基于新信息技术的程序设计教程 课件 第1章 信息技术的发展

第1章信息技术的发展1.1信息技术基础1.2计算机的发展1.3计算机中的数制和编码1.4信息安全

1.1信息技术基础

1.1.1信息技术的定义与核心要素信息技术(InformationTechnology，IT)是用于信息的获取、处理、传输、存储、显示、控制与应用的一系列技术、设备、系统和方法的总称。它以计算机技术、通信技术、微电子技术为核心支柱，融合软件、网络、数据、智能算法等多种技术，是现代社会最具基础性、先导性和战略性的技术体系，如图1-1所示。图1-1信息技术的核心支柱

信息技术由图1-2所示的五大核心要素构成，它们相互支撑，协同工作，共同构成完整的信息技术体系。图1-2信息技术的五大核心要素

1．信息与数据

信息是经过加工处理、具有使用价值的数据；数据是信息的载体，包括数字、文字、图形、图像、音频、视频、传感器信号等，是信息技术处理的基本对象。

2．硬件基础设施

硬件是信息技术运行的物理载体，包括计算机、服务器、终端设备、网络设备、传感器、芯片、存储设备等，决定了系统的处理能力、运行速度与稳定性。

3．软件系统

软件是信息技术的灵魂，包括操作系统、数据库、中间件、应用软件、算法程序、开发平台等，用于控制硬件、实现逻辑处理、完成业务功能。

4．通信网络

通信网络是信息传输与互联互通的通道，包括互联网、移动通信网、局域网、光纤通信网络、卫星通信网络等，实现跨地域、跨设备的数据共享与协同工作。

5．人力资源与应用能力

人才是信息技术发挥价值的关键。掌握信息技术原理，具备计算思维，能够进行系统开发、工程实践与创新应用的专业人才，是推动信息技术不断发展的核心动力。

1.1.2信息技术的主要特征与分类

信息技术是现代社会发展的核心驱动力，也是支撑数字经济与社会数字化转型的关键技术体系，具备多重鲜明且关联紧密的核心特征，如图1-3所示。它具有极强的渗透性，可深度融入生产、服务、管理、科研等领域，打破行业界限，赋能各领域创新。信息技术具有非消耗性，可供多主体共享复用，体现出突出的共享性。同时，信息技术的时效性显著，信息价值随时间变化，只有经高效获取、处理与传递，才能充分发挥其价值。信息技术的虚拟性能够将物理事物数字化，构建虚拟空间，实现模拟推演。此外，信息技术还具备良好的交互性、扩展性、成长性与集成性，可实现多方实时交互，持续迭代并与相关技术融合，以数字化能力为社会高质量发展提供全面支撑。图1-3信息技术的主要特征

信息技术是覆盖各领域的综合性技术。通过科学分类，人们可更清晰地认识其功能、应用与发展，为学习和实践提供指导。

1．按用途划分

信息技术按用途可分为通信技术、数据处理技术与软件开发技术。通信技术是信息传递的基础，从传统电话、电报发展到互联网、移动通信网，极大提升了信息交流效率；数据处理技术负责数据的收集、存储、分析与挖掘，将海量数据转化为决策依据；软件开发技术则通过编程语言、开发工具与工程方法，为各行业提供实用可靠的应用系统。

2．按技术类型划分

信息技术按技术类型可分为硬件技术、软件技术与网络技术。硬件技术以CPU、存储设备、终端设备为核心，支撑设备性能提升；软件技术涵盖各类应用与系统开发，伴随云计算、AI不断升级；网络技术实现设备互联与资源共享，同时也推动了网络安全技术的发展。

3．按发展阶段划分

信息技术经历了四次迭代，从电子管时代设备笨重且低效，到晶体管时代体积缩小，再到集成电路时代实现小型化、高效化，最终以大规模与超大规模集成电路时代的微处理器为核心推动个人电脑普及，使信息技术全面融入社会生活。

1.1.3信息技术在理工类领域的应用场景

信息技术已深度融入理工类各学科，成为科研创新、工程实践与实验教学的核心支撑，其应用场景覆盖从基础研究到工程落地的全流程。

在机械与智能制造领域，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)完成零件建模、仿真加工与装配验证，工业物联网、自动化生产线实现精准控制与无人化作业，大幅提升生产精度与效率。

在土木与建筑工程中，BIM技术实现建筑全生命周期三维可视化管理，可进行结构受力模拟、施工方案优化；地理信息系统(GIS)结合遥感技术，用于地质勘测、城市规划与灾害风险评估。

