信息信息科学与信息技术课件.ppt

1、信息技术导论信息技术导论 华商学院信息工程系华商学院信息工程系课程内容课程内容计算机和信息技术的基本概念和基础知识计算机和信息技术的基本概念和基础知识计算机硬件组成、软件系统、发展简史计算机硬件组成、软件系统、发展简史信息的表示与处理、信息的输入与输出、信息的存储信息的表示与处理、信息的输入与输出、信息的存储操作系统初步、计算机网络与互联网操作系统初步、计算机网络与互联网软件开发与程序语言、文件系统与数据库系统软件开发与程序语言、文件系统与数据库系统程序设计初步程序设计初步上机操作上机操作Windows 操作系统和常用软件工具操作系统和常用软件工具VC+语言编程环境语言编程环境 和和 C 语言

2、编程语言编程课程结束需要掌握的知识课程结束需要掌握的知识理论理论个人计算机的基本组成及各部件的功能个人计算机的基本组成及各部件的功能操作系统的引导及其主要功能操作系统的引导及其主要功能信息的表示、处理、存储的基本原理信息的表示、处理、存储的基本原理互联网的基本功能和原理互联网的基本功能和原理计算机程序的工作原理及开发过程计算机程序的工作原理及开发过程实践实践Windows 操作系统的使用操作系统的使用常用软件的操作常用软件的操作 收发电子邮件、搜索引擎的使用、收发电子邮件、搜索引擎的使用、office（Word,Excel,Powerpoint）VC+编程环境编程环境 及及 C 语言编程语言编

3、程授课方式与成绩评定授课方式与成绩评定课上讲授和演示课上讲授和演示复习、自学和书面作业复习、自学和书面作业上机实习并完成上机作业上机实习并完成上机作业考试成绩评测考试成绩评测期中考试期中考试 20%期末考试期末考试 40%平时成绩平时成绩(作业、课堂表现作业、课堂表现)40%第 1 章 信息、信息科学与信息技术内容提要内容提要本章介绍信息的基本概念，讨论了信息的定义、信本章介绍信息的基本概念，讨论了信息的定义、信息的基本性质；信息科学与信息技术的内容；信息的基本性质；信息科学与信息技术的内容；信息技术与与计算学科之间的关系；计算学科的专息技术与与计算学科之间的关系；计算学科的专业方向与理论、抽

4、象、设计三个过程的学习方法业方向与理论、抽象、设计三个过程的学习方法。1.1 信息的基本概念信息的基本概念1.1.1 信息的定义信息的定义1.1.2 信息的特性信息的特性1.1.3 信息论的产生信息论的产生 1.1.1 信息的定义信息的定义就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知就一般意义而言，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。识、见闻、通知、报告、事实、数据等等。中国首次涉及中国首次涉及“信息信息”的诗的诗两叶愁眉愁不开，两叶愁眉愁不开，独含惆怅上层台。独含惆怅上层台。碧云空断雁行处，碧云空断雁行处，红叶已雕人未来。红叶已雕人未来。塞外音书无信息，塞外音书

5、无信息，道傍车马起尘埃。道傍车马起尘埃。功名待寄凌烟阁，功名待寄凌烟阁，力尽辽城不肯回。力尽辽城不肯回。杜牧杜牧寄远寄远 李中李中碧云集碧云集暮春怀故人暮春怀故人池馆寂寥三月尽，池馆寂寥三月尽，落花重叠盖莓苔。落花重叠盖莓苔。惜春眷恋不忍扫，惜春眷恋不忍扫，感悟心情无计开。感悟心情无计开。梦断美人沉信息，梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台目穿长路倚楼台。琅轩绣瑕安可得，琅轩绣瑕安可得，流水浮云共不还。流水浮云共不还。唐代诗人李中唐代诗人李中碧云集碧云集暮春怀暮春怀故人故人在国外，据说最早讨论数据、信息、知识与智慧之在国外，据说最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，不是数学家，也不是计算机科学家

