第1章計算機概論

把互聯(lián)網裝進口袋移動互聯(lián)網，就是將移動通信和互聯(lián)網二者結合起來，成為一體。是指互聯(lián)網的技術、平臺、商業(yè)模式和應用與移動通信技術結合并實踐的活動的總稱。4G時代的開啟移動終端設備移動互聯(lián)網移動互聯(lián)網移動互聯(lián)網發(fā)展：截至2014年4月，我國移動互聯(lián)網用戶總數(shù)達8.48億戶，在移動電話用戶中的滲透率達67.8%手機網民規(guī)模達5億，占總網民數(shù)的八成多，手機保持第一大上網終端地位我國移動互聯(lián)網發(fā)展進入全民時代模式：移動社交將成客戶數(shù)字化生存的平臺移動廣告將是移動互聯(lián)網的主要盈利來源手機游戲將成為娛樂化先鋒手機電視將成為時尚人士新寵移動電子閱讀填補狹縫時間移動定位服務提供個性化信息手機搜索將成為移動互聯(lián)網發(fā)展的助推器手機內容共享服務將成為客戶的黏合劑移動支付蘊藏巨大商機移動電子商務的春天即將到來移動互聯(lián)網計算機通信通過射頻識別（RFID）(RFID+互聯(lián)網）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”。物聯(lián)網想象一下這樣的場景一進入辦公室，室內燈光、溫度、濕度和辦公設備馬上進入你預設的理想狀態(tài)下班家里電視自動調整到自己喜歡的頻道，冰箱也會提示你最喜歡的飲料缺貨需要盡快補充在超市里，推著滿載的購物車通過感應器，購物賬單自行打印，不需逐一掃描條碼在圖書館里，把借閱的所有書籍放在指定設備前，即可完成借還書全部流程物聯(lián)網智慧地球，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成所謂“物聯(lián)網”，然后將“物聯(lián)網”與現(xiàn)有的互聯(lián)網整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。這一概念由IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出。智慧地球智慧地球瑞典斯德哥爾摩2007年8月開始試點智能交通系統(tǒng)，按照不同的擁堵程度對交通收費。兩年后，斯德哥爾摩交通擁擠狀況減輕了18%，與此同時乘坐公共交通的人數(shù)大大上升，整個城市二氧化碳排放量降低14%至18%，年人均排放量約減至4噸，而歐盟年人均排放量是8噸。

第1章計算機概論1.1計算機概述1.2計算機與信息社會1.1計算機概述1.1.1計算機的定義

計算機（Computer）是一種以高速進行計算、具有內部存儲能力、由程序控制操作過程的自動電子裝置，其主要功能是進行數(shù)字計算和信息處理。計算機具有存儲信息的能力計算機具有運算能力計算機還能進行信息處理1.1.2計算機的起源

世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIACENIAC——ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月在美國賓夕法尼亞大學研制成功體積龐大，18000個電子管組成，占地170m2，重30t，每小時用電140kW，運行速度為每秒5000次加減法或400次乘法運算意義:樹立起科學技術發(fā)展的一個新的里程碑，標志著電子計算機時代的到來缺點:沒有存儲器，用布線接板進行控制，甚至要搭接電線，極大地影響了計算速度ENIAC1.1.2計算機的起源

第一臺現(xiàn)代意義上的通用計算機EDVACENVAC——ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，離散變量自動計算機1951年在美國賓夕法尼亞大學研制成功，美籍匈牙利數(shù)學家約翰·馮·諾依曼參與研制不僅可以應用于科學計算，還可以用于信息檢索EDVAC首次使用二進制而不是十進制速度比ENIAC提高了近240倍1.1.2計算機的起源

馮·諾依曼體系結構的內容和思想：（1）計算機由五個部分組成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。（2）采用“存儲程序”的思想，由程序控制計算機按順序執(zhí)行指令，自動完成規(guī)定的任務。（3）計算機的指令和數(shù)據(jù)一律采用二進制。（4）計算機以運算器為中心，輸入、輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。

