计算机在药学中的应用分解.docx

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计算机在药学中的应用分解

第一章引论-计算机在药学中的应用

本章概要

•介绍计算机的发展

•介绍信息科学与技术的发展

•介绍计算机在药学中的应用

第一节计算机的发展

计算机（Computer）是电子数字计算机的简称，是一种自动地、高速地进行数值运算和信息处理的电子设备。

它主要由一些机械的、电子的器件组成，再配以适当的程序和数据。

程序及数据输入后可以自动执行，用以解决某些实际问题。

因为计算机能增强人们执行智能任务的能力常被称为“电脑”。

计算机擅长于执行如快速计算、大型表格分类和在大型信息库中检索信息等工作。

人类都能做这些事，但计算机可以做得更快、更精确。

使用计算机可以补充我们的智能，使我们更具创造力。

有效使用计算机的关键是要知道计算机能做什么，它如何工作，以及如何使用它。

一、计算机发展沿革

以往许多书都说“世界公认的第一台电子数字计算机”是1946年由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的“ENIAC”。

事实上在1973年根据美国最高法院的裁定，最早的电子数字计算机，应该是美国爱何华大学的物理系副教授约翰·阿坦那索夫（JohnV.Atanasoff，1903-1995）和其研究生助手克利夫·贝瑞（CliffordE.Berry，1818-1963）于1939年制造的“ABC（Atanasoff-Berry-Computer）”。

之所以会有这样的误会，是因为“ENIAC”的研究小组中的一个人于1941年剽窃了约翰·阿坦那索夫的研究成果，并在1946年时，申请了专利。

由于种种原因直到1973年这个错误才被纠正过来。

关于计算机的定义，来自于美国杰出的数学家约翰·冯·诺依曼（如图1-1）。

人们根据他在1945年的一份被称为“在计算机科学史上最具影响力的论文”中的描述，定义“计算机”为一种可以接受输入数据、存储数据、处理数据并产生输出数据的装置。

短短几十年，计算机技术经历了巨大的变革。

习惯上根据计算机的系统所采用的硬件技术来划分计算机的发展阶段。

从1939年到50年代后期（1939-1953）为电子管计算机时期。

计算机的元器件主要由电子管组成。

其特点是体积庞大、功耗高、运算速度较低。

如ENIAC占地170平方米，重达30吨，功耗为140千瓦，有18000多个电子管，每秒钟能运行5000次加法计算。

这一阶段，计算机主要用于军事、国防等尖端技术领域。

除了ENIAC以外，1945年左右，冯·诺依曼等人研制了EDVAC。

IBM公司1954年12月推出的IBM650是第一代计算机的杰出代表。

从20世纪50年代后期到60年代中期（1954-1964）为晶体管计算机时期。

自从1947年晶体管在贝尔实验室诞生后，引发了一场影响深远的电子革命。

体积小、功耗低、价格便宜的晶体管取代电子管，不仅提高了计算机性能，也使计算机在科研、商业等领域内广泛的应用。

第二代计算机不仅采用了晶体管器件，而且存储器改用速度更快的磁芯存储器；与此同时高级编程语言和系统软件的出现，也大大提高了计算机的性能和拓宽了其应用领域。

这一时期的计算机的代表主要有DEC公司1957年推出的PDP-I、IBM公司于1962年推出的709以及CDC公司1964年研制成功的CDC6600。

1969年CDC公司研制的CDC7600平均速度达到每秒千万次浮点运算。

从20世纪60年代中期到70年代初期（1965-1974）为集成电路计算机时代。

第一代和第二代计算机均采用分离器件组成。

集成电路的出现，宣告了第三代计算机的来临。

由于采用了集成电路，使得计算机的制造成本迅速下降；同时因为逻辑和存储器件集成化的封装，大大提高了运行速度，功耗也随之下降；集成电路的使用，使得计算机内各部分的互联更加简单和可靠，计算机的体积也进一步缩小。

