任务一 计算机概述

计算机（Computer）是能够自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。它能够把程序和输入的数据存放在存储器中，按照程序设定的步骤，对数据进行加工处理、存储或传送并获得输出信息，部分地代替人的脑力劳动，所以计算机也被称为电脑。

自20世纪40年代人类发明了第一台计算机之后，计算机技术以强大的生命力飞速发展，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响。经过70多年的发展，计算机的应用领域从最初的军事、科研领域扩展到社会的各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球的技术进步，引发了深刻的社会变革。计算机及其应用技术已经成为当今信息社会中人们工作、学习和生活必不可少的工具。因此，计算机基础知识、基本原理、基本操作和利用计算机解决实际问题的方法是当代大学生需要掌握的最基本的知识和能力。

1.计算机的发展历程

在第二次世界大战期间，为了研制和开发新型大炮和导弹，美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了“弹道研究实验室”。美国军方要求该实验室每天为陆军提供6张火力表以便对导弹的研制进行技术鉴定，每张火力表要计算出几百条弹道，而每条弹道的数学模型是一组非常复杂的非线性方程组（这些方程组是没有办法求出准确解的，因此只能用数值方法近似地进行计算）。按当时的计算工具，实验室即使雇用200多名计算人员加班加点工作，也需要两个多月的时间才能算完一张火力表。

为了提高计算速度，当时任职于宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利（John Mauchly）于1942年提出了研制第一台电子计算机——高速电子管计算装置的初始设想。美国军方得知这一设想，马上拨款大力支持，成立了一个以莫希利、埃克特（Eckert）为首的研制小组。后来，当时任弹道研究所顾问、正在参加美国第一颗原子弹研制工作的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John von Neumann, 1903—1957年）在研制过程中期加入了研制小组。

1945年，冯·诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上，发表了一个全新的存储程序通用电子计算机方案（Electronic Discrete Variable Automatic Computer,EDVAC），在此过程中，他对计算机的许多关键性问题的解决做出了重要贡献，从而保证了计算机的顺利问世。

1946年2月，世界上第一台通用电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator,ENIAC），如图1-1所示。这台计算机共使用了17000多个电子管、10000多个电容、7000多个电阻、1500多个继电器，耗用功率150多千瓦，需要占用160多平方米的房间。它每秒可完成加法运算5000多次，计算炮弹发射轨迹时，手工操作机械进行计算需要7～10小时，利用ENIAC只需要3秒，计算速度大幅提高。

ENIAC 奠定了计算机的发展基础，在计算机发展史上具有划时代的意义，它的问世标志着计算机时代的到来。自ENIAC的诞生到今天，计算机及其应用技术得到了飞速发展，计算机的发展历程一般划分为以下5个阶段。

（1）第一代计算机

第一代计算机（1946—1958年）如图1-2所示，它采用的主要元器件是电子管，主要应用于军事科研领域科学计算。

第一代计算机的特点是：体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵。但它为以后的计算机发展奠定了基础。

（2）第二代计算机

第二代计算机（1959—1964年）采用的主要元器件是晶体管，它除用于科学计算外，还应用于数据处理和实时控制等，其应用范围开始进入工业控制领域。

与第一代计算机相比，第二代计算机的特点是：体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数十万次，最高可达每秒300万次）。

（3）第三代计算机

第三代计算机（1965—1970年）开始采用中小规模的集成电路，开始进入文字处理和图形图像处理等领域，应用范围扩大到企业管理和辅助设计等。

与第二代计算机相比，第三代计算机的特点是：速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向通用化、系列化和标准化。

（4）第四代计算机

第四代计算机（1971年至今）采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为基本电子元器件。1971年，世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。计算机应用拓展到办公自动化、数据库管理、图像动画（视频）处理、语音识别等方面，应用范围扩展到社会的各个领域，计算机开始进入家庭。

利用大规模、超大规模集成电路芯片制成的微型计算机，体积小、价格便宜、使用方便，功能和运算速度已经达到甚至超过了过去的大型计算机；利用大规模、超大规模集成电路芯片制成的巨型计算机，体积比微型计算机大，运算速度可达每秒一亿次甚至几十亿次。

（5）第五代计算机

前四代计算机最本质的区别在于基本部件的改变，即从电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成电路。第五代计算机（20世纪80年代至今）除了基本部件创新外，更注重人工智能技术的应用，是具有“人类思维”能力的智能机器。

第五代计算机的特点是：它把信息采集、存储、处理、通信与人工智能结合在一起，除了能进行数值计算或处理一般的信息外，还具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策，开拓未知领域和获得新的知识。

