- 大數(shù)據(jù)素質(zhì)讀本
- 夏道勛
- 7854字
- 2020-11-06 15:53:27
第一節(jié) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況
正身處信息化社會(huì)的你,一定對(duì)美國(guó)硅谷(Silicon Valley)早有耳聞。它位于美國(guó)加利福尼亞州北部、舊金山灣區(qū)南部,是高科技產(chǎn)業(yè)云集的美國(guó)加州圣塔克拉拉谷(Santa Clara Valley)的別稱。它最早是研究和生產(chǎn)以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片的地方,因此而得名。硅谷是當(dāng)今電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)業(yè)的王國(guó),盡管美國(guó)和世界其他高新技術(shù)區(qū)都在不斷發(fā)展壯大,但硅谷仍然是高科技創(chuàng)新和發(fā)展的開(kāi)創(chuàng)者。硅谷以高新技術(shù)的中小公司群為基礎(chǔ),同時(shí)還匯聚了谷歌、Facebook、惠普、英特爾、蘋果、思科、英偉達(dá)、甲骨文和特斯拉等大型公司,融科學(xué)、技術(shù)、生產(chǎn)為一體。類似地,中國(guó)的硅谷在深圳,印度的硅谷在班加羅爾。硅谷為什么要以元素周期表中原子序數(shù)為14的“硅”元素命名,讀完本節(jié)的內(nèi)容,你便可知曉緣由。
一、電子管誕生,第一代通用計(jì)算機(jī)問(wèn)世
世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)“ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī))”于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生,美國(guó)國(guó)防部用它來(lái)進(jìn)行彈道計(jì)算,如圖1-1(a)所示。它是一個(gè)龐然大物,用了約18000個(gè)電子管,占地約170平方米,重約30噸,耗電功率約150千瓦,每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算,這種數(shù)量級(jí)的運(yùn)算速度在現(xiàn)在看來(lái)微不足道,但在當(dāng)時(shí)是破天荒的。ENIAC以電子管作為元器件,所以又被稱為電子管計(jì)算機(jī),是通用計(jì)算機(jī)的第一代。
電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)采用的邏輯元件[1]是電子管[見(jiàn)圖1-1(b),于1904年問(wèn)世]。一個(gè)電子管的高度約7厘米,壽命一般為1000~3000小時(shí)。電子管的總體特點(diǎn)是體積大、耗電量大、易發(fā)熱,不能長(zhǎng)時(shí)間工作。它的特性直接導(dǎo)致電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)具有體積大、耗電量大、壽命短、可靠性低和成本高等缺點(diǎn),因此,人們轉(zhuǎn)而尋找性能更好的邏輯元件進(jìn)行替換。

圖1-1 電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)(ENIAC)實(shí)景圖和電子管樣例
二、晶體管誕生,第二代電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世
在電子管問(wèn)世43年后(1947年),新的邏輯元件—晶體管誕生。晶體管不僅能實(shí)現(xiàn)電子管的功能,還具有尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高、發(fā)熱少和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。晶體管按使用的半導(dǎo)體材料分為硅材料晶體管和鍺材料晶體管。1954年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制第一臺(tái)使用晶體管作為邏輯元件的計(jì)算機(jī),取名“催迪克”(TRADIC,見(jiàn)圖1-2),它使用了約800個(gè)晶體管。使用晶體管后,電子線路的結(jié)構(gòu)大大改觀,計(jì)算機(jī)體積減小,壽命大大延長(zhǎng),價(jià)格降低。晶體管計(jì)算機(jī)還增加了浮點(diǎn)運(yùn)算功能,計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍,為計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件,并且制造高速電子計(jì)算機(jī)更為容易。至此,人類進(jìn)入第二代電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。

圖1-2 晶體管計(jì)算機(jī)(TRADIC)
三、集成電路高速發(fā)展
顯然,占用面積大、無(wú)法移動(dòng)是以上電子計(jì)算機(jī)最直觀和突出的問(wèn)題,如何把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上是研究者們面臨的新問(wèn)題。在1958年,集成電路技術(shù)(Integrated Circuit Technology)出現(xiàn),利用這種技術(shù)可以制作微型化的電子器件或部件(見(jiàn)圖1-3)。集成電路是采用一定的工藝,把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容、電感等元件及布線互連在一起,集成在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體芯片或介質(zhì)基片上,然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi),成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu),所有元器件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體。集成電路技術(shù)的出現(xiàn),使電子元器件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。

