第1章 計算機基礎知識

計算機是20世紀的重大科學技術成就之一，進入21世紀，從尖端科學到人類社會生活的各個領域，到處都可以看到由計算機所帶來的巨大變化和深遠影響。本章通過介紹計算機的產生、發展及應用，使讀者對計算機有一個初步的認識。

1.1 計算機的產生與分類

1946年2月，由美國賓夕法尼亞大學研制的電子數字積分計算機（ENIAC：Electronic Numerical Integrator And Calculator），它采用電子管作為基本元件，共由18000多個電子管、1500多個繼電器、10000多只電容器和7000多只電阻構成，占地170m2，重達30t，每小時耗電達150度，儼然是一個龐然大物；它每秒能進行5000次加法運算，比當時已有的計算裝置快1000多倍，而且還有按事先編好的程序自動執行算術運算、邏輯運算和存儲數據的功能。ENIAC的誕生宣告了計算機時代的開始。

第一代計算機（1946—1958年），采用電子管作為邏輯元件，用陰極射線管或汞延遲線作為主存儲器，外存主要使用紙帶、卡片等；程序設計主要使用機器指令或符號指令；應用領域主要是科學計算。

第二代計算機（1959—1964年），采用晶體管代替了電子管，主存儲器均采用磁芯存儲器，磁鼓和磁帶開始用做主要的外存儲器；程序設計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設計語言；計算機的應用領域也從科學計算擴展到了事務處理、工程設計等多個方面。

第三代計算機（1965—1969年），采用中小規模的集成電路塊代替了晶體管等分立元件，半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器。計算機也進入了產品標準化、模塊化、系列化的發展時期，計算機的管理、使用方式也由手工操作完全改變為自動管理，計算機的使用效率顯著提高。

第四代計算機（1970 至今），采用大規模和超大規模集成電路。20 世紀70年代以后，計算機使用的集成電路迅速從中小規模發展到大規模和超大規模的水平。大規模和超大規模集成電路應用的一個直接結果是微處理器和微型計算機的誕生。微處理器是將傳統的運算器和控制器集成在一塊大規模或超大規模集成電路芯片上，作為中央處理單元（CPU）。以微處理器為核心，再加上存儲器和接口等芯片以及輸入/輸出設備便構成了微型計算機。微處理器自1971年誕生以來，幾乎每隔兩三年就要更新換代，以高檔微處理器為核心構成的高檔微型計算機系統已達到和超過了傳統的超級小型計算機的水平，其運算速度可以達到每秒數百億次。由于微型計算機體積小、功耗低、成本低，其性能價格比占有很大優勢，因而得到了廣泛的應用。微處理器和微型計算機的出現不僅深刻地影響著計算機技術本身的發展，同時也促使計算機技術滲透到了社會生活的各個方面，極大地推動了計算機的普及。

計算機發展階段示意表如表1.1所示。

隨著微電子、計算機和數字化聲像技術的發展，多媒體技術也得到了迅速發展。這里所說的媒體是指表示和傳播信息的載體，如文字、聲音、圖像都是媒體。在20世紀80年代以前，人們使用計算機處理的主要是數字與文字信息，而此后則開始將其應用于圖形和圖像處理。隨著數字化音頻和視頻技術的突破，逐步形成了集聲、文、圖、像于一體化的多媒體計算機系統。它不僅使計算機應用更接近人類習慣的信息交流方式，而且將開拓出許多新的計算機應用領域。

計算機網絡技術是在20世紀60年代末、70年代初開始發展起來的，計算機與通信技術的結合使計算機應用從單機走向網絡，從獨立網絡走向互聯網絡。互聯網把分布在不同地理區域的計算機與專門的外部設備用通信線路互聯成一個規模大、功能強的網絡系統，它不但可以使眾多的個人計算機能夠同時處理文字、數據、圖像、聲音等信息，而且還可以使這些信息四通八達，并及時地與全國乃至全世界的信息進行交換，從而使眾多的計算機方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數據信息等資源。通過網絡服務器，一臺臺計算機就像人類社會的一個個神經元被聯系起來，從而組成信息社會的一個重要的“神經系統”——Internet。

1.2 計算機的發展趨勢

計算機從第一代發展到第四代，已由僅僅包含硬件的系統發展到包含硬件和軟件兩大部分的計算機系統。計算機的種類也一再分化，發展成微型計算機、小型計算機、通用計算機（包括巨型、大型、中型計算機）以及各種專用機等。由于技術的更新和應用的推動，計算機一直處在飛速發展之中。依據衡量信息技術發展功能價格比的摩爾定律，計算機芯片的功能每18個月翻一番，而價格減一半。該定律的作用從20世紀60年代以來，已持續了40多年。

由于在傳統計算機的基礎上大幅度提高計算機的性能遇到了難以逾越的障礙，很多專家嘗試從基本原理上尋找計算機發展的突破口，目前比較典型的有基于物理學原理的分子計算機、量子計算機、光子計算機，基于生物化學原理的神經網絡計算機和蛋白質計算機等。

無論是基于何種原理的計算機，都在朝著多極化、智能化、網絡化、多媒體化方向發展。

1.多極化

自20世紀90年代開始，計算機在提高性能、降低成本、普及和深化應用等方面的發展趨勢仍在繼續，而社會對巨型機、大型機的需求也穩步增長，巨型、大型、小型、微型機有著各自的應用領域，形成了一種多極化發展的態勢。

