大学计算机第一课

1. 电子计算机概念

　　电子计算机（electronic computer），通称电脑，是计算机（computer）用途和数量都较广的一种，是现代的一种利用电子技术和相关原理根据一系列指令来对数据进行处理的机器。电脑可以分为两部分：软件系统和硬件系统。第一台电脑是1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生的ENIAC通用电子计算机。

　　计算机所相关的技术研究叫计算机科学，以数据为核心的研究称为信息技术。人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。随着科技的发展，现在新出现一些新型计算机有：生物计算机、光子计算机、量子计算机等

　　计算机种类繁多。实际来看，计算机总体上是​处理信息的工具。根据图灵机理论，一部具有最基本功能的计算机应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此，只要不考虑时间和存储因素，从个人数码助理（PDA）到超级计算机都应该可以完成同样的作业。即是说，即使是设计完全相同的计算机，只要经过相应改装，就应该可以被用于从公司薪金管理到无人驾驶飞船操控在内的各种任务。由于科技的飞速进步，下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代，这一现象有时被称作“摩尔定律”。

　　【摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。摩尔定律的定义归纳起来，主要有以下三种版本：一是集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍。二是微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半。三是用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两倍。以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的】

　　计算机在组成上形式不一。早期计算机的体积足有一间房屋大小，而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。当然，即使在今天，依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的，为个人应用而设计的计算机称为微型计算机，简称微机。不过，现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式的。嵌入式计算机通常相对简单，体积小，并被用来控制其它设备——无论是飞机，工业机器人还是数码相机。

2.计算机应用领域

　　电子计算机的用途非常广泛，主要应用领域有：

　　(1) 信息处理。信息处理又称数据处理，是指对科研，生产，经济活动中的大量数据进行收集，存储，加工，传输和输出等活动的总称。信息处理是目前计算机最主要的应用领域，这类处理也许并不复杂，但需用处理数据量却非常大。人事管理，人口统计，仓库管理，银行业务，文献检索，预订机票都属于信息处理的问题，而各类为公室自动化，管理信息系统，专家系统则是用于信息处理的软件，会计电算化属于信息处理的应用领域。

　　(2) 科学计算。科学计算又称数值计算，是指计算机完成科学研究和工程技术等领域中涉及的复杂和数据运算，科学计算机是计算机最早的应用领域，例如航天，军事，气象，桥梁设计等等领域都有复杂的数学问题需要计算机进行计算。

　　(3) 过程控制。过程控制又称实时控制，是指用计算机采集检测数据，按最佳值迅速对控制对象的自动控调节，从而实现有效的控制。过程控制，所涉及的范围广，如工业，交通运输的自动控制，对导弹，人造卫星，飞机的跟综与控制，等等。

　　(4) 计算机辅助系统。计算机辅助系统是指利用计算机来帮助人类完成一些相关的工作，主要包括计算要辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），计算机辅助教学（CAI），计算机辅助工程（CAE）等等。例如，CAD在航空，机械，建筑，服装，电子等领域都得到广泛应用，从而提高设计质量，缩短设计周期和提高设计的自动化程度。

　　(5) 计算机通信。计算机通信是计算机技术与通信技术相结合的产物，其典型的代表是计算机网络。随着互联网和多媒体的技术的迅速普及，网上会议，远程医疗，网上银行，电子商务，网络会计等基于计算机通信的远程处活动已经或将要获得普及。

　　(6) 人工智能。人工智能（AI）是指利用计算机模拟人类的智能活动，使计算机具有判断，理解，学习，问题求解的能力。目前人工智能的研究已取得一些成果，如在医疗诊断，文字翻译，密码分析，智能机器人等领域的应用都有突破。

　　(7) 多媒体应用。多媒体，是文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息的结合。多媒体技术是以计算机技术为核心，将声像技术和通信技术融为一体，提供更丰富的接口界面。应用领域：如视频会议系统、数字化图书馆等

　　(8) 虚拟现实（VR）。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

　　增强现实技术（AR），它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

　　混合现实（MR），既包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。它是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

