項目1 計算機與信息技術基礎

任務1.1 認識計算機

1.1.1 任務要點

◆ 計算機的發展歷程。

◆ 計算機的特點。

◆ 計算機的應用。

◆ 計算機的分類。

1.1.2 任務要求

在信息化如此發達的今天，計算機已成為人們工作、學習和生活中離不開的工具，計算機也成為各行各業工作人員的必備知識和技能。要求掌握計算機的基礎知識，對計算機的發展歷程、特點、應用和種類等知識有一個大概的了解。

1.1.3 實施過程

1.通過理論學習，了解計算機的發展歷程、特點、應用、種類等基礎知識。

2.課外通過實地走訪的形式觀察和了解不同種類計算機的應用場合和應用方式。

1.1.4 知識鏈接

1.計算機的發展歷程

（1）第一代計算機（1946—1957年）：電子管計算機。

硬件方面，邏輯元件采用真空電子管；主存儲器采用汞延遲線、陰極射線示波管、靜電存儲器、磁鼓、磁芯；外存儲器采用磁帶。軟件方面，采用機器語言、匯編語言。應用領域以軍事和科學計算為主。特點是體積大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般為每秒數千次至數萬次）、價格昂貴，但第一代計算機為以后的計算機發展奠定了基礎。

（2）第二代計算機（1958—1964年）：晶體管計算機。

硬件方面，邏輯元件采用晶體管，主存儲器采用磁芯，外存儲器采用磁盤。軟件方面，出現了以批處理為主的操作系統、高級語言及其編譯程序。應用領域以科學計算和事務處理為主，并開始進入工業控制領域。特點是體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運算速度提高（一般為數十萬次每秒，可高達300萬次每秒），性能相比第一代計算機有很大的提高。

（3）第三代計算機（1965—1970年）：中小規模集成電路計算機。

硬件方面，邏輯元件采用中、小規模集成電路（MSI、SSI），主存儲器仍采用磁芯。軟件方面，出現了分時操作系統以及結構化、規模化程序設計方法。應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。特點是速度更快（一般為數百萬次至數千萬次每秒）、可靠性顯著提高、價格進一步下降，產品走向了通用化、系列化和標準化。

（4）第四代計算機（1971年至今）：大規模、超大規模集成電路計算機。

硬件方面，邏輯元件采用大規模和超大規模集成電路（LSI和VLSI）。軟件方面，出現了數據庫管理系統、網絡管理系統和面向對象語言等。1971年世界上第一臺微處理器在美國硅谷誕生，開創了微型計算機的新時代。應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步走向家庭。

2.計算機的特點

計算機作為一種通用的信息處理工具，它具有極高的處理速度、很強的存儲能力、精確的計算邏輯判斷能力，其主要特點如下。

（1）運算速度快。截至2019年年底，超級計算機的運算速度已經達到每秒數十億億次，微型計算機也可以高達每秒幾萬億次以上，使大量復雜的科學計算問題得以解決。

（2）計算精確度高。科學技術的發展尤其是尖端科學技術的發展，需要高度精確地計算。計算機的計算精度從千分之幾到百萬分之幾，令其他任何計算工具都望塵莫及。

（3）具有記憶和邏輯判斷能力。隨著計算機存儲容量的不斷增大，可存儲記憶的信息越來越多。計算機不僅能進行計算，而且能把參加運算的數據、程序以及計算結果保存起來，以供用戶隨時調用。還可以對各種信息通過編碼進行算術運算和邏輯運算，甚至進行推理和證明。

（4）具有自動控制能力。計算機內部操作是根據人們事先編好的程序自動控制進行的。用戶根據實際應用需要，事先設計好運行步驟與程序，計算機會十分嚴格地按設定的步驟操作，整個過程無須人工干預。

（5）可靠性高。計算機的運行不會受外力、情緒的影響，只要內部元器件不損壞就可以連續工作。

3.計算機的應用

計算機的應用已滲透到社會的各個領域，正在改變著傳統的工作、學習和生活方式，推動著社會的發展?？偨Y起來計算機的主要應用領域有以下幾個方面。

（1）科學計算。

科學計算也稱為數值計算，是計算機最基本的功能之一。計算機最開始是為了解決科學研究和工程設計中遇到的大量數學問題中的數值計算而研制的計算工具。隨著現代科學技術的進一步發展，數值計算在現代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領域中顯得尤為重要。例如衛星運行軌跡、水壩應力、氣象預報、油田布局、潮汐規律等，這些無法用人工解決的復雜的數值計算，都可以使用計算機快速而準確地解決。

