《大學信息技術基礎》-第1 章

1.1計算機科學與計算科學1.1.1計算機科學1.計算機科學計算機科學（ComputerScience）是研究計算機及其周圍各種現象和規律的科學，亦即研究計算機系統結構、程序系統、人工智能以及計算本身的性質和問題的學科。計算機科學研究包含各種與計算和信息處理相關主題的系統學科，從抽象的算法分析、形式化語法，到更具體的主題如編程語言、程序設計、軟件和硬件等。作為一門學科，它與數學、計算機程序設計、軟件工程和計算機工程有顯著的不同，卻通常被混淆，因為這些學科之間存在不同程度的交叉和覆蓋。下一頁返回1.1計算機科學與計算科學計算機科學研究包括軟件、硬件等計算系統的設計和建造，發現并提出新的問題求解策略、新的問題求解算法，在硬件、軟件、互聯網方面發現并設計使用計算機的新方式和新方法等。簡單而言，計算機科學圍繞著“構造各種計算機器”和“應用各種計算機器”進行研究。2.計算機科學的研究范疇計算機科學的研究范疇主要包含以下12個方面。（1）計算理論。計算機科學的最根本的問題是“什么能夠被有效地自動化”。計算理論的研究就是專注于回答這個根本問題，研究關于什么能夠被計算，去實施這些計算又需要用到多少資源。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學為了試圖回答“什么能夠被有效地自動化”這個問題，遞歸論檢驗在多種理論計算模型中哪些計算問題是可解的。而計算復雜性理論則被用于回答“實施計算需要用到多少資源”這個問題，研究解決一個不同目的計算問題的時間復雜度和空間復雜度。（2）信息與編碼理論。信息論與信息量化相關，由美國數學家香農（ClaudeE.Shannon）創建，用于尋找信號處理操作的極限，比如壓縮數據和可靠的數據存儲與通信。編碼理論是對編碼以及它們適用的特定應用性質的研究。編碼（Code）被用于數據壓縮、密碼學和前向糾錯，近期也被用于網絡編碼。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學研究編碼的目的在于設計更高效、更可靠的數據傳輸方法。（3）算法。算法指定義良好的計算過程，它取一個或一組值作為輸入，經過一系列定義好的計算過程，得到一個或一組輸出。算法是計算科學研究的一個重要領域，也是許多其他計算機科學技術的基礎。算法主要包括數據結構、計算幾何和圖論等。除此之外，算法還包括許多雜項，如模式匹配和數論等。（4）程序設計語言理論。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學程序設計語言理論是計算機科學的一個分支，主要處理程序設計語言的設計、實現、分析、描述和分類，以及它們的個體特性。它屬于計算機科學學科，既受數學、軟件工程和語言學影響，也影響著這些學科。它是公認的計算機科學分支，同時也是活躍的研究領域，研究成果被發表在眾多學術期刊、計算機科學和工程出版物上。（5）形式化方法。形式化方法是一種基于數學的特別技術，用于軟件和硬件系統的形式規范、開發，以及形式驗證。在軟件和硬件設計方面，形式化方法的使用動機如同其他工程學科，是通過適當的數學分析以有助于設計的可靠性和健壯性。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學但是，使用形式化方法成本很高，這意味著它們通常只用于高可靠性系統，這種系統中安全或保密（Security）是最重要的。對于形式化方法的最佳形容是各種理論計算機科學基礎種類的應用，特別是計算機邏輯演算、形式語言、自動機理論和形式語義學，此外還有類型系統、代數數據類型、軟硬件規范和驗證中的一些問題。（6）人工智能。這個計算機科學分支旨在創造可以解決計算問題、像動物和人類一樣思考與交流的人造系統。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學無論是在理論還是應用上，都要求研究者在多個學科領域具備細致的、綜合的專長，比如應用數學、邏輯、符號學、電機工程學、精神哲學、神經生物學和社會智力等，用于推動智能研究領域，或者被應用到其他需要計算理解與建模的學科領域，如金融、物理科學等。（7）并發、并行和分布式系統。并行性（Concurrency）是系統的一種性質，這類系統可以同時執行多個可能相互交互的計算。一些數學模型，如Petri網、進程演算和PRAM模型被創建以用于通用并發計算。分布式系統將并行性的思想擴展到了多臺由網絡連接的計算機。同一分布式系統中的計算機擁有自己的私有內存，它們之間經常交換信息以達到一個共同的目的。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學（8）數據庫和信息檢索。數據庫是為了更容易地組織、存儲和檢索大量數據。數據庫由數據庫管理系統管理，通過數據庫模型和查詢語言來存儲、創建、維護和搜索數據。（9）計算機圖像學。計算機圖像學是對于數字視覺內容的研究，涉及圖像數據的合成和操作。它跟計算機科學的許多其他領域密切相關，包括計算機視覺、圖像處理和計算幾何，同時也被大量運用在特效和電子游戲中。（10）計算機安全和密碼學。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學計算機安全是計算機技術的一個分支，其目標包括保護信息免受未經授權的訪問、中斷和修改，同時為系統的預期用戶保持系統的可訪問性和可用性。密碼學是對于隱藏（加密）和破譯（解密）信息的實踐與研究?，F代密碼學主要跟計算機科學相關，很多加密和解密算法都是基于它們的計算復雜性。（11）計算機體系結構與工程。計算機系統結構或數字計算機組織，是一個計算機系統的概念設計和根本運作結構。它主要側重于中央處理器（CPU）的內部執行和內存訪問。這個領域經常涉及計算機工程和電子工程學科，選擇和互連硬件組件以創造滿足功能、性能和成本目標的計算機。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學（12）軟件工程。軟件工程是對于設計、實現和修改軟件的研究，以確保軟件的高質量、適中的價格、可維護性，以及能夠快速構建。它是一個系統的軟件設計方法，涉及工程實踐到軟件的應用。1.1.2計算科學盡管計算機科學的名字里包含計算機這幾個字，但實際上計算機科學相當數量的領域都不涉及計算機本身的研究。因此，一些新的名字被提出來。某些計算機專家傾向于用術語——計算科學（ComputingScience），以精確強調兩者之間的不同。上一頁下一頁返回1.1計算機科學與計算科學當前計算手段已發展為與理論手段和實驗手段并存的科學研究的第三種手段。理論手段是指以數學學科為代表，以推理和演繹為特征的手段，科學家通過構建分析模型和理論推導進行規律預測和發現。實驗手段是指以物理學科為代表，以實驗、觀察和總結為特征的手段，科學家通過直接的觀察獲取數據，進行規律發現。計算手段則是以計算機學科為代表，以設計和構造為特征的手段，科學家通過建立仿真的分析模型和有效的算法，利用計算工具來進行規律預測和發現。技術進步已經使得現實世界的各種事物都可感知、可度量,進而形成數量龐大的數據或數據群,使得基于龐大數據形成仿真系統成為可能,因此依靠計算手段發現和預測規律成為不同學科的科學家進行研究的重要手段。由此，計算手段與各學科相結合形成了所謂的計算科學。上一頁返回1.2計算機的形成與發展1.2.1計算機的發展歷史20世紀以來人類最偉大的科技發明當數電子計算機。計算機改變了人們傳統的工作和生活方式?，F在我們來回顧一下計算機的發展歷史。1.早期的計算工具人類對計算的需要從遠古時代就產生了。最早的計算方式便是使用自己的手，然而當數字超過十個手指時，人們便開始探索新的計數方法，比如借助石子、結繩等進行計數。