这一时期的代表为IBM的system/360和DEC的PDP-8。

从20世纪70年代初期到90年代后期（1975-1999）为大规模集成电路计算机的时代。

20世纪70年代初半导体存储器的出现，迅速取代了磁芯存储器，计算机的存储器向大容量、高速度的方向飞速发展,微型计算机迅速发展。

接着就进入了超大规模集成电路计算机时代。

巨型计算机也得到了长足的发展。

随着计算机技术的日新月异，软件和通信的重要性也逐步上升，成为和硬件一样举足轻重的因素。

同时系统结构的特点对计算机的性能也有巨大的影响（中断系统、Cache存储器、流水线技术等等）。

现在，人们更愿意拉大时间尺度或换个角度来把所谓的计算机时代重新划分成研究型计算机时代、个人计算机时代和网络计算机时代。

其中：

研究型计算机时代大约从1950年开始，以一些昂贵的被放在温度可以控制的机房里的大型机为标志，这些机器由一些专家控制并进入了军队、政府部门和一些大公司。

个人计算机时代大约从1975年开始，以数百万的微型计算机为标志，这些计算机被广泛用在办公室、学校、家庭、工厂和其他地方，迅速改变了人们生活的面貌。

网络计算机时代大约从1995年开始，以办公室、家庭、学校、车辆和其他地方的相互连接的网络计算机为标志，已经开始对社会产生更大的影响。

我国计算机的发展稍晚，但很快跟上了国际上发展的步伐。

现在，我国不但拥有世界所有类型的计算机制造能力，计算机应用的普及早已使其在国民经济和综合国力中占有越来越大的比重。

二、计算机的特点

从古到今，人类发明了数不清的机器，几乎所有的机器都是人类体能的一种延伸，惟独计算机有别于其它任何机器，它是个电脑，在一定条件下能代替人脑自动工作。

它具有如下一些特点：

1．运算能力

计算机内部有个承担运算的部件，叫做运算器。

现在高性能电脑每秒能进行几十亿次运算。

很多场合下，运算速度起决定作用。

例如，计算机控制导航，要求“运算速度比飞机飞的还快”。

再如，气象预报要分析大量资料，运算速度必须跟上天气变化，否则便会失去预报的意义。

以往很多工程计算限于计算工具的落后，只能凭经验公式估计，如今可以利用电脑进行精确求值，省时省料，使产品不断更新换代。

2．计算精度

数字式电子计算机用离散的数字信号形式模拟自然界的连续物理量，无疑存在一个精度问题。

但是，除特殊情况外，一味地追求高精度是没有意义的，只要相对误差在允许范围内就够了。

实际上，计算机的计算精度在理论上并不受限制，一般的计算机均能达到15位有效数字，通过一定技术手段，可以实现任何精度要求。

3．记忆能力

在计算机中有一个承担记忆职能的部件，称为存储器。

如果没有存储器，计算机就丧失了记忆能力，就不能叫电脑了。

计算机存储器的容量可以做得很大，能存储大量数据。

除能记住各种数据信息外，存储器还能记住加工这些数据的程序。

程序是人设计的，反应了人的思想方法和行为动作，记住程序就能模拟和部分代替人的思维和活动。

4．逻辑判断能力

逻辑判断能力就是因果关系分析能力，分析命题是否成立以便做出相应对策。

例如，让计算机检测一个开关的闭合状态，如开路做什么，闭路又做什么。

计算机的逻辑判断能力是通过程序实现的，可以让它做各种复杂的推理。

例如药学中的“模式识别”就是药学科学家用计算机解决的。

5．自动执行程序的能力

计算机是个自动化电子装置，能自动执行存放在存储器中的程序。

程序是人经过仔细规划事先安排好了的。

一旦设计好并将程序输入计算机后，向计算机发出命令，随后它便成为人的替身不知疲劳地工作起来。

我们可以利用计算机这个特点，去完成那些枯燥乏味令人厌烦的重复性劳动；也可让计算机控制机器深入到人类躯体难以胜任的、有毒的、有害的作业场所。

机器人、自动化机床、无人驾驶飞机、药物体内跟踪等都是利用计算机的这个能力。

6．多媒体连接能力

计算机具有良好的多媒体外部通讯接口，通过各种多媒体网络设备，就可以组成功能强大的多媒体计算机网络，实现计算机软件和硬件资源共享。

如银行、码头、机场、车站、邮局、医院、学校、机关等地无处不在的网络信息系统，随时使用手机、收听广播、收看电视、接受医疗和药物代谢监视等项无时不在的网络服务系统，背后都一定存在一个大型的计算机网络系统。

