电子科学及其技术与导论8

第五章计算机科学与技术“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

计算机科学与技术是电子信息科学技术领域中的基础学科，它几乎应用到了所有的科学技术领域，不论是自然科学，还是社会科学。计算机科学与技术包括科学与工程技术两方面，两者互为作用，高度融合。

“计算机科学与技术”是研究生培养设置的一级学科，其研究的主要内容可概括为计算机科学理论、计算机软件、计算机硬件、计算机系统结构、计算机应用技术等领域。在“计算机科学与技术”一级学科下又设置了三个二级学科：“计算机系统结构”，“计算机软件与理论”和“计算机应用技术”。

“计算机系统结构”主要研究软件与硬件的功能匹配，确定软件与硬件间的关联；研究计算机系统的物理或硬件结构、各组成部分的属性以及这些部分的相互联系。“计算机软件与理论”主要研究软件开发（生产）、维护以及使用过程中所涉及的理论、方法和技术，探讨计算机科学与技术学科发展的理论基础。“计算机应用技术”着重研究计算机应用于各个领域所涉及的原理、方法与技术，它是计算机产业和本学科发展的动力和源泉。

本章将针对计算机科学与技术学科的主要理论、技术和应用进行简单的介绍，以便读者对本学科有一个基本的了解。前言第五章计算机科学与技术一二三四5.1概述5.2计算机的硬件系统5.3计算机的软件系统5.4量子计算机—计算机科学技术新成就

5.6计算机技术的应用5.5计算机新技术5.1概述发展历史研究领域计算机？组成结构功能分类特点初步认识功能1、计算2、模拟、思维、自适应反馈处理等对各种数字化信息进行高速运算和处理数值计算、数据处理、自动控制、辅助工程、辅助教学、人工智能、计算机通信、娱乐活动用途组成结构分类特点巨型机：国防、科学计算大/中：科学计算、数据处理网络服务器小型：工业控制、数据采集微型：商业、服务业、办公自动化、信息处理单片机：控制、数据采集等结构复杂性、性能、价格、依次递减软件硬件软件：程序和有关文档的总称处理速度快计算精度高记忆能力强可靠的逻辑判断能力可靠性高，通用性强……发展历史１．计算机的发展历史世界上第一台电子计算机————诞生于1946年2月14日ENIAC

1943年，战火纷飞的二次大战计算火炮和高射炮射击时的弹道23岁埃克特庞然大物2．计算机科学的发展历史发展历史世界上第一台电子计算机————诞生于1946年2月14日ENIAC

耗资近50万美元。占地170多平方米，有三层楼高，重30多吨5000次/秒加法运算是手工的20万倍、继电器计算机的1000倍计算弹道3秒钟，200人手工计算两个月它曾在第一颗原子弹的研制过程中发挥了重要作用1955年10月2日，埃尼阿克宣告“退役”ENIAC的问题：线路连接繁琐——1~2天的准备发展历史世界上第一台电子计算机————诞生于1946年2月14日ENIAC

数学家：冯·诺依曼引入存储器——

冯·诺依曼机科学家：阿兰·图灵现代计算机

基本结构理论模型——人工智能发展历史世界上第一台电子计算机————诞生于1946年2月14日ENIAC

第一代计算机（1951-1958）：第二代计算机（1959-1964）：第三代计算机（1965-1970）：第四代计算机（1971-现在）：机器或汇编语言操作系统和高级语言网络软件工程目前，正在研究量子计算机、光子计算机、生物计算机等2．计算机科学的发展历史“计算机科学”这个术语

——1963年Forsythe教授引入创始人——阿兰·图灵

是计算机、计算机技术的升华植根于电子工程、数学、语言学，是科学、工程和艺术的结晶世界上第一个计算机科学系是由普渡大学在1962年设立世界上第一个计算机学院于1980年由美国的东北大学设立

最高荣誉是图灵奖，被誉计算机科学的诺贝尔奖。研究领域(1)计算机系统结构的研究(2)程序设计科学与方法论的研究(3)软件工程基础理论的研究

(4)人工智能与知识处理的研究

(5)网络、数据库及各种计算机辅助技术的研究

(6)理论计算机科学的研究

计算机科学技术是研究计算机的设计与制造,利用计算机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。它是一门科学性与工程性并重的学科，表现为理论性和实践性紧密结合的特征。小结5.2计算机的硬件系统（二）性能指标（三）工作原理（一）体系结构基本结构冯·诺依曼微机结构进一步认识通过1二进制√

