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1信息技术及计算机系统
第1章信息技术及计算机系统
1.1信息技术概述
在我们生活的这个星球上，迄今为止还没有哪种技术能够像信息技术这样对人类社会产生如此广泛而深远的影响。
环顾当代世界，几乎每一个国家都把信息技术视为促进经济增长、维护国家利益和实现社会可持续发展的最重要手段，信息技术已成为衡量一个国家综合国力和国家竞争实力的关键因素。
它既是现代人类文明的技术基础，也是人们开发利用信息资源的主要手段。
1.1.1信息概述
1.信息的定义
“信息”作为一个普遍使用的概念，理应有个定义。
但是，由于人们观察角度的不同，采用方法的差异，更重要的是，我们需要对这门新学科进行比较长期的探索，因此，到目前为止，围绕信息定义所出现的流行说法不下百种，仁者见仁，智者见智。
我国学者从宏观信息论的角度出发，一般认为，信息是“反映物质及其运动属性及特征的原始事实”。
从信息来源的角度，大体可以将信息分为两类：
自然信息和社会信息。
自然信息是指不依赖人类社会，先于人类社会就在宇宙间、自然界客观存在或随即发生的各种生物信息和非生命物质的物理信息。
自然信息有的已被人们感知，有的还不一定被人们感知。
人类对自然信息的感知深度随着科学技术的发展而逐步加深。
社会信息是指在人类社会实践中，为生存、生产和社会发展而产生、处理和利用的信息。
例如，报刊、广播、电视中存在的大量公众信息；学术论文、期刊、杂志中刊登有大量的学术信息；公司的客户名单、销售计划、意向合同中大量的商业信息等等。
自然信息和社会信息一起构成了当前人类社会的信息体系，人们每时每刻都在自觉或不自觉地接受和传播信息。
物质、能量和信息是人类社会赖以发展的三大重要资源。
并且信息的重要性越来越得到人们的重视。
由于信息的重要性，现在信息资源的开发和利用已经成为独立的产业，即信息产业。
2.信息与数据、知识、情报、消息等相关概念的区别与联系
信息与数据、知识、情报、消息等相关概念有一定的联系，但又有明显的区别。
信息区别于数据。
数据和信息的关系，可以形象地解释为原料和成品的关系，数据是原材料，信息是制成品。
数据代表真实的客观世界，除本身外没有其他意义。
信息则是定义了关系的数据，具有超出事实本身的额外价值。
从数据管理或通信的角度出发，由于信息是通过具体的数据形式被存储和传输的，因此数据又可被看作是信息的载体。
信息区别于知识。
知识是人类社会实践经验的总结，是人的主观世界对于客观世界的概括和反映。
信息是知识的基础，但并非所有的信息都是知识，有的信息有丰富的知识内容，有的信息就没有什么知识内容。
信息区别于情报。
情报通常是指秘密的、特定的、新颖的一类信息，可以说所有的情报都是信息，但不能说所有的信息都是情报。
信息区别于消息。
人们通常所说的消息是指包含某种内容的音讯。
消息是信息的反映形式，信息是消息的实质内容。
信息不同于消息，消息只是信息的外表，信息是消息的内涵。
而且不同的消息中包含的信息量是不同的，有的消息中包含的信息量大一些，有的小一些，有的消息中甚至不包含信息。
信息区别于信号。
信号是信息的载体，信息是信号所载荷的内容。
3.信息的主要特征
信息的主要特征可以概括为以下几点：
（1）普遍性：
只要有物质和物质运动存在，就会有信息。
（2）传递性：
信息可以通过语言、文字、声、光、磁等信息传播媒体进行传递。
信息
只有通过传递（发布）才能体现它的价值。
（3）可识别性：
任何信息都可以被特定的对象所识别而发挥作用。
人类可以通过感觉
器官来识别自然信息和和社会信息，也可以通过特定的传感器、仪器等来检测自然信息。
（4）转换性：
信息可以由一种形态转换为另一种形态。
例如，各种自然信息可以被转
换成文字、语言等社会信息，或被转换为计算机代码、电波信号等。
（5）存储性：
信息必须依附于物理载体存在。
载体就是承载信息的媒体。
自然界的空
气、声、光、电到纸张、磁盘、磁带、光盘等都可以成为信息的载体。
（6）再生性：
信息可以被再次处理，如采集、加工、传输、存储等。
经过分析处理可
以得到更具有利用价值的信息。
（7）时效性：
过时的信息不再具有利用价值。
（8）共享性：
信息是可以共享的。
如广播、电视、因特网上发布的大量信息可以广泛
地被人们所共享。
被共享后的信息不会消失。
1.1.2信息技术及其发展
1.信息技术的概念
信息技术目前还没有一个统一的定义。
一般认为，凡是涉及到信息的产生、获取、检测、识别、变换、传递、处理、存储、显示、控制、利用和反馈等与信息活动有关的、以增强人类信息功能为目的的技术都可以叫做信息技术。
概括地说，信息技术是指扩展人类信息器官功能的一类技术。
2.信息技术的发展演变
信息技术的发展按照信息的载体和通信方式的发展，大致粗分为古代信息技术、近代信息技术和现代信息技术三个阶段，并经历了语言的产生、文字的发明、印刷术的发明、电信革命和计算机技术的发明和利用五次重大的变革。