6、，间关系的，不是数学家，也不是计算机科学家，而是诗人而是诗人T.S.Eliot。他说：。他说：信息迷失在数据中，知识迷失在信息中，而智慧迷信息迷失在数据中，知识迷失在信息中，而智慧迷失在知识中。失在知识中。他的原话出现于他的原话出现于1934年的年的“The Rock”中，下面的后三句话中，下面的后三句话是他的，前一句话是好事者加上去的：是他的，前一句话是好事者加上去的：Where is the Life we have lost in living?Where is the wisdom we have lost in knowledge?Where is the knowledge we

7、have lost in information?Where is the information we have lost in data?有人译为：有人译为：生活中啊，我们消逝的生命在哪里？生活中啊，我们消逝的生命在哪里？知识中啊，我们失去的智慧在哪里？知识中啊，我们失去的智慧在哪里？信息中啊，我们遗漏的知识在哪里？信息中啊，我们遗漏的知识在哪里？数据中啊，我们丢失的信息在哪里？数据中啊，我们丢失的信息在哪里？“信息信息”的一些定义的一些定义下面是对于下面是对于“信息信息”的一些定义：的一些定义：“信息是事物之间的差别。信息是事物之间的差别。”“信息是接收者事先不知道的东西。信息是接收者事

8、先不知道的东西。”“信息是事物及其属性标识的集合信息是事物及其属性标识的集合”“信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属性的标示。性的标示。”“信息是确定性的增加。即肯定性的确认。信息是确定性的增加。即肯定性的确认。”香农（香农（Claude Elwood Shannon，1916-2001）给出的定义是：给出的定义是：“狭义地说，信息是用来消除不确定性的东西。狭义地说，信息是用来消除不确定性的东西。”广义地说，信息是认识主体（人、生物、机器广义地说，信息是认识主体（人、生物、机器 ）所所感受感受的事物运动状态和变换方式的事）所所感受感受的事物运动状

9、态和变换方式的事物运动状态和变换方式。物运动状态和变换方式。广义信息的三个层次：广义信息的三个层次：语法语法（SyntacticSyntactic）信息）信息语义（语义（Semantic）信息）信息语用（语用（Pragmatic）消息）消息1.1.2 信息的特性信息虽然似乎非常抽象，却可以被观察者（人以及信息虽然似乎非常抽象，却可以被观察者（人以及人造的机器、仪器、生物等）所感知、识别、提人造的机器、仪器、生物等）所感知、识别、提取、检测、存储、显示、检索、传递、分析、变取、检测、存储、显示、检索、传递、分析、变换处理和利用。信息是知识的来源、决策的依据换处理和利用。信息是知识的来源、决策的依

10、据、思维的材料、控制的基础和管理的保证。、思维的材料、控制的基础和管理的保证。1.信息的非消费性信息的非消费性2.共享性共享性3.积累效果性积累效果性4.信用价值性信用价值性5.信息与能量息息相关信息与能量息息相关当然，信息还有其他一些属性，如事实性，滞后性当然，信息还有其他一些属性，如事实性，滞后性，不完全性，时效性，替代性，扩散性等等。，不完全性，时效性，替代性，扩散性等等。1.1.3 信息论的产生信息论的产生信息论是应用近代概率论和数理统计方法研究信息信息论是应用近代概率论和数理统计方法研究信息传输和信息处理系统中一般规律的新兴学科，核传输和信息处理系统中一般规律的新兴学科，核心问题是信

11、息传输的有效性和可靠性以及两者间心问题是信息传输的有效性和可靠性以及两者间的关系。的关系。信息论是研究信息的基本性质及度量方法，研究信信息论是研究信息的基本性质及度量方法，研究信息的获取、传输、存储和处理的一般规律的科学息的获取、传输、存储和处理的一般规律的科学。信息的重要性信息的重要性现代化学者认为，人类文明经历了四次意义深远的现代化学者认为，人类文明经历了四次意义深远的 革命：革命：时间时间 意义意义 工具的制造工具的制造约约250万年前万年前人类区别于动物人类区别于动物 农业革命农业革命约约1万年前年前万年前年前原始社会原始社会 农业社会农业社会 工业革命工业革命约约200年前年前农业社

