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1.1 计算机的发展和应用

 

计算机及其应用已渗透到社会生活的各个领域,计算机的发明和应用延伸了人类的大脑,提高和扩展了人类脑力劳动的效能,发挥和激发了人类的创造力,标志着人类文明的发展进入了一个崭新的阶段。在21世纪,掌握以计算机为核心的技术的基础知识和应用能力,是现代大学生必备的基本素质。

本章主要内容

&        计算机的发展和应用

&        基于计算机的信息表示

&        计算机系统的组成与工作原理

&        微型计算机的硬件系统

1.1  计算机的发展和应用

世界上第一台电子计算机ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator,电子数值积分机和计算机),于19462月诞生在美国宾夕法尼亚大学。它每秒可进行5 000次加减运算。ENIAC的问世,表明了电子计算机时代的到来,具有划时代意义。

ENIAC本身存在两大缺陷:一是没有存储器;二是用布线接板进行控制,因此计算速度受到了限制。ENIAC的发明仅仅表明计算机的问世,对以后研制的计算机没有什么影响。EDVAC的发明才为现代计算机在体系结构和工作原理上奠定了基础。

第一款商用计算机是1951年开始生产的UNIVAC计算机。1947年,ENIAC的两个发明人莫奇莱和埃克特创立了自己的计算机公司生产UNIVAC计算机,计算机第一次作为商品被出售。莫奇莱和埃克特以及他们的UNIVAC计算机奠定了计算机工业的基础。

1.1.1  计算机的发展

ENIAC在美国诞生以来,现代计算机技术在半个多世纪的时间里获得了惊人的发展。

从第一台计算机出现至今,计算机的发展经历了4个阶段。

1.第一代:电子管计算机(19461958

电子管计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件;数据表示主要是定点数;用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制,每秒运算速度仅为几千次,内存容量仅几千字节。第一代电子计算机体积庞大,造价高,主要用于军事和科学研究。

2.第二代:晶体管计算机(19581964

晶体管计算机的基本特征是晶体管电路电子计算机,内存所使用的器件大多是使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。运算速度达每秒几十万次,内存容量扩大到几十千字节。晶体管计算机体积小,成本低,可靠性大大提高。除了进行科学计算,还用于数据处理和事务处理。

3.第三代:集成电路计算机(19651970

集成电路计算机的基本特征是逻辑元件采用小规模集成电路(Small Scale Integration, SSI)和中规模集成电路(Middle Scale IntegrationMSI)。运算速度每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展,体积越来越小,价格越来越低,而软件也逐步完善。计算机开始广泛应用在各个领域。

4.第四代:大规模集成电路计算机(1971年至今)

大规模集成电路计算机的基本特征是逻辑元件采用大规模集成电路(Large Scale IntegrationLSI)和超大规模集成电路(Very Large Scale IntegrationVLSI)技术。计算机的速度最高可达每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善,应用软件已成为现代工业的一部分。

1.1.2  计算机的特点

计算机具有以下几个方面的特点,这些特点促使计算机迅速发展并获得极其广泛的应用。

1.运算速度快

计算机的运算速度已从每秒几千次发展到现在每秒高达几千亿次。如此高的计算速度,不仅极大地提高了工作效率,而且使许多极复杂的科学问题得以解决。例如,一位数学家花了15年的时间把圆周率的值计算到小数点后707位,而用现代计算机计算不到一小时就完成了。

2.计算精度高

尖端科学技术的发展往往需要高度准确的计算能力,只要电子计算机内用以表示数值的位数足够多,就能提高运算精度。一般的计算工具只有几位有效数字,而计算机的有效数字可以精确到十几位、几十位,甚至数百位,这样就能精确地进行数据计算和表示数据的计算结果。

