信息技術(shù)導(dǎo)論（第3版）課件 ch01信息技術(shù)概論

第一章信息技術(shù)導(dǎo)論（第3版）信息技術(shù)概論普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材01信息與信息技術(shù)概述信息廣義地說，信息(Information)是一切人類的生存活動和自然存在所傳達出來的信號和消息。同物質(zhì)和能源一樣，它是人類生存和社會發(fā)展的三大基本資源之一。信息是客觀世界中的事物在人腦中的反映?，F(xiàn)實世界是一個充滿信息的世界，信息的內(nèi)容千差萬別，有的是看得見、摸得著的有形的客觀事物，如物體的形狀、顏色等信息；有的則是看不見、摸不著的抽象的事物和概念，如商品的價格、氣味、各種理論等信息。01信息與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(Data)是信息在計算機內(nèi)部的表現(xiàn)形式，是一些未經(jīng)組織的事實的集合，如人們看到的形象和聽到的事實。數(shù)據(jù)可以在物理介質(zhì)上記錄或傳輸，并經(jīng)外圍設(shè)備被計算機接收、處理進而得到結(jié)果。02信息與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系信息和數(shù)據(jù)是兩個相互關(guān)聯(lián)、相互依存又相互區(qū)別的概念。數(shù)據(jù)是信息的載體。如數(shù)值、文字、聲音、圖形、圖像和視頻等數(shù)據(jù)都可以表達信息，因此信息是從數(shù)據(jù)中加工、提煉出來的，是抽象出來的邏輯意義，用于幫助人們正確決策的有用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是它的具體表現(xiàn)。根據(jù)不同的目的，可以從原始數(shù)據(jù)中得到不同的信息。雖然信息都是從數(shù)據(jù)中提取的，但并非所有數(shù)據(jù)都能產(chǎn)生信息。03信息與數(shù)據(jù)信息處理與信息系統(tǒng)信息處理就是對所獲得的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、識別、分類、加工、整理、存儲等。長期以來，人類主要使用大腦對信息進行手工處理，計算機的應(yīng)用使信息處理實現(xiàn)了自動化，使數(shù)據(jù)處理的速度更快、效率更高。信息系統(tǒng)是指與信息的收集、存儲、傳遞、加工和利用等有關(guān)的系統(tǒng)。信息系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)等。04信息與數(shù)據(jù)信息技術(shù)01信息技術(shù)信息技術(shù)信息技術(shù)(InformationTechnology,IT)是指對信息獲取、處理、傳輸、控制及綜合應(yīng)用的技術(shù)。在計算機、通信、微電子等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的信息技術(shù)被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)，現(xiàn)在所說的信息技術(shù)多指現(xiàn)代信息技術(shù)。沒有計算機，就不會有現(xiàn)代信息處理技術(shù)的形成和發(fā)展。計算機技術(shù)與通信技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心。通信技術(shù)是信息技術(shù)的先導(dǎo)，是快速、準(zhǔn)確傳遞和交流信息的重要手段，是人類信息傳遞系統(tǒng)功能的延伸和擴展，包括信息檢測、信息變換、信息處理、信息傳遞及信息控制等技術(shù)。信息技術(shù)02信息技術(shù)的發(fā)展(1)語言的使用語言的使用是人類歷史上的第一次信息技術(shù)革命，它使人類信息交流的范圍進一步擴大，交流能力和效率進一步提高，使人類社會生產(chǎn)力得到了跳躍式的發(fā)展。在遠古時期，人類僅能用眼、耳、鼻、舌等感覺器官獲取信息，用眼神、聲音、表情和動作傳遞和交流信息，用大腦存儲、加工信息，在長期的生產(chǎn)生活實踐過程中逐步產(chǎn)生和形成了用于信息交流的語言。信息技術(shù)02信息技術(shù)的發(fā)展(2)文字的使用人類歷史上的第二次信息技術(shù)革命是文字的使用。純語言的信息交流方式在時間和空間上都存在著很大的局限性，人類不再滿足于僅使用語言進行信息的交流與傳遞，逐步創(chuàng)造了各種文字符號表達信息。信息的符號化(文字)使信息的交流和傳遞突破了時空的限制，使信息的傳遞和保存發(fā)生了革命性的變化，從而可以將信息傳遞得更遠，保存的時間更長。信息技術(shù)02信息技術(shù)的發(fā)展(3)印刷術(shù)的發(fā)明活字印刷術(shù)是人類信息技術(shù)的第三次革命。公元1040年，中國的畢昇發(fā)明了活字印刷術(shù)。活字印刷術(shù)的應(yīng)用，使文字、圖形等信息交流更方便、傳遞范圍更廣。通過圖書、報刊等印刷品的流通，信息共享范圍進一步擴大。信息技術(shù)02信息技術(shù)的發(fā)展(4)電報、電話、廣播、電視的發(fā)明電話、電報、廣播、電視的發(fā)明是信息技術(shù)的第四次革命。繼“電”的發(fā)明之后，美國人莫爾斯(Morse)在1837年發(fā)明了電報，英國人貝爾(Bell)在1876年發(fā)明了電話，意大利人馬可尼(Marconi)在1896年發(fā)明了無線電發(fā)報機，英國人貝爾德(Baird)在1924年發(fā)明了最原始的電視機。這些發(fā)明奠定了通信、廣播、電視產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。人們通過電磁信號來表示、發(fā)送和接收文字、聲音、圖像等信息，使得信息的傳遞速度得到了極大的提高。電視、電話的普及與應(yīng)用，使人們突破距離的限制進行實時信息交流，從而讓相互傳遞信息變得更加方便、快捷。信息技術(shù)02信息技術(shù)的發(fā)展（5）計算機、現(xiàn)代通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用20世紀(jì)60年代，計算機的發(fā)明預(yù)示了第五次信息技術(shù)革命的到來。