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普通高等教育 十一五 国家级规划教材 大学计算机基础 管会生主编 北京
内容简介 本书是依据教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会制定的枟计算机基础课程教学基本要求枠 ( 白皮书 ) 编写的 全书沿信息技术的发展历程 技术和应用三条主线, 讲述了信息技术基础 程序设计和计算机应用三部分内容, 重点介绍了信息理论的发展历程与奠基人, 中国特色的信息化道路 ; 汉字信息处理技术与文档编辑软件 ( 包括文档编辑 电子表格编辑 幻灯片演示等常用编辑软件 ) ; 算法设计与基本数据结构, 结构化程序设计, 面向对象技术与可视化编程等内容 ; 以 神算小精灵 ( 计算器 ) 实用完整的程序开发为从始至终的教学案例, 讲授了 Visual Basic 程序的设计与控制 ; 以 MATLAB 2008a 版本为蓝本并结合精选实例介绍了 MATLAB 最基础 最常用的内容 除突出中国文化特色与人文精神之外, 本书介绍了目前处于应用热点的前沿技术, 如电子标签 (RFID) NFC 卡式管理技术和条码技术以及人工智能与神经网络 数据仓库与数据挖掘 地理信息系统与 3S 技术等, 重点阐述了这些技术的开发历史 实现思路 应用背景演变以及未来发展的趋势 通过大知识量的讲授来阐述这样一种理念 : 计算机的生命在于应用 本书可作为高等院校所有学科各专业计算机基础教育的教材, 也可以作为培训教材和自学参考书 图书在版编目 (CIP) 数据 大学计算机基础 / 管会生主编. 北京 : 科学出版社,2009 ( 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 ) ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 024843 唱 5 Ⅰ 畅大 Ⅱ 畅管 Ⅲ 畅电子计算机唱高等学校唱教材 Ⅳ 畅 TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2009) 第 103618 号 责任编辑 : 李娜陈晓萍 / 责任校对 : 王万红责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 李亮 出版北京东黄城根北街 16 号 邮政编码 :100717 http ://w ww 畅 sciencep 畅 com 印刷科学出版社发行各地新华书店经销倡 2009 年 8 月第一版开本 :787 1092 1/16 2009 年 8 月第一次印刷印张 :24 1/4 印数 :1 4 500 字数 :575 000 定价 :36 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙科印枛 ) 销售部电话 010-62134988 编辑部电话 010-62137374 版权所有, 侵权必究举报电话 : 010-64030229; 010-64034315; 13501151303 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
有多少教育可以重来 汶川大地震, 袭击最集中 损失最惨重的是我们的校园, 而地震中表现最坚强 最让人感动的也是校园里的师生 一幕幕感人场景以及中国人民所表现出来的可歌可泣的民族之魂和百折不挠的中国精神, 让世界震撼和感动 倒塌的教室可以重盖, 已成废墟的校园可以重建, 但是有多少生命可以重来?! 同样, 有多少教育可以重来? 又有多少教育可以等待?! 一 有多少教育可以重来有多少教育可以重来? 据媒体报道, 2006 年大学毕业生的首次就业率不足 60 %, 就业困难给大学生们带来了从未有过的挫折感 20 世纪 60 年代, 人们常常因为看到天才被送入工厂或农村而扼腕叹息, 而今天人们更该担心那些大学毕业的学士 硕士, 走出校门却无法为社会创造价值 大学生就业难给我们的最大启示就是 : 社会需求是教育事业的生存之母, 科学创新是教育事业的发展之父! 大学要授人以 渔, 学生应该学会学习! 学会思考! 学会生存! 有多少教育可以重来? 对于大学生们而言, 上大学就是为学习而来, 为学习思想和思考而来, 他们辛勤地读书, 努力了 奋斗了 付出了, 也取得了一点成绩, 但到头来他们却发现 : 现实离自己当初设定的目标还很远, 他们第一个所热爱并全身心投入的 社会急需的 老师们也都说好的职业发展目标, 并不能触手可及 有多少教育可以重来? 作为大学教师的我们应该反思什么问题呢? 大学生们希望从有限的每一节课上都能最大限度地获得知识和启迪, 为此他们已付出了青春的代价 所以, 大学教授们能不竭尽所能地上好每一节课吗? 爱岗与敬业是为人之本分, 教书与育人是教师之天职, 奉献与责任是师德之灵魂 教授的师德也是在创新的教学实践和具体的课堂讲授中体现的 二 缺失大师的大学教育中国是人口大国, 如果仅从绝对数量上来比较, 中国很容易制造出许多 Number One, 如中国手机用户就已经是世界第一 中国的高等教育规模用 8 年时间赶超美国 英国 俄罗斯 印度 4 国, 达到了世界第一, 其中招生规模 在学总人数和毛入学率三项指标, 分别从 1998 年的 108 万人 800 万人和 9 畅 8 % 上升为 2006 年的 540 万人 (5 倍 ) 2500 万人 (3 畅 13 倍 ) 和 23 % (2 畅 35 倍 ) 中国已成为高等教育大国, 但绝非高等教育强国 高校扩招后出现的就业压力已日趋明显, 企业的招聘需求与毕业生实际能力水平之间的落差也正在增大
大学计算机基础 大学计算机基础本是本科课程中最有趣味 最具活力和吸引力的课程之一, 但目前 却少有这种反映, 究其原委, 缺乏大师级的专业教师是主要原因之一 计算机基础教育 早已不是 学而时习之不亦乐乎 的精神乐园, 四年的幻灯片教学已严重造成大学生们 的视觉疲劳, 反复的 ABCD 知识竞猜早已破坏了大学生们的学习兴趣, 而兴趣才是最 好的老师! 一节课的教学任务固然是有形有限的, 完成不了可以重来, 而学生失去的兴 趣又有多少可以重来? 大学是依靠梦想和希望生存下去的, 而现实的学历教育却让大学 生们丧失了这种希望! 大学要有大师, 大学还要出思想 教育是科学, 其价值在于求真 教育是艺术, 其 生命在于创新 而担负此重任的, 应该是我们今天的大学 大学是出思想的地方! 大学 是谈文化 论教育的地方! 大学是创新和社会进步的源泉, 大学能够也应该如此, 在 21 世纪尤其如此 当今中国的现代化进程中, 构建和谐社会是全社会努力的目标, 而这一目标的其中 一个核心就是发展西部, 而一切发展的首要素在于教育的优先倡导 但是, 占国土面积 70 % 的西部地区 12 省市, 总人口却只占全国人口的 30 % 除陕西 四川 重庆三省市 外, 其他 9 省区的西部高等学校, 均处于经济基础薄弱的欠发达地区, 这就使西部高校 高等教育资源及高水平师资更为匮乏 东西部教育资源的严重失调及西部高水平人才的 不足, 已严重影响国家西部大开发战略的实施 三 脱离实际的计算机教育 大学校园里的师生们已清楚地认识到, 无论是外语教学中的 哑巴英语, 还是计 算机教育中的 纸上工程师, 对社会来说都是没有实际价值的 不少计算机相关专业 的大学生在校四年里, 真正自己动手编写过的程序不会超过一千行, 很多应聘者都是因 为实际动手能力不足而没能通过面试 目前, 我国有 1900 多所高校 无论是百年名校还是雨后春笋般出现的高职高专院 校, 大都开设有计算机设计课程 平面设计 动漫设计 三维立体设计, 3DS max VRM L97 Inventor 讲课老师慷慨陈词, 课件演示有声有色 但网上却很难看到高 校自己的三维视频电子地图, 更有甚者, 许多高校的网页上连二维平面地图也没有 全 国有 800 多所高校开办了计算机专业, 计算机专业在读大学生人数已达 45 万之众 但 有多少高校的校园网 校园卡系统是自己建设 自己维护的呢? 又有多少高校多少校区 教务管理系统是自己研发并不断升级的? 有多少高校举办运动会还在用手工统计竞赛成 绩和排名? 又有多少高校的计算机教材仍在讲 20 世纪 90 年代 PC - 586 的体系结构? 20 世纪 80 年代, 计算机基础教育以讲授作为 计算工具 的各种程序设计语言为 主, 如 FOR T RA N 语言 当国外正用新的四 M 语言 ( 指科学计算语言 M A T LIB Maple Mathematics MathCAD) 替代 FOR T RA N 等语言时, 国内各大学却没有及时 跟进 本届教育部计算机基础课程教学指导委员会提出 : 大学理工科要把 科学计算能 力 作为重要的培养目标 众所周知, 科学计算涉及所有理工专业和课程, 机械 电子 和控制等十多门理工科后续课程都离不开它, 所以对理工科而言, 四 M 语言就是这些 ii 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
有多少教育可以重来后续课程的 计算机基础 如用 M A T L AB 解线性代数方程, 力学课上要用, 信号处理要用, 电路课程要用 ( 而且是复数的 ) 解线性微分方程也要以解线性代数方程为基础 而目前高校的现状是 : 计算仍然使用计算器 难怪 2006 年 3 月西安电子科技大学原副校长陈怀琛教授说 : 我国大学本科就科学计算而言, 基本上还停留在计算器时代, 大学生在课程学习中还是靠计算器来算题, 大部分课程都没有联系科学计算的特点来建模和讲解 学生只会用计算机上网和游戏 四 还计算机基础教育的本来面目如果有人问什么是数学的基础, 我们会毫不迟疑地回答 : 微积分 大学讲授计算机基础课程的教师是否都曾考虑过这样的问题 : 什么是计算机的基础? 许多教程序设计的老师往往强调语言是计算机基础, 而教 Office 的老师又说编辑操作是基础 真希望今后不要再有此类事情发生! Windows Office 以及 Visual Basic Access 等, 虽然都已进入计算机基础教育的课堂, 但它们实实在在都是一些软件产品 也就是说, 多年来的 计算机基础教育 实际上也是一些软件的 产品教育 首先, 文档编辑软件 ( 包括文字 电子表格和幻灯片的编辑 ) 的主要功能与基本操作, 在目前使用的上千种版本的教材中都已详细阐述 ( 完全可以作为大学生们的自学内容 ), 组织教学时真正在课堂上讲授的还是实用的教学案例, 而不可能详细描述这些编辑软件本身的基本功能与操作细节 ( 根本没有这样做的课时 ) 教师们这样的教学方法甚至已不能算作是 创新, 因为我们自己就是靠这种方法学习软件操作的, 而不是靠通常意义上所谓的计算机 教材 来学习编辑软件的 目前众多 连环画 式的计算机 教材 也确实越来越像是软件使用说明书或操作工具手册 其次, 再来看看中小学的计算机教育 像电视 数码相机 手机 上网和 Q Q, 中小学生会使用它们并不是因为在学校学习过这些内容 ; 实际上, 也没有任何一所学校开设这些内容的课程, 而某些过级的网络游戏操作, 比目前教材中所讲授的软件操作要难得多 熟悉计算机操作的中小学生, 靠的是学习兴趣, 靠的是现代软件提供的 所见即所得 (What you see is w hat you get) 操作一致性 和庞大的在线帮助 ( Online help) 功能 所以, 许多软件的操作不是在课堂上或书本里才可以学会的! 我们为什么还要将这些内容像菜单一样罗列在教材中呢? 创新是教师的生命力, 创新是教改的永恒主题 我们不能再把对操作能力的评价作为对计算学科了解认知程度的尺度, 就像我们不能认为会使用家电的人就懂得了电子学科一样 兵无常法 药无常味 水无常形 增兵减灶可打胜仗, 减兵增灶也未必不赢 突出应用, 讲求实效, 这才应该是我们真正要追求的目标 五 计算机基础教育的困惑 20 世纪 90 年代, 计算机基础教育有了新变化, 许多高校开设了汉字输入和文档编辑课程, 但却走进了两个误区 先说汉字输入 首先要感谢我们的先祖, 他们用聪明才智发明的汉字, 不仅是一种 iii
大学计算机基础 认知的工具, 而且已升华为一门精美的艺术, 人们并不把计算机显示屏上冷冰冰的符号 与宣纸上龙飞凤舞的中国气韵等而视之 在汉字的键盘输入 手写 扫描识别和语音识 别 4 种输入方法中, 很奇怪多数教材选择了最不易学的字根键盘和拆字输入法 : 先讲字 根键盘, 然后讲如何将 李 拆成 十 八 子 三个字根, 初学者常常对此一头 雾水 只会 木子李 弓长张 的人只好望 字 兴叹 当大学生们练指法 背字 根, 被搞得焦头烂额 苦不堪言时, 难免发出 方块字真不如西方拼音文字 的感叹 我想仓颉在天有灵也会被气得背过气去! 对练指法我一直都有一种遗憾, 30 年前的计 算机没有终端键盘, 而使用穿孔纸带输入, 纸带由专业穿孔员完成, 所以直到现在我操 作键盘仍是 二指禅 拆字根的键盘输入方法, 追求高速度和低重码率, 并常常成为 可以量化 ( 每分钟录入 字 ) 的宣传亮点, 被开发者津津乐道 而大多数非职业计算 机录入员, 如教师 科研人员和作家, 他们的工作方式常常是边思考边输入, 是 想 打 而非 盲打, 更不应该以牺牲易学性为代价去追求 盲打 速度, 要知道, 一个 电报译码员, 如果经过长时间的训练, 也可以达到无重码 ( 四码一字 ) 高速度的目标 不知精于此道的大学生们毕业后还有多少人记得字根键盘和拆字规则?! 再来说第二个误区 微软 Office 是最先进的办公应用软件 这种说法只说明 有人对国产软件了解太少 事实上, 中文特有属性的信息处理, 包括中文图文混排 ( 绕 排 ) 及文档水印等功能都是国产软件首先实现的 1995 年微软推出的 中文 Office 和 中文 Windows, 实际上冒用了 中文 两字 其一, 此 中文 软件除象形方块 汉字之外, 并不包括中国少数民族的语言文字 ; 其二, 此 中文 软件当时处理中文特 有属性的功能并不完善, 如没有天干地支序列, 没有 按姓氏笔画为序 等 冒用 中 文 冠名的上述两个软件, 误导了中国广大消费者, 并堂而皇之地占领了中国市场 另一方面, 我们有自己的国产软件, 如操作系统 ( 红旗 Linux) 办公应用 ( 红旗 金山或永中 ) 信息安全 ( 启明星辰与联想网御 ), 但人们似乎并不想给国产软件企业升级 改版和应用推广的任何机会, 习惯势力已成为推广国产软件的重大障碍 不了解或根本不 会使用国产办公软件的教师和机关干部相当普遍 有人根本没用过国产办公软件, 却振振 有词地在那里一味指责国产软件 甚至有人对国产软件一无所知却还说 : 不管国内国外, 我就是要讲先进的东西 和平年代, 你可以不关心这些问题, 但谁又能保证世界会永远 太平下去呢? 针对目前有些学校拒不接受国产软件的现状, 我们要理直气壮地推广国产软 件, 用国家意志整体推进国产软件的应用推广 高校今后计算机基础教育及国产软件的应 用推广, 不能再靠免费赠送与免费安装来维持, 免费有时是世界上最昂贵的取值与行为 六 超前的中小学信息技术教育 中国的 神童 教育由来已久 中国科技大学 1978 级少年班的大学生们, 曾是当 年最为耀眼的 神童, 也是我们那个年代的人最为崇拜的时代英雄 但中国科学院心 理研究所的研究数据表明, 超常儿童中有 30 % 的人像古人说的那样 小时了了, 大未 必佳 2005 年 7 月, 少年班成员在中国科技大学首次举办了班级聚会 分别 23 年之 后, 当年意气风发的青少年回首往事最触动人的感悟却是 : 如果青春可以重来, 绝不 iv 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