12、会农业社会工业社会工业社会 信息革命信息革命约约20多年前多年前工业社会工业社会信息社会信息社会 信息的重要性信息的重要性客观世界三大基本要素：客观世界三大基本要素：物质物质 材料科学材料科学 能量能量 能源科学能源科学 信息信息 信息科学信息科学 Without material nothing exists,Without energy nothing happens,without information nothing makes sense.1.信息论的研究范畴信息论的研究范畴 信息论作为一门科学理论，发端于通信工程。它具信息论作为一门科学理论，发端于通信工程。它具有广义和狭义两个概

13、念：有广义和狭义两个概念：狭义信息论是应用统计方法研究通讯系统中信息传狭义信息论是应用统计方法研究通讯系统中信息传递和信息处理的共同规律的科学，即研究概率性递和信息处理的共同规律的科学，即研究概率性语法信息的科学；语法信息的科学；广义信息论是应用数学和其他有关科学方法研究一广义信息论是应用数学和其他有关科学方法研究一切现实系统中信息传递和处理、信息识别和利用切现实系统中信息传递和处理、信息识别和利用的共同规律的科学，即研究语法信息、语义信息的共同规律的科学，即研究语法信息、语义信息和语用信息的科学。和语用信息的科学。信息的概念信息的概念物质、能量和信息是构成客观世界的三大要素。信息是物质和能量

14、在空间和时间上分布的不均匀程度，或者说信息是关于事物运动的状态和规律通信系统中形式上传输的是消息，实质上传输的是信息，消息中包含信息，消息是信息的载体。对于信息论的研究，一般划分为三个不同的范畴：广义信息论，包括信息论在自然和社会中的新的应用，如模式识别、机器翻译、自学习自组织系统、心理学、生物学、经济学、社会学等一切与信息问题有关的领域。实用信息论，研究信息传输和处理问题，也就是狭义信息论方法在调制解调、编码译码以及检测理论等领域的应用。狭义信息论，即通信的数学理论，主要研究狭义信息的度量方法，研究各种信源、信道的描述和信源、信道的编码定理。2.通信系统模型通信系统模型香农提出：信息的传播过

15、程是香农提出：信息的传播过程是“信源信源”（信息的发送者）把（信息的发送者）把要提供的信息经过要提供的信息经过“信道信道”传递给传递给“信宿信宿”（信息的接收（信息的接收者），信宿接收这些经过者），信宿接收这些经过“译码译码”（即解释符号）的信息（即解释符号）的信息符号的过程。并由此建立了通信系统模型。符号的过程。并由此建立了通信系统模型。通信系统模型通信系统模型这个模型包括以下五个部分：这个模型包括以下五个部分：3.信道信道 信道是信息传输和存储的媒介。4.译码器译码器 译码是编码的逆变换，分为信道译码和信源译码。5.信宿信宿 信宿是消息的接收者。2.编码器编码器 编码器是将消息变成适合于信

16、道传送的信号的设备。1.信源信源 信源是产生消息的源。编码器信源编码器，提高传输效率信道编码器，提高传输可靠性6.干扰源（噪声）：是指信息传递中的干扰，它对信息的发送与接干扰源（噪声）：是指信息传递中的干扰，它对信息的发送与接受产生影响，使两者的信息意义发生改变。受产生影响，使两者的信息意义发生改变。3.香农对信息的定义和度量香农对信息的定义和度量“信息论信息论”，又称为，又称为“通信的数学理论通信的数学理论”，是研究，是研究信息的传输、存储、处理的科学。信息的传输、存储、处理的科学。信息论的中心问题：为设计有效而可靠的通信系统信息论的中心问题：为设计有效而可靠的通信系统提供理论依据。提供理论

17、依据。通信系统所要解决的具体问题是：通信系统所要解决的具体问题是：问题一：信源消息常常不能够完全发送。（否则发送问题一：信源消息常常不能够完全发送。（否则发送量巨大，如：无尽的天空。因此优先捡有用的发送）量巨大，如：无尽的天空。因此优先捡有用的发送）问题二：信道因干扰而出现差错，如何进行检错和纠问题二：信道因干扰而出现差错，如何进行检错和纠错。错。具体实现是进行信源编码和信道编码。具体实现是进行信源编码和信道编码。Shannon信息论的中心问题信息论的中心问题香农认为：信息是人们香农认为：信息是人们对事物了解的不确定性对事物了解的不确定性(Uncertainty)的消除或减少的消除或减少。为了