計算機的普及，通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是Internet的興起，使得信息的傳遞、存儲、加工處理等完全實現(xiàn)了自動化。人類社會進入了嶄新的信息化社會，現(xiàn)代信息技術(shù)已成為社會最重要的組成部分。信息技術(shù)03發(fā)展信息技術(shù)的意義發(fā)展信息技術(shù)的意義信息技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對現(xiàn)代社會的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化以及信息化進程產(chǎn)生了巨大的推動作用，對人類生產(chǎn)和生活的各方面產(chǎn)生了極大的影響。信息技術(shù)的發(fā)展對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大的影響，孕育并產(chǎn)生了一個有著無限發(fā)展?jié)摿Φ男畔a(chǎn)業(yè)，信息技術(shù)的重大突破使信息產(chǎn)業(yè)成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)。信息產(chǎn)業(yè)是以信息產(chǎn)生、加工和應(yīng)用為核心的產(chǎn)業(yè)，不僅為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)注入了新的活力，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)自動化和服務(wù)高效化，還改變著整個社會的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，引發(fā)了新的產(chǎn)業(yè)革命。信息產(chǎn)業(yè)的興起必將影響到人們就業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。信息技術(shù)03發(fā)展信息技術(shù)的意義發(fā)展信息技術(shù)的意義信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大大加快了社會信息化建設(shè)的步伐，使全球信息共享成為現(xiàn)實。信息技術(shù)為人們提供了全新的、更加有效的信息獲取、傳遞、處理和控制的手段與工具，增強了人類信息活動的能力，極大地擴展了人類信息活動的范圍和空間。信息技術(shù)對人們的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了巨大的影響，它正在改變著人們的工作和生活方式。家庭信息化和工作家庭化給人類的生活和工作帶來了許多便利，使人們的生活方式從工業(yè)社會中的極端社會化生活逐步演變?yōu)樾畔⑸鐣芯哂袕娏覀€性色彩的個性化生活，使人們獲得更多的生活樂趣。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點01可信計算1可信計算（TrustedComputing）是一種新的信息系統(tǒng)安全技術(shù)，它把人類社會成功的管理經(jīng)驗用于計算機信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)空間，以確保計算機信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)空間的安全可信。什么是可信目前尚未形成統(tǒng)一的定義。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）與國際電子技術(shù)委員會（IEC）在其發(fā)布的目錄服務(wù)系列標(biāo)準(zhǔn)中基于行為預(yù)期性定義了可信性，即如果第二個實體完全按照第一個實體的預(yù)期行動時，則第一個實體認(rèn)為第二個實體是可信的。可信計算組織（TrustedComputingGro叩，TCG）認(rèn)為，可信計算的總體目標(biāo)是提高計算機系統(tǒng)的安全性，確保實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的安全存儲和平臺可信性的遠程證明等目標(biāo)。可信計算包括可信硬件、可信軟件、可信網(wǎng)絡(luò)和可信計算應(yīng)用等方面。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點02云計算2云計算（CloudComputing）還沒有一個公認(rèn)的定義，一般釆用如下定義：“云計算是一種由規(guī)模經(jīng)濟驅(qū)動的大規(guī)模分布式計算模式，通過這種計算模式，實現(xiàn)抽象的、虛擬的、可動態(tài)擴展、可管理的計算、存儲、平臺和服務(wù)等資源池，由互聯(lián)網(wǎng)按需提供給外部用戶”。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點02云計算2云計算具有如下特征。(1)大規(guī)模。云計算是一種分布式計算模式，是由規(guī)模經(jīng)濟驅(qū)動的計算模式。(2)虛擬化。通過虛擬化技術(shù)，云計算把各層次的功能封裝為抽象實體，為用戶提供各層次的云服務(wù)。(3)可靠性。云計算的發(fā)展依賴于云服務(wù)市場，云服務(wù)的發(fā)展依賴于云服務(wù)的可靠性，因此，云計算必須釆取措施來確保服務(wù)的高可靠性，可靠性是云計算必不可少的特性。(4)可擴展性。“云”的規(guī)?？梢詣討B(tài)擴展，以滿足用戶和應(yīng)用規(guī)模不斷增長的需要。(5)動態(tài)配置。云服務(wù)可以按需定制，按需供應(yīng)。(6)經(jīng)濟性。云計算依靠規(guī)模經(jīng)濟，規(guī)模經(jīng)濟帶來的是低成本優(yōu)勢。經(jīng)濟性是云計算的一個重要特征。