（1）古代信息技术
古代信息技术的特征是以文字记录为主要信息存储手段，以书信传递为主要信息传递方法，不论是信息的采集、传递、传输都是在人工条件下实施的。
因此，当时人们的信息传递范围小、效率低、可靠性也较差。
古代信息技术经历了语言的产生、文字的产生和印刷术的发明三个重大变革。
（2）近代信息技术
近代信息技术发展阶段的主要特征是以电为主体的信息传输技术，它大大加速了信息传递速度，从而使人类的信息活动步入新的阶段。
伴随着信息传播技术的发展，录音、唱片、照相、摄像等信息存储方式也在飞速发展。
电信革命对人类的信息技术做出了非凡的贡献，也为现代信息技术奠定了坚实的基础。
（3）现代信息技术发展阶段
电子计算机的出现是进入现代信息技术发展阶段的标志，其基本特征是：
计算机、网络、光纤和卫星通信。
不仅有了电通信，更有了光通信，光纤的应用使得通信速度大大提高。
现代信息技术是以电子技术，尤其是微电子技术为基础，计算机技术为核心，通信技术为支柱，以信息应用技术为目标的科学技术群。
现代信息技术具体实现信息的获取、传输、处理、控制、展示和存储功能。
下面就几种信息技术进行简单介绍：
●信息获取技术
获取信息是利用信息的先决条件。
人类最基本的手段是用眼、耳、鼻、舌等感觉器官获取自然、社会信息。
为了克服人体器官的局限和外界条件的限制，人们不断研究和创造各种传感器和仪器来间接获取信息。
例如使用放大镜、显微镜、望远镜、照相机、摄像机、雷达、侦察卫星来获取小、远、高速运动物体的信息。
超声波检测、X光透视、核磁共振等成像技术能对人体或物体内部进行信息检测。
遥感遥测技术设备能替代人体感觉器官获取远距离的信息等。
●信息传输技术
信息在空间的传输称为通信，因此信息传输的核心是通信技术。
通信是人体信息传递技能的延伸，是人类赖以生存和发展的基本要素之一。
信息技术的每次重大变革，实际上都是以信息传输技术为主要内容的变革。
在信息作为人类社会经济发展最重要战略资源的今天，传递信息的通信网络已经成为社会经济发展的生命线。
没有先进的通信技术手段，就不可能有现代化的科研开发和生产经营管理，也不可能有发达的社会经济活动。
据国外学者对50多个国家历史数据的分析，若一个国家前5年电话普及率提高1%，则其后7年的人均GNP可提高3%；另据国际电信联盟（ITU）统计，一个国家对通信建设的投资每增加1%，其人均国民收入将提高3%。
覆盖全球的通信网络每时每刻都在不间断地传送着无数的信息，是人类社会须臾不可或缺之物。
目前通信技术总的发展趋势是由模拟通信走向数字通信，计算机技术和通信技术紧密结合在一起，使信息处理与信息传递逐渐走向一体化。
●信息处理技术
信息处理技术就是对获取到的信息进行识别、转换、整理、加工，保证信息安全可靠的存储和传输，并能方便的检索和再生利用。
信息处理技术的基本工具是计算机，因此其核心技术是计算机技术。
它是应用计算机系统以及数字传输网，对信息进行识、再生和利用的专门技术。
它能帮助人们更好地存储信息、检索信息、加工信息、再生信息和利用信息。
具体包括：
人工智能技术、数据库技术、多媒体技术等。
●信息控制技术
在信息系统中，对信息实施有效的控制，一直是信息活动的一个重要方面，也是利用信息的重要前提。
信息控制技术就是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。
上述计算机技术、通信技术和控制技术合称为3C（Computer，Communication，Control），它们是信息技术的主体，所以，人们干脆把信息技术直接称为“3C技术”。
●信息展示技术
展示也称为再现技术，是目前发展非常迅速的信息技术分支。
如何使信息内容及时、有效、生动地展示在需要该信息的对象面前，已经成为信息处理的一个极其重要的问题。
其中，文字、声音、图像、音频、视频的处理和展示也就是通常所说的多媒体技术，例如，使用大量的球幕电影、3D和4D电影等。
●信息存储技术
信息存储是各种科学技术得以存在和发展的基础。
存储技术发展到今天，印刷存储技术、缩微存储技术、磁存储技术、半导体存储技术、光存储技术先后出现和并存，为信息的存储展现了广阔的前景。
主要可分为直接连接存储、移动存储和网络存储三种。
直接连接存储是最常用的存储形式，主要存储部件有磁盘、磁带和光盘。
移动存储具有大容量、高速度、高便携性等特点，主要有闪存卡、优盘和移动硬盘。
网络存储包括网络附加存储（networkadd-onstorage,NAS）和存储区域网络（storageareanetwork,SAN）。
NAS是直接连接到网络上通过网络传输的一种存储器，NAS对于既要解决巨大存储容量，又要求低价和即插即用的中小型用户是首选存储方案；SAN是以块为传输单元，通过光纤通道传输数据的技术，目前主要应用在大型应用领域。
3.信息技术的应用
（1）企业信息化
所谓企业信息化是指企业利用计算机技术、网络技术等一系列现代信息技术，通过对信息资源的深度开发和广泛利用，不断提高生产、经营、管理、决策的效率和水平，从而提高企业经济效益和企业竞争力的过程。
