计算机导论第1章课件.ppt

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1、第1章 概 述,（时间：2次课，4学时）,第1章 概 述,1.1 计算机简史1.2 计算科学基础1.3 计算机应用领域1.4 计算机发展趋势1.5 思考题,1.1 计算机简史,1.1.1 人类处理信息方式的历史变迁1.1.2 计算机的发展历程,1.1.1 人类处理信息方式的历史变迁(1),电子计算机(Electronic Computer)，简称为电脑(Computer)，诞生于20世纪40年代，它是人们采集、识别、转换、处理信息的工具。人类社会最早使用手指、结绳、算筹等作为工具进行计算。 随着生产的发展和交流的增加，又发明了更先进的计算工具算盘。 钟表业的产生和发展，特别是齿轮传动装置技术的

2、发展为机械传动装置计算机的产生提供了重要的技术基础。,机械计算器时期 (1930以前),电子计算机时期 (1930 1950),现代计算机时期 (1950 now),帕斯卡与机械计算机 Pascaline， 1642,莱布尼兹与 改进的Pascaline，1672,巴贝奇与 差分引擎，1823,霍列瑞斯与卡片穿孔制表机，1890,图灵与图灵机、巨人计算机 Colossus，1943,冯诺依曼 与IAS, 1952,莫奇利和埃克特与ENIAC, 1946,EDVAC, 1950 与UNIVAC, 1951,各时期计算机发展,机械计算器时期帕斯卡与机械计算机 Pascaline，1642,早期最重

3、要的计算工具是算盘 (abacus),计算工具最重要的发展是帕斯卡机械计算机 ，也称“Pascaline”，1642由法国数学家 Blaise Pascal发明。可对数字做加减法运算。,机械计算器时期帕斯卡与机械计算机 Pascaline，1642,为了纪念巴斯卡尔，语言大师沃斯(N.Wirth)把他设计的一种高级程序设计语言取名为Pascal。,他留给了世人一句至理名言：“人好比是脆弱的芦苇，但是他又是有思想的芦苇。”,计算机的雏形：算盘,世界第一台机械式加法计算机(1642年),机械计算器时期莱布尼兹与 改进的Pascaline， 1672,德国数学家莱布尼兹 1672年对“Pscalin

4、e”进行了改进，可进行四则运算和开方。称之为莱布尼兹轮。,据说他的灵感来自中国,巴贝奇与 差分引擎，1823,1823年, 设计了一台自动的机械计算器，也称差分引擎 “ (Difference Engine )”。,1833, 又开始设计可编程的自动机械数字计算机，也称分析引擎 “ (Analytical Engine )”。,机械计算器时期霍列瑞斯与卡片穿孔制表机，1890,1889年，Herman Hollerith 的电动制表机在比赛中有出色的表现，并被用于1890 中的人口调查。Herman Hollerith 采用了Jacquard 织布机的概念用来计算，他用咭贮存资料，然后注入机器

5、内编译结果。这机器使本来需要十年时间才能得到的人口调查结果，在短短六星期内做到。,电子计算机时期 (1930 1950),20世纪30年代，英国数学家图灵发表了关于可计算数的论文，通过引入机器状态使用了本质上具有指令特点的运算操作，这种机器被称为“图灵机”。在图灵1935年写出关于可计算数的论文之后不到十年，世界上第一台通用程序控制计算机就诞生了。,图灵与图灵机、巨人计算机 Colossus， 1943,计算机界的诺贝奖：图灵奖,1943年，图灵设计了 “Colossus” (巨人计算机)，主要用于第二次世界大战破译德国的密码。,你知道吗？,第二次世界大战的需求，使美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学

