計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史（P3）經(jīng)五代

1、目錄. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科.1 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的概念計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的概念計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的開(kāi)展1計(jì)算機(jī)科學(xué)的形成2計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究課題.2 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的開(kāi)展 計(jì)算機(jī)開(kāi)展簡(jiǎn)史超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興起探索中前進(jìn)的軟件工程學(xué)絢麗的數(shù)字媒體技術(shù)新興的生物信息學(xué).3 計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的開(kāi)展趨勢(shì)1. 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2. 計(jì)算機(jī)的分類3. 計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)的未來(lái)4. 普適計(jì)算1.4.4 思考題參考文獻(xiàn)5次巨大的信息變革1、語(yǔ)言：標(biāo)志著人類信息活動(dòng)由具體走向抽象；2、文字：打破時(shí)空限制，信息傳播遠(yuǎn)、久；3、印刷：速度、范圍擴(kuò)展，信息共享；4、電磁波通信：電信革命，即時(shí)；人類劃時(shí)

2、代進(jìn)步；5、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：信息處理一體化和自動(dòng)化；計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是人類歷史上創(chuàng)造的最重要的工具及技術(shù)，它們深刻地影響和改變?nèi)祟惖纳罘绞?。?jì)算機(jī)正在并且還將繼續(xù)滲透到世界乃至宇宙的各個(gè)角落，承載人類的無(wú)限夢(mèng)想?？梢赃@樣說(shuō)，沒(méi)有計(jì)算機(jī)就沒(méi)有當(dāng)今的信息社會(huì)。下文先介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的概念、計(jì)算機(jī)研究課題，再由計(jì)算機(jī)開(kāi)展史談及開(kāi)展、應(yīng)用和趨勢(shì)。1.4.1 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的概念1. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的概念計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是一門實(shí)用性很強(qiáng)、開(kāi)展極其迅速的學(xué)科，它建立在數(shù)學(xué)、電子學(xué)(特別是微電子學(xué))、信息論、磁學(xué)、光學(xué)、精密機(jī)械，以及其他各類應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)等多門學(xué)科的根底之上。但是，

3、它并不是簡(jiǎn)單地應(yīng)用這些學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，而是經(jīng)過(guò)高度綜合，形成一整套特有的理論和技術(shù)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是一個(gè)一級(jí)學(xué)科的名稱，是指研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的獲取、表示、存儲(chǔ)、處理、控制和利用等的理論、原那么、方法和技術(shù)的科學(xué)。通常認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)包括六個(gè)分支學(xué)科，即理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織與實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和人工智能。這些分支學(xué)科構(gòu)成了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的主要內(nèi)容。詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考有關(guān)資料。2. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的開(kāi)展1. 計(jì)算機(jī)科學(xué)的形成計(jì)算機(jī)科學(xué)植根于電子工程、數(shù)學(xué)和語(yǔ)言學(xué)，是科學(xué)、工程和藝術(shù)的結(jié)晶。它是在20世紀(jì)最后30年興起的一

4、門獨(dú)立學(xué)科，它開(kāi)展出了自己的理論、方法和技術(shù)。2. 計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究課題目前，計(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)開(kāi)展成為一門包含各種各樣與計(jì)算和信息處理相關(guān)主題的系統(tǒng)學(xué)科，從抽象的算法分析、形式化語(yǔ)法等，到具體的主題，如編程語(yǔ)言、程序設(shè)計(jì)、軟件和硬件等。作為一門學(xué)科，它與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、軟件工程和計(jì)算機(jī)工程有顯著的不同，卻通常被混淆，盡管這些學(xué)科之間存在不同程度的交叉和覆蓋。計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的課題包括:1計(jì)算機(jī)程序能做什么和不能做什么(可計(jì)算性)可計(jì)算性 (calculability) 是指一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是否可以使用計(jì)算機(jī)來(lái)解決，或被定義為“可以在有限步驟內(nèi)被解決的問(wèn)題。事實(shí)上，很多非數(shù)值問(wèn)題(比方文字識(shí)別，圖

5、像處理等)都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)值問(wèn)題來(lái)由計(jì)算機(jī)處理。2如何使程序更高效地運(yùn)行特定任務(wù)(算法和復(fù)雜性理論)算法是指完成一個(gè)任務(wù)所需要的具體步驟和方法。一個(gè)算法在給定初始狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)后，能夠得出所要求或期望的終止?fàn)顟B(tài)或輸出數(shù)據(jù)。算法常常含有重復(fù)的步驟和一些比擬或邏輯判斷。不同的算法可能用不同的時(shí)間、空間或效率來(lái)完成同樣的任務(wù)。一個(gè)算法的優(yōu)劣可以用空間復(fù)雜度與時(shí)間復(fù)雜度來(lái)衡量。算法是計(jì)算機(jī)處理信息的本質(zhì)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序本質(zhì)上是一個(gè)算法來(lái)告訴計(jì)算機(jī)確切的步驟，然后執(zhí)行一個(gè)指定的任務(wù)， 3程序如何訪問(wèn)不同類型的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù))在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(data structure)是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、組

6、織數(shù)據(jù)的方式。在通常情況下，精心選擇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)最優(yōu)效率的算法。一般而言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇首先會(huì)從抽象數(shù)據(jù)類型的選擇開(kāi)始。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該在盡可能使用較少的時(shí)間與空間資源的前提下，為各種臨界狀態(tài)下的運(yùn)行提供支持。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可通過(guò)編程語(yǔ)言所提供的數(shù)據(jù)類型、引用及其他操作加以實(shí)現(xiàn)。不同種類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適合于不同種類的應(yīng)用，而局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)甚至專門用于特定的作業(yè)任務(wù)。不管是哪種情況，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇都是至關(guān)重要的。系統(tǒng)構(gòu)造的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而非算法的深人理解， 4程序如何顯得更具有智能(人工智能)人工智能也稱做機(jī)器智能，是指由人工制造出來(lái)的系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的智能。通常人工智能是指通過(guò)普通計(jì)算

7、機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能。該詞同時(shí)也指研究這樣的智能系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)及如何實(shí)現(xiàn)的科學(xué)領(lǐng)域。專家系統(tǒng)是早期人工智能的一個(gè)重要分支，可以看做是一類具有專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，一般用人工智能中的知識(shí)表示和知識(shí)推理技術(shù)模擬通常由領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題。專家系統(tǒng)適合完成那些沒(méi)有公認(rèn)的理論和方法、數(shù)據(jù)不精確或信息不完整、人類專家短缺或?qū)ｉT知識(shí)十分昂貴的診斷、解釋、監(jiān)控、預(yù)測(cè)、規(guī)劃和設(shè)計(jì)等任務(wù)。5人類如何與程序溝通(人機(jī)互動(dòng)和人機(jī)界面)人機(jī)交互研究系統(tǒng)與用戶之間的互動(dòng)關(guān)系。系統(tǒng)可以是各種各樣的機(jī)器，也可以是計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)和軟件。人機(jī)交互界面通常是指用戶可見(jiàn)的局部。用戶通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流并進(jìn)行操作

8、。人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)要包含用戶對(duì)系統(tǒng)的理解(即心智模型), 這是為了系統(tǒng)的可用性或用戶友好性。.2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開(kāi)展算機(jī)開(kāi)展簡(jiǎn)史上面談到了理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的開(kāi)展，但是計(jì)算機(jī)是理論和實(shí)踐融合的產(chǎn)物，對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的理解必須進(jìn)入實(shí)踐領(lǐng)域。1. 計(jì)算機(jī)開(kāi)展簡(jiǎn)史計(jì)算機(jī)開(kāi)展過(guò)程經(jīng)過(guò)了由簡(jiǎn)單的計(jì)算工具科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的計(jì)算工具數(shù)據(jù)-信息處理機(jī)知識(shí)-智能處理機(jī)人們生活中不可缺少的工具計(jì)算機(jī)影響著人類社會(huì)的開(kāi)展的漫長(zhǎng)道路。1計(jì)算機(jī)開(kāi)展過(guò)程：人類在認(rèn)識(shí)自然、改造自然的過(guò)程中，曾經(jīng)創(chuàng)造過(guò)各種各樣的計(jì)算工具。計(jì)算機(jī)(computer)作為一種計(jì)算工具，可追溯到中國(guó)古代所作出的奉獻(xiàn)。早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代(公元前770年至公

