1.1　什么是计算机

计算机是一种由电子器件构成的、具有计算能力和逻辑判断能力、自动控制和记忆功能的信息处理机。它可以自动、高效和精确地对数字、文字、图像和声音等信息进行存储、加工和处理。

1.1.1　计算机的特点

计算机技术是信息化社会的基础、信息技术的核心，这是由计算机的特点所决定的。计算机的特点可概括为以下几个方面。

1．运算速度快

计算机的运算速度是其他任何一种工具无法比拟的。目前，世界上最快的计算机（中国的“神威·太湖之光”）达到了每秒12.5亿亿次的运算速度，普通的个人计算机（Personal Computer，PC）运算速度也可以达到每秒上亿次。正是有了这样的计算速度，使得过去不可能完成的计算任务得到了解决，使时限性强的复杂问题可在限定的时间内解决，如在军事、气象、金融、交通和通信等领域可以实现实时、快速的服务。而且，计算机的运算速度还以每隔几年提高一个数量级的速度不断地发展。

2．计算精度高

尖端科学技术的发展往往需要高度精确的计算能力，计算机是采用二进制数字进行运算的，只要用于表示数值的二进制位数足够多，就能提高计算精度。事实上，一般计算机可以有十几位甚至几十位二进制有效数字，计算精度可精确到万分之几甚至千万分之几，这是人类历史上任何一种计算工具所望尘莫及的。

3．存储容量大

存储容量表示存储设备可以保存多少信息。计算机的存储器类似于人的大脑，不但能够“记忆”（存储）大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。应用计算机可以从浩如烟海的文献、资料和数据中查找信息并把处理这些信息变成容易的事情。

早期的计算机，由于存储容量小，存储器常常成为限制计算机应用的“瓶颈”，随着微电子技术的发展，计算机的存储容量越来越大。现在一台普通的PC主存储器存储容量都在2GB~8GB。

4．具有逻辑判断能力

逻辑判断是计算机的又一重要特点，计算机不仅能进行算术运算，还能进行逻辑运算，实现推理和证明。记忆功能、算术运算和逻辑判断功能相结合，使得计算机能模仿人类的某些智能活动，成为人类脑力延伸的重要工具，所以计算机又称为“电脑”。

5．可靠性高

随着计算机硬件技术的发展，采用了大规模和超大规模集成电路的计算机具有非常高的可靠性，因硬件引起的错误越来越少。

6．能自动运行且支持人机交互

所谓自动运行，就是人们把需要计算机处理的问题编成程序，存入计算机中，当发出运行指令后，计算机便在该程序控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。人机交互则是在人想要干预时，采用“人机之间一问一答”的形式，有针对性地解决问题。这些特点都是过去的计算工具所不具备的。

1.1.2　计算机的分类

随着计算机技术的发展和应用的推广，计算机的类型越来越多样化，可以按不同的分类方法对计算机进行分类。根据用途划分，计算机可分为通用机和专用机。通用机的特点是通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各种类型的问题。专用机则功能单一，配有解决特定问题的软、硬件，能够高速、可靠地解决特定的问题。通常，按照计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合性能指标，将计算机分为巨型计算机、大型计算机、小型计算机、服务器、工作站和微型计算机。

1．巨型计算机

巨型计算机也称为超级计算机，是功能极强、速度极快、存储量巨大、结构复杂、价格昂贵的一类计算机。超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通电脑和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。超级计算机的基本组成部件与个人计算机的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，具有很强的计算和处理数据能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外围设备及丰富的、高功能的软件系统。

超级计算机是一个相对的概念，一个时期内的超级计算机到下一时期可能成为一般的计算机；一个时期内的超级计算机技术到下一时期可能成为一般的计算机技术。现代的超级计算机用于核物理研究、核武器设计、航天航空飞行器设计、国民经济的预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处理、情报分析和各种科学研究方面，是强有力的模拟和计算工具，对国民经济和国防建设具有特别重要的价值。超级计算机是一个国家科研实力的体现，生产这类计算机的能力可以反映一个国家的计算机科学水平，超级计算机的研发对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义，我国是世界上能够生产超级计算机的少数国家之一。

2．大型计算机

大型计算机的规模次于巨型计算机，也有较高的运算速度和较大的存储容量，有比较完善的指令系统和丰富的外部设备。大型计算机主要用于大型计算中心、金融业务和大型企业等需要极大的数据存储和计算能力的地方。

3．小型计算机

小型计算机规模比大型计算机要小，其结构相对较为简单，成本较低，易于维护和使用。小型计算机适合于中小型单位使用，主要用于科学计算、数据处理和自动控制等。

4．服务器

服务器是一种可以被网络用户共享的高性能计算机，一般都配置有多个中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），有较高的运行速度，同时具有大容量的存储设备和丰富的外部接口。