在电子与电气领域，EDA工具集完成芯片、电路板设计与电路仿真，智能电网通过大数据与远程监控实现电力调度、故障检测与能耗优化，保障供电稳定与安全。

在化工与材料科学领域，信息技术用于分子模拟、材料性能预测与反应过程仿真，减少实验损耗；大数据分析助力新材料研发，加速配方优化与性能迭代。

在物理、天文等基础科研领域，高性能计算机用于核物理模拟、天体运行推演，传感器网络与数据采集系统实现精密实验数据的自动获取与分析，支撑前沿理论验证与重大发现。

此外，各类数据处理软件、编程工具与虚拟仿真平台也广泛应用于理工类实验教学与科研数据分析，成为现代理工类研究与实践中不可或缺的工具。

1.2计算机的发展

1.2.1计算机的起源计算机的起源最早可追溯到我国古代的计算工具。我国春秋战国时期的算筹和公元1200年出现的算盘，以物理形式辅助运算，是人类最初的计算辅助工具。随着科技进步，17世纪诞生了帕斯卡加法器、莱布尼茨乘法器等机械计算机，能够自动完成四则运算，突破了传统手工计算的局限，为现代计算机发展奠定了基础。19世纪，巴贝奇提出了差分机与分析机的设计理念，率先提出了编程相关构想，推动了计算设备向可编程方向发展。

20世纪上半叶，图灵机模型与冯・诺依曼体系结构相继问世，构建起完整的理论框架，在逻辑原理与硬件架构上为现代通用电子计算机的诞生提供了关键理论支撑，人类由此完成了从传统计算工具到现代计算机的演变，如图1-4和图1-5所示。图1-4计算机的起源演变图1-5冯・诺依曼与IAS电子计算机(1952年)

1.2.2各发展阶段的核心技术与特点

依据核心器件的不同，计算机的发展可划分为以下四个主要阶段。

(1)电子管计算机时代(1946—1957年)：核心器件为真空电子管；其特点为体积庞大，功耗高，可靠性差，软件层面主要使用机器语言或汇编语言，编程烦琐；应用领域集中在军事科研和科学计算。电子管计算机如图1-6所示。图1-61946年世界第一台电子管计算机ENIAC

(2)晶体管计算机时代(1958—1964年)：核心器件为晶体管；与电子管相比，体积更小，重量更轻，寿命更长，发热更少，运算速度大幅提升，软件层面出现了高级编程语言(如FORTRAN、COBOL)和操作系统雏形；应用领域从单纯的科学计算扩展到数据处理和工业控制。晶体管计算机如图1-7所示。图1-7晶体管计算机

(3)集成电路计算机时代(1965—1970年)：核心器件为中小规模集成电路；核心技术及特点为将多个电子元件集成在硅片上，体积进一步缩小，功耗降低，可靠性极大提高，操作系统逐渐成熟，支持多道程序设计；应用领域走向标准化和系列化(如IBMSystem/360)，广泛应用于商业事务、数据管理等领域。集成电路计算机如图1-8所示。图1-8集成电路计算机

(4)大规模与超大规模集成电路计算机时代(1971年至今)：核心器件为大规模和超大规模集成电路；核心技术及特点为微处理器问世，CPU集成度极高，计算机性能呈指数级增长，整机趋向微型化，价格低廉，软件产业高度繁荣，图形用户界面、数据库、网络技术飞速发展；应用领域极大拓展，个人计算机广泛应用，互联网实现全球互联，人工智能、物联网等新兴技术不断涌现，渗透到社会生活的每一个角落。中国麒麟芯片如图1-9所示。图1-9中国麒麟芯片

1.2.3计算机技术的发展趋势

随着半导体、人工智能、量子物理等技术突破，计算机技术正朝着高性能、智能化、多元化、安全化、绿色化方向演进，深度融入社会各领域，具体趋势如下：

(1)智能化升级，AI与计算技术深度融合。智能化向自主感知、决策全流程推进，特定领域语言模型应用于多垂直领域，AI与量子计算融合突破算力瓶颈，AI原生开发平台赋能软件研发。

(2)算力跃升与硬件革新。先进芯片制程持续突破，异构计算成为主流，芯粒集成、存算一体等技术落地，量子计算从实验室走向产业试点，逐步实现实用化。

(3)应用泛化与端边云协同。形成“端-边-云”协同格局，边缘AI广泛应用于多场景，计算机技术深度嵌入各垂直领域，MR(MixedReality，混合现实)工作区推动工作方式变革，形成“计算即服务”新范式。

