人工智能通识：零基础学AI 课件 Chapter1-第1章 信息与计算机基础

人工智能通识——零基础学AI第1章信息与计算机基础第1章

信息与计算机基础人工智能并不是“空中楼阁”，而是建立在过去几十年信息化基础之上，需要底层的信息化基础设施（网络设施、算力设施、空间设施、电力设施等）、计算机、大数据等为其提供支撑01信息与计算机概述目录02计算机系统03计算机网络04计算机系统安全05

国家信息安全06信息化基础设施01信息与计算机概述Partone1.1信息与计算机概述信息概述信息技术的发展计算机技术的发展计算机的分类四次信息化浪潮信息的定义1.1.1信息概述信息是人类一切生存活动和自然存在所传达的信号和消息，是人类社会所创造的全部知识的总和。通过一定渠道和媒介传递的、具有特定内容或意义的数据或消息能够减少接收者对于某一事物或现象的不确定性具有被传递、共享和利用的价值信息具有以下几个特征：不灭性可存储性可处理性可重用性减少不确定性价值性信息技术1.1.1信息概述信息技术作为人类智慧与科技进步的结晶，是全面探索、开发、利用与管理信息的综合性技术体系。信息技术的核心在于信息的全生命周期管理，涵盖了从信息的初始产生到最终利用的每一个环节，具体如下：信息技术01信息的产生是信息技术的起点07信息的利用则是信息技术最终的价值体现02信息的收集需要确保信息的全面性和准确性06信息的处理旨在从海量数据中提取有价值的信息和知识03信息的表示将抽象的信息转化为可感知、可理解的形式05信息的传递实现了信息的即时、远距离传输04信息的存储实现了信息的长期保存与高效检索信息产业1.1.1信息概述信息产业作为现代社会经济活动中不可或缺的重要组成部分，是一个涵盖了信息技术研发、设备制造、产品生产以及广泛信息服务的综合性产业体系它贯穿于信息的全生命周期，从最初的信息采集、精细加工、严格检测到高效存储、即时传递、智能处理，再到资源的合理分配与多样化应用，构建了一个复杂而庞大的产业群信息产业可以细分为两大核心领域：信息技术研究及设备制造业、信息服务业。信息产业1.1.1信息概述在信息技术研究及设备制造业中，涵盖了多个关键技术分支及其对应的制造业：微电子技术及器件制造业计算机技术及软硬件制造业通讯与网络技术及设备制造业多媒体技术及设备制造业信息产业1.1.1信息概述信息服务业，则是利用信息技术和信息资源，为用户提供多样化、专业化的服务，主要包括：科技情报服务图书档案服务计算机信息处理软件生产通讯网络系统数据库开发应用电子出版物办公自动化网络信息与咨询服务信息社会1.1.1信息概述信息社会，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。这一概念最早在上世纪60年代初被提出，并随着信息技术的飞速发展而逐渐成为现实。以数字化和网络化为基本社会交往方式以信息服务性产业为基本社会产业以信息资源为基本发展资源以电子信息技术为基础信息社会信息社会1.1.1信息概述信息社会的主要特征包括：信息成为核心资源信息技术广泛应用信息产业高度发展数字化和网络化成为基本交往方式知识成为基本要求科技与人文紧密结合社会可持续发展1.1.2信息技术的发展信息技术发展的主要阶段：语言的使用电磁波传播技术的发展文字的出现印刷术的发明计算机和互联网的使用1.1.3计算机技术的发展自从1946年人类诞生第一台计算机ENIAC以来，计算机技术不断发展并走向成熟。计算机的发展历史可以清晰地划分为四个主要阶段：第一代计算机（1946-1958年）：电子管时代第一代计算机采用了电子管作为主要电子元件来构建计算单元和控制系统。电子管是一种能够控制电流流动的真空管（如图所示），其体积庞大、功耗高且易损坏，需要复杂的散热系统来支持其运行核心特征尽管存在诸多限制，但第一代计算机的出现标志着人类正式进入了计算机时代影响与局限1.1.3计算机技术的发展第二代计算机（1958-1964年）：晶体管时代随着半导体技术的发展，晶体管逐渐取代了电子管成为计算机的主要元件。晶体管是一种固体电子元件（如图所示）。具有体积小、功耗低、可靠性高和寿命长等优点。核心特征晶体管的应用极大地促进了计算机的小型化和性能的提升。