任務一 認識計算機的發(fā)展

任務要求

肖磊上大學時選擇了與計算機相關的專業(yè)，他平時在生活中也會使用計算機，但他知道計算機的功能很強大，遠不止他目前所了解的。作為一名計算機相關專業(yè)的學生，肖磊迫切想要了解計算機是如何誕生與發(fā)展的，計算機有哪些功能和分類，計算機在信息技術中充當著怎樣的角色，計算機的未來發(fā)展又會是怎樣的。

本任務要求了解計算機的誕生及發(fā)展過程，認識計算機的特點、應用和分類，了解計算機的發(fā)展趨勢，并熟悉信息技術的相關概念。

任務實現(xiàn)

（一）了解計算機的誕生及發(fā)展過程

17世紀，德國數(shù)學家萊布尼茨發(fā)明了二進制，為計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)的表示方法創(chuàng)造了條件。20世紀初，電子技術得到飛速發(fā)展，1904年，英國電氣工程師弗萊明研制出真空二極管。1906年，美國科學家福雷斯特發(fā)明真空三極管，為計算機的誕生奠定了基礎。

20世紀40年代后期，西方國家的工業(yè)技術得到迅猛發(fā)展，相繼出現(xiàn)了雷達和導彈等高科技產(chǎn)品，大量復雜的科技產(chǎn)品的計算使得原有的計算工具無能為力，迫切需要在計算技術上有所突破。1943年正值第二次世界大戰(zhàn)，由于軍事上的需要，賓夕法尼亞大學電子工程系的教授莫克利和他的研究生埃克特計劃采用真空管建造一臺通用電子計算機，這個計劃被軍方采納。1946年2月，由美國賓夕法尼亞大學研制的世界上第一臺計算機——電子數(shù)字積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）誕生了，如圖1-1所示。

ENIAC的主要元件是電子管，每秒可完成5 000次加法運算，300多次乘法運算，比當時最快的計算工具要快300倍。ENIAC重30多噸，占地170m2，采用了18 000多個電子管、1 500多個繼電器、70 000多個電阻和10 000多個電容，耗電150千瓦。雖然ENIAC的體積龐大、性能不佳，但它的出現(xiàn)具有跨時代的意義，它開創(chuàng)了電子技術發(fā)展的新時代——計算機時代。

同一時期，ENIAC項目組的一個美籍匈牙利研究人員馮·諾依曼開始研制他自己的離散變量自動電子計算機（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC），這是當時最快的計算機，其主要設計理論是采用二進制和存儲程序方式。因此人們把該理論稱為馮·諾依曼體系結構，并沿用至今，馮·諾依曼也被譽為“現(xiàn)代電子計算機之父”。

從第一臺計算機ENIAC誕生至今，計算機技術成為發(fā)展最快的現(xiàn)代技術之一，根據(jù)計算機所采用的物理器件，可以將計算機的發(fā)展劃分為4個階段，如表1-1所示。

（二）認識計算機的特點、應用和分類

隨著科學技術的發(fā)展，計算機已被廣泛應用于各個領域，在人們的生活和工作中起著重要的作用。下面介紹計算機的特點、應用和分類。

1. 計算機的特點

計算機之所以具有如此強大的功能，是由它的特點所決定的。計算機主要有以下6個主要特點。

● 運算速度快。計算機的運算速度指的是單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的條數(shù)，一般以每秒能執(zhí)行多少條指令來描述。早期的計算機由于技術的原因，工作頻率較低，而隨著集成電路技術的發(fā)展，計算機的運算速度得到飛速提升，目前世界上已經(jīng)有超過每秒億億次速度的計算機。

● 計算精度高。計算機的運算精度取決于采用機器碼的字長（二進制碼），即常說的8位、16位、32位和64位等，字長越長，有效位數(shù)就越多，精度也就越高。如果將10位十進制數(shù)轉換成機器碼，便可以輕而易舉地取得幾百億分之一的精度。

● 邏輯判斷準確。除了計算功能外，計算機還具備數(shù)據(jù)分析和邏輯判斷能力，高級計算機還具有推理、診斷和聯(lián)想等模擬人類思維的能力，因此計算機俗稱為“電腦”，而具有準確、可靠的邏輯判斷能力是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)信息處理自動化的重要原因之一。

● 存儲能力強大。計算機具有許多存儲記憶載體，可以將運行的數(shù)據(jù)、指令程序和運算的結果存儲起來，供計算機本身或用戶使用，還可即時輸出文字、圖像、聲音和視頻等各種信息。例如，要在一個大型圖書館使用人工查閱書目可能會猶如大海撈針，而采用計算機管理后，所有的圖書目錄及索引都存儲在計算機中，這時查找一本圖書只需要幾秒。

