计算机导论第十三周学习总结
一、冯诺依曼体系结构
1.简介
冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。
2.特点
现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，CPU 从存储器取出指令和数据进行相应的计算。 主要特点有：
（1）单处理机结构，机器以运算器为中心；
（2）采用程序存储思想；
（3）指令和数据一样可以参与运算；
（4） 数据以二进制表示；
（5）将软件和硬件完全分离；
（6） 指令由操作码和操作数组成；
（7）指令顺序执行。
3.组成
冯诺依曼体系结构示意图
（1）运算器：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）；
（2）控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器和控制器统称中央处理器，也叫做CPU。中央处理器是电脑的心脏；
（3）存储器：存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。当电脑要执行外存里的程序，处理外存中的数据时，需要先把外存里的数据读入内存，然后中央处理器才能进行处理。外存储器包括硬盘、光盘和优盘；
（4）输入设备：输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔等都属于输入设备。
（5）输出设备：是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机等。
4.作用
冯.诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多计算机仍是冯.诺依曼计算机的组织结构，只是作了一些改进而已，并没有从根本上突破冯体系结构的束缚。冯.诺依曼也因此被人们称为“计算机之父”。然而由于传统冯.诺依曼计算机体系结构天然所具有的局限性，从根本上限制了计算机的发展。根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。 将指令和数据同时存放在存储器中，是冯·诺依曼计算机方案的特点之一 计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成 冯·诺依曼提出的计算机体系结构，奠定了现代计算机的结构理念。
二、计算机系统结构
1.定义:
计算机系统结构是指多级层次结构中传统机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是让编制的机器语言程序、汇编语言源程序，以及将高级语言源程序编译生成的机器语言目标程序，能在机器上正确运行所应看到的计算机属性。计算机系统结构是与汇编语言程序或机器语言程序所能实现的功能，以及要用到的数据类型、寻址方式等密切相关。
2．计算机组成与实现
(1)计算机组成，主要指的是机器级内部数据流和控制沉的组成及逻辑设计。它与指令和编程等没有直接关系，主要是看硬件系统在逻辑上如何组织。计算机组成；主要Li计算机操作的并行度、重叠度，部件的共享度等有关，百接影响系统的速度和价格。
(2)计算机实现，指的是计算机组成的物理实现．它着眼于用什么样的器件技术和微组装技术。它也直接影响到系统的速度和价格。
3.结构、组成与实现三者的相互影响
相同结构的计算机可以因速度不同而采用不向的织成，相同的组成也可有多种不问的实现。这都取决于计算机系统的性能、价格及器件技术的状况。
结构不同会影响到可用的组成技术有不同，而不问的组成又会反过来影响到系统结构的设计。因此，系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些组成技术，不能过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用与发展。
组成与实现可以折衷权衡，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下，去尽可能地提高系统购性能。
三、计算机网络
1.定义
计算机网络是一个互连的，自治的计算机集合。
2.功能：
数据通信(连通性)
数据在信道上进行传输，保证不同主机之间的连通性。
是计算机网络最重要和最基本的功能。
包括：连续控制，传输控制，路由选择，流量控制，差错控制，多路复用等子功能。
3.组成：
(1)物理组成：
硬件
端系统 (主机)
通信处理机
通信链路 (光纤 双绞线… ）
通信设备( 路由器 交换机… )
软件
端系统上的各种应用软件。
协议
为进行网络中的数据交换而建立的一系列规则和约定的集合。
(2)功能/逻辑组成：
通信子网
传输介质，通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输，交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。(实现数据通信)
资源子网
由主机，终端以及各种软件资源，信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向全网用户提供网络资源与服务。 (实现资源共享/数据处理)
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4.分类：
(1)按分布范围分类
广域网WAN：(交换技术)
城域网MAN
局域网LAN：(广播技术)
个人区域网PAN
(2)按拓扑结构分类
总线型网络
星型网络
环形网络
网状形网络：(常用于广域网)
(3)按传输技术分类
广播式网络：(共享公共通信信道)
点对点网络：(使用分组存储转发和路由选择机制)
