第1章計(jì)算機(jī)概論

把互聯(lián)網(wǎng)裝進(jìn)口袋移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，就是將移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合起來，成為一體。是指互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、平臺(tái)、商業(yè)模式和應(yīng)用與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合并實(shí)踐的活動(dòng)的總稱。4G時(shí)代的開啟移動(dòng)終端設(shè)備移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展：截至2014年4月，我國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶總數(shù)達(dá)8.48億戶，在移動(dòng)電話用戶中的滲透率達(dá)67.8%手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)5億，占總網(wǎng)民數(shù)的八成多，手機(jī)保持第一大上網(wǎng)終端地位我國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)入全民時(shí)代模式：移動(dòng)社交將成客戶數(shù)字化生存的平臺(tái)移動(dòng)廣告將是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主要盈利來源手機(jī)游戲?qū)⒊蔀閵蕵坊蠕h手機(jī)電視將成為時(shí)尚人士新寵移動(dòng)電子閱讀填補(bǔ)狹縫時(shí)間移動(dòng)定位服務(wù)提供個(gè)性化信息手機(jī)搜索將成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的助推器手機(jī)內(nèi)容共享服務(wù)將成為客戶的黏合劑移動(dòng)支付蘊(yùn)藏巨大商機(jī)移動(dòng)電子商務(wù)的春天即將到來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)通信通過射頻識(shí)別（RFID）(RFID+互聯(lián)網(wǎng)）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)想象一下這樣的場景一進(jìn)入辦公室，室內(nèi)燈光、溫度、濕度和辦公設(shè)備馬上進(jìn)入你預(yù)設(shè)的理想狀態(tài)下班家里電視自動(dòng)調(diào)整到自己喜歡的頻道，冰箱也會(huì)提示你最喜歡的飲料缺貨需要盡快補(bǔ)充在超市里，推著滿載的購物車通過感應(yīng)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(shè)備前，即可完成借還書全部流程物聯(lián)網(wǎng)智慧地球，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、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(wǎng)”，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)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(diǎn)智能交通系統(tǒng)，按照不同的擁堵程度對交通收費(fèi)。兩年后，斯德哥爾摩交通擁擠狀況減輕了18%，與此同時(shí)乘坐公共交通的人數(shù)大大上升，整個(gè)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(jì)算機(jī)概論1.1計(jì)算機(jī)概述1.2計(jì)算機(jī)與信息社會(huì)1.1計(jì)算機(jī)概述1.1.1計(jì)算機(jī)的定義

計(jì)算機(jī)（Computer）是一種以高速進(jìn)行計(jì)算、具有內(nèi)部存儲(chǔ)能力、由程序控制操作過程的自動(dòng)電子裝置，其主要功能是進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和信息處理。計(jì)算機(jī)具有存儲(chǔ)信息的能力計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算能力計(jì)算機(jī)還能進(jìn)行信息處理1.1.2計(jì)算機(jī)的起源

世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIACENIAC——ElectronicNumericalIntegratorAndComputer1946年2月在美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功體積龐大，18000個(gè)電子管組成，占地170m2，重30t，每小時(shí)用電140kW，運(yùn)行速度為每秒5000次加減法或400次乘法運(yùn)算意義:樹立起科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的里程碑，標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來缺點(diǎn):沒有存儲(chǔ)器，用布線接板進(jìn)行控制，甚至要搭接電線，極大地影響了計(jì)算速度ENIAC1.1.2計(jì)算機(jī)的起源

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

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容和思想：（1）計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成，即運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。（2）采用“存儲(chǔ)程序”的思想，由程序控制計(jì)算機(jī)按順序執(zhí)行指令，自動(dòng)完成規(guī)定的任務(wù)。（3）計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)一律采用二進(jìn)制。（4）計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入、輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成。

現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)，其基本工作原理仍然是存儲(chǔ)程序和程序控制，所以現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)一般被稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)的發(fā)展

根據(jù)計(jì)算機(jī)所采用的主要物理器件，計(jì)算機(jī)大體上經(jīng)歷了以下四個(gè)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(jì)算機(jī)（1946年～1957年）邏輯元件采用電子管，體積大，耗電多，運(yùn)算速度低，成本高沒有系統(tǒng)軟件，只能用機(jī)器語言和匯編語言編程只能在少數(shù)高級領(lǐng)域中得到應(yīng)用，一般用于科學(xué)、軍事和財(cái)務(wù)等方面的計(jì)算1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展（2）第二代計(jì)算機(jī)（1958年～1964年）邏輯元件采用晶體管，存儲(chǔ)器采用磁芯和磁鼓,平均壽命提高，耗電量減少，體積減小，運(yùn)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(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展（3）第三代計(jì)算機(jī)（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(yùn)算速度卻大大提高，性能和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高系統(tǒng)軟件有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)和會(huì)話式語言以及結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化

