信息技术导论二.学科发展历史及典型问题

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1、信息技术导论第二课第二课 计算机发展历计算机发展历史及典型问题史及典型问题信息技术导论（陈艳） 3内容提要内容提要n计算机发展概述计算机发展概述n计算学科的基本和典型问题计算学科的基本和典型问题n信息技术的发展信息技术的发展一、计算机发展概述n计算机的产生和发展计算机的产生和发展 l 近代计算机的发展近代计算机的发展l 计算机的诞生计算机的诞生l 计算机发展的计算机发展的5个阶段个阶段n计算机应用和分类计算机应用和分类n计算机发展趋势计算机发展趋势信息技术导论（陈艳） 51. 近代计算机发展简史1642 Blaise Pascal加法器加法器加法器加法器Charles BabbageCharl

2、es Babbage1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机MARK IMARK I 冯诺依曼信息技术导论（陈艳） 6算 盘在很早以前人们就碰到了必须计算的问题已经考证的远在旧石器时代刻在骨制和石头上的花纹就是对某种计算的记录。在人类漫长的岁月中人们一直没有停止过对计算工具和计算本质的探索。中国人发明的珠算盘成为先进的计算工具。算盘作为主要的计算工具流行了相当长的一段时间。直到中世纪哲学家们提出了这样一个大胆的问题能否用机械来实现人脑活动的个别功能?信息技术导论（陈艳） 7简单数学运算计算机器的产生简单数学运算计算机器的产生1641年法国人帕斯卡B.Pascal利用齿轮

3、技术制成了第一台加法机1673年德国人莱布尼茨G.W.V.Leibniz在帕斯卡的基础上又制造了能进行简单加减乘除的计算机器19世纪30年代英国人巴贝奇C.Babbage设计了用于计算对数三角函数以及其他算术函数的分析机20世纪20年代美国人布什V.Bush研制了能解一般微分方程组的电子模拟计算机等 计算的这一历史包含了人们对计算过程的本质和它的根本问题进行的探索同时还为现代计算机的研制积累了经验信息技术导论（陈艳） 8查尔斯查尔斯 巴贝奇巴贝奇早在19世纪初叶，英国剑桥大学数学家、机械设计专家、经济学家和哲学家查尔斯巴贝奇（Charles Babbage，1791-1871）发明了差分机差分

4、机（Difference Engine）即可计算等式间的差距。而之后的分析机分析机（Analytical Engine）则尝试用来执行多种类的运算，尽管这台机器在他有生之年并未完成，但其设计方案已经具备了现代电脑的特征（包括齿轮式“存贮仓库”（Store）和“运算室”即“作坊”（Mill），而且还有他未给出名称的“控制器”装置，以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件） 。巴贝奇以他天才的思想，划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构。所以被公认为计算机之父。查尔斯巴贝奇信息技术导论（陈艳） 9 英国著名诗人拜伦的女儿阿达拉芙拉斯伯爵夫人（Ada Augusta Lovel

5、ace，1815-1852）协助巴贝基完善了分析机的设计，指出它可以像提花机那样编程。她发现了编程的基本要素，还编写了伯努利数的程序，因此，被誉为世界上第一位程序员。 差分机分析机信息技术导论（陈艳） 10Mark美国哈佛大学的霍华德艾肯（Howard Aiken，1900-1973）博士在图书馆里发现了Babbage的论文，提出了用机电机电方式，而不是用纯机械方法来构造新的分析机。 1944年在IBM公司的资助下，研制成功了被称为计算机“史前史”里最后一台著名的Mark计算机，将Babbage的梦想变为了现实。这也正是IBM走上计算机产业之路的开始。后来霍华德艾肯继续主持了Mark和Mark

6、计算机的研制工作，但它们已经属于电子计算机的范畴。（这里请注意,20世纪40年代曾经出现过两个被称为Mark的计算机，一个是这里所说的Mark，另一个是英国曼彻斯特大学以威廉斯管的发明人Williams（1911-1977）和汤姆基尔蓬（Tom Kilbrn）为首的研究小组开发的Mark，其原型则被称为“婴儿机”（Baby Machine）。曼彻斯特大学在计算机发展史上也曾经起过重大的作用）信息技术导论（陈艳） 11英国数学家艾兰图灵艾兰图灵（Alan Mathison Turing，l912-1954）是世界上公认的计算机科学奠基人。他的主要贡献有两个：一是建立图灵机(TuringMaChi

7、ne，TM）模型，奠定了可计算理论的基础；二是提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。但在他生活的时代，却完全没有这些赞誉。他不过是一位古怪的数学家、超前的哲学家、神秘的密码破译专家而已，没有人会想到他的思维能燃起信息时代的烈焰。为纪念图灵对计算机科学的贡献，美国计算机学会ACM在1966年创立了“图灵奖”，每年颁发给在计算机科学领域的领先研究人员，号称计算机业界和学术界的诺贝尔奖。图图 灵灵信息技术导论（陈艳） 12图灵机该机器由以下几个部分组成：一条无限长的纸带 TAPE。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号 表示空白。纸带上的格子从

8、左到右依此被编号为 0, 1, 2, . ，纸带的右端可以无限伸展。 一个读写头 HEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。 一套控制规则 TABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。 一个状态寄存器状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。信息技术导论（陈艳） 13图灵测试如果一个人使用任意一串问题去询问两个他不能看见的对象：一个是正常思维的人；一个是机器，如果经过若干

