1、大学计算机大学计算机-计算的思想和方法计算的思想和方法第1页，共49页。课程简介课程简介n课程定位课程定位 核心通识课，核心通识课，计算机基础教学公共核心基础课程计算机基础教学公共核心基础课程 n授课对象授课对象 非计算机专业本科生非计算机专业本科生n教学目标教学目标l深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位和作用。深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位和作用。l全面培养个人的信息素养和计算思维能力。全面培养个人的信息素养和计算思维能力。l了解计算发展的基本过程，理解发展中的主要发明了解计算发展的基本过程，理解发展中的主要发明l掌握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题求解算法。掌
2、握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题求解算法。l理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用l理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理解程序编写理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理解程序编写和程序运行的基本内涵和程序运行的基本内涵l理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设备及其功能，理解理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设备及其功能，理解主要的互联网应用主要的互联网应用l了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在科研中的价了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在科研中的价值和意义值和意义第第1章章 绪论绪论 第第2章章 计
3、算与计算机计算与计算机第第3章章 问题求解与算法问题求解与算法第第4章章 数据与数据结构数据与数据结构第第5章章 计算机程序计算机程序 第第6章章 计算机网络计算机网络第第7章章 计算科学前沿计算科学前沿2大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第2页，共49页。第第7章章 计算科学前沿计算科学前沿7.1 计算的新模式计算的新模式7.2 数字化生存数字化生存7.3 新型计算机新型计算机知识要点知识要点并行计算，并行计算，流水线技术，流水线技术，并行计算机，并行计算机，向量机，向量机，对称多处理（对称多处理（SMP），），计算机集群（机群），计算机集群（机群），分布
4、式计算，分布式计算，网格计算，网格计算，计算网格，数据网格，计算网格，数据网格，云计算，云计算，云安全，云存储，云安全，云存储，普适计算，普适计算，社会计算，社会计算，情感计算。情感计算。3大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第3页，共49页。U7.1 计算的新模式计算的新模式 n并行计算与超级计算机并行计算与超级计算机n分布式计算分布式计算n网格计算网格计算n云计算云计算n无处不在的计算无处不在的计算4大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第4页，共49页。并行计算与超级计算机并行计算与超级计算机n并行计算（并行计算（Para
5、llel Computing）n流水线技术流水线技术n并行计算机并行计算机n并行计算的问题并行计算的问题 5大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第5页，共49页。什么是并行计算？什么是并行计算？n串行计算，传统的串行计算，传统的Von.Neumann计算机计算机n并行计算（并行计算（Parallel Computing），是指同时使用多），是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。统计算速度和处理能力的一种有效手段。n并行方式并行方式l空间上的并行，多处理器，集群空
6、间上的并行，多处理器，集群l时间上的并行，流水线技术（准并行）时间上的并行，流水线技术（准并行）6大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第6页，共49页。流水线技术流水线技术n工业生产中流水线的概念工业生产中流水线的概念l汽车装配的四个步骤汽车装配的四个步骤u（1）冲压：制作车身外壳和底盘等部件；）冲压：制作车身外壳和底盘等部件；u（2）焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身；）焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身；u（3）涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干；）涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干；u（4）总装：将各部件组装成