有多少教育可以重来会再读少年班 是啊, 大学教育应该建立在青少年成长的自然属性之上, 而不应该拔苗助长 教育的目的究竟是什么? 是为了展示一些知识与技巧, 并提前完成某一阶段的学业吗? 还是让我们的孩子成为令人惊叹的儿童和令人惋惜的成人呢? 除了填鸭式的死记硬背, 我们是否真正关注过他们的精神世界? 他们是否缺乏宽容与爱心? 是否有个性和主见? 是否有独立的品格和创造力? 是否具有反叛旧思想和各种框框的意识和能力? 是否有魄力有勇气有胆量有良知? 孩子的成长需要足够的时间, 需要走过所有应该走过的路程, 任何走捷径的方式只能适得其反 我国有近两亿的中小学生 中国人历来有 三岁看大, 七岁看老 的古训, 古人也早有 少壮不努力, 老大徒伤悲 的警句 望子成龙是中国家庭教育中根深蒂固的东西, 总有人喜欢把希望放在孩子们身上的同时, 也把责任推给了他们 所以, 社会上便有了诸多工作要 从娃娃抓起, 从娃娃抓起 便成为许多人抓工作的 抓手 英语如此, 音乐如此, 体育如此, 计算机也如此 真不知这些尚未自立且年少的 娃娃 们, 还得承担多少诸如此类的 抓起? 1999 年末教育部宣布, 从 2001 年 9 月开始开设中小学的 信息技术 课程 我们之所以认为中小学现阶段的信息技术教育是教育资源的一种浪费, 基于以下几点理由 一是这种教育观念是从实用主义出发的, 但实际能用吗? 目前大多数中小学根本不具备计算机教学的师资和设备条件 由于信息技术的发展日新月异, 今天中小学生们学的这点操作技能明天用得上吗? 实际上, 今天的机关公务员和大学教师们都是通过 干中学 学中干 学会使用和操作计算机的, 而且这种学习本身就是一种终身制学习! 二是中小学目前开设的计算机课程适合中小学生学习吗? 笔者 2004 年曾提出 : 计算机的生命在于应用! 而我国中小学阶段的学习内容根本不涉及计算机应用 以应试教育为主的中学并没有把 信息技术 的教学内容列入高考的考试范围之内, 这就不得不使 信息技术 的教学效果大打折扣 有人会说 : 中小学生学习计算机, 是为了掌握一种工具以适应信息社会发展的需要 是什么需要呢? 是生活需要吗? 那不用学! 就像电视 数码相机 手机 上网一样不用学! 是工作需要吗? 那学的太早了点! 就像未成年人不允许考驾照一样, 尽管学习汽车驾驶也是现代人应该掌握的一种技能 我们不会是为了办公自动化或为了电子商务 电子政务等需要而要求他们学计算机的吧? 三是中小学 校校通 工程是初始投资和资源闲置的双重浪费 在一个发展中国家办世界上最大的教育, 是中国教育最大的实际问题, 所以我们不得不精打细算 据教育部的年报公告, 截至 2004 年底, 全国中小学拥有的计算机达到 719 畅 28 万台, 占全国中小学生总数的 3 畅 6 % ; 校园网超过了 3 畅 8 万个, 占全国中小学校总数的 8 % 如此小的比例, 而国家却已付出了 589 亿元人民币的代价 许多中小学的计算机教育水平仅限于计算机录入和文字编辑 设备资源的不足仅仅是问题的一个方面, 更严重的是师资贫乏和软件资源的不足 尤其在农村学校, 专职计算机老师极为稀少 ; 甚至有些学校建了校园网, 但由于教师不具备维护 管理 升级设备和开发适合中小学教育的软件等方面的能力, 致使建立起来的机房和校园网根本派不上用场, 成了摆设或参观点 信息技术领域中, 技能是无法保先的 使用率不高的系统两三年后就会自然淘汰, 由此造成了双重浪费 v
大学计算机基础 四是上网对未成年人的影响几乎无孔不入, 却与发展先进文化背道而驰 枟中国青 少年网瘾数据报告 (2005) 枠指出, 全国青少年网瘾比例为 13 畅 2 % ; 网瘾群体中玩网络 游戏的比例为 42 % 网络游戏的设计理念就是引人上瘾, 其消费和毒品的消费本质上 没有区别 一个少年的沉溺其中, 意味着一个幸福家庭的毁灭! 网吧安装涉嫌盗版软 件 未成年人上网 网上赌博 网络色情的泛滥等问题日益突出 网络色情已成为国外 利用互联网营利的主要内容 除此之外, 还有更严重的网上犯罪问题 一项对小学生的 调查表明, 有 42 畅 5 % 的小学生崇拜黑客, 还有 32 畅 5 % 的小学生有当黑客的念头, 这些 无疑助长了青少年网络犯罪心理的形成 青年学生更多的是把计算机和网络当成了一种 娱乐工具, 而不是学习工具 而这正是悲剧的开始 七 新编教材的特点 (1) 本书为普通高等教育 十一五 国家级规划教材, 内容突出应用性和实用性 计算机技术与众多专业的融合成为一种新的科技发展趋势, 大大丰富了计算机基础课程 体系的教学内容 在 I T 领域, 一方面我们没有核心技术 ; 另一方面, 已有的许多很成 熟的信息技术, 其应用推广我们又没有搞上去 将已有成熟的信息技术用于解决我们身 边的实际问题 ( 如大学教学楼排课系统 四梯联动的电梯系统 大学运动会计分统计系 统 大学校园卡系统 大学辅助教学及测评考试系统等 ), 是所有院校都可以办到的, 也是计算机基础教育一个巨大的发展空间! 详情请参阅第 3 章 数字化生存 的相关 内容 (2) 本书主要内容是计算机基础教育目前体系结构中 1 + X 中的 1, 但又考 虑到许多中学已开设了 信息技术 课程, 即所谓 非零起点, 这使我们的教学改革 工作更具有了竞争性和挑战意味 不仅如此, 本书还以全新的教学理念和教学方法组织 并编写了程序设计的授课内容 传统的程序设计课程是以语言 语法为主的 ( 计算机考 试也是这样 ), 举例也通常难易各异 离散且相互无联系 本书第 6 章以程序设计思想 与方法为主, 结合 神算小精灵 ( 计算器设计 ) 这一贯穿始终的教学案例, 讲授程序 的设计与控制, 覆盖 Visual Basic 程序设计语言所有的知识点, 即 : 将程序设计语言的 控件及属性设置 界面设计 事件过程 基本数据类型 运算符 表达式 常用内部函 数以及分支与循环控制语句等主要内容, 紧紧围绕 神算小精灵 的程序开发来讲解和 演示, 案例讲授结束, 程序设计的教学亦当完成 (3) 精心设置实践教学案例和课件 本书教学案例紧密结合应用实际, 以任务驱动 实践教学, 使其适应计算机技术发展的要求和课时要求 同一应用软件在分章节教学 时, 实践教学案例也是循序渐进 从始至终, 以保证实践教学内容的完整性和连续性 课件的使用和选择原则以突破教学难点为根本目的, 其切入点以不影响教学过程的真实 性 完整性和符合学生思维的循序渐进为原则, 只有在用常规手段不能很好解决教学难 点时, 才考虑使用课件而不滥用它, 以使课件真正起到辅助教学的作用 本书课件的制 作, 并不要求统一使用 PP T 幻灯片, 而是用所讲授软件来制作, 以体现所见即所得 追求课件的制作要符合学科规律的科学性 符合心理学规律的艺术性以及符合学生年龄 vi 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
有多少教育可以重来特征的趣味性 同时我们鼓励学生利用这些辅助教学的课件和现代软件 操作一致性 的特点及 在线帮助 等功能, 通过反复动手实践, 自学自会这些内容 另外, 我们有意略去了案例和课件编辑软件系统平台的说明, 其目的颇有矫枉过正的味道 因为所有案例在红旗 金山 永中和微软的系统环境中均可实现, 所以教师就不能只介绍微软公司的 Office 中国的计算机基础教育不能再为美国 I T 公司作义务操作培训和免费广告 (4) 突出中国文化特色与人文精神 教学实践中我们体会到 : 人文知识的积累和人文修养的提高是至关重要的 一个人的审美观念是他整个生命的经历和思考的总积累, 将会影响他的一生 一个具有丰富人文知识和人文气质的人, 身上积淀了祖国优秀文化的底蕴, 汲取了本民族和人类精神之精华, 他就会具有很强的判断力 美的欣赏力 适应变化的灵活性和自信心, 就会理解人类文化和价值体系, 并把这些知识与其很强的判断力结合起来, 批判地思考科学 道德 伦理和社会等问题 这也是我们要求创新人才要具备的人文素质 例如 : 为温故而知新, 信息学科发展史的教学是从中国最古老的计算工具 算筹和算盘以及古算史上的 哥德巴赫猜想 讲起的 ; 信息传输与处理技术从中国古代烽火台讲到中国的方块汉字 ; 汶川气壮山河的生命大救援, 迸发出世所罕见的中国速度和中国力量! 为了向汶川救援的英雄们学习, 也为了哀悼我们的遇难同胞, 教材中教授的编辑软件所用教学案例的素材, 全部取自以汶川地震为背景题材的诗歌散文 计算机基础教育不是简单的打字编辑教育, 更不是计算机专业教育的 压缩饼干 应该树立计算机基础教育应有的品位 风格和特色! 要使计算机基础课程体系及架构得到人们最起码的尊重和重视, 而不要再去争论 : 是 工科 还是 理科? 是 职业教育 还是 学科建设? 是 工具 还是 文化? 从事计算机基础教育的教师们切记, 我们的 水平 是要靠自己推广计算机应用来提高的, 而不在于 深入 专业课有多深 ; 要靠自己的工作来提高计算机基础教育在整个高等教育中的地位 ; 要靠提高计算机基础教学的质量来实现人生价值, 并充分享受这份快乐和工作乐趣 本书由管会生主编, 由翟红林 ( 第 7 章 ) 曾述宾 ( 第 6 章 ) 和管会生 ( 第 1 ~ 5 章 ) 三位老师共同编写完成, 全书由管会生进行初审 修改和统稿 在本书编写过程中, 我们得到了教育部相关教学指导委员会的委员们的大力支持, 金山软件有限公司教育市场总监姚辉女士和软件事业部的宫璞先生以及他们的研发团队为本书整理素材 收集并验证案例和制作课件, 花费了大量时间和精力, 并作为第一读者提出了许多建设性的修改意见, 在此表示深深的感谢 由于时间仓促加上作者水平有限, 书中粗浅疏漏或叙述欠严密之处在所难免, 恳请读者给予批评指正 教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会理工类分委会秘书长教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会委员 2008 年 7 月 10 日于兰州 vii
目 录 第 1 章信息科学与信息技术的发展 1 1 畅 1 信息资源与信息科学 1 1 畅 1 畅 1 信息及其主要特征 2 1 畅 1 畅 2 信息科学与信息技术 4 1 畅 2 信息理论的奠基人与 ACM 图灵奖 5 1 畅 2 畅 1 信息论之父 香农 5 1 畅 2 畅 2 图灵与图灵机 7 1 畅 2 畅 3 冯 诺伊曼与冯氏结构计算机 8 1 畅 2 畅 4 计算机界的诺贝尔奖 ACM 图灵奖 9 1 畅 3 计算工具的演变和计算机的发展 11 1 畅 3 畅 1 最古老的计算工具 算筹和算盘 12 1 畅 3 畅 2 古算史上的 哥德巴赫猜想 13 1 畅 3 畅 3 信息技术及计算工具发展之大事记 14 1 畅 3 畅 4 最早与目前最快的计算机 17 1 畅 3 畅 5 高性能计算与网格计算 19 1 畅 3 畅 6 信息电器与机器动物 23 1 畅 4 中国特色的信息化道路 25 1 畅 4 畅 1 中国计算机的发展初期 25 1 畅 4 畅 2 IT 业已成为中国支柱产业 26 1 畅 4 畅 3 当代毕昇 王选 28 1 畅 5 信息安全与信息社会的发展 29 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 1 畅 5 畅 1 黑客 病毒与信息污染 29 1 畅 5 畅 2 信息产业界的道德准则 33 1 畅 5 畅 3 知识产权保护与制度建设 34 1 畅 5 畅 4 信息系统的安全与防范 36 1 畅 5 畅 5 密码学与加密技术 41 1 畅 5 畅 6 防火墙与虚拟专用网 47 1 畅 5 畅 7 审计与监控技术 49 1 畅 5 畅 8 入侵检测与漏洞扫描 50 1 畅 5 畅 9 9 11 与远程容灾系统 51 1 畅 5 畅 10 数字签名 数字时间戳和数字证书 52
大学计算机基础 1 畅 5 畅 11 生物特征识别技术的研究与应用 55 本章小结 57 思考与练习 58 第 2 章计算机系统 59 2 畅 1 计算机的分类与微型计算机的发展 59 2 畅 1 畅 1 计算机的分类与特点 59 2 畅 1 畅 2 微型计算机的发展 62 2 畅 1 畅 3 微型计算机的系统构成及主要性能指标 64 2 畅 2 计算机系统的基本硬件结构 68 2 畅 2 畅 1 微型计算机系统的基本硬件结构 68 2 畅 2 畅 2 微处理器与并行处理系统 69 2 畅 2 畅 3 存储器与磁盘阵列 70 2 畅 2 畅 4 输入设备与输出设备 74 2 畅 3 计算机操作系统 79 2 畅 3 畅 1 计算机操作系统的功能和分类 79 2 畅 3 畅 2 并行处理与并行系统软件 81 2 畅 3 畅 3 Windows Linux 和 UNIX 81 2 畅 4 计算机中数据的表示及转换 84 2 畅 4 畅 1 N 进制数的基数与权 84 2 畅 4 畅 2 四种进制数之间的相互转换 86 2 畅 4 畅 3 字符的二进制编码 87 2 畅 5 汉字处理技术与中文信息处理 89 2 畅 5 畅 1 汉字处理技术的发展概况 89 2 畅 5 畅 2 汉字的编码技术与字形表示 93 2 畅 5 畅 3 汉字的输入和识别技术与语音合成 97 2 畅 6 多媒体技术的基本知识 99 2 畅 6 畅 1 多媒体技术的基本概念 100 2 畅 6 畅 2 信息压缩与信息压缩的国际标准 104 2 畅 6 畅 3 CD 唱 ROM DVD 和 EVD 106 2 畅 7 计算机网络基础 109 2 畅 7 畅 1 计算机网络概述 109 2 畅 7 畅 2 计算机网络的构成和体系结构 110 2 畅 8 因特网的应用 112 2 畅 8 畅 1 Internet 基本工作原理 112 2 畅 8 畅 2 Internet 的接入方式与接入技术 114 2 畅 8 畅 3 网络通信基础 118 x
目 录 2 畅 8 畅 4 局域网 广域网和城域网 124 本章小结 128 思考与练习 129 第 3 章数字化生存 132 3 畅 1 信息技术与信息社会 132 3 畅 1 畅 1 信息技术与现代军事 132 3 畅 1 畅 2 计算机美术与计算机音乐 135 3 畅 1 畅 3 机读身份证 中国信息化之契机 138 3 畅 1 畅 4 电子商务 电子政务和电子邮政 140 3 畅 1 畅 5 人工智能与神经网络 151 3 畅 1 畅 6 数据挖掘与数据仓库 155 3 畅 1 畅 7 地理信息系统与 3S 技术 159 3 畅 2 电子标签技术及其应用 161 3 畅 2 畅 1 电子标签技术概述 161 3 畅 2 畅 2 电子标签的应用及目前存在的问题 165 3 畅 3 NFC 手机 168 3 畅 3 畅 1 未来手机的功能预测 168 3 畅 3 畅 2 NFC 的技术实现与应用推广 170 3 畅 4 校园卡打造数字校园 171 3 畅 4 畅 1 数字校园的组成与校园信息化建设 171 3 畅 4 畅 2 校园一卡通 工程 173 3 畅 4 畅 3 校园卡史话及校园卡式管理应用背景的演变 176 3 畅 4 畅 4 校园一卡通的系统组成 180 3 畅 5 条码技术及手机二维码的应用 184 3 畅 5 畅 1 一维条码 184 3 畅 5 畅 2 二维条码 188 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 3 畅 5 畅 3 手机二维码 189 本章小结 191 思考与练习 191 第 4 章文档编辑软件的基本操作 193 4 畅 1 电子表格中的计算 193 4 畅 1 畅 1 自定义序列 194 4 畅 1 畅 2 学生成绩表的计算生成与排序 194 4 畅 1 畅 3 考试成绩的自动统计分析 194 4 畅 1 畅 4 身份证号 中的计算 字符串运算 196 xi
