作者：甘岚,张永
出版社：电子工业出版社
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计算机导论试读：
前言
作为计算机科学与技术专业的入门教材，本书在电气电子工程师学会（IEEE）和美国计算机学会（ACM）提出的计算机教程CC2004和中国计算机科学与技术学科教程2002研究组的中国计算机科学与技术学科教程CCC2004的知识体系结构和教育思想的基础上，根据计算机科学与技术专业“计算机导论”课程对于更新教材的迫切需求，参考了大量的最新资料进行编写。
全书分为12章。第1章介绍了计算机的产生和发展、计算机的分类与特点、计算机的硬件与软件、计算机的应用及研究领域、计算机学科的方法论及其知识体系。第2章介绍了计算机中常用的数制及其转换，数值数据、字符信息、多媒体信息在计算机中的信息表示。第3章介绍了计算机的体系结构、存储器、输入/输出系统和系统总线。第4章介绍了程序设计语言及其翻译系统、数据结构与算法、操作系统、软件开发技术。第5章介绍了数据通信的基本概念、计算机网络的基本概念、计算机网络的类型和应用、Internet基础以及Web服务器构建与HTML语言。第6章介绍了多媒体的基本概念、多媒体技术、多媒体制作工具以及多媒体技术的应用领域。第7章介绍了数据库系统的基本概念、数据模型、数据库语言、Access关系数据库管理系统以及数据库技术的研究领域及发展趋势。第8章介绍了信息安全、信息安全技术、计算机病毒及其防治、社会责任与职业道德规范。第9章介绍了Windows XP及Windows 7基础、文件管理与控制面板的操作。第10章介绍了应用软件、文字处理软件、电子表格软件以及演示文稿软件。第11章介绍了程序设计语言、Java程序设计基础以及Java语言与其他语言的区别。第12章介绍了微机硬件组成、微机组装基础以及微机维修基础。
本书的配套书《计算机导论实验指导与习题解答》（ISBN 978-7-121-13602-3），便于读者更系统地理解相关知识。
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本书由甘岚、张永担任主编，喻佳担任副主编。曾辉、李广丽、赵海霞、刘艳丽、刘美香等参加了编写。本书的出版得到了编者所在学校的相关领导和其他老师的大力支持和热情帮助，谢昕、周日贵等老师参与了部分工作或提出了宝贵意见，在此表示衷心的感谢。本书在编写过程中参考了不少文献资料，在此也向这些文献的作者表示衷心的感谢。
由于计算机科学与技术发展迅速，加上编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请批评指正。
编 者第1章 绪论
计算机的广泛应用是信息化时代的重要标志，对于身处21世纪投身于信息化狂潮的人们，掌握和了解计算机的系统知识和基本技能无疑是非常重要的。本章将为读者讲述计算机学科的基本概念，让读者对计算机学科有一个总体的了解。首先详细介绍计算机的产生与发展、计算机的分类及特点，以及计算机的硬件、软件和计算机应用与研究领域，随后介绍计算机学科的方法论及知识体系，使读者对计算机学科有一个初步的认识。1.1 计算机的产生与发展1.1.1 计算机的产生
人类区分于猿的重要标志，就是制造和使用工具，人类社会的前进和发展，依赖于科学技术的发展，其中很重要的内容就是工具制造及应用的发展，因为工具的使用延伸和拓展了人的能力。正如蒸汽、电、核能等能源的开发和使用，延伸和拓展了人手的能力——即“力量”的能力；汽车、火车、飞机的发明和使用，延伸和拓展了人腿——即“速度”的能力；计算机的发明和使用，则延伸和拓展了人脑——即“智慧”的能力。因此，计算机的产生是人类不断追求“智慧”的心血结晶，计算机的发展也必将随着人类对“智慧”的不竭追求而不断发展。
1.古代的计算机工具
人类远古就有“结绳记事”的记载，但是人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。古人曰：“运筹策帷帐之中，决胜于千里之外。”筹策又叫算筹，它是中国古代普遍采用的一种计算工具。算筹不仅可以替代手指来帮助计数，而且能做加、减、乘、除等数学运算。公元500年，中国南北时期的数学家祖冲之，借用算筹作为计算工具，成功地将圆周率计算到小数点后的第七位，成为当时世界上最精确的（值，比法国数学家韦达相同的成就早了1100多年。中国古代在计算工具领域的另一项发明是珠算盘，如图1-1所示，珠算盘最早记录于汉人徐岳撰写的《数术记遗》一书里，而算盘最终彻底淘汰了算筹是在明代完成的。因为计算机的普及，在我国算盘基本退出计算领域也就是近20年左右的事。图1-1 珠算盘
17世纪初，计算工具在西方呈现了较快的发展，首先创立对数概念而闻名于世的英国数学家纳皮尔（J.Napier），在他所著的一本书中，介绍了一种工具，即后来被人们称为“纳皮算筹”的器具，这就是计算尺原型。计算尺如图1-2所示，在工程计算领域计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方、开方，甚至可以计算三角函数、指数和对数，它一直被使用到袖珍计算器面世为止。即使在20世纪60年代至70年代，熟练使用计算尺依然是理工科大学生必须掌握的基本功，是工程师身份的象征。
