第1章 计算机与信息社会概述

计算机科学与工程学院彭珍连第1章计算机与信息社会概述§1.1计算机概述§1.2计算机的应用领域§1.3计算机的特点§1.4信息技术概述1.存储程序式计算机2.计算机发展简史本章内容本章重点1.1.1电子计算机的概念1.电子计算机的分类从工作原理上可分为二大类：电子模拟计算机：用电压的高低来模拟计算数量的大小，即用连续变化的电压来表示运算量的计算机。电子数字计算机：以数字形式的量值在机器内部进行运算的计算机。通常所说的电子计算机都是指电子数字计算机，简称为计算机。§1.1计算机概述2.1945年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼研究一种全兴的存储程序式计算机---“离散变量自动电子计算机”，简称EDVAC。把计算机分为五个组成部分：（1）运算器ALU（2）控制器CU（3）存储器M（4）输入设备I（5）输出设备O具备上述特征的计算机成为冯·诺依曼机。§1.1计算机概述3.计算机的概念：根据冯·诺依曼机，计算机定义为一种可以接收输入、处理数据、存储数据、产生输出的电子设备。•计算机接收输入：指将外部信息输入计算机系统•处理数据：中央处理单元根据指令对数据进行处理•计算机存储数据：计算机必须利用存储器保存程序和数据•计算机产生输出：将计算机生成的结果输出到外部设备§1.1计算机概述计算机可以简单地定义为一种电子设备——是一种能进行高速运算、具有内部存储能力、由程序控制其操作过程的自动电子设备。§1.1计算机概述1.1.2电子计算机发展简史1.第一台电子计算机ENIAC由宾西法尼亚大学莫克利和埃克特研制，1946年2月开始投入使用，用于弹道计算。2.第一台存储程序式电子计算机EDSAC1946年6月，冯·诺依曼教授发表了电子计算机装置逻辑结构初探的论文，并设计出了第一台存储程序式计算机EDVAC,该机直到1952年才正式投入运行。英国剑桥大学威尔克斯教授根据冯·诺依曼机原理设计了EDSAC，于1949年5月研制成功率先投入运行。§1.1计算机概述它用了18000多只电子管，70000多个电阻，10000多只电容，6000多个开关，重达30多吨，占地170平方米，耗电150千瓦，运算速度为每秒5000次加减法。当时用于弹道计算，从台式机械计算机所需的7-10小时缩短到30秒以下，代替了弹道实验室近200名工程师的繁重计算。§1.1计算机概述3.电子计算机的发展的几个阶段⑴第一代电子计算机（1946年－1958年）第一代电子计算机采用电子管作为基本元器件，其体积大、速度慢、耗电多、存储容量小，并会产生大量的热量，而且价格昂贵，需要专门的房间和经过高级培训的操作人员。运算次数几千到几万次/秒。⑵第二代电子计算机（1958年－1964年）第二代计算机用晶体管作为基本元器件。它具有速度快、寿命长、重量轻、体积小、省电等优点。它们普遍使用磁芯存储器为主存储器，用磁盘或磁带作辅助存储器，显著增加了存储容量。产生了FORTRAN、COBOL等高级编程语言。运算次数数十万次/秒。§1.1计算机概述⑶第三代电子计算机（1964年－1970年）1958年，基尔比和诺伊斯发明集成电路。集成电路与晶体管分立元件相比，体积更小，耗电更少，寿命更长，可靠性更高。在软件方面，操作系统、编译系统、编程语言和应用程序都得到了较大发展。运算次数几百万到几千万次/秒。⑷第四代电子计算机（1971年至今）第四代计算机使用大规模集成电路或超大规模集成电路作为基本元器件。1971年Intel公司推出了世界上第一个微处理器Intel4004。1980年IBM公司用Intel8088生产出16位微机IBM-PC，使计算机的应用迅速深入到个人家庭。面向对象编程语言广泛被使用。运算次数百万亿次/秒。§1.1计算机概述4.未来的计算机计算机向着更好、更快、更强的方向发展，主要有四个重要方向：（1）巨型化：尖端领域，如军事、天气预报等。（2）微型化：体积更小，重量更轻。（3）网络化：资源共享和信息交换。（4）智能化：类似的思维能力，如推理、判断等。§1.1计算机概述5.