数据基础导论 7

第3章大数据硬件环境第3章大数据硬件环境3.1计算机系统的组成3.2硬件计算设备3.3检测系统3.1计算机系统的组成1图灵机模型与冯·诺依曼机模型1）图灵机模型1936年，阿兰·图灵提出了一种抽象的计算模型——图灵机(TuringMachine)。见图

1图灵机模型与冯·诺依曼机模型1）图灵机模型图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：（1）一条无限长的纸带TAPE。（2）一个读写头HEAD。（3）一套控制规则TABLE。（4）一个状态寄存器。1图灵机模型与冯·诺依曼机模型

2）冯·诺依曼机模型冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：（1）必须有一个存储器；（2）必须有一个控制器；（3）必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；（4）必须有输入设备和输出设备，用于进行人机通信。另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作。为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输人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；输出处理结果的输出设备。2计算机系统组成结构1）计算机硬件系统结构硬件是指组成计算机的各种物理设备，由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。工作原理为：首先由输入设备接受外界信息(程序和数据)，控制器发出指令将数据送入(内)存储器，然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。2计算机系统组成结构

1）计算机硬件系统结构2计算机系统组成结构

2）微型计算机的结构（1）主机主机指计算机用于放置主板及其他主要部件的容器（mainframe）。通常包括CPU、内存、硬盘、光驱、电源、以及其他输入输出控制器和接口，如USB控制器、显卡、网卡、声卡等等。

输入输出设备定义：计算机系统中主机以外的硬设备，是计算机系统的重要组成部分，也称为输入输出设备。功能：外部设备是计算机与外部世界或计算机与人进行信息交换的设备，是人机联系的界面和桥梁，常见的输入输出设备有键盘，显示器，打印机等。输入/输出设备数据通信设备输入输出处理机外存储设备（硬磁盘、软磁盘、光盘）多媒体数/模、模/数转换汉字处理设备终端设备（键盘+显示器）输入设备输出设备语音输出语言与文字输入光学字符识别键盘条形码图形输入设备（鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔）图象输入设备（摄象机、扫描仪、传真机）绘图机（平板式、滚筒式）打印设备（点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机）显示器（字符、汉字、图形、图象、液晶、等离子）

4输入输出设备（1）输入设备 输入设备是将程序，数据，命令，图形，图象等，按一定的要求转换成主机能够接收的代码信息，并送入主机内进行处理的设备。包括纸介质输入设备、光介质、磁介质、光学识别、语音识别、键盘输入等设备。最常用的是磁介质和键盘输入设备。（2）输出设备 输出设备是将主机处理信息的中间结果和最后结果，以人们通常能识别的字符、图形等形式表示出来的设备。包括显示设备、印刷设备、照相、语音响应、纸介质设备、磁介质设备、光介质设备。其中显示器和打印机是两种主要的输出设备。

4输入输出设备常见的一些输入设备：1键盘2鼠标器3扫描仪4数码相机

4输入输出设备

常见输入设备常见的一些输出设备：1打印机2显示器3绘图仪4语音输出设备

4输入输出设备常见输出设备常见的输出设备—打印机点阵打印机激光打印机喷墨打印机

4输入输出设备打印机是应用最多的硬拷贝输出设备，可以将打印在纸上的信息长期保存，产生永久性记录信息。分类：按打印方式的不同，分为击打式和非击打式两大类。按控制方式的不同，可分为串行打印机和并行打印机两种。按打印纸的宽度不同，可分为宽行打印机和窄行打印机。

4输入输出设备

显示器

显示器也称为监视器，可以分为单色监视器和彩色监视器。单色监视器通常用于A/N方式，用于字符显示，字符颜色为绿色或琥珀色。彩色监视器有三种基本类型：RGB监视器；彩色视频监视器；彩色电视机。其中RGB监视器又分为数字式和模拟式。

数字式RGB监视器要求显示适配器提供的信号是RGB数字信号，受信号位数的限制，可以显示的颜色的种数有限，模拟式RGB监视器要求显示适配器提供的信号是用电压表示的RGB模拟信号，是连续可变的，可以显示颜色的种数几乎没有限制。

