任务1 我们的朋友——基础理论

任务提出

小叶同学是今年刚刚入学的新生，学院里的一切都让她感到新鲜！特别是第一学期开设的计算机课程，更是激发了她的学习兴趣。那么老师在课上都讲了些什么，会让她有这种感觉呢？计算机到底与我们有着怎样的关系呢？

任务分析

认识计算机及其发展史并熟识计算机的特点、分类和功能是本任务的核心内容，是让计算机成为我们的好朋友的第一步！

任务要点

•计算机的诞生及发展历史

•计算机的特点

•计算机的分类

•计算机的应用

知识链接

1.1.1 计算机的诞生及发展历史

1. 初识计算机

计算机（Computer）就是我们常常提及的“电脑”，是一种可以高速度、高精度处理数据的电子设备。它处理的数据种类十分广泛，从大家所熟知的传统数字、文字到形象生动的图像、声音、视频，凡是你能想到的，都可以在计算机上表达出来。它不但可以完成数值计算，还可以进行逻辑分析，并且具有超乎想象的存储与记忆功能。我们可以放心大胆地用它去加工各种数据，并为我们所用。换句话说，计算机是能够按照程序要求运行的，可以自动、高速、精确处理海量数据的现代化智能电子设备。

每一台电子计算机都是由硬件系统和软件系统所组成的，这与大家每天都拿在手中的智能手机很相似，如图1-1所示。与手机一样，没有安装任何软件的计算机被称为“裸机”。

计算机和手机在组成上有何区别与联系呢？如表1-1所示。

在对计算机有了大致的认识之后，如果要更为深入、全面地了解计算机、认识计算机，读者还要了解计算机的诞生和发展史。

2. 计算机的诞生

提到计算机的诞生，就不能不说一说它的前身——各式各样的计算工具。从远古到现代，随着生产力水平的提高，人们对数据计算的要求也越来越高。计算工具的演化顺应了时代发展的要求，也经历了一个由简单到复杂、从低级到高级的过程。在这个漫长的历史过程中，我们可以自豪地说，计算工具起源于中国。最早的计算工具就是我们的祖先发明出来的。从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘、计算尺、机械计算机等都闪耀中华文明的光辉。它们在不同的时期发挥了各自的历史作用，同时也启发了电子计算机的研制和设计思路。

现代计算机的发展历程如下。

•1889年，美国科学家赫尔曼·何乐礼研制出电力驱动的能储存计算资料的电动制表机。

•1930年，美国科学家范内瓦·布什造出世界上第一台模拟电子计算机。

•1946年，宾夕法尼亚大学的科学家为美国军方定制出世界上第一台通用电子计算机ENIAC，如图1-2所示。

必须要再提一句，在这伟大的历史洪流中，我们作为古老的东方古国，落后了一步。这使我们更加深刻地认识到“科技就是生产力”，落后就要受制于人，同学们，努力学习吧。

3. 计算机的发展

随着高水平计算工具的诞生，社会生产力得到了更快的发展。那么，我们再来了解一下计算机的发展历史吧！如表1-2所示。

未来，计算机将继续向着超高速、超小型、并行处理和智能化的方向发展，并深度拥有感知、思考、判断、学习和语言能力。比如，量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等将逐步进入生产、生活领域，完成计算机与人类的更完美结合，使我们的生产、生活品质更上一层楼。

1.1.2 计算机的特点

根据计算机主要硬件的不同，对其进行划分，特点如下。

•第1代（电子管计算机）：体积大、功耗高、价格贵、可靠性差。运算速度相对较慢，但已经较计算机的前身——各种其他的计算工具有了很大的进步，同时也为以后的计算机发展奠定了理论基础。

•第2代（晶体管计算机）：体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高、性能比第1代计算机有很大的提升。

•第3代（集成电路计算机）：体积显著缩小、能耗更低、价格明显下降，运算速度更快，可靠性显著提高。产品走向了通用化、标准化和系列化。

•第4代（大规模和超大规模集成电路计算机）：体积更小、速度更快、可靠性更高。以1971年第一台微处理器在美国硅谷诞生为标志，开创了微型计算机的新时代，使计算机进入家庭成为可能。

