推动整个经济社会发展和变革的重要力量。 • 信息社会的主要标志是： • 信息产业在国民经济中的比重加大 • 信息技术在传统产业中的应用程度提高 • 信息资源在社会中的开发利用程度提高 • 国家信息基础设施建设水平提高

1.3.2 计算机在信息社会中的地位和作用 • 信息社会是现代信息技术对社会渗透和广泛发生作用的社会 • 现代信息技术的关键是计算机技术、现代通信技术和控制技术。 • 计算机在信息社会中有着重要的地位，主要表示在： • 计算机改变了人们的工作方式 • 计算机改变了人们的生活方式 • 计算机改变了人们的学习方式 • 计算机改变了组织机构的工作方式 • 同时，计算机也存在着负面影响，如部分青少年沉湎于网络、无节制地玩游戏等。但总之，计算机是利大于弊，它是推动社会发展的活跃因素。

1.3.3 信息素养 • 素养是指由训练和实践而获得的技巧或能力或平素的修养。 • 信息素养，又称为信息素质，美国信息产业协会主席波尔对信息素养的定义为： • 利用大量的信息工具及主要的信息源使问题得到解决的技术和技能 • 随着对信息素养研究的不断深入，比较受到普遍认可的定义是： • 个体对信息活动的态度以及对信息的获取、分析、加工、评价、创新、传播等方面的能力。

1.3.3 信息素养 • 信息素养的主要内容包括： • 信息意识 • 是人们对信息及其运动规律的抽象、概括、总体性的认识。 • 加强信息意识教育，可以培养人们对信息的科学、全面、深入的认识，并能意识到自身的潜在信息需求，随时可将它充分、正确地表达出来。 • 增强信息意识可以从多个方面进行。 • 信息能力 • 主要是指收集信息、处理信息、利用信息、评价信息，进而创造新信息和新知识的能力，是综合型的能力。 • 信息道德 • 信息道德主要是在信息领域调整人们之间相互关系的行为规范、社会准则和社会风尚。 • 信息道德是社会公德、职业道德、家庭美德的重要组成部分 • 信息道德主要表现在信息的以下几个方面： • 传递、交流、生产、咨询、咨询、消费、 • 沟通、开发、利用、广告、发送等

1.4 信息处理的主要工具——计算机 • 计算机技术是信息技术的主要技术之一 • 计算机在当今社会中给人们带来的影响是巨大的 • 下面主要介绍有关计算机产生的历史、计算机的特点、分类等。

1.4.1 计算机的历史 • 计算的概念和人类文明历史是同步的 • 在现代计算机问世前，计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机等几个阶段。 • 1642年法国数学家的B•帕斯卡发明了一个用钟表齿轮计数进行加减，用杠杆实现进位的十进制加法器。 • 这是人类历史上第一部自动机械计算机器 • 结构化程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。 • 1673年，德国数学家G•W•莱布尼兹改进了B•帕斯卡的计算机，解决了十进制数的乘、除运算。

1.4.1 计算机的历史 • 1812年英国数学家C•巴贝奇开始研究差分机，并描绘出程序控制方式的计算机的雏型——基本原理为IPOS（Input，Processing，Output and Storage）。 • 此后一百多年间，电磁学、电工学和电子学以及数学、物理学不断取得了重大进展，它们为现代计算机的产生奠定了物质、技术、算法等基础。 • 1935年IBM公司推出IBM 601机，它是一台有算术部件且能在1秒钟内算出乘法的穿孔卡片计算机 • 1936年英国数学家阿兰•图灵提出了“图灵机”的理论模型：只要能够被分解为有限步骤就能够实现自动计算。1941年，Atannsoff与Berry合作制造了 ABC计算机。

1.4.1 计算机的历史 • 1946年，美国研制成功数字积分计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator） • 使用了18000多个电子管，重30吨，耗电150千瓦 • 其速度比继电器计算机快1000倍 • 它是第一台可以真正运算的并且全部是电子装置的计算机，故往往称之为第一台电子数字计算机 • 一位对电子计算机产生重大影响的是美籍匈牙利数字家冯·诺依曼 • 他认为计算机应具备计算器、逻辑控制装置、存储器、输入、输出5个部分 • 冯·诺依曼的创造奠定了现代计算机的理论基础。 • 直到今天，通用计算机仍采用冯·诺依曼所阐述的存储程序和程序控制的设计思想