7、车。）总装：将各部件组装成车。l生产组织生产组织u 不采用流水线不采用流水线u 流水线流水线n计算机计算机CPU的工作的工作l 指令获取指令获取l 解码解码l 运算运算l结果写入结果写入 nIntel 486l CPU中由中由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线 7大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第7页，共49页。并行计算机并行计算机n传统顺序执行计算机传统顺序执行计算机l在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处理一个数据（即只有一个数据流），因在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处
8、理一个数据（即只有一个数据流），因此被称为单指令流单数据流（此被称为单指令流单数据流（Single Instruction Single Data Stream，SISD）计算机）计算机 l以加法指令为例，单指令单数据（以加法指令为例，单指令单数据（SISD）的）的CPU对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算。操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算。n并行计算机并行计算机l 并行机为多指令流多数据流（并行机为多指令流多数据流（Multiple
9、Instruction Stream Multiple Data Stream，MIMD）计算机，它使用多个控制器来异步地控制多个处理器，从而实现空间上的并行性。计算机，它使用多个控制器来异步地控制多个处理器，从而实现空间上的并行性。l 并行向量处理机，面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机并行向量处理机，面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机 l 对称多处理机。对称多处理（对称多处理机。对称多处理（Symmetric Multiprocessing，SMP）是一种多处理机硬件）是一种多处理机硬件架构，由两个或更多的相同的处理机（处理器）组成，不同的处理器之间可以由
10、总线、矩架构，由两个或更多的相同的处理机（处理器）组成，不同的处理器之间可以由总线、矩阵开关或片上阵开关或片上mesh网络来连接，各处理器之间共享内存子系统及总线结构，由一个操作系网络来连接，各处理器之间共享内存子系统及总线结构，由一个操作系统控制。统控制。l大规模并行处理机。大规模并行处理大规模并行处理机。大规模并行处理（Massive parallel processing，MPP）是由大量通用微处）是由大量通用微处理器构成的多处理机系统，适合多指令流多数据流处理。理器构成的多处理机系统，适合多指令流多数据流处理。l 工作站机群（工作站机群（Cluster of Workstation，C
11、OW）8大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第8页，共49页。工作站工作站n工作站（工作站（Workstation），就是一种高档的微型计算），就是一种高档的微型计算机或小型计算机机或小型计算机 n通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内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，具有较强的信息处理功能和存储器和外部存储器，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高性能的图形、图像处理功能以及联网功能 n和普通微机的不同和普通微机的不同l通常配置服务器和工作站专用的通常配置服务器和工作站专用的CPU l专用专用CP
12、U通常集成了一些图形图像处理的算法，以提高通常集成了一些图形图像处理的算法，以提高其图形图像处理能力其图形图像处理能力9大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第9页，共49页。集群集群n集群（集群（Cluster）是指互相连接的多个独立计算机的集合，它通过一组松散集成的计）是指互相连接的多个独立计算机的集合，它通过一组松散集成的计算机软件和算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。n分类分类l 按体系结构分按体系结构分u 同构同构u 异构异构l 按计算机分按计算机分u PC机群机群u 工作站机群工作站机群u
13、SMP（对称多处理器）机群（对称多处理器）机群 l 按应用分按应用分u 高可用性集群高可用性集群 u 负载均衡集群负载均衡集群u 高性能计算集群高性能计算集群10大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第10页，共49页。并行计算的问题并行计算的问题n巨额投资，并行计算时代的高性能机群是一个巨额投资，并行计算时代的高性能机群是一个“快快速消费品速消费品”n导致了导致了l既能提高计算机快速计算能力，又不需要巨额投资的新既能提高计算机快速计算能力，又不需要巨额投资的新的计算模式就陆续出现的计算模式就陆续出现l网格计算和云计算，属于并行计算，但策略不同网格计算和云计算，
