项目一 计算机的认识和使用

计算机硬件系统按冯·诺依曼计算机体系结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成；计算机软件系统由系统软件和应用软件构成。计算机硬件与软件直接决定计算机整机性能。如何提高计算机性能，是本项目所要解决的问题。

任务一 了解计算机的发展

【任务描述】

小张上大学时选择了与计算机相关的专业，他平时在生活中也会使用电脑，知道电脑就是“计算机”，而且计算机的功能很强大，远不止他目前所知道的。作为一名计算机相关专业的学生，小张迫切想要了解计算机是如何诞生与发展的，有哪些功能和分类，计算机在信息技术中充当着怎样的角色，计算机的未来发展又会是怎样的。

【任务目标】

1．了解计算机的诞生及发展过程。

2．认识计算机的特点、应用和分类。

3．了解计算机的发展趋势。

【任务实现】

（一）了解计算机的发展

1946年2月15日，世界上第一台数字式计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，名叫“ENIAC”，如图1-1所示。“ENIAC”是The Electronic Numberical Intergrator and Computer（电子数值积分计算机）的缩写。该机的主要元件是电子管，使用了17468个电子管，耗电174kW，占地170m2，重达30 t。它的计算速度很快，每秒可从事5000次的加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机，但它的出现使科学家们从繁杂的计算中解放出来，大大提高了工作效率。

用“ENIAC”计算题目时，人们先根据题目的计算步骤预先编制好一条条指令，再按指令连接好外部线路，然后启动它自动运行并输出结果。当计算另一个题目时，必须重复进行上述工作。尽管其有明显的弱点，但它使过去借助机械的分析机需要7到20h才能计算一条弹道轨迹的工作时间缩短到30s。

在“ENIAC”的研制过程中，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼参与进来，并总结归纳了三点：

1．采用二进制

计算机是用数字电路组成的，数字电路中只有1和0两种状态，所以，对计算机来说二进制（Binary）是最自然的计数方式。

2．采用存储程序控制

程序和数据存放在存储器中。计算机执行程序的过程是自动、连续进行的，无须人工干预，并得到预期的结果。

3．采用运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个基本部件的结构

今天的计算机基本结构仍然采用这一原理和思想，因此，人们称符合这种设计的计算机是冯·诺依曼机，称冯·诺依曼为计算机之父。

“ENIAC”奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元，有人将其称为“人类第三次产业革命开始的标志”。在“ENIAC”诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路、大规模和超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽，特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。

对于电子计算机的发展，一般根据构成它的主要逻辑元件的不同将计算机的发展分成四个阶段，表1-1为计算机发展的四个阶段。

1965年Intel公司的创始人之一戈登·摩尔曾预言，集成电路中的晶体管数每年（后来改成了每隔18个月）将翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。这一预言，被计算机界称为摩尔定律。近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。随着芯片集成度的日益提高和计算机体系结构的不断改进，将会不断出现性能更好、体积更小、价格更低的计算机产品。随着超大规模集成电路技术的出现，计算机向巨型化和微型化两个方向发展。

（二）计算机的特点

（1）能在程序控制下自动地运行程序。

（2）运算速度快。

（3）运算精度高。

（4）具有运算和逻辑判断能力。

（5）存储容量大，记忆能力强。

（6）网络与通信功能。

（三）了解计算机的分类

如今的计算机已经深入到各行各业，种类繁多，其分类方法各有不同，标准也非固定不变。

计算机按其用途分类可分为通用计算机和专用计算机两类。

计算机按其性能分类可分为以下几类：

（1）巨型机。巨型机有极高的速度、极大的容量。用于国防尖端技术、空间技术、大范围长期性天气预报、石油勘探等方面。目前这类机器的运算速度可达每秒百亿次。这类计算机在技术上朝两个方向发展：一是开发高性能器件，特别是缩短时钟周期，提高单机性能；二是采用多处理器结构，构成超并行计算机，通常由以万为单位的处理器组成超并行巨型计算机系统，它们同时解算一个课题，来达到高速运算的目的。

（2）大型机。大型机具有极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面。在一台大型机中可以使用几十台微机或微机芯片，用以完成特定的操作。可同时支持上万个用户，可支持几十个大型数据库。大型机主要应用在政府部门、银行、大公司、大企业等。

（3）小型机。小型机的机器规模小、结构简单、设计研制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。它们已广泛应用于工业自动控制、大型分析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。

（4）微型机。微型机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每2~3个月就有新产品出现，1~2年产品就更新换代一次，目前还有加快的趋势。微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统、多媒体技术等领域，并且开始成为城镇家庭的一种常规电器。

