作者：商书元
出版社：中国铁道出版社有限公司
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信息技术导论试读：
前言
FOREWORD大学计算机基础课程的教学改革经历了3次大的调整，20世纪90年代到2006年经历了文化基础、技术基础和应用基础3个层次的转变；2006—2015年形成了“1+X”的课程方案和“4个领域×3个层次”的知识体系；2015年开始，强调“宽专融”课程体系，鼓励开设通识型课程、技术性课程与交叉型课程，以计算思维为切入点进行大学计算机基础课程教学内容的提升。这3次调整说明了计算机教学始终走在改革的路上，也使我们不得不总是面对新的挑战。尤其是大数据时代的到来，不但云计算、物联网、数据挖掘等新技术风起云涌，而且出现了MOOC、SPOC、翻转课堂、线上线下教学融合等新的教学模式。所有这些，迫使我们必须以全新的眼光来对待计算机基础课程的教学。
正是在这样的背景下，我们编写了这部《信息技术导论》教材。本书是编者多年一线教学中大量经验的结晶，内容覆盖了信息技术的方方面面，从信息概念、计算机基础等最基本的内容到大数据、信息安全等目前的热点领域，内容比较全面，符合教育部大学计算机课程教学指导委员会的要求，很多内容在同类教材中比较鲜见。在编写过程中，力争内容新颖、概念明确、叙述详尽、案例丰富。每章都有小结和习题，供学生自我学习和检测，便于学生巩固和拓展书中所学知识。教材配有大量多媒体教学资源（http://eol.bift.edu.cn）。
由于目前各高等学校普遍存在计算机教学课时压缩、学生基础参差不齐、重操作轻理论、学生兴趣点不一、开展计算思维教育有难度等问题，实际教学中的内容选择和实验编排需要量体裁衣，各个学校可以根据自己的实际情况和教学课时进行选讲。本书建议采用62课时，若课时不足，可以采用翻转课堂的教学模式，线上学生按照案例进行操作学习，线下老师以理论和答疑为主，教材内容和案例的选择根据实际需求进行取舍。
多年的教学经验告诉我们，计算机基础教学要以培养学生的计算思维能力为主，一味地强调具体软件（如Microsoft Office）操作，将使教学变成无本之木，无水之源。软件的更新、升级换代很快，应该让学生知道什么软件能完成什么计算任务，带着任务去找软件。现在的软件界面设计友好，交互功能强，学生完全可以自行完成操作。而什么是计算机能够解决的，什么单靠计算机是无法解决的，以及对算法的初步了解是需要重点讲解的，这正是计算机教学需要回归计算思维能力培养的原因所在。
本书共分9章，主要内容包括：计算机与信息社会、数制与信息编码、计算机系统组成、程序设计与算法、办公自动化——Microsoft Office、多媒体应用基础、网络应用基础、大数据及其处理技术、信息安全。
本书由商书元任主编，耿增民、刘正东、杜剑侠、姜延任副主编。各章编写分工：张巨俭、刘正东编写第1章，杜剑侠编写第2章，杜剑侠、王颖、邵熙雯编写第3章，刘正东编写第4章，杜剑侠、姜延编写第5章（邵熙雯、王颖、马凯进行了软件图片升级和更新），姜延编写第6章（陈春丽编写了部分等例），耿增民编写第7、8章，商书元、耿增民编写第9章。全书由商书元策划、统稿、定稿，研究生徐凌、陈迪参加了部分章节的编校工作，教研室其他教师提出了许多宝贵建议，并参与了修改工作，在此一并表示感谢。
计算机技术发展日新月异，由于我们的水平所限，加之时间仓促，书中疏漏与不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正，联系邮箱：jsj@bift.edu.cn。编者2016年6月第1章计算机与信息社会
数字化、网络化与信息化是21世纪的时代特征；一个国家、一个民族如果没有信息化就没有现代化，没有现代化就没有创新能力，没有创新能力的国家在全球化的竞争中就会出局；信息是资本、财富和竞争优势；信息对于一个国家、一个民族乃至个人都是十分重要的。计算机作为处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。信息技术的发展与计算机的广泛应用是分不开的。计算机的广泛应用推动了社会发展与进步，对人类社会的生产和生活产生了极其深刻的影响。可以说，计算机文化已融化到了社会的各个领域之中，成为了人类文化中不可缺少的一部分。在进入信息时代的今天，学习计算机知识、掌握计算机的应用已成为人们的迫切需求。1.1信息与信息社会
早在2700多年前，我们的祖先发明了传递信息的方式——烽火、驿差。烽火俗称“狼烟”，是用干狼粪作为燃料来焚烧的一种工具，主要用来传送军情；驿差，传送的消息（公文、文件）绝对十分准确。到了近代，科学更是发达。19世纪30年代，莫尔斯发明了电报。后来，贝尔又发明了电话，这使信息传递得更快了。人类进入20世纪50年代，计算机出现并逐步普及，信息对全社会的影响变得越来越重要。信息时代已经来临，知识经济已经运转。那么，什么是信息，何谓信息技术，如何把握信息化大趋势，信息社会又会是什么样子呢？1.1.1 信息
20世纪70年代，未来学家托夫勒在《第三次浪潮》一书中预言，人类在经历了农业社会、工业社会之后，将进入信息社会。他同时指出，农业社会的经济形态是自给自足的农业经济，工业社会的经济形态是工业化大生产的工业经济，而信息社会的经济形态将是服务经济、体验经济。信息技术的发展与应用程度，已经证明了托夫勒预言的正确性。计算机技术的发展把人类推进到信息社会，同时也将人类社会淹没在信息的海洋中。
什么是信息（Information）？信息就是对各种事物的存在方式、运动状态和相互联系特征的一种表达和陈述，是自然界、人类社会和人类思维活动普遍存在的一切物质和事物的属性，它存在于人们的周围。
信息是一种消息，通常以文字、声音或图像的形式来表现。在软件开发过程中，所管理的很多文档中针对不同的数据条目通常附有相关的说明，这些说明起到的就是信息的作用。信息是反映客观世界中各种事物的特征和变化，并可借某种载体加以传递的有用知识。
信息按其内容分为自然信息和社会信息。自然信息是自然界一切事物存在方式及其运动变化状态的反应；社会信息按其性质又可分为政治信息、经济信息、军事信息、文化信息、科学技术信息、社会生活信息等。信息按其表现形态一般可分为数据、文本、声音和图像。
