信息技术导论PPT完整全套教学课件

第一章信息技术与信息社会

信息技术的广泛应用与普及，不仅改变了人类的生活方式和内容，而且推动了经济与社会的发展与进步。当代大学生应该了解信息技术发展的科学思想、主要内容及发展历程，拓宽专业视野，提高综合素质。全套PPT课件1.1信息科学、技术与社会1.1.1数据、信息、知识与智慧数据是对客观事物的性质、状态和相互关系等进行记载的物理符号，是信息的载体，主要有数值、文字、声音及图形图像等不同形式。信息是人类对自然世界的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。信息一般泛指包含消息、情报、指令、数据、图像、信号等形式的新知识和新内容。数据与信息是信息科学中常用的术语，它们之间的区别可以理解为：数据是计算机加工处理的对象，是未加工的对象；而信息是数据经过加工以后能为某个目的使用的数据，是数据的内容或诠释。信息按产生的先后或加工深度划分，可分为一次信息、二次信息、三次信息；按表现形式划分，可分为文献型、档案型、统计型、动态型、图像型；按来源划分，可分为书本、报刊、电视、人、具体事物知识是让信息从定量到定性的过程得以实现的、抽象的、具有逻辑的东西，知识是为生产有意义的信息而生的。智慧是从完全不同的知识中导出的一般性原理。例如，1996年美国人口普查的出生数是490万，该数值表示一个数据值，将该数据和前40年的出生数关联，可以导出一个有用的信息——二战结束后的1950—1960年所形成的“婴儿潮”的缘由，也告诉“婴儿潮”中出生的人正在变老，他们正为其生育年龄结束前做最后的生育努力。该人口普查数据还可以和其他好似无关的信息相关联，例如，将在下个十年需要的初级中学教师的数量；初级中级教育毕业的学生数；随着学生数量的增长而增加教师数量、教学校舍与场地等，这些义务教育支出增加需要纳入有关预算及规划，这也成为制订地方、国家的预算和发展规划的基础。同时，这些信息可以被组合和挖掘而成用知识表示的形式，根据该知识，一个个商业机会可能形成，社会上也将存在重要的机会去开发新的更有效的领域和模式。1.1.2信息的特点信息的特点是指信息区别于其他事物的本质属性，主要表现在8个方面：①信息的普遍性、无限性和客观性。②信息的可共享性。③信息的可存储性。④信息的可传输性。⑤信息的可扩散性。⑥信息的可转换性。⑦信息的可度量性。⑧信息的可压缩性。维系人类社会存在及发展的三大要素为：物质、能源、信息。信息的重要意义有以下5点。信息是人类认识客观世界及其发展规律的基础。信息是客观世界和人类社会发展进程中不可缺少的资源要素。信息是科学技术转化为生产力的桥梁和工具。信息是管理和决策的主要参考依据。信息是国民经济建设和发展的保证。1.1.3信息科学信息科学（Informationscience）是研究信息现象及其运动规律和应用方法的科学，是以信息论、控制论、系统论为理论基础，以电子计算机等为主要工具的一门新兴学科。信息论是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理识别及利用的学科。信息论不仅研究信道的容量、消息的编码与调制的问题以及噪声与滤波的理论等方面的内容，信息论还研究语义信息、有效信息和模糊信息等方面的问题。信息论有狭义和广义之分。狭义信息论是香农早期的研究成果，它以编码理论为中心，主要研究信息系统模型、信息的度量、信息容量、编码理论及噪声理论等内容。广义信息论又称信息科学，主要研究以计算机处理为中心的信息处理的基本理论，包括文字处理、图像识别、学习理论及其各种应用，它是一种物质系统的特性以一定形式在另一种物质系统中的再现，包括了狭义信息论的内容，但其研究范围却比通信领域广泛得多。它的规律也更加一般化，适用于各个领域，所以广义信息论也称为信息科学。控制论、系统论主要研究如何利用信息，即研究如何利用信息进行有效控制和组织最优系统的原理和方法。系统论认为：世界上一切事物、现象和过程几乎都是有机整体，且又都自成系统、互为系统；每个系统都是在与环境发生物质、能量、信息的交换中变化发展的，并能保持动态稳定的开放系统；系统内部及系统之间保持一种有序状态。诺伯特·维纳的研究对象是控制系统，是在机构、有机体和社会中的控制和通信、揭示不同系统的共同的控制规律为理论目的的科学。控制论方法有功能模拟法和黑箱法。维纳于1948年出版了《控制论》一书。我国著名科学家钱学森于1954年出版的《工程控制论》，已成为工程控制论的奠基性著作之一。1.1.4信息技术信息技术（Informationtechnology）主要研究信息的产生、获取、存储、传输、处理及其应用，也就是扩展人类信息器官功能的技术。信息主体技术包括信息获取、传输、处理和存储技术。信息技术的范畴包括传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术。传感技术是信息的采集技术，对应于人的感觉器官。通信技术是信息的传递技术，对应于人的神经系统。计算机技术是信息的处理和存储技术，对应于人的思维器官。控制技术是信息的使用技术，对应于人的效应器官。1.1.5信息产业信息产业的含义一般进行信息的收集、整理、存储、传输、处理及其应用服务的产业称为信息产业。信息产业的特征信息产业是具有战略性的新兴主导产业。

信息产业是高渗透型、高催化型产业。信息产业是知识、智力密集型产业。信息产业是更新快、受科技影响大的变动型产业。信息产业是需要大量智力和资金投入的高投入型产业。信息产业是效益高的高增值型产业。信息产业是增长快、需求广的新型产业。信息产业是就业面大、对劳动者的文化层次要求高的新职业供给型产业。信息产业是新兴、知识密集型、有资源无公害、高效益高增长型产业。1.2信息社会1.2.1信息社会的含义及信息社会特征信息社会也称信息化社会，是脱离工业化社会以后，信息起主要作用的社会。信息社会是以信息技术为基础，以信息产业为支柱，以信息价值的生产为中心，以信息产品为标志的社会。信息社会起主导作用的是知识密集型产业，战略资源是信息和知识。信息化特性可以归纳为“四化”和“四性”。

信息化的“四化”指的是智能化、电子化、全球化和非群体化。

信息化的“四性”指的是综合性、竞争性、渗透性和开放性。

信息社会的基本特征知识型经济：人力资源知识化、发展方式可持续化、产业结构软化、经济水平发达。网络化社会：信息基础设施的完备性、社会服务的包容性、社会发展的协调性。数字化生活：生活工具数字化、生活方式数字化、生活内容数字化。服务性政府：科学决策、公开透明、高效治理、互动参与。1.2.2

