计算机与信息技术

1、计算机与信息技术,第1章,第2页,主要内容：,了解： 计算机发展历程及中国计算机发展概况。主要内容包括计算机系统的概念、硬件和软件的发展简史、计算机分类等。 信息的基本概念、内容、特征、作用。 计算机在信息社会中的应用。主要内容包括应用领域、案例、影响等。 未来计算机的发展。主要内容包括计算技术的发展方向、未来计算机和信息技术的展望。,第3页,主要知识点,信息表示 计算机发展 未来计算机 计算机应用领域,第4页,一、计算机技术的发展和展望,计算机的发展历程 未来计算机可能的发展方向,第5页,什么是计算机？,计算机:是一台能存储程序和数据，并能自动执行程序的机器；是一种能对各种数字化信息进行处理

2、，协助人们获取信息、处理信息、存储信息和传递信息的工具。,第6页,1、计算机的发展历程,计算机技术的发展 算筹 算盘、计算尺机械式计算机 电子计算机 电子计算机的发展 电子管晶体管集成电路 大规模集成电路,第7页,手工到机械自动 史前时期，我们的祖先就采用石块和贝壳记数； 唐代时期，开始使用算盘； 17世纪，出现了计算尺； 1642年，法国数学家Pascal创造了第一台能完成加、减运算的机械计算器，计算税收； 1822年，英国数学家巴贝奇提出了自动计算机的基本概念，并设计出差分机和分析机； 机械计算到电动计算 1884年，美国工程师霍雷斯创造了第一台电动计算机,用于人口普查； 1944年，美国

3、哈佛大学数学教授霍华德阿肯提出设计思想，由IBM承建，设计出“马克1号”计算机。 机电全自动到电子数字 1946年，第一台数字式计算机ENIAC诞生在美国，从此人类社会进入以计算机为主导的信息时代。,第8页,1642年 Pascal 加法器,1822年 巴贝奇 差分机,1833年 巴贝奇 分析机,1944年 阿肯 MARK I,1946年 ENIAC,唐朝,第9页,电子计算机,现代计算机,冯诺依曼,ENIAC,晶体管计算机,世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC,宾州大学 (Electronic Numerical Integrator And Computer) （数字积分电子计算机） 重

4、达30吨，使用18000支电子管，70000个电阻，10000支电容， 耗电150KW，占地170平方米，运算速度5000次/秒加、减法运算。(不具备在计算机内存储程序的特征.),第10页,第一台个人计算机,IBM 5150,第11页,史上第一台笔记本电脑,Osborne 1,第12页,世界上第一个鼠标,第13页,第一款计算机游戏,SpaceWar,第14页,现代微型计算机,微机,第15页,现代的家用计算机,iMac,第16页,现代的笔记本计算机,iBook,第17页,微型计算机及微处理器,从 4004 到Pentium 4 早期的微型计算机,Intel4004微处理器芯片,例,例,第18页,

5、返回,Intel4004微处理器芯片,包含2300个晶体管，支持45条指令，工作频率1MHz，尺寸规格为3mm4mm。计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。,第19页,“奔腾（Pentium）”微处理器在2000年11月发布，起步频率为1.5GHz，随后陆续推出了1.4GHz-3.2GHz的P4处理器，这也是目前最新型的微处理器。,返回,Pentium微处理器,第20页,计算机发展史,计算机发展历程,第一代 （19461957） 电子管计算机 5千4万（次/秒),第二代 （19581964） 晶体管计算机 几十万百万（次/秒）,第三代 （19641969） 中小集成电路 百万

6、几百万（次/秒）,第四代 （197090年代） 大规模集成电路 几百万几亿（次/秒）,第21页,中国计算机的发展,大型机及巨型机 银河、曙光、神威 微型机 长城、联想、方正 中央处理器 “龙芯”芯片（2001）、曙光推出具有中国知识产权“龙腾”服务器（2002）。 软件 YHOS 、CCDOS、WPS、LinuxOS、COSIX64、OpenBASE,曙光3000超级计算机,王安磁芯存储器,第22页,2、计算机的未来,未来电子计算机的发展方向 巨型化、微型化、网络化、智能化 应用其他技术的计算机 光计算机、生物计算机、分子计算机、量子计算机、DNA计算机,第23页,摩尔定律 计算的能力每18个