服务器用于存放各类网络资源，并为网络用户提供不同的资源共享服务，常用的服务器有Web服务器、电子邮件服务器、域名服务器和文件传输服务器（FTP）等。

5．工作站

工作站是一种高档微型计算机，通常配有大容量的主存、大屏幕的显示器、较高的运算速度和较强的网络通信功能。工作站最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互和处理能力。因此，工作站主要用于工程领域，特别是在计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和图像处理等领域得到广泛应用。

6．微型计算机

微型计算机简称微机，也称为个人计算机（个人电脑），是以微处理器为中央处理单元。微机最大的特点就是体积小、价格便宜、灵活性好，有利于普及和推广。目前，微机已广泛应用于办公自动化、信息检索、家庭教育和娱乐等。

1.1.3　计算机的应用

计算机具有存储容量大、处理速度快、可靠性高，同时又具有很强的逻辑推理和判断能力等特点，所以已被广泛应用于各种学科领域，并迅速渗透到人类社会的各个方面，正改变着人们传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。数字化生活可能成为未来生活的主要模式，人们离不开计算机，计算机世界也将更加丰富多彩。

下面就从科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助系统、办公自动化、人工智能、电子商务和多媒体技术等几个方面加以叙述。

1．科学计算

科学计算也称为数值计算，是指应用计算机处理科学研究和工程计算中所遇到的数学计算。科学计算是计算机最早的应用领域，世界上第一台计算机就是为军事科学计算而研制的。现代科学技术的迅速发展，使得各种科学研究的计算模型日趋复杂。针对科学计算计算工作量大，数值变化范围大的特点，利用计算机的高速度、高精度及自动化的特点不仅可以使人工难以或无法解决的复杂计算问题变得轻而易举，而且还能大大提高工作效率，有力地推动科学技术的发展。例如在天文学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域中，都需要依靠计算机进行复杂的计算。

2．数据处理

数据处理也称为非数值计算，是指对大量的非数值数据（文字、符号、声音、图像等）进行加工处理，例如，编辑、排版、分拆、合并、分类、检索、统计、传输、压缩、合成等。与数值计算不同，数据处理涉及的数据量大，但计算较简单。

计算机中的数据其实就是符号化后的信息，数据处理有时也称为信息处理。现代社会是信息化的社会，随着社会的不断进步，信息量也在急剧增加。计算机最广泛的应用就是信息处理，有关资料表明，世界上80%以上的计算机主要用于信息处理。信息处理的特点是数据量大，但不涉及复杂的数学运算；有大量的逻辑判断和输入/输出，时间性较强。如生产管理、财务管理、人事管理、票务管理、情报检索和办公自动化等都是数据处理的典型应用。

数据处理是现代化管理的基础，它不仅应用于处理日常事务，还能支持科学的管理与决策。以一个企业为例，从市场预测、经营决策、生产管理到财务管理，无不与数据处理有关。实际上，许多现代应用仍是数据处理的发展和延伸。目前越来越多的企事业单位严重地依赖计算机维持自己的正常运转。

3．过程控制

过程控制又称实时控制，是指计算机及时采集动态的监测数据，并按最优方案迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。

现代工业由于生产规模不断扩大，技术和工艺日趋复杂，从而对实现生产过程自动化的控制系统的要求也日益增高。利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、准确性和可靠性，从而改善劳动条件，提高质量，节约能源，降低成本。计算机过程控制主要应用于冶金、石油、化工、纺织、水电、机械和航天等工业领域，在军事、交通等领域也得到了广泛的应用。

4．计算机辅助系统

计算机辅助系统包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助教学等。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是指用计算机帮助设计人员进行产品和工程设计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理及模拟能力，使CAD技术得到广泛应用。例如，在建筑设计中广泛使用的计算机辅助绘图、产品造型等，可以对设计方案进行分析比较，绘制出工业标准的施工图纸，统计所需的各种材料等。目前，计算机辅助设计广泛用于飞机或船舶设计、建筑设计、机械设计和大规模集成电路设计等。采用计算机辅助设计后，不仅降低了设计人员的工作量，提高了设计的速度，更重要的是提高了设计的质量。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是指用计算机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技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、减轻劳动强度。

有了CAD的设计标准，就可以实现CAM的标准化和生产自动化过程，从而进一步产生计算机辅助设计、辅助制造的集成制造系统（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是指教师可以将某门课的教学内容编制成电子教案、多媒体课件等，学生还可以通过计算机或计算机网络，根据自己的能力、学习要求和掌握程度选择不同的学习内容，循序渐进地有目标地学习。通过学生与计算机之间的交互活动来达到教学目的，使教学内容和形式多样化、形象化。