和通用化方向發(fā)展，并開始

應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展（4）第四代計(jì)算機(jī)（1972年至今）采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，計(jì)算機(jī)的各種性能都得到了大幅度的提高，運(yùn)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(jī)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生及普及，多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展第五代計(jì)算機(jī)

從20世紀(jì)80年代開始，一些國家開展了新一代被稱為“智能計(jì)算機(jī)”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制，企圖打破已有的體系結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)具有思維、推理和判斷能力，但目前尚未有突破性的進(jìn)展。1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展1971年，美國Intel公司將計(jì)算機(jī)的控制器和運(yùn)算器集成到一個(gè)芯片上，研制出了世界上第一個(gè)微處理芯片Intel4004。用微處理器裝配的計(jì)算機(jī)被稱為微型計(jì)算機(jī)，又稱個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer，PC），簡稱微機(jī)。微機(jī)具有體積小、重量輕、功耗小、可靠性高、使用環(huán)境要求不嚴(yán)格、價(jià)格低廉、易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。1.1.4微處理器與微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)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(chǎn)品——Intel公司生產(chǎn)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(jì)算機(jī)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(chǎn)品——Intel公司生產(chǎn)的Intel8080、Motorola公司生產(chǎn)的M6800和ZILOG公司生產(chǎn)的Z80集成度為每片4000～10000個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為2.5～5MHz1.1.4微處理器與微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展（3）第三階段（1978年～1984年）這一代微機(jī)采用16位微處理器典型產(chǎn)品——Intel公司生產(chǎn)的Intel8080/80286、Motorola公司生產(chǎn)的M6800和ZILOG公司生產(chǎn)的Z8000集成度為每片2萬～7萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為4～10MHz1.1.4微處理器與微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展（4）第四階段（1985年～1992年）采用32位微處理器典型產(chǎn)品——Intel公司生產(chǎn)的80386/80486、Motorola公司生產(chǎn)的M68030/M68040等集成度高達(dá)每片100萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到100MHz1.1.4微處理器與微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展（5）第五階段（1993年至今）這一代微機(jī)采用64位微處理器典型產(chǎn)品——Intel公司生產(chǎn)的Pentium系列芯片集成度高達(dá)每片900～4200萬個(gè)晶體管，主時(shí)鐘頻率為1.8～2.4GHz，最高時(shí)鐘頻率已達(dá)到3.2GHz1.1.4微處理器與微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的體積大小，而是指計(jì)算機(jī)具有更高的運(yùn)算速度、更大的存儲(chǔ)容量和更強(qiáng)的處理能力，其運(yùn)算能力一般在每秒百億次以上。1.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢銀河億次巨型計(jì)算機(jī)

主要應(yīng)用于尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它的研制水平是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)能力的重要標(biāo)志，也是一個(gè)國家綜合國力的反映。（2）微型化指計(jì)算機(jī)向使用方便、體積小、重量輕、價(jià)格低和功能齊全的方向發(fā)展。微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸深入到了人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，并進(jìn)入了一些家電和儀器設(shè)備的控制領(lǐng)域。1.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢（3）多媒體化多媒體是指以數(shù)字技術(shù)為核心的圖像和聲音與計(jì)算機(jī)、通信等融為一體的信息環(huán)境。目標(biāo)是無論在何地，只需要簡單的設(shè)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(shí)質(zhì)就是人們利用計(jì)算機(jī)以更加接近自然的方式交換信息。1.1.5計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢（4）網(wǎng)絡(luò)化指利用現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，把分布在不同地理位置的計(jì)算機(jī)通過通信設(shè)備連接起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互相通信，以實(shí)現(xiàn)

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

Kasparov超級計(jì)算機(jī)是國家科研的重要基礎(chǔ)工具，在地質(zhì)、氣象、石油勘探等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮關(guān)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)５００強(qiáng)排行榜榜單，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號”以每秒３３.８６千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度，成為全球最快的超級計(jì)算機(jī)。