4输入输出设备2计算机系统组成结构2）微型计算机的结构（2）外设

外部设备简称“外设”，是指连在计算机主机以外的硬件设备。对数据和信息起着传输、转送和存储的作用，是计算机系统中的重要组成部分。按照功能的不同，大致可以分为输入设备、显示设备、打印设备等。3检测系统概论2）检测系统检测系统的概念是传感技术发展到一定阶段的产物。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。随着计算机技术及信息处理技术的不断发展，检测系统所涉及的内容也不断得以充实。系统中的传感器是感受被测量的大小并输出相对应可用输出信号的器件或装置，数据传输环节用来传输数据。数据处理环节是将传感器的输出信号进行处理和变换。数据显示环节将被测量信息变成感官能接收的形式，以达到监视、控制或分析的目的。测量的目的是希望通过测量获取被测量属性的真实值。随着科学技术的发展，人们对测量精度的要求越来越高，可以说测量工作的价值就取决于测量的精度。3.2计算机组成原理1系统总线

1）系统总线概述系统总线，又称内总线，或板级总线，是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统。1系统总线2.工作原理CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过总线，实现将CPU内数据写入外设，或由外设读入CPU。总线就是用来传送信息的一组通信线。3.功能分类（1）数据总线DB。用于传送数据信息。（2）地址总线AB。用来传送地址。（3）控制总线CB。用来传送控制信号和时序信号。2CPU

1）CPU定义中央处理器（英文CentralProcessingUnit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。2）工作原理CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。2CPU

3）基本结构CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。见图3存储器

1）存储器概述存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。2）存储器的构成构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。3存储器

3）存储器用途根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。见图3存储器

4）常用存储器1）硬盘2）光盘3）U盘4）ROM5）RAM3）硬盘结构原理与“巨磁电阻”

硬盘外壳之后，我们也就能够看到神秘的内部世界，其核心部分包括盘体、主轴电机、读写磁头、电机马达等主要部件。4）.

硬盘的逻辑结构

1KB=1024Byte1MB=1048576Byte1GB=1073741824Byte1TB=1099511627776Byte1PB=1125899906842624Byte1EB=152921504606846976Byte5）大硬盘中的应用

1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4ＧB提升到了600ＧB或更高。目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。

2007年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技（SeagateTechnology）在宣布，其第四代DB35系列硬盘，已达到1TB（1000GB）容量。除读出磁头外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。目前，我国国内也已具备了巨磁阻基础研究和器件研制的良好基础。背景材料1.获奖感言

2007年10月9日阿尔贝·费尔在接受电话采访时说：“我受宠若惊，非常感动，我为能够与彼得·格林贝格尔共享这一奖项而兴奋不已。我们总是很好地交换我们的研究结果。”彼得·格林贝格尔在接受瑞典电台采访时说：“有人告诉我，如果有从斯德哥尔摩来的电话，那只能是诺贝尔奖（通知）。”他说，“正有一大群人站在我门外”，他打算跟他们“来一杯香槟”。

2.阿尔贝·费尔的简历

阿尔贝·费尔1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。阿尔贝·费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管。1988年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。3.彼得·格林贝格尔的简历德国科学家彼得·格林贝格尔1939年5月18日出生。从1959年到1963年，格林贝格尔在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。

1988年，格林贝格尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(与阿尔贝·费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与阿尔贝·费尔共同获得)。

3存储器一些典型的磁盘存储器硬磁盘磁盘阵列

3存储器

光盘存储器：

光盘（OpticalDisk）是利用光学原理读写信息的存储器。光盘存储器的基本特点是：1、存储密度高，记录容量大；2、存取速度快；3、介质寿命长；4、记录的信息不易受干扰；5、能够进行非接触读写和高速随机存取。