大学计算机基础 4 畅 2 文字的编辑 197 4 畅 2 畅 1 案例 1 汶川不是忘川 198 4 畅 2 畅 2 案例 2 邮件合并 203 4 畅 3 幻灯片的编辑制作 204 4 畅 3 畅 1 演示文稿的外观设计 205 4 畅 3 畅 2 幻灯片文件的内容 206 本章小结 207 思考与练习 208 第 5 章程序设计基础 211 5 畅 1 基本概念与程序设计语言的发展 211 5 畅 1 畅 1 程序的基本概念 211 5 畅 1 畅 2 程序设计语言的发展 218 5 畅 2 程序设计语言的基本成分与使用 223 5 畅 2 畅 1 数据及其运算 223 5 畅 2 畅 2 函数与过程 224 5 畅 2 畅 3 程序设计语言的功能与使用 225 5 畅 2 畅 4 程序运行的控制与环境 226 5 畅 3 算法设计与基本数据结构 227 5 畅 3 畅 1 问题描述与算法的概念 228 5 畅 3 畅 2 算法的表示方法 230 5 畅 3 畅 3 算法设计的基本方法 233 5 畅 3 畅 4 基本数据结构 235 5 畅 4 结构化程序设计 238 5 畅 4 畅 1 基本控制结构 239 5 畅 4 畅 2 结构化分析与设计方法 239 5 畅 5 面向对象技术与可视化编程 242 5 畅 5 畅 1 面向对象程序设计的基本概念 242 5 畅 5 畅 2 可视化编程 246 5 畅 6 软件方法学与软件工程学 247 5 畅 6 畅 1 软件方法学的分类和基本内容 247 5 畅 6 畅 2 软件工程学 250 5 畅 7 数据库管理系统 253 5 畅 7 畅 1 数据库管理系统的基本概念 253 5 畅 7 畅 2 关系模型 254 5 畅 7 畅 3 数据库设计 255 5 畅 7 畅 4 数据库语言 SQL 256 xii
目 录 本章小结 258 思考与练习 258 第 6 章 Visual Basic 程序设计 神算小精灵 260 6 畅 1 Visual Basic 概述 260 6 畅 1 畅 1 从 BASIC 到 Visual Basic 261 6 畅 1 畅 2 VB 的集成开发环境 263 6 畅 2 窗体的界面设计 268 6 畅 2 畅 1 窗体设计及属性设置 268 6 畅 2 畅 2 控件的创建及属性设置 269 6 畅 2 畅 3 菜单的创建与属性设置 273 6 畅 3 代码窗口与程序设计基础 277 6 畅 3 畅 1 代码窗口的组成与程序代码编写 277 6 畅 3 畅 2 变量声明与符号常量 279 6 畅 3 畅 3 数据类型与赋值语句 281 6 畅 3 畅 4 创建事件过程 284 6 畅 3 畅 5 运算符与表达式 285 6 畅 4 结构化程序设计 287 6 畅 4 畅 1 If 分支语句 287 6 畅 4 畅 2 字符串函数 289 6 畅 4 畅 3 数据的输入与输出 290 6 畅 4 畅 4 内部函数 293 6 畅 4 畅 5 循环控制语句 295 6 畅 4 畅 6 Select Case 多分支语句 299 6 畅 4 畅 7 计时器及时间函数 300 6 畅 5 多重窗体与图形绘制 302 6 畅 5 畅 1 多重窗体 302 6 畅 5 畅 2 绘制函数曲线 304 6 畅 5 畅 3 神算小精灵 代码清单 305 本章小结 307 思考与练习 308 第 7 章 MATLAB 应用基础 311 7 畅 1 M A T LAB 语言概论 311 7 畅 1 畅 1 MATLAB 语言的发展 特点及软件组成 311 7 畅 1 畅 2 MATLAB 的工作界面 312 7 畅 1 畅 3 帮助及系统查询 314 7 畅 1 畅 4 MATLAB 中的基本概念 314 xiii 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础 7 畅 2 矩阵 ( 数组 ) 基本运算 315 7 畅 2 畅 1 矩阵 ( 数组 ) 生成 315 7 畅 2 畅 2 矩阵 ( 数组 ) 操作与显示格式 316 7 畅 2 畅 3 基本运算 319 7 畅 2 畅 4 数据可视化 321 7 畅 3 M A T LAB 程序设计基础 330 7 畅 3 畅 1 常用数据类型 330 7 畅 3 畅 2 M 文件 331 7 畅 3 畅 3 程序流程控制 332 7 畅 3 畅 4 磁盘文件操作 337 7 畅 4 数值计算与分析 339 7 畅 4 畅 1 基本统计分析 339 7 畅 4 畅 2 多项式运算 340 7 畅 4 畅 3 数值分析 341 7 畅 4 畅 4 数值积分与微分 344 7 畅 4 畅 5 方程 ( 组 ) 求解 344 7 畅 5 符号运算简介 347 7 畅 5 畅 1 符号变量及表达式 347 7 畅 5 畅 2 符号微积分 349 7 畅 5 畅 3 符号方程 ( 组 ) 求解 350 7 畅 6 Simulink 动态仿真工具箱简介 352 7 畅 6 畅 1 Simulink 特性与组成 352 7 畅 6 畅 2 Simulink 建模与运行 354 7 畅 6 畅 3 模型与变量空间的数据传递 356 7 畅 6 畅 4 Simulink 建模实例 357 7 畅 6 畅 5 MATLAB 工具箱简介 360 7 畅 7 图形用户界面设计简介 361 7 畅 7 畅 1 图形用户界面开发环境 362 7 畅 7 畅 2 基于 GUIDE 的程序设计 364 7 畅 7 畅 3 GUI 程序设计实例 366 本章小结 369 思考与练习 370 主要参考文献 372 xiv
第 1 章信息科学与信息技术的发展 信息同物质和能源一样, 是人类社会赖以生存与发展的重要资源 同自然界一样, 适者生存依然是信息社会必须遵循的法则 半个世纪以来, 计算机像一个神奇的精灵, 以人类历史上其他任何一种学科都无法与之比拟的发展速度改变着我们的生活方式和思 维方式 计算机作为一种工具 一种手段正无孔不入地进入人们生产和生活的各个方 面, 并将成为一种知识 一种技能进入人们的智力结构, 像读书 写字一样成为现代文 明社会不可缺少的组成部分 在漫长的人类社会发展的历史长河中, 曾经历了 4 次信息技术革命 : 语言的形成, 文字的创造, 造纸术和印刷技术的发明, 电报电话 广播电视的普及应用 以电子计算 机的普及应用和计算机与现代通信技术有机结合而产生的因特网为主要特征的信息处理 技术, 则被人们称之为 第五次信息技术革命 从 1946 年 2 月 14 日正式启用的第一 台电子数字计算机 ENIAC 至今, 谁也没有料到, 时隔 62 年, 这硕大无比的 怪物 竟经历了从主机 微机到网络三个时期的飞跃, 并且开创了一个人类文明的新时代 信息时代 以信息技术为主导的信息时代在科技前沿也有其 三个代表, 那就是 : 以 因特网为代表的网络技术, 以纳米为代表的新型材料技术和以基因 ( 基因工程 人类基 因组图谱 ) 为代表的生命科学和生物技术 本章将介绍以计算机技术 多媒体技术和网 络通信技术为代表的信息技术的发展历程 计算机系统构成等内容 1 畅 1 信息资源与信息科学 人类社会已经从以资源经济为主的农业社会和以资本经济为主的工业社会发展到了 今天以知识经济为主的信息社会 信息社会是以信息活动为社会发展的基本活动, 以信 息技术为技术基础, 以信息经济为主导经济, 以信息产业为主导产业, 以信息文化改变 人类教育 生活和工作方式以及价值观念的新型社会形态 20 世纪 90 年代初, 世界十大富翁的头衔还几乎被那些石油大王 船舶大王等所垄 断 ; 2000 年, 微软总裁比尔 盖茨 (Bill Gates) 以 770 亿美元的资产赫然名列前茅 以计算机软件的生产和销售为其主业的微软公司, 从 1975 年以 2000 美元注册资金成立 到今天已成为美国第一赢利公司, 而具有 200 年发展历史的美国洛克菲勒公司才仅有 50 亿美元的资产 我们的邻邦印度, 一个没有高速公路和地铁的国度, 竟然演绎了一 出现代无烟工业的奇迹, 成为仅次于美国的软件大国, 其软件产品出口 75 个国家, 美 国和日本是其最大的购买国, 2000 年和 2001 年印度的软件出口额分别达到 63 亿和 79 畅 9 亿美元, 2003 年已超过 100 亿美元 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 信息经济 ( 或称知识经济 ) 就是在充分知识化的社会中以信息智力资源的占有 投
大学计算机基础入和配置, 知识产品的生产 分配 ( 传播 ) 和消费 ( 使用 ) 为最重要因素的经济 信息经济与工业社会的资本经济相比, 除前者依赖于知识的程度高于后者, 以及知识在经济增长中的作用和价值大于后者外, 最本质的不同是 : 信息和知识本身已成为知识经济中的一种最积极 最重要的投入要素 1 畅 1 畅 1 信息及其主要特征信息就像空气一样, 虽然摸不到, 但却不停地在我们身边流动, 为我们服务 人们需要信息, 一时一刻也离不开信息 人类通过信息认识各种事物, 借助信息的交流来沟通人与人之间的联系 1 畅信息的定义任何一个物种的存在, 都依托于一个流通的信息环境, 而当人类这个生灵在地球上出现的时候, 信息就注定要以比其他物种更高的智能形态伴随着人类在艰难恶劣的自然环境中, 从茹毛饮血的日子里一点一点走到今天 人类对信息的把握, 成了他们认识世界和改造世界的有利工具 语言的产生, 文字的出现, 各种各样信息载体和媒介的不断拓展, 使人们生活的信息状态越来越丰富和充盈 科学技术的发展, 创造了一个又一个把想象变为现实的令人激动的时刻 人们惊异地发现, 无处不在的信息不仅是我们离不开的生存环境, 同时也是一种具有深厚挖掘潜力的资源 于是, 对信息资源的开发和利用, 就成了人们提升生活质量和工作效率的重要手段, 在这个基础上, 人们的想象力被牵引到了一个无穷无尽的空间 人们已往以为 信息 是一现代词汇 但从唐诗宋词中不难发现许多诗句都有 信息 一词, 说明中国人很早就界定了 信息 的意义, 很早就会说写 信息 和使用 信息 从下面的句子中你或许会明白北京大学的一个 IT 公司为什么叫 北大青鸟 了 梦断美人沉信息, 目穿长路倚楼台 ( 南唐 ) 李中枟暮春怀故人枠 不乞隋珠与和璧, 只乞乡关新信息 ( 宋 ) 李清照枟上枢密韩肖胃诗枠 青鸟已承云信息, 预先来报两三声 ( 宋 ) 朱淑真枟闻鹊枠 雁过故人无信息, 酒醒残梦寄凄凉 ( 宋 ) 毛滂枟浣溪沙枠 欲传春信息, 不怕雪埋藏 ( 宋 ) 陈亮枟梅花枠迄今为止, 学术界尚没有对信息下一个准确完整的定义, 对信息的解释也是众说纷纭, 但可以大致归纳出信息的含义与特征 : 信息是用数据作为载体来描述和表示的客观现象 ; 信息可以用数值 文字 声音 图像等多种形式表示 ; 信息是对数据加工提炼的结果, 是对人类有用的知识 ; 信息是具有含义的符号或消息, 而数据是计算机内信息的载体 显而易见, 若想得到信息, 必须要将客观世界中的现象和问题通过数据这种媒体记载下来 通常把对各种数据经过加工转换而得到信息的过程称为信息处理 ( 或称数据处理 ) 但是, 信息和数据还是有区别的 对这里所说的数据我们也可以大致归纳出其含义 2
3 第 1 章信息科学与信息技术的发展 与特征 : 数据应该是原始的 广义的 可鉴别的抽象符号 ; 数据可以用来描述事物的属 性 状态 程度 方式等 ; 数据符号单独表示时没有任何含义, 只有把它们放入特定的 场合进行解释和加工, 才能使其具有意义并升华为信息 2 畅信息的传递与应用 人类在古代就有了各种传载信息的手段, 如结绳记事 烽火台 指南针 语言 文 字 纸张 印刷术 风标 号角 邮传驿站 瞭望塔楼等 到了近代, 又有了各种信息 技术的产物 : 如望远镜 显微镜 算盘 手摇机械计算器 现代信息技术的产品就更 多 : 电报电话 录音机 录像机及电子计算机 人造卫星 机器人等 人类在不断地改 进信息处理的技术和工具, 以适应社会发展中日益增多的信息处理的需要 陈列在山海关长城博物馆中的一块石帖上刻有 明代烽燧信号制度 表 ( 见表 1 唱 1) 它使我们知道, 烽火台的信息传递不仅仅是烟火, 还辅有炮声 明代烽燧信号制度通过 烽燧数和炮号数两种信息形式, 可同时利用人的视觉和听觉来报告和传递进犯之敌的数 量信息, 而且这种信息传输方式不会受雨天和雾天的气候影响, 增强了该信息系统的可 靠性和安全性 表 1 唱 1 明代烽燧信号制度 烽燧炮号敌人数 举一烽 ( 夜燧, 燃苣火 ) 放一炮表示来敌 100 人左右 举二烽 ( 夜燧, 燃苣火 ) 放二炮表示来敌 500 人左右 举三烽 ( 夜燧, 燃苣火 ) 放三炮表示来敌 1000 人左右 举四烽 ( 夜燧, 燃苣火 ) 放四炮表示来敌 5000 人左右 举五烽 ( 夜燧, 燃苣火 ) 放五炮表示来敌 10 000 人左右 信息的传递目前主要有两种方式 : 通信和广播 通信包括交换 传输, 广播包括发 射 接收 信息的内容包括声音 数据 图像等 信息传递方式包括点到点 ( 专线 ) 一点到多点 ( 组播 ) 点到面 ( 广播 ) 和可选择的点到点 ( 交换 ) 等 交换包括电路交 换和分组交换 ( 包交换 ), 两种交换方式还会有相当长的时间并存 传输包括有线传输 和无线传输 : 有线传输主要是金属线和光纤系统 ; 无线传输可按照波长来分, 如长 中 短波和微波等 ; 也可按照方式来分, 如地面 卫星等 人和计算机之间的交流可能 是信息传输式的, 也可能是会话式的, 但这种会话并不真正发生在人与计算机之间 实 际上人机会话是用户与程序员之间的对话, 这种对话是间接的, 对话中使用的符号是有 限的, 对话的主题也是事先选择好的, 程序做出的各种应答也是预先 录好的 ( 即用 程序编写的 ) 所以, 人机之间的会话目前实际上是通过指令和数据来表达的 信息的应用非常广阔 认知 科学探索 知识传播 生产流程的控制 管理 ( 宏观 管理 微观管理 ) 娱乐 ( 与声像设备结合 ) 以及人与人之间的交流等, 发展都很迅速 3 畅信息的主要特征 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo (1) 不灭性 物质和能量是不灭的, 其形式可以转化 信息不同于物体和能量, 它不