（2）數據處理。

數據處理也叫信息處理，是計算機應用最廣泛的領域。電子計算機早期主要用于數值計算，但不久應用范圍就突破了這個局限，除了能進行數值計算之外，還能對字母、符號、表格、圖形、圖像等信息進行處理。計算機系統也發展了非數值算法和相應的數據結構，現代計算機可對數據進行采集、分類、排序、統計、制表、計算等方面的加工，并對處理的數據進行存儲和傳輸。與科學計算相比，數據處理的特點是數據輸入/輸出量大，而計算則相對簡單得多。

計算機的應用從數值計算發展到非數值計算的數據處理，大大拓寬了計算機應用的領域。目前，計算機的信息處理已經應用得非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務管理、圖書資料管理、商業數據交流、情報檢索和經濟管理等。信息處理已成為當代計算機的主要任務，是現代化管理的基礎。

（3）自動控制。

自動控制是通過計算機對某一過程進行自動操作的行為，它不需要人工干預，能夠按人預定的目標和預定的狀態進行過程控制。所謂過程控制是指對操作數據進行實時采集、檢測、處理和判斷，按最佳值進行調節的過程。

計算機加上感應檢測設備及模/數轉換器，就構成了自動控制系統。使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，提高勞動效率和產品質量，降低成本，縮短生產周期，目前被廣泛用于操作復雜的鋼鐵工業、石油化工業和醫藥工業等生產過程中。計算機自動控制還在國防和航空航天領域中起著決定性作用，例如無人駕駛飛機、導彈、人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制，都是靠計算機來實現的?？梢哉f計算機在現代國防和航空航天領域是必不可少的。

（4）輔助設計和輔助教學。

計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是指借助計算機的幫助自動或半自動地完成各類工程設計工作。目前CAD技術已應用于飛機設計、船舶設計、建筑設計、機械設計和大規模集成電路設計等。采用計算機輔助設計，可以縮短設計時間，提高工作效率，節省人力、物力和財力，更重要的是提高了設計質量。CAD已經得到各國工程技術人員的高度重視，有些國家甚至把CAD和計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing）、計算機輔助測試（Computer Aided Test）及計算機輔助工程（Computer Aided Engineering）組成一個集成系統，使設計、制造、測試和管理有機地組成為一體，形成高度的自動化系統，因此產生了自動化生產線和“無人工廠”。

計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）是指用計算機來輔助完成教學計劃或模擬某個實驗過程。計算機可按不同要求，分別提供所需的教材內容，還可以個別教學，及時指出學生在學習中出現的錯誤，根據計算機對學生的測試成績決定學生的學習從一個階段進入另一個階段。CAI不僅能夠減輕教師的負擔，還能激發學生的學習興趣，提高教學質量，為培養現代化高質量人才提供有效的方法。

（5）人工智能。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用。人工智能是計算機應用的一個重要領域，這方面的研究和應用正處于高速發展階段，在醫療診斷、定理證明、語言翻譯、機器人等方面已取得了顯著的成效。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行思維學習、推理、聯想和決策，使計算機具有一定的“思維能力”。

機器人是計算機人工智能的典型例子，其核心就是計算機。第一代機器人的代表是機械手；第二代機器人對外界信息能夠反饋，有一定的觸覺、視覺和聽覺；第三代機器人是智能機器人，具有感知和理解周圍環境，使用語言、推理、規劃和操縱工具的技能，可以模仿人完成某些動作。機器人不怕疲勞，精確度高，適應力強，現已開始用于搬運、噴漆、焊接、裝配等工作中。機器人還能代替人在危險工作中進行繁重的勞動，如在有放射線、污染有毒、高溫、低溫、高壓和水下等環境中工作。

（6）多媒體技術應用。

隨著電子技術特別是通信和計算機技術的發展，人們已經有能力把文本、動畫、圖形、圖像、音頻、視頻等各種媒體綜合起來，構成一種全新的概念——多媒體（Multimedia）。在醫療、教育、商業、銀行、保險、行政管理、軍事、工業、廣播和出版等領域中，多媒體的應用發展很快。

