第1章计算机概论

把互联网装进口袋移动互联网，就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体。是指互联网的技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。4G时代的开启移动终端设备移动互联网移动互联网移动互联网发展：截至2014年4月，我国移动互联网用户总数达8.48亿户，在移动电话用户中的渗透率达67.8%手机网民规模达5亿，占总网民数的八成多，手机保持第一大上网终端地位我国移动互联网发展进入全民时代模式：移动社交将成客户数字化生存的平台移动广告将是移动互联网的主要盈利来源手机游戏将成为娱乐化先锋手机电视将成为时尚人士新宠移动电子阅读填补狭缝时间移动定位服务提供个性化信息手机搜索将成为移动互联网发展的助推器手机内容共享服务将成为客户的黏合剂移动支付蕴藏巨大商机移动电子商务的春天即将到来移动互联网计算机通信通过射频识别（RFID）(RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。物联网想象一下这样的场景一进入办公室，室内灯光、温度、湿度和办公设备马上进入你预设的理想状态下班家里电视自动调整到自己喜欢的频道，冰箱也会提示你最喜欢的饮料缺货需要尽快补充在超市里，推着满载的购物车通过感应器，购物账单自行打印，不需逐一扫描条码在图书馆里，把借阅的所有书籍放在指定设备前，即可完成借还书全部流程物联网智慧地球，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。这一概念由IBM首席执行官彭明盛首次提出。智慧地球智慧地球瑞典斯德哥尔摩2007年8月开始试点智能交通系统，按照不同的拥堵程度对交通收费。两年后，斯德哥尔摩交通拥挤状况减轻了18%，与此同时乘坐公共交通的人数大大上升，整个城市二氧化碳排放量降低14%至18%，年人均排放量约减至4吨，而欧盟年人均排放量是8吨。

第1章计算机概论1.1计算机概述1.2计算机与信息社会1.1计算机概述1.1.1计算机的定义

计算机（Computer）是一种以高速进行计算、具有内部存储能力、由程序控制操作过程的自动电子装置，其主要功能是进行数字计算和信息处理。计算机具有存储信息的能力计算机具有运算能力计算机还能进行信息处理1.1.2计算机的起源

世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC——ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月在美国宾夕法尼亚大学研制成功体积庞大，18000个电子管组成，占地170m2，重30t，每小时用电140kW，运行速度为每秒5000次加减法或400次乘法运算意义:树立起科学技术发展的一个新的里程碑，标志着电子计算机时代的到来缺点:没有存储器，用布线接板进行控制，甚至要搭接电线，极大地影响了计算速度ENIAC1.1.2计算机的起源

第一台现代意义上的通用计算机EDVACENVAC——ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，离散变量自动计算机1951年在美国宾夕法尼亚大学研制成功，美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼参与研制不仅可以应用于科学计算，还可以用于信息检索EDVAC首次使用二进制而不是十进制速度比ENIAC提高了近240倍1.1.2计算机的起源

冯·诺依曼体系结构的内容和思想：（1）计算机由五个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。（2）采用“存储程序”的思想，由程序控制计算机按顺序执行指令，自动完成规定的任务。（3）计算机的指令和数据一律采用二进制。（4）计算机以运算器为中心，输入、输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。

现在使用的计算机，其基本工作原理仍然是存储程序和程序控制，所以现在的计算机一般被称为冯·诺依曼结构计算机。电子管晶体管集成电路大规模和超大规模集成电路1.1.3计算机的发展

根据计算机所采用的主要物理器件，计算机大体上经历了以下四个发展阶段：晶体管超大规模集成电路电子管集成电路（1）第一代计算机（1946年～1957年）逻辑元件采用电子管，体积大，耗电多，运算速度低，成本高没有系统软件，只能用机器语言和汇编语言编程只能在少数高级领域中得到应用，一般用于科学、军事和财务等方面的计算1.1.3计算机的发展（2）第二代计算机（1958年～1964年）逻辑元件采用晶体管，存储器采用磁芯和磁鼓,平均寿命提高，耗电量减少，体积减小，运算速度提高系统软件出现了监控程序，提出了操作系统的概念，开始使用高级语言不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐应用于工业控制领域1.1.3计算机的发展（3）第三代计算机（1965年～1971年）逻辑元件采用集成电路，体积和耗电量大大减少，运算速度却大大提高，性能和稳定性得到进一步提高系统软件有了很大的发展，出现了分时操作系统和会话式语言以及结构化程序设计方法计算机朝着标准化、多样化