信息的基本特征如下：
① 依附性：信息的表示、传播和存储必须依附于某种载体，语言、文字、声音、图像和视频等都是信息的载体。而纸张、胶片、磁带、磁盘、光盘，甚至于人的大脑等则是承载信息的媒介。
② 感知性：信息能够通过人的感觉器官被接受和识别。其感知的方式和识别的手段因信息载体的不同而各异：物体、色彩、文字等信息由视觉器官感知，音响、声音中的信息由听觉器官识别，天气冷热的信息则由触觉器官感知。
③ 可传递性：在生活中，我们可以采用语言、纸条、网络等几种方式进行信息的传递，由此可见，信息具有可传递性。信息传递可以是面对面的直接交流，也可以通过电报、电话、书信、传真来沟通，还可以通过报纸、杂志、广播、电视、网络等来实现。
④ 可加工性：人们对信息进行整理、归纳、去粗取精、去伪存真，从而获得更有价值的信息。例如，天气预报的产生，一般要经过多个环节：首先要对大气进行探测，获得第一手大气资料；然后进行一定范围内的探测资料交换、收集、汇总；最后由专家对各种气象资料进行综合分析、计算、研究得出结果。
⑤ 可共享性：信息可以被不同的个体或群体接收和利用，它并不会因为接收者的增加而损耗，也不会因为使用次数的增加而损耗。例如，电视节目可以被许多人同时收看，但电视节目的内容不会因此而损失。信息可共享的特点使得信息资源能够发挥最大效用，同时能使信息资源生生不息。
⑥ 时效性：信息作为对事物存在方式和运动状态的反映，随着客观事物的变化而变化。股市行情、气象信息、交通信息等瞬息万变，可谓机不可失、时不再来。例如，2004年12月26日，印度洋发生里氏9.0级强烈地震并引发海啸。由于没有及时获取和发布相关信息，缺乏完善的灾害预警系统，这场突如其来的灾难给印尼、斯里兰卡、泰国、印度、马尔代夫等国造成巨大的人员伤亡和财产损失。可见，信息的时效性多么重要。
⑦ 可伪性：由于人们在认知能力上存在差异，对于同一信息，不同的人可能会有不同的理解，形成“认知伪信息”；或者由于传递过程中的失误，产生“传递伪信息”。例如，我们可以做个实验，若干同学组成一个组，将纸条给第一位同学看后，用悄悄话往下传，传到最后一个人时，会产生信息的失真；也有人出于某种目的，故意采用篡改、捏造、欺骗、夸大、假冒等手段，制造“人为伪信息”。伪信息会给社会信息带来污染，具有极大的危害性。1.1.2 信息技术
信息技术（Information Technology，IT）是研究信息的获取、传输和处理的技术，由计算机技术、通信技术、传感技术及控制技术结合而成，有时也叫作“现代信息技术”。也就是说，信息技术是利用计算机进行信息处理，利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务的新学科。
传感技术（Sensing Technology）的任务是延长人的感觉器官收集信息的功能。目前，传感技术已经发展了一大批敏感元件，除了普通的照相机能够收集可见光波的信息、微音器能够收集声波信息之外，现在已经有了红外、紫外等光波波段的敏感元件，帮助人们提取那些人眼所见不到的重要信息。还有超声和次声传感器，可以帮助人们获得那些人耳听不到的信息。
通信技术（Telecommunication Technology）的任务是延长人的神经系统传递信息的功能。通信技术的发展速度之快是惊人的。从传统的电话、电报、收音机、电视，到如今的移动式电话（手机）、传真、卫星通信，这些新的、人人可用的现代通信方式使数据和信息的传递效率得到很大的提高，从而使过去必须由专业的电信部门来完成的工作转由行政、业务部门的工作人员直接方便地来完成。通信技术成为办公自动化的支撑技术。
计算机技术（Computer Technology）是延长人的思维器官处理信息和决策的功能，它与现代通信技术一起构成了信息技术的核心内容。计算机虽然体积越来越小，但功能却越来越强。例如，电子出版社系统的应用改变了传统印刷、出版业；光盘的使用使人类的信息存储能力得到了很大程度的延伸，出现了电子图书这新一代电子出版物；多媒体技术的发展使音乐创作、动画制作等成为普通人可以涉足的领域。
控制技术（Control Technology）也称自动化控制技术，广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化控制不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。控制技术的应用主要包括：过程自动化、机械制造自动化和管理自动化。
信息技术的基本内容与人的信息器官相对应，是人的信息器官的扩展，它们形成一个完整的系统。通信技术和计算机技术是核心，传感技术是核心与外部世界的接口。没有计算机和通信技术，信息技术就失去了基本的意义；没有传感技术，信息技术就失去了基本的作用。
现代信息技术已是一门综合性很强的高新技术，它以通信、电子、计算机、自动化和光电等技术为基础，是产生、存储、转换和加工图像、文字和声音及数字信息的一切现代技术的总称。1.1.3 信息化
信息化的概念起源于20世纪60年代的日本，首先是由一位日本学者提出来的，而后被译成英文传播到西方，西方社会普遍使用“信息化”的概念是20世纪70年代后期才开始的。
关于信息化的表述，在中国学术界和政府内部做过较长时间的研讨。例如，有人认为，信息化就是计算机、通信和网络技术的现代化；有人认为，信息化就是从物质生产占主导地位的社会向信息产业占主导地位的社会转变的发展过程；有人认为，信息化就是从工业社会向信息社会演进的过程等。
1997年召开的首届全国信息化工作会议，对信息化和国家信息化定义为：“信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程。国家信息化就是在国家统一规划和组织下，在农业、工业、科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代信息技术，深入开发、广泛利用信息资源，加速实现国家现代化进程。实现信息化就要构筑和完善6个要素（开发利用信息资源、建设国家信息网络、推进信息技术应用、发展信息技术和产业、培育信息化人才、制定和完善信息化政策）的国家信息化体系。1.1.4 信息社会