我国信息社会发展情况发展阶段准备阶段发展阶段起步期转型期初级阶段中级阶段高级阶段信息社会指数（ISI）0.3以下0.3~0.60.6~0.80.8~0.90.9以上基本特征信息技术初步应用信息技术应用扩散加速，实效开始显现信息技术的影响逐步深化经济、社会各领域都发生了深刻的变化实现包容的社会面临问题基础设施跟不上需求发展不平衡互联互通问题、实用性问题包容性问题进一步的技术突破与创新应用主要任务加快基础设施建设，加强教育培训（提高认识）加快调整与改革，逐步消除发展不利因素。加强教育培训并注重信息素质培养改进体制机制关注弱势群体、实施普遍服务鼓励创新1.2.3信息技术正在改变人们的社会以信息技术为主导的信息产业的发展，将使社会生产得到迅速提高，从而带来社会经济生活各个方面的新变化。信息产品作为一种知识形态的特殊产品，已逐渐被认为是一种商品，它是人类劳动的产物，其生产目的是交换或转让信息，人们可以通过交换和有偿转让来满足社会对信息的需要，从而实现其价值。信息产品商品化，表明了科学技术本身也可作为一种特殊商品通过信息市场流通，促进科研、生产、信息的有机结合，加速科学技术向生产力转化，促进科学技术全面发展。信息技术改变了人们通信交流的方式，处理信息的方式，学习、工作和研究的方式；同时也改变了我们设计和建造事物的方式，商业、政府运作的方式，医疗保健的方式，以及对环境的理解。1.3历史回顾1.3.1人类社会的四次信息技术革命第一次革命是人类创造了语言和文字，接着出现了文献。语言、文献是当时信息存在的形式，也是信息交流的工具。第二次革命是造纸和印刷技术的出现。这次革命结束了人们单纯依靠手抄、撰刻文献的时代，使得知识可以大量生产、存储和流通，进一步扩大了信息交流的范围。第三次革命是电报、电话、电视及其他通信技术的发明和应用。这次革命是信息传递手段的历史性变革，它结束了人们单纯依靠烽火和驿站传递信息的时代，大大加快了信息传递速度。第四次革命是电子计算机和现代通信技术在信息工作中的应用。电子计算机和现代通信技术的有效结合，使信息的处理速度、传递速度都得到了惊人的提高，人类处理信息和利用信息的能力达到了空前的高度。1.3.2信息技术及其发展概述1.信息技术的基础组成信息科学技术的基础主要是经典信息论与控制论。20世纪40年代后期，由于第二次世界大战，通信技术与雷达技术得到了飞跃发展，通信与自动控制的研究受到特别重视，从而促使科学家香农和维纳分别从不同角度创立了信息论和控制论。2.数字信息处理当前信息科学技术中最活跃的领域是数字信息处理，它兴起于20世纪60年代初期，这主要是由于离散取样理论、Z变换理论、数字微电子技术和计算机发展到了较成熟阶段。特别是1965年库利·杜克（CooleyTukey）提出离散傅里叶变换的快速算法以后，更促进了数字处理技术的飞速发展。当今数字处理技术比模拟处理技术更为精确、稳定、灵活，还具有分时操作等特点。信息数字处理的应用已广泛延伸到工农业生产、国防和科学技术的各个方面。数字信息处理主要包括3个方面，即数字信号处理、数字图像处理和模式识别，它们之间又是相互交叉和紧密联系着的。3.数字图像处理数字图像处理是一门应用数字技术与计算机技术来研究图像的学科。图像处理中所考察的图像十分广泛，有黑白二值图像、多灰度图像和彩色图像；有静态图像与动态图像；有二维平面图像和多维立体图像等。数字图像处理的内容十分丰富，主要包括过滤、增强变换、恢复、编码、压缩、存储、分割、合成与重建等，有时还将描述、分类、识别与理解等也作为其内容。当前数字图像处理的研究主流大致有以下各方面：图像并行处理或分布处理的算法研究，图像数据表示与图像数据库的研究，三维信息获取与表面重建的研究，基于知识的图像处理方法研究，图像形态学研究，分形维图像处理技术的研究，图像处理的神经网络方法研究，图像处理专用芯片的研制，高速大容量图像存储设备的研制，高速高精度图像输入输出设备的研制，以及快速实时图像处理系统的研制等。1.3.3重要发现与创造数字化是指对各种信息进行数字化处理，将模拟信号通过抽样、量化、编码等环节变换成数字码元。而信息化则是以信息技术为基础，以信息环境为依托，通过数字化设备和一体化，实现各类信息资源的共享和信息的实时交换。信息化进一步强调了信息的决定性作用，把控制和利用信息作为一项根本性要求。信息化的实现要以信息的数字化为必备条件，而数字化则为信息化的实现提供了有力的技术支撑。如何将模拟信号通过抽样、量化、编码等环节变换成数字码元，成为信息技术发展的起点。香农的采样定理解决了这一问题：即在一定条件下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数。香农是信息科学的奠基人。香农图灵描述了一种可以辅助数学研究的机器，后来被人称为“图灵机”。在图灵的设计思想指导下，1958年制成了大型ACE机（自动计算机）。图灵被称为计算机之父、人工智能之父。冯·诺依曼参与了世界上第一台电子计算机的设计，后来又陆续研究更完善的计算机，被称为计算机之父。冯·诺依曼图灵史蒂夫·乔布斯史蒂夫·乔布斯（SteveP.（aul）Jobs，1955—2011），美国发明家、企业家。乔布斯被认为是计算机业界与娱乐业界的标志性人物，先后领导和推出了麦金塔计算机（Macintosh）、iMac、iPod、iPhone、iPad等风靡全球的电子产品，深刻地改变了现代通信、娱乐、生活方式。1.4

对信息技术认识的转变1.4.1从重视信息技术的内涵转到更加重视其外延21世纪信息技术发展的新取向是：在继续发展工程技术的规模效益的同时，将更加重视信息技术的多样性、开放性和个性化，更加重视信息技术惠及大众在重视信息技术的市场竞争能力及经济效益的同时，将更加重视生态和环境影响，探索对有限自然资源和无限知识资源的分享、共享和持续利用；在重视对周围世界的认识和改善的同时，更加重视医学及与人类健康有关的信息科学技术；在重视技术作为生产力决定性因素的同时，将更加重视信息科学的研究探索，特别是与纳米、生命、认知等科学的交叉研究在科学与技术继续紧密结合的同时，更加重视信息技术与人文艺术的结合，更加重视信息技术伦理道德方面的研究和对信息技术社会作用的法制化管理与监督。1.4.2从狭义工具论转到计算思维长期以来，计算机和信息网络被社会看成是一种高科技工具，信息科学技术也被构造成一门专业性很强的工具学科，这种社会认知很容易导致负面的狭义工具论。信息科技的普及实际上是在全社会传播计算思维（ComputationalThinking）。计算思维是一种普适的思维，是每个人的基本技能。在重视技术作为生产力决定性因素的同时，将更加重视信息科学的研究探索，特别是与纳米、生命、认知等科学的交叉研究。计算思维是概念化思维，不是程序化思维；是人的思维，不是计算机的思维；是数学和工程互补融合的思维，不是纯数学性思维；是面向所有人的思维，而不仅仅是计算机科学家的思维。1.4.3从人机共生思想转到基于三元社会模式的新信息世界观目前使用的信息系统，在很大程度上仍然根基于40多年前提出的人机共生思想：人做直觉的、无意识的事，计算机做有意识的、确定的、机械性的操作；人确定目标和动机，计算机处理琐碎细节，执行预定流程。然而，今天的信息世界已经与一人一机组成的、分工明确的人机共生系统不同，是一个多人、多机、多物组成的动态开放的网络社会，即物理世界、信息世界、人类社会组成三元世界，这是一种新的信息世界观。1.4.4信息科学技术重点研究方向的改变长期以来，信息科学技术研究的主要目标是提高信息器件和系统的性能，摩尔定律指引的研究方向主要是提高半导体器件的集成度，从而提高主频和性能。现在CMOS器件I/O的主频提高已受到功耗的限制，在厂商追求超额利润的驱使下，迫使用户不断买升级版本的局面必将改变，今后发展信息技术的主要致力方向将是降低功耗、成本和体积（占地面积），提高易用性、效率和性能。1.5我国信息化发展战略