7、月翻一番 性能价格比 在过去20年里1,000,000倍增长 在未来20年里1,000,000倍的增长 摩尔定律在过去的35年里已被证实了他的准确性 在未来至少35年中它还将发挥作用,第24页,微型化就是进一步提高集成度，利用高性能的超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型计算机。例如，腕式计算机。,图片,第25页,智能化是指让计算机具有模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，使计算机具备逻辑推理、学习等能力。 目前，已研制出各种“机器人”，有的能代替人从事各种复杂、危险的劳动，有的能与人下棋等。 例如，IBM公司研制的“深蓝”计算机，每秒能执行50100亿

8、次运算，每秒能计算出200 300万步棋。1996年2月10日，超一流国际象棋大师卡斯帕罗夫以三胜两和一负的成绩战胜了“深蓝”。但在1997年5月12日，这位历史上最伟大的人类旗手却败在“更深的蓝”计算机手下。,智能机器人,第26页,二、计算机与信息处理,信息及信息科学 基于计算机的信息处理过程,信息的表示和采集 信息的存储和组织 信息的传输和检索,第27页,1、信息科学与技术,信息： 区别于物质与能量的第三类资源 信息科学： 以信息为主要研究对象的科学 信息技术： 有效应用信息资源的技术体系 信息产业,第28页,数据 对现实世界中客观事物的符号表示 可以是数值数据，也可以是非数值数据，如声音

9、、图像等 计算机中数据 能输入计算机，并能为其处理的符号序列,第29页,例，一幅黑白图象 数据黑白点阵,信息脸谱,第30页,信息与数据的联系 数据是信息的符号表示，或称载体 信息是数据的内涵，是数据的语义解释 数据是符号化的信息 信息是语义化的数据,第31页,2、基于计算机的信息处理过程,信息的表示方法 信息的采集 信息的存储 信息的组织 信息的传输和检索,第32页,计算机最主要的功能就是处理信息，而信息在计算机中如何表示、存放、传递？这是首先要解决的问题。 基本要求是：信息的表示、存放和传递要方便、可靠、易处理。 显然，在计算机内部，信息只有经过数字化编码后才能表示、存放和传递。 所谓编码，

10、就是用少量的基本符号，根据简单的组合规则，以表示大量复杂的信息。 二进制是一种最简单的编码系统。,第33页,计算机中的信息采用二进制编码来表示。 二进制表示数字容易实现（只有0、1）。 二进制运算规则简单（逢二进一）。 二进制编码在物理上最容易实现；自然界中具有两个固定状态的物理量很多，例如：电流的有无、电压的高低等。,第34页,信息的常用单位有“位”、“字节”、“字”三种： 位（Bit）表示一位二进制信息（最小单位） 字节（Byte）一个字节8位二进制数字组成（是信息的基本存储单位） 字（Word）是位的组合，在计算机中作为一个独立的信息单位处理。不同的机器类型，字长是不同的，常用的字长有8

11、位、16位、32位等。如某个字由4个字节组成，则它的字长是32位，相应的计算机称为32位机。,第35页,计算机是美国人发明的，因此计算机的字符集中自然包含了英文的26个字母。 计算机要在全世界通用，必须采用公认的标准格式对字符、符号进行编码。 常用的字符编码有ASCII码、BCD码、西文字符编码和EBCDIC码。,第36页,汉字要比英文字母多得多，如何解决汉字的编码问题，这是用计算机处理汉字首先要解决的一个最大难题。 汉字处理又包括两方面：汉字输入和汉字识别。英文的26个字母在键盘上都有，但上万个汉字是无法放在一个键盘中。 处理汉字就要解决汉字的输入、编码、在计算机中保存、汉字转换识别等一系列