5．办公自动化

办公自动化（Office Automation，OA）是将现代化办公和计算机技术结合起来的一种新型的办公方式。办公自动化没有统一的定义，凡是在传统的办公室中采用各种新技术、新机器、新设备从事办公业务，都属于办公自动化的领域。OA通常是指用计算机处理各种业务、商务，处理数据报表文件，进行各类办公业务的统计、分析、辅助决策、日常管理等。例如，用计算机进行文字处理，文档管理，资料、图像、声音处理，网络通信等。

6．人工智能

人工智能（Artifical Intelligence，AI）是指用计算机来模拟人的思维判断、推理等智能活动，就是使计算机具有自学习适应和逻辑推理的功能。虽然计算机的能力在许多方面远远超过了人类，如计算速度，但是真正要达到人的智能还是非常遥远的事情。目前有些智能系统已经能够替代人的部分脑力劳动，并获得许多实际应用。说到人工智能，被炒得最热的似乎都是些高大上的应用，例如无人驾驶、AlphaGo下围棋等，其实人工智能的应用范围很广，包括：医药、诊断、金融贸易、机器人控制、法律、科学发现和玩具。机器人是人工智能应用的典型例子，机器人可以帮助人们完成一些在恶劣条件下的繁重工作，例如在放射线、有毒、高温等环境下的工作，都可以控制机器人准确无误地完成。

下面给出几个被人们津津乐道的人工智能的典型案例。

（1）深蓝。“深蓝”（Deep Blue）是IBM公司研制的一台超级计算机，在1997年5月11日，仅用了一个小时便轻松地战胜俄罗斯国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫，并以3.5∶2.5的总比分赢得人与计算机之间的挑战赛，这是在国际象棋上人类智能第一次败给计算机，比赛现场如图1.1所示。

（2）沃森。如果说“深蓝”只体现于对弈的人工智能并不算足够智能的话，那么IBM公司研制的另一款人工智能程序“沃森”（Watson），则能够符合大众对“智能”的认知。在一档类似于“最强大脑”的综艺节目《危险边缘》中，沃森击败了两位最高纪录保持者，获得百万奖金，竞赛现场如图1.2所示。问答过程中，沃森在无人类协助的情况下，独自完成对自然语言的分析，并且以远超人类的速度完成抢答。人工智能程序沃森的特点在于对大数据迅速、准确的分析，现今IBM正将其运用于医学领域。病人向沃森上传自己的病况与症状，沃森则根据该情况分析患者最有可能患上的疾病种类，并提供医治方法。今后该程序还可运用在更多特定环境中，为用户提供各种紧急情况的应对方法。

图1-1　“深蓝”击败国际象棋第一人

图1-2　“沃森”智力碾压美国最强大脑

（3）阿尔法狗。2016年3月，谷歌旗下的子公司DeepMind公司开发的谷歌围棋人工智能“阿尔法狗”（AlphaGo）击败了世界围棋冠军韩国棋手李世石（Lee Sedol），这场轰动全球的“人机大战”总比分为4：1，比赛现场如图1.3所示。AlphaGo的最主要工作原理就是近几年人工智能领域最为热门的“深度学习”（Deep Learning），也就是通过模仿人类大脑神经网络，让机器模拟人脑的机制进行记忆、学习、分析、思维、创造等活动。

国内的人工智能领域，百度无疑走在前列。百度公司创始人、CEO李彦宏表示，这场AlphaGo上演的“人机大战”是人工智能技术一次很好的科普，会让越来越多的人关注这个技术。“当人工智能未来进入实用阶段时，智能搜索、无人驾驶汽车、智能机器人……这些才是社会和经济真正需要的东西。而未来5~10年正是中国人工智能发展的黄金时间，从过去学术讨论阶段开始进入到商用阶段的关键时期。”他说。最近，我们国内的一场人与机器的“人机大战”结果也新鲜出炉，2017年1月6日代表百度大脑的百度人工智能“小度”在我国脑力竞赛类电视节目《最强大脑》中首秀就将“世界记忆大师”王峰挑落马下，比赛现场如图1.4所示。

图1-3　围棋人机大战现场

图1-4　百度大脑“小度”与最强大脑比赛

人工智能越来越近。显然，它并不会只用来下棋，实际上它正掀起一轮产业变革、经济变革甚至社会变革。

7．电子商务

电子商务（Electronic Commerce，EC）是在Internet开放的网络环境与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上相互关联的动态商务活动，简单地说，是指利用计算机和网络进行的新型商务活动。电子商务作为一种新型的商务方式，将生产企业、流通企业以及消费者和政府带入了一个网络经济、数字化生存的新天地，它可以让人们不再受时间、地域的限制，以一种非常简捷的方式完成过去较为繁杂的商务活动。