早在2000多年前的春秋戰國時代，古代中國人發明的算籌是世界上最早的計算工具，如圖1?1所示。下一頁返回1.2計算機的形成與發展公元前5世紀，中國人發明了算盤，隨后各種各樣的算盤在中國、古希臘、古羅馬等地使用，而算盤至今仍在亞洲許多地方流行，如圖1?2所示。由于算盤對計算非常大的數或者非常小而且還帶有復雜小數的數無能為力，因此，人們又發明了新的計數工具，典型的有拉皮爾算籌、對數計算尺等手動計算工具。但這些工具對于當時的科學研究，特別是天文學和航海中大量的繁雜計算都已不堪重任，人們迫切需要能夠自動計算的機器。得益于當時的鐘表業，特別是齒輪傳動裝置技術的發展，機械式計算機應運而生。2.機械式計算機上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展第一臺機械式計算機是法國物理學家帕斯卡于1642年發明的，如圖1?3所示。這臺加法機利用齒輪傳動原理實現加、減運算。機器中有一組輪子，分別刻著從0到9的10個數字。該加法機在兩數相加時，先在加法機的輪子上撥出一個數，再按照第二個數在相應的輪子上轉動對應的數字，然后得到這兩個數的和。它采用棘輪裝置實現“逢十進一”，當齒輪朝9轉動時，棘輪逐漸升高；當齒輪轉到0時，棘輪就“咔嚓”一聲跌落下來，推動十位數的齒輪前進一擋。該加法機的設計原理對其后的計算機械產生了深遠的影響。然而，帕斯卡加法器還無法讓機器“自動”進行運算。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展1801年，法國紡織機械師杰卡德（J.Jacquard）發明了“自動提花編織機”，把圖案事先制成穿孔卡片，編織機按照穿孔卡片的“指示”提起不同的經線編織圖案。杰卡德編織機啟發了計算機的程序設計思想。1819年，英國科學家巴貝奇設計了“差分機”，并于1822年制造出可動模型。這臺機器能提高乘法速度和改進對數表等數字表的精確度。如圖1?4所示，它有3個齒輪式的寄存器，可以保存3個5位數字，計算精度可以達到6位小數，能計算平方等多種函數表。受差分機的鼓舞，巴貝奇又設想制造分析機，如圖1?5所示。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展分析機以蒸汽機為動力，由齒輪式存儲倉庫（可存儲1000個50位數）、專門進行運算的裝置和根據穿孔卡片上的“0”和“1”對運算順序進行控制的裝置組成。另外，巴貝奇還設想了輸入和輸出數據的裝置。所以分析機實際上已具備了現代計算機邏輯結構的五大部件（存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備）的雛形。與此同時，英國女數學家愛達·奧古斯塔為分析機編寫了一系列計算不同函數的穿孔卡片，使分析機可以按照設計者的意圖自動完成連續的運算，這就是最早的計算機程序設計。然而，由于當時的技術水平限制，巴貝奇和愛達·奧古斯塔最終沒有完成分析機的制造，但巴貝奇仍然是現代計算機設計思想的奠基人。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展3.機電式計算機19世紀末，隨著電學技術的發展，人們開始設計電氣控制的自動計算工具。典型的代表有1888年美國人赫爾曼·霍列瑞斯發明的制表機，如圖1?6所示。它采用穿孔卡片表示數據的是與非。該機器被成功應用于1890年的美國人口普查。此外，還有1944年的馬克1號（MARKI）計算機，如圖1?7所示，它在哈佛大學投入運行。它是全機電式的計算機，采用了數千枚繼電器代替齒輪傳動，總長15米，高2.4米，重達31.5噸，仍然采用十進制，是世界上第一臺通用程序控制計算機。1949年，艾肯研制出使用電子管和繼電器的計算機馬克3號，如圖1?8所示，首次使用磁鼓作為數據和指令的存儲器，從此磁鼓成為第一代電子管計算機中廣泛使用的存儲器。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展4.電子計算機在現代計算機的發展史上，阿蘭·麥席森·圖靈（A.M.Turing，圖1?9）和馮·諾依曼（J.V.Neumann，圖1?10）是兩位最具影響力的人物。阿蘭·麥席森·圖靈在計算機科學方面的主要貢獻有兩個：一是建立圖靈機（TuringMachine，TM）模型，奠定了可計算理論的基礎；二是提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念。圖靈機的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程，圖靈把“計算”這一過程分解成如下步驟：上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展①根據眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應的法則；②指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號；③再改變眼中所看到的范圍；④如此繼續，直到認為計算結束為止。用來模擬“計算”過程的圖靈機模型由以下幾個部分組成：一條兩端可以無限延長的帶子、一個讀寫頭以及含有一組控制讀寫頭工作命令的控制器（含計算功能），如圖1?11所示。圖靈機的帶子被劃分為一系列均勻的方格，讀寫頭可以沿帶子方向左右移動，并可以在每個方格上讀寫，一步一步地改變紙帶上的1或0，經過有限步后圖靈機在停機控制指令的控制下停止移動，最后紙帶上的內容就是預先設計的計算結果。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展圖靈機的概念是現代可計算性理論的基礎。圖靈證明，只有TM能解決的計算問題，實際計算機才能解決；TM不能解決的計算問題，則實際計算機也無法解決。TM的能力概括了數字計算機的計算能力。因此，圖靈機對計算機的一般結構、可實現性和局限性都產生了深遠的影響。1950年10月圖靈在哲學期刊《Mind》上又發表了一篇著名論文“ComputingMachineryandIntelligence”（計算機器與智能）。他指出如果一臺機器對于質問的響應與人類做出的響應完全無法區別，那么這臺機器就具有智能。今天人們把這個論斷稱為圖靈測試（TuringTest），它奠定了人工智能的理論基礎。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展為紀念圖靈對計算機的貢獻，美國計算機學會（ACM）于1966年創立了“圖靈獎”，每年頒發給在計算機科學領域的領先研究人員，被稱為計算機產業界和學術界的諾貝爾獎。馮·諾依曼的最大貢獻則是提出一個全新的存儲程序通用電子計算機方案，方案明確規定，新機器有五個組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備。此外，新方案還有兩點重大改進，一是采用二進數制，簡化了計算機結構；二是建立存儲程序，將指令和數據放進存儲器，加快了運算速度。新機器EDVAC于1952年研制成功。馮·諾依曼概念被認為是計算機發展史上的一個里程碑，它標志著電子計算機時代的真正開始。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展以此概念為基礎的各類計算機統稱為馮·諾依曼機。50多年來，雖然計算機系統從性能指標、運算速度、工作方式、應用領域等方面與當時的計算機有很大差別，但基本結構沒有變，都屬于馮·諾依曼計算機。但是，馮·諾依曼自己也承認，他的關于計算機“存儲程序”的想法都來自圖靈。1.2.2電子計算機的發展大家公認的第一臺電子數字計算機是1946年2月在美國賓夕法尼亞大學莫爾電工學院研制成功的“埃尼阿克”（ENIAC），如圖1?12所示。