(4)按使用者分类
公用网：中国电信，中国移动…
专用网：铁路，军队，银行…
(5)按交换技术分类
电路交换网络
报文交换网络
分组交换网络
四、云计算
1.概念
云计算（cloud computing，台湾译作云端运算），是分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。
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2.意义
服务提供商：快速部署、缩小主机规模、 提高资源利用率、提高管理效率、降低运维成本、基础设施可以防止在低徒弟和能源成本的地区、提供商业连续性服务、提高管理效率、提高服务水平、复杂的体系结构、商业规模和理念的转变
用户： 用户端负载降低、降低总体拥有成本、可能将应用的开发与基本设施维护相对分离、可能将程序代码与物理资源分离、不需要为一次性任务或罕见的负载状况准备大量设施、按需扩展资源、使应用具有高可用性、快速部署应用、按使用付费
3.存在的难题
连续高可用性(Continuous high availability)
某个集群的失效处理
一致性(Consistency)
不同集群的同步
互操作性和标准化(Interoperability and standarlization)
在萌芽和成长期，各厂商都试图建立自己的接口API
所有构件的扩展(Scalability of all components)
信息保密(Data secrecy)
跨地区存储和数据传输可能会引发法律和政治问题(Legal and political problem of data store and translation across regions)
性能问题(Performance issue)
差异化定制问题(Difficulty customizing)
组织障碍(Organizational obstacle
4.架构
云计算平台一般分为以下几层：物理设施，虚拟化，管理，服务提供。物理设施被虚拟化，提供一个灵活的资源池体提高资源利用率。管理层负责物理资源和虚拟资源池的管理、部署、监控、报警等。服务提供层组合管理层的功能提供某种形式的服务。
5.未来展望
在未来的云计算平台，几乎每个人都将采取某种类型的混合云平台，这成为大势所趋。大多数公司正在和云发生关联，不管人们处于什么平台，新的云管理解决方案的目标是控制云。混合、公共、私人甚至社区云都可以控制。未来的云计算平台支持混合部署，可轻易实现数据在私有云与公有云之间相互转移。
在后PC时代，个人电脑的时代正在逐渐结束，手机等手持设备的告诉发展催生了移动化的浪潮。围绕 等环节的移动程序正在致力于为用户提供最好的设备和服务，在未来将有更多移动设备及随着相对应的服务诞生。如支持iPhone, iPad, Android和Windows Phone的本地应用程序，适用于移动设备的各种功能，包括触摸感应、摄像头集成、邮件集成等。此外，云计算平台及数据中心可以将所有企业内容（包括文档、报表、账单、网页、图片、传真，甚至多媒体音频、视频、等等各信息载体和模式）集中进行管理和控制，结合其强大的元数据搜索引擎，为各企业提供商务智能和大数据分析，同时提供网络端访问，支持在线研发设计功能，真正帮企业实现信息化。
五、物联网
物联网的方方面面
1.个人理解
物联网如果从狭义上的字面意思理解的话，即为“万物联网”，让所有的家电，车辆，机器设备，诸如冰箱，电视机，空调，洗衣机，汽车，工厂设备等连上网络，然后通过移动端或者PC端实现远程控制。如果简单从字面上的来理解的话，那么构建这样一个物联网世界不是什么难事，现在很多智能家电，电器产品已经能够连上网络，也能够实现远程控制。但是真正的物联网世界并非如此。如果从广义上来说，物联网是通过万物采集到的信息，然后对各种信息进行综合分析处理，产生结果再反馈给家电设备，实现无需人工操作的真正智能化世界。其中涉及到大数据的综合分析处理，才是物联网发展的一个突破口，不能够进行数据分析处理的物联网是“死”的物联网，能够进行数据分析处理的才是“活”物联网。
2.关键技术
物联网是一个很复杂的系统，涉及电子、通信、计算机软件等多学科技术，从信息获取、传输、处理、应用等方面来考虑，物联网系统可分四层。
(1)感知识别层：感知识别层位于物联网系统末端，是物理世界连接信息世界的纽带，该层赋予万物“说话”（RFID技术）、视、听、嗅、触等能力（传感器技术）。
(2)网络构建层:该层将感知层所感知到的数据通过无线通信技术接入互联网，供上层使用。
(3)服务管理层:数据存储（数据库与海量存储技术）、检索（搜索引擎技术）、使用（数据挖掘与机
器学习）、数据安全等。
(4)应用决策层：智能物流、智能电网、智能家居、智能交通等。
3.特征
(1)全面感知：感知层具备全面感知能力，即能够通过传感器、RFID、定位等技术实现对物理、化学、生理的等各种信号采集、识别与控制。
(2)可靠传输: 物体需按照协议接入互联网，才能实现物物的信息交换，所以互联网是物联网的重要基础，通过有线、无线通信技术与互联网进行融合，实现数据准确实时可靠传输。
(3)智能服务：物联网不仅仅是提供万物互联，物联网将大规模海量数据可靠组织起来，利用云计算、大数据分析等技术为行业提供智能化服务。
4.技术难点
(1)边缘计算：随着物联网发展，感知层除了具备全面感知能力外，还需具备对各种传感器数据融合、分析、智能处理等能力。
(2)泛在接入：目前物联网没有相关统一标准，终端通信方式及通信协议多样化，物联网系统需兼容多种网络、自适应多协议，实现异构网络融合。
(3)数据安全：物联网广泛接入更丰富数据的同时，如何保证数据不被滥用，隐私数据保护成为物联网发展亟待解决的关键问题之一。
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