大学计算机基础能单独存在, 必须借助某种符号才能表现出来, 必须寄载于某种物体之上, 即信息必须依附于载体 信息是事物运动的状态和方式而不是事物本身 信息的不灭性是指一条信息产生后, 其符号和物质载体可以变换, 甚至载体可以被毁掉, 如一本书 一张光盘, 但信息本身并不会被消灭 另外, 某些信息的使用有很强的时效性, 如金融信息和战争信息等 (2) 可传递性和共享性 信息在空间上的传递称为通信 在通信上, 通常我们把信息的通路称为信道, 如电话 微波 卫星等 ; 把信息的发布者称为信源 ; 把信息的接受者称为信宿 同一信源可供给多个信宿, 而信源自身的信息可秋毫无损, 这就是信息的共享性 信息在时间上的传递称为信息存储 利用存储介质 ( 如纸张 磁带 磁盘 光盘等) 可将用文字 声音和图像等符号表示的信息记录下来, 使其永久为人类服务 信息可以廉价复制, 广泛传播 信息的创造可能需要很大的投入, 但复制只需要载体的成本 当然, 无论是信息共享还是信息传播, 都不能侵犯知识产权, 这是信息社会必须遵守的信息道德 (3) 可处理性 可以通过压缩 存储 排序 转换形态等方法对信息进行加工处理 经过综合 分析等处理, 原有的信息可以实现增值, 能够更有效地服务于不同的人群或不同的领域 信息并不神秘, 不断获取信息, 不断提高信息识别和加工处理能力, 自觉抵制污染社会环境的有害信息, 这些都是信息时代应该倡导的信息意识 1 畅 1 畅 2 信息科学与信息技术信息科学是研究信息的获取 表述 存储 识别 编码 处理等传输过程和处理阶段中各种信息问题的科学 信息科学由计算机科学 电子与信息系统科学 半导体 光学和自动化科学等学科组成 1 畅信息科学的定义 信息科学 这个名称早在 50 年前就出现了 从 1948 年枟信息论枠和枟控制论枠的问世到现在, 尝试建立信息科学理论一直是许多人的梦想 而近年来, 信息理论像一个多学科的讲坛, 不同的信息问题研究者, 把一些分布在不同领域里的信息概念加以阐述 系统化后提出了许多新颖的命题 传播学家说 : 公平的信息获取才是信息对称的基本保障 ; 通信工程师说 : 当接收者对一个事件出现的概率估计值越小时, 他获得的信息量就越大 ; 计算机科学家则说 : 微处理器时钟频率的大小, 决定着它处理信息的速度高低 ; 生物学家又说 : 脱氧核糖核酸上的信息是控制子代和亲代相象的唯一源泉 信息科学涵盖着从电子学到哲学的许多基本问题, 涉猎自然科学 技术科学 人文科学 社会科学 由于统一信息科学关注的信息对象分布在不同领域里, 要发现不同领域里信息现象的共同规律是很困难的 又由于信息是和通信或传播联系在一起的, 而分析通信与传播问题的首要条件是人们必须考虑两个以上的个体 总之, 凡是使用信息的地方, 就必然使人们产生出关于对象的联想或系统化思维, 这就是信息概念的生命力和活力之所在 信息科学所涉及的信息问题和人类的生产实践直接相关 而生产实践, 也只有生产实践才是推动科学发展的真正动力 除了机械信息学 生物信息学 化学信息学 人类信息学等会继续有大的发展之外, 了解低等动物之间通信的动物信息学也会有所进展 4
5 第 1 章信息科学与信息技术的发展 全 ( 信 ) 息学 信息物理学 土地信息学 地理信息学 心电信息学 医疗信息学 生 命信息学等也正在吸引着许多学者的研究兴趣 2 畅信息技术 信息技术是指对信息的搜集 存储 传递 分析 使用等的处理技术和智能技术 具体地讲, 包括软件开发技术 通信网络技术 微电子技术 信息处理技术和多媒体技 术, 而传感 自控和新材料技术等是信息技术的相关技术 信息技术是目前各领域高新 技术的关键和核心, 更是信息产业的基础 现代信息技术包括 4 大类 : 1 电子信息技术 : 电子感测技术 电子通信技术 电子 计算机 电子控制技术 ; 2 量子信息技术 : 量子计算机 ; 3 激光信息技术 : 激光遥感 光导纤维通信 激光全息存储 激光控制技术 激光计算机 ; 4 生物信息技术 : 生物开 关器件 生物存储器件 生物逻辑器件 生物计算机等 信息技术产业的主要技术和产品范围包括 : 1 多媒体技术, 包括多媒体计算机技 术 PC 技术 液晶等高清晰度显示技术等 ; 2 数据存储和处理技术, 包括超巨型和超 微型计算机技术 语言识别和神经网络等智能计算机技术 分子电子技术 计算机免疫 系统技术等 ; 3 传输技术, 包括光纤和卫星等通信技术 数字声像技术 各种调制和解 调技术 各种传感器技术 交互式网络技术等 1 畅 2 信息理论的奠基人与 ACM 图灵奖 这里我们回顾计算机的发展史, 介绍几位重要历史人物, 如图 1 唱 1 所示 计算机史 充满了智慧的火花, 以史为鉴, 前辈们刻苦钻研 锐意创新的精神, 对今天的计算机工 作者来说仍有很大的启迪作用 1 畅 2 畅 1 信息论之父 香农 1 畅香农博士 图 1 唱 1 计算机科学理论的奠基人 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 克劳德 艾尔伍德 香农 (Claude Elw ood Shannon), 美国数学家, 信息论的创始
大学计算机基础人 1916 年, 香农生于美国密执安州 在大学中就表现出对数理问题的高度敏感, 于 1940 年获得麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位 他的硕士论文是关于布尔代数在逻辑开关理论中的应用, 并证明布尔代数的逻辑运算, 可以通过继电器电路来实现 1941 年, 他加入了贝尔实验室数学部, 在此工作了 15 年 在这个世界上最著名的研究基地里, 他的前辈最早研究了通信系统的信息传输能力, 第一次提出了信息量的概念, 并试图用数学公式予以描述 香农创造性地继承了他们的事业 1948 年 6 月和 10 月, 由贝尔实验室出版的枟贝尔系统技术枠杂志连载了香农博士的文章 通信的数学原理 通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息, 这是香农在该文中的一句名言 正是沿着这一思路, 香农应用数理统计方法来研究通信系统 他在文中用非常简洁的数学公式定义了信息时代的基本概念 : 熵和信道容量, 指出了用降低传输速率来换取高保真通信的可能性 次年, 香农又发表了 噪声下的通信 在这两篇文章中, 他解决了过去许多悬而未决的问题 : 经典地阐明了通信的基本问题, 提出了通信系统的模型, 给出了信息量的数学表达式, 解决了信道容量 信源统计特性 信源编码 信道编码 信息度量和信道容量与噪声的关系等有关精确地传送通信符号的基本技术问题 两篇文章成了现代信息论的奠基之作 这些贡献对今天的通信业具有重大影响 因此, 香农被誉为信息理论的奠基人 那时, 他才不过刚刚三十出头 2 畅香农极限及其应用 熵 的概念起源于热力学, 是度量分子不规则热运动的单位 香农的伟大贡献在于, 利用概率分布的理论给出了 熵 的严格定义 在熵的基础上定义的信道容量也是通信中一个至关重要的概念 由此, 香农推出了一个公式, 明确表达了在不同噪声情况下传输速率与失真的定量关系 从这一个公式导出的为达到无失真通信的传输速率的极限, 现已称为香农极限 如今, 这两个原理已广泛应用于信息处理和实际通信中 熵表达了事物所含的信息量, 我们不可能用少于熵的比特数来确切表达这一事物, 所以这一概念已成为所有无损压缩的标准和极限 像现在人们在 PC 机上常用的 WinZip 就是一个例子 在数字通信中, 各种语音信号在用数学模型提取参数 ( 有损压缩 ) 后也要对参数进行熵编码和无损压缩, 这一无损压缩的算法就是根据熵的概念及其公式导出的 经过压缩后的数据还要进行扩张 ( 信道编码 ), 因为根据香农的第二个理论, 要尽量做到无失真的传送, 就要用类似重复的方法来纠正可能出现的错误 毫不夸张地说, 没有这两个方法, 就没有今天的手机通信 同样, 在因特网上传递多媒体数据, 无损压缩往往是必不可少的, 比如现在所用的图像格式, 除了 BM P 文件以外, 其他格式都用到基于熵概念的无损压缩算法, 还有当今广为人知的 M P3 音乐的压缩格式等 所以不论在电信业还是计算机业中, 只要涉及信息的压缩与传递, 就要用到香农的理论 香农的理论不仅在电子学的其他领域, 如计算机 自动控制等方面大显身手, 而且遍及物理学 化学 生物学 心理学 医学 经济学 人类学 语音学 统计学 管理学等学科 它已远远地突破了香农本人所研究和意料的范畴, 即从香农的所谓 狭义信息论 发展到了 广义信息论 6
第 1 章信息科学与信息技术的发展 1 畅 2 畅 2 图灵与图灵机 1 畅图灵其人 英国数学家阿兰 麦席森 图灵 (Alan Mathison T uring), 1912 年生于伦敦近郊 的帕丁顿 (Paddington) 镇, 1931 年进入剑桥大学的 国王学院 7 ( King s College) 攻读数学, 毕业时的数学学位考试拿了一等奖, 取得这个成绩的学生在剑桥大学有一个 特别的荣誉称号, 叫 Wrangler 图灵的学位论文是 概率论的中心极限定理, 1936 年 图灵因就同一课题所发表的论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 而获得史密斯 奖 (Smith Prize) 1935 年, 图灵开始对数理逻辑发生兴趣 数理逻辑 ( mathematical logic) 又叫形 式逻辑 (formal logic) 或符号逻辑 (symbolic logic), 是逻辑学的一个重要分支, 其起 源可追溯到 17 世纪德国的大数学家莱布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 在莱布尼 茨的思想中, 数理逻辑 数学和计算机三者均出于一个统一的目的, 即人的思维过程的 演算化 计算机化, 以至在计算机上实现 但是, 计算机 到底应该由哪些部分组成, 如何进行计算和工作, 在图灵之前的两个多世纪中, 没有人能够说清楚 正是图灵上述 1936 年那篇论文第一次回答了这个问题, 提出了著名的理论计算机的抽象模型, 可以 把推理化作一些简单的机械动作 图灵提出的计算模型被称作 图灵机 ( T uring Ma 唱 chine) 几乎所有现代程序设计语言都建立在图灵机模型之上 图灵被誉为计算机科学 的奠基人 1938 年, 图灵取得美国普林斯顿大学博士学位后回到英国剑桥大学, 他的 博士论文题目是 基于序数的逻辑系统, 主要研究了由乔治 布尔 (George Boole) 于 1854 年创建的逻辑代数, 并且还自己动手用继电器搭逻辑门组成了一台乘法器 由 于图灵对计算机的一系列杰出贡献和重大创造, 1951 年他被选为英国皇家学会院士 图灵的一生充满神秘与传奇色彩 第二次世界大战时, 图灵领导了对德军密码的破 译工作, 他用继电器做成被叫做 霹雳弹 的译码机 (Bombe, 因为继电器工作时发出 霹雳啪啦 的声音而得名 ), 破译了德军不少 恩尼格玛 密报 (Enigma, 德国密码 机名称 ), 为盟军战胜德国法西斯立了不少功劳 因此战后图灵被光荣授勋, 被称为 OBE (Officer Order of the British Empire) 霹雳弹 后来改用电子管, 命名为 巨 人 (Colossus), 被认为是第一台投入运行的电子数字计算机 但直到 20 世纪 90 年代 初英国政府才解密 巨人 的资料 图灵身体健壮 酷爱长跑 1947 年 8 月 25 日, T he T imes 体育新闻报道他的马拉松成绩为 2 小时 46 分 3 秒 图灵加盟曼彻斯特大学 后为计算机科学所作出的又一个杰出贡献是他在 1950 年 10 月发表的论文 计算机和智 能 (Computing Machinery and Intelligence) 在这篇经典的论文中, 图灵进一步阐明 了他认为计算机可以有智能的思想, 并提出了测试机器是否有智能的方法, 他称之为 模仿游戏 (Imitation Game), 而大家现在称其为 图灵测试 ( T uring Test) 2 畅图灵机的工作原理 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 图灵机由三部分组成 : 一条双向都可无限延长的被分为一个个小方格的磁带 一个
大学计算机基础有限状态控制器和一个在带子上可以左右移动的读写磁头, 如图 1 唱 2 所示 图灵机有步骤地进行工作, 工作情况取决于三个条件, 即 : 机器的内部状态 ; 读写磁头扫描在磁带的哪个方格上 ; 该方格上有什么信息 机器执行一步工作的过程如下 (1) 读写磁头在所扫描的方格上写上符图 1 唱 2 图灵机的组成原理号, 原有符号自然消除 (2) 磁头向右或向左移动一个方格, 机器由当前状态转向另一个状态, 进入下一步工作 重复上述过程直到机器状态为停机状态时为止 例如, 图 1 唱 2 中的机器在某一步处于状态 q3, 将所扫描方格中的 A 改写为 E, 左移一个方格, 进入状态 q2, 磁头将要扫描的方格内的字母为 T 机器下一步的工作由 q2 和信息 T 唯一确定 图灵机的这种由状态 符号确定的工作过程叫图灵机程序, 可以用五元组所确定的一个阵表定义为 : < q, b, a, m, q > 其中 q q 是有限状态控制器中的状态, q 为当前状态, q 为下一步的状态 ; b a 表示方格中的符号, b 是当前方格原有符号 (before), a 是修改后的符号 (after) ; m 指示磁头移动方向, 若左移则为 L (Left), 若右移则为 R (Right), 不动则用 N 表示 (N o 唱 motion) 这样, 上述图灵机的一步动作就可用五元组 < q 3, A, E, L, q 2 > 来确切描述了 如果用 Q = {q 1, q 2,, q m } 表示有限状态集, 用 Σ = {a 1,a 2,,a n } 表示磁带方格上的符号集, 用 R L H 分别表示右移一格 左移一格或停机, 那么图灵机 ( 程序 ) 也可以用下述映射进行定义 : Q Σ Σ {R,L,H } Q 1 畅 2 畅 3 冯 诺伊曼与冯氏结构计算机 1 畅冯 诺伊曼计算机科学理论的另一位重要奠基人是出生在匈牙利的美籍数学家冯 诺伊曼 (John von Neumann) 冯 诺伊曼因研究博弈论并将其用于商业及军事方面而出名, 1930 年移居美国后也在普林斯顿大学任教 冯 诺伊曼对图灵十分欣赏并曾邀请他到他那里工作 1945 年, 冯 诺伊曼等人首次发表了题为 电子计算机逻辑结构初探 的报告, 并开始研制存储程序式的 EDV AC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator) 计算机 ENIAC 的研制成功为计算机科学的发展提供了契机, 而每克服它的一个缺点, 都对计算机的发展带来极大影响 其中影响最大的是程序存储方式的采用 1946 年, 冯 诺伊曼对 ENIAC 的研究表示出了极大热情和关注, 并将 存储程序 的设想确立为冯氏结构计算机的设计体系, 其思想是 : 计算机中设置存储器, 将符号化的计算步骤存放在存储器中, 然后依次取出存储的内容进行译码, 并按照译码结果 8
