第一章计算机发展与计算机应用概述

1、第一章 计算机发展与计算机应用概述1 1计算机发展概述1946 年 2 月，世界上第一台计算机 ENIAC （ Electronic Numerical Integrator And Computer ）诞生于美国宾夕法尼亚大学。它使用了18000 个电子管、 10000 只电容和 7000个电阻，占地 170 平方米，重达 30吨，耗电 150千瓦，每秒可进行 5000 次加、减法运算， 价值 40 万美元。当时它的设计目的是为美国陆军弹道实验室解决弹道特性的计算问题，虽 然它无法同现今的计算机相比， 但在当时它可把计算一条发射弹道的时间缩短到 30 秒以下， 使工程设计人员从繁重的计算中解

2、放出来。 在当时这是一个伟大的创举， 它开创了计算机的 新时代。从第一台计算机诞生以来的 50 多年里，每隔数年在软、 硬件方面就有一次重大的突破， 至今计算机的发展已经历了以下四代。第一代计算机（ 19461955 年）。从 1946 至 1955 年，陆续出现了一些著名的计算机，其用途已从军事进入到为公众服 务方面。它们都属于第一代计算机， 其特征是：使用电子管为逻辑元件，内存储器开始时使 用水银延迟线或静电存储器，后来采用磁芯，外存贮器有纸带、卡片、磁带等。运算速度可 在每秒几千次到几万次。 程序设计语言用二进制码表示的机器语言和汇编语言。 第一代计算 机体积都较庞大，造价很高，速度低，

3、主要用于科学计算。第二代计算机（ 19551964 年）。1955 年第一台全晶体管计算机问世， 1958 年开始，以 IBM 公司的 7000 系列为代表的 全晶体管计算机成为第二代计算机的主流产品。 第二代计算机的主要特征为： 全部使用晶体 管，用磁芯做主存储器， 用磁盘或磁带做外存储器，运算速度达到每秒几十万次。 程序设计 语言也在这一时期取得了较大发展， 如 ALGO 60 、FORTRAN 、COBOL 等都相继投入使用。 程序的编制方便了， 通用性也增强了， 因而计算机的应用也扩展到事务管理及工业控制等方 面。第三代计算机（ 19641970 年）。1964年美国 IBM 公司公布

4、了采用集成电路制造的System360 系列计算机，同时开发了供该系列机使用的 OS360 操作系统，它使系列机内的低档机向高档机升级时，原有的 操作系统与应用软件可继续使用， 使 360 系列机本身成为第三代计算机的主流产品。第三代计算机的特征是用中、 小规模集成电路代替了分立的晶体管元件 , 内存开始使用半导体存储 器，计算速度可达到几十万次到几百万次， 个别的达到一千万次， 内存储容量可达到兆字节。 这一时期对计算机的设计提出了系列化、 通用化和标准化的思想。 例如，将系列机扩展到大、 中、小型以适应不同层次的需要； 在硬件设计中采用标准的半导体存储芯片和输入输出接口 部件。 在软件设计

5、中提倡模块化和结构化设计， 这样不但使计算机的成本降低， 而且还扩大 了计算机的应用范围。第四代计算机（ 1971 年 现在）。1971年，英特尔公司制成了第一代微处理器，它集成了 2250 个晶体管组成的电路。它 标志着计算机的发展已进人到了大规模集成电路的应用时代。 大规模集成电路的应用是第四 代计算机的基本特征， 在这一代计算机上采用集成度更高的半导体芯片做存储器， 计算机的 速度可以达到每秒几百万次到上亿次。 操作系统不断完善， 应用软件层出不穷。 在计算机系 统结构方面发展了分布式计算机、 并行处理技术和计算机网络等。 这一时期计算机的发展进 入了以计算机网络为特征的时代。我国自 1

6、956 年开始研制计算机。 第一台计算机于 1958 年研制成功， 我国自行研制的第 一台晶体管计算机也于 1964 年问世。 1971 年又研制成功了集成电路计算机。 1985 年研制出第一台IBM PC兼容微型机。2001年我国第一款通用 CPU “龙芯”芯片研制成功，2002年推出了完全自主知识产权的“龙腾”服务器。微型计算机属于第四代计算机，但单从微型机来看，在这 30 多年的发展里又可再将它 分为五个时代。第一代是自 1971 年开始的 4位微机，它的芯片集成了 2000个晶体管，时钟频率为 1MHz。第二代是自 1 973年开始的 8位微机。 它的芯片集成度为 40009000个晶