3.计算机发展历程

　　(1) 机械计算机

　　19世纪之前，在西欧，由中世纪进入文艺复兴时期的社会大变革，大大促进了自然科学技术的发展，人们长期被神权压抑的创造力得到空前释放。其中制造一台能帮助人进行计算的机器，就是最耀眼的思想火花之一。从那时起，一个又一个科学家为把这一思想火花变成引导人类进入自由王国的火炬而不懈努力。但限于当时的科技总体水平，大都失败了，这就是拓荒者的共同命运：往往见不到丰硕的果实。后人在享用这甜美的时候，应该能从中品出一些汗水与泪水的滋味

　　(2)电子计算机

　　在这之前的计算机，都是基于机械运行方式，尽管有个别产品开始引入一些电学内容，却都是从属与机械的，还没有进入计算机的灵活：逻辑运算领域。而在这之后，随着电子技术的飞速发展，计算机就开始了由机械向电子时代的过渡，电子越来越成为计算机的主体，机械越来越成为从属，二者的地位发生了变化，计算机也开始了质的转变。

　　(3) 晶体管计算机

　　真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴，但其体积之大、能耗之高、故障之多、价格之贵大大制约了它的普及应用。直到晶体管被发明出来，电子计算机才找到了腾飞的起点，一发而不可收

　　(4)集成电路计算机

　　尽管晶体管的采用大大缩小了计算机的体积、降低了其价格，减少了故障。但离人们的要求仍差很远，而且各行业对计算机也产生了较大的需求，生产更能更强、更轻便、更便宜的机器成了当务之急，而集成电路的发明正如"及时雨"，当春乃发生。其高度的集成性，不仅仅使体积得以减小，更使速度加快，故障减少。人们开始制造革命性的微处理器。计算机技术经过多年的积累，终于驶上了用硅铺就的高速公路。

　　(5) 大规模集成电路计算机

　　在这之前，计算机技术主要集中在大型机和小型机领域发展，但随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步，计算机进入寻常百姓家的技术障碍已层层突破。特别是从INTEL发布其面向个人机的微处理器8080之后，这一浪潮便汹涌澎湃起来，同时也涌现了一大批信息时代的弄潮儿，如乔布斯、比尔.盖茨等，至今他们对计算机产业的发展还起着举足轻重的作用。在此时段，互联网技术、多媒体技术也得到了空前的发展，计算机真正开始改变人们的生活。

4.未来计算机

　　基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究，这些计算机是：超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。 目前推出的一种新的超级计算机采用世界上速度最快的微处理器之一，并通过一种创新的水冷系统进行冷却。IBM公司2001年08月27日宣布，他们的科学家已经制造出世界上最小的计算机逻辑电路，也就是一个由单分子碳组成的双晶体管元件。这一成果将使未来的电脑芯片变得更小、传输速度更快、耗电量更少。

　　第五代计算机指具有人工智能的新一代计算机，它具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。计算机的发展将在什么时候进入第五代?什么是第五代计算机?对于这样的问题，并没有一个明确统一的说法。日本在1981年宣布要在10年内研制“能听会说、能识字、会思考”的第五代计算机，投资千亿日元并组织了一大批科技精英进行会战。这一宏伟计划曾经引起世界瞩目，并让一些美国人恐慌了好一阵子，有人甚至惊呼这是“科技战场上的珍珠港事件”。现在回头看，日本原来的研究计划只能说是部分地实现了。到了今天还没有哪一台计算机被宣称是第五代计算机。

　　但有一点可以肯定，在未来社会中，计算机、网络、通信技术将会三位一体化。新世纪的计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会拓展了更大的生存和发展空间。当历史的车轮驶入二十一世纪时，我们会面对各种各样的未来计算机。

　　(1) 能识别自然语言的计算机。

　　未来的计算机将在模式识别、语言处理、句式分析和语义分析的综合处理能力上获得重大突破。它可以识别孤立单词、连续单词、连续语言和特定或非特定对象的自然语言(包括口语)。今后，人类将越来越多地同机器对话。他们将向个人计算机“口授”信件，同洗衣机“讨论”保护衣物的程序，或者用语言“制服”不听话的录音机。键盘和鼠标的时代将渐渐结束。

　　(2) 高速超导计算机

　　高速超导计算机的耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一，它执行一条指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快几十倍。以目前的技术制造出的超导计算机的集成电路芯片只有3—5平方毫米大小。

　　(3) 激光计算机

　　激光计算机是利用激光作为载体进行信息处理的计算机，又叫光脑，其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。它依靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理。

　　与电子计算机相似之处是，激光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。光束在一般条件下的互不干扰的特性，使得激光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜，其通过能力超过全球现有全部电缆的许多倍。