7．使用简便

比起早期的计算机必须由专业人士才能使用，现在的大多数计算机使用非常简单。

从牙牙学语的孩童到苍苍白发的老人，现在都可以使用计算机了。

计算机应用的场合与范围也不可同日而语了。

计算机已经从计算机专家的手中解放出来了，成为了最广大的普通人群可以把玩的常用工具了。

换个角度考察计算机系统的组成，它又具有分层次的特点。

如图1-2所示，一个计算机应用系统由硬件、系统软件和应用软件组成。

图1-2计算机系统的层次结构

硬件是实现计算的平台，所“会的”是不过的一些简单计算，软件是把要做的事情逐渐分解，拆分为计算机可以做的简单工序，先输入给计算机内，计算完后再输出结果。

这个过程有些像工厂流水线的管理，原料从这边进去，产品从那边出来。

当用户启动计算机硬件的电源后，计算机硬件会自动引导系统软件（如操作系统，OperatingSystem）进入计算机存储器，并启动控制器和运算器开始执行操作系统程序，连接并控制计算机各部分硬件，提供用户和计算机对话的界面，以便用户启动应用程序，让计算机完成相关任务。

当然不同用户也可以在不同层次上和计算机系统打交道，于是就有了计算机专业硬件研究人员和软件研究人员的区分。

不过大多数非计算机专业的用户不必经常深入研究计算机软件和硬件，仍然可以学会使用计算机完成各种任务。

所有药学科学人才只要学好计算机基础，也一定能够出色的完成计算机在药学中应用的各项任务。

三、计算机的新发展

随着计算机应用的需求不断加大，计算机系统研究机构和生产厂商不断推出新产品。

进入21世纪，上网本（Netbook，上网笔记本计算机）、上网机（Nettop，上网台式计算机）、4G通信和第一批无键盘智能手机等纷纷涌现，移动领域将会更加吸引人们的关注，各种新的技术将会让人们获得更高的生产效率。

根据有关机构的数据，笔记本计算机的销量去年首次超过台式机，显示了移动生活方式的兴起，这些重大进展的出现，将会彻底改变我们的学习、工作和生活方式，有人预言现在开始，进入了移动计算的黄金时代。

下面列出几个微型计算机新发展的实例：

1．高性能上网本和上网机

2008年已经使上网本从一个营销理念转变成了1400万台的销售数字。

这些上网本足够小，足够轻，便于随身携带，而性能又可足以满足大多数用户的需要。

2009年，随着英特尔双核凌动处理器（Atom）330拥有一对计算用的内核（与酷睿2处理器类似），系统的性能将提升50%，功耗只有2.5瓦，达到主流系统的需求标准，专为上网本和上网机使用。

在未来几年内，每家电脑厂商都会制定有关策略，生产各种类型的上网本和上网机，价格也会大大降低，功能却会极大改善。

2．固态存储磁盘（SolidStateDisk，SSD）

它是一种新型的固态存储装置，不仅能耗更少，读写数据更快，而且不易损坏。

由于采用新的存储介质，它内部没有机械结构，没有数据查找时间、延迟时间和寻道时间，性能至少相当于一个15000转的硬盘，因此常被称为“闪存（FlashMemory）”。

目前，主流的SSD固态存储器在操作系统中表现为一块普通的HDD（HardDiskDrive）硬盘，用户可以完全把它作为一块硬盘来使用。

可以预测，“闪存是计算的未来”。

如今，硬盘厂商都在为传统硬盘增加几个G的闪存。

这种混合式硬盘利用了闪存的优势，但价格却要便宜很多。

除此之外，还有一种新技术将会改变数据在硬盘上的存储方式，从而使硬盘进入TB时代（1TB=1024GB）。

其中的关键就是“热辅助磁写入（HeatAssistedMagneticRecording，HAMR）”技术。

3．更优良的电池技术

现在笔记本计算机的电源使用锂电池仍是主流，锂电池技术也正在出现一次大的飞跃，大大提高电池的性能与使用年限。

每块锂电池差不多就是一个微型化工厂，它把存储在锂化合物中的化学能转变成电能。

电能耗尽之后，便需要充电以补充化学能。

这种反复的充放电过程会