計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

普通高等院校“十四五”計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列教材

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

主編◎曾黨泉黃煒欽郭一晶

副主編◎郭麗清吳天寶陳南南陳曉凌張思民

內(nèi)容簡介

本書從培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維出發(fā)，融入了課程思政元素，兼顧了計(jì)算機(jī)軟件和硬

件的最新發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的理論與實(shí)踐，具有內(nèi)容系統(tǒng)全面、通俗易懂、圖文并

茂、易教易學(xué)的特點(diǎn)，加強(qiáng)了教材的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，旨在提高大學(xué)生計(jì)算

機(jī)應(yīng)用能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

全書共分8章，包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、Windows10操作系統(tǒng)管理、Word2016文字

處理、Excel2016電子表格處理、PowerPoint2016演示文稿制作、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與Internet

技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)信息安全、多媒體技術(shù)等。

本書配有《計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)教程》、電子教案以及內(nèi)容豐富的教學(xué)資源庫，便

于廣大師生的教和學(xué)，適合作為普通高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的教材。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)/曾黨泉，黃煒欽，郭一晶主編.—北京：

中國鐵道出版社有限公司,2022.8

普通高等院?！笆奈濉庇?jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列教材

ISBN978-7-113-29383-3

Ⅰ.①計(jì)…Ⅱ.①曾…②黃…③郭…Ⅲ.①電子計(jì)算機(jī)-

高等學(xué)校-教材Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2022）第114878號(hào)

書名：計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

作者：曾黨泉黃煒欽郭一晶

策劃：賈星編輯部電話：（010）63549501

責(zé)任編輯：賈星包寧

封面設(shè)計(jì)：劉穎

責(zé)任校對(duì)：焦桂榮

責(zé)任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號(hào)）

網(wǎng)址：/51eds/

印刷：三河市宏盛印務(wù)有限公司

版次：2022年8月第1版2022年8月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：20.5字?jǐn)?shù)：473千

書號(hào)：ISBN978-7-113-29383-3

定價(jià)：56.00元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請(qǐng)與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報(bào)電話：（010）63549461

前言

當(dāng)前，信息技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展。計(jì)算思維對(duì)于人類社會(huì)生活無所不在的

滲透，已使其成為人類思考的一種方式和習(xí)慣，是人類理解自然和社會(huì)的基本語言。計(jì)

算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的應(yīng)用已滲透大學(xué)所有的專業(yè)和學(xué)科，對(duì)各專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用

能力提出了更高的要求。讓大學(xué)生真正理解計(jì)算機(jī)及計(jì)算的本質(zhì)，理解計(jì)算的方法和模

型，具備計(jì)算思維能力，并能夠運(yùn)用計(jì)算思維解決各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際問題，是目前大學(xué)計(jì)

算機(jī)課程的基本方向和目標(biāo)。因此，大學(xué)生除了掌握計(jì)算機(jī)的操作使用外，還應(yīng)了解計(jì)

算思維、計(jì)算科學(xué)以及計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)的基本概念、原理和方法，以便更好地在

專業(yè)學(xué)習(xí)和研究中應(yīng)用。

本書具有內(nèi)容系統(tǒng)全面、通俗易懂、圖文并茂、易教易學(xué)的特點(diǎn)，加強(qiáng)了教材的基

礎(chǔ)性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，旨在提高大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下扎實(shí)

的基礎(chǔ)。

本書的主要特色如下：

1．著重對(duì)計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行講解和介紹。

2．力求通過深入淺出的風(fēng)格，講授計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維之間相互支撐和相互制約的

關(guān)系。

3．將“計(jì)算思維”的新理念貫穿始終，達(dá)到提升計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的教學(xué)目的。

4．將理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生清楚地了解計(jì)算機(jī)擅長哪些方面、計(jì)算機(jī)

能做什么，如何利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題。

本書系統(tǒng)地介紹了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

及其基本操作，包括Windows10的基本操作，Word2016、Excel2016、PowerPoint2016

的相關(guān)知識(shí)，介紹局域網(wǎng)的組成及互聯(lián)網(wǎng)的常用操作技能。分模塊從應(yīng)用的角度講解計(jì)

算機(jī)基本操作與技能，并涵蓋《全國計(jì)算機(jī)等級(jí)考試（一級(jí)）考試大綱》要求的知識(shí)點(diǎn)，

是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基本操作技能的良師益友。

本書的編者都是多年從事大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的一線教師，在各自從事的專業(yè)領(lǐng)域

具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。各章節(jié)中很多編寫素材也經(jīng)歷了多年一線教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)。本書

由曾黨泉、黃煒欽、郭一晶任主編，由郭麗清、吳天寶、陳南南、陳曉凌、張思民任副

I

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

主編，具體編寫分工如下：第1章由曾黨泉編寫，第2章由張思民編寫，第3章由陳曉

凌編寫，第4章由郭麗清編寫，第5章由黃煒欽編寫，第6章由吳天寶編寫，第7章由

陳南南編寫，第8章由郭一晶編寫。全書由曾黨泉統(tǒng)稿和定稿。

由于編者水平有限，時(shí)間倉促，書中難免存在疏漏和不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)

指正。

編者

2022年4月

Ⅱ

目錄

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1第2章Windows10操作系統(tǒng)管理55

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展12.1Windows10操作系統(tǒng)的新增

計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史

1.1.11功能和運(yùn)行環(huán)境55

計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及分類

1.1.242.1.1Windows10操作系統(tǒng)的

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

1.1.36新增功能55

未來的計(jì)算機(jī)

