第3章支撑“互联网+”发展的核心技术“互联网+”是建立在新一代信息技术基础之上的。发展“互联网+”就需要重点发展计算机、软件、集成电路、云计算、大数据、人工智能等战略性与先导性产业。本章将结合“互联网+”的应用，重点讨论计算机与软件、微电子与集成电路、云计算、大数据、人工智能与智能硬件等几项关键技术。
3.1计算机与软件技术〖*4/5〗3.1.1计算模式的演变与发展计算机和软件工程近十年来发生了非常重大的变化，计算模式随着社会的发展而不断地演变，大量新概念、新技术、新模式、新应用不断涌现，各种编程语言层出不穷。我们可以很容易地列举出一长串新的术语，如多核微处理器、众核微处理器、低功耗微处理器、GPU、大数据、虚拟化，面向对象、基于组件与面向服务的软件开发，以及“软件定义一切”；在计算模式上出现了高性能计算、网络计算、分布式计算、并行计算、云计算、移动计算、服务计算、绿色计算、普适计算、嵌入式计算、可穿戴计算、认知计算、量子计算等。计算模式的演变体现了计算机体系结构、硬件与软件的综合应用水平和技术特点，也体现出计算技术与计算模式为了适应社会发展水平和社会对计算机应用的要求，不断向着更易用、更通用、更安全、更可靠的方向发展。
从理解“互联网+”的概念与技术发展的角度，可以将影响最直接的计算模式演变过程用图31表示出来。
图31计算模式的演变
20世纪90年代之前，大型、中小型计算机都是安装在计算中心的庞然大物，主要用于科学计算。人们通过与主机连接的终端，输入程序和数据，等待主机的计算结果。人们将由一台计算机运行程序，完成存储、计算的工作模式叫作“主机计算模式”，或“单主机计算模式”。随着计算机技术的发展，“主机计算模式”向三个方向发展，一路是向高性能计算机方向发展，一路是向个人计算机方向发展，另一路是向网络方向发展，相应地演变出“高性能计算”“桌面计算”与“网络计算”等三种计算模式。
计算机网络沿着广域网、局域网的方向发展。广域网最初是为了满足科学计算的需要，将分布在不同地理位置大学与研究所的大型或中小型计算机系统互联起来。广域网技术的成熟与应用，推动了局域网技术研究与发展。局域网是将一个实验室、一个学校、一个部门、一个企业的各种个人计算机互联起来。连入局域网的每一台计算机既是计算、存储与数据等共享资源的提供者，又是共享资源的使用者。很多大学的局域网通过广域网，互联成为更大规模的计算机网络，相互共享图书馆、实验室，合作完成科研项目。这些基于互联网络的应用标志着网络计算模式与网络时代的到来。
〖1〗〖1〗20世纪90年代初，随着大量校园网的互联、各个大学信息资源的整合，基于网络的电子邮件Email、文件传输FTP与电子公告牌BBS等网络服务的出现，推动了互联网的产生与快速发展，标志着互联网时代的到来。
在网络计算时代，计算机科学家一直在研究分布式计算问题。但是，分布式计算研究面临着一系列的困难，科学家们一直没有找到一种理想的解决方法。互联网Web技术的出现，使计算机科学家终于看到了分布式计算模式最好的实现思路、技术与方法。
进入21世纪，随着移动互联网、物联网应用促进了“互联网+”的发展，云计算、大数据、智能硬件、可穿戴计算、智能机器人、智能科学呈集中爆发的趋势，标志着人类进入到智能时代。支撑智能时代的云计算、普适计算与嵌入式计算模式应运而生。
本节将选取对于读者理解“互联网+”概念比较重要的几种计算模式，加以解析和说明，为读者进一步学习打下基础。
3.1.2高性能计算
在微型计算机问世之前，大部分的信息处理，如科学计算、工程设计、芯片设计都是在大型计算机上完成的。但是，随着天气预报、地震预报、石油勘测、医学成像处理、大规模集成电路设计、航空航天等计算密集型的应用，都需要用到超快、超强的高性能计算机。高性能计算机（High Performance Computing，HPC）是由多个CPU，按照特殊的体系结构组成的超大型计算机系统，或者是由多台计算机通过高性能网络互连而成的大型计算机集群系统。高性能计算是研究高性能计算机的体系结构、操作系统、并行算法与软件开发的技术，是计算机科学的一个重要分支。衡量高性能计算机性能主要是以计算速度，尤其是浮点运算速度作为标准的。
高性能计算是信息领域的前沿高技术，在保障国家安全、推动国防科技进步、促进尖端武器发展方面具有直接推动作用，是衡量一个国家综合实力的重要标志之一。高性能计算机和并行计算软件将广泛应用于我国的国家经济建设、国家重大工程、前沿基础科学研究等重要科技领域，成为重大科技专项和重大科学研究中不可或缺的研究手段，大幅度地提高我国的自主创新和核心竞争力，缩短国际差距，使高性能计算成为理论、实验并列的第三种科学研究手段，推动着科技创新和经济社会的发展。