　　(4) 分子计算机

　　分子计算机正在酝酿。美国惠普公司和加州大学，1999年7月16日宣布，已成功地研制出分子计算机中的逻辑门电路，其线宽只有几个原子直径之和，分子计算机的运算速度是目前计算机的1000亿倍，最终将取代硅芯片计算机。

　　(5) 量子计算机

　　量子力学证明，个体光子通常不相互作用，但是当它们与光学谐腔内的原子聚在一起时，它们相互之间会产生强烈影响。光子的这种特性可用来发展量子力学效应的信息处理器件——光学量子逻辑门，进而制造量子计算机。量子计算机利用原子的多重自旋进行。量子计算机可以在量子位上计算，可以在0和1之间计算。在理论方面，量子计算机的性能能够超过任何可以想象的标准计算机。

　　(6) DNA计算机

　　科学家研究发现，脱氧核糖核酸(DNA)有一种特性，能够携带生物体的大量基因物质。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪，正在合作研究制造未来的液体DNA电脑。这种DNA电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将发生过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每一个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。

　　和普通的电脑相比，DNA电脑的优点首先是体积小，但存储的信息量却超过现在世界上所有的计算机。

　　(7) 神经元计算机

　　人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来，人们将制造能够完成类似人脑功能的计算机系统，即人造神经元网络。神经元计算机最有前途的应用领域是国防：它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定要击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常有效。

　　(8) 生物计算机

　　生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有—个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。而且运行速度更快，只有10的-11次方秒，大大超过人脑的思维速度。

5.计算机分类

　　计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，国外通常把计算机分为6大类：

　　(1)超级计算机或称巨型机：超级计算机通常是指最大 、最快、最贵的计算机。例如目前世界上运行最快的超级机速度为每秒1704亿次浮点运算。生产巨型机的公司有美国的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等。我国研制的银河机也属于巨型机，银河1号为亿次机，银河2号为十亿次机。

　　(2)小超级机或称小巨型机：小超级机又称桌上型超级电脑，它想使巨型机缩小成个人机的大小，或者使个人机具有超级电脑的性能。典型产品有美国Convex公司的C-1，C-2，C-3等；Alliant公司的FX系列等。

　　(3)大型主机：它包括我们通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式，即把大型主机放在计算中心的玻璃机房中，用户要上机就必须去计算中心的端上工作。大型主机经历了批处理阶段、分时处理阶段，进入了分散处理与集中管理的阶段。IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生产大型主机。不过随着微机与网络的迅速发展，大型主机正在走下坡路。我们许多计算中心的大机器正在被高档微机群取代。

　　(4)小型机：由于大型主机价格昂贵，操作复杂，只有大企业大单位才能买得起。在集成电路推动下，60年代DEC推出一系列小型机，如PDP-11系列、VAX-11系列。HP有1000、3000系列等。通常小型机用于部门计算。同样它也受到高档微机的挑战。

　　(5)工作站：工作站与高档微机之间的界限并不十分明确，而且高性能工作站正接近小型机、甚至接近低端主机。但是，工作站毕竟有它明显的特征：使用大屏幕、高分辨率的显示器；有大容量的内外存储器，而且大都具有网络功能。它们的用途也比较特殊，例如用于计算机辅助设计、图像处理、软件工程以及大型控制中心。

　　(6)个人计算机或称微型机：这是目前发展最快的领域。根据它所使用的微处理器芯片的不同而分为若干类型：首先是使用Intel芯片386、486以及奔腾等IBM PC及其兼容机；其次是使用IPM--Apple-Motorola联合研制的PowerPC芯片的机器，苹果公司的Macintosh已有使用这种芯片的机器；再次，DEC公司推出使用它自己的Alpha芯片的机器。

6.计算机的特点

　　(1)运算速度快：计算机内部电路组成，可以高速准确地完成各种算术运算。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、24小时天气算需要几年甚至几十年，而在现代社会里，用计算机只需几分钟就可完成。

　　(2)计算精确度高：科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。

　　(3)逻辑运算能力强：计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断。计算机能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令以供用户随时调用。

　　(4)存储容量大：计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息，这些信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。

　　(5)自动化程度高：由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序组纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。

