1.1 认识计算机

1.1.1 计算机概述

第二代（1959～1964年）是晶体管计算机，这时期的计算机使用的主要逻辑元件是晶体管，因此也称为晶体管时代。主存储器采用磁心，外存储器使用磁带和磁盘。软件方面开始使用管理程序，后期甚至使用操作系统并出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等一系列高级程序设计语言。这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。计算机的运行速度已提高到每秒几十万次，体积大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高，其代表机型有IBM7090、IBM7094、CDC7600等。

第三代（1965～1970年）是集成电路计算机，这时期的计算机用中小规模集成电路代替了分立元件，用半导体存储器代替了磁芯存储器，外存储器使用磁盘。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言数量增多，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。计算机的运行速度也提高到每秒几百万次，可靠性和存储容量进一步提高，外部设备种类繁多，计算机和通信密切结合起来，并广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域，其代表机器有IBM360系列、富士通F230系列等。

第四代（1971年以后）是大规模和超大规模集成电路计算机。这时期的计算机主要逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路，一般称为大规模集成电路时代。存储器采用半导体存储器，外存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光驱。软件方面，操作系统不断发展和完善，同时扩展了数据库管理系统和通信软件等的功能。计算机的发展进入了以网络为特征的时代。其运行速度可达到每秒万亿次，计算机的存储容量和可靠性有了很大提高，功能更加完善。这个时期计算机的类型除小型、中型、大型机外，开始向巨型机和微型机（个人计算机）两个方面发展，使计算机开始进入办公室、学校和家庭。

随着超大规模集成电路技术的不断发展以及计算机应用领域的不断扩展，计算机的发展表现出了巨型化、微型化、网络化和智能化4种趋势。

① 巨型化。指发展高速度、大存储容量和强功能的超级巨型计算机，主要应用于天文、气象、原子和核反应等尖端科技。目前最快的超级巨型计算机的运算速度已超过每秒十万亿次。

② 微型化。指发展体积小、功耗低和灵活方便的微型计算机，主要应用于办公、家庭和娱乐等领域。

③ 网络化。指将分布在不同地点的计算机由通信线路连接到一起从而组成一个规模大、功能强的网络系统，可灵活方便地收集、传递信息，共享硬件、软件、数据等计算机资源。

④ 智能化。指发展具有人类智能的计算机，目前许多国家都在投入大量资金和人员研究这种具有更高性能的计算机。

2.计算机的分类

通常情况下计算机采用3种分类标准。

（1）按处理对象分类

计算机按处理对象的不同可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和混合计算机。

① 电子模拟计算机所处理的电信号在时间上是连续的（称为模拟量），采用的是模拟技术。

② 电子数字计算机所处理的电信号在时间上是离散的（称为数字量），采用的是数字技术。计算机将信息数字化之后具有易保存、易表示、易计算、方便硬件实现等优点，所以数字计算机已成为信息处理的主流工具。通常所说的计算机都是指电子数字计算机。

③ 混合计算机是指将数字技术和模拟技术相结合的计算机。

（2）按性能规模分类

计算机按性能规模的不同可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机。

① 巨型机。研究巨型机（见图1-1）是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。巨型机的特点是运算速度快、存储容量大，主要用于核武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。目前世界上只有少数几个国家能生产巨型机。我国自主研发的银河 I 型亿次机和银河II型十亿次机都是巨型机。

② 大型机。大型机的特点表现在通用性强，具有很强的综合处理能力，性能覆盖面广等方面，主要应用于公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂等领域，通常人们称大型机为企业计算机。大型机在未来将被赋予更多的使命，如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全维护、科学计算等（见图1-2）。

③ 中型机。中型机是介于大型机和小型机之间的一种机型。

④ 小型机。小型机规模小，结构简单，设计周期短，便于及时采用先进工艺。这类机器由于可靠性高，对运行环境要求低，易于操作且便于维护，所以更符合部门性的要求，常为中小型企事业单位所用，具有规模较小、成本低、维护方便等优点。

⑤ 微型机。微型机又称个人计算机（Personal Computer,PC），是日常生活中使用最多、最普遍的计算机，具有价格低廉、性能强、体积小、功耗低等特点。现在微型计算机已经进入千家万户，成为人们工作、生活的重要工具。随着微型计算机的不断发展，其又被分为台式机（见图1-3）和便携机（又称为笔记本电脑，见图1-4）。

（3）按功能和用途分类

计算机按功能和用途的不同可分为通用计算机和专用计算机。

通用计算机具有功能强、兼容性强、应用面广、操作方便等优点，通常使用的计算机都是通用计算机。

专用计算机一般功能单一、操作复杂，用于完成特定的工作任务。

3.计算机的特点

计算机作为一种通用的信息处理工具，具有极高的处理速度、很强的存储能力、精确的计算和逻辑判断能力，其主要特点如下。

（1）运算速度快

当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微型机也可达到每秒亿次以上，使大量、复杂的科学计算问题得以解决。如卫星轨道的计算、大型水坝的计算等，过去人工计算需要几年甚至几十年的时间，而现在用计算机只需几天甚至几分钟即可完成。