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點03物聯(lián)網(wǎng)3物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互連互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別(RadioFrequencyIdentification,RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)。信息傳感設(shè)備通過實時釆集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等需要的信息，實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、踉蹤、監(jiān)控和管理。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點03物聯(lián)網(wǎng)3物聯(lián)網(wǎng)具有以下特征。(1)物聯(lián)網(wǎng)是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型的傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。(2)物聯(lián)網(wǎng)是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)和核心仍舊是互聯(lián)網(wǎng)，通過各種有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實時、準(zhǔn)確地傳遞出去。(3)除了提供傳感器的連接，物聯(lián)網(wǎng)也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點04綠色計算4綠色計算(GreenComputing)還沒有一個公認(rèn)的定義。綠色計算是指以環(huán)保的理念設(shè)計、使用計算機及其相關(guān)資源的行為。一般認(rèn)為，綠色計算機就是符合環(huán)保概念的計算機主機和相關(guān)產(chǎn)品(含顯示器、打印機等外設(shè))，具有省電、低噪聲、低污染、低輻射、材料可回收及符合人體工程學(xué)特性的產(chǎn)品。在設(shè)計計算機時，除了需要獲得高性能，也要考慮電力消耗、空間占用、熱耗散等因素，達到節(jié)能、環(huán)保的要求。信息技術(shù)當(dāng)前的研究熱點05信息物理融合系統(tǒng)5信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem,CPS)是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)。信息物理融合系統(tǒng)的概念最早由美國國家基金委員會在2006年提出，其核心是通過3C(Computation,Communication,Control)即計算、通信與控制技術(shù)的有機融合和深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。信息物理融合系統(tǒng)實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計，使系統(tǒng)更加可靠、高效和實時協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。信息社會01信息社會的特征(1)社會生產(chǎn)方式隨著信息社會的發(fā)展，新的生產(chǎn)方式逐漸形成。自動化生產(chǎn)方式代替了傳統(tǒng)的機械化生產(chǎn)方式，進而將人們從繁重的體力勞動中解放出來；從剛性生產(chǎn)方式到柔性生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，使企業(yè)可以根據(jù)市場變化及時調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模和品種；大規(guī)模集中型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模適度的分散型生產(chǎn)方式。(2)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)信息社會必將形成新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)在信息社會將占據(jù)越來越小的比重，信息產(chǎn)業(yè)將迅速發(fā)展并成為全社會的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值將在國民經(jīng)濟總產(chǎn)值中占絕對優(yōu)勢。信息社會01信息社會的特征(3)就業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化必將導(dǎo)致就業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。正如由農(nóng)業(yè)社會到工業(yè)社會的演變，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民向從事工業(yè)生產(chǎn)的工人轉(zhuǎn)移，在信息社會，將有大量的各類勞動者轉(zhuǎn)向信息產(chǎn)業(yè)，從事信息產(chǎn)業(yè)的人數(shù)將占從業(yè)人數(shù)的大多數(shù)。(4)交易方式信息社會交易方式出現(xiàn)了新的變化。信息技術(shù)促進市場迅速發(fā)展，促使真正意義上的全球化市場的形成。信息技術(shù)提供了新的交易手段，電子商務(wù)將成為基本的交易形態(tài)，擴大了市場的交易空間。信息社會01信息社會的特征(5)城市化工業(yè)化社會加快了城市化進程，城市為人們居住的主要聚集地，在完成了工業(yè)化的發(fā)達國家中，城市人口己超過80%0隨著工業(yè)社會向信息社會的演進，中心大城市的發(fā)展速度減緩，中、小規(guī)模城市的發(fā)展速度加快，各種規(guī)模和等級的城市通過發(fā)達的交通網(wǎng)和通信網(wǎng)，形成功能上相互補充、地域上相互滲透的城市群，使其在整個社會經(jīng)濟發(fā)展中都發(fā)揮重要的作用。