任务一　了解计算机的含义及发展与应用

任务描述

本任务要求学习者理解为什么要了解计算机；了解计算机在家庭、教育、工作及其他方面的应用。

任务实施

一、计算机的含义

计算机俗称电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，既可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。计算机是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。计算机可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类，较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，已形成规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步，由此引发了深刻的社会变革。计算机已遍及一般学校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。

计算机的应用在中国越来越普遍，中国计算机用户的数量不断攀升，应用水平不断提高，特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用均取得了不错的成绩。

二、计算机的发展

计算工具的演化经历了由简单到复杂、从低级到高级的不同阶段，例如从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘计算尺、机械计算机等。它们在不同的历史时期发挥了各自的历史作用，同时也启发了电子计算机的研制和设计思路。

计算机始于20世纪40年代，即第二次世界大战时期。在导弹、火箭和原子能的研究过程中，需要处理一些复杂的数学问题，传统计算工具的计算速度慢、精度差，无法满足要求，因此，迫切需要研制计算速度快、精度高、能自动控制运算过程的新型计算工具。

1946年2月14日，世界第一台电子数字计算机ENIAC是美国军方为了解决在武器研究中需要进行快速、准确而又复杂的数学计算问题，在宾夕法尼亚大学进行研制的，它的诞生标志了电子计算机时代的到来。世界第一台电子数字计算机ENIAC如图1-1所示。

从第一台计算机问世至今半个多世纪来，计算机获得了突飞猛进的发展。人们依据计算机性能和当时软硬件技术（主要根据所使用的电子器件），将计算机的发展划分成以下四个阶段。

1.第一代计算机（1946—1958），电子管计算机

第一代计算机采用电子管作为基本元器件，内存储器采用光屏管或汞延时电路，外存储器主要有磁鼓、磁带，输入采用孔纸带或卡片。软件方面确定了程序设计的概念，主要使用二进制表示的机器语言编程，后采用汇编语言进行程序设计，没有操作系统软件，主要用于军事和科学计算。第一代计算机体积大、能耗高，运算速度只有每秒数千次至数万次，可靠性差、容量小、维护使用困难，价格昂贵。图1-2所示为我国自行设计于1960年4月研制成功的小型通用电子管计算机——107机。

2.第二代计算机（1958—1964），晶体管计算机

第二代计算机采用晶体管作为基本元器件，内存储器大量使用磁心存储器，外存储器有了磁带、磁盘等。这就使存储容量增大，可靠性提高，为系统软件的发展创造了条件。软件方面产生了高级程序设计语言和批量处理系统。如Fortran语言、COBOL语言、Pascal语言等，计机的应用范围进一步扩大至数据处理和事物处理，并逐渐用于工业控制。与第一代电子管计机相比，第二代晶体管计算机各方面性能都有了很大的提高，体积大大缩小，能耗降低，运速度提高到每秒数万次至数百万次，可靠性提高，内存扩大到几十万字节，维护及使用方便，格不断下降。图1-3所示为1965年研制成功的我国第一台大型晶体管计算机——109机。

3.第三代计算机（1964—1970），集成电路计算机

第三代计算机采用中、小规模集成电路作为基本元器件，内存储器开始采用半导体存储器外存储器有磁盘和磁带。软件方面有了操作系统和标准化的程序设计语言和人机会话式的解语言，提出了结构化、模块化程序设计思想和方法，为研制复杂的软件提供技术上的保证。因为采用了中、小规模集成电路，使得第三代计算机各个方面的性能都有了极大的提升，计机的体积更小、能耗更低、速度更快，可达到每秒千万次浮点运算，可靠性进一步提高，内存容量进一步增大，维护更方便，价格进一步下降。计算机的应用已不仅于科学计算、数据处理，还应用于企业管理、自动控制、辅助设计和辅助制造等众多的学科领域。软硬件都向通用化、系列化、标准化方向发展。我国到于1970年初期才陆续推出大、中、小型采用集成电路的计算机。银河-I巨型机是我国国防科技大学于1976年研制的集成电路高速计算机，如图1-4所示。

