《信息技术基础与应用》课件第2章

第二章计 算 机 技 术2.1计算机技术的发展历史2.2计算机的分代与分类 2.3计算机系统的组成、结构与工作过程2.4“信息家电”时代的到来2.5计算机的发展趋势2.6量子计算机2.7生物计算机2.8光计算机

1946年美国宾州大学利用3年时间研制开发完成了用于弹道轨迹计算的世界上第一台电子数字计算机，这台机器使用了18000个电子管，重达30吨，功率150千瓦，占地

170平方米，而运算速度仅为每秒钟5000次加、减运算。2.1计算机技术的发展历史图2.1所示为早期的手摇计算机。1946～1955年这10年间世界各国陆续研制出了一批计算机，如图2.2所示。它们的共同特点是：采用电子管，体积大，功耗大，运算速度慢，存储容量小，程序设计只能采用机器语言(二进制的机器指令)或汇编语言。这样的计算机只能安装在专门的实验室里，只有专家才能使用，而且所编的程序只能在指定的计算机上使用，相互无法兼容。

图2.1早期的手摇计算机系统

1955年IBM公司研制开发完成了世界上第一台全晶体管计算机，标志着第二代计算机的诞生。此后，IBM的计算机逐步形成一个系列化的产品，如IBM360系列计算机。所谓系列化产品就是指规模从小到大的一系列计算机，其软件和某些硬件是向上兼容的，这为计算机产业进入批量生产和规模应用打下了基础。但是，当时的IBM等大型机只能放在计算中心的机房中，用户不能直接与计算机打交道。这一代计算机的速度可达每秒运算数十万次到几百万次，存储器普遍采用磁芯制成，配置有操作系统和一批早期的高级语言如FORTRAN、COBOL等，使编程工作明显简化，并开始配置监控程序，使得使用和维护工作大大简化。

图2.2美国研制出的世界上第一台电子管计算机这个时期，除IBM公司以外，美国波士顿大学还研制出了体积只有书桌大小，用户可坐在机前自己操作，并通过屏幕编辑软件修改程序和字符等文本内容，使用维护都很方便的小型计算机。在其影响下，各家公司也纷纷研制出小型机，其中典型的代表机型有DEC的PDP-11和VAX系列。

从20世纪70年代开始，随着微电子技术的迅猛发展，大规模(LSI)和超大规模(VLSI)半导体集成电路成批上市。作为计算机核心部件的处理器和控制器都可通过一块或几块集成电路来实现，最具代表性的集成电路生产公司——英特尔公司开发出了8086、80286、80386和80486等芯片系列，而原来的磁芯存储器也由半导体存储器所取代，这一切促使了个人计算机(PersonalComputer，简称PC)的诞生和飞速发展。在这种背景下，系统软件方面也得到很大的发展。微软公司陆续开发并逐步升级的操作系统有MSDOS和Windows系统，以及PC的开放平台X86/DOS，硬件和软件的快速发展使计算机的应用、普及并逐步进入老百姓家庭真正成为可能。这个时期计算机的特点是体积更加缩小，而功能却更加完善和加强，使用十分方便，便于大规模生产，从而使得价格更加便宜。

20世纪80年代以来，随着因特网(Internet)的发展与普及，各种各样的计算机通过因特网互联起来，形成了世界范围的“多机协作环境”和信息资源共享的环境。在这种情况下，用户通过网络上的任何一台计算机都可以完成他所需要完成的任何任务。因此，有人把这个时期称为“以网络为中心”的计算机时代，或者称为“网络就是计算机”的时代。特别值得一提的是，PC机广泛连接到因特网从根本上改变了PC机的地位和作用，因为在这种情况下的PC机已经彻底改变了它原来的面貌，提高PC机的性能可以完成用户需要完成的各种任务，可以共享因特网上的各种资源。所以也有人把这个时代称为“网络+PC”的时代。这个时期在巨型计算机和超级计算机的研究、开发方面更有着飞速的发展，其运算速度从每秒几百万次迅速提高到几千万次、几亿次、几十亿次、几百甚至几千亿次。2001年美国已经成功研制了运算速度达到每秒12.3万亿次的巨型计算机；我国也研制开发完成了每秒6000亿次的巨型计算机，如图2.3所示。

图2.3每秒6000亿次的巨型计算机从以上的回顾可以发现两个规律：一是计算机的体积愈来愈小，计算的速度愈来愈高；二是信息处理的功能和交互性愈来愈强，使用愈来愈容易。图2.4给出了微型计算机主机、磁盘存储器内部插件和外部设备的实物图。

图2.4计算机主机、内部插件和外部设备实物图

1．计算机的分代

早期电子计算机发展历程根据所采用的物理器件的不同，大致可以划分为四代。

第一代——电子管计算机时代(从1946年第一台计算机研制成功到20世纪50年代后期)。2.2计算机的分代与分类这一时期计算机的主要特点是采用电子管作为基本元件，程序设计使用机器语言或汇编语言，主要用于科学和工程计算，运算速度为每秒几千次至几万次。

第二代——晶体管计算机时代(从20世纪50年代中期到20世纪60年代后期)。

这一时期计算机主要以晶体管为基本元件，体积缩小，功耗降低，提高了速度(每秒运算可达几十万次)，可靠性也有所提高；这一时间的计算机用磁芯做主存储器，外存储器采用磁盘、磁带等；程序设计采用高级语言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；在软件方面还出现了操作系统。计算机的应用范围进一步扩大，除进行传统的科学和工程计算外，还应用于数据处理等更广泛的领域。