7、体管， 时钟频 率4MHz。其典型的产品是 In tel公司的8080，Motorola公司的 M6800等。第三代是自 1978年开始的 16位微机。芯片集成度为 2 万7万个晶体管，时钟频率为 5MHz10MHz 。典型的产品是 Intel 公司的 8086及 80286。 IBM 公司用这一代芯片研制了 IBMPC 、 IBMPC/XT 及 IBM PC AT。第四代是自1981年开始的32位微机。芯片的集成度为 10万100万个晶体管。时钟 频率 10MHz33MHz 。用该微处理器制成的微机的性能达到或超过了 70 年代的大、中型计 算机。第五代是自 1993年开始的 64位微机。芯

8、片的集成度在 l00 万个晶体管以上，并且每年 都有不同类型的新产品出现。微处理器的发展大大地推动了计算机的发展， 目前性能价格比大幅度跃升，采用多处理机技术的大型机使用数十个微处理器芯片的产品已经系列化。新一代的操作系统采用友好的图形界面使用户学习和使用计算机更加容易。 面向对象的程序设计语言的使用，使程序员能更快、更好地设计高质量的软件。将来计算机的发展趋势将表现在以下几个方面：1 多极化 虽然今天个人计算机已席卷全球， 但由于计算机应用的不断深入， 对大型机、 巨型机的 需求也在稳步增长。巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的 形势。2网络化 利用现代通信和计算机

9、技术， 把分布在不同地点的计算机互联起来， 按照网络协议互相 通信， 以共享软、硬件和数据资源。 网络是计算机技术和通信技术结合的产物，虽然已出现 近 30 年，但直到近几年才开始形成热潮，并且已开始走向家庭。3多媒体多媒体是 80 年代末、 90 年代初发展起来的一项新技术，过去人机交互的媒体仅仅是文 字，而多媒体技术则是以图形、图像、声音、文字等多种媒体进行人机交互。在短短的几年 中多媒体技术已走向成熟， 计算机辅助教学的蓬勃发展也全靠多媒体技术的支持。 多媒体技 术被认为是 90 年代信息领域的一次革命。4智能化智能化是新一代计算机实现的目标， 前述日本宣布的它的第五代计算机研制计划就是

10、研 制智能计算机。 神经网络计算机和生物计算机更强调计算机具有像人一样的能听、 说和逻辑 思维能力。智能化的主要研究领域为：模式识别、机器人、专家系统、自然语言的生成与理 解等方面。 目前在这些领域都取得了不同程度的进展， 将来随着第五代计算机的诞生， 计算 机技术将发展到一个更高、更先进的水平。计算机中最重要的核心部件是 CPU 芯片，以硅片为基础的芯片制造技术的发展并不是 无限的， 不久的将来就可能达到发展的极限， 目前认为有可能引发下一次计算机技术革命的 技术主要包括：纳米技术、光技术、量子技术和生物技术。未来的计算机发展方向是：光计 算机、生物计算机、分子计算机、量子计算机。光计算机的

11、发展方向是把极细的激光束与快速芯片结合， 主要解决芯片之间的数据传输 问题。由于光子的传播速度极快，今天的计算机数据传输速度最高为每秒10亿字节，采用光技术后其传输速度可以达到每秒万亿字节。另外光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间时可以传输更多的数据。同时光的传输无需物理连接。光计算机发展的关键技术是要做出能耗少、体积小、易于制造、价廉的光电子转换器和光计算机定位系统。生物计算机实现起来比光计算机更为困难，它是使用生物工程技术产生的蛋白分子为主要原料制成的生物芯片。它不但具有巨大的存储能力，且能以波的形式传播信息。其处理速 度比当今最快的计算机快一百万倍，而且能耗仅有现代计算