4.第四代计算机（1970年至今），大规模、超大规模集成电路计算机

第四代计算机采用大规模、超大规模集成电路作为基本元器件，内存储器使用半导体存储器，外存储器有磁盘、磁带、光盘、闪存等大容量存储器。软件进一步发展，出现了面向对象的程序设计思想，软件配置丰富，软件系统工程化、理论化，程序设计自动化，操作系统软件不断完善，应用软件的开发已成为现代产业。计算机的应用已涉及各个领域，如办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统、多媒体、网络通信等。人们的工作与生活已离不开计算机。由于第四代计算机采用了大规模和超大规模集成电路，计算机的体积越来越小，能耗越来越低，运算速度越来越快，可达每秒执行数亿条指令甚至更高，可靠性越来越好，价格越来越低，维护越来越方便。我国国家智能机中心与曙光公司于2004年上半年推出每秒浮点运算速度1万亿次的曙光4000超级服务器，如图1-5所示。

自第四代计算机问世以来，计算机技术仍在不断发展，现在出现的各种计算机，一般都认为是属于第四代计算机。人们已经开始对下一代计算机的研究。

下一代电子计算机是智能计算机，它是一种会学习、能推理的计算机、具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。它可以利用自己已有的信息和不断学习获得的知识，进行思维、联想、推理、并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有知识的能力。智能计算机的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需要发出命令或提出要求，计算机就能完成推理和判断，并且给出解释。对下一代计算机的研究，虽然有很多的困难，但是各国都在大力开展研究工作，同时也取得了可喜的成就。基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究，这些计算机是：超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。

以上计算机发展的四个阶段归纳如表1-1所示。

三、计算机的分类

随着计算机技术的不断发展和应用，特别是微处理器的发展，计算机的类型也越来越多样化。在时间轴上，“分代”代表了计算机的纵向发展，而“分类”代表了计算机的横向发展。计算机种类很多，从不同角度对计算机有不同的分类方法。计算机通常按其结构原理、用途、形体及功能、字长四种方式分类。

1.按结构原理分类

按结构原理分类，可分为数字计算机、模拟计算机、模数混合计算机。

（1）数字计算机

数字计算机是以电脉冲的个数或电位的阶变形式来实现计算机内部的数值计算和逻辑判断，输出量仍是数值。目前广泛应用的都是数字计算机，简称计算机。

（2）模拟计算机

模拟计算机是对电压、电流等连续的物理量进行处理的计算机，输出量仍是连续的物理量。它的精确度较低，应用范围有限。

（3）模数混合计算机

模数混合计算机兼有数字和模拟两种计算的优点，既能接收、处理和输出数字量，也能接收、处理和输出模拟量，并具有数字量和模拟量之间转换的能力。

2.按用途分类

按用途分类，可分为通用计算机和专用计算机。

（1）通用计算机

通用计算机即目前广泛应用的计算机，其结构复杂，但用途广泛，可用于解决各种类型的问题，诸如科学计算数据处理、自动控制、辅助设计等。

（2）专用计算机

专用计算机是为某种特定目的所设计制造的计算机，其适用范围窄，但结构简单，价格便宜，工作效率高。如用于弹道控制、地震监测等方面的计算机即为专用计算机。

3.按形体及功能分类

按形体及功能分类，可分为巨型机、大中型机、小型机、微型机、工作站、服务器。

（1）巨型机

巨型机又称超级计算机，是指运算速度超过每秒1亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机，主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机关中，可供几百个用户同时使用。运算速度快是巨型机最突出的特点。如美国Cray公司研制的Cray系列机中，Cray-Y-MP运算速度为每秒20～40亿次，我国自主生产研制的银河-Ⅲ巨型机运算速度为每秒100亿次，IBM公司的GF-11运算速度为每秒115亿次，日本富士通研制了运算速度可达每秒3000亿次的计算机。我国研制的曙光4000A运算速度可达每秒10万亿次。世界上只有少数几个国家能生产巨型机，它的研制开发是一个国家综合国力和国防实力的体现。

（2）大中型机

大中型机也有很高的运算速度和很大的存储量并允许相当多的用户同时使用。当然在量级上都不及巨型机，结构上也较巨型机简单些，但价格比巨型机便宜，因此使用的范围较巨型机普遍，是事务处理、商业处理、信息管理、大型数据库和数据通信的主要支柱。大中型机通常都像一个家族一样形成系列，如IBM370系列、DEC公司生产的VAX8000系列、日本富士通公司的M-780系列。同一系列的不同型号的计算机可以执行同一个软件，称为软件兼容。

（3）小型机

小型机其规模和运算速度比大中型机要差，但仍能支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、价格低、性能价格比高等优点，适合中小企业、事业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业管理以及科学计算等，也可做巨型机或大中型机的辅助机。典型的小型机是美国DEC公司的PDP系列计算机、IBM公司的AS/400系列计算机，我国的DJS-130计算机等。