9、元前221年)已使用竹子制作的算籌完成計(jì)數(shù)。唐代時(shí)已出現(xiàn)早期的算盤，宋代時(shí)已有算盤口訣的記載。17世紀(jì)后，隨著西方產(chǎn)業(yè)革命的到來(lái)，推動(dòng)了計(jì)算工具的進(jìn)一步開(kāi)展，在歐洲出現(xiàn)了能實(shí)現(xiàn)加減乘除運(yùn)算的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。1623 年德國(guó)博學(xué)家 Wilhelm Schickard 利用機(jī)械原理，率先研制出了歐洲第一臺(tái)計(jì)算設(shè)備，這是一個(gè)能進(jìn)行六位以內(nèi)數(shù)的加減法，用轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪來(lái)進(jìn)行操作的“計(jì)算鐘，歐洲，這是一個(gè)能進(jìn)行六位以內(nèi)數(shù)的加減法。1642 年法國(guó)數(shù)學(xué)家布萊士帕斯卡在英國(guó)數(shù)學(xué)家 WilliamOugtred 制作的“計(jì)算尺的根底上，將其加以改良，能進(jìn)行八位計(jì)算。查爾斯巴比奇(Charles Babbage)于18

10、20年設(shè)想和設(shè)計(jì)了第一臺(tái)完全可編程計(jì)算機(jī)。沿著這樣一條上下求索的漫漫長(zhǎng)路去定義所謂的“第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)可謂相當(dāng)困難。1941年5月12日，德國(guó)工程師 Konrad Zuse 完成了他的圖靈完全機(jī)電一體計(jì)算機(jī)Z3，這是第一臺(tái)具有自動(dòng)二進(jìn)制數(shù)學(xué)計(jì)算特色及可行的編程功能的計(jì)算機(jī)，但還不是“電子計(jì)算機(jī)?；诙M(jìn)制的“埃尼阿克(ENIAC), 全稱為：“電子數(shù)值積分計(jì)算器, 這是第一臺(tái)通用意圖的計(jì)算機(jī)， 1940 年的第二次世界大戰(zhàn)中，軍方要求應(yīng)基于空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，與實(shí)物無(wú)限接近，以便進(jìn)行各種航空訓(xùn)練。于是麻省理工學(xué)院創(chuàng)造了旋風(fēng)工程，制造出了世界上第一臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)處理資料的“旋風(fēng)計(jì)算機(jī), 并創(chuàng)造了磁

11、心存儲(chǔ)器。這為個(gè)人計(jì)算機(jī)的開(kāi)展做出了歷史性的奉獻(xiàn)。開(kāi)發(fā)埃尼阿克的小組針對(duì)其缺陷又進(jìn)一步完善了設(shè)計(jì)，并最終呈現(xiàn)出今天我們所熟知的馮諾依曼結(jié)構(gòu)(程序存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu))。這個(gè)體系是當(dāng)今所有計(jì)算機(jī)的根底,20世紀(jì)40年代中晚期，開(kāi)始研制大批基于此體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，其中以英國(guó)最早。1944年美國(guó)物理學(xué)家艾肯領(lǐng)導(dǎo)完成了第一臺(tái)機(jī)電式通用計(jì)算機(jī)MARK1，主要元件采用繼電器，是一臺(tái)可編程序的自動(dòng)計(jì)算機(jī)。 圖1.1 ENIAC電子計(jì)算機(jī)世界公認(rèn)的第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的莫奇利和埃克特領(lǐng)導(dǎo)的科研小組建造的，取名為ENIAC ()。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的研制歷時(shí)3年，是美國(guó)軍方為適應(yīng)第二次世界大戰(zhàn)對(duì)

12、新式火炮的需求，為解決在導(dǎo)彈試驗(yàn)中復(fù)雜的彈道計(jì)算而研制的。該計(jì)算機(jī)由18000多個(gè)電子管、1500多個(gè)繼電器等組成，占地170平方米，重量達(dá)30噸，耗電140千瓦，投資超過(guò)48萬(wàn)美元。該機(jī)器字長(zhǎng)10位，采用十進(jìn)制，計(jì)算速度為5000次秒，每次至多只能存儲(chǔ)20個(gè)字長(zhǎng)為10位的十進(jìn)制數(shù)。計(jì)算程序是通過(guò)插件式“外接線路實(shí)現(xiàn)的，尚未采用“程序存儲(chǔ)方式。為了在機(jī)器上進(jìn)行幾分鐘的數(shù)字計(jì)算，其準(zhǔn)備工作要用幾小時(shí)甚至12天的時(shí)間，使用很不方便。ENIAC計(jì)算機(jī)于1945年底宣告竣工，1946年2月15日正式舉行揭幕典禮，它標(biāo)志著人類計(jì)算工具的歷史性變革。(2) 計(jì)算機(jī)開(kāi)展的分代史在整個(gè)20世紀(jì)50年代，真空管

13、計(jì)算機(jī)居于統(tǒng)治地位。這是第一代計(jì)算機(jī)。到了20世紀(jì)60年代，晶體管計(jì)算機(jī)將其取而代之。晶體管體積更小，速度更快，價(jià)格更加低廉，性能更加可靠。1959-1964年間設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)一般被稱為第二代計(jì)算機(jī) 。1964-1972年的計(jì)算機(jī)一般被稱為第三代計(jì)算機(jī)，它大量使用集成電路，典型的機(jī)型是 IBM360 系列。到了20世紀(jì)70年代，集成電路技術(shù)極大地降低了計(jì)算機(jī)生產(chǎn)本錢，計(jì)算機(jī)從此開(kāi)始走向千家萬(wàn)戶。1972 年以后的計(jì)算機(jī)習(xí)慣上被稱為第四代計(jì)算機(jī)，它基于大規(guī)模集成電路及后來(lái)的超大規(guī)模集成電路。1958年9月12日，在后來(lái)英特爾的創(chuàng)始人、Robert Noyce 的領(lǐng)導(dǎo)下，創(chuàng)造了集成電路，不久又推出了

14、微處理器。1972年4月1日英特爾推出 8008 微處理器。1976年，史蒂夫喬布斯(Stephen Jobs)和斯蒂夫沃茲尼亞克(Stephen Wozinak)創(chuàng)辦了蘋果計(jì)算機(jī)公司，并推出 Apple I計(jì)算機(jī)。1982 年，微計(jì)算機(jī)開(kāi)始普及，大量進(jìn)入學(xué)校和家庭。1982年1月 Commodore 64 位計(jì)算機(jī)發(fā)布。1982年2月80286 發(fā)布，時(shí)鐘頻率提高到 20MHz, 并增加了保護(hù)模式，可訪問(wèn)16MB 內(nèi)存，支持 1GB 以上的虛擬內(nèi)存，每秒執(zhí)行 270 萬(wàn)條指令，集成了134000 個(gè)晶體管。圖5-4 所示為 Commodore 公司在 1980年生產(chǎn)的 Amiga500 計(jì)算