(6)生活方式在高度信息化的社會，電話網(wǎng)、電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)將形成一個智能化網(wǎng)絡(luò)，遍及社會的各個角落，電話、電視和計算機等數(shù)字化終端將無處不在。信息社會02信息技術(shù)對當(dāng)今社會的影響信息技術(shù)被公認(rèn)為21世紀(jì)的高新技術(shù)之一，已成為世界各國實現(xiàn)政治、經(jīng)濟、文化發(fā)展目標(biāo)的最重要技術(shù)。信息技術(shù)已對人類社會生活的各個領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響，推動了社會生產(chǎn)力的變革，提高了人類社會開發(fā)利用信息資源的能力。信息技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了貿(mào)易電子化、政府信息化、教育信息化和生活便捷化，這是信息技術(shù)發(fā)展的主流。信息技術(shù)的高度快速發(fā)展在給人類帶來巨大的利益和物質(zhì)財富的同時，也對社會產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。信息社會02信息技術(shù)對當(dāng)今社會的影響（1）信息過度增長，將導(dǎo)致信息爆炸，使人們處于一種信息超載的狀態(tài)。（2）社會信息流中混雜著虛假錯誤、荒誕離奇、淫穢迷信和暴力兇殺等信息，這些信息使傳統(tǒng)的道德準(zhǔn)則和價值觀念受到強烈沖擊。（3）工業(yè)社會的財富是資本，而信息社會的財富就是信息，獲取和處理信息的能力造成了新的貧富差距。（4）由于管理方面的疏漏和技術(shù)方面的缺陷，信息系統(tǒng)變得更易受到破壞，信息安全問題時有發(fā)生，已成為世界各國一大社會憂患。02信息處理裝置的發(fā)展機械式計算裝置01機械式計算裝置為了適應(yīng)人類社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，人類發(fā)明了各種計算工具，以適應(yīng)社會生產(chǎn)力的發(fā)展。中國唐末發(fā)明的算盤是人類歷史上最早的一種計算工具。直到現(xiàn)在，算盤在我國還在使用。法國科學(xué)家帕斯卡(B.Pascal)于1642年發(fā)明了齒輪式加、減計算器。在當(dāng)時，這個計算器很有影響。德國著名數(shù)學(xué)家萊布尼茲(W.Leibniz)對這種計算器非常感興趣，在帕斯卡研究的基礎(chǔ)上提出了進行乘、除法計算的設(shè)計思想，并用梯形軸作為主要部件，設(shè)計了一個計算器。它是一個能夠進行四則運算的機械式計算器。齒輪式加、減計算器和機械式計算器都沒有自動計算的功能。機械式計算裝置01機械式計算裝置20世紀(jì)，電工技術(shù)的發(fā)展使得一些科學(xué)家和工程師意識到可以用電氣元件來制造計算機。德國工程師楚澤(K.Zuse)于1938年設(shè)計了一臺純機械結(jié)構(gòu)的計算機Z1,后來他用電磁繼電器對其進行改進，并于1941年研制成功一臺機電式計算機Z3,這是一臺全部釆用繼電器的通用程序控制的計算機。事實上，美國哈佛大學(xué)的艾肯(H.Aiken)于1936年就提出了用機電方法來實現(xiàn)巴貝齊分析機的想法，并在1944年制造出了MARKI計算機。圖靈機在現(xiàn)代計算機的發(fā)展過程中，世界上許多科學(xué)家都做出了很大的貢獻。其中，英國數(shù)學(xué)家艾蘭?圖靈(A.Turing)是最杰出的代表之一，他提出的抽象計算模型，用來精確定義可計算函數(shù)，后來被稱為圖靈機(TuringMachine)的模型。圖靈的基本思想是用機器來模擬人用紙筆進行數(shù)學(xué)運算的過程。他將人的計算過程看成下列兩種簡單的動作：①在紙上寫上或擦除某個符號；②把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置，而每次的下一步動作走向依賴于人當(dāng)前所關(guān)注的紙上某個位置的符號及人當(dāng)前的思維狀態(tài)。為了模擬人的這種運算過程，圖靈構(gòu)造出一臺假想的機器，稱為“圖靈機”。圖靈機圖靈機圖靈機由一個狀態(tài)寄存器、一條可無限延伸的紙帶和一個在紙帶上左右移動的讀寫頭組成，如圖1.1所示。紙帶被劃分為一個接一個的方格，每個格子中可包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個特殊的符號表示空白，紙帶上的方格從左到右依次被編號為0、1、2、…，紙帶的右端可以無限伸展。讀寫頭可以在紙帶上左右移動，既能讀出當(dāng)前所指的方格中的符號，也能改變當(dāng)前格子中的符號。狀態(tài)寄存器用來保存圖靈機當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機現(xiàn)代計算機發(fā)展史01第一臺電子計算機的誕生第一臺電子計算機的誕生1946年初，在美國賓夕法尼亞大學(xué)，由物理學(xué)家莫克利等人研制的世界上第一臺電子計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）正式投入使用。ENIAC計算機是一臺公認(rèn)的“大型”計算機。它的體積為90m3,重30t（噸），占地約120m2,耗電約150kW,使用了約18800只電子管、70000多個電阻、1000多個電容器、6000多個開關(guān)。它的加法運算速度為5000n/s,能在30s內(nèi)計算出從發(fā)射到擊中目標(biāo)飛行1分鐘的彈道軌跡，計算速率比人工計算提高了8400多倍，比當(dāng)時最快的機電式計算機要快1000倍。這臺計算機完全是為了軍用而研制的?，F(xiàn)代計算機發(fā)展史01第一臺電子計算機的誕生第一臺電子計算機的誕生ENIAC雖然極大地提高了運算速度，但它需要在解題前根據(jù)計算的問題連接外部線路，而這項工作在當(dāng)時只能由少數(shù)計算機專家才能完成，而且當(dāng)需要求解另一個問題時，必須重新進行連線，使用極不方便。與此同時，對計算機做出巨大貢獻的美籍匈牙利著名數(shù)學(xué)家馮?