9、询问以后他不能得出实质的区别，则此机器通过图灵试验。信息技术导论（陈艳） 14冯 诺依曼另一个也被称为计算机之父的是冯冯诺伊曼诺伊曼（匈牙利原名Neumann Jnos，英文名John von Neumann，1903年12月28日 1957年2月8日），是匈牙利美国数学家，现代电子计算机创始人之一。他在计算机科学、经济、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都作过重大贡献。1945年，他和他的同事们开始研制了世界上第一台按存储程序思想设计的电子计算机EDVAC，对后来的计算机在体系结构和工作原理上具有重大影响。50多年来，虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面与当时的计算

10、机有很大差别，但基本结构没有变，都属于冯诺依曼计算机。但是，冯诺依曼自己也承认，他的关于计算机“存储程序”的想法都来自图灵。John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼信息技术导论（陈艳） 15冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机存储程序计算机最早是由著名数学家存储程序计算机最早是由著名数学家冯冯诺依曼诺依曼等人在等人在1945年年总结并总结并明确提出来的，因此又被称为冯明确提出来的，因此又被称为冯诺依曼计算机。诺依曼计算机。存储程序计算机在体系结构上主要特点有：存储程序计算机在体系结构上主要特点有：采用存储程序采用存储程序（stored-program）原理原理 以运算单元为中心以运算单元为中

11、心存储器是按地址访问、线性编址的空间存储器是按地址访问、线性编址的空间 控制流由指令流产生控制流由指令流产生 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成 数据以二进制编码数据以二进制编码 存储程序原理存储程序原理:计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用计算机是利用“存储器存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和

12、执行，直至完成全部指令任务为止。直至完成全部指令任务为止。信息技术导论（陈艳） 162. 计算机的诞生19391939年保加利亚裔美国人、依阿华大学年保加利亚裔美国人、依阿华大学教授阿塔诺索夫（教授阿塔诺索夫（John Vincent John Vincent AtanasoffAtanasoff，1903-19951903-1995）因进行数学物理研究需要大）因进行数学物理研究需要大量计算，而当时使用的模拟计算机速度慢、量计算，而当时使用的模拟计算机速度慢、精度低，从而决心设计电子管数字计算机。精度低，从而决心设计电子管数字计算机。在研究生克里福特在研究生克里福特伯瑞（伯瑞（Clifford

13、 Clifford E.BerryE.Berry，1918-19631918-1963）的协助下，于）的协助下，于19411941年年制作了一台雏形计算机制作了一台雏形计算机ABCABC（AtanasoffAtanasoff- -Berry ComputerBerry Computer）信息技术导论（陈艳） 17ENIAC美国宾州大学的物理学教授约翰莫奇莱（John Mauchly，1907- 1980），曾经观摩过ABC计算机，1042年他写了一份备忘录，建议制造电子计算机来完成弹道表的计算。1943年4月美国陆军阿伯丁弹道实验室与宾州大学摩尔学院签订合同，开始研制ENIAC。在埃克特（J.

14、Preper Eckert，l919-1995）、戈德斯坦（Herman H.GoldStine，l913-）等人的共同努力下，1945年秋制成ENIAC，并于1946年2月15日公诸于世。一般认为，ENIAC是世界上第一台电子数字计算机，但不是存储程序计算机。ENIAC信息技术导论（陈艳） 18计算机的几个第一第一台电子数字计算机ENIAC （1946.2, The Moore school of Engineering )Electronic Numerical Integrator and Calculator. 第一台按存储程序思想设计的计算机EDVAC (19451952, Inst

15、itute for Advanced Study in Princeton )Electronic Discrete Variable Automatic Computer 第一台存储程序计算机 EDSAC (In England , 1946 1949)Electronic Delay Storage Automatic Computer 信息技术导论（陈艳） 193、电子计算机的发展n从第一台计算机诞生后，从第一台计算机诞生后，计算机计算机的软、硬的软、硬件都得到迅速发展。件都得到迅速发展。n通常以通常以计算机硬件计算机硬件所使用的主要器件（如所使用的主要器件（如电子管、晶体管、集成电路、

16、大规模集成电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路）电路和超大规模集成电路）将计算机的发将计算机的发展划分为展划分为5个阶段，也称为个阶段，也称为“5代代”。信息技术导论（陈艳） 20第一代计算机（19461957）计算机的早期研究是从20世纪30年代末开始的。当时英国的数学家艾伦图灵在一篇论文中描述了通用计算机应具有的全部功能和局限性，这种机器称为图灵机。1939年，美国衣阿华州大学的约翰阿塔纳索夫教授和他的研究生克利福德贝里一起制作了一台称为ABC（Atanasoff Berry computer）的机器，它是一台仅能求解方程式的专业电子计算机。1944年，哈佛大学德霍华

17、德埃肯博士和IBM公司的一个工程师小组合作，以100万美元的巨资研制了一台称为MarkI的计算机。它的体积很大（高8英尺，长55英尺），速度也很慢（执行一次乘法操作需要35秒）。而且MarkI仅一部分是电子式的，另一部分仍然式机械式的。信息技术导论（陈艳） 211946年，宾夕法尼亚大学的约翰莫克莱博士和他的研究生普雷斯帕埃克特一起研制了称为ENIAC（电子数字积分计算机），它被公认为是世界上第一台电子计算机。ENIAC是一个庞然大物，全机共使用了18000多个电子管，1500多个继电器，占地167平方公尺。ENIAC的运算速度达到每秒钟5000次，这是划时代的“高速度”。ENIAC的诞生，开

18、创了第一代电子计算机的新纪元。1953年，IBM公司生产了第一台商业化的计算机IBM701。随后，IBM公司共计生产了19台这种型号的计算机，满足了当时的需要。 信息技术导论（陈艳） 22第一代计算机的共同特点是：逻辑器件使用电子管；用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备；用磁鼓或磁带作为外存储器；使用机器语言编程。虽然第一代计算机的体积大、速度慢、能耗高、使用不便且经常发生故障，但是它一开始就显示了强大的生命力。信息技术导论（陈艳） 23第二代计算机（19581964）第二代计算机的主要特点是：用晶体管代替了电子管；内存储器采用了磁心体；引入了变址寄存器和浮点运算硬件；利用了I/O处理机提高了