1.5.1目标到2020年，我国信息化发展的战略目标是：综合信息基础设施基本普及，信息技术自主创新能力显著增强，信息产业结构全面优化，国家信息安全保障水平大幅提高，国民经济和社会信息化取得明显成效，新型工业化发展模式初步确立，国家信息化发展的制度环境和政策体系基本完善，国民信息技术应用能力显著提高，为迈向信息社会奠定坚实基础。具体目标是：促进经济增长方式的根本转变。广泛应用信息技术，改造和提升传统产业，发展信息服务业，推动经济结构战略性调整。实现信息技术自主创新、信息产业发展的跨越。提升网络普及水平、信息资源开发利用水平和信息安全保障水平。增强政府公共服务能力、社会主义先进文化传播能力、中国特色的军事变革能力和国民信息技术应用能力。1.5.2重点推进国民经济信息化。推行电子政务。建设先进网络文化。推进社会信息化。完善综合信息基础设施。加强信息资源的开发利用。提高信息产业竞争力。建设国家信息安全保障体系。提高国民信息技术应用能力。习题

1.什么是信息科学？它主要研究的内容是什么？2.狭义信息与信息科学的相互联系与主要区别是什么？3.信息技术发展经历了哪几个阶段？各阶段主要标志代表是什么？4.简述数字化与信息化的联系与区别。5.信息化的主要特征是什么？6.什么叫信息社会？其主要发展阶段与特征是什么？7.简述信息技术从“工具”到“思维”认识转变的意义。第二章计算机技术

计算机技术产生和发展于多学科和工业技术基础，又在几乎所有科学技术和国民经济领域中得到广泛应用。本章主要介绍计算机产生的科学思想、历史过程、技术分类、主要应用及发展方向。2.1计算机技术的概念和早期发展计算机技术是指计算机领域中所运用的技术方法和技术手段。它具有快速、准确的计算能力、逻辑判断能力和人工模拟能力，对系统进行定量计算和分析，为解决复杂系统问题提供手段和工具。、现代通信技术和数学等紧密结合，发展很快。计算机技术具有明显的综合特性，它与电子工程、应用物理、机械工程计算机技术的内容非常广泛，可粗分为计算机系统技术、计算机器件技术、计算机部件技术和计算机组装技术等几个方面。计算机技术包括运算方法的基本原理与运算器设计、指令系统、中央处理器（CPU）设计、流水线原理及其在CPU设计中的应用、存储体系、总线与输入输出。计算机技术的发展如下：第一代电子计算机ENIAC是在军事的迫切需求下诞生的，专门用于解决弹道计算的问题。1960年，随着晶体管计算机的大量生产，电子计算机进入了第二代。第二代计算机引入了快速磁芯存储器和磁鼓、磁带、磁盘外存储器等，从而全面提高了计算机的性能与可靠性。集成电路的出现取代了原先分立的晶体管，使计算机进入了第三代。第三代计算机最重要的特点是实现了“三化”——通用化、系列化、标准化。第三代计算机中还有一枝新秀——小型计算机。20世纪70年代初期，随着大规模集成电路的出现，电子计算机也随之进入第四代——大规模集成电路计算机。第四代电子计算机是巨型机的发展，巨型机具有强大的运算和数据处理能力，在核武器研制、导弹及航空航天飞行器的设计、气象预报、卫星图像处理、经济预测等军事、经济与科技等领域起着十分重要的作用。2.2计算机技术主要分类2.2.1系统技术系统技术是指计算机作为一个完整系统所运用的技术：系统结构技术系统管理技术系统维护技术系统应用技术2.2.2器件技术电子器件是计算机系统的物质基础，计算机复杂逻辑的最基层线路为“与门”“或门”和“反相器”。由此组成的高一层线路有“组合逻辑”和“时序逻辑”两类。这些逻辑由电子器件来实现，通常以电子器件在技术上的变革作为计算机划时代的标志。计算机器件技术，从20世纪50年代的真空电子器件到80年代的超大规模集成电路，经历了几个重大发展阶段，使机器组装密度提高约4个数量级，速度提高5～6个数量级，可靠性提高约4个数量级（以器件失效率为比较单位），功耗降低3～4个数量级（以单个“门”为比较单位），价格降低4～5个数量级（以单个“门”为比较单位）。器件技术的进步大大提高了计算机系统的性能价格比。2.2.3部件技术计算机系统是由数量和品种繁多的部件组成的。各种部件技术内容十分丰富：运算与控制技术信息存储技术信息输入输出技术2.2.4组装技术制冷和空调是组装技术需要解决的重要问题。常用的方法有：将液态氟里昂引入插件冷却片的直接制冷法；用氟里昂使水冷却，再将冷水引入插件冷却片的水冷法；用氟里昂使空气冷却，再将冷空气送入机箱的强制风冷法等。前两者方法结构较为复杂，故多采用第三种方法——风冷。组装技术需要解决的另一个问题是提高组装密度。计算机电子器件的变革，对组装技术产生极大影响，组装技术的进步始终与计算机的换代相协调，不断向小型化、微型化发展。计算机技术是指运用计算机综合处理和控制文字、声音、图像及活动影像等信息，使多种信息建立起逻辑链接，集成为一个系统并使其具有交互作用。这与传统的多种媒体简单组合是完全不同的。计算机技术是将视听信息以数字信号的方式集成在一个系统中，计算机可以很方便地对它们进行存储、加工、控制、编辑、变换，还可以进行查询、检查。2.3计算机技术的应用1.数值计算2.研究方法3.数据处理4.计算机辅助设计5.实时控制6.模式识别7.通信和图像、文字处理8.多媒体技术9.网络技术与信息高速公路10.教育2.4计算机技术的特点计算机技术作为信息技术的核心技术，自然具有“高技术”的特征：①高度的创新性；②高度的战略性；③高度的增值性；④高度的渗透性；⑤高度的风险性。有关这些特征的描述很多，不详细展开。除了具有高技术的共性之外，计算机技术还具有以下特性。1.计算机技术是一个复杂的技术体系。2.计算机技术是现代科技发展的一个技术平台。3.计算机技术发展潜力巨大。4.计算机技术文化已经形成。2.5信息技术与计算机技术二者的联系主要有：①计算机技术是信息技术的核心技术之一，计算机是信息接收、处理、存储的主要载体；②计算机技术和信息技术都是一项高技术，都具有高技术的一些特征；③计算机技术人才不能不懂IT，而IT人才更是离不开计算机，这使得二者的界限变得越来越模糊。尽管二者联系紧密，但仍有区别，主要如下。主要内容不同。发展的历程不同。应用范围不同。2.6计算机技术的发展2.6.1主要发展方向生物计算机生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用的过程。光子计算机，优势如下：1.并行处理能力强，运算速度高，比电子计算机快1000倍。2.高速电子计算机由于产生热量而影响速度，只能在低温下工作；而光脑可以在室温下工作。3.光子不需要导线，即使光线交接也不会产生相互影响。4.一台光脑只需很小能量就能驱动，耗能相当于电子计算机的几十分之一。量子计算机量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。纳米计算机纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。2.6.2主要发展领域光子计算机智能及神经网络计算机模糊逻辑和多值处理计算机计算机未来的发展前景和多种科学领域的研究需要紧密结合在一起，主要有如下方面。高性能计算器件高性能计算机的体系结构高性能的软件和谐的人机交互环境大力发展纳米技术网络技术与多媒体性能习题

