计算机应用基础知识

第1章计算机应用基础知识1.1计算机的发展概述世界上第一台电子计算机于1946年2月在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为ENIAC（读作“埃尼克”），即ElectronicNumericalInternalAndCalculator的缩写。电子计算机的产生和迅速发展是当代科学技术最伟大的成就之一。自1946年美国研制的第一台电子计算机ENIAC以来，在半个世纪的时间里，计算机的发展取得了令人瞩目的成就。计算机从诞生到现在，已走过了60年的发展历程，在这期间，计算机的系统结构不断发生变化。人们根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展划分为几个阶段，下面就来具体介绍。1.1.1计算机发展简史电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，至今已经历了四代，目前正在向第五代过渡。每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。1．第一代（1946～1957年），电子管计算机它是一台电子数字积分计算机，取名为ENIAC。这台计算机是个庞然大物，共用了18000多个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，每小时耗电140千瓦，计算速度为每秒5000次加法运算。尽管它的功能远不如今天的计算机，但ENIAC作为计算机大家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河，使信息处理技术进入了一个崭新的时代。其主要特征如下：（1）电子管元件，体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。（2）运算速度慢，一般为每秒钟1千次到1万次。（3）使用机器语言，没有系统软件。（4）采用磁鼓、小磁芯作为存储器，存储空间有限。（5）输入/输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片。（6）主要用于科学计算。2．第二代（1958～1964年），晶体管计算机晶体管的发明给计算机技术带来了革命性的变化。第二代计算机采用的主要元件是晶体管，称为晶体管计算机。计算机软件有了较大发展，采用了监控程序，这是操作系统的雏形。第二代计算机有如下特征：（1）采用晶体管元件作为计算机的器件，体积大大缩小，可靠性增强，寿命延长。计算机信息技术基础教程·2·（2）运算速度加快，达到每秒几万次到几十万次。（3）提出了操作系统的概念，开始出现了汇编语言，产生了如FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言和批处理系统。（4）普遍采用磁芯作为内存储器，磁盘、磁带作为外存储器，容量大大提高。（5）计算机应用领域扩大，从军事研究、科学计算扩大到数据处理和实时过程控制等领域，并开始进入商业市场。3．第三代（1965～1969年），中小规模集成电路计算机20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，已制造出了集成电路元件。集成电路可在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。计算机开始采用中小规模的集成电路元件，这一代计算机比晶体管计算机体积更小，耗电更少，功能更强，寿命更长，综合性能也得到了进一步提高。具有如下主要特征：（1）采用中小规模集成电路元件，体积进一步缩小，寿命更长。（2）内存储器使用半导体存储器，性能优越，运算速度加快，每秒可达几百万次。（3）外围设备开始出现多样化。（4）高级语言进一步发展。操作系统的出现，使计算机功能更强，提出了结构化程序的设计思想。（5）计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。4．第四代（1971年至今），大规模集成电路计算机随着20世纪70年代初集成电路制造技术的飞速发展，产生了大规模集成电路元件，使计算机进入了一个新的时代，即大规模和超大规模集成电路计算机时代。这一时期的计算机的体积、重量、功耗进一步减少，运算速度、存储容量、可靠性有了大幅度的提高。其主要特征如下：（1）采用大规模和超大规模集成电路逻辑元件，体积与第三代相比进一步缩小，可靠性更高，寿命更长。（2）运算速度加快，每秒可达几千万次到几十亿次。（3）系统软件和应用软件获得了巨大的发展，软件配置丰富，程序设计部分自动化。（4）计算机网络技术、多媒体技术、分布式处理技术有了很大的发展，微型计算机大量进入家庭，产品更新速度加快。（5）计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和专家系统等各个领域得到应用，电子商务已开始进入到了家庭，计算机的发展进入到了一个新的历史时期。1.1.2计算机的特点1．自动地运行程序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．运算速度快第1章计算机应用基础知识·3·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，而巨型机则达到每秒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上百兆甚至几千兆，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。微型计算机除了具有上述特点外，还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易操作、功能强、使用灵活、价格便宜等特点。计算机还能代替人做许多复杂繁重的工作。1.1.3计算机的应用进入20世纪90年代以来，计算机技术作为科技的先导技术之一得到了飞跃发展，超级并行计算机技术、高速网络技术、多媒体技术、人工智能技术等相互渗透，改变了人们使用计算机的方式，从而使计算机几乎渗透到人类生产和生活的各个领域，对工业和农业都有极其重要的影响。计算机的应用范围归纳起来主要有以下6个方面。1．