3存储器

光盘存储器主要形式：只读式光盘

只读式光盘（ReadOnly）：盘片由厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。只写一次光盘只写一次光盘（WriteOnceOnly）：可以由用户写入信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修改和重写的的数据追记在空白区内。可檫写式光盘可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信息，采用特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重复读写。有机光数据存储材料（organicmaterialsforopticaldatastorage）是指活泼层材料或记录层材料。目前，研究最多的是萘酞青类化合物，酞青类化合物及斯夸啉类染料。较早的CD光盘的最大容量大约是650MB，现在的DVD盘片单面容量大约为4.7GB(双面8.5GB)，蓝光光盘则比较大，其中HDDVD单面单层15GB、双层30GB；BD单面单层25GB、双面50GB。在2002年3月13日，东芝在CeBIT大展上就发表过容量达110GB的光盘系统。2006年7月3日，日立Maxell开发全新940GB光盘。随着技术的不断提高，光盘的容量还会增加。1）、光盘与有机存储材料简介2）光盘的种类绿盘绿盘是最早开发生产出的CD-R光盘，绿盘采用日本TaiyoYuden公司发明的花菁染料Cyanine。保存年限为75年。金盘金盘采用了三井公司开发的Phthalocyanine（酞菁）染料，也称为白金盘。金盘适应能力强，品质不错，保存时间比绿盘长，理论上可以保存100年。但是金盘一个比较明显的缺点是成本较高。目前制造金盘的公司主要有Kodak(柯达)与MitsuiToatsu(三井)。蓝盘为了降低CD-R绿盘和金盘的成本，三菱化学公司开发生产出了一种金属化的AZO有机染料，并使用成本较低的银作反射层材料。AZO本身为深蓝色，因此与反射层的银白色混合后，使CD-R光盘的记录面呈蓝色，因此使用AZO染料的CD-R光盘就被称为蓝盘。紫盘(CD-RW)紫盘采用特殊材料制成，只有类似紫玻璃的一种颜色。CD-RW以相变式技术来生产结晶和非结晶状态，分别表示0和1，并可以多次写入，也称为可复写光盘。绿盘蓝盘白金盘光盘经历了三个阶段：LD-激光视盘：它就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM（FrequencyModulation）频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。CD-DA激光唱盘：LD虽然赢得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞利浦公司和索尼(Sony)公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（RedBook）标准。CD-ROM：CD-DA系统取得成功以后，这就使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到，利用CD-DA作为计算机大容量只读存储器。

3存储器

闪存：

闪存（FlashMemory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的电子器件存储器。其数据删除不是以单个的字节为单位而是以一定大小的区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB不等。闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的发展，与EEPROM不同的是，闪存在进行删除或重写操作时不需要整个芯片擦写，这样闪存比EEPROM更新速度快。

闪存的基本特点是：1、存储密度高，记录容量一般；2、存取速度快于光盘和磁盘；3、介质寿命长；4、抗震动、体积小、功耗低

；5、单位存储单元成本高，价格昂贵。

3存储器

典型的闪存产品SD卡SM卡CF卡记忆棒XD卡4输入输出系统

1）输入输出系统控制方式（1）程序查询方式这种方式是在程序控制下CPU与外设之间交换数据。程序查询方式是一种程序直接控制方式,这是主机与外设间进行信息交换的最简单的方式,输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。4输入输出系统

1）输入输出系统控制方式（2）中断方式中断是主机在执行程序过程中，遇到突发事件而中断程序的正常执行，转去对突发事情的处理，待处理完成后返回原程序继续执行。中断过程如下：中断请求，中断响应，中断处理和中断返回。中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。缺点是对系统的性能要求较高。4输入输出系统

1）输入输出系统控制方式（3）直接存储器访问方式（DMA）DMA方式指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU并且CPU不参加数据交换的控制。工作过程如下：外设发出DMA请求，CPU响应DMA请求，把总线让给DMA控制器，在DMA控制器的控制下通过总线实现外设与内存之间的数据交换。DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高CPU的工作效率。4输入输出系统

2）输入输出设备（1)输入设备常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。（2）输出设备常用的输出设备有显示器、打印机等。（3）其它输入输出设备数码相机DC，数码摄像机DV，手写笔，投影机，扫描仪，绘图仪等。4输入输出系统