12、问题。,第37页,多媒体信息表示,采集量化编码,第38页,信息的采集,传统的信息采集方法 多媒体信息的采集 声音采样率采样精度 图形分辨率像素位深度,第39页,未经压缩的信息容量,第40页,信息的组织,信息组织的层次结构 位、字节、域、记录、文件和数据库 文件的结构和特点 数据库技术,第41页,信息的传输,信息传输的主要途径 互联网络 网络技术 网络设备 网络的层次结构 网络协议 局域网/城域网/广域网,第42页,信息的检索,早期的检索方式 网络化、智能化检索 搜索引擎,第43页,计算科学体系,构造性数学基础 包括数理逻辑、代数系统、图论、集合论等； 计算的数学理论 包括计算理论、高等逻辑、形

13、式语言与自动机、形式语义学等； 计算机组成原理、器件与体系结构 包括数字逻辑与数字集成电路、计算机原理与设计、计算机系统结构、微机原理与接口技术等； 计算机应用平台 包括操作系统、网络、编译系统原理、分布式系统等； 计算机应用基础 包括程序设计、软件工程、算法基础、数据结构、数据库等； 计算机应用技术 包括多媒体、计算机可视化与虚拟现实、人工智能、图形学与图像处理、辅助设计等。,第44页,三、计算机的应用,了解计算机的主要应用领域 计算机典型应用领域介绍 科学与工程计算 信息管理 电子商务 人工智能 计算机辅助设计,第45页,计算机到底能干什么？,计算器？,打字机？,玩游戏？,还有？,第46页

14、,例 计算机和现代生活,当代大学生的一天（IC、ATM、201卡） 多媒体教学（作业提交、答疑、考试） 通讯 娱乐 家用电器 信息管理（学籍、图书馆、OA） 信息检索,第47页,一、计算机主要应用领域,科学与工程计算 信息处理 过程控制 计算机辅助系统 多媒体技术应用 计算机通信和网络应用 人工智能,第48页,二、计算机典型应用领域介绍,科学与工程计算 信息管理 电子商务 人工智能 计算机辅助设计与制造,第49页,= ？,例：的求值，古老的计算问题,= 周长/直径,第50页,公元前250年，古希腊，阿基米德，3.14,1973年，CDC 7600，1,001,250位小数,1949年，ENIA

15、C，2,037位小数,公元480年，祖冲之，3.14159263.1415927,求值的历史,1609年，德国，Ludolph Van Ceulen，35位小数,1874年，William Shanks，707位小数(527位正确),1958年，IBM 704，10,000位小数,1961年，IBM 7090，100,265位小数,1999年，HITACHI SR8000，206,158,430,000位小数,第51页,计算机应用领域： 科学和工程计算,计算数学+计算机 科学计算 计算数学：研究数值计算方法 计算机：计算数学强有力的工具 科学计算是第三种科学手段 理论研究：无法求得理论解 科学

16、实验：难以应用实验手段 可以进行计算 计算机是人类计算能力的延伸,第52页,科学和工程计算的应用,大气科学研究： 数值天气预报 油气资源勘探： 地震波数据处理 核武器模拟试验 空气动力学计算 有限元方法计算,第53页,数值天气预报,例：天气预报，与计算有什么关系？ 运用数学方法，通过数值计算进行天气预报的方法和相关的理论 将已有的观测值作为初值，通过求解大气动力学和热力学方程组，从而客观、定量地作出天气预报。 1950年4月，ENIAC成功地作出世界上第一次正确的数值天气预报。,第54页,地震波数据处理,人工制造强烈的震动，在岩石中传播的弹性遇着岩层的分界面产生反射波或折射波； 记录返回地面的