2.網絡化

在20世紀50年代至70年代，計算機的應用模式主要是依賴于大型計算機的“集中計算模式”，80年代由于個人計算機的廣泛使用而表現為“分散計算模式”，90年代起由于計算機網絡的發展，使計算機的應用進入了“網絡計算模式”。在這種模式下，眾多用戶共享信息資源，互相傳遞信息，即資源共享，目前世界上最大的計算機互聯網Internet用戶數已經過億。

3.智能化

人們正在研究開發的計算機系統，主要著眼于計算機的智能化，它以知識處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動，具有自然的人機通信能力。當然，這是一個需要長期努力才可以實現的目標。

4.多媒體化

計算機數字化技術的發展，進一步改善了計算機的表現能力，使得計算機可以集圖像、聲音、文字處理為一體，使人們能夠通過鍵盤、鼠標和顯示器對文字和數字進行交互。使人們能夠面對一個有聲有色、圖文并茂的信息環境。

1.3 計算機的應用

計算機得以飛速發展的根本原因，除了微電子技術等相關學科的發展之外，還應歸功于計算機作為信息處理工具的通用性以及由此帶來的計算機應用的廣泛性。

計算機是一種通用的信息處理工具。使用計算機進行信息處理具有如下一些特點：①速度快、通用性強；②具有多種多樣的信息處理能力，不僅能進行復雜的數學運算，而且能對文字、圖像和聲音等多種形式的信息進行獲取、編輯、轉換、存儲、展現等處理；③信息存儲容量大、存取速度快；④具有互連、互通和互操作的特性，計算機網絡不僅能進行信息的交流與共享，還可借助網絡上的其他計算機協同完成復雜的信息處理任務。

計算機以非凡的滲透力與親和力深入人類活動的各個領域，對人類社會的進步與發展產生了巨大的影響，具有廣泛的應用領域。

1.科學計算

最早的計算機就是為了進行科學計算而誕生的。在科學技術和工程設計中，有大量的各類數學計算問題，計算量很大、很復雜，如解幾百個線性方程組、大型矩陣運算、高階微分方程組等。沒有計算機的快速性和精確性，其他計算工具是難以解決的。

2.數據處理

數據處理現在常用來泛指在計算機上加工那些非科技工程方面的計算、管理和操縱任何形式的數據資料。如企業管理、氣象預報、飛機訂票、圖書、檔案資料的管理。目前，在計算機應用中，數據處理所占的比重是最大的。

3.過程控制

過程控制是指在生產過程中對現場數據進行巡回檢測并由計算機按某種標準或最佳值進行自動調節和控制，這對提高產品的數量和質量特別有效，現代化的武器系統尤其需要計算機的控制。

4.輔助設計

計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）。利用計算機的圖形功能幫助設計人員進行各種設計。CAD技術發展迅速，其應用范圍日益擴大，派生出許多新的技術分支。

計算機輔助制造CAM（Computer Aided Manufacture）。利用計算機管理、控制生產設備及其操作。它能提高產品質量、降低生產成本、縮短生產周期，有利于提高生產人員的工作效率、改善工作條件。

計算機輔助教學CAI（Computer Aided Instruction）。利用多媒體計算機的圖、文、聲功能實施教學，將教學內容加以科學的組織，使學生能通過人機交互自如地從提供的材料中學到所需要的知識并接受考核。

計算機輔助測試CAT（Computer Aided Test）。利用計算機進行復雜而繁重的測試工作。

5.計算機網絡

計算機網絡技術是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。此外通過計算機網絡還可以進行電子商務和通信等活動。電子商務是指通過網絡進行商務活動。如網上貿易、網上銀行等。

6.人工智能

人工智能的主要目的是用計算機來模擬人的智能。包括模式識別、景物分析、自然語言理解和生成、專家系統、機器人等，它為計算機應用開辟了一個最有吸引力的領域，其中最具代表性的兩個領域是專家系統和機器人。

7.多媒體應用

多媒體計算機的主要特點是集成性和交互性，即集文字、聲音、圖像等信息于一體，并使人機雙方通過計算機進行交互。多媒體技術的發展大大拓寬了計算機的應用領域，視頻、音頻信息的數字化，使得計算機走向家庭，走向個人。

習題

一、選擇題

1.世界上第一臺電子數字積分計算機誕生于。

A.1945年

B.1946年

C.1948年

D.1952年

2.隨著計算機技術的發展，目前的計算機的邏輯電路使用的是。

A.電子管

B.晶體管

C.集成電路

D.大規模集成電路和超大規模集成電路

3.對計算機發展趨勢的敘述，不正確的是。

A.體積越來越小

B.精確度越來越高

C.速度越來越快

D.容量越來越小

二、填空題

1.計算機先后經歷了以電子管、_____、集成電路、大規模和超大規模集成電路為主要元器件的時代。

2.計算機具有運算速度快、計算_____高、存儲容量大、邏輯判斷能力強和計算機內部操作自動化等特點。

3.“計算機輔助設計”簡稱為_____。

4.無論是基于何種原理的計算機，其發展趨勢都可以歸納為_____、_____、 和_____。

三、簡答題

1.簡述計算機的發展過程。

2.計算機的應用領域有哪些？

3.結合自身的體會談一下對計算機發展前景的看法。

4.通過互聯網查閱當前關于新型計算機的相關介紹資料。