圖1-3 集成電路發(fā)展示意圖
目前,集成電路已經(jīng)在各行各業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用,是現(xiàn)代信息化社會(huì)的基石。集成電路的含義也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其剛誕生時(shí)的定義范圍。硅集成電路是主流,就是把實(shí)現(xiàn)某種功能的電路所需的各種元器件都組織在一塊硅片上,這也是高科技產(chǎn)業(yè)云集的美國(guó)加州圣塔克拉拉谷別稱“硅谷”的由來(lái)。在集成電路技術(shù)發(fā)展歷程中,英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了經(jīng)典的摩爾定律。定律內(nèi)容為:當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的元器件數(shù)目,每隔18~24個(gè)月就會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能,將每隔18~24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。
四、計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展
隨著技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)硬件每時(shí)每刻都在發(fā)生著變革,每年硬件行業(yè)都會(huì)有一些新的產(chǎn)品出現(xiàn)或一些無(wú)用的產(chǎn)品被淘汰,而計(jì)算性能和存儲(chǔ)性能都在不斷增強(qiáng)。
1. 個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件
個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer,PC)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成,是一種能獨(dú)立運(yùn)行,完成特定功能的設(shè)備。這里只闡述硬件的變革,如圖1-4所示。

圖1-4 個(gè)人計(jì)算機(jī)整機(jī)的變遷
1971年,美國(guó)計(jì)算機(jī)終端公司(Computer Terminal Corporation,CTC)推出的Datapoint 2200個(gè)人計(jì)算機(jī),將龐大體積的計(jì)算機(jī)變成了桌上計(jì)算機(jī),是最早期的個(gè)人計(jì)算機(jī)之一,它的所有組件(如鍵盤、顯示器和主機(jī)[2])都集成在一個(gè)硬殼里。1981年,IBM推出IBM 150個(gè)人計(jì)算機(jī),配備英特爾8088微處理器,裝載微軟MS-DOS操作系統(tǒng),已將顯示器和鍵盤從整機(jī)中獨(dú)立出來(lái),形成獨(dú)立的配件,便于裝卸和維護(hù)。1983年,第一款具有圖形用戶界面的個(gè)人計(jì)算機(jī)蘋果Lisa誕生。1989年,第一臺(tái)筆記本電腦康柏LTE上市。后來(lái),個(gè)人計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備更加多樣化,并且不斷地推陳出新。常見(jiàn)的輸入/輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、音箱、鍵盤、鼠標(biāo)和掃描儀等。其中,顯示器從陰極射線管顯示器(CRT)發(fā)展到液晶顯示器(LCD),變革最為深刻,它使個(gè)人計(jì)算機(jī)朝著一體機(jī)和觸摸一體機(jī)迅速發(fā)展。一體機(jī)整合度高,它把主機(jī)、音箱、攝像頭、麥克風(fēng)等整合到顯示器后,只需外接鍵盤、鼠標(biāo)、電源和網(wǎng)絡(luò)線,具有空間小和接線較少等優(yōu)點(diǎn)。觸摸一體機(jī)是將觸摸屏、液晶顯示器、主機(jī)及一體機(jī)外殼進(jìn)行完美的組合,最終通過(guò)一根電源線就可以實(shí)現(xiàn)觸控操作的機(jī)器。如今,在機(jī)場(chǎng)、高鐵站、酒店、銀行、學(xué)校等一些人群密集的地方,我們都不難看到觸摸一體機(jī),它不但能幫助企業(yè)提升企業(yè)形象和弘揚(yáng)企業(yè)文化,更能給人們帶來(lái)便利,滿足公眾需求。
2. 服務(wù)器硬件
當(dāng)人們使用微信聊天時(shí),遠(yuǎn)方的微信平臺(tái)需要提供計(jì)算服務(wù),提供這樣的計(jì)算服務(wù)或者存儲(chǔ)服務(wù)的設(shè)備就是服務(wù)器(Server)。服務(wù)器需要響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求,并進(jìn)行處理。因此,一般來(lái)說(shuō),服務(wù)器應(yīng)具備承擔(dān)服務(wù)和保障服務(wù)的能力。服務(wù)器的構(gòu)成和個(gè)人計(jì)算機(jī)架構(gòu)類似,但是由于需要提供高可靠的服務(wù),在處理能力、穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可擴(kuò)展性、可管理性等方面要求較高,制作工藝的要求也較高,如圖1-5所示。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,按照提供的服務(wù)類型不同,服務(wù)器分為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和Web服務(wù)器等。

