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学术讲座：

迎接无处不在（适普） 计算的新时代 （ Ubiquitous Computing Era ） -- 计算机科学与技术的发展. 学术讲座：. 郝克刚 西北大学计算机科学系 （ 2004.3 ）. 无处不在 ( 适普 ) 计算 ( Ubiquitous Computing ).

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  1. 迎接无处不在（适普） 计算的新时代 （ Ubiquitous ComputingEra ） -- 计算机科学与技术的发展 学术讲座： 郝克刚 西北大学计算机科学系 （2004.3）

  2. 无处不在(适普) 计算(Ubiquitous Computing) • 无处不在计算(Ubiquitous Computing)是美国施乐公司PARC研究中心的Mark Weiser ，1991年在Scientific American杂志上发表的题为The Computer for the 21st Century的文章中首次提出来的理念 • 现在计算机使用的最大弊端是计算机本身吸引了人们太多的注意力和使用不方便，计算机应该融入人们的生活和工作环境，成为一个自然、方便的工具。 • 无处不在计算的本质就是要创造一个与人们的生活完美结合并具备计算和通信能力的环境 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  3. The Major Trends in Computing • Mainframe(主机) many people share a computer • Personal Computer(个人计算机) one computer, one person • Internet (因特网)- Widespread Distributed Computing . . . transition to . . . • Ubiquitous(Pervasive)(无处不在、适普) Computing many computers share each of us 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  4. UbiquitousComputing MainframeComputing Desktop Computing 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  5. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  6. 阶段一：计算的“主机（mainframe）”时代 • 第一个阶段我们叫做计算的“主机” 时代。回想那时人们和计算机的关系，主要是由专家在机房里运转计算机。 • 那时计算机是极其稀缺的资源，使用时必须排班，和别的人共同拥有，轮换使用；后来使用分时终端，共享主机。 • 在今天计算仍然有主机系统的模式，例如：大家共同地享有办公室的PC，在大气物理的模拟领域，从天气预报到虚拟现实等，大家共享稀缺的资源。 • 只要是许多人共享一台计算机，它就是计算的“主机” 时代。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  7. 阶段二：个人计算机的时代 • 第二个阶段是个人计算机的时代。 • 1984年使用个人的计算机的人数超过了使用共享计算机的人数。 • 个人计算关系的特征是个人甚至隐私。你有你的计算机，它包括属于你的材料，并且，你与它直接地和深度地相互交流。 • 当你在作个人计算的时候，你被计算机所占据，你不能做其他任何事情。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  8. 个人计算机 • 个人计算机很像是汽车，它是一种特殊的，比较昂贵的物品，当它 “带你去你想去的地方”的时候，要求你的操作集中相当大的注意力。 • 正像一个人可以拥有几辆汽车一样，一个人也可以拥有几个个人计算机：家中用的，工作上用的和路上用的。 • 任何同你有特殊关系的计算机，或者当你使用它时，你被充分地参与和占据，那就是个人计算机。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  9. 计算机科学与技术的发展（一） • 一, 计算机的诞生和图灵机器，图灵奖。 • 二，高级语言和编译系统。 • 三，数据库及有关理论。 • 四，程序的正确性证明，形式语义和时态逻辑学。 • 五，算法，判定问题和算法复杂性。 • 六，计算机的系统结构，应用，图形学等。 • 七，人工智能。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  10. 一，图灵，图灵机器，计算机的诞生和ACM图灵奖。一，图灵，图灵机器，计算机的诞生和ACM图灵奖。 • 阿伦 • 图灵(Alan Mathison Turing) • 1912-1954，英国人。1938年在美国普林斯顿大学取得博士学位。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  11. 第一台电子数字计算机 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 1946.2 诞生于美国宾州大学莫尔学院。ENIAC是一台为各种炮火计算弹道的专用计算机，程序是用外接电路板输入的。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  12. “存储程序式”计算机。 • 不仅数据，程序也可存储在计算机中。数据可变，程序也可变。 • 1945年冯•诺伊曼 （von Neumann）发表了题为“关于离散变量自动电子计算机的草案”。 • EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 由他设计。由于工程上的原因，1952年才完成。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  13. 第一台“存储程序式”计算机。 • EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator)采用水银延迟先做存储器，可存储512个34bit字长的字。 • 伦敦一家面包公司(Lyons)投资，1949年月6日试运行成功。