科学计算亦称数值计算，是指用计算机完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题。计算机作为一种计算工具，科学计算是它最早的应用领域，也是计算机最重要的应用之一。在科学技术和工程设计中存在着大量的各类数字计算，如求解几百乃至上千阶的线性方程组、大型矩阵运算等。这些问题广泛出现在导弹实验、卫星发射、灾情预测等领域，其特点是数据量大、计算工作复杂。在数学、物理、化学、天文等众多学科的科学研究中，经常遇到许多数学问题，这些问题用传统的计算工具是难以完成的，有时人工计算需要几个月、几年，而且不能保证计算准确，使用计算机则只需要几天、几小时甚至几分钟就可以精确地解决。所以，计算机是发展现代尖端科学技术必不可少的重要工具。计算机信息技术基础教程·4·2．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。数据处理还可以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。其特点是要处理的原始数据量大，而运算比较简单，有大量的逻辑与判断运算。据统计，目前在计算机应用中，数据处理所占的比重最大。其应用领域十分广泛，如人口统计、办公自动化、企业管理、邮政业务、机票订购、情报检索、图书管理、医疗诊断等。3．计算机辅助设计（1）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是指使用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品和工程设计。它能使设计过程自动化，设计合理化、科学化、标准化，大大缩短设计周期，以增强产品在市场上的竞争力。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。（2）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）是指利用计算机通过各种数值控制生产设备，完成产品的加工、装配、检测、包装等生产过程的技术。将CAD进一步集成形成了计算机集成制造系统CIMS，从而实现设计生产自动化。利用CAM可提高产品质量，降低成本和降低劳动强度。（3）计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，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外，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．过程控制亦称实时控制，是用计算机及时采集数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或采用自动调节。利用计算机进行过程控制，不仅大大提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性。过程控制的特点是及时收集并检测数据，按最佳值调节控制对象。在电力、机械制造、化工、冶金、交通等部门采用过程控制，可以提高劳动生产效率、产品质量、自动化水平和控制精确度，减少生产成本，减轻劳动强度。在军事上，可使用计算机实时控制导弹根据目标的移动情况修正飞行姿态，以准确击中目标。5．人工智能人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是用计算机模拟人类的智能活动，如判断、理解、学习、图像识别、问题求解等。它涉及到计算机科学、信息论、仿生学、神经学和心理学等诸多学科。在人工智能中，最具代表性、应用最成功的两个领域是专家系统和机器人。计算机专家系统是一个具有大量专门知识的计算机程序系统。它总结了某个领域的专第1章计算机应用基础知识·5·家知识构建了知识库。根据这些知识，系统可以对输入的原始数据进行推理，做出判断和决策，以回答用户的咨询，这是人工智能的一个成功的例子。机器人是人工智能技术的另一个重要应用。目前，世界上有许多机器人工作在各种恶劣环境，如高温、高辐射、剧毒等。机器人的应用前景非常广阔。现在有很多国家正在研制机器人。6．计算机网络把计算机的超级处理能力与通信技术结合起来就形成了计算机网络。人们熟悉的全球信息查询、邮件传送、电子商务等都是依靠计算机网络来实现的。计算机网络已进入到了千家万户，给人们的生活带来了极大的方便。1.1.4电子计算机的分类一般情况下，电子计算机有多种分类方法，但在通常情况下采用3种分类标准。1．按处理的对象分类电子计算机按处理的对象分可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和混合计算机。电子模拟计算机所处理的电信号在时间上是连续的（称为模拟量），采用的是模拟技术。电子数字计算机所处理的电信号在时间上是离散的（称为数字量），采用的是数字技术。计算机将信息数字化之后具有易保存、易表示、易计算、方便硬件实现等优点，所以数字计算机已成为信息处理的主流。通常所说的计算机都是指电子数字计算机。混合计算机是将数字技术和模拟技术相结合的计算机。2．按性能规模分类按性能规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。（1）巨型机研究巨型机是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。巨型机的特点是运算速度快、存储容量大。目前世界上只有少数几个国家能生产巨型机。我国自主研发的银河I型亿次机和银河II型十亿次机都是巨型机。主要用于核武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。（2）大型机大型机的特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，主要应用在公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂家等，通常人们称大型机为企业计算机。大型机在未来将被赋予更多的使命，如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全保护、科学计算等。（3）中型机中型机是介于大型机和小型机之间的一种