（7）計算機網絡。

計算機網絡是現代計算機技術與通信技術高度發展和密切結合的產物，它利用通信設備和線路將地理位置不同、功能獨立的多個計算機系統互聯起來，以功能完善的網絡軟件實現網絡中資源共享和信息傳遞的系統。

人類已經進入信息社會，處理信息的計算機和傳輸信息的計算機網絡組成了信息社會的基礎。目前，各種各樣的計算機局域網在學校、政府機關甚至家庭中起著舉足輕重的作用，全世界最大的計算機網絡Internet（因特網）把整個地球變成了一個小小的村落，人們通過計算機網絡實現數據與信息的查詢、高速通信服務（電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳輸）、電子教育、電子娛樂、電子商務、遠程醫療和會診、交通信息管理等。

4.計算機的分類

（1）按照性能指標分類：

① 巨型機：高速度、大容量。

② 大型機：速度快、應用于軍事技術科研領域。

③ 小型機：結構簡單、造價低、性能價格比突出。

④ 微型機：體積小、重量輕、價格低。

（2）按照用途分類：

① 專用機：針對性強、特定服務、專門設計。

② 通用機：通過科學計算、數據處理、過程控制解決各類問題。

（3）按照原理分類：

① 數字機：速度快、精度高、自動化、通用性強。

② 模擬機：用模擬量作為運算量，速度快、精度差。

③ 混合機：集中前兩者優點、避免其缺點，處于發展階段。

1.1.5 知識拓展

1.計算機的誕生

1946年2月，世界上第一臺電子數字計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）在美國誕生，它是在美國陸軍部贊助下，由美國國防部和賓夕法尼亞大學共同研制的。ENIAC使用了約18000只電子管，約10000只電容，約7000只電阻，體積約3000立方英尺，占地約170平方米，重量約30噸，耗電約140～150千瓦，是一個名副其實的“龐然大物”，如圖1-1所示。

ENIAC誕生后的短短幾十年間，計算機的發展突飛猛進。主要是電子元器件相繼使用了真空電子管，晶體管，中、小規模集成電路和大規模、超大規模集成電路，實現了計算機的幾次更新換代。目前，計算機的應用已擴展到社會的各個領域。

2.計算機的發展趨勢

（1）巨型化。巨型化是指研制速度更快、存儲量更大、功能更強大的巨型計算機。其運算能力一般在億億次每秒以上、內存容量在幾百吉字節以上，主要應用于天文、氣象、地質、核技術、航天飛機和衛星軌道計算等尖端科學技術領域。巨型計算機的技術水平是衡量一個國家技術和工業發展水平的重要標志。

（2）微型化。微型化是指利用微電子技術和超大規模集成電路技術，把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機的微型化已成為計算機發展的重要方向，各種筆記本電腦和PDA的大量面世就是計算機的微型化的一個標志。

（3）網絡化。網絡技術可以更好地管理網上的資源，它把整個因特網虛擬為功能強大的一體化系統，猶如一臺巨型機，在這個動態變化的網絡環境中，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源和專家資源的全面共享，從而讓用戶享受可靈活控制的、智能的、協作式的信息服務，并獲得前所未有的使用方便性。

（4）智能化。計算機智能化是指計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能化的研究包括模擬識別、物形分析、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設計、專家系統、學習系統以及智能機器人等。目前已研制出多種具有人的部分智能的機器人，可以代替人在一些危險的工作崗位上工作。

（5）多媒體化。多媒體計算機是當前計算機領域中最引人注目的高新技術之一。多媒體計算機就是利用計算機技術、通信技術和大眾傳播技術，來綜合處理多種媒體信息的計算機。這些信息包括文本、視頻圖像、圖形、聲音和文字等。多媒體技術使多種信息建立了有機聯系，并集成為一個具有人機交互性的系統。多媒體計算機將真正改善人機界面，使計算機朝著人類接受和處理信息的最自然的方式發展。

1.1.6 技能訓練

練習：

（1）去計算機市場參觀，瀏覽各種不同形狀和種類的計算機實體。

（2）去超市、銀行或其他公共服務部門觀察這些場合的計算機的用途。