18、通讯实践的需要，哈特莱提出应该用对数单位为了通讯实践的需要，哈特莱提出应该用对数单位来度量信息，单位是比特。而香农用概率论来测来度量信息，单位是比特。而香农用概率论来测量信息的量。量信息的量。信息的直观认识（一）信息的直观认识（一）概率：概率：计算随机时间发生的可能性大小的量计算随机时间发生的可能性大小的量。事件。事件发生的概率越小，此事件含有的信息量就发生的概率越小，此事件含有的信息量就越大越大 例：事件例：事件“中国足球队中国足球队3:0力克韩国足球队力克韩国足球队”小概率事件发生了，事件信息量大小概率事件发生了，事件信息量大例：事件例：事件“中国足球队中国足球队0:1负于韩国足球队负于韩

19、国足球队”大概率事件发生了，事件信息量小大概率事件发生了，事件信息量小 概率概率连续打出六个双蛋黄连续打出六个双蛋黄 概率万亿分之一概率万亿分之一 信息的直观认识（二）信息的直观认识（二）表示信息的随机变量的随机性越大，此随机变量含表示信息的随机变量的随机性越大，此随机变量含有的信息量就越大量含有的信息量就越大。有的信息量就越大量含有的信息量就越大。例：例：X=“中国足球队与韩国足球队比赛的结果中国足球队与韩国足球队比赛的结果”X 含有的信息量小（随机性小，可预见性大，含有的信息量小（随机性小，可预见性大，因此信息量小）因此信息量小）例：例：X=“意大利足球队与德国足球队比赛的结果意大利足球队

20、与德国足球队比赛的结果”X 含有的信息量大（随机性大，可预见性小，因含有的信息量大（随机性大，可预见性小，因此信息量大）此信息量大）信息的直观认识（三）信息的直观认识（三）两个随机变量的相互依赖性越大，它们的互信息就两个随机变量的相互依赖性越大，它们的互信息就越大（这里指的是绝对值大）。越大（这里指的是绝对值大）。例：例：X=深圳明天的平均气温深圳明天的平均气温,Y=广州明天的平均气温，广州明天的平均气温，Z=哈尔滨明天的平均气温，哈尔滨明天的平均气温，W=纽约明天的平均气温。纽约明天的平均气温。X 与与Y 互信息量大，互信息量大，X 与与与与Z 互信息量小得多，互信息量小得多，X 与与W 互

21、信息量几乎为互信息量几乎为0。信息的度量（信息量）和不确定性消除的程度有关信息的度量（信息量）和不确定性消除的程度有关，消除了多少不确定性，就获得了多少信息量；，消除了多少不确定性，就获得了多少信息量；不确定性就是随机性，可以用概率论和随机过程来不确定性就是随机性，可以用概率论和随机过程来测度不确定性的大小，出现概率小的事件，其不测度不确定性的大小，出现概率小的事件，其不确定性大，反之，不确定性小；确定性大，反之，不确定性小；由以上两点可知：由以上两点可知：概率小概率小 信息量大信息量大，即信息，即信息量是概率的单调递减函数；量是概率的单调递减函数；此外，信息量应该具有可加性；此外，信息量应该

22、具有可加性；香农把香农把“熵熵”这个概念引入信息的度量。这个概念引入信息的度量。熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越高，熵就越大；反之，系统越有序，熵就越小。控制论创高，熵就越大；反之，系统越有序，熵就越小。控制论创始人维纳说：始人维纳说：“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。”熵这个概念与信息联系在一起后，获得这样的思路：熵这个概念与信息联系在一起后，获得这样的思路：信息的获得意味着熵的减少，要使紊乱的系统（熵大的系信息的获得意味着熵的减少，要使紊乱的系统（熵大的系统）有序化（减少熵）就

