大学信息技术导论

《大学信息技术导论》在漫长的人类社会发展的历史长河中，曾经历了四次信息技术革命：语言的形成，文字的创造，造纸术和印刷技术的发明，电报电话、广播电视的普及应用。以电子计算机的普及应用和计算机与现代通信技术有机结合而产生的因特网为主要特征的信息处理技术，则被人们称之为“第五次信息技术革命”。从1946年2月14日正式启用的第一台电子数字计算机ENIAC至今，谁也没有料到，时隔不到60年，这硕大无比的“怪物”竟经历了从主机、微机到网络三个时期的飞跃，并且开创了一个人类文明的新时代——信息时代。本篇将介绍以计算机技术、多媒体技术和网络通信技术为代表的信息技术的发展历程、计算机系统构成等内容。第一部分信息技术基础篇以高新技术为主导的信息化社会也有其“三个代表”•以因特网为代表的网络技术•以纳米为代表的新型材料技术•以基因（基因工程、人类基因组图谱）为代表的生命科学和生物技术第1章信息资源与信息技术的发展1.1信息资源与信息科学1.1.1信息及其主要特征1.1.2信息科学与信息技术1.1.3信息科学理论发展的百年历史1.2信息理论的奠基人与ACM图灵奖1.2.1信息论之父——香农1.2.2图灵与图灵机1.2.3冯·诺伊曼与冯氏结构计算机1.2.4计算机界的诺贝尔奖——ACM图灵奖1.ACM图灵奖2.1997年图灵奖获得者——道格拉斯·恩格尔巴特3.2000年图灵奖获得者——姚期智第1章信息资源与信息技术的发展信息社会是以信息活动为社会发展的基本活动，以信息技术为技术基础，以信息经济为主导经济，以信息产业为主导产业，以信息文化改变人类教育、生活和工作方式以及价值观念的新型社会形态。90年代初，世界十大富翁的头衔被石油大王、船舶大王等所垄断而2000年，微软总裁比尔·盖茨以770亿美元的资产赫然名列前茅微软公司1975年以两千美元注册资金成立具有200年发展历史的美国洛克菲勒公司才仅有50亿美元的资产印度，竟然演绎了一出现代无烟工业的奇迹信息经济（或称知识经济）就是在充分知识化的社会中以信息智力资源的占有、投入和配置，知识产品的生产、分配（传播）和消费（使用）为最重要因素的经济。1.1信息资源与信息科学信息产业—21世纪的朝阳产业•信息产业—21世纪的朝阳产业农业社会——资源经济工业社会——资本经济信息社会——知识经济•美国正投巨资开发运算速度为每秒百万亿次的巨型机,用于模拟核试验•1996年美国进入全球500强的162家公司中，70%以上都与信息业密切相关全球各主要软件国产值对比表（单位：亿美元）国内外软件产业发展概况及中国软件市场的分析1996年美国进入全球500强的162家公司中，70%以上都是与信息业密切相关2002年1月，比尔·盖茨以582亿美元的资产第8次蝉联“世界首富”榜首微软公司从1975年以两千美元注册资金成立到今天已成为美国第一赢利公司进入90年代以来，美国软件产业每年以12.5％的速度增长。2001年美国的软件产值仍然占全球产值的40％强2000年，将软件业列入制造业，将成为美国规模最大的产业。美国是世界上最大的软件生产国和消费国，占有全球软件销售总额的60％以上美国软件业的贸易盈余达到200亿美元软件大国——美国我们的邻邦印度，成为仅次于美国的软件大国其软件产品出口75个国家印度软件产业始于1986年经过十年努力，取得了高速、稳定的发展2000年9月，微软比尔.盖茨访问印度后说：印度已成为一个软件超级大国印度国内目前有大大小小2467家计算机培训中心从事软件业的专业技术人员已达到41万人，软件企业7500家其中5000人以上的公司有16家，万人以上的公司有6家国家级软件技术园区(STD)有17个已通过CMM5级认证的公司2001年3月达到了27家印度人的故事国内外软件产业发展概况及中国软件市场的分析1.1.1信息及其主要特征1．信息的定义信息的含义与特征：信息是用数据作为载体来描述和表示的客观现象；信息可以用数值、文字、声音、图像等多种形式表示；信息是对数据加工提炼的结果，是对人类有用的知识；信息是具有含义的符号或消息，而数据是计算机内信息的载体。