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第 2 章 信息技术基础

第 2 章 信息技术基础 . 本章要点：信息技术的基本概念；信息技术的主要领域；记数制的概念以及数制之间的转换；二进制及其计算；数值和文本信息在计算机中的表示以及多媒体数据信息在计算机中的表示。 2.1 现代信息技术基础知识 2.2 现代信息技术内容与特点. 2.1 现代信息技术基础知识 . 2.1.1 信息技术基本概念 2.1.2 信息技术的产生与发展 2.1.3 信息技术的主要领域. 2.1.1 信息技术基本概念（ 1 ）. 信息学 是关于信息的本质和传输规律的学科，是研究信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、分析和利用的一门科学

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第 2 章 信息技术基础

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  1. 第2章 信息技术基础 • 本章要点：信息技术的基本概念；信息技术的主要领域；记数制的概念以及数制之间的转换；二进制及其计算；数值和文本信息在计算机中的表示以及多媒体数据信息在计算机中的表示。 • 2.1 现代信息技术基础知识 • 2.2 现代信息技术内容与特点

  2. 2.1 现代信息技术基础知识 • 2.1.1 信息技术基本概念 • 2.1.2 信息技术的产生与发展 • 2.1.3 信息技术的主要领域

  3. 2.1.1 信息技术基本概念（1） • 信息学是关于信息的本质和传输规律的学科，是研究信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、分析和利用的一门科学 • 信息技术（英文：Information Technology，简称IT），是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称 • 信息技术可以理解为与信息处理有关的一切技术，或者说是依据信息科学的原理和方法来实现信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、分析和利用等的技术，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

  4. 2.1.1 信息技术基本概念（2） • 信息技术可分为以下几方面技术 • 传感技术——信息的采集技术，对应于人的感觉器官。 • 通信技术——信息的传递技术，对应于人的神经系统的功能。 • 计算机技术——信息的处理和存储技术，对应于人的思维器官。 • 控制技术——信息的使用技术，对应于人的效应器官。

  5. 2.1.2 信息技术的产生与发展（1） • 信息是人类生存的基本条件，我们也可以说自从有了人类就有了信息技术 • 在人类社会发展历史上发生了五次信息技术革命： • 第一次信息技术革命是语言的使用，是从猿进化到人的重要标志； • 第二次信息技术革命是文字的创造，使信息的存储和传递首次超越了时间和地域的局限； • 第三次信息技术革命是印刷术的发明，为知识的积累和传播提供了更为可靠的保证； • 第四次信息技术革命是电报、电话、广播、电视的发明和普及，进一步突破了时间和空间的限制； • 第五次信息技术革命是计算机技术与现代通信技术的普及应用，将人类社会推进到了数字化的信息时代。

  6. 2.1.2 信息技术的产生与发展（2） • 人类处理信息的历史被大致分为4个阶段 • 原始阶段 • 手工阶段 • 机电阶段 • 现代阶段

  7. 2.1.2 信息技术的产生与发展（3） • 现代信息技术是以微电子技术为基础，计算机技术为核心，通信技术为三大支柱，以信息应用技术为目标的科学技术群，具体实现对信息的获取、通信、存储、处理和控制。 • 现代信息技术的结构分类： • 基础技术：新材料和新能源 • 支撑技术：电子技术，微电子技术，激光技术和生物技术等 • 主体技术：通信技术(Communication ) 、计算机技术(Computer)和控制技术(Control)被称为信息技术的主体技术(3C技术) • 应用技术：信息技术在人类生产和生活中的应用 • 现代信息技术的内容 • 信息的获取—感测技术 • 信息的传输—通信技术，如ISDN，ADSL • 信息的处理—计算机技术 • 信息的控制和存储（分直接连接存储、移动存储和网络存储）

  8. 2.1.2 信息技术的产生与发展（4） • 信息技术的发展趋势 • 超级计算机 • 网络技术 • 数字化技术 • 软件技术 • 半导体、集成电路等技术 • 信息安全技术