15、機(jī)。1990年1 1月，微軟發(fā)布第一代 MPC(multimedia PC, 多媒體個(gè)人計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn))。1995年11月1日 ,Pentium Pro 發(fā)布。1997年1月8日英特爾發(fā)布 Pentium MMX, 其對(duì)游戲和多媒體功能進(jìn)行了增強(qiáng)。此后計(jì)算機(jī)的變化日新月異 ,1965 年發(fā)表的摩爾定律不斷被印證。計(jì)算機(jī)以組成計(jì)算機(jī)根本邏輯元件來(lái)劃分分為五代：如下列圖所示計(jì)算機(jī)開(kāi)展的分代史，通常是以計(jì)算機(jī)所采用的邏輯元件作為劃分時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)的。迄今為止，計(jì)算機(jī)的開(kāi)展已經(jīng)歷四代，正向新一代計(jì)算機(jī)過(guò)渡。1. 第一代電子計(jì)算機(jī)( 1 9 4 61 9 5 8年)其主要特征是采用電子管作為根本邏輯元件。存儲(chǔ)器

16、早期采用水銀延遲線，后期采用磁鼓或磁芯。由于采用電子管，第一代計(jì)算機(jī)的體積大、耗電多、價(jià)格貴，運(yùn)行速度低，存儲(chǔ)容量小，可靠性差。編程語(yǔ)言使用低級(jí)語(yǔ)言，即機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言，幾乎沒(méi)有什么軟件配置，主要用于科學(xué)計(jì)算。盡管如此，這一代計(jì)算機(jī)卻奠定了計(jì)算機(jī)的技術(shù)根底，如：二進(jìn)制、自動(dòng)計(jì)算和程序設(shè)計(jì)等，對(duì)以后計(jì)算機(jī)的開(kāi)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的商品化是由美國(guó)國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司( I B M公司)實(shí)現(xiàn)的，以I B M系列機(jī)為代表。2. 第二代電子計(jì)算機(jī)( 1 9 5 81 9 6 4年)其主要特征是采用晶體管作為邏輯元件。晶體管與電子管相比，具有體積小、壽命長(zhǎng)、開(kāi)關(guān)速度快、省電等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)存主要采用

17、磁芯存儲(chǔ)器，外存開(kāi)始使用磁盤。這個(gè)時(shí)期，計(jì)算機(jī)的軟件也有很大開(kāi)展，各種早期的高級(jí)語(yǔ)言( FORTRAN、COBOL、ALGOL等)相繼問(wèn)世，因而在程序設(shè)計(jì)中降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于采用了晶體管，第二代計(jì)算機(jī)的體積大大減小，運(yùn)算速度及可靠性等各項(xiàng)性能大為提高。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已由科學(xué)計(jì)算拓展到數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制等領(lǐng)域。3. 第三代電子計(jì)算機(jī)( 1 9 6 4 1 9 7 4年)其主要特征是采用半導(dǎo)體中小規(guī)模集成電路作為邏輯元件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器取代了沿用多年的磁芯存儲(chǔ)器。這一時(shí)期的中、小規(guī)模集成電路技術(shù)，可將數(shù)十個(gè)、成百個(gè)別離的電子元件集中做在一塊硅片上。集成電路體積更小，耗電更省，壽命更長(zhǎng)，可靠性

18、更高，這使得第三代計(jì)算機(jī)的總體性能較之第二代計(jì)算機(jī)有了大幅度的躍升。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大改良，在商品計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的局面。軟件技術(shù)也日趨完善，并有了操作系統(tǒng)。此外，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入到許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。4. 第四代電子計(jì)算機(jī)( 1 9 7 4年以后)采用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件是第四代計(jì)算機(jī)的主要特征。這個(gè)時(shí)期是計(jì)算機(jī)開(kāi)展最快、技術(shù)成果最多、應(yīng)用空前普及的時(shí)期。自進(jìn)入第四代計(jì)算機(jī)以來(lái)，計(jì)算機(jī)的硬件與軟件技術(shù)都獲得了驚人的開(kāi)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向開(kāi)展，計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件的功能日趨完善，規(guī)模越來(lái)越大、應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)日趨簡(jiǎn)便。多媒體技術(shù)的興起引

19、起計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的革命，人們利用聲音、符號(hào)、圖形、圖像即可開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，信息表達(dá)工具( 、電視、終端)、信息處理工具(計(jì)算機(jī))和信息傳輸工具(有線通訊、無(wú)線通訊及衛(wèi)星通訊)巳趨于一體化，為人類方便地處理信息開(kāi)辟了更廣闊的前景。計(jì)算機(jī)開(kāi)展簡(jiǎn)史P3經(jīng)五代代數(shù) 起止年份邏輯元件邏輯元件圖例速度(次/秒)軟件-語(yǔ)言應(yīng)用領(lǐng)域 存儲(chǔ)器類型外存附注第1代46-5840年代末至50年代末電子管5千1萬(wàn)次機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言主要用于科學(xué)計(jì)算汞延遲線、靜電管、磁鼓-磁帶穿空紙帶計(jì)算機(jī)開(kāi)展的初級(jí)階段，體積大，速度低，耗電量大第2代58-6450年代末至60年代末晶體管幾萬(wàn)幾十萬(wàn)次高級(jí)語(yǔ)言(FO

20、RTRAN、COBOL、ALGOL)數(shù)據(jù)處理，事務(wù)管理，過(guò)程控制等磁芯、磁盤體積減小，速度增高，耗電減小，價(jià)格下降第3代64-7460年代中期開(kāi)始中、小規(guī)模集成電路幾十萬(wàn)幾百萬(wàn)次操作系統(tǒng)/高級(jí)語(yǔ)言文字處理、企業(yè)管理、自動(dòng)控制、城市交通管理半導(dǎo)體存儲(chǔ)器硬盤性能進(jìn)一步提高。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化第4代7470年代初開(kāi)始大、超大規(guī)模集成電路幾千萬(wàn)千百億次面向?qū)ο?分布式操作系統(tǒng)/數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)/軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)/多媒體/PC/MPC/巨型機(jī)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器光盤U盤性能大幅提高。應(yīng)用空前普及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向微型化、巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和多媒體等方向開(kāi)展；在高科技軍事領(lǐng)域，在空間技術(shù)、氣象預(yù)報(bào)、地球物理勘探等廣

21、泛應(yīng)用第5代9 0年代開(kāi)始神徑、生物、光子等計(jì)算機(jī)是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電子仿生技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。新一代計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電子仿生技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。在體系結(jié)構(gòu)上，新一代計(jì)算機(jī)將突破馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的限制。如神徑、生物、光子等計(jì)算機(jī)；它能夠最大限度地模擬人類大腦的機(jī)制，具有人類大腦所特有的聯(lián)想、推理、學(xué)習(xí)等某些功能，具有對(duì)語(yǔ)言、聲音、圖像及各種模糊信息的感知、識(shí)別和處理能力。硬件技術(shù)在微型化方面發(fā)揮積極作用。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，不僅極大地提高了電子元件的集成度，而且可將計(jì)算機(jī)最核心的部件運(yùn)算器和控制器集中制作在一塊小小的芯片上。在這樣

22、的技術(shù)背景下，第一代微處理器以及以它為核心的微型計(jì)算機(jī)在美國(guó)英特爾公司( INTEL公司)問(wèn)世。微型計(jì)算機(jī)的“異軍突起是計(jì)算機(jī)開(kāi)展史上的重大事件。作為第四代計(jì)算機(jī)的一個(gè)機(jī)種，微型計(jì)算機(jī)以其機(jī)型小巧、使用方便、價(jià)格低廉、性能完善等特性贏得了廣泛的應(yīng)用。微型計(jì)算機(jī)本身的開(kāi)展也極其迅猛，除了占主流地位的臺(tái)式機(jī)外，單片機(jī)、便攜式微型機(jī)(膝上機(jī)、筆記本電腦等)、超級(jí)微型機(jī)(工作站等)都已取得長(zhǎng)足進(jìn)展， 9 0年代涌現(xiàn)出的多媒體個(gè)人計(jì)算機(jī)的飛速開(kāi)展，使計(jì)算機(jī)逐步滲入人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，并使計(jì)算機(jī)很快地進(jìn)入到家庭。第四代計(jì)算機(jī)開(kāi)展的另一個(gè)方向是巨型化。由于多處理機(jī)結(jié)構(gòu)和并行處理技術(shù)的采用，具有超強(qiáng)功能的