14、属于并行计算，但策略不同11大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第11页，共49页。分布式计算分布式计算n著名的问题著名的问题l 解决复杂的数学问题，例如：寻找最大的梅森素数。解决复杂的数学问题，例如：寻找最大的梅森素数。l 研究安全的密码系统，例如：研究安全的密码系统，例如：RC-72密码破解。密码破解。l 生物病理研究，例如：研究蛋白质折叠，误解，聚合及由此引起的相关疾病。生物病理研究，例如：研究蛋白质折叠，误解，聚合及由此引起的相关疾病。l 疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效药物，寻找并发现对抗艾滋病病毒的更疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效
15、药物，寻找并发现对抗艾滋病病毒的更为有效的药物等。疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效药物，寻找并发现对为有效的药物等。疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效药物，寻找并发现对抗艾滋病病毒的更为有效的药物等。抗艾滋病病毒的更为有效的药物等。l 信号处理，例如：分析来自外太空的电讯号，寻找隐蔽的黑洞，并探索可能存在信号处理，例如：分析来自外太空的电讯号，寻找隐蔽的黑洞，并探索可能存在的外星智慧生命。的外星智慧生命。n计算量巨大计算量巨大12大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第12页，共49页。搜寻地外文明的科学实验计划搜寻地外文明的科学实验计划nSETI
16、home项目自项目自1999年年5月月17日开始正式运行。日开始正式运行。n利用全球联网的计算机共同搜寻地外文明的科学实验计划利用全球联网的计算机共同搜寻地外文明的科学实验计划SETIhome项目是世界上最大的分布式计算项目，通过使用联网的计项目是世界上最大的分布式计算项目，通过使用联网的计算机下载程序分析射电望远镜所收到的讯号，来搜索地球外的生命迹象。算机下载程序分析射电望远镜所收到的讯号，来搜索地球外的生命迹象。n至至2004年年5月，累积进行了近月，累积进行了近51021次浮点运算，处理了超过次浮点运算，处理了超过13亿个数据单元。亿个数据单元。n截至截至 2005 年关闭之前，已经吸引
17、了年关闭之前，已经吸引了 543 万用户，这些用户的电脑累万用户，这些用户的电脑累积工作积工作243万年，分析了大量积压数据，但是项目没有发现外星文万年，分析了大量积压数据，但是项目没有发现外星文明的直接证据。明的直接证据。13大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第13页，共49页。网格计算网格计算n所谓网格计算（所谓网格计算（Grid Computing），就是通过利用），就是通过利用大量异构计算机（通常为桌面）的未用资源（大量异构计算机（通常为桌面）的未用资源（CPU和磁盘存储），将其作为嵌入在分布式电信基础设和磁盘存储），将其作为嵌入在分布式电信基础设施
18、中的一个虚拟的计算机集群，为解决大规模的计施中的一个虚拟的计算机集群，为解决大规模的计算问题提供了一个模型。算问题提供了一个模型。n网格计算是一种架设在互联网上的分布式计算，可网格计算是一种架设在互联网上的分布式计算，可以看作是由一群松散耦合的计算机组成的一个超级以看作是由一群松散耦合的计算机组成的一个超级虚拟计算机，主要用来执行一些大型的计算任务。虚拟计算机，主要用来执行一些大型的计算任务。14大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第14页，共49页。网格计算的演化网格计算的演化n萌芽阶段（萌芽阶段（1990年年1995年）年）l 代表性项目代表性项目u 搜寻
19、地外文明项目搜寻地外文明项目SETIhomeuI-WAY（Information Wide Area Year）项目）项目 n早期试验阶段（早期试验阶段（1995年年2000年）年）l 研究项目研究项目uGlobus，计算网格的开放体系结构及开放标准，计算网格的开放体系结构及开放标准 uLegion n发展阶段（发展阶段（2000以后）以后）l 采用万维网服务体系结构的新的网格体系结构，即开放的网格服务体系结构采用万维网服务体系结构的新的网格体系结构，即开放的网格服务体系结构（Open Grid Services Architecture，OGSA）l 全球网格论坛（全球网格论坛（Global
20、 Grid Forum，GGF）l 开放网格论坛（开放网格论坛（Open Grid Forum，OGF）15大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第15页，共49页。网格计算的功能网格计算的功能n解决对于任何单一的解决对于任何单一的超级计算机超级计算机来说，仍然大得难来说，仍然大得难以解决的问题，并同时保持解决多个较小的问题的以解决的问题，并同时保持解决多个较小的问题的灵活性。灵活性。n网格计算支持跨管理域计算的能力网格计算支持跨管理域计算的能力n网格计算和计算机集群的不同网格计算和计算机集群的不同l都是为了解决大规模计算问题都是为了解决大规模计算问题l两者的实
21、现策略不同两者的实现策略不同 16大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第16页，共49页。云计算云计算n2006年年8月月9日，日，Google首席执行官埃里克首席执行官埃里克施密特（施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会）在搜索引擎大会（SES San Jose 2006）上首次提出）上首次提出“云计算云计算”（Cloud Computing）的概念）的概念 n云是网络、互联网的一种比喻说法。云是网络、互联网的一种比喻说法。n云计算云计算，是一种通过，是一种通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的计算模式以服务的方式提供动态可伸