19、输出能力；在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序。信息技术导论（陈艳） 24由于第二代计算机使用了晶体管，与第一代计算机相比，它的体积小、速度快、能耗低、可靠性高。由于高级程序设计语言的广泛使用，将计算机从少数专业人员手中解放出来，成为广大科技人员都能够使用的工具，推进了就计算机的普及与应用。这个时期典型的计算机有IBM公司生产的IBM7094和CDC(Control Data Corporation，控制数据公司)生产的CDC1640计算机等。信息技术导论（陈艳） 25第三代计算机（19651971）195

20、8年，第一个集成电路（integrated circuit，IC）问世。所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅晶片上，故又称其为芯片。小规模集成电路每个芯片上的元件数为100个以下，中规模集成电路每个芯片上则可以集成10010000个原件。1965年，DEC（Digital Equipment Corporation，数字设备公司）推出了第一台商业化的使用集成电路为主要器件的小型计算机PDP8，从而开创了计算机发展史上的新纪元。信息技术导论（陈艳） 26第三代计算机的共同特点是：用小规模或中规模的集成电路来代替晶体管等分立元件；用半导体存储器代替磁心存储器；使用微程序设计技术简化处

21、理机的结构；在软件方面则广泛引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统以及功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。典型的第三代计算机是IBM公司的IBM360和370系列，DEC的PDPX系列等。这些类型的计算机在应用中曾经发挥了重要作用。信息技术导论（陈艳） 27第四代计算机（1972至今）第四代计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。大规模集成电路（large scale integration，LSI/VLSI）每个芯片上则可以集成10000个以上的元件。此外，使用了大容量的半导体存储器作为内存储器；在体系结构方面进一步发展了并行处理、多机系统、分布式计

22、算机系统和计算机网络系统；在软件方面则推出了数据库系统、分布式操作系统以及软件工程标准等。信息技术导论（陈艳） 28在第四代计算机中要算微型计算机最为引人注目了。微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。1975年，第一台商业化的微型计算机MITSAltair问世，它使用了Intel公司的8080芯片。不过，当时的微型计算机并未形成主流，仅仅是面向计算机业余爱好者而已。1977年苹果计算机公司成立，并先后成功开发了“APPLE-1”和“APPLE-II”型的微型计算机系统，使得苹果计算机公司成为微型计算机市场的主导力量之一。1980年IBM公司与微软公司合作，为个人微型计算机IBMPC

23、配置了专门的操作系统，1981年IBMPC机问世。此后许多厂商陆续生产了现在称之为IBM兼容机的类似产品。完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机进入了一个大发展阶段。信息技术导论（陈艳） 29第五代计算机第五代计算机尚在研制之中，而且进展相对比较缓慢。第五代计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力。也就是说，第五代计算机的主要特征是人工智能，它具有一些人类智能的属性，例如自然语言理解能力、模式识别能力和推理判断能力等。生物计算机量子计算机信息技术导论（陈艳） 304、计算

24、机的分类计算机种类很多，可以从不同的角度对计算机进行分类:按计算机的功能分为通用计算机和专用计算机。按照计算机原理分类，可分为数字式电子计算机、模拟式电子计算机和混合式电子计算机。按照计算机性能(运算速度、存储容量、输入输出能力、规模大小、软件配置等）分类，可分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机六大类。 (根据IEEE的一个委员会于1989年11月提出的标准来划分) 来源：中国科学院计算技术研究所信息技术导论（陈艳） 31巨型机（Super Computer） n巨型机也称为超级计算机，在所有计算机类型中其巨型机也称为超级计算机，在所有计算机类型中其占地最大、价格最贵，功能

25、最强，其浮点运算速度占地最大、价格最贵，功能最强，其浮点运算速度最快最快。目前只有少数几个国家的少数几个公司（如。目前只有少数几个国家的少数几个公司（如美国的美国的IBM公司、克雷公司）能够生产巨型机，公司、克雷公司）能够生产巨型机，目前多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的目前多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、中长期大范围天气预设计、空间技术、石油勘探、中长期大范围天气预报以及社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产报以及社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度，已成为衡量一个国家经济实力能力及其应用程度，已成为衡量一个国家经济实力与科技水平的重

26、要标志。与科技水平的重要标志。信息技术导论（陈艳） 32最快的计算机n日前在日前在2009年国际超级计算机年国际超级计算机会议上，美国洛斯阿拉莫斯国家会议上，美国洛斯阿拉莫斯国家实验的实验的IBM Roadrunner(计计算机被评选为世界上最快的超级算机被评选为世界上最快的超级计算机，计算速度达到了每秒计算机，计算速度达到了每秒1.105千万亿次千万亿次(PetaFlops ),而而Cray公司的捷豹公司的捷豹(Jaguar)再再次屈居第二次屈居第二.n09年年5月，中国运算速度最快月，中国运算速度最快的超级计算机曙光的超级计算机曙光“魔方魔方”，每秒峰值运算速度，每秒峰值运算速度超过超过2

27、00万亿次万亿次 。IBM Roadrunner的速度是之前BlueGene/L的两倍还多，它一共拥有116640颗计算核心，由三种不同的处理器组成，包括12960颗改进版的IBM Cell，以及少量的AMD Opteron。Roadrunner超级计算机的布线总长达到了57公里，功率为3.9兆瓦，占地约6000平方英尺，总重超过500000磅。 标志着美国超级计算机领域在11年内完成了一千倍的跨越，从TFlops(1012)进入PFlops(1015)时代，而接下来将是EFlops、ZFlops、YFlops和XFlops(1027)。信息技术导论（陈艳） 33n小巨型机（小巨型机（Mini