6、院的莫克莱(J.W.Mauchly)等人在1946年2月设计制造出了ENIAC(电子数字积分计算机)。 EDVAC方案的主要内容是确定了计算机由运算器、控制器、存储器、输入、输出等5部分组成。1952年，冯诺依曼等人完成了EDVAC机的建造工作。,电子计算机时期 (1930 1950),第一台电子计算机， Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC)的诞生（ 1946 ）：,莫奇利、埃克特与 ENIAC, 1946,伟大的冯诺依曼模型,冯诺依曼的 IAS 计算机诞生于 1952。,？,主要思想,von Neumann/Turing

7、冯诺依曼/图灵,Stored Program conceptMain memory storing programs and data主存储器：用于存储数据和指令ALU operating on binary data能够操作二进制数的算术逻辑单元Control unit interpreting instructions from memory and executing控制器：翻译内存中的指令并执行Input and output equipment operated by control unit由控制器操纵的输入、输出设备,von Neumann/Turing,存储程序思想：将事先编好

8、的程序和原始数据送入主存中，然后启动计算机工作。计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。,冯诺依曼生平简介,美籍匈牙利数学家,美籍匈牙利数学家,现代计算机时期 (1950 now),1948年发明的晶体管改变了计算机的建造方式。采用晶体管研制第二代电子计算机的工作就在美国的一些著名实验室进行了。 1958年，当第二代计算机还处于刚刚准备批量生产的时候，美国得克萨斯州仪器公司制成了第一块半导体集成电路。三年后，得克萨斯州仪器公司在军方的支持下，研制成功了第一台试验性的集成电路计算机。1967年，由于大量的编程语言得到应用，IBM公司决定该公司的计算机系统成为“非捆绑

9、式”。即以前，用户需要购买计算机及其系统上运行的各种语言的翻译程序，而现在可只购买需要的翻译程序。由此形成了语言翻译程序的竞争，开创了软件产业。,60年代后期，出现高级语言的发展、出现了进程的概念和分时操作系统。 70年代初，半导体集成电路技术取得了飞速进步。体积不断地缩小，价格逐年下降，采用大规模集成电路的计算机系统，电子计算机的发展进入了第四代。从80年代起，网络计算机系统的出现，支持了分布式信息处理。在计算机网络上进行信息处理的计算活动被称作分布式计算。 目前，支持高性能计算的计算机体系结构技术、并行与分布式算法、计算机网络与通信等成为发展方向。,现代计算机时期 (1950 now),1

10、.1.2 计算机的发展历程,第一代计算机,第一代计算机（1946-1958）是采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管或汞延迟线作主存储器，外存主要使用纸带、卡片等，程序设计主要使用机器指令或符号指令，应用领域主要是科学计算。当时的运算速度为5千3万次每秒。,1946年2月世界上第一台电子计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。它采用电子管作为计算机的基本元件，由18000多个电子管，1500多个继电器，价值48万美元,占地170m2，重量30吨，每小时耗电30万千瓦,是一个庞然大物，每秒能进行5000次加法运算。,ENIAC机房,第二代计算机,第二代计算机（1959-1964）用晶体管代替了

11、电子管，主存储器均采用磁芯存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的外存储器，程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言，计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理、工程设计等多个方面。,1954年美国贝尔实验室建成世界上第一台晶体管计算机TRADIC。开始了第二代计算机的发展。,第二代晶体管计算机,第三代计算机,第三代计算机（1965-1970）采用中小规模的集成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器，计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、使用方式也由手工操作完全改变为自动管理，使计算机的使用效

12、率显著提高。,IBM S/360,1964年研制出计算机历史上最成功的机型之一IBM S/360。S/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有“360度”全方位的特点，并因此得名。IBM为此投入了50亿美元的研发费用，远远超过制造原子弹的的20亿美元。IBM360成为第三代电脑的标志性产品,第四代计算机,第四代计算机（1971-至今）使用大规模和超大规模集成电路，主存储器均采用半导体存储器，主要的外存储器是磁带、磁盘、光盘，微处理器和微型计算机诞生。多媒体技术和网络技术的广泛应用，让计算机深入到社会的各个领域。,1976年苹果计算机：集成电路的发展，计算机开始了小型化的历程。,最新的笔记本