1983年12月22日，中国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河”巨型计算机由国防科技大学研制成功。它填补了国内巨型计算机的空白，标志着中国进入了世界研制巨型计算机的行列。经过几十年的不懈努力，我国高性能计算机技术已经取得了很大的发展，“曙光”“银河”“天河”等高性能计算机的出现，使得我国继美国、日本、欧盟之后，成为具备研制百万亿次以上计算能力高性能计算机的国家。
ISC2017国际高性能计算大会上，根据最新全球超级计算机前500强排行榜TOP500网站发布的2017年第50期榜单，中国的“神威·太湖之光”和“天河二号”分别获得第一、二名，浮点运算速度分别为每秒9.3亿亿次和每秒3.39亿亿次。排名第三的是瑞士“代恩特峰”超级计算机。
“神威·太湖之光”安装在国家超级计算（无锡）中心（如图32所示）。“神威·太湖之光”是我国首台全部采用自主研发的高性能处理器和软件构建的超级计算机，在超算领域取得突破性进展。目前在天气气候、航空航天、海洋科学、新药创制、先进制造、新材料等领域获得应用，标志着我国超级计算机的应用能力达到世界领先水平。
图32“神威·太湖之光”高性能计算机
2009年9月，国防科技大学“天河一号”（一期系统）研发成功，使我国成为继美国之后，世界上第二个能够研制千亿次超级计算机的国家。2010年，TOP500公布的排行榜，“天河一号”排名第一。2012年8月，“天河一号”安装到天津滨海新区“国家超级计算（天津）中心”。
2017年，TOP500公布的排行榜上，“天河二号”排名第二（如图33所示）。在“天河二号”一排排黑色机柜里，一共装有32000个主CPU和48000个协处理器，共300多万个计算核心。拥有如此多的计算核心让它的运算速度也非常惊人。根据测算，天河二号的峰值计算速度达到了每秒5.49亿亿次，持续计算时速度每秒可达到3.39亿亿次。假设每人每秒钟做一次运算，那么“天河二号”运算一小时，相当于13亿人同时用计算器算上1000年。
图33“天河二号”高性能计算机
2018年5月17日在天津第二届世界智能大会上，被誉为“E级超算”的百亿亿次超级计算机“天河三号”原型机正式对外亮相。“天河三号”原型机采用自主研发的飞腾处理器、天河高速互联通信芯片，实现了芯片的全国产化；使用了国产麒麟操作系统。“天河三号”的运算能力是“天河一号”的200倍，存储规模是“天河一号”的100倍，“天河三号”有望在2020年研制成功。
高性能计算机将与云计算、大数据、人工智能、物联网形成五大技术融合的平台，为国家科技创新服务，为战略性新兴产业与“互联网+”应用的发展提供服务，将在解决人类共同面临的能源危机、污染和气候变化等重大问题上发挥巨大的作用。
3.1.3云计算
云计算是在分布式计算、网络计算与并行计算研究的基础上，利用多核和虚拟化，为互联网用户或企业内部用户，提供方便、灵活，按需配置、成本低廉的计算、存储、应用服务。云计算已经渗透到当今社会的各行各业以及社会的各个方面，成为人们须臾不能离开的一种计算模式。
1. 云计算模式产生的背景
我们可以通过一个小故事来帮助读者了解云计算产生的背景及其在“互联网+”中的应用。
2006年8月，一家名字为Animoto的小公司在纽约悄然成立了。公司是由一个刚从大学毕业不久的年轻人史蒂维·克里夫登创立的。他和几位年轻人看到人们将旅行中拍摄的照片编成Flash短片的需求，就用几台服务器组成一个基于网络视频展示服务的平台，在互联网上提供一种可以根据用户上传的图片与音乐，自动生成定制视频的服务。公司创建之初，每天大约有5000个用户。
2008年4月，Facebook社区向它的用户推荐了Animoto公司的服务项目，3天之内就有75万人在Animoto网站上注册。高峰时期每小时用户达到25000人。这时，公司的几台服务器已经不堪重负了。根据当时业务的发展，Animoto公司需要将它的服务器扩容100倍。史蒂维既没有资金进行这么大规模的扩容，也没有技术能力与兴趣来管理这些服务器。正在他一筹莫展的时候，一位专门为亚马逊公司云计算设计应用软件的同学告诉他： 你不需要自己购买服务器和存储设备，也不需要自己管理，你只需要租用亚马逊云计算的计算资源和存储资源，这样可以节省很多钱，并且可以很方便地将你的视频业务服务移植到亚马逊云中。史蒂维接受了同学的建议，与亚马逊公司签订了合作协议。
通过这种合作，Animoto公司没有购买新的服务器与存储器，只花了几天的时间就将业务转移到亚马逊云上，根据用户流量的多少来租用亚马逊云的计算与存储资源，而把网络系统、服务器、存储器的管理交给亚马逊公司的专业人员承担。Animoto公司使用亚马逊云的一台服务器，一小时只需要花费十几美分，这还包括了网络带宽、存储与服务的费用。