第三代——集成电路计算机时代(从20世纪60年代中期到20世纪70年代前期)。

这一时期的计算机采用集成电路作为基本元件，体积减小，功耗、价格等进一步降低，而速度及可靠性则有更大的提高；用半导体存储器代替了磁芯存储器；运算速度每秒可达几十万次到几百万次；在软件方面，操作系统日臻完善。这时计算机设计思想已逐步走向标准化、模块化和系列化，应用范围更加广泛。

第四代——大规模集成电路计算机时代(从20世纪70年代初至今)。

这一时期计算机的主要功能器件采用大规模集成电路(LSI)，并用集成度更高的半导体芯片做主存储器，运算速度可达每秒百万次至亿次。在系统结构方面，处理机系统、分布式系统、计算机网络的研究进展迅速；系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化，而且正在向智能化方向迈进；各种应用软件层出不穷，极大地方便了用户。微型计算机做为第四代电子计算机，是电路技术不断发展、芯片集成度不断提高的产物。由于微型机的体积小、耗电少、价格低、性能高、可靠性好、使用方便等优点，被应用到了社会生活的各个方面，使计算机的应用更为普及。

关于第五代计算机的说法，从20世纪80年代讨论至今也没有确切的划分，计算机界无法延续按照器件种类分代的模式，所以，这也是困扰计算机领域的一个有趣的问题。

2．计算机的分类

计算机种类很多，可以从不同的角度对计算机进行分类。按照计算机原理分类，可分为数字式电子计算机、模拟式电子计算机和混合式电子计算机。按照计算机用途分类，可分为通用计算机和专用计算机。按照计算机性能分类，可分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机六大类。

2.3.1计算机系统的组成与结构

完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是计算机的物理设备，计算机硬件包括主机和外设；软件系统包括计算机的程序、数据、文档等。硬件系统和软件系统的关系是互为基础，协调一致，缺一不可。2.3计算机系统的组成、结构与工作过程

1．冯·诺依曼计算机的组成原理

从20世纪初，物理学和电子学领域的科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以，那时研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯·诺依曼大胆地提出抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还提出预先编制计算程序，然后由计算机按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算的工作方式。冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。冯·诺依曼最先提出了程序存储的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中。根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。世界上第一台冯·诺依曼式计算机是1949年研制的EDSAC，从EDSAC到当前最先进的计算机采用的都是冯·诺依曼体系结构。五十多年来，计算机系统基本结构没有变化，如图2.5所示。由于冯·诺依曼对现代计算机技术的突出贡献，因此他又被称为“计算机之父”。

图2.5计算机系统冯·诺依曼思想的核心是：程序和数据以二进制表示；程序和数据一样存放在内存中；计算机可分为五大模块(存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备)。

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：

(1)把需要的程序和数据送至计算机中。

(2)必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

(3)能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

(4)能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

(5)能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件，如图2.6所示，包括输入数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器以及输出处理结果的输出设备。

图2.6现代通用计算机基本结构示意图图2.6中各部件的功能是：

(1)运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；

(2)存储器用来存放数据和程序；

(3)控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；

(4)输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等；

(5)输出设备可将运算结果转换为人们熟悉的信息形式如打印机输出、显示器输出等。计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制造工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器，简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备。因此，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。CPU与内存储器合起来称为主机，I/O设备叫做外设。存储器分为主存储器和辅助存储器。主存可直接与CPU交换信息，辅存又叫外存。

2．计算机的五大部件

1)运算器

运算器是进行算术运算及逻辑运算的部件，主要完成算术运算(＋、－、×、÷)和各种逻辑运算(与、或、非、异或、移位、比较)等操作。运算器包括三个寄存器(ACC、MQ、X)和一个算术逻辑单元ALU。其中ACC为累加寄存器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。这三个寄存器在完成不同运算时，所存放的操作数类别也各不相同。

2)存储器

存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的个数叫做存储字长。我们赋予每个存储单元一个编号，叫做存储单元的地址号。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存(写入)、取(读出)。这种存取方式叫做按地址存取，也即按地址访问存储器(简称访存)。为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR是存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。MDR是存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。要想完整地完成一个取或存操作，CPU还得给主存加以各种控制信号，如读命令、写命令和地址译码驱动信号等。随着硬件技术的发展，主存都制作成大规模集成电路的芯片，而将MAR和MDR制作在CPU芯片中。存储器通常分为内存储器和外存储器。

内存储器采用半导体器件构成，能直接和中央处理器交换信息，也能和其他各个部件交换数据，并具有速度快和易失性的特点。

外存储器采用涂磁材料或依赖激光技术记录和读出存储信息，只能和内存交换数据，并具有存储容量大及非易失性的特点，例如硬盘、光盘、U盘。

存储器以字节为单位作为基本的存储单元，其容量单位为位(bit)、字节(Byte，简写为B)、KB、MB、GB、TB。其关系为1KB

=

1024B，1MB

=

1024KB，1GB

=

1024MB，1TB

=

1024GB。

3)控制器

控制器是计算机的神经中枢，负责指挥各部件自动、协调地工作。具体而言，控制器首先要从命令存储器中读出一条指令，这叫取指过程。接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，这叫分析指令过程。最后根据操作数所在的地址，取出操作数并完成某种操作，这叫执行过程。以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段。控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码送到CU，用来分析指令；其地址码作为操作数的地址送至存储器的MAR。CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

4)输入/输出(I/O)设备

输入设备接受用户输入的程序、数据、操作指令等，并将它们转换为二进制形式存放到内存。常见的输入设备有键盘、鼠标器、图像扫描仪、光笔、麦克风等。

输出设备将存放在内存中的程序运行结果，经转换后输出到输出介质上。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、扬声器等。