23、需要有信息，当一个系统获得信统）有序化（减少熵）就需要有信息，当一个系统获得信息后，无序状态减少或消除（熵减少）；而如果信息丢失息后，无序状态减少或消除（熵减少）；而如果信息丢失了，则系统的紊乱程度增加。一个系统有序程度越高，则了，则系统的紊乱程度增加。一个系统有序程度越高，则熵就越小，所含信息量就越大，反之无序程度越高，则熵熵就越小，所含信息量就越大，反之无序程度越高，则熵越大，信息量就越小，信息与熵是互补的，信息就是负熵越大，信息量就越小，信息与熵是互补的，信息就是负熵，两者互为负值。，两者互为负值。信息量信息量=系统状态原有的熵系统状态原有的熵-系统状态确定后的熵系统状态确定后的熵1.2

24、 信息科学与信息技术信息科学与信息技术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。“科学科学”是指探知事物的本质、特征、内在规律以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及与其他事物的联系,是关于自然、社会和思维的是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。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则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法段和方法,泛指根据生产实践经验和科学原理而发泛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。展形成的各种工艺操作方法、技能和技巧。工程工程是指将科学原理应用

25、到工农业等生产部门中去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。而形成的各门学科的总称。科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论。科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论。科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事求是，而不是脱离现实的纯思维的空想。求是，而不是脱离现实的纯思维的空想。规律，则是指客观事物之间内在的本质的必然联系规律，则是指客观事物之间内在的本质的必然联系。因此，科学是建立在实践基础上，经过实践检验和因此，科学是建立在实践基础上，经过实践检验和严密逻辑论证的，关于客观世界各种事物的本质严密逻辑论证的，关于客观世

26、界各种事物的本质及运动规律的知识体系。及运动规律的知识体系。1.2.1 信息科学信息科学关于什么是信息科学（关于什么是信息科学（Information science），有），有着不同的定义：着不同的定义：定义定义1：信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传：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、生物和人文等基础学科的结合了数学、物理、天文、生物和人文等基础学科的新兴与综合性学科新兴与综合性学科”。定义定义2：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和：以信息为主要研究对象，以信

27、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，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新究工具，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。兴的综合性学科。信息科学研究的基本内容可归纳为五个方面：信息科学研究的基本内容可归纳为五个方面：(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)研究信息的数值度量方法。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、处理阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再、再 生、表示、施效生、表示、施效(控制控制)等过程的一般规律。等过程的

28、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。寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。从信息科学的研究内容来划分，我们可以将信息科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：学的基本科学体系分为三个层次：信息科学的哲学层次，其中包括信息的哲学本质、智信息科学的哲学层次，其中包括信息的哲学本质、智能的哲学本质、信息与反映的关系、信息与认识的关能的哲学本质、信息与反映的关系、信息与认识的关系、人工智能与人类智能的关系等等。系、人工智能与人类智能的关系等等。信息科学的

29、基础理论层次，它的主要任务是研究信息信息科学的基础理论层次，它的主要任务是研究信息的一般理论。的一般理论。信息科学的技术应用层次，主要研究如何应用信息科信息科学的技术应用层次，主要研究如何应用信息科学理论在技术上拓展人类的信息功能（特别是其中的学理论在技术上拓展人类的信息功能（特别是其中的智力功能）的问题。智力功能）的问题。1.2.2 信息技术信息技术信息作为信息作为种资源，它的无限性，共享性和开发性种资源，它的无限性，共享性和开发性，使它对于人类具有特别重要的意义。迄今为止，使它对于人类具有特别重要的意义。迄今为止，人类社会已发生过四次信息技术革命：第一次，人类社会已发生过四次信息技术革命：

30、第一次革命是人类创造了语言和文字，接着现出了文献革命是人类创造了语言和文字，接着现出了文献；第二次革命是造纸和印刷术的出现；第三次革；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。在信息工作中的应用。1.信息技术的定义信息技术的定义对信息技术的定义，因人们使用的目的、范围、层次不同而对信息技术的定义，因人们使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述：有不同的表述：定义定义1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变

31、换、存贮：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。定义定义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：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、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。括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的

32、总称。可以认为：信息技术是指开发和利用，采集，传输控制和处可以认为：信息技术是指开发和利用，采集，传输控制和处理信息的技术手段。也可以把信息技术直接定义为获取，理信息的技术手段。也可以把信息技术直接定义为获取，传递，处理，再生和使用信息的技术。传递，处理，再生和使用信息的技术。2.信息技术的信息技术的“四基元四基元”（1）传感技术）传感技术信息的采集技术，对应于人的感信息的采集技术，对应于人的感觉器官功能的延长。觉器官功能的延长。（2）通信技术）通信技术信息的传递技术，对应于人的传信息的传递技术，对应于人的传导神经网络功能的延长。导神经网络功能的延长。（3）计算机和智能技术）计算机和智能技术信