（5）工作站。工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。它属于一种高档的电脑，一般拥有较大的屏幕显示器和大容量的内存和硬盘，也拥有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。

（6）服务器。服务器专指某些高性能计算机，能通过网络，对外提供服务。相对于普通电脑来说，其稳定性、安全性等方面都要求更高，因此在CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件与普通电脑有所不同。服务器是网络的节点，存储、处理网络上80%的数据、信息，在网络中起到举足轻重的作用。它们是为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算机，其高性能主要表现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。服务器的构成与普通电脑类似，也有处理器、硬盘、内存、系统总线等，但因为它是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在很大差异。服务器主要有网络服务器、打印服务器、终端服务器、磁盘服务器、邮件服务器、文件服务器等。

（四）了解计算机的应用

计算机的应用已经渗透到社会的各个领域，正在改变着人们的工作、学习和生活的方式，推动着社会的发展。归纳起来可分为以下几个方面：

（1）科学计算。科学计算也称数值计算，是指利用计算机解决科学研究和工程技术等方面的数学计算问题。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中显得尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算。

在工业、农业以及人类社会的各领域中，计算机的应用都取得了许多重大突破，就连我们每天收听收看的天气预报都离不开计算机的科学计算。

应用计算机进行数值计算速度快、精度高，可以大大缩短计算周期，节省人力和物力。

（2）数据处理。数据处理又称信息处理，是指用计算机对生产和经营活动、社会科学研究中所产生的大量信息，进行收集、转换、分类、统计、处理、存储传输和输出等操作，从而形成有价值的信息。数据处理采用的计算方法虽然比较简单，但数据处理量大，是目前计算机应用最广泛的领域。例如：人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索、经济管理等。

信息处理已成为当代计算机的主要任务。其是现代化管理的基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用的80%以上，大大提高了工作效率和管理水平。

（3）过程控制。过程控制又称实时控制，它是指计算机将实时采集检测到的数据按最佳方法迅速地对被控制对象进行自动控制或自动调节。自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按预定的目标和预定的状态进行过程控制。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产周期。计算机自动控制还在国防和航空航天领域中起决定性作用。例如，无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是靠计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。

（4）计算机辅助系统。计算机辅助系统是指通过人机对话来使用计算机辅助人们进行设计、加工、计划和学习等工作。包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助测试（Computer Aided Test）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）、计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，简称CAI）。

（5）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是指使用计算机模拟人的某些智能，使计算机能像人一样具有识别文字、图像、语音，以及推理和学习等能力。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定“思维能力”。我国已成功开发一些中医专家诊断系统，可以模拟名医给患者诊病开方。

机器人是计算机人工智能的典型例子。机器人的核心是计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人对外界信息能够反馈，有一定的触觉、视觉、听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，模仿人完成某些动作。因机器人具有不怕疲劳，精确度高，适应力强等特点，故现已开始用于搬运、喷漆、焊接、装配等工作中。机器人还能代替人在危险工作中进行繁重的劳动，如在有放射线、污染有毒、高温、低温、高压、水下等环境中工作。

（6）多媒体应用。随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念——“多媒体”（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。

（7）计算机网络。计算机网络是由一些独立的和具备信息交换能力的计算机互联构成，以实现资源共享的系统。计算机在网络方面的应用使人类之间的交流跨越了时间和空间障碍。计算机网络已成为人类建立信息社会的物质基础，它给我们的工作带来极大的方便和快捷，如在全国范围内的银行信用卡的使用，火车票和飞机票系统的使用等。现在，可以在全球最大的互联网络——Internet上进行浏览、检索信息、收发电子邮件、阅读书报、玩网络游戏、选购商品、参与众多问题的讨论、实现远程医疗服务等。

【任务评价】

【课后练习】

1．1946年诞生的世界上第一台电子计算机是（　）。

A．UNIVAC-I

B．EDVAC

C．ENIAC

D．IBM

2．第二代计算机的划分年代是（　）。

A．1946—1957年

B．1958—1964年

C．1965—1970年

D．1971年至今

3．计算机存储程序的理论是由（　）提出的。

A．冯·诺依曼（John Von Neumann）

B．莱布尼兹（W.Leibniz）

C．查尔斯·巴贝齐（C.Babbage）

D．艾肯（H.Aiken）

4．第一代计算机的逻辑元件是（　）。

A．晶体管

B．电子管

C．中、小规模集成电路

D．大规模和超大规模集成电路

5．计算机未来的发展趋势将主要集中在（　）。

A．巨型化、中型化、网络化、多媒体化

B．巨型化、大型化、网络化、多媒体化

C．巨型化、小型化、网络化、多媒体化

D．巨型化、微型化、网络化、多媒体化