13、电脑,1982年IBM个人计算机,1.2 计算机科学,1.2.1 什么是计算科学1.2.2 计算机与计算科学1.2.3 计算科学的学科体系,1.2.1 什么是计算科学,一般说来，计算科学是描述和变换信息的算法过程，包括其理论分析、设计，效率分析、实现和应用系统的研究。综观计算科学的基本问题就是：什么能(有效地)自动进行，什么不能(有效地)自动进行。长期以来，国内外计算机科学界一直对计算机科学与技术究竟属于科学还是属于工程的范畴这一问题存在着争议。 学术团体有 ACM、IEEE/CS电子电器工程师学会计算机学会 、 IFIP，AAAI、国际人工智能联合会议(ICAI)，中国计算机学会等。,1.2

14、.2 计算机与计算科学,当第一台电子数字计算机诞生后，人们就想把各种各样的事情都让计算机来完成，这样就使计算机的应用日益扩展。 任何学科都有其基本的研究范畴和支持整个学科赖以发展的核心内容，计算科学也一样，支持计算科学向各个学科渗透、应用和发展的正是一些最基本的共性理论、方法和技术。 人们将计算机在各行各业的具体应用与研究计算机应用与具体领域的共性理论、方法和技术的研究区分开来。前者叫计算机具体应用，后者称为计算机应用或计算机基本应用技术，属于计算科学范畴。,1.2.3 计算科学的学科体系(1),离散结构：主要内容包括：集合论、数理逻辑、近似代数、图论和组合数学等。程序设计基础：主要内容包括：

15、程序设计结构、算法、问题求解和数据结构等。算法与复杂性：主要内容包括：算法的复杂度分析、典型的算法策略、分布式算法、并行算法、可计算理论、P类和NP类问题、自动机理论、密码算法以及几何算法等。,CC2001将计算学科的主要内容分为14个主领域：,1.2.3 计算科学的学科体系(2),4.体系结构：主要内容包括：数字逻辑、数据的机器表示、汇编级机器组织、存储技术、接口和通信、多道处理和预备体系结构、性能优化、网络和分布式系统的体系结构等。5.操作系统：主要内容包括：操作系统的逻辑结构、并发处理、资源分配与调度、存储管理、设备管理、文件系统等。 6.网络计算：主要内容包括：计算机网络的体系结构、网

16、络安全、网络管理、无线和移动计算以及多媒体数据技术等。,1.2.3 计算科学的学科体系(3),7.程序设计语言：主要内容包括：程序设计模式、虚拟机、类型系统、执行控制模型、语言翻译系统、程序设计语言的语义学、基于语言的并行构件等。8.人机交互：主要内容包括：以人为中心的软件开发和评价、图形用户接口设计、多媒体系统的人机接口等。9.图形学和可视化计算：主要内容包括：计算机图形学、可视化、虚拟现实、计算机视觉等。,1.2.3 计算科学的学科体系(4),10.智能系统：主要内容包括：约束可满足性问题、知识表示和推理、Agent、自然语言处理、机器学习和神经网络、人工智能规划系统和机器人学等。11.信

17、息管理：主要内容包括：信息模型与信息系统数据库系统、数据建模、关系数据库、数据库查询语言、关系数据库设计、事物处理、分布式数据库、数据挖掘、信息存储与检索、超文本和超媒体、多媒体信息与多媒体系统、数字图书馆等。12.软件工程：主要内容包括：软件过程、软件需求与规格说明、软件设计、软件验证、软件演化、软件项目管理、软件开发工具与环境、基于构件的计算、形式化方法、软件可靠性、专用系统开发等。,1.2.3 计算科学的学科体系(5),13.社会和职业的问题：主要内容包括：计算的历史、计算的社会背景、分析方法和工具、专业和道德责任、基于计算机系统的风险与责任、知识产权、隐私与公民的自由、计算机犯罪、与计