1.1.472.1.2Windows10操作系統(tǒng)的

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.28運(yùn)行環(huán)境56

1.3信息與數(shù)制系統(tǒng)102.2Windows基礎(chǔ)56

1.3.1信息與數(shù)據(jù)102.2.1Windows的發(fā)展歷史56

1.3.2計(jì)算機(jī)進(jìn)制轉(zhuǎn)換與數(shù)值2.2.2桌面及其設(shè)置57

表示法112.2.3Windows10賬戶60

1.3.3計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)單位142.2.4幫助和支持系統(tǒng)62

1.3.4二進(jìn)制運(yùn)算法則152.2.5Windows設(shè)置63

進(jìn)制轉(zhuǎn)換

1.3.5162.3程序管理63

計(jì)算機(jī)數(shù)值表示法

1.3.6182.3.1程序文件63

計(jì)算機(jī)中的字符編碼

1.3.7212.3.2程序的運(yùn)行和退出63

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與工作

1.42.3.3應(yīng)用程序快捷方式64

原理262.3.4任務(wù)管理器64

1.4.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成262.3.5安裝或刪除應(yīng)用程序65

1.4.2計(jì)算機(jī)工作原理282.4文件管理68

1.5微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)282.4.1文件68

1.6計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)432.4.2文件夾68

1.6.1操作系統(tǒng)432.4.3“此電腦”窗口69

1.6.2語言處理程序442.4.4管理文件和文件夾71

1.6.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)452.5磁盤管理75

1.6.4服務(wù)軟件452.5.1磁盤分區(qū)與創(chuàng)建邏輯

1.6.5應(yīng)用軟件45驅(qū)動(dòng)器75

1.7計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿技術(shù)462.5.2磁盤格式化78

1.7.1人工智能技術(shù)462.5.3磁盤碎片整理78

1.7.2云計(jì)算技術(shù)472.5.4磁盤清理79

1.7.3大數(shù)據(jù)技術(shù)482.6設(shè)備管理80

1.7.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)492.6.1即插即用設(shè)備80

1.7.5區(qū)塊鏈技術(shù)502.6.2設(shè)備管理器82

小結(jié)522.7我國的主要操作系統(tǒng)82

習(xí)題522.7.1中標(biāo)麒麟（NeoKylin）...83

2.7.2深度Linux（Deepin）83

I

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

2.7.3統(tǒng)一（UOS）833.8.1格式刷的使用125

2.7.4起點(diǎn)（StartOS）843.8.2長文檔處理125

2.7.5鴻蒙操作系統(tǒng)3.8.3分隔符129

（HarmonyOS）843.8.4編輯頁眉和頁腳131

小結(jié)843.8.5腳注、尾注和題注134

文檔的頁面設(shè)置與打印

習(xí)題843.8.6...135

小結(jié)138

第3章Word2016文字處理86習(xí)題138

3.1Word2016簡介86第4章Excel2016電子表格處理143

3.1.1Word2016概述86

3.1.2Word2016的新增功能874.1Excel2016基礎(chǔ)知識(shí)143

3.2Word2016的安裝與卸載894.1.1Excel2016的新增功能...143

3.2.1Word2016的安裝894.1.2Excel2016的基本功能

3.2.2Word2016的卸載90及特點(diǎn)144

3.3Word2016的基礎(chǔ)知識(shí)914.1.3Excel2016的啟動(dòng)

和退出

3.3.1Word2016的啟動(dòng)91145

的窗口界面

3.3.2Word2016的退出924.1.4Excel2016...146

的基本操作

3.3.3Word2016的窗口組成924.2Excel2016147

3.4文檔的基本操作934.2.1工作簿的創(chuàng)建、保存

和打開

3.4.1文檔的新建94147

選定單元格

3.4.2文檔的保存944.2.2149

撤銷與恢復(fù)