信息社会也称信息化社会，是脱离工业化社会以后，信息将起主要作用的社会。
在农业社会和工业社会中，物质和能源是主要资源，人们所从事的是大规模的物质生产。而在信息社会中，信息成为比物质和能源更为重要的资源，以开发和利用信息资源为目的信息经济活动迅速扩大，逐渐取代工业生产活动而成为国民经济活动的主要内容。
信息经济在国民经济中占据主导地位，并构成社会信息化的物质基础。以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉。
信息技术在资料生产、科研教育、医疗保健、企业和政府管理以及家庭中的广泛应用，对经济和社会发展产生了巨大而深刻的影响，从根本上改变了人们的生活方式、行为方式和价值观念。
造就和支撑信息社会的基础是：计算机技术及其系统与网络；信息高速公路；以反映人类生活和客观世界存在的各种数据库为核心的各种载体形式的信息资源；掌握和主宰信息技术的专家人才和具有信息文化素质的用户人才。
信息社会的主要内容包括：
① 知识和信息是构成社会存在与发展的最重要的资源和财富。
② 信息、知识和智力将成为社会发展的决定力量。
③ 以信息技术为核心的信息产业，作为现代产业群体中的支柱产业，将是经济增长的动力源泉。
④ 社会生活的一切活动速率将加快，每一个社会个体对社会的参与和了解明显增加。
⑤ 社会中的大多数劳动者必须学会先进的计算机技术、网络技术、声像技术、数据存储检索技术和人工智能技术，数字化生存是社会的现实。
⑥ 信息技术将渗透到人们工作和生活的每一个角落，人与人之间联系、沟通是共时性的、双向互动的。1.1.5 数据与数据管理
1.数据
数据是用来记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。数据用型和值来表示。数据的型是指数据内容存储在媒体上的具体形式（如学生姓名、住址）；值是指所描述的客观事物的本体特性（如张三、北京市昌平区）。数据一般是指信息的一种符号化表示方法，也就是说，用一定的符号表示信息，而采用什么符号完全是人为规定的。例如，为了便于用计算机处理信息，就得把信息转换为计算机能够识别的符号，即采用0和1两个符号编码来表示各种各样的信息。所以，数据的概念包括两方面的含义：一方面是数据的内容是信息；另一方面是数据的表现形式是符号。
数据在数据处理领域中涵盖的内容非常广泛，这里的“符号”不仅仅指数字、字母、文字等常见符号，还包括图形、图像、声音等多媒体数据。
2.数据处理与数据管理
数据处理是指将数据转换成信息的过程，这一过程主要是指对所输入的数据进行加工整理，包括对数据的收集、存储、加工、分类、检索和传播等一系列活动，其根本目的就是从大量的、已知的数据出发，根据事物之间的固有联系和规律，采用分析、推理、归纳等手段，提取出对人们有价值、有意义的信息，作为某种判断、决策的依据。
例如，网上购物系统中顾客、订单、货物价格、销售数量、库存情况等数据，通过处理可以统计计算出各种货物销售量、销售额、销售排名等信息，这些信息是制订进货计划、销售策略的依据。
数据处理的工作分为以下3个方面：
① 数据收集。其主要任务是收集信息，将信息用数据表示并按类别组织保存。数据管理的目的是快速、准确地提供必要的、可能被使用和处理的数据。
② 数据加工。其主要任务是对数据进行变换、抽取和运算。通过数据加工得到更加有用的数据，以指导或控制人的行为或事务的变化趋势。
③ 数据传播。通过数据传播，信息在空间或时间上以各种形式传递。在数据传播过程中，数据的结构性质和内容不发生改变。数据传播会使更多的人得到信息，并且更加理解信息的意义，从而使信息的作用充分发挥。
数据管理包括对数据的分类、组织、编码、存储、查询和维护。随着信息技术应用范围的不断扩大，人们将面临大量的数据处理工作。在数据处理中，最基本的工作是数据管理工作。数据管理是数据处理的基础和核心。一般情况下，数据管理工作应包括以下3个方面的内容：
① 组织和保存数据。为了使数据能够长期地被保存，数据管理工作需要将得到的数据合理地分类组织，并存储在计算机硬盘、光盘、闪存盘等物理载体上。
② 进行数据维护。数据管理工作要根据需要随时地进行增、删、改数据的操作，即增加新数据、修改原数据和删除无效数据的操作。
③ 提供数据查询和数据统计功能。数据管理工作要提供数据查询和数据统计功能，以便快速准确地得到需要的数据，满足各种使用要求。
计算机技术的发展为科学有效地进行数据管理提供了先进的工具和手段，用计算机管理数据已经渗透到了社会的各个领域，数据管理已成为计算机应用的一个重要分支。1.1.6 数字化生存
信息化不仅使人类社会经济形态发生巨大变革，也引起人类社会生活的重大变化。信息资源日益成为生产要素、无形资产和社会财富；信息网络更加普及并日趋融合；信息化与经济全球化相互交织，推动着全球产业分工深化和经济结构调整，重塑着全球经济竞争格局；互联网加剧了各种思想文化的相互激荡，成为信息传播和知识扩散的新载体；电子政务在提高行政效率、改善政府效能、扩大民主参与等方面的作用日益显著；信息安全的重要性与日俱增，成为各国面临的共同挑战。信息化在当今社会中的作用以及对社会的冲击，使得人类社会迎来一个崭新的社会生活时代——数字化生存时代。数字化生存时代的社会生活可以用下面的变化来描述：
① 电子商务：电子商务是运用数字信息技术，对企业的各项活动进行持续优化的过程。电子商务涵盖的范围很广，一般可分为企业对企业（Business to Business）、企业对消费者（Business to Consumer）和消费者对消费者（Consumer to Consumer）3种模式。随着国内Internet使用人数的增加，利用Internet进行网络购物并以银行卡付款的消费方式已日渐流行，市场份额迅速增长，电子商务网站层出不穷，网上购物成为一种时尚。
② 网上学校：学校围墙将消失，可以通过教育网络在家中到大学读书，还可在网上请教知名学者和教授；可以通过互联网共享全球教育资源，不用出国就能网上留学；利用Internet可以真正实现全民教育和终身教育。
