1、第1單元 信息技術(shù)與計算機計算思維是人類各種思維活動中的一種形式， 也是人類科學(xué)思維的重要組成部分，成為網(wǎng)絡(luò)信息時代業(yè)界探討研究的熱點。計算思維曾經(jīng)作為數(shù)學(xué)思維研究的一部分，比如模擬重現(xiàn)各種自然現(xiàn)象，設(shè)計構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)等等。隨著工業(yè)自動化進程推近到計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類大量機械性勞動和智力活動，很大程度上被自動化、信息化和智能化所取代，使人們曾經(jīng)的許多構(gòu)想甚至是夢想，逐步變成了現(xiàn)實，也使計算思維的方法和觀點得到了廣泛的拓展和應(yīng)用。計算機技術(shù)高度發(fā)達，使我們走進了網(wǎng)絡(luò)無處不在、智能化產(chǎn)品層出不窮、信息技術(shù)無人不用的計算物聯(lián)網(wǎng)信息大數(shù)據(jù)時代。在計算機信息技術(shù)領(lǐng)域，計算（Computing） 不只

2、是數(shù)學(xué)本意，而是整個自然科學(xué)中計算方法（Computing Method）的表達實現(xiàn)工具。以計算思維（Computational Thinking）為核心，可以更好地發(fā)揮計算機信息技術(shù)結(jié)合各學(xué)科專業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用能力的培養(yǎng)。1.1.2 計算思維與計算機科學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的研究涉及計算模型和計算系統(tǒng)及其應(yīng)用。計算思維是基于計算環(huán)境或計算模型實現(xiàn)問題求解，以及如何有效利用計算系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用或進行信息處理的學(xué)科，包括算法模型、計算機軟件體系、硬件系統(tǒng)構(gòu)建方法與設(shè)計的研究。大學(xué)計算機課程涉及知識領(lǐng)域，包括系統(tǒng)平臺、計算環(huán)境、數(shù)據(jù)處理、信息資源管理、計算方法、程序設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)等等，涵蓋了計算

3、思維各個層面上的問題求解的思維與方法。學(xué)習(xí)掌握計算思維能力培養(yǎng)技術(shù)核心，如圖1.1所示。大學(xué)計算機系列基礎(chǔ)課程教學(xué)，不僅要培養(yǎng)掌握和應(yīng)用計算環(huán)境和計算方法，還要培養(yǎng)掌握不同計算環(huán)境下的問題求解技術(shù)方法與綜合創(chuàng)新技能。計算思維在計算機學(xué)科領(lǐng)域，起初主要為計算機學(xué)科類專業(yè)建設(shè)人才培養(yǎng)或?qū)I(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)所提倡和運用。由于計算思維在計算機應(yīng)用開發(fā)過程中，構(gòu)建計算方法和實現(xiàn)算法設(shè)計方面，體現(xiàn)出非常鮮明的計算機科學(xué)的計算特征。于是，人們運用計算思維方法構(gòu)建問題求解過程及算法實現(xiàn)，使計算思維成為學(xué)習(xí)掌握算法設(shè)計、編寫計算機程序和提高軟件研發(fā)能力的核心基礎(chǔ)。1.2.1 計算機與信息技術(shù)信息是客觀世界中以各種形

4、態(tài)存在的各種事物，通過人的感官感知和頭腦加工而形成的對事物的某種認(rèn)識或概念，是一種對人們有用的知識。數(shù)據(jù)則是是載荷信息的載體，計算機數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、文字、圖形、圖像、語言、聲、光、色等有意義描述體的單一載體， 具體地表示了信息的內(nèi)容。計算機信息用數(shù)據(jù)表示，數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后得到新的數(shù)據(jù)，這些新的數(shù)據(jù)表示了新的信息，可以作為決策和控制的依據(jù)。計算機信息處理過程，如圖1.2所示。從計算機誕生開始，計算機軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展，引發(fā)了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命。而信息技術(shù)又隨計算機技術(shù)發(fā)展，訊速結(jié)合并帶動了網(wǎng)絡(luò)通信、傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，使計算機信息技術(shù)成為推動人類社會技術(shù)發(fā)展的社會性技術(shù)。如今，計算機技術(shù)