33、息的处理和存储技术信息的处理和存储技术，对应于人的思维器官功能的延长。，对应于人的思维器官功能的延长。（4）控制技术）控制技术信息的使用技术，对应于人的效信息的使用技术，对应于人的效应器官功能的延长。应器官功能的延长。3.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当代的信息技术，主要是指采用电子技术来采集，当代的信息技术，主要是指采用电子技术来采集，传递，控制和处理信息的技术，所以也可称作电传递，控制和处理信息的技术，所以也可称作电子信息技术，即与电子计算机和通信设备的设计子信息技术，即与电子计算机和通信设备的设计制造以及信息的设计，处理，传输，变换，存取制造以及信息的设计，

34、处理，传输，变换，存取有关的技术。计算机是信息处理的工具，通信是有关的技术。计算机是信息处理的工具，通信是信息传播手段，微电子技术是信息技术的基础。信息传播手段，微电子技术是信息技术的基础。集成电路的高集成化，高密度化和高速度化，带集成电路的高集成化，高密度化和高速度化，带来了电子计算机的小型化，微型化，高性能化和来了电子计算机的小型化，微型化，高性能化和价格低廉化。信息技术的发展速度非常迅速，五价格低廉化。信息技术的发展速度非常迅速，五十年代，信息技术的主要标志是编程计算，六十十年代，信息技术的主要标志是编程计算，六十年代是数据处理，七十年代是计算机网络，八十年代是数据处理，七十年代是计算机

35、网络，八十年代是模式识别，到了九十年代，专家系统和人年代是模式识别，到了九十年代，专家系统和人工智能便成为突出的代表。工智能便成为突出的代表。1.2.3 信息化与社会信息化信息化与社会信息化信息化是一种社会的经济形态，是指从事获取，传信息化是一种社会的经济形态，是指从事获取，传输，处理，提供应用信息的部门，以及其他各部输，处理，提供应用信息的部门，以及其他各部门对信息的应用，在国民经济中的贡献和占用的门对信息的应用，在国民经济中的贡献和占用的劳动力等超过了工业，农业等物质资料生产所占劳动力等超过了工业，农业等物质资料生产所占的比重。另一方面，信息化又是一个过程，即上的比重。另一方面，信息化又是

36、一个过程，即上述与信息有关的各部门相对信息的应用在国民经述与信息有关的各部门相对信息的应用在国民经济中所占比重不断上升，最终超过工、农业的全济中所占比重不断上升，最终超过工、农业的全过程。过程。信息技术的发展，为社会信息化提供了强有力的手信息技术的发展，为社会信息化提供了强有力的手段，社会信息化以电子计算机，通信，软件为三段，社会信息化以电子计算机，通信，软件为三大技术要素，以工厂自动化，办公室自动化，农大技术要素，以工厂自动化，办公室自动化，农业自动化，家庭自动化为重要应用领域，正深刻业自动化，家庭自动化为重要应用领域，正深刻地改变着社会面貌。地改变着社会面貌。1.3 计算与计算科学计算与计

37、算科学1.3.1 计算本质的认识历史计算本质的认识历史 1.3.2 现代计算机的产生以及计算学科的定义现代计算机的产生以及计算学科的定义1.3.3 计算学科的传统应用领域计算学科的传统应用领域1.3.4 计算学科的新领域以及未来的展望计算学科的新领域以及未来的展望1.3.1 计算本质的认识历史计算本质的认识历史计算学科根本问题的认识过程与人们对计算过程的计算学科根本问题的认识过程与人们对计算过程的认识是紧密联系在一起的。因此要分析计算学科认识是紧密联系在一起的。因此要分析计算学科的根本问题，首先要分析人们对计算本质的认识的根本问题，首先要分析人们对计算本质的认识过程。过程。史前文明：计数的开端