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展這臺由美國陸軍軍械署資助完成的計算機共用了18800個電子管、70000個電阻器、10000個電容器、1500個繼電器，占地約167平方米，重約30噸，耗電150千瓦。這個龐大的計算機每秒能進行5000次加法，或者400次乘法，比機械式的繼電器計算機快1000倍。至今人們公認，ENIAC機的問世，表明了電子計算機時代的到來，具有劃時代意義。然而ENIAC最致命的缺陷是沒有存儲程序，指揮計算的程序指令被存放在外部接線板上，在計算前，必須由人工花費幾小時甚至幾天的時間把數百條線路正確地接通，才能進行幾分鐘的運算。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展所以ENIAC并沒有對以后的計算機結構和工作原理產生什么影響。1950年，馮·諾依曼等人研制成功EDVAC，如圖1?13所示。它首次實現了馮·諾依曼的“存儲程序”思想和采用了二進制，是真正意義上的現代電子數字計算機。從第一臺電子計算機ENIAC誕生到現在短短的70多年中，計算機的發展日新月異，特別是電子元器件的發展有力地推動了計算機的發展。根據計算機采用的電子元器件的不同，將計算機的發展劃分為四個階段。1.第一代計算機（1946—1957年）上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展第一代計算機是電子管計算機。其基本元件是電子管，如圖1?14（a）所示。內存儲器采用水銀延遲線，外存儲器有紙帶、卡片、磁帶和磁鼓等。由于當時電子技術的限制，運算速度為每秒幾千次到幾萬次，而且內存儲器容量也非常小，只有1000～4000字節。此時的計算機已經用二進制代替了十進制，所有的數據和指令都用若干個0和1表示，這很容易對應于電子元件的“導通”和“截止”。計算機程序設計語言還處于最低階段，要用二進制代碼表示的機器語言進行編程，工作十分煩瑣。直到20世紀50年代末才出現了稍微方便一點的匯編語言。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展UNIVAC（UniversalAutomaticComputer）是第一代計算機的典型代表，第一臺產品于1951年交付美國人口統計局使用。它的交付使用標志著計算機從實驗室進入了市場，從軍事應用領域轉入數據處理領域。其他代表性的新機型有IBM650、IBM709。第一代計算機體積龐大，造價昂貴，因此基本上還是局限于軍事研究領域應用的狹小天地。2.第二代計算機（1958—1964年）1948年，貝爾實驗室發明晶體管，如圖1?14（b）所示。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展晶體管是一種開關元件，具有體積小、重量輕、開關速度快、工作溫度低、穩定性好等特點，所以第二代計算機以晶體管為主要元件。此時，內存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯，每個小米粒大小的磁芯可存一位二進制代碼；外存儲器有磁盤、磁帶。隨著外部設備種類的增加，運算速度從每秒幾萬次提高到每秒幾十萬次，內存儲器容量擴大到幾十萬字節。計算機軟件方面也有了較大的發展，出現了監控程序并發展成為后來的操作系統；另外，BASIC、FORTRAN和COBOL等高級程序設計語言相繼推出，使編寫程序的工作變得更為方便并實現了程序兼容。這樣，計算機工作的效率大大提高。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展第二代計算機與第一代計算機相比較，晶體管計算機體積小、成本低、重量輕、功耗小、速度快、功能強且可靠性高。使用范圍也由單一的科學計算擴展到數據處理和事務管理等其他領域中。IBM7000系列機是第二代計算機的典型代表。3.第三代計算機（1965—1970年）1958年第一塊集成電路［圖1?14（c）］誕生以后，集成電路技術的發展日臻成熟。集成電路的問世催生了微電子產業，第三代計算機的主要元件采用小規模集成電路（SmallScaleIntegratedCircuits，SSIC）和中規模集成電路（MediumScaleIntegratedCircuits，MSIC）。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展集成電路是用特殊的工藝將大量完整的電子線路做在一個硅片上，與晶體管電路相比，集成電路計算機的體積、重量、功耗都進一步減小，運算速度、邏輯運算功能和可靠性都進一步提高。軟件在這個時期形成了產業，操作系統在種類、規模和功能上發展很快。通過分時操作系統，用戶可以共享計算機的資源。結構化、模塊化的程序設計思想被提出，而且出現了結構化的程序設計語言PASCAL。第三代計算機廣泛應用于數據處理、過程控制和教育等方面。IBM360系列是最早采用集成電路的通用計算機，也是影響最大的第三代計算機。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展4.第四代計算機（自1971年至今）隨著集成電路技術的不斷發展，單個硅片可容納電子線路的數目也在迅速增加。20世紀70年代初期出現了可容納數千個至數萬個晶體管的大規模集成電路（LargeScaleIntegratedCircuits，LSIC），70年代末又出現了一個芯片上可容納幾萬到幾十萬個晶體管的超大規模集成電路（VaryLargeScaleIntegratedCircuits，VLSIC）。VLSIC能把計算機的核心部件甚至整個計算機都做在一個硅片上。第四代計算機的主要元件是采用大規模集成電路（LSIC）和超大規模集成電路（VLSIC）。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展集成度很高的半導體存儲器完全代替了使用達20年之久的磁芯存儲器，外存磁盤的存取速度和存儲容量大幅度上升。計算機的速度可達每秒幾百萬次至上億次，體積、重量和耗電量進一步減小，計算機的性價比基本上以每18個月翻一番的速度上升（即著名的More定律）。軟件工程的概念開始提出，操作系統向虛擬操作系統發展，各種應用軟件豐富多彩，在各行業中都有應用，大大擴展了計算機的應用領域。IBM4300系列、3080系列、3090系列和9000系列是這一時期的主流產品。綜上所述，計算機的發展歷程見表1?1。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展5.新一代計算機為了爭奪世界范圍內信息技術的制高點，20世紀80年代初期，各國展開了研制第五代計算機的激烈競爭。第五代計算機的研制推動了專家系統、知識工程、語言合成與語音識別、自然語言理解、自動推理和智能機器人等方面的研究，取得了大批成果。①生物計算機。微電子技術和生物工程這兩項高科技的互相滲透，為研制生物計算機提供了可能。20世紀70年代以來，人們發現脫氧核糖核酸（DNA）處在不同的狀態下，可產生有信息和無信息的變化。聯想到邏輯電路中的0與1、晶體管的導通或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等，激發了科學家們研制生物元件的靈感。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展1995年，來自各國的200多位有關專家共同探討了DNA計算機的可行性，認為生物計算機是以生物電子元件構建的計算機，而不是模仿生物大腦和神經系統中信息傳遞、處理等相關原理來設計的計算機。