信息技术大局观 课件

1 信息技术大局观 信息 数字 计算机 2 欢迎您们开始计算机基础学习之旅 1 认识信息与数字的关系2 认识计算机3 几个典型应用 3 先以广阔的视野描述一幅IT的清明上河图吧 4 人为万物之灵 豹的速度 熊的力量 鹰的眼睛 狼的耳朵 在万物生灵之中 我们的力量 速度 敏感性都不是最优秀的 但是 感谢上帝 他给予我们人类伟大的创造力 5 大自然赋予我们的处理能力太优秀 而通讯和存储能力不足 在电脑发明前 几乎所有的信息工具发明都集中在通讯和存储 人类需要创造能量工具 信息工具来提升自身的能力 何谓信息能力 通讯能力 存储能力 处理能力 智能 人类的需要 6 这个真还有 数学是上帝书写宇宙的语言 现代科学发展的基石就是数学 IsGodaMathematician 希尔伯特问 存不存在一个解决所有数学问题的一般算法 图灵答道 有 7 图灵命题 图灵1936年的传世论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 主要是回答德国大数学家希尔伯特在1900年提出的著名的 23个数学难题 之中的第10个 问题涉及逻辑的完备性 即是不是所有的数学问题在逻辑上都是可解的 这篇论文说 有些数学问题是不可解的 自动计算机的理论模型是在该论文中提出的 这种抽象模型可以把推理化作一系列简单的机械动作 被称作为图灵机的模型 有许多等价描述 歪打正着 图灵机模型到上世纪60年代却转变成用来说明可计算能力的模型 8 一条双向可无限延长的 被分成一个个方格的磁带 格里写有符号一个有限状态控制器一个读写磁头 邱奇 图灵论题 图灵机 图灵机的动作由五元组确定 其中 q和q 为控制器的当前状态和下一状态 b和a为方格中的原有符号和修改后的符号 m指示磁头移动方向 或左或右或停 由状态和符号确定的工作过程称图灵机程序 图灵论题 凡是可计算的函数都可以用图灵机计算 邱奇论题 任何计算 如果存在一有效过程 它就能够被图灵机实现 9 理论基础 图灵机 SymbolsS s1 s2 sn StatesQ q0 q1 q2 qm q0 Q F Q MoveM L R N FiniteControl R WHead TapedividedintoInfinitecells 10 图灵理论之俗解 图灵理论的俗解 如果不考虑时间 只要按某种规律对bit 0 1 进行处理 传输 存储三种简单操作 就能在理论上解决any数学计算问题 这个理论指明了bit的强大功能 也包含了计算机的设计思想 11 冯诺依曼体系结构要点 数字计算机的数制采用二进制 计算机应该按照程序顺序执行 由冯氏体系结构构成的计算机须有的功能 1 把需要的程序和数据送至计算机中 2 必须具有长期记忆程序 数据 中间结果及最终运算结果的能力 3 能够完成各种算术 逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力 4 能够根据需要控制程序走向 并能根据指令控制机器的各部件协调操作 5 能够按照要求将处理结果输出给用户 为完成上述功能 计算机须具备五大基本组成部件 输人数据和程序的输入设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器控制程序执行的控制器输出处理结果的输出设备 12 冯 诺伊曼结构的计算机 冯 诺依曼 1903 1957 计算机由控制器 运算器 存储器 输入设备和输出设备组成 基本原理 存储程序 storedprogram 并按地址顺序执行 控制器按照程序顺序 逐条把指令和数据从存储器中取出并加以执行 自动完成由程序所描述的处理工作 13 数字的力量到底有多大 从原子到比特 只要对bit 0 1 进行处理 传输 存储 就能解决一切信息问题 只要处理和传输的速度足够快 存储的容量足够大 一切信息问题都能解决 存在着这样的可能性 信息科学给与我们的终极信念本质 数字具有强大的信息表达能力结论 信息统一于数字 数字化信息世界一定能实现 14 能量媒介与数字媒介 