从用户的角度，云计算技术大大降低了互联网公司的创业门槛和运营成本，使得创业者只需要关注互联网服务本身，而把繁重的服务器、存储器与网络管理任务交给专业公司去承担。从云计算提供商的角度，他们可以通过高速网络技术，将成千上万台廉价的PC主板互联起来，在云计算软件系统的支持下，以较低价格提供即租即服务的计算与存储服务。因此，云计算不仅仅是技术，它更是一种商业运营模式。
也许用户会说： Animoto公司的成功是大洋彼岸的故事，离我们太遥远。其实不然，现在，无论是互联网、移动互联网与物联网中的很多应用，都是得益于云计算技术的支持。我们以经常会用到的手机导航为例来进一步诠释这个问题。     
假设用户使用手机导航，只要打开“手机导航”App，手机屏幕上很快就会显示用户所在的位置与附件区域的地图。实际上手机首先通过GPS定位获取用户当前的位置数据，并把这个位置数据发送到手机基站，移动通信网就将位置数据通过网关，转发到互联网，发送到App指定的云平台中的“导航应用系统软件”。“导航应用系统软件”要做的第一件事是根据用户当前的位置信息，找到相关的地图信息，发送到用户的手机，用户的手机就能够显示自己所在位置周边的地图了。当输入本次导航的“到达位置”的信息时，“导航应用系统软件”要判断用户是开车、坐公交车还是步行。如果是开车，系统立即根据“当前位置”与“到达位置”，计算出“所用的时间最短”或“通过道路的红绿灯最少”等不同的行车路线，供用户选择。如果乘公交车，那么系统就根据“所用的时间最短”或“转车的次数最少”，给出应该乘坐的公交车的路线与上下车的公交站。如果是步行，系统也会给出 “步行的距离最短”在地图中标出行走路线来。如果开车的过程中临时改变了路线，云计算系统会根据当前位置，重新计算出最佳的行车路线图。很难想象，仅凭计算能力、存储能力有限的手机，没有如此强大的互联网和云平台支撑，功能复杂的“导航应用系统软件”将如何实现？图34给出了手机导航的实现与云计算关系示意图。
图34云计算与手机导航示意图
云计算技术非常适合于“互联网+”的应用。例如，一些刚开始运行的“互联网+”物流、“互联网+”医疗、“互联网+”交通等应用系统的公司，他们需要完成复杂的物流运输线路规划与供应链分析；要对大量患者的数据进行存储、分析与计算；要根据车辆的位置与当前交通状况计算最佳行车路线。但是出于经济原因或其他考虑，他们不打算买大型计算机、服务器与专用软件，他们希望社会上出现一类能够提供计算与存储服务的企业，有开发定制软件的公司，使得用户可以按需租用计算资源，购买计算、存储、软件服务，这种按需为用户提供计算、存储资源与服务的企业就是云计算服务提供商。
2. 云计算服务的类型
云计算服务商提供的服务类型可以分为三种： IaaS、PaaS与SaaS。对于“互联网+”应用系统的用户来说，云计算系统是由云基础设施、云平台与云应用软件组成（如图35所示）。
图35IaaS、PaaS与SaaS服务的特点
第一种，IaaS（Infrastructure as a Service）服务方式称为 “基础设施即服务”。 云计算运营商只负责云基础设施的运行与管理，用户要负责云平台的运行与管理和云应用软件的开发。
第二种，PaaS（PlatformasaService）服务方式称为 “平台即服务”。 PaaS服务比IaaS服务是进了一步。云计算运营商负责云基础设施与云平台的运行与管理，云应用软件由用户开发和运行。
第三种，SaaS（Software as a Service）称为 “软件即服务”。SaaS有比PaaS更进了一步。云计算服务商除了负责运行云基础设施与云平台的运行与管理，同时要为用户定制应用软件。用户直接在云平台上部署“互联网+”应用系统，用户不需要在自己的计算机上安装软件副本，只需要通过互联网访问云平台，就可以开展自身的业务。
如果将我们开发的一个“互联网+”应用系统的功能与管理职责从顶向下划分为： 应用、数据、运行、中间件、操作系统、虚拟化、服务器、存储与网络等9个层次的话，采用IaaS、PaaS或SaaS的“互联网+”应用系统，用户与云计算服务商的职责划分和区别如图36所示。
如图36（b）所示IaaS的服务模式中，云计算基础设施（虚拟化的网络、存储、服务器）由云计算服务商承担，而应用软件需要用户自己开发，运行在操作系统上的软件、 数据与
图36用户与云计算服务商的职责划分和区别
图36（续）
中间件需要用户自己运行和管理。
如图36（c）所示PaaS的服务模式中，云计算基础设施以及由操作系统中间件组成的云平台由云计算服务商运行和管理，用户只需要管理自己开发的应用软件与数据。
如图36（d）所示SaaS的服务模式中，应用软件由云计算服务商根据用户需求定制，云计算基础设施、云平台以及应用软件的运行和管理都由云计算服务商运行和管理。用户只要将自己的注意力放在“互联网+”应用系统的推广、部署与应用上。用户与云计算服务提供商分工明确，各司其职，用户专注于应用系统，云计算服务商为用户的应用系统提供专业化的运行、维护与管理。