生物電子元件是利用蛋白質具有的開關特性，用蛋白質分子制作成集成電路，形成蛋白質芯片、紅血素芯片等。利用DNA化學反應，通過和酶的相互作用可以將某基因代碼通過生物化學的反應轉變為另一種基因代碼，轉變前的基因代碼可以作為輸入數據，反應后的基因代碼可以作為運算結果。利用這一過程可以制成新型的生物計算機。但科學家們認為生物計算機的發展可能還要經歷一個較長的過程。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展②光子計算機。光子計算機是一種用光信號進行數字運算、信息存儲和處理的新型計算機。運用集成光路技術，把光開關、光存儲器等集成在一塊芯片上，再用光導纖維連接成計算機。1990年1月底，貝爾實驗室研制成第一臺光子計算機，盡管它的裝置很粗糙，由激光器、透鏡、棱鏡等組成，只能用來計算。但是，它畢竟是光子計算機領域中的一大突破。正像電子計算機的發展依賴于電子器件，尤其是集成電路一樣，光子計算機的發展也主要取決于光邏輯元件和光存儲元件，即集成光路的突破。近年來CD?ROM光盤、VCD光盤和DVD光盤的接踵出現，是光存儲研究的巨大進展。網絡技術中的光纖信道和光轉接器技術也已相當成熟。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展光子計算機的關鍵技術，即光存儲技術、光互聯技術、光集成器件等方面的研究都已取得突破性的進展，為光子計算機的研制、開發和應用奠定了基礎。現在，全世界除貝爾實驗室外，日本和德國的其他公司也都投入巨資研制光子計算機，預計在21世紀將出現更加先進的光子計算機。③超導計算機。1911年昂尼斯發現純汞在4.2K低溫下電阻變為零的超導現象。超導線圈中的電流可以無損耗地流動。在計算機誕生之后，超導技術的發展使科學家們想到用超導材料來替代半導體制造計算機。早期的工作主要是延續傳統的半導體計算機的設計思路，只不過是將半導體材料的邏輯門電路改用為超導體材料的邏輯門電路。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展從本質上講并沒有突破傳統計算機的設計構架，而且，在20世紀80年代中期以前，超導材料的超導臨界溫度僅在液氦溫區，實施超導計算機的計劃費用昂貴。然而，在1986年左右出現重大轉機，高溫超導體的發現使人們可以在液氮溫區獲得新型超導材料，于是超導計算機的研究又獲得了各方面的廣泛重視。超導計算機具有超導邏輯電路和超導存儲器，運算速度是傳統計算機無法比擬的。所以，世界各國科學家都在研究超導計算機，但還有許多技術難關有待突破。④量子計算機?，F在放在我們面前的高速現代化的計算機與計算機的祖先“ENIAC”相比并沒有什么本質的區別，盡管計算機體積已經變得更加小巧，而且執行速度也非常快，但是計算機的任務卻并沒有改變，即對二進制位0和1的編碼進行處理并解釋為計算結果。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展每個位的物理實現是通過一個肉眼可見的物理系統完成的，如從數字和字母到我們所用的鼠標或調制解調器的狀態等都可以用一系列0和1的組合來代表。傳統計算機與量子計算機之間的區別是傳統計算機遵循著眾所周知的經典物理規律，而量子計算機則是遵循著獨一無二的量子動力學規律，是一種信息處理的新模式。在量子計算機中，用“量子位”來代替傳統電子計算機的二進制位。二進制位只能用“0”和“1”兩個狀態表示信息，而“量子位”用粒子的量子力學狀態來表示信息，兩個狀態可以在一個“量子位”中并存?！傲孔游弧奔瓤梢允褂门c二進制位類似的“0”和“1”，也可以使用這兩個狀態的組合來表示信息。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展正因如此，量子計算機被認為可以進行傳統電子計算機無法完成的復雜計算，其運算速度將是傳統電子計算機無法比擬的。1.2.3我國計算機的發展我國計算機事業起步雖晚，但發展很快。1956年我國開始規劃制造電子計算機。1957年由中國科學院計算技術研究所和北京有線電廠著手研制。1958年，成功研制出我國第一臺小型電子管通用計算機103機（八一型），標志著我國第一臺電子計算機的誕生。此后隨著計算機技術的迅速發展，我國相繼研制出了每秒運算上億次、百億次、千億次、萬億次的“銀河”“曙光”“神威”等系列的巨型電子計算機。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展目前，我國已成為世界上第3個擁有制造十萬億次超級計算機能力的國家。下面是我國計算機發展史上一些標志性的事件。1958年，中科院計算所研制出我國第一臺小型電子管通用計算機103機（八一型），運行速度可達到每秒1500次；1965年，中科院計算所研制出第一臺大型晶體管計算機109乙機，之后推出109丙機，該機在兩彈試驗中發揮了重要作用。1973年，中國第一臺百萬次集成電路計算機研制成功。1974年，清華大學等單位聯合設計、研制成功采用集成電路的DJS?130小型計算機，運算速度達每秒100萬次。1977年，中國第一臺微型計算機DJS?050機研制成功。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展1983年，國防科技大學研制的銀河Ⅰ號巨型計算機，運行速度達到每秒1億次。1992年，國防科技大學研制的銀河Ⅱ號巨型計算機，運行速度達到每秒10億次。1995年，國家智能機研發中心研制的曙光1000大型計算機，運行速度達到每秒25億次。1997年，國防科技大學研制的銀河Ⅲ號巨型計算機，峰值性能為每秒130億次浮點運算。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展1997年至1999年，曙光公司先后在市場上推出具有集群結構（Cluster）的曙光1000A、曙光2000?Ⅰ、曙光2000?Ⅱ超級服務器，峰值計算速度已突破每秒1000億次浮點運算，機器規模已超過160個處理機。1999年，國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威Ⅰ計算機通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。該系統有384個運算處理單元，峰值運算速度達每秒3840億次。2000年，曙光公司推出每秒3000億次浮點運算的曙光3000超級服務器。2001年，中科院計算所研制成功我國第一款通用CPU——“龍芯”芯片。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展2002年，曙光公司推出具有完全自主知識產權的“龍騰”服務器，龍騰服務器采用了“龍芯?1”CPU，采用了曙光公司和中科院計算所聯合研發的服務器專用主板，采用曙光Linux操作系統。該服務器是國內第一臺完全實現自主知識產權的產品，在國防、安全等部門發揮了重大作用。2002年，中國聯想集團研制的深騰1800超級計算機，運行速度達到每秒1.027萬億次。2003年，曙光公司推出具有百萬億次數據處理能力的超級服務曙光4000L，再一次刷新國產超級服務器的歷史紀錄，使得國產高性能計算機產業再上新臺階。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展2003年，中國聯想集團研制的深騰6800超級計算機，運行速度達到每秒4.183萬億次。2003年，清華大學研制出深超?21C超級計算機，最高速度達到每秒1.5萬億次。2004年，國家智能機研發中心研制的曙光4000A超級計算機，運行速度達到每秒10萬億次。2008年，啟用曙光5000A高性能計算機。