③ 网上会议：科学家、企业家、行政系统管理人员通过网络参加电视会议，进行远程研究、沟通协调、发布命令等。
④ 电子银行：商业银行等银行业金融机构利用面向社会公众开放的通信通道或开放型公众网络，以及银行为特定自助服务设施或客户建立的专用网络，向客户提供的银行服务。电子银行业务主要包括利用计算机和互联网开展的网上银行业务，利用电话等声讯设备和电信网络开展的电话银行业务，利用移动电话和无线网络开展的手机银行业务，以及其他利用电子服务设备和网络、由客户通过自助服务方式完成金融交易的业务，如自助终端、ATM、POS等。
⑤ 网上广告：人们可以在网上看到所需要的任何商品信息，而且可以货比三家，直到找到满意的商品为止。
⑥ 网上娱乐和休闲：在网上可以博览群书，也可以发表自己的见解；可以听音乐，也可以看电影；可以聊天，也可以玩游戏；可以足不出户浏览世界名山大川。
⑦ 民主实现新通道：通过网络，政府可以实现信息公开；中国青年报社通过益派市场咨询公司对2874人进行的调查显示，67.1％的公众认为互联网的影响越来越大，已经“成为官方了解民生、体察民意的重要途径”，61.7％的公众认为政府重视与民众的沟通与交往，是“民主政治的积极实践”。互联网以其便利性和互动性，正日益成为被广泛接受的民意通道。
⑧ 数字化校园与智慧校园：数字化校园是以数字化信息和网络为基础，在计算机和网络技术上建立起来的对教学、科研、管理、技术服务、生活服务等校园信息的收集、处理、整合、存储、传输和应用，使数字资源得到充分优化利用的一种虚拟教育环境。通过实现从环境（如设备、教室等）、资源（如图书、讲义、课件等）到应用（如教、学、管理、服务、办公等）的全部数字化，在传统校园基础上构建一个数字空间，以拓展现实校园的时间和空间维度，提升传统校园的运行效率，扩展传统校园的业务功能，最终实现教育过程的全面信息化，从而达到提高管理水平和效率的目的。
⑨ 数字城市：数字城市以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。1.2计算机的发展1.2.1 计算机的发展历程
在美国硅谷中心的山景城有一个计算机博物馆，里面的展板上写着“计算机2000年的历史”。真正的电子计算机事实上是1946年诞生的，可是为什么这里却说计算机已经有了2000年的历史了呢？因为计算机的出现并不是短短几年间技术突破的结果，而是靠着上千年来无数代人长期的努力和技术积累实现的。
1.古代的计算机——算盘
人类试图用机器来计算的梦想在几千年前就有了，计算机最早的雏形是算盘。一般认为算盘是中国人发明的，不过更准确地讲，是中国人首先发明了实用的算盘，因为类似的算盘更早出现在美索不达米亚地区，只是它们远不如中国的算盘使用那么方便。
硅谷计算机博物馆把中国的算盘作为世界上最早的计算机，只不过它不是自动计算，而是要靠手工操作。算盘上的算筹是数据，口诀是计算规则，只要牢记计算规则，哪怕对数学一无所知，也可以完成大量的计算。
2.机械计算机
算盘的口诀多达上百条，操作完全是手工，因此工作久了不仅会劳累，还很容易出错。于是有人开始想办法利用机器替代算盘，这就导致了机械计算机的发明。
最早的机械计算机是由法国数学家帕斯卡（Pascal）在1642年发明的，或许称之为计算器更合理一些。虽然它具备了计算机的雏形，但是距离计算机的功能差距还比较大，因此，后面都称之为帕斯卡计算器。
帕斯卡的机械计算器通过一些齿轮的转动来完成基本的四则运算。这款机械计算器操作很简单，其速度并不会比手工操作快很多，但它却是人类在计算工具上的一大进步。因为使用它，只需要输入数字，不必牢记珠算口诀，而且齿轮的进位是自动的，这就避免了拨打数字和手动进位可能引起的错误，也就是说，只要输入正确，答案就不会错。
帕斯卡计算器在计算机发展史上占有重要的地位，虽然仍有诸多不足，但它毕竟是历史上第一个自动的计算机器，因此帕斯卡被当作计算机工程的先驱。20世纪70年代，一门通用的编程语言被命名为Pascal，以此纪念帕斯卡。
3.改进帕斯卡计算器
著名的数学家莱布尼茨花了足足40年时间来改进帕斯卡计算器，莱布尼茨发明了一种转轮——莱布尼茨转轮，利用这种转轮，工程师们在接下来的两百年中设计了各种各样的机械计算器。到了19世纪末，虽然人类在制造可计算的机器方面有了进步，但是所有这些计算机都只能进行一步运算，而不能通过编程自动完成一系列的计算。为了能让计算机执行程序，就需要理论上的突破。
4.理论的基石：二进制和布尔代数
世界上有很多重大的科技进步，都始于工程上的改进，依靠的是经验，这种经验积累到一定程度后，相关的理论才得以建立起来。这些理论早期一般不会引人注意，直到某一天，一些既懂理论又善于改进产品的工程师利用这些理论发明了新一代产品时，人们常常才会回过头来追忆这些提出理论的先行者，给他们在文明史补上浓重的一笔。人类在计算技术上的进步也是遵循了这个规律，先有一些初级的机械计算器，然后有了初级理论，最后应用这些理论发明更高级的计算机。在计算机科学的发展史上，莱布尼茨和布尔就是这样的理论先行者。
莱布尼茨对计算技术最大的贡献不在于改进了帕斯卡计算器，而是在1679年发明了二进制。莱布尼茨是在研究哲学而非数学问题时受到启发，研究出二进制的。莱布尼茨用二进制进行加减乘除四则运算，发现二进制可以像十进制一样完成所有的数学运算。
莱布尼茨虽然发明了二进制，并改进了帕斯卡计算器，但是他并没有将二者结合起来。因为当时的机械计算器不需要编程，在这个前提下，十进制的方便程度是优于二进制的。因此二进制在发明后长达半个世纪的时间里没有发挥什么作用。
二进制的最大好处在于它比十进制更容易用电路实现。但是，将二进制这一数学工具对应于由开关控制的电路，中间还需一座桥梁，这座桥梁在19世纪被英国一个叫作乔治·布尔的中学数学老师建成了。
布尔的研究工作完全是出于个人兴趣，他喜欢阅读数学论著，思考数学问题。1854年，布尔完成了在近代数学史上颇有影响力的著作《思维规律》，在书中他第一次向人们展示了如何用数学的方法解决逻辑问题。在此之前，人们普遍认为数学和逻辑分属不同的学科。