十进制3程序控制1、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼理论现代计算机冯·诺依曼——“计算机之父”

2预先编制程序存放存储器中1二进制√十进制3程序控制2预先编制程序存放存储器中2、计算机的硬件组成框图1、冯·诺依曼体系结构3、微型计算机的硬件结构主板3、微型计算机的硬件结构内存储器运算器输入设备控制器输出设备ROMRAM系统总线CPU适配器CPU的基本功能：程序控制操作控制时间控制数据处理主频字长内存容量存取周期运算速度（二）性能指标运算器能同时处理的二进制数据的位数。决定计算机的精度内存中能存贮信息的总字节数。8个二进制位称为一个字节。存贮器连续两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间。单位是纳秒综合性指标。单位为MIPS（百万条指令/秒）CPU在单位时间内输出的脉冲数。很大程度上决定了计算机的运行速度。单位是MHz（三）工作原理数据信息控制信息存储器控制器ROMRAM运算器输入设备输出设备就是存储程序和程序控制的原理5.3计算机的软件系统数据结构数据算法程序设计操作系统较深入认识!@#%*&^%tR:”*&%!@”:&%$#&:!@#%*&^%tR:”&%!@”:&程序基本知识（一）计算机软件的基本知识

为各种应用领域解决某些具体问题而编制的软件。如文字处理软件Word、财务管理软件、辅助教学软件等。程序方法规则文档数据操作系统、各种程序语言的翻译系统、诊断程序和故障处理程序、数据库管理系统、网络软件等。系统软件应用软件程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计

程序设计语言（二）程序设计基础

机器语言、汇编语言、高级语言程序设计语言即计算机语言，用来产生由计算机处理和执行的指令。机器语言：用“0”、“1”代码组成，计算机能直接识别的低级语言。

汇编语言：用能帮助记忆的英文缩写符号表示，计算机不能直接识别。高级语言：类似于人类语言，其源程序也不能直接被识别。程序设计风格程序设计步骤

结构化程序设计

程序设计语言（二）程序设计基础

机器语言、汇编语言、高级语言结构化程序设计即模块化设计，将待开发的软件系统分为若干相互独立的模块，这样使完成每一个模块的工作变的单纯而明确，为设计一些较大的软件打下了良好的基础。顺序结构、选择结构、循环结构

程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计

程序设计语言（二）程序设计基础

机器语言、汇编语言、高级语言顺序结构、选择结构、循环结构

一般有12个步骤程序设计就是用计算机语言编写程序的过程。一般有以下几个步骤：(1)问题定义(2)划分模块(3)确定数据结构(4)确定算法(5)画出框图或流程图(6)完成设计计划文档(7)编写代码(8)语法检查(9)运行调试(10)反复修改调试(11)系统测试(12)完成其它文档程序设计风格程序设计步骤结构化程序设计

程序设计语言（二）程序设计基础

机器语言、汇编语言、高级语言顺序结构、选择结构、循环结构

一般有12个步骤程序设计风格是指一个人编制程序时所表现出来的特点，习惯，逻辑思路等。源程序文档化：标识符应按意取名；程序应加注释。数据说明：顺序应规范，使数据的属性更易于查找。语句构造的原则是：简单直接。输入和输出效率

（三）数据结构数据结构是指数据之间的相互关系，即数据的组织形式。

研究即数据元素之间的逻辑关系即数据元素及其关系在计算机存储器内的表示即对数据施加的操作数据逻辑结构存储结构数据运算几种典型的数据结构(c)栈的示意图（d）队列的示意图（e）图的示意图（f）树的示意图（四）数据算法数据算法指完成一个任务所需要的具体步骤和方法。算法+数据结构=程序有零或多个输入有一或多个输出描述必须无歧义以保结果的确定有限的步骤操作的有效性自然语言伪代码等图形工具传统流程图N-S流程图讨论比较逻辑判断重复程序就是用计算机语言描述的算法。递归枚举法查找算法时间复杂度空间复杂度是否易理解和易维护算法的特性算法的描述常用算法算法评价开始输出m真结束假输入m,n输入m,n输出m直到为真为止N-S流程图传统流程图数据结构与算法的关系算法实现算法设计数据的逻辑结构数据的物理存储结构（五）操作系统