它采用4路4核的刀片服務器體系架構，共采用了7680顆低功耗AMD真四核皓龍處理器，122.88TB內存，700TB數據存儲能力，采用低延遲的20GB的網絡互聯，其設計浮點運算速度峰值為每秒230萬億次。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展2009年10月，國防科技大學成功研制出峰值性能為每秒1206萬億次的“天河一號”超級計算機。我國成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。2010年，推出了千萬億次計算機“曙光6000”（見圖1?15），采用了完全自主設計和擁有全部知識產權的國產“龍芯”處理器。上一頁下一頁返回1.2計算機的形成與發展2013年，我國自主研制的“天河二號”超級計算機（見圖1?16）問世，峰值計算速度達到每秒5.49億億次，持續計算速度達到每秒3.39億億次，綜合技術處于國際領先水平，計算速度比同期在全球超級計算機500強榜單中排名第二的美國“泰坦”快近一倍。2016年，使用中國自主知識產權芯片制造的“神威·太湖之光”，以峰值計算速度12.5億億次/秒、持續計算速度9.3億億次/秒，取代“天河二號”，成為世界上運算速度最快的超級計算機。上一頁返回1.3計算機基礎知識1.3.1計算機的特點和分類1.計算機的特點計算機是在程序的控制之下，自動高效地完成信息處理的數字化電子設備。它能按照人們編寫的程序對輸入的原始數據進行加工處理、存儲或傳送，以便獲得所期望的輸出信息，從而利用這些信息來提高社會勞動生產率，并改善人們的生活。各種類型的計算機雖然在性能、規模、結構、用途等方面有所不同，但都具備如表1?2所示的特點。2.計算機的分類下一頁返回1.3計算機基礎知識隨著計算機技術的發展和應用，尤其是微處理器的發展，計算機的類型越來越多樣化。從不同角度對計算機有不同的分類方法，通常從以下三個不同角度對計算機進行分類。（1）按計算機處理數據的方式分類。按計算機處理數據的方式可以分為數字計算機（DigitalComputer）、模擬計算機（AnalogComputer）和數?；旌嫌嬎銠C（HybridComputer）三類。數字計算機：它處理的是非連續變化的數據，這些數據在時間上是離散的。輸入的是數字量，輸出的也是數字量，如職工編號、年齡、工資數據等。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識基本運算部件是數字邏輯電路，因此其運算精度高、通用性強。模擬計算機：它處理和顯示的是連續的物理量，所有數據用連續變化的模擬信號來表示，其基本運算部件是由運算放大器構成的各類運算電路。模擬信號在時間上是連續的，通常稱為模擬量，如電壓、電流、溫度都是模擬量。一般來說，模擬計算機不如數字計算機精確，通用性不強，但解題速度快，主要用于過程控制和模擬仿真。數模混合計算機：它兼有數字和模擬兩種計算機的優點，既能接收、處理和輸出模擬量，又能接收、處理和輸出數字量。（2）按計算機使用范圍分類。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識按計算機使用范圍可分為通用計算機（GeneralPurposeComputer）和專用計算機（SpecialPurposeComputer）兩類。通用計算機：是指為解決各種問題和具有較強的通用性而設計的計算機。該類計算機適用于一般的科學計算、學術研究、工程設計和數據處理等，這類機器本身有較大的適用面。專用計算機：是指為適應某種特殊應用而設計的計算機，具有運行效率高、速度快、精度高等特點。一般用在過程控制中，如智能儀表、飛機的自動控制、導彈的導航系統等。（3）按計算機的規模和處理能力分類。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識規模和處理能力主要是指計算機的字長、運算速度、存儲容量、外部設備、輸入和輸出能力等主要技術指標，大體上可分為巨型機、大型機、小型機、微型機、工作站、服務器等幾類。巨型計算機（Supercomputer）：是指運算速度快、存儲容量大，每秒可達1億次以上浮點運算速度，主存容量高達幾百兆字節甚至幾百萬兆字節，字長可達32位至64位的機器。這類機器價格相當昂貴，主要用于復雜、尖端的科學研究領域，特別是軍事科學計算。我國自主生產的天河一號（見圖1?17）千萬億次機、曙光?5000A型機（見圖1?18）均屬于巨型計算機。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識大型計算機（Mainframe）：是指通用性能好、外部設備負載能力強、處理速度快的一類機器。運算速度在每秒100萬次至幾千萬次，字長為32位至64位，主存容量在幾十兆字節至幾百兆字節之間。它有完善的指令系統、豐富的外部設備和功能齊全的軟件系統，并允許多個用戶同時使用。這類機器主要用于科學計算、數據處理或作為網絡服務器。IBM系列大型機如圖1?19所示。小型計算機（Minicomputer或Mins）：它具有規模較小、結構簡單、成本較低、操作簡單、易于維護、與外部設備連接容易等特點，是在20世紀60年代中期發展起來的一類計算機。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識當時的小型機字長一般為16位，存儲容量在32KB與64KB之間。DEC公司的PDP11/20到PDP11/70是這類機器的代表。當時微型計算機還未出現，因而得以廣泛推廣應用，許多工業生產自動化控制和事務處理都采用小型機。近年來的小型機，像IBMAS/400、RS/6000，其性能已大大提高，主要用于事務處理。IBM系列小型機如圖1?20所示。微型計算機（Microcomputer）：是以運算器和控制器為核心，加上由大規模集成電路制作的存儲器、輸入/輸出接口和系統總線構成的體積小、結構緊湊、價格低但又具有一定功能的計算機。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識如果把這種計算機制作在一塊印刷線路板上，就稱為單板機。如果在一塊芯片中包含運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出接口，就稱為單片機。以微機為核心，再配以相應的外部設備（如鍵盤、顯示器、鼠標、打印機）、電源、輔助電路和控制微機工作的軟件就構成了一臺完整的微型計算機系統。工作站（Workstation）：是指為了某種特殊用途而將高性能的計算機系統、輸入/輸出設備與專用軟件結合在一起的系統。它的獨到之處是有大容量主存、大屏幕顯示器，特別適合于計算機輔助工程。服務器（Server）：是在網絡環境下為多用戶提供服務的共享設備，一般分為文件服務器、打印服務器、計算服務器和通信服務器等。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識該設備連接在網絡上，網絡用戶在通信軟件的支持下遠程登錄，共享各種服務。目前，微型計算機與工作站、小型計算機乃至大型計算機之間的界限已經越來越模糊。無論按哪一種方法分類，各類計算機之間的主要區別是運算速度、存儲容量及機器體積等。1.3.2計算機應用概述隨著計算機技術的發展，尤其是結合了計算機網絡通信技術，計算機的應用范圍日益擴大，已滲透到科學技術、國民經濟、社會生活等各個方面，而且正在不斷地改變著人們的工作、學習和生活方式，推動著社會的發展。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識計算機的應用包括以下幾個方面。1.科學計算科學計算是指科學研究和工程技術中遇到的數學問題的求解，也稱數值計算。科學研究對計算能力的需要是無止境的。