第1章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)的重大科學(xué)技術(shù)成就之一，進(jìn)入21世紀(jì)，從尖端科學(xué)到人類(lèi)社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，到處都可以看到由計(jì)算機(jī)所帶來(lái)的巨大變化和深遠(yuǎn)影響。本章通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用，使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

1.1 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與分類(lèi)

1946年2月，由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制的電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ENIAC：Electronic Numerical Integrator And Calculator），它采用電子管作為基本元件，共由18000多個(gè)電子管、1500多個(gè)繼電器、10000多只電容器和7000多只電阻構(gòu)成，占地170m2，重達(dá)30t，每小時(shí)耗電達(dá)150度，儼然是一個(gè)龐然大物；它每秒能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，比當(dāng)時(shí)已有的計(jì)算裝置快1000多倍，而且還有按事先編好的程序自動(dòng)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。ENIAC的誕生宣告了計(jì)算機(jī)時(shí)代的開(kāi)始。

第一代計(jì)算機(jī)（1946—1958年），采用電子管作為邏輯元件，用陰極射線(xiàn)管或汞延遲線(xiàn)作為主存儲(chǔ)器，外存主要使用紙帶、卡片等；程序設(shè)計(jì)主要使用機(jī)器指令或符號(hào)指令；應(yīng)用領(lǐng)域主要是科學(xué)計(jì)算。

第二代計(jì)算機(jī)（1959—1964年），采用晶體管代替了電子管，主存儲(chǔ)器均采用磁芯存儲(chǔ)器，磁鼓和磁帶開(kāi)始用做主要的外存儲(chǔ)器；程序設(shè)計(jì)使用了更接近于人類(lèi)自然語(yǔ)言的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)展到了事務(wù)處理、工程設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。

第三代計(jì)算機(jī)（1965—1969年），采用中小規(guī)模的集成電路塊代替了晶體管等分立元件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器逐步取代了磁芯存儲(chǔ)器的主存儲(chǔ)器地位，磁盤(pán)成了不可缺少的輔助存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)也進(jìn)入了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的發(fā)展時(shí)期，計(jì)算機(jī)的管理、使用方式也由手工操作完全改變?yōu)樽詣?dòng)管理，計(jì)算機(jī)的使用效率顯著提高。

第四代計(jì)算機(jī)（1970 至今），采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。20 世紀(jì)70年代以后，計(jì)算機(jī)使用的集成電路迅速?gòu)闹行∫?guī)模發(fā)展到大規(guī)模和超大規(guī)模的水平。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路應(yīng)用的一個(gè)直接結(jié)果是微處理器和微型計(jì)算機(jī)的誕生。微處理器是將傳統(tǒng)的運(yùn)算器和控制器集成在一塊大規(guī)模或超大規(guī)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(chǔ)器和接口等芯片以及輸入/輸出設(shè)備便構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)。微處理器自1971年誕生以來(lái)，幾乎每隔兩三年就要更新?lián)Q代，以高檔微處理器為核心構(gòu)成的高檔微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到和超過(guò)了傳統(tǒng)的超級(jí)小型計(jì)算機(jī)的水平，其運(yùn)算速度可以達(dá)到每秒數(shù)百億次。由于微型計(jì)算機(jī)體積小、功耗低、成本低，其性能價(jià)格比占有很大優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。微處理器和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)不僅深刻地影響著計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展，同時(shí)也促使計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透到了社會(huì)生活的各個(gè)方面，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的普及。