  9. 2.1.3 信息技术的主要领域 • 现代信息技术主要的技术是感测、通信、计算机、控制等技术，在这些技术的实现过程中，又离不开微电子技术的应用 • 信息技术的主要领域为： • 微电子与光电子技术 • 新型电子元器件和电子信息材料技术 • 现代通信技术 • 计算机网络技术 • 智能检测与控制技术

  10. 现代信息技术的基础——微电子技术 • 微电子技术的开始与发展 • 1947年AT&T公司研制出世界上第一个晶体三极管 • 1958年美国德克萨斯仪器公司生产出集成电路（Integrated circuit.，IC）。这是微电子技术发展的标志。目前，集成度已突破一千万单位，其开发和研制的方法也从传统的工艺改变为采用硬件描述语言(HDL)编制的集成电路制造程序 • 传统集成电路设计方法：设计电子线路图；检查掩膜图纸；半导体度膜，光刻，酸洗；芯片引脚焊接 • 硬件描述语言：可以描述硬件电路的功能、信号连接关系及定时关系的语言。由生产线全自动地生产所要芯片，减少人为介入 • 集成电路的种类 • 数字集成电路：微处理器、数字信号处理器 • 模拟集成电路：运算放大器、模拟加法器、乘法器等 • 混合集成电路：数/模、模/数转换器 • 集成电路的应用 • 可编程逻辑部件(Programmable Array Logic PAL )是通用性强的LSIC，用于电子设计自动化，可设计数字系统或计算机外围接口电路等。 • 数字信号处理器(Digital Sign Processor DSP )是一种具有特殊结构的微处理器，用于音频、视频和图像的数字化信息处理

  11. IT领域的三大定律 • 第一定律：摩尔定律 • 美国人高登·摩尔提出摩尔定律。集成电路上可容纳的晶体管数，每隔一年半左右就会增加一倍，性能也提高一倍。即微处理器的速度每18个月翻一翻。 • 第二定律：吉尔德定律 • 在未来25年，主干网的带宽每6个月增长一倍，其增长速度是摩尔定律预测的CPU增长速度的3倍。吉尔德定律的提出者是被称为“数字时代三大思想家”之一的乔治·吉尔德。 • 第三定律：麦特卡尔夫定律 • 网络的价值同网络用户数量的平方成正比，也就是说，N个联结创造出N*N的效益。该定律的提出者为以太网的发明人鲍勃·麦特卡尔夫。 • 按照摩尔定律和吉尔德定律，未来的计算机成本将会持续回落，而网络将呈指数级发展；随着网络用户数量迅速膨胀到数以亿计，网络的价值越发不可估量，这又与麦特卡尔夫定律不谋而合。

  12. 2.2 现代信息技术内容与特点 • 2.2.1 二进制及其运算 • 2.2.2 数值和文本信息在计算机中的表示 • 2.2.3 多媒体数据信息在计算机中的表示

  13. 2.2.1 二进制及其运算 • 用数字量表示物理量的大小时，仅用一位数码往往不够用，因而必须用进位计数的方法组成多位数码 • 多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为进位计数制。 • 进位计数制的表示主要包含三个基本要素：数位、基数和位权 • 数位：指数码在一个数中所处的位置。 • 基数：指在某种进位计数制中，每个数位上所能使用的数码的个数，例如十进位计数制中，每个数位上可以使用的数码为0、1、2、3…9十个数码，即其基数为10。 • 位权：在某种进位计数制中，每个数位上的数码所代表的数值的大小，等于在这个数位上的数码乘上一个固定的数值，这个固定的数值就是这种进位计数制中该数位上的位权

  14. 2.2.1.1 计数制的基本概念 • 常用的是十进位计数制，简称十进制；就是按照“逢十进一”的原则进行计数的 • 在实际应用中，还使用其它的计数制，如二进制（两只鞋为一双）、十二进制（十二个信封为一打）、二十四进制（一天24小时）、六十进制（60秒钟为一分钟，60分钟为一小时）等等

  15. 2.2.1.1 计数制的基本概念 十进制 (Decimal ) (D) • 十进制大家都很熟悉，例如，一台mp4的价格是399.58元，我们会自动地反映成: 元 • 一个十进制数D可以表示为： 式中， 是第j位数或第j位数码。 为第j位数的权；括号中的10叫做基数r；n位小数位前的位数；m为小数位后的位数。