5、使人類邁向了信息社會的大數(shù)據(jù)時代。例如，在農(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用方面，人們使用傳感設(shè)備采集某種植物葉片標(biāo)本，經(jīng)過數(shù)碼轉(zhuǎn)換技術(shù)，以圖像數(shù)據(jù)的形式輸入計算機，存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，便于檢索使用。又例如，在對于植物標(biāo)本圖像的處理過程， 根據(jù)不同的需求，可采用不同的技術(shù)和方法獲取不同的信息。比如利用圖像識別技術(shù)等提取葉面的構(gòu)造特征，獲取植物生長狀態(tài)各種信息，然后通過自控裝置對植物的水土、養(yǎng)分、溫度和濕度等進行有效的控制，以提高植物生長的產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至還能通過其他綜合數(shù)據(jù)分析，預(yù)估農(nóng)作物產(chǎn)量，最后還可以通過實踐，對整個系統(tǒng)及各個技術(shù)環(huán)節(jié)進行評測和驗證等自動化調(diào)控。上述過程是農(nóng)業(yè)信息化的典型案例，已從實驗室走到田間地

6、頭，其計算機應(yīng)用已超出了簡單的數(shù)據(jù)處理。這個簡單的案例所體現(xiàn)的信息技術(shù)，借助于計算機技術(shù)，綜合了光學(xué)、電子、電氣、自動化、農(nóng)學(xué)、數(shù)學(xué)、管理等各種科學(xué)與技術(shù)，代表了現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用的基本特征。在農(nóng)作物生長過程中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)加以管理和控制，其程序化和規(guī)范化的管理控制所帶來的就是農(nóng)作物生長全過程的自動化、簡約化，甚至有些過程可以實現(xiàn)無人化作業(yè)等等；由此可見信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域所帶來的前景無法估量，意義重大。1.2.2 計算機用戶與計算機系統(tǒng)計算機用戶與計算機系統(tǒng)分層視圖，如圖1.4所示。具備了大學(xué)計算機基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)和能力素質(zhì)，就具備了有效地獲取信息、對信息進行分析與加工的知識和實

7、際能力，就具有了綜合應(yīng)用計算機信息技術(shù)拓展和深入研究自己專業(yè)領(lǐng)域的技能基礎(chǔ)。1.2.3 現(xiàn)代計算機技術(shù)的演變與發(fā)展目前，人們?nèi)粘Ｊ褂煤统Ｒ姷挠嬎銠C一般是通用電子計算機，簡稱微型計算機、微機、個人電腦等?，F(xiàn)代計算機(computer)無論是哪一種機型，它們都有共同的特性，即計算機是一種能夠自動執(zhí)行預(yù)制程序指令，對各種信息高速處理并有記憶存儲能力的電子設(shè)備。馮 諾依曼(Johon Von Neumann)計算機系統(tǒng)杰出的代表人物是美籍匈牙利人馮 諾依曼(Johon Von Neumann)馮 諾依曼是在純粹數(shù)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、量子物理學(xué)、邏輯學(xué)、氣象學(xué)、軍事學(xué)、計算機理論及應(yīng)用、對策論和經(jīng)濟學(xué)等諸領(lǐng)域

8、，都有重要建樹和貢獻的 偉大學(xué)者。馮 諾依曼首先提出了在計算機中存儲程序的概念，使用單一處理單元完成計算、存儲及控制操作。第一代計算機技術(shù)特征電子管計算機時代(1946年到20世紀(jì)50年 代末期)，主要特點是采用電子管作為基本器件， 運算速度一般每秒數(shù)千次至數(shù)萬次。晶體管計算機時代(從20世紀(jì)50年代中期到20世紀(jì)60年代末期)。其主要特征是采用晶體管元件，開始使用磁芯和磁鼓作存儲器，由于體積縮小，功耗降低，從而提高了運 算速度和可靠性，價格卻在不斷下降。以中小規(guī)模集成電路作為計算機的主要元件，采用了更好的半導(dǎo)體內(nèi)存，進一步提高了運算速度和可靠性。1971年起大規(guī)模集成電路使計算機進入了第四代

9、；1971年Intel公司制成了第一批微處理4004，這一芯片集成了2250個晶體管組成的電路，PC(Personal Computer)個人計算機得到迅猛發(fā)展。目前計算機主要朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化五種趨向發(fā)展。2014年最新全球超級計算機運行速度500強榜單中，由中國國防科技大學(xué)研發(fā)的天河2號超級計算機高居榜首。天河2號的運行速度可以達到每秒33.86千萬億次，領(lǐng)先了美國Titan號， 即美國的Titan號排在第二位。自然界兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)比較容易實現(xiàn)，如電壓電平的高與低、開關(guān)的接通與斷開，晶體管的導(dǎo)通和截止等，只需用0、 1 兩個狀態(tài)表示。計算機采用二進制計數(shù)系統(tǒng)。

