第1章 计算机基础知识

计算机是20世纪的重大科学技术成就之一，进入21世纪，从尖端科学到人类社会生活的各个领域，到处都可以看到由计算机所带来的巨大变化和深远影响。本章通过介绍计算机的产生、发展及应用，使读者对计算机有一个初步的认识。

1.1 计算机的产生与分类

1946年2月，由美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分计算机（ENIAC：Electronic Numerical Integrator And Calculator），它采用电子管作为基本元件，共由18000多个电子管、1500多个继电器、10000多只电容器和7000多只电阻构成，占地170m2，重达30t，每小时耗电达150度，俨然是一个庞然大物；它每秒能进行5000次加法运算，比当时已有的计算装置快1000多倍，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。ENIAC的诞生宣告了计算机时代的开始。

第一代计算机（1946—1958年），采用电子管作为逻辑元件，用阴极射线管或汞延迟线作为主存储器，外存主要使用纸带、卡片等；程序设计主要使用机器指令或符号指令；应用领域主要是科学计算。

第二代计算机（1959—1964年），采用晶体管代替了电子管，主存储器均采用磁芯存储器，磁鼓和磁带开始用做主要的外存储器；程序设计使用了更接近于人类自然语言的高级程序设计语言；计算机的应用领域也从科学计算扩展到了事务处理、工程设计等多个方面。

第三代计算机（1965—1969年），采用中小规模的集成电路块代替了晶体管等分立元件，半导体存储器逐步取代了磁芯存储器的主存储器地位，磁盘成了不可缺少的辅助存储器。计算机也进入了产品标准化、模块化、系列化的发展时期，计算机的管理、使用方式也由手工操作完全改变为自动管理，计算机的使用效率显著提高。

第四代计算机（1970 至今），采用大规模和超大规模集成电路。20 世纪70年代以后，计算机使用的集成电路迅速从中小规模发展到大规模和超大规模的水平。大规模和超大规模集成电路应用的一个直接结果是微处理器和微型计算机的诞生。微处理器是将传统的运算器和控制器集成在一块大规模或超大规模集成电路芯片上，作为中央处理单元（CPU）。以微处理器为核心，再加上存储器和接口等芯片以及输入/输出设备便构成了微型计算机。微处理器自1971年诞生以来，几乎每隔两三年就要更新换代，以高档微处理器为核心构成的高档微型计算机系统已达到和超过了传统的超级小型计算机的水平，其运算速度可以达到每秒数百亿次。由于微型计算机体积小、功耗低、成本低，其性能价格比占有很大优势，因而得到了广泛的应用。微处理器和微型计算机的出现不仅深刻地影响着计算机技术本身的发展，同时也促使计算机技术渗透到了社会生活的各个方面，极大地推动了计算机的普及。

计算机发展阶段示意表如表1.1所示。

随着微电子、计算机和数字化声像技术的发展，多媒体技术也得到了迅速发展。这里所说的媒体是指表示和传播信息的载体，如文字、声音、图像都是媒体。在20世纪80年代以前，人们使用计算机处理的主要是数字与文字信息，而此后则开始将其应用于图形和图像处理。随着数字化音频和视频技术的突破，逐步形成了集声、文、图、像于一体化的多媒体计算机系统。它不仅使计算机应用更接近人类习惯的信息交流方式，而且将开拓出许多新的计算机应用领域。

计算机网络技术是在20世纪60年代末、70年代初开始发展起来的，计算机与通信技术的结合使计算机应用从单机走向网络，从独立网络走向互联网络。互联网把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，它不但可以使众多的个人计算机能够同时处理文字、数据、图像、声音等信息，而且还可以使这些信息四通八达，并及时地与全国乃至全世界的信息进行交换，从而使众多的计算机方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。通过网络服务器，一台台计算机就像人类社会的一个个神经元被联系起来，从而组成信息社会的一个重要的“神经系统”——Internet。

1.2 计算机的发展趋势

计算机从第一代发展到第四代，已由仅仅包含硬件的系统发展到包含硬件和软件两大部分的计算机系统。计算机的种类也一再分化，发展成微型计算机、小型计算机、通用计算机（包括巨型、大型、中型计算机）以及各种专用机等。由于技术的更新和应用的推动，计算机一直处在飞速发展之中。依据衡量信息技术发展功能价格比的摩尔定律，计算机芯片的功能每18个月翻一番，而价格减一半。该定律的作用从20世纪60年代以来，已持续了40多年。

由于在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能遇到了难以逾越的障碍，很多专家尝试从基本原理上寻找计算机发展的突破口，目前比较典型的有基于物理学原理的分子计算机、量子计算机、光子计算机，基于生物化学原理的神经网络计算机和蛋白质计算机等。

无论是基于何种原理的计算机，都在朝着多极化、智能化、网络化、多媒体化方向发展。

1.多极化

自20世纪90年代开始，计算机在提高性能、降低成本、普及和深化应用等方面的发展趋势仍在继续，而社会对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机有着各自的应用领域，形成了一种多极化发展的态势。