影响与进步1.1.3计算机技术的发展第三代计算机（1964-1970年）：集成电路时代集成电路（IC：IntegratedCircuit）的出现标志着计算机技术的又一次重大飞跃。集成电路是将多个晶体管、电阻、电容等元件集成在一块小芯片上的技术（如图所示），极大地提高了电路的集成度和可靠性核心特征第三代计算机采用了中、小规模集成电路作为主要元件，进一步减小了计算机的体积和功耗，提高了计算速度和存储容量发展与应用1.1.3计算机技术的发展第四代计算机（1971年至今）：大规模集成电路时代随着超大规模集成电路（VLSI：VeryLargeScaleIntegration）技术的发展，计算机进入了大规模集成电路时代。VLSI技术使得数百万甚至数亿个晶体管能够集成在一块芯片上（如图所示），极大地提高了计算机的集成度和性能核心特征第四代计算机不仅在性能上实现了质的飞跃，还在体积、功耗、可靠性等方面达到了前所未有的水平现状与未来1.1.4计算机的分类计算机可以分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、工作站、微型计算机和服务器。超级计算机超级计算机，又称巨型机或超级电脑，是所有计算机中性能最高、功能最强、速度极快、存储量巨大、结构复杂、价格昂贵的一类计算机。大型计算机1.1.4计算机的分类大型计算机，又称大型机，是计算机中通用性能较强的一类，功能、速度、存储量仅次于巨型机，具有比较完善的指令系统和丰富的外部设备，很强的管理和处理数据的能力，主要用于大型企业、金融系统、高校、科研院所等，作为服务器或计算中心使用。小型计算机1.1.4计算机的分类小型计算机，又称小型机，是计算机中性能较好、价格便宜、应用领域广泛的一类计算机。主要用于科学计算、数据处理、自动控制等领域，备受中小企业欢迎。工作站1.1.4计算机的分类工作站是一种介于PC（个人计算机）和小型机之间的高档微型机系统，通常配有大容量的主存、高分辨大屏幕显示器、较高的运算速度和较强的网络通信能力，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力，且兼有微型机的操作便利和良好的人机界面，主要用于图像处理和计算机辅助设计（CAD/CAM）等领域。微型计算机1.1.4计算机的分类微型计算机，又称微型机或者个人计算机（PC:PersonalComputer），是应用领域最广泛、发展最快的一类计算机。它采用微处理器作为核心部件，体积小、价格便宜、灵活、性能好，广泛应用于办公自动化、信息检索、家庭教育和娱乐等多个领域。笔记本电脑、台式机、平板电脑、智能手表等都属于微型计算机的范畴。服务器1.1.4计算机的分类服务器是可以被网络用户共享、为网络用户提供服务的一类高性能计算机，一般都配置多个CPU，有较高的运行速度，并具有超大容量的存储设备和丰富的外部接口，主要用于网络服务和数据存储等领域。网站服务器、数据库服务器、文件服务器等都是服务器的常见应用形式。1.1.5四次信息化浪潮“IT领域每隔十五年就会迎来一次重大变革。”——IBM前首席执行官郭士纳信息化浪潮发生时间标志解决问题代表企业第一次浪潮1980年前后个人计算机信息处理Intel、AMD、IBM、苹果、微软、联想、戴尔、惠普等第二次浪潮1995年前后互联网信息传输雅虎、谷歌、阿里巴巴、百度、腾讯等第三次浪潮2010年前后物联网、云计算和大数据信息爆炸涌现出了亚马逊、字节跳动等一批新的市场标杆企业第四次浪潮2025年前后人工智能智能化OpenAI、DeepSeek、月之暗面、宇树科技等02计算机系统Parttwo1.2计算机系统硬件系统软件系统1.2.1

硬件系统主机主机包括中央处理器和内存储器（主存）。中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)是由大规模集成电路实现的，并集成在小硅片上。CPU是计算机系统的核心部件，负责执行指令和处理数据。它由运算器和控制器组成，能够执行算术逻辑运算、控制程序指令的执行顺序，并管理计算机系统中的各种资源。1.2.1