38、史前文明：计数的开端 结绳记事（计数）是原始先民广泛使用的以绳结形结绳记事（计数）是原始先民广泛使用的以绳结形式反映客观经济活动及其数量关系的记录方式。式反映客观经济活动及其数量关系的记录方式。文献记载：文献记载：“上古结绳而治，后世圣人易以书契上古结绳而治，后世圣人易以书契，百官以治，万民以察，百官以治，万民以察”（易易系辞下系辞下）。）。进制计数一般是进制计数一般是10进制，进制，也有也有20进制（古玛雅人）进制（古玛雅人）12进制（打）进制（打）24进制（时间）进制（时间）16进制（中国古代的进制（中国古代的1斤斤=16两）两）计算工具的出现计算工具的出现中国最早的计算工具是算筹。中国最

39、早的计算工具是算筹。算筹可认为是世界算筹可认为是世界上最古老的计算工具，最早可追溯到中国春秋时上最古老的计算工具，最早可追溯到中国春秋时代，红筹表示正数，黑筹表示负数代，红筹表示正数，黑筹表示负数新的计算工具新的计算工具算盘算盘一旦遇到复杂运算，使用算筹常弄得繁杂混乱，让一旦遇到复杂运算，使用算筹常弄得繁杂混乱，让人感到不便。人感到不便。公元公元600年左右，年左右，中中国出现新的计国出现新的计算工具算工具算盘。算盘。算盘作为主要的计算工具流行算盘作为主要的计算工具流行了相当长的一段时间。了相当长的一段时间。古代中国的算法化思想古代中国的算法化思想很早以前国的学者就认为：对很早以前国的学者就认

40、为：对于一个数学问题，只有当确定于一个数学问题，只有当确定了其可用算盘解算它的规则时了其可用算盘解算它的规则时，这个问题才算可解。，这个问题才算可解。古代中国的算法化思想蕴含着古代中国的算法化思想蕴含着中国古代学者对计算的根本问中国古代学者对计算的根本问题即可计算性问题的理解，这题即可计算性问题的理解，这种理解对现代计算学科的研究种理解对现代计算学科的研究仍具有重要的意义。仍具有重要的意义。世界上第一台加法计算机（世界上第一台加法计算机（1642）17世纪，欧洲出现了计算尺和机械式计算机。世纪，欧洲出现了计算尺和机械式计算机。通用计算机的基本设计思想通用计算机的基本设计思想19世纪英国数学家巴

41、贝世纪英国数学家巴贝奇奇(1792-1871)提出通用提出通用计算机的基本设计思想计算机的基本设计思想。1834年：巴贝奇提出年：巴贝奇提出了分析机的概念，机器了分析机的概念，机器共分为三个部分：堆栈共分为三个部分：堆栈，运算器，控制器。，运算器，控制器。巴贝奇巴贝奇1822年研制的差分机年研制的差分机布尔和布尔代数布尔和布尔代数19世纪中叶，英国杰出世纪中叶，英国杰出的数学家，哲学家布尔的数学家，哲学家布尔(1824-1898)和其它杰出和其它杰出的科学家一起，通过对的科学家一起，通过对人类思维进行数学化精人类思维进行数学化精确地刻画，奠定了智慧确地刻画，奠定了智慧机器的思维结构与方法机器的

42、思维结构与方法，今天计算机内使用的，今天计算机内使用的逻辑基础逻辑基础布尔代数布尔代数，正是他所创立的。，正是他所创立的。图灵图灵24岁提出图灵机理论岁提出图灵机理论31岁参与岁参与COLOSSUS（破（破译德军密码的机器）的研制译德军密码的机器）的研制33岁设想仿真系统岁设想仿真系统35岁提出自动程序设计概念岁提出自动程序设计概念38岁设计岁设计“图灵测验图灵测验”图灵奖：美国计算机协会图灵奖：美国计算机协会 于于 1966年年 设立设立图灵机的艺术表示图灵机的艺术表示纸带纸带读写头读写头程序（有穷控制器）程序（有穷控制器）3个部件：有穷控制器、无穷带和读写头个部件：有穷控制器、无穷带和读写