3.4.3文檔的打開和關(guān)閉954.2.3149

數(shù)據(jù)編輯

3.4.4文檔的顯示方式964.2.4149

數(shù)據(jù)自動(dòng)填充

3.5文檔的基本排版984.2.5151

4.2.6單元格的操作153

3.5.1輸入文檔內(nèi)容98

工作表的編輯

3.5.2文本的編輯1014.3154

選定工作表

3.5.3拼寫檢查與自動(dòng)更正1054.3.1155

插入工作表

3.5.4字符的格式化1054.3.2155

刪除工作表

3.5.5段落的格式化1054.3.3155

重命名工作表

3.5.6頁面的格式化1084.3.4155

復(fù)制和移動(dòng)工作表

3.6圖文混排1104.3.5156

4.3.6隱藏或顯示工作表156

3.6.1使用文本框110

4.3.7共享工作簿157

3.6.2圖片與剪貼畫111

工作表的格式化

3.6.3使用藝術(shù)字1144.4158

使用格式刷

3.6.4使用各類圖形1144.4.1158

設(shè)置字符格式

3.6.5使用圖表1154.4.2158

設(shè)置數(shù)字格式

3.7使用表格1164.4.3159

4.4.4設(shè)置單元格對(duì)齊方式160

3.7.1創(chuàng)建表格116

4.4.5設(shè)置邊框161

3.7.2編輯表格117

4.4.6設(shè)置背景162

3.7.3設(shè)置表格格式121

4.4.7設(shè)置行高和列寬163

3.7.4表格的高級(jí)應(yīng)用121

4.4.8自動(dòng)套用樣式163

3.8文檔高級(jí)排版125

4.4.9條件格式164

II

目錄

4.5公式與函數(shù)167設(shè)置218

4.5.1使用公式1675.3.7添加音頻和視頻文件221

4.5.2使用函數(shù)1715.4修飾幻燈片225

4.5.3錯(cuò)誤值1735.4.1幻燈片母版225

4.6數(shù)據(jù)管理1765.4.2幻燈片主題的設(shè)計(jì)226

4.6.1數(shù)據(jù)篩選1765.5設(shè)置幻燈片的放映效果227

4.6.2數(shù)據(jù)排序1785.5.1幻燈片的動(dòng)畫227

4.6.3數(shù)據(jù)分類匯總1795.5.2設(shè)置幻燈片的切換

4.6.4數(shù)據(jù)透視表和數(shù)據(jù)效果228

透視圖1805.5.3幻燈片的放映228

4.7數(shù)據(jù)圖表1845.6演示文稿的輸出231

4.7.1創(chuàng)建圖表1845.6.1將演示文稿輸出為其他

4.7.2修改圖表186格式文件231

4.8頁面設(shè)置與打印1885.6.2保護(hù)演示文稿232

4.8.1頁面設(shè)置1895.6.3打印演示文稿233

4.8.2打印預(yù)覽190小結(jié)234

4.8.3打印工作表190習(xí)題234

4.9Excel2016的重要功能192

第6章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與Internet

4.9.1自定義功能區(qū)192

技術(shù)基礎(chǔ)237

4.9.2墨跡公式193

小結(jié)1936.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)237

通信基礎(chǔ)知識(shí)

習(xí)題1946.1.1237

6.1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義

第5章PowerPoint2016演示

和功能242

文稿制作1966.1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成

5.1PowerPoint2016的基礎(chǔ)與分類243

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系

知識(shí)1966.2

結(jié)構(gòu)

5.1.1PowerPoint2016的工作244

界面1966.2.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念244

5.1.2PowerPoint2016的6.2.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)244

視圖1976.3局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)246

5.1.3．幻燈片放映2016.3.1局域網(wǎng)的特點(diǎn)及拓?fù)?/p>

5.2創(chuàng)建演示文稿202結(jié)構(gòu)246

5.2.1創(chuàng)建空白文稿2026.3.2網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備248

5.2.2用模板創(chuàng)建演示文稿2036.3.3交換機(jī)組網(wǎng)及配置250

5.2.3幻燈片的操作與編輯2036.4因特網(wǎng)的技術(shù)與應(yīng)用252

5.3制作幻燈片2066.4.1因特網(wǎng)的基本技術(shù)252

5.3.1選擇幻燈片版式2066.4.2IP地址與域名254

5.3.2插入文本2076.4.3萬維網(wǎng)WWW259

5.3.3插入圖片2096.4.4MicrosoftEdge瀏覽器

5.3.4插入表格和圖表210的設(shè)置261

5.3.5插入SmartArt圖形2156.4.5電子郵件265

5.3.6插入超鏈接和動(dòng)作6.4.6網(wǎng)盤的應(yīng)用269

III

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

中國互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r

6.5272第8章多媒體技術(shù)297

小結(jié)273

習(xí)題2738.1多媒體技術(shù)概述297

8.1.1多媒體技術(shù)的發(fā)展297

第7章計(jì)算機(jī)信息安全276

8.1.2多媒體的基本概念298

8.1.3多媒體技術(shù)的特性298

7.1信息安全的基本概念276

8.1.4多媒體信息處理的

信息安全與信息系統(tǒng)

7.1.1關(guān)鍵技術(shù)298

安全276

8.2多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成299

7.1.2信息安全的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)277

8.2.1多媒體計(jì)算機(jī)硬件

7.2信息安全的關(guān)鍵技術(shù)278

系統(tǒng)300

安全威脅

7.2.12788.2.2多媒體計(jì)算機(jī)軟件

信息系統(tǒng)不安全因素

7.2.2279系統(tǒng)300

7.2.3安全策略281

8.3多媒體信息的數(shù)字化和壓縮

7.2.4信息安全法律法規(guī)

技術(shù)301

及道德規(guī)范289

8.3.1數(shù)字音頻及處理301

7.3計(jì)算機(jī)病毒及防治290

8.3.2數(shù)字圖像及處理304

7.3.1計(jì)算機(jī)病毒的基本知識(shí)...290

8.3.3數(shù)字視頻及處理310

7.3.2計(jì)算機(jī)病毒的傳播途徑

8.3.4多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)314

與防治295

小結(jié)316

小結(jié)296

習(xí)題316

習(xí)題296

參考文獻(xiàn)319

IV

第1章

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

本章介紹計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展以及我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史，特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)的

發(fā)展和CPU芯片的發(fā)展。我國超級(jí)計(jì)算機(jī)從最初的銀河-Ⅰ到現(xiàn)在的神威·太湖之光，

在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，中國在2016年6月開始超越美國，占據(jù)榜首，神威·太

湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)曾連續(xù)獲得全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)四屆冠軍。西方的芯片禁運(yùn)反而

縮短了中國的研制周期，使我們研發(fā)出了完全自主的高性能處理器和完全自主可控的

超級(jí)計(jì)算機(jī)，西方的芯片禁運(yùn)對(duì)中國利大于弊，也讓世界驚嘆中國在超算領(lǐng)域的技術(shù)

進(jìn)步。龍芯是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用高性能微處理芯片，龍芯芯片的研發(fā)成功，

是我國計(jì)算機(jī)發(fā)展史和民族科技產(chǎn)業(yè)化道路上的里程碑，標(biāo)志著我國在自主研發(fā)CPU

的道路上邁出了重要的一步，它打破了美國對(duì)我國的CPU技術(shù)封鎖與市場壟斷。此

外，在5G通信及人工智能等高科技方面，我國也是走在世界前列。因此，作為新時(shí)

代的大學(xué)生要增強(qiáng)對(duì)我國科技發(fā)展的自信心，樹立科技強(qiáng)國理念，堅(jiān)定“四個(gè)自信”，

奮發(fā)圖強(qiáng)，在相關(guān)領(lǐng)域做出自己的貢獻(xiàn)。

自從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)成為發(fā)展最快的技術(shù)之一，在短短

70多年的時(shí)間里，已經(jīng)發(fā)展了4代。時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)發(fā)展的腳步從未減緩，仍然