22、缩的虚拟化资源的计算模式 n云计算的层次云计算的层次l 基础设施即服务（基础设施即服务（IaaS），），l 平台即服务（平台即服务（PaaS）l 软件即服务软件即服务（SaaS）n应用应用l 云安全，使用者越多，每个使用者就越安全云安全，使用者越多，每个使用者就越安全 l 云存储云存储 17大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第17页，共49页。无处不在的计算（无处不在的计算（1）n普适计算普适计算l1991年，美国施乐（年，美国施乐（Xerox）公司）公司PARC研究中心的研究中心的Mark Weiser在在Scientific American上发表文章上
23、发表文章“The Computer for the 21st Century”，首次提出了，首次提出了普适计算（普适计算（ubiquitous computing）的概念）的概念 l1999年，年，IBM也提出普适计算（也提出普适计算（IBM称之为称之为Pervasive computing）的概念，即为无所不在的，随时随地可以）的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式进行计算的一种方式 l同年，欧洲研究团体同年，欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（提出了环境智能（Ambient Intelligence）的概念）的概念 n智能设备智能设备18大学计算机计算的思想和方法（第3版
24、），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第18页，共49页。无处不在的计算（无处不在的计算（2）n计算已经不仅仅是一个技术问题，他正在全面的影计算已经不仅仅是一个技术问题，他正在全面的影响我们的思想、观念和行为，成为一种社会文化现响我们的思想、观念和行为，成为一种社会文化现象象n社会计算社会计算l社会是一个异常复杂的系统，采用简单的变量和时间参社会是一个异常复杂的系统，采用简单的变量和时间参数是难以描述的。数是难以描述的。l社会问题建模社会问题建模l使用计算机模拟手段来对社会问题进行预测和模拟，对使用计算机模拟手段来对社会问题进行预测和模拟，对于防范社会突发事件的发生、防范恐怖主义袭击威胁，于防范
25、社会突发事件的发生、防范恐怖主义袭击威胁，更好的保障社会公共安全具有重要意义更好的保障社会公共安全具有重要意义 19大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第19页，共49页。无处不在的计算（无处不在的计算（3）n情感也能计算吗？情感是人对客观事物是否满足自己的需要而产生的态度体验情感也能计算吗？情感是人对客观事物是否满足自己的需要而产生的态度体验 n人的情感主要根据它所反映的价值关系的不同特点进行分类人的情感主要根据它所反映的价值关系的不同特点进行分类l 根据价值的正负变化方向的不同，情感可分为正向情感与负向情感。根据价值的正负变化方向的不同，情感可分为正向情感
26、与负向情感。l 根据价值的强度和持续时间的不同，情感可分为心境、热情与激情。根据价值的强度和持续时间的不同，情感可分为心境、热情与激情。l 根据价值的主导变量的不同，情感可分为欲望、情绪与感情。根据价值的主导变量的不同，情感可分为欲望、情绪与感情。l 根据价值主体的类型的不同，情感可分为个人情感、集体情感和社会情感。根据价值主体的类型的不同，情感可分为个人情感、集体情感和社会情感。l 根据价值的目标指向的不同，情感可分为对物情感、对人情感、对己情感和对特殊事根据价值的目标指向的不同，情感可分为对物情感、对人情感、对己情感和对特殊事物情感物情感 n1997年，年，MIT媒体实验室媒体实验室Pic
27、ard教授提出了情感计算的概念，她指出情感计算是与情教授提出了情感计算的概念，她指出情感计算是与情感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算。感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算。20大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第20页，共49页。第第7章章 计算科学前沿计算科学前沿7.1 计算的新模式计算的新模式7.2 数字化生存数字化生存7.3 新型计算机新型计算机知识要点知识要点数字地球，数字地球，3S技术，技术，地理信息系统（地理信息系统（GIS），），遥感（遥感（RS），），全球定位系统（全球定位系统（GPS），），智慧城市，智慧城市，生活实验室（
28、生活实验室（Living Lab），），微观装配实验室（微观装配实验室（Fab Lab），），物联网，物联网，传感器技术，传感器技术，射频识别（射频识别（RFID）技术，）技术，嵌入式技术，嵌入式技术，大数据，大数据，个人隐私。个人隐私。21大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第21页，共49页。U7.2 数字化生存数字化生存n数字化地球数字化地球n物联网物联网n智慧城市智慧城市n大数据技术大数据技术n个人隐私个人隐私22大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第22页，共49页。数字化地球数字化地球n1998年年1月月31日，美