圖1-5 服務(wù)器
按照外觀和安裝方式的不同,服務(wù)器分為機(jī)架式、塔式、刀片式等。機(jī)架式服務(wù)器可以安裝在19英寸寬的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上,將其設(shè)計(jì)為機(jī)架式的目的是在有限的空間內(nèi)可以安裝更多的服務(wù)器。機(jī)架式服務(wù)器有1U、2U、4U、6U、8U等多種規(guī)格,其機(jī)箱寬度都是相同的,U代表機(jī)架式服務(wù)器的機(jī)箱高度(1U=1.75英寸)。
3. 中央處理器
中央處理器(Central Processing Unit,CPU)是個(gè)人計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器的核心部件,被人們稱為計(jì)算機(jī)的心臟,是一塊超大規(guī)模的集成電路,位于主機(jī)內(nèi)。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。世界頂級(jí)的中央處理器生產(chǎn)公司有美國(guó)的英特爾(Intel)、AMD,以及中國(guó)臺(tái)灣的威盛(VIA),它們的代表性芯片樣例如圖1-6(a)所示。英特爾公司是世界上最大的CPU及相關(guān)芯片制造商,80%左右的計(jì)算機(jī)都使用了英特爾公司生產(chǎn)的CPU。除了英特爾公司外,最有挑戰(zhàn)性的就是AMD公司,它打破了英特爾公司一支獨(dú)秀的局面。現(xiàn)階段,英特爾公司具有代表性的一款處理器是Intel酷睿i9 7980XE,擁有18個(gè)核心,主頻為2.6GHz。處理器主頻的提升,意味著單位時(shí)間內(nèi)處理數(shù)據(jù)能力的增強(qiáng),核心數(shù)量越多,單位時(shí)間內(nèi)處理器所能處理的數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)就越多。
自2006年國(guó)務(wù)院實(shí)施“核高基”[3]規(guī)劃以來(lái),我國(guó)相繼誕生一系列具有代表性的處理器芯片,它們分別是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所自主研發(fā)的龍芯系列、江南計(jì)算機(jī)研究所自主研發(fā)的申威系列和中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)自主研制的飛騰系列,如圖1-6(b)所示。2016年6月20日,在法蘭克福世界超算大會(huì)上,國(guó)際TOP 500組織發(fā)布的榜單顯示,我國(guó)“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝有40960個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器,該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng),峰值性能為12.5億億次/秒,持續(xù)性能為9.3億億次/秒,榮登榜單之首,不僅速度比第二名“天河二號(hào)”快出近兩倍,其效率也提高了3倍。

圖1-6 中央處理器實(shí)體樣例
處理器是信息化社會(huì)最為核心的組件,是計(jì)算機(jī)的心臟,是各強(qiáng)國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地之一(之二便是后續(xù)闡述的操作系統(tǒng),沒(méi)有之三)。從總體上來(lái)看,我國(guó)的處理器技術(shù)取得了一定的成就,但是要研發(fā)出世界級(jí)的處理器,還有很長(zhǎng)的路要走。
4. 內(nèi)存儲(chǔ)器
內(nèi)存儲(chǔ)器也被稱為內(nèi)存,是計(jì)算機(jī)中重要的部件之一,它是CPU與外部設(shè)備進(jìn)行溝通的橋梁(見(jiàn)圖1-7),用于暫時(shí)存放CPU需要的運(yùn)算數(shù)據(jù),以及與硬盤等外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,CPU會(huì)把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進(jìn)行運(yùn)算,當(dāng)運(yùn)算完成后,CPU再將結(jié)果傳送到內(nèi)存。