　　(6)性价比高：几乎每家每户都会有电脑，越来越普遍化、大众化，21世纪电脑必将成为每家每户不可缺少的电器之一。计算机发展很迅速，有台式的还有笔记本。

7.知识扩展（量子计算机）

　　(1)量子计算机有多强？

　　这么说吧，一台台式机电脑大小的量子计算机，就能达到乃至超过今天最先进的中国天河一号超级计算机的计算能力。

　　举个例子：要破解现在常用的一个RSA密码系统，用当前最大、最好超级计算机需要花60万年，但用一个有相当储存功能的量子计算机，则只需花上不到3个小时！在量子计算机面前，我们曾经引以为豪的传统电子计算机，就相当于以前的算盘，显得笨重又古老！无论生产、科研还是日常生活，世界将会经历一场颠覆性改变。

　　(2)量子计算机为什么那么牛？

　　归根结底，在于量子计算机和传统计算机，所运用原理和路径，是完全不一样的。现有传统电子计算机的运算单元，一个比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1。量子计算机利用量子特有的“叠加状态”，采取并行计算的方式，终极目标可以让速度以指数量级提升。

　　这样说，估计很多人都要晕菜了。给大家讲一个故事吧。中国有一个寓言，叫“杨子见歧路而哭之”。杨朱听说有一只羊在道路分叉的地方走失了，不知道走哪条路去寻找，难过的哭了。传统计算机解答问题也是这种套路：只能是先走一条路，然后再走另外一条路，做不到两条路一起走。量子计算机，则不一样了，它可以像孙悟空变出很多个小孙悟空走不同的路一样，搞平行计算。这就相当于，一台计算机，一下子化身成千千万台台计算器，同时开工做算术题。从电子计算机飞跃到量子计算机，整个人类计算能力、处理大数据的能力，就将出现上千上万乃至上亿次的提升。

　　(3)这真是一场天时地利人和的完美邂逅！量子计算机的即将面世，来得正是时候：5G已经成熟并接近运用，大数据也在蓬勃发展，人工智能来到了临门一脚的关口。如此这般，当量子计算和人工智结合在一起，那么，我们可能会做出连大自然都没有想到的结果。很快，一款款冷冰冰的量子计算机，将拥有了像人一样的自学和思考能力，而且回过头来，还能秒杀人类。一个量子计算+人工智能时代，将比我们曾经最激进的想象，来得还要快得多。因为两者将出现正向回馈。奇点正在迅速到来。量子计算机+人工智能，将不断迭代出更高级的量子计算机+人工智能，发展的斜率将一下子陡峭起来。很可能，在不远的将来，人类在量子计算机+人工智能面前，就可能像蚂蚁面对人类一样无力和脆弱。

　　(4)未来已来！今天，我们再次抵达了命运之门！

　　是的，从今天起，量子计算+人工智能不再是科幻小说，不再是阅读理解，不再是新闻标题，不再是以太网中跃动的字节和CPU中孱弱的灵魂，而是实实在在的宿命。

　　一个量子计算+人工智能时代，对人类社会来说，这或是一场充满不确定性的大海啸！这场革命的最大特征是，它不改变我们所做的事，它改变的是我们自己！

　　如果说以前几次技术革命，顶多是人的手、脚等身体器官的延伸和替代，这次人工智能则将成为人类自身的替代。它对人类社会家庭乃至整个社会的冲击，将是前所未有的。最直接的，是在越来越多的领域，人工智能正在快速超越人类。这也意味着，大批的翻译、记者、收银员、助理、保安、司机、交易员、客服……都可能在不远的未来，失去自己原来的工作。对此，斯坦福教授卡普兰做了一项统计，美国注册在案的720个职业中，将有47%被人工智能取代。在中国，这个比例可能超过70%。

　　作为历史进程中的一份子，人生最重要的任务是『追随历史运行的方向』，不要莫名其妙被历史碾死。面对人工智能，我们改变不了科技的进程，但是，我们可以改变自己，以及我们下一代的知识结构。有学者分析，面对步步逼近的人工智能，你有三个选择：一是要么积累财富，成为资本大鳄；二是积累名气，成为独特个体；三是积累知识，成为更高深技术的掌握者。

　　新的时代已经渐行渐近，我们必须有意识提升自己，方能赶上时代的潮流！

8.作业

　　网上资料查阅：利用网络了解　云计算、人工智能、未来互联网、区块链、大数据、智慧城市等相关知识（说明：不需提交）