布尔代数运算的元素只有两个：真（T）和假（F），基本运算也只有与、或、非3种，第2章将详细介绍3种运算的规则。
在布尔代数提出之后80多年里，它也没有什么像样的应用，直到1938年香农（Shanno）在其论文中指出用布尔代数实现开关电路，才使得布尔代数成为数字电路的基础。布尔代数的神奇之处在于它可以把一系列控制计算机操作的指令变成算术和逻辑运算，这样就有可能让计算机接受指令序列（即程序）的控制。有了程序的控制，计算机就可以计算任何数学问题。
所以，二进制和布尔代数奠定了可编程计算机的数学基础。
5.计算机的理论模型——图灵机
1936年，英籍美国数学家图灵发表了论文《论数字计算在决断难题中的应用》，文中给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出了一个对于计算可采用的通用机器的概念，这就是著名的图灵机（Turing Machine）设想，为现代计算机奠定了理论基础。1950年，图灵又发表了论文《机器能思考吗》，他将这个数学模型建立在人们进行计算过程的行为上，并将这些行为抽象到实际机器模型中。图灵因此项成果获得了“人工智能之父”的美誉。
美国计算机协会（ACM）为了纪念图灵在计算机领域的卓越贡献，专门设立了“图灵奖”作为计算机领域的最高奖项。
6.电子计算机的诞生
在第二次世界大战期间，出于战争的需要，美国军方在宾夕法尼亚大学成立了研究小组，开始了世界上第一台电子计算机的研制工作。经过3年的紧张工作，1946年2月14日，世界上第一台名为ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，埃尼阿克）的数字电子计算机诞生，如图1-1所示。该机的组成元件是电子管，2占地约170m ，重达30t，功率为150kW，每秒只能进行5000次加法运算，但它比当时的台式手摇计算机的速度提高了8400倍。图1-1 第一台电子计算机
ENIAC存在两大缺点：没有真正的存储器；控制不是自动进行的，需要通过人工布线的方式进行，耗时长，故障率高。为了解决这个问题，中途加入该小组的美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）提出了新的思想，这个思想被称为冯·诺依曼的体系结构。主要内容如下。
① 采用二进制。
② 存储程序：事先将需要解决的问题编制成程序，存储在计算机内，由计算机逐条取得指令，自动执行。
③ 五大功能部件：计算机必须具备五大功能部件：运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备。
直至今天，无论什么规模的计算机，其基本结构仍遵循冯·诺依曼体系结构。
7.电子计算机的发展
自从1946年第一代电子计算机诞生开始，随着计算机主要元器件的改进，尤其是大规模集成电路的出现，使得计算机的性能不断提高，而同时价格却不断降低，最终使得计算机这样一个庞大的、昂贵的、只有专业人员才能操作的设备进入到千家万户，成为普通家庭的必备电器。根据计算机采用的主要元器件的不同，一般将计算机的发展划分为4代。（1）第一代——电子管计算机
第一代是电子管计算机（约1946—1957年）。这一代计算机采用电子管作为主要元器件，因此体积庞大，成本很高，能耗高，运算速度只能达到每秒几千次到几万次。（2）第二代——晶体管计算机
第二代是晶体管计算机（约1958—1963年）。这一代计算机采用晶体管作为主要元器件，运算速度一般为每秒几万次到几十万次、几百万次。与第一代计算机相比，这一代计算机体积缩小了，成本降低了，不仅在军事与尖端技术方面得到了广泛的应用，而且在工程设计、数据处理、事务管理以及工业控制等方面也得到了应用。（3）第三代——中小规模集成电路计算机
第三代是中小规模集成电路计算机（约1964—1973年）。这一代计算机采用半导体中小规模集成电路作为主要元器件，体积和耗电显著减少，计算速度和存储容量有了较大提高，可靠性也大大增强。在这一时期，设计计算机的基本思想是标准化、模块化、系列化，解决了软件兼容问题。此时，计算机应用进入到了许多技术领域。（4）第四代——大规模、超大规模集成电路计算机
第四代是大规模、超大规模集成电路计算机（约从1974年至今）。计算机沿着两个方向飞速发展：一方面利用大规模集成电路制造多种逻辑芯片，组装出大型、巨型计算机，速度向每秒百亿次、千亿次及更高速度发展；另一方面利用大规模、超大规模集成电路技术，将运算器、控制器等部件集中在一个很小的集成电路芯片上，从而出现了CPU。将CPU、半导体存储芯片及外围设备（简称外设）接口电路组装在一起就构成了微型计算机。微型计算机体积小、功耗低、成本低，其性能价格比优于其他类型的计算机，因此得到了广泛的应用并迅速普及。1.2.2 计算机的应用领域
计算机的应用领域十分广泛，传统的应用领域包括：
1.科学计算
利用计算机进行科学计算，不仅可以节省大量的时间、人力和物力，而且可以提高计算精度，是发展现代尖端技术必不可少的重要工具。
2.多媒体信息处理
多媒体计算机系统集多媒体采集、传输、存储、处理和显示控制技术于一体。这自然会与传统的电视广播网和电信网的功能逐步融合，即向“三网合一”的方向发展。
3.人工智能
人工智能是计算机应用的一个重要领域和前沿学科，其目的是使计算机具有“推理”和“学习”的功能。“自然语言理解”是人工智能的一个分支。现代计算机技术已发展到通过语言方式命令计算机完成特定的操作。“专家系统”是人工智能的又一个重要分支，它是使计算机具有某一方面的专门知识，利用这些知识来处理所遇到的问题，如人机对弈、模拟医生开处方等。“机器人”是人工智能的前沿领域，可以代替人进行危险作业、流水线生产安装等工作。
4.信息管理
信息管理是目前计算机应用最广泛的领域。所谓信息管理，就是利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料。例如，生产管理、企业管理、办公自动化、信息情报检索等。
5.计算机网络