23、巨型機(jī)也取得穩(wěn)步開(kāi)展。例如美國(guó)克雷公司生產(chǎn)的G r a y - 4巨型機(jī)共采用了6 4個(gè)處理器。巨型機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了許多新興學(xué)科的開(kāi)展，巨型機(jī)主要用于高科技軍事領(lǐng)域，在空間技術(shù)、氣象預(yù)報(bào)、地球物理勘探等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。我國(guó)在不到2 0年的時(shí)間內(nèi)也先后研制成功了銀河系列的三代巨型機(jī)(銀河-、銀河-和銀河-)，從而進(jìn)入世界上少數(shù)能研制巨型機(jī)的國(guó)家的行列。第四代計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、可靠性及性能價(jià)格比等諸多方面的性能都是前三代計(jì)算機(jī)所不能企及的。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)軟件的配置也空前豐富，操作系統(tǒng)日臻成熟，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)普遍使用，新一代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言C+及Java等問(wèn)世，軟件工程已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)

24、。計(jì)算機(jī)的開(kāi)展呈現(xiàn)出多極化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體、智能化的趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了以網(wǎng)絡(luò)化為特征的時(shí)代?，F(xiàn)在許多國(guó)家正在研制新一代的計(jì)算機(jī)，有人稱之為第五代計(jì)算機(jī)，是對(duì)第四代計(jì)算機(jī)以后的各種未來(lái)型計(jì)算機(jī)的總稱。電子計(jì)算機(jī)從第一代到第四代，盡管開(kāi)展速度令人眩目，但其根本的設(shè)計(jì)思想和工作方式仍一脈相承，即采用馮諾依曼的“存儲(chǔ)程序原理。從本質(zhì)上講，計(jì)算機(jī)盡管被稱為“電腦，但僅是一種機(jī)器，沒(méi)有思維，不具有智能，它只能在人們事先設(shè)計(jì)好的程序的控制下工作，只能局部地、有限地模仿人的智能。新一代計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電子仿生技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。在體系結(jié)構(gòu)上，新一代計(jì)算機(jī)將突破馮諾依曼體系

25、結(jié)構(gòu)的限制。它能夠最大限度地模擬人類大腦的機(jī)制，具有人類大腦所特有的聯(lián)想、推理、學(xué)習(xí)等某些功能，具有對(duì)語(yǔ)言、聲音、圖像及各種模糊信息的感知、識(shí)別和處理能力。新一代計(jì)算機(jī)是從8 0年代開(kāi)始研制的對(duì)未來(lái)型計(jì)算機(jī)的開(kāi)展藍(lán)圖，現(xiàn)已提出智能計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)及光子計(jì)算機(jī)等各種設(shè)想和描述，在實(shí)際研制過(guò)程中也取得一些重要進(jìn)展。新一代計(jì)算機(jī)的開(kāi)展前景極其誘人，但不難想象，具有上述功能的未來(lái)型計(jì)算機(jī)的研制是非常困難的，因?yàn)檫@項(xiàng)工作在某種意義上講是對(duì)人類自身智能的挑戰(zhàn)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的開(kāi)展，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，研制成功新一代計(jì)算機(jī)的目標(biāo)必定會(huì)實(shí)現(xiàn)。3計(jì)算機(jī)開(kāi)展趨勢(shì)從目前看計(jì)算機(jī)開(kāi)展的趨勢(shì)如

26、下：微型化：(以微處理器_將運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片上作為CPU的計(jì)算機(jī)，稱之為微處理機(jī)巨型化：(巨型化并不是指體積大，而是指計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量大、運(yùn)算速度高、功能更強(qiáng))網(wǎng)絡(luò)化：(通過(guò)網(wǎng)絡(luò)效勞器，把分散在不同地方的計(jì)算機(jī)用通信線路如光纖、 線，或衛(wèi)星發(fā)射等互相聯(lián)結(jié)成一個(gè)大規(guī)模、功能強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得眾多的計(jì)算機(jī)可以互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數(shù)據(jù)信息等資源)智能化：(智能化就是要求計(jì)算機(jī)具有人工智能，即讓計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行圖像識(shí)別、定理證明、研究學(xué)習(xí)、探索、聯(lián)想、啟發(fā)和理解人的語(yǔ)言等)多媒體交互化：即功能齊全、界面友好，易于理解、便于操作呈現(xiàn)多媒體交互化。微處理器的開(kāi)展

27、：8086802868038680486奔騰2. 超級(jí)計(jì)算機(jī)由于現(xiàn)實(shí)條件所限，大局部人認(rèn)識(shí)的計(jì)算機(jī)是微型機(jī)，甚至對(duì)小型機(jī)的了解也不多。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)有各種不同的形態(tài)，盡管它們的原理根本一致，但是畢竟有其特殊性，對(duì)這些特性的了解，應(yīng)當(dāng)成為我們學(xué)習(xí)的一局部。本節(jié)介紹超級(jí)計(jì)算機(jī)，其中的根本知識(shí)有益于提高我們的計(jì)算素養(yǎng)。1. 超級(jí)計(jì)算機(jī)的概念超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)開(kāi)展的另一條線索。超級(jí)計(jì)算機(jī)(super computer)是指在計(jì)算速度或容量上處于領(lǐng)先水平的電子計(jì)算機(jī)。它的體系設(shè)計(jì)和運(yùn)作機(jī)制與人們?nèi)粘Ｊ褂玫膫€(gè)人計(jì)算機(jī)有很大區(qū)別。超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度以每秒的浮點(diǎn)運(yùn)算 FLOPS 來(lái)作量度單位。現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)

28、算速度大都可以到達(dá)每秒萬(wàn)億次(240) 以上，據(jù)報(bào)導(dǎo)現(xiàn)將達(dá)萬(wàn)萬(wàn)億次。因此無(wú)論在運(yùn)算能力還是速度方面都是全球頂尖。超級(jí)計(jì)算機(jī)常用于需要大量運(yùn)算的工作，如天氣預(yù)測(cè)、氣候研究、運(yùn)算化學(xué)、分子模型、物理模擬、密碼分析等。2. 超級(jí)計(jì)算機(jī)的開(kāi)展歷史20 世紀(jì) 60 年代，超級(jí)計(jì)算機(jī)由希穆?tīng)柨死自?Control Data Corporation 設(shè)計(jì),20世紀(jì) 70 年代，克雷創(chuàng)立了自己的公司克雷研究所。憑著他的新設(shè)計(jì)，他控制了整個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，并占據(jù)巔峰位置長(zhǎng)達(dá)五年(1985-1990)。超級(jí)計(jì)算機(jī)一詞的含義隨計(jì)算機(jī)業(yè)的開(kāi)展而發(fā)生變化。早期的控制數(shù)據(jù)公司機(jī)器仍然是比擬原始的標(biāo)量處理器。到了20 世紀(jì)

29、 70 年代，大局部超級(jí)計(jì)算機(jī)就已經(jīng)是矢量處理器了，很多是自行開(kāi)發(fā)的廉價(jià)處理器。20 世紀(jì) 80 年代初期，業(yè)界開(kāi)始轉(zhuǎn)向大規(guī)模并行運(yùn)算系統(tǒng)，這時(shí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)由成千上萬(wàn)的普通處理器所組成。20 世紀(jì) 80 年代中葉，將適量的矢量處理器(一般由816個(gè)不等)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行并行計(jì)算成為通用的方法。20 世紀(jì) 90 年代以后到21 世紀(jì)初，超級(jí)計(jì)算機(jī)那么主要由基于精簡(jiǎn)指令集(RISC)的處理器(如PowerPC 或PA-RISC)互聯(lián)進(jìn)行并行計(jì)算。超級(jí)計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在于把復(fù)雜的工作細(xì)分為可以同時(shí)處理的工作，并分配于不同的處理器。它們?cè)谶M(jìn)行特定的運(yùn)算方面表現(xiàn)突出，但在處理一般工作時(shí)卻不能滿足人們的需求。