29、国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发日，美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为表了题为数字地球：展望数字地球：展望21世纪我们这颗行星世纪我们这颗行星的演讲，第的演讲，第一次提出了数字地球（一次提出了数字地球（Digital Earth）的概念）的概念 n数字地球是一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多数字地球是一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。分辨率、三维的描述方式。n1999年年11月月29日至日至12月月2日在北京召开了由中国科学院主办的第一届日在北京召开了由中国科学院主办的第一届数字地球国际会议，会议通过了数字地球国际会议，会议通过了数字
30、地球北京宣言数字地球北京宣言 23大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第23页，共49页。数字地球模型数字地球模型n数字化地球信息模型中包含了巨量信息，它包含了地球上每一数字化地球信息模型中包含了巨量信息，它包含了地球上每一点的所有信息，并与地理坐标一一对应。这些信息有地形、地点的所有信息，并与地理坐标一一对应。这些信息有地形、地貌、地质构造、土地、山川、气候等自然方面的信息，也有历貌、地质构造、土地、山川、气候等自然方面的信息，也有历史沿革、风土人情、文化教育、人口、交通、经济、科技、工史沿革、风土人情、文化教育、人口、交通、经济、科技、工农业生产等人文信息
31、农业生产等人文信息通过数字化的地球，人们可以很方便通过数字化的地球，人们可以很方便地掌握和了解世界上任何一点的信息。地掌握和了解世界上任何一点的信息。n数字地球是借用对地观测、计算机、互联网等技术，把地球上数字地球是借用对地观测、计算机、互联网等技术，把地球上每一点的相关信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一每一点的相关信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型。这样，人们就可以快速、形象、完整地了个全球的信息模型。这样，人们就可以快速、形象、完整地了解地球上的任何一点、任何方面的信息。解地球上的任何一点、任何方面的信息。24大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著
32、.北京：高等教育出版社第24页，共49页。相关技术相关技术n3S技术。技术。3S是地理信息系统（是地理信息系统（GIS）、遥感（）、遥感（RS）和全球定位系统（和全球定位系统（GPS）在应用上密切关联的高新）在应用上密切关联的高新技术的统称。技术的统称。n数据仓库技术数据仓库技术 n图像处理技术图像处理技术 n虚拟现实技术虚拟现实技术25大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第25页，共49页。主要应用主要应用n数字地球与信息保障体系数字地球与信息保障体系n数字地球与政府决策的关系数字地球与政府决策的关系n数字地球与智能化交通数字地球与智能化交通n数字地球与现代
33、化战争数字地球与现代化战争n数字地球与全球变化及社会可持续发展数字地球与全球变化及社会可持续发展26大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第26页，共49页。物联网的提出物联网的提出n1991年，美国麻省理工学院（年，美国麻省理工学院（MIT）的）的Kevin Ash-ton教授首次提出物联网的概教授首次提出物联网的概念。念。n1995年比尔盖茨在年比尔盖茨在未来之路未来之路一书中也曾提及物联网一书中也曾提及物联网 n1999年年MIT建立了建立了“自动识别中心自动识别中心”，提出，提出“万物皆可通过网络互联万物皆可通过网络互联”，阐明，阐明了物联网的基本含义，
34、即：通过射频识别（了物联网的基本含义，即：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。控和管理的一种网络。n物联网（物联网（The Internet of things）就是）就是“物物相连的互联网物物相连的互联网”。27大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：
35、高等教育出版社第27页，共49页。物联网的概念物联网的概念n物联网物联网l物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；的延伸和扩展的网络；l其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。息交换和通信。n物联网的分层物联网的分层l感知层感知层l网络层网络层l应用层应用层 28大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第28页，共49页。物联网关键技术物联网关键技术n传感器技术传感器技术nRFID技术（技术（Radio Frequenc