18、算有关的经济问题、哲学框架等。14.科学计算：主要内容包括：数值分析、运筹学、模拟和仿真、高性能计算。,1.3 计算机应用领域,1.3.1 计算机的分类1.3.2 计算机应用1.3.3 信息高速公路社会的信息化,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,1、巨型机：超级计算机，“银河-”百亿次计算机和“曙光”千亿次计算机 。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。,应用 巨型计算机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报，整理卫星照片，原子

19、核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等，制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,研究投入： 对巨型计算机的指标这样规定：首先，计算机的运算速度平均每秒1000万次以上；其次，存贮容量在1000万位以上。如我国研制成功的银河计算机，就属于巨型计算机。巨型计算机的发展是电子计算机的一个重要发展方向。它的研制水平标志着一个国家的科学技术和工业发展的程度，体现着国家经济发展的实力。一些发达国家正在投入大量资金和人力、物力，研制运算速度达几百亿次的超级大型计算机。,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,巨型计算

20、机的组成巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存贮器构成。由于巨型机加工数据的吞吐量很大，只有主存是不够的，一般有半导体快速扩充存贮器和海量（磁盘）存贮子系统来支持。对大规模数据处理系统的用户，常需大型联机磁带子系统或光盘子系统作为大量信息数据进出的媒介 。,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,巨型机主机一般不直接管理慢速的输入输出（IO）设备，而是通过IO接口通道联结前端机，由前端机做IO的工作，包括用户程序和数据的准备、运算结果的打印与绘图输出等。前端机一般用小型机。IO的另一种途径是通过网络，网上的用户借助其端机（微机、工作站、小型大型机）通过网来使用巨型机，IO均由用户端机来做。网络方

21、式可大大提高巨型机的利用率。,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,巨型计算机的速度 “天河一号”：我国首台千万亿次超级计算机。计划从2010年9月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。 它每秒钟1206万亿次的峰值速度，和每秒563.1万亿次的Linpack实测性能，使这台名为“天河一号”的计算机位居同日公布的中国超级计算机前100强之首，也使中国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机的国家。 历代名称：神威、银河、曙光、天河,1.3.1 计算机的分类（巨型机）,1.3.1 计算机的分类（大型机）,大型机：运算速度和存储容量仅次于巨型机。大型机一般用在尖端的科研领域，主

22、机非常庞大，通常由许多中央处理器协同工作 ，超大的内存，海量的存储器。使用专用的操作系统和应用软件。 服务器一般应用在网络环境中，为其他电脑提供各种服务，比如文件服务、打印服务、邮件服务、www服务等等,1.3.1 计算机的分类（大型机）,1.3.1 计算机的分类（大型机）,大型机（mainframe）这个词，最初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计算机系统，以用来同小一些的迷你机和微型机有所区别。虽然这个词已经通过不同方式被使用了很多年，大多数时候它却是指system/360 开始的一系列的IBM计算机。这个词也可以用来指由其他厂商，如Amdahl, Hitachi Data Systems

23、 (HDS) 制造的兼容的系统。,80年代以来,网络化和微型化的日趋明显,传统的集中式处理和主机/哑终端模式越来越不能适应人们的需要,在这种情况下,传统的大型机和小型机都陷入了危机。为了应对危机,一些大型机和小型机改变了原先的一些功能和模式,以C/S模式中的服务器角色重新适应了人们的需求。,1.3.1 计算机的分类（大型机）,在微型计算机、UNIX服务器、工作站的冲击下,不能适应这种变化的传统小型机已经淘汰,而IBM大型主机却长盛不衰,这其中主要的原因是： RAS（Reliability, Availability, Serviceability 高可靠性、高可用性、高服务性），I/O处理能力