30、它們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)來(lái)確保數(shù)據(jù)及指令及時(shí)送達(dá)，傳遞速度的細(xì)微差異可以導(dǎo)致運(yùn)算能力的巨大差異。其輸入/ 輸出系統(tǒng)也用特殊設(shè)計(jì)來(lái)提供高帶寬，但是這里的數(shù)據(jù)傳輸延遲卻并不重要，超級(jí)計(jì)算機(jī)并非數(shù)據(jù)交換機(jī)，根據(jù) Amdahls law, 超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)都集中在減少軟件上的序列化、用硬體在瓶頸上加速。2021年11月IBM推出的Roadrunner成為當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算能力為1.105PFLOPS(1P=250)。幾乎同時(shí)，美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)公司推出Jaguar 系列，運(yùn)算能力為 1.059PFLOPS, 采用 45376 顆四核的Opteron 處理器 ,362TB(lT=240) 的存儲(chǔ)器

31、，傳輸總帶寬為 284GB/s, 硬盤容量為 10750TB, 內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線帶寬為 532B/s 。這臺(tái)計(jì)算機(jī)擺放在美國(guó)的國(guó)家高速計(jì)算機(jī)中心，并開(kāi)放給有需要的團(tuán)體申請(qǐng)使用。2007 年 11 月 ,IBM 的Blue Gene/L, 運(yùn)算能力為 478.2TFLOPS, 安裝了 32768 個(gè)處理器，它是 PowerPC 架構(gòu)的修改版本，正式運(yùn)作版本被推出到很多地方，包括羅蘭士利物摩亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermre national laboratory)。在 Blue Gene/L 之前，最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)是日本電氣株式會(huì)社在橫濱地球科學(xué)學(xué)院的地球模擬器。它由 640 個(gè)特別

32、設(shè)計(jì)的 8 階矢量處理器根據(jù) NEC SX-6 架構(gòu)所組成的從集，使用 UNIX 的修改版本。在地球模擬器之前，最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)是美國(guó)加州羅蘭士利物摩亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 ASCI White, 它的冠軍位置維持了2.5 年。2021年2月4日,IBM 發(fā)表Sequoia 超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度約為 2OPFLOPS, 主要為國(guó)家核能平安署(national nuclear security administration)提供核子武器儲(chǔ)存模擬測(cè)試所需的運(yùn)算能力，將放置于美國(guó)能源部加州的勞倫斯利弗莫爾(Lawrence Livermore) 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)于 2021 年建設(shè)完成。3. 我國(guó)的超級(jí)計(jì)算

33、機(jī)2021年6月17日，造價(jià)2億元、每秒峰值運(yùn)算速度超過(guò)200萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)魔方開(kāi)始在上海高速運(yùn)轉(zhuǎn)。這臺(tái)運(yùn)算速度是世界第 15 、亞洲第 1 的超級(jí)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)整整一個(gè)月的軟、硬件安裝和上電調(diào)試，終于在張江高科技園區(qū)投入運(yùn)行，迎來(lái)第一批高性能計(jì)算業(yè)務(wù)。由此，中國(guó)正式邁入了每秒運(yùn)算速度超百萬(wàn)億次的一個(gè)全新的計(jì)算機(jī)時(shí)代。超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理就是讓數(shù)千臺(tái)乃至上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)作，變成一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，術(shù)語(yǔ)叫并行計(jì)算。魔方采用的是刀片機(jī)群體系架構(gòu)，每個(gè)刀片就是一個(gè)效勞器，能協(xié)同工作。短短幾年，全球超級(jí)計(jì)算機(jī)的整體速度提升了至少20倍?！澳柖芍赋觯?jì)算機(jī)微處理器芯片的性能每 18 個(gè)月會(huì)翻倍。但“超算

34、500強(qiáng)比這個(gè)定律開(kāi)展更快,500 個(gè)超算系統(tǒng)的性能總和大約每14個(gè)月就翻一番。魔方的成功研制使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)研制出實(shí)測(cè)峰值超百萬(wàn)億次超算的國(guó)家。3. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興起從內(nèi)涵上講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)被歸于“計(jì)算機(jī)組織與實(shí)現(xiàn)學(xué)科。從“計(jì)算機(jī)組織與實(shí)現(xiàn)的角度看待網(wǎng)絡(luò)，我們會(huì)更清楚地理解計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理，也更加深刻地理解網(wǎng)絡(luò)的作用。實(shí)際上，超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而像 Google 這樣的網(wǎng)絡(luò)搜索引擎也可以看成是一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。1. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與 internet計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)展集中反映了計(jì)算機(jī)組織方式的變革。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備，通

35、過(guò)通信線路連接起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的形成：互聯(lián)網(wǎng)始于 1969 年，是在 ARPA(美國(guó)國(guó)防部研究方案署)制定的協(xié)定下，將美國(guó)西南部四所大學(xué)的四臺(tái)主要的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。之后隨著TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)展，隨著在UUCP 的根底上，新聞組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開(kāi)展起來(lái)，BITNET(一種連接世界教育單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)) 連接到世界教育組織的 IBM 的大型機(jī)上 ,1981 年開(kāi)始提供郵件效勞。BITNET(一種連接世界教育單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)) 連接到世界教育組織的 IBM 的大型機(jī)上 ,1981 年開(kāi)始提供郵件效勞。當(dāng) E-ma

36、il(電子郵件)、FTP( 文件傳輸) 和 Telnet( 遠(yuǎn)程登錄 ) 的命令都規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，在大學(xué)和特殊領(lǐng)域里極大地推廣了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。其他的部門，包括計(jì)算機(jī)、物理和工程技術(shù)部門也與世界各地的大學(xué)通信，并共享文件和資源。第一個(gè)檢索互聯(lián)網(wǎng)在 1989 年由 Peter Deutsch 和他的全體成員創(chuàng)造，Brewster Kahle 創(chuàng)造了WAIS(廣域網(wǎng)信息效勞)、客戶機(jī)/效勞器體系結(jié)構(gòu)的倡導(dǎo)者們作了一個(gè)先進(jìn)的 Gopher 示范系統(tǒng),越來(lái)越多的學(xué)校和公司加人，規(guī)模越來(lái)越大。由于最開(kāi)始互聯(lián)網(wǎng)是由政府部門投資建設(shè)的，所以最初只限于研究部門、學(xué)校和政府部門使用。除了直接效勞于研究部門和學(xué)校的

37、商業(yè)應(yīng)用之外，其他的商業(yè)行為是不允許的。20 世紀(jì) 90 年代初，當(dāng)獨(dú)立的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始開(kāi)展起來(lái)，這種局面才被打破，它使得從一個(gè)商業(yè)站點(diǎn)發(fā)送信息到另一個(gè)商業(yè)站點(diǎn)而不經(jīng)過(guò)政府資助的網(wǎng)絡(luò)中樞成為可能雖然網(wǎng)絡(luò)類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)各種各樣，但是根據(jù)地理范圍劃分是一種大家都認(rèn)可的通用網(wǎng)絡(luò)劃分標(biāo)準(zhǔn)。按這種標(biāo)準(zhǔn)可以把各種網(wǎng)絡(luò)劃分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)四種。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如此興旺的今天，它已是我們每天都要打交道的一種網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論從覆蓋范圍，還是從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來(lái)講，它都是一種最大的網(wǎng)絡(luò)。從覆蓋范圍來(lái)說(shuō)，它可以是全球計(jì)算機(jī)的互連，這種網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)就是不確定性，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)每時(shí)每刻隨著網(wǎng)絡(luò)的接人在不變地變化。當(dāng)連接