諾依曼（JohnVbnNeumann）發(fā)表了《電子計算機裝置邏輯初探》的論文，第一次提出了存儲程序的理論，即程序和數(shù)據(jù)都事先存入計算機中，運行時自動取出指令并執(zhí)行指令，從而實現(xiàn)計算的完全自動化。根據(jù)這一思想，他設(shè)計出了世界上第一臺“存儲程序式”計算機EDVAC（TheElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,電子離散變量自動計算機）,并于1952年正式投入運行。現(xiàn)代計算機發(fā)展史02計算機的四個發(fā)展階段計算機的四個發(fā)展階段第一代計算機（1946—1957年）：采用電子管作為邏輯元件，其主存儲器采用磁鼓、磁芯，外存儲器釆用磁帶、紙帶、卡片等；存儲容量只有幾千字節(jié)，運算速度為每秒幾千次；主要使用機器語言編程，用于數(shù)值計算。這一代計算機的體積大，價格高，可靠性差，維修困難。第二代計算機（1958—1964年）：釆用晶體管作邏輯元件，其主存儲器使用磁芯，外存儲器使用磁帶和磁盤；開始使用高級程序設(shè)計語言；應(yīng)用領(lǐng)域也由數(shù)值計算擴展到數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理和過程控制等方面。相對第一代計算機，這一代計算機的運算速度更高，體積變小，功能更強?，F(xiàn)代計算機發(fā)展史02計算機的四個發(fā)展階段計算機的四個發(fā)展階段第三代計算機（1965—1970年）：邏輯器件釆用了中、小規(guī)模集成電路，其主存儲器開始逐漸釆用半導(dǎo)體器件，存儲容量達幾兆字節(jié)，運算速率可達每秒幾十萬至幾百萬次；體積更小，成本更低，性能進一步提高；在軟件方面，操作系統(tǒng)開始使用，計算機的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴大。第四代計算機（1971年至今年）：邏輯元件采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，集成度大幅度提高，運算速率可達每秒幾百萬次至幾百萬億次，具有高集成度、高速度、高性能、大容量和低成本等優(yōu)點；在軟件方面，系統(tǒng)軟件功能完善，應(yīng)用軟件十分豐富，軟件業(yè)已成為重要的產(chǎn)業(yè)；計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式處理和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等都得到了進一步的發(fā)展和應(yīng)用。計算機的發(fā)展趨勢01計算機的發(fā)展趨勢（1）巨型化巨型化是指發(fā)展高速、大存儲容量和功能更強大的巨型機，以滿足尖端科學(xué)的需要。并行處理技術(shù)是研制巨型計算機的基礎(chǔ)，巨型機能夠體現(xiàn)一個國家計算機科學(xué)水平的高低，也能反映一個國家的經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)實力。（2）微型化發(fā)展小、巧、輕、價格低、功能強的微型計算機，以滿足更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，微機技術(shù)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷問世，芯片集成度和性能不斷大幅度提高，價格越來越低。計算機的發(fā)展趨勢01計算機的發(fā)展趨勢（3）網(wǎng)絡(luò)化計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機技術(shù)中最重要的一個分支，是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。目前，世界各國都在規(guī)劃和實施自己的國家基礎(chǔ)設(shè)施（NationalInformationInfrastructure,Nil）,即國家的信息網(wǎng)絡(luò)。Nil將學(xué)校、科研機構(gòu)、企業(yè)、圖書館、實驗室等部門的各種資源連接在一起，供全體公民共享，使任何人在任意時間、地點能夠?qū)⑽淖帧D像、音頻和視頻等信息傳遞給在任何地點的任何人。（4）智能化智能化是指用計算機模擬人的感覺和思維過程，使計算機具備人的某些智能，能夠進行一定的學(xué)習(xí)和推理（如聽、說、識別文字、圖形和物體等）。計算機的發(fā)展趨勢01計算機的發(fā)展趨勢（5）多媒體化多媒體化是指計算機能夠更有效地處理文字、圖形、動畫、音頻、視頻等形式的信息，從而使人們更自然、有效地使用信息。長期以來，計算機只能提供以字符為主的信息，難以滿足人們的需要；多媒體技術(shù)的發(fā)展使計算機具備了綜合處理文字、聲音、圖形和圖像的能力，而在現(xiàn)實生活中人們也更樂于接受圖、文、聲并茂的信息。因此，多媒體化將成為未來計算機發(fā)展的一個重要趨勢。硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，人們正在研究開發(fā)新型計算機，以使計算機的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型計算機包括量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等。03計算思維計算思維的基本概念01計算思維的基本概念2006年，美國卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)的JeannetteM.Wing(周以真)教授首次提出了計算思維(ComputationalThinking)的概念。她認(rèn)為，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維的基本概念01計算思維的基本概念計算思維具有以下特征：①計算思維是概念化的抽象思維而不只是程序設(shè)計。②計算思維是基本的而不是死記硬背的技能。③計算思維是人的而不是計算機的思維方式。④計算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合。⑤計算思維是思想而不是人造品。⑥計算思維面向所有的人和所有地方。⑦計算思維關(guān)注依舊亟待理解和解決的智力上極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。