电 人类找到的最佳能量媒介 有了电 多方便 各种能量形式 电 各种能量形式主要优点 转换最方便 传输最方便数字 人类找到的最佳信息媒介 一切皆数 各种信息形式 数字 各种信息形式主要优点 转换最方便 处理 存储 传输最方便 15 具有历史意义的现象 数字化大转移 数字化是将文本 数字 声音 照片 视频转化成数字设备可以处理的数据的过程 世纪之交的信息技术大转移 数字化大转移信息领域数字技术一统天下目前正是转移的高峰期 数字控制 数字录音 数据通讯 目前主干 即将用户 数字计算 数字电视 数字广播 数字相机 为什么便宜 数字摄像 数字城市 数字流域 数字地球 数字化生存 50年后 不是数字的信息产品很难见到 16 数字信息技术的总轮廓 第一步 现实域 数字域第二步 数字域三种简单的操作处理 计算 传输 存储第三步 数字域 现实域 Oneworld Onedream 17 何为硬件 硬件 对数字操作的机器系统不论多么复杂的硬件系统 基本原理极为简单硬件即 操作数字 数字硬件 对数字进行处理 传输 和存储的硬件转换硬件 将各种形式的信息转换为数字信息 或者将数字信息转换为各种形式的硬件 图像 声音 文字输入输出设备 目前重要的设备是显示器 18 何为软件 软件是 可运行的 思想和内容的数字化思想 算法 规律 办法 程序表达 Thinkingiscomputing 内容 图形 图像 数据 声音 文字等归结为 程序和数据 Programmingisunderstanding 软件的核心 算法 一个好的算法可以降低硬件要求 FFT MPEG 王选 汉字激光照排系统 19 数字域的三种操作 处理 CPU DSP ASIC FPGA Gate传输 总线 CPU内部 系统总线 I O总线 网络 机器内部网 LAN WAN INTERNET 无线网 网络无处不在 应用无所不能 存储 RAM ROM FLASH 硬盘 光盘 存储系统 RAID NAS SAN 硬件的核心技术 IC 集成电路技术 20 什么是计算机 操作数字的机器系统 计算机是一种在存储的指令集控制下 接受输入 处理数据 存储数据并产生输出的多用途设备 目标1 使操作数字的速度更快 原理要求 高性能计算 处理更快 传输更快 存储更多 存取更快 2 价格更低 性价比更高 应用要求 3 功耗低 移动计算的要求 4 可靠 可靠 更可靠 服务器的要求 由软硬件共同实现 21 所有的硬件都是相似的 软件则各有各的不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏 只有三个部分 处理 传输 存储 今后的各种信息工具和设备外部虽然千变万化 内部都是一样的 统一性 软件是思想和内容的数字化 各个领域都有自己的软件 所以是各不相同的但也有共性软件 计算机行业的人要干的事 系统软件 OS 数据库 普遍使用的应用软件 22 怎一个快字了得 硬件发展的6大规律 1 Moore定律 微处理器内晶体管数每十八个月翻一番 2 Bell定律 如果保持计算能力不变 微处理器的价格每十八个月减少一半 3 Gilder定律 未来25年里 主干网的带宽将每6个月增加一倍 通信发展的吉尔德速度是微电子发展的摩尔速度的2 3倍 4 Metcalfe定律 网络价值同网络用户数的平方成正比 5 半导体存储器发展规律 DRAM的密度每年增加60 每三年翻四倍 6 硬盘存储技术发展规律 硬盘的密度每年增加约一倍 23 软件的发展预测 目前阶段 网络化智能化 语音和图像识别 理解 多媒体化 高级阶段是虚拟现实 空间影像bethere 24 虚拟现实 25 空间影像 26 问题的回答 信息与数字的关系数字是表达信息的最佳媒介 几乎可以解决一切信息问题1 表达信息内容2 表达信息过程 思想是一种信息过程 3 统一的形式 单一的操作 简单 27 计算机为什么重要 有了电多方便 电的用处说不完 电脑呢 电脑不是万能的 没有电脑是万万不能的 娱乐工具价值沟通价值知识与教育 28 从数字地球到智慧地球 29 数字地球 