計算機具有速度快、精度高的特點。通過計算機可以解決人工無法解決的復雜計算問題，過去人工計算需要幾個月，甚至幾年時間才能完成的，甚至畢生都無法完成的工作量，現在也只要幾天、幾個小時、甚至幾分鐘就能解決了。隨著現代科學技術的進一步發展，科學計算在現代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領域顯得尤為重要。目前，科學計算仍然是計算機應用的一個重要領域。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識2.數據處理數據處理又稱為非數值計算，就是使用計算機對大量的數據進行輸入、分類、加工、整理、合并、統計、制表、檢索以及存儲、計算、傳輸等操作。數據處理涉及的數據量大，但計算方法較簡單。目前計算機的數據處理應用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務管理、圖書資料管理、商業數據交流、情報檢索、經濟管理、辦公自動化等都屬于這方面的應用。數據處理已成為當代計算機的首要任務，是現代化管理的基礎。在當今信息化的社會中，每時每刻都在產生大量的信息，只有利用計算機才能夠在浩瀚的信息海洋中充分獲取寶貴的信息資源。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識3.人工智能人工智能是由計算機來模擬或部分模擬人類的智能，使計算機具有識別語言、文字、圖形和進行推理、學習以及適應環境的能力。雖然計算機的能力在許多方面遠遠超過人類，但是真正要達到人的智能還是非常遙遠的事情。人工智能是計算機應用的一個新的領域，目前已有一些系統能夠替代人的部分腦力勞動，獲得了實際的應用，尤其是在機器人、專家系統、模式識別等方面。4.實時控制上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識實時控制又稱為過程控制，是指用計算機實時地采集、檢測受控對象的數據，并快速地進行處理，按最佳值迅速對控制對象進行自動化控制或自動調節?，F代工業的發展，生產規模不斷擴大，技術和工藝日趨復雜，因而對實現生產過程自動化的控制系統要求也日益提高。使用計算機進行過程控制，既可以提高控制的自動化水平，也可以提高控制的及時性和準確性。計算機在自動控制方面的應用非常廣泛，包括工業流程的控制、生產過程控制、交通運輸管理等。在衛星、導彈發射等國防尖端技術領域，更是離不開計算機的實時控制，無人駕駛飛機、導彈、人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制，都是靠計算機實現的。家用電器、日常生活服務器的生產中也大量應用了計算機的自動控制功能。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識5.計算機輔助系統計算機輔助系統是指利用計算機輔助人們進行設計、制造等工作，主要包括以下幾方面：計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）、計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）、計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）和計算機輔助教學（ComputerAidedInstruction，CAI）。CAD是利用計算機的計算、邏輯判斷、數據處理以及繪圖功能，并與人的經驗和判斷能力相結合，共同來完成各種產品或者工程項目的設計工作。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識CAD可縮短設計周期、降低成本、提高設計質量，同時提高圖紙的復用率和可管理性。CAM是使用計算機輔助人們完成工業產品的制造任務，可實現對工藝流程、生產設備等的管理與對生產裝置的控制和操作。CIMS是指以計算機為中心的現代化信息技術應用于企業管理與產品開發制造的新一代制造系統。包括CAD、CAM、CAPP（計算機輔助工藝規劃）、CAE（計算機輔助工程）、CAQ（計算機輔助質量管理）、PDMS（產品數據管理系統）、管理和決策、網絡與數據庫及質量保證系統等子系統的技術集成。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識將計算機技術集成到制造工廠的整個生產過程中，使企業內的信息流、物流、能量流和人員活動形成一個統一協調的整體，形成一個流水線，從而建立現代化的生產管理模式。CAI是指利用計算機模擬教師的教學行為進行授課，學生通過與計算機的交互進行學習并自測學習效果，是提高教學效率和教學質量的新途徑。計算機輔助教學利用文字、圖形、圖像、動畫、聲音等多種媒體將教學內容開發成CAI軟件的方式，使教學過程形象化；可以采用人機對話方式，對不同學生采取不同的內容和進度，改變了教學的統一模式，不僅有利于提高學生的學習興趣，更適用于學生個性化、自主化的學習，可以實現自我檢測、自動評分等功能。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識6.其他應用領域隨著電子技術特別是通信和計算機技術的發展，人們已經有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種“媒體”綜合起來，構成一種全新的概念——多媒體（Multimedia）。多媒體技術是以計算機技術為核心，將現代聲像技術和通信技術融為一體，能對文本、圖形、圖像、音頻、視頻、動畫等多種媒體信息進行存儲、傳送和處理的綜合技術。它的應用領域十分廣泛，如在線播放、可視電話、視頻會議系統等。多媒體技術的應用正改變著人類的生活和工作方式。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識計算機技術、多媒體技術、動畫技術以及網絡技術的不斷發展，使得計算機能夠以圖像和聲音集成的形式向人們提供一種“虛擬現實”，出現了虛擬工廠、虛擬人體、虛擬主持人等許許多多虛擬的東西。當代的虛擬現實是使用計算機生成的一種模擬環境，通過多種傳播設備使用戶“融入”該環境中，實現用戶與環境直接進行交互的目的。這種模擬環境是用計算機構成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現實世界的真實寫照，也可以是純粹虛構的世界。利用“虛擬現實”環境，可以在計算機上模擬訓練汽車駕駛員、模擬拍攝科學幻想電影影片。實踐證明，計算機模擬不僅成本低，而且模擬效果好，很容易實現逼真的被模擬環境。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識隨著網絡技術的發展，計算機的應用領域越來越廣泛，它已深入國民經濟和社會生活的各個方面，通過現代高速信息網可以實現數據與信息的查詢、高速通信服務（如電子郵件、文檔傳輸、可視電話會議等）、遠程教育、電子圖書館、電子政務、電子商務、遠程醫療和會診、交通信息管理以及電子娛樂等。計算機應用的高速發展進一步推動著信息社會更快地向前發展。未來計算機的應用將重點朝著人工智能、信息家電等領域的應用方向發展，將在分布式系統應用和基于構件的軟件開發技術等方面出現突破性的新進展。信息家電是一種將PC與家用電器融合、使用方便并且價格低廉的上網工具，它代表了計算機、通信和消費類電子產品（俗稱“3C”）相融合的發展方向。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識今后，越來越多的計算機將不再以孤立的形式出現，而是嵌入其他裝置中或與網絡相連接。