和通用化方向发展，并开始

应用于各个领域1.1.3计算机的发展（4）第四代计算机（1972年至今）采用大规模和超大规模集成电路，计算机的各种性能都得到了大幅度的提高，运算速度从每秒几百万次到千万亿次以上操作系统不断完善，出现了数据库管理系统和通信软件巨型机的发展，微型计算机的产生及普及，多媒体技术和计算机网络的发展。1.1.3计算机的发展第五代计算机

从20世纪80年代开始，一些国家开展了新一代被称为“智能计算机”的计算机系统的研制，企图打破已有的体系结构，使计算机具有思维、推理和判断能力，但目前尚未有突破性的进展。1.1.3计算机的发展1971年，美国Intel公司将计算机的控制器和运算器集成到一个芯片上，研制出了世界上第一个微处理芯片Intel4004。用微处理器装配的计算机被称为微型计算机，又称个人计算机（PersonalComputer，PC），简称微机。微机具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、使用环境要求不严格、价格低廉、易于批量生产等特点。1.1.4微处理器与微型计算机的发展微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的（1）第一阶段（1971年～1973年）采用4位和低挡8位为微处理器典型产品——Intel公司生产的MCS-4（采用4位微处理芯片的Intel4004）和MCS-8（采用8位微处理芯片的Intel8008）1.1.4微处理器与微型计算机的发展（2）第二阶段（1974年～1977年）采用中高档微处理器典型产品——Intel公司生产的Intel8080、Motorola公司生产的M6800和ZILOG公司生产的Z80集成度为每片4000～10000个晶体管，时钟频率为2.5～5MHz1.1.4微处理器与微型计算机的发展（3）第三阶段（1978年～1984年）这一代微机采用16位微处理器典型产品——Intel公司生产的Intel8080/80286、Motorola公司生产的M6800和ZILOG公司生产的Z8000集成度为每片2万～7万个晶体管，时钟频率为4～10MHz1.1.4微处理器与微型计算机的发展（4）第四阶段（1985年～1992年）采用32位微处理器典型产品——Intel公司生产的80386/80486、Motorola公司生产的M68030/M68040等集成度高达每片100万个晶体管，时钟频率可以达到100MHz1.1.4微处理器与微型计算机的发展（5）第五阶段（1993年至今）这一代微机采用64位微处理器典型产品——Intel公司生产的Pentium系列芯片集成度高达每片900～4200万个晶体管，主时钟频率为1.8～2.4GHz，最高时钟频率已达到3.2GHz1.1.4微处理器与微型计算机的发展微处理器集成度发展示意图晶体管数目4004奔腾4420,00,0002,3000.18微米芯片10微米芯片（1）巨型化不是指计算机的体积大小，而是指计算机具有更高的运算速度、更大的存储容量和更强的处理能力，其运算能力一般在每秒百亿次以上。1.1.5计算机的发展趋势银河亿次巨型计算机

主要应用于尖端科学技术领域，它的研制水平是一个国家科学技术能力的重要标志，也是一个国家综合国力的反映。（2）微型化指计算机向使用方便、体积小、重量轻、价格低和功能齐全的方向发展。微型计算机的应用逐渐深入到了人们生活的各个领域，并进入了一些家电和仪器设备的控制领域。1.1.5计算机的发展趋势（3）多媒体化多媒体是指以数字技术为核心的图像和声音与计算机、通信等融为一体的信息环境。目标是无论在何地，只需要简单的设备，就能自由自在地以交互和对话方式收/发所需要的信息。实质就是人们利用计算机以更加接近自然的方式交换信息。1.1.5计算机的发展趋势（4）网络化指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地理位置的计算机通过通信设备连接起来，按照网络协议互相通信，以实现

软软/硬件资源和信息共享。1.1.5计算机的发展趋势（5）智能化指让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程，使计算机具备“视觉”、“听觉”、“语言”、“行为”、“思维”、逻辑推理、学习、证明等能力。1.1.5计算机的发展趋势Deeperblue“更深的蓝”Garry

Kasparov超级计算机是国家科研的重要基础工具，在地质、气象、石油勘探等领域的研究中发挥关键作用，也是汽车、航空、化工、制药等行业的重要科研工具。1.1.6中国超级计算机的发展２０１３年６月１７日，国际ＴＯＰ５００组织公布了最新全球超级计算机５００强排行榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以每秒３３.８６千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。