28、 super Computer）是小型超级电脑或称桌上型超级计算机，出现于是小型超级电脑或称桌上型超级计算机，出现于1980年代中期。该机的功能略低于巨型机，可满年代中期。该机的功能略低于巨型机，可满足一些有较高应用需求的用户足一些有较高应用需求的用户 n大型主机（大型主机（Mainframe）特点是大型、通用，具有很强的处理和管理能力。特点是大型、通用，具有很强的处理和管理能力。主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和科研主要用于大银行、大公司、规模较大的高校和科研院所。在计算机向网络迈进的时代，用于企业级服院所。在计算机向网络迈进的时代，用于企业级服务器务器n小型机（小型机（Mini Co

29、mputer或或Minis）规模较小，结构较简单、操作简便、维护容易、成规模较小，结构较简单、操作简便、维护容易、成本较低。主要用于科学计算和数据处理，还用于生本较低。主要用于科学计算和数据处理，还用于生产过程的自动控制以及数据采集、分析计算等。产过程的自动控制以及数据采集、分析计算等。 信息技术导论（陈艳） 34n 工作站（工作站（Workstation）是介于是介于PC机与小型机之间的一种高档微机，其运算速度比机与小型机之间的一种高档微机，其运算速度比微机快，且有较强的联网功能。主要用于特殊的专业领域，微机快，且有较强的联网功能。主要用于特殊的专业领域，例如图像处理、计算机辅助设计等。例如

30、图像处理、计算机辅助设计等。n 个人计算机（个人计算机（Personal Computer）即微机。出现于即微机。出现于20世纪世纪70年代，因其设计先进（总是率年代，因其设计先进（总是率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有广大的用户，因而大大推动了计算机的普宜等优势而拥有广大的用户，因而大大推动了计算机的普及应用。及应用。PC机在销售台数与金额上都居各类计算机的榜首。机在销售台数与金额上都居各类计算机的榜首。PC机的主流是机的主流是IBM公司在公司在1981年推出的年推出的PC机系列及其机系列及其众多的兼容机，另外

31、众多的兼容机，另外Apple公司的公司的Macintosh系列机在系列机在教育、美术设计等领域也有广泛的应用。目前，教育、美术设计等领域也有广泛的应用。目前，PC机是无机是无所不在，无所不用，其款式除了台式的，还有膝上型、笔所不在，无所不用，其款式除了台式的，还有膝上型、笔记本型、掌上型、手表型等。记本型、掌上型、手表型等。信息技术导论（陈艳） 355、计算机应用n自自电电子子计计算算机机问问世世以以来来，在在短短短短的的50年年多多年年内内，计计算算机机技技术术以以惊惊人人的的速速度度飞飞速速发发展展，并并广广泛泛深深入入到到科科学学技技术术、国国民民经经济济、社社会会生生活活的的各各个个领

32、领域域，对对人人类类社社会会的发展产生巨大而深刻的影响。的发展产生巨大而深刻的影响。n今天，计算机应用领域如此广泛，以至今天，计算机应用领域如此广泛，以至于很难逐一介绍。于很难逐一介绍。信息技术导论（陈艳） 36科学计算n科科学学计计算算是是计计算算机机应应用用的的一一个个十十分分重重要要的的领领域域。计计算算机机的的发发明明和和飞飞速速发发展展，首首先先是是为为了了解解决决科科学学技技术术和和工工程程设设计计中中存存在在的的大大量量的的数数学学计计算算问问题题。这这类类问问题题的的特特点点是是数数据据量量不不很很大大，而而计计算算量量却却很很大大、很很复复杂杂。例例如如，求求解解上上千千阶阶

33、的的微微分分方方程程组组、几几百百个个方方程程的的线线性性方方程程组组、大大型型矩矩阵阵的的运运算算等等，这这样样的的计计算算任任务务，是是除除计计算算机机之之外外，任何其他计算工具难以完成的。任何其他计算工具难以完成的。n计算机计算的快速性与精确性大大提高了科学计算机计算的快速性与精确性大大提高了科学研究与工程设计的速度和质量，缩短了研制时研究与工程设计的速度和质量，缩短了研制时间，降低了研制成本。例如，卫星发射中卫星间，降低了研制成本。例如，卫星发射中卫星轨道的计算、发射参数的计算、气动干扰的计轨道的计算、发射参数的计算、气动干扰的计算，都需要高速计算机进行快速而精确的计算算，都需要高速计

34、算机进行快速而精确的计算才能完成。才能完成。信息技术导论（陈艳） 37数据处理n数据处理是计算机应用的一个非常重要的领域数据处理是计算机应用的一个非常重要的领域l数据处理泛指任何形式的计算机管理和操纵数据的过程。例如，企业数据处理泛指任何形式的计算机管理和操纵数据的过程。例如，企业管理、库存管理、帐目计算、信息情报检索等。管理、库存管理、帐目计算、信息情报检索等。n数据处理的特点数据处理的特点l是原始数据量大，算术运算比较简单，有大量的逻辑与判断，处理结是原始数据量大，算术运算比较简单，有大量的逻辑与判断，处理结果需以表格或文件形式存入或输出。随着软件技术的发展，特别是数果需以表格或文件形式存

35、入或输出。随着软件技术的发展，特别是数据库技术的发展，计算机在数据处理领域的应用日益广泛。据库技术的发展，计算机在数据处理领域的应用日益广泛。n数据库系统软件数据库系统软件lFoxPro、Oracle、Informix、SQL Server等开发的各种实用等开发的各种实用软件系统，如工资管理系统、档案管理系统、人事管理系统、财务管软件系统，如工资管理系统、档案管理系统、人事管理系统、财务管理系统、企业管理系统等，已经广泛应用于各行各业中，使人们从大理系统、企业管理系统等，已经广泛应用于各行各业中，使人们从大量繁杂的数据统计与管理事务中解脱出来，极大地降低了劳动强度，量繁杂的数据统计与管理事务中