硬件系统主机计算机的内存储器（简称“内存”，也称为“主存”）是计算机的核心组成部分（如图所示），用于临时存储正在运行的程序和数据。它主要包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。RAM允许数据的读写操作，但数据在断电后会丢失；ROM则只能读取数据，不能写入，常用于存储系统引导程序等重要信息。内存储器的工作速度快，对于计算机的性能有重要影响。1.2.1

硬件系统主机图形处理器（GraphicsProcessingUnit，GPU），也可以看成是主机的一部分，通常做成显卡插到计算机主板上（如图所示）。GPU是一种专门设计用于高效并行处理大量数据的处理器，特别适用于渲染图像和执行复杂的计算任务。GPU的核心设计理念在于其高度并行架构，拥有大量的运算单元（流处理器），这些运算单元可以同时处理多个数据，因此特别适合数据密集型任务。这种并行处理能力使得GPU在图形渲染、视频编辑、深度学习（人工智能的一种技术）等领域表现出色。1.2.1

硬件系统外部设备外部设备包括输入设备、输出设备和外存储器（辅助存储器）。（1）输入设备

输入设备将数据和程序转化为电信号输入到计算机中，人们通过输入设备操作和控制计算机。典型的输入设备包括键盘、鼠标、麦克风、手写输入设备等。1.2.1

硬件系统外部设备（2）输出设备输出设备将计算机中的运算结果以人们能够识别的形式打印或显示出来。典型的输出设备包括显示器、打印机、绘图仪等。1.2.1

硬件系统外部设备（3）外存储器外存储器不直接与CPU打交道，要使用外存中的数据必须先将其调入内存，再由CPU进行处理，其上的数据在断电后仍然存在。外存储器主要包括硬盘、光盘、U盘、磁带等。1.2.2软件系统系统软件系统软件包括操作系统、实用程序、程序设计语言与语言处理程序、数据库管理系统等。（1）操作系统操作系统（OperatingSystem,OS）是计算机系统中负责管理硬件和软件资源、控制程序运行、提供用户界面的系统软件。它作为计算机硬件与上层应用程序之间的桥梁，使得计算机资源得到有效管理和利用。操作系统种类繁多，各有特色，适用于不同的计算场景和需求，主要分为几大类：Windows系列云操作系统Unix/Linux系列移动操作系统macOS1.2.2软件系统系统软件（1）操作系统国产操作系统市场上有多种产品国产操作系统鸿蒙操作系统01中科方德桌面操作系统06统信UOS03麒麟操作系统（Kylin）02银河麒麟（KylinOS04deepin051.2.2软件系统系统软件（2）实用程序实用程序，也被称为支撑程序，是系统软件中的一个重要组成部分。它主要是为应用程序的开发、调试、执行和维护提供一组解决共性问题或执行公共操作的程序。实用程序可以根据其功能进行分类，主要包括以下几种类型：文件管理支持程序执行状态修改通信1.2.2软件系统系统软件（3）程序设计语言与语言处理程序程序设计语言与语言处理程序是系统软件中的重要组成部分，它们共同支持着软件开发的全过程重要组成部分程序设计语言是人与计算机之间进行信息交流的工具，它允许人们以特定的方式编写指令，这些指令可以被计算机理解并执行进行信息交流的工具根据语言的特点和用途，程序设计语言可以分为多种类型，如编译型语言（如C、C++、Java等）和解释型语言（如Python、JavaScript等）根据语言的特点和用途分类语言处理程序是指将程序设计语言编写的源程序转换成机器语言（或其他可执行形式）的程序，以便计算机能够运行。根据处理方式的不同，语言处理程序可以分为编译程序、解释程序和汇编程序三大类根据处理方式的不同分类1.2.2软件系统系统软件（4）数据库管理系统数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性内涵用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数据库的维护工作。