1.1.2 計算機的特點及應用領域

1.計算機的主要特點

在人類發展過程中沒有一種機器像計算機這樣具有如此強勁的滲透力，可以毫不夸張地說，人類現在已經離不開計算機。計算機之所以這么重要，與它的強大功能是分不開的。同以往的計算工具相比，計算機具有以下幾個主要特點。

（1）運算速度快。運算速度是計算機的一個重要性能指標。計算機的運算速度通常用每秒執行定點加法的次數或平均每秒鐘執行指令的條數來衡量。

世界上第一臺計算機的運算速度為每秒5 000次，目前世界上最快的計算機每秒可運算萬兆次，普通個人計算機每秒也可處理上百萬條指令。運算速度快，不僅可以極大地提高工作效率，而且可以使時限性強的復雜處理在限定的時間內完成。

（2）計算精度高。計算機的計算精度隨著數字運算設備的技術發展而提高，加上采用了二進制數字進行計算的先進算法，因此可以得到很高的計算精度。

在計算機誕生前1 500多年的時間里，雖然人們不懈努力，但也僅能計算到小數點后500位，而使用計算機后，目前已可達到小數點后上億位的精度。

（3）存儲容量大，記憶能力強。計算機的存儲器類似于人的大腦，可以記憶大量的數據和計算機程序，隨時提供信息查詢、處理等服務，這使計算機具有了“記憶”功能。目前，計算機的存儲容量越來越大，已高達吉（109）數量級的容量。計算機具有“記憶”功能，是與傳統計算工具的顯著區別。

（4）具有邏輯判斷能力。計算機不僅能進行算術運算，同時也能進行各種邏輯運算，具有邏輯判斷能力，這是計算機的又一重要特點。布爾代數是建立計算機的邏輯基礎，計算機的邏輯判斷能力也是計算機智能化必備的基本條件，是計算機能實現信息處理自動化的重要原因。

馮·諾依曼型計算機的基本思想就是將程序預先存儲在計算機中。在程序執行過程中，計算機根據上一步的處理結果，能運用邏輯判斷能力自動決定下一步應該執行哪一條指令。這樣，計算機的計算能力、邏輯判斷能力和記憶能力三者結合，使得計算機的能力遠遠超過了其他任何一種工具而成為人類腦力延伸的有力助手。

知識擴展

圖1-15所示為計算機奠基人——馮·諾依曼（John von Neumann）。1903年12月28日，他生于匈牙利布達佩斯的一個猶太人家庭，是著名的美籍匈牙利數學家。

程序存儲在計算機內，計算機再自動地逐步執行程序，這個被稱為“存儲程序和過程控制”的思想就是由馮·諾依曼提出來的。雖然計算機一直在不斷地發展，但計算機原理一直沿用該思想，因此人們把迄今為止的計算機稱為馮·諾依曼型計算機。

（5）自動化程度高。只要預先把處理要求、處理步驟、處理對象等必備元素存儲在計算機系統內，計算機啟動工作后就可以在無人參與的條件下自動完成預定的全部處理任務。這是計算機區別于其他工具的本質特點。其中，向計算機提交任務主要是通過程序、數據和控制信息的形式。

計算機中可以存儲大量的程序和數據。存儲程序是計算機工作的一個重要原則，這是計算機能夠自動處理的基礎。

（6）支持人機交互。計算機具有多種輸入/輸出設備，配上適當的軟件后，可支持用戶進行方便的人機交互。以廣泛使用的鼠標為例，用戶手握鼠標，只需輕輕單擊，計算機便可隨之完成某種操作功能。

隨著計算機多媒體技術的發展，人機交互設備的種類也越來越多，如手寫板、掃描儀、觸摸屏等。這些設備使計算機系統以更接近人類感知外部世界的方式輸入或輸出信息，使計算機更加人性化。

（7）通用性強。計算機能夠在各行各業得到廣泛的應用，原因之一就是具有很強的通用性。計算機采用存儲程序原理，程序可以是各個領域中的用戶自己編寫的應用程序，也可以是廠家提供的供多用戶共享的程序；豐富的軟件，多樣的信息，使計算機具有相當大的通用性。

2.計算機的應用領域

計算機的高速發展全面促進了計算機的應用。在當今信息社會中，計算機的應用極其廣泛，已遍及經濟、政治、軍事及社會生活的各個領域。計算機的具體應用可以歸納為以下幾個方面。

（1）科學計算。科學計算又被稱為數值計算，是計算機最早的應用領域。同人工計算相比，計算機計算不僅速度快，而且精度高。利用計算機的高速運算和大容量存儲的能力，可進行人工難以完成或根本無法完成的各種數值計算。

其中一個著名的例子是圓周率值的計算。美國一位數學家在 1873年宣稱，他花了 15年的時間把圓周率 π 的值計算到小數點后707位。111年之后，日本有人宣稱用計算機將 π 值計算到小數點后1 000萬位，卻只用了24小時。

對要求限時完成的計算，使用計算機可以贏得寶貴時間。以天氣預報（見圖1-16）為例，如果用人工進行計算，預報一天的天氣情況就需要計算幾個星期，這就失去了時效。如果改用高性能的計算機系統，取得10天的預報數據只需要計算幾分鐘，這就使中、長期天氣預報成為可能。

科學計算是計算機成熟的應用領域，由大量經過“千錘百煉”的實用計算程序組成的軟件包早已商品化，成為計算機應用軟件的一部分。

（2）數據處理。數據處理又被稱為信息處理（見圖1-17），是目前計算機應用的主要領域。在信息社會中需要對大量的、以各種形式表示的信息資源進行處理，計算機因其具備的種種特點，自然成為處理信息的得力工具。