几乎就在奥却德完成计算尺研制的同一时期，机械计算机也由法国的帕斯卡（B.Pascal）发明出来了。帕斯卡设计的滚轮式加法器如图1-3所示，由一系列齿轮组成，以发条作为动力装置，它使用钟表齿轮计数完成加、减计算，用杠杆实现进位，能够做6位数的加法和减法，被称为“人类有史以来第一台计算机”，为了纪念这位自动计算的先驱，人们将一种计算机的高级语言命名为“Pascal”。图1-2 计算尺图1-3 滚轮式加法器
20世纪初，法国人约瑟夫·雅卡尔发明了一种卡片来自动控制织布机编织图案。这一发明被后人应用到计算机输入上，直到20世纪70年代，计算机输入卡片还在普遍使用。图1-4为FORTRAN程式打孔卡图1-4 FORTRAN程式打孔卡
2.近代计算机
所谓近代计算机是指具有完整含义的机械式计算机或机电式计算机，用以区分现代的电子式计算机。近代计算机经历了大约120年的发展历史（1822—1944年），其中最重要的代表人物是英国数学家查尔斯·巴贝奇。巴贝奇是英国剑桥大学数学教授，为了解决当时人工计算《数学用表》所产生的误差，想设计一台更完善的分析机。但是该分析机的设计思想超越了他所处的时代，在当时的技术水平下是很难实现的，该分析机的重要之处在于它已具有计算机硬件的五个基本组成部分：输入装置、处理装置、存储装置、控制装置以及输出装置，现在计算机工作的基本原理就是来自于巴贝奇的发明。伦敦科学博物馆重建的差分机如图1-5所示。
1936年美国哈佛大学教授霍华德·艾肯（Howard Aiken）在读过巴贝奇和爱达的笔记后，提出用机电的方法而不是纯机械的方法来实现分析机的想法。
1944年根据巴贝奇的设计思想，在IBM公司赞助下，研究、制造了代号为MarkⅠ的计算机，如图1-6所示，并在哈佛大学成功地投入运行，从而使巴贝奇的梦想成为现实。这台机器使用了大量的继电器作为开关元件，采用穿孔纸带进行程序控制。尽管它的计算速度很慢，可靠性不高，但仍然使用了15年。图1-5 差分机图1-6 MarkⅠ计算机
MARKⅠ计算机：MarkⅠ，又叫做“自动序列受控计算机”。1944年，MarkⅠ在哈佛大学正式启动。它的外壳用钢和玻璃制成，长约15 m，高约2.4 m，自重达31.5 t。它装备了3000多只继电器，共有15万个元件和长达800千米的电线，用穿孔纸带输入。这台机器每秒能进行3次运算，23位数加23位数的加法，仅需要0.3 s；而进行同样位数的乘法，则需要6 s多的时间。
3.现代计算机
所谓“现代”是指利用先进的电子技术代替机械或机电技术。计算机元件由笨重的齿轮、继电器依次被电子管、晶体管、集成电路等取代。
现代计算机在50多年的发展历程（从1946年至今）中，最重要的代表人物是英国科学家艾兰·图灵（A.M.Turing）和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（Von Neumann），他们为现代计算机科学奠定了基础。（1）图灵和图灵机
图灵对现代计算机的主要贡献有两个：一个是建立图灵机（Turing Machine）理论模型；另一个是提出定义机器智能的图灵测试（Turing Test）。艾兰·图灵
1936年，图灵发表了一篇论文《论可计算的数及其在密码问题中的应用》，首次提出逻辑机的通用模型。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看做下列两种简单的动作：（在纸上写上或擦除某个符号；
● 把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；
而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于此人当前所关注的纸上某个位置的符号和此人当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，现在人们就把这个模型机称为图灵机，缩写为TM，如图1-7所示。图1-7 图灵机
该机器由以下几个部分组成：
一条无限长的纸带。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号，表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为0，1，2，…，纸带的右端可以无限伸展。
一个读/写头。该读/写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。
一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。
一套控制规则。它根据当前机器所处的状态以及当前读/写头所指的格子上的符号来确定读/写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。
注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。