I/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，它接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作。

3．计算机基本工作原理

计算机首先把构成程序的有序指令和数据，读入到主存单元中，并置PC的初值为程序首条指令的地址。启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放指令的顺序，有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令的操作。简单地说，计算机的基本工作原理就是不断地取指令和执行指令。指令的执行过程如下：

(1)取指令：根据程序计数器中的地址，从内存取出指令送给指令寄存器。

(2)分析指令：对指令进行分析译码，将操作码转换成相应的控制电平。

(3)执行指令：根据指令分析的结果，由操作控制电路发出完成该指令的控制信息，执行该指令的操作。

(4)完成后，程序计数器加1，指向下一条指令的地址，然后重复上面的过程。

4．计算机软件系统

计算机软件系统包括系统软件和应用软件。

系统软件是指控制计算机运行、管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务的软件。通常包括操作系统、语言处理程序、实用程序和各种编译、编辑、汇编软件。其中，操作系统是最重要的系统软件。

应用软件是指专门为某一应用目的而开发的软件。应用软件分为三大类：

·通用应用软件；

·用于专门行业的应用软件；

·定制的软件。2.3.2微型计算机的组成

微型计算机由主板、微处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口电路组成。各功能部件之间通过总线有机地连接在一起，其中微处理器是整个微型计算机的核心部件。

内部存储器按照读写方式的不同，分为ROM和RAM两种类型。

输入/输出接口电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用。

总线是CPU与其他各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三种类型。

微机系统常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等。

微型计算机的主要性能指标有：

(1)

CPU指标：CPU字长、时钟频率。

(2)运算速度：每秒钟所能执行的指令条数。

(3)内存容量：内存储器存储数据的能力。

微型计算机按组成结构可分为下述几类：

(1)单片机：各组成部分集成在一个超大规模芯片上。

(2)单板机：各组成部分装配在一块印刷电路板上。

(3)多板机：各组成部分装配在多块印刷电路板上。下面对计算机的组成部分逐一进行介绍。

1．主板

主板又称母板，是连接计算机各个部件的物理通路。它为CPU、内存和各种功能卡提供安装插槽，为I/O设备提供接口，实际上电脑通过主板将CPU等各种器件和外部设备结合起来形成一套完整的系统。电脑运行时对系统内存、存储设备和其他I/O设备的操作控制都必须通过主板来完成，因此电脑的运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。主板负责组织输送数据到各个设备，协调各种器件正常工作。大致来说，主板由CPU插槽、内存插槽、总线扩展插槽、控制芯片组、外设接口、BIOS和CMOS控制芯片等几部分组成。

早期的主板中有多块芯片，目前主流的主板中已把多块芯片按功能集成到两个芯片内，叫芯片组，分为北桥芯片组和南桥芯片组。主板的性能取决于芯片组。现在主要芯片组厂商有Intel、VIA(威胜)、SIS(矽统)、ALI(扬智)等公司。

北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI等的数据传输。北桥芯片的特征是：离CPU较近并稍大，和CPU联系密切，管理L2高速缓存。一般配有散热片或风扇。该芯片决定着主板能安装何种档次的CPU及其工作频率，并决定是否支持AGP高速图型接口。还决定了所使用的内存的类型、最大容量等。

南桥芯片主要负责I/O接口的控制、IDE设备(硬盘等)的控制以及进行高级能源管理等。

南桥芯片的特征是：离CPU较远并稍小，提供标准的I/O芯片，用于管理计算机中各个设备的接口及总线，控制键盘控制器、时钟并进行电源管理等。

2．CPU

中央处理器又称为微处理器，是运算器和控制器集成在一片集成电路芯片上构成的，这块芯片也叫做CPU，它是整个微机系统的核心。下面介绍CPU的发展与分代。

·第一代：4位及低档8位微处理器。

1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。随后出现的Intel4040，是第一片通用的4位微处理器。

1972年，Intel公司推出8位Intel8008微处理器，集成度约2000管/片，时钟频率为1MHz。

·第二代：中低档8位微处理器。

1973年—1974年，8位微处理器Intel8008、M6800、Rockwell6502面世，其集成度为5000管/片，时钟频率为2MHz～4MHz。这一时期，微处理器的设计和生产技术已经相当成熟，组成微机系统的部件也愈来愈齐全，系统朝着提高集成度、增强功能与提高速度，减少系统所需芯片数量的方向发展。

·第三代：高中档8位微处理器。

1975年—1976年，8位Z-80、Intel8085面世，时钟频率达2MHz～4MHz，集成度约10000管/片，还出现了一系列单片机。

·第四代：16位及低档32位微处理器。

1978年，Intel首次推出16位处理器8086(时钟频率达到4MHz～8MHz)，8086的内部和外部数据总线都是16位，地址总线为20位，可直接访问1MB内存单元。

1979年，Intel又推出8086的姊妹芯片8088(时钟频率达到48MHz)，集成度达到2万～6万管/片。它与8086不同的是外部数据总线为8位(地址线为20位)。

1982年，Intel推出了80286(时钟频率为10MHz)。该芯片仍然为16位结构，但地址总线扩展到24位，可访问16MB内存，其工作频率也提高了许多。80286兼容8086的指令集和工作模式(实模式)，并增加了部分新指令和一种新的工作模式——保护模式。