36、解脱出来，极大地降低了劳动强度，极大地提高了工作效率与工作质量。极大地提高了工作效率与工作质量。信息技术导论（陈艳） 38实时控制n实时控制是计算机在过程控制方面的重要应用实时控制是计算机在过程控制方面的重要应用l“实时实时”是指计算机的运算及控制时间与被控制对象的是指计算机的运算及控制时间与被控制对象的真实时间相适应。实时性是以计算机速度为基础的。真实时间相适应。实时性是以计算机速度为基础的。n计算机技术的发展计算机技术的发展l计算机的速度不断提高，计算机的指令周期已降到计算机的速度不断提高，计算机的指令周期已降到ns级，级，使得许多生产过程的实时控制成为可能。使得许多生产过程的实时控制成为

37、可能。l例如，化工生产过程中的压力、流量、温度等参数的控例如，化工生产过程中的压力、流量、温度等参数的控制过程是：制过程是：n首先通过传感器采集压力、流量、温度等参数的值，并将其转首先通过传感器采集压力、流量、温度等参数的值，并将其转换成电信号换成电信号n然后通过然后通过A/D转换器将电信号转换成数字信号，送入计算机转换器将电信号转换成数字信号，送入计算机进行处理。进行处理。n计算机进行快速处理后，发出控制信号，经计算机进行快速处理后，发出控制信号，经D/A转换器转换转换器转换成模拟信号，进而控制生产过程。成模拟信号，进而控制生产过程。信息技术导论（陈艳） 39计算机辅助设计和制造n计算机辅助

38、设计计算机辅助设计l近近年年来来迅迅速速发发展展的的一一个个新新的的应应用用领领域域。为为了了提提高高设设计计质质量量，缩缩短短设设计计周周期期，提提高高设设计计自自动动化化水水平平，人人们们借借助助于于计计算算机机进进行行设设计计，称称之之为为计计算算机机辅辅助助设设计计，简简称称CAD（Computer Aided Design）。目目前前，在在船船舶舶设设计计、飞飞机机设设计计、汽汽车车设设计计、建建筑筑工工程程、服服装装设设计计等等行业中，均己使用计算机辅助设计系统。行业中，均己使用计算机辅助设计系统。nCAD技术的发展技术的发展l带动了计算机辅助制造（带动了计算机辅助制造（CAM）的

39、进步。目前，在许多系统中，的进步。目前，在许多系统中，CAD和和CAM紧密地结合在一起，称为紧密地结合在一起，称为CAD/CAM系统。随着计系统。随着计算机技术的发展，算机技术的发展，CAD/CAM系统已发展成为更高级的计算机集系统已发展成为更高级的计算机集成制造系统（成制造系统（CIMS）。）。lCIMS系统是包含着人、机器、物料、资金和信息等五类活动的复系统是包含着人、机器、物料、资金和信息等五类活动的复杂大系统。系统借助于计算机综合集成的目的，就是使一个生产过杂大系统。系统借助于计算机综合集成的目的，就是使一个生产过程的五类活动能及时配合和很好的兼容，在政治、经济、生态、市程的五类活动能

40、及时配合和很好的兼容，在政治、经济、生态、市场和科学技术进步等环境变化下，使系统有很好的适应性，从而高场和科学技术进步等环境变化下，使系统有很好的适应性，从而高效地进行自动化生产。效地进行自动化生产。信息技术导论（陈艳） 40人工智能n人工智能是计算机科学理论的一个重要的领域人工智能是计算机科学理论的一个重要的领域l人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学，它人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学，它是在控制论、计算机科学、仿生学、生理学等基础上发是在控制论、计算机科学、仿生学、生理学等基础上发展起来的新兴边缘学科。其主要内容是研究感觉与思维展起来的新兴边缘学科。其主要内容是研究感觉

41、与思维模型的建立，图像、声音、物体的识别。模型的建立，图像、声音、物体的识别。n人工智能在机器人研究和应用方面方兴未艾人工智能在机器人研究和应用方面方兴未艾l如，每年都要举行世界杯机器人足球比赛等。对机器人如，每年都要举行世界杯机器人足球比赛等。对机器人视觉、触觉、嗅觉、声音识别等领域的研究已经取得了视觉、触觉、嗅觉、声音识别等领域的研究已经取得了很大进展，手写字的识别研究也取得了可喜的成果，识很大进展，手写字的识别研究也取得了可喜的成果，识别率已达别率已达85以上。以上。l另外，还有模拟训练系统、智能决策系统、专家系统、另外，还有模拟训练系统、智能决策系统、专家系统、知识工程、自学习系统、信

42、息系统等，人工智能也是计知识工程、自学习系统、信息系统等，人工智能也是计算机应用的主要领域。算机应用的主要领域。信息技术导论（陈艳） 41通信和文字处理n计算机在通信和文字处理方面的应用越来计算机在通信和文字处理方面的应用越来越显示出其巨大的潜力，一般由多台计算越显示出其巨大的潜力，一般由多台计算机、通信工作站和终端组成网络。依靠计机、通信工作站和终端组成网络。依靠计算机网络存储和传送信息，实现信息交换、算机网络存储和传送信息，实现信息交换、信息共享、前端处理、文字处理、语音和信息共享、前端处理、文字处理、语音和影像输入输出等。影像输入输出等。n文字处理包括文字信息的产生、修改、编文字处理包括