从根本上讲，计算机的发展史就是组成计算机的物理元器件的发展史。随着物理元器件的更新换代，不仅计算机主机经历了数次更新换代，它的外部设备也在不断地变革。

以外存储器为例，由最初的阴极射线管发展到磁芯、磁鼓，以后又发展为通用的磁盘，再到只读光盘（CD-ROM）、直到目前通用的各种可移动存储设备，如图1-3所示。每一次硬件的革新都带动了计算机技术的发展。

作为现代信息技术的代表，计算机的特点大致可以总结为以下几点。

1. 运算速度快

计算机内部由各种电路元器件组成，可以高速地完成各种运算。目前，计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，即便是微型计算机的运算性能也不容小觑。比如，水利工程量计算、卫星轨道参数计算、24小时天气预报分析等原来需要算上几年甚至几十年的海量数据，现在可以轻轻松松地在几分钟内得到计算结果。

2. 计算精度高

“精度”是数据计算的基本要求。在科学研究领域更是这样。目前，通用计算机可以做到十几位甚至几十位有效数字，这是任何早期的计算工具都很难做到的。正是因为计算机将运算精度控制在千分之一甚至百万分之一，才有了全球各类高新技术的蓬勃发展。我国的航天技术就是一个成功的典型。

3. 存储容量大

计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息。这些信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。一台计算机就是一个大型的资料库。

4. 自动化程度高

电子元器件的特性决定了计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们利用基本的硬件条件进行计算机的程序存储，并用程序控制数据信息的处理，完成连续、自动地计算工作，不需要人工干预。

5. 逻辑运算能力强

计算机不但可以进行数据计算，还能够根据内部存储的程序进行逻辑判断，从而控制程序的运行方向。软件设计者正是利用计算机的这个特点设计、开发出许许多多面向信息处理、过程控制、人工智能等方面的应用软件。例如，在游戏产品开发中，计算机的这个特点就体现得尤为突出。

6. 性价比高

随着科技生产力的发展，计算机作为人们日常生活的一部分已经进入了普通家庭。它的普及应用已经成为信息社会的一大风景。在新的世纪里，计算机已成为每家每户不可缺少的设备，而且形式多样的态势已经见端倪，台式计算机、笔记本、平板电脑等，更新换代越来越快，性价比越来越高。

1.1.3 计算机的分类

计算机的分类方式有很多，常用的分类为：按性能、规模和处理能力，可以将计算机划分有巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机；按计算机应用领域进行分类，可以将计算机分为超级计算机、网络计算机、工业控制计算机、个人计算机、嵌入式计算机五大类。本书主要介绍这种划分方式。

1. 超级计算机（Super Computer）

超级计算机通常是指由成百上千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通个人计算机和小型服务器不能完成的大型复杂计算任务的计算机。目前，超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。例如，我国的银河系列、天河系列计算机，如图1-4（左为银河系列计算机、右为天河系列计算机）所示，就属于这一类。它们具有超强的并行计算能力，主要用于科学计算。在结构上，虽然超级计算机和服务器都可能是多处理器系统，二者并无实质区别，但是现代超级计算机较多采用集群系统，更注重浮点运算方面的性能表现，可被看成是一种专门用于科学计算的高性能服务器，价格较服务器要昂贵许多。

2. 网络计算机

根据用途，网络计算机可分为服务器、工作站、集线器、交换机、路由器等几类。

•服务器专指某些性能高的能通过网络对外提供服务的计算机。相对于普通计算机来说，它们在运算能力、稳定性、安全性方面的标准更高，因此在CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、内存、芯片组、磁盘系统、网络部件等硬件上和普通计算机都有所不同。服务器往往作为网络的节点存储、处理网络上大约80%的数据、信息，在网络运行过程中起到举足轻重的保障作用。例如，各大网络运营商都有自己的专门用于数据信息存储支持的服务器，是它们在时时刻刻为客户端计算机提供各种数据保障服务。每一台服务器都以其非同凡响的高性能，为网络用户提供着长时间的可靠运行和强大的外部数据吞吐能力等方面的技术支持。服务器的构成与普通计算机类似，也是由处理器、硬盘、内存、系统总线等构成的，但因为它是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微型计算机在处理能力、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。服务器在分类上主要有网络服务器（DNS、DHCP）、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。如图1-5所示，为惠普ML310e Gen8 E5-1220服务器。