显然，TM仅仅是理论模型。那么，这个理论模型有什么实际意义呢?已经证明，如果TM不能解决的计算问题，那么实际计算机也不能解决；只有TM能够解决的计算问题，实际计算机才有可能解决。图灵机对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响。直到今天，人们还在研究各种形式的图灵机，以便解决理论计算机科学中的许多所谓基本极限问题。
1950年图灵发表了另一篇著名论文《计算机与智能》，指出如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，那么这台机器就具有智能。今天人们把这一论断称为图灵测试，它奠定了人工智能理论的基础。
为纪念图灵的理论成就，美国计算机协会（ACM）专门设立了图灵奖。从1966年至今已有50多位各国一流的计算机科学家获得此项殊荣，图灵奖成为计算机学术界的最高成就奖，被称为计算机界的诺贝尔奖。（2）电子数值积分计算机ENIAC
1939年，美国依阿华大学的阿塔纳索夫（John Atanasoff）和他的助手贝里（K.Berry）合作建造了能够求解方程的电子计算机——ABC（Atanasoff Berry Computer）。这台机器没有投入实际使用，但它的设计思想被今天的计算机所采用。1946年2月15日，宾西法尼大学的毛赫得博士（John Mauchly）和他的研究生艾克特（J.P.Eckert）研制成功了ENIAC（Electronic Numerical Inegrater And Computer），如图1-8所示，它标志着数字计算机的问世。ENIAC的运算速度达到5000次/秒加法，可以在3 ms内完成两个10位数乘法。它内部总共安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多个电阻，10000多个电容和6000多只继电器，电路的焊接点多达50万个，在机器表面布满电表、电线和指示灯。机器被安装在一排2.75 m高的金属柜里，占地面积为170平方米，总重量达到30 t。这台机器很不完善，例如它的耗电量超过174 kW；电子管平均每隔7 min就要烧坏一只。另外由于存储容量太小，必须通过开关和插线来安排计算程序，因此它还不完全具有“内部存储程序”功能。图1-8 ENIAC计算机
ENIAC的应用面很窄，它的社会意义并没有人们想象的那么广泛。ENIAC参考了ABC许多设计方法，甚至直接复制了ABC的加减法电路。（3）冯·诺依曼及EDVAC
冯·诺依曼的贡献在于确立了现代计算机的基本结构，即冯·诺依曼结构，按照冯·诺依曼原理构造的计算机又称为冯·诺依曼计算机。至今使用的计算机，大部分仍基本上遵循着冯·诺依曼原理和结构。图1-9“宝贝”
冯·诺依曼对ENIAC机不足之处进行认真分析，提出EDVAC（The Electronic Discrete Variable Automatie Computer，电子离散变量自动计算机）方案。1946年6月冯·诺依曼、戈德斯坦等发表了《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文，成为EDVAC的设计基础，第一部成功运作的冯·诺伊曼结构计算机是1948年曼彻斯特大学的小规模实验机（Small-Scale Experimental Machine），又称“宝贝”，英国曼彻斯特科学工业博物馆的“宝贝”如图1-9所示。最终在1952年完成了EDVAC机的建造工作。
EDVAC的主要改进有两点：一是为了充分发挥电子元件的高速性能而采用了二进制；二是把指令和数据都存储起来，使其能自动的执行程序，提出了“存储程序”的概念。由于它利用水银延时线做主存，用磁鼓做辅存，其运算速度比ENIAC提高了240倍。
以此概念为基础的各类计算机，统称为冯·诺依曼机，如图1-10所示。它的特点可归结为：
● 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
● 指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻址。
● 指令和数据均用二进制码表示。
● 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置。冯·诺依曼
● 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
● 以运算器为中心，输入/输出设备与存储器的数据传送通过运算器实现。图1-10 冯·诺依曼机
虽然人们把“存储程序计算机”当做现代计算机的重要标志，并把它归于冯·诺依曼的努力，但是，他本人认为现代计算机的设计思想来自图灵的创造性工作。尽管如此，谁也无法否认冯·诺依曼结构是现代计算机发展的基础，为计算机的迅猛发展开辟了道路。因此，冯·诺依曼被人们称为“计算机之父”。1.1.2 计算机的发展
回顾人类追求“智慧”的历史，从“结绳记事”、算盘、计算尺、机械计算机、机电计算机到第一台电子计算机诞生经历了漫长的岁月。而计算机问世至今不到70年的短时间里，计算机的迅猛发展却是任何其他工业产品都无可比拟的。
计算机发展一般分为四代，其划分依据分为三点，一是主要按照计算机采用的电子器件来划分，通常分为电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路或微处理器这四代。二是结合具有里程碑意义的典型计算机来划分。这就是说不是只从学术价值来判断，而要根据它的社会效益与经济效益来衡量。三是考虑计算机系统的全面技术水平来划分，即不仅要从使用的计算器件、运算部件以及硬件实现来考虑；还要从存储设备、输入/输出装置，特别是软件配置情况来评价。