1951年批量生产投入市场LEO(Lyons Electronic Office). • 1967年图灵奖 莫里斯威尔克斯(M.V.Wilkes)， 英国剑桥大学，EDSAC的研制者。但是他的设计思想完全来自冯。诺伊曼的EDVAC的设计。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  14. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  15. 冯。诺伊曼的设计思想来自图灵( Turing ) 1936年的一篇文章：“论可计算数及其在判定问题中的应用” • 文中引入了概念—图灵机器 ( Turing Machine) 和通用图灵机。 • 图灵机是计算机诞生的科学基础、理论准备。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  16. 关于图灵的故事 • 图灵1912年生于伦敦近郊。父亲是英国在印度的一名官员。他从小缺少父爱和母爱，1926年后居住在在法国。 • 中学寄宿，除数学外，学习成绩并不怎么好。喜欢赛跑。 • 图灵进入剑桥大学King‘s College攻读数学。 • 1935年图灵对数理逻辑发生兴趣。1936年发表“论可计算数及其在判定问题中的应用”一文。文章的主题是回答Hilbert在1900年提出的23个数学难题之一：是否所有的数学问题都是可解的？这涉及到逻辑系统的完备性。图灵机器就是为此提出的一个概念。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  17. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  18. 图灵机器 ( Turing Machine)和通用图灵机。 • 符号表：{S1,…,Sn} • 状态表：{Q1,…,Qm} • 一条两个方向都是潜在无穷长的由格子组成的带子。 • 一个读写头，可以读所指格子上的符号，并按下述规则根据所指的符号和读头的状态做动作：在所指格子上写一符号，读头变换状态，读头位置保持不动(H)，左移(L)或右移(R)一格。 • 一组形如下式的规则： • Si,Qj Sk,Ql,D. 其中 D=H,L或R. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  19. 通用图灵机 构造一个这样的图灵机T，称为通用图灵机: 对任给的图灵机A，只要把它(A)的规则和输入字，作为通用图灵机T的输入字，让通用图灵机T运行，运行结果就是图灵机A的运行结果.

  20. 关于图灵的故事（续1） • 论文发表后引起美国科学家的重视，应邀到美国普林斯顿大学，1938取得博士学位。 • 1938年回英国剑桥大学。1939年进入英国政府的一研究机构（破译德军密码），战后光荣受勋（OBE）。 • 战后进入英国国家物理实验室，开始了设计和建造英国的电子计算机工程（ACE） 。 • ACE的设计用到了存储程序的概念。1948离开了NPL.到曼彻斯特大学工作。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  21. 关于图灵的故事（续2） • 1951被选为英国皇家学会院士。 • 1952年，因同性恋被法院传讯，指控“行为极端不当”。 • 1954年，因吃了含氰化物的苹果，在家中死亡。不解之谜。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  22. ACM图灵奖 • 1966年，美国计算机学会（ACM）设立图灵奖，用以奖励在计算机科学研究中做出创造性贡献，推动计算机科学技术发展的杰出科学家。 • 条件要求极高，程序极严。1966-2002共37届，49名科学家获此殊荣。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  23. 二，高级语言、编译系统和操作系统的出现 —形式语言与自动机理论 • 高级语言的诞生是计算机技术的一次重大突破。 ALGOL,FORTRAN,… • 语言的编译系统需要词法和语法理论的支持。 • 形式语言与自动机理论高级语言语法分析的理论基础。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  24. 字母表  = {A,B,…,a,b,…+,-,>,<…} • 字母表上的字，如：ab,abc,a>b,…等。 • 字的集合，如： • {ab,aabb,…,anbn,…}, • {abc,aabbcc,…,anbncn ,…}, • …等。 • 字的集合可以由产生式产生； • 字的集合可以由自动机接受。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  25. 产生式系统： VN（变量符号集）,VT（终极符号集）, P（产生式集）,S（开始符号）。 例如： VN = {S} VT ={0,1} P : S 0S1 S01 s01 s 0s1 0011 s 0s1 00s11 000111 …… s 0s1 … 0n1n 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  26. 自动机 接受 000111 输入字 拒绝 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  27. 字的集合（语言）的Chomsky分类：按产生它的产生式（文法）和按接受它的自动机的类型对照表：字的集合（语言）的Chomsky分类：按产生它的产生式（文法）和按接受它的自动机的类型对照表： 0 型语言—0 型文法 —Turing 机 一型语言—上下文有感文法—线性有界自动机 二型语言—上下文无关文法—下推自动机 三型语言—正则文法—有穷自动机 一般的高级语言属于二到三型语言。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  28. 因高级语言方面的成果而获图灵奖者： • 1966 艾伦•佩利(Alan.Perlis) ALGOL语言 • 1972 狄克斯特拉(E.W.Dijkstra) 指出goto语句有害。 • 1974 克努特(D.E.Knuth)经典巨著 “计算机程序设计的艺术”的作者。 • 1977 约翰•巴克斯(J.W.Backus) FORTRAN， BNF的发明人 • 1979 艾弗森(K.E.Iverson) APL的发明人。