(4)安全与合规升级。机密计算保障数据隐私，AI安全平台实现全生命周期防护，后量子密码技术研发加快，筑牢数字系统安全防线。

(5)绿色低碳发展。硬件能效优化与软件算法升级双管齐下，绿色数据中心普及，推动计算机技术与绿色发展深度融合。此外，RISC-Ⅴ等开源架构崛起，打破了技术垄断。

未来，计算机技术将持续突破，从“工具”向“伙伴”转型。

1.3计算机中的数制和编码

1.3.1常用数制在计算机科学中，数制是数据表示的基石。简单来说，数制就是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。我们日常生活中最习惯的是十进制，但在计算机内部，为了适应电子器件的物理特性，采用的是二进制。为了方便人类阅读和书写冗长的二进制代码，八进制和十六进制也应运而生。

1．十进制(Decimal)

十进制由0～9共10个不同数字符号表示，基数为10(逢10进1)，是日常使用最广泛的数制，符合人类计数习惯。

2．二进制(Binary)

二进制(见图1-10)仅由0和1两个数字符号表示，基数为2(逢2进1)，是计算机内部的核心数制。其特点是适配计算机硬件结构，计算机的电子元件(如晶体管)仅能表示“通电”“断电”两种状态，对应二进制的0和1，运算规则简单(0+0=0，0+1=1，1+1=10)。通常在二进制数字后加后缀“B”，如1010B、1101.101B。图1-10二进制示意图

3．八进制(Octal)

八进制由0～7共8个数字符号表示，基数为8(逢8进1)。1位八进制数可对应3位二进制数，常用于简化二进制数的书写与阅读，减少出错概率。表示方法为在八进制数字后加后缀“O”(或“Q”)，如12O、75.3O，对应的二进制数分别为1010B、111101.011B。

4．十六进制(Hexadecimal)

十六进制由0～9、A～F(A=10，B=11，…，F=15)共16个符号表示，基数为16(逢16进1)。1位十六进制数可对应4位二进制数，是简化二进制表示最常用的数制，广泛应用于程序编写、硬件调试等场景。表示方法为在十六进制数后加后缀“H”，如1AH、3F.5H，对应的二进制数分别为11010B、111111.0101B。

1.3.2不同数制间的转换方法

1．十进制与二进制的转换

十进制转换为二进制，需将整数部分和小数部分分开转换，再合并结果。整数部分采用“除2取余，逆序排列”法，即不断用2去除十进制整数，直至商为0，将每次得到的余数从后向前排列，即二进制整数部分；小数部分采用“乘2取整，顺序排列”法，不断用2去乘十进制小数，直至小数部分为0(或达到所需精度)，将每次得到的整数部分从前向后排列，即二进制小数部分。

2．十进制与八进制的转换

十进制转换为八进制的方法与十进制转换为二进制的方法类似，整数部分采用“除8取余，逆序排列”，小数部分采用“乘8取整，顺序排列”，合并两部分结果即对应的八进制数。

3．十进制与十六进制的转换

十进制转换为十六进制时，整数部分采用“除16取余，逆序排列”，余数10～15分别用A～F表示；小数部分采用“乘16取整，顺序排列”，取出的整数10～15同样用A～F表示；整数部分和小数部分合并后即得十六进制数。

4．二进制与八进制、十六进制的快速转换

二进制与八进制转换，利用“1位八进制数对应3位二进制数”的规律。二进制转换为八进制时，将二进制数从右往左每3位分为一组(不足3位的在左边补0)，每组对应1位八进制数；八进制转换为二进制时，将每1位八进制数转换为对应的3位二进制数。拼接后即得二进制数。例如，二进制数101110转换为八进制数，从右往左每3位分组为101110，101对应5，110对应6，结果为56；八进制数56转换为二进制数，5对应101，6对应110，拼接后为101110B。

1.3.3计算机中的常用编码

计算机内部仅能识别和处理二进制数(0和1)，而人类日常使用的文字、符号、数字等信息，需通过特定的编码规则转换为二进制序列，才能被计算机识别和处理。这些编码的本质是二进制数与各类信息的对应规则。计算机中常用的编码主要包括ASCII码、GB2312/GBK/GB18030编码、Unicode编码(含UTF-8)等，如图1-11所示。不同编码适用于不同场景，其核心作用是实现信息的标准化转换与传输。图1-11计算机中的常用编码