現(xiàn)在使用的計算機，其基本工作原理仍然是存儲程序和程序控制，所以現(xiàn)在的計算機一般被稱為馮·諾依曼結構計算機。電子管晶體管集成電路大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路1.1.3計算機的發(fā)展

根據(jù)計算機所采用的主要物理器件，計算機大體上經歷了以下四個發(fā)展階段：晶體管超大規(guī)模集成電路電子管集成電路（1）第一代計算機（1946年～1957年）邏輯元件采用電子管，體積大，耗電多，運算速度低，成本高沒有系統(tǒng)軟件，只能用機器語言和匯編語言編程只能在少數(shù)高級領域中得到應用，一般用于科學、軍事和財務等方面的計算1.1.3計算機的發(fā)展（2）第二代計算機（1958年～1964年）邏輯元件采用晶體管，存儲器采用磁芯和磁鼓,平均壽命提高，耗電量減少，體積減小，運算速度提高系統(tǒng)軟件出現(xiàn)了監(jiān)控程序，提出了操作系統(tǒng)的概念，開始使用高級語言不僅用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理，并逐漸應用于工業(yè)控制領域1.1.3計算機的發(fā)展（3）第三代計算機（1965年～1971年）邏輯元件采用集成電路，體積和耗電量大大減少，運算速度卻大大提高，性能和穩(wěn)定性得到進一步提高系統(tǒng)軟件有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)和會話式語言以及結構化程序設計方法計算機朝著標準化、多樣化

和通用化方向發(fā)展，并開始

應用于各個領域1.1.3計算機的發(fā)展（4）第四代計算機（1972年至今）采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計算機的各種性能都得到了大幅度的提高，運算速度從每秒幾百萬次到千萬億次以上操作系統(tǒng)不斷完善，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和通信軟件巨型機的發(fā)展，微型計算機的產生及普及，多媒體技術和計算機網絡的發(fā)展。1.1.3計算機的發(fā)展第五代計算機

從20世紀80年代開始，一些國家開展了新一代被稱為“智能計算機”的計算機系統(tǒng)的研制，企圖打破已有的體系結構，使計算機具有思維、推理和判斷能力，但目前尚未有突破性的進展。1.1.3計算機的發(fā)展1971年，美國Intel公司將計算機的控制器和運算器集成到一個芯片上，研制出了世界上第一個微處理芯片Intel4004。用微處理器裝配的計算機被稱為微型計算機，又稱個人計算機（PersonalComputer，PC），簡稱微機。微機具有體積小、重量輕、功耗小、可靠性高、使用環(huán)境要求不嚴格、價格低廉、易于批量生產等特點。1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的（1）第一階段（1971年～1973年）采用4位和低擋8位為微處理器典型產品——Intel公司生產的MCS-4（采用4位微處理芯片的Intel4004）和MCS-8（采用8位微處理芯片的Intel8008）1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展（2）第二階段（1974年～1977年）采用中高檔微處理器典型產品——Intel公司生產的Intel8080、Motorola公司生產的M6800和ZILOG公司生產的Z80集成度為每片4000～10000個晶體管，時鐘頻率為2.5～5MHz1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展（3）第三階段（1978年～1984年）這一代微機采用16位微處理器典型產品——Intel公司生產的Intel8080/80286、Motorola公司生產的M6800和ZILOG公司生產的Z8000集成度為每片2萬～7萬個晶體管，時鐘頻率為4～10MHz1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展（4）第四階段（1985年～1992年）采用32位微處理器典型產品——Intel公司生產的80386/80486、Motorola公司生產的M68030/M68040等集成度高達每片100萬個晶體管，時鐘頻率可以達到100MHz1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展（5）第五階段（1993年至今）這一代微機采用64位微處理器典型產品——Intel公司生產的Pentium系列芯片集成度高達每片900～4200萬個晶體管，主時鐘頻率為1.8～2.4GHz，最高時鐘頻率已達到3.2GHz1.1.4微處理器與微型計算機的發(fā)展微處理器集成度發(fā)展示意圖晶體管數(shù)目4004奔騰4420,00,0002,3000.18微米芯片10微米芯片（1）巨型化不是指計算機的體積大小，而是指計算機具有更高的運算速度、更大的存儲容量和更強的處理能力，其運算能力一般在每秒百億次以上。1.1.5計算機的發(fā)展趨勢銀河億次巨型計算機

