1.1 计算机技术

1.1.1 计算机的发展

在社会的发展过程中，人类不断发明和改进各种计算工具，如贝壳、绳子、算筹、算盘、计算尺、计算器、机械式计算机等。1946年第一台通用电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分计算机）的诞生，是 20 世纪杰出的科技成就，是人类科学发展史上的重要里程碑。

ENIAC 诞生以来，电子计算机已经走过了 70 多年的发展历程。计算机的体积不断变小，成本不断下降，但性能、速度却在不断提高。计算机硬件的发展受到电子元器件的制约，因此根据计算机主机所使用的物理元器件，将计算机的发展划分为4代。表1-1是第1～4代计算机主要特点的比较。

目前计算机采用的物理元器件仍处于第4代水平。尽管计算机正朝着微型化、巨型化、网络化和智能化等方向深入发展，但是在体系结构方面却没有太大的突破，仍被称为冯·诺依曼计算机。人类的研究是无止境的，从目前的研究情况看，未来计算机技术将会在光计算机、生物计算机（分子计算机）、量子计算机等几个方面取得革命性的突破。其中，光计算机是利用光作为信息传输媒体的计算机，具有超强的并行处理能力和超高的运算速度；生物计算机采用以生物工程技术制造的蛋白质分子构成的生物芯片；量子计算机利用处于多现实态下的原子进行运算，这种多现实态是量子力学的标志。

1.1.2 计算机的特点

计算机（俗称电脑）是一种能够接受信息，按照事先存储在其内部的程序对输入信息进行加工处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。

计算机是一种现代化的信息处理工具，它能够准确、快速、自动地对各种类型的信息进行收集、整理、变换、存储和输出。当用计算机进行数据处理时，首先需要对待解决的实际问题进行分析、抽象，构建数学模型；然后用计算机程序设计语言编写计算机程序，通过输入设备输入计算机；接下来计算机按照程序的要求逐步执行，直到整个程序执行结束，再通过输出设备输出结果。

使用计算机进行信息处理主要具有以下特点。

1.处理速度快

由于计算机是由电子元器件构成的，因此其工作的速度极快。目前计算机的运算速度已经达到每秒亿亿次以上，这种高速度使得计算机在军事、气象、金融、交通、通信等领域中可以实现实时、快速的服务。

2.存储能力强

计算机能把原始数据、对这些原始数据进行加工的命令（称为指令）、中间结果及最终结果都存储起来，这类似于人脑的记忆能力。计算机提供大容量的内存储器，来存储正在处理的数据，而且还有各种大容量的外存储器（如硬盘、优盘、光盘等），用来长期保存和备份数据。

3.自动处理

计算机能够对信息进行自动处理。人们只要将编写好的程序输入计算机，下达执行命令后，计算机就可以自动地依次执行命令，在执行过程中不需要人工干预。这是计算机的一个重要特点，也是计算机区别于其他计算工具的本质特征。

4.具有逻辑判断能力

计算机不仅能进行算术运算，还可以进行逻辑运算和逻辑判断，如比较数据大小、判断除数是否为0等，并可根据判断结果自动决定下一步执行什么操作，从而解决各种各样的问题。

5.计算精度高

计算机的计算精度一般可达到十几位、几十位、甚至几百位有效数字，比以往的任何计算工具都高得多。许多科学领域的计算要求很高的精度，如光学计算、天文数据计算等，只有计算机才能达到这样的精度要求。

6.通用性强

计算机采用数字化信息来表示数值与其他各种类型的信息，并具有逻辑判断与处理能力，因而计算机不仅能对数值型数据进行计算，也能对非数值型数据进行处理（信息检索、图形和图像处理、文字和语音的识别与处理等）。计算机具有极强的通用性，能应用于各个科学领域并渗透到社会生活的各个方面。

1.1.3 计算机的分类

计算机的分类方法很多，如果按照计算机的综合性能指标（性能、作用和价格等）进行分类，可把计算机划分为巨型机、大型计算机、微型计算机、服务器和嵌入式计算机等。

1.巨型机

巨型机也称为超级计算机（或高性能计算机），它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，具有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次甚至每秒亿亿次以上。它存储容量极大，价格昂贵。近年来，我国超级计算机的研发取得了可喜的成绩，推出了“曙光”“天河”“神威”等代表国内最高水平的超级计算机，并应用于国民经济的关键领域。

2018年6月的全球超级计算机500强排行榜中，美国超级计算机“顶点”的浮点运算速度超过了中国曾4次蝉联冠军的“神威·太湖之光”，位列榜首。但中国的超级计算机上榜数量仍持续增长位居第一。超级计算机“顶点”（见图 1-1）属于美国能源部下属橡树岭国家实验室，浮点运算速度为每秒12.23亿亿次，峰值接近每秒18.77亿亿次。屈居第二的“神威·太湖之光”（见图1-2），浮点运算速度仍维持在每秒9.3亿亿次。排在第三至五位的依次是美国“山脊”、中国“天河二号”和日本“人工智能桥接云基础设施”（ABCI）。

超级计算机功能是否强大，已经成为衡量一个国家实力是否强大的标准之一，基于此，越来越多的国家加入了研发超级计算机的竞争队伍。

2.大型计算机

大型计算机是指通用性强、运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，通常有几十个甚至更多的处理器。大型计算机在信息系统中的核心作用是承担主服务器的功能，辅助数据的集中存储、管理和处理，同时为多个用户执行信息处理任务，它主要用于科学计算、银行业务、大型企业管理等领域。