1985年，Intel又推出了32位处理器80386(时钟频率为20MHZ)。该芯片的内外部数据线及地址总线都是32位，可访问4GB内存，并支持分页机制。除了实模式和保护模式外，又增加了一种“虚拟8086”的工作模式，可以在操作系统控制下模拟多个8086同时工作。

1989年推出了80486(时钟频率为30MHz～40MHz)，集成度达到15万管/片～50万管/片

(168个脚)，甚至上百万管/片。早期的80486相当于把80386和完成浮点运算的数学协处理器80387以及8KB的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级(L1)缓存，80486还支持主板上的二级(L2)缓存。后期推出的80486DX2首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上CPU主频发展速度的矛盾。

第五代：高档32位微处理器。

1993年，Intel公司推出了新一代高性能处理器Pentium(奔腾)。Pentium最大的改进是它拥有超标量结构(支持在一个时钟周期内执行一至多条指令)，且一级缓存的容量增加到了16KB，这些改进大大提升了CPU的性能，使得Pentium的速度比80486快数倍。除此之外，Pentium还具有良好的超频性能，即可以把一个低主频CPU当作高主频CPU来使用，使得花费较低的代价可获得较高的性能。

1996年，Intel公司推出了PentiumPro(高能奔腾)。该芯片具有两大特色，一是片内封装了与CPU同频的256KB或512KB二级缓存；二是支持动态预测执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令，这两项改进使得PentiumPro的性能又有了质的飞跃。

1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号——PentiumMMX(多能奔腾)，将一级缓存提高到32KB，同时增加了57条MMX(多媒体扩展)指令，有效地增强了CPU处理音频、图像和通信等多媒体应用的能力。同年还推出了PⅡ。PⅡ是对PentiumPro的改进，因为其核心结构与PentiumPro类似，但加快了16位指令的执行速度，且支持MMX指令集。

1999年又推出了开发代号为Coppermine的PⅢ。该芯片加入了引起争议的CPU序列号功能，支持SSE(StreamingSIMDExtensions，单一指令多数据流扩展)指令集，这是针对MMX的弱点和3DNow!设计的70条新指令，大大加强了CPU在三维图像和浮点运算方面的能力。2000年3月底，Intel又推出了PIV。

现在，已经出现双核、四核处理器乃至更多核的处理器。

描述CPU的标准参数的物理意义：

CPU字长——一次并行处理的二进制数的位数；

CPU外频——CPU总线频率；

CPU主频——CPU内核电路的实际工作频率；

生产工艺技术——通常用微米来描述。

3．内部存储器

内部存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称内存储器(简称内存，还有人称内存条)，辅助存储器又称外存储器(简称外存)。

1)随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)

RAM通常指计算机主存，CPU对它们既可读出又可写入数据，如图2.7所示。RAM的主要特点有：可读可写；关机断电后信息全部丢失；是内存的主要部分。

图2.7RAM

2)动态随机存储器DRAM

DRAM的特点是，数据信息以电荷形式保存在小电容器内，需要周期性地刷新。目前普遍使用SDRAM，它的刷新周期与系统时钟保持同步，使RAM和CPU同步工作，取消等待周期，减少了数据存取时间。DDRSDRAM(双倍数据速率同步动态RAM)用工作时钟脉冲的上、下沿同时传送数据，将传输速率在SDRAM芯片的基础上提高了一倍。DRAM通常做主存用，即用于加载程序和数据。

微机上使用的动态随机存储器做成内存条的形式，插在系统主板的内存插槽上。规格有32MB、64MB、128MB或256MB等。

3)只读存储器(ROM)

ROM在生产时已将硬件测试程序、启动引导程序、BIOS等固化在其中，计算机每次启动时将自动执行其内的程序。现在的主板还在BIOS芯片中加入了电源管理、CPU、参数调整、系统监控、PnP(即插即用)、病毒防护等功能。ROM的主要特点有：只可读，不可写；关机断电后信息不会丢失；一般由厂家写入并进行固化；一般存放计算机系统管理程序。

4)高速缓冲存储器(Cache)

高速缓冲存储器是介于CPU和RAM之间的一种可高速存取信息的芯片(见图2.8)，用于解决它们之间的速度冲突问题，一般分为L1(一级)Cache和L2(二级)Cache。

图2.8高速缓冲存储器(Cache)

4．外部存储器

外存通常是指磁性介质或光盘、像硬盘、软盘、磁带、CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由于其由机械部件带动，因此速度与CPU相比就显得慢的多。

软盘、硬盘、光盘、U盘都是外部存储器。外存储器单位价格低，容量大，速度慢，断电后数据不会丢失。

1)硬盘

作为应用最为广泛的存储设备之一，硬盘对于计算机系统整体性能的影响也是举足轻重的。日常所用的操作系统和各种应用软件、游戏及数据等都在硬盘中存放。硬盘是计算机存储系统中的外部存储设备之一，它具有比光盘、U盘更大的存储空间。

从外观来看，在硬盘的一端有电源接口、主从设置跳线器和数据线接口，而硬盘的背面则是控制电路板。硬盘正面面板与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘盘片和结构的稳定。在硬盘面板上最显眼的是产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产品生产日期等信息。硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成，其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路几个部分。将硬盘面板揭开后，其内部结构如图2.9所示。硬盘的性能指标有：

·容量：硬盘生产厂家常以KB、MB、GB等标记硬盘容量，而且按1KB

=

103B计算(各种操作系统一般用1KB

=

1024B标记硬盘容量)。

·平均寻道时间(AverageSeekTime)：平均寻道时间是指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间，它描述硬盘读取数据的能力，以毫秒为单位。现在大多数硬盘的平均寻道时间在6ms～14ms之间。平均寻道时间越小，硬盘的运行速度也就越快。