早在20世紀50年代，人們就開始把登記、統計賬目等單調的事務工作交給計算機處理。20世紀60年代初期，大銀行、大企業和政府機關紛紛用計算機來處理賬冊、管理倉庫或統計報表，從數據的收集、存儲、整理到檢索統計，應用的范圍日益擴大。數據處理很快就超過科學計算，成為最廣泛的計算機應用領域。

隨著數據處理應用的擴大，在硬件上刺激著大容量存儲器和高速度、高質量輸入/輸出設備的發展。同時，也在軟件上推動了數據庫管理系統、表格處理軟件、繪圖軟件以及用于分析和預測等應用的軟件包的開發。

（3）自動控制。自動控制也被稱為過程控制或實時控制，是指用計算機作為控制部件對生產設備或整個生產過程進行控制。其工作過程是：首先用傳感器在現場采集受控制對象的數據，求出它們與設定數據的偏差；接著由計算機按控制模型進行計算；然后產生相應的控制信號，驅動伺服裝置對受控對象進行控制或調整。

（4）計算機輔助功能。計算機輔助功能是指能夠部分或全部代替人完成各項工作的計算機應用系統，目前主要包括計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助測試和計算機輔助教學。

① 計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）。CAD可以幫助設計人員進行工程或產品的設計工作，采用CAD能夠提高工作的自動化程度，縮短設計周期，并達到最佳的設計效果。目前，CAD技術廣泛應用于機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工、建筑等行業，已成為現代計算機應用中最活躍的領域之一。

② 計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）。CAM是指用計算機來管理、計劃和控制加工設備的操作。采用CAM技術，可以提高產品質量、縮短生產周期、提高生產率、降低勞動強度，并改善生產人員的工作條件。

計算機輔助設計和計算機輔助制造的結合產生了 CAD/CAM一體化生產系統，再進一步發展，則形成了計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。CIMS是制造業的未來。

③ 計算機輔助測試（Computer Aided Test，CAT）。CAT是指利用計算機協助對學生的學習效果進行測試，并對學習能力進行估量。CAT一般分為脫機測試和聯機測試兩種。

脫機測試是由計算機從預置的題目庫中按教師規定的要求挑選出一組適當的題目，打印為試卷，給學生回答后，答案紙卡可通過光電閱讀機送入計算機進行評卷和評分。標準答案在計算機中早已存儲，以作對照用。聯機測試是從計算機的題目庫中逐個地選出題目，并通過顯示器和輸出打印機等交互手段向學生提問，學生將自己的回答通過鍵盤等輸入設備送入計算機，由計算機批閱并評分。

④ 計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）。CAI是指利用計算機來輔助教學工作。CAI 改變了傳統的教學模式，它使用計算機作為教學工具，把教學內容編制成教學軟件——課件。學習者可根據自己的需要和愛好選擇不同的內容，在計算機的幫助下學習，實現教學內容的多樣化和形象化。

隨著計算機網絡技術的不斷發展，特別是全球計算機網絡Internet的實現，計算機遠程教育已成為當今計算機應用技術發展的主要方向之一，它有助于構建個人的終生教育體系，是現代教育中的一種教學模式。

（5）人工智能（Artificial Intelligence，AI）。AI是指用計算機來模擬人的智能，代替人的部分腦力勞動。人工智能既是計算機當前的重要應用領域，也是今后計算機發展的主要方向。近20余年來，圍繞AI的應用主要表現在以下幾個方面。

① 機器人。機器人誕生于美國，但發展最快的是日本。機器人可分為兩類：一類叫“工業機器人”，它由事先編制好的過程控制，只能完成規定的重復動作，通常用于車間的生產流水線上：另一類叫“智能機器人”，它具有一定的感知和識別能力，能說話和回答一些簡單問題。

② 定理證明。借助計算機來證明數學猜想或定理，這是一項難度極大的人工智能應用。最著名的例子是四色猜想的證明。

知識擴展

四色猜想是圖論中的一個世界級難題，它的內容是：任意一張地圖只需要4種顏色來著色，就可以使地圖上的相鄰區域具有不同的顏色。換言之，用4種顏色就可以繪制任何地圖，3種顏色不夠，而5種顏色多余。

這個猜想的證明不知難倒了多少數學家，雖然經過無數次的驗證，但一直無法在理論上給出證明。1976年，美國數學家哈根和阿貝爾用計算機進行了100億次邏輯判斷，成功地證明了四色猜想。

③ 專家系統。專家系統是一種能夠模仿專家的知識、經驗、思想，代替專家進行推理和判斷，并做出決策處理的人工智能軟件。著名的“關幼波肝病診療程序”就是根據我國著名中醫關幼波的經驗制成的一個醫療專家系統。

④ 模式識別。這是 AI 最早的應用領域之一，是通過抽取被識別對象的特征，與存放在計算機內的已知對象的特征進行比較及判別，從而得出結論的一種人工智能技術。公安機關的指紋分辨、手寫漢字識別、語音識別等都是模式識別的應用實例。

（6）網絡應用。網絡應用是計算機技術與通信技術結合的產物，計算機網絡技術的發展將處在不同地域的計算機用通信線路連接起來，配以相應的軟件，達到資源共享的目的。

網絡應用是當前及今后計算機應用的主要方向。目前Internet的用戶遍布全球，計算機網絡作為信息社會的重要基礎設施，影響已深入人心，上網已成為人們日常生活中不可或缺的一部分。

總之，在現代生活中，在我們的身邊，計算機無處不在，其應用已滲透到社會的各個領域，改變了人們傳統的工作、生活方式。可以預見的是，計算機對人類的影響會越來越大。