显而易见，若想得到信息，必须要将客观世界中的现象和问题通过数据这种媒体记载下来。通常把对各种数据经过加工转换而得到信息的过程称为信息处理（或称数据处理）。数据含义与特征：数据应该是原始的、广义的、可鉴别的抽象符号；数据可以用来描述事物的属性、状态、程度、方式等等；数据符号单独表示时没有任何含义，只有把它们放入特定的场合进行解释和加工，才能使其具有意义并升华为信息。1.1.1信息及其主要特征2．信息的传递与应用信息的传递目前主要有两种方式：通信和广播。通信包括交换、传输，广播包括发射、接收。信息传递方式包括点到点（专线）、一点到多点（组播）、点到面（广播）和可选择的点到点（交换）等。信息的应用非常广阔。认知、科学探索、知识传播、生产流程的控制、管理（宏观管理、微观管理）、娱乐（与声像设备结合）以及人与人之间的交流等，发展都很迅速。人类各种传载信息的手段•古代：烽火台、指南针、语言、文字、纸张、印刷术、风标、号角、邮传驿站、了望塔楼等。•近代：望远镜、显微镜、算盘、手摇机械计算器。•现代：计算机、人造卫星、C4IRS系统、机器人、无人驾驶系统。1.1.1信息及其主要特征3.信息的主要特征（1）信息具有不灭性（2）可传递性和共享性（3）信息的可处理性1.1.1信息及其主要特征1．关于信息科学的定义信息科学是研究信息的获取、表述、存储、识别、编码、处理等传输过程和处理阶段中各种信息问题的科学。信息科学由计算机科学、电子与信息系统科学、半导体、光学和自动化科学等学科组成。学者们提出：“信息科学”中的信息范围不应该再局限于某些特定领域，而应该是多元化的，只有统一的信息科学才是真正的信息科学。但建立统一信息科学理论是项艰巨复杂的工作，它代表着人类对纷繁信息世界的了解，并在理论上有了进一步的升华。信息科学涵盖着从电子学到哲学的许多基本问题，涉猎自然科学、技术科学、人文科学、社会科学。由于统一信息科学关注的信息对象分布在不同领域里，所以，要发现不同领域里信息现象的共同规律是很困难的。所有部门信息科学所涉及的信息问题和人类的生产实践直接相关。而生产实践，也只有生产实践才是推动科学发展的真正动力。1.1.2信息科学与信息技术2．信息技术信息技术是指对信息的搜集、存储、传递、分析、使用等的处理技术和智能技术。具体地讲，包括软件开发技术、通讯网络技术、微电子技术、信息处理技术和多媒体技术，而传感、自控和新材料技术等是信息技术的相关技术。信息技术是目前各领域高新技术的关键和核心，更是信息产业的基础。1.1.2信息科学与信息技术1.1.2信息科学与信息技术现代信息技术电子信息技术:电子感测技术、电子通信技术、电子计算机技术、电子控制技术量子信息技术:量子计算机激光信息技术:激光遥感、光导纤维通讯、激光全息存贮、激光控制技术、激光计算机生物信息技术:生物开关器件、生物存贮器件、生物逻辑器件、生物计算机1.1.3信息科学理论发展的百年历史1854年，英国数学家乔治·布尔创建了逻辑代数理论1924年，尼奎斯特发表了题为“影响电报速率因素的确定”的文章1928年，哈特莱又发表了题为“信息传输”的文章1936年，图灵发表了“论可计算数及其在判定问题中的应用”论文，提出了著名的理论计算机模型——图灵机。1945年，冯·诺伊曼首次发表题为“电子计算机逻辑结构初探”的报告1947年，美国计算机协会ACM在华盛顿哥伦比亚大学成立1950年，图灵在Mind杂志发表文章，提出了测试机器智能的Turing规范。