17、反射波或折射波； 分析地震波在地层中传播的运动学和动力学信息，根据波的传播路线和时间，确定发生反射波或折射波的岩层界面的埋藏深度和形状，反推出地下的岩层和岩性构造。 地震资料处理计算量大，处理周期长,第55页,信息管理,数据处理系统 办公自动化（OA）系统 管理信息系统 例：沃尔玛,第56页,零售业霸主沃尔玛,福布斯全球富豪排行榜占据了前十名的半壁江山 全世界最大的企业 1974年运用计算机进行库存控制 1983年，使用条形码扫描系统 19851987年，安装专用卫星通信系统，4000家沃尔玛分店都能够通过自己的终端与总部进行实时联系,详解,第57页,计算机时代的信息管理,管理信息系统 （MI

18、S） 发展 电子数据处理系统（EDPS）工资计算 管理信息系统（MIS）酒店管理 决策支持系统（DSS）市场预测,第58页,决策支持系统（DSS）,DSS是用以辅助各级管理者进行正确决策的系统。 DSS具有对话、数据存取和模型化三大功能，因此，它是由对话子系统、数据子系统和模型子系统组成。 DSS还需要各种各样的模型，包括永久性模型、特别模型、用户构造模型等。 DSS在诸如投资决策、布局决策、销售决策、发展战略决策等方面帮助人们选择最佳的方案。 正是由于DB、知识库、专家系统和DSS给OA系统赋予“智慧”和“灵感”，给“自动办公”带来巨大的生机。,第59页,MIS概念要点,人-机系统 技术手段

19、+现代管理思想 计算机技术 信息技术 管理技术 决策技术 辅助管理和决策,第60页,企业信息系统的分类,技术信息系统 CAD (computer aided design) CAM (computer aided manufacturing) CNC (computer numeric control) 管理信息系统 MRP (material requirement planning) MRP-II (manufacturing resources planning) CAQ (computer aided quality control) 综合信息系统 CIMS (computer int

20、egrated manufacturing systems) ERP (enterprises resources planning),第61页,企业信息系统,产生背景：现代化的大生产给机械制造业带来了许多困难 原材料不能准时供应 零部件生产不配套 产品生产周期过长，劳动率下降 资金积压严重，周转期长 市场和客户的要求多变，使企业经营计划系统难以适应,第62页,企业信息系统和现代管理方法,MRP (Material Requirement Planning) MRP-II (Manufacturing Resources Planning) CIMS (Computer Integrated

21、Manufacturing Systems) ERP (Enterprises Resources Planning),第63页,MRP制造资源规划系统,物料需求计划：主生产调度(MPS)、物料用量清单(BOM)、库存、未交货单等资料，计算未来的物料需求。 闭环式MRP：增加反馈，修改计划，动态控制。,第64页,MRP-II,除材料外，人力、资金、设备和时间也看成企业的资源，并加以控制。 除生产外，还包括销售、财务、成本的处理。 满足制造业所有的经营及生产活动。,第65页,ERP：管理+IT（企业资源规划）,集组织模型、企业规范和信息技术、实施方法为一体的综合管理应用体系。 企业的管理核心从“

22、在正确的时间制造和销售正确的产品”，转移到了“在最佳的时间和地点，获得企业的最大利润”。 具有智能化的管理控制系统。 能够适应互联网，可以支持跨平台、多组织的应用，并和电子商务的应用具有广泛的数据、业务逻辑接口。,第66页,电子商务,例：亚马逊的奇迹 1995年车库中诞生 1997年营业收入达1.48亿美元，1998年猛增到5.4亿美元 提供了310万个可方便查找的书目 1600名员工人均创收37.5万美元 网上书店每平方米的销售量是传统书店的800 如果按传统书店所需的营业面积来计算的话，它的规模约占好几平方英里，顾客达500万人以上。你得开着汽车，才能浏览完它所提供的书目。,第67页,电子