12、机的十亿分之一。许多科学家认为，21世纪很可能是生物计算机的时代。分子计算机的基础是制造出单个的分子，其功能与三极管、二极管及今天的微电路的其他重要部件相同或相似， 然后把上亿个分子器件牢固地连接在某种基体表面。在这方面还有很长的路要走。量子计算机目前处于理论与实现之间，大多数科学家认为量子计算机会在今后几十年间出现，它是采用基于量子力学原理的、采用深层次计算模式的计算机，这种模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，对应于晶体管的开和关来处理。他的这种计算模式对并行计算非常有利。量子计算机的原型机正在研究当中，还要进行多年的艰苦研究工作，但科学家预

13、见终究将有一天会出现针尖上的超级计算机。1. 2计算机的特点和分类1. 2. l计算机的特点1. 运算速度快运算速度快是计算机从出现到现在人们利用它的主要目的。现代的计算机已达到每秒几百亿次至几万亿次的运算速度。许多以前无法做到的事情现在利用高速计算机就可以得到实 现。如众所周知的天气预报，若不采用高速计算机， 就不可能对几天后的天气变化作较准确的预测。另外，像我国十多亿人的人口普查，离开了计算机也无法完成。2. 计算精度高计算机采用二进制数字运算， 计算精度可用增加表示二进制数的位数来获得，从程序设计方面也可使用某些技巧，使计算精度达到人们所需的要求。众所周知的圆周率二，一位美国数学家花了

14、15年时间计算到707位，而采用计算机目前已达到小数点后上亿位。3具有记忆和逻辑判断能力计算机的存储器不仅能存放原始数据和计算结果，更重要的是能存放用户编制好的程 序。它的容量都是以兆字节计算的，可以存放几十万至几千万个数据或文档资料，当需要时，又可快速、准确、无误地取出来。计算机运行时，它从存储器高速地取出程序和数据，按照 程序的要求自动执行。计算机还具有逻辑判断能力，这使得计算机能解决各种不同的问题。如判断一个条件是真还是假，并且根据判断的结果，自动确定下一步该怎么做。例如数学中的著名难题“4色问题”一一即对任意地形图， 要使相邻区域颜色不同，用4种颜色就够了一一就是美国数学家在1976年

15、用了上百亿次判断，三台计算机共用了1200小时才解决的。4.可靠性高，通用性强现代计算机由于采用超大规模集成电路，都具有非常高的可靠性， 可以安全地使用在各行各业，特别是像银行这种要求高可靠性的行业。由于计算机同时具有计算和逻辑判断等功能，使得计算机不但可用于数值计算，还可对非数据信息进行处理，如图形图像处理、文字编辑、语言识别、信息检索等各个方面。使得计算机的应用在各行各业都可发挥出它的效力。I. 2 . 2计算机的类型计算机的分类方法很多， 有按计算机的原理将其分为数字计算机、 模拟计算机和混合式 计算机三大类的；也有按用途将其分为通用机和专用机两大类的；这里我们按照 1989 年美 国电

16、气和电子工程师协会（ IEEE ）的科学巨型机委员会对计算机的分类提出的报告，来对 计算机的各种类型进行分别介绍。按照这一分类方法，计算机被分成巨型机、小巨型机、主 机、小型计算机、工作站、个人计算机等 6 类。现分别介绍如下：1巨型机巨型机在 6 类计算机中是功能最强的一种， 当然价格也最昂贵， 它也被称作超级计算机， 它具有很高的速度及巨大的容量， 能对高品质动画进行实时处理。 巨型机的指标通常用每秒 多少次浮点运算来表示。 70 年代的第一代巨型机每秒为 1 亿次浮点运算； 80 年代的第二代 巨型机每秒为 100 亿次浮点运算； 90 年代研制的第三代巨型机速度已达到每秒万亿次浮点 运

17、算。目前的许多巨型机都是采用多处理机结构， 用大规模并行处理来提高整机的处理能力。目前巨型机大多用于空间技术， 中、 长期天气预报， 石油勘探，战略武器的实时控制等 领域。生产巨型机的国家主要是美国和日本，俄罗斯、英国、法国、德国也都开发了自己的 巨型机。我国在1983年研制了 “银河I”型巨型机，其速度为每秒1亿次浮点运算。1992年研制了 “银河H”型巨型计算机，其速度为每秒10亿次浮点运算，1997年推出的“银河川”型巨型机是属于每秒百亿次浮点运算的机型，它相当于第二代巨型机，2001年我国又成功推出了 “曙光 3000”巨型计算机， 其速度为每秒 4000 亿次， 2003年 12 月