计算机网络是指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议互相通信，以便共享软、硬件资源。目前，计算机网络技术已成为计算机系统集成的支柱技术。网络的发展将改变人类传统的生活方式，网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各领域中将得到更广泛的应用。
6.计算机辅助系统
计算机用于计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助教学（CAI）等方面，统称为计算机辅助系统。
CAD是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。CAM是指利用计算机来进行生产设备的管理、控制和操作，提高产品质量，降低生产成本。CAT是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作。CAI是指利用计算机辅助教学的自动系统。
上面只是罗列了计算机早期的一些应用领域，但事实上计算机的功能早已超越了这些领域。它的存在形式也不止常见的台式机、笔记本式计算机、智能手机，也可以是一个大机柜、一块电路板或者一颗小小的芯片。计算机存在于我们的城市，存在于我们家中的每一个角落，而且从城市的交通指挥，到飞机、火车和汽车等交通工具；从商场、银行的收款机、结算系统到办公和家用的各种电器，或多或少都由计算机在控制。而今，当我们谈论计算机的应用领域时，或许需要换一种说法：还有哪些领域是计算机没有涉及的？计算机已经成为人们生活中不可或缺的一部分。1.2.3 计算机的分类
计算机及相关技术的迅速发展带动计算机类型也不断分化，形成了各种不同种类的计算机。
1.按照结构原理分类
按照计算机的结构原理可分为模拟计算机、数字计算机和混合式计算机。
① 电子数字计算机：所有信息以二进制数表示。
② 电子模拟计算机：内部信息形式为连续变化的模拟电压，基本运算部件为运算放大器。
③ 混合式电子计算机：既有数字量又能表示模拟量，设计比较困难。
2.按用途分类
按计算机用途可分为专用计算机和通用计算机。
① 通用计算机：适用于各种应用场合功能齐全、通用性好的计算机。
② 专用计算机：为解决某种特定问题专门设计的计算机，如工业控制机、银行专用机、超级市场收银机（POS）等。
3.按运算速度、字长、存储容量分类
较为普遍的是按照计算机的运算速度、字长、存储容量等综合性能指标分类，可分为巨型计算机、大中型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站。（1）巨型计算机（Giant Computer）
巨型计算机（简称巨型机）又称超级计算机（Super Computer），是指运算速度超过每秒1亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机，主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机关中，可供几百个用户同时使用。
运算速度快是巨型机最突出的特点。例如，美国Cray公司研制的Cray系列机中，Cray-Y-MP运算速度为每秒20～40亿次，我国自主生产研制的银河Ⅲ巨型机为每秒130亿次，IBM公司的GF-11可达每秒115亿次，日本富士通研制了每秒可进行3000亿次科技运算的计算机。最近，由国防科学技术大学研制，部署在国家超级计算机天津中心的“天河一号”，运算速度可以达到每秒2570万亿次。世界上只有少数几个国家能生产这种机器，它的研制开发是一个国家综合国力和国防实力的体现。（2）大中型计算机（Large-Scale Computer and Medium-Scale Computer）
大中型计算机（简称大中型机）也有很高的运算速度和很大的存储量并允许相当多的用户同时使用。当然，在量级上都不及巨型机，结构上也较巨型机简单些，价格相对巨型机便宜，因此使用的范围较巨型机普遍，是事务处理、商业处理、信息管理、大型数据库和数据通信的主要支柱。大中型机通常都像一个家族一样形成系列，如IBM370系列、DEC公司生产的VAX8000系列、日本富士通公司的M-780系列。同一系列的不同型号的计算机可以执行同一个软件，称为软件兼容。（3）小型计算机（Minicomputer）
小型计算机（简称小型机）规模和运算速度比大中型机要差，但仍能支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、价格低、性能价格比高等优点，适合中小企业、事业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业管理以及科学计算等，也可做巨型机或大中型机的辅助机。典型的小型机如美国DEC公司的PDP系列计算机、IBM公司的AS/400系列计算机、我国的DJS-130计算机等。（4）微型计算机（Microcomputer）
微型计算机（简称微机），是当今使用最普及、产量最大的一类计算机，其体积小、功耗低、成本少、灵活性大，性能价格比明显地优于其他类型计算机，因而得到了广泛应用。微型计算机可以按结构和性能划分为单片机、单板机、个人计算机等几种类型。
① 单片机（Single Chip Computer）：把CPU、一定容量的存储器以及输入/输出接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机。可见单片机仅是一片特殊的、具有计算机功能的集成电路芯片。单片机体积小、功耗低、使用方便，但存储容量较小，一般用作专用机或用来控制高级仪表、家用电器等。
② 单板机（Single Board Computer）：把CPU、存储器、输入/输出接口电路安装在一块印制电路板上，就成为单板计算机。一般在这块板上还有简易键盘、液晶和数码管显示器以及外存储器接口等。单板机价格低廉且易于扩展，广泛用于工业控制、微型机教学和实验，或作为计算机控制网络的前端执行机。
③ 个人计算机（Personal Computer，PC）：供单个用户使用的微型机一般称为个人计算机（PC），是目前用得最多的一种微型计算机。PC配置有一个紧凑的机箱、显示器、键盘、打印机以及各种接口，可分为台式计算机和便携式计算机。