主要應用于尖端科學技術領域，它的研制水平是一個國家科學技術能力的重要標志，也是一個國家綜合國力的反映。（2）微型化指計算機向使用方便、體積小、重量輕、價格低和功能齊全的方向發(fā)展。微型計算機的應用逐漸深入到了人們生活的各個領域，并進入了一些家電和儀器設備的控制領域。1.1.5計算機的發(fā)展趨勢（3）多媒體化多媒體是指以數(shù)字技術為核心的圖像和聲音與計算機、通信等融為一體的信息環(huán)境。目標是無論在何地，只需要簡單的設備，就能自由自在地以交互和對話方式收/發(fā)所需要的信息。實質就是人們利用計算機以更加接近自然的方式交換信息。1.1.5計算機的發(fā)展趨勢（4）網絡化指利用現(xiàn)代通信技術和計算機技術，把分布在不同地理位置的計算機通過通信設備連接起來，按照網絡協(xié)議互相通信，以實現(xiàn)

軟軟/硬件資源和信息共享。1.1.5計算機的發(fā)展趨勢（5）智能化指讓計算機來模擬人的感覺、行為、思維過程，使計算機具備“視覺”、“聽覺”、“語言”、“行為”、“思維”、邏輯推理、學習、證明等能力。1.1.5計算機的發(fā)展趨勢Deeperblue“更深的藍”Garry

Kasparov超級計算機是國家科研的重要基礎工具，在地質、氣象、石油勘探等領域的研究中發(fā)揮關鍵作用，也是汽車、航空、化工、制藥等行業(yè)的重要科研工具。1.1.6中國超級計算機的發(fā)展２０１３年６月１７日，國際ＴＯＰ５００組織公布了最新全球超級計算機５００強排行榜榜單，中國國防科學技術大學研制的“天河二號”以每秒３３.８６千萬億次的浮點運算速度，成為全球最快的超級計算機。