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  29. 因高级语言方面的成果而获图灵奖者（续）： • 1983 汤普森(K.L.Thompson)和里奇(D.M.Ritchie) UNIX , C的发明者。 • 1984 尼克劳斯•沃思(Niklaus.Wirth) PASCAL及结构化程序设计的首创者。 • 2001 (O.J. Dahl and K.Nygaard) 在设计语言Simula I, Simula67.中引入面向对象程序设计思想。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  30. 应用系统 应用系统 数据库管理 六十年代 七十年代 三，数据库及有关理论。 • 科学计算 → 数据处理 • 1973 查尔斯•巴赫曼(Charles Bachman) 网状数据库之父。 • 1981 埃德加•科德(Edgar Frank Codd) 关系型数据库之父。 • 1998 詹姆斯•格雷(James Gray) 数据库和事务处理。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  31. 关系数据库—关系代数。 三种数据模型：层次模型、网状模型、关系模型。 学号 课号 课名 成绩 教师 001 001 数学 80 赵甲 001 002 物理 85 周乙 001 003 化学 90 郑丙 002 001 数学 75 赵甲 002 002 物理 80 周乙 002 003 化学 85 郑丙 003 001 数学 85 赵甲 003 002 物理 90 周乙 003 003 化学 95 郑丙 学号 姓名 年龄 性别 001 张三20 男 002 李四 19 女 003 王五 21 男 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  32. 关系数据库—关系代数。 三种数据模型：层次模型、网状模型、关系模型。 学号 课号 课名 成绩 教师 001 001 数学 80 赵甲 001 002 物理 85 周乙 001 003 化学 90 郑丙 002 001 数学 75 赵甲 002 002 物理 80 周乙 002 003 化学 85 郑丙 003 001 数学 85 赵甲 003 002 物理 90 周乙 003 003 化学 95 郑丙 学号 姓名 年龄 性别 001 张三20 男 002 李四 19 女 003 王五 21 男 课号 课名 教师 001 数学 赵甲 002 物理 周乙 003 化学 郑丙 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  33. 关系。关系代数。关系代数运算。 • 数据的函数依赖。 • 关系模式的分解。 • 关系模式的范式:1NF,2NF,3NF, • BCNF,4NF. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  34. 事务(Transaction)处理 • 把数据库的操作划分为一个个的事务元。 • 实行all or none 原则。 • 采用：开始(begin)，提交(commit)，异常终止(abort)，回退(rollback)的机制，保证数据的完整性和一致性。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  35. 四，程序的正确性证明，形式语义和时态逻辑学。四，程序的正确性证明，形式语义和时态逻辑学。 • 测试可以测试出程序的一些错误，但没有测出错误并不能保证程序正确。 • 只有通过程序证明才能保证程序的正确性。但是证明是相当复杂的。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  36. 程序的规约 程序的语义 什么叫“程序是正确”的？ 程序的效果符合程序的规约(Specification). 严格表达程序的规约, 严格定义程序的语义。 逻辑的方法：命题逻辑: X,  X, X  Y, X Y,… 谓词逻辑: (x)P(…x…), (x)P(…x…). 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  37. {Q} S {R} Q:前置条件, S:程序, R:后置条件 {y>0} r:=x; q:=0; While r>=y do begin r:=r-y; q:=q+1 end; {x=y*q+r and r<y } 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  38. 推理规则： 赋值语句  {P(x/e)} x:=e {P(x)} 顺序语句 {P}S1{Q}, {Q}S2{R} {P}S1;S2{R} 分支语句 …… 循环语句 …… 并行语句 …… 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  39. 时态逻辑(XYZ/E)： 必然算子： []； 终于算子 ； 下一时刻算子：$O ；直到算子： $U [] [ LB=START m>=0  $O(z,j)=(1,1)$OLB=l1; LB=l1j<m+1 ($O(z,j)=(z*j,j+1) $OLB=l1) $U(j=m+1 $OLB=l2); LB=l2  $Of=z  $OLB=STOP; ] （计算 f=m! 的例子） 规约语言和程序语言的一致性。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  40. 因这方面的成果而获图灵奖者： • 1978 罗伯特•弗洛伊德(Robert W. Floyd) 前后断言法的创始人。 • 1980 查尔斯•霍尔(C.A.R. Hoare) “程序设计的公理基础”。并行模型CSP的创始人。（周巢尘院士。） • 1991 罗宾•米尔纳(Robin Milner) 标准元语言ML的开发者和并行模型CCS的创建人。--在我校做过报告。 • 1996 阿米尔•伯努利(Amir Pnueli) 把时态逻辑引入计算机科学。 --在我校做过报告。（Z. Manna, 唐稚松院士。）。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  41. 五，算法，判定问题和算法复杂性。 • 提出问题—求解算法—编制程序 • 是否所有问题都能找到求解算法，有没有解不了的问题？ • 如果有求解算法，他的复杂度如何度量？ 