具有代表性的一些信息家電產品包括網絡電視、網絡可視電話、網絡型智能手持設備（如蜂窩電話、個人數據助理、掌上PC，手持無線上網設備、網絡個人接入器等便攜式設備）、數字控制委托和網絡游戲機等。在信息化的社會中，隨著工作、生活節奏的加快，人們對即時、就地獲取信息的需求越來越迫切，未來信息家電、家庭網絡等將獲得更加迅速的發展和更加廣泛的普及。1.3.3計算機系統的基本構成上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識一個完整的計算機系統分為硬件系統（Hardware）和軟件系統（Software）兩大部分。硬件系統是指收集、加工、處理數據以及輸出數據所需的設備實體，是看得見、摸得著的部件總和。軟件系統是指為了充分發揮硬件系統性能和方便人們使用硬件系統，以及為解決各類應用問題而設計的程序、數據、文檔總和，它們在計算機中體現為一些觸摸不到的二進制狀態，存儲在內存、磁盤、閃存盤、光碟等硬件設備上。硬件系統和軟件系統兩者是有機結合體，相輔相成，缺一不可。上一頁下一頁返回1.3計算機基礎知識沒有軟件的計算機（裸機）幾乎是毫無用處的，因此有人說硬件是計算機的軀體，軟件是它的靈魂。另外，計算機系統的許多功能可以由硬件實現，也可以由軟件實現，兩者的界限不是固定和一成不變的。為了使計算機系統的性能不斷提高，存在著軟件硬化、硬件軟化、互相滲透的趨勢。詳細內容參見第3章。上一頁返回1.4計算機發展趨勢1.4.1普適計算普適計算（PervasiveComputing）是IBM公司在1999年發明的，意指在任何時間、任何地點都可以計算，也稱為無處不在的計算（UbiquitousComputing），即計算機無時不在、無處不在，以至于就像沒有計算機一樣。普適計算的實現需要研究和解決的問題包括：①隨時隨地的計算聯網問題。需要研究移動互聯網技術和3G/4G網絡。②各種設備、設施本身的計算控制問題。需要研究嵌入式技術，即將各種設備均嵌入計算芯片，使其本身具有計算能力或使其能夠被計算設備感知和控制能力。③普適計算模型問題。下一頁返回1.4計算機發展趨勢當眾多的設施設備可以隨時隨地聯網后，需要研究如何進行控制：統一控制、分布控制、自治控制、遠程控制等，需要有新的普適計算模型以真正發揮普適計算的作用。隨著技術的發展，普適計算正在逐漸成為現實。在人們的日常生活中已經可以看到普適計算的身影，如自動洗衣機可以按照設定的模式自動完成洗衣工作，智能電飯煲可以在我們早晨醒來的時候做好飯，在大街上拿著手機上網，捧著筆記本在機場大廳查收郵件，在家里網上預訂酒店、機票等。盡管還沒有達到十足的普適計算，但已經體現了普適計算的雛形。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢未來，通過將普適計算設備嵌入人們生活的各種環境中，將計算從桌面上解脫出來，讓用戶能以各種靈活的方式享受計算能力和系統資源。那時候在我們的周圍到處都是計算機，這些計算機將依據不同的計算要求而呈現不同的模樣、不同的名稱，以至于我們忘記了它們其實就是計算機。1.4.2高性能計算發展高速度、大容量、功能強大的超級計算機，對于進行科學研究、保衛國家安全、提高經濟競爭力具有非常重要的意義。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢諸如氣象預報、航天工程、石油勘測、人類遺傳基因檢測、機械仿真等現代科學技術，以及開發先進的武器、軍事作戰的謀劃和執行、圖像處理及密碼破譯等，都離不開高性能計算機。研制超級計算機的技術水平體現了一個國家的綜合國力，因此超級計算機的研制是各國在高技術領域競爭的熱點。高性能計算需要實現更快的計算速度、更大負載能力和更高的可靠性。實現高性能計算的途徑包括兩方面，一方面是提高單一處理器的計算性能，另一方面是把這些處理器集成，由多個CPU構成一個計算機系統，這就需要研究多CPU協同分布式計算、并行計算、計算機體系結構等技術。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢1.4.3服務計算與云計算服務屬于商業范疇，計算屬于技術范疇，服務計算是商業與技術的融合，通俗地講，就是把計算當成一種服務提供給用戶。傳統的計算模式通常需要購置必要的計算設備和軟件，這種計算往往不會持續太長的時間，或者偶爾為之。不計算的時候，這些設備和軟件就處于閑置狀態。思考一下世界上該有多少這樣的設備和軟件？如果能夠把所有這些設備和軟件集中起來，供需要的用戶使用，那只需要支付少許的租金即可，一方面用戶節省了成本，另一方面設備和軟件的利用率達到了最大化。這就是服務計算的理念。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢將計算資源，如計算節點、存儲節點等以服務的方式，即以可擴展可組合的方式提供給客戶，客戶可按需定制、按需使用計算資源，類似于這種計算能力被稱作云計算。按照計算資源的劃分，可將硬件部分（如計算節點、存儲節點等）按服務提供，即基礎設施作為服務（InfrastructureasaService，IaaS），還可將操作系統、中間件等按服務提供，即平臺作為服務（PlatformasaService，PaaS），還可將應用軟件等按服務提供，即軟件作為服務（SoftwareasaService，SaaS）。按服務提供，即讓用戶不追求所有，但追求所用，按使用時間和使用量支付費用。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢進一步，將計算資源推廣到現實世界各種各樣的資源，如車輛資源、倉儲資源等，能否以服務的方式提供呢？現實世界的資源外包服務已經普遍化了，即不求所有但求所用。將現實世界的這種資源外包服務，以互聯網的形式進行資源的聚集、資源的租賃、資源的使用監控等，是資源外包服務的新模式，被稱為“云服務”。設想，一家婚慶公司，有客戶需要數十輛高級婚車服務而其自身又沒有這么多高級轎車時怎么辦？如果能夠將整個城市，甚至若干城市的高級轎車擁有者通過互聯網聯結起來，而婚慶公司可通過互聯網與高級轎車擁有者實現溝通，是否可以解決這個問題呢？上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢另一個服務計算的例子。航空器中最關鍵的是航空發動機，而航空發動機的狀態監控與維護對于飛行安全是至關重要的。那么，航空公司在購買航空器時能否不購買發動機，而只購買發動機的安全飛行小時數呢？若是這樣，發動機制造公司也會改變產品售后服務方式，比如其可全程監控天空飛行的每一架飛行器，監測其是否存在隱患。如果發現隱患，可提前運送一臺正常發動機到飛行器降落地，并及時更換之以保證不耽擱飛行器的正常飛行，而替換下來的發動機因及時維護可使其保持常新狀態，這樣是否實現了多贏呢？上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢服務計算的核心技術包括Web服務、面向服務的體系結構（ServiceOrientedArchitecture，SOA）與企業服務總線（EnterpriseServiceBus，ESB）、云計算（CloudComputing）、工作流（WorkFlow）和虛擬化（Virtualization）、分布式計算與并行計算、群體服務網絡計算與社會服務網絡計算等。1.4.4生物計算生物計算是指利用計算機技術研究生命體的特性和利用生命體的特性研究計算機的結構、算法與芯片等技術的統稱。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢生物計算包含兩方面：一方面，晶體管的密度已經接近當前所用技術的極限，要繼續提高計算機的性能，就要尋找新的計算機結構和新的元器件，生物計算機成為一種選擇；另一方面，隨著分子生物學的突飛猛進，它已經成為數據量最大的一門學問，借助計算機進行分子生物信息研究，可以通過數量分析的途徑獲取突破性的成果。