1.第一代计算机（1946—1958年）
第一代计算机被称为电子管计算机，它使用的主要电子元器件为电子管。第一代计算机以1946年诞生的ENIAC为标志。1951年问世的UNIVAC（通用自动计算机）因准确预测了1952年美国大选艾森豪威尔的获胜，被社会各阶层认识和欢迎。1957年IBM生产的第一台商业化的计算机IBM701，使计算机向商品化迈进。
第一代计算机的特点是：
● 采用电子管做开关元件，体积大，热量高，容易损坏。
● 采用二进制代替十进制，即所有数制领域数据都用“1”与“0”表示，分别对应于电子器件的“接通”与“关断”。
● 程序可以储存，但存储设备还比较落后，容量很小，仍然没有支持操作系统的环境。
● 输入/输出设备主要用穿孔卡，速度很慢。
2.第二代计算机（1959—1963年）
第二代计算机被称为晶体管计算机，它使用的主要电子元器件为电子管。第二代计算机以1959年美国菲尔克公司研制成功的第一台大型通用晶体管计算机为标志，这个时期典型的计算机有IBM 7049和CDC（Control Data Corporation，控制数据公司）生产的CDC1640计算机等。
第二代计算机的特点是：
● 用晶体管代替电子管，体积小、质量轻；发热少、耗电省；速度快、功能强；价格低、寿命长。用它做开关元件使计算机结构与性能都发生了飞跃。
● 普遍采用磁芯存储器做主存，并且采用磁盘与磁带做辅存，存储容量增大，可靠性提高，为系统软件的发展创造了条件，开始是监控程序（Monitor），后来发展成为操作系统（Operating System）。
● 作为现代计算机体系结构的许多意义深远的特性相继出现。例如变址寄存器，浮点数表示、间接寻址、中断、I/O处理器等。因此，在第二代计算机发展期间，开始出现了第一代超级计算机，如CDC6600。
● 编程语言在发展。先是用汇编语言（Assembler Language）代替了机器语言。接着又发展了高级语言（High-Level Language），如FORTRAN、COBOL语言。
● 应用范围进一步扩大。除了以批处理方式进行科学计算外，开始进入实时的过程控制和数据处理。输入/输出设备也在不断改进，采用脱机（off-line）方式工作，以免浪费CPU的宝贵时间。
3.第三代计算机（1964—1971年）
第三代计算机被称为集成电路计算机，它使用的主要电子元器件为集成电路。使用晶体管需要大量的人工布线，不但制造成本贵而且制造难度很大。集成电路从根本上改变了制造过程，使计算机能够有更快的内存和处理器，而成本却降低了。第三代计算机以1964年IBM公司研制成功的360系列计算机为标志。
第三代计算机的特点是：
● 用集成电路（Integrated Circuit，IC）取代了晶体管。IC的体积更小，耗电更省，功能更强，寿命更长。
● 用半导体存储器淘汰了磁芯存储器。存储器也集成化了，并与处理器具有良好的相容性。存储容量大幅度提高，为建立存储体系与存储管理创造了条件。
● 普遍采用了微程序设计技术，为确立富有继承性的体系结构发挥了重要作用。三代机为计算机走向系列化、通用化、标准化做出贡献。
● 系统软件与应用软件都有很大发展。由于用户通过分时系统的交互方式来共享计算机资源，因此操作系统资规模和复杂性方面都有很快的发展，为了提高软件质量，出现了结构化、模块化程序设计方法。
● 开始出现了第一代小型计算机（Minicomputer），如DEC的PDP-8。
4.第四代计算机（1971年至今）
第四代电子计算机以大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）作为基本电子元件，称为“大规模集成电路时代”。大规模集成电路的出现，不仅大大提高了硅片上电子元件的集成度，而且可以把电子计算机的运算器和控制器等核心部件制作在一块集成电路板上。这就使计算机朝大型化和微型化发展成为可能，而微型计算机的出现使计算机更加普及和日益深入社会生活的各个方面，同时为计算机的网络化创造了条件。
第四代计算机以英特尔（Intel）公司研制的第一代微处理器芯片Intel 4004为标志。它在4.2 mm×3.2 mm的硅片上集成了2250个晶体管组成的电路，其功能与ENIAC相仿。1972年推出第二代微处理器芯片Intel 8008，1974年推出后继产品8080。1975年Altair公司利用这种芯片制成了微型计算机。此外，1977年IBM公司推出的3030系列，1979年IBM推出的4300系列、3080系列以及1985年推出的3090系列，引导了计算机发展的另一个方向——大型机、巨型机。
第四代计算机的特点是：
● 用微处理器（Microprocessor）或超大规模集成电路取代了普通集成电路。
● 存储容量进一步扩大，输入采用了OCR（Optical Character Recognition，光学字符识别）与条形码，输出采用了激光打印机，光盘的引进，新的编程语言Pascal、Ada的使用。