23、商务的产生背景,商业自动化完善和发展 POS 企业内部的商务活动大量使用OA和MIS 金融业步入电子化，大量采用自动服务系统 Internet技术的飞速发展,“最震撼人心的消息莫过于早上一觉醒来，发现互联网的使用量正以每年2300的速度增长”。 杰夫-贝索斯,第68页,什么是电子商务,基础：计算机、Internet 目标：经济活动 借助计算机网络进行网上的交易活动 通过Internet进行的各种商务活动,第69页,电子商务的主要内容,企业内部电子商务 企业间的电子商务 企业与消费者之间的电子商务,第70页,人工智能,科幻片中的机器人 例：“深蓝”战胜人类智慧？ 1997年5月11日，卡斯帕洛夫

24、以2.5：3.5的比分败在一台电脑（IBM-AS/6000）手下！ 智慧输掉了，人类还剩些什么？,“这是一部像人的机器和 一个像机器的人之间的决斗”！,第71页,人工智能的产生和发展,什么是人工智能 机器能够执行人类的活动 主要目标：研究用机器来模仿和执行人脑的某些智能功能 图灵测试 麦卡锡（McCarthy）发起人工智能研讨会,第72页,人工智能研究的基本内容,机器感知 机器思维 机器学习 机器行为 智能系统及智能计算机构造技术,第73页,人工智能的应用领域,问题求解 逻辑推理与自动定理证明 自然语言处理 自动程序设计 专家系统 机器学习 人工神经网络 机器人学 模式识别 智能决策支持系统,

25、第74页,计算机辅助设计与制造,企业信息系统中的技术信息系统 例：汽车设计 油泥模型价值上千万元 CAD草图可以在电脑屏幕上模拟油泥模型和一切测试 研发成本下降了1/3,第75页,CAX技术,CAD（Computer Aided Design：计算机辅助设计） CAM（Computer Aided Manufacturing：计算机辅助制造） CAPP（Computer Aided Process Planning：计算机辅助工艺规划） CAE（Computer Aided Engineering：计算机辅助工程）,第76页,CAD,利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，进行工程和

26、产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果,第77页,CAM,计算机辅助制造 通过计算机分级控制和管理制造过程的多方面工作 。,第78页,CAPP,计算机辅助工艺规划 通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程,第79页,CAE,计算机辅助工程 用计算机来帮助设计人员和工程生产管理人员进行工程生产计划、管理、设计和控制的技术,第80页,CAD/CAM系统的基本功能,计算机辅助绘图 几何建模 有限元分析 优化设计 处理数控加工信息 统一的数据管理,第81页,CAD/CAM系统介绍,AutoCA

27、D Tango/Protel,第82页,进一步学习指导,科学计算软件 MATLAB SCILAB 计算机应用的综合化,第83页,例4,新华网巴黎2002年7月4日电。法国原子能委员会军事应用局日前宣布，该局正在进行一项核武器模拟试验计划（投资51亿欧元）。 根据物理机理，造成核爆条件的过程与核反应的过程都是高温高压下进行；高达几百个大气压、几千万摄氏度、巨大能量是在微秒级时间内释放。 描述核反应的物理过程的数学模型是一组非定常的非线性偏微分方程。它可给出核爆炸各个细节的图像、定量的数据和运动的全过程。但该组方程是无法求出解析解的。因此只有求助大规模科学计算。 核武器设计中，从摸清规律、调整各种

28、参数到方案的优选等等，需要计算成千上百个模型。由于进行核试验耗资大、周期长，所以不能只通过核试验来设计和改进产品。在计算机上选择一套参数设计一个模型，在一定意义上相当于进行一次核试验。在计算机上花费几百万元进行计算，可以节省以亿计的试验经费。 模拟核爆试验可以减少试验次数，大大降低研制成本。因此，世界各国在核武器的研制设计中都大量采用了科学计算的方法。,返回,第84页,沃尔玛：利用信息技术成全其零售业霸主地位,沃尔玛计算机系统可以追踪每一件商品的进销全过程。通过采用最新的信息技术，沃尔玛能够以最低的成本、最优质的服务、最快速的管理反应进行全球运作。 管理信息系统的应用使沃尔玛有关各方可以迅速得