38、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，計(jì)算機(jī)可以算是互聯(lián)網(wǎng)的一局部，但斷開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)的 連接時(shí)，計(jì)算機(jī)就不屬于互聯(lián)網(wǎng)了。但它的優(yōu)點(diǎn)也是非常明顯的，就是信息量大、傳播廣。 因?yàn)檫@種網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，所以這種網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也是非常復(fù)雜的。由于最開(kāi)始互聯(lián)網(wǎng)是由政府部門投資建設(shè)的，所以最初只限于研究部門、學(xué)校和政府部門使用。除了直接效勞于研究部門和學(xué)校的商業(yè)應(yīng)用之外，其他的商業(yè)行為是不允許的。20 世紀(jì) 90 年代初，當(dāng)獨(dú)立的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始開(kāi)展起來(lái)，這種局面才被打破，它使得從一個(gè)商業(yè)站點(diǎn)發(fā)送信息到另一個(gè)商業(yè)站點(diǎn)而不經(jīng)過(guò)政府資助的網(wǎng)絡(luò)中樞成為可能。2. 分布式與網(wǎng)格計(jì)算1分布式計(jì)算分布式計(jì)算(distributed computing)研究

39、多核系統(tǒng)、多處理器系統(tǒng)、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)環(huán)境下的硬件系統(tǒng)組織與軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題。在分布式計(jì)算中，一個(gè)程序被分解成多個(gè)局部，同時(shí)在多臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。分布式計(jì)算的核心是如何把一個(gè)需要巨大計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成多個(gè)小的局部，然后把這些局部分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)得到最終結(jié)果。我們把這叫任務(wù)共享。C 是一個(gè)基于伯克利開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)(BOINC)的分布式計(jì)算工程。該工程由英國(guó)牛津大學(xué)開(kāi)發(fā)和維護(hù)，用于全球氣象變化的研究。這個(gè)工程是跨平臺(tái)的，支持不同的軟件和硬件環(huán)境。另一個(gè)典型的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是 drug design and。ptimiza

40、tion lab (D20L), 即藥物設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室。其工作目標(biāo)是尋找治療 Anthrax (炭瘟)、Smallpox(天花)、 Ebola( 埃博拉)、SARS(非典型性肺炎)及其他一些潛在的極具破壞性的傳染病的藥物是其典型的實(shí)例。2網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算是分布式計(jì)算的高級(jí)形態(tài)。網(wǎng)格技術(shù)的目標(biāo)是基于因特網(wǎng)技術(shù)、Web 技術(shù)和高性能計(jì)算等技術(shù)，采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中的資源共享和協(xié)同工作，消除信息孤島和資源孤島。與它相關(guān)的技術(shù)包括: 實(shí)時(shí)企業(yè)信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境、因特網(wǎng)技術(shù)、知識(shí)管理、XML 技術(shù)、ASP技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)格、信息網(wǎng)格、計(jì)算網(wǎng)格、高性能計(jì)算等技術(shù)。1990 年提出的網(wǎng)格運(yùn)

41、算 (grid computing ) 概念是基于網(wǎng)格的問(wèn)題的求解。網(wǎng)格計(jì)算旨在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下協(xié)調(diào)資源分享與問(wèn)題解決能力，利用互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)把地理上廣泛分布的各種計(jì)算資源互連在一起，構(gòu)成虛擬的整合應(yīng)用環(huán)境的技術(shù)。這些計(jì)算資源包括超級(jí)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)集群、存儲(chǔ)系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)等，在必要的時(shí)候，這項(xiàng)技術(shù)還可以有選擇地將這些計(jì)算資源作為單獨(dú)的、統(tǒng)一的計(jì)算資源來(lái)處理。研究人員可突破空間障礙，通過(guò)共享的虛擬組織，彈性建立各種議題、有效的合作機(jī)制，并解決更大的問(wèn)題。網(wǎng)格計(jì)算的目的是要善用效勞器能量，利用大量的閑置效勞器運(yùn)算能力從事更多的工作，包括IBM、Microsoft、Sun在內(nèi)的公司已開(kāi)始將網(wǎng)格運(yùn)算加

42、人到商用系統(tǒng)中。通常網(wǎng)格計(jì)算著眼于大型應(yīng)用系統(tǒng)，大型應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該由許多組織協(xié)同完成，它們形成一個(gè)虛擬組織，各組織擁有的計(jì)算資源在虛擬組織里共用。4. 探索中前進(jìn)的軟件工程學(xué)在完成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織與實(shí)現(xiàn)技術(shù)開(kāi)展歷程的認(rèn)識(shí)之后，我們必須回到軟件上來(lái)。軟件學(xué)科的開(kāi)展很不平凡，軟件開(kāi)發(fā)也很誘人并充滿挑戰(zhàn)性，以致程序員的工作被稱為 “程序人生。1. 軟件危機(jī)軟件工程的興起起源于 20 世紀(jì) 60 年代的軟件危機(jī)。當(dāng)時(shí)，很多軟件開(kāi)發(fā)工程最后都以失敗告終。這些軟件工程的開(kāi)發(fā)時(shí)間大大超出了規(guī)劃的時(shí)間表，一些工程導(dǎo)致了財(cái)產(chǎn)的流失，甚至某些軟件導(dǎo)致了人員傷亡。同時(shí)軟件開(kāi)發(fā)人員也發(fā)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)的難度越來(lái)越大。O

43、S 360 操作系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)典型的案例。到現(xiàn)在為止，它仍然被使用在 IBM360 系列主機(jī)中。這個(gè)經(jīng)歷了數(shù)十年、極度復(fù)雜的軟件工程甚至產(chǎn)生了一套不包括在原始設(shè)計(jì)方案之中的工作系統(tǒng)。OS 360 是第一個(gè)超大型的軟件工程，它使用了1000個(gè)左右的程序員。軟件的錯(cuò)誤可能導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失，歐洲阿里亞娜火箭的爆炸就是一個(gè)最為慘痛的教訓(xùn)。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟件被廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)院等與生命息息相關(guān)的行業(yè)，因此軟件的錯(cuò)誤也有可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。在軟件工程界被大量引用的案例是 Therac-25 的意外。在工業(yè)上，某些嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)致機(jī)器的不正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將一些人推入了險(xiǎn)境 。面對(duì)嚴(yán)峻的軟件危機(jī)，科學(xué)家和軟件

44、設(shè)計(jì)人員不得不反思，為什么軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)會(huì)遇到這么大的困難軟件開(kāi)發(fā)的規(guī)律到底在哪里。 1968 年北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家在德國(guó)召開(kāi)的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上第一次提出了“軟件危機(jī)這個(gè)詞，同時(shí)討論了如何擺脫“軟件危機(jī)。那次會(huì)議還第一次提出了軟件工程 (software engineering ) 這個(gè)概念，從此一門新興的工程學(xué)科軟件工程學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。作為一門旨在開(kāi)發(fā)滿足用戶需求、及時(shí)交付不超過(guò)預(yù)算和無(wú)故障的軟件的學(xué)科，軟件工程的主要對(duì)象是大型軟件。它的最終目的是擺脫手工生產(chǎn)軟件的狀況，逐步實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)的工程化及自動(dòng)化。2. 軟件工程與軟件工程師 軟件工程是一門研究用工程化方法構(gòu)建和維護(hù)有效的、