第 1 章信息科学与信息技术的发展 进行计算, 从而实现计算机工作的自动化 2 畅冯氏结构计算机 关于 存储程序 (stored program) 的概念, 是现代电子计算机的最基本概念之 一, 也是现代电子计算机的最基本特征之一 ENIAC 虽然是世界上第一台电子计算机, 但不是存储程序式的, 程序要通过外接电路板输入 在 ENIAC 的研制过程中, 冯 诺 伊曼针对它的致命弱点, 提出了全新的通用计算机方案 1945 年 6 月 30 日, 冯 诺伊 曼发表了题为 关于离散变量自动电子计算机的草案 的文章, 正式提出了存储程序的 概念, 因此存储程序式计算机被称为 冯 诺伊曼结构, 而他所建议的 离散变量自 动电子计算机 也就是后来由宾夕法尼亚大学莫尔学院建成的 EDV AC 计算机 冯 诺 伊曼本人从来没有说过存储程序的概念是他的发明, 却不止一次地说过图灵是现代计算 机设计思想的创始人 EDV AC 突出的优点在于 : 把计算机要执行的指令和要处理的数 据都用二进制数表示 ; 把执行指令和处理的数据均按照顺序编成程序存储到计算机内部 让它自动执行 从而解决了程序的 内部存储 和 自动执行 问题, 极大地提高了运 算速度 ( 是 ENIAC 的 240 倍 ) 这是人类第一台使用二进制数 能存储程序的计算机 这种由计算器 逻辑控制器 存储器 输入和输出五个部分组成的 存储程序 式计算 机思想成了后来设计计算机的主要依据 半个世纪以来, 计算机技术有了飞速发展, 但 计算机的基本体系结构和基本工作原理仍然沿袭着冯 诺伊曼的最初构思和设计, 于是 人们将这种 存储程序 式计算机统称为冯 诺伊曼计算机或冯氏结构计算机 1 畅 2 畅 4 计算机界的诺贝尔奖 ACM 图灵奖 1 畅 ACM 图灵奖 美国计算机协会 (Association for Computing Machinery, ACM) 成立于 1947 年 世界上第一台电子计算机 ENIAC 诞生后的第二年, 美国一些有远见的科学家意识到它 对于社会进步和人类文明的巨大意义, 因此发起成立了这个协会, 以推动计算机科学技 术的发展和学术交流 AC M 建立以来, 积极地开展活动, 目前已成为计算机界最有影 响的两大国际性学术组织之一 ( 另一个是 IEEE 的计算机协会, 即 IEEE Computer So 唱 ciety) ACM 出版社出版的定期 不定期刊物有 40 多种, 覆盖了计算机科学技术的几 乎所有领域 1966 年, ACM 在纪念电子计算机诞生 20 周年时 ( 亦即图灵逝世 12 周年 ), 决定 设立计算机世界的第一个奖项, 并且把它命名为 图灵奖, 以纪念这位 计算机科学 之父 到 2003 年, 被誉为 计算机界的诺贝尔奖 的图灵奖已经颁发了 38 届, 共有 45 位计算机科学家获此殊荣 图灵奖专门奖励那些在计算机科学研究中做出创造性贡献 推动了计算机科学技术 发展的杰出科学家, 偏重于在计算机科学理论和软件方面做出贡献的科学家 奖金额为 2 畅 5 万美元, 通常由计算机界的一些大企业提供 9 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础如同一般科学技术转化为生产力, 必须经过从基础理论研究到应用产品开发, 直至演变为实用技术一样, 计算机以至整个信息产业的发展也遵循这个规律 从 20 世纪 40 年代世界上第一台电子计算机 ENIAC 诞生, 到如今信息产业成为如火如荼的朝阳产业和支柱产业, 这其中有一些鲜为人知的科学家做出了重要贡献 他们不如盖茨等企业家那样知名, 那样光彩夺目, 其中绝大多数也没有一夜暴富, 但正是这些人以惊人的智慧和艰苦的探索奠定了信息大厦的基石 下面要介绍的两位图灵奖获得者就是这些科学家中的代表 2 畅 1997 年图灵奖获得者 道格拉斯 恩格尔巴特 1998 年 5 月 10 日, ACM 在美国华盛顿特区召开的 Policy 98 会议期间, 举行了隆重的颁奖典礼, 将 1997 年度的图灵奖授予道格拉斯 恩格尔巴特 ( Douglas Engelbart) 鼠标器的发明人和超文本研究的先驱, 奖金由朗讯公司提供 可能许多人对恩格尔巴特并不熟悉 实际上, 我们操作计算机时所用的鼠标器就是恩格尔巴特在他年轻时 (1964 年 ) 发明的 恩格尔巴特 1925 年 1 月 30 日生于美国俄勒冈州的波特兰 (Portland) 1948 年在俄勒冈州立大学取得学士学位, 1956 年在加州大学伯克利分校取得电气工程 / 计算机博士学位 完成学业以后, 进入著名的斯坦福研究所 SRI 工作 恩格尔巴特发明的世界上第一只鼠标器, 其外壳是用木头雕刻而成的, 整个鼠标器只有一个按键, 底部安装有金属滚轮, 用以控制光标的移动 1967 年 6 月 21 日, 恩格尔巴特将他的鼠标用 X 唱 Y 定位器 的名称申请了专利, 并于 1970 年获得了专利 1983 年, 苹果电脑公司把经过改进的鼠标器装设在 Lisa 微电脑上, 从而使鼠标器在计算机业界名声大振, 开始像键盘一样成为计算机中必备的输入装置, 成为计算机迷们人见人爱的 宠物 恩格尔巴特推出的另一个核心技术叫 开放的超文档系统 O H S ( Open H yper 唱 document System), 这是一个集成的 无缝的 多厂商的体系结构, 在其中人们可以在共享屏幕上共享由各种多媒体文件组成的超文档 恩格尔巴特在这方面的概念 发明创造和产品对当前颇受重视的 CSCW 研究, 即 计算机支持的协同工作 ( Computer Supported Cooperative Work) 有着十分重要的影响 恩格尔巴特 1987 年获 PC Magazine 的终生成就奖, 1992 年被 IEEE 授予计算机先驱奖, 1994 年当选为美国艺术和科学院院士, 2000 年 11 月 13 日在白宫接受了克林顿总统亲自颁发的全国技术奖章 (National Medal of Technology) 3 畅 2000 年图灵奖获得者 姚期智 2001 年的春天, AC M 决定把 2000 年度的图灵奖授予美国普林斯顿大学计算机科学系教授姚期智 这是图灵奖 35 年来首次授予一位华裔学者 姚期智祖籍湖北孝感, 1946 年 12 月 24 日出生于上海, 幼年即随父母去台湾 1967 年在台湾大学毕业以后, 去美国深造 他原先所学专业是物理, 于 1972 年取得令人羡慕的哈佛大学物理学博士 10
11 第 1 章信息科学与信息技术的发展 学位, 并做了一年博士后研究工作之后, 出人意料地选择到伊利诺依大学研究生院继续 学习, 攻读计算机科学博士学位 姚期智之所以选择伊利诺依大学, 是因为这所大学在 计算机科学技术方面当时处于美国和世界的领先地位, 它和宝来公司在 20 世纪 70 年代 初合作开发了由 64 台处理机组成的著名阵列机 IL LIAC Ⅳ, 其运算速度达到 1 畅 5 亿次 / 秒, 是当时世界上最快 最先进的计算机 经过两年苦读, 姚期智于 1975 年 终于如愿获得他的第二个博士学位 计算机科学博士学位 之后, 他曾先后在麻省理 工学院 斯坦福大学 加州大学伯克利分校等著名高等学府从事教学与研究, 1986 年 加盟普林斯顿大学至今 姚期智对计算机科学技术所作出的贡献主要在计算理论方面 ACM 的授奖决定指 出, 姚期智对计算理论的众多贡献是根本性的, 意义重大 其中包括伪随机数生成理论 的复杂性 密码学 通信复杂性等 姚期智在近 1/4 个世纪中发表的近百篇学术论文, 几乎覆盖了计算复杂性的所有方面, 也涉及算法设计与分析的许多重要问题, 他的研究 结果和所采用的证明方法, 常常使计算机理论界对一些核心课题的认识和理解产生 飞跃 随着因特网的飞速发展, 对通信复杂性的研究成为姚期智关注的又一个重点 他发 表的论文如 电路和通信复杂性的近期进展 被认为是经典之作, 经常被其他论文所引 用 姚期智为通信建立了基本模型, 提出了分析方法, 使通信复杂性发展成为一个重要 的研究领域, 并获得了多方面和意想不到的应用 姚期智近期的研究集中于量子通信 量子计算和量子密码学上 量子计算是以量子 力学的理论和量子器件为基础, 新近才发展起来的一种新的计算技术, 它不但能降低传 统计算技术的计算复杂性, 还能解决在传统计算机上根本无法处理的一些问题, 具有很 大的发展潜力 姚期智和祖国内地的计算机科学家有着密切的联系, 他也是中国科学院软件研究所 主办的枟软件学报枠副主编, 曾多次来内地参加学术活动 2002 年 10 月 18 日, 由微 软亚洲研究院和国家自然科学基金委员会联合举办的第四届 21 世纪的计算 大型国 际学术研讨会在北京大学百年纪念堂举行 本次会议主题为 高信度计算 姚期智在 会上发表了 量子密码的新方向 主题演讲 在荣获图灵奖之前, 姚期智在 1987 年获得波利亚 (George Polya) 奖, 在 1996 年 获得以算法设计大师克努斯 (Donald Ervin Knuth, 1974 年图灵奖获得者 ) 命名的首届 克努斯奖 2000 年 4 月, 姚期智当选为美国艺术和科学院数学部院士 1 畅 3 计算工具的演变和计算机的发展 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 人类社会的每一阶段都有其特定的技术用来对信息进行处理, 各阶段所使用的处理 技术和手段是不同的 在社会经济信息系统中, 人是最原始的 也是最基本的 信息处 理机 最初, 人是通过其自身的各种感觉器官收集外界的数据, 靠手势 语言来传递 信息 ; 而信息的存储与加工则是靠个人的头脑 随着社会和技术的发展, 人们逐渐发明
大学计算机基础创造出各种物理设备来提高信息处理的能力与效率 计算机从无到有, 从弱到强, 从集中到分布, 从以中央计算机 个人计算机为中心的计算模式到以网络 网格为中心的计算模式 50 多年的光辉历程, 开创了人类信息社会发展史的三个新纪元 : 20 世纪 40 年代第一台电子计算机的出现开创了人类开始用机器代替部分脑力劳动的新纪元 ; 80 年代微型计算机的出现开创了计算机不再为少数专业人员所拥有和使用并走向普及化的新纪元 ; 90 年代以因特网为代表的网络技术, 开创了把许多微机连接起来最大限度实现资源共享的新纪元 在漫长的人类进化和文明发展过程中, 人类的大脑逐渐具有了一种特殊的本领, 这就是把直观的形象变成抽象的数字, 进行抽象思维活动 正是在这一过程中, 人类才创造并逐步发展了计算工具, 真正具备了认识世界的能力 1 畅 3 畅 1 最古老的计算工具 算筹和算盘人类最初的计算工具就是人的双手, 掰指头算数是最早的计算方法 一个人有 10 根手指, 因此十进制就成为人们最熟悉的进制计数法, 而古代玛雅人使用的是二十进制 公元前 3000 年, 古埃及人用结绳来记录土地面积和收获谷物的数量 由于双手的局限性, 人类开始学习用小木棍 石子等身外之物作为计算工具 在拉丁语中, 计算 的单词 Calculus, 其本意就是用于计算的小石子 随着文明的进步, 人类学会了使用越来越多 越来越复杂的计算工具, 计算方法也越来越高级 早在公元前 3000 年, 中国人就发明了算筹, 它是世界上最古老的计算工具, 如图 1 唱 3 所示 图 1 唱 3 最古老的计算工具 算筹和算盘据枟汉书 律历志枠记载 : 算筹是圆形竹棍, 它长 23 畅 86cm 横截面直径 0 畅 23cm 到公元六 七世纪的隋朝, 算筹长度缩短, 圆棍改成方的或扁的 根据文献记载, 算筹除竹筹外, 还有木筹 铁筹 玉筹和牙筹 算筹在计算时摆成纵式和横式两种数字, 按照纵横相间的原则表示任何自然数, 从而进行加 减 乘 除 开方以及其他的代数计算 负数出现后, 算筹分红黑两种, 红筹表示正数, 黑筹表示负数 这种运算工具和运算方法, 在当时世界上是独一无二的 我国古代著名的数学家祖冲之, 借助算筹计算出了圆周率的值, 其精度也是当时世界上最高的, 即圆周率介于 3 畅 141 592 6 和 3 畅 141 592 7 之间 中国古代的天文学家也运用算筹, 总结出了精密的天文历法 随着计算技术的发展, 在求解一些更复杂的数学问题时, 算筹显得越来越不方便了 春秋时代有了竹筹计数, 以后演变为人类历史上早期的计算工具 中国唐末的算 12
第 1 章信息科学与信息技术的发展盘 南宋已有算盘和歌诀的记载, 一直沿用至今 也就是说, 在古代, 中国的先民们就掌握了 完备的计算系统应该是软硬件结合的系统 这一思想 ( 硬件 算盘, 软件 珠算口诀 ) 算盘结合了十进制计数法和一整套计算口诀 我们熟悉的常用语 三下五除二 七上八下 等就起源于珠算口诀 明朝以后, 算盘在世界各地流传开来, 并出现了许多变种 1 畅 3 畅 2 古算史上的 哥德巴赫猜想 据史料记载, 甄鸾是南北朝时著名的数学家和天文学家 他一生撰注多种数学著作, 其中最重要的是注释了唯一一部记载我国古代计算工具的枟数术记遗枠 枟数术记遗枠系中国古算书, 位列我国算术的 十经 之一, 介绍了我国古代 14 种算法, 除第 14 种 计数 为心算无须计算工具外, 其余 13 种均有计算工具, 分别是 : 积算 ( 即筹算 ) 太乙算 两仪算 三才算 五行算 八卦算 九宫算 运筹算 了知算 成数算 把头算 龟算和珠算, 如图 1 唱 4 所示 珠算 之名, 首见于此 图 1 唱 4 古算史上的 哥德巴赫猜想 珠算被称为我国 第五大发明, 至今仍在加减运算和教育启智领域发挥着电子计 算机无法替代的作用 唐宋以后, 枟数术记遗枠中所述 13 种算具, 除珠算沿用至今外, 所有算具均相继失传 由于此书有文无图, 且唐宋后绝大多数算具湮没失传, 因而, 就 这些算具的 模样, 中外学者纷纷提出了各自的 猜想 日本数学史家三上义夫 户 谷清一, 英国著名科学史家李约瑟, 中国学者许莼舫 余介石 李迪 周全中 李培业 等均抱着科学缜密的态度, 绘制出了各自的 推想图, 试图破译 13 种古代算具之谜, 而 李培业推想图 则是我国学者在研究这一课题中取得的最重要的成果之一 13 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础 1992 年, 曾长期师从李培业教授进行珠算研究的经济师程文茂, 率先破译了失传 1000 多年的 太乙算, 并发明出 太乙算棋 1999 年, 程文茂又发明了 世界算盘, 世界算盘 不仅能随意拆卸拼装俄罗斯 日本及中国的 10 珠 5 珠和 7 珠算盘, 而且可将失传的 太乙算 两仪算 三才算和珠算 四种古算具一一再现 2002 年 5 月下旬, 程文茂受汉中石门十三品的启发, 依据李培业的枟汉中甄鸾古算十三品草图枠, 历经 10 年时间潜心研究, 制作完成了国内第一个完整 系统 科学地将我国古代 13 种计算工具恢复旧制的 古算十三品 13 种算具中, 最令程文茂兴奋的是 九宫算 因为以往人们所熟悉的所有计算方法, 均为 数动位不动 的位置制, 而 九宫算 则为位动数不动 1 畅 3 畅 3 信息技术及计算工具发展之大事记人类在同大自然斗争中, 创造并逐步发展了计算工具 早在公元前 3000 年, 中国人就发明了算筹, 以后演变为人类历史上最早的计算工具 算盘 1633 年, 奥芙特德 (Oughtred) 发明了计算尺 1642 年, 法国数学家帕斯卡 (B 畅 Pascal) 用齿轮式加法器制成第一台机械计算器 1671 年, 德国数学家莱布尼茨 (Leibniz) 发明了用步轮控制的自动四则运算机器 1746 年, 英国工程师沃森 (Watson) 在两英里长的电线上传递了电信号 1 畅 19 世纪 1822 年, 英国著名数学家查尔斯 巴贝奇 (Charles Babbage) 设计成功了差分机 他从 1812 年开始设计, 可用来制作对数和三角函数表, 其精度可达 6 位小数 该差分机利用卡片输入程序和数据 1832 年, S 畅 F 畅 B 畅莫尔斯发明了电报 1834 年, 巴贝奇设计完成了一台更高级的分析机 这台机器的设计构思, 已经和现代计算机十分相似, 它有 存储库 运算室, 在穿孔卡片 ( 只读存储器 ) 中存储程序和数据, 基本实现了控制中心 ( 类似于今天的 CPU) 和存储程序的设想 而且程序可以根据条件进行跳转 巴贝奇还提出了自动通用计算机的思想, 只是因为当时生产能力和工艺水平有限, 才使这位伟大科学家的美好愿望未能实现 查尔斯 巴贝奇被公认为是计算机之父, 如图 1 唱 5 (a) 所示 此时为巴贝奇工作的一位女性, 爱达 奥古斯塔 拉芙拉斯 (Ada Augusta Lovelace) 被誉为世界上第一位程序员 ( 如图 1 唱 5 (b) 所示 ), 她可是比世界上第一台电子计算机早了 100 年 爱达的主要贡图 1 唱 5 计算机之父巴贝奇与献是 : 指出分析机可以编程, 发现了编程的基本要世界上第一位程序员爱达素 ( 如循环 子程序 ) ; 建议分析机用二进制存储 1876 年, 亚历山大畅 G 畅贝尔 (Graham Bell) 发明了通过电线传递声音的电话装置并获得了专利, 这些活动意味着人们开始了对通信技术的一系列研究工作 14