（2）办公自动化
办公自动化的定义和特点是：
用现代信息技术（计算机技术、现代通信技术、网络技术、信息应用技术等）和相应的软、硬件设备进行事务管理的办公系统，替代繁杂的手工操作，以便准确、快速、有效地收集、加工、组织、保存、统计、分析、再生和利用文字、声音、图形、图像、影像等多种媒体信息，提高事务处理的效率和质量。
办公自动化的支撑技术是计算机技术、现代通信技术和数字技术。
办公自动化系统的硬件主要是计算机、计算机网络和通信线路，以及其他计算机外围设备。
办公自动化系统的软件主要有基本软件、办公通用软件和办公专用软件三类。
办公自动化的内容包括：
①文字输入、编辑、修改、存储、排版、打印和复制；②文件档案的信息管理和数据处理功能；③对语音信息进行收集、编辑（剪辑）、识别、转换和保存等操作；④对图形、图像的处理和传输；⑤将各种通信设备连接如网络，实现网间通信，以达到资源共享的目的。
（3）现代信息技术与教育
现代信息技术的发展为教育培养模式从应试教育向素质教育转变提供了可能。
多媒体技术的应用引起传统教学方式的改变。
使用多媒体可以让教学图文并茂、有声有色，提高了教学的趣味性和学生学习的积极性。
因特网使学生可以自主地在网上收集、交换学习信息，使教学信息资源极大的丰富，并促使教育向资源全球化，教学自主化，个性化发展。
网络教育、远程教育、计算机辅助教学的实施，使教育超时空开放。
不仅在空间上打破师生必须同一教室的限制，同时在时间上可以不受任何束缚、促进教育社会化和终身化的发展。
（4）电子商务
通过计算机网络进行的商务活动称为电子商务（electronic-business,EB）。
电子商业贸易（electronic-commerce,EC）是电子商务的代表。
在电子商业贸易中，交易双方通过企业间计算机专用网的电子数据交换，进行一系列的贸易活动。
电子商务在具体应用时分为不同的层面：
①企业对企业，也称为“B2B”（businesstobusiness,BtoB）;②企业对消费者，也称为“B2C”（businesstoconsumer,BtoC）。
目前电子商务正在世界范围内迅速发展，主要涉及计算机软件、娱乐产品、信息服务和专业服务等方面。
（5）生活信息化
信息技术还渗透到人们衣食住行的各个角落。
诸如电冰箱、空调、电视、全自动洗衣机等家电都离不开“嵌入式芯片”等信息技术的应用。
现在，形形色色，式样新颖的产品更是层出不穷，信息家电也开始出现，例如，夏普公司生产的“网络电子微波炉”可以接入因特网，在网上下载400多种食谱，辅助进行料理。
在当前实际社会中，与信息传播相关的电话网、有线电视网和计算机网络由于业务性质、技术和行政管理等历史原因，各自承担不同的业务，但是未来的发展趋势将是“三网融合”，人类的生活将展开新的一页。
1.1.3微电子技术
当前，微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广。
几乎所有高科技领域的发展都离不开集成电路，电子计算机的发展也离不开它。
所以，微电子技术是现代信息技术的基础，所有国家无不集中全力，力争在这一领域中有所建树，有所突破。
1.从电子管到集成电路
（1）电子管
电子管又称“真空管”，它是将玻璃管内部抽成真空，这样做有利于电子在其中的运动，也有效地降低灯丝的氧化损耗。
电子管拥有三个最基本的极：
阴极、屏极、栅极。
（2）晶体管
半导体是制造晶体管的基本材料。
所谓半导体就是它的导电性介于导电性能很好的“导体”和几乎不传导电流的“绝缘体”之间。
晶体管也具有三个基本极：
①集电极C（collector）,相当于电子管的屏极；②基极B（base）,相对于电子管的栅极；③发射极E（emitter）,相当于电子管的阴极。
它是微电子技术产生的标志。
（3）集成电路
所谓“集成电路”就是把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的，实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上。
集成电路发展迅速，日新月异。
1962年制成的集成电路只能够集成几个逻辑电路单元，到1965年已能集成近100个单元，通常称为“小规模集成电路”；1967年发展到集成度为100～1000个单元的中规模集成电路；1967～1973年，集成度达到1000～10000个单元的大规模集成电路（LSIC）；1978年集成度已达到10万个～100万个单元的超大规模集成电路。
目前，集成度突破了千万单元，称为“超大规模集成电路”（VLSIVeryLargeScaleIntegration）。
（4）多核处理器
从本世纪开始，Intel等集成电路制造厂商的产品已经发展成多核处理器，双核处理器相当于在一个芯片中存在2个CPU同时工作，四核处理器相当于在一个芯片中存在4个CPU同时工作。