43、文字信息的产生、修改、编辑、复制、保存、检索、传输等，通信和辑、复制、保存、检索、传输等，通信和文字处理是实现办公自动化、电子邮件、文字处理是实现办公自动化、电子邮件、计算机会议和计算机出版等新技术的必由计算机会议和计算机出版等新技术的必由之路。之路。信息技术导论（陈艳） 42多媒体技术n随着微电子、计算机、通信和数字化声像随着微电子、计算机、通信和数字化声像技术的飞速发展，多媒体计算机技术应运技术的飞速发展，多媒体计算机技术应运而生，迅速崛起。特别是进入而生，迅速崛起。特别是进入20世纪世纪90年代以来，多媒体计算机技术在信息社会年代以来，多媒体计算机技术在信息社会的地位愈来愈明显，多媒体技

44、术与计算机的地位愈来愈明显，多媒体技术与计算机相结合，使其应用几乎渗透到人类活动的相结合，使其应用几乎渗透到人类活动的各个领域。各个领域。n随着应用的深入，人机之间的界面不断改随着应用的深入，人机之间的界面不断改善，信息表示和传播的载体由单一的正文善，信息表示和传播的载体由单一的正文向图形、声音、静态图像、动画、动态图向图形、声音、静态图像、动画、动态图像等多媒体发展。像等多媒体发展。信息技术导论（陈艳） 43网络技术与信息高速公路n随着信息技术的迅速发展，发达国家或部分发展中随着信息技术的迅速发展，发达国家或部分发展中国家都在加紧进行国家级信息基础建设。我国以若国家都在加紧进行国家级信息基础

45、建设。我国以若干干“金金”字工程为代表的信息化建设正逐步走向深字工程为代表的信息化建设正逐步走向深入，形成了整个信息网络技术前所未有的大发展。入，形成了整个信息网络技术前所未有的大发展。n所谓计算机网络是指把分布在不同地域的独立的计所谓计算机网络是指把分布在不同地域的独立的计算机系统用通信设施连接起来，以实现数据通信和算机系统用通信设施连接起来，以实现数据通信和资源共享。网络从地域范围来分为局域网和广域网。资源共享。网络从地域范围来分为局域网和广域网。n著名的因特网（著名的因特网（Internet）是一个非常典型的国是一个非常典型的国际性广域网，它的业务范围主要有远程使用计算机、际性广域网，它

46、的业务范围主要有远程使用计算机、传送文件、电子邮件、资料查询等。传送文件、电子邮件、资料查询等。信息技术导论（陈艳） 44教育n计算机在教育中的应用是通过科学计算、事务计算机在教育中的应用是通过科学计算、事务处理、信息检索、数据管理等多种功能的结合处理、信息检索、数据管理等多种功能的结合来实现的。这些应用包括计算机辅助教学、知来实现的。这些应用包括计算机辅助教学、知识信息系统、自然语言处理等。计算机辅助教识信息系统、自然语言处理等。计算机辅助教学生动、形象、易于理解，是提高教学质量的学生动、形象、易于理解，是提高教学质量的重要手段之一。重要手段之一。n目前，微机己普及到了家庭，可用于娱乐、教目

47、前，微机己普及到了家庭，可用于娱乐、教育、理财、通信、个人数据库等。育、理财、通信、个人数据库等。信息技术导论（陈艳） 45军事n许多科学的新发现、新成就大都首先应用于军事许多科学的新发现、新成就大都首先应用于军事l第第一一台台计计算算机机就就正正是是为为计计算算导导弹弹的的弹弹道道轨轨迹迹而而研研制制的的，之后的每一代产品也几乎是首先为军事服务的。之后的每一代产品也几乎是首先为军事服务的。n计算机在军事上的应用计算机在军事上的应用l主主要要包包括括军军队队自自动动化化指指挥挥系系统统、计计算算机机作作战战模模拟拟、军军事事信信息息处处理理武武器器的的自自动动控控制制、精精确确制制导导武武器器

48、、军军用用机机器器人人、数数字字化化部部队队、后后勤勤保保障障等等。可可以以肯肯定定说说，在在未未来来高高技技术术战争中，计算机将起着非常重要的作用。战争中，计算机将起着非常重要的作用。n应用越来越广应用越来越广l随着计算机技术的不断发展，计算机的应用领域将越来随着计算机技术的不断发展，计算机的应用领域将越来越广，计算机已成为人类社会活中不可缺少的工具。越广，计算机已成为人类社会活中不可缺少的工具。信息技术导论（陈艳） 46信息高速公路社会的信息化n1991年，美国政府提出了为期五年的高性能年，美国政府提出了为期五年的高性能计算与通信（计算与通信（HPC&C,High Performance

49、Computing and Communication）计划。计划。n该计划认为：现在计算已发展成为与实验（设该计划认为：现在计算已发展成为与实验（设计）、理论相并列的第三种科学研究方法（学计）、理论相并列的第三种科学研究方法（学科形态），在不少领域已取代了实验，而且随科形态），在不少领域已取代了实验，而且随着计算机硬件、软件和算法的进步，这种趋势着计算机硬件、软件和算法的进步，这种趋势还会加强。还会加强。 信息技术导论（陈艳） 47高性能计算与通信n内容包括：高性能计算机系统，先进的软内容包括：高性能计算机系统，先进的软件技术和算法，国家研究与教育网络，基件技术和算法，国家研究与教育网络，基