１９８３年，中國第一臺被命名為“銀河”的億次巨型電子計算機歷經５年研制在國防科技大學誕生。１９９２年，國防科技大學研制出銀河－ＩＩ通用并行巨型機，峰值速度達每秒１０億次，主要用于中期天氣預報。１９９７年，國防科技大學研制成功銀河－ＩＩＩ百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒１３０億次浮點運算。２００４年，由中科院計算所、曙光公司、上海超級計算中心三方共同研發(fā)制造的曙光４０００Ａ實現(xiàn)了每秒１０萬億次運算速度。２００８年９月１６日，曙光５０００Ａ在天津下線，實現(xiàn)峰值速度２３０萬億次，可以完成各種大規(guī)模科學工程計算、商務計算。２００９年６月，５０００Ａ正式落戶上海超算中心。２００９年１０月２９日，中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生。２００９年１１月１７日，全球超級計算機５００強評選，由中國國防科技大學研制的“天河一號”超級計算機，以實測速度每秒５６３．１萬億次位列世界第五。２０１０年１１月１６日,全球超級計算機５００強排行榜，由中國國防科學技術大學研制的“天河一號”超級計算機排名第一。1.1.6中國超級計算機的發(fā)展交通工具制造：超級計算機可用來認識和改進汽車、飛機或輪船等交通工具的空氣／流體動力結構、燃料消耗和防撞強度，并幫助減少噪音，提高乘坐者舒適度。氣候問題：借助超級計算機建模預測氣候變化，防范和減輕氣候變化帶來的破壞。生物信息：從基因學的數(shù)據(jù)密集型研究到細胞網絡模擬和大規(guī)模系統(tǒng)建模，超級計算機將幫助尋找疾病治療的革命性方法。地震監(jiān)測：超級計算機對地震的模擬將幫助我們探索地震預測新方法，通過預警減少地震人財物傷亡和損失的風險。地球科學：地球物理學涉及大量數(shù)據(jù)處理和模擬，超級計算機在石油勘測等方面具有潛在和巨大的經濟效益。天體物理：超級計算機模擬是天體物理學的基礎，通過模擬時間進程并加速，可對天體演變進行建模和理論試驗。公共健康：超級計算機可對影響社會的健康和安全事件進行模擬，為可能發(fā)生的大規(guī)模污染和災難等提出應對措施和規(guī)劃材料科學：基于對物質和能量的密集計算模擬，或許能發(fā)現(xiàn)具有很高經濟效益的物質和反應。人類／組織系統(tǒng)研究：宏觀經濟學和社會動力學的研究同樣需要超級計算機，比如對大量人口行為進行模擬。超級計算機能做什么計算思維（ComputationalThinking）是美國CarnegieMellon大學周以真教授于2006年提出的。計算思維運用計算機科學的基礎概念求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為，它選擇合適的方式陳述一個問題，對一個問題的相關方面建模，并用最有效的辦法實現(xiàn)問題求解。圖靈獎得主EdsgerDijkstra：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力。”1.1.7計算思維（1）計算思維是概念化的抽象思維，而不是程序設計。（2）計算思維是基礎的，不是機械的技能。（3）計算思維是人的，而不是計算機的思維。（4）計算思維是數(shù)學和工程思維的互補與融合。（5）計算思維是想法，不是物品。（6）計算思維是無人無處不需要的。（7）計算思維關注智力上極有挑戰(zhàn)性的科學問題的理解和解決，這些問題和解決方法僅僅受限于我們本身的好奇心和創(chuàng)造力。1.1.7計算思維計算思維的特性（1）計算思維是概念化的抽象思維，而不是程序設計。（2）計算思維是基礎的，不是機械的技能。（3）計算思維是人的，而不是計算機的思維。（4）計算思維是數(shù)學和工程思維的互補與融合。（5）計算思維是想法，不是物品。（6）計算思維是無人無處不需要的。（7）計算思維關注智力上極有挑戰(zhàn)性的科學問題的理解和解決，這些問題和解決方法僅僅受限于我們本身的好奇心和創(chuàng)造力。1.1.7計算思維計算思維的特性1.2計算機與信息社會1.2.1信息與信息社會1.信息指現(xiàn)實世界事物的存在方式和運動狀態(tài)的反映。從信息處理的角度講，信息是指原始數(shù)據(jù)經過加工后，能對客觀世界產生影響的、有用的數(shù)據(jù)，而且信息又以數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來。表現(xiàn)形式有聲音、文字和圖像等，統(tǒng)稱為“媒體”。信息是可以進行傳遞和共享的，并且必須依附于某種載體，如報紙、電話、電視和計算機等。1.2.1信息與信息社會2．信息技術指在獲取信息、處理信息、存儲信息和傳播信息中所用到的各種技術的總稱。主要包括傳感技術、計算機技術和通信技術傳感技術就是代替人的眼、耳、手等器官從客觀世界獲取信息；通信技術就是人的傳導神經器官，負責傳遞信息；計算機就是人的大腦，是信息技術的核心，負責處理信息。1.2.1信息與信息社會3．信息社會

指在國民經濟和社會各個領域，不斷推廣和應用計算機、通信、網絡等信息技術和其他相關智能技術，達到全面提高經濟運行效率、勞動生產率、企業(yè)核心競爭力和人民生活質量的目的。1.2.2計算機在信息社會中的應用1.科學計算

衛(wèi)星軌跡計算、氣象預報2.過程控制

數(shù)控機床和對生產流水線的控制3.數(shù)據(jù)處理