•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，是为满足工程设计、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。工作站最突出的特点是具有很强的图形交换能力，因此它在图形图像领域，特别是计算机辅助设计领域，得到了广泛应用。典型产品有美国Sun公司的Sun系列工作站。

•集线器（HUB）是一种共享介质的网络设备。它的作用可以简单的理解为将一些机器连接起来组成一个局域网。HUB本身不能识别目的地址。集线器上的所有端口争用一个共享信道的带宽，因此随着网络节点数量的增加，数据传输量的增大，每节点的可用带宽将随之减少。另外，集线器采用广播的形式传输数据，即向所有端口传送数据。如当同一局域网内的A 主机给B 主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，对网络上所有节点同时发送同一信息，然后再由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。其实，一般来说只有一个终端节点用来接收数据，而对所有节点都发送数据。在这种方式下，网络堵塞时常发生，而且绝大部分数据流量是无效的。这样就造成整个网络数据传输效率相当低。此外，由于所发送的数据包每个节点都能侦听到，容易给网络带来一些不安全隐患。

•交换机（Switch）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应的路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。它是集线器的升级换代产品，外观上与集线器非常相似，其作用与集线器大体相同。但是两者在性能上有区别：集线器采用的是共享带宽的工作方式，而交换机采用的是独享带宽方式，即交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个端口上数据的快速有效传输。交换机为用户提供的是独占的、点对点的连接，数据包只被发送到目的端口，而不会向所有端口发送，其他节点很难侦听到所发送的信息。这样在机器很多或数据量很大时，不容易造成网络堵塞，也确保了数据传输安全，同时大大地提高了传输效率。

•路由器（Router）是一种负责寻径的网络设备。它在互联网络中从多条路径中寻找通讯量最少的一条网络路径提供给用户通信。路由器用于连接多个逻辑上分开的网络，为用户提供最佳的通信路径。路由器的传输路径选择以路由表为基础。路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单。路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径，使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径。路由器产生于交换机之后，就像交换机产生于集线器之后，所以路由器与交换机也有一定联系，并不是完全独立的两种设备。路由器主要克服了交换机不能向路由转发数据包的不足。交换机、路由器是一类特殊的网络计算机，它的硬件基础是CPU、存储器和接口，软件基础是网络互联操作系统IOS（Internet Working Operating System）。交换机、路由器和PC（Personal Gmputer，个人计算机）一样，有中央处理单元CPU，而且不同的交换机、路由器，其CPU一般也不相同，CPU是交换机、路由器的处理中心。

3. 工业控制计算机

工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的计算机系统的总称，简称工控机。通常，工业控制计算机是由计算机和过程输入输出两大部分组成。具体来说就是，计算机由主机、输入/输出设备和外部存储设备等组成，同时在计算机外部还要增加一部分过程输入/输出通道。一方面，计算机将对生产过程的控制命令及信息转换成控制信号，送往所控对象的控制器中，指挥其下一步动作；另一方面，工业生产过程的检测数据也会再次反馈到计算机中，以指导新的控制命令的选择。循环往复，完成整个控制过程。工控机的主要类别有IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程逻辑控制系统）、DCS（分散式控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）等。如大家所熟知的智能家电都与各种工业控制系统相关，如图1-6所示。它们功能强大，且越来越受到消费者的喜爱。

4. 个人计算机（Personal Computer，PC）

个人计算机一词源自于1981年IBM的第一部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。它由硬件系统和软件系统组成，是一种能独立运行，且能完成特定功能的设备。计算机的硬件系统是指计算机的物理设备，如电源、主板、CPU、内存、硬盘等；软件系统是指为方便使用计算机而设计的程序，包括系统软件和应用软件。系统软件指的是主要用于控制和管理计算机资源的程序，如操作系统、编译系统等。应用软件指各种可以运行在操作系统中的程序，如游戏软件、工作软件等。