3. 云计算的主要技术特征
云计算作为一种利用互联网技术实现的随时随地、按需访问和共享计算、存储与软件资源的计算模式，它具有以下几个主要的技术特征： 
1） 按需服务
    “云”可以根据用户的实际计算量与数据存储量，自动分配CPU的数量与存储空间的大小，可以避免因为服务器性能过载或冗余而导致的服务质量下降或资源浪费。    
2） 资源池化
利用虚拟化技术，“云”就像一个庞大的资源池，可以根据用户的需求进行定制，用户可以像使用“水”和“电”一样地使用计算与存储资源。计算与存储资源的使用、管理对用户是透明的。
3） 泛在接入
用户的各种终端设备，如PC、笔记本计算机、智能手机、可穿戴计算设备、智能机器人和各种移动终端设备，都可以作为云终端，随时随地访问“云”。
4） 高可靠性
“云”采用数据多副本备份冗余，计算节点可替换等方法，提高云计算系统的可靠性。
5） 降低成本
“云”可以监控用户的计算、存储资源的使用量，并根据资源的使用“量”进行计费。尽管从表面上用户需要为自己使用的计算、存储与网络资源付费，但是由于用户不需要在业务发展的情况下不断地增添服务器、存储器设备，增加网络带宽，不需要专门招聘网络、计算机与应用软件开发的技术队伍，不需要花很大的精力在数据中心的运维上，因此从整体上是能够降低应用系统开发、运行与维护的成本。
6） 快速部署
云计算不针对某一些特定的应用。在“云”的支持下，用户可以方便地组建千变万化的应用系统。“云”能够同时运行多种不同的“互联网+”应用。用户可以方便地开发各种应用软件，组建自己的应用系统，快速部署业务。
4. 云计算与“互联网+”
云计算并不是一个全新的概念。早在1961 年，计算机先驱John McCarthy 就预言： “未来的计算资源能像公共设施（如水、电）一样被使用。”为了实现这个目标，在之后的几十年里，学术界和产业界陆续提出了集群计算、网格计算、服务计算等技术，而云计算正是在这些技术的基础上发展而来。云计算采用计算机集群构成数据中心，并以服务的形式交付给用户，使得用户可以像使用水、电一样按需购买云计算资源。因此，云计算是一种计算模式，它是将计算与存储资源、软件与应用作为“服务”，通过网络提供给用户（如图37所示）。
图37云计算模式示意图
从以上的讨论中，可以得出以下三点结论。
第一，有了云计算服务的支持，人们可以将与计算、存储相关的设备与系统的构建、管理和日常维护，甚至是软件的开发，交给提供云计算服务商去做。人们“购买”云计算服务商的“服务”，只需要专心构思“互联网+”应用系统的功能、结构，专注于“互联网+”应用系统的构建、运行与维护。
第二，未来“互联网+”应用系统中的各种智能终端设备，包括个人计算机、笔记本计算机、平板电脑、智能手机、智能机器人、可穿戴计算和各种移动终端设备都可以作为云终端，在云计算环境中使用。
第三，云计算可以使“互联网+”应用系统的构建、部署与管理变得越来越容易了。云计算是支撑“互联网+”发展的重要信息基础设施之一。
3.1.4普适计算〖*2〗1. 什么是普适计算计算机科学家马克·维瑟尔（Mark Weiser）曾经说过： “最深奥的技术恰恰是那些看不见的技术。这项技术交织在日常生活中，与生活融为一体，直到无法区分。”马克·维瑟尔这里指的是“普适计算”技术。
随着计算机与信息技术也越来越广泛地应用到各行各业和人类生活的各个方面，各种感知、网络、智能、嵌入式技术、应用系统与设备大量涌现。人们面对着种类越来越多、功能越来越强、使用越来越复杂的信息服务系统与嵌入式计算设备时，常常会感到“不会使用”“无所适从”。面对这种局面，一种新的“普适计算”概念应运而生。
1991年，美国计算机科学家马克·韦泽提出了“普适计算”的概念。“普适计算（Pervasive Computing）”又称为“无处不在的计算”与“环境智能”。从普适计算研究的方法与预期的目标可以看出，普适计算是在人类生活的环境中广泛部署感知与计算设备，通过运行在互联网的感知、计算设备，实现无处不在的信息采集、传输与计算，将“人机器环境”融为一体，实现“环境智能”的目标。
仅从字面上读者很难理解普适计算概念的深刻内涵，我们可以用图38所示的“3D试衣镜”应用示例，形象地解释普适计算的概念，总结普适计算的主要技术特征。
图38普适计算示例： “3D试衣镜”应用
一种被称为“魔镜”的“3D试衣镜”已经在很多商场服装销售中使用了。一位希望购买衣服的女士可以在3D试衣镜前不断地摆出各种姿态，用手势或语音指令去更换不同款式与颜色的衣服，选择她心仪的品牌、颜色、款式的衣服。后台的3D试衣镜系统将自动地根据试衣间摄像头传过来的女士体态数据，通过互联网传送到云平台上，后台智能软件系统将分析这位女士的指令，分析她对服饰选择的嗜好，从数据库中挑出合适的服装，结合女士的体态数据将不同服饰的效果图，传送到控制3D试衣镜的计算机系统；3D试衣镜以三维的形式通过为女士展示不同服饰的效果图，供她挑选。在挑选衣服的整个过程中，她不需要操作计算机，她也不知道计算机在哪里，计算机采用了什么样的硬件和操作系统，采用了什么样的虚拟现实算法，以及数据是如何通过互联网传送到云平台的复杂过程，她要做的就是比较不同服饰的穿着效果，享受购物的乐趣。顾客试衣和购买的过程可以在愉悦的气氛中自动地完成。