24、以及ISA。今日而言,大型主机在MIPS(每秒百万指令数)已经不及微型计算机(microcomputer),但是它的I/O能力、非数值计算能力、稳定性、安全性却是微型计算机所望尘莫及的。,1.3.1 计算机的分类（大型机）,大型主机和超级计算机(旧称巨型机)的主要区别: 1.大型主机使用专用指令系统和操作系统,超级计算机使用通用处理器及UNIX或类UNIX操作系统(如linux)。 2.大型主机长于非数值计算(数据处理),超级计算机长于数值计算(科学计算)。 3.大型主机主要用于商业领域,如银行和电信,而超级计算机用于尖端科学领域,特别是国防领域。,1.3.1 计算机的分类（大型机）,4.大型

25、主机大量使用冗余等技术确保其安全性及稳定性,所以内部结构通常有两套。而超级计算机使用大量处理器,通常由多个机柜组成。 5.为了确保兼容性,大型主机的部分技术较为保守。 目前生产大型主机的企业: IBM、UNISYS,1.3.1 计算机的分类（大型机）,注意: 1.SUN公司和HP公司不生产一般意义上的大型主机,但生产性能和用途类似于IBM大型主机的高端 UNIX服务器,这些服务器通常称作为大型机级服务器。 2.当前,IBM大型主机是其z系列服务器。,1.3.1 计算机的分类（大型机）,小型机,小型机：规模较小，它结构较简单、操作简便、维护容易、成本较低 。小型机是指采用8-32颗处理器，性能和

26、价格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能 64 位计算机。一般而言，小型机具有高运算处理能力、高可靠性、高服务性、高可用性等四大特点。,小型机是指运行原理类似于PC（个人电脑）和服务器，但性能及用途又与它们截然不同的一种高性能计算机，它是70年代由DEC（数字设备公司）公司首先开发的一种高性能计算产品。,小型机,小型机仅仅是低价格、小规模的大型计算机，典型的小型机运行UNIX或者象MPE、 VEM等专用的操作系统。它们比大型机价格低，却几乎有同样的处理能力。HP的9000系列小型机几乎可与IBM的传统大型计算机相竞争。,小型机,小型机跟普通的服务器（也就是常说的PC-SERVER）是有很大

27、差别的，最重要的一点就是小型机的高RAS（Reliability, Availability, Serviceability 高可靠性、高可用性、高服务性）特性。,小型机,微型机,微型机：个人计算机或微机 。微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出(I0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。,1、微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大

28、部分组成。其中存储器又分内存储器、外存储器；通常我们把输入设备及输出设备统称为外围设备；而运算器和控制器又称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。 2、 由微型计算机配以相应的外围设备(如打印机、显示器、磁盘机和磁带机等)及其他专用电路、电源、面板、机架以及足够的软件构成的系统叫做微型计算机系统(Microcomputer System)（就是我们通常说的电脑）。,微型机,5. 工作站：实际上是一台高档微机，它是配有大容量主存，具有高速运算能力。,1.3.2 计算机应用(1),科学计算：解决科学技术和工程设计中存在的大量的数学计算问题。例如，求解上千阶的微分方程

29、组、几百个方程的线性方程组、大型矩阵运算等.数据处理 ：数据处理泛指任何形式的计算机管理和操纵数据的过程，例如，企业管理、库存管理、帐目计算、信息情报检索等。 实时控制 ：计算机的速度不断提高，计算机的指令周期已降到几ns级，使得许多生产过程的实时控制成为可能。例如，化工生产过程中的压力、流量、温度等参数的控制 。,1.3.2 计算机应用(2),4. 计算机辅助设计和制造：CAD/CAM系统已发展成为更高级的计算机集成制造系统(CIMS)。 5. 人工智能：是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学，它是在控制论、计算机科学、仿生学、生理学等基础上发展起来的新兴边缘学科。 6. 通信和文字处理：包括