图2.9磁盘存储器内部插件实物图

2)光盘存储器

光盘存储器由光盘驱动器和活动光盘片构成，其特点是相对软盘而言容量大，存取速度快，不易受干扰。

光驱和盘片分类如下：

CD-ROM：只读型光驱及盘片，盘片常用于存放软件产品；在生产时预先写入，使用时只能读出；数据传输速率为150

×

40

=

6000KB/s，常称为40倍速；容量650MB。

CD-R：光盘刻录机及一次性写入光盘片，写入后不能擦除和改写，但可多次读出；兼容CD-ROM盘片。

CD-RW：可随时删除或写入的光驱及可擦写的盘片。

DVD-ROM：高容量只读型光驱及相应盘片；兼容音频CD、CD-ROM。

3)移动存储产品

这类产品多以闪存芯片为存储介质，采用USB的接口，可擦写100万次以上，常见的有U盘等。

5．总线

微型计算机大多采用总线结构，无论是各部件之间的信息传送，还是处理器内部信息的传送，都是通过总线进行的。

所谓总线，是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线。按在系统中的不同位置，总线可以分为内部总线和外部总线。内部总线是CPU内部各功能部件和寄存器之间的连线；外部总线是连接系统的总线，即连接CPU、存储器和I/O接口的总线，又称为系统总线。

微型计算机采用了总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各个部件面向总线的单一关系。一个部件只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，使系统的功能可以很方便地得以发展。微型机中目前主要采用的外部总线标准有：

PC总线、ISA总线、VESA总线等。

按所传送信息的不同类型，总线可以分为地址总线AB(AddressBus)、数据总线DB(DataBus)和控制总线CB(ControlBus)三种类型，通常称微型计算机采用三总线结构就是指这三类。如图2.10所示。

图2.10计算机总线示意图

1)地址总线

地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从CPU发出的，所以地址总线是单向的三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态(浮空状态)。

2)数据总线

数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线(双向、三态)。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其他部件，也可以从其他部件传送给CPU。数据总线的位数和处理器的位数相对应。

3)控制总线

控制总线是用来传送控制信号的一组总线，这组信号线比较复杂，由它来实现CPU对外部功能部件(包括存储器和I/O接口)的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。

控制总线的信号线分为单向或双向、三态或非三态，取决于具体的信号线。2.3.3多媒体计算机

一般认为，能够综合处理多种媒体信息，包括对多种媒体进行捕获采集、存储、加工处理、表现和输出等的计算机，称为多媒体计算机。通常多媒体计算机也包括多媒体硬件和多媒体软件两大部分(如图2.11所示)。多媒体计算机除了常规的CPU、硬盘、内存、显示器、网卡之外，还有音频卡、视频卡、采集卡等音频/视频信息处理硬件等。

多媒体计算机具有强大的数据处理能力与数字化媒体设备整合能力，能处理文字、图形、图像、声音和视频等多种媒体信息，并提供多媒体信息的输入、编辑、存储和播放等功能。可以认为多媒体计算机系统即是在普通的计算机基础上，包括了大容量存储设备、声卡与音箱、视频卡、扫描仪、数码相机与数码摄像机等。

图2.11多媒体计算机系统

MPC多媒体计算机联盟规定多媒体计算机系统由5个基本部件组成：PC机、CD-ROM、声卡、音箱和Windows操作系统。MPC联盟公布的MPC4.0为将PC机升级成MPC提供了一个指导原则，要求在普通微机的基础上增加以下四类软、硬件设备：

·声/像输入设备：光驱、话筒、扫描仪、录音机、摄像机等。

·声/像输出设备：音效卡、刻录光驱、投影仪等。

·功能卡：电视卡、视频采集卡、视频输出卡、网卡、VCD压缩卡等。

·软件：支持音响、视频和通讯信息以及可进行实时、多任务处理的相关软件。

多媒体计算机主机可以是中、大型机或工作站，更普遍的是多媒体个人计算机。主机应具备多媒体信息处理功能的芯片，比如通用或专用的数字信号处理芯片DSP(DigitalSignalProcessor)，而现有的CPU芯片也增加了多媒体数据处理指令和数据类型，同时媒体处理器(MediaProcessor)也具备可编程性，可以通过软件增加新的功能。

1)多媒体接口卡

多媒体接口卡的种类较多，常见的有声卡、图形加速卡、视频采集卡等。

·声卡又称音频卡，是处理音频信号的硬件。

·图形加速卡，它拥有图形函数加速器和显存，专门用来执行图形加速任务，可以减少CPU处理图形的负担。该卡工作在CPU和显示器之间，控制计算机的图形输出。现在的显示卡上都集成有图形处理芯片组，也可起到图形加速卡的作用。

·视频采集卡，可以获取数字化视频信息，提供硬件压缩功能。

·IEEE1394卡，标准的IEEE1394接口可以同时传送数字视频信号以及数字音频信号。相对于模拟视频接口，它在采集和回录过程中没有任何信号的损失。现在的IEEE1394卡多为PCI接口，只要插到计算机主板相应的PCI插槽上就可以利用软件压缩编码技术提供视频采集功能。