从这个例子中可以看出： 普适计算不是描述了“计算设备无处不在”，而是强调“计算能力无处不在”，以及“计算如何无处不在地融入我们的日常生活当中”，达到“环境智能”的境界，这是普适计算研究的重点，也是“互联网+”研究要实现的目标。
2. 普适计算的主要技术特征
从以上这个例子中，我们可以分析出普适计算的几个主要的技术特征。
1） 计算能力的“无处不在”与计算设备的“不可见”
“无处不在”是指随时随地访问互联网、使用计算机和获得计算服务的能力；“不可见”是指在物理环境中提供多种传感器、嵌入式技术设备、移动技术设备，以及其他任何一种有计算能力的设备，可以在用户不觉察的情况下进行计算、通信，提供各种智能服务，以最大限度地减少用户的介入。因此，“普适计算”强调的不是“计算设备的无处不在”，而是“计算能力的无处不在”。
2） 信息空间与物理空间的融合
普适计算是一种建立在互联网、嵌入式系统、传感与智能等技术基础上的新型计算模式。它反映出人类对于信息服务需求的提高，期待具有随时、随地享受计算资源、信息资源与信息服务的能力，实现人类生活的物理空间与信息空间的融合（如图39所示）。
图39信息空间与物理空间的融合
随着“互联网+”工业、“互联网+”农业、“互联网+”交通、“互联网+”医疗、“互联网+”物流等应用的迅速发展，人们惊奇地发现： 普适计算的概念在“互联网+”应用中得到很好的实践与延伸。作为普适计算实现的重要途径之一，借助大量部署的传感器与传感网节点，可以实时地感知与传输我们周边的环境信息，从而将真实的物理世界与虚拟的信息世界融为一体，深刻地改变了人与自然界的交互方式，实现“人机物”的融合，达到“环境智能”的境界。
3） “以人为本”与自适应的智能网络服务
人们平常在办公室处理公文都需要坐在办公桌的计算机前，即使是使用笔记本计算机也需要随身携带。仔细品味普适计算的概念之后，人们会发现： 在桌面计算模式中，人是围绕着计算机，是以“计算机为本”的。而普适计算模式研究的目标就是要改变桌面计算模式，摆脱计算设备对人类活动范围与工作方式的约束，将计算、通信、感知与互联网技术结合起来，将计算能力与通信能力嵌入到环境与日常工具中去，让计算设备本身从人们的视线中“消失”，从而将人们的注意力回归到要完成的任务本身。
因此，普适计算的主要技术特征可以总结为： 
（1） 计算能力“无处不在”与计算设备“不可见”。
（2） “信息空间”与“物理空间”的融合。
（3） “以人为本”与“自适应”的智能服务。
3. 普适计算与“互联网+”的关系
综上所述，普适计算与“互联网+”的关系可以总结为： 
（1） 普适计算与“互联网+”从研究目标到工作模式都有很多相似之处。
（2） 普适计算的研究方法和思路对于“互联网+”研究有着重要的借鉴与启示作用。
（3） 普适计算研究成果在“互联网+”中的应用将大大提高“互联网+”应用的智能化水平。
3.1.5嵌入式计算〖*2〗1. 嵌入式计算的基本概念嵌入式计算（或嵌入式系统）是开发“互联网+”工业、“互联网+”农业、“互联网+”交通等应用系统智能硬件设备的重要方法与技术手段。
“嵌入式系统（Embedded System）”也称作“嵌入式计算机系统（Embedded Computer System）”，它是一种专用的计算机系统。由于嵌入式系统需要针对某些特定的应用，因此研发人员需要根据应用的具体需求，剪裁计算机的硬件与软件，以适应对计算机功能、可靠性、成本、体积、功耗的要求。
为了帮助读者形象地理解嵌入式系统“面向特定应用”“裁剪计算机的硬件与软件”与“专用计算机系统”的特点，我们不妨以每天都在使用的智能手机与个人计算机为例，从硬件结构、操作系统、应用软件与外设等几个方面做一个比较。图310给出了智能手机组成结构示意图。
图310智能手机组成结构示意图
1） 硬件的比较
从计算机体系结构的角度，可以画出智能手机的硬件逻辑结构图（如图311所示）。
图311智能手机硬件逻辑结构图
智能手机硬件是由CPU与存储器、液晶显示器、外设、射频电路与天线以及电源管理模块等几部分组成。首先可以从CPU、存储器、显示器与外设等几个方面对智能手机与个人计算机的硬件进行比较。
第一，CPU的比较。