2.未来计算机的发展趋势

未来计算机的发展趋势是：在系统结构上突破传统的冯·诺依曼机器的概念；在软件系统上将研制各种智能化的支援系统，包括智能程序设计系统、知识库设计系统、智能超大规模集成电路辅助设计系统，以及各种智能应用系统、集成专家系统等；在硬件方面，将出现一系列新技术，例如先进的微细加工和封装测试技术、砷化镓器件、约瑟夫森器件、光学器件、光纤通信技术等。尽管在相当长的一段时间内，传统的电子计算机还不会退出历史舞台，但光子计算机、DNA计算机、超导计算机、纳米计算机和量子计算机的研究已经取得了突破性进展，预计在不久的将来，各种新型计算机将登上世界舞台，有望成为人类的新工具。

（1）光子计算机

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。

1990年年初，美国贝尔实验室成功研制了世界上第一台光子计算机。光子计算机的运行速度可高达每秒一万亿次。它的存储量是现代主流计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，相信在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍使用的工具（见图1-3）。

（2）DNA计算机

DNA计算机是一种生物形式的计算机（见图1-4）。它是利用DNA（脱氧核糖核酸）建立的一种完整的信息技术形式，以编码的DNA序列（通常意义上指计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题。最初的DNA计算机由一堆装着有机液体的试管组成，因此又称之为“试管计算机”。

1994年科学家首次提出了DNA计算机概念。科学家用一支装有特殊DNA的试管，解决了著名的“推销员问题”：有n个城市，一个推销员要从其中某一个城市出发，不重复地走遍所有城市，再回到他出发的城市，求最短的路线。这个问题在当时即使用最快的计算机来推算，也需要两年以上的时间，但是科学家用“DNA试管”来计算只花了7天时间，令人叹为观止，开辟了DNA计算机研究的新纪元。

DNA计算机具有体积小、存储量大、运算快、耗能低、并行处理能力强等特点，其在逻辑研究、密码破译、基因编程、疑难病症防治等问题的处理上具有独特优势，应用前景十分广阔。DNA计算机的出现，使在体内或细胞内运行计算机成为可能。DNA计算机能够充当监控装置，发现潜在的病变，还可以在人体内合成所需的药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症，甚至在恢复盲人视觉方面，也能大显身手。DNA计算机已经成为许多科研人员研究的热点之一，而且取得了突破性进展。DNA计算技术被认为是代替传统电子技术的各种新技术中的主要候选技术之一。

（3）超导计算机

超导计算机（见图1-5）是利用超导技术生产的计算机，由超导开关器件、超导存储器等元器件和电路制成。1911年，荷兰物理学家昂内斯首先发现了超导现象——某些铊系、铌系、陶瓷合金等材料，在接近-273℃时会失去电阻值而成为畅通无阻的导体。后来，科学家们经过不断实验，发现了一些“高温”超导材料，如一种陶瓷合金在-238℃时出现了超导现象；我国物理学家找到一种材料，在-141℃就出现超导现象。有些超导材料，例如铊系、铌系等，可以利用溅射技术或蒸发技术在非常薄的绝缘体上形成薄膜，并制成超导计算机器件。利用这种器件制成超导计算机可使计算机的体积大幅缩小、能耗大幅下降，且计算速度大幅提高。目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到微秒（10-6s）级的高水平，超导计算机运算速度比现在的电子计算机快几百倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。

研制超导计算机的关键在于寻找到合适的超导材料。现在超导计算机的组件还一定要在低温下工作。科学家正在寻找常温的超导材料，一旦这些材料被找到，人们就可以制成能在常温下工作的超导计算机，计算机世界就将发生巨大改变。

（4）纳米计算机

纳米计算机是指利用纳米技术研制生产的新型计算机。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅体积小，能源耗费极低，而且其性能要比今天的计算机强大得多，其运算速度可达硅芯片计算机的1万倍以上。

2013年9月，斯坦福大学宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体技术的限制，生产出性能更强的新型纳米计算机。

（5）量子计算机

量子计算机是利用量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的新型计算机（见图1-6）。经典计算机靠控制集成电路来记录和运算信息，量子计算机则利用原子的量子特性进行信息处理。即在经典计算机中，基本信息单位为比特（0或1），运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算做了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

2009年11月15日，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。初步的测试程序显示，该计算机还存在部分难题需要进一步解决和改善。科学家们认为，可编程量子计算机距离实际应用已为期不远。

3.计算机的特点

计算机具有以下几个方面的特点。

（1）运算速度快。计算机的运算速度已从最初的每秒几千次加法运算发展到现在的每秒几千亿次加法运算。

（2）计算精度高。从理论上说计算机可以实现任何精度要求，但实际会受到技术水平的制约。目前比较普遍的是64位计算机，计算机精度可达63位有效数字。

（3）具有存储记忆能力。计算机可以对数据和程序进行存储、处理，与人的大脑相比，其存储容量要大得多，记忆的持久性要长得多。像人造卫星的轨道计算、卫星图像处理、信息检索等需要对巨量数据进行存储、处理的问题，只有借助计算机才能解决。