50、础研究与人才资源。础研究与人才资源。n高性能计算与通信支持研究人员更多地参高性能计算与通信支持研究人员更多地参与科学、艺术、教育、文化、工程技术等与科学、艺术、教育、文化、工程技术等多方面的创造性基础研究与交流活动，它多方面的创造性基础研究与交流活动，它将从根本上改变传统的科学技术研究方式。将从根本上改变传统的科学技术研究方式。信息技术导论（陈艳） 48地球村n高性能计算机和高速通信网络的出现，使高性能计算机和高速通信网络的出现，使得人们意识到地球变得越来越小，人与人得人们意识到地球变得越来越小，人与人之间的交流就像大家共同住在一个村庄里，之间的交流就像大家共同住在一个村庄里，十分方便，许多人

51、开始把我们生活的地球十分方便，许多人开始把我们生活的地球称之为地球村。称之为地球村。信息技术导论（陈艳） 49数字地球n利用计算机、通信和互联网技术，建设数字地利用计算机、通信和互联网技术，建设数字地球。所谓数字地球，就是将地球按照坐标的方球。所谓数字地球，就是将地球按照坐标的方式划分成一系列由坐标位置确定的区域，利用式划分成一系列由坐标位置确定的区域，利用图形、图像、文字等多媒体信息构成的有关该图形、图像、文字等多媒体信息构成的有关该区域地理、政治、人文、经济、社会等各种数区域地理、政治、人文、经济、社会等各种数据信息，使人们无论处在什么地方，只要用计据信息，使人们无论处在什么地方，只要用计

52、算机终端的鼠标点击某个区域的坐标，通过互算机终端的鼠标点击某个区域的坐标，通过互联网络，就可以了解该区域的所有基本情况。联网络，就可以了解该区域的所有基本情况。n数字地球，也就是用数字技术对真实地球的一数字地球，也就是用数字技术对真实地球的一种现实模拟得到的一个信息化系统。种现实模拟得到的一个信息化系统。信息技术导论（陈艳） 50信息高速公路n随着高性能计算与通信计划的提出，以计算机随着高性能计算与通信计划的提出，以计算机软硬件技术、光纤通讯技术和网络互联技术为软硬件技术、光纤通讯技术和网络互联技术为基础的基础的“信息高速公路信息高速公路”（Information Super-Highway）

53、的概念和建设计划也被提的概念和建设计划也被提了出来，并由此启动了全球信息社会的建设步了出来，并由此启动了全球信息社会的建设步伐。伐。n有了计算机网络和相应的各种软件，人们可以有了计算机网络和相应的各种软件，人们可以通过网络订票、购物、学习、互通信息、看电通过网络订票、购物、学习、互通信息、看电影、看新闻、账单结算等开展多种活动，许多影、看新闻、账单结算等开展多种活动，许多在以前看来十分困难的事情将不再是天方夜谭。在以前看来十分困难的事情将不再是天方夜谭。信息技术导论（陈艳） 51中国的信息高速公路n由于各方面的重视，我国已先后决策并正由于各方面的重视，我国已先后决策并正在建设在建设“金桥金桥”

54、工程、工程、“金关金关”工程、工程、“金卡金卡”工程、工程、“金税金税”工程、工程、“金企金企”工工程、以后还将建设程、以后还将建设“金智金智”工程、工程、“金农金农”工程、工程、“金卫金卫工程，从政府到各行各工程，从政府到各行各业的一大批企事业单位都在积极上网，建业的一大批企事业单位都在积极上网，建立网络站点，提供网络站点信息，不少城立网络站点，提供网络站点信息，不少城市已经提出了信息化社会建设的规划，国市已经提出了信息化社会建设的规划，国民经济和社会的信息化进程正在加快。民经济和社会的信息化进程正在加快。信息技术导论（陈艳） 525、计算机发展趋势n微型化微型化n巨型化巨型化n网络化网络化

55、n智能化智能化信息技术导论（陈艳） 53计算学科的几大方向计算学科的几大方向nNetwork Computingl各类网络、各类计算平台、各类网络、各类计算平台、IPv6、nHuman Centered ComputinglHCI、AI、智能信息处理、智能信息处理、Cognitive Science、nTrustworthy Computingl信息安全、密码学、高可靠软件、软件工程、形式化方法、信息安全、密码学、高可靠软件、软件工程、形式化方法、nComplex Computing SystemlInternet、Google、海量存储、数据挖掘、信息获取、语义网、海量存储、数据挖掘、信息获

56、取、语义网、HPC、Grid、算法、算法、nComputing in the Inter-Disciplinesl例如例如NBIC（NanoBioInfoCogno）纳米）纳米-生物生物-信息信息-认知、认知、Bioinformatics、信息技术导论（陈艳） 54微型化n随随着着计计算算机机在在世世界界上上日日益益普普及及，个个人人电电脑脑正正逐逐步步由由办办公公设设备备变变为为电电子子消消费费品品。人人们们要要求求电电脑脑除除了了原原有有的的性性能能之之外外，还还有有时时尚尚的的外外观观、轻轻便便小小巧巧、便便于于操操作作等等，如如平平板板电脑、手持电脑、可穿戴电脑。电脑、手持电脑、可穿戴

57、电脑。信息技术导论（陈艳） 55巨型化n社会在不断发展，人类对自然世界的认识活动社会在不断发展，人类对自然世界的认识活动也越来越多，很多情况要求计算机对数据进行也越来越多，很多情况要求计算机对数据进行大量的运算，如，数学命题的证明、行星轨迹大量的运算，如，数学命题的证明、行星轨迹的计算以及航天飞机、宇宙飞船的设计上天等的计算以及航天飞机、宇宙飞船的设计上天等等。这些应用对计算机速度的要求也越来越高。等。这些应用对计算机速度的要求也越来越高。n“巨型化巨型化”在这里并不是通常意义上的大小，在这里并不是通常意义上的大小，主要是指机器的性能主要是指机器的性能运算速度等。如运算速度等。如RoadRun