智能手机的所有操作都是在CPU与操作系统的控制下实现的，这一点与传统的PC是相同的。但是手机的基本功能是通信，因此它除了有与传统的CPU功能类似的应用处理器之外，还需要增加通信处理器，智能手机的CPU是由应用处理器与通信处理器芯片组成。对于应用处理器而言，耳机、话筒、摄像头、传感器、键盘与显示屏都是外设。通信处理器控制着无线射频电路与天线的语音信号的发送与接收过程。
第二，存储器的比较。
和传统的PC很相似，手机存储器也分为只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。根据手机对存储器的容量、读写速度、体积与耗电等要求，手机中的ROM基本上都是使用闪存（Flash ROM）。RAM基本上都是使用同步动态随机读写存储器SDRAM。
与传统的PC相比较，手机的RAM相当于PC的内存条，暂时存放手机CPU中运算的数据，以及CPU与存储器交换的数据。手机所有程序都是在内存中运行的，手机关闭时RAM中的数据自动消失。因此，手机RAM的大小对手机性能的影响很大。
手机ROM相当于PC安装操作系统的系统盘。ROM一部分用来安装手机的操作系统，一部分用来存储用户文件。手机关机，ROM中的数据不会丢失。
手机中的闪存相当于PC的硬盘，用来存储MP3、MP4、电影、图片等用户数据。
为了实现对手机用户的有效管理，手机需要内置一块用于用户识别的SIM卡，它存储了用户在办理入网手续时写入的有关个人信息。SIM卡的信息分为两类。一类是由SIM卡生产商与网络运营商写入的信息，如网络鉴权与加密数据、用户号码、呼叫限制等；另一类是由用户在使用过程中自行写入的数据，如其他用户的电话号码、SIM卡的密码PIN等。
第三，显示器的比较。
与PC显示器对应的是手机显示屏。手机一般采用薄膜晶体管TFT液晶显示屏。手机显示屏的分辨率使用行、列点阵形式表示。两个手机，一个用的是3英寸显示屏。一个用的是5英寸显示屏。如果分辨率都是640×480像素，由于这些像素要均匀地分布在屏幕上，那么3英寸显示屏单位面积分布的像素肯定比5英寸显示屏多，3英寸显示屏的像素点阵更加密集，因此图像显示的效果自然就比较细腻、清晰。因此从硬件结构看，技术人员在设计智能手机时，需要根据实际应用需求对计算机硬件与软件进行适当的“裁剪”。
第四，外设的比较。
由于PC的工作重心放在信息处理上，因此配置的外设是硬盘、键盘、鼠标、扫描仪；从联网的角度，需要配置Ethernet网卡、无线网卡与蓝牙网卡。智能手机首先是通信设备，同时强调具有一定的信息处理能力。因此，智能手机配置除了键盘、LCD触摸屏之外，重点放在耳机、话筒、摄像头、各种传感器。
智能手机配置的传感器的类型很多，其中包括： 加速度传感器、磁场传感器、方向传感器、陀螺仪、光线传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器与接近传感器等。智能手机利用气压传感器、温度传感器、湿度传感器可以方便地实现环境感知；利用磁场传感器、加速度传感器、方向传感器、陀螺仪可以方便地实现对手机运动方向与速度的感知；利用距离传感器可以方便地实现对手机位置发现、查询、更新与地图定位。
第五，电源管理的比较。
正是智能手机在移动过程中要同时完成通信、智能服务与信息处理的多重任务，而智能手机的电池耗电决定着手机使用的时间，因此如何减少手机的耗电，成为设计中必须解决的困难问题。手机的设计者千方百计地去思考如何节约电能。例如，利用接近传感器发现使用者是不是在接听电话。如果判断使用者将手机贴近耳朵接听电话，那他就不可能看屏幕，这时手机操作系统就立即关闭屏幕，以节约电能。因此，智能手机中必须有一个电源管理模块，优化电池为手机的各个功能模块供电，以及充电的过程。当手机没有使用时，电源管理模块让手机处于节能的“待机”状态。一般用于办公环境的个人计算机，可以通过220伏电源供电，因此它在节能方面的要求就比手机宽松得多。
第六，通信功能的比较。
PC一般都配置了接入有线网络的Ethernet网卡、接入WiFi的无线网卡，以及与鼠标、键盘、耳机等外设在近距离进行无线通信的蓝牙网卡。笔记本计算机一般不需要配置接入移动通信网3G/4G/5G网卡。
智能手机的基本功能是移动通信，因此要有功能强大的通信处理器芯片和能够接入3G/4G/5G基站的射频电路与天线，同时需要配置接入WiFi的无线网卡及与外设近距离通信的蓝牙网卡或近场通信的NFC网卡，但是不需要配置Ethernet网卡。智能手机的硬件设计受到电能、体积、重量的限制，包括网卡在内的各种外设的驱动程序必须在手机操作系统上重新开发。
2） 软件的比较
第一，操作系统的比较。
由于智能手机实际上是一种具有发射与接收功能的微型计算机，这是两者最大的不同之处，因此研究人员一定要专门研发适用于手机硬件结构与功能需求专用操作系统。这正体现出嵌入式系统是“面向特定应用”计算机系统的特点。