1．ASCII码

ASCII码即美国信息交换标准代码，是最早的计算机字符编码，主要用于表示英文字符、数字、标点符号及控制字符。ASCII码采用7位二进制数表示，共可表示128个字符，其中包括数字0～9、26个大写英文字母、26个小写英文字母、常用标点符号(如!、@、#)及不可显示的控制字符(如换行、回车)。由于仅能表示英文相关字符，无法满足其他语言的编码需求，因此ASCII码逐渐被扩展编码和通用编码替代，但在英文场景中仍广泛使用。

2．GB2312/GBK/GB18030编码

这类编码是我国自主制定的汉字编码标准，主要用于解决汉字在计算机中的表示问题，属于双字节编码(部分字符为多字节)。GB2312是最早的汉字编码，收录了6763个常用汉字及少量符号，基本满足日常汉字使用需求；GBK在GB2312的基础上进行扩展，收录了21003个汉字，增加了生僻字、繁体字及部分少数民族文字；GB18030是目前我国通用的汉字编码标准，兼容GB2312和GBK，收录了更多汉字及少数民族文字，可满足各类中文场景的编码需求，是中文计算机系统的常用编码。

3．Unicode编码及UTF-8编码

Unicode编码又称统一码，是为解决全球不同语言编码不兼容问题而制定的通用编码标准，其目标是为世界上所有语言的字符、符号分配唯一的二进制编码，涵盖中文、英文、日文、韩文等所有常用语言字符。Unicode编码本身不规定二进制序列的存储方式，UTF-8是Unicode编码的一种常用实现方式，属于可变长编码，根据字符类型采用1～4字节表示不同字符，其中英文字符采用1字节(与ASCII码兼容)，汉字通常采用3字节表示。UTF-8编码兼容性强，占用空间合理，是目前互联网、软件开发、网页设计等场景中最常用的编码方式。

1.4信息安全

1.4.1信息安全的定义与核心需求信息安全(InformationSecurity，InfoSec)是指为数据处理系统建立和采用的技术与管理上的安全保护措施，旨在保护计算机硬件、软件及数据不因偶然或恶意的原因而遭到破坏、更改或泄露，确保系统连续、可靠、正常地运行。

信息安全的核心需求为CIA三要素，分别是保密性、完整性和可用性，如图1-12所示。图1-12CIA三要素

1．保密性(Confidentiality)

保密性指确保信息不被未授权的主体访问、泄露或窃取，只有经过授权的用户才能访问对应信息，防止信息被非法获取、传播或滥用，常见实现方式包括加密技术、访问控制、身份认证等。

2．完整性(Integrity)

完整性指确保信息在存储和传输过程中不被未授权地篡改、删除、伪造或破坏，使信息的内容、格式和状态保持与原始状态一致，可通过哈希校验、数字签名、校验码等技术手段实现完整性验证。

3．可用性(Availability)

可用性指确保授权用户在需要时能够正常访问和使用信息及信息系统，系统不会因故障、攻击或意外事件而无法提供服务，需通过冗余备份、容灾技术、抗拒绝服务攻击措施等保障系统的持续可用。

1.4.2常见的信息安全威胁与风险

理解信息安全的定义与CIA核心需求后，需重点关注破坏这些需求的安全隐患。信息安全威胁是对系统、网络或数据造成损害的潜在危险，风险则是威胁利用系统漏洞造成实际损失的可能性。当前，信息安全威胁呈现多样化、复杂化、智能化特点，可从攻击手段、威胁来源、技术与管理漏洞三个维度识别风险。

1．攻击手段

在常见攻击手段中，恶意软件的危害突出。勒索软件加密用户数据并索要赎金，易致业务瘫痪；病毒可自我复制并破坏文件；木马伪装成正规软件窃取信息、远程控制设备；挖矿程序占用硬件资源，造成设备负载过高。社会工程学(如网络钓鱼)利用人性弱点，伪造官方信息诱骗用户泄露隐私、下载病毒，AI换脸、语音合成等技术更增加了识别难度。此外，DDoS攻击挤占服务器资源致网络瘫痪，漏洞攻击、中间人攻击也严重威胁信息安全。

2．威胁来源

威胁来源分为外部、内部和供应链三类：外部威胁来自黑客和网络黑灰产组织，以牟利、破坏为目的；内部威胁源于工作人员的操作失误、安全意识