任务一　了解计算机

任务描述

今天的计算机已成为人们学习、工作，乃至生活不可或缺的工具，学习计算机就要系统全面地了解计算机的相关知识，本任务需要了解的相关知识主要包括计算机的产生、发展、分类、特点、应用领域和工作原理及结构，以及计算机信息编码和计算机组成系统。

任务实施

1.计算机的诞生

追溯计算机的起源，世界上公认的、真正具有现代意义的第一台电子计算机是1946年2月15日在美国诞生的，它是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院同阿伯丁弹道实验室为第二次世界大战时美国陆军计算火力表而制造的，负责人是物理学家约翰·莫利奇和工程师普雷斯泊·埃克特，他们为之命名为电子数值积分计算机（ENIAC），如图1-1所示，这台机器是个庞然大物，占地面积约170m2，重30多吨，用了18800只电子管、7000只电阻器、10000只电容器、50万条线、6000个开关和配线盘、功率为150kW，每秒钟可以完成5000次加法运算。这台只能进行数值计算并以服务战争为目的而制造的机器，没有赶上在第二次世界大战中一显身手，但它的诞生却为现代计算机的发展奠定了基础，并宣告一个崭新的计算机时代的到来。

计算机又称电脑，它诞生时只是一种用于计算的机器，但是经过70年的发展，其应用领域不断拓宽，今天的计算机已经可以处理诸如文字、图形、声音和动画等信息，成为人们学习、生活和工作不可或缺的信息处理工具，可以这样说，作为当代大学生，无论将来你从事何种职业，都离不开计算机这个现代工具。了解计算机文化，掌握计算机的操作技能，是现代大学生必备的基本素质。

2.计算机的发展历程

计算机问世至今虽然只有短短的70年，但伴随其技术日新月异的发展，计算机已从昔日只能进行简单数值计算的庞然大物，演变成为今天功能强大的数字化信息处理机，这当中电子器件的变革是主要的推动力量，所以人们通常按计算机所采用的电子物理器件来划分计算机的发展阶段。计算机发展至今总体上经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路四个阶段，现在或不远的将来将迎来计算机发展的第五个阶段。

（1）第一代电子管计算机

1946—1957年，这一时期生产的计算机主要是以电子管为物理器件，采用水银延迟线、磁鼓等类型存储器，计算机使用的是定点运算，主要使用机器语言或汇编语言编写程序，没有操作系统，计算机体积大、运算速度慢、成本高、功能单一，主要应用于国防和科学计算。

（2）第二代晶体管计算机

1958—1964年，这一时期生产的计算机主要是以晶体管为物理器件，采用磁心存储器，计算机普遍使用浮点运算，开始使用磁盘和磁带等外部存储器，事务处理使用的COBOL语言、科学计算机使用的ALGOL语言和符号处理使用的LISP等高级语言开始进入实用阶段，出现操作系统雏形。计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理，与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性高，除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。

（3）第三代集成电路计算机

1965—1971年，这一时期生产的计算机主要是以集成电路为物理器件，采用半导体存储器，开始普遍采用虚拟存储技术。程序设计语言逐渐趋向标准化及结构化，高级语言种类进一步增加，操作系统在这一时期日趋完善，具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能，计算机体积、质量、功耗大大减少，运算精度和可靠性等指标大为改善，计算机应用遍及科学计算、工业控制、数据处理等各个方面。

（4）第四代大规模和超大规模集成电路计算机

从1972年至今，这一时期生产的计算机主要是以大规模和超大规模集成电路为物理器件，由于把CPU、主存储器及各I/O接口集成在大规模集成电路和超大规模集成电路芯片上，计算机在存储容量、运算速度、可靠性及性能价格比方面均比上一代有较大突破；在软件方面发展为分布式操作系统、数据库和知识库系统、高效可靠的高级语言以及软件工程标准化等，并形成软件产业，计算机广泛应用于各行各业。