智能手机操作系统主要有： 微软的Windows Mobile、诺基亚等公司共同研发的手机操作系统Symbian（塞班系统）、苹果公司推出的iOS操作系统，以及由Google公司推出的Android操作系统。在各种手机操作系统上开发应用软件是比较容易的，这一点在Android操作系统上表现得更为突出。
Android操作系统在网络功能的实现上，它是遵循TCP/IP协议体系，采用支持Web应用的HTTP协议来传送数据。Android操作系统的底层提供了支持低功耗的蓝牙协议与WiFi协议的驱动程序，使得Android手机可以很方便地与使用蓝牙协议或WiFi协议的移动设备的互联。同时，Android操作系统提供了支持多种传感器的应用程序接口（API），传感器的类型包括： 加速度传感器、磁场传感器、方向传感器、陀螺仪、光线传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器与接近传感器等。利用Android操作系统提供的API，方便地实现环境感知、移动感知、位置感知与地图定位，以及语音识别、手势识别、多媒体应用功能。目前，除了智能手机之外，很多智能机器人、无人驾驶汽车、无人机、可穿戴计算设备与物联网智能终端设备等智能硬件，大多是在Android操作系统基础上开发的。
常用的个人计算机操作系统主要有Windows、Unix、Mac OS与Linux。国产的PC操作系统主要有深度Linux（Deepin）、优麒麟（UbuntuKylin）与中标麒麟（NeoKylin）等。由于功能、应用环境的不同，个人计算机操作系统与智能手机操作系统差别很大。
第二，应用程序的比较。
随着智能手机iPhone的问世，智能手机的第三方应用程序App（Application）以及App销售的商业模式，逐渐被移动互联网用户所接受。手机App应用程序从游戏、基于位置的服务、即时通信，逐渐发展到手机购物、网上支付与社交网络等多种应用。近年来，手机应用程序App的数量与应用规模呈爆炸性发展的趋势，形成了继个人计算机应用程序之后更大的市场规模与移动互联网重要的盈利点。
嵌入式技术的发展促进了智能手机功能的演变，智能手机的大规模应用又为嵌入式技术的发展提供了强大的推动力。现在，移动通信成为智能手机的基本功能，除此之外智能手机已经成为移动上网、移动购物、网上支付与社交网络最主要的终端设备，甚至逐步取代了人们随身携带的名片、登机牌、钱包、公交卡、照相机、摄像机、录音机、GPS定位与导航设备。正因为智能手机应用范围的不断扩大，促使嵌入式技术研究人员在不断地改进智能手机的电池性能、快速充电方法，以及柔性显示屏、数据加密与安全认证技术。
从以上的分析中，我们可以得出以下几点结论： 
（1） 智能手机的硬件与软件充分地体现出嵌入式系统“以应用为中心”“裁剪计算机硬软件”的特点，是一种对功能、体积、功耗、可靠性与成本有严格要求的“专用计算机系统”。
（2） 作为接入互联网的终端设备，“互联网+”工业、“互联网+”农业、“互联网+”交通、“互联网+”医疗的各种智能感知与执行设备，从结构、原理上都与智能手机有着很多的相似之处，它们都属于嵌入式计算设备与装置。
（3） 从产品与产业的角度，这些嵌入式计算设备与装置也都是智能硬件的重要组成部分。智能硬件的研究将促进了嵌入式芯片、操作系统、软件编程与智能技术的发展。智能硬件的研究将涉及机器智能、机器学习、人机交互、虚拟现实与增强现实的研究，以及大数据、云计算等领域，体现出多学科、多领域交叉融合的特点。
2. 嵌入式技术与CPS
1） CPS的基本概念
随着嵌入式计算研究的深入，基于嵌入式计算的“信息物理融合系统”（CyberPhysical Systems，CPS）研究应运而生。
CPS是感知、通信、计算、智能与控制技术深度融合的产物。随着新型传感器、无线通信、嵌入式计算与智能技术的快速发展，CPS研究引起了学术界广泛的重视。CPS通过计算技术、通信技术与智能技术的协作，实现信息世界与物理世界的紧密融合。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变人与物理世界的互动。
CPS研究的对象小到纳米级生物机器人，大到涉及全球能源协调与管理的复杂大系统。CPS的研究成果可以用于智能机器人、无人驾驶汽车、无人机，也可以用于智能医疗领域的远程手术系统、人体植入式传感器系统之中。CPS是将计算和通信能力嵌入传统的物理系统中，形成集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。
2） 如何理解CPS丰富的内涵
CPS技术研究的内容很丰富，我们可以选择大家感兴趣的“互联网+”自动泊车系统设计所涉及的问题，来直观地解释CPS的基本概念、研究的基本内容与技术特征，以及CPS与互联网之间的关系。