（4）具有逻辑判断能力。计算机除了进行数值计算之外，还能够进行逻辑运算，做出逻辑判断，模仿人类的部分思维活动，对问题进行分析判断和推理。

4.计算机在各个领域的应用

计算机的应用已经渗透到社会的各行各业和人们的日常生活中，不断改变着人们的工作、学习、生活和思维方式，推动着人类社会的快速进步和发展。计算机的应用主要有以下几个方面。

（1）科学计算

科学计算又称数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的复杂数学问题的计算。借助计算机解决人力难以完成的复杂数值计算问题是人类发明计算机的最直接目的。在现代科学技术工作中，存在大量复杂的科学计算问题。由于计算机具有高速度、高精度的运算能力和大存储容量等特点，利用计算机可以实现人工无法解决的各种科学计算问题，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机在科学计算方面的广泛应用，衍生了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。

（2）数据处理

数据处理又称信息处理，它是利用计算机对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。数据处理已广泛应用于办公自动化、企业管理、事务处理、情报检索等，是计算机在各个领域中最广泛的应用。数据处理从简单到复杂可分为3个层次，具体如下。

① 电子数据处理（Electronic Data Processing,EDP）。它是以文件系统为手段，实现一个部门或一个任务的单项管理。

② 管理信息系统（Management Information System,MIS）。它是以数据库技术为工具，实现一个部门、一个项目或一个任务的全面信息化管理，以提高工作效率。

③ 决策支持系统（Decision Support System,DSS）。它以数据库、模型库和方法库为基础，帮助决策者提高管理与运营决策的正确性与有效性，提高决策水平。

（3）过程控制

过程控制又称实时控制，它利用计算机实时采集数据，对数据进行分析处理，并对控制对象及时进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量。实时控制已普遍应用于机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等领域的现代化生产过程和远程控制之中。

例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。

（4）计算机辅助

计算机辅助包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助教学等。

① 计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）。计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用CAD进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但可以提高设计速度，而且可以大大提高设计质量。

② 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）。计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。它将实现真正的无人化工厂（或车间）。

③ 计算机辅助教学（Computer Aided Instruction,CAI）。计算机辅助教学是指利用计算机来辅助教学，常见的有PPT课件等。课件可以用办公软件来开发制作，它能引导学生循序渐进地学习，轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。

（5）人工智能

人工智能是指用计算机来模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段，例如能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。

（6）网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家乃至全世界的计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国家间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。尤其是互联网的产生，使全世界各个角落的计算机通过网络互联，让世界变成了“地球村”，极大地推动了社会的发展与进步。

5.计算机系统组成

一个计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，如图1-7所示。

硬件系统（Hardware System）是指构成计算机的各种物理装置，包括计算机系统中的一切电子、机械、光电等设备，是计算机工作的物质基础。软件系统（Software System）是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序和数据的集合。硬件系统是计算机的“躯干”，软件系统是建立在计算机的“躯干”之上的“灵魂”。通常，不安装任何软件的计算机被称为“裸机”，只有安装了必要的软件后，用户才能方便地使用计算机。

（1）计算机硬件系统

计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，如图1-8所示。图中实线表示数据流，虚线表示控制信号。

输入设备用于输入各种原始数据；存储器用于存储程序和数据；输出设备用于输出运算处理后的结果；运算器用于执行指定的运算；控制器负责从存储器中取出指令，对指令进行分析、解释，然后发出控制信号，指挥计算机各部件协同工作，控制整个计算机系统逐步地完成各种操作。

① 运算器。运算器是对数据进行加工处理的部件，通常由算术逻辑部件（Arithmetic Logic Unit, ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器等组成。它的功能是在控制器的控制下对内存或内部寄存器中的数据进行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、比较、移位）。

② 控制器。控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，在它的控制下，整个计算机才能有条不紊地工作。控制器的功能是依次从存储器中取出指令、翻译指令、分析指令，并向其他部件发出控制信号，指挥计算机各部件协同工作。

运算器、控制器通常被集成在一块集成电路芯片上，称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU）。

③ 存储器。存储器用来存储程序和数据，是计算机中各种信息的存储和交流中心。存储器通常分为内部存储器和外部存储器。

• 内部存储器简称内存，又称主存储器，主要用于存放计算机运行期间所需要的程序和数据。内存的存取速度较快，但容量相对较小。因内存是CPU与其他主要部件进行信息交流的中转站，故内存的大小及其性能的优劣直接影响计算机的运行速度。内存又分为只读存储器（Read Only Memory,ROM）和随机存储器（Random Access Memory,RAM）两类。ROM中的程序和数据是固化在芯片内的，只可以读取，不可以修改，计算机掉电时其数据也不会丢失。平常所说的内存一般指 RAM，既可以随时写入数据，也可以随时读出数据，电源断开后 RAM 中保存的数据将全部丢失。