36、y Identification，射，射频识别）又称电子标签、无线射频识别频识别）又称电子标签、无线射频识别 n嵌入式技术嵌入式技术29大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第29页，共49页。智慧城市智慧城市n2008年年11月，在纽约召开的外国关系理事会上，月，在纽约召开的外国关系理事会上，IBM提出了提出了“智慧智慧的地球的地球”这一理念，进而引发了智慧城市建设的热潮。这一理念，进而引发了智慧城市建设的热潮。n智慧城市，是指建立在物联网、云计算等信息技术上的，广泛智慧城市，是指建立在物联网、云计算等信息技术上的，广泛应用社交网络、维基、应用社交网络、维基、
37、LivingLab、FabLab 等工具，营造一等工具，营造一种有利于创新涌现的知识社会中城市发展的一种新的形态。种有利于创新涌现的知识社会中城市发展的一种新的形态。n从数字城市到智慧城市从数字城市到智慧城市l 理念上的理念上的 差异差异30大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第30页，共49页。智慧城市的主要特征智慧城市的主要特征n智慧城市综合体智慧城市综合体l广泛部署有线和无线网络，利用各种传感器、物联网和广泛部署有线和无线网络，利用各种传感器、物联网和云计算技术，实现对城市综合体要素的全面智能感知、云计算技术，实现对城市综合体要素的全面智能感知、数据自动
38、采集、存储和应用数据自动采集、存储和应用 n智慧政务管理智慧政务管理 n智慧经济管理智慧经济管理n智慧交通管理智慧交通管理n智慧生活管理智慧生活管理31大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第31页，共49页。智慧城市的发展现状智慧城市的发展现状n2006年，欧盟发起了欧洲年，欧盟发起了欧洲Living Lab组织，它采用新的工具和方法、先进的信息组织，它采用新的工具和方法、先进的信息和通讯技术来调动方方面面的和通讯技术来调动方方面面的“集体的智慧和创造力集体的智慧和创造力”，n2009年，美国爱荷华州东部城市、临密西西比河的迪比克（年，美国爱荷华州东部城市、临
39、密西西比河的迪比克（Dubuque）市与）市与IBM合作，合作，建立美国第一个智慧城市。建立美国第一个智慧城市。n美国麻省理工学院比特和原子研究中心提出美国麻省理工学院比特和原子研究中心提出Fab Lab（Fabrication Laboratory，微观，微观装配实验室），装配实验室），Fab Lab的最初灵感来源于的最初灵感来源于Gershenfeld教授于教授于1998年在年在MIT开设的一开设的一门课程门课程“如何能够创造任何东西如何能够创造任何东西”。n2013年年1月月29日，住房城乡建设部公布首批国家智慧城市试点名单，首批国家智日，住房城乡建设部公布首批国家智慧城市试点名单，首批
40、国家智慧城市试点共慧城市试点共90个，其中地级市个，其中地级市37个，区（县）个，区（县）50个，镇个，镇3个。个。32大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第32页，共49页。大数据大数据n美国互联网数据中心指出，互联网上的数据每年将增长美国互联网数据中心指出，互联网上的数据每年将增长50%，每两年便，每两年便将翻一番，而目前世界上将翻一番，而目前世界上90%以上的数据是最近几年才产生的。以上的数据是最近几年才产生的。n数据又并非单纯指人们在互联网上发布的信息，全世界的工业设数据又并非单纯指人们在互联网上发布的信息，全世界的工业设备、汽车、电表上有着无数的数码
41、传感器，随时测量和传递着有备、汽车、电表上有着无数的数码传感器，随时测量和传递着有关位置、运动、震动、温度、湿度乃至空气中化学物质的变化，关位置、运动、震动、温度、湿度乃至空气中化学物质的变化，也不断地产生海量的数据信息。也不断地产生海量的数据信息。n在在apache org的开源项目的开源项目Nutch中，首先引用了中，首先引用了“大数据大数据”这一术语。这一术语。33大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第33页，共49页。大数据的概念大数据的概念n大数据大数据(big data)，或称巨量资料，指的是所涉及的资料量规模巨大到无，或称巨量资料，指的是所涉及的
42、资料量规模巨大到无法透过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整法透过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。n特征特征l 数据体量巨大。从数据体量巨大。从TB级别，跃升到级别，跃升到PB级别级别l 数据类型繁多，包含了结构数据到非结构数据，诸如网页、图片、网络日志、视数据类型繁多，包含了结构数据到非结构数据，诸如网页、图片、网络日志、视频、数据记录等。频、数据记录等。l 价值密度低，商业价值高。以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用价值密度低，商业价值高。以视频为例，连续不间断
43、监控过程中，可能有用的数据仅仅有一两秒。的数据仅仅有一两秒。l 处理速度快。处理速度快。1秒定律。最后这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。秒定律。最后这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。34大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第34页，共49页。个人隐私个人隐私n我们的一举一动都被遍布各个角落的传感器、被互联网用数据记录下来了我们的一举一动都被遍布各个角落的传感器、被互联网用数据记录下来了n2013年年6月月6日，英国日，英国卫报卫报和美国和美国华盛顿邮报华盛顿邮报报道了美国国家安全局和报道了美国国家安全局和联邦调查局于联邦调查局于2007