3）I/O接口使主机和外设能够按照各自的形式传输信息。摩尔定律（Moorelaw）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。摩尔定律与处理器的发展摩尔定律归纳起来包括以下几点：（1）芯片技术的发展具有周期性，每个周期是18-24个月；（2）集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔一个周期就翻一番；（3）处理器的性能每隔一个周期提高一倍，并且价格同比下降一倍。3.3计算机系统分类1超级计算机1）定义超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。2.）发展历史现代巨型机经历了三个发展阶段。第一阶段，有美国ILLIAC-Ⅳ(1973年)、STAR-100（1974年）和ASC（1972年）等巨型机。第二阶段，1976年研制成功的CRAY-1机标志着现代巨型机进入第二阶段。第三阶段，80年代以来，采用多处理机（多指令流多数据流MIMD）结构、多向量阵列结构等技术的第三阶段的更高性能巨型机相继问世。3.超级计算机结构

国防科技大学并行与分布处理国家重点实验室王正华教授等学者认为，超级计算机的体系结构大致有以下几种。（1）对称多处理(SMP)。SMP结构的计算机一般在单个机柜中包含两个以上处理器，各处理器完全相同，平等地访问软硬件资源，处理器间通过总线或者交叉开关相连，共享存储器，但有各自独立的Cache。SMP的优势在于其透明的编程模式，串行程序一般可不加修改直接运行于SMP之上。缺点是由于对公共内存和I/O的竞争，加上维护Cache一致性的开销，导致扩展能力有限。（2）大规模并行处理(MPP)。MPP指在同一地点由大量处理器构成的并行计算机，一般以通用64位微处理器作为处理节点，多为分布存储方式，节点间通信用消息传递方式，其规模可扩展到数千节点。MPP系统的优点是峰值速度高，并有良好的可扩展性。主要缺点是消息传递能力与节点运算能力难以匹配。（3）机群(Cluster)。Cluster是用高速互连网络连接起来的一组微机或工作站，各节点都是独立的(有独立完整的内存和操作系统)计算机。互连常采用商用计算机网络(ATM、FDDI、以太网等)，采用消息传递方式通信。它具有规模可扩展、性价比高等优点，缺点主要是多操作系统难于管理和维护，而且通信延迟大。（4）群聚集(Constellations)。Constellations指以大型SMP(处理器数目不少于16个)为节点构成的Cluster，各节点间通过高速专用网络互连，也称为机群SMP(Cluster-SMP或CSMP)。每个节点含16个Power3处理器，节点内共享存储，节点间由交叉开关互连。4.超级计算机技术趋势1）涡轮式刀片服务器

新一代的超级计算机采用涡轮式设计，每个刀片就是一个服务器，能实现协同工作，并可根据应用需要随时增减。单个机柜的运算能力达万亿次/秒，理论上协作式高性能超级计算机的浮点运算速度为亿亿次/秒。通过先进的架构和设计，它实现了存储和运算的分开，确保用户数据、资料在软件系统更新或CPU升级时不受任何影响，保障了存储信息的安全，真正实现了保持长时、高效、可靠的运算并易于升级和维护的优势。2）降低能耗趋势

亿亿级超级计算机的能耗已成为研究人员关注的焦点，IBM公司深度计算部门的副总裁戴夫·特瑞克在超级计算机大会上表示，Jaguar超级计算机耗能7兆瓦。一台只配置中央处理器处理核心的亿亿级超级计算机耗能约20亿瓦特，相当于一个中等规模的原子能核工厂的耗能，降低能耗将成为研究人员考虑的要点。美国军方授权研制新一代超级计算机的厂商需要研制出一种全新的节能芯片，以减少超级计算机的能耗，也有公司考虑使用将加速器与中央处理器相结合的混合方式来达到降低能耗的目的。3）改进软件设计