58、ner信息技术导论（陈艳） 56网络化nInternet网网的的建建立立正正在在改改变变我我们们的的世世界界，改改变变我我们们的的生生活活。网网络络具具有有虚虚拟拟和和真真实实两两种种特特性性，网网上上聊聊天天和和网网络络游游戏戏等等具具有有虚虚拟拟特特性性，而而网网络络通通信信、电电子子商商务务、网网络络资资源源共享则具有真实的特性。共享则具有真实的特性。信息技术导论（陈艳） 57智能化n今后，计算机在我们的生活中扮演的角色今后，计算机在我们的生活中扮演的角色将会更加重要。计算机应用将具有更多的将会更加重要。计算机应用将具有更多的智能特性，能够从事一些智能的工作。如，智能特性，能够从事一些智

59、能的工作。如，智能家电、专家系统、语音识别等。智能家电、专家系统、语音识别等。信息技术导论（陈艳） 58新型计算机n目目前前新新一一代代计计算算机机正正处处在在设设想想和和研研制制阶阶段段。新新一一代代计计算算机机是是把把信信息息采采集集、存存储储处处理理、通通信信和和人工智能结合在一起的计算机系统。人工智能结合在一起的计算机系统。n 新新一一代代计计算算机机将将由由以以处处理理数数据据信信息息为为主主，转转向向以以处处理理知知识识信信息息为为主主，如如获获取取知知识识、表表达达知知识识、存存储储知知识识及及应应用用知知识识等等，并并有有推推理理、联联想想和和学学习习等等人人工工智智能能方方面

60、面的的能能力力（如如理理解解能能力力，适适应应能能力力、思思维维能能力力等等），能能帮帮助助人人类类开开拓拓未未知知的的领域和获取新的知识。领域和获取新的知识。二、计算学科中的根本和典型问题信息技术导论（陈艳） 601.什么是计算学科中的根本问题？ 计算学科的根本问题是:什么能被有效什么能被有效地自动进行地自动进行（即能行性问题），进一步细化后主要有如下三个： （1）计算的平台与环境问题；发明和制造自动计算机器；软件支撑平台的建立等 （2）计算过程的能行操作与效率问题；按照能行可构造的特点与要求，给出实际解决该问题的具体操作，同时还必须确保这样一种过程的开销成本是能够承受的 （3）计算的正确性

61、问题。一个计算问题在给出了能行操作序列并解决了其效率问题之后，必须确保计算的正确性，否则，计算是无意义的信息技术导论（陈艳） 61学科中的典型问题1.哥尼斯堡七桥问题哥尼斯堡七桥问题 18世纪，东普鲁士的哥尼斯堡是一座景致迷人的城市，普勒格尔河横贯其境，并在这儿形成两条支流，把整座城市分割成4个区域（如图）：河的两岸（A和B），河中的岛（C）和两条支流之间的半岛（D）。当时有七座桥横跨普勒格尔河及其支流，把河岸、半岛和河心岛连接起来。有趣的桥群和哥城4区的迷人景色吸引了众多的游客，有人在游览时提出这样的问题：能否从某个地方出发，穿过所有的桥各一次后再回到出发点？ 信息技术导论（陈艳） 622、

62、梵塔问题 传说印度教的主神梵天创造世界时，在印度北部佛教胜地贝拿斯圣庙里，安放了一块黄铜板，板上插着3根针，在其中一根针上自下而上放着由大到小的64个金盘。这就是所谓的梵塔（Hanoi）。梵天要僧侣们坚持不渝地按下面规则把64个盘子移到另一根针上：（1）一次只能移一个盘子；（2）盘子只许在3根针上存放；（3）永远不许大盘压小盘。梵天称，当把他创造世界时所安放的64个盘子全部移到别一根针上时，就是世界毁灭之日。 信息技术导论（陈艳） 633、算法复杂性(P，NP 问题)算法复杂性包括空间和时间上的复杂度。梵塔问题的时间复杂度可用函数O(2n)表示，要完成梵塔的搬迁需要移动盘子264-1=1844

63、6744073709551615（1019数量级）次，如果每秒移动一次一年有31536000秒则僧侣们一刻不停地来回搬动也需要花费大约5849亿年的时间；假定计算机以每秒1000万个盘子的速度进行搬迁则需要花费大约58490年的时间。而当n较大时，计算机就无法处理；相反，当时间复杂度由一个多项式，如O(n2)表示时，则可以处理。在计算复杂性理论中，将所有可以在多项式时间内求解的问题称为P类问题；而将所有在多项式时间内可以验证的问题称为NP类问题信息技术导论（陈艳） 644、哲学家共餐问题 5个哲学家围坐在一张圆桌旁，每个人的面前摆有一碗面条。碗的两旁各摆有一只筷子。假设哲学家的生活除了吃饭就是

64、思考问题（这是一种抽象即对该问题而言其他活动都无关紧要），而吃饭的时候需要左手拿一只筷子，右手拿一只筷子，然后开始进餐。吃完后又将筷子摆回原处，继续思考问题。那么一个哲学家的生活进程可表示为：1思考问题2饿了停止思考左手拿一只筷子如果左侧哲学家已持有它则需等待3右手拿一只筷子如果右侧哲学家已持有它则需等待4进餐5放右手筷子6放左手筷子7重新回到思考问题状态1 现在的问题是如何协调5个哲学家的生活进程使得每一个哲学家最终都可以进餐？ （模拟对多进程互斥地访问有限资源如（模拟对多进程互斥地访问有限资源如I/O设备的问题）设备的问题）信息技术导论（陈艳） 655、其它问题GOTO语句问题及程序设计方法学1968年, Go to statement considered harmful人工智能中的若干哲学问题 机器能象人一样思维吗?图灵测试 Turing Test西尔勒的中文屋子计算机中的博弈问题