电子商务的发展前景广阔，它向人们提供新的商业机会和市场需求。世界上许多公司已经开始通过Internet进行商业交易，他们通过网络方式与顾客、批发商、供货商和股东等进行相互间的联系，迅速快捷，费用低廉，其业务量往往超出传统方式。但同时，电子商务系统也面临着诸如保密性、可测性和可靠性等方面的挑战，不过这些问题也会随着网络信息技术的发展和社会的进步而得到解决。

电子商务根据交易双方的不同，分为三种形式：①B2B，交易双方都是企业，这是电子商务的主要形式；②B2C，交易双方是企业和消费者之间；③C2C，交易双方都是消费者。国内知名的电子商务网站有：阿里巴巴集团在2003年5月投资创立的C2C交易网站淘宝网（http://www.taobao.com）、2004年初涉足电子商务领域的国内B2C市场最大的3C网购专业平台京东商城（http://www.360buy.com，现网址https://www.jd.com）、腾讯2005年9月上线发布的C2C交易网站拍拍网（http://www.paipai.com，目前已被京东并购）、当当网信息技术有限公司运营的C2C交易网站当当网（http://www.dangdang.com）、成立于1992年国内领先的B2B电子商务服务供应商慧聪网（http://www.hc360.com）、成立于1999年的中国领先的在线旅游服务公司携程网（http://www.ctrip.com）等。

电子商务始于1996年，起步虽然不长，但其高效率、低支付、高收益和全球性的优点，很快受到各国政府和企业的广泛重视，发展势头不可小觑。目前电子商务交易额正以每年数倍的速度增长，据中关村在线消息，我国在2016年上半年电子商务交易额就超过10万亿元，电商直接或间接就业人数超2100万人。

8．多媒体技术

多媒体技术是以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的界面，其应用领域十分广泛。多媒体技术不仅覆盖了计算机的绝大部分应用领域，同时还拓展了新的应用领域，如可视电话、视频会议系统等。

1.1.4　计算机的性能指标

计算机的性能指标反映着计算机的能力，但计算机能力的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成和软件配置等多方面的因素综合决定的。不过对于大多数普通用户来说，可以从字长、主频、运算速度和存储容量等几个主要指标来大体评价计算机的性能。

1．字长

计算机字长是指计算机运算部件能一次处理的二进制数据的位数。计算机的字长总是8的倍数，如8位、16位、32位和64位等。显然，字长越长，计算机的运算速度就越快，运算精度也就越高，因此字长是计算机中一个很重要的技术性能指标。早期的微型计算机的字长一般是8位和16位，目前的微型计算机字长大多是32~64位。

2．主频

主频是指CPU的时钟频率。它是决定计算机运算速度的重要指标，一般说来，主频越高，计算机的运算速度越快。主频使用的单位为赫兹（Hz），目前的微型计算机主频一般都在2.5GHz~3.5GHz，对应的浮点运算速度是每秒两亿五千万次到三亿五千万次之间。例如Pentium G4500的主频为3.5GHz，由于微处理器发展迅速，微机的主频也在不断提高，“奔腾”（Pentium）处理器的主频目前已超过3GHz。

3．运算速度

计算机的运算速度是指每秒钟所能执行的加法指令条数，通常用每秒百万条指令（Million Instruction Per Second，MIPS）来表示。运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标，它更能直观地反映计算机的运行速度。目前微机的运算速度在300~500MIPS以上，甚至更高。

4．存储容量

存储容量是指存储设备存储信息的能力。一般分为内存容量和外存容量。

（1）内存容量

内存容量是指内存储器能够存储信息的总字节数。内存容量越大，它所能存储的数据和运行的程序就越多，其处理数据的能力就越强，所以内存容量是计算机的一个重要性能指标。目前微机的内存容量一般为2GB~8GB。

（2）外存容量

外存容量是指外存储器能够存储信息的总字节数。外存储器通常是指硬盘（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。目前硬盘容量一般为1TB~4TB。

常用容量单位如下。

·比特

1位二进制数所表示的信息量称为一个比特（bit，简称b），它只能表示0或1两个信息，这是最小的信息单位。

·字节

1个字节（Byte，简称B）由8位二进制位组成，即1B=8bit，字节是计算机表示存储的基本单位。

·其他单位

由于计算机的存储容量较大，实际使用的单位有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）、拍字节（PB）和艾字节（EB），它们之间的换算关系如下：

1KB=210B=1024B

1MB=210KB=220B

1GB=210MB=230B

1TB=210GB=240B

1PB=210TB=250B

1EB=210PB=260B

以上只是一些主要性能指标。除了上述这些主要性能指标外，还有其他一些指标，例如，可靠性和可维护性、所配置外围设备的性能指标以及所配置系统软件的情况等。另外，各项指标之间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应该把它们综合起来考虑，而且还要遵循“性能价格比”的原则。