2)信息获取设备

(1)数码相机(DC)。自1837年法国的达盖尔发明照相技术以来，人类用图像表达物质和精神世界的手段已进入三个领域：用照片来记录和表现某一瞬间的摄影；用胶片记录和再现事物运动过程和状态的电影；用磁带记录和重现运动图像的摄像。20世纪末，世界进入了数字技术迅猛发展的阶段。数字摄影以物理变化过程改变了传统摄影的化学变化过程。数字摄影的结果可以通过计算机的显示器或数码照相机本身的彩色液晶显示器直接呈现。这些结果是通过文件形式记录在存储器上，通过计算机对影像进行加工处理可得到，其效果是传统摄影技术无法实现的。影像可由打印机打印成照片，也可通过计算机网络传输到世界各地，从而实现图像的实时传递。

数码相机最早出现在美国，美国人利用它通过卫星向地面传送照片。它作为计算机图像最为流行的输入设备，与计算机技术同步发展，很快成为主流影像应用技术。与此同时，数码相机的价格不断下降，图像质量不断提高，对越来越多的商业用户和业余爱好者颇具吸引力。1996年，CASIO数码相机进入中国市场，此后，美国柯达、德国AGFA相继进入。1997年柯达与清华紫光、北大方正等公司合作，与微机捆绑销售，获得较大成功。1998年至1999年，佳能、爱普生、日立、苹果、松下、索尼、NEC等品牌的数码相机大举进入中国，数码相机逐渐为中国用户所认识、接受，并很快普及。

数码相机也被称为数字式照相机，是光学技术、精密机械技术、微电子技术一体化的产品。它的核心部件是CCD(ChargeCoupleDevice，电荷耦合元件)图像传感器，用一种高感光度的半导体材料制成，在光线作用下，可将不同强度的光线转化为电荷的积累即摸拟信号，再通过模数转换芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的存储器(如快闪存储器或内置硬盘卡)保存就得到了数字化的图像，这些数字化的图像可传给电脑，然后再根据需要使用。CCD是数码相机的核心部件，它是数字相机用来感测光线、取代银盐成像的组件，对于数字相机而言，它的地位就相当于传统相机的胶卷，直接关系到最后相片的图像分辨率及品质。

数码相机镜头应具有的分辨率水平，与CCD芯片的尺寸大小和像素有着很大的关系。和传统相机一样，数码相机镜头质量的好坏非常重要。由于一般的数码相机采用尺寸非常小的CCD芯片，因而要求镜头有非常高的分辨率。数码相机有单镜头反光照相机和轻便照相机两种类型。大多数数码单反照相机是在传统135单反照相机的机身上“嫁接”CCD等部件构成的，保留了传统照相机的自动曝光、自动调焦等绝大部分功能，传统单反照相机的镜头在这种数码单反照相机上也可使用。

数码相机所拍摄到的照片是以文件形式存储在相机内的存储卡中，要将数码照相机中的照片存储到计算机中，需先用连接线将数码相机与计算机连结起来。连接之后，通常数码相机的驱动程序会将相机的存储卡视为计算机的一个可移动磁盘，存储卡中的图像则会以缩略图方式显示。

(2)数码摄像机(DV)。20世纪中叶，美国安培公司推出第一台用摄像管摄取图像的实用型摄像机。20多年后，日本JVC公司发明了世界上第一台家用型摄像机(VHS格式，俗称1/2录像机或1/2带)。近年来随着相关技术的飞速发展，从早期的家用VHS系统、BETA系统、V8系统到现在占主导地位的S-VHS系统、Hi8系统、数字存储系统，摄录信号的质量及格式有了较大的变化和提高。摄像机由光学系统、光—电转换系统、图像信号处理系统、控制系统等系统组成。其光学系统是由变焦距镜头、色温滤色片、红绿蓝分光系统等组成的，通过光学系统部分可以得到成像于各自对应靶面上的红(R)、绿(G)、蓝(B)三幅基色光像；光电转换系统是将成像于靶面上的光像转换成电信号；图像信号处理系统则将转换后的电信号放大、校正和处理，同时完成信号的编码工作，形成彩色全电视信号并输出；整个过程都是在控制系统的作用下进行的。最后的彩色全电视信号记录在存储介质上。目前摄像机品种较多，分类方法也不一样。根据性能、质量和使用范围的不同，摄像机分为广播级、业务级和家用级三大类。根据摄像机所用光—电转换器件，摄像机又分为电真空器件(光电导型摄像管)摄像机和电荷耦合器件(CCD)摄像机两大类。根据图像摄制方式和存储方式的不同，可分为模拟摄像机与数字摄像机。数字摄像机分为四大类：适合演播室和电视剧制作中心的广播级；适合新闻工作者和音像制作中心的专业级；适合于需要进行大量视频处理的小型电视台或大型企业使用的半专业级；适合商业和家庭用户使用的入门级。按摄像机机型可分为专业肩负式摄像机和微型掌中宝式摄像机。数码摄像机的优点是动态拍摄效果好。如果数码摄像机使用的小尺寸电荷耦合器件CCD与其镜头不匹配，则在拍摄静止图像时效果就不如数码照相机。

Internet的发展和普及不仅给人们的通信带来了极大的方便，改变了企业的结构和运作方式(网络企业和虚拟企业)，而且正在改变着人类的社会生活方式(网上购物、网上漫游、网上文化等)，改变了整个出版行业(无纸出版、网上投稿、网上发行和网络下载电子书等)，甚至改变了战争的一些方式，如出现了信息战概念。2.4“信息家电”时代的到来在从技术发展和市场需要的推动下，传统的PC逐渐与传统的家电相结合，即形成了一个计算机、通信和消费产品密切结合的产业，一个新的巨大市场已出现在地平线上，这就是所谓的“信息家电”，即计算机(Computer)、通信(Communication)和消费家电(Consumerappliances)三者相结合而产生的“3C”产品。有人把这种“3C”产品称为“后PC”时代的产物，例如可以与网络连接的电视机、电冰箱、空调机和电饭煲等等。这些家电设备可以通过互联网进行连接并进行远程控制，实施家电的远程管理。例如，下班前可以通过互联网远程启动空调和电饭煲，到家后房间已达到舒适的温度，电饭煲也已将饭做好等等。

