第1章 信息技术概述

1.1 信息与信息技术

1.1.1 信息与数据

• 信息 (Information):
  • 日常理解: 消息、知识、数据、资料。
  • 正式描述: 事物运动状态和特征的反映。
  • 表现形式: 文字、声音、图片、视频等。
  • 三要素: 物质、能量、信息。
• 相关概念:
  • 信号 (Signal): 信息
    的载体 (如电信号、光信号)。
  • 消息 (Message): 信息的外壳 (如书信、语言)。
  • 数据 (Data): 信息
    的记录形式 (如数字、文字记录)。
  • 关系: 数据是信息的表现，信息是数据的内容。

1.1.2 信息处理

• 定义: 与信息相关的行为和活动。
• 过程:
  • 收集: 感知、测量、获取、输入。
  • 加工: 分类、计算、分析、转换、检索。
  • 存储: 书写、摄影、录音、录像。
  • 传递: 邮寄、出版、电报、电话、广播。
  • 施用: 控制、显示、指挥。
• 人工处理的不足: 算不快、记不住、传不远、看不清。 -> 需要信息技术 (IT)。

1.1.3 信息技术 (Information Technology, IT)

• 定义: 扩展人类信息器官功能，协助进行信息处理的技术。
• 包含内容:
  • 感测与识别技术: 扩展感觉器官 (如雷达)。
  • 通信技术: 扩展神经系统 (如电话、互联网)。
  • 计算与存储技术: 扩展大脑 (如计算机)。
  • 控制与显示技术: 扩展效应器官 (如显示器、机器人)。
• 特征: 以数字技术为基础，以计算机及软件为核心。

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1.2 数字技术基础

1.2.1 比特 (Bit)

• 定义: Binary Digit, 二进制位。
• 取值: 只有 0 和 1。
• 地位: 组成数字信息的最小单位。
• 存储:
  • 电路的高/低电平 (CPU)。
  • 电容的充电/放电 (RAM)。
  • 磁化状态 (磁盘)。
  • 凹凸状态 (光盘)。
• 计量单位:
  • 1 Byte (字节) = 8 bits。
  • KB ($2^{10}$), MB ($2^{20}$), GB ($2^{30}$), TB ($2^{40}$)。
  • 注意: 存储容量通常用 $2^{10}=1024$ 进制; 传输速率 (bps) 通常用 $10^3=1000$ 进制 (如 1Gbps = $10^9$ bps)。

1.2.2 比特的运算

• 逻辑运算:
  • 逻辑加 (OR, $\vee$, +): 有1得1，全0得0。
  • 逻辑乘 (AND, $\wedge$, $\cdot$): 有0得0，全1得1。
  • 取反 (NOT, -): 0变1，1变0。
  • 特点: 按位独立进行，无进位。

1.2.3 进制转换

• 基数 (Radix):
  • 十进制 (D): 基数10，逢10进1。
  • 二进制 (B): 基数2，逢2进1。
  • 八进制 (Q/O): 基数8，逢8进1。
  • 十六进制 (H): 基数16，逢16进1 (0-9, A-F)。
• 转换:
  • R进制 $\to$ 十进制: 按权展开求和 (例如: $101.1B = 1\times2^2 + 0\times2^1 + 1\times2^0 + 1\times2^{-1}$)。
  • 十进制 $\to$ R进制:
    • 整数: 除R取余，逆序排列。
    • 小数: 乘R取整，顺序排列。
  • 二、八、十六互转:
    • 2 $\leftrightarrow$ 8: 3位合1位 / 1位拆3位。
    • 2 $\leftrightarrow$ 16: 4位合1位 / 1位拆4位。

1.2.4 数值表示

• 整数表示:
  • 无符号整数: 全部位用于表示数值。
  • 带符号整数: 最高位为符号位 (0正1负)。
    • 原码: 符号位+绝对值。 (0有两种表示，计算复杂)。
    • 反码: 正数同原码; 负数符号位不变，数值位取反。
    • 补码: 正数同原码; 负数反码+1。
      • 优势: 0只有一种表示; 减法可变为加法 (加负数的补码)。
      • 计算机内部主要使用补码。
• 实数 (浮点数) 表示:
  • 形式: $N = \pm S \times 2^P$ (尾数 + 阶码)。
  • 类似于科学计数法，小数点位置浮动。

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1.3 微电子技术 (选讲)

1.3.1 集成电路 (IC)

• 发展历程: 电子管 -> 晶体管 -> 集成电路。
• 定义: 将晶体管、电阻、电容等元件集成在一块半导体基片(硅)上。
• 分类 (按规模):
  • SSI (小规模) < 100 元件
  • MSI (中规模)
  • LSI (大规模)
  • VLSI (超大规模) > 1000万 (如现代CPU)
• Moore定律 (摩尔定律): 单块集成电路的集成度平均每18-24个月翻一番。

1.3.2 IC卡与RFID

• IC卡 (Smart Card):
  • 接触式 (如电话卡、银行芯片卡)。
  • 非接触式 (如公交卡、身份证)。
• RFID (射频识别):
  • 电子标签，无线通信，用于物流、门禁等。
  • 组成: 标签 (Tag) + 阅读器 (Reader)。