１９８３年，中國第一臺(tái)被命名為“銀河”的億次巨型電子計(jì)算機(jī)歷經(jīng)５年研制在國防科技大學(xué)誕生。１９９２年，國防科技大學(xué)研制出銀河－ＩＩ通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)每秒１０億次，主要用于中期天氣預(yù)報(bào)。１９９７年，國防科技大學(xué)研制成功銀河－ＩＩＩ百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，峰值性能為每秒１３０億次浮點(diǎn)運(yùn)算。２００４年，由中科院計(jì)算所、曙光公司、上海超級計(jì)算中心三方共同研發(fā)制造的曙光４０００Ａ實(shí)現(xiàn)了每秒１０萬億次運(yùn)算速度。２００８年９月１６日，曙光５０００Ａ在天津下線，實(shí)現(xiàn)峰值速度２３０萬億次，可以完成各種大規(guī)?？茖W(xué)工程計(jì)算、商務(wù)計(jì)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(tái)千萬億次超級計(jì)算機(jī)“天河一號”誕生。２００９年１１月１７日，全球超級計(jì)算機(jī)５００強(qiáng)評選，由中國國防科技大學(xué)研制的“天河一號”超級計(jì)算機(jī)，以實(shí)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(jì)算機(jī)５００強(qiáng)排行榜，由中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河一號”超級計(jì)算機(jī)排名第一。1.1.6中國超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展交通工具制造：超級計(jì)算機(jī)可用來認(rèn)識(shí)和改進(jìn)汽車、飛機(jī)或輪船等交通工具的空氣／流體動(dòng)力結(jié)構(gòu)、燃料消耗和防撞強(qiáng)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(jì)算機(jī)建模預(yù)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?qū)W的數(shù)據(jù)密集型研究到細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模擬和大規(guī)模系統(tǒng)建模，超級計(jì)算機(jī)將幫助尋找疾病治療的革命性方法。地震監(jiān)測：超級計(jì)算機(jī)對地震的模擬將幫助我們探索地震預(yù)測新方法，通過預(yù)警減少地震人財(cái)物傷亡和損失的風(fēng)險(xiǎn)。地球科學(xué)：地球物理學(xué)涉及大量數(shù)據(jù)處理和模擬，超級計(jì)算機(jī)在石油勘測等方面具有潛在和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。天體物理：超級計(jì)算機(jī)模擬是天體物理學(xué)的基礎(chǔ)，通過模擬時(shí)間進(jìn)程并加速，可對天體演變進(jìn)行建模和理論試驗(yàn)。公共健康：超級計(jì)算機(jī)可對影響社會(huì)的健康和安全事件進(jìn)行模擬，為可能發(fā)生的大規(guī)模污染和災(zāi)難等提出應(yīng)對措施和規(guī)劃材料科學(xué)：基于對物質(zhì)和能量的密集計(jì)算模擬，或許能發(fā)現(xiàn)具有很高經(jīng)濟(jì)效益的物質(zhì)和反應(yīng)。人類／組織系統(tǒng)研究：宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)動(dòng)力學(xué)的研究同樣需要超級計(jì)算機(jī)，比如對大量人口行為進(jìn)行模擬。超級計(jì)算機(jī)能做什么計(jì)算思維（ComputationalThinking）是美國CarnegieMellon大學(xué)周以真教授于2006年提出的。計(jì)算思維運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，它選擇合適的方式陳述一個(gè)問題，對一個(gè)問題的相關(guān)方面建模，并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問題求解。圖靈獎(jiǎng)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(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！?.1.7計(jì)算思維（1）計(jì)算思維是概念化的抽象思維，而不是程序設(shè)計(jì)。（2）計(jì)算思維是基礎(chǔ)的，不是機(jī)械的技能。（3）計(jì)算思維是人的，而不是計(jì)算機(jī)的思維。（4）計(jì)算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。（5）計(jì)算思維是想法，不是物品。（6）計(jì)算思維是無人無處不需要的。（7）計(jì)算思維關(guān)注智力上極有挑戰(zhàn)性的科學(xué)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(jì)算思維計(jì)算思維的特性（1）計(jì)算思維是概念化的抽象思維，而不是程序設(shè)計(jì)。（2）計(jì)算思維是基礎(chǔ)的，不是機(jī)械的技能。（3）計(jì)算思維是人的，而不是計(jì)算機(jī)的思維。（4）計(jì)算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。（5）計(jì)算思維是想法，不是物品。（6）計(jì)算思維是無人無處不需要的。（7）計(jì)算思維關(guān)注智力上極有挑戰(zhàn)性的科學(xué)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(jì)算思維計(jì)算思維的特性1.2計(jì)算機(jī)與信息社會(huì)1.2.1信息與信息社會(huì)1.信息指現(xiàn)實(shí)世界事物的存在方式和運(yùn)動(dòng)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(jīng)過加工后，能對客觀世界產(chǎn)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(jìn)行傳遞和共享的，并且必須依附于某種載體，如報(bào)紙、電話、電視和計(jì)算機(jī)等。1.2.1信息與信息社會(huì)2．信息技術(shù)指在獲取信息、處理信息、存儲(chǔ)信息和傳播信息中所用到的各種技術(shù)的總稱。主要包括傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)傳感技術(shù)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(shù)就是人的傳導(dǎo)神經(jīng)器官，負(fù)責(zé)傳遞信息；計(jì)算機(jī)就是人的大腦，是信息技術(shù)的核心，負(fù)責(zé)處理信息。1.2.1信息與信息社會(huì)3．信息社會(huì)

指在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，不斷推廣和應(yīng)用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)和其他相關(guān)智能技術(shù)，達(dá)到全面提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、企業(yè)核心競爭力和人民生活質(zhì)量的目的。1.2.2計(jì)算機(jī)在信息社會(huì)中的應(yīng)用1.科學(xué)計(jì)算

衛(wèi)星軌跡計(jì)算、氣象預(yù)報(bào)2.過程控制

數(shù)控機(jī)床和對生產(chǎn)流水線的控制3.數(shù)據(jù)處理