20世紀70年代，人們發現脫氧核糖核酸（DNA）處在不同的狀態下，可產生有信息和無信息的變化，這個發現引發了人們對生物元件的研究和開發?？茖W家發現，蛋白質有開關特性，用蛋白質分子作元件可以制成集成電路，稱為生物芯片（見圖1?21）。上一頁下一頁返回1.4計算機發展趨勢生物體元件和生物芯片研究的本質是不斷發現可重復的穩定的新型元器件及其線路，以制作新型計算機；此外，還要研究不同于目前計算機基于二進制的算法實現技術，即研究將自然界的智能計算模式融入新型計算模式中，使計算機具有更高的性能。生物計算更重要的方面是利用計算機進行基因組研究，運用大規模高效的理論和數值計算，歸納、整理基因組的信息和特征，模擬生命體內的信息流過程，進而揭示代謝、發育、分化、進化的規律，探究人類健康和疾病的根源，并進一步轉化為醫學領域的進步，從而為人類的健康服務。目前，這方面的研究包括基因組序列分析、基因組注釋、生物多樣性的度量、蛋白質結構預測、蛋白質表達分析、比較基因組學、基因表達分析、生物系統模擬、藥物研發等方面的應用。上一頁返回1.5計算思維1.5.1計算思維是什么1.計算思維的定義2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授在美國計算機權威期刊《CommunicationsoftheACM》上發表了題為“ComputationalThinking”的論文，將計算思維定義為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為的一系列思維活動的統稱。為了讓人們更易于理解，周以真教授對計算思維進行了多層次的詳細闡釋：下一頁返回1.5計算思維①計算思維是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看似困難的問題重新闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法。②計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數據又能把數據譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。③計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務或進行巨大復雜系統設計的方法，是基于關注點分離的方法，即將復雜問題做合理的分解，再分別仔細研究問題的不同側面，最后綜合各方面的結果，合成整體的解決方案。④計算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個問題，或對一個問題的相關方面建模，使其易于處理的思維方法。上一頁下一頁返回1.5計算思維⑤計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統恢復的一種思維方法。⑥計算思維是利用啟發式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規劃、學習和調度的思維方法。⑦計算思維是利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。2.計算思維的本質上一頁下一頁返回1.5計算思維計算思維活動的基本方式是：先對社會/自然現象進行正確的抽象，表達成可以計算的對象，構造對這種對象進行計算的算法和系統，來實現社會/自然的計算，進而通過這種計算發現社會/自然的演化規律。計算思維最根本的內容，即其本質是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）。抽象是認識復雜現象過程中使用的思維工具，即從眾多的事物中抽取出共同的、本質性的特征，而舍棄其非本質的特征。抽象是數學的一個最基本特征，無論是數學概念，還是數學方法都是抽象的。數學抽象方法是數學研究中的一種基本方法。上一頁下一頁返回1.5計算思維數學抽象的最大特點是拋開現實事物的物理、化學和生物學等特性，僅保留其量的關系和空間的形式。而計算思維中的抽象卻不僅僅如此，與數學和物理科學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。計算思維中的抽象過程包括選擇正確的抽象方法，同時處理多個層面的抽象，以及定義不同抽象層面之間的關系。此外，計算思維的抽象化不僅表現為研究對象的形式化表示，還隱含著這種表示應具備有限性、程序性和機械性，即計算思維表達結論的方式必須是一種有限的形式，而且語義必須是確定的，在理解上不會出現因人而異、因環境而異的歧義性；同時又必須是一種機械的方式，可以通過機械的步驟來實現。上一頁下一頁返回1.5計算思維自動化是將抽象、抽象層以及它們之間的關系機械化。機械化的可行性是由精確、嚴格的符號和模型所保證的。自動化意味著可以用一些形式的“計算機”去解釋抽象化。最顯而易見的一種類型的“計算機”就是“機器”，換言之，一種具備數據處理、存儲和傳遞的物理設備。但它還可以是人或人機結合體。當我們把這種“機器”當作是人和計算機的結合體時，我們可以進一步探究當人擁有計算機時的那種合為一體的數據處理能力。例如，人類在語法分析和圖像闡釋方面更勝于計算機；但計算機在執行特定類型的指令方面要比人類快得多，處理的數據量也要比人類大得多。上一頁下一頁返回1.5計算思維計算思維中的抽象與自動化可在多個層面予以體現，簡單而言，可劃分為三個層面：機器層面——協議（抽象）與編碼器/解碼器/轉換器等（自動化），解決機器與機器之間的交互問題，協議是機器之間交互約定的表達，而編解碼器等則是這種表達即協議的自動實現、自動執行。人?機層面——語言（抽象）與編碼器/解碼器/轉換器等（自動化），解決人與機器之間的交互問題，語言是人與機器之間交互約定的表達，而編解碼器/執行器等則是該種語言的自動解釋和自動執行設備。上一頁下一頁返回1.5計算思維業務層面——模型（抽象）與執行引擎/執行系統（自動化），解決業務系統與計算系統之間的交互問題。3.計算思維的特征（1）概念化，不是程序化。計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維，意味著遠不止能用計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。（2）根本的，不是刻板的技能。根本技能是每一個人為了在現代社會中發揮才能所必須掌握的。刻板技能意味著機械重復。具有諷刺意味的是，當計算機像人類一樣思考之后，思維可就真的變成機械的了。上一頁下一頁返回1.5計算思維（3）是人的，不是計算機的思維方式。計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力，是人類賦予計算機以激情。配置了計算設備，我們就能用自己的智慧去解決那些在此之前不敢嘗試的問題，實現“只有想不到，沒有做不到”的境界。（4）數學和工程思維的互補與融合。計算機科學在本質上源自數學思維，因為像所有的科學一樣，其形式化的基礎建立在數學基礎之上。計算機科學在本質上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統，基本計算設備的限制迫使計算機科學家必須進行計算性思考，不能只是純數學性的思考。上一頁下一頁返回1.5計算思維構建虛擬世界的自由使我們能夠設計超越物理世界的各種系統。（5）是思想，不是人造物。不僅是我們生產的軟件、硬件等以物理形式呈現并時刻觸及我們的生活，更重要的是還具有我們用以接近和求解問題、管理日常生活、與