圖1-7 個(gè)人計(jì)算機(jī)/筆記本電腦/服務(wù)器內(nèi)存實(shí)體樣例及發(fā)展歷程
圖1-7展示了內(nèi)存的發(fā)展歷程。最早的內(nèi)存被集成在主機(jī)內(nèi)的主板[4]之上,內(nèi)存容量大小為256KB。為了提升內(nèi)存的性能,后來(lái)將內(nèi)存從主板上獨(dú)立出來(lái),形成獨(dú)立的實(shí)體,俗稱內(nèi)存條,容量大小為512KB。現(xiàn)階段主流的單條內(nèi)存容量大小為4GB/8GB/16GB,服務(wù)器版的單條內(nèi)存容量高達(dá)32GB/64GB/128GB,但是價(jià)格較為昂貴。
計(jì)算機(jī)中所有正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)都從外存調(diào)入內(nèi)存,因此內(nèi)存的性能對(duì)計(jì)算機(jī)的影響非常大,一個(gè)重要的性能參數(shù)就是容量大小。內(nèi)存容量越大,存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)的空間就越大,便于大文件或者大批量數(shù)據(jù)的處理,減少了內(nèi)存和外存的交換次數(shù),提高了計(jì)算效率。
5. 外存儲(chǔ)器
外存儲(chǔ)器是除計(jì)算機(jī)內(nèi)存及CPU緩存以外的存儲(chǔ)器,此類存儲(chǔ)器一般在斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。外存儲(chǔ)器有磁帶、軟盤、硬盤、光盤和U盤(USB閃存盤)等,它們的實(shí)體樣例如圖1-8所示。