29、到所需的货品层面数据，观察销售趋势、存货水平和订购信息甚至更多。 美国通过运用信息技术改造传统产业，使传统产业的国际竞争力得以快速提升。,返回,第85页,蓝博基尼跑车,蓝博基尼是世界最著名的跑车之一。 1999年初，意大利制造商想将它出口到美国，按照美国的安全法规，所有的车必须装有气囊。因此蓝博基尼需要做气囊的匹配碰撞。 按传统方法，该项测试至少要撞10辆以上的样车。以一辆蓝博基尼400万500万元人民币（30万40万英镑）计，仅碰撞的样车损失费用就将在5000万元以上。欧洲的一家设计公司用CAD测试方法只用了十分之一的费用，就解决了问题。 该公司先把气囊在计算机里模拟装到车上，再模拟各种路况

30、并对车进行了调整，最后只碰了一辆真实的实物车就顺利地通过了验证测试。,返回,第86页,逻辑推理与自动定理证明,对数学中臆测的定理寻找一个证明或反证，不仅需要有根据假设进行演绎的能力，而且需要某些直觉技巧。 借助计算机来证明数学猜想或定理，这是一项难度极大的人工智能应用，也已取得一些成果。 四色猜想的证明。四色猜想是图论中的一个世界级的难题，它的内容是：用四种颜色就可绘制任何地图，三种颜色不够，而五种颜色多余。 这个猜想经过无数次的验证，结论都是千真万确的，但却一直无法在理论上给出证明，所以有人认为，证明这个猜想的难度丝毫不亚于哥德巴赫猜想。 1976年7月，美国数学家哈根和阿贝尔用计算机成功地

31、证明了四色猜想。这个猜想的证明需要进行一百亿次（1010次）逻辑判断，这个天文数字的工作量如果用人工来完成，则需两万年时间，这就是计算机问世以前，任何人都无法证明或推翻这个猜想的原因。,返回,第87页,自然语言处理,自然语言处理是人工智能的早期研究领域之一。如果能让计算机“听懂”、“看懂”人类自身的语言，那么更多的人可以使用计算机，大大提高了计算机的利用率。 自然语言处理就是研究如何能让计算机理解并生成人们日常所使用的语言，使得计算机懂得自然语言的含义，从而建立起一种人与机器之间的密切而友好的关系，使之能进行高度的信息传递与认知活动。 要达到以下三个目标： （1）计算机能正确理解人们用自然语言

32、输入的信息，并回答输入信息中的有关问题； （2）计算机对得到的信息能自动产生相应的摘要，用不同的词语复述信息的内容； （3）计算机能够把用某一种自然语言的信息自动地翻译为另一种自然语言，即机器翻译的问题。,返回,第88页,自动程序设计,自动程序设计包括程序综合和程序正确性检验两个方面，分别实现自动编程和证明程序的正确性。 对自动程序设计的研究不仅可以促进半自动软件开发系统的发展，而且也使通过修正自身代码进行学习的人工智能系统得到发展。 目前已经研制出能够以各种不同的目的描述来编写计算机程序的系统，但这方面的进展依然非常局限。,返回,第89页,机器学习,学习是人类智能的主要标志和获得知识的基本手段，只有让计算机具有类似于人的学习能力，自动获取新的事实及新的推理算法，才能使计算机真正具有智能。 机器学习的低级阶段是机械式学习和教师指导下的学习。前者通过简单地记住推理和解答的结果，来强化将来的推理和问题求解能力；后者则由教师传授知识，或在教师的指导下归纳和抽取知识。 机器学习的高级阶段是知识发现，即计算机系统在无须教师帮助的情况下，能自行发现蕴涵在客观规律中的知识。 上个世纪90s，KDD（数据库中的知识发现）迅速崛起成为机