裸机操作系统BIOS应用程序用户硬件的组合不能独立工作basicinput/outputsystem是一个基本软件系统

提供最基本的计算机操作功能，如接收键盘字符的输入等＋操作系统是基于BIOS之上，用于运行应用软件的一套软件。负责管理计算机的各种资源，提供操作计算机所需的工作界面。分类特点功能网络操作系统操作系统型态多样化：简单操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统分布式操作系统智能操作系统Windows类NetWare类Unix

LinuxHarmonyOS

资源管理程序控制人机交互等操作系统均具有：并发性、共享性、虚拟性、不确定性四个基本特征。特征量子计算机样图之一原理优实现

量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储和处理量子信息的物理装置。它以量子态为信息存储形式以量子力学规律作为信息传递与运算的基础。

5.4.1量子计算机原理5.4量子计算机---计算机科学技术新成就量子态特性量子态量子计算机和传统电子计算是不同的两类系统量子的二态性一个量子可以同时表示1和0两个二进制数，使量子计算机具有更强的数据处理能力。（a）量子纠缰；（b）量子隐形传态；（c）量子态叠加；（d）量子并行计算理论基础

5.4.2量子计算机的组成量子计算机组成硬件组成软件组成量子算法量子编码量子操作量子晶体管量子存储器量子效应运算器

量子晶体管样图IBM超导量子计算机谷歌超导量子计算机5.4.3量子计算机的研究进展（一）国外量子计篇机研究进展2018年谷歌推出72量子比特量子计算机。2019年谷歌开发完成53量子比特超导量子计算机“悬铃木”。2021年谷歌开发完成72量子比特超导量子计算机。谷歌：2017年美国IBM宣布全球首款商业“通用”量子计算机服务IBM。IBM：2021年6月IBM宣布和德国合作的27比特量子计算机在德国服务。2021年7月东京大学与日本IBM宣布量子计算机投入使用。2022年6月英国国防部宣布获得首台量子计算机。英国：2007年加拿大研制成功16量子比特“猎户星座”量子计算机。加拿大：国外均采用“超导量子”（二）我国量子计篇机研究进展1，“祖冲之号”量子计算机-----采用超导量子2021年5月推出“祖冲之一号”------构建了62量子位。2021年10月推出“祖冲之二号”------构建了66量子位。祖冲之号量子处理器图祖冲之号比谷歌53量子位的“悬铃木“快6个数量级。2，“九章号”量子计算机-----采用光量子2017年5月中科大潘建伟团队构建完成”光量子计算机“实验样机。2020年12月成功构建76个光量子原型机-----”九章号“。其计算速度比谷歌”悬铃木“快100亿倍。2021年10月成功推出113个光量子比特样机-----”九章二号“。九章二号光量子计算机5.4.4量子计算机的应用量子计算机的应用（1）天气预报全球气象数据量巨大。提高天气预报实时性和准确率（2）药物研制

分析药物分子组成，挑选最佳药物分子模型。（3）交通调度

深入分析交通状况，预测状况变化，优化调度方案。（4）保密通信

由于量子态不可克隆，用于通信管理能有效阻断入侵。5.5计算机新技术

趋势难题新型计算机多核较全面认识我国计算机的发展状况技术未来计算机科学发展的云计算大数据2005年4月英特尔第一款主频为

3.2GHz双核处理器平台诞生。是唯一可以提升性能的方法瓶颈CPU主频RAM性能指标速率不够多核技术OK该产品的问世标志着一个新时代的来临，世界正在走入一个“多核”时代

5.5.1多核技术5.5.2GPU图形处理器1，CPU与GPU的功能分工控制（control）运算（ALU—arithmeticlogicunite）--配置有多个运算单元高速缓存（cache）图形处理图像处理显示配置多核处理器（数百个）高速缓存（cache）2，GPU的表示符号与器件表示符器件可作为集成电路芯片安装在电路板上