圖1-8 個(gè)人計(jì)算機(jī)/筆記本電腦/服務(wù)器外存儲(chǔ)器實(shí)體樣例
早期的外存儲(chǔ)器是磁帶和軟盤。磁帶通常是在塑料薄膜帶基上涂覆一層顆粒狀磁性材料,或蒸發(fā)沉積一層磁性氧化物或合金薄膜制作而成。軟盤也采用了類似磁帶的裝置,將圓形的磁性盤片裝在一個(gè)方形的密封盒子里,這樣做的目的是防止磁盤表面劃傷,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。軟盤大小為3.5英寸,存儲(chǔ)容量?jī)H為1.44MB。有了軟盤之后,人們使用計(jì)算機(jī)就方便多了,不但可以把數(shù)據(jù)處理結(jié)果存放在軟盤中,還可以把很多輸入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到軟盤中,這樣數(shù)據(jù)就可以反復(fù)使用,避免了重復(fù)勞動(dòng)。但是人們慢慢發(fā)現(xiàn),要存儲(chǔ)到軟盤上的數(shù)據(jù)內(nèi)容越來(lái)越多時(shí),眾多的數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲(chǔ)在一起,很不方便。直到2000年左右,中國(guó)朗科公司發(fā)明了第一個(gè)U盤,軟盤才漸漸地淡出了人們的視線。早期PC為軟盤裝配的兩個(gè)軟盤驅(qū)動(dòng)器(盤符分別是“A:”和“B:”)也隨之消失,為了保留歷史痕跡,DOS、Windows等操作系統(tǒng)為硬盤分配的盤符始終從“C:”開(kāi)始。U盤是一種使用USB接口,無(wú)須物理驅(qū)動(dòng)器的微型高容量移動(dòng)存儲(chǔ)產(chǎn)品,通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)即插即用。它小巧便于攜帶、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜、性能可靠,已成為可移動(dòng)外存儲(chǔ)器的主流設(shè)備。
現(xiàn)階段主流的外存儲(chǔ)器容量已相當(dāng)龐大,單塊硬盤已做到12TB,單塊移動(dòng)硬盤已做到5TB,大拇指大小的一個(gè)U盤已做到2TB,單塊固態(tài)硬盤已做到4TB,一張光盤已做到100GB,一款硬盤存儲(chǔ)服務(wù)器可以擴(kuò)展容量至600TB。固態(tài)硬盤用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制作而成,啟動(dòng)快,沒(méi)有電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)過(guò)程,不用磁頭,快速隨機(jī)讀取,讀延遲極小。但是固態(tài)硬盤價(jià)格昂貴,因此計(jì)算機(jī)主機(jī)中的外存常將硬盤和固態(tài)硬盤組合起來(lái)使用。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用得最多的還是機(jī)械硬盤,機(jī)械硬盤的兩個(gè)重要參數(shù)是容量和轉(zhuǎn)速。
6. 計(jì)算機(jī)其他硬件設(shè)備
就單臺(tái)計(jì)算機(jī)而言,計(jì)算機(jī)主機(jī)中的核心組件就是上面闡述的CPU、內(nèi)存和外存。除此之外,計(jì)算機(jī)還有顯卡、聲卡、網(wǎng)卡及輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備),它們也會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)的整體性能。
說(shuō)到顯卡,就不得不提及裝載在顯卡上的圖形處理器GPU,它是顯卡的“心臟”(與CPU類似),是專門為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)、做圖形圖像運(yùn)算工作的微處理器,最快速GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過(guò)普通CPU。現(xiàn)在,英偉達(dá)(NVIDIA)是世界上最大的獨(dú)立顯卡芯片生產(chǎn)銷售商。針對(duì)網(wǎng)卡,以太網(wǎng)可選擇的速率已有10Mbit/s、100Mbit/s和1000Mbit/s,甚至10Gbit/s等多種傳輸速率。
在輸入/輸出設(shè)備(如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、音箱、攝像頭等)中,除了顯示器數(shù)據(jù)接口以外,大部分輸入/輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)接口采用USB接口,即插即用,方便用戶的連接使用。
7. 計(jì)算機(jī)硬件朝巨型化和微型化方向發(fā)展
巨型化的代表是超級(jí)計(jì)算機(jī),能夠執(zhí)行一般個(gè)人計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的大批量資料與高速計(jì)算。其基本組成組件與個(gè)人計(jì)算機(jī)無(wú)太大差異,但規(guī)格與性能則強(qiáng)大許多,是一種超大型電子計(jì)算機(jī)。它具有很強(qiáng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力,主要特點(diǎn)表現(xiàn)為計(jì)算速度快和存儲(chǔ)容量大,配有多種外部和外圍設(shè)備,以及豐富的、高性能的軟件系統(tǒng),多用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究,如天氣預(yù)報(bào)、演算核彈爆炸過(guò)程等,是一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的體現(xiàn),對(duì)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義。中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單上實(shí)現(xiàn)“五連冠”,2016年、2017年被中國(guó)的“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)所取代。“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度比第二名“天河二號(hào)”快出近兩倍。神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)安裝了40960塊中國(guó)自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器,該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng),峰值性能為12.5億億次/秒,持續(xù)性能為9.3億億次/秒,其外觀如圖1-9所示。2018年,英偉達(dá)和IBM公司共同設(shè)計(jì)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit的運(yùn)算速度是我國(guó)“神威·太湖之光”的近2倍,并且還加入了人工智能技術(shù),讓美國(guó)重新奪回了“世界最強(qiáng)大超算”的桂冠。

圖1-9 神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)
在微型化方面,代表設(shè)備有樹(shù)莓派—只有信用卡大小的微型計(jì)算機(jī),其系統(tǒng)基于Linux,如圖1-10所示。隨著Windows 10 IoT的發(fā)布,樹(shù)莓派也可以安裝Windows操作系統(tǒng)。其外表“嬌小”,內(nèi)“芯”卻很強(qiáng)大,視頻、音頻等功能通通皆有,可謂是“麻雀雖小,五臟俱全”。若將微型計(jì)算機(jī)裝載在汽車上,它不但可以控制汽車內(nèi)的各種設(shè)備(如音箱等),還可以與GPS連接,使汽車越來(lái)越智能。