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  42. 什么叫做 “能解” 或 “解不了” 的问题？ • Church论题：凡是“能解”的问题都存在一个Tring机，只要把问题放在Tring机带子上，若有解则停机后带子内容即是解答。 • 可计算函数（递归函数，正规算法，POST系统等）的研究，证明存在着不可计算的函数。 • 可判定问题的研究，证明存在着不可判定问题的。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  43. Turing 机的停机问题是不可判定的。 • 推导系统的字的问题是不可判定的。 • 证明了大量的逻辑系统和代数系统的问题是不可判定的。如有名的 Hilbert 第十问题是不可解的。 • 郝克刚: “可构造实数论中若干谓词在Kleen分层下所属的类型”。1963年在全国第三次计算机会议（西安）上宣读。《数学学报》1964年第四期。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  44. 如果有求解算法，它的复杂度如何度量？怎样的复杂度是实际计算可容忍的？如果有求解算法，它的复杂度如何度量？怎样的复杂度是实际计算可容忍的？ • 时间、空间复杂度。 • 多项式函数和指数函数。 • 例如：n3, n=60, 一台百万次计算机，0.2秒。 • 3n, n=60, 4x1028秒, 1015年， • 10亿台百万次计算机，一百万年。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  45. 世界难题 • P,NP问题：确定的，非确定的 Turing 机在多项式时间内可解的问题。 • 世界难题：P  NP ? • NP 完全问题(NPC)。 • 郝克刚: “NP完全问题及有关理论研究” 《计算机科学》，1980 年 第1期。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  46. 因这方面的成果而获图灵奖者： • 1976 拉宾和斯科特(M.O.Rabin, D.S.Scott)非确定自动机的研究。最早提出计算复杂度概念。指称语义的奠基人。 • 1982 斯蒂芬•库克(S.A.Cook) NP完全性理论的奠基人。 • 1985 理查德•卡普(R.M.Karp) “组合问题中的可归约性”。 • 1986 霍普克洛夫特和陶尔扬(J.E.Hopcroft and R.E.Tarjan) 算法设计大师。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  47. 因这方面的成果而获图灵奖者（续）： • 1993 哈特马尼斯和斯特恩斯(J.Hartmanis and R.E.Stearns)计算复杂性理论的主要奠基人。(GE) • 1995 曼纽尔•布卢姆(Manuel Blum)计算复杂性理论的主要奠基人。(MIT) 两个中心独立完成。 • 2000 姚期智(Chi-Chih Yao) 首位华人图灵奖获得者。美国普林斯顿大学教授。1946- B.S. in Physics, National Taiwan University（1967）Ph.D. in Physics, Harvard University（1972）Ph.D. in Computer Science, University of Illinois（1975） Assistant Professor, Mathematics Dept., MIT（1975-1976）Assistant Professor, C.S Dept., Stanford University（1976-1981）Professor, C.S.Division, Univ of California, Berkeley（1981-1982）Professor, C.S.Dept., Stanford University（1982-1986）Professor of C.S.Dept., Princeton University（1986- 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  48. “二十一世纪的计算”国际学术研讨会（北京）演讲：量子密码的新方向2002年10月18日“二十一世纪的计算”国际学术研讨会（北京）演讲：量子密码的新方向2002年10月18日 • In recognition of his fundamental contributions to the theory of computation（计算理论）, • including the complexity-based theory of pseudorandom number generation（基于复杂性的拟随机数产生的理论）, cryptography（密码学）, and communication complexity（通讯复杂性）. 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  49. 六，计算机的系统结构，应用，图形学等。 • 1987 约翰•科克(John Cocke) IBM 60年代推出的第一个“超级计算机”的负责人。灵活的寻址技术，流水线技术。IBM801计算机，“20-80%定律”，“精简指令计算机”概念(RISC)的首创者。 • 1988 伊万•萨瑟兰(I.E.Sutherland) “计算机图形学之父”。 • 1989 威廉•卡亨(W.M.Kahan) 浮点计算的先驱。主持开发了8087芯片。 我系70年代开展的一些工作：高炮指挥仪，数列处理机，微指令计算机，交叉汇编，大中城市银行核算网…。杨振宁的访问，以软件为主。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

  50. 计算机的系统结构（续） • 1990 菲尔南多•考巴托(F.J.Corbato) 实现分时系统的功臣。开创了多用户分享计算机资源的新时代。 • 1992 巴特勒•兰普森(B.W.Lampson) Alto第一个个人计算机系统的首席科学家。(Macintosh,Windows的先驱.) • 1997 恩格尔巴特(D.Engelbart) 鼠标器的发明人（1964）和超文本研究的先驱。 • 1999 布鲁克斯(F.P.Brooks,Jr.) IBM360系列的总设计师。 西北大学计算机科学系软件工程研究所

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