个人计算机包括台式计算机（Desktop Computer）、一体机、笔记本电脑（NoteBook或Laptop）、平板电脑等，如图1-7所示。

5. 嵌入式计算机（Embedded Systems）

嵌入式计算机即嵌入式系统，是一种以应用为中心，以微处理器为基础，软硬件可裁剪的，针对专门应用系统的对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合特性有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成。它涉及了计算机市场中增长最快的领域，种类繁多，形态多样，应用广泛。嵌入式系统几乎包括了所有电器设备，如自动售货机、银行ATM机、汽车控制系统、微波炉、电梯、医院自助服务机、计算器、手机、电视机顶盒、数字电视、多媒体播放器、数码相机、家庭自动化系统、空调、安全系统、工业自动化仪表等，如图1-8、图1-9所示。

除了从硬件规模和应用角度对计算机进行分类以外，我们还有其他对其进行分类研究的方法。比如，按照处理数据的方式对计算机进行分类，可以将计算机分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机；按使用范围分类，计算机可以分为通用计算机和专用计算机。

1.1.4 计算机的应用

身处信息时代，使用计算机已经成为除吃、喝、睡以外我们每天必做的几件事之一了。你思考过没有，如果哪一天计算机突然故障，你的感受会是怎样的呢？呵呵，一定不好受吧！这是为什么呢？计算机的应用对于我们的日常生活的影响大致体现在哪些方面呢？

计算机的应用已经深入到了人们社会生活的方方面面，归纳起来，大致表现在以下7个方面。

1. 科学计算

科学计算也被称为“数值计算”，它是计算机从诞生之初就具备了的“最原始”功能。不同领域的计算机使用者利用其运算速度快、计算精度高、存储能力强的特点，将复杂、庞大、人力无法完成的各种数值计算工作交给计算机来完成。我国引以为荣的航天事业就是计算机从事科学计算的典型，如在航天器的设计过程中，计算机承担了大量高精度数值的计算任务。除此以外，在军事、气象、道桥设计中也都有计算机的大量应用。

2. 信息处理

信息处理即数据处理，是指对数据进行收集、存储、整理、分类、加工、使用、共享等多种活动的总称。正是因为数据多样和规模庞大，才使信息处理成了计算机最为广泛的应用。它与我们的日常生活联系最为紧密。据统计，约80%以上的计算机主要应用在数据处理领域，涉及许多行业。这其中以数据库方面的应用居多。大家经常听到的“大数据”就是计算机信息处理的典型应用。

3. 过程控制

过程控制又称之为实时控制，即实现工业自动调节或工业自动控制。它是指利用计算机实时采集检测到的数据，按算法确定对受控对象的下一步操作的计算机应用领域。大到航天控制、钢铁冶炼、交通运输，小到家用电器的自动控制，这些都属于计算机在工业生产领域的应用。如大家日常用的全自动洗衣机的洗涤漂洗、电冰箱的温度控制、电压力锅的预约功能等都是过程控制的典型生活案例，如图1-10所示。

4. 辅助系统

辅助系统主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助测试（Computer Aided Test，CAT）等。

CAD即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中，工作人员通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字，还是图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，而将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成。

CAM指在机械制造业中，利用计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程。

CAD和CAM在社会生产工业化的今天已经融合，形成了CAD/CAM系统。两者的结合就是计算机集成制造系统，实现了设计、生产一条龙，可以真正地实现无人化工厂的理想生产状态。

CAI是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。目前，各类学校都在广泛开展计算机辅助教学模式的开发与利用，以便让学生利用计算机这种教学辅助工具在较短的时间里学到更多、更有价值的知识。

5. 网络应用

计算机网络是计算机技术与通信技术的结合体。它的出现使人与人之间的交流超越了时空界限，奠定了信息社会的发展基础。现在人们在互联网上检索信息、在线交流、浏览新闻、收发邮件、选购商品、远程医疗、转账汇兑已经成为常态，如图1-11所示。QQ、微信、搜狐、新浪、京东、天猫、12306等成了每天我们离不开的朋友。所以当我们时时享受网络的巨大便捷时，清楚地认识计算机、了解网络就变得更有实际意义了。

6. 人工智能

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸、扩展人类智能的一门理论、方法及应用的新兴技术。它属于跨界科学，是计算机科学的一个分支。它尝试了解智能的实质，创造性地生产新的、能模拟人类智能反应方式的智能机器，帮助人类解决各种实际问题。它的研究方向包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等多个方面。如常见的指纹、语音识别等就是人工智能的典型实用案例。

