计算机理论模型与计算模式发展

计算机理论模型发展

可计算问题

设函数f的定义域是D，值域是R，如果存在一种算法，对D中任意给定的x，都能计算出f（x）的值，则称函数f是可计算的。

为计算建立一个数学模型称为计算模型，然后证明，凡是这个计算模型能够完成的任务，就是可计算的任务。

研究思路

对于那些有可能在有限步骤计算出来的学习问题，是否有一种假想的机械，让它不断运行，最后机器停下来的时候，那个数学答案就计算出来了？

图灵机模型

1936年5月28日，图灵发表了一篇论文，题为“论可计算数及其在判定问题上的应用”(On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem)，给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机(Turing Machine)”的设想。

图灵对计算过程的描绘：

1.保留计算结果

2.表示运算和数字

3.扫描

4.计算过程中知道下一步做什么

5.执行下一步计算

图灵机的组成

 一条存储带

l  双向无限延长

l  上有一个个小方格

l  每个小方格可存储一个数字/ 字母

一个控制器

l  可以存储当前自身的状态；（状态寄存器）

l  包含一个读写头，可以读、 写、更改存储带上每一格的 数字/字母

l  可以根据读到的字母/数字变 换自身的状态

l  可以沿着存储带一格一格地 左移/右移

（控制规则）

图灵机的工作步骤：

1. 准备：

（1）存储带上符号初始化；

（2）控制器设置好自身当前状态；

（3）读写头置于起始位置；

（4）准备好工作程序；

2. 反复执行以下工作直到停机：

（1）读写头读出存储带上当前方格中 的字母/数字；

（2）根据 自身当前状态 和 所读到的 字符，找到相应的程序语句；

（3）根据 相应程序语句，做三个动作：

        ①在当前存储带方格上写入一个相 应的字母/数字；

        ②变更自身状态至新状态；

        ③读写头向左或向右移一步；

维纳计算机设计五原则

l不是模拟式，而是数字式；

l  由电子元件构成，尽量减少机械部件；

l  采用二进制，而不是十进制；

l  内部存放计算表；

l  在计算机内部存储数据。

冯·诺依曼结构

1.计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共 5个部分组成；

2.数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由存储器的地址指定；

3.计算机在工作时控制器能够自动地从存储器中取出指令加以执行；

4.运算器应能进行加/减/乘除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；

5.操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信。

计算模式发展

（1）大型计算机中央计算模式

使用时间

流行于20世纪四十年代计算机诞生到八十年代个人计算机出现之前。

组成结构

大型计算机由大型主机和多个与之相连的用户终端组成。

大型计算机的计算资源，如 CPU、内存、外存等，全部集中在大型主机端，用户终端没有任何计算资源，只负责接受用户数据输入和输出主机计算结果，是一个“哑终端”，计算能力由大型主机分时向众多用户终端提供。

优点

安全性好、可靠性高、计算能力和数据存储能力强、系统维护和管理的费用较低

缺点

硬件的初始投资额高、可移植性差、资源利用率低等，特别是其高昂的价格令其无法普及应用。

（2）单机计算模式（个人计算机分散计算模式）

使用时间

20世纪八十年代大规模集成电路的进步实现了计算机微型化，个人计算机( Personal Computer ，简称 PC) 面世

组成结构

PC 使计算资源转移到了用户终端本地，实现了用户终端与计算资源在用户本地的合二为一。

优点

计算能力由昂贵的大型计算机集中提供迅速走向了由众多分散而廉价的 PC 提供，满足了用户个性化计算需求，使计算机得到了广泛普及。

缺点

PC 分散的单机应用模式，不利于实现资源共享，不利于数据安全管理，不利于降低维护成本。

（3）客户机/服务器( Client /Server，简称 C /S) 计算模式

组成结构

C /S 计算模式是基于局域网环境的、典型的两层计算模式。

它由两部分构成：

前端是客户机，一般使用 PC，运行客户端程序，主要处理客户业务逻辑，包括用户界面和企业业务逻辑；

后端是服务器，可以使用各种类型的主机，运行服务器端程序，提供诸如数据库的查询和管理、大规模的计算等服务。

客户端程序通过网络向服务器端程序提出服务申请，服务器端程序返回客户端所需数据。可见 C /S 计算模式的实质就是将数据存取与客户业务逻辑分离开来，由数据服务器执行数据操作，客户机来执行客户业务逻辑。

优点

C /S 计算模式可以充分利用客户机和服务器两端的计算能力，降低网络通信流量，因此C /S 结构对于规模较小、复杂程度较低的信息系统非常合适

缺点

存在客户机成本投入和使用与管理上的麻烦，在开发和配置更大规模的企业应用中表现不足。

改进

因此发展过程中，出现过三层结构的“痩”客户机/服务器计算模式，即在两层结构 C /S 将数据存取与客户业务逻辑分离开来的基础上，进一步将客户业务逻辑中用户界面同企业业务逻辑分离开来，把信息系统按功能划分为用户界面表示、业务逻辑处理和数据操作三大块，分别由客户机、业务逻辑服务器、数据库服务器进行处理。但三层结构 C /S 仍存在客户机端需安装专门的软件、不能跨平台使用、不能摆脱地理位置的限制等问题。

（4）浏览器/服务器( Browser/Server，简称 B /S) 计算模式

组成结构

B /S 计算模式是随着 Internet 技术的兴起对三层 C /S 结构的一种改进。在这种结构下，用户终端不安装任何专门的用户界面软件，而是在 Internet( Intranet) 架构下，统一使用 WWW 浏览器来实现。

特点

基于互联网的 B /S 具有分布应用与集中管理、跨平台兼容性、交互性和实时性、协同工作、系统易维护等特点。

（5）云计算模式

组成结构

随着互联网的兴起，特别是近年来以分布式计算( Distributed Computing) 、并行计算( Parallel Computing) 、网格计算( Grid Computing) 、虚拟技术( Virtualization) 、网络存储技术 ( Network Storage Technologies) 、负载均衡( Load Balance) 等为代表的计算技术的发展，是一种新的集中计算模式，它通过互联网将成千上万台服务器整合为一个巨大的计算资源池，并以 Web 服务的形式向用户提供 IT 基础架构、平台、应用软件等不同层次的计算应用，这就是所谓的“云计算”。

特点

云计算具有应用便捷、按需订购、节省成本、易于扩展、高可用性、通用性等优点。