向新的方向快速前進(jìn)。在當(dāng)今的信息社會(huì)中，計(jì)算機(jī)已成為最基本的信息處理工具。

因此，掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，是高效地獲取信息和處理信息的基本要求。

本章首先簡要介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，然后重點(diǎn)介紹微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組

成、數(shù)制的概念、信息的二進(jìn)制編碼表示、計(jì)算機(jī)的硬件/軟件常識(shí)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)前

沿技術(shù)。

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史

在人類的發(fā)展史上，計(jì)算工具的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的過程，

如算盤、計(jì)算尺和機(jī)械計(jì)算機(jī)等，這些計(jì)算工具在不同的歷史時(shí)期都發(fā)揮了各自的作

用，同時(shí)也為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1．第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)初，電子技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。1904年，英國電氣工程師弗萊明（John

1

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

AmbroseFleming）研制出了真空二極管；1906年，美國發(fā)明家、科學(xué)家福雷斯特

（D.Forest）發(fā)明了真空晶體管，這些都為電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1943年，

正值第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，由于軍事上的需要，美國軍械部與賓夕法尼亞大學(xué)的莫爾

學(xué)院簽訂合同，研制一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，取名為ENIAC（ElectronicNumericalIntegrator

AndComputer，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）。在莫希利（J.W.Mauchly）和?？颂?/p>

（W.J.Eckert）的領(lǐng)導(dǎo)下，ENIAC于1945年底研制成功。1946年2月15日，人們?yōu)?/p>

ENIAC舉行了揭幕典禮，所以通常認(rèn)為世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年。

ENIAC重30t，占地167m2，使用了18000多個(gè)電子管、1500多個(gè)繼電器、70000

多個(gè)電阻、10000多個(gè)電容，功率為150kW。ENIAC每秒可完成5000次加減法運(yùn)

算，雖然其運(yùn)算速度遠(yuǎn)不及現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，但它的誕生宣布了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。

2．電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

自ENIAC誕生以來，由于人們不斷將最新的科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用在計(jì)算機(jī)上，同

時(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也對(duì)計(jì)算機(jī)提出了更高的要求，再加上計(jì)算機(jī)公司之間的激烈競

爭，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體積越來越小、功能越來越強(qiáng)、價(jià)格

越來越低、應(yīng)用越來越廣。通常人們按電子計(jì)算機(jī)所采用的器件將其劃分為四代。

1）第一代計(jì)算機(jī)（1945—1958年）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的元器件大都采用電子管，因此又稱電子管計(jì)算機(jī)。這時(shí)計(jì)算機(jī)

軟件還處于初始發(fā)展階段，人們使用機(jī)器語言與符號(hào)語言編寫程序，應(yīng)用領(lǐng)域主要是

科學(xué)計(jì)算。第一代計(jì)算機(jī)不僅造價(jià)高、體積大、耗能多，而且故障率高。第一代計(jì)算

機(jī)的代表性產(chǎn)品有ENIAC（1946年）、ISA（1946年）、EDVAC（1951年）、UNIVACl

（1951年）、IBM701（1953年）等。

2）第二代計(jì)算機(jī)（1959—1964年）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的元器件大都采用晶體管，因此又稱晶體管計(jì)算機(jī)。其軟件開

始使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言，出現(xiàn)了較為復(fù)雜的管理程序，在數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理等

領(lǐng)域得到應(yīng)用。這一代計(jì)算機(jī)的體積大大減小，具有運(yùn)算速度快、可靠性高、使

用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。第二代計(jì)算機(jī)的代表性產(chǎn)品有UnivacLARC（1960年）、

IBM7030（1962年）、ATLAS（1962年）等。

3）第三代計(jì)算機(jī)（1965—1970年）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的元器件大都采用中小規(guī)模集成電路，因此又稱中小規(guī)模集成

電路計(jì)算機(jī)。軟件出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和會(huì)話式語言，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到文字處理、企

業(yè)管理、自動(dòng)控制等。第三代計(jì)算機(jī)的體積和功耗都進(jìn)一步減小，可靠性和速度

也得到了進(jìn)一步提高，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。第三代計(jì)算機(jī)的代表性產(chǎn)品有

IBM360（1965年）、CDC7600（1969年）、PDPⅡ（1970年）等。

4）第四代計(jì)算機(jī)（1971年至今）

這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的元器件大都采用大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路（VLSI），

因此又稱大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。軟件也越來越豐富，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、

可擴(kuò)充語言、網(wǎng)絡(luò)軟件等。這一代計(jì)算機(jī)的各種性能都得到大幅度提高，并隨著微型

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)庫管

2

–第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

理、圖像識(shí)別、語音識(shí)別、專家系統(tǒng)及家庭娛樂等領(lǐng)域中大顯身手。第四代計(jì)算機(jī)的

代表性產(chǎn)品有CRAYⅠ（1976年）、VAXⅡ（1977年）、IBM4300（1979年）、IBM

PC（1981年）等。

3．微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在第四代計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中，人們采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將計(jì)算機(jī)的中央

處理器（CPU）制作在一塊集成電路芯片內(nèi)，并將其稱為微處理器。由微處理器、存

儲(chǔ)器和輸入/輸出接口等部件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)稱為微型計(jì)算機(jī)。

1971年，英特爾（Intel）公司研制成功第一個(gè)微處理器Intel4004，同年以這個(gè)

微處理器構(gòu)造了第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)MSC4，此后這一系列的微處理器不斷發(fā)展，不僅

領(lǐng)導(dǎo)了微處理器發(fā)展的潮流，而且還領(lǐng)導(dǎo)了微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的潮流。