18、推出的联想 “深 腾 6800”达到每秒 4 万亿次， 2004年六月推出的“曙光 4000A ”达到每秒 11 万亿次，已 经进入世界前十名。2小巨型机小巨型机是由于巨型机性能虽高但价格昂贵， 为满足市场的需求， 一些厂家在保持或略 降低巨型机性能的前提下， 大幅度降低价格而形成的一类机型。 小巨型机的发展一是将高性 能的微处理器组成并行多处理机系统， 二是将部分巨型机的技术引入超小型机使其功能巨型 化。目前流行的小巨型机处理速度在每秒 250亿次浮点运算， 价格只相当于巨型机的十分之 一。3主机 主机实际上包括了我们常说的大型机和中型机。这类计算机的特点是具有大容量的内、 外存储器和多种类

19、型的 I/O 通道， 能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式， 最新出现 的主机还采用多处理机、 并行处理等技术， 整机处理速度大大提高， 具有很强的处理和管理 能力。 几十年来，主机系统在大型公司、 银行、高等院校及科研院所的计算机应用中一直居 统治地位。但随着 PC局域网的发展，主机系统这种采用集中处理的终端工作模式的系统受 到了巨大冲击，特别是现在微型机的性价比大幅上涨，客户机服务器体系结构日益成熟， 更是没有主机系统发挥其特长的空间。 但是在一些需要集中处理大量数据的部门， 如银行或 某些大型企业仍需主机系统。4小型机 比起主机来，小型机由于结构简单、成本较低、易于使用和维护，更受中

20、、小用户的欢 迎，小型机的特征有两类： 一类是采用多处理机结构和多级存储系统， 另一类是采用精减指 令系统。 前者是使用多处理机来提高其运算速度。 后者是在指令系统中， 只将比较常用的指 令集用硬件实现，很少使用的、 复杂的指令留给软件去完成， 这样既提高了运算速度， 又降 低了价格。5工作站 首先这里所说的工作站和网络中用作站点的工作站是两个完全不同的概念，这里的工作站是计算机中的一个类型。工作站实际上是一种配备了高分辨率大屏幕显示器和大容量内、 外存储器， 并且具有较强数据处理能力与高性能图形功能的高档微型计算机， 它一般还内置网络功能。 工作站一般 都使用精减指令（RISC）芯片，使用U

21、NIX操作系统。目前也出现了基于Pentium系列芯片的工作站， 这类工作站一般配置 Windows NT 操作系统。 由于这一类工作站和传统的使用 精减指令（RISC ）芯片的高性能工作站还有一定的差距，因此，常把这类工作站称为“个 人工作站”，而把传统的高性能工作站称为“技术工作站” 。6个人计算机个人计算机也称作 PC 机，它的核心是微处理器。微处理器在短短的 30年中已从 4 位、 8位、 32位发展到现在的 64位。 80 年代初， IBM 公司在数年内连续推出了 IBM PC、IBM PC/XT、IBM PC / AT等机型，形成和巩固了 PC机的主流系列，许多厂商纷纷推出与IBM

22、PC 兼容的个人计算机。随着微处理芯片性能的提高，PC 机与兼容机已发展到目前的以Pentium W为处理器的各种机型，它的性能已超过早年大型机的水平。在这30年中，PC机使用的微处理芯片，平均不到两年集成度增加一倍，处理速度提高一倍，价格却降低一半。今天，PC机已广泛应用于社会的各个领域，从政府机关到家庭，PC机无所不在。特别值得一提的是便携式计算机的发展取得了惊人的成绩， 性能和台式机已趋于一致， 但重量较轻便 于随身携带。1 3 信息科学与信息技术1 31 信息科学信息是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。信息同物质、能源 一样是人类生存和社会发展的三大基本资源之一。信息