3.存储能力强

计算机具有存储“信息”的存储装备,可以存储大量的数据,当需要时又可准确无误地取出来。计算机这种存储信息的“记忆”能力,使它能成为信息处理的有力工具。

4.具有逻辑判断能力

计算机既可以进行数值运算,也可以进行逻辑运算,可以对文字或符号进行判断和比较,进行逻辑推理和证明,这是其他任何计算工具无法比拟的。

5.具有自动运行能力

计算机不仅能存储数据,还能存储程序。计算机内部操作是按照人们事先编制的程序一步一步自动地运行,不需要人工操作和干预。这是计算机与其他计算工具最本质的区别。

目前,计算机的应用已渗透到社会生活的各个领域,推动着社会的发展。归纳起来,计算机的应用主要表现在以下几个方面。

1.1.3  计算机的应用

1.科学计算

科学计算也称为数值计算,指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。它是电子计算机的重要应用领域之一,世界上第一台电子计算机就是为科学计算而设计的。随着科学技术的发展,使得各种领域中的计算模型日趋复杂,人工计算也无法解决这些复杂的计算问题。例如,在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学等领域中,都需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算的特点是计算工作量大、数值变化范围大。

2.数据处理

数据处理也称为非数值计算,指对大量的数据进行加工处理,例如,统计、分析、合并、分类等。与科学计算不同,数据处理涉及的数据量很大,但计算方法较简单。

人类在很长一段时间内,只能用自身的感官去收集信息,用大脑加工处理信息,并用语言交流信息。当今社会为了全面、深入、精确地认识和掌握这些信息所反映的事物本质,就必须借助于计算机处理。数据处理是现代化管理的基础。它不仅应用于处理日常的事务,且能支持科学的管理与决策。

3.人工智能

人工智能(Artificial IntelligenceAI)一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则,然后设计程序,让计算机自动探索解题的方法。目前,一些智能系统已经能够取代人的部分脑力劳动,获得了实际的应用,例如机器人、专家系统、模式识别等方面。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。

4.电子商务

电子商务(Electronic BusinessEB)是指利用计算机和网络进行的新型商务活动。它可以让人们不再受时间、地域的限制,以一种非常简捷的方式完成过去较为繁杂的商务活动。

电子商务旨在通过网络完成核心业务,改善售后服务,缩短周转时间,从有限的资源中获取更大的收益,从而达到销售商品的目的。近年来电子商务交易额正在迅速增长。

5.过程控制

过程控制也称为实时控制,指用计算机实时采集现场数据,按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或自动调节。

现代工业,由于生产规模不断扩大,技术和工艺日趋复杂,从而对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益增高。利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、提高质量、节约能源、降低成本。计算机过程控制已在冶金、石油、化工、水电、纺织、机械、航天等部门得到广泛的应用。

6.计算机辅助系统

计算机辅助设计(Computer Aided DesignCAD)就是利用计算机帮助设计人员进行设计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力,使CAD技术得到广泛应用,例如,飞机或船舶设计、机械设计、建筑设计、大规模集成电路设计等。

采用计算机辅助设计,不但降低了设计人员的工作量,提高了设计的速度,更重要的是提高了设计的质量。

计算机辅助制造(Computer Aided ManufacturingCAM)就是用计算机进行生产设备的管理、控制和操作过程。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以及对产品进行检验等。使用CAM技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度。

除了CAD/CAM之外,计算机辅助系统还有计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process PlanningCAPP)、计算机辅助教育(Computer Aided EducationCBE)、计算机辅助工程(Computer Aided EngineeringCAE)等。

7.多媒体技术

多媒体技术是以计算机技术为核心,将现代声像技术和通信技术融为一体,能对文本、图形、图像、声音、视频等多种媒体信息进行存储、传送和处理的综合性技术。它的应用领域非常广泛,例如,可视电话、视频会议等。

8.虚拟现实

当代的虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与环境直接进行交互的目的。这种模拟环境是用计算机构成的具有表面色彩的立体图形,它可以是某一特定现实世界的真实写照,也可以是纯粹构想出来的世界。

目前,虚拟现实获得了迅速发展和广泛的应用,出现了虚拟工厂、数字汽车、虚拟主持人、虚拟演播室等许多虚拟事物。