1.4.1 计算机的历史 • 现代计算机主要指通用数字电子计算机，从1946年起得到了飞速发展，按电子元件的不同，人们把它的发展分为4个时期： • 第一代计算机 • 主要特征是采用电子管元件 • 这一时期的计算机体积大，故障率高，主要用于科学计算。 • 用二进制的0和1表示数据和程序，一些计算机配置了汇编语言和子程序库，后期高级语言FORTRAN初露头角。 • 第二代计算机（1959—1964） • 主要特征是采用晶体管元件 • 第一台晶体管的计算机是CDC公司制造的1604机器 • COBOL语言、ALGOL语言等高级语言进入实用阶段，操作系统初步成型

1.4.1 计算机的历史 • 第三代计算机 • 主要特征是采用中小规模的集成电路（Integrated Circuits，IC） • 体积更小，耗电更少，可靠性更高，速度更快，应用更广泛 • IBM公司推出了著名的360系列计算机 • 计算机中已形成了相当规模的软件子系统，高级语言种类进一步增加，操作系统日益完善 • 第四代计算机 • 主要特征是使用大规模集成电路（LSIC） • 随着1971年美国Intel公司制成世界上第一个微处理器4004，各种各样的微处理器和微型计算机应运而生 • 软件出现图形界面为特征的主流操作系统、面向对象（Object Oriented Programming，OOP）的程序设计语言等 • 计算机还将朝着高、广、深的方向发展。 • 性能高、应用范围广、智能化

1.4.2 计算机的特点和用途 • 计算机的特点 • 运算速度快 • 运算精度高 • 准确的逻辑判断能力 • 强大的存储能力 • 网络与通信功能 • 通用性强

1.4.2 计算机的特点和用途 • 计算机的用途 • 科学计算 • 信息处理 • 实时系统 • 计算机辅助 • 网络与通信 • 人工智能 • 数字娱乐 • ……

1.4.3 计算机的类型 • 有关计算机的类型有多种不同的分类方法，它们是从不同的角度来考虑的。 • 按计算机是否专用来进行分类，分为： • 专用计算机 • 通用计算机。 • 根据处理的信号不同，主要分为： • 数字计算机 • 模拟计算机。 • 根据计算机的性能，主要分为： • 巨型计算机 • 大中型计算机 • 小型计算机 • 工作站 • 微型计算机

1.4.3 计算机的类型 • 巨型计算机 • 一般是指其运算速度在每秒数万亿次以上的计算机 • 不仅速度最快，而且存储容量也是最大 • 具有并发处理能力 • 在各方面性能指标上都是极强的那种计算机 • 如我国研制的曙光4000A实现了每秒10万亿次的运算速度 • 大中型计算机 • 性能上仅次于巨型机 • 相对而言，仍具有速度快、存储量大、通用性强的特点 • 一般它的运算速度为每秒数亿次 • 小型计算机 • 在速度和容量均上低于大中型计算机 • 具有规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护、与外部设备的连接比较容易等特点

1.4.3 计算机的类型 • 工作站 • 介于小型计算机和微型计算机之间 • 具有较强的数据处理能力和图形、图像处理与显示能力 • 一般是为了某种特殊用途而将高性能的计算机系统、输入/输出设备与专用软件结合在一起的系统 • 需要说明的是，它不是网络中所指的“工作站” • 微型计算机（简称微机，个人计算机） • 是随着大规模集成电路的发展而发展起来的 • 它以微处理器为核心。 • 微型计算机又分为以下几类： • 台式机 • 笔记本电脑 • 掌上电脑 • 嵌入式计算机 • 单板机和单片机 • 我们现在使用的计算机一般都是通用数字微型计算机

【本章小结】 • 通过本章学习，应理解和掌握：1. 数据和信息的概念。2. 模拟信号与数字信号的概念。3. 信息的表现形式。4. 信息技术和信息社会的概念。5. 信息素养的概念。6. 电子计算机的发展史。7. 电子计算机的特点、用途和分类。

第 1 章 信息与计算机