DBMS可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立、修改和询问数据库应用1.2.2软件系统应用软件办公软件图像处理软件视频剪辑软件多媒体播放软件游戏软件浏览器软件社交软件教育软件财务软件安全软件其他软件03计算机网络Partthree1.3计算机网络计算机网络概述移动互联网1.3.1计算机网络概述内涵计算机网络是现代信息技术的重要组成部分，它是指将多台地理位置不同、功能独立的计算机系统，通过通信设备和通信线路相互连接，以实现资源共享和信息交换的系统这个网络体系不仅能够实现数据的传输和共享，还能够支持各种网络服务和应用，如电子邮件、网页浏览、文件传输、远程登录等计算机网络的构成主要包括硬件和软件两大部分。硬件部分包括计算机、路由器、交换机、网卡、传输介质等，它们构成了网络的基础设施。软件部分则包括网络操作系统、网络通信协议、网络应用软件等，它们为网络中的用户提供各种服务和支持应用组成部分1.3.1计算机网络概述根据不同的划分标准，计算机网络可以分为多种类型：01可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和互联网（Internet）按覆盖范围分03可分为广播式网络和点对点网络按传输技术分02包括总线型、星型、环型、网状型等按拓扑结构分1.3.2移动互联网移动互联网是在互联网的基础上发展起来的，它利用无线网络技术（如3G、4G、5G等）使移动设备（如手机、平板电脑）能够随时随地访问互联网。移动互联网是移动通信与互联网的结合，将互联网技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术相结合并实践。移动互联网特点具体如下：移动互联网特点社交化多媒体性便携性定制化1.3.2移动互联网移动互联网的应用领域极为广泛，它深刻地改变了人们的生活方式和工作模式。以下是移动互联网的几个主要应用领域：移动互联网应用01通讯与信息获取①即时通讯②信息获取07政务与公共服务①移动政务②公共服务02娱乐与休闲①在线视频②移动游戏③音乐与音频06医疗健康①在线医疗②健康管理03电子商务①在线购物②外卖与本地生活服务③结合社交和电商05教育与学习①在线教育②学习工具04金融服务①移动支付②互联网金融04计算机系统安全Partfour1.4计算机系统安全计算机系统面临的安全威胁安全防护技术1.4.1计算机系统面临的安全威胁计算机系统面临的安全威胁主要包括：黑客攻击非法访问计算机病毒01内部威胁020304物理威胁051.4.2安全防护技术计算机系统的安全防护技术主要包括：反病毒技术入侵检测技术安全认证技术防火墙技术数字加密技术05国家信息安全Partfive1.5国家信息安全信息安全主要领域保障国家信息安全举措我国实施“信创”战略1.5.1信息安全的主要领域信息安全的主要领域包括：02010403网络安全数据安全关键信息基础设施保护个人信息保护1.5.2保障国家信息安全的举措我国在保障国家信息安全方面所采取的举措主要包括：①制定和完善信息安全法律法规②不断完善与信息安全相关的政策文件③加强信息安全监管政策法规层面①推进信息安全技术自主可控②加强信息安全技术研发和应用③推广使用先进的信息安全技术和产品，提升信息安全防护能力④构建信息安全防护体系技术层面①加强信息安全组织建设②完善信息安全管理制度③加强应急管理和处置能力管理层面1.5.2保障国家信息安全的举措我国近些年为保障国家信息安全采取的具体措施：我国大力推动IPv6的部署和应用，在国内部署了大量的根服务器镜像节点，这些节点可以在主根服务器受到攻击或被切断的情况下，继续为国内用户提供域名解析服务，确保我国的互联网安全稳定运行和可靠使用网络安全方面自2024年起，中央国家机关政府采购中心发布了更新后的台式计算机、便携式计算机批量集中采购配置标准，明确要求优先选用国产CPU和操作系统CPU和操作系统方面国家出台了一系列政策措施，明确提出了电子政务系统国产化替代的目标和要求政府信息化系统方面1.5.3我国实施“信创”战略什么是信创信创的全称是“信息技术应用创新”，是指基于国产芯片、操作系统、数据库等核心技术，通过自主创新、自主研发，实现信息技术领域的自主可控。