3.计算机的发展趋势

随着社会经济和科学技术发展对计算机技术要求的提高，信息化、网络化使得计算机的发展更加趋向于巨型化、微型化、网络化和智能化。

（1）巨型化

巨型化是计算机发展的一个重要方向，其特点是具有超级的运算速度、超大的存储容量、可提供超强的功能，而不是指计算机的体积大。巨型计算机运算速度通常在每秒一亿次以上，存储容量超过百万兆字节。例如，我国最近研制成功的“天河二号”的巨型超级计算机，（峰值）运算速度5.49亿亿次每秒、持续计算速度3.39亿亿次每秒，巨型机主要应用于天文、军事、仿真等需要进行大量科学计算的领域。

（2）微型化

微型化则是计算机发展的另一个方向，其特点是利用超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型计算机。微型计算机现在已大量应用于仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。

（3）网络化

网络化就是用通信线路将各自独立的计算机连接起来，以便进行协同工作和资源共享。例如，通过Internet，人们足不出户就可以获取大量的信息，进行网上贸易等。今天，网络技术已经从计算机技术的配角地位上升到与计算机紧密结合、不可分割的地位，产生了“网络电脑”的概念。

（4）智能化

计算机的智能化就是要求计算机具有人的智能。能够像人一样思维，使计算机能够进行图像识别、定理证明、研究学习、探索、联想、启发和理解人的语言等，它是新一代计算机要实现的目标。智能化使计算机突破了“计算”这一初级的含义，从本质上扩展了计算机的能力，可以越来越多地代替人类的脑力劳动。

4.计算机的特点

计算机作为一种通用的信息处理工具能得到广泛的应用和普及，是因为计算机具有如下特点：

（1）自动控制

计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。由于采用存储程序控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，启动计算机后，就能自动地执行下去直至完成任务。这是计算机最突出的特点。

（2）运算速度快

计算机能以极快的速度进行计算。现在普通的微型计算机每秒可执行几十万条指令，而巨型机则达到几十亿次，甚至几百亿次。随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需十几分钟就可以完成。

（3）运算精度高

电子计算机具有以往计算机无法比拟的计算精度，目前已达到小数点后上亿位的精度。

（4）具有记忆和逻辑判断能力

人是有思维能力的，而思维能力本质上是一种逻辑判断能力。计算机借助于逻辑运算，可以进行逻辑判断，并根据判断结果自动地确定下一步该做什么。计算机的存储系统由内存和外存组成，具有存储和“记忆”大量信息的能力，现代计算机的内存容量已达到百兆字节，甚至几吉字节，而外存也有惊人的容量。如今的计算机不仅具有运算能力，还具有逻辑判断能力，可以使用其进行诸如资料分类、情报检索等具有逻辑加工性质的工作。

（5）可靠性高

随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行的时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。计算机应用在管理中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。用同一台计算机能解决各种问题，应用于不同的领域。

5.计算机的分类

计算机发展到今天，琳琅满目、种类繁多，计算机的合理分类有助于人们了解计算机的特点和性能，但是，如何对计算机进行分类并没有一个固定的标准，可以从不同的角度对计算机进行分类。目前，通常按计算机信息的表示和处理方式、用途、规模、速度和功能对计算机进行分类。

（1）按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式分类

按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式划分，计算机分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机。其中，模拟计算机是用模拟量（模拟量就是以电信号的幅值来模拟数值或某物理量的大小）来表示信息，模拟计算机主要用来处理连续的模拟信息，模拟计算机由于受元器件质量的影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。数字计算机是用0和1的代码串来表示信息，数字计算机主要用来处理由0和1代码串表示的、不连续的数字化信息，与模拟计算机相比，数字计算机具有运算速度快、准确、存储量大等优点，适用于科学计算、信息处理、过程控制和人工智能等，具有最广泛的用途，现在人们所使用的大都是数字计算机。数字模拟混合式电子计算机是综合了上述两种计算机的长处设计出来的。它既能处理数字量，又能处理模拟量。但是这种计算机结构复杂，设计困难。