使用加速器是实现亿亿级计算机可行性战略的关键所在，应用软件可以利用加速器来实现亿亿级的计算。亿亿级超级计算机系统的核心处理器的数量大概在1000万到1亿个之间。数量巨大的处理器有可能频繁出现故障，因此必须采取更加灵活有效的方式来解决这个问题。美国军方正在着力研发全新的计算架构和编程模式，以解决传统计算架构遭遇的能源使用问题和计算扩展限制问题。改进软件编程比改进超级计算机硬件容易，因此，改进软件设计将是一个发展方向。4）结构设计简单化

让超级计算机的设计尽可能简单是关键，目前的很多超级计算机设计都很简单，比如，IBM公司的“红杉”超级计算机的大小只有一个上网本的一半，而且也没有暴露在外面的电线。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室先进技术部门助理副主管马克·西格也强调说，设计简洁是关键也是趋势，亿亿级超级计算机的部件需要比目前的超级计算机要少，IBM公司的蓝色基因超级计算机（BlueGene/L）嵌制了动态随机存储器、电压调控模组以及千兆位以太网，其结构设计非常简洁。5）降低成本

新一代超级计算机的成本可能非常高，目前的超级计算机的成本高达1亿美元，比如天河二号的耗资达1亿美元（约合人民币6亿元）；神威·太湖之光超级计算机的投资也为6亿元人民币，未来新的神威超级计算机总投资约为18亿元人民币；我国“十三五”高性能计算专项课题三个E级超算的原型机系统计划总经费31亿；Summit耗资约2亿美元；美国能源部2019年计划拨款5亿美元给英特尔公司和克雷公司，以共同建造美国首台可实现每秒百亿亿次浮点运算的超级计算机“极光”。据估算，未来百亿亿级超级计算机，如果进行工业化的生产，其成本可能为10亿美元左右，这将是一笔巨大的投资。因此，降低超级计算机的成本将是厂家不得不考虑的一个问题。2小型计算机与工作站

1）小型计算机计算机发展到第三代，开始出现了小型化倾向。1960年，美国数据设备公司（DEC）生产了第一台速度为每秒3000次的小型集成电路计算机。小型机是指采用8-32颗处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能64位计算机。2小型计算机与工作站

2）工作站工作站，英文名称为Workstation，是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。2小型计算机与工作站

2）工作站工作站是20世纪80年代迅速发展起来的一种计算机系统，介于高档PC机与小巨型机之间。3台式计算机与笔记本电脑

1）个人计算机

个人电脑(PersonalComputer，PC)，亦称个人计算机。狭义来说，个人电脑指IBMPC/AT相容机种，此架构中的中央处理器采用英特尔或AMD等厂商所生产的中央处理器。个人电脑分为桌上型电脑与笔记本电脑。4平板电脑与掌上电脑

1）平板电脑第一台用作商业的平板电脑是1989年9月上市的GRiDSystems制造的GRiDPad，它的操作系统基于MS-DOS。平板电脑（TabletPersonalComputer，TabletPC、FlatPc、Tablet、Slates），是一种小型、方便携带的个人电脑，以触摸屏作为基本的输入设备。它拥有的触摸屏（也称为数位板技术）允许用户通过触控笔或数字笔来进行作业而不是传统的键盘或鼠标。微软大举转型微软2012年迈出了一大步，不仅对Windows操作系统展开了野心勃勃的改版，还推出了自主设计的平板电脑，希望与iPad一较高下。相较于之前的Windows操作系统，Windows8的改版不可谓不大。微软取消了开始菜单，还在传统桌面体验的基础上增加了触控界面，以便同时兼容平板电脑、传统电脑和混合设备。该公司还大军进军硬件市场，推出了首款自主开发的平板电脑Surface，并搭载了一个兼容ARM处理的Windows8版本。最后，WindowsPhone8也进行了大幅改版，微软希望借此挑战苹果iOS和谷歌Android。Intel联合英国和加拿大机构在CES推出柔性“纸质平板”PaperTab，像纸一样轻薄、可弯曲这款平板采用10.7英寸塑料触摸屏，搭载IntelCorei5处理器，每一屏只能显示一个App。但多台PaperTab具有很强的协作能力，比如相邻的PaperTab可以彼此感应，只需将两台PaperTab轻轻接触，就可以传送文件、发邮件、照片等。除此之外，也可以将多个屏幕放在一起，就可以组成一个更大的屏幕。目前PaperTab需要连接线连接才能进行操作，而且显示屏不能显示彩色，反应时间也比较慢。目前整个产品还处于概念阶段，开发者没有公布具体的上市时间，也没有公布其开发成本。要想实现商业化，可能还需要很长一段时间。不过这种轻薄、具有纸质杂志阅读体验的平板，可能会是未来平板电脑新的发展方向。4平板电脑与掌上电脑