● 微型计算机（Microcomputer）异军突起，席卷全球，触发了计算技术由集中化向分散化转移的大变革。许多大型机的技术正垂直下移进入微型计算机领域，出现了工作站、微主机、大微机、超级小型机等。
● 数据通信、计算机网络、分布式处理有了很大的发展。计算机技术与通信技术相结合正改变着世界的技术经济面貌。局域网、广域网和因特网正把世界各地越来越紧密地联系在一起。
● 由于特殊应用领域的需求，在并行处理与多机处理领域正积累着重要的经验，为未来的技术突破创造着条件。
四代计算机的对比见表1-1。表1-1 四代计算机对比
摩尔定律：1964年，仙童半导体公司创始人之一摩尔博士发表了三页纸的短文，预言集成电路上能被集成的晶体管数目会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在数十年内保持这种势头。摩尔对集成电路的预言被实际发展证实了。他的预言被人誉为“摩尔法则”，成为新兴电子计算机产业的“第一定律”。
5.微型计算机
在第四代计算机中，微型计算机的发展是最迅猛的，以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机称为PC（Person Computer），PC的出现使计算机真正面向个人。由于微型计算机具有体积小、性能价格比高的优势，它使计算机进入人们生活的方方面面，成为大众化的信息处理工具，进而引发计算机网络的蓬勃发展。图1-11 Altair 8800
微型计算机的发展最早追溯到第一代微处理器芯片Intel 4004。1974年12月，美国人爱德华·罗伯茨（E.Roberts）利用Intel 8080组装了一台很小的计算机，被命名为“牛郎星”（Altair 8800），如图1-11所示。人们普遍认为，这就是世界上第一台用微处理器装配的微型计算机。
1976年，美国硅谷“家酿计算机俱乐部”的两位青年，史蒂夫·乔布斯（S.jobs）和史蒂夫·沃兹奈克（S.Wozniak），在汽车库里用较便宜的6502微处理器装配了一台计算机，有8 KB存储器，能显示高分辨率图形。为了纪念乔布斯当年在苹果园打工的历史，命名为“苹果Ⅰ”（AppleⅠ）。如图1-12所示，这是第一次应客户要求成批生产的真正的微型计算机产品，为领导时代潮流的个人计算机铺平了道路。图1-12 AppleⅠ、AppleⅡ、AppleⅢ
1981年，IBM公司推出了它的个人计算机PC，人类社会从此跨进个人计算机新纪元。此后，IBM PC历经了PC/XT、IBM-PC/AT、386、486、586（奔腾机）等五代发展，至今，绝大多数人使用的微型计算机仍是IBM PC系列。图1-13所示为IBM PC/XT。图1-13 IBM PC/XT
6.后PC时代
有这样一种讲法，如果以公元2000年作为科技史的一个分水岭，那么公元2000年之前可以称为“PC”（Personal Computer）时代；而公元2000年之后则被称为“后PC”（Post-Personal Computer）时代。
后PC时代是指将计算机、通信和消费产品的技术结合起来，以3C产品的形式（因为以上三者英文都是以“C”字母开头的）通过Internet进入人们生活。中国科学院院士李三立曾在文章中提到，我国在后PC时代机遇众多。因为后PC时代的3C产品平台是多样化的，目前未被垄断，我国有可能占领3C产品中的两三个或更多平台；还有我国现有电视机3.2亿台，VCD 4500万台，有线电视用户8000万户，移动电话3500万户，这些都是后PC时代可以改造成3C产品的对象；再有就是3C产品是一种可以进入家庭的消费产品，和中国文化的关系更为密切，有利于我国3C产业的发展。
简单地说，“后PC时代”是以网络应用为主，各种电子设备也将具备上网功能。后PC时代的网络通信的两大特色为“无限”与“无线”。“无限”指的是上网的工具与应用将无所限制，“无线”代表的是人们将慢慢远离有线传输。
在后PC时代，网络将在人们生活中扮演重要角色。未来网络使用者不一定要透过个人计算机上网，STB（Set-top-box，视讯解码器）、掌上电脑、移动电话等电子产品也可以提供上网功能，这是个人计算机功能被取代的例证之一，用无线传输的方式，无论走到哪里，都可上网并传输资料。
如今，对于网络产品和专用设备如CE、手持计算机、网络计算机（NC）、专用计算机等，其易用性和可靠性深得用户的好评，不仅适合文档处理、玩游戏、上网浏览或收发电子邮件，也适合商务活动的要求。尽管它们属于PC普及之后产生的产品，但这也可以看出“后PC时代”不是PC消亡的时代，而是包括PC在内的信息技术多元化的时代。
目前最流行的苹果公司消费电子产品iPhone、iPod、iPad如图1-14所示。图1-14 iPhone、iPod、iPad
7.新一代计算机
从20世纪90年代开始，日本、美国和欧洲纷纷进行新一代计算机的研制工作。目前尚未形成一致结论，正在研究的有以下几种类型的计算机：
● 神经网络计算机——模拟人的大脑思维；
● 生物计算机——运用生物工程技术，蛋白分子做芯片；
● 光计算机——用光作为信息载体，通过对光的处理来完成对信息的处理；
● 量子计算机——遵循量子力学规律，用量子系统构成的计算机；
● 纳米计算机——采用纳米技术生产计算机芯片的一种新型计算机。