对于很多生活在城市中的人们，找到一个车位，并且将汽车安全、快速、准确地泊入车位是一件困难的事。在这样的背景下，“互联网+”自动泊车系统应运而生。通过“互联网+”，车联网系统通过无线通信方式接入到互联网中，并向互联网发出“空闲车位查询请求”；互联网云平台存储有车位信息的数据库，可以根据车辆准备停车的位置，反馈附近空闲车位信息；车辆自动运行自动泊车功能，就可以轻松地将车辆停到车位中。图312给出了“互联网+”自动泊车系统工作过程的示意图。
图312CPS示例： “互联网+”自动泊车系统工作过程
自动泊车也是无人驾驶汽车的基本功能之一。汽车的自动泊车过程是由车位识别、轨迹生成与轨迹控制等三个阶段组成（如图313所示）。
图313自动泊车的过程
自动泊车系统是一种安全、快速将车辆自动驶入车位的智能泊车辅助系统，它通过超声传感器和图像传感器去感知车辆周边的环境信息，识别泊车的车位。
（1） 车位识别。
自动泊车的第一阶段是车位识别阶段。它需要通过两步来完成。
① 利用超声波传感器实现车位识别功能（如图314所示）。
图314车位识别过程
行进中的车辆用超声波传感器感知泊车环境。利用超声波传感器对泊车环境中障碍物的精确测距，可以为自动泊车系统提供确定泊车环境模型的准确数据。
当驾驶员选择“自动泊车”功能、按下“泊车”键时，超声波传感器就周期性地向周边发送超声波信号，同时接收反射回的信号；用计数器统计超声波发射到接收的时间差，计算出车辆与障碍物的距离。
一般情况下，能够提供自动泊车功能的汽车要在车的前端、后端和两侧安装至少8个以上的超声波传感器，以便提供车辆周边不同方位障碍物的精确距离信息，确定待选的空闲车位是否能够满足泊车条件，从而实现车位识别功能。
② 利用图像传感器实现车位调节功能（如图315所示）。
图315车位调节过程
行进中的车辆用图像传感器感知泊车环境。利用在车尾安装的广角摄像头，采集车位环境图像信息，并将环境图像信息传送到车载计算机的图像处理系统中。图像处理系统根据采集的环境图像信息进行图像测距，并在图像中建立一个与实际车位大小相同的虚拟车位，通过在图像中调节虚拟车位，实现虚拟车位与实际车位之间的匹配，进一步完善车位信息。
(2) 轨迹生成。
轨迹生成是通过建立车辆运动学模型，分析车辆转弯过程中车辆运动半径与方向盘转角的关系，计算出车辆在泊车过程中可能会遇到的碰撞区域。
在对泊车过程建模分析的基础上，构造泊车模型，根据几何学原理计算出车辆在泊车过程中的轨迹。当生成的车辆移动轨迹与根据图像分析的车位数据匹配后，将控制车辆实时运动轨迹的转角、速度指令发送给执行机构。轨迹生成过程如图316所示。
图316轨迹生成过程
(3) 轨迹控制。
在自动泊车过程中，需要通过执行实时运动轨迹的转角、转速指令，车辆机械传动系统控制方向盘的转向角与车辆速度，进而控制车辆实现自动泊车。
总结自动泊车过程，我们可以看出： 设计一个自动泊车系统需要用到感知技术、计算技术、通信技术、智能技术与控制技术（如图317所示）。
图317设计一个自动泊车系统用到的技术
自动泊车技术是汽车无人驾驶技术的一个重要研究方向。它是将感知、计算、通信、智能与控制技术交叉融合的产物，是一种典型的信息物理融合的CPS系统，也是“互联网+”智能交通领域中无人驾驶汽车研究的重要组成部分。
3） CPS的主要技术特征
从自动泊车这个实例中，我们可以清楚地认识到： CPS是在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，扩展新的功能，使系统具有更高的智慧。CPS系统的主要技术特征可以总结为“感、联、知、控”四个字。
（1） “感”是指多种传感器的协同感知物理世界的状态信息。
（2） “联”是指连接物理世界与信息世界的各种对象，实现信息交互。
（3） “知”是指通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认识物理世界。
（4） “控”是指根据正确的认知，确定控制策略，发出指令，指挥执行器处理物理世界的问题。
CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统。图318给出了CPS中物理世界与信息世界交互过程的示意图。
图318物理世界与信息世界的交互
CPS 是环境感知、嵌入式计算、通信网络、智能控制深度融合的系统。CPS是在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，扩展新的功能，使系统具有更高的智慧。
从以上分析中，我们会得到两点启示： 
第一，CPS作为一种全新的计算模式，跨越计算机、软件、网络与移动计算、嵌入式系统、人工智能等多个研究领域。
第二，“互联网+”与CPS的发展向我们展示了： “世界万事万物，凡存在皆联网；凡联网皆计算；凡计算皆智能”的趋势，这也正是“互联网+”要追求的终极目标。