一个新的地理信息时代来临了 李德仁在 数字地球 从二维到三维的技术 对地球进行多时态的观测与分析 基于图形和基于空天地一体化实景影像的可视化和可测量以及基于WebSeverice的空间信息共享与智能服务都已经实现 例如 研究人员通过照相机对敦煌莫高窟实地拍照后 将照片信息输入电脑 再经过特定的软件就能还原制作出敦煌莫高窟三维影像图 把不可再生也不可永生的文化遗产在电脑中 数字化保存 如果遇到灾害破坏 文物工作者就可以依据电脑中的数据 及时并准确恢复莫高窟的原貌 还有汶川地震灾区三维地理信息系统 云南干旱过程时空分析 数字泰州三维数字模型 影像城市等 这些成果不仅能够帮助决策层在最短的时间内做出正确的判断 也可以为老百姓的衣食住行提供实际帮助 30 物联网 物联网 是一种物际互联的智能信息网络 通过装置在各类物体上的智能传感器 如RFID 光纤传感器 微机械传感器 二维码等 经过接入系统与互联网相连 从而给物体赋予智能 实现人与物 物与物 物与人的沟通和对话 二 如果说 数字地球 实现了 秀才不出门 能知天下事 那么物联网的出现就实现了 秀才不出门 能做天下事 物联网的出现 实现了人与人 人与机器 机器与机器的互联互通 在物联网时代要完成从 4A 到 4R 的转变 既从 Anytime Anybody Anywhere Anything 转变为 Righttime Rightbody Rightplace Rightthing 31 智慧地球 三 智慧地球 就是 数字地球 加上物联网 它支持人与人 人与机器 机器与机器的参与和沟通 提供面向IP的新服务 在不久的未来 智慧地球 智能交通 远程医疗 户外流媒体 数字家庭 车载娱乐信息及远程信息服务都会实现 32 互联网是什么 互联网成为人人感知和认知不可或缺的装备 使得人的感知能力和认知能力挣脱了时间和距离的束缚 得到极大地延伸 互联网成为人与人之间沟通的不可或缺的装备 使得人与人之间 人与社会之间沟通质量和效率得到极大地提升 互联网正在向物联网渗透 CPS 33 互联网是什么 互联网是人类二十世纪最伟大的发明 它改变了人类的生活方式 工作方式和休闲方式 改变了社会的民主 教育 经济 商务 健康与娱乐机制 已经成为推动新的技术发明和社会变革的最强大的发动机 34 SNS 社区是什么 社区成为网上从事某种专项事物的人群 或者从事某种专项服务的领域 社区就是商业圈 企业圈 娱乐圈 学术圈 业务圈 朋友圈等等 社区规模可大可小 社区主题可粗可细 社区门槛有高有低 社区划分无穷无尽 35 SNS 社区是什么 社区的出现巧妙地解决了人工智能中无法解决的常识知识的界定和表达问题 信息时代 人人都在社区之中 人人都在有差异的多个社区之中 36 社会化网络 互联网应用服务SocialNetworkingServices SNS理论基础包括 SixDegreesOfSeparation RuleOf150 WeakTiesSNS专指旨在帮助人们建立社会化网络 人与人之间的关系网络 的互联网应用服务 人类社会因为信息化网络有组成复杂的相互连接的架构的倾向 SNS 现实社会的数字化映像 呈现 基于Internet的真实人际关系网络 旨在建立一个真实的网上社会 SNS核心价值在于更为快捷有效的社交行为 娱乐 工具属性 37 云计算 云计算的兴起使数据中心起着 数据电厂 和 数据银行 的服务作用 就像人们从电厂购买用电 将钱存入银行一样 用户也可以根据需要通过数据中心对数据进行统一购买和存储 买单买什么 买知识产权 许可证 买硬设备 买软件 买配置 买电 买电子垃圾 从为我所有到为我所用 买服务这种不需要额外代价就能获得信息资源使用上的柔性 按需获取 在IT历史上前所未有 从 数字地球 智慧地球 感知中国 到 物联网 这些都是计算机的应用两极分化 即Thedatacenteristhecomputer Thecellphoneisthecomputer 的体现 38 移动电话 PCs TVs PDAs 用云作为logo表示网络环境和网络资源 GPS 