新一代计算机与前四代计算机的本质区别是：计算机的主要功能将从信息处理上升为知识处理，使计算机具有人类的某些智能，所以又称为人工智能计算机。通常认为，新一代计算机具有以下几个方面的功能：
● 具有处理各种信息的能力。除目前计算机能处理离散数据外，新一代计算机还能对声音、文字和图像等形式的信息进行识别处理。
● 具有学习、联想、推理和解释问题的能力。
● 具有对人的自然语言的理解能力。
总之，未来的计算机将采用多媒体技术把声音、图形、图像系统、人工智能、网络化、计算机系统和通信系统集成为一个整体，使计算机具有像人一样的能听、能看、能想、能说、能写等逻辑推理或模拟的“智能”，甚至研制生产出具有某些“情感”、“智力”的计算机产品。1.2 计算机的分类与特点
由于计算机科学技术的迅猛发展，计算机已经成为一个庞大的家族。计算机是多用途的机器，能够完成各种类型的任务，计算机的类型不同，它适合做的工作类型也不同。但是各种不同类型的计算机，却有着一些共同的特点。1.2.1 计算机的分类
按照计算机处理的对象、计算机的用途以及计算机的规模等不同的角度可做如下分类。
1.按处理对象分类
按照计算机处理的对象及其数据的表示形式可分为数字计算机（Digital Computer）、模拟计算机（Analog Computer）和数字模拟混合计算机（Hybrid Computer）三类。
① 数字计算机。该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字量，这些数据在时间上是离散的。非数字量的数据（如字符、声音、图像等）经过编码后也可以处理。
② 模拟计算机。该类计算机输入、处理、输出和存储的数据是模拟量（如电压、电流、温度等），这些数据在时间上是连续的。
③ 数字模拟混合计算机。该类计算机将数字技术和模拟技术相结合，兼有数字计算机和模拟计算机的功能。
现在我们所说的计算机一般是指数字计算机。
2.按用途分类
按照计算机的用途及其使用的范围可分为通用计算机（General Purpose Computer）和专用计算机（Special Purpose Computer）两类。
① 通用计算机。该类计算机具有广泛的用途和使用范围，可以应用于科学计算、数据处理和过程控制等。
② 专用计算机。该类计算机适用于某一特殊的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的自动控制等。
3.按规模分类
按照计算机的规模可分为超级计算机（Supercomputer）、大/中型计算机（Large/Medium-scale Computer）、小型计算机（Minicomputer）、微型计算机（Microcomputer）、工作站（Workstation）、服务器（Server）以及网络计算机（Network Computer）等类型。
① 超级计算机，又称巨型机，指其运算速度每秒超过1亿次的超大型的计算机，该类计算机主要应用于复杂的科学计算及军事等专门的领域。截止至2010年10月，在中国超级计算机天河一号的升级完成之后，天河二号以峰值速度（Rpeak）每秒4700万亿次浮点运算、持续速度（Rmax）2566万亿次，超越美国制“美洲豹”超级计算机而跃居成为世界运行速度最快、最强大的超级计算机，但主要使用的处理器均为美国英特尔制造。图1-15所示为天河二号。图1-15 天河二号
② 大/中型计算机，又称大型机、大型主机、主机等，是从IBM System/360开始的一系列计算机及与其兼容或同等级的计算机，该类计算机也具有较高的运算速度，每秒钟可以执行几千万条指令，并具有较大的存储容量以及较好的通用性，但价格较贵，通常被用来作为银行、铁路等大型应用系统中的计算机网络的主机来使用，如图1-16所示为IBM 704。
③ 小型计算机，是指运行原理类似于个人计算机和服务器，但性能及用途又与它们有所不同的一种高性能计算机。它是20世纪70年代由DEC公司首先开发的一种高性能计算产品，如图1-17所示为PDP—11/40。该类计算机的运算速度和存储容量略小于大/中型计算机，但与终端和各种外部设备连接比较容易，适合于作为联机系统的主机，或者工业生产过程的自动控制。
④ 微型计算机，是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入/输出（I/O）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机，特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。它的问世在计算机的普及和应用中发挥了重大的推动作用。笔记本计算机如图1-18所示。图1-16 IBM 704图1-17 PDP—11/40图1-18 笔记本计算机
⑤ 工作站，是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及连网功能。如图1-19所示为惠普图形工作站，包括高性能的主机、扫描仪、绘图仪、数字化仪、高精度的屏幕显示器、其他通用的输入/输出设备以及图形处理软件，它具有很强的对图形进行输入、处理、输出和存储的能力，在工程设计和多媒体信息处理中有广泛的应用。