④ 工作站：工作站（Workstation）是介于PC和小型机之间的高档微型计算机，通常配备有大屏幕显示器和大容量存储器，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有微型计算机操作便利和人机界面友好的特点。工作站的独到之处是具有很强的图形交互能力，因此在工程设计领域得到广泛使用。SUN、HP、SGI等公司都是著名的工作站生产厂家。1.2.4 计算机的发展趋势
计算机技术是世界上发展最快的科学技术之一，产品不断升级换代。当前计算机正朝着多极化、智能化、网络化、多媒体化等方向发展，计算机本身的性能越来越强，应用范围也越来越广泛，从而使计算机成为人们工作、学习和生活中必不可少的工具。
1.计算机技术的发展特点（1）多极化
如今，个人计算机已遍及全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型机、大型机、小型机、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。例如，巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前，运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型机。（2）智能化
智能化使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，使计算机成为智能计算机。这也是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括模式识别、图像识别、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前，已研制出多种具有人的部分智能的机器人。（3）网络化
网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互连起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。（4）多媒体化
多媒体计算机是当前计算机领域中最引人注目的高新技术之一。多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术来综合处理多种媒体信息的计算机，这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机联系，并集成为一个具有人机交互性的系统。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着人类接收和处理信息的最自然的方式发展。
2.未来的计算机
许多科学家认为以半导体材料为基础的集成技术日益走向它的物理极限，要解决这个矛盾，必须开发新的材料，采用新的技术。于是人们努力探索新的计算材料和计算技术，致力于研制新一代的计算机，如生物计算机、量子计算机等。现在许多国家正在研制新一代计算机，称之为第五代计算机。第五代计算机将从根本上突破传统的冯·诺依曼结构，采用崭新的计算机设计思想，是微电子技术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。（1）高速计算机
计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收一部分信号，从而延长了信息传输的时间。保利技术公司研制的“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息。此外，它还可以降低电耗，而且不需要对计算机的芯片进行任何改造，只需换上“空气胶滞体”导线，就可以成倍地提高计算机的运行速度。不过，这种“空气胶滞体”导线也有不足之处，主要是其散热效果较差，不能及时将计算机中电路产生的热量散发出去。为了解决这个问题，保利技术公司的科研小组研究出计算机芯片冷却技术，它在计算机电路中内置了许多装着液体的微型小管，用来吸收电路散发出的热量。当电路发热时，热量将微型管内的液体汽化，当这些汽化物扩散到管子的另一端之后，又重新凝结，流到管子底部。据悉，美国宇航局（NASA）将对该项技术进行太空失重状态下的实验，如果实验成功，这种新技术将被广泛应用于未来的计算机中，使计算机的运算速度得以大大提高。（2）生物计算机
生物计算机于20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。科学家们在生物计算机研究领域已经有了新的进展，预计在不久的将来，就能制造出分子元件，即通过在分子水平上的物理化学作用对信息进行检测、处理、传输和存储。目前，科学家们已经在超微技术领域取得了某些突破，制造出了微型机器人。科学家们的长远目标是让这种微型机器人成为一部微小的生物计算机，它们不仅小巧玲珑，而且可以像微生物那样自我复制和繁殖，可以钻进人体中杀死病毒，对损伤的血管、心脏、肾脏等内部器官进行修复，或者使引起癌变的DNA突变发生逆转，从而使人们延年益寿。（3）光学计算机
所谓光学计算机，就是利用光作为信息的传输媒体。与电子相比，光子具有许多独特的优点，它的速度永远等于光速，具有电子所不具备的频率及偏振特征。此外，光信号的传输根本不需要导线，光学计算机的智能水平也将远远超过电子计算机的智能水平，是人们梦寐以求的理想计算机。最显著的研究成果是由法国、德国、英国、意大利等国的60多名科学家联合研发成功的世界上的第一台光脑。该台光脑的运算速度比目前速度最快的超级计算机快1000多倍，并且准确性极高。（4）量子计算机
在人类刚进入21世纪之际，量子力学梅开二度，科学家们根据量子力学理论，在研制量子计算机的道路上取得了新的突破。美国科学家宣布，他们已成功地实现了4量子位逻辑门，取得了4个锂离子的量子缠结状态。这一成果意味着量子计算机如同含苞待放的蓓蕾，必将开出绚丽的花朵。
3.智能手机