1951年，莫里斯·威尔克斯提出微程序的设计概念1952年，无线电工程师协会创办了电子计算机方面的I.R.E学报信息理论的奠基人1.2信息理论的奠基人与ACM图灵奖1.2信息理论的奠基人与ACM图灵奖香农博士其人香农的硕士论文是关于布尔代数在逻辑开关理论中的应用并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现1941年加入贝尔实验室数学部，在此工作了15年1948年6月《贝尔系统技术》发表了《通信的数学原理》香农在该文中用数理统计方法来研究通信系统定义了信息时代的基本概念：熵和信道容量无失真通讯的传输速率的极限，被称为香农极限图灵其人《论可计算数及其在判定问题中的应用》(1936)获史密斯奖提出了著名的理论计算机的抽象模型——图灵机1938年，图灵取得美国普林斯顿大学博士学位他的博士论文题目是“基于序数的逻辑系统”1951年他被选为英国皇家学会院士。1950年10月发表论文“计算机和智能”提出了测试机器是否有智能的方法——图灵测试1.2信息理论的奠基人与ACM图灵奖冯·诺伊曼冯·诺伊曼在普林斯顿大学任教，对图灵十分欣赏并曾邀请他到他那里工作1945年冯·诺伊曼首次发表了题为“电子计算机逻辑结构初探”的报告将“存储程序”的设想确立为冯氏结构机的设计体系，开始研制EDVAC计算机“存储程序”(storedprogram)的概念，是现代电子计算机的最基本概念之一1945年6月30日，发表了《关于离散变量自动电子计算机的草案》长文EDVAC突出的优点在于：（1）把计算机要执行的指令和要处理的数据都用二进制数表示；（2）把执行指令和处理的数据均按照顺序编成程序存储到计算机内部让它自动执行。1.2信息理论的奠基人与ACM图灵奖计算机界的诺贝尔奖——ACM图灵奖1.ACM图灵奖——1966年，ACM在纪念电子计算机诞生20周年时(亦即图灵逝世12周年)，决定设立计算机世界的第一个奖项——“图灵奖”。到2003年，被誉为“计算机界的诺贝尔奖”的图灵奖已经颁发了38届，共有45位计算机科学家获此殊荣。2.1997年图灵奖获得者——道格拉斯·恩格尔巴特——鼠标器的发明人和超文本研究的先驱。3.2000年图灵奖获得者——姚期智——对计算理论有众多贡献，其中包括伪随机数生成理论的复杂性、密码学、通信复杂性等。近百篇学术论文几乎覆盖了计算复杂性的所有方面；也涉及算法设计与分析的许多重要问题；他的研究结果和所采用的证明方法，常常使一些核心课题的认识和理解产生飞跃。他近期的研究集中于量子通信、量子计算和量子密码学上。在荣获图灵奖之前，在1987年获得波利亚奖，在1996年获得首届克努斯奖，2000年4月当选为美国艺术和科学院数学部院士。现已在清华大学执教。50多年的光辉历程，开创了人类信息社会发展史的三个新纪元：40年代——ENIAC为代表——开创了人类开始用机器代替部分脑力劳动的新纪元80年代——微型机为代表——开创了计算机不再为少数专业人员所拥有和使用并走向普及化的新纪元90年代——因特网为代表——开创了把许多微机连接起来最大限度实现资源共享的新纪元1.3计算工具的演变和计算机的发展1.3.1古算史上的“哥德巴赫猜想”《数术记遗》系中国古算书，位列我国算术的“十经”之一，介绍了我国古代14种算法，除第14种“计数”为心算无须计算工具外，其余13种均有计算工具，分别是：积算(即筹算)、太乙算、两仪算、三才算、五行算、八卦算、九宫算、运筹算、了知算、成数算、把头算、龟算和珠算。“珠算”之名，首见于此。珠算被称为我国“第五大发明”，至今仍在加减运算和教育启智领域发挥着电子计算机无法替代的作用。唐宋以后，《数术记遗》中所述13种算具，除珠算沿用至今外，所有算具均相继失传。由于此书有文无图，且唐宋后绝大多数算具湮没失传，因而，就这些算具的“模样”，中外学者纷纷提出了各自的“猜想”。日本数学史家三上义夫(1875-1950年)、户谷清一，英国著名科学史家李约瑟，中国学者许莼舫、余介石、李迪、周全中、李培业（青海乐都人，著名数学史和珠算史家）等均抱着科学缜密的态度，绘制出了各自的“推想图”，试图破译13种古代算具之谜，而“李培业推想图”则是我国学者在研究这一课题中取得的最重要的成果之一。1992年，曾长期师从李培业教授进行珠算研究的经济师程文茂，率先破译了失传一千多年的“太乙算”，并发明出“太乙算棋”。1999年，程文茂又发明了“世界算盘”，