43、头3个动作：改写当前格、左移或右移一格个动作：改写当前格、左移或右移一格图灵机可以读入一系列的零和一，这些数字代表了图灵机可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。，就可以解决某一特定的问题。读写头读写头有穷控制器有穷控制器存储带存储带 图灵机模型图灵机模型在图灵看来，只需要保留一些最简单的指令，一个在图灵看来，只需要保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为这些最简单的操作就复杂的工作只用把它分解为这些最简单的操作就可以实现了，图灵机理论上是通用机。他相信：可以实现了，图灵机理

44、论上是通用机。他相信：有一个算法可以解决大部分问题，有一个算法可以解决大部分问题，困难的部分则是如何确定最简单的指令集，怎么样的困难的部分则是如何确定最简单的指令集，怎么样的指令集才是最少的，而且又能顶用指令集才是最少的，而且又能顶用还有一个难点是如何将复杂问题分解为这些指令。还有一个难点是如何将复杂问题分解为这些指令。图灵在理论上奠定了计算机产生的基础。图灵在理论上奠定了计算机产生的基础。图灵机是一种可计算的用数学方法精确定义的计算图灵机是一种可计算的用数学方法精确定义的计算模型，现代计算机正是这种模型的具体实现。模型，现代计算机正是这种模型的具体实现。计算学科各分支领域中的抽象和理论两个过

45、程关心的计算学科各分支领域中的抽象和理论两个过程关心的是解决具有可计算性和有效性的模型问题，设计过程是解决具有可计算性和有效性的模型问题，设计过程关心的是模型的具体实现问题。关心的是模型的具体实现问题。计算学科中的计算学科中的3 个过程是不可分割、密切相关的。个过程是不可分割、密切相关的。由于图灵对计算科学所作出的杰出贡献，由于图灵对计算科学所作出的杰出贡献，ACM 于于1966 年设立了以图灵名字命名的计算机科学大奖年设立了以图灵名字命名的计算机科学大奖图灵奖，以纪念这位杰出的科学家。图灵机图灵奖，以纪念这位杰出的科学家。图灵机被公认为是现代计算机的原型。后人也将图灵誉被公认为是现代计算机的

46、原型。后人也将图灵誉为计算机科学之父。为计算机科学之父。1.3.2 计算机系统概述计算机系统概述 计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。1.计算机系统计算机系统计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。大部分组成。(1)计算机硬件系统计算机硬件系统计算机硬件系统是由一系列电子元器件按照一定逻计算机硬件系统是由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，它是计算机系统的物质基础。辑关系联接而成，它是计算机系

47、统的物质基础。计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。该计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。该原理最初是由匈牙利数学家冯原理最初是由匈牙利数学家冯诺依曼于诺依曼于1946年提年提出来的，故称为冯出来的，故称为冯诺依曼原理。按照冯诺依曼原理。按照冯诺依曼诺依曼原理构造的计算机又称冯原理构造的计算机又称冯诺依曼计算机，其体系诺依曼计算机，其体系结构称为冯结构称为冯诺依曼结构。诺依曼结构。目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯冯诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计

48、算机系统运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯已对冯诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术。线技术。(2)计算机软件系统计算机软件系统计算机软件的定义：计算机软件的定义：软件是指用来指挥计软件是指用来指挥计算机运行的各种程序算机运行的各种程序的总和以及开发、使的总和以及开发、使用和维护这些程序所用和维护这些程序所需的技术资料需的技术资料。没有配备任何软件的没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机硬件计算机称为裸机。裸机向外部世界提。裸机向外部世界提供的界面只是机器指供的界面只是机器指令。用户及其他程序令。用户及其他程序都通过系统软件来使都通过系统软

49、件来使用计算机。用计算机。计算机软件系统的层次结构计算机软件系统的层次结构用用 户户系统应用程序系统应用程序操操 作作 系系 统统机机 器器 语语 言言硬硬 件件 系系 统统一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件。软件，称为系统软件。计算机系统软件由操作系统、语言处理系统、以及计算机系统软件由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成。计算机软件各种软件工具等各种软件程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到预定的目标。、工作，从而达

50、到预定的目标。简单的说，简单的说，系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益机处理能力和提高计算机的效益。应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件。应用软件一般包括用类应用问题而编写的软件。应用软件一般包括用户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方