23、科学是研究信息及其运动规律的科学。信息科学包括对信息的描述和测度、信息 传递理论、信息再生理论、信息调节理论、信息组织理论、信息认识理论等内容。它研究信 息提供、信息识别、信息变换、信息传递、信息存储、信息检索、信息处理等一系列问题和 过程。从信息科学的角度看， 信息的载体是数据， 数据可以是文字、 图像或声音等多种形式， 数据是信息的具体表现形式。132 信息技术信息技术 （Information Technology, IT） 是指一切能扩展人的信息功能的技术。更确 切的说是指利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、 存储信息、 处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。信息技

24、术主要包括以下几个方面： 1感测与识别技术，其作用是扩展人获取信息的感觉器官功能。这类技术总称为“传感技术” ，包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。传感技术、测量技术与通 信技术相结合而产生的遥感技术，更使人感知信息的能力得到进一步的加强。 信息识别包括文字识别、语音识别和图像识别等，通常采用“模式识别”的方法。 2信息传递技术，其主要功能是实现信息快速、可靠、安全地传输。各种通信技 术都属于这个范畴。广播技术也是一种传递信息的技术。3信息处理与再生技术， 信息处理包括对信息的编码、 压缩、 加密等。 信息的 “再 生是指在对信息进行处理的基础上，还可形成一些新的更深层次的信息。4信息施用

25、技术，是信息过程的最后环节。它包括控制技术、显示技术等。133 计算机在信息处理中的应用现代信息社会若离开计算机， 则整个社会将寸步难行， 计算机在信息社会中担负着信息 中心的重任， 信息的处理全都得依赖于计算机来进行， 计算机在信息处理中的作用表现在以 下几个方面：1数据加工。由于计算机的高速度运行，它可在极短的时间内完成一系列数据加工， 使许多人工无法完成的定量分析工作都能得以实现。2“海量” 存储。 计算机的发展使得它的存储能力飞速提高，一个行业或一个图书馆的 信息都可轻松地存在一台计算机上。3通信。信息网络的通信手段除了通信线路外，它的核心就是计算机，四通八达的计 算机通信网络使各国的

26、距离变近了。 用户可以坐在家中用计算机与国外的任何地方进行信息 交流。4多媒体技术。多媒体技术使计算机具有听、说、看的能力，使用户可以通过图形、 图像、声音、文字等多种方式获取信息，多媒体技术使用户与计算机之间更亲切、更融洽。5智能化决策。 计算机可以通过丰富的图形、 图表和统计汇总，将资料提供给决策者， 有助于决策者进行科学的决策。134 信息高速公路信息高速公路就本质而言， 它是一个交互式的多媒体网络。 它使联结到网络上的用户获 取信息的方式发生了根本的改变。传统的会议、电话、文书传递、购物、社交、工作等都可 在网上进行。信息高速公路的修建将对国民经济与科学技术的发展起到巨大的推动作用。1

27、993年美国政府提出了建立“国家信息基础设施”计划，简称NH。这标志着美国的信息高速公路的建设进入了实施阶段。1. N n的要点 敷设覆盖全国的光纤网络。 用光纤网络联接所有的通信系统、计算机资料库和电信消费设施。 让光纤网络能传输视频、音频、数字、图像等多媒体。2. n n的基本组成 通信网络。其干线采用广域通信技术，包括卫星、光纤和微波组成一个宽带网络，能够传送各种多媒体信息并具有各种服务机制。 通信设备。数据服务器将使用各种高性能的计算机，用户设备则可使用PC机、多媒体计算机（MPC）、新式电话、电视等。 信息资源。 包括经济、 文化、 科技、 教育、 商业、 公共服务等需求的各类信息数

28、据库、 知识库及各种影视资料库等。 人。 培训和造就各类信息化人才，包括各类信息资源开发人才、 信息系统集成和运营人才及信息用户。综上所述， 信息高速公路是由通信网络和通信设备组成的 “路面”，信息资源是“路面” 上行驶的车辆，而驾车的是人，几者缺一不可。自美国提出信息高速公路的计划后， 全世界各国也都纷纷提出了本国的信息基础设施计 划，以便在将来的发展中占领有利位置，谋求国家发展的长远利益。I. 3. 5“三金”工程在世界各国提出自己的信息基础设施计划的同时， 我国政府制订并开始实施规模空前的 国家经济信息网，即“金字”工程（包括“金桥” 、“金关'、“金卡”、“金税”、“金宏”、“