• 外部存储器又称辅助存储器，用于存储需要长期保存的信息，这些信息往往以文件的形式保存。外部存储器中的数据不能直接被CPU访问，必须先被送入内存后才能被CPU使用。与内存比较，外部存储器容量大、速度慢、价格低。外部存储器类型很多，主要有硬盘、移动硬盘、光盘、闪存盘等。

• 高速缓冲存储器（Cache）是为内存与CPU交换数据提供的缓冲区，以解决内存与CPU速度的不匹配问题。Cache和CPU之间的数据交换速度比内存与CPU之间的数据交换速度快得多。

④ 输入设备和输出设备。输入/输出（I/O）设备是计算机系统与外界进行信息交流的工具。

• 输入设备的作用是将信息输入计算机，并将原始信息转化为计算机能识别的二进制代码存放在存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、数字化仪、摄像头、麦克风、数码照相机、光笔、条形码阅读机等。

• 输出设备的功能是将计算机的处理结果转换为人们所能接受的形式并输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统和语音输出系统等。

• 基本输入/输出系统（Basic Input/Output System,BIOS）是存储在主板上一块ROM芯片中的一组程序和数据，包括计算机系统最重要的基本输入/输出程序、系统信息设置、开机上电自检程序和系统启动自举程序等，主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

（2）计算机软件系统

计算机软件系统通常按功能分为系统软件和应用软件两大类。

① 系统软件。系统软件是为计算机提供管理、控制、维护和服务等的软件，例如操作系统、系统支持软件等。

• 操作系统（Operating System,OS）是最基本、最核心的系统软件，计算机和其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统的作用是管理计算机系统中所有的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程；同时，操作系统又是用户和计算机之间的接口，为用户提供一个使用计算机的工作环境。目前，常见的操作系统有macOS、UNIX、Linux、Windows 等，其中Windows系统是个人计算机用户普遍使用的操作系统。所有的操作系统都具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征，而不同操作系统的结构和形式存在很大差别，但一般都有处理机管理（进程管理）、作业管理、文件管理、存储管理和设备管理这五项功能。

智能手机就像一台体积很小的个人计算机，它几乎具备了个人计算机的所有功能。像个人计算机一样，智能手机也有自己的操作系统，如Android和iOS等。它们都具有良好的用户界面，拥有很强的应用扩展性，能方便地安装和删除应用程序。

• 系统支持软件是介于系统软件和应用软件之间，用来支持软件开发、计算机维护和运行的软件，为应用层的软件和最终用户处理程序和数据提供服务。例如语言的编译程序（如汇编语言汇编器，C语言编译、连接器）、软件开发工具（如Java开发工具、.Net软件开发工具）、数据库管理软件（如Foxpro、Access、Oracle、Sybase、DB2和Informix）等。

② 应用软件。应用软件是为解决某个应用领域中的具体任务而开发的软件，例如各种科学计算程序、企业管理程序、生产过程自动控制程序、数据统计与处理程序、情报检索程序等。常见的应用软件包括：办公软件，例如微软Office、金山WPS；图像处理软件，例如Adobe Photoshop、美图秀秀；图像浏览工具，例如ACDSee；截图工具，例如HyperSnap；媒体播放器，例如Windows Media Player、暴风影音；其他软件，例如通信工具QQ、微信。

6.计算机的工作原理

1946年，冯·诺依曼提出了计算机的3个重要设计思想。

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。

（2）计算机采用二进制表示指令和数据。

（3）计算机将程序和数据存放在存储器中，并在不需要人工干预的情况下自动执行程序。

计算机的工作原理是将需要执行的任务用计算机程序设计语言写成程序，与需要处理的原始数据一起通过输入设备输入并存储在计算机的存储器中；在需要执行时，由控制器取出程序并按照程序规定的步骤或用户提出的要求，向计算机的有关部件发布命令并控制它们执行相应的操作，执行的过程不需要人工干预就能自动连续地一条指令接一条指令地运行。冯·诺依曼计算机工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”。按照这一原理设计的计算机称为冯·诺依曼计算机，其体系结构称为冯·诺依曼结构。

目前，计算机虽然已发展到了第四代和第五代，但基本上仍然遵循冯·诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯·诺依曼结构进行了许多变革，例如指令流水线技术、多核处理技术、并行计算技术等。