（4）微型机

微型机是当今使用最普及、产量最大的一类计算机，其体积小、功耗低、成本少、灵活性大，性能价格比明显地优于其他类型计算机，因而得到了广泛应用。微型机可以按结构和性能划分为单片机、单板机、个人计算机等几种类型。

①单片机。把微处理器、一定容量的存储器以及输入/输出接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机。可见，单片机仅是一片特殊的、具有计算机功能的集成电路芯片。单片机体积小、功耗低、使用方便，但存储容量较小，一般用做专用机或用来控制高级仪表、家用电器等。

②单板机。把微处理器、存储器、输入/输出接口电路安装在一块印制电路板上，就成为单板机。一般在这块板上还有简易键盘、液晶和数码管显示器以及外存储器接口等。单板机价格低廉且易于扩展，广泛用于工业控制、微型机教学和实验，或作为计算机控制网络的前端执行机。

③个人计算机。供单个用户使用的微型机一般称为个人计算机或PC，是目前用得最多的一种微型机。PC配置有一个紧凑的机箱、显示器、键盘、打印机以及各种接口，可分为台式微机和便携式微机。台式微机可以将全部设备放置在书桌上，因此又称桌面型计算机。当前流行的机型有IBM-PC系列，Apple公司的Macintosh，我国生产的联想系列计算机等。便携式微机包括笔记本式计算机、平板计算机、袖珍计算机以及个人数字助理等。便携式微机将主机和主要外围设备集成为一个整体，显示器为液晶显示器，可以直接用电池供电。

（5）工作站

工作站是介于PC和小型机之间的高档微型计算机，通常配备有大屏幕显示器和大容量存储器，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有微型机操作便利和人机界面友好的特点。工作站的独到之处是具有很强的图形交互能力，因此在工程设计领域得到广泛使用。SUN、HP、SGI等公司都是著名的工作站生产厂家。

（6）服务器

随着计算机网络的普及和发展，一种可供网络用户共享的高性能计算机应运而生，这就是服务器。服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部接口，运行网络操作系统，要求较高的运行速度，为此很多服务器都配置多CPU。服务器常用于存放各类资源，为网络用户提供丰富的资源共享服务。常见的资源服务器有DNS（Domain Name System，域名解析）服务器、E-mail（电子邮件）服务器、Web（网页）服务器、BBS（Bulletin Board System，电子公告板）服务器等。

4.按字长分类

按字长分类，可分为8位机、16位机、32位机、64位机。

计算的字长就是指它一次可处理二进制数的位数。计算机处理数据的速率和它一次能加工的位数以及进行运算的快慢有关。如果一台计算机的字长是另一台计算机的两倍，且两台计算机的速度相同，那么在相同的时间内，前者能做的工作是后者的两倍。字长是衡量计算机性能的一个重要因素。

四、计算机的特点

计算机之所以能成为现代化信息处理的重要工具，是因为它具有以下几个特点。

1.运算速度快

计算机的运算速度或称处理速度，通常是指每秒执行的指令条数。计算机可以高速准确地完成各种算术运算。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如，卫星轨道的计算、大型水坝的计算、24小时天气计算，应用传统计算方法需要几年甚至几十年，而在现代社会里，用计算机只需几分钟就可完成。

2.计算精度高

科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何其他计算工具所望尘莫及的。

3.具有复杂的逻辑判断能力

计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断。计算机能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令以供用户随时调用。

4.自动化程度高

计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制进行的，用户根据问题的需要，事先设计好运行步骤与程序，计算机十分严格地按程序规定的步骤操作执行，整个过程不需人工干预。

5.具有超高的记忆和存储功能

随着计算机存储容量的不断增大，能存储记忆的信息越来越多。计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。

6.可靠性高、通用性强

由于采用了大规模和超大规模集成电路，现在的计算机具有非常高的可靠性。现代计算机不仅可以用于数值计算，还可以用于数据处理、工业控制、辅助设计与制造、办公自动化等领域，具有很强的通用性。

五、计算机的应用

计算机的应用已渗透到社会各个领域，正在改变着人们的工作、学习和生活方式，推动着整个社会的发展。概括起来，主要有下面几个方面的应用。

1.科学计算领域

科学计算是计算机最早的应用领域，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数值计算问题。在现代科学技术工作中，科学计算的任务是大量的和复杂的。利用计算机的运算速度高、存储容量大和连续运算的能力，可以解决人工无法完成的各种科学计算问题。例如，工程设计、地震预测、气象预报、火箭发射等都需要由计算机承担庞大而复杂的计算量。

