ch1-编码与程序设计语言原理_201721913555131

量子计算机
IBM 使用格型架构（lattice architecture）的 5 量子位处理器，其 可以扩展成更大更强的量子计算机
http://www.jiqizhixin.com/article/1554 http://digi.163.com/16/1204/07/C7E3H6A7001687H3.html
测序与匹配 • 与目标串进行比对（串匹配算法）
– 基因变异，允许误差（灵敏度）
技术发展-成本降低
https://www.genome.gov/sequencingcostsdata/
目前主源自文库挑战性问题
• 计算和存储的增长速度与数据规模难以匹配
数据规模增长速度： 2年10倍
存储增长速度： 2年4倍 处理器增长速度： 18个月2倍
PDF417码
Universal Product Code
QR码
条形码的解码
条形码的解码
• 第一个数字（在这里是 0）被称为数字系统字符 ， 0的意思是说这是一个规范的条形码。如果是 具有不同重量的货物（像肉类或其他商品），这 个数字是 2；订单、票券的 U P C 编码的第一个 数字通常是 5。 • 紧接着的 5个数字是制造商代码。再后面的 5个数 字（ 0 1 2 5 1）是该公司的某种产品的编号。 • 最后的数字（这里是 7）称作模校验字符，这个 字符可用来进行另外一种错误检验。
程序设计语言原理
本章内容 • 程序设计语言的发展 • 计算模型和语言范型 • 语言：标准和实现 • 语言的开发和标准化 • 新趋势
程序设计语言的发展
• 程序是计算机科学技术领域最基本最核心的概念，有计算机 就必须有程序，有描述程序的手段和方式，即，必须有描述 程序的程序设计语言 • 硬件计算机，就是机器语言程序的执行器（解释器）
Q——· — Z ——· · R· —·
0 ————— 9 ————·
摩尔斯电码
摩尔斯电码-二叉树
摩尔斯电码的时间控制 • 点“嘀”长度为1个单位，划“哒”长度为3个 单位 • 同一字母中点划间隔为1个单位 • 同一词中字母间隔为3个单位 • 词与词间隔为7个单位
Q简语与宏定义
QRA 你台的名称是什么？ QRP QRS QRT 要我降低发信机功率吗？ 要我发得慢一些吗？ 要我停止拍发吗？ QRV 你准备好了吗？ QTH 你的地理位置在？ QSB QSL 我的信号有衰落吗？ 你能确认联络吗？
• 仿真
IBM开放量子计算仿真平台
https://quantumexperience.ng.bluemix.net/qstage/
DNA编码
DNA编码与基因测序
• 通过检测DNA，并通过测序技术，与目标 DNA进行对比。 • 为什么测序？
– 疾病检测 – 预防与治疗 – 人工培育
工作流程测序（Sanger法）
QRU 你有什么发给我吗？
QRM 你受到他台干扰吗？ QRN 你受到天电干扰吗？
QRZ 谁在叫我？
QSA 我的信号强度怎样？ QSY 要我改用别的频率拍发吗？
• 称呼：U(你) / UR(你的) / OM(老朋友) / YL(女士) • 问候：GM(早上好) / GA(下午好) / GE(晚上好) • 状况：RST(信号报告) / RIG(设备) / ANT(天线) / PWR(功率) / WX(天气) / OP(操作员) • 其它：DE(这里是) / R(收到) / K(发送结束 ) / TNX(Thanks) / TU(Thank you) / CLG(呼叫) / VY(非常) / PSE(请) / NW(现在) / SOS(紧急呼救) / 73(Best regards) / 88(Love and kisses)
• 计算机硬件只能处理二进制形式的程序（机器语言程序）。 如
MIPS机器语言：用欧几里得算法求GCD的程序
• 机器语言，人很难阅读、理解、使用 • 使用机器开发程序的成本高昂，耗时巨大，容易出错，难以 检查，依赖于具体计算机，移植困难
程序设计语言的发展
• 为解决程序的易写和可读性，人们发展了符号形式的汇编语言。例