随着研制第五代计算机任务的提出，如何实现计算机的智能化，突破原有的计算机体系结构，以大规模和超大规模集成电路或其他新器件为逻辑部件，实现网络计算和智能计算就成为了研究工作者的奋斗目标。从结构和功能等方面看，今后计算机的发展趋势大致如下：

(1)巨型化。随着科学技术发展的需要，许多部门要求计算机有更高的速度、更大的存储容量，从而使计算机向巨型化方向发展。2.5计算机的发展趋势

(2)微型化。计算机体积更小、重量更轻、价格更低，更便于应用于各个领域、各种场合。目前市场上已出现的各种笔记本计算机、平板电脑都是向这一方向发展的产品。

(3)网络化。计算机网络是计算机技术和通信技术互相渗透、不断发展的产物。计算机连网可以实现计算机之间通信和资源共享。目前，各种计算机网络，包括局域网和广域网的形成，无疑将加速社会信息化的进程。

(4)多媒体化。传统的计算机处理信息的主要对象是字符和数字，人们通过键盘、鼠标和显示器对文字和数字来进行交互。而人类生活中，更多的是图、文、声、像等多种形式的信息。由于数字化技术的发展能进一步改进计算机的表现能力，使现代计算机可以集图形、声音、文字处理为一体，使人们面对有声有色、图文并茂的信息环境，这就是通常所说的多媒体计算机技术。多媒体技术使信息处理的对象和内容发生了深刻的变化。

考虑到未来电磁技术发展的极限，新型计算机必将朝着光计算机、生物计算机、量子计算机方向发展。

·光计算机：利用光作为信息的传输媒体。

·生物计算机(分子计算机)：生物计算机在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。

·量子计算机：是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。

量子计算机、生物计算机和光计算机将是未来计算机领域研究的重点和热点，尽管目前还不是十分成熟和实用，但随着集成电路的密集度和效能的提高必将会极大地推动量子计算机、生物计算机和光计算机的迅猛发展。到底什么是量子计算机、生物计算机和光计算机呢？下面我们分别给予较为详细的介绍。

2.6.1量子计算机概述

量子计算机(quantumcomputer)，顾名思义，就是实现量子计算的机器，是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。2.6量 子 计 算 机量子计算机是由理查德·费曼提出的。他发现当理查德·费曼在研究模拟量子现象时庞大的希尔伯特空间使资料数据量也变得庞大，一个完好的模拟过程所需的运算时间会因此变得相当可观，甚至达到不切实际的天文数字。理查德·费曼设想，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。

早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率叠加起来，给出结果，这种计算称做量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

1994年，贝尔实验室的彼得·秀尔证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况。因此，一个40位的量子计算机，就能解开1024位的电子计算机花上数十年才能解决的问题。2.6.2有趣的量子理论

量子论的一些基本论点并不显得“玄乎”，但它的推论却显得很“玄”。我们假设相距一个“量子”距离也就是最小距离的两个端点A和B。按照量子论，物体从A不经过A和B中间的任何一个点就能直接到达B。换句话说，物体在A点突然消失，与此同时在B点出现。除了神话，你无法在现实的宏观世界找到一个这样的例子。量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打个了七零八落。薛定谔猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是：这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。2.6.3经典计算机的特点

经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。

(1)其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，就是其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即为|0110110>。所有的输入态均相互正交。对于经典计算机，不可能输入这样的叠加态：C1|0110110>+C2|1001001>。

(2)经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。图2.12给出了经典量子计算机内核示意图，而图2.13给出了硅片上16个量子位的光学照片。

图2.12经典量子计算机内核示意图

图2.13硅片上16个量子位的光学照片2.6.4量子计算机的特点

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统(称为量子比特(qubits))，量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的玄正变换。

(1)量子计算机输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常非正交；

(2)量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，得到量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干(也称“退相干”)。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。目前主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机

如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算问题。2.6.5量子计算机的功能

量子计算机可以进行大数的因式分解，和Grover搜索破译密码，但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用EPR对进行量子通讯的实验中发现，只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息，这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。此外，量子计算机还可以用来做量子系统的模拟，人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征。量子计算机通过量子分裂、量子修补等来进行一系列的大规模高精确度的运算。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的。量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，其运算的精确度和速度是普通电脑望尘莫及的，造价也相当惊人，目前唯一一台量子计算机尚在试验阶段。量子计算机主要用于测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作中。在进行这一系列高难度运算的背后，使用量子计算机要面对的是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。由此看来，高能短命的量子计算机恐怕离我们的生活还将有一段漫长的距离，就让我们迎着未来的曙光拭目以待吧！2.6.6量子计算机国内外发展情况分析

据美国物理学家组织网报道，德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组，首次成功地实现了用单原子存储量子信息——将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180μs后将其读出。最新突破有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机，并让其远距离联网构建“量子网络”。

量子计算机因其能同时处理用单个原子和光子等微观物理系统的量子状态存储的很多信息，所以计算速度很快。但量子计算机进行操作时，其内部不同组件之间必须能进行信息交换。因此，科学家希望量子信息能在光子和物质粒子之间交换。