5.5.3云计算2006年谷歌推出了“Google101计划”，并正式提出“云”的概念和理论。随后亚马逊、微软、惠普、雅虎、英特尔、IBM等公司都宣布了自己的“云计划”。那么，到底什么是云计算技术呢？一时间……云安全、云存储、内部云、外部云、公共云、私有云等一堆让人眼花缭乱的概念在不断冲击着人们的神经。产生概念服务模型问题（一）云计算思想的产生传统模式下对企业而言，计算机等硬件和软件本身并非他们真正需要的，它们仅仅是完成工作、提供效率的工具而已。对个人来说，想正常使用电脑需要安装许多软件，软件是要收费的，这对不经常使用该软件的用户来说购买非常不划算。企业需要购买硬件等基础设施买软件的许可证需要专门的人员维护升级各种软硬件设施这样，我们在用时只需要付少量“租金”即可“租用”到这些软件服务，从而为我们节省许多购买软硬件的资金。有没有这样的服务：能够提供我们需要的所有软件来供我们租用？我们可不可以像使用水和电一样使用计算机资源呢？这些想法最终导致了云计算的产生。所谓云计算（CloudComputing），是一种基于因特网的超级计算模式，代表下一代的因特网计算和下一代的数据中心。（二）云计算的概念

狭义的云计算指的是厂商通过分布式计算和虚拟化技术搭建数据中心或超级计算机，以免费或按需租用方式向技术开发者或者企业客户提供数据存储、分析以及科学计算等服务，比如亚马逊数据仓库出租生意。广义的云计算指厂商通过建立网络服务器集群，向各种不同类型客户提供在线软件服务、硬件租借、数据存储、计算分析等不同类型的服务。广义的云计算包括了更多的厂商和服务类型，例如国内用友、金蝶等管理软件厂商推出的在线财务软件，谷歌发布的Google应用程序套装等。发展形成的一种新兴商业计算模型分布式计算并行处理网格计算云计算模式下云计算还处于萌芽阶段，有庞杂的各类厂商在开发不同的云计算服务。云计算的表现形式多种多样，简单的云计算在人们日常网络应用中随处可见，比如腾讯QQ空间提供的在线制作Flash图片，Google的搜索服务，GoogleDoc,GoogleApps等。（三）云计算的主要服务形式(InfrastructureasaService)基础设施服务：IaaS即把厂商的由多台服务器组成的“云端”基础设施，作为计量服务提供给客户。它将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。这是一种托管型硬件方式。(PlatformasaService)平台即服务：把开发环境作为一种服务来提供。这是一种分布式平台服务，厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给客户，用户在其平台基础上开发定制自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他客户。（SoftwareasaService）软件即服务：SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上，根据客户所定软件的数量、时间的长短等因素收费，并通过浏览器向客户提供软件的模式。SaaSPaaSIaaS（1）（2）（3）目前，云计算的主要服务形式有：（四）云计算的模型

数据安全性特点数据隐私问题网络传输问题问题有些数据是企业的商业机密，数据的安全性关系到企业的生存和发展。若云计算数据的安全性问题解决不了的话，就会影响云计算在企业中的应用。云计算服务依赖网络，目前网速低且不稳定，使云应用的性能不高。云计算的普及依赖网络技术的发展。如何保证存放在云服务提供商处的数据隐私不被非法利用，不仅需要技术上的改进，还需要法律上的进一步完善。如何改变用户的使用习惯，使用户适应网络化的软硬件应用是长期而艰巨的挑战。（五）云计算技术发展面临的主要问题用户使用习惯

5.5.4大数据

大数据是数据分析的前沿技术大数据（巨量数据、海量数据）是基于云计算的数据处理与应用模式是通过数据的集成共享，交叉复用形成的智力资源和知识服务能力。从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力，就是大数据技术。数量巨大、结构复杂、类型众多数据构成的数据集合换句话说一数据体量巨大。从TB级别跃升到PB级别二数据类型繁多。数据来源于各种各样的渠道三价值密度低，商业价值高四处理速度快。一般秒级时间内给出分析结果业界将大数据的特点归纳为4个“V”：Volume(大量)Variety(多样)Veracity(精确)Velocity(高速)大数据的四个特点以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用的数据仅仅只有一两秒；企业花在数据技术和服务上的费用大大增加·世界范围的数据量呈爆炸性增长大数据背景它的特色在于对海量数据的挖掘,但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技术大数据与云计算的关系大数据的应用就像一枚硬币的正反面一样密不可分大数据必然无法用单台的计算机进行处理,必须采用分布式计算架构云数据中心5.6计算机技术的应用