45、實(shí)用的及高質(zhì)量的軟件的學(xué)科。它涉及程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件開(kāi)發(fā)工具、系統(tǒng)平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)模式等方面。在現(xiàn)代社會(huì)中，軟件應(yīng)用于多個(gè)方面。典型的軟件有電子郵件、嵌人式系統(tǒng)、人機(jī)界面、辦公套件、操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)、游戲等。同時(shí)，各個(gè)行業(yè)幾乎都有計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用，比方工業(yè)、農(nóng)業(yè)、銀行、航空、政府部門等。這些應(yīng)用促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的開(kāi)展，提高了人們的工作效率，同時(shí)提升了生活質(zhì)量。軟件工程師是應(yīng)用軟件來(lái)創(chuàng)造軟件的人們的統(tǒng)稱。軟件工程師按照所處的領(lǐng)域不同，可以分為系統(tǒng)分析員、軟件設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)架構(gòu)師、程序員、測(cè)試員等。人們也常常用程序員來(lái)泛指各種軟件工程師。狹義的程序員即指編程人員。然而，即便是編程員，

46、其工作也是十分獨(dú)特的。優(yōu)秀的程序員需要十分熟悉程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)工具和各種編程資源；程序員需要有良好的記憶力，在一次編程中要記住上百個(gè)變量；程序員需要有良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)；程序員需要有良好的文檔開(kāi)發(fā)能力；程序員需要有克服困難、忍受寂寞的毅力；程序員需要有發(fā)自內(nèi)心的熱情，如此才能忘我地投入設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。現(xiàn)實(shí)中，優(yōu)秀程序員是難得的人才。3. 方法學(xué)軟件工程的方法有很多方面的意義，包括工程管理、分析、設(shè)計(jì)、程序的編寫、測(cè)試和質(zhì)量控制。軟件設(shè)計(jì)方法可以分為重量級(jí)的方法和輕量級(jí)的方法。重量級(jí)的方法中產(chǎn)生大量的正式文檔。著名的重量級(jí)開(kāi)發(fā)方法包括 IS09000 、 CMM 和統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程 (RUP

47、) 。輕量級(jí)的開(kāi)發(fā)過(guò)程沒(méi)有對(duì)大量正式文檔的要求。著名的輕量級(jí)開(kāi)發(fā)方法包括極限編程 (extreme programming,XP) 和敏捷過(guò)程 (agile processes) 。目前有一些人認(rèn)為，重量級(jí)方法適合于大型的軟件團(tuán)隊(duì)(數(shù)十個(gè)人以上)使用，而輕量級(jí)方法適合小型的軟件團(tuán)隊(duì)( 幾個(gè)人、十幾個(gè)人)使用。一些方法論者認(rèn)為，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循并且實(shí)施這些方法。但是一些人并不具有實(shí)施這些方法的條件。實(shí)際上，采用何種方法開(kāi)發(fā)軟件取決于很多因素，同時(shí)受到環(huán)境的制約 。4. 軟件工程的開(kāi)展方向敏捷開(kāi)發(fā)(agile development)被認(rèn)為是軟件工程的一個(gè)重要的開(kāi)展，它強(qiáng)調(diào)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)當(dāng)能夠

48、對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的變化和不確定性作出全面反響。敏捷軟件開(kāi)發(fā)又稱敏捷開(kāi)發(fā)，是一種從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始逐漸引起關(guān)注的一些新型軟件 開(kāi)發(fā)方法，是一種應(yīng)對(duì)快速變化的需求的一種軟件開(kāi)發(fā)能力。它們的具體名稱、理念、過(guò)程、術(shù)語(yǔ)都不盡相同，相對(duì)于“非敏捷,它更強(qiáng)調(diào)程序員團(tuán)隊(duì)與業(yè)務(wù)專家之間的緊密協(xié)作、面對(duì)面的溝通(認(rèn)為比書(shū)面的文檔更有效)、頻繁交付新的軟件版本、緊湊而自我組織型的團(tuán)隊(duì)、能夠很好地適應(yīng)需求變化的代碼編寫和團(tuán)隊(duì)組織方法，也更注重作為軟件開(kāi)發(fā)中人的作用。敏捷一詞來(lái)源于 2001 年初美國(guó)猶他州雪鳥(niǎo)滑雪勝地的一次敏捷方法發(fā)起者和實(shí)踐者( 他們發(fā)起組成了敏捷聯(lián)盟) 的聚會(huì)。雪鳥(niǎo)會(huì)議共同起草了敏捷軟

49、件開(kāi)發(fā)宣言，其中最重要的局部就是對(duì)一些與會(huì)者一致同意的軟件開(kāi)發(fā)價(jià)值觀的表述，第一，人機(jī)交互重于過(guò)程和工具；第二，可以工作的軟件重于完備的文檔；第三，客戶協(xié)作重于合同談判；第四，隨時(shí)應(yīng)對(duì)變化重于循規(guī)蹈矩。宣言中還包括以下原那么: 對(duì)我們而言，最重要的是通過(guò)盡早和不斷交付有價(jià)值的軟件滿足客戶需要 ; 我們歡送需求的變化，即使在開(kāi)發(fā)后期，敏捷過(guò)程能夠駕馭變化，保持客戶的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；經(jīng)常交付可以工作的軟件，從幾個(gè)星期到幾個(gè)月，時(shí)間尺度越短越好；業(yè)務(wù)人員和開(kāi)發(fā)者應(yīng)該在整個(gè)工程過(guò)程中始終朝夕在一起工作；圍繞斗志高昂的人進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，給開(kāi)發(fā)者提供適宜的環(huán)境，滿足他們的需要，并相信他們能夠完成任務(wù)；在開(kāi)發(fā)小組中

50、最有效率也最有效果的信息傳達(dá)方式是面對(duì)面的交談；可以工作的軟件是進(jìn)度的主要 度量標(biāo)準(zhǔn)；敏捷過(guò)程提倡可持續(xù)開(kāi)發(fā)，出資人、開(kāi)發(fā)人員和用戶應(yīng)該總是維持不變的節(jié)奏；對(duì)豐越技術(shù)與良好設(shè)計(jì)的不斷追求將有助于提高敏捷性；盡可能減少工作量的藝術(shù)至關(guān)重要；最好的架構(gòu)、需求和設(shè)計(jì)都源自自我組織的團(tuán)隊(duì)；每隔一定時(shí)間，團(tuán)隊(duì)都要總結(jié)如何才能更有效率，然后相應(yīng)地調(diào)整自己的行為。敏捷方法有時(shí)候被誤認(rèn)為是無(wú)方案性和無(wú)紀(jì)律性的方法，實(shí)際上更確切的說(shuō)法是敏捷方法強(qiáng)調(diào)適應(yīng)性而非預(yù)見(jiàn)性。適應(yīng)性的方法集中在快速適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的變化。當(dāng)工程的需求有所變化，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該迅速適應(yīng)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)可能很難確切描述未來(lái)將會(huì)如何變化。相比迭代式開(kāi)發(fā)，兩者都強(qiáng)調(diào)在

51、較短的開(kāi)發(fā)周期提交軟件，敏捷方法的周期可能更短，并且更加強(qiáng)調(diào)隊(duì)伍中的高度協(xié)作。與瀑布模型相比，兩者沒(méi)有很多的共同點(diǎn)，瀑布模型式是最典型的預(yù)見(jiàn)性的方法，嚴(yán)格遵循預(yù)先方案的需求、分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試的步驟順序進(jìn)行。步驟成果作為衡量進(jìn)度的方法，例如，需求規(guī)格、設(shè)計(jì)文檔、測(cè)試方案和代碼審閱等。瀑布式的主要問(wèn)題是它的嚴(yán)格分級(jí)導(dǎo)致的自由度降低，工程早期即作出承諾導(dǎo)致對(duì)后期需求的變化難以調(diào)整，代價(jià)高昂。瀑布式方法在需求不明，且在工程進(jìn)行過(guò)程中可能變化的情況下根本是不可行的。相對(duì)來(lái)講，敏捷方法那么在幾周或幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成相對(duì)較小的功能，強(qiáng)調(diào)的是能盡早將 盡量小的可用的功能交付使用，并在整個(gè)工程周期中持續(xù)改