自Intel4004問世以來，微處理器發(fā)展極為迅速，大約每兩三年就換代一次。依

據(jù)微處理器的發(fā)展進(jìn)程，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致可分為五代。

1）第一代微型計(jì)算機(jī)（1971—1973年）

第一代微型計(jì)算機(jī)采用的微處理器有Intel公司的4004、4040、8008等，其集成

度達(dá)到每片2000個(gè)晶體管。這些微處理器是4位、8位微處理器，功能簡單。這一

代微型計(jì)算機(jī)的代表性產(chǎn)品有Intel公司的MSC4和MSC8。

2）第二代微型計(jì)算機(jī)（1974—1977年）

第二代微型計(jì)算機(jī)采用的微處理器有Intel公司的8080、8085，Motorola公司的

M6800和Zilog公司的Z80等，其集成度達(dá)到每片9000個(gè)晶體管。這些微處理器都

是8位微處理器，這一代微型計(jì)算機(jī)又稱8位微型計(jì)算機(jī)。其代表性產(chǎn)品有RadioShack

公司的TRS80和Apple公司的AppleⅡ。特別是AppleⅡ，被譽(yù)為微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的

第一個(gè)里程碑。

3）第三代微型計(jì)算機(jī)（1978—1983年）

第三代微型計(jì)算機(jī)采用的微處理器有Intel公司的8086、8088、80286，Motorola

公司的M68000和Zilog公司的Z8000等，其集成度達(dá)到每片29000個(gè)晶體管。這些

微處理器都是16位微處理器，這一代微型計(jì)算機(jī)又稱16位微型計(jì)算機(jī)。其代表性產(chǎn)

品有DEC公司的LSI11、DGC公司的NOVA和IBM公司的IBMPC。特別是IBMPC，

其性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大，被譽(yù)為微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的第二個(gè)里程碑。

4）第四代微型計(jì)算機(jī)（1984—2001年）

第四代微型計(jì)算機(jī)采用的微處理器有Intel公司的80386、80486、Pentium、

PentiumⅡ、PentiumⅢ，Motorola公司的M68020和HP公司的HP32等，其集成度

達(dá)到每片10萬個(gè)晶體管以上，具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。這些微處理器都

是32位微處理器，這一代微型計(jì)算機(jī)又稱32位微型計(jì)算機(jī)。其代表性產(chǎn)品有Compaq

公司的Compaq486、Compaq586，AST公司的AST486、AST586等。這些微型計(jì)

算機(jī)的性能已經(jīng)達(dá)到或超過小型計(jì)算機(jī)。

5）第五代微型計(jì)算機(jī)（2001年至今）

2001年Intel公司發(fā)布第一款64位的產(chǎn)品Itanium（安騰）微處理器。2003年4

月，AMD公司推出了基于64位運(yùn)算的Opteron（皓龍）微處理器。2003年9月，AMD

3

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

公司的Athlon（速龍）微處理器問世，標(biāo)志著64位計(jì)算時(shí)代的到來。經(jīng)過多年的發(fā)

展，CPU的發(fā)展由原來的單核心、單線程朝多核心、多線程發(fā)展。目前主流的CPU

系統(tǒng)有Intel酷睿i5、i7以及i9的12代系列，AMDRyzen5、Ryzen7以及Ryzen9的

5000系列。這些CPU至少都有六核，多的可達(dá)十六核，線程數(shù)也可達(dá)到十二線程至

二十線程。

1.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及分類

1．計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

1）運(yùn)算速度快

計(jì)算機(jī)可以高速準(zhǔn)確地完成各種算術(shù)運(yùn)算。當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度已達(dá)到每

秒萬億次，微機(jī)也可達(dá)每秒億次以上，使大量復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算問題得以解決。例如，

衛(wèi)星軌道的計(jì)算、大型水壩的計(jì)算、24小時(shí)天氣的計(jì)算等需要幾年甚至幾十年，而

現(xiàn)在，用計(jì)算機(jī)只需幾分鐘即可完成計(jì)算。

運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)每秒能執(zhí)行多少條指令，常用單位是MIPS，即每秒執(zhí)行多

少個(gè)百萬條指令。例如，主頻為2GHz的Pentium4微機(jī)的運(yùn)算速度為每秒40億次，

即4000MIPS。

2）計(jì)算精度高

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要高度精確的計(jì)算。計(jì)算機(jī)控制

的導(dǎo)彈之所以能準(zhǔn)確地?fù)糁蓄A(yù)定的目標(biāo)，是與計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算分不開的。一般計(jì)算

機(jī)可以有十幾位甚至幾十位（二進(jìn)制）有效數(shù)字，計(jì)算精度可由千分之幾到百萬分之

幾，是任何計(jì)算工具所望塵莫及的。例如，Pentium4微機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)位數(shù)為32位（二

進(jìn)制），可精確到15位有效數(shù)字（十進(jìn)制）。圓周率π的計(jì)算，有人曾利用計(jì)算機(jī)

算到小數(shù)點(diǎn)后200萬位。

3）記憶能力強(qiáng)

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器（內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器）類似于人的大腦，能夠記憶大量的信息。

它能把數(shù)據(jù)、程序存入，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并把結(jié)果保存起來。

4）存儲(chǔ)容量大

計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器具有記憶特性，可以存儲(chǔ)大量的信息，這些信息，不僅包括

各類數(shù)據(jù)信息，還包括加工這些數(shù)據(jù)的程序。

5）邏輯判斷能力強(qiáng)

計(jì)算機(jī)不僅能進(jìn)行精確計(jì)算，還具有邏輯運(yùn)算功能，能對(duì)信息進(jìn)行比較和判斷。

計(jì)算機(jī)能把參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、程序以及中間結(jié)果和最后結(jié)果保存起來，并能根據(jù)判斷