1．现代计算机的数学模型是如何建立的？2．简述计算机诞生所经历的主要阶段。其主要特征是什么？3．计算机发展所经历的主要阶段是什么？其主要特征是什么？4.计算机技术的分类及意义是什么？5.计算机技术的主要特征是什么？6.计算机最基层的逻辑线路是什么？7.计算机部件技术包含哪些部分？8.计算机技术应用主要为哪些方面？9.信息技术与计算机技术相互联系与区别是什么？10．如何认识冯·诺依曼体系结构面临的挑战？11．计算机技术主要发展方向有哪些？12．计算机技术重点发展的领域有哪些？需要解决的问题是什么？第三章软件技术本章将展示计算机软件中的数据表示技术、存储技术，以及生成软件的技术。3.1数据表示技术3.1.1多媒体技术ITU（国际电信联盟）曾对媒体做了如下分类感觉媒体（PerceptionMedium）表示媒体（RepresentationMedium）表现媒体（PresentationMedium）存储媒体（StorageMedium）传输媒体（TransmissionMedium）多媒体技术利用计算机把文字、图形、影像、动画、声音及视频等媒体信息数字化，并将其整合在一定的交互式界面上，使计算机具有交互展示不同媒体形态的能力。它极大地改变了人们获取信息的传统方法，符合人们在信息时代的阅读方式。多媒体技术有着重要的意义，具体如下：1.多媒体技术使计算机可以处理人类生活中最直接、最普遍的信息，从而使计算机应用领域及功能得到了极大的扩展。2.多媒体技术使计算机系统的人机交互界面和手段更加友好和方便，非专业人员也可以方便地使用和操作计算机。3.多媒体技术使音像技术、计算机技术和通信技术三大信息处理技术紧密地结合起来，为发展信息处理技术奠定了新的基石。3.1.2人机交互人机交互（Human-ComputerInteraction，HCI）是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的信息交换过程人机交互发展经历了以下4个阶段。1.基于键盘和字符显示器的交互阶段2.基于鼠标和图形显示器的交互阶段3.基于多媒体技术的交互阶段4.第四代人机自然交互与通信阶段互动投影的人机交互虚拟现实头盔增强现实试衣间未来的人机交互将以用户为中心，让设备能够时刻感知用户需求的本质来源，分析用户行为动机，并随之快速做出如下合理的反应。

1.设备了解用户。设备会永久地记忆用户的行为习惯和各类偏好，并能在之后的生活中不断地进行调整，就好比用户身边最亲密的朋友或者家人一样，知道用户一切喜好。2.让用户的生活变得更简单舒适。在用户遇到某些烦恼时，设备能够智能地推荐相应的解决方案，但不绑架用户的选择。在电影中，操作系统萨曼莎会主动跳出来询问主人的心情如何，能够猜出主人心情不佳的原因，并且还能帮助他出谋划策以解决一些问题。这些都让西奥多无比依赖这个操作系统，甚至有时候超过了对人的依赖。3.只在用户需要的时候才出现。在未来全面智能化的生活中，如果所有的智能设备都在同一时间点随意蹦出来，身处其中的用户可能会立刻疯掉。所以，这就特别需要各类交互深度交融，只在对的时间，对的地方出现，或者说，只按照用户指令的要求出现。4.总是能给用户特别多惊喜。当用户以语音的方式告诉可穿戴设备之后，它就能理解用户的想法，并通过后台大数据与人工智能的融合，以最快的方式为用户呈现用户想要的结果。比如当用户想去旅行的时候，设备能根据平日里用户浏览的网页、说话中描述某个地方时的情绪以及出现的频次、经济条件等信息，帮用户规划最佳的旅行路线，甚至为用户找好最佳的旅行伙伴，而这会给用户带来足够多的惊喜。3.2数据存储技术3.2.1关于数据下面这组数据，是英国纪录片《人类足迹》的制片人瓦特斯和他的制作小组，耗费了两年时间对数百种统计数据进行编辑整理而得出的。从这些数据可以看出，人一生产生的数据可能非常少，但事实上人每时每刻都会产生很多未被记录的数据。作为人类最重要的助手——计算机，同样需要从少到多地存储和处理这些数据，其最重要的处理方式是文件和数据库。

平均寿命：78.5

两岁半之前用掉的尿布件数：3796

女人每天说的单词个数：6400~8000交友个数：1700

男人每天说的单词个数：2000~4000洗澡次数：7163

吃掉的苹果个数：5272做梦的次数：104390

读书的本数：533

吃掉的牛只数：4.5吃掉的鸡只数：1201吃掉的羊只数：21

吃掉的猪只数：15喝茶的杯数：74802

步行的公里数：15464驾驶的公里数：4526633.2.2从文件到数据库数据库是以一定方式储存在一起、能为多个用户共享、具有尽可能小的冗余度、与应用程序彼此独立的数据集合。传统的数据库模型有以下3种。层次模型层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较成熟的一种数据模型。它的特点是地理数据组织成有向有序的树结构，也叫树形结构。结构中的结点代表数据记录，连线用于描述位于不同结点数据间的从属关系（一对多的关系）。网状数据模型网状模型将搜索数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线用于描述不同结点数据间的联系。这种数据模型的基本特征是，结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其他多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。关系数据模型关系模型可以简单、灵活地表示各种实体及其关系，其数据描述具有较强的一致性和独立性。在关系数据库系统中，对数据的操作是通过关系代数实现的，具有严格的数学基础。由于关系数据库结构简单、操作方便、有坚实的理论基础，所以其发展很快，20世纪80年代以后推出的数据库管理系统几乎都是关系型的。3.2.3关系数据库关系数据库是现今最重要的数据库，是数据库的主流。在几十年的发展中，已经出现了非常多的数据库，但影响最广泛的数据库有如下5种。FoxPro系列SQLServerOracleDB2MySQL3.2.4SQL所有的关系数据库，都使用了标准的数据处理方式进行数据处理操作，这种数据处理方式被称为SQL。结构化查询语言（StructuredQueryLanguage，SQL）是一种特殊目的的编程语言，是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统；同时也是数据库脚本文件的扩展名。结构化查询语言是高级的非过程化编程语言，允许用户在高层数据结构上工作。它不要求用户指定对数据的存放方法，也不需要用户了解具体的数据存放方式，所以具有完全不同底层结构的不同数据库系统。它可以使用相同的结构化查询语言作为数据输入与管理的接口。结构化查询语言语句可以嵌套，这使它具有极大的灵活性和强大的功能。结构化数据通常具有以下两个重要特征。

