信息时代的高新技术导论_阮晓芳主编.pdf

，信息时代的高新技术导论XINXI SHIDAI DE GAOXIN JISHU DAOLUN主编阮晓芳中共廣指电视大学出版社第1章信息篇本章导读生产技术是国民生产力的体现，信息时代的生产技术主要是信息技术在各个领城中的应用。本章首先介绍了计算机的概念、起源和发展，以及超级计算机的应用：其次介绍了信息技术在物联网、智慧城市、卫星导航系统、大数据和云计算、3D打印机等领域的发展和应用。进入21世纪后，随着互联网技术及移动网络技术的发展，以电子技术和信息技术为核心的第五次新科技革命逐渐形成。这次新科技革命主要围绕信息技术、生物工程技术、新材料技术、能源技术、海洋技术、空间技术六大领域展开。信息时代的高新技术离不开信息技术的支持，信息技术的发展离不开计算机，现在各个国家都争相研制超级计算机以彰显国力。信息技术的发展同时推动着其他行业的飞速发展，在互联网的基础上推出了物联网，不久的将来，世界上任何一种物品都可以实现物与物、物与人的信息交互。在互联网、物联网的支持下，城市家园的建设和管理也将实现智能化，当前全球各大城市都在致力于智慧城市的创建。卫星导航系统是地球的眼睛，让我们能监控到世界各个角落。大数据和云计算的出现，使人类的一切畅想都成为可能，3D打印机的发明将使人类从繁重的劳动中解脱出来。所有这些新技术的创建都为我们能更好地建设地球家园提供了强有力的帮助。1.1信息时代的基石一计算机伴随计算机的出现和普及，信息成为影响整个社会发展的主要因素，信息量、信息传播的速度、信息处理的速度、信息应用的程度等都以迅雷不及掩耳之势成倍增长。电子计算机是一种高级计算工具，它由是人类设计，体现人类所思所想，能够不带感情地对任何数据、事物进行复杂运算和精密推算。1942年，第一台电子计算机一“ABC”计算机的出现，标志着现代电子计算机时代的到来。但在“ABC”计算机问世之前，成千上万的学者为之付出了不懈的努力。算盘是中国人民发明的一种简单的计算工具，它是中国人民智慧的结晶，最初由算筹发展而来，它有一套完整的计算口诀，能方便、快速地进行计数。“珠算”一词最早出现在第1章信息篇3进制数用二进制数代替，这一天才理论成为后来软件发展的源泉。她还指出，分析机可能像织布机一样进行有条不紊的工作，并发现了编程的本质。她为计算机设计了一些指令，并预言将来的某一天使用计算机可以进行音乐演奏。1888年，美国人赫尔曼霍勒斯发明用穿孔卡片进行数据处理的制表机，并用电气控制技术取代了纯机械装置，第一次实现了设备自动计数，计算机的发展产生了质的飞跃。以穿孔卡片记录数据，体现了现代软件的思想萌芽。制表公司的创建，使计算机正式成为一个产业进入人类社会d万花筒牢骚引出的发明穿孔制表机是美国人口普查催生的计算器。1880年以前，美国的人口普查都是人工完成的。大量的人口资料堆积如山，使统计工作者望而生畏，以致1880年的人口调查统计任务一直拖到1887年也没有结果。普查完成之后，美国人意识到按照当时的人口增长速度，下一次(1890年)的普查工作10年也不可能完成统计，而美国的法律规定必须在10年内完成。赫尔曼霍勒斯设计的这种在纸板上打孔的技术，解决了统计局的难题。在1900年美国人口普查中，由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月的时间。霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR(计算制表记录)公司，这就是著名的IBM公司的前身。1924年，托马斯沃森一世把CTR更名为IBM。1904年弗莱明发明了二极管，标志着人类进入电子文明时代。1906年，美国人德弗雷斯特发明了电子三极管，三极管是电流放大器，它本身并不会放大电流，但是可以控制电流的放大。我们可以把电流形象地比喻为水流，假设有一粗一细的两根水管相连，水管中都装有闸门，细水管的闸门很容易打开，粗水管的闸门靠细管的水流力量开启，闸门开启的大小由细管的水流来控制，三极管就类似于这水管，可以实现“以小控制大、以弱控制强”的功能，三极管的发明促成了无线电通信技术的迅速发展。进入第二次世界大战后，英国科学家着手研究用于破解德军密码的计算机，1943年成功研制出英国第一台Colossus(巨人)计算机，这台计算机并不是真正意义上的电子计算机，算不上真正的数字电子计算机，但在继电器计算机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。整个第二次世界大战期间，英国一共启用过11台“巨人”机，但战后为保密都被丘吉尔首相下令销毁了。2014年9月，英国国家电脑博物馆举办了一次“二战”老兵聚会，以纪念他们在“二战”期间操作“巨人”计算机截获、破译德军密码。4信息时代的高新技术导论万花筒纳粹密电的克星第二次世界大战期间，“巨人”计算机问世前，盟军破译一条密电至少需要6个星期的时间，致使情报价值大打折扣。而纳粹德国当时已经启用较为先进的洛伦茨编码机，用以传递重要情报。为此，电子工程师汤米弗劳尔斯、数学家马克斯纽曼和一个专家小组经过11个月的努力，研制出每秒读取能力达到5000个字符的“巨人”计算机，使盟军最终在与纳粹德国的情报战中取胜。1944年至1945年，“巨人”破译纳粹德国高级别密电总计630万字，相当于5000部小说的字数总和。“巨人”之所以具有如此惊人的破译速度和准确度，是因为它是弗劳尔斯纯熟技术与纽曼科学原理的结晶，它所用元件均为手工精细制作的。在英国研发计算机的同时，美国科学家也在紧锣密鼓地进行研制工作。1944年，美国科学家艾肯在IBM的支持下，成功研制出机电式计算机MARK-I。这是世界上最早的通用型自动机电式计算机，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。艾肯研制MARK-I的灵感来自于一个世纪以前巴贝奇留下的思想精华。MARK-I的外壳用钢和玻璃制成，长15米，高2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800千米电线，每分钟能够进行200次运算。1946年后进入电子计算机时代，构成计算机的电子器件是划分计算机发展的阶段性标志。电子计算机经历了四个阶段，分别是电子管计算机、晶体管计算机、集成电路与大规模集成电路计算机、超大规模集成电路计算机。第一代电子管计算机(1946一1958)：运算次数仅为每秒几千到几万次，体积大、耗电、价格昂贵、运算速度和可靠性低，仅用于军事和科学研究工作中。第二次世界大战后，随着火炮的发展，弹道计算日益复杂，原有的一些计算机已不能满足使用要求，迫切需要一种新的、快速的计算工具。在美国军械部的支持下，1946年2月15日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC)宣告研制成功，如图15所示。它的成功，是计算机发展史上的一座里程碑。承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成。“埃尼阿克”共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其他器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。它每秒钟能做5000次加法，或者400次乘法。实际上“埃尼阿克”还不完善，它没有存储器，只有用电子管做的寄存器，仅仅能寄存10个数码。当需要换算别的题目时，得重新焊接连线，很费时间。1951年，埃克特和莫克利成功研制了UNVAC-1(UNIVersal Automatic Computer I),这是第一个进行批量生产的计算机，自此电脑