圖1-10 微型計(jì)算機(jī)
五、計(jì)算機(jī)軟件層出不窮
計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序及其文檔。程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和處理規(guī)則的描述,文檔是為了便于人們了解程序所需的闡明性資料。程序必須裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)部才能工作,文檔一般是給人看的,不一定裝入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)軟件總體分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類:系統(tǒng)軟件是各類操作系統(tǒng),如Windows、Linux和UNIX等,還包括操作系統(tǒng)的補(bǔ)丁程序及硬件驅(qū)動(dòng)程序;應(yīng)用軟件種類較多,如工具軟件、游戲軟件和管理軟件等。
1. 系統(tǒng)軟件
操作系統(tǒng)(Operating System,OS)是管理、控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序,是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”[5]上的最基本的系統(tǒng)軟件,任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同,操作系統(tǒng)分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System)是用在嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。這里重點(diǎn)介紹桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)。
(1)桌面操作系統(tǒng)
桌面操作系統(tǒng)主要用于個(gè)人計(jì)算機(jī),主要分為三大陣營(yíng)—Windows、Mac OS與Linux。其中,Windows和Mac OS分別為微軟公司和蘋果公司開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。而Linux為類UNIX操作系統(tǒng),其發(fā)行版有Ubuntu、Fedora、Red Hat和CentOS等。
美國(guó)微軟公司的視窗(Windows)操作系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖1-11所示,Windows操作系統(tǒng)在亞洲是最為流行的系列操作系統(tǒng)。微軟公司最早期的操作系統(tǒng)是MS-DOS(磁盤操作系統(tǒng)),是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的一類操作系統(tǒng)。從1981年到1995年的15年間,MS-DOS系統(tǒng)在IBM PC兼容機(jī)市場(chǎng)中都占有舉足輕重的地位。微軟公司從1983年宣布開(kāi)始研制Windows,1985年和1987年分別推出Windows 1.03版和Windows 2.0版,直到1995年推出轟動(dòng)業(yè)界的Windows 95,其各個(gè)版本的發(fā)展歷程如圖1-11所示。縱觀Windows操作系統(tǒng)的發(fā)展史,Windows XP是最為經(jīng)典的一套操作系統(tǒng),從2001年10月25日推出,到2014年4月8日正式宣布“退休”,整整服役13年,這在IT行業(yè)極為少見(jiàn)。現(xiàn)階段,微軟公司的主打產(chǎn)品是Windows 10(于2015年7月29日正式發(fā)布,共7個(gè)版本)。它有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):一是用戶使用免費(fèi);二是能兼容世界上所有的智能設(shè)備。

圖1-11 微軟公司操作系統(tǒng)發(fā)展歷程
(2)服務(wù)器操作系統(tǒng)
服務(wù)器操作系統(tǒng)一般指安裝在大型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng),如Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等,但也可以安裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)中。相比桌面操作系統(tǒng),服務(wù)器操作系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、文件和網(wǎng)絡(luò)管理效率高、安全性及可協(xié)調(diào)性高等優(yōu)點(diǎn)。服務(wù)器操作系統(tǒng)主要分為四大流派—Windows Server、Netware、UNIX、Linux,常見(jiàn)的版本如圖1-12所示。