1.排序

2.索引然而在现实生活中，绝大多数据都没有被排序和索引，这样的数据通常难以被计算机直接处理，这样的数据被称为非结构化数据。3.2.5结构化数据与非结构化数据3.3生产软件的技术——软件工程3.3.1人月神话在很多外行人的心目中，开发一个软件，加入一个功能是一件理所当然的事情，应当是直观和轻松的。然而事实并非如此，软件的开发至今尚未完全摆脱手工艺的开发方式。但经历了几十年的发展，一般认为软件开发经历了以下3个阶段。1.第一个阶段是1950—1960年，是程序设计阶段，基本采用个体手工劳动的生产方式。2.第二阶段是1960—1970年，是软件设计阶段，采用小组合作生产方式。在这一时期，软件开始作为一种产品被广泛使用，出现了“软件作坊”。3.第三个阶段是从1970年至今，为软件工程时代，采用工程化的生产方式。最为突出的例子是美国IBM公司开发的IBM360系列机的操作系统。该项目的负责人佛瑞德·布鲁克斯FredBrooks在总结该项目时无比沉痛地说：“……正像一只逃亡的野兽落到泥潭中作垂死挣扎，越是挣扎，陷得越深，最后无法逃脱灭顶的灾难，……程序设计工作正像这样一个泥潭……一批批程序员被迫在泥潭中拼命挣扎，……谁也没有料到问题竟会陷入这样的困境……”

布鲁克斯后来将其实践经验写入一本项目总结的书籍——《人月神

话》。《人月神话》探索了达成一致性的困难和解决的方法，并探讨了软件工程管理的其他方面。作为软件工程的经典著作，《人月神话》的主要贡献是对软件开发过程的5个重要关键点提出了独到的见解。这5个关键内容如下。

1.提倡外科手术式的团队组织2.软件项目的核心概念要由很少的人来完成，以保证概念的完整性3.软件开发过程中必要的沟通手段4.如何保持适度的文档5.在软件开发的过程中要适度改进3.3.2软件工程的概念电气和电子工程师协会（IEEE）在软件工程术语汇编中的定义是：软件工程是①将系统化的、严格约束的、可量化的方法应用于软件的开发、运行和维护，即将工程化应用于软件；②在①中所述方法的研究。《计算机科学技术百科全书》中的定义是：软件工程是应用计算机科学、数学、逻辑学及管理科学等原理，开发软件的工程。软件工程借鉴传统工程的原则、方法，以提高质量、降低成本和改进算法为目的。其中，计算机科学、数学用于构建模型与算法，工程科学用于制定规范、设计范型（Paradigm）、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源、质量、成本等的管理。人们比较认可的一种定义是：软件工程是研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件，以及如何把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。ISO9000对软件工程的定义：软件工程是输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。3.3.3软件过程软件过程（SoftwareProcess）是指为建造高质量软件所需完成的任务的框架，即形成软件产品的一系列步骤，包括中间产品、资源、角色及过程中采取的方法、工具等范畴。为实现软件过程管理，几十年来人们引入了很多模型，其中最为著名的当属瀑布模型。瀑布模型的核心思想是按工序将问题化简，将功能的实现与设计分开，将软件生命周期划分为需求分析、架构设计、详细设计、编码、测试和维护6个基本活动，并且规定了它们自上而下、相互衔接的固定次序，如同瀑布流水，逐级下落，如图所示。瀑布模型有以下明显的优点。通过设置里程碑，明确每阶段的任务与目标。可为每阶段制订开发计划，进行成本预算，组织开发力量。通过阶段评审，将开发过程纳入正确轨道。严格的计划性保证软件产品的按时交付。瀑布模型也有以下缺点。缺乏灵活性，不能适应用户需求的改变。开始阶段的小错误被逐级放大，可能导致软件产品报。返回上一级的开发需要十分高昂的代价。随着软件规模和复杂性的增加，软件产品成功的机率大幅下降。3.3.4软件项目管理软件项目管理是为了使软件项目能够按照预定的成本、进度、质量顺利完成，而对人员（People）、产品（Product）、过程（Process）和项目（Project）进行分析和管理的活动。软件项目管理的根本目的是让软件项目尤其是大型项目的整个软件生命周期（从分析、设计、编码到测试、维护全过程）都能在管理者的控制之下，以预定成本按期、按质地完成软件交付用户使用。而研究软件项目管理是为了从已有的成功或失败的案例中总结出能够指导今后开发的通用原则、方法，同时避免前人的失误。软件项目管理的内容主要包括：人员的组织与管理，软件度量，软件项目计划，风险管理，软件质量保证，软件过程能力评估，软件配置管理等。在软件项目管理过程中引入CMM可以帮助提高管理控制。CMM模型是指“能力成熟度模型”，其英文全称为CapabilityMaturityModelforSoftware，英文缩写为SW-CMM。它是对软件组织在定义、实施、度量、控制和改善其软件过程实践中各个发展阶段的描述。CMM的核心是把软件开发视为一个过程，并根据这一原则对软件开发和维护进行过程监控和研究，以使其更加科学化、标准化，使企业能够更好地实现商业目标。CMM有以下5个等级。初始级。软件过程是无序的，有时甚至是混乱的，对过程几乎没有定义，成功只取决于个人努力。此等级的管理是反应式的。可重复级。建立了基本的项目管理过程来跟踪费用、进度和功能特性。制定了必要的过程纪律，能重复早先类似应用项目取得的成功。已定义级。已将软件管理和工程两方面的过程文档化、标准化，并综合成该组织的标准软件过程。所有项目均使用经批准、剪裁的标准软件过程来开发和维护软件。定量管理级。收集对软件过程和产品质量的详细度量数据，对软件过程和产品都有定量的理解与控制。优化级。过程的量化反馈和先进的新思想、新技术促使过程不断改进。习题1．什么是多媒体？电视是多媒体吗？2．什么是人机交互？它的本质是什么？3．谈谈你觉得很有前途的新兴人机交互形式。4．常用的数据库有哪些类型？主流形式有哪些？5．在软件开发中不断投入财力和人力就能让软件很快完成吗？为什么？6．什么是软件项目管理？如何衡量它的质量？第四章云计算与大数据