15 第 1 章信息科学与信息技术的发展 1887 年, 手摇计算机问世, 以后又出现了电动计算机 算盘 计算尺 手摇计算 机等计算工具的相继出现对现代计算机的诞生产生了重大影响 1890 年, 美国进行人口普查 由于 1880 年的普查用了 7 年的时间进行统计分析, 这 意味着 1890 年的统计分析可能会超过 10 年 人口普查部门希望能有一台机器, 帮助他们 提高统计分析的效率 Herman Hollerith 借鉴了 Babbage 的设计, 用穿孔卡片存储数据和 程序, 并制造了处理机器 结果该机器仅用了 6 周就得出了人口普查的统计分析结果 1896 年, Herman H ollerith 创办了 IBM 公司的前身, 开始大量制造穿孔卡片处理 机 当真正意义上的电子计算机出现时, 穿孔卡片自然地成为最早的程序载体 2 畅 20 世纪 1906 年, 美国的 Lee De Forest 发明了电子管 在这之前的计算机, 都基于机械运 行方式, 而在这之后, 计算机开始进入电子时代 地位 1915 年, 电传打字机问世, 电报员用它发送气象公报给国家气象服务台 1924 年 2 月 IBM 公司成立 从那时起, IBM 公司始终在计算机工业界占据着重要 1936 年, 德国工程师祖泽 (Zuse) 制成机械式计算机 Z1 20 世纪 40 年代, 由于电子 管的出现, 电子学和自动控制理论的形成, 才真正孕育了第一台电子计算机的诞生 1937 年, 贝尔实验室的 George Stibitz 首先采用继电器来表示二进制 1939 年 1 月 1 日, 加利福尼亚的休立特 ( David Hewlett) 和帕卡德 ( William Packard) 用特曼 (Fred Terman) 教授借给他们的 538 美元在租来的汽车房里造出了 Hewlett 唱 Packard 计算机 他们后来成立了著名的 H P 公司 1940 年, 美国贝尔 (Bell) 实验室完成采用延迟线的继电器计算机 M odel 唱 1 1941 年, 祖泽完成第一台继电器式通用计算机 Z3 1943 ~ 1959 年, 出现了大量使用真空管的计算机, 通常被称为第一代计算机 ENIAC 是第一台真正意义上的数字电子计算机 1944 年, 美国哈佛大学与 IBM 公司合作完成机电式自动顺序控制计算机 M ARK I 1944 年 1 月 10 日, 英国正式启用了破译密码专用的电子数字计算机, 被称为 巨 人 的科洛萨斯 (Colossus) 科洛萨斯采用了电子计算机的设计思想, 用了 2500 只电 子管 ; 长 4 畅 9m, 宽 1 畅 8m, 高 2 畅 3m, 重 4t ; 打孔纸带输入, 自动打字机输出 ; 每秒可 处理 5000 字符 原需要 6 ~ 8 个星期破译的密码, 用科洛萨斯只需 6 ~ 8h 遗憾的是, 英国人在第二次世界大战结束时秘密销毁了这台密码破译机, 没有继续发展这项技术, 从而失去了由计算机引发技术和产业革命的机遇 相比之下, 美国抓住了这一历史机 遇, 崛起了一大批计算机产业巨头, 促进了美国社会经济的发展 1949 年的 EDV AC 是第一台使用磁带的计算机 这是一个突破, 专家们可以在其 上多次编写和存储程序 不过仍使用的是机器码 这一年的枟科学枠杂志曾作过一个大 胆的预测 : 未来的计算机不会超过 15t 1953 年, 美国兰德公司研制成大型科学计算机 ERA 1103 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础 1954 年, 美国德州仪器公司 ( TI) 研制出硅晶体管, 为降低晶体管制造成本开辟了道路 贝尔实验室制成世界上第一台晶体管计算机 T RADIC ( TRAnsistorized Digital Computer) 1956 年, 美国约翰 麦卡锡 (John McCarthy) 及马文 明斯基 ( Marvin Minsky) 提出了人工智能的概念 日本富士公司研制了日本的第一台电子管计算机, 使用了 1700 个真空管, 用于透镜设计计算 美国约翰 巴克斯 (John Backus) 及其在 IBM 的同事, 向 Westinghouse 公司提交了第一个 FOR T RA N 编译器 1958 年, 美国德州仪器公司 ( TI) 的科学家杰克 基尔比 (Jack Kilby) 研制出半导体集成电路 (IC) 的原型 ; 同时, 仙童 (Fairchild) 半导体公司的 Robert Noyce 也独立研制出集成电路 1959 年, 联合国教科文组织 ( U NESCO) 在巴黎主办了第一届国际计算机会议, 成立国际信息处理联盟 (IFIP) 的筹备工作正式开始 1970 年, Ken T homson 和 Dennis Ritchie 开始研制 U NIX 操作系统 1971 年 11 月 15 日, Intel 公司的 Marcian E 畅 H off 研制成功第一块微处理器 4004 它包含 2300 个晶体管, 是一个 4 位系统, 时钟频率 108k Hz, 每秒执行 6 万条指令 1974 年 4 月 1 日, Intel 公司发布了 8 位的微处理器芯片 8080 12 月, 计算机爱好者埃德 罗伯茨利用 8080 微处理器设计出一款体积很小的计算机 Altair 8800, 这是世界上第一台商用个人计算机, 价值 397 美元, 内存只有 256 个字节 与此同时, 罗伯茨首次创造性地提出了 PC 这个崭新的概念 同年, 当时还在哈佛大学实验室里的比尔 盖茨和保罗 艾伦 (Paul Allen) 开始用 BASIC 语言第一个为 Altair 计算机撰写各种程序 1975 年, 比尔 盖茨和保罗 艾伦创办了微软 (Microsoft) 公司 1976 年, Zilog 推出 Z80 处理器, 这是一个 8 位的微处理器 CP/M 就是基于 Z80 的操作系统 同年 4 月, 当时 26 岁的史蒂夫 沃兹尼亚克 (Steve Wozniak) 和 21 岁的史蒂夫 乔布斯 (Steve Jobs) 创建了苹果 ( Apple) 计算机公司 一年之内, 每台售价 666 美元的 Apple Ⅰ 型计算机销出 200 多台 1977 年, 苹果公司面向广阔的通用 PC 市场推出了 Apple Ⅱ 型计算机, Apple Ⅱ 型计算机销售了近 30 万台, 在 PC 市场上比 IBM PC 整整早 4 年 1981 年 8 月 12 日, IBM 推出了首款个人计算机 IBM 5150, 它的 CP U 采用 Intel 8088 微处理器芯片, 主频 4 畅 77 M Hz, 内存为 64KB, 而操作系统采用的是微软公司的 DOS 1 畅 0 每台售价 3005 美元的 IBM 5150 第一年就售出 13 万台 IBM PC 获得巨大商业成功的同时, 也为微软的崛起铺平了道路 微软受 IBM 委托开发 DOS 操作系统, 他们从 Tim Paterson 那里购买了一个叫 86 唱 DOS 的程序并加以改进 从 IBM 卖出去的叫 PC 唱 DOS, 从微软卖出去的叫 M S 唱 DOS 微软精明地保留了继续开发的权利, 这是微软独霸 PC 操作系统的开始 1985 年, 微软发布了 Window s 1 畅 0 最初的 Windows 存在很多严重的漏洞, 不仅少有人用而且被人讥笑 一直到 1993 年 Windows 3 畅 1 才获得成功 1989 年, 欧洲物理粒子研究所的 Tim Berners 唱 Lee 创作了 World Wide Web 雏形, 16
第 1 章信息科学与信息技术的发展 H T M L 语言开始流行, 大大推动了因特网的发展 1994 年, Netscape 1 畅 0 浏览器发布 1995 年 8 月, 微软发布了 32 位的多任务操作系统 Windows 95, 该版本取得了巨大的成功 12 月, Netscape 发布了 JavaScript 1996 年 1 月, Netscape Navigator 2 畅 0 发布, 这是第一个支持 JavaScript 的浏览器 3 畅 21 世纪 2001 年 8 月 12 日, 在纪念 PC 诞生 20 周年之际, 在 PC 的 CPU 工作频率经过漫长的 18 年提升至 1G Hz 之后, Intel 公司经过 18 个月的努力又向业界推出了工作频率高达 2G Hz 的 Pentium 4 处理器 它不仅是 CPU 工作频率的新界标, 而且也用事实抹去了世人对摩尔定律的犹豫和怀疑 10 月 25 日, 微软公司在全球发布了 Window s XP, 并在半个月之后紧接着发布 Window s XP 中文版 这是微软自 Windows 95 发布以来最重要的一次 OS 版本发布 与 P4 相呼应, 新 XP 专业版将在系统管理及稳定性 远程访问以及无线网络支持上具有突出特色 2002 年, 微软发布了畅 NE T, 开始与 Java 阵营展开全面竞争 1 畅 3 畅 4 最早与目前最快的计算机 1 畅 ENIAC ( 埃尼亚克 ) 世界上第一台电子数字计算机 ENIAC 是由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约 翰 莫克利 (John Mauchly) 和他的研究生普雷斯伯 埃克特 (J 畅 Presper Eckert) 领 导研制的 1942 年, 莫克利教授提出了用真空电子管组成通用计算机的设想, 这一方 案得到了美国陆军部导弹实验室 (BRL) 的关注 1943 年, 正当第二次世界大战激烈 进行时, 美国陆军火炮公司为了精确测得弹道轨迹和角度的数据表, 委托宾夕法尼亚大 学 穆尔电工学院, 在一批教授 工程师的领导下, 开始设计第一台电子数字计算机, 并于 1946 年 2 月 14 日正式启用, 命名为 ENIAC And Calculator), 即 电子数值积分计算机, 如图 1 唱 6 (a) 所示 (Electronic Numerical Integrator 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 图 1 唱 6 世界上最早和最快的计算机 17
大学计算机基础 ENIAC 采用变速电子器件 电子管作为基本逻辑部件, 由 18 800 只电子管 1500 个继电器 7 万只电阻 1 万个电容和 6000 个开关组成, 耗费 40 万美元 ENIAC 每秒可进行 5000 次加减运算, 3ms 即可进行一次乘法运算 在此之前借助台式计算器需 7 ~ 20h 才能计算一条发射弹道, 而使用 ENIAC 只需要缩短到 30s 但是, ENIAC 也明显地存在着缺点 它体积庞大, 约 3000 立方英尺, 重 30t, 占地约 170m 2 ; 运行时耗电量很大, 功耗 25kW ; 存储容量小, 只能存 20 个字长为 10 位的二进制数 ; 靠外部开关 继电器和接线来设置计算程序 ; 使用大量的电子管, 工作可靠性差 ENIAC 仅运行了 10 年, 1956 年被送进了博物馆 2 畅 Roadrunner ( 走鹃 ) 2008 年 6 月 9 日, 美国 IBM 公司和美国能源部宣布, IBM 已经研制出一台全球最快的超级计算机, 运算速度达到了突破性的 1 PetaFLOP, 即每秒钟可进行 1000 万亿次浮点运算, 比此前速度最快的超级计算机 IBM 蓝色基因 /L 快 1 倍 这款新型超级计算机由 IBM 和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室联合开发, 取名 走鹃 ( 新墨西哥州州鸟之名 ) 走鹃 历时 6 年完成, 价值 1 畅 33 亿美元, 目前放置于 IBM 位于纽约波基普西的实验室中, 占地 557m 2, 连接光纤长 91 畅 7km, 占用了 288 个 IBM Blade Centre 机架, 重 226 畅 8t, 80 TB 的存储空间, 运行红帽子 (Red Hat) Linux 操作系统, 运行时功率接近 3 M W, 如图 1 唱 6 (b) 所示 走鹃 不久将移至新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室, 未来将隶属于美国能源部国家核安全管理局 走鹃 是世界上第一台运算速度达到 PetaF LOP 级别的超级计算机, 因此被看作是计算机发展史上的重要里程碑 走鹃 也是世界上第一台采用 Cell 处理器的混合式超级计算机, 拥有 130 536 个计算核心, 采用了 116 640 个处理器 (PPE 和 SPE 核心 ), 其中 12 960 个为经过改良的 IBM Cell 8 核微处理器, 6948 个美国超威公司双核 A MDx86 处理器 除此之外, 走鹃 拥有 3456 个 T ri 唱 Blade 结点, 每个结点由两台 Blade Center QS22 刀片式服务器和一台 LS21 刀片式服务器组成 IBM 主管下一代计算机系统技术的副总裁比吉安 迪瓦里 (Bijan Divari) 表示, 走鹃 的构造方式与人脑类似 IBM 在声明中称, 走鹃 将主要用于美国核武器模拟, 包括模拟核爆炸后零点几秒的行为状态和测算核弹头老化信息 ; 走鹃 还将用于天文 能源 人类基因科学以及气候变化方面的研究, 将极大地方便科学研究 科学家可以用 走鹃 辅助研制艾滋病疫苗 检测纤维素乙醇化学性质 探索宇宙起源等 3 畅计算机从 数字计算 到 信息处理 的转变处理信息的计算机可分为两大类, 一类是单板机, 即嵌入式设备 大量的嵌入式设备正应用于各个领域中 一辆现代汽车中嵌入式计算机不少于 10 种, 导弹中使用了相当多的嵌入式计算机, 其中有控制导弹初始状态的, 有控制导弹中间飞行的, 也有控制导弹临近目标的等 另一类计算机是独立主机, 如巨型机 中型机 小型机 微机等 18