  16. 2.2.1.1 计数制的基本概念 二进制 (Binary) (B) 2 • 基数： • 数字符号： • 每一位上的位值（权）： • 例： 0、1 • 20、21 、22 、23…2-1 、2-2 、… 1101.11B = 1 ×23＋1 ×22 ＋0 ×21 ＋1 ×20 ＋1 ×2-1 ＋1 ×2 -2 =13.75

  17. 2.2.1.1 计数制的基本概念 八进制(Octal) 8 • 基数： • 数字符号： • 每一位上的位值（权）： 例： 0、1、2、3、4、5、6、7 • 80、81 、82 、83…8-1 、8-2 、… = 3 ×82＋2 ×81 ＋4 ×80 ＋6 ×8-1 324.6o =212.75

  18. 2.2.1.1 计数制的基本概念 十六进制数(Hexadecimal) • 基数 • 数字符号： • 每一位上的位值（权）： 例： 16 0、1、2、… 、9、A、B、C、D、E、F • 160、161 、162 、163…16-1 、16-2 、… D4.CH = 13 ×161 ＋4×160 ＋12 ×16-1 =212.75

  19. 2.2.1.2 数制之间的转换 • 由于计数方式的不同，同一个数在不同进制中的表示方式不同。例如45D，101101B，55O，2DH均表示十进制数45 • 某种进制的数可以转换成其它进制形式表示

  20. 2.2.1.2 数制之间的转换 • 由于任一数都可以按权展开，于是很容易将一个非十进制数转换为相应的十进制数 • 具体的步骤是：将一个非十进制数按权展开成一个多项式，每项是该位的数码与相应的权之积，把多项式按十进制数的规则进行求和，所得结果即是该数的十进制 一、二进制到十进制之间的转换 例：（111010.1）2=1×25＋1×24＋1×23 ＋0×22＋1×21＋0×20+1×2-1 =32+16+8+2+0.5 =58.5

  21. 例：将（35.6875）10转换为二进制数。 ①用除2取余法将整数部分(35)10转换为二进制整数： 2 35 ………… 余数为1 低位 2 17 ………… 余数为1 2 8 ………… 余数为0 2 4 ………… 余数为0 2 2 ………… 余数为0 2 1 ………… 余数为1 高位 0 故：(35)10 = (100011)2 验证：1×25+0 × 24+0 × 23+0 × 22+1 × 21+1 × 20=32+2+1=35 2.2.1.2 数制之间的转换 二、十进制转换成二进制

  22. ②用乘2取整法将小数部分(0.6875)10转换为二进制形式：②用乘2取整法将小数部分(0.6875)10转换为二进制形式： 0. 6875 × 2 1.3750 …… 整数部分为1 高位 0. 3750 × 2 0. 7500 …… 整数部分为0 0. 7500 × 2 1. 5000 …… 整数部分为1 0. 5000 × 2 1. 0000 …… 整数部分为1 低位 即：(0.6875)10 = (0.1011)2

  23. ③ 整数部分与小数部分合并，可得： (35.6875)10 = (100011.1011)2 注意： 在上例中，将十进制小数转换成为二进制小数的过程中，乘积小数部分变成“0”，表明转换结束。实际上将十进制小数转换成二进制、八进制、十六进制小数过程中小数部分可能始终不为零，因此只能限定取若干位为止。 将十进制数转换为八进制、十六进制数的规则和方法与之相同，只是R（基数）的取值不同。

  24. 2.2.1.2 数制之间的转换 三、十六进制转换成十进制 （26A）16=2×162+6×161+10×160 =512+96+10 =618 四、八进制转换成十进制 （423.2）8=4×82+2×81+3×80+2×8-1 总结：十进制、八进制、十六进制之间的转换，比较难计算，而且一般用得很少，最常用的方法是将其转换成二进制，然后再转换一次。