● 自動化程度高。計算機內(nèi)具有運算單元、控制單元、存儲單元和輸入/輸出單元，計算機可以按照編寫的程序（一組指令）實現(xiàn)工作自動化，不需要人的干預，而且還可反復執(zhí)行。例如，企業(yè)生產(chǎn)車間及流水線管理中的各種自動化生產(chǎn)設備，正是因為植入了計算機控制系統(tǒng)才使工廠生產(chǎn)自動化成為可能。

● 具有網(wǎng)絡與通信功能。通過計算機網(wǎng)絡技術可以將不同城市、不同國家的計算機連在一起形成一個計算機網(wǎng)，在網(wǎng)上的所有計算機用戶都可以共享資料和交流信息，從而改變了人類的交流方式和信息獲取方式。

2. 計算機的應用

在計算機誕生的初期，計算機主要應用于科研和軍事等領域，負責的工作內(nèi)容主要是針對大型的高科技研發(fā)活動。近年來，隨著社會的發(fā)展和科技的進步，計算機的性能不斷提高，在社會的各個領域都得到了廣泛的應用。

計算機的應用可以概括為以下7個方面。

● 科學計算。科學計算即通常所說的數(shù)值計算，是指利用計算機來完成科學研究和工程設計中提出的一系列復雜的數(shù)學問題的計算。計算機不僅能進行數(shù)字運算，還可以解答微積分方程以及不等式。由于計算機具有較高的運算速度，對于以往人工難以完成甚至無法完成的數(shù)值計算，計算機都可以完成，如氣象資料分析和衛(wèi)星軌道的測算等。目前，基于互聯(lián)網(wǎng)的云計算，甚至可以體驗每秒10萬億次的超強運算能力。

● 數(shù)據(jù)處理和信息管理。對大量的數(shù)據(jù)進行分析、加工和處理等工作早已開始使用計算機來完成，這些數(shù)據(jù)不僅包括“數(shù)”，還包括文字、圖像和聲音等數(shù)據(jù)形式。由于現(xiàn)代計算機速度快、存儲容量大，使得計算機在數(shù)據(jù)處理和信息加工方面的應用十分廣泛，如企業(yè)的財務管理、事物管理、資料和人事檔案的文字處理等。利用計算機進行信息管理，為實現(xiàn)辦公自動化和管理自動化創(chuàng)造了有利條件。

● 過程控制。過程控制也稱為實時控制，它是指利用計算機對生產(chǎn)過程和其他過程進行自動監(jiān)測以及自動控制設備工作狀態(tài)的一種控制方式，被廣泛應用于各種工業(yè)環(huán)境中，并替代人在危險、有害的環(huán)境中作業(yè)，不受疲勞等因素的影響，并可完成人類所不能完成的有高精度和高速度要求的操作，從而節(jié)省了大量的人力物力，并大大提高了經(jīng)濟效益。

● 人工智能。人工智能（Artificial Intelligence,AI）是指設計智能的計算機系統(tǒng)，讓計算機具有人才具有的智能特性，讓計算機模擬人類的某些智力活動，如“學習”“識別圖形和聲音”“推理過程”和“適應環(huán)境”等。目前，人工智能主要應用在智能機器人、機器翻譯、醫(yī)療診斷、故障診斷、案件偵破和經(jīng)營管理等方面。

● 計算機輔助。計算機輔助也稱為計算機輔助工程應用，是指利用計算機協(xié)助人們完成各種設計工作。計算機的輔助功能是目前正在迅速發(fā)展并不斷取得成果的重要應用領域，主要包括計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、計算機輔助教育（CAE）、計算機輔助教學（Computer Assisted Instruction，CAI）和計算機輔助測試（Computer Aided Testing，CAT）等。

● 網(wǎng)絡通信。網(wǎng)絡通信是計算機技術與現(xiàn)代通信技術相結合的產(chǎn)物。網(wǎng)絡通信是指利用計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)信息的傳遞功能，隨著Internet技術的快速發(fā)展，人們可以在不同地區(qū)和國家間進行數(shù)據(jù)的傳遞，并可通過計算機網(wǎng)絡進行各種商務活動。

● 多媒體技術。多媒體技術（Multimedia Technology）是指通過計算機對文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像、動畫和聲音等多種媒體信息進行綜合處理和管理，使用戶可以通過多種感官與計算機進行實時信息交互的技術。多媒體技術拓寬了計算機的應用領域，使計算機廣泛應用于教育、廣告宣傳、視頻會議、服務業(yè)和文化娛樂業(yè)等領域。