2.网络化

在20世纪50年代至70年代，计算机的应用模式主要是依赖于大型计算机的“集中计算模式”，80年代由于个人计算机的广泛使用而表现为“分散计算模式”，90年代起由于计算机网络的发展，使计算机的应用进入了“网络计算模式”。在这种模式下，众多用户共享信息资源，互相传递信息，即资源共享，目前世界上最大的计算机互联网Internet用户数已经过亿。

3.智能化

人们正在研究开发的计算机系统，主要着眼于计算机的智能化，它以知识处理为核心，可以模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力。当然，这是一个需要长期努力才可以实现的目标。

4.多媒体化

计算机数字化技术的发展，进一步改善了计算机的表现能力，使得计算机可以集图像、声音、文字处理为一体，使人们能够通过键盘、鼠标和显示器对文字和数字进行交互。使人们能够面对一个有声有色、图文并茂的信息环境。

1.3 计算机的应用

计算机得以飞速发展的根本原因，除了微电子技术等相关学科的发展之外，还应归功于计算机作为信息处理工具的通用性以及由此带来的计算机应用的广泛性。

计算机是一种通用的信息处理工具。使用计算机进行信息处理具有如下一些特点：①速度快、通用性强；②具有多种多样的信息处理能力，不仅能进行复杂的数学运算，而且能对文字、图像和声音等多种形式的信息进行获取、编辑、转换、存储、展现等处理；③信息存储容量大、存取速度快；④具有互连、互通和互操作的特性，计算机网络不仅能进行信息的交流与共享，还可借助网络上的其他计算机协同完成复杂的信息处理任务。

计算机以非凡的渗透力与亲和力深入人类活动的各个领域，对人类社会的进步与发展产生了巨大的影响，具有广泛的应用领域。

1.科学计算

最早的计算机就是为了进行科学计算而诞生的。在科学技术和工程设计中，有大量的各类数学计算问题，计算量很大、很复杂，如解几百个线性方程组、大型矩阵运算、高阶微分方程组等。没有计算机的快速性和精确性，其他计算工具是难以解决的。

2.数据处理

数据处理现在常用来泛指在计算机上加工那些非科技工程方面的计算、管理和操纵任何形式的数据资料。如企业管理、气象预报、飞机订票、图书、档案资料的管理。目前，在计算机应用中，数据处理所占的比重是最大的。

3.过程控制

过程控制是指在生产过程中对现场数据进行巡回检测并由计算机按某种标准或最佳值进行自动调节和控制，这对提高产品的数量和质量特别有效，现代化的武器系统尤其需要计算机的控制。

4.辅助设计

计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）。利用计算机的图形功能帮助设计人员进行各种设计。CAD技术发展迅速，其应用范围日益扩大，派生出许多新的技术分支。

计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture）。利用计算机管理、控制生产设备及其操作。它能提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，有利于提高生产人员的工作效率、改善工作条件。

计算机辅助教学CAI（Computer Aided Instruction）。利用多媒体计算机的图、文、声功能实施教学，将教学内容加以科学的组织，使学生能通过人机交互自如地从提供的材料中学到所需要的知识并接受考核。

计算机辅助测试CAT（Computer Aided Test）。利用计算机进行复杂而繁重的测试工作。

5.计算机网络

计算机网络技术是将处在不同地域的计算机用通信线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。此外通过计算机网络还可以进行电子商务和通信等活动。电子商务是指通过网络进行商务活动。如网上贸易、网上银行等。

6.人工智能

人工智能的主要目的是用计算机来模拟人的智能。包括模式识别、景物分析、自然语言理解和生成、专家系统、机器人等，它为计算机应用开辟了一个最有吸引力的领域，其中最具代表性的两个领域是专家系统和机器人。

7.多媒体应用

多媒体计算机的主要特点是集成性和交互性，即集文字、声音、图像等信息于一体，并使人机双方通过计算机进行交互。多媒体技术的发展大大拓宽了计算机的应用领域，视频、音频信息的数字化，使得计算机走向家庭，走向个人。

习题

一、选择题

1.世界上第一台电子数字积分计算机诞生于。

A.1945年

B.1946年

C.1948年

D.1952年

2.随着计算机技术的发展，目前的计算机的逻辑电路使用的是。

A.电子管

B.晶体管

C.集成电路

D.大规模集成电路和超大规模集成电路

3.对计算机发展趋势的叙述，不正确的是。

A.体积越来越小

B.精确度越来越高

C.速度越来越快

D.容量越来越小

二、填空题

1.计算机先后经历了以电子管、_____、集成电路、大规模和超大规模集成电路为主要元器件的时代。

2.计算机具有运算速度快、计算_____高、存储容量大、逻辑判断能力强和计算机内部操作自动化等特点。

3.“计算机辅助设计”简称为_____。

4.无论是基于何种原理的计算机，其发展趋势都可以归纳为_____、_____、 和_____。

三、简答题

1.简述计算机的发展过程。

2.计算机的应用领域有哪些？

3.结合自身的体会谈一下对计算机发展前景的看法。

4.通过互联网查阅当前关于新型计算机的相关介绍资料。