（2）按计算机的用途分类

按计算机的用途不同来划分，计算机可分为通用计算机和专用计算机。通用计算机是为能解决各种问题而设计的，它功能全、用途广、通用性强，目前的计算机多属于通用计算机。专用计算机则是为解决某一特定问题而设计的，它专用性强、功能单一。

（3）按计算机的规模与性能分类

按计算机运算速度、存储容量、功能的强弱，以及软硬件的配套规模等不同划分，计算机又分为巨型机、大型机、小型机、微型机、单片机、工作站与服务器等。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。一般来说，巨型计算机性能极高、运算速度极快，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算，它是衡量一个国家科学综合实力的重要标志之一，我国是世界上能研制巨型计算机的少数国家之一，最近研制成功的“天河二号”巨型计算机，（峰值）运算速度为5.49亿亿次每秒。单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小，质量小，结构十分简单，一般用作专用机或用来控制高级仪表、家用电器等。性能介于巨型机和单片机之间的是大型机、小型机和微型机，它们的性能指标和结构规模则相应地依次递减，目前个人使用的计算机大多属于微型计算机。

工作站是一种高档微型机系统，通常配备有大容量存储器，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有微型计算机操作便利和人机界面友好的特点。工作站最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互能力，因此在工程设计领域、特别是在计算机辅助设计（CAD）领域，得到广泛使用。

服务器是一种可供网络用户共享的高性能计算机，存储容量大，一般用于存放各类资源，并配备丰富的外部接口，可为网络用户提供浏览、电子邮件、文件传送、数据库等多种业务服务，由于网络操作系统要求较高的运行速度，为此很多服务器都配置多个CPU。

6.计算机的应用领域

伴随着计算机技术和信息技术的迅速发展，计算机的应用领域也在不断拓宽，今天的计算机不仅仅应用于数值计算领域，而且在社会生产和人们生活的各个领域都得到了广泛应用，其应用领域主要有以下几个方面：

（1）科学计算

科学计算又称数值计算，它是计算机代替人工计算和传统的计算工具最早的应用领域，一直以来，科学研究和工程技术等领域中大多数据量大，运算复杂的大型计算问题，都要依靠计算机计算来解决，如人造卫星轨迹的计算、地震预测、气象预报及航天技术等。

（2）数据处理

数据处理又称信息处理，它是指信息的收集、分类、整理、加工、存储等一系列活动的总称。所谓信息，是指可被人类感受的声音、图像、文字、符号、语言等。数据处理广泛应用于人口统计、办公自动化（OA）、企业管理、财务管理、邮政业务、机票订购、情报检索、图书管理、医疗诊断等领域。

（3）辅助设计、制造与教学

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）就是把计算机作为一种工具辅助设计人员完成产品和工程等项目设计中的计算、分析、模拟和制图工作。CAD技术已广泛应用于建筑工程设计、服装设计、机械制造设计、船舶设计等行业，使用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）就是由计算机来控制生产设备和生产操作，实现产品生产自动化。利用CAM可提高产品质量，降低成本和降低劳动强度。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是指将教学内容、教学方法以及学生的学习情况等存储在计算机中，帮助学生轻松地学习所需要的知识。它在现代教育技术中起着相当重要的作用。

除了上述计算机辅助技术，还有其他的辅助功能，如计算机辅助出版、计算机辅助管理、辅助绘制和辅助排版等。

（4）实时控制

实时控制就是利用计算机根据其收集到的数据，对控制对象进行自动控制或调节过程，如导弹、人造卫星、飞机的跟踪与控制，就是计算机实时控制的具体应用。

（5）人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是计算机一个新的应用领域，它是指利用计算机模拟人类的智能活动，使计算机具有判断、理解、学习、问题求解的能力。这方面的研究和应用正处于发展阶段，并在计算机阅卷、医疗诊断、文字翻译、密码分析、智能机器人等领域取得了一定的应用成果。

（6）计算机网络

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。人们可通过它提供的电子邮件、文件传输、信息查询、网上新闻、各种论坛和电子商务等服务，实现信息的发布与获取，给工作和生活带来了极大的方便。