7. 多媒体技术

多媒体技术是指通过计算机对文字、数字、图形、图像、动画、声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术，又称为计算机多媒体技术。目前，多媒体技术在学校教育、电子图书、视频会议、流媒体作品制作等方面都得到了广泛应用。它的应用特点大致分3个方面：可以完成相关信息的处理和传送，以交互的形式完成工作，媒体信息可以通过网络传输。

总之，计算机在各个领域中的广泛应用已经成为人类思维的延伸，人类不及之处正是计算机最为擅长的，它无疑已经成为人类现代生活的亲密伙伴。

任务实施

计算机是人类现代生活必不可少的“朋友”，让我们总结一下它的日常应用，并简述以下问题。

（1）第一台通用电子计算机的诞生史。

提示：时间、地点、事件、名称。

（2）计算机的发展历史及意义。

提示：表1-2、电子元件的影响、计算机发展水平的影响。

（3）计算机的特点，并举例。

提示：6个特点分别举例说明。

（4）计算机的分类。

提示：5类，结合专业回答。

例如：嵌入式计算机，可以作为电子机械装置或设备的一部分，它是将一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板植入设备中，并发挥一定的逻辑控制功能。一般带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统。有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制。

（5）计算机的应用。

提示：7个方面，分别结合专业或日常生活回答。

例如，人工智能方面的应用——扫地机器人，如图1-12所示。

任务拓展

1. 讨论

在初步学习了计算机的基础理论知识的前提下，作为像小叶同学一样的新生，你认为计算机对你的生活、学习以及未来的工作会有怎样的用处呢？结合自己的专业，谈谈你的看法。说一说计算机是怎样成为你的“朋友”的（或者你打算如何让它成为你的“朋友”）？

2. 论文

通过在手机上搜索相关信息，完成一篇关于计算机应用的小论文，并保存。可以以《计算机改变了我们的生活》为题，作为后续课程电子邮件收发的素材使用。

任务练习

1. 选择题

（1）1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生在（　　）。

A. 英国

B. 美国

C. 中国

D. 德国

（2）第二代电子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）目前，计算机在（　　）方面的应用是计算机最为广泛的应用。

A. 信息处理

B. 过程控制

C. 科学计算

D. 网络应用

（4）计算机的通用性使其可以求解不同的算术和逻辑运算。这主要取决于计算机的（　　）。

A. 高速运算

B. 指令系统

C. 可编程序

D. 存储功能

（5）自计算机问世至今已经经历了4个时代，划分时代的主要依据是计算机的（　　）。

A. 规模体积

B. 主要性能

C. 使用功能

D. 电子元件

（6）下列关于世界上第一台电子计算机ENIAC的叙述中，错误的是（　　）。

A. 它诞生在宾夕法尼亚大学

B. 它使用高级语言进行程序设计

C. 它的主要电子器件采用电子管

D. 它主要用于弹道计算

（7）第一代计算机体积大、性能低、耗电多，其主要原因是制约于（　　）。

A. 电子器件

B. 制造工艺

C. 设计水平

D. 原材料

（8）目前，微型计算机中广泛采用的电子元器件是（　　）。

A. 电子管

B. 晶体管

C. 小规模集成电路

D. 大规模和超大规模集成电路

（9）计算机可分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机，这种分类是依据（　　）。

A. 功能和用途

B. 性能和规律

C. 处理数据的方式

D. 使用范围

（10）全自动洗衣机的电子控制面板中的电子控制部分主要属于计算机应用的（　　）方面。

A. 科学计算

B. 信息处理

C. 过程控制

D. 人工智能

2. 连线题

请指出计算机典型应用与生活实例的对应关系。

1. 科学计算　　A. 园林工程设计

2. 信息处理　　B. 百度检索信息

3. 过程控制　　C. 驾校报名时指纹识别

4. 辅助系统　　D. 天宫二号运行轨迹测算

5. 网络应用　　E．银行存取款信息处理

6. 人工智能　　F. 奥运会宣传片

7. 多媒体技术　G. 化肥生产过程的控制