显然，只要它们能协同工作，效率就会成倍提高。
目前市场上已经大量销售四核的CPU芯片，大大提高了计算机系统的整体性能。
原来在大型计算机上的多处理器并行处理的原理正在个人计算机上通过多核处理器芯片而实现。
2.摩尔定律
1975年摩尔提出了关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”，这个定律说，集成度（即单片电路芯片中的电子器件数）每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降。
几十年的发展基本上证实了这个定律所揭示的规律。
从个人计算机的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。
微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。
与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。
这里需要特别指出的是，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽容度。
从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。
1.2计算机系统的基本结构和原理
自从世界上第一台电子计算机问世以来，计算机的发展速度是其他任何产业所无法比拟的。
特别是微型计算机的出现，以及计算机网络技术和多媒体技术的发展，使计算机的应用已逐渐渗透到人类社会的各个领域。
1.2.1计算机产生和发展
1．计算机的产生
计算机是一种具有快速计算和逻辑运算能力，依据一定程序自动处理信息，存储并且输出处理结果的电子设备。
电子计算机的发明人是阿塔那索夫（J.V.Atanasoff）和他的研究生贝瑞（C.Berry）在1941年发明制造了名为ABC（Atanasoff-BerryComputer）的电子计算机。
1946年2月，具有盛名和极大影响的电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator），即“电子数字积分与计算机”，在美国宾夕法尼亚大学诞生。
ENIAC是世界上第一台采用电子管为主要元件的、真正能自动运行的电子计算机。
它使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格为40多万美元。
它最初被专门用于军事上的弹道计算，后来经过多次改进，成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。
从诞生到结束使用历经了9年多时间。
尽管ENIAC存在许多缺陷，每秒只能进行5000次加法或减法运算，其功能远不如当今的计算机，但是它作为计算机家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河。
2．计算机的发展
电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，至今已经历了五个发展阶段。
每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
第一阶段：
电子管计算机阶段（1946-1957年）。
其主要特点是采用电子管作为基本器件，以水银延时线作为主存，后期则采用了磁芯存储器；运算速度一般每秒数千次至数万次，内存容量仅几千个字节，程序设计语言处于最低阶段，只能采用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。
由于体积大、耗电多、速度低、使用不便，主要是局限于一些军事和科研部门进行科学计算。
第二阶段：
晶体管计算机阶段（1958-1962年）。
其主要特点是采用晶体管作为基本器件，内存储器大量使用磁芯存储器，外存储器有磁盘和磁带等，运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万个字节，出现了诸如ALGOL60，FORTRAN，COBOL等高级程序设计语言。
与电子管计算机相比，体积小、耗电少、成本低、使用方便、可靠性高。
它的应用从军事研究、科学计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。
第三阶段：
集成电路计算机（1963-1970年）。
其主要特点是采用了小规模集成电路SSI（SmallScaleIntegration）和中规模集成电路MSI（MediumScaleIntegration），内存储器开始使用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几千次到几百万次基本运算。
同时，计算机软件技术进一步发展，操作系统正式形成，并出现多种高级程序设计语言，如BASIC等。