計(jì)算機(jī)發(fā)展階段示意表如表1.1所示。

隨著微電子、計(jì)算機(jī)和數(shù)字化聲像技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。這里所說(shuō)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(jì)80年代以前，人們使用計(jì)算機(jī)處理的主要是數(shù)字與文字信息，而此后則開(kāi)始將其應(yīng)用于圖形和圖像處理。隨著數(shù)字化音頻和視頻技術(shù)的突破，逐步形成了集聲、文、圖、像于一體化的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它不僅使計(jì)算機(jī)應(yīng)用更接近人類(lèi)習(xí)慣的信息交流方式，而且將開(kāi)拓出許多新的計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在20世紀(jì)60年代末、70年代初開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的結(jié)合使計(jì)算機(jī)應(yīng)用從單機(jī)走向網(wǎng)絡(luò)，從獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)走向互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。互聯(lián)網(wǎng)把分布在不同地理區(qū)域的計(jì)算機(jī)與專(zhuān)門(mén)的外部設(shè)備用通信線(xiàn)路互聯(lián)成一個(gè)規(guī)模大、功能強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它不但可以使眾多的個(gè)人計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理文字、數(shù)據(jù)、圖像、聲音等信息，而且還可以使這些信息四通八達(dá)，并及時(shí)地與全國(guó)乃至全世界的信息進(jìn)行交換，從而使眾多的計(jì)算機(jī)方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數(shù)據(jù)信息等資源。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，一臺(tái)臺(tái)計(jì)算機(jī)就像人類(lèi)社會(huì)的一個(gè)個(gè)神經(jīng)元被聯(lián)系起來(lái)，從而組成信息社會(huì)的一個(gè)重要的“神經(jīng)系統(tǒng)”——Internet。

1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)從第一代發(fā)展到第四代，已由僅僅包含硬件的系統(tǒng)發(fā)展到包含硬件和軟件兩大部分的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的種類(lèi)也一再分化，發(fā)展成微型計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)、通用計(jì)算機(jī)（包括巨型、大型、中型計(jì)算機(jī)）以及各種專(zhuān)用機(jī)等。由于技術(shù)的更新和應(yīng)用的推動(dòng)，計(jì)算機(jī)一直處在飛速發(fā)展之中。依據(jù)衡量信息技術(shù)發(fā)展功能價(jià)格比的摩爾定律，計(jì)算機(jī)芯片的功能每18個(gè)月翻一番，而價(jià)格減一半。該定律的作用從20世紀(jì)60年代以來(lái)，已持續(xù)了40多年。

由于在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能遇到了難以逾越的障礙，很多專(zhuān)家嘗試從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口，目前比較典型的有基于物理學(xué)原理的分子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)，基于生物化學(xué)原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)等。

無(wú)論是基于何種原理的計(jì)算機(jī)，都在朝著多極化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化方向發(fā)展。

1.多極化

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)在提高性能、降低成本、普及和深化應(yīng)用等方面的發(fā)展趨勢(shì)仍在繼續(xù)，而社會(huì)對(duì)巨型機(jī)、大型機(jī)的需求也穩(wěn)步增長(zhǎng)，巨型、大型、小型、微型機(jī)有著各自的應(yīng)用領(lǐng)域，形成了一種多極化發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

2.網(wǎng)絡(luò)化

在20世紀(jì)50年代至70年代，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用模式主要是依賴(lài)于大型計(jì)算機(jī)的“集中計(jì)算模式”，80年代由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的廣泛使用而表現(xiàn)為“分散計(jì)算模式”，90年代起由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式”。在這種模式下，眾多用戶(hù)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(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)Internet用戶(hù)數(shù)已經(jīng)過(guò)億。

3.智能化

人們正在研究開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要著眼于計(jì)算機(jī)的智能化，它以知識(shí)處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動(dòng)，具有自然的人機(jī)通信能力。當(dāng)然，這是一個(gè)需要長(zhǎng)期努力才可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

4.多媒體化

計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步改善了計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)能力，使得計(jì)算機(jī)可以集圖像、聲音、文字處理為一體，使人們能夠通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器對(duì)文字和數(shù)字進(jìn)行交互。使人們能夠面對(duì)一個(gè)有聲有色、圖文并茂的信息環(huán)境。

1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)得以飛速發(fā)展的根本原因，除了微電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展之外，還應(yīng)歸功于計(jì)算機(jī)作為信息處理工具的通用性以及由此帶來(lái)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛性。

計(jì)算機(jī)是一種通用的信息處理工具。使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理具有如下一些特點(diǎn)：①速度快、通用性強(qiáng)；②具有多種多樣的信息處理能力，不僅能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且能對(duì)文字、圖像和聲音等多種形式的信息進(jìn)行獲取、編輯、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、展現(xiàn)等處理；③信息存儲(chǔ)容量大、存取速度快；④具有互連、互通和互操作的特性，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不僅能進(jìn)行信息的交流與共享，還可借助網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)協(xié)同完成復(fù)雜的信息處理任務(wù)。