最近十年来，计算机技术长足发展，涌现出了非常多的改变人们生活乃至改变人类社会的革新。其中有人们非常熟悉、天天接触的各类技术（如智能手机、移动设备等），也有人们少有直面而在背后默默支持的技术。这其中，渐渐广为人知的技术当推云计算与大数据。本章将向大家展示这两种技术的历史、现在和未来。4.1云计算4.1.1云计算的由来云计算的第一个里程碑是，1999年S提出的通过一个网站向企业提供企业级应用的概念。另一个重要进展是2002年亚马逊（Amazon）提供的一组包括存储空间、计算能力甚至人力智能等资源服务的WebService。

2005年亚马逊又提出了弹性计算云（ElasticComputeCloud），也称亚马逊EC2的WebService，允许小企业和私人租用亚马逊的计算机来运行他们自己的应用。4.1.2概念云计算（CloudComputing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。4.1.3特点被普遍接受的云计算的特点如下：超大规模虚拟化高可靠性通用性高可扩展性按需服务廉价4.1.4云计算的模式根据美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的权威定义，云计算的服务模式有基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）这3个大类或层次。这是目前被业界最广泛认同的划分1．IaaS位于云计算最底层的是基础设施即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS），有时候也叫Hardware-as-a-Service（硬件即服务）。例如：传统的网站服务需要客户计算CPU、内存、存储、网络和其他基本的计算资源，并自己购买昂贵的服务器，然后将其托管到运营商机房之中，通过远程摄像头，客户的IT维护人员可以监控自己服务器的运行情况。使用IaaS后用户可以购买服务器基础服务，使用即可。这个服务器可能只是虚拟的，是一个庞大服务器集群的一部分，但对用户而言，它就像自己真正的服务器一样，可以自由安装和定制任意操作系统（如Windows或Linux）。使用IaaS的好处在于：用户不用理会其他如服务器硬件购买、托管、监控、维护等工作，只需专注于自己的网站即可。2．PaaS第二层就是所谓的平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）。此服务层次向用户提供基础软件，如分布式操作系统、分布式数据库等基础服务。公司所有的开发都可以在这一层进行，节省了时间和资源。由于基础硬件和基础软件很多时候密不可分，因此PaaS公司一般同时提供第一层次（IaaS）和第二层次（PaaS）的服务。PaaS公司在Internet上提供各种开发和分发应用的解决方案，如虚拟服务器和操作系统。这节省了硬件上的费用，也让分散的工作室之间的合作变得更加容易。3．SaaS第三层就是所谓的软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS）。这一层是人们在生活中每天都要接触的一层，大多是通过网页浏览器来实现。任何一个远程服务器上的应用都可以通过网络来运行，这就是SaaS。用户消费的服务完全是从桌面系统或智能手机中获取，如微信、微博、云存储、在线视频，对国外用户而言则是通过Netflix、MOG、GoogleApps、B、Dropbox或者从苹果的iCloud进入这些分类。尽管这些网页服务是用作商务和娱乐或者两者都有，但这也算是云技术的一部分。从云服务的部署方式来看云又可以分为如下3种：（1）公有云公有云非常方便，但对企业来说，它存在以下致命缺陷。①政府没有运营“云”的有关法律、法规。②“云”运营商计费标准不统一，流量计费千差万别。③目前具备给集团企业提供“云”服务的运营商，数量还不多。④一旦更换云服务商，数据迁移是个大问题（2）私有云私有云系统存在于企业防火墙之内，只为企业内部服务。与公有云相比，私有云的安全性更好，但成本也更高。云计算的规模经济效益也受到了限制，整个基础设施的利用率要远低于公有云。公有云与私有云的区别包括如下3个方面。①从云的建设地点划分②从云服务的协议开发程度划分③从服务对象划分（3）混合云混合云则是同时提供公有和私有服务的云计算系统，它是介于公有云和私有云之间的一种折中方案。4.1.5云计算的核心技术虚拟化技术大数据存储及处理技术云计算平台管理技术绿色节能技术FaceBook公司把自己的机房建在北极圈旁，在其他的一些机房中使用风力发电在芬兰的哈密那数据中心，谷歌使用了一个旧的造纸厂，方便利用芬兰湾的海水冷却机房杭州阿里巴巴公司的新一代绿色数据中心，使用部分太阳能供电，湖水冷却，设计年均PUE（评价数据中心能源效率的指标）低于1.34.1.6经典云服务提供商1．AWS（AmazonWebServices，AWS）（1）基础设施服务①计算类服务②存储类服务③应用架构类服务④特定应用类服务⑤管理类服务（2）开发者服务Java、PHP、Python、Ruby、Android、iOS、Windows.Net共7大平台功能丰富的SDK；Eclipse和VisualStudio插件，包含应用模板、应用部署与调试等功能；比较齐备的开发文档、Tutorial、教学视频及丰富的SampleCode；比较活跃的开发者论坛，按月付费的一对一技术支持服务。2．阿里云阿里云创立于2009年，是中国最大的云计算平台，服务范围覆盖全球200多个国家和地区。针对不同行业的特点，阿里云提供了政务、游戏、金融、电商、移动、医疗、多媒体、物联网、O2O等行业解决方案。除了以上云服务商外，还有Google云、微软Azure云、百度云、腾讯云等也颇为著名，广受用户好评。4.1.7云计算的应用技术云互联云安全云存储云游戏有教育云会议云社交4.2大数据4.2.1大数据的由来1．数据单位换算关系计算机存储的最小基本单位是Byte，按从小到大的顺序，所有单位为：bit、Byte、KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、DB、NB，它们按照进率1024（2的十次方）来计算。2．企业大数据的主要来源被普遍接受的云计算的特点如下：物联网Internet查询数据社会化数据音频和视频大型以Internet为核心的公司，如Amazon、Google、eBay、Twitter和Facebook正使用这几类海量信息认识消费行为，预测特定需求和整体趋势。4.2.2大数据的定义大数据（BigData或Megadata），或称巨量数据、海量数据、大资料，指的是所涉及的数据量规模巨大到无法通过人工在合理时间内被截取、管理、处理并整理，从而成为人类所能解读的形式的信息。1．狭义大数据狭义的大数据的定义为“所谓大数据，就是用现有的一般技术难以管理的大量数据的集合。”它具有以下3个特征：Volume（数据量）Variety（多样性）Velocity（速度）2．广义大数据广义大数据的定义为，所谓大数据，是一个综合性概念，它包括因具备体积/种类/速度（Volume/Variety/Velocity，3V）特征而难以进行管理的数据，对这些数据进行存储、处理、分析的技术，以及能够通过分析这些数据获得实用意义和观点的人才和组织。4.2.3Hadoop1．Hadoop的概念Hadoop是一个能够让用户轻松架构和使用的分布式计算平台。用户可以轻松地在Hadoop上开发和运行处理海量数据的应用程序。它主要有以下5个优点。高可靠性高扩展性高效性高容错性低成本2．Hadoop平台的核心技术（1）Hadoop提供了自己的文件系统—分布式文件系统（HadoopDistributedFileSystem，HDFS）。HDFS位于Hadoop的底层，它存储Hadoop集群中所有存储节点上的文件。HDFS是一个主/从（Mater/Slave）体系结构，从最终用户的角度来看，它就像传统的文件系统一样，可以通过目录路径对文件执行创造、阅读、更新和删除（Create、Read、Update和Delete，CRUD）操作。但由于分布式存储的性质，HDFS集群拥有一个NameNode和一些DataNode。NameNode管理文件系统的元数据，DataNode存储实际的数据。客户端通过NameNode和DataNodes的交互访问文件系统。HDFS特点如下：①可靠的数据存储②处理超大文件③流式的访问数据④运行于廉价的商用机器集群上（2）MapReduce如果说HDFS解决了分布式存储的问题，那么MapReduce则解决了分布式计算问题。Hadoop的MapReduce模仿Google的MapReduce实现原理，是一个使用简易的分布式计算框架，基于它写出来的应用程序能够运行在由上千个商用机器组成的大型集群上，并以一种可靠容错的方式并行处理上T级别的数据集。例如，用户想数出一摞牌中有多少张黑桃。直观方式是一张一张检查并且数出有多少张是黑桃，而MapReduce方法如下。Step1：给在座的所有玩家分配这摞牌；Step2：让每个玩家数自己手中的牌有几张是黑桃，然后把这个数目汇报给用户；Step3：用户把所有玩家说的数字加起来，得到最后的结论。（2）MapReduceMapReduce合并了两种经典函数——映射和化简。映射（Mapping）对集合里的每个目标应用同一个操作，即每个玩家分配计算中的黑桃，简单地说，编写程序（函数）来对自己手中的黑桃加一的操作就属于Mapping。很明显，人越多数得越快，对应程序而言，机器越多则越快。化简（Reducing）遍历集合中的元素来返回一个综合的结果，即将每个人的牌数进行汇总统计，所有这个操作都属于Reducing。很明显，指定汇总的人较多，也会加快汇总速度，当所有汇总完成后才能得到最终结果。此过程对机器也一样。Mapping-Reducing工作原理示意图（3）其他子项目①HadoopCommon②Hive③Zookeeper④Avro⑤