3.微型计算机

微型计算机（微机）又称为个人计算机，是使用微处理器作为中央处理器（CPU）的计算机。1971年，Intel公司推出了世界上第一片4位微处理器芯片Intel 4004，它的出现与发展掀起了微型计算机大普及的浪潮。微型计算机体积小，价格便宜，使用方便，软件丰富，且性能不断提高，因此成为计算机的主流。

微型计算机分为台式机、笔记本电脑、平板电脑、移动设备（如智能手机）等。

4.服务器

服务器是一种在网络环境中对外提供服务的计算机系统。从广义上讲，一台个人计算机就可以作为服务器，只是它需要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件；从狭义上讲，服务器专指通过网络对外提供服务的那些高性能计算机。与个人计算机相比，服务器在处理能力、稳定性、安全性、可靠性、可扩展性等方面要求更高。

根据不同的计算能力，服务器分为工作组服务器、部门级服务器和企业级服务器。根据提供的服务，服务器分为WWW服务器、FTP服务器、文件服务器、邮件服务器等。

5.嵌入式计算机

嵌入式计算机是为特定应用量身打造的计算机，属于专用计算机。它是指作为一个信息处理部件嵌入应用系统的计算机。嵌入式计算机与通用计算机在原理方面没有太大区别，主要区别在于系统和功能软件集成于计算机硬件系统中，即把软件固化在芯片上。

在各种类型的计算机中，嵌入式计算机应用最为广泛。目前，嵌入式计算机广泛用于各种家用电器，如空调、冰箱、自动洗衣机、数字电视、数码相机等。

1.1.4 计算机的应用

计算机应用已经渗透到社会的各个方面，改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着信息社会的发展。目前计算机的应用领域主要有以下几个方面。

1.科学计算

科学计算也称为数值计算，它是计算机最早的应用领域，目前也仍然是计算机重要的应用领域之一。许多用人力难以完成的复杂计算工作对高速计算机来说轻而易举。例如，人造卫星轨迹的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机。科学计算的特点是计算量大，且数值变化范围广，这方面的应用要求计算机具有较强的数值数据表示能力以及很快的运算速度。

2.数据处理

数据处理又称为事务处理或信息处理。数据处理主要是指对大量数据进行统计分析、合并、分类、比较、检索、增删等。数据处理是计算机应用最广泛的一个领域，例如，办公自动化系统、银行的账户处理系统、企业的管理信息系统等都是计算机用于数据处理的例子。数据处理的特点是数据量大、输入输出频繁、数值计算简单但强调数据管理能力。

3.生产过程控制

生产过程控制又称为实时过程控制，是指用计算机及时采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。例如，钢铁厂中用计算机自动控制加料、吹氧、出钢等。在现代工业中，过程控制是实现生产过程自动化的基础，在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等行业得到广泛的应用。

4.人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是利用计算机来模拟人类的智能活动，包括模拟人脑学习、推理、理解、问题求解等过程，辅助人们做出决策。其最终目标是创造具有人类智能的机器。人类自然语言的理解与自动翻译、文字和图像的识别、疾病诊断、数学定理的机器证明，以及计算机下棋等都属于人工智能的研究与应用范围。1997年5月11日，“深蓝”仅用了一个小时就以3.5 : 2.5的总比分战胜俄罗斯国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫；2017年5月，在中国乌镇围棋峰会上，Alpha Go与排名世界第一的围棋冠军柯洁对战，以3 : 0的总比分获胜。

5.计算机辅助系统

计算机辅助系统包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助教育等。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD），就是用计算机帮助各类人员进行设计。由于计算机有较强的数值计算、数据处理及模拟能力，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计等都会用到CAD技术。采用计算机辅助设计降低了设计人员的工作量，提高了设计速度，更重要的是提高了设计质量。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM），是指用计算机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和对产品进行检验等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，降低劳动强度。

计算机辅助教育（Computer Based Education，CBE）是计算机在教育领域的应用，包括计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）和计算机管理教学（Computer-Managed Instruction， CMI）。通常所说的CBE主要指CAI。CAI是用计算机对教学工作的各个环节（包括讲课、自学、练习、阅卷等）进行辅助。计算机向学习者提供教学内容，通过学习者和计算机之间的交互来实现多种教学功能。

6.通信与网络

计算机网络是计算机技术与通信技术发展结合的产物。计算机连网的目的是实现数据通信和资源共享。计算机网络已成为信息社会最重要的基础设施。当今，“机”和“网”已形成共存局面——“无机不在网，无网机难存”。

7.电子商务

电子商务（Electronic Commerce，EC）是指利用计算机和网络进行的新型商务活动。它作为一种新的商务方式，将生产企业、流通企业以及消费者带入了网络经济、数字化生存的新天地，人们可以不再受时间、地域的限制，以简捷的方式完成过去较为繁杂的商务活动。

电子商务根据交易双方的不同，可分为多种形式，常见的是以下3种：企业对企业（Business to Business，B2B），企业对消费者（Business to Consumer，B2C）和消费者对消费者（Consumer to Consumer，C2C）。其中，B2B是电子商务的常见形式，例如，阿里巴巴就采用了B2B形式。

8.多媒体技术

多媒体技术融合计算机、声音、文本、图像、动画、视频和通信，借助高速信息网，实现计算机的全球联网和信息资源共享。它被广泛应用于咨询服务、图书、教育、通信、军事、金融、医疗等诸多行业，并潜移默化地改变着我们生活的面貌。