52、善和增強(qiáng)。敏捷方法除了其獨(dú)特之處以外，它和其他的方法也有很多共同之處，比方迭代開(kāi)發(fā),關(guān)注互動(dòng)溝通，減少中介過(guò)程的資源消耗。通常可以在以下幾個(gè)方面衡量敏捷方法的適用性: 從產(chǎn)品角度看，敏捷方法適用于需求萌動(dòng)并且快速改變的情況，如果系統(tǒng)有比擬高的關(guān)鍵性、可靠性、平安性方面的要求，那么可能不完全適合 ; 從組織結(jié)構(gòu)的角度看，組織結(jié)構(gòu)的文化、人員、溝通那么決定了敏捷方法是否適用。最重要的因素是工程的規(guī)模，規(guī)模增 長(zhǎng)，面對(duì)面的溝通就愈加困難，因此敏捷方法更適用于較小的隊(duì)伍。大規(guī)模的敏捷軟件開(kāi) 發(fā)尚處于積極研究的領(lǐng)域。其他的問(wèn)題是工程初期的大量假定或快速收集需求可能導(dǎo)致工程走人誤區(qū)，特別是客戶對(duì)其自身需要

53、毫無(wú)概念的情況下。與之類似，人之天性很容易造 成某個(gè)人成為主導(dǎo)，并將工程目標(biāo)和設(shè)計(jì)引人錯(cuò)誤方向的境況。開(kāi)發(fā)者經(jīng)常能把不恰當(dāng)?shù)?方案授予客戶，并且直到最后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題前都能獲得客戶認(rèn)同。雖然理論上快速交互的過(guò)程 可以限制這些錯(cuò)誤的發(fā)生，但前提是有效的負(fù)反響，否那么錯(cuò)誤會(huì)迅速膨脹。面向方面的程序設(shè)計(jì) (AspectOriented Programming,AOP) 被認(rèn)為是近年來(lái)軟件工程的另外一個(gè)重要開(kāi)展。這里的方面是指完成一個(gè)功能的對(duì)象和函數(shù)的集合。在這一方面相關(guān)的內(nèi)容有泛型編程 (generic programming)和模板。5. 絢麗的數(shù)字媒體技術(shù) P142任何試圖總結(jié)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科開(kāi)展史

54、的努力都應(yīng)受到尊敬，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域?qū)嵲谑翘嫶蟆Ｏ旅嬲故疽恍┯?jì)算機(jī)典型的應(yīng)用 。1. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computer graphics ,CG) 的主要內(nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形，以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素及灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等；另一類是明暗圖，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場(chǎng)景的幾何表示,再用某種光

55、照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。事實(shí)上，圖形學(xué)也可以把表示幾何場(chǎng)景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為主要的研究?jī)?nèi)容。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)開(kāi)展迅猛，在生活、科學(xué)、工程技術(shù)、藝術(shù)、音樂(lè)、舞蹈、影視制作等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2.

56、 科學(xué)可視化科學(xué)可視化 (scientific visualization ) 是一個(gè)跨學(xué)科研究與應(yīng)用領(lǐng)域，主要關(guān)注三維現(xiàn)象的可視化，如建筑學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)或生物學(xué)方面的各種系統(tǒng)，重點(diǎn)在于對(duì)體、面及光源等的逼真渲染，甚至還包括某種動(dòng)態(tài)(時(shí)間)成分?？茖W(xué)可視化側(cè)重于利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)創(chuàng)立視覺(jué)圖像，從而幫助人們理解那些采取錯(cuò)綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的數(shù)字呈現(xiàn)形式的科學(xué)概念或結(jié)果。美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家布魯斯麥考梅克，在 1987 年關(guān)于科學(xué)可視化的定義之中，首次闡 述了科學(xué)可視化的目標(biāo)和范圍：“利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)創(chuàng)立視覺(jué)圖像，幫助人們理解科學(xué)技術(shù)概念或結(jié)果的那些錯(cuò)綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的數(shù)字表現(xiàn)形式。此類

57、數(shù)字型表現(xiàn)形式或數(shù)據(jù)集可能會(huì)是液體流型(fluid flow)或分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics)之類計(jì)算機(jī)模擬的輸出，或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)( 如利用地理學(xué)、氣象學(xué)或天體物理學(xué)設(shè)備所獲得的記錄)。就醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)(CT、MRI、PET等)來(lái)說(shuō)，常常聽(tīng)說(shuō)的一條術(shù)語(yǔ)就是“醫(yī)學(xué)可視化(medicalvisualization ) ?？茖W(xué)可視化本身并不是最終目的，而是許多科學(xué)技術(shù)工作的一個(gè)構(gòu)成要素。 這些工作之中通常會(huì)包括對(duì)科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)和模型的解釋、操作與處理?？茖W(xué)工作者對(duì)數(shù)據(jù)加以可視化，旨在尋找其中的種種模式、特點(diǎn)、關(guān)系及異常情況，換句話說(shuō)也就是為了幫助理解。因此，應(yīng)當(dāng)把可視化看做是任務(wù)驅(qū)動(dòng)型，而

58、不是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型。圖 5-7 所示為數(shù)據(jù)可視化的例如。圖 5-7 數(shù)據(jù)可視化例如(銣原子速度的分布情況)圖形學(xué)(graphics)和影像學(xué)(imaging)技術(shù)方法在計(jì)算科學(xué)方面的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)新的領(lǐng)域；上述專題組成員把該領(lǐng)域稱為“科學(xué)計(jì)算之中的可視化(visualization in scientific computing,ViSC) 。該專題組認(rèn)為，科學(xué)可視化是正在興起的一項(xiàng)重大的基于計(jì)算機(jī)的技術(shù)，需要聯(lián)邦政府大力加強(qiáng)對(duì)它的支持。3. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 (computer animation ) 又稱計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)，是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)制作動(dòng)畫的藝術(shù)，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和動(dòng)畫的子領(lǐng)域。它越

59、來(lái)越多地借助于三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，雖然二維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)仍然被廣泛使用著。有時(shí)動(dòng)畫最后使用的地方就是計(jì)算機(jī)本身，有時(shí)候那么是其他的媒體，譬如電影。為了制造運(yùn)動(dòng)的影像，將畫面顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，然后很快被一幅和前面畫面相似但不同的新畫面所代替，這個(gè)技術(shù)和電視、電影制造移動(dòng)的假 象的原理一樣。三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫本質(zhì)上是定格動(dòng)畫 (stop motion, 或稱靜幀采集) 的數(shù)字化后代，動(dòng)畫中的形象建立在計(jì)算機(jī)屏幕上并被裝上了一個(gè)骨架。然后，三維形象的四肢、 眼睛、嘴巴、衣服由動(dòng)畫制作者來(lái)操作。最后，動(dòng)畫由計(jì)算機(jī)繪制出來(lái)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫可以用計(jì)算機(jī)和動(dòng)畫軟件制作。一些常見(jiàn)的動(dòng)畫軟件包括 Amorphium (3

60、D)、造型軟件(3D)、Ray Dream Studio(3D)、Bryce,Cinema 4D 、瑪雅、Blender,Truespace(3-D)、3D Studio Max(3D)以及 SoftImage XSI(3D)。它們的價(jià)格隨著目標(biāo)市場(chǎng)的不同而有很大的不同。有些令人印象深刻的動(dòng)畫可能由相當(dāng)簡(jiǎn)單的程序生成，但是在普通家用機(jī) 上繪制會(huì)耗時(shí)很久。電子游戲動(dòng)畫制作者傾向于用低分辨率、低多邊形數(shù)的繪制器，使得圖形得以實(shí)時(shí)繪制。高真實(shí)感動(dòng)畫在這種環(huán)境中制作是不現(xiàn)實(shí)的。圖5-8 所示為科幻電影?保羅紀(jì)公園?中的一個(gè)畫面。圖 5-8 ?保羅紀(jì)公園?中的一個(gè)畫面電影、電視和錄像的專業(yè)動(dòng)畫師采用高細(xì)