圖1-12 常見(jiàn)服務(wù)器操作系統(tǒng)產(chǎn)品
在服務(wù)器操作系統(tǒng)的四大系列中,由于UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、NetWare系統(tǒng)不夠人性化,大部分企業(yè)往往在Windows Server系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)兩種服務(wù)器系統(tǒng)中做取舍。通常建議中小型企業(yè)使用Windows Server系統(tǒng),其簡(jiǎn)單易用,對(duì)操作和維護(hù)人員要求門檻很低,市面上有很多很好的教材;建議專業(yè)人士或是大型企業(yè)、對(duì)服務(wù)器有特殊要求的使用者使用Linux系統(tǒng),其系統(tǒng)內(nèi)核穩(wěn)定,不過(guò)對(duì)操作和維護(hù)人員的要求高。
國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)多為以Linux 為基礎(chǔ)二次開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng),代表有紅旗Linux、深度Linux和中標(biāo)麒麟等。從2014年4月8日起,美國(guó)微軟公司停止對(duì)Windows XP SP3操作系統(tǒng)提供服務(wù)支持,這引起了社會(huì)、廣大用戶的廣泛關(guān)注和對(duì)信息安全的擔(dān)憂。我國(guó)工業(yè)和信息化部(以下簡(jiǎn)稱工信部)對(duì)此表示,將繼續(xù)加大力度,支持國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用,并希望用戶使用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)。但是,和國(guó)產(chǎn)處理器一樣,國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)也有很長(zhǎng)的路要走。
2. 應(yīng)用軟件
應(yīng)用軟件(Application Software)是專門為實(shí)現(xiàn)某一應(yīng)用目的而編制的軟件系統(tǒng),常用的應(yīng)用軟件有字處理軟件、表處理軟件、統(tǒng)計(jì)分析軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助軟件、實(shí)時(shí)控制與處理軟件,以及其他應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的應(yīng)用程序。應(yīng)用軟件又可分為專用軟件與通用軟件。
(1)專用軟件指專為某些單位和行業(yè)開(kāi)發(fā)的軟件,是用戶為解決特定的具體問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的,其使用范圍限定在某些特定的單位和行業(yè)。例如,火車站或汽車站的票務(wù)管理系統(tǒng)、人事管理部門的人力資源管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)部門的財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)和高校的教務(wù)管理系統(tǒng)等。圖1-13所示為專用軟件示例。

圖1-13 專用軟件示例
票務(wù)管理系統(tǒng)“鐵路12306”是中國(guó)鐵路客戶服務(wù)中心的重要窗口,集成全路客貨運(yùn)輸信息,為社會(huì)和鐵路客戶提供客貨運(yùn)輸業(yè)務(wù)和公共信息查詢服務(wù),可供用戶查詢列車時(shí)刻表、票價(jià)、列車正晚點(diǎn)、車票余票、售票代售點(diǎn)、貨物運(yùn)價(jià)、車輛技術(shù)參數(shù)及有關(guān)客貨運(yùn)規(guī)章。用友人力資源管理系統(tǒng)致力于為企業(yè)提供優(yōu)秀和最適用的戰(zhàn)略人力資本管理解決方案,覆蓋信息化服務(wù)、咨詢、人力資本云服務(wù)等業(yè)務(wù)功能。金蝶財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)集供應(yīng)鏈管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理、客戶關(guān)系管理、辦公自動(dòng)化、商業(yè)分析、移動(dòng)商務(wù)、集成接口及行業(yè)插件等業(yè)務(wù)管理組件為一體,建立企業(yè)人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷等科學(xué)完整的管理體系。青果高校教務(wù)管理系統(tǒng)是集師資管理、學(xué)籍管理、教學(xué)計(jì)劃管理、排課管理、選課管理、考試管理、成績(jī)管理和評(píng)教管理等為一體的教務(wù)管理平臺(tái)。
(2)通用軟件是為實(shí)現(xiàn)某種特殊功能而經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的獨(dú)立系統(tǒng),是一套滿足同類通用的許多用戶需要的軟件。通用軟件適應(yīng)信息社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,每一領(lǐng)域的應(yīng)用具有許多共同的屬性和要求,具有普遍性。例如,辦公軟件、社交軟件、電商軟件和支付軟件等,如圖1-14所示。圖中所列舉的每類軟件已經(jīng)成為人們工作和生活的一個(gè)部分,并且悄然地改變著人們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式。當(dāng)然,應(yīng)用軟件還有很多,這里不再一一列舉。

圖1-14 通用軟件示例
綜上所述,第一代電子計(jì)算機(jī)的邏輯元件—電子管被晶體管替代后,集成電路得到迅猛發(fā)展,計(jì)算機(jī)的硬件性能以每隔18~24個(gè)月就提升一倍的速度增長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)的軟件性能也日新月異,頻繁更新?lián)Q代。計(jì)算機(jī)軟硬件性能的迅速提高,為人們迫切需要的高性能并發(fā)計(jì)算和海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。應(yīng)用軟件的出色表現(xiàn),從本質(zhì)上改變了我們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式,讓社會(huì)變得更為高效。
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