10、二進制數(shù)計算法則分別為：求和00=001=110=111=10求積00=001=010=011=11.3.1 常用計數(shù)制1.十進制 人們最熟悉的計數(shù)制是十進制，有以下特點：（1） 基本計數(shù)符號有十個09（2） 逢10進位。10例如，一個十進制數(shù)2768.34，它的實際值與基數(shù)的關(guān)系可以這樣表示：2103 + 7102+6101+8100+310-1+410-2= 2768.34二進制是計算機使用的進位計數(shù)制：（1） 基本計數(shù)符號只有兩個0、1（2） 逢2進位，2是進位基數(shù)。(1) 基本計數(shù)符號有8個07(2) 進位，8是進位基數(shù)。(1) 有16個基本符號，09,A、B、C、D、E、F。其中AF

11、對應(yīng)十進制的1015。(2) 逢十六進位，進位基數(shù)為十六?？偨Y(jié)起來，對任何一個L進制均(1) 有0(L-1)(2) 逢L進位。1.3.2 幾種計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1.二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù) 任何進制的數(shù)都可以展開成為一個多項式，其中每項是各位權(quán)與系數(shù)的乘積，這個多項式求和的結(jié)果便是所對應(yīng)的十進制數(shù)。 例如：(11001.01)2=124+123+022+021+120+02-1+12-2=16+8+1+0.25=25.25（1） 將十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。（2） 將十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。（1）二進制轉(zhuǎn)換為八進制(100111101)2分組100，111，101 475所以，(10011110

12、1)2=(475)8又如(0.11011)2分組0.110，11066所以，(0.11011)2=(0.66)8八進制轉(zhuǎn)為二進制是上述方法的逆過程，將每一位八進制數(shù)分別轉(zhuǎn)換為三位二進制數(shù)。4675100110111101所以(4675)8=(100110111101)2010150110.61110E1000 8所以，(1010110.11101)2=(56.E8)16例如：(6BC.D8)1601101011110011011000所以(6BC.D8)16=(11010111100.11011)2 注意在ASCII編碼表里，每個字符編碼用一個字節(jié)（Byte）表示，最高1位不用，只用低7位二進

13、制碼表示27=128個字符編碼。如，用01000010代表字符“B”，用00100110代表字符“&”等。用ASCII碼表示的字符，在任何通用操作系統(tǒng)下，都會以標(biāo)準(zhǔn)字符顯示或打印出來。1.漢字國標(biāo)碼6個字漢字是象形文字，用英文的2母是不能表達的，我國在1981年公布了人民 國家標(biāo)準(zhǔn)信息交換漢字編碼字符集-基本集， 代號是“GB2312-80”，稱為國標(biāo)碼。按國標(biāo)GB2312-80規(guī)定，全部國標(biāo)漢字和圖形符號排列在9494的矩陣內(nèi)，如把行號稱為區(qū)號， 把列號稱為位號，并用十進制表示，則每個漢字 和圖形符號，一定有確定的區(qū)號和位號，規(guī)定區(qū) 號在前，位號在后，即組成了區(qū)位碼。漢字輸入碼也稱為外碼，每個漢字輸入碼對應(yīng)一個漢字，用于輸入漢字時的漢字編碼。漢字輸入編碼方法可分為四類，即字音編碼法、字形編碼法、音形編碼法和整字編碼法。漢字機內(nèi)碼常常稱為漢字的內(nèi)碼，是一個漢字被系統(tǒng)內(nèi)部處理和存儲而使用的代碼。漢字的內(nèi)碼是統(tǒng)一的，ASCII碼為單字節(jié)7位編碼，最高位為0。為區(qū)別用ASCII碼表示的西文和兩個字節(jié)表示的漢字，漢字內(nèi)碼的最高位均為置1。要顯示漢字的字形就需要用點陣形式來組成每一個漢字的字形，稱漢字字形碼。所有漢字字形碼的集合就是我們通常所說的“漢字庫”。一個漢字的點陣越多，輸出的字越細膩， 但占用空間越大。漢字庫中每個漢字字形