  25. 五、八进制和二进制之间的转换 2.2.1.2 数制之间的转换 • 由于二进制数与2k进制数的基数都是2的幂次，所以二进制数的k位对应于2k进制数的一位。对于非整数的二进制数应分成整数部分与纯小数部分分别加以转换。 • 八进制的基数R=8=23，必须用三位二进制数来构成一位八进制数码，采用分组对应转换法。 • 转换方法：将二进制数转换成八进制数时，首先从小数点位置开始，向左或向右将二进制数的整数和小数部分每三位分为一组，不足三位的分别在整数的最高位前和小数的最低位后加“0”补足，然后写出每一组二进制数所对应的八进制数码即可。

  26. 2.2.1.2 数制之间的转换 二进制和八进制之间的转换 例： （10 100.101 1)2——（？）8 010 100 . 101 100 2 4 . 5 4 八进制和二进制之间的转换 例： （326.125）8——（？）2 3 2 6 . 1 2 5 011 010 110 . 001 010 101

  27. 2.2.1.2 数制之间的转换 六、二进制和十六进制之间的转换 • 由于十六进制数的基数是24，所以二进制数的4位对应于十六进制的数的一位 • 二进制和十六进制之间的转换 (110 1011 1100.1101 1)2 = (01101011 1100.1101 1000)2 = (6BC.D8)16 (F 2 8)16=(1111 0010 1000)2

  28. 2.2.1.2 数制之间的转换 七、八进制到十六进制之间的转换 • 可通过二进制来间接进行。 例 （457）8=（100101111）2=（12F）16

  29. 2.2.1.3二进制数的算术运算 一、二进制的加法运算 • 二进制数的加法运算法则只有四条： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10(向高位进位) 的值。 例：计算 得到：

  30. 二、二进制数的减法运算 • 　二进制数的减法运算法则也只有四条： 0-0=00-1=1(向高位借位) 1-0=11-1=0 例 计算的 值。 得到：

  31. 三、二进制数的乘法运算 二进制数的乘法运算法则也只有四条： 例计算1110×1101的值。 • 得到：

  32. 四、二进制数的除法运算 • 二进制数的除法运算法则如下： 0÷1 = 01÷1 = 1 例 计算 的商和余数。 由算式可知， 得商 余数

  33. 2.2.1.4 二进制信息的逻辑运算 • 表示“真”与“假”、“是”与“否”、“有”与“无”这种具有逻辑属性的变量称为逻辑变量，逻辑变量可以用A，B，C，……或X，Y，Z……来表示 • 对二进制数的1和0赋以逻辑含义，例如用1表示真，用0表示假，将二进制数与逻辑取值对应起来 • 逻辑运算包括三种基本运算：逻辑加法（又称"或"运算） 、逻辑与运算（又称“与”运算）、和逻辑否定（又称"非"运算）

  34. 一、逻辑或运算 • 逻辑或运算通常用符号“+”或“∨”来表示。 • 对于逻辑变量A，B和C，它们的逻辑加运算关系为： A＋B=CA∨B=C，都读作A或B等于C • 若逻辑变量取不同的值，则逻辑或运算规则如下： 0＋0=0 0＋1=1 1＋0=1 1＋1=1 或0∨0=0 0∨1=1 1∨0=1 1∨1=1 • 逻辑或运算的真值表：

  35. 二、逻辑与运算 • 逻辑与运算通常用符号“*”或“∧”或“·”来表示 • 对于逻辑变量A，B和C，它们的逻辑与运算关系为：A*B=CA∧B=C或A·B=C，都读作A与B等于C • 若逻辑变量取不同的值，则逻辑与运算规则如下：

  36. 三、逻辑非运算 • 逻辑非运算表示逻辑的否定，决定一个事件的条件具备（为真）时，这一事件就不会发生（为假）；当决定一个事件的条件不具备（为假）时，这一事件会发生（为真）。 • 逻辑非运算的符号为“̶”，例如对于逻辑变量A和C，其逻辑非运算关系为： • 逻辑非运算规则为： ，

  37. 四、逻辑异或运算 • 异或运算的规则是参与运算的两个操作数相异则计算结果为1，相同则为0 • 逻辑异或运算规则是

  38. 2.2.1.5 信息的计量单位 • 二进制的每一位（即“0”或“1”）是组成二进制信息的最小单位，称为1个“比特”（bit），或称“位元”，简称“位”，一般用小写的字母“b”表示。 • 比特是计算机中处理、存储、传输信息的最小单位。 • 另一种稍大些的二进制信息的计量单位是“字节”（byte），也称“位组”，一般用大写字母“B”表示。一个字节等于8个比特。 • 经常使用的单位有：KB（千字节）；MB（兆字节）；GB（吉字节）；TB（太字节）