19 第 1 章信息科学与信息技术的发展 随着生产的日益发展和计算工具的不断更新, 人们对计算速度和精确度越来越多的要求 极大地促进了现代计算技术的发展, 电子计算机的出现标志着人类计算史上一次具有深 远意义的革命 人类计算史上最大的变化莫过于计算机从 数字计算 到 信息处理 的转变 信 息压缩与全数字化带来了丰富多彩的多媒体技术 ; 而以多媒体技术为基础的虚拟现实技 术也正在向我们走来 技术的进步和发展为我们带来了越来越多的变化 : 3S ( GIS, GPS, RS) 技术实现的电子地图系统 卫星遥感定位跟踪监控系统 ; 网络技术实现的 远程教育 远程医疗诊断系统 ; 无线接入技术 ( 蓝牙技术 WAP 3G 4G) 实现的手 机上网 无线局域网 (WLA N) ; 电脑卡已由早期的光电卡 条码卡 磁卡发展到今天 的 IC 卡 射频卡, 而卡式管理也在社会生活中得到了广泛应用 ; 美国五角大楼一直就 是 IBM 的第一大用户, 现代军事与信息技术已密不可分 ; 1998 年美国时任副总统戈尔 提出了 数字地球 的概念, 接着数字化智能小区 数字化图书馆便雨后春笋般地不断 涌现 ; 到了新世纪的第一天 (2001 年 1 月 1 日 ), 魏同悟教授又在北京开办了中国首家 知识银行 人在变, 环境在变, 世界在变 从一个学校内部的局域网, 到银行通存通兑 的城域网, 到连接世界的因特网, 网络正在把成千上万的人连接在一起, 使地球将变得 更像一个村落 4 畅新一代计算机 ( 未来的计算机 ) 目前计算机的发展有如下几个重要的方向 : (1) 巨型化 : 用于天气预报 军事计算 飞机设计 核弹模拟等 (2) 微型化 : 微型机已从台式机发展到便携式 膝上机 掌上机 (3) 网络化 : 计算机联网形成巨大的浪潮, 使计算机的实际效用得到大大的提高 (4) 智能化 : 使计算机具有更多的类似人的智能 目前, 生物蛋白质计算机和光子计算机正在研制中 新一代计算机系统将具有智能 特性 逻辑思维 知识表示和推理能力, 能模拟人的设计 计算 分析 决策等智能活 动, 人机之间可具有自然通信能力 1 畅 3 畅 5 高性能计算与网格计算 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 高性能计算机一般指信息处理能力比个人计算机快一两个数量级以上的计算机 作 为一种信息处理基础设施, 无论是已经进入全球超级计算机 500 强排名第 14 位的联想 深腾 6800, 还是具备了 10 万亿次计算能力的曙光 4000A, 高性能计算都和老百姓的 生活息息相关, 行业研究领域也将包含气象 环保 船舶 飞机制造 汽车 建筑 钢 铁 石油 机电 高校 科学院等各个方面 发展高性能计算可以有两条途径 : 一是基 于现有的半导体集成电路技术和微处理机技术, 通过提高并行处理能力来实现 ; 二是突 破硅半导体器件的物理限制, 发展非传统的新技术, 包括超导计算 量子计算 生物计 算与光计算等 提高计算性能也可以有两条途径 : 一是硬件方面, 即研制超高性能器件 或部件, 如量子器件 超导芯片 光互连和光存储部件 生物分子部件等 ; 二是计算模
大学计算机基础型和算法设计方面, 从根本上突破冯 诺伊曼计算机和电子技术的局限, 如量子计算和 DN A 计算模型都为求解复杂问题开辟了崭新的思路 但是, 也正如中国科学院计算技术研究所李国杰院士所说 : 电子计算仍有强大的生命力, 至少近半个世纪内, 其他计算技术不可能完全取代电子计算机 我们不应强调研制纯而又纯的超导 量子 光学和生物计算机, 而应发挥各自的长处, 在优势互补 系统集成上多下工夫 1 畅生物技术为信息技术发展开辟着新的道路有科学家认为, 21 世纪将是生物计算机的时代, 因为生物技术将从根本上突破电子计算机的物理极限 目前使用的电子计算机是以硅芯片为基础的, 由于受到物理空间的限制, 将不可避免地面临耗能和散热等发展极限问题 要取得大的突破, 依赖于新材料的革新, 而生命的基本组成物质 DN A (Deoxyribonucleic Acid, 脱氧核糖核酸 ) 有可能成为新一代功能更强大的计算机的基础 1994 年 11 月, 美国南加州大学的计算机科学家莱昂纳德 阿德尔曼在阅读枟基因分子生物学枠一书时, 突然意识到人类的细胞与计算机存储信息的方式非常类似, 人体生化酶 阅读 DN A 的方式几乎与图灵于 1936 年首次想到的计算机阅读数据的方式非常相似 计算机存储数据以 0 和 1 两个数字组成的链条为基础, 而生命物质则将信息存储在以 A T C 以及 G 等字母代表的细胞当中 阿德尔曼说 : 当你研究一个细胞里面的内容时, 你会发现一个细胞简直就是一个大宝库 阿德尔曼在枟科学枠杂志上公布了他的 DN A 计算机理论, 由此开创了 DN A 计算机研究的新纪元 与传统电子计算机以 0 和 1 来代表信息不同, 在 DN A 计算机中, DN A 溶液代替了电子芯片, 每个 DN A 片段本身就是一个微型处理器, 它们各自进行计算 特定的酶可充当 软件 来完成所需的各种信息处理工作 信息将以分子代码的形式排列于 DN A 上, 大多数 DN A 都悬浮于充满液体的试管中执行运算 DN A 计算机通过 DN A 分子上碱基不同的排列次序, 可表示计算机的数据, 然后酶对这些 DN A 上的碱基链进行操作, 就能实现计算功能 当 DN A 分子间在某种酶的作用下瞬间完成某种生物化学反应时, 可以从一种基因代码变为另一种基因代码 如果将反应前的基因代码作为输入数据, 反应后的基因代码就可作为运算结果 DN A 计算机的存储容量非常大, 1dm 3 的 DN A 溶液可以存储 1 万亿亿位二进制的数据 2000 年, 美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家们根据生物大分子在不同状态下可产生有和无信息的特性, 研制出了分子开关 2001 年 11 月, 以色列魏茨曼研究所的科学家在 22 日出版的英国枟自然枠杂志上报告说, 他们研制出了一种由 DN A 分子和酶分子构成的世界首台可自动运行的微型 生物计算机 DN A 计算机, 它的体积非常小, 属分子级, 1 万亿个这样的计算机仅一滴水那样大 这种计算机结构和运算原理与普通意义上的电子计算机完全不同, 它使用两种酶作为计算机 硬件, DN A 为 软件, 输入和输出的 数据 都是 DN A 链 把溶有这些成分的溶液恰当地混合, 就可以在试管中自动发生反应, 进行 运算 作为原始数据的 DN A 链, 相当于早期电子计算机使用的数据纸带, 上面的碱基对就相 20
21 第 1 章信息科学与信息技术的发展 当于纸带上的孔, 代表 1 和 0 形式的二进制数据 作为硬件的酶和作为软件的 DN A 与 输入的数据 DN A 发生反应, 对它进行切割和连接, 最终生成新的 DN A 输出数据 用一般的电泳技术处理反应后的溶液, 就可以读出这些数据 通过设计不同的 DN A 软 件分子, 就能够对这种计算机进行编程, 用以解决不同的问题 由于参与反应的分子很 多, 相当于大批计算机一同工作, 运算能力相当惊人 该项目被评为当年世界十大科技 成果之一 2002 年 1 月 28 日, 日本奥林巴斯光学工业公司与东京大学联合开发出了全球第一 台能够真正投入商业应用的 DN A 计算机, 使用 DN A 之间的化学反应来分析遗传基因 这种计算机可用于分析 SNP (Single Nucleotide Polymorphisms, 单核苷酸多态性 ) 及 疾病遗传基因等 同年, DN A 计算机研究领域的先驱阿德尔曼教授利用简单的 DN A 计算机, 在实验中为一个有 24 个变量 100 万种可能结果的数学难题找到了答案, DN A 计算机的研制迈出了重要一步 2004 年 1 月 27 日, 上海交通大学 Bio 唱 X 生命科学研究中心和中国科学院上海生命 科学研究院营养科学研究所已在试管中完成了 DN A 计算机的雏形研制工作 这一 DN A 计算机是在以色列魏茨曼研究所的 DN A 计算机的基础上进行改进后完成的, 其 中包括用双色荧光标记对输入与输出分子进行同时检测, 用测序仪对自动运行过程进行 实时监测, 用磁珠表面反应法固化反应提高可控性操作技术等, 以至最终在一定程度上 完成模拟电子计算机处理 0 和 1 信号的功能, 将来还可能通过计算芯片技术把电子计算 机的计算功能进行本质上的提升 2 畅生物计算机的优点和缺陷 与常规计算机相比, 生物计算机具有以下几方面突出优点 (1) 密集度高 如果用 DN A 分子制成生物电子元件, 将比硅芯片上的电子元件要 小很多, 甚至可小到几十亿分之一米 而且, 生物芯片本身具有天然独特的立体化结 构, 其密度要比平面型硅集成电路高 10 万倍 (2) 运行速度快 如果让几万亿个 DN A 分子在某种酶的作用下进行化学反应, 就 能使 DN A 计算机同时运行几十亿次, 这就意味着运算速度要比目前的硅半导体逻辑元 件开关速度高出 1000 倍以上, 比当今最新一代超级计算机快 10 万倍 (3) 具备自我修复功能, 增强计算机的可靠性 由生物分子构成的分子集成电路也 同一般的生物体一样, 具有 自我修复 的机能, 即使是这种芯片出了点故障也无关大 局, 它能够慢慢地达到 自我修复 所以, 这种生物计算机的可靠性非常之高, 经久 耐用 (4) 能量消耗极低 由于这种有机分子的生物化学元件是利用酶催化反应来进行工 作的, 所需能量极少, 仅相当于普通计算机的一百亿分之一, 而且生物计算机不存在元 件发热的问题 (5) 超强的存储能力 如体积为 1m 3 的 DN A 液体, 存储的信息将比世界上所有计 算机存储的信息总和还要多 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础当然, 生物计算机要真正超越电子计算机, 还需要在 DN A 大分子操纵技术等方面有大的突破, 还有许多技术问题需要解决 如有时轻微的振荡就会使 DN A 断裂 ; 有些 DN A 由于粘在试管壁上, 在计算过程中被丢失了 也许更大的障碍是控制生物的演变以便创造出准确的计算结果, 因为 DN A 并不总是像人们预计的那样变化 中国科学院计算技术研究所夏培肃院士曾这样评价 DNA 计算机 (2001 年 11 月 23 日 ) : 试管中参与生化反应的分子很多, 相当于大批的 DNA 计算机在同时工作, 尽管生化反应有时需要很长的时间, 但极其大量 (1mol 的 DNA 溶液含有 10 23 个分子, 每个分子都是一台计算机 ) 的 DNA 计算机同时运算, 运算速度能达到每秒 10 亿次的高速 而且 DNA 计算机的能耗非常低, 耗能只有电子计算机的一百亿分之一, 而它的存储密度却大约是人们通常使用的磁盘存储器的 10 000 亿倍, 这些都是 DNA 计算机的优点 但 DNA 计算机也存在两大缺陷, 由于生化反应本身存在一定的随机性, 这种运算的结果也就不完全精确 另外, 参与运算的 DNA 分子之间不能像传统计算机一样进行通信, 只能 各自为战, 这对于 DNA 计算机今后处理一些大型计算也是一种缺陷 3 畅网格计算网格 (Grid) 被誉为继 Internet 和 Web 之后的第三次信息技术浪潮 网格与 Web 的主要区别是, Web 是对 H T M L 文件的一致访问, 而网格是对重要资源柔性的 高性能的访问, 即时地创建强大的虚拟计算系统 实际上, 网格是利用因特网把地理上广泛分布的各种资源 ( 包括计算资源 存储资源 带宽资源 软件资源 数据资源 信息资源 知识资源等 ) 连成一个逻辑整体, 就像一台超级计算机一样, 为用户提供一体化信息和应用服务 ( 计算 存储 访问等 ) 有人也称为 3G 因特网 (Great Global Grid), 意在全球用户可以随时随地共享计算资源 虚拟组织最终实现在这个虚拟环境下进行资源共享和协同工作, 彻底消除信息资源 孤岛, 让人们使用网格上的资源像用电一样简单 网格计算 (Grid Computing) 使人们可以轻而易举地为一些大型科研任务创建和使用动态 分布式 高性能的计算环境 而这些在以前是不可能实现的, 或开展起来所付出的代价很高, 如高能物理数据分析 气候建模 宇宙观测 实时遥感数据处理 虚拟现实等 它也可以在商业计算领域中应用, 如联机分析处理 数据挖掘 商业智能等 此外, 它还可以广泛地应用在电子商务 电子政务等领域 网格计算使人们能够共享计算 存储 数据和应用资源 这种计算模式是利用因特网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个 虚拟的超级计算机, 其中每台参与计算的计算机就是一个 结点, 而整个计算是由成千上万个 结点 组成的 一张网格 网格计算在构建网格系统时将其分为三个基本层次 : 网格资源层 ( 包括各种计算资源 ) 网格中间件层和网格应用层 ( 体现用户具体需求 ) 其中, 网格中间件层包括一系列工具和协议软件, 也称为网格操作系统 其功能是屏蔽资源层各资源的地理分布与异构特性, 向网格应用层提供透明 一致的使用接口, 提供用户编程接口和开发环境 网 22
23 第 1 章信息科学与信息技术的发展 格计算应用的实例有 : 美国 Argonne 国家实验室与 12 所大学 研究机构合作, 开发了 网格计算工具软件 (Globus 项目 ), 已用于气象预报 1997 年, 欧洲的 3500 台工作站 协同破译了 48 位 RSA 密码 同年, 使用 78 000 台计算机破译了 56 位 DES 密码 1 畅 3 畅 6 信息电器与机器动物 1 畅信息电器 信息电器 (IA) 是一类向客户提供各种因特网服务的数字式电子设备的统称 一 般来说, 它是指 PC 之外的因特网接入设备 具有简单易用 以客户为中心的个性化设 计等特点 信息电器的外形和色彩非常多样化, 而且还可以根据客户的喜好和市场的流 行趋势来定制 信息电器的分类方法有很多种, 而根据 IDC (Internet Data Center, 互 联网数据中心 ) 的定义, 主要将信息电器归纳为以下 6 种 : 1 网络电视 (Net T V) : 是 一种以电视机为中心 向消费者提供各类因特网服务的电子设备, 通常指各种机顶盒设 备 它一般由 M odem CPU 操作系统 显示卡和各类应用程序等部件组成 2 网络 游戏设备 (Internet Gaming Device) : 是一种向消费者提供因特网接入服务的游戏机或 游戏机插件 3 网络智能掌上设备 (Internet Smart Handheld Device) : 是一种向消费 者提供各类因特网服务的掌上型电子设备 4 视频电话 (Screen Phone) : 是一种带有 LCD 屏幕 向消费者提供各类因特网服务的高端电话, 主要由基板 语音通信组件 键盘和显示屏等部件组成 5 消费类网络终端 (Consumer NC Client) : 是一种不仅向 消费者提供各类因特网服务, 而且还向消费者提供下载存储功能的网络计算机 消费类 网络终端比现有的机顶盒有更强的计算能力及更复杂的功能, 但其总体功能还是不如 PC 消费类网络终端所能提供的因特网服务包括 Web 冲浪 电子邮件和网上下载等 6 其他 IA 设备 : 指除上述 5 类以外的向客户提供各类因特网服务的电子设备, 如具有 网络功能的投影机 文字处理机和数码相机等 信息电器目前所采用的关键技术有 : CPU 基本是 RISC 处理器的天下, 像常用的 StrongARM PowerPC 等 ; 采用的操作系统目前主要集中在 Window s 系列 ( 包括 N T) Palm OS 嵌入式 Linux 和其他实时操作系统 ( Real Time Operation System, R T OS) ; 连接方式采用的仍然是有线或无线连接方式 2 畅机器人与机器人足球世界杯 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo 1956 年提出的人工智能是指计算机模拟人类的某些智能行为 计算机专家咨询系 统和机器人是人工智能研究的两个重要方面 计算机专家咨询系统可用于医疗诊断 模 拟法官和律师 风险评估等领域 机器人可以有遥控机器人 程序机器人 示教 再现 机器人和智能机器人等 例如, 利用机器人到火星表面和火山坑中采集数据 机器人产 品可以有 : 工业内窥爬行器 异物抓取机器人等 ; 地面电视检测爬行器 坍塌现场搜救 机器人 侦察机器人 ; 遥控爬行爆炸物销毁器 水下机器人和水下电视 机器人部件, 包括爬行履带 水下推进器 翻转镜头 灯光 机械爪 脐带 内窥镜 锚固安装式