計算思維的基本概念01計算思維的基本概念計算思維不僅是計算機專業(yè)工作者必須具備的技能，如同人們應(yīng)具備基本的讀、寫和計算技能一樣，每個現(xiàn)代人都應(yīng)該具備。計算思維最根本的內(nèi)容是抽象(Abstraction)和自動化(Automation)o與數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計算思維中的抽象顯得更豐富，也更復(fù)雜。計算思維中的抽象超越物理的時空觀，并完全用符號來表示。計算思維的基本概念01計算思維的基本概念雖然計算思維是近年提出的理念，但計算思維其實早在各學(xué)科領(lǐng)域甚至各行各業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，而且隨著計算技術(shù)的發(fā)展，這種作用將會不斷增強。探討計算思維的目的是使人們在學(xué)習(xí)和應(yīng)用計算機過程中有意識地培養(yǎng)計算思維，更有效地利用計算機分析和解決現(xiàn)實問題。(1)抽象(Abstraction)抽象是指抽取事物的共同的本質(zhì)性特征，即忽略一個主題中與當(dāng)前問題無關(guān)的因素，以便更充分地考慮與當(dāng)前問題相關(guān)的因素。抽象是簡化復(fù)雜問題的有效途徑，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是運用抽象思維解決復(fù)雜問題的典型代表。計算思維的典型方法(2)分解(Decomposition)在計算機科學(xué)中，將大規(guī)模的復(fù)雜問題分解成若干個規(guī)模較小的、更簡單并容易解決的問題加以解決，是一種常用的思維方式。問題分解首先需要明確描述問題，并對問題的解決方法做出決策，把問題分解成相對獨立的子問題，再以相同的方式處理每個子問題，并得到每個子問題的解，直到最終獲得整個問題的解。計算思維釆用了抽象和分解處理復(fù)雜的任務(wù)或者設(shè)計龐大的系統(tǒng)。通過選擇合適的方式陳述問題，或者對一個問題的相關(guān)方面進行建模，從而簡明扼要刻畫復(fù)雜系統(tǒng)，能夠在不必理會每個細節(jié)的情況下安全地使用、調(diào)整和影響一個大型復(fù)雜系統(tǒng)的信息。計算思維的典型方法(3)并行(Parallel)并行是指無論從微觀還是宏觀，事件在系統(tǒng)中同時發(fā)生，是一種重要的計算思維方法。并行計算(ParallelComputing)一般指許多指令得以同時執(zhí)行的模式。在計算機系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用并行技術(shù)提高系統(tǒng)的效率，如指令流水線技術(shù)和多核處理器技術(shù)，前者屬于時間并行，后者屬于空間并行。這兩種技術(shù)體現(xiàn)了運用并行方法解決問題的不同思路。如果各并行活動獨立進行(即以完全平行的方式進行)，問題就相對簡單，只需要建立單獨的程序來處理每項活動即可；如果并行活動之間有交互影響，就需要加以協(xié)調(diào)，因此設(shè)計并行系統(tǒng)較困難。計算思維的典型方法計算思維的典型方法(4)緩存(Cache)在計算機系統(tǒng)中，緩存將未來可能用到的數(shù)據(jù)存放在高速存儲器中，使將來能夠快速得到這些數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的效率。在計算機的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作系統(tǒng)等軟件的設(shè)計中，預(yù)取(Prefetching)和緩存技術(shù)都被用來提高系統(tǒng)的效率。預(yù)取和緩存技術(shù)基于程序的局部性原理，即程序總是趨向于使用最近使用過的數(shù)據(jù)和指令，其訪問行為不是隨機的，而是相對集中的。計算機系統(tǒng)充分利用局部性原理，通過預(yù)存數(shù)據(jù)和動態(tài)調(diào)整策略，提高系統(tǒng)在緩存中命中數(shù)據(jù)的概率，從而以較多的低速大容量存儲器、配合較少的高速緩存，以得到與高速存儲器差別不大的存取效率，并在存儲容量、速度和成本上獲得較好的平衡。計算思維的典型方法(5)排序與索引(Sort&Index)排序是信息處理中經(jīng)常進行的一種操作，將一組元素從“無序”序列調(diào)整為“有序”序列。高效的排序算法是提高信息處理效率的基礎(chǔ)保障。索引是指對具有共性的一組對象進行編目，從而根據(jù)數(shù)據(jù)的某一屬性能夠快速訪問數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中，使用索引可以快速訪問數(shù)據(jù)庫表中的特定信息。排序和索引技術(shù)并非計算機科學(xué)獨有，在圖書和出版行業(yè)早就利用排序和索引進行文獻的管理。例如，每本圖書的目錄就是該書的一個索引。索引也是Web搜索引擎的核心技術(shù)之一。計算機問題求解過程(1)分析問題分析問題是使用計算機進行問題求解的第一步。分析問題的目的就是明確擬解決的問題，并寫岀求解問題的規(guī)格說明。因此，準(zhǔn)確、完整地理解和描述問題是解決問題的關(guān)鍵。一個問題通常會涉及需求、對象和操作三方面的信息，所以問題的規(guī)格說明通常包括要求用戶輸入、輸出的數(shù)據(jù)及形式、問題求解的數(shù)學(xué)模型或?qū)?shù)據(jù)處理的需求、程序的運行環(huán)境等。數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)語言(符號、表達式與圖像)描述的現(xiàn)實問題，是現(xiàn)實問題的公式化表示。用計算機解決問題必須有合適的數(shù)學(xué)模型，對實際問題加以提煉和抽象，并建立數(shù)學(xué)模型的過程稱為數(shù)學(xué)建模。在軟件的開發(fā)過程中，需求分析完成后，形成軟件的需求規(guī)格說明書，程序員要根據(jù)需求規(guī)格說明進行開發(fā)軟件。計算機問題求解過程(2)算法設(shè)計算法設(shè)計是把問題的數(shù)學(xué)模型或處理過程轉(zhuǎn)化為計算機的解題步驟。