  39. 2.2.2 数值和文本信息在计算机中的表示 • 2.2.2.1 整数的表示 • 2.2.2.2 定点数和浮点数的表示 • 2.2.2.3 ASCII 码 • 2.2.2.4 汉字编码方案 • 2.2.2.5 Unicode

  40. 2.2.2.1 整数的表示 一、 基本概念 a. 数值编码：计算机内部表示二进制数的方法 b. 机器数：把一个数及其符号在机器中的表示 加以数值化 c. 真值：机器数所代表的数 计算机中正负号的表示： 通常规定每个字长的最高位为符号位，用“0”表示正数，用“1”表示负数。

  41. 二、 带符号数的原码、反码、补码表示 在计算机中对带符号数的表示方法有原码、补码和反码三种形式。

  42. 1、 数值的原码表示 • 数值的原码表示是指，将最高位用作符号位(0表示正数，1表示负数)，其余各位代表数值本身的绝对值(以二进制形式表示)的表示形式。 例+9的原码：00001001 -9的原码：10001001

  43. 2、数值的反码表示 • 数值的反码表示分两种情况： (1) 正数的反码：与原码相同。 (2)负数的反码：符号位为1，其余各位为该数绝对值的原码按位取反（1变0、0变1）。 例+9的反码：00001001 -9的原码：10001001 -9的反码：11110110

  44. 3、数值的补码表示 • 数值的补码表示也分两种情况： (1) 正数的补码：与原码相同。 (2)负数的补码：符号位为1，其余位为该数绝对值的原码按位取反；然后整个数加1。 例+9的补码：00001001 -9的反码：11110110 -9的补码：11110111

  45. 2.2.2.2 定点数和浮点数 • 计算机处理的数值数据多数带有小数，小数点在计算机中通常有两种表示方法，一种是约定所有数值数据的小数点隐含在某一个固定位置上，称为定点表示法，简称定点数；另一种是小数点位置可以浮动，称为浮点表示法，简称浮点数。

  46. 1、定点数表示法(fixed-point) • 在计算机中通常采用两种简单的约定：将小数点的位置固定在数据的最高位之前，或者是固定在最低位之后。一般常称前者为定点小数，后者为定点整数。 • 定点小数是纯小数，约定的小数点位置在符号位之后、有效数值部分最高位之前。 • 若数据x 的形式为x = x0.x1x2…xn ( 其中x0为符号位，x1～xn是数值的有效部分，也称为尾数， x1为最高有效位 )，则在计算机中的表示形式为：

  47. 定点整数是纯整数，约定的小数点位置在有效数值部分最低位之后。若数据x 的形式为x = x0x1x2…xn ( 其中x0为符号位，x1～xn是尾数， xn为最低有效位 )，则在计算机中的表示形式为： 当数据小于定点数能表示的最小值时，计算机将它们作0处理，称为下溢；大于定点数能表示的最大值时，计算机将无法表示，称为上溢，上溢和下溢统称为溢出。

  48. 2、浮点数表示法(floating-point number) • 与科学计数法相似，任意一个J进制数N，总可以写成 N = J E × M • 式中M称为数 N 的尾数(mantissa)，是一个纯小数；E 为数 N 的阶码(exponent)，是一个整数，J称为比例因子 J E 的底数。这种表示方法相当于数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内可以自由浮动，所以称为浮点表示法。 其中 ES 表示阶码的符号，占一位，E1～En为阶码值，占 n 位，尾符是数 N 的符号，占一位

  49. 2.2.2.3 ASCII码 • 目前使用最广泛的西文字符集及其编码是 ASCII 字符集和 ASCII 码（ ASCII 是 American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码的缩写） • 基本的 ASCII 字符集共有 128个字符，其中有 96个可打印字符，包括常用的字母、数字、标点符号等，另外还有32个控制字符

  50. 表2.4 ASCII码字符编码表

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