3. 計算機的分類

計算機的種類非常多，劃分的方法也有很多種。

按計算機的用途可將其分為專用計算機和通用計算機兩種。其中，專用計算機是指為適應某種特殊需要而設計的計算機，如計算導彈彈道的計算機等。因為這類計算機都增強了某些特定功能，忽略了一些次要要求，所以有高速度、高效率、使用面窄和專機專用的特點。通用計算機廣泛適用于一般科學運算、學術研究、工程設計和數(shù)據(jù)處理等領域，具有功能多、配置全、用途廣和通用性強等特點，目前市場上銷售的計算機大多屬于通用計算機。

按計算機的性能、規(guī)模和處理能力，可以將計算機分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機5類，具體介紹如下。

● 巨型機。巨型機（見圖1-2）也稱超級計算機或高性能計算機，是速度最快、處理能力最強的計算機，是為少數(shù)部門的特殊需要而設計的。通常，巨型機多用于國家高科技領域和尖端技術研究，是一個國家科研實力的體現(xiàn)，現(xiàn)有的超級計算機運算速度大多可以達到每秒一萬億次以上。2014年6月，在德國萊比錫市發(fā)布的世界超級計算機500強排行榜上，中國超級計算機系統(tǒng)“天河二號”位居榜首，其浮點運算速度達到每秒33.86千萬億次。

● 大型機。大型機（見圖1-3）或稱大型主機，其特點是運算速度快、存儲量大和通用性強，主要針對計算量大、信息流通量多、通信能力強的用戶，如銀行、政府部門和大型企業(yè)等。目前，生產(chǎn)大型主機的公司主要有IBM等。

● 中型機。中型機的性能低于大型機，其特點是處理能力強，常用于中小型企業(yè)和公司。

● 小型機。小型機是指采用精簡指令集處理器，性能和價格介于微型機服務器和大型機之間的一種高性能64位計算機。小型機的特點是結構簡單、可靠性高和維護費用低，常用于中小型企業(yè)。隨著微型計算機的飛速發(fā)展，小型機最終被微型機取代的趨勢已非常明顯。

● 微型機。微型計算機簡稱微機，是應用最普及的機型，占了計算機總數(shù)中的絕大部分，而且價格便宜、功能齊全，被廣泛應用于機關、學校、企事業(yè)單位和家庭中。微型機按結構和性能可以劃分為單片機、單板機、個人計算機（PC）、工作站和服務器等，其中個人計算機又可分為臺式計算機和便攜式計算機（如筆記本電腦）兩類，分別如圖1-4、圖1-5所示。

（三）了解計算機的發(fā)展趨勢

從計算機的歷史發(fā)展來看，計算機的體積越來越小、耗電量越來越小、速度越來越快、性能越來越佳、價格越來越便宜、操作越來越容易。

1. 計算機的發(fā)展方向

未來計算機的發(fā)展呈現(xiàn)出巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化4個趨勢。

● 巨型化。巨型化是指計算機的計算速度更快、存儲容量更大、功能更強大和可靠性更高。巨型化計算機的應用范圍主要包括天文、天氣預報、軍事和生物仿真等，這些領域需進行大量的數(shù)據(jù)處理和運算，需要性能強的計算機才能完成。

● 微型化。隨著超大規(guī)模集成電路的進一步發(fā)展，個人計算機將更加微型化。膝上型、書本型、筆記本型和掌上型等微型化計算機將不斷涌現(xiàn)，并受到越來越多的用戶的喜愛。

● 網(wǎng)絡化。隨著計算機的普及，計算機網(wǎng)絡也逐步深入人們工作和生活的各個部分。通過計算機網(wǎng)絡可以連接地球上分散的計算機，然后共享各種分散的計算機資源。計算機網(wǎng)絡逐步成為人們工作和生活中不可或缺的事物，計算機網(wǎng)絡化可以讓人們足不出戶就能獲得大量的信息以及與世界各地的親友進行通信、網(wǎng)上貿(mào)易等。

● 智能化。早期，計算機只能按照人的意愿和指令去處理數(shù)據(jù)，而智能化的計算機能夠代替人的腦力勞動，具有類似人的智能，如能聽懂人類的語言，能看懂各種圖形，可以自己學習等，即計算機可以進行知識的處理，從而代替人的部分工作。未來的智能型計算機將會代替甚至超越人類某些方面的腦力勞動。