未来的计算机(1)光子计算机：利用光子取代电子，以光互联代替导线而制造的数字计算机。(2)生物计算机：以生物元件构建的计算机。(3)量子计算机:利用处于多现实态的原子进行运算的计算机。相比现有技术，以上几种计算机在容量、计算速度方面都有较大优势，但是技术还未成熟。§1.1计算机概述1.1.3计算机的分类1.按信息处理方式可以分为模拟计算机和数字计算机。2.按用途(1)通用计算机通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各类型的问题。(2)专用计算机功能单一，配有解决特定问题的软硬件，但能高速可靠地解决特定问题。§1.1计算机概述3.按综合性能指标根据计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置等多方面的综合性能指标分为：(1)巨型机也称为超级计算机，如：我国“银河”、“曙光”、“联想”(2)大型机针对那些计算量大、信息流通量大、通讯能力高的要求而设计(3)小型机在微型机出现以前，小型机是计算机中最低的一档。(4)微型计算机，个人计算机PersonalComputer，PC(5)工作站，介于微型机与小型机之间的高档微型计算机系统(6)服务器，在网络环境中为多个用户提供服务的共享设备§1.1计算机概述1.科学计算科学计算也称为数值计算，通常指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。科学计算是计算机最早的也是最基本的应用领域。由于计算机具有高速度、高精度等优点，故现代科学研究和工程设计中它是不可缺少的计算工具。应用领域：人造卫星、原子反应堆和核武器等。§1.2计算机在信息社会中的应用2.数据处理数据处理也称为非数值计算，是指对大量的数据进行加工处理。数据处理的主要功能是将输入设备输入的数据及时地加以记录、整理、计算，以加工出符合特定需要的新信息，并将结果输出。应用领域：办公自动化、全国同类银行联机办理存款支付和情报检索系统等。§1.2计算机在信息社会中的应用3.过程控制过程控制是指用计算机实时采集、检测数据，按最佳值迅速地控制对象进行自动控制或自动调节。利用计算机进行过程控制不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性。应用领域：自控机床、宇宙飞行、核裂变、火星探测和洲际导弹等。§1.2计算机在信息社会中的应用4.计算机辅助系统(1)计算机辅助设计CAD，就是利用计算机及其外围设备和图形输入输出设备帮助人们进行工程和产品设计。目前，CAD广泛用于机械、建筑、服装、航空等行业中。(2)计算机辅助制造CAM，就是用计算机对生产设备进行管理、控制和操作。(3)计算机集成制造系统CIMS,是集CAD、CAM及事务管理三大功能于一体的现代化、自动化生产系统，它能够真正实现无人车间或无人工厂。(4)计算机辅助教学CAI，就是将计算机应用于教学活动，它改变了粉笔加黑板的传统教学方式。§1.2计算机在信息社会中的应用5.人工智能人工智能，是指用计算机软硬件系统来模拟人类某些智能行为，如感知、判断、学习、理解、解决问题等。人工智能研究领域主要包括：模式识别、自然语言理解、博弈、专家系统和机器人等。6.电子商务电子商务是商业的新模式，是指运用现代通信技术、计算机和网络技术进行的一种商务活动。应用：利用网络进行的商品交易与服务、金融汇兑、网络广告或提供娱乐节目等商业活动。§1.2计算机在信息社会中的应用7.多媒体应用多媒体，是文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息的结合。多媒体技术是以计算机技术为核心，将声像技术和通信技术融为一体，提供更丰富的接口界面。应用领域：如视频会议系统、数字化图书馆等。8.虚拟现实虚拟现实是利用计算机生成一种模拟现实的环境，通过多种传感设备使用户投入到该环境中，用户与环境直接进行交互，给用户以逼真体验的技术。应用：如虚拟工厂、数字汽车及虚拟人体等。§1.2计算机在信息社会中的应用1.