导航 汽车电子设备 智能家电 iPhone DCs 传感器 一个无处不网 无时不网 人人上网 时时在线的时代 网络环境下每18个月产生的数据量等于过去几千年的数据量之和 39 从图灵计算到网络计算的演化 Everythingisover IPV4V6 WEBweb1 0 WEBServicesweb2 0 web3 0 WWW1989 Mosaic1993 PacketSwitching1964 ARPANET1969 TCP IP1974 Internet1984 Hypertext1965 eCommerce1995 SemanticWeb1999 UtilityComputing2000 CloudComputing2007 图灵论文73年 1936年 计算机65年 1944年 软件工程41年 1968年 互联网25年 1984年 万维网20年 1989年 网络科学11年 1998年 维基百科8年 2001年 技术路线图 Wiki2001 40 30年前 电脑被送进千家万户 20年前 网络被送进千家万户 现在 服务被送进千家万户 41 ComputationalThinking Edsger Dijkstra 我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯 从而也将深刻的影响着我们的思维能力 Computationalthinkingwillbeafundamentalskillusedbyeveryoneintheworldbythemiddleofthe21stCentury 工具拓展人的能力 42 祝同学们在HUST学习愉快 请各位不要把有限的大学时间投入到无限的游戏中去 43 本学期学习内容的结构 信息技术大观 信息的数字化计算机系统 HW SW 文字 表格处理 Word Excel PPT 网络 数据库 Access 44 Source Baidu Google李德仁 李德毅 沈绪榜 谢长生等知名大家的报告在此一并感谢前辈们 45 附加之参考内容 46 从初始字符串到终态字符串 可认为是确定空间点到点的映射 无法解决不确定性问题通过时钟频率把模拟量近似为数值量 并决定了读写磁头动作的快慢 等粒度的细分决定了数字化程度 至于这样的近似是否可行 数值量如何返回模拟量 均不在图灵模型考虑之内图灵模型中没有考虑输入输出的形式化方法 输入输出 人机交互没有出现在计算过程中 图灵模型的局限性 47 尽管图灵命题主要说的是数学的弱点 在解决数学问题时图灵机不能够做什么 如停机的不可判定问题 但是计算机科学家们却逐渐开始将图灵机用来说明可计算能力的模型 进而作为一种解决所有计算问题的模型 把图灵机作用扩大化了 图灵自己也认为图灵机并不适于作为解决计算问题的通用模型 包括图灵和图灵奖获得者米尔纳等在内的学者尝试用交互机来扩展图灵机模型 形成超图灵计算 图灵模型作用的扩大化 48 凡是有集中控制的高性能计算机 集群计算机 虚拟机 网络系统 分布式系统等依然可看作图灵计算 40年的软件工程发展一直以图灵计算为中心 人们在寻找交互计算的超图灵计算模型 迅速发展的互联网改变了计算格局 互联网不存在集中统一的控制 不等同一台虚拟图灵机 图灵模型作用的扩大化 49 大众既是软件的使用者 也是软件的开发者 既是服务的消费者 也是服务的提供者 图灵没有考虑过这样的群体智能产生模式 维基百科的创始人吉米 威尔士 JimmyWales 想到了 新理念 JimmyWales bornin1966 50 大众参与的计算 Wikipedia 维基百科利用大众来集体创作百科条目 是通过社会评注形成群体智能的典型应用 在维基模式中 任何用户都可以对自己感兴趣的条目进行编辑 编辑是完全自由的 用户可参与到任意的条目中贡献任何的看法 尽管每个人在条目编辑中可能会出现错误 甚至恶意篡改 但是在大众参与的情况下 错误与恶意篡改的部分会被很快纠正过来 大多数条目都保持了相当高的水平 51 现实生活中人类对某个概念或事件的认知 经过一段时间的反复 交