2）掌上电脑1992年，美国一家计算机公司推出一种袖珍的计算机，大小与能装在口袋里的日历薄差不多。掌上电脑，即PDA(PersonalDigitalAssistant)，个人数字助理，主要提供记事、通讯录、名片交换及行程安排等功能。它同样有CPU、存储器、显示芯片以及操作系统等。5电脑化手机

iPhone是2007年由苹果公司（Apple,Inc.）推出，将移动电话、可触摸宽屏iPod以及具有桌面级电子邮件、网页浏览、搜索和地图功能合而为一的因特网通信设备，是结合了照相手机、个人数码助理、媒体播放器以及无线通信设备的掌上设备。2011年6月21日诺基亚发布全球首款MeeGo移动智能终端联手机N9，它代表了智能手机的发展趋势。从只能打电话到可以发短信、再到彩屏手机、照相手机、音乐手机,再到现在的智能上网手机，短短10多年时间里，手机实现了好几代升级，功能日益强大。

2013年1月3日报道，苹果正在研发一款智能手表iWatch，售价100美元左右。智能手机摧毁了许多产品和行业，而可穿戴计算将会淘汰手机，智能手表是苹果进入可穿戴计算的第一步。智能手机快速崛起，它会被以同样的速度被其他消费电子产品取代掉。正如智能手机毁灭了翻盖手机，iPad平板毁灭了传统个人电脑，其他的电子产品将会诞生，并毁灭智能手机。这是技术进步的自然趋势，及“创新性毁灭”。可能毁灭智能手机的将是类似谷歌眼镜的产品。可穿戴计算装备，被视为下一代计算发展方向。在十年以上的中长期内，可穿戴计算将会逐步取代iPhone和其他智能手机。”3.4量子计算机

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。

量子计算机和许多计算机一样都是由许多硬件和软件组成的，软件方面包括量子算法、量子编码等，在硬件方面包括量子晶体管、量子存储器、量子效应器等。1981年，美国阿拉贡国家实验室的PaulBenioff提出量子计算的基本理论。1、量子比特：在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（qubit），用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态0和1。量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态是0和1的相应量子态叠加。2、态叠加原理：现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。3、量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。4、量子并行原理：量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。

2007年，加拿大DWave公司成功研制出一台具有16昆比特的“猎户星座”量子计算机，并于2008年2月13日和2月15日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机。2019年9月18日，IBM在纽约举行了新量子计算中心的开幕仪式。并且IBM宣布，该公司将很快向IBMQNetwork的客户提供一台53量子位的量子计算机——这是迄今为止可供外部使用的最大的通用量子计算机，它有53个量子位，构成了系统核心基本数据处理元件。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

陆朝阳，男，1982年12月生于浙江东阳，中国科学技术大学教授、博士生导师。2000年考入中国科学技术大学，2011年获英国剑桥大学物理学博士学位，2012年入选国家自然科学基金优秀青年项目。首次实现单光子多自由度的量子隐形传态和高维度量子隐形传态；首创量子点脉冲共振荧光技术，制备了国际上综合性能最优的单光子源，成功研制光量子计算原型机“九章”，实现量子计算优越性里程碑。2传感器1）传感器概述传感器（Transducer／Sensor）是一种物理装置，或生物器官，能够探测感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。2传感器2）各种传感器电阻式传感器是一种把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。电容式传感器是一种把被测的机械量转换为电容量变化的传感器。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量，转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。压电效应传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，一种将环境湿度转换为电信号的装置。数字式传感器是把被测参量转换成数字量输出的传感器。生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号