在性能方面与前一阶段相比都有大大的提高。
它被广泛地应用于科学计算、数据处理、工业控制等方面，进入众多的学科领域。
第四阶段：
大规模集成电路计算机（1971-1995年）。
其主要特点是采用了大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegration）和超大规模集成电路，运算速度提高到每秒百千万次，甚至上亿次，存储容量发展到几千兆字节，存取速度大大加快。
同时操作系统、数据库管理系统等系统软件不断完善，应用软件逐渐发展成为一个现代产业。
计算机技术和通讯技术相结合，使计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。
计算机的应用已渗透到人类社会生活的各个方面。
第五阶段：
人工智能计算机（1995年至今）。
其主要特征为人工智能在计算机中的运用，运算速度和存储容量大大提高，主要用于支持知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等。
新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，它以知识库为基础，采用智能接口，能理解人类自然语言，能进行逻辑推理，完成判断和决策任务。
毫无疑问，随着超大规模集成电路的发展以及新的计算机体系结构和软件技术的发展，第五代计算机将是完全新型的一代计算机。
3．微机的发展概况
微机是指以微处理器为核心，配上内存储器（包括随机存储器RAM和只读存储器ROM）、输入/输出接口电路及其他相应的电路而构成的裸机。
微机的发展是以微处理器的发展为特征的。
微处理器是指由一片大规模集成电路组成的中央处理器（CPU，即通常所指的运算器和控制器），以及时钟脉冲发生器和系统控制器。
微处理器和微机自1971年问世以来，在仅三十几年的时间里得到异乎寻常的发展，大约每2-4年就更新换代一次，至今已经历了五代演变。
通常我们是按CPU的字长和功能来划分各代微机的产品。
由4位或8位低档微处理器，字长为4位或8位发展到64位微处理器，即人们习惯称其为586（Pentium，奔腾）处理器。
以后又推出了PentiumPro（多能奔腾），几个月后又推出了基于MMX技术的全系列CPU，MMX就是多媒体扩展的意思。
使微机在处理多媒体信息上有了很大的提高，
1999年，出现了以PentiumIII为处理器的微机，内存一般为64MB、128MB，并可扩充到256MB以上，配备了软驱、光驱和几个GB到几十个GB的硬盘，主频在450MHz到1000MHz不等。
这一代计算机带有更强的多媒体效果，而且支持网络应用的功能更加强大。
2000年岁末，以PentiumⅣ为处理器的新一代微机出现，运算速度更快、存储容量更大、处理能力更强。
随着互联网功能增强，有的微机开始注重上网功能，即机器只要具有优秀的上网功能，而不一定需要配备高性能的处理器、大容量硬盘，这使得个人计算机向另外一个方向发展，出现了“上网本”。
另一个值得关注的趋势是，笔记本电脑和智能手机相互融合，产生出了新型的“平板电脑”。
例如苹果公司发布了苹果iPad；RIM公司发布了黑莓PlayBook。
4.嵌入式系统
随着微控制器的大规模的嵌入式应用，嵌入式系统遍及各行各业，得到广泛应用。
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序等几个部分。
以信息家电为主要应用领域的嵌入式产品，有十分美好的应用前景，但由于网络和多媒体技术的迅速发展，对其提出更高要求：
十分灵活的网络联接；包括与移动通信相适应的信息交换；快速的多媒体信息处理；微型化的体积和较高的功能密度等。
嵌入式系统发展的趋势主要有以下几点：
嵌入式处理器向64位过度；嵌入式Linux操作系统；联网成为必然趋势；微小尺寸、微功耗和低成本；提供精巧的多媒体人机界面。
5.超级计算机
超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成、性能极其强大、能完成普通PC机和服务器不能完成的大型复杂计算的计算机。
超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。
作为高科技发展的要素，超级计算机已经成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。
经过我国科技工作者几十年的不懈努力，我国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。
1.2.2计算机的应用及性能特点
1．计算机的应用
计算机的应用已涉及人类社会的各个方面。
特别是Internet的诞生和发展，使计算机
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