Pig⑥Ambari3．Hadoop的发展趋势（1）从离线计算到实时计算（2）从数据库到数据挖掘颇有前途的大数据计算框架:①

StormStorm是一个分布式的、容错的实时计算流式框架，它由Twitter提供。它被托管在GitHub上，遵循EclipsePublicLicense1.0。Storm的主要特点如下。简单的编程模型。类似于MapReduce降低了并行批处理复杂性，Storm降低了进行实时处理的复杂性。可以使用各种编程语言。程序员可以在Storm之上使用各种编程语言。默认支持Clojure、Java、Ruby和Python。要增加对其他语言的支持，只需实现一个简单的Storm通信协议即可。容错性。Storm会管理工作进程和节点的故障。水平扩展。计算是在多个线程、进程和服务器之间并行进行的。可靠的消息处理。Storm保证每个消息至少能得到一次完整处理。任务失败时，它会负责从消息源重试消息。快速。系统的设计保证了消息能得到快速的处理。本地模式。Storm有一个“本地模式”，可以在处理过程中完全模拟Storm集群，程序员可以快速进行开发和单元测试。②

SparkApacheSpark是一个开源计算框架，最初是由加州大学伯克利分校AMPLab所开发。相对于Hadoop的MapReduce会在运行完工作后将中介数据存放到磁盘中，Spark使用了存储器内运算技术，能在数据尚未写入硬盘时（即在存储器内）分析运算。Spark在存储器内运行程序的运算速度能做到比HadoopMapReduce的运算速度快上100倍，即便是运行程序于硬盘时，Spark也能快上10倍速度。Spark允许用户将数据加载至内存，并多次对其进行查询，非常适合用于机器学习算法。③HadoopMahoutHadoopMahout是Hadoop下的一个子项目，提供一些可扩展的机器学习领域经典算法的实现，旨在帮助开发人员更加方便快捷地创建智能应用程序。Mahout包含许多实现：聚类、分类、推荐过滤、频繁子项挖掘。此外，通过使用ApacheHadoop库，Mahout可以有效地扩展到云中。提供的算法如下表所示：算法类算法名中文名分类算法LogisticRegression逻辑回归Bayesian贝叶斯SVM支持向量机Perceptron感知器算法NeuralNetwork神经网络RandomForests随机森林RestrictedBoltzmannMachines有限波尔兹曼机聚类算法CanopyClusteringCanopy聚类K-meansClusteringK均值算法FuzzyK-means模糊K均值ExpectationMaximizationEM聚类（期望最大化聚类）MeanShiftClustering均值漂移聚类HierarchicalClustering层次聚类DirichletProcessClustering狄里克雷过程聚类LatentDirichletAllocationLDA聚类SpectralClustering谱聚类关联规则挖掘ParallelFPGrowthAlgorithm并行FPGrowth算法回归LocallyWeightedLinearRegression局部加权线性回归降维/维约简SingularValueDecomposition奇异值分解PrincipalComponentsAnalysis主成分分析IndependentComponentAnalysis独立成分分析GaussianDiscriminativeAnalysis高斯判别分析进化算法并行化了Watchmaker框架

推荐/协同过滤Non-distributedrecommendersTaste（UserCF，ItemCF，SlopeOne）DistributedRecommendersItemCF续表算法类算法名中文名向量相似度计算RowSimilarityJob计算列间相似度VectorDistanceJob计算向量间距离非Map-Reduce算法HiddenMarkovModels隐马尔科夫模型集合方法扩展Collections扩展了Java的Collections类④MllibMLlib是Spark上分布式机器学习框架。Spark分布式存储器式的架构比Hadoop磁盘式的ApacheMahout快上10倍，扩充性甚至比VowpalWabbit要好。MLlib可使用许多常见的机器学习和统计算法，用于简化大规模机器学习时间，其中包括以下7种。汇总统计、相关性、分层抽样、假设检定、随机数据生成。分类与回归：支持矢量机、回归、线性回归、决策树、朴素贝叶斯。协同过滤：ALS。聚类：K平均算法。维度缩减：奇异值分解（SVD）、主成分分析（PCA）。特征提取和转换：TF-IDF、Word2Vec、StandardScaler。最优化：随机梯度下降法（SGD）、L-BFGS。4.2.4大数据的问题这些数据应当属于谁谁有权利利用这些数据进行分析这种利用是否应有一个限度4.2.4大数据的由来大数据汽车——研发智能汽车大数据体育——打造更完美赛事大数据电商——打造更极致用户体验大数据旅游——开启智慧旅游大数据金融——建立征信的根基大数据医疗——开启全民健康时代习题

1．什么是云计算？2．什么是大数据？3．云计算的核心技术有哪些？4．云计算能解决哪些问题？不能解决哪些问题？5．大数据是万能的吗？它有哪些危机？6．试编制一个游戏来说明MapReduce的过程，并说明它是如何提高计算速度的。第五章微电子与传感技术