2.过程检测与控制领域

过程检测与控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化，将工业自动化推向了一个更高的水平。

3.信息管理领域

信息管理是以数据库管理系统为基础，辅助管理者提高决策水平，改善运营策略的计算机技术。信息处理具体包括数据的采集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作。信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，80％以上的计算机主要应用于信息管理，成为计算机应用的主导方向。信息管理已广泛应用与办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书馆里、电影电视动画设计、会计电算化等各行各业。

4.计算机辅助领域

计算机辅助技术包括CAD、CAM、CAI、CAT等。

（1）计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）

计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。

（2）计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）

计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术称为计算机集成制造系统（CIMS）。它的实现将真正做到无人化工厂（或车间）。

（3）计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）

计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用各种工具软件或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。

（4）计算机辅助测试（Computer Aided Testing，CAT）

计算机辅助测试是利用计算机进行大量而复杂的测试工作，使测试工作自动化实现。例如，数据的连续采集、无纸化考试、评分等。

5.人工智能领域

人工智能是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。

6.计算机网络领域

计算机网络是由一些独立的和具备信息交换能力的计算机互联构成，以实现资源共享的系统。计算机在网络方面的应用使人类之间的交流跨越了时间和空间障碍。计算机网络已成为人类建立信息社会的物质基础，它给人们的工作带来极大的方便和快捷，如在全国范围内的银行信用卡的使用，火车和飞机票系统的使用等。可以在全球最大的互联网络——Internet上进行浏览、检索信息、收发电子邮件、阅读书报、玩网络游戏、选购商品、参与众多问题的讨论、实现远程医疗服务等。

六、计算机的发展趋势

随着科技的进步，以及各种计算机技术、网络技术的飞速发展，计算机的发展已经进入了一个快速而又崭新的时代，计算机已经从功能单一、体积较大发展到了功能复杂、体积微小、资源网络化等。计算机的未来充满了变数，性能的大幅度提高是不可置疑的，而实现性能的飞跃却有多种途径。不过性能的大幅提升并不是计算机发展的唯一路线，计算机的发展还应当变得越来越人性化，同时也要注重环保等。

计算机从出现至今，经历了机器语言、程序语言、简单操作系统和现代操作系统（包括LinuxUNIX、Windows等）四代，运行速度也得到了极大的提升，第四代计算机的运算速度已经达到几十亿次每秒。计算机也由原来的仅供军事科研使用发展到人人可拥有，计算机强大的应用功能，产生了巨大的市场需要，未来计算机性能应向着巨型化、网络化、微型化、智能化和多媒体化的方向发展。

1.巨型化

巨型化是指为了适应尖端科学技术的需要，发展高速度、大存储容量和功能强大的超级计算机。随着人们对计算机的依赖性越来越强，特别是在军事和科研教育方面对计算机的存储空间和运行速度等要求会越来越高。此外，计算机的功能更加多元化。

2.网络化

网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有联网用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到广泛的应用。目前，各国都在开发三网合一的系统工程，即将计算机网、电信网、有线电视网合为一体。将来通过网络能更好地传送数据、文本资料、声音、图形和图像，用户可随时随地在全世界范围拨打可视电话或收看电视和电影。

3.微型化

随着微型处理器（CPU）的出现，计算机中开始使用微型处理器，使计算机体积缩小了，成本降低了。另一方面，软件行业的飞速发展提高了计算机内部操作系统的便捷度，计算机外围设备也趋于完善。计算机理论和技术上的不断完善促使微型计算机很快渗透到全社会的各个行业和部门中，并成为人们生活和学习的必需品。计算机的体积不断缩小，为人们提供便捷的服务。因此，未来计算机仍会不断趋于微型化，体积将越来越小。

4.智能化

计算机智能化是未来发展的必然趋势。现代计算机具有强大的功能和运行速度，但与人脑相比，其智能化和逻辑能力仍有待提高。人类不断在探索如何让计算机能够更好地反映人类思维，使计算机能够具有人类的逻辑思维判断能力，可以通过思考与人类沟通交流，抛弃以往的依靠通过编码程序来运行计算机的方法，直接对计算机发出指令。

5.多媒体化

传统的计算机处理的信息主要是字符和数字。事实上，人们更习惯的是图片、文字、声音影像等多种形式的多媒体信息。多媒体技术可以集图形、图像、音频、视频、文字为一体，使信息处理的对象和内容更加接近真实世界。