的結(jié)果自動(dòng)執(zhí)行下一條指令以供用戶隨時(shí)調(diào)用。

邏輯判斷是計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本能力，在程序執(zhí)行過程中，計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行各種基

本的邏輯判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果決定下一步執(zhí)行哪條指令。這種能力，保證了計(jì)算機(jī)

信息處理的高度自動(dòng)化。

6）自動(dòng)化程度高

由于計(jì)算機(jī)具有存儲(chǔ)記憶能力和邏輯判斷能力，所以人們可以將預(yù)先編寫好的程序

4

–第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

組納入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，在程序控制下，計(jì)算機(jī)可以連續(xù)、自動(dòng)地工作，不需要人的干預(yù)。

2．計(jì)算機(jī)的分類

隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)類型都得到了廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的

迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的種類也非常多，可以按不同的方法對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類，這些分類

方法在不同時(shí)期會(huì)有所不同。

1）按計(jì)算機(jī)性能分類

這是常用的一種分類方法，按這種方法可將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、

微型機(jī)、工作站和服務(wù)器。

（1）巨型機(jī)

巨型機(jī)又稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，是目前功能最強(qiáng)、速度最快，價(jià)格最昂貴的計(jì)算機(jī)，一

般用于氣象、航空、能源等尖端科學(xué)研究和戰(zhàn)略武器研制中的復(fù)雜計(jì)算，巨型機(jī)主要

用在國家的高級(jí)研究機(jī)關(guān)，如國防的尖端技術(shù)、空間技術(shù)、重大災(zāi)害預(yù)報(bào)等。

巨型機(jī)的開發(fā)研制是一個(gè)國家綜合國力和國防實(shí)力的體現(xiàn)，世界上只有少數(shù)幾個(gè)

國家能生產(chǎn)這種機(jī)器，如美國克雷公司生產(chǎn)的Cray-1、Cray-2和Cray-3，我國生產(chǎn)的

銀河-III、曙光2000型和神威千億次機(jī)都屬于巨型機(jī)。我國的神威·太湖之光和天河

二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)在最新的（2021年11月）全球Top500強(qiáng)中分列第4位和第7位。

其中神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)曾連續(xù)獲得Top500強(qiáng)四屆冠軍（分別是2016年6

月，2016年11月，2017年6月以及2017年11月），該系統(tǒng)全部使用中國自主知識(shí)

產(chǎn)權(quán)的處理器芯片，這也打破了美國對(duì)中國在CPU芯片方面的卡脖子問題。天河二

號(hào)曾經(jīng)6次蟬聯(lián)冠軍，采用麒麟操作系統(tǒng)，目前使用英特爾處理器，將來計(jì)劃用國產(chǎn)

處理器替換。在全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)中，中國在2016年6月開始超越美國，中國

占有167個(gè)席位，美國占有165個(gè)席位；而近幾年已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先，2019年比美國多出

111臺(tái)上榜；2020年，中國占有的席位上升至226個(gè)，美國僅有109個(gè)席位，領(lǐng)先117

個(gè)；2021年最新一期榜單中，中國上榜的有173臺(tái)，占比為34.6%，排名第二的是美

國為149臺(tái)，占比為29.8%。我國在超算方面取得的巨大成就也從另外一個(gè)方面說明

美國對(duì)我國的芯片封鎖從長遠(yuǎn)來看是錯(cuò)誤的，也是無效的，美國的芯片禁運(yùn)反而縮短

了中國的研制周期，使我們研發(fā)出了完全自主的高性能處理器和完全自主可控的超級(jí)

計(jì)算機(jī)，西方的芯片禁運(yùn)對(duì)中國利大于弊，也讓世界驚嘆中國在超算領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

（2）大型機(jī)

大型機(jī)也有較高的運(yùn)算速度和較大的存儲(chǔ)容量，規(guī)模較巨型機(jī)小，允許有幾十個(gè)

用戶同時(shí)使用，如IBM4300系列、IBM9000系列等都屬于大型機(jī)。

大型機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算、銀行業(yè)務(wù)、大型的企業(yè)等。

（3）小型機(jī)

小型機(jī)規(guī)模比大型機(jī)要小，但仍可以支持十幾個(gè)用戶同時(shí)使用，這類機(jī)器價(jià)格便

宜，適合中小型單位使用，如DEC公司生產(chǎn)的VAX系統(tǒng)、IBM公司生產(chǎn)的AS/400

系列都是典型的小型機(jī)。

（4）微型機(jī)

微型機(jī)又稱個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer，PC），采用微處理器芯片、半導(dǎo)體

5

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

存儲(chǔ)器芯片和輸入/輸出芯片等主要元件組裝，最大的特點(diǎn)是體積小、價(jià)格便宜、

靈活性好，最適合家庭個(gè)人使用，因此更有利于普及和推廣。微型機(jī)已廣泛應(yīng)用于辦

公自動(dòng)化、信息檢索、數(shù)據(jù)庫管理、企業(yè)管理、圖像識(shí)別、家庭教育和娛樂等。

通常的微型機(jī)包括臺(tái)式機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)。除此之外，掌上計(jì)算機(jī)、PDA（個(gè)人

數(shù)字助理）、平板計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等也屬于微型機(jī)。

（5）工作站

工作站與功能較強(qiáng)的高檔微機(jī)之間已經(jīng)沒有明顯差別，通常它比微型機(jī)有較大的

存儲(chǔ)容量、較快的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的通信能力，同時(shí)還配備有大屏幕顯示器。因此，