⑥ 服务器，是一种在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备。个人计算机、工作站或软件这些需要从服务器上获得数据的实体都叫做客户端（Client）。例如，在网络上，有一台服务器可以满足用户浏览网页的需求，另一台服务器可以处理因特网上用户之间传送的电子邮件数据流。还有的服务器可以允许局域网内的用户共享文件和使用中央打印机。因此，可分为文件服务器、通信服务器、打印服务器等。如图1-20所示为机架式服务器。图1-19 图形工作站图1-20 机架式服务器
⑦ 网络计算机。它是一种在网络环境下使用的终端设备，其特点是内存容量大、显示器的性能高、通信功能强，但本机中不一定配置内存，所需要的程序和数据存储在网络的服务器中。
此外，手持计算机、某些游戏机也可算做计算机。1.2.2 计算机的特点
计算机技术的快速发展，使各种新型的计算机层出不穷，虽然各种类型的计算机在规模、用途、性能、结构等各方面有所不同，但它们都具有以下特点。
1.高速、精确的运算能力
目前世界上已经有超过每秒百亿次运算速度的巨型计算机。即使是微型计算机，其运算速度也大大超过了早期大型计算机的运算速度。精确的运算能力是计算机性能的重要方面。由于计算机内部采用浮点数表示方法，而且计算机的字长从8位、16位、32位增加到64位甚至更长，从而使处理的结果具有很高的精确度。
2.准确的逻辑判断能力
电子计算机既可以进行算术运算，又可以进行逻辑运算，还可以对文字、符号进行判断和比较，进行逻辑和推理证明，这是任何其他工具都无法相比的。
3.强大的存储能力
计算机具有存储“信息”的装置，即存储器，能存储大量数字、文字、图像、声音等各种信息，“记忆力”大得惊人。计算机强大的存储能力不但表现在容量大，还表现在“长久”，可以长期保存所需的数据或资料。
4.具有自动功能
计算机可以将预先编好的一组指令（称为程序）先“记”起来，然后自动地逐条取出这些指令并执行，工作过程完全自动化，不需要人的干预。这种自动功能就是前面介绍的“程序存储”。它的另一个特点是可以反复进行。
5.网络功能
计算机技术发展到今天，已可将几十台、几百台，甚至更多的计算机连成一个网络，可将一个个城市、一个个国家的计算机连在一个计算机网络上。在网上的所有计算机用户可共享网上资料，交流信息，网络改变了人类交流的方式。1.3 计算机的硬件和软件
半个世纪以来，计算机已发展成为由巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、工作站、服务器组成的一个庞大的计算机家族。其每个成员，尽管在规模、性能、结构、应用等方面存在着很大差别，但是它们的基本组成结构是相同的，即计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分构成。
计算机工作的实质是处理信息。处理信息的基本功能是指把各个应用领域中大量的数字、符号、语言、文字、图形、图像等信息进行计算、检测、识别、控制、存储、加工和利用。处理信息的基本方式是指把各种信息用相应的数码组合起来变成计算机能接受的数字信号，然后按照一定的法则，即建立对某个信息源进行处理的算法——数字模型或逻辑规则，把它们变换成相应的数字运算操作。1.3.1 计算机硬件系统
计算机硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是看得见，摸得着的实际物理设备，至今基本沿用冯·诺依曼体系结构，具体由五大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部件相互配合，协同工作。1.3.2 计算机软件系统
软件是组成计算机系统的重要部分。微型计算机系统的软件分为两大类，即系统软件和应用软件。
1.系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：
① 操作系统软件，如DOS、Windows 2000、Windows NT、Linux、UNIX等；
② 各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序等；
③ 各种服务性程序，如调试程序、故障检查和诊断程序、杀毒程序等；
④ 各种数据库管理系统，如SQL Sever、Oracle、Informix等。
2.应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种：
① 用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包；
② 文字处理软件包（如WPS、Word、Office 2010）；
③ 图像处理软件包（如Photoshop、动画处理软件3ds max）；
④ 各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。1.3.3 计算机硬件与软件的关系