30、文字信息的产生、修改、编辑、复制、保存、检索、传输等，通信和文字处理是实现办公自动化、电子邮件、计算机会议和计算机出版等新技术的必由之路。 7.多媒体技术：图形、声音、静态图像、动画、动态图像等多媒体技术。,1.3.2 计算机应用(3),8. 网络技术与信息高速公路 ：把分布在不同地域的独立的计算机系统用通信设施连接起来，以实现数据通信和资源共享。网络从地域范围大小上分为局域网和广域网。 9. 教育：包括计算机辅助教学、知识信息系统、自然语言处理等。计算机辅助教学生动、形象、易于理解，是提高教学质量的重要手段之一。 10.军事：包括军队自动化指挥系统、计算机作战模拟、军事信息处理武器的自动控制

31、、精确制导武器、军用机器人、数字化部队、后勤保障等。,1.3.3 信息高速公路 社会的信息化 (高性能技术),1991年，美国政府提出了为期五年的高性能计算与通信计划。 高性能计算与通信包括：高性能计算机系统，先进的软件技术和算法，国家研究与教育网络，基础研究与人才资源。 高性能计算机和高速通信网络的出现，使得人们意识到地域之间的距离正在缩短，地球正变得越来越小，许多人开始把我们生活的地球称为“地球村”。 以计算机软硬件技术、光纤通讯技术和网络互联技术为基础的“信息高速公路” 开启了全球信息社会的建设步伐。,1.4 计算机发展趋势,1.4.1 微型化1.4.2 巨型化1.4.3 网络化1.4.

32、4 智能化1.4.5 新型计算机,1.4.1 巨型化,社会在不断发展，人类对自然世界的认识活动也越来越多，很多情况要求计算机对数据进量的运算，如，数学命题的证明、行星轨迹的计算以及航天飞机、宇宙飞船的设计等等。这些应用对计算机速度的要求也越来越高。“巨型化”在这里并不是通常意义上的大小，主要是指机器的性能运算速度等。,1.4.2 微型化,一方面，随着计算机的应用日益广泛，在一些特定场合，需要很小的计算机(如航天飞机，由于燃料的关系，设计原则是为了减少每一克而奋斗)，所以计算机的重量、体积都变得越来越小，但功能并不减少。另一方面，随着计算机在世界上日益普及，个人电脑正逐步由办公设备变为电子消费品

33、。人们要求电脑除了要保留原有的性能之外，还要有时尚的外观、轻便小巧、便于操作等特点，如平板电脑、手持电脑等。今后个人电脑在电脑中所占的比重将会越来越大，使用也将会越来越方便。,1.4.3 网络化,因特网的建立正在改变我们的世界，改变我们的生活。网络具有虚拟和真实两种特性，网上聊天和网络游戏等具有虚拟特性，而网络通信、电子商务、网络资源共享则具有真实的特性。虽然现阶段我们国家在因特网上的应用还不是太多，但再过几年，我们就完全可以通过因特网购买生活必需品，交纳各种费用、教学、管理个人账务等等。,1.4.4 智能化,今后，计算机在我们的生活中扮演的角色将会更加重要。计算机应用将具有更多的智能特性，能

34、够帮助用户解决一些自己不熟悉或不愿意做的事。如，智能家电、烹调等。,1.4.5 新型计算机,目前新一代计算机正处在设想和研制阶段。新一代计算机是把信息采集、存储处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统。新一代计算机将由以处理数据信息为主，转向以处理知识信息为主，如获取知识、表达知识、存储知识及应用知识等，并有推理、联想和学习等人工智能方面的能力(如理解能力、适应能力、思维能力等)，能帮助人类开拓未知的领域和获取新的知识。,1.5 思 考 题,(1) 为什么世界上第一台计算机是在1946年2月诞生的？(2) 人们为什么要以物理器件的变革作为划分计算机时代的标志？(3) 计算科学与数学之间是一种什么样的关系？(4) 简述计算科学的学科体系包含哪14个主领域？(5) 请举出你所知道的5个计算机应用的例子，要求不是同一类型的。(6) 为什么要建设信息高速公路？(7) 简述你认为的计算机的未来发展趋势，并就此进行分析。,