工作站主要用于圖像處理和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

（6）服務(wù)器

服務(wù)器是一種可以被網(wǎng)絡(luò)用戶共享的高性能計(jì)算機(jī)，為了提供較高的運(yùn)行速度，

很多服務(wù)器都配置多個(gè)CPU，同時(shí)具有大容量的存儲(chǔ)設(shè)備和豐富的外部接口。

服務(wù)器用于存放各類網(wǎng)絡(luò)資源并為網(wǎng)絡(luò)用戶提供不同的資源共享服務(wù)，常用的服

務(wù)器有Web服務(wù)器、電子郵件服務(wù)器、域名服務(wù)器、用于文件傳輸?shù)腇TP服務(wù)器等。

2）按處理數(shù)據(jù)的形態(tài)分類

按處理數(shù)據(jù)的形態(tài)，可將計(jì)算機(jī)分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合計(jì)算機(jī)。

模擬計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，稱為模擬量，模擬量可以用電信號(hào)的幅值表示

數(shù)值或物理量的大小，如電流、溫度等。

數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)都是用“0”或“1”表示的二進(jìn)制數(shù)字，用二進(jìn)制數(shù)字表

示在時(shí)間上和幅度上都離散的量，它的基本運(yùn)算部件是數(shù)字邏輯電路，運(yùn)算結(jié)果也是

以數(shù)字形式保存，然后通過輸出設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)形式進(jìn)行輸出。

模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快；缺點(diǎn)是精度差，通用性差。數(shù)字計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

是精度高、存儲(chǔ)量大、通用性強(qiáng)?；旌嫌?jì)算機(jī)則是集模擬和數(shù)字計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身。

普遍使用的計(jì)算機(jī)全稱是微型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。

3）按使用范圍分類

按使用范圍可將計(jì)算機(jī)分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)適用于科學(xué)計(jì)

算、工程設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等，通常所說的計(jì)算機(jī)是指通用計(jì)算機(jī)。

專用計(jì)算機(jī)是為處理某種特殊應(yīng)用需要而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行程序不變，速度

快、效率高、精度高。

1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

1．巨型化

巨型化是指發(fā)展高速度、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)功能的超級(jí)巨型計(jì)算機(jī)。這既是諸如天

文、氣象、原子、核反應(yīng)等尖端科學(xué)技術(shù)的需要，也是為了讓計(jì)算機(jī)具有人腦學(xué)習(xí)、

推理的復(fù)雜功能?，F(xiàn)在的超級(jí)巨型計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度每秒有的超過百億次，有的已

達(dá)到萬億次。巨型機(jī)的研制水平，可以衡量整個(gè)國家的科技能力。我國在1985年成

功制造了運(yùn)算速度為每秒10億次的“銀河-Ⅱ”。1997年6月2日研制出了運(yùn)算速

度為每秒130億次的“銀河-Ⅲ”。

6

–第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

2．微型化

由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體積越來越小，功耗越來越低，性

能越來越強(qiáng)。微型計(jì)算機(jī)已廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。除了臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)外，還

出現(xiàn)了筆記本型、掌上型微型計(jì)算機(jī)。隨著微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，

計(jì)算機(jī)的體積趨向微型化。從20世紀(jì)80年代開始，微機(jī)得到了普及，隨后又出現(xiàn)了

筆記本計(jì)算機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)、手表計(jì)算機(jī)等，并且微處理器已應(yīng)用到儀表、家電等電

子化產(chǎn)品中。

3．網(wǎng)絡(luò)化

現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展趨勢就是實(shí)現(xiàn)資源共享，即利用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，將各個(gè)

地區(qū)的計(jì)算機(jī)互連起來，形成一個(gè)規(guī)模巨大，功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，使信息能得到

快速、高效的傳遞。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是將分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，由通信線路連接而組成一個(gè)規(guī)模

大、功能強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可靈活方便地收集、傳遞信息，共享相互的硬件、軟件、數(shù)

據(jù)等計(jì)算機(jī)資源。

4．智能化

智能化是指發(fā)展具有人類智能的計(jì)算機(jī)。智能計(jì)算機(jī)是能夠模擬人的感覺、行為

和思維的計(jì)算機(jī)。智能計(jì)算機(jī)又稱新一代計(jì)算機(jī)，目前許多國家都在投入大量資金和

人員研究這種更高性能的計(jì)算機(jī)。

1.1.4未來的計(jì)算機(jī)

盡管計(jì)算機(jī)的發(fā)展日新月異，但就其原理來講仍是基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，元

器件都是采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，未來的計(jì)算機(jī)將打破傳統(tǒng)的馮·諾依曼體

系結(jié)構(gòu)或采用新型元器件，從而設(shè)計(jì)和制造出性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的新型計(jì)算機(jī)。

1．分子計(jì)算機(jī)

分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收

分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子芯片體積

大大減小，而效率大大提高，分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10ps（皮

秒），比人的思維速度快100萬倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存儲(chǔ)容量，1m3的DNA

溶液可存儲(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)

的十億分之一。

2．量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是利用原子所具有的量子特性進(jìn)行信息處理的一種全新概念的計(jì)算

機(jī)。量子理論認(rèn)為，非相互作用下，原子在任一時(shí)刻都處于兩種狀態(tài)，稱為量子超態(tài)。

原子會(huì)旋轉(zhuǎn)，即同時(shí)沿上、下兩個(gè)方向自旋，這正好與電子計(jì)算機(jī)“0”與“1”完全

吻合。如果把一群原子聚在一起，它們不會(huì)像電子計(jì)算機(jī)那樣進(jìn)行線性運(yùn)算，而是同

時(shí)進(jìn)行所有可能的運(yùn)算，例如量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)不是分步進(jìn)行而是同時(shí)完成。只

要40個(gè)原子一起計(jì)算，就相當(dāng)于今天一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能。量子計(jì)算機(jī)以處于量