１９８３年，中国第一台被命名为“银河”的亿次巨型电子计算机历经５年研制在国防科技大学诞生。１９９２年，国防科技大学研制出银河－ＩＩ通用并行巨型机，峰值速度达每秒１０亿次，主要用于中期天气预报。１９９７年，国防科技大学研制成功银河－ＩＩＩ百亿次并行巨型计算机系统，峰值性能为每秒１３０亿次浮点运算。２００４年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光４０００Ａ实现了每秒１０万亿次运算速度。２００８年９月１６日，曙光５０００Ａ在天津下线，实现峰值速度２３０万亿次，可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。２００９年６月，５０００Ａ正式落户上海超算中心。２００９年１０月２９日，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生。２００９年１１月１７日，全球超级计算机５００强评选，由中国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，以实测速度每秒５６３．１万亿次位列世界第五。２０１０年１１月１６日,全球超级计算机５００强排行榜，由中国国防科学技术大学研制的“天河一号”超级计算机排名第一。1.1.6中国超级计算机的发展交通工具制造：超级计算机可用来认识和改进汽车、飞机或轮船等交通工具的空气／流体动力结构、燃料消耗和防撞强度，并帮助减少噪音，提高乘坐者舒适度。气候问题：借助超级计算机建模预测气候变化，防范和减轻气候变化带来的破坏。生物信息：从基因学的数据密集型研究到细胞网络模拟和大规模系统建模，超级计算机将帮助寻找疾病治疗的革命性方法。地震监测：超级计算机对地震的模拟将帮助我们探索地震预测新方法，通过预警减少地震人财物伤亡和损失的风险。地球科学：地球物理学涉及大量数据处理和模拟，超级计算机在石油勘测等方面具有潜在和巨大的经济效益。天体物理：超级计算机模拟是天体物理学的基础，通过模拟时间进程并加速，可对天体演变进行建模和理论试验。公共健康：超级计算机可对影响社会的健康和安全事件进行模拟，为可能发生的大规模污染和灾难等提出应对措施和规划材料科学：基于对物质和能量的密集计算模拟，或许能发现具有很高经济效益的物质和反应。人类／组织系统研究：宏观经济学和社会动力学的研究同样需要超级计算机，比如对大量人口行为进行模拟。超级计算机能做什么计算思维（ComputationalThinking）是美国CarnegieMellon大学周以真教授于2006年提出的。计算思维运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为，它选择合适的方式陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模，并用最有效的办法实现问题求解。图灵奖得主EdsgerDijkstra：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”1.1.7计算思维（1）计算思维是概念化的抽象思维，而不是程序设计。（2）计算思维是基础的，不是机械的技能。（3）计算思维是人的，而不是计算机的思维。（4）计算思维是数学和工程思维的互补与融合。（5）计算思维是想法，不是物品。（6）计算思维是无人无处不需要的。（7）计算思维关注智力上极有挑战性的科学问题的理解和解决，这些问题和解决方法仅仅受限于我们本身的好奇心和创造力。1.1.7计算思维计算思维的特性（1）计算思维是概念化的抽象思维，而不是程序设计。（2）计算思维是基础的，不是机械的技能。（3）计算思维是人的，而不是计算机的思维。（4）计算思维是数学和工程思维的互补与融合。（5）计算思维是想法，不是物品。（6）计算思维是无人无处不需要的。（7）计算思维关注智力上极有挑战性的科学问题的理解和解决，这些问题和解决方法仅仅受限于我们本身的好奇心和创造力。1.1.7计算思维计算思维的特性1.2计算机与信息社会1.2.1信息与信息社会1.信息指现实世界事物的存在方式和运动状态的反映。从信息处理的角度讲，信息是指原始数据经过加工后，能对客观世界产生影响的、有用的数据，而且信息又以数据的形式表现出来。表现形式有声音、文字和图像等，统称为“媒体”。信息是可以进行传递和共享的，并且必须依附于某种载体，如报纸、电话、电视和计算机等。1.2.1信息与信息社会2．信息技术指在获取信息、处理信息、存储信息和传播信息中所用到的各种技术的总称。主要包括传感技术、计算机技术和通信技术传感技术就是代替人的眼、耳、手等器官从客观世界获取信息；通信技术就是人的传导神经器官，负责传递信息；计算机就是人的大脑，是信息技术的核心，负责处理信息。1.2.1信息与信息社会3．信息社会

指在国民经济和社会各个领域，不断推广和应用计算机、通信、网络等信息技术和其他相关智能技术，达到全面提高经济运行效率、劳动生产率、企业核心竞争力和人民生活质量的目的。1.2.2计算机在信息社会中的应用1.科学计算

卫星轨迹计算、气象预报2.过程控制

数控机床和对生产流水线的控制3.数据处理