条形码校验
• 为了解释校验字符是怎样工作的，将前 11个数字（是 0 51000 01251）各用一个字母来代替： A BCDEF GHIJK • 然后，计算下式的值： 3×（A + C + E + G + I + K）+（B + D + F + H + J） 3×（0 + 1 + 0 + 0 + 2 + 1）+（5 + 0 + 0 + 1 + 5）= 3×4 + 11 = 2 3 从紧挨它并大于等于它的一个1 0的整倍数中减去它，其结果称为模 校验字符。紧挨2 3并大于等于 2 3的一个1 0的整倍数是 3 0 ,故： 3 0－ 2 3 = 7 • 这就是印在外包装上并以 UPC（Universal Product Code）形式 编码的模校验字符，这是一种冗余措施。如果扫描仪计算出来的 模校验结果和 U P C中编码中的校验字不一致，计算机就不能将 这个 U P C作为一个有效值接收。
Ch1 编码与程序设计语言原理
王 超
Embedded System Lab Spring 2017
本章提纲 • 编码 • 程序设计语言的原理与基本概念
编码 • 编码是最原始的程序设计语言 • 编码出现要远远早于计算机和程序 • 常见的编码形式
– – – – – – – 摩尔斯码 字符编码ASCII, Unicode, UTF-8, GB2312 拼音、五笔 二进制编码 条形码与二维码 量子编码 DNA编码
量子计算的研究
软件
• 微软联合加州大学圣芭芭拉分校Station Q实验室，Redmod的 QuArC团队 • Intel-荷兰戴尔福特理工大学的QuTech实验室 • 普渡大学的Station Q Purdue实验室 • 马里兰大学，悉尼大学，哥本哈根大学的QDev实验室 • 谷歌与加州大学圣芭芭拉分校John M. Martinis团队合作利用超 导体建立量子计算机 • IBM的沃森实验室 • 耶鲁大学Schoelkopf实验室 • NASA量子人工智能实验室 • 中科院量子信息重点实验室等团队均在关注量子计算领域。
The cancer genome，Michael R. Stratton, Peter J. Campbell & P. Andrew Futreal，Nature 458, 719-724(9 April 2009)
作业 1、复习二进制、八进制、十进制、十六进制 之间的互相转换 2、复习逻辑门和移位等操作的物理结构与操 作原理 3、调研QR二维码的识别过程 4、阅读量子计算机和DNA测序的相关文献 或者论文
MIPS汇编语言：GCD程序
• 每条指令都很容易理解，容易书写和阅读 • 仍用与机器语言直接对应的简单线性形式。没有高级结构，不支持 程序的高级组织，大型程序难以理解和开发，移植性差
Top 10 编程语言 TIOBE 指数走势 (2002-2016)
2016-12 月编程语言排行榜 TOP20
布莱叶编码的编码格式 • 共64种编码格式 • 数字、字母和 标点符号—都 被编码成局限 在2×3小格中 一个或多个凸 起的点。
字母和数字的表示方法 • 字母：
• 例子： • 数字： • 例子：
布莱叶编码扩展（宏定义） • 二级布莱叶编码
条形码与二维码
条形码和二维码 • 条形码(barcode)是将宽度不等的多个黑条 和空白，按照一定的编码规则排列，用以 表达一组信息的图形标识符。
发送摩尔斯电码的工具—电键
• 手键 美式（平头）键簧较软 苏式（圆头）键簧较硬 • 半自动键 • 自动键 单桨自动键（扫拨键） 双桨自动键
特别的手键
布莱叶盲文编码
布莱叶编码的历史
• 路易斯· 布莱叶1809年出生于法国，1852 去世 • Valentin Haüy(1745—1822 )，巴黎学校 的创始人，发明了一种将字母凸印以供 触摸阅读的方法。 • 法国陆军上尉Charles Barbier在1819年 发明了一种夜间文字的书写体系，使用 厚纸板上有规律凸起的点划来供士兵们 在夜间无声地传递口信。 • 布莱叶在上述原理基础上进行改进， 1823年创建了布莱叶编码系统