子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，其運(yùn)算速度可能比奔騰4芯片快10億倍，就

7

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

像一枚信息火箭，在一瞬間搜尋整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)。

3．光子計(jì)算機(jī)

1990年初，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成世界上第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)。

光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存儲(chǔ)和處理的新型計(jì)

算機(jī)。光子計(jì)算機(jī)的基本組成部件是集成光路，要有激光器、透鏡和核鏡。由于光子

比電子速度快，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可高達(dá)每秒一萬億次。它的存儲(chǔ)量是現(xiàn)代計(jì)算

機(jī)的幾萬倍，還可以對(duì)語言、圖形和手勢進(jìn)行識(shí)別與合成。

許多國家都投入巨資進(jìn)行光子計(jì)算機(jī)的研究。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電

子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來，光子計(jì)算機(jī)將成為人類普遍的工具。

4．納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十

納米之間，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”（nm）

是一個(gè)計(jì)量單位，1nm=10-9m，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)

80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接

操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把

傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研

制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之

一。納米計(jì)算機(jī)幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。

5．生物計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)80年代以來，生物工程學(xué)家對(duì)人腦、神經(jīng)元和感受器的研究傾注了很大

精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高效的第六代計(jì)算機(jī)——生物計(jì)算機(jī)。

用蛋白質(zhì)制造的計(jì)算機(jī)芯片，存儲(chǔ)量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)的10億倍。生物計(jì)算機(jī)元

件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快

100萬倍。其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)分布式聯(lián)想記憶，并能在一定程度上模擬人和動(dòng)物的學(xué)

習(xí)功能。它是一種有知識(shí)、會(huì)學(xué)習(xí)、能推理的計(jì)算機(jī)，具有能理解自然語言、聲音、

文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機(jī)能夠用自然語言直接對(duì)話，它可以

利用已有的和不斷學(xué)習(xí)到的知識(shí)，進(jìn)行思維、聯(lián)想、推理，并得出結(jié)論，能解決復(fù)雜

問題，具有匯集、記憶、檢索有關(guān)知識(shí)的能力。

1.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透各行各業(yè)，改變了人們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，推動(dòng)

著社會(huì)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

1．科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)最早的應(yīng)用領(lǐng)域。與人工計(jì)算相比，計(jì)算機(jī)不僅速度快，而且

精度高，特別是對(duì)于大量的重復(fù)計(jì)算，計(jì)算機(jī)不會(huì)感到疲勞和厭煩。

2．自動(dòng)控制

自動(dòng)控制用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床，加工速度比普通機(jī)床快10倍以上。現(xiàn)代軍用飛機(jī)

8

–第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

控制，可用計(jì)算機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出敵機(jī)的各種飛行技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而采取相應(yīng)的

攻擊方案。

3．電子商務(wù)

電子商務(wù)（ElectronicCommerce）是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)，

實(shí)現(xiàn)整個(gè)商務(wù)（買賣）過程中的電子化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。人們不再是面對(duì)面地看

著實(shí)實(shí)在在的貨物靠紙介質(zhì)單據(jù)（包括現(xiàn)金）進(jìn)行買賣交易，而是通過網(wǎng)絡(luò)，通過

網(wǎng)上琳瑯滿目的商品信息、完善的物流配送系統(tǒng)和方便安全的資金結(jié)算系統(tǒng)進(jìn)行交易

（買賣）。

4．信息管理

信息管理是以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，輔助管理者提高決策水平，改善運(yùn)營策

略的計(jì)算機(jī)技術(shù)。信息處理具體包括數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、加工、分類、排序、檢索和

發(fā)布等一系列工作。信息處理已成為當(dāng)代計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)，是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于信息管理，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主導(dǎo)方向。信息

管理已廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、企事業(yè)計(jì)算機(jī)輔助管理與決策、情報(bào)檢索、圖書館、

電影電視動(dòng)畫設(shè)計(jì)、會(huì)計(jì)電算化等各行各業(yè)。

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已滲透社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，正在日益改變著人們的工作、學(xué)習(xí)和生活

方式?？茖W(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)最早的應(yīng)用領(lǐng)域，是指利用計(jì)算機(jī)完成科學(xué)研究和工程技術(shù)

中提出的數(shù)值計(jì)算問題。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工作中，科學(xué)計(jì)算的任務(wù)是大量的和復(fù)雜的。

利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度高、存儲(chǔ)容量大和連續(xù)運(yùn)算的能力，可以解決人工無法完成的

各種科學(xué)計(jì)算問題。例如，工程設(shè)計(jì)、地震預(yù)測、氣象預(yù)報(bào)、火箭發(fā)射等都需要由計(jì)

算機(jī)承擔(dān)龐大而復(fù)雜的計(jì)算量。

5．過程控制

過程控制是利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值迅速地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)

行自動(dòng)調(diào)節(jié)或自動(dòng)控制。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動(dòng)化

水平，而且可以提高控制的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，從而改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)量及合格率。

因此，計(jì)算機(jī)過程控制已在機(jī)械、冶金、石油、化工、電力等部門得到廣泛應(yīng)用。

6．輔助技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)包括CAD、CAM和CAI等。

1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)人

員進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)效果的一種技術(shù)。CAD技術(shù)已應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)、

船舶設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)等。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可縮

短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率，節(jié)省人力、物力和財(cái)力，更重要的是提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2）計(jì)算機(jī)輔助制造

計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行

產(chǎn)品的加工控制過程，輸入的信息是零件的工藝路線和工程內(nèi)容，輸出的信息是刀具

的運(yùn)動(dòng)軌跡。將CAD和CAM技術(shù)集成，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化，這種技術(shù)

稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。有些國家已把CAD和計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助測試

9

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

（ComputerAidedTest，CAT）及計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）

組成一個(gè)集成系統(tǒng)