計(jì)算機(jī)以非凡的滲透力與親和力深入人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.科學(xué)計(jì)算

最早的計(jì)算機(jī)就是為了進(jìn)行科學(xué)計(jì)算而誕生的。在科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中，有大量的各類(lèi)數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題，計(jì)算量很大、很復(fù)雜，如解幾百個(gè)線(xiàn)性方程組、大型矩陣運(yùn)算、高階微分方程組等。沒(méi)有計(jì)算機(jī)的快速性和精確性，其他計(jì)算工具是難以解決的。

2.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在常用來(lái)泛指在計(jì)算機(jī)上加工那些非科技工程方面的計(jì)算、管理和操縱任何形式的數(shù)據(jù)資料。如企業(yè)管理、氣象預(yù)報(bào)、飛機(jī)訂票、圖書(shū)、檔案資料的管理。目前，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)處理所占的比重是最大的。

3.過(guò)程控制

過(guò)程控制是指在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行巡回檢測(cè)并由計(jì)算機(jī)按某種標(biāo)準(zhǔn)或最佳值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，這對(duì)提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量特別有效，現(xiàn)代化的武器系統(tǒng)尤其需要計(jì)算機(jī)的控制。

4.輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）。利用計(jì)算機(jī)的圖形功能幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。CAD技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，派生出許多新的技術(shù)分支。

計(jì)算機(jī)輔助制造CAM（Computer Aided Manufacture）。利用計(jì)算機(jī)管理、控制生產(chǎn)設(shè)備及其操作。它能提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，有利于提高生產(chǎn)人員的工作效率、改善工作條件。

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI（Computer Aided Instruction）。利用多媒體計(jì)算機(jī)的圖、文、聲功能實(shí)施教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容加以科學(xué)的組織，使學(xué)生能通過(guò)人機(jī)交互自如地從提供的材料中學(xué)到所需要的知識(shí)并接受考核。

計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試CAT（Computer Aided Test）。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜而繁重的測(cè)試工作。

5.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將處在不同地域的計(jì)算機(jī)用通信線(xiàn)路連接起來(lái)，配以相應(yīng)的軟件，達(dá)到資源共享的目的。此外通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)還可以進(jìn)行電子商務(wù)和通信等活動(dòng)。電子商務(wù)是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行商務(wù)活動(dòng)。如網(wǎng)上貿(mào)易、網(wǎng)上銀行等。

6.人工智能

人工智能的主要目的是用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的智能。包括模式識(shí)別、景物分析、自然語(yǔ)言理解和生成、專(zhuān)家系統(tǒng)、機(jī)器人等，它為計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)最有吸引力的領(lǐng)域，其中最具代表性的兩個(gè)領(lǐng)域是專(zhuān)家系統(tǒng)和機(jī)器人。

7.多媒體應(yīng)用

多媒體計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)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(jī)雙方通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。多媒體技術(shù)的發(fā)展大大拓寬了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，視頻、音頻信息的數(shù)字化，使得計(jì)算機(jī)走向家庭，走向個(gè)人。

習(xí)題

一、選擇題

1.世界上第一臺(tái)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)誕生于。

A.1945年

B.1946年

C.1948年

D.1952年

2.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前的計(jì)算機(jī)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(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路

3.對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的敘述，不正確的是。

A.體積越來(lái)越小

B.精確度越來(lái)越高

C.速度越來(lái)越快

D.容量越來(lái)越小

二、填空題

1.計(jì)算機(jī)先后經(jīng)歷了以電子管、_____、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為主要元器件的時(shí)代。

2.計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、計(jì)算_____高、存儲(chǔ)容量大、邏輯判斷能力強(qiáng)和計(jì)算機(jī)內(nèi)部操作自動(dòng)化等特點(diǎn)。

3.“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”簡(jiǎn)稱(chēng)為_(kāi)____。

4.無(wú)論是基于何種原理的計(jì)算機(jī)，其發(fā)展趨勢(shì)都可以歸納為_(kāi)____、_____、 和_____。

三、簡(jiǎn)答題

1.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程。

2.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

3.結(jié)合自身的體會(huì)談一下對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展前景的看法。

4.通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查閱當(dāng)前關(guān)于新型計(jì)算機(jī)的相關(guān)介紹資料。