发展快摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一半。2.性能高主要体现在：运算速度快，计算精度高，记忆能力强，逻辑判断能力强，自动化程度高。3.友善性，用户易于操作4.复杂性现代计算机硬件和软件的复杂程度超出一般人想像。§1.3计算机的特点1.4.1信息的定义1.信息信息即是对各种事物的变化和特征的反映，又是事物之间相互作用和联系的表征。2.数据数据是对某种情况的记录。信息和数据是有区别的，数据是携带信息的载体，而信息则是这个载体所携带的内容，经过加工处理后对管理决策和实现管理目标或任务具有参考价值的数据，是一种资源。§1.4信息技术概述3.信息的基本特征①信息的依附性。信息不能独立存在，信息的传递必须依附于一定的载体。②信息的价值性。信息的价值性体现在两方面体现。信息不能直接提供给人们物质需要，但能满足人们精神生活的需要；信息作用于实践，可以促进物质、能量的生产和使用。信息只有被人们利用才能体现出其价值，并且信息可以增值。§1.4信息技术概述③信息具有价值的相对性。信息作为一种特殊的资源，具有相对价值性，它的价值取决于信息的接受者对信息的需求及其对信息的处理、认识、理解能力。例如，“目前汽油价格高涨，许多加油站用油非常紧张，车子加油要排很长的队，甚至要到几十公里以外的加油站才能加到油”。司机和学生们都获取了这么一条信息，但起的作用是不一样的。④信息的时效性。信息往往反映事物某一特定时刻的状态，随着时间的推移会发生变化。比如：天气预报、股市行情。延迟的信息可使其功效减少或全部消失，甚至可能起到截然相反的作用。§1.4信息技术概述⑤信息具有共享性。信息可以被一次性或多次或同时利用；大家熟悉的Internet可实现全球信息资源的共享。⑥信息可以传递。信息可以通过报纸、电视、广播、交流、Internet网等方式传递。⑦信息可以处理。信息可以被压缩、存储、有序化、转换形态，也可以进行分类、比较、综合、研究、编制等。§1.4信息技术概述1.4.2信息技术内容信息技术（InformationTechnology，IT）是利用计算机处理、存储和传输信息的技术。1.信息基础技术信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。近几十年来，影响最大的是微电子技术和光电子技术。§1.4信息技术概述2.信息系统技术信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。(1)信息获取技术获取信息是利用信息的先决条件，例如传感技术、遥测技术、遥感技术等。(2)信息处理技术信息处理技术是指对获取的信息进行识别、转换、加工，使信息安全地存储、传输，并能方便地检索、再生、利用，或便于人们从中提炼知识、发现规律的工作手段。§1.4信息技术概述(3)信息传输技术就是指通信技术，是现代信息技术的支持。如信息光纤通信技术、卫星通信技术等。(4)信息控制技术指利用信息传递和信息反馈来实现对目标系统进行控制的技术，如导弹控制技术等。在信息系统中，对信息实施有效的控制是利用信息的重要前提。目前，人们把通信技术、计算机技术和控制技术合称为3C（Communication、Computer、Control）技术，3C技术是信息技术的主体。§1.4信息技术概述3.信息应用技术信息应用技术是针对种种实用目的，如信息管理、信息控制、信息决策而发展起来的具体的技术群类，如工厂自动化、办公自动化和互联通信技术等。§1.4信息技术概述1.信息素养信息素养（InformationLiteracy）是传统文化素养的延伸和拓展，其概念由美国信息产业协会主席保罗.泽考斯基于1974年提出，主要包括文化素养（知识层面）、信息意识（意识层面）和信息技能（技术层面）三个方面。信息素养不仅包括熟练运用当代信息技术获取、识别、加工、传递和创造信息的基本技能，更重要的是在当代信息技术所创造的新环境中独立学习的能力及创新意识、批判精神及强烈的社会责任感和参与意识，注重人文和社会因素，以信息获取和信息组织为基础，以社会道德、法律意识和创造性能力的培养为核心。§1.5信息素养与计算机用户的社会责任1