大学计算机基础摄像头 ( 带 3m 或 9m 伸缩臂 ) 迷你 机械爪 这些产品可用于 : 石化管道 容器内窥检查 市政排污 排涝管道内窥检查 发电厂管道内窥检查 核应用领域中的反应器检查 管道检查 异物探测和取出 钻井平台水下检修 舰船的船底检查 海上救助打捞 水下考古 沉船观察 航道排障 建港作业 水电大坝 水库堤坝检修 船闸和桥墩检修 军事与公安方面的紧急搜救 遥控侦察 遥控红外热视 排爆特警 2003 年 1 月 10 日, 中国科学院自动化研究所成功研制出集多种传感器 视觉 语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人和仿生机器鱼 移动机器人身高 80cm, 能向你问好, 能与你对话, 还能听命于你的指挥 智能移动机器人的基本结构包括传感器 控制器和运动机构 传感器由位于机器人底层的 16 个触觉红外传感器 位于机器人中间两层的 16 个超声传感器和位于机器人顶部的摄像机 (CCD) 等组成 机器人足球世界杯是从 1997 年开始举办的, 每年一届 这项赛事不仅仅是世界范围内一个竞技对抗的比赛, 更是一个检验智能控制与机器人研究的良好平台 中国第一支机器人足球队是 1998 年 11 月在哈尔滨工业大学计算机系智能机器人研究室诞生的 1999 年 6 月, 东北大学的 牛牛 机器人足球队在第四届机器人足球世界杯亚太区预选赛上以小组第二名的成绩实现了中国机器人足球队首次冲出亚洲 2001 年 8 月, 清华大学在美国西雅图首次参加第五届机器人足球世界杯赛决赛, 以 1 0 战胜德国队夺得仿真组冠军 2002 年 6 月 17 ~ 25 日, 在日本福冈举行的第六届机器人足球世界杯比赛上, 清华大学的 清华风神队 又一次荣获仿真组冠军, 是清华大学继 2001 年夺魁后的成功卫冕 本次大赛恰逢和世界杯足球赛同期举行, 共有来自 29 个国家的 288 支队伍参加, 比赛分小组赛 复赛和决赛三个阶段进行 决赛阶段清华风神队以 2 0 和 7 0 的成绩分别战胜了日本东京工业大学队和葡萄牙波尔图大学队, 首次参赛的北京理工大学队获得亚军 3 畅机器动物科学家们不像先前那样为制造更好的机器人而研究动物, 而是为更好地了解动物而研究机器动物 2002 年 12 月 16 日, 上海交通大学研究生姚沁展示了她与本科生金晟合作设计研制的 机器虫 该 机器虫 可进入传统机器人无法进入的狭小管道 缝隙中进行检测和观察 美国加州大学伯克利分校的科学家们已经利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的 机器蝇, 如图 1 唱 7 所示 美国五角大楼对有望成为 微型间谍 的机器蝇极为重视, 自 1998 图 1 唱 7 世界上第一只飞翔的 机器蝇 年这项研究刚刚开始时就一直大力资助 苍蝇个头虽小, 却能以 40km 的时速飞行 ; 如果发现情况, 能在 0 畅 03s 的瞬间迅速起飞 ; 苍蝇飞行一整天只消耗食物 0 畅 1g 加州大学伯克利分校的一位生物学家说 : 苍蝇是所有飞虫中, 飞行最稳定, 机动性能最佳的 为了弄清苍蝇翅膀是如何工作的, 研究人员制作了 30 多个模型, 最终他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺, 造出了只有 10mm 24
第 1 章信息科学与信息技术的发展长 3mm 宽 5μm 厚的仿生翅膀, 它能每秒钟煽动 150 次 机器蝇研制的另一个难题是燃料和驱动问题 由于体积所限, 未来机器蝇必须使用高效的微型驱动设备 麻省理工学院爱普斯坦教授的实验室正在开发微型涡轮喷气发动机, 可采用与生产计算机芯片相同的工具和技术, 实现批量生产 专家说, 未来的微型喷气发动机可望缩小到只有米粒大小, 其动力却足以使机器蝇飞翔数天而不用着陆 加州大学展示的这只机器蝇名叫 黑寡妇, 重量只有 100mg, 身高不到 3cm 它在 100m 上空飞行, 人们用肉眼几乎发现不了它, 而它却可以拍出极为清晰的照片传回 研究人员说, 在未来的机器蝇身上, 将安装许多传感器和微型摄像机, 因此它们能做的事情还有很多 比如可以用来发现森林火灾, 在灾难中搜寻废墟中的幸存者 在太空探索中, 机器蝇也大有可为 在未来登上新星球后, 机器蝇可代替航天员, 在各种复杂条件下完成拍照 摄影 取样等工作 1 畅 4 中国特色的信息化道路 华罗庚教授是我国计算机技术的奠基人和我国第一台电子计算机的主要创始人之 一 早在 1947 ~ 1948 年, 华罗庚在美国普林斯顿高级研究院任访问研究员时, 就与 冯 诺伊曼等人交往甚密 华罗庚在数学上的成就深受冯 诺伊曼的赞赏, 并经常交换 学术上的看法 华罗庚教授 1950 年回国, 1952 年在中国科学院数学研究所内建立了我 国第一个计算机科研小组 1956 年, 国家制定科学技术 12 年远景规划时, 把开创我国 的计算机技术事业列为四大紧急措施之首, 并聘请华罗庚担任计算技术规划组组长 规 划获准后, 华罗庚教授被任命为中国科学院计算技术研究所数字委员会主任 从此, 开 创了中国计算机从无到有 从小到大的漫长奋斗历程 1 畅 4 畅 1 中国计算机的发展初期 1958 年中国根据前苏联提供的设计图纸造出了第一台电子管计算机 (103 机, 也称 八一机 ) 同年, 中国人民解放军军事工程学院 ( 哈军工 ) 研制成用于鱼雷快艇指挥仪 的 901 机 1959 年, 中国根据前苏联的设计图纸完成了第一台大型通用电子计算机 (104 机 ), 向国庆 10 周年献礼 104 机配有磁鼓 磁带机 光电输入机, 磁芯主存容量为 2KB, 运算速度达到每秒 1 万次, 为国民经济和国防部门解决了不少过去难以解决的问题 1960 年, 由中国科学院计算技术研究所研制, 安装于北京中国科技大学北京校区 的中国第一台自行设计的通用电子计算机 (107 机 ) 开始运行 1962 年, 原电子部华北计算技术研究所 (15 所 ) 完成高炮指挥仪电子计算机 102 机 1964 年以后, 中国开始推出第二代晶体管计算机 如中国科学院计算技术研究所 的 109 15 所的 108 等, 它们的运算速度约为每秒 10 万 ~ 20 万次 1971 年, 我国研制成功第三代集成电路计算机 150 机, 1973 年电子工业部门为 了改变过去计算机产品单机多 批量小和不兼容的状况, 开展了计算机系列化的研制, 25 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo
大学计算机基础形成了 DJS 唱 100 系列国产机 (DJS 是 电子计算机 汉语拼音字母的字头缩写 ) 其中 1974 年通过鉴定的 DJS 唱 130 是采用小规模集成电路制造的, 1979 年的 DJS 唱 140 是采用中规模集成电路制造的, 1982 年 DJS 唱 150 则是采用大 中规模集成电路制造的 16 位机 到 1982 年底, 我国除微型机以外的计算机约有 3500 台, 其中国产机约 3000 台 1983 年, 我国研制成功 757 大型向量计算机, 每秒向量运算 1000 万次 同期, 每秒向量运行 1 亿次的银河 Ⅰ 号投入使用, 使我国跨进了研制超级计算机的行列 1992 年向量运算 10 亿次的银河 Ⅱ 号投入使用 1996 年银河 Ⅲ 号机投入运行, 速度为每秒百亿次, 为我国核能利用 核武器模拟 空间技术 新型飞机结构模拟试验 石油地质勘探和气象早期预报等重大科学技术中的计算创造了非常有利的条件 引进 开放促进了我国计算机事业在市场 产业 产品 科技和人才结构上的改革, 初步实现了以应用为目标 以市场为导向 以科技为依托 以拳头产品为龙头的计算机发展模式的重要转变 特别是 20 世纪 90 年代以来, 计算机市场上出现的联想 方正 同方 华硕 长城 东海 浪潮 同创 长江 实达 海信等集团公司的微机, 形成了全方位的出击势头, 出现了与进口机展开全面竞争的局面 国标 GB2312 唱 80 与 GB18030 唱 2000 的颁布实施, 汉字扫描输入 手写输入和语音识别输入软件的推广应用, 以及北京大学 激光照排之父 王选教授 西北民族学院 ( 现西北民族大学 ) 藏文信息处理创始人 于洪志教授 中国上网第一人 钱天白等都曾为我国计算机事业的发展书写了亮丽的篇章 1987 年 9 月 20 日, 清华学子钱天白向德卡尔斯鲁厄大学发出了中国第一封电子邮件 越过长城, 走向世界 ; 1990 年 11 月 28 日, 他又在因特网上首次登记了顶级域名 CN 1 畅 4 畅 2 IT 业已成为中国支柱产业 1999 年 7 月, 中国网通高速宽带 IP 骨干网 ( 世界上最大的电信网络 ), 15 个月建成, 可同时传输 64 ~ 10 000 部 DVD, 可达到 240 万个用户同时打电话的带宽容量 2001 年 3 月 9 日, 由中国科学院计算技术研究所研制的被称为新世纪 曙光 的曙光 3000 超级服务器, 在北京通过了中国科学院组织的专家鉴定, 成为继曙光 1000 和曙光 2000 之后我国高性能计算机领域中新的里程碑 曙光 3000 是一种通用的超级并行计算机系统, 是目前性能最高的国产超级服务器 该系统峰值浮点运算速度为每秒 4032 亿次, 内存总容量为 168GB, 磁盘总容量为 3 畅 63 TB 它具有先进的群集体系结构, 由 70 台结点计算机组成, 共 280 个处理机 基于曙光 3000, 可生产出满足用户各种需求的各种规模的超级服务器产品 曙光 3000 具有丰富而完善的软件系统, 包括高速通信子系统 系统管理子系统 远程管理子系统 硬件监控子系统 资源管理子系统 作业管理子系统 群集文件子系统 单一登录点子系统等 支持各种主流数据库 并行 Web 服务和大型 E 唱 mail 服务系统, 还有服务器聚集软件和负载平衡软件以及一大批行业应用软件 2001 年 10 月 13 日, 我国第一款通用 CPU 芯片 龙芯 诞生, 其性能与国际 26
27 第 1 章信息科学与信息技术的发展 芯片业巨头 Intel 的 486 相当, 与 MIPS 芯片完全兼容 龙芯 是由中国科学院计算技 术研究所唐志明 胡伟武研究员率领的一批青年科研人员经过一年多夜以继日的工作研 制成功的 拥有完全自主知识产权的 龙芯 芯片, 含有 600 多万个晶体管, 可执行 250 多条指令, 不仅在 CP U 体系结构设计技术上达到了国际先进水平, 而且在系统安 全性等方面有所创新, 可在 Linux 2 畅 4 X 唱 Windows 环境下运行 2002 年 6 月底, 由中国科学院 北京大学 清华大学联合正式向国家科学技术部 提出了 虚拟中国人计划 立项申请 被称为 中国模拟人之父 的四川大学人机研究 所林大全教授作为北大兼职教授参加了这一前沿计划 该计划利用来源于真人的解剖和 生理信息, 集成虚拟的数字化人体信息资源, 通过计算机模拟构造出仿生虚拟人, 进而 在其身上开展各种无法在真人身上进行的诊断与治疗研究 林教授已利用仿生材料制造 出 6 位 虚拟中国人 模型, 1985 年中国第一位仿生虚拟人就出自林教授之手 2001 年美国通用汽车公司请林教授的一位仿生虚拟人 走进 了汽车实验室, 测试汽车被撞 击翻滚的情况下, 驾驶员和乘客的生命安全参数 2002 年 9 月 28 日, 中国科学院宣布 : 我国拥有自主知识产权的第一款商品化通用 高性能 CPU 芯片 龙芯 1 号 研制成功, 并可批量生产提供实际应用 商品化 龙芯 1 号 CPU 的研制成功, 标志着我国已打破国外垄断, 初步掌握了当代 CPU 设 计的关键技术, 为改变我国信息产业 无芯 的局面迈出了关键一步 11 月 20 日, 具 有完全自主知识产权 代表国内 CISC 架构 CP U 研制最高水平的高性能嵌入式 32 位微 处理器 神威 I 号, 由上海复旦微电子股份有限公司研制成功, 并通过了产品鉴定, 可应用于 PDA 机顶盒 数码相机 通信系统 工业自动化设备等产品 12 月 18 日, 北京方舟科技有限公司推出 方舟 2 号 32 位嵌入式微处理器, 采用 0 畅 18μm 工艺生 产, 无论在性能 功耗和集成度上, 均达到目前国际上最先进的嵌入式微处理器产品的 水平, 使我国成为世界上掌握这项核心技术的少数国家之一 它将 CPU 网卡 声卡 智能卡等关键部件集成在一块 2cm 见方的芯片上, 主频由方舟 1 号的 166M Hz 提升到 400M Hz, 功耗下降了近 3/4 目前, 神州数码集团 北京东方电子公司等大型企业已 开始采用 方舟 系列 CP U 生产网络计算机 (Net Computer, NC) 中关村科技园区 已决定以 方舟 系列为核心, 打造包括研制 应用设计 封装测试等相关环节的产 业链 2001 年, 管理软件 中间件 安全软件和教育软件产品的市场供给有所增加 在 管理软件领域, 有用友 新大中 联想 神州数码 实达铭泰和不断涌入中国的国外厂 商等 用友 金蝶的上市融资为进一步巩固其在行业中的领先地位打下了良好的资金基 础 资本力量的介入可以有效地解决中国软件企业发展的资金瓶颈, 加快中国软件产业 的规模化进程 在办公软件领域, 金山 WPS Office 红旗 2000 的 Red Office 以及永中 Office 对微软的 Office XP 发起了挑战 网络安全软件以 61 畅 8 % 的增长速度成为 2001 年销售额增长最快的软件市场 中国的因特网经历了 接入为王 (1998 年以前 ) 到 内容为王 (1998 ~ 2001 年 ) 再到 应用为王 (2001 年以来 ) 的三个阶段 科学出版社职教技术出版中心 www.aboo