29、金 智”、“金卫”、“金企”、“金农”等） ，首批先启动“金桥” 、“金关”和“金卡”工程，也就 是我们常说的“三金”工程。1 .金桥工程“金桥工程”也叫国家公用经济信息通信网络工程。其目标是建立一个覆盖全国各省、 市、自治区、 500 个中心城市与各地区及部门的专用计算机网相联、与国家综合管理部门信 息中心的计算机网相联并实行与国际计算机联网的公用基干网和网中之网。它以光纤、 卫星、微波、程控无线移动等多种方式形成空、地一体的网络结构，可传输图像、数据、语音、文 字，提供各种增值服务，如电子邮件、电子数据交换、可视图文、电视会议以及分布式数据 库联机业务等。“金桥”网的建成将为 “金关”、“

30、金卡” 工程及各部门建立信息业务提供一个技术先进、 经济合理的公用信息通道。2金关工程“金关工程” 是将海关、 外贸、外汇管理和税务等部门的业务专用网络实行计算机联网， 以加强和完善外贸管理、 配额许可证管理、 进出口收汇结汇、 进出口贸易统计等信息应用系 统，同时开展 EDI 应用试点，为在全国全面推广电子数据交换业务和电子邮件业务、实现 通关自动化和无纸贸易创造条件。 目前国家主要商业银行和保险公司、 外汇管理总局等金融 体系都具备各自正在完善中的计算机网络，各行业将用统一的标准进行贸易的电子数据交 换。3金卡工程“金卡工程”也称电子货币工程。它是以计算机、通信、 金融与商业专用电脑等现代

31、科技为基础，以各种金融交易卡（信用卡、现金卡）为介质，通过电子信息转帐形式实现的一 种货币流通方式。 它的核心内容是： 建立全国统一的金融交易卡发行体系； 建立全国性的信 用卡和现金卡两个信息服务中心； 建立全国统一的金卡专用网， 推行两种统一标准的信用卡 和现金卡，结合我国国情，以现金卡为主，从防伪及技术发展考虑，以 IC 智能卡为主，以 磁卡为过渡。 “金卡”系统业务的开展由金融网、金桥网和邮电数据网互为备用来提供良好 的网络通信环境。“三金 ”工程拉开了我国经济信息化建设的序幕，目前，我国已建成了22 条光缆干线、20条数据微波干线和 20 个大中型卫星地面站， 中国公用数字数据网已于

32、1994年 9 月开通， 中国公用分组交换数据网于 1993 年 9 月开通， 1995 年 6 月中国公用计算机互联网开通。中 国的信息高速公路建设正有计划、有步骤地进行着。14 计算机应用概述计算机的出现是 20 世纪科学技术的卓越成就之一，它的诞生导致了一场伟大的技术革 命，计算机在科学技术、 工农业生产及国防等各个领域得到了广泛应用， 推动着社会的发展。 计算机的主要应用在如下几个方面：1科学计算 科学计算一直是计算机的重要应用领域之一。如：数学、物理、天文、原子能、生物学 等基础学科， 以及导弹设计、 飞机设计、 石油勘探等方面大量、 复杂的计算都需用到计算机。 利用计算机进行数值计

33、算，可以节省大量时间、人力和物力。有些科技问题， 计算工作量实在太大， 以致于人工根本无法计算， 还有一类问题是人工 计算太慢，算出来已失去了实际意义。如天气预报，由于计算量大，时间性强，对于大范围 地区的天气预报，采用计算机计算几分钟就能得到结果，若人工计算需用几个星期的时间， 这时“预报”已失去了意义。另外， 有些问题用人工计算很难选出最佳方案。现代工程技术往往投资大、周期长，因 此设计方案的选择非常关键。 为了选择一个理想的方案， 往往需要详细计算几十个甚至上百 个方案，从中选优，只有计算机才可能做到这一点。2数据处理 数据处理也称非数值计算。 人类在科学研究、 生产实践、 经济活动和日常生活中获得了 大量的信息，为了更全面、深入、精