（2）计算精确度高

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，与计算机的精确计算密不可分。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，是其他计算工具望尘莫及的。

（3）具有记忆和逻辑判断能力

随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。计算机不仅能进行计算，而且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，以供用户随时调用；还可以对各种信息（如文字、图形、图像、音乐等）通过编码技术进行算术运算和逻辑运算，甚至进行推理和证明。

（4）有自动控制能力

计算机内部的操作是根据人们事先编好的程序自动进行的。用户根据解题需要，事先设计运行步骤与程序，计算机将严格按照程序设定的步骤操作，整个过程无须人工干预。

（5）可靠性高

随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。计算机在管理应用中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。用同一台计算机能解决各种问题，应用于不同的领域。

4.计算机的用途

计算机的应用已渗透到社会的各个领域，正在改变着人们的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。归纳起来，计算机的用途可分为以下几个方面：

（1）科学计算

科学计算也称数值计算。计算机最开始就是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数值计算而研制的工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中，显得尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机。

在工业、农业以及人类社会的各领域中，计算机的应用都取得了许多重大突破，就连我们每天收听收看的天气预报都离不开计算机的科学计算。

（2）信息处理

科学研究和工程技术会产生大量的原始数据，包括图片、文字、声音等，而信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输、制表等操作。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索、经济管理等。

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，全世界计算机用于信息处理的工作量占全部计算机应用的80%以上，大大提高了工作效率，提高了管理水平。

（3）自动控制

自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，无须人工干预，即可按预定的目标和状态进行过程控制。所谓过程控制就是对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程。目前被广泛用于操作复杂的钢铁、石油化工业、医药等工业生产中。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率和产品质量，降低成本，缩短生产周期。

计算机自动控制还在国防和航空航天领域中起着决定性作用，例如，对无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是通过计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。

（4）计算机辅助设计和辅助教学

计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）是指借助计算机的帮助，来自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前CAD技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。在京九铁路的勘测设计中，使用计算机辅助设计系统绘制一张图纸仅需几个小时，而过去人工完成同样工作则要一周甚至更长时间。可见采用计算机辅助设计，可缩短设计周期，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要的是提高了设计质量。CAD已得到各国工程技术人员的高度重视，有些国家已把CAD和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助测试（Computer Aided Test）及计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）组成一个集成系统，使设计、制造、测试和管理有机结合，形成高度自动化的系统，从而产生了自动化生产线和“无人工厂”。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction,CAI）是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分别提供所需教材，还可以个别教学，及时指出其学生在学习中出现的错误，根据计算机对该生的测试成绩决定其学习能否从一个阶段进入另一个阶段。CAI 不仅能减轻教师的负担，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供了有效方法。

（5）对人工智能的研究和应用

人工智能（Artificial Intelligence,AI）是指用计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用，是计算机应用的一个新的领域，这方面的研究和应用正处于发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面已取得显著成效。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使其具有一定的“思维能力”。我国已成功开发一些中医专家诊断系统，可以模拟名医给患者诊病开方。

机器人是计算机人工智能的典型例子，其核心是计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人能够反馈外界信息，有一定的触觉、视觉、听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境、使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，能模仿人完成某些动作。机器人不怕疲劳，精确度高，适应力强，现已开始用于搬运、喷漆、焊接、装配等工作中。机器人还能代替人在危险工作中进行繁重的劳动，如在有放射线、有毒、高温、低温、高压、水下等环境中工作。

（6）多媒体技术应用

随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念—多媒体（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。随着网络技术的发展，计算机的应用进一步深入到社会各行各业，通过信息网实现数据与信息的查询、高速通信服务（电子邮件、电视电话、电视会议、文档传输）、电子教育、电子娱乐、电子购物（通过网络选看商品、办理购物手续、质量投诉等）、远程医疗和会诊、交通信息管理等。计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。

（7）计算机网络

把计算机的超级处理能力与通信技术结合起来就形成了计算机网络。人们熟悉的全球信息查询、邮件传送、电子商务等都是由此实现的。计算机网络已进入到了千家万户，给人们的生活带来了极大的方便。

（8）电子商务

电子商务（E-Business）是指利用计算机和网络进行的商务活动，具体来说是指综合利用局域网（LAN）、企业内联网（Intranet）和因特网（Internet）进行商品与服务交易、金融汇兑、网络广告或提供娱乐节目等商业活动。交易的双方可以是企业与企业，也可以是企业与消费者。

电子商务旨在通过网络完成核心业务，改善售后服务，缩短周转周期，从有限的资源中获得更大的收益，从而达到销售商的目的。电子商务向人们提供新的商业机会、市场需求以及各种挑战。在一个拥有无数互联计算机的时代，电子商务的发展对于一个公司而言不仅仅意味着一个商业机会，还意味着一个新的全球性网络驱动经济的诞生。