微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础。微电子技术的核心是集成电路技术，计算机、数控机床、机器人、智能手机、家电设备、航空航天、军事装备等无一不使用微电子集成电路技术。因此，微电子技术是传感技术、通信技术、计算机技术发展的重要基础。5.1微电子技术5.1.1微电子技术及其发展历程第一代：电子管技术第二代：晶体管技术第三代：集成电路第四代：集成电路的规模化发展第五代：微机电集成电路现代高保真音响电子管功放（胆机）不同功率大小的晶体三极管元件半导体集成电路内部示意图微机电集成电路的内部结构规模化发展的集成电路内部结构5.1.2微电子集成电路的分类及应用模拟集成电路数字集成电路数/模混合集成电路5.1.3微电子集成电路的封装及外形封装的作用封装的形式封装的材料四种典型的封装外形1.双列直插（DIP）2.四侧引脚扁平QFP3.插针网格阵列PGA4.球形触点陈列BGA

IP封装集成电路外形结构QFP封装集成电路外形结构PGA封装集成电路外形结构BGA封装集成电路外形结构5.1.4微电子集成技术的发展趋势集成电路的集成度代表着微电子集成技术的发展水平，集成度越高，意味着单位芯片面积上所容纳的元件数目越多、加工线宽越小、技术水平越高。年度199920012004200820102014工艺/μm0.180.130.090.0450.0320.014晶体管个数/M23.847.613553910003500时钟频率/GHz1.21.62.02.6553.810面积/mm2340340390468600901连线层数6789910晶圆直径/英寸（1英寸=25.4mm）1212141616185.2

传感器技术5.2.1传感器概述概念传感器技术的重要性传感器技术的特点和发展趋势目前，传感技术正朝着集成化、微型化、数字化、智能化和仿生化方向发展：（1）使用新技术、新材料的传感器（2）集成传感器（3）智能能传感器5.2.2传感器的定义和组成1.传感器的定义传感器（Sensor/Transducer），也称为换能器，是一种能感受到物理、化学、生物量信息的电能器件，并将感受到的信息按一定规律变换成电压信号、电流信号、脉冲信号等形式的输出信息，以满足信息的电子化传输、处理、存储、显示、记录和控制等需要。传感器是测量装置，能完成电量或非电量信息检测。输入量是某一种被测量，可能是物理量、化学量、生物量等。输出量是某一种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、显示等，这种物理量可以是气、光、电，但主要是电量。输入与输出有某种对应关系，且应有一定规律和精确度。2.传感器的组成敏感元件转换原件转换电路辅助电源5.2.3传感器的作用和分类1.传感器的作用对被测信号产生敏感并能把它转换出来。信号提取的同时能把它转换成所需要的信号（主要是完成非电量到电量的转换）。2.传感器的分类按被测物理量：可分为位移量、力量、运动量、热学量、光学量、气体量等传感器。按工作原理：可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、光栅式、热电式等传感器。按输出信号性质：可分为开关型、数字型和模拟型传感器。开关型输出开和关的信号，数字型输出连续脉冲信号，模拟型输出连续时间正/余弦波形信号。按照能量传递方式：可分为有源传感器与无源传感器两大类。3．传感器的仿生研究（1）光敏传感器——视觉（2）声敏传感器——听觉（3）气敏传感器——嗅觉（4）化学传感器——味觉5.2.4传感器的静动态特性传感器所测量的物理量基本上可归纳为静态量和动态量两种基本形式。其中：静态量通常为常量或变化缓慢的量，反映出被测量具有静态的特性；动态量通常为周期性变化、瞬态变化或随机变化的量，反映出被测量的动态特性。传感器的输出—输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性，才能完成信号无失真的转换与测量。1．传感器的静态特性及特性参数（1）传感器的静态特性参数①量程：指在允许误差限范围内被测量值的测量范围。②灵敏度：指在稳态时输出量的变化量与输入量变化量的比值，即单位输入量引起的输出量大小，这个比值越大，传感器就越灵敏。常用Sn表示灵敏度，其表达式为：灵敏度计算示意图：③线性度：指传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度，又称非线性误差，其表达式为：式中，yFS为传感器的满量程输出值；Δymax为校准曲线与拟合直线的最大偏差。

线性度计算示意图④不重复性：指在相同条件下传感器的输入量按同一方向做全量程多次重复测量，输出曲线的不一致程度。多次重复测量的复合度越高，测量的一致性越好。⑤迟滞：迟滞现象是传感器正向特性曲线（输入量增大）和反向特性曲线（输入量减小）的不一致程度。即由小到大的测量，与由大到小的测量过程，总是存在差异性的，其表达式为：

传感器迟滞回线图⑥精确度：精确度也称为精度，是线性度、不重复性及迟滞3项指标的综合指数，反映了系统误差和随机误差的综合指标。⑦零点时间漂移：传感器在恒定温度环境中，当输入信号不变或为零时，输出信号随时间变化的特性，称为传感器零点时间漂移，简称为零漂。⑧零点温度漂移：当输入信号不变或为零时，传感器的输出信号随温度变化的特性，称为传感器零点温度漂移，简称为温漂。（2）传感器的静态特性数学模型在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程表示，称为传感器的静态数学模型，即：式中，a0为无输入时的输出，即零位输出；a1为传感器的线性灵敏度；a2，a3

，…，an为非线性项的待定常数。设a0=0，即不考虑零位输出，则静态特性曲线过原点。一般可分为以下4种典型情况。①理想的线性特性当a2=a3=…=an=0时，静态特性曲线是一条直线，如下图所示，传感器的静态特性为②无奇次非线性项当a3=a5=…=0时，静态特性为因不具有对称性，线性范围较窄，如右图所示。③无偶次非线性项当a2=a4=…an=0时，静态特性为特性曲线关于原点对称，在原点附近有较宽的线性区，如右图所示④一般情况的线性特性特性曲线过原点，但不对称，如右图所示2．传感器的动态特性及特性参数传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上输出信号不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。例如，动态测温（见图5.23），设环境温度为T0

，水槽中水的温度为T，而且T

＞T0。（1）传感器突然插入被测介质中；（2）用热电偶测温，理想情况测试曲线T是阶跃变化的；（3）实际热电偶输出值是缓慢变化的，存在一个过渡过程。动态特性除了与传感器的固有因素有关，还与传感器输入量的变化形式有关。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面采用频率响应法和瞬态响应法来分析。（1）频率响应。传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。由图可见，传感器的频率响应特性好坏，主要取决于传感器的固有频率和阻尼比。（2）瞬态响应。传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析，这种分析方法是时域分析法。传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应，激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。5.2.5智能传感器及其发展1.智能传感器的定义与特征智能传感器是一种带微处理器兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器。智能传感器是由传统的传感器和微处理器（或微计算机）相结合而构成的。它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。除微处理器以外，智能传感器相对于传统传感器应具有如下特征。①可以根据输入信号值进行判断和制定决策。②可以通过软件控制做出多种决定。③可以与外部进行信息交换，有输入输出接口。④具有自检测、自修正和自保护功能。2．智能传感器系统一般构成3．智