2. 未來新一代計算機芯片技術

由于計算機最重要的核心部件是芯片，因此計算機芯片技術的不斷發(fā)展也是推動計算機未來發(fā)展的動力。Intel公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在1965年曾預言了計算機集成技術的發(fā)展規(guī)律，那就是每18個月在同樣面積的芯片中集成的晶體管數(shù)量將翻一番，而成本將下降一半。

幾十年來，計算機芯片的集成度嚴格按照摩爾定律進行發(fā)展，不過該技術的發(fā)展并不是無限的。因為計算機采用電流作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘枺娏髦饕侩娮拥倪w移而產(chǎn)生，電子最基本的通路是原子；一個原子的直徑大約等于1 nm，目前芯片的制造工藝已經(jīng)達到了90 nm甚至更小，也就是說一條傳輸電流的導線的直徑即為90個原子并排的長度。那么最終晶體管的尺寸將接近納米級，即達到一個原子的直徑長度。但是這樣的電路是極不穩(wěn)定的，因為電流極易造成原子遷移，那么電路也就斷路了。

由于晶體管計算機存在上述物理極限，因而世界上許多國家在很早的時候就開始了各種非晶體管計算機的研究，如超導計算機、生物計算機、光子計算機和量子計算機等，這類計算機也被稱為第五代計算機或新一代計算機，它們能在更大程度上仿真人的智能，這類技術也是目前世界各國計算機發(fā)展技術研究的重點。

（四）熟悉信息技術的相關概念

以計算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術為核心的信息技術深深地影響了人類社會的各個領域，對人類的生活和工作方式產(chǎn)生了巨大的影響，隨著科學技術的不斷進步，信息技術將得到更深、更廣和更快的發(fā)展。

1. 信息與信息技術

信息在不同的領域有不同的定義，一般來說，信息是對客觀世界中各種事物的運動狀態(tài)和變化的反映。簡單地說，信息是經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)，或者說信息是數(shù)據(jù)處理的結果，信息泛指人類社會傳播的一切內(nèi)容，如音信、消息、通信系統(tǒng)傳輸和處理的對象等。在信息化社會，信息已成為科技發(fā)展的日益重要的資源。

信息技術（Information Technology,IT）是一門綜合的技術，人們對信息技術的定義因其使用的目的、范圍和層次不同而有所不同。聯(lián)合國教科文組織對信息技術的定義強調(diào)的是信息技術的現(xiàn)代化應用與高科技含量，主要指一系列與計算機相關的技術。狹義范圍內(nèi)的信息技術是指對信息進行采集、傳輸、存儲、加工和表達的各種技術的總稱。

信息技術主要是指應用計算機科學和通信技術來設計、開發(fā)、安裝和實施信息系統(tǒng)及應用軟件，主要包括傳感技術、通信技術、計算機技術和縮微技術。

● 傳感技術。傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現(xiàn)代科學與工程技術，它涉及傳感器、信息處理和識別的規(guī)劃設計、開發(fā)、建造、測試、應用及評價改進等活動，傳感技術、計算機技術和通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱，其主要任務是延長和擴展人類收集信息的功能。目前，傳感技術已經(jīng)發(fā)展了一大批敏感元件，例如，通過照相機、紅外和紫外等光波波段的敏感元件來幫助人們提取肉眼所見不到的重要信息，也可通過超聲和次聲傳感器來幫助人們獲得人耳聽不到的信息。

● 通信技術。通信技術又稱通信工程，主要研究的是通信過程中的信息傳輸和信號處理的原理和應用。目前，通信技術得到飛速發(fā)展，從傳統(tǒng)的電話、電報、收音機和電視到如今的移動通信（手機）、傳真、衛(wèi)星通信、光纖通信和無線通信等現(xiàn)代通信方式，從而使數(shù)據(jù)和信息的傳遞效率得到大大提高，通信技術已成為辦公自動化的支撐技術。

● 計算機技術。計算機技術是信息技術的核心內(nèi)容，其主要研究任務是延長人的思維器官處理信息和決策的功能，計算機技術作為一個完整系統(tǒng)所運用的技術，主要包括系統(tǒng)結構技術、系統(tǒng)管理技術、系統(tǒng)維護技術和系統(tǒng)應用技術等。近年，計算機技術同樣獲得飛速發(fā)展，尤其是隨著多媒體技術的發(fā)展，計算機的體積越來越小，但應用功能卻越來越強大。