智能手机（smart phone）是指“像个人计算机一样，具有独立的操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通信网络来实现无线网络接入的一类手机的总称”。目前，全球多数手机厂商都有智能手机产品，如图1-2所示。图1-2 智能手机
智能手机一般具有如下特点：
① 具备无线接入互联网的能力，即需要支持GSM网络下的GPRS或者CDMA网络的CDMA 1X或3G、4G网络。
② 具有PDA的功能，包括PIM（个人信息管理）、日程记事、任务安排、多媒体应用、浏览网页等。
③ 具有开放性的操作系统，可以安装更多的应用程序。
④ 人性化，可以根据个人需要扩展机器功能。
⑤ 功能强大，扩展性能强，第三方软件支持多。
智能手机是一种在手机内安装了相应开放式操作系统的手机。因为可以安装第三方软件，所以智能手机有丰富的功能。通常使用的操作系统有Symbian、Windows Mobile、iOS、Linux（含Android、Maemo和WebOS）、Palm OS和BlackBerry OS等。它们之间的应用软件互不兼容。（1）Symbian
Symbian（塞班）是一个实时性、多任务的纯32位操作系统，具有功耗低、内存占用少等特点，非常适合手机等移动设备使用，经过不断完善，在智能型手机市场取得了成功。但Symbian S60、Symbian3、UIQ等系统近两年遭遇到显著的发展瓶颈。（2）Android
Android（安卓）是基于Linux平台的开源手机操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，宣称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件，市场上占有率越来越高。在Android发展的过程中，摩托罗拉付出的是核心代码，Google付出的是公关和品牌效应，当然还有它的Google App，但是Google掌握了Android Market以及通过Android Google Apps获得的大量用户。（3）Windows Mobile
作为软件巨头微软的掌上操作系统，在与桌面PC和Office办公的兼容性方面具有先天的优势，而且Windows Mobile具有强大的多媒体性能，办公娱乐两不误，让它成为最有潜力的操作系统之一。以商务用机为主，较新版本为Windows Phone 7，几乎对旧有的Windows Mobile系统全面升级，其市场应用越来越广泛。（4）iOS
iOS是（又称Mac OS）由苹果公司为iPhone开发的操作系统，它主要供iPhone、iPod Touch以及iPad使用。该系统的界面设计及人机操作系统非常优秀，软件极其丰富。苹果完美的工业设计配以iOS系统的优秀操作感受，仅靠仅有的几款机型，已经赢得可观的市场份额。（5）MeeGo
MeeGo是诺基亚和英特尔联合推出的一个免费手机操作系统，中文昵称“米狗”，该操作系统可在智能手机、笔记本式计算机和电视等多种电子设备上运行，并有助于这些设备实现无缝集成。该操作系统基于Linux的平台，融合了诺基亚的Maemo和英特尔的Moblin平台。（6）BlackBerry OS
BlackBerry OS是RIM公司独立开发的与黑莓手机配套的系统，推出后很快在全世界得到欢迎，在此系统基础上，黑莓手机在智能手机市场上广受好评。
4.平板计算机
平板计算机（Tablet Personal Computer，又称Tablet PC、Flat Pc、Tablet、Slates）（见图1-3），是一种小型、方便携带的个人计算机，以触摸屏作为基本的输入设备。它拥有的触摸屏（也称为数位板技术）允许用户通过触控笔或数字笔来进行作业。用户可以通过内置的手写识别、屏幕上的软键盘、语音识别或者一个真正的键盘（如果该机型配备）进行输入。
多数平板计算机使用Wacom数位板，该数位板能快速地将触控笔的位置“告诉”计算机。使用这种数位板的平板计算机会在其屏幕表面产生一个微弱的磁场，该磁场只能和触控笔内的装置发生作用。所以用户可以放心地将手放到屏幕上，因为只有触控笔才会影响到屏幕。图1-3 平板计算机
苹果公司的平板计算机iPad由首席执行官史蒂夫·乔布斯于2010年1月27日在美国旧金山欧巴布也那艺术中心发布。iPad的成功让各IT厂商将目光聚焦在了“平板计算机”上。除了苹果公司运行Mac OS的iPad平板计算机之外，还有基于其他操作系统的平板计算机产品。
很多平板计算机运行Windows XP Tablet PC Edition。从Windows Vista系统开始，Windows系统在家庭高级版（Home Premium）、商业版（Business）、旗舰版（Ultimate）中均加入了对平板计算机的支持，甚至还专门为之设计了名为“墨球”的自带游戏。小结
人类已经进入信息时代，信息就是对各种事物的存在方式、运动状态和相互联系特征的一种表达和陈述。信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，由计算机技术、通信技术、微电子技术结合而成，有时也叫作“现代信息技术”。信息化就是计算机、通信和网络技术的现代化。信息社会也称信息化社会，是脱离工业化社会以后，信息将起主要作用的社会。
计算机是20世纪人类最伟大的发明之一，通常所说的计算机是指电子数字计算机。微型计算机简称计算机或PC。计算机作为处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。信息技术的发展与计算机的广泛应用是分不开的。计算机的广泛应用推动了社会的发展与进步，对人类社会的生产和生活产生了极其深刻的影响。当前计算机正朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计算机本身的性能越来越优越，应用范围也越来越广泛，从而使计算机成为人们工作、学习和生活中必不可少的工具。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]