算法設(shè)計的好壞直接影響著程序的質(zhì)量。對于大型軟件的開發(fā)，算法設(shè)計是一個非常復(fù)雜又重要的階段，通常分為概要設(shè)計和詳細設(shè)計兩個階段。概要設(shè)計階段主要是根據(jù)需求規(guī)格說明建立軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)定設(shè)計約束，制定組裝測試計劃等。詳細設(shè)計階段主要是逐步細化概要設(shè)計所生成的各模塊，并詳細描述程序模塊內(nèi)部的細節(jié)，如工作流程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等，詳細設(shè)計的結(jié)果應(yīng)能方便地轉(zhuǎn)換成程序。計算機問題求解過程(2)算法設(shè)計算法設(shè)計是把問題的數(shù)學(xué)模型或處理過程轉(zhuǎn)化為計算機的解題步驟。算法設(shè)計的好壞直接影響著程序的質(zhì)量。對于大型軟件的開發(fā)，算法設(shè)計是一個非常復(fù)雜又重要的階段，通常分為概要設(shè)計和詳細設(shè)計兩個階段。概要設(shè)計階段主要是根據(jù)需求規(guī)格說明建立軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)定設(shè)計約束，制定組裝測試計劃等。詳細設(shè)計階段主要是逐步細化概要設(shè)計所生成的各模塊，并詳細描述程序模塊內(nèi)部的細節(jié)，如工作流程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等，詳細設(shè)計的結(jié)果應(yīng)能方便地轉(zhuǎn)換成程序。計算機問題求解過程(3)程序編碼程序編碼的主要任務(wù)是用某種程序設(shè)計語言，將前一步設(shè)計的算法轉(zhuǎn)換為能在計算機上運行的程序。在軟件開發(fā)過程中，編碼需要按照需求規(guī)格說明進行。程序編碼涉及一系列的工作，包括：①準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)，制作算法流程圖，測試、調(diào)試及驗證程序等；②檢查每個執(zhí)行步驟;③保存工作的準(zhǔn)確記錄。程序設(shè)計者要養(yǎng)成保存歷史文檔的習(xí)慣，如應(yīng)保存問題的描述與分析文檔、原始圖、數(shù)據(jù)描述與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法源程序和調(diào)試運行的過程記錄等。計算機問題求解過程(4)測試一般來說，編寫程序很難做到一次成功，還需要通過測試和調(diào)試等步驟獲得可正確運行的程序。測試和調(diào)試的主要目的在于發(fā)現(xiàn)(通過測試)和糾正(通過調(diào)試)程序中的錯誤。調(diào)試可分為程序調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試兩階段。在程序編碼階段對程序調(diào)試完畢，要進行系統(tǒng)的整體測試,以便檢測所有的功能是否都正確實現(xiàn)，程序的可靠性如何。軟件測試分為兩種：白盒測試和黑盒測試。黑盒測試是對功能的測試，只關(guān)心輸入和輸出的正確，而不關(guān)注內(nèi)部的實現(xiàn)。白盒測試是測試程序的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，也稱為結(jié)構(gòu)測試。算法與程序的概念01算法算法是對特定問題求解步驟的一種描述，是指令的有限序列，其中每一條指令表示一個或多個操作。算法應(yīng)當(dāng)滿足以下特性。?輸入：零個或多個由外界提供的輸入量。?輸出：至少產(chǎn)生一個輸出量。?確定性：每個指令都有確切的語義，無歧義。?有限性：在執(zhí)行有限步驟后結(jié)束，且每一步都可在有窮時間內(nèi)完成。?可行性：通過執(zhí)行有限次運算可以實現(xiàn)算法中描述的操作。算法的描述有多種方法，一般用自然語言、流程圖和偽代碼進行描述。自然語言描述是指用人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫恼Z言(本國語言)描述算法，優(yōu)點是容易理解。流程圖描述是算法的一種圖形化表示方法，也稱為程序框圖。它描述的算法形象、簡潔、直觀。算法與程序的概念01算法偽代碼描述是介于自然語言和計算機程序語言之間的一種算法描述方法，是專業(yè)軟件開發(fā)人員常用的方法。一個“好”的算法應(yīng)達到以下目標(biāo)。①正確性：算法應(yīng)當(dāng)滿足具體問題的需求。②可讀性：算法便于閱讀、理解和交流。③健壯性：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)非法時，算法應(yīng)能適當(dāng)?shù)刈龀龇磻?yīng)或進行處理，而不會產(chǎn)生莫明其妙的輸出結(jié)果。④執(zhí)行效率高與存儲需求少：效率指的是算法的執(zhí)行時間。對于同一個問題如果有多個算法可以解決，執(zhí)行時間短的算法效率高。存儲需求是指算法執(zhí)行過程中所需的存儲空間。算法與程序的概念02程序程序是為實現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問題，用計算機程序設(shè)計語言編寫的指令序列集合。通過運行相應(yīng)問題算法的程序?qū)崿F(xiàn)使問題得以解決。算法是程序?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)，程序是某一算法的具體實現(xiàn)。一個程序應(yīng)包括對數(shù)據(jù)的描述和對運算的操作兩方面的內(nèi)容。著名的計算機科學(xué)家沃思(NikiklausWirth)就此提出一個公式：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法=程序。04信息的數(shù)字化數(shù)字化編碼的概念01數(shù)字化編碼的概念所謂編碼，就是采用少量的基本符號，按照一定的組合原則，表示大量、多樣、復(fù)雜的信息。基本符號的種類和這些符號的組合規(guī)則是一切信息編碼的兩大要素。