计算机的硬件与软件是相辅相成的，缺一不可。硬件是计算机的物质基础，没有硬件就没有计算机；软件是计算机的灵魂，没有软件，计算机的存在就毫无价值。没有任何软件的计算机称为裸机，裸机本身不能完成任何功能，只有配备一定的软件，才能发挥其作用。硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境，而软件系统发展又给硬件系统提出了新的要求。计算机系统组成如图1-21所示。图1-21 计算机系统的组成示意图1.4 计算机的应用及研究领域
在计算机研究领域，许多研究内容仍然在发展之中。计算机科学的一个很重要的特点是它的科学研究与技术发展相互推进，其研究成果转化为技术的速度非常快，同时，在很大程度上，计算机技术的发展促进了计算机科学研究的深入。1.4.1 计算机的应用
自ENILAC问世后将近30余年的时间，计算机一直被作为大学和研究机构的娇贵设备。20世纪70年代中期后，大规模集成工艺日趋成熟，微芯片上集成的晶体管数一直按每三年翻两番的Moore定律增长，微处理器的性能也按此几何级数提高，而价格也以同样的几何级数下降。使计算机走出了实验室而渗透到各个领域乃至走进普通百姓的家中。当然，除了计算机价格猛跌外，计算机软件技术日趋完臻也是计算机获得广泛应用的重要原因。尤其是近年来计算机软件技术和通信技术相互融合，出现了沟通全球的Internet网，更使计算机的应用范围从科学计算、数据处理等传统领域扩展到办公自动化、多媒体、电子商务、虚拟工厂、远程教育等，遍及政治、经济、军事、科技以及个人文化生活和家庭生活的各个角落，不久的将来，计算机将成为像水和电一样的人们离不开的物品。
1.科学计算和数据处理（1）科学计算
科学计算一直是计算机的重要应用领域之一。其特点是计算量大和数值变化范围大。在天文学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域都要依靠计算机进行复杂的运算。此外，计算机在其他学科和工程设计方面，诸如数学、力学、晶体结构分析、石油勘探、桥梁设计、建筑、土木工程设计等领域内，都得到了广泛的应用。（2）数据处理
数据处理也是计算机的重要应用领域之一。早在20世纪五六十年代起，人们就把大批复杂的事务数据交给了计算机处理，如政府机关公文、报表和档案，银行、公司、企业等大量的数据信息，都由计算机收集、存储、整理、检索、统计、修改、增删等，并由此获得某种决策数据或趋势，供各级决策者参考。
2.工业控制和实时控制
新型的工业自动控制系统以标准的工业计算机软、硬件平台构成集成系统，取代了传统的封闭式系统，具有更强的适应性，更易于扩展，更经济，更短的开发周期等显著优点。就目前发展趋势而言，工业控制的应用已经向控管一体化方向发展。在军事上，导弹的发射及飞行轨道的计算控制，先进的防空系统等现代化军事设施，通常也都是由计算机构成的控制系统，其中包括雷达、地面设施、海上装备等。
3.网络技术的应用
由于全球网络化消除了人们因时间、距离和地理界限所形成的障碍，从而使各国人们在技术交流、商品交换、文化传递、感情沟通等方面变得十分快捷、方便。可以断言，全球网络化不仅改变着商业经济、工业生产、科技发展，还将影响着人们的工作、娱乐和生活。（1）电子商务
电子商务的含义是任何一个组织机构可利用Internet网络来改变他们与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以认为是消费者、销售者和结算部门之间利用Internet完成商品采购和支付收款的过程。（2）网络教育
基于Internet教育网络的建立，学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，通过网络伸展到全球的每个角落，建立真正意义上的开放式的虚拟学校，每个学生可以在任意时间、任意地点通过网络自由地学习。（3）敏捷制造
随着全球信息网络技术的发展，对工业制造业的制造模式和企业的组成和管理模式也产生了极大的影响，21世纪的制造模式——敏捷制造由此而生。敏捷制造由两部分组成：敏捷制造的基础结构和敏捷制造的虚拟企业，前者为形成虚拟企业提供环境和条件，后者对市场不可预期的变化做出迅速响应。
以上仅就几个方面列举了全球网络化对整个社会经济、文化、教育、工业制造等方面的影响，实际上全球的网络化必将进一步改变着整个世界。
4.办公自动化和管理信息系统
顾名思义，办公自动化是利用计算机及自动化的办公设备来替代“笔、墨、纸、砚”及办公人员部分脑、体力劳动，从而提高了办公的质量和效率。一个完整的办公自动化系统将包括文秘、财务、从事资料、后勤等各项管理工作。近年来由于Internet的应用，将计算机、自动化办公设备与通信技术相结合，使办公自动化向更高层次发展。例如，电子邮件的收发、远距离电视会议、高密度的电子文件、多媒体的信息处理等还将会普遍获得应用。
5.CAD/CAM/CIMS
计算机辅助技术获得了极其广泛的应用，它不仅提高了产品设计生产自动化的程度，而且给传统性的生产发展带来了革命性的变化。（1）CAD（Computer Aided Design）
计算机辅助设计（CAD）就是按设计任务书的要求，产品设计全部工作都由计算机来完成，大大降低了产品设计的成本，缩短了产品设计的周期，最大限度降低了产品设计的风险。此外还可以利用计算机实现产品创意设计，因此CAD技术已被各制造业广泛应用。
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