它是数据安全、网络安全的基础，也是“新基建”的重要组成部分。信创产业涵盖了从底层硬件到上层应用软件的全方位创新，旨在打破国外技术垄断，构建安全可信的信息技术体系。1.5.3我国实施“信创”战略信创不仅仅是技术创新，更是对国家信息安全和经济发展的全面布局，其内涵包括：基础软件信息安全底层硬件如CPU芯片、服务器、存储、交换机、路由器等如数据库、操作系统、中间件等应用软件如OA、ERP、办公软件、政务应用、流版签软件等包括边界安全产品、终端安全产品等1.5.3我国实施“信创”战略为什么需要信创信创战略的实施具有以下几个重要意义：信创战略的核心就是四个字——自主可控保障国家信息安全推动信息技术产业发展促进经济数字化转型0201031.5.3我国实施“信创”战略信创的发展战略国家制定了“2+8+N”的信创三步走战略：“2”就是首先实现党委、政府机关范围内的国产替代，同时顺带打磨产品、培育骨干企业“8”指的是金融、电信、电力、石油、交通、航空航天、教育、医疗8大关键行业，在产品相对好用、生态比较成熟后，信创将由党政系统扩大到8大关键行业“N”就是其他行业，最终将信创产品扩展到全行业1.5.3我国实施“信创”战略信创产业信创产业不仅涉及基础硬件、基础软件、云服务、应用软件等多个方面，还包括信息安全等供给端的需求，以及党政军、金融、央企等需求端的落地痛点。关键技术、工艺、设备和应用的自主可控，已成为决定国家数字经济发展持续稳定上行的重要保障，也是维护国家安全的核心。内涵信创产业在国家信息安全中的具体作用和重要性主要体现在：促进信息技术和网络安全的发展，保护个人和企业数据免受泄露威胁，推动国产操作系统等关键技术的发展，以及通过自主可控的技术和产品保障国家数字经济的持续稳定发展和国家安全。具体作用和重要性1.5.3我国实施“信创”战略信创产业信创产业的发展历程可以分为四个阶段：此时，我国信息产业面临“缺芯少魂”的困境，一批信创企业如Xteam、蓝点、中科红旗等陆续成立，产业进入萌芽期萌芽期（1999-2005年）随着中央网络安全与信息化领导小组的成立和《“十三五”国家信息化规划》的出台，信创试点工作进入实质性阶段试点实践期（2014-2017年）2006年，“核高基”政策推出，明确把“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”作为国家重大科技攻关方向，标志着信创产业的正式起步起步期（2006-2013年）中兴、华为等企业被美国制裁后，我国加速推进自主研发应用试点并扩大范围，信创产业进入规模化推广阶段规模化推广期（2018年至今）1.5.3我国实施“信创”战略当前，我国的信创产业正处于快速发展阶段，下面是我国信创产业全景图。1.5.3我国实施“信创”战略信创战略初显成效2024年7月19日，一场突如其来的“数字海啸”席卷全球。微软Windows系统遭遇大面积“蓝屏”故障，引发全球范围内的连锁反应。在全球混乱之际，我国的公共基础服务却未受影响。航班正常起降，高铁准点运行，银行业务如常进行。这一切都归功于我国多年来在科技自主创新方面的持续投入和战略布局。06信息化基础设施Partsix1.6信息化基础设施网络设施算力设施空间设施电力设施新基建1.6.1网络设施我国移动通信网络发展水平全球领先。我国4G网络已经实现了全面覆盖城乡的目标，截至2024年年底，我国4G基站数量已达711万个，占据全世界的60%以上，4G网络规模全球第一。5G网络作为新一代移动通信技术，具有以下特点：高速率低时延大连接......对于推动数字经济和各行各业数字化转型具有重要意义。我国高度重视5G网络建设，近年来取得了显著进展。我国的华为公司，是全球领先的5G设备供应商，也为我国自己的5G网络建设提供了强有力的支撑。据工信部最新数据（截至2024年12月底）：425万个我国已累计建成5G基站数量+60%我国已建成5G基站数量全球占比+60%我国用户普及率1.6.2算力设施截至2024年9月底，数据中心规模已达到880万标准机架，全国一体化大数据中心体系加快构建，8个国家算力枢纽节点启动建设，算力总规模近五年年均增