二进制与逻辑门
需要复习的背景知识 计算机组成原理 • 二进制、八进制、十进制、十六进制的转换 • 与、或、非、同或、异或、或非、与非 • 全加器、半加器、反向器 • 原码、反码、补码 • 锁存器、触发器
扩充的 2的各次幂的表 • 不同进制之间的转换
常见的逻辑门 • 与、或、非、与 非、或非、与或 非、异或、同或
和 1950 年代早期的计算机一样，今天的量 子计算机要占据一整个实验室
量子计算的研究
硬件
• 加拿大的D-Wave公司首先实现了16个超导量子比特的量子计算机，可以提高优化问题 的效率。 • 谷歌和IBM都是用超导量子技术来实现计算设备。 • 英特尔投资荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目QuTech，使用“硅原子点”技术 ，通过向纯硅中加入电子造出的人造原子，微波控制电子的量子态。 • 微软选择基于非阿贝尔任意子的拓扑量子比特，电子通过半导体结构时会出现准离子 ，他们交叉路径可以用来编写量子信息，可以减少错误修正比特数量，还需要进一步 验证其是否存在。 • ionQ的Chris Monroe坚持囚禁离子技术，并在马里兰大学的实验室客服对离子控制的 挑战。 超导量子位（superconducting qubits） 囚禁离子（trapped ions）
量子编码
量子编码
• 量子计算是利用量子力学来大幅 度加速计算，微软，谷歌，英特 尔和IBM投入了数千万美元，通 过不同的量子位技术来实现一台 实用的量子计算机。量子计算机 处理的信息是以量子位的形式存 储的，每个量子位可以使1或0或 这两个状态的叠加，因此可以表 示比传统的二进制更多的数据。
它有望解决人类一些最复杂的问题。它得到了亚马逊创始 人兼 CEO Jeff Bezos、NASA 和 CIA 的支持。每一台造 价 10,000,000 美元并且在零下 459 度下运行。而且没人 知道它究竟是怎样工作的。
摩尔斯编码
摩尔斯发明的的有线电报
摩尔斯电码的演变
马可尼的无线电报机
1901年，马可尼首次成功地实现了横跨大 西洋的无线电通信
摩尔斯电码的优势 • 可以由任何能够产生可控长短脉冲的装置发送 ，解码不需要使用专门设备，适合小功率通信
A· — B —· · · J · ——— S · · · K—· — T— U· · — V· · · — W· —— X —· · — 1 · ———— 2 · · ——— 3 · · · —— 4 · · · · — 5 · · · · · 6 —· · · · [.] · —· —· — [,] — — · · —— [?] · · ——· · ['] · ————· [!] — · —· —— [/] — · · —· [:] — — — · · · [;] — · —· —· [=] — · · · — [+] · —· —· [-] — · · · · — [_] · · ——· —
C —· —· L · —· · D—· · E· F · · —· M— — N—· O———
G——·
H· · · · I · ·
P· ——·
Y —· ——
7 ——· · ·
8 ———· ·
[(] — · ——·
[)] — · ——· — [&] · —· · ·
["] · —· · —·
[$] · · · —· · — [@] · ——· —·
目标应用
• 加解密
– 将两个大素数（万位以上）相乘十分容易，但是想要 对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积 公开作为加密密钥，计算机需要处理几千年。 – 2001 年，IBM 使用一台 7 量子位的量子计算机求解了 15 的因子 3 和 5 – 2012 年，一个研究团队求解了 21 的因子。然后到了 2014 年，一种被称为极小化算法（minimization algorithm）的前沿方法成功求解了 56,153 的因子。