● 縮微技術。縮微技術是一種涉及多學科、多部門、綜合性強且技術成熟的現(xiàn)代化信息處理技術，其主要研究任務是延長人的記憶器官存儲信息的功能。例如，在金融系統(tǒng)、衛(wèi)生系統(tǒng)、保險系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)均采用縮微技術復制紙質(zhì)載體的文件，從而改變了過去傳統(tǒng)管理方法，提高了檔案文件、文獻資料的管理水平，提高了經(jīng)濟效益。

總的來說，現(xiàn)代信息技術是一個內(nèi)容十分廣泛的技術群，它包括微電子技術、光電子技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、感測技術、控制技術和顯示技術等。此外，物聯(lián)網(wǎng)和云計算作為信息技術新的高度和形態(tài)被提出，并得到了發(fā)展，根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)為當下大多數(shù)技術與計算機互聯(lián)網(wǎng)技術的結合，它能更快、更準地收集、傳遞、處理和執(zhí)行信息，是科技的最新呈現(xiàn)形式與應用。

2. 信息化社會

信息化社會也稱為信息社會，是脫離工業(yè)化社會以后，信息將起主要作用的社會。一般認為，信息化是指以計算機信息技術和傳播手段為基礎的信息技術和信息產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟和社會發(fā)展中的作用日益加強，并發(fā)揮主導作用的動態(tài)發(fā)展過程。信息化社會是指以信息產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的比重、信息技術在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應用程度和信息基礎設施建設水平為主要標志的社會。

在信息化社會里，人類借助計算機與通信技術的運用，其處理信息的能力和傳輸信息的速度得到快速提高，信息社會的交流在很大程度上圍繞信息網(wǎng)絡及其服務中心開展，因此信息網(wǎng)絡已成為信息化社會的基礎設施。進入21世紀后，世界各國都在加強信息化建設，而信息化建設又推動了計算機科學技術的發(fā)展與信息化社會的發(fā)展，促進了計算機文化的產(chǎn)生，并徹底改變了人們的工作方式和生活方式，從而產(chǎn)生了移動電子商務、無紙化辦公、遠程教學、網(wǎng)絡會議和網(wǎng)上購物等新的生活理念。

如今，計算機技術水平的高低是衡量信息化社會人才素質(zhì)的重要標志，計算機文化的普及程度也標志著一個國家的綜合發(fā)展水平，并將影響整個國家信息化的進程。因此，只有掌握計算機技術與計算機文化，才能真正適應信息化社會的建設需要，才能創(chuàng)造出更加燦爛輝煌的人類文明。

3. 信息安全

現(xiàn)代信息技術給人類帶來了高效、方便的信息服務，同時也使人類信息環(huán)境面臨許多前所未有的難題，如隱私權受侵問題、知識產(chǎn)權問題、競爭問題和信息安全問題等。這就需要我們在理解信息技術帶來的實際的和潛在的不良影響后，加強信息道德教育和規(guī)范網(wǎng)絡行為，這樣才能真正的對其不利方面進行抵制。

信息安全包括信息本身的安全和信息系統(tǒng)的安全，可以從以下4個方面來理解信息安全和加強信息安全意識。

● 數(shù)據(jù)安全。在輸入、處理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)過程中，由于計算機硬件出現(xiàn)故障，或是人為的誤操作，以及計算機病毒和黑客的入侵等造成數(shù)據(jù)損壞和丟失現(xiàn)象，應通過確保數(shù)據(jù)存儲的安全、加密數(shù)據(jù)技術和安裝殺毒軟件等方式來避免這類危害。

● 計算機安全。國際標準化委員會對計算機安全的定義是“為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和采取的技術的和管理的安全保護，保護計算機硬件、軟件和數(shù)據(jù)不因偶然的或惡意的原因而遭到破壞、更改和顯露”。計算機安全中最重要的是存儲數(shù)據(jù)的安全，其面臨的主要威脅包括計算機病毒、非法訪問、計算機電磁輻射和硬件損壞等。

● 信息系統(tǒng)安全。信息系統(tǒng)安全是指信息網(wǎng)絡中的硬件、軟件和系統(tǒng)數(shù)據(jù)要受到保護，不能遭到破壞或泄露，以確保信息系統(tǒng)能夠持續(xù)、可靠地運行，信息服務不中斷。

● 法律保護。為了加強對計算機信息系統(tǒng)的安全保護和安全管理，我國先后制定了多部關于信息安全的法律法規(guī)，包括《中華人民共和國計算機信息系統(tǒng)安全保護條例》《計算機信息網(wǎng)絡國際聯(lián)網(wǎng)安全保護管理辦法》《互聯(lián)網(wǎng)信息服務管理辦法》和《信息網(wǎng)絡傳播權保護條例》等。