44、年启动了一个代号为年启动了一个代号为“棱镜棱镜”的秘密监控项目的秘密监控项目 n技术技术l使用搜索引擎使用搜索引擎例如：搜索引擎中输入了例如：搜索引擎中输入了“电饭锅电饭锅”和和“背包背包”两个关键词两个关键词 35大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第35页，共49页。第第7章章 计算科学前沿计算科学前沿7.1 计算的新模式计算的新模式7.2 数字化生存数字化生存7.3 新型计算机新型计算机知识要点知识要点摩尔定律摩尔定律超导现象，超导现象，超导体，超导体，约瑟夫逊效应，约瑟夫逊效应，约瑟夫逊结，约瑟夫逊结，超导计算机，超导计算机，量子，量子，量子力学，量子
45、力学，量子计算，量子计算，光计算机，光计算机，人工神经网络，人工神经网络，神经网络计算机，神经网络计算机，DNA计算机，计算机，生物计算机生物计算机 36大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第36页，共49页。U7.3 新型计算机新型计算机n电子计算机发展面临的问题电子计算机发展面临的问题n超导计算机超导计算机n量子计算机量子计算机n光计算机光计算机n神经网络计算机神经网络计算机nDNA生物计算机生物计算机37大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社第37页，共49页。电子计算机发展面临的问题电子计算机发展面临的问题n摩尔定律摩尔
46、定律l 1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登摩尔（摩尔（Gordon Moore）应）应邀为邀为电子学电子学杂志杂志35周年专刊写一篇观察评论报告，题目是：周年专刊写一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更让集成电路填满更多的元件多的元件”。在摩尔开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新芯片大体上包。在摩尔开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。个月内。n实际的情况是，能耗导致计
47、算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而实际的情况是，能耗导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。限制了计算机的运行速度。n近几年来，超大规模集成电路在制造工艺上的发展已经放缓，发展的潜力似乎已接近几年来，超大规模集成电路在制造工艺上的发展已经放缓，发展的潜力似乎已接近尾声。近尾声。n科学家认为，由于硅工业领域材料尺寸限制，传统的电子技术在科学家认为，由于硅工业领域材料尺寸限制，传统的电子技术在2020年后的某个时年后的某个时候将达到物理极限。候将达到物理极限。n寻求新的替代技术寻求新的替代技术38大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.
48、北京：高等教育出版社第38页，共49页。超导计算机超导计算机n超导计算机超导计算机l就是指利用超导技术生产的计算机及其部件就是指利用超导技术生产的计算机及其部件l超导开关器件的开关速度达超导开关器件的开关速度达0.001ns，是当今所有电子、，是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。倍。l超导计算机的电能消耗仅是电子计算机的千分之一。超导计算机的电能消耗仅是电子计算机的千分之一。n数据表示数据表示n数据计算（算数逻辑部件）数据计算（算数逻辑部件）39大学计算机计算的思想和方法（第3版），郝兴伟编著.北京：高等教育出版社
49、第39页，共49页。量子计算机量子计算机n量子计算机（量子计算机（Quantum computer）是根据量子力学的有关理论，对计算机器的一种新的）是根据量子力学的有关理论，对计算机器的一种新的物理实现方案。物理实现方案。n量子理论量子理论l1900年年12月月14日，德国物理学家普朗克创立量子理论日，德国物理学家普朗克创立量子理论l像原子作为一切物质的构成单元一样，像原子作为一切物质的构成单元一样，“能量子能量子”（量子）是能量的最小单元，原子吸收或发射（量子）是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的能量是一份一份地进行的 n1905年，德国物理学家爱因斯坦（年，德国物理学家爱
50、因斯坦（A.Einstein，1879年年3月月14日日1955年年4月月18日）把日）把量子概念引进光的传播过程，提出量子概念引进光的传播过程，提出“光量子光量子”（光子）的概念（光子）的概念 n1924年，法国物理学家德年，法国物理学家德布罗意（布罗意（18921987）提出）提出“物质波物质波”假说假说 n1926年，德国物理学家沃纳年，德国物理学家沃纳海森堡提出不确定关系理论，建立了量子矩阵力学海森堡提出不确定关系理论，建立了量子矩阵力学。奥地利。奥地利物理学家埃尔温物理学家埃尔温薛定谔建立了量子波动力学，量子理论的发展进入了量子力学阶段薛定谔建立了量子波动力学，量子理论的发展进入了量