例如，用26個英文字母表示英文詞匯，用10個阿拉伯?dāng)?shù)碼表示數(shù)字等，就是典型的編碼例子。計算機廣泛釆用的是只用“0”和“1”兩個基本符號組成的二進制碼。二進制01二進制數(shù)的表示方法數(shù)制，即進位計數(shù)制，是指用統(tǒng)一的符號規(guī)則來表示數(shù)值的方法。數(shù)制有多種形式，我們最熟悉的是十進制數(shù)，而計算機領(lǐng)域中更多的是使用二進制、八進制和十六進制等數(shù)制。數(shù)制中的三個術(shù)語如下。①數(shù)碼：用不同的數(shù)字符號來表示一種數(shù)制的數(shù)值，這些數(shù)字符號稱為“數(shù)碼”。②基：數(shù)制所允許使用的數(shù)碼個數(shù)稱為“基”。③權(quán)：某數(shù)制中每一位所對應(yīng)的單位值稱為“權(quán)（權(quán)值）”。權(quán)=基i，i為數(shù)碼所在位的編號，從小數(shù)點向左依次為0、I、2、3、…，自小數(shù)點向右依次為-1、-2、-3、…。十進制數(shù)有十個基本數(shù)碼0?9,進位原則是逢10進1,基數(shù)為10。依照這個規(guī)律，二進制數(shù)的數(shù)碼為0和1,進位原則是逢2進1,基數(shù)為2。二進制01二進制數(shù)的表示方法十進制與二進制的表示方法如表1.1所示。二進制2.計算機為什么要使用二進制數(shù)（1）實現(xiàn)容易二進制數(shù)只有兩個數(shù)碼：0和1。很多電子器件的物理狀態(tài)有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)容易。例如，晶體管的導(dǎo)通和截止、脈沖的有和無等，都可以用二進制的1和0表示。（2）運算規(guī)則簡單而減法和除法是加法和乘法的逆運算。根據(jù)上述規(guī)則，很容易實現(xiàn)二進制的四則運算。二進制2.計算機為什么要使用二進制數(shù)（3）能方便使用邏輯代數(shù)二進制數(shù)的0和1與邏輯代數(shù)的“假”和“真”相對應(yīng)，可使算術(shù)運算和邏輯運算共用一個運算器，易于進行邏輯運算。邏輯運算與算術(shù)運算的主要區(qū)別在于：邏輯運算是按位進行的，沒有進位和借位。（4）記憶和傳輸可靠電子元件對應(yīng)的兩種狀態(tài)（導(dǎo)通與截止）是一種質(zhì)的區(qū)別，而不是量的區(qū)別，識別起來較容易。用0和1表示電子元件的兩種穩(wěn)定狀態(tài)，工作可靠、抗干擾強、便于存儲，不易出錯。1.非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)轉(zhuǎn)換方法：按權(quán)展開求和。（1）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)（2）八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)（3）十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換方法：整數(shù)部分釆用除基數(shù)取余法，小數(shù)部分釆用乘基數(shù)取整法。數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換3.二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)的基數(shù)有著整慕關(guān)系，每3位二進制數(shù)對應(yīng)1位八進制數(shù)，每4位二進制數(shù)對應(yīng)1位十六進制數(shù)，所以可以分別對應(yīng)進行轉(zhuǎn)換。計算機中的常用編碼1.數(shù)字編碼人們習(xí)慣使用的是十進制，而計算機內(nèi)部釆用二進制進行運算，為了使數(shù)據(jù)在輸入和輸出時更直觀，可以用4位二進制數(shù)的形式直接表示1位十進制數(shù)，這種表示方法稱為二-十進制編碼或稱為BCD(BinaryCodedDecimal)編碼。這種編碼表示的數(shù)，計算機也能直接運算。因4位二進制編碼自左向右每位對應(yīng)的權(quán)為8、4、2、1,所以這種編碼也稱為8421BCD碼。表1.2列出了十進制數(shù)0?15對應(yīng)的8421BCD碼。計算機中的常用編碼2.字符編碼(1)ASCIIASCII是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的一種包括數(shù)字、字母、通用符號、控制符號在內(nèi)的字符編碼集,全稱為AmericanStandardCodeforInformationInterchange(美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼)。ASCII是一種7位二進制編碼，能表示128(27)種國際上最通用的西文字符，是目前計算機中特別是微型計算機中使用最普遍的字符編碼集。ASCII字符集如表L3所示，其中包括4類最常用的字符。①數(shù)字0?9。這里的0?9為10個數(shù)字字符，從表中可以査岀，它們對應(yīng)的ASCII碼值為0110000B-0111001B,習(xí)慣上用十六進制數(shù)表示為30H?39H。數(shù)字符號"0"~"9"的ASCII碼減去30H,即可得到對應(yīng)數(shù)字字符的數(shù)值。計算機中的常用編碼2.字符編碼②字母，包括26個大、小寫的英文字母。字母的ASCII值為41H?5AH,字母的ASCII值為61H?7AH?？梢钥闯觯瑢?yīng)的大、小寫字母的ASCII值相差20H,即小寫字母的ASCII值減去20H,即可得到對應(yīng)的大寫字母的ASCII值。計算機中的常用編碼③通用字符，如“+”、"-”、";”、“，”、“/”和“？"等，共32個。④控制符號，包括空格SP(20H)、回車CR(ODH)、換行LF(OAH)等，共34個。ASCII是一種7位編碼，存放時必須占全1字節(jié)，即占用8位，可表示為b7b6b5b4b3b2bib0,其中，b7一般恒置為0,其余7位便是ASCII值。(2)EBCDIC碼EBCDIC碼即擴展二-十進制交換碼(ExtendedBinary-CodedDecimalInterchangeCode)。這