此前，科学家实现了光子和数千个原子集合之间的信息交换，并已首次证明，采用一种可控的方式，量子信息也能在单个原子和光子之间交换。实现光子和单个原子之间信息交换的最大障碍是，光子和原子之间的相互作用太微弱。在最新研究中，科学家将一个铷原子放在一个光学共振器的两面镜子间，接着使用非常微弱的激光脉冲让单光子进入该共振器中。共振器的镜子将光子前后反射了多次，大大增强了光子和原子之间的相互作用。研究人员还通过添加一束激光——控制激光(在铷原子同光子相互作用时，直接射向铷原子)，让铷原子吸收一个光子，从而让铷原子进入一种稳定的量子状态，且原子自旋会产生磁矩，该磁矩的方向将决定用来存储信息的稳定的量子状态。这个状态可被相反的过程读出。他们再次使用控制激光照射铷原子，使其重新释放出刚开始入射的光子。结果发现，在大多数情况下，读出的量子信息同最初存储的信息一致，也就是所谓的保真度超过90%，而传统方式不基于量子效应获取的保真度仅为67%。且量子信息在铷原子内的存储时间约为180μs，这能与以前基于多个原子方法获得的量子存储时间相媲美。但是量子计算机或量子网络所要求的存储时间要比这更长。另外，受到照射的光子中有多少被存储接着被读出，所谓的效率现在还不到10%。科学家正着力进行研究以改进存储时间和效率。研究人员霍尔格·斯派克特表示，使用单个原子作为存储单元有几大优势：首先单个原子很小。其次，存储在原子上的信息能被直接操作，这一点对于量子计算机内逻辑操作的执行来说非常重要。另外，它还可以核查出光子中的量子信息是否在不破坏量子状态的情况下被成功写入原子中，一旦发现存储出错，就会重复该过程，直到将量子信息写入原子中。另一名科学家斯蒂芬·里特表示，单原子量子存储的前景不可估量。光和单个原子之间的相互作用让量子计算机内的更多原子能相互联网，这会大大增强量子计算机的功能。而且，光子之间的信息交换会使原子在长距离内实现量子纠缠。因此，科学家们正在研发的最新技术有望成为未来“量子网络”的必备零件。

2007年初，中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在国际著名刊物《Nature·Physical》上发表论文，宣布成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录，成果被欧洲物理学会和Nature杂志等广泛报道。同年4月，该小组提出并实验实现不需要纠缠辅助的新型光学控制非门，减少了量子网络电路的资源消耗。9月，该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程，实现了量子搜索算法。

此后，该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法，研究成果发表在国际最权威的物理学期刊《PhysicalReviewLetters》上，标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。

这一系列高质量的工作已经获得了国际学术界的广泛关注和认可。特别引人注目的是，英国《新科学家》杂志在“中国崛起”的专栏中，把中科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果进行了专门介绍。

2.7.1生物计算机简介

生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代半导体硅片制成的计算机，生物芯片的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子。生物计算机芯片具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅为当代计算机的百亿分之一。生物计算机的研究涉及计算机科学、脑科学、神经生物学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程、物理学和化学等有关学科。2.7生 物 计 算 机1986年日本开始研究生物芯片，研究有关大脑和神经元网络结构的信息处理、加工原理，以及建立全新的生物计算机的原理，探讨适于制作芯片的生物大分子的结构和功能，以及如何通过生物工程(用脱氧核糖核酸A重组技术和蛋白质工程)来组装这些生物分子功能元件。2.7.2仿生应用

科学家通过对生物组织体的研究，发现组织体是由无数的细胞组成，而细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。图2.14给出了一个生物计算机原型系统。

图2.14生物计算机原型系统在蛋白质制成的计算机芯片中，一个存储点只有一个分子大小，所以存储容量可以达到普通计算机芯片的10亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅集成电路的十万分之一，而且运行速度更快(10-11s)，大大超过人脑的思维速度。2.7.3生物计算机的优点

生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面：

首先，它体积小，功效高。在一平方毫米的生物芯片上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多。

其次，我们知道，人体具有一定的自我修复功能。同样，生物计算机也有这种功能，当它的芯片内部出现故障时，不需要人工修理，能自我修复。所以，生物计算机具有半永久性和很高的可靠性。

再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应进行工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，也不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，并且它的电路间也没有信号干扰。

目前，生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。

生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。生物计算机是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。2.7.4生物计算机的现状和发展方向

计算机在近几十年内飞速发展，其速度令人瞠目。然而目前芯片中集成的晶体管的密度已接近当前技术的理论极限，电子计算机的继续发展受到了阻碍。为此人们在不断寻找新的计算机结构，在研究人工智能的同时，借鉴生物界的各种处理问题的方式，即所谓生物算法，提出了一些生物计算机的模型，部分模型已经解决了一些经典计算机难以解决的问题。

1．生物分子或超分子芯片

立足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。“生物化学电路”即属于此。

2．自动机模型

以自动理论为基础，致力与寻找新的计算机模式，特别是特殊用途的非数值计算机模式。目前研究的热点集中在基本生物现象的类比，如神经网络、免疫网络、细胞自动机等。不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异，其基本特征是集体计算，又称集体主义，在非数值计算、模拟、识别方面有极大的潜力。

3．仿生算法

以生物智能为基础，用仿生的观念致力于寻找新的算法模式，虽然类似于自动机思想，但立足点在算法上，不追求硬件上的变化。

4．生物化学反应算法

立足于可控的生物化学反应或反应系统，利用小容积内同类分子高拷贝数的优势，追

求运算的高度并行化，从而提供运算的效率。DNA计算机属于此类。

5．细胞计算机

采用系统遗传学(systemgenet