信息技術(shù)素養(yǎng)

普通高等學(xué)?！笆濉币?guī)劃教材

信息技術(shù)素養(yǎng)

主編◎暴占彪李培英劉明利

副主編◎張琳周揚(yáng)劉鐘濤付媛媛

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書(shū)根據(jù)當(dāng)前高等院校對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的要求，將課程思政融入課程內(nèi)容中，內(nèi)容

取材既考慮到計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)教育的基礎(chǔ)性、廣泛性和一定的理論性，又兼顧了計(jì)算機(jī)

教育的實(shí)踐性、實(shí)用性和更新發(fā)展。

本書(shū)共分11章，主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、計(jì)算

機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用、信息檢索、數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及其應(yīng)

用、信息安全和職業(yè)道德等。

本書(shū)內(nèi)容翔實(shí)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，知識(shí)覆蓋面廣，敘述準(zhǔn)確，適合作為普通高等學(xué)校大學(xué)計(jì)

算機(jī)基礎(chǔ)課程的教材，也可作為計(jì)算機(jī)愛(ài)好者的自學(xué)參考書(shū)。

圖書(shū)在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

信息技術(shù)素養(yǎng)/暴占彪，李培英，劉明利主編.—北京：

中國(guó)鐵道出版社有限公司，2020.8

普通高等學(xué)校“十三五”規(guī)劃教材

ISBN978-7-113-27175-6

Ⅰ.①信…Ⅱ.①暴…②李…③劉…Ⅲ.①電子計(jì)算機(jī)-

高等學(xué)校-教材Ⅳ.①TP3

中國(guó)版本圖書(shū)館CIP數(shù)據(jù)核字(2020)第149068號(hào)

書(shū)名：信息技術(shù)素養(yǎng)

XINXIJISHUSUYANG

作者：暴占彪李培英劉明利

策劃：彭立輝編輯部電話：（010）63549508

責(zé)任編輯：彭立輝

封面設(shè)計(jì)：劉穎

責(zé)任校對(duì)：張玉華

責(zé)任印制：樊啟鵬

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

網(wǎng)址：http:///51eds/

印刷：三河市宏盛印務(wù)有限公司

版次：2020年8月第1版2020年8月第1次印刷

開(kāi)本：787mm×1092mm1/16印張：20字?jǐn)?shù)：462千

書(shū)號(hào)：ISBN978-7-113-27175-6

定價(jià)：49.80元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購(gòu)買(mǎi)鐵道版圖書(shū)，如有印制質(zhì)量問(wèn)題，請(qǐng)與本社教材圖書(shū)營(yíng)銷(xiāo)部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報(bào)電話：（010）51873659

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是信息技術(shù)的普及應(yīng)用，人類(lèi)已

步入了信息時(shí)代。信息技術(shù)的應(yīng)用改變了人們的學(xué)習(xí)、生活和思維方式，計(jì)算機(jī)已

經(jīng)成為人們不可或缺的工具。因此，當(dāng)今社會(huì)，每個(gè)人都應(yīng)該學(xué)習(xí)信息技術(shù)，掌握

信息技術(shù)的應(yīng)用，適應(yīng)信息社會(huì)發(fā)展，與時(shí)代同行。

本書(shū)作為普通高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)用書(shū)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)技能、信

息化素養(yǎng)、計(jì)算思維能力，為各專業(yè)后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

本書(shū)按照教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

課程教學(xué)基本要求》，結(jié)合《中國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系》報(bào)告中有關(guān)大學(xué)計(jì)

算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的要求組織編寫(xiě)。內(nèi)容取材既考慮到計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)教育的基礎(chǔ)性、廣

泛性和一定的理論性，又兼顧了計(jì)算機(jī)教育的實(shí)踐性、實(shí)用性和更新發(fā)展性；既照顧到

很少接觸計(jì)算機(jī)的部分高校新生，又兼顧了具有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的同學(xué)的學(xué)習(xí)要求。

本書(shū)編寫(xiě)的宗旨是為了滿足當(dāng)前高校對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的要求，將課程思政貫穿于課

程內(nèi)容中，使讀者較全面、系統(tǒng)地了解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，具備計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用能力，并能

在各自的專業(yè)領(lǐng)域自覺(jué)地應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究。全書(shū)共分11章，主要內(nèi)容包括：計(jì)

算機(jī)與計(jì)算思維、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用、信息檢索、數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及其應(yīng)用、信息安全和職業(yè)道德等。本書(shū)內(nèi)容

豐富、知識(shí)覆蓋面廣、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、層次分明、敘述準(zhǔn)確，為教師發(fā)揮個(gè)人教學(xué)特長(zhǎng)留有很

大余地。在教學(xué)內(nèi)容上，各高?？筛鶕?jù)教學(xué)課時(shí)進(jìn)行選取。

參加本書(shū)編寫(xiě)的人員是多年從事一線教學(xué)的教師，具有較為豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

在編寫(xiě)時(shí)注重理論與實(shí)踐緊密結(jié)合；案例的選取上注意從讀者日常學(xué)習(xí)和工作的需

要出發(fā)；文字?jǐn)⑹錾钊霚\出、通俗易懂。

本書(shū)由暴占彪、李培英、劉明利任主編，張琳、周揚(yáng)、劉鐘濤、付媛媛任副主

編。其中：暴占彪編寫(xiě)第3章的3.2節(jié)和第10章；李培英編寫(xiě)第2章和第9章；劉

明利編寫(xiě)第3章的3.1節(jié)、3.3節(jié)和第5章；張琳編寫(xiě)第1章和第11章；劉鐘濤編寫(xiě)

第7章；付媛媛編寫(xiě)第6章；周揚(yáng)編寫(xiě)第4章和第8章。劉明利負(fù)責(zé)本書(shū)的統(tǒng)稿和組

織工作。感謝程道普、劉軍對(duì)全書(shū)的修改提出了許多寶貴意見(jiàn)；感謝中國(guó)鐵道出版社

有限公司的領(lǐng)導(dǎo)和編輯對(duì)本書(shū)的出版給予的大力支持和幫助。

由于時(shí)間倉(cāng)促，編者水平有限，書(shū)中難免存在疏漏和不足之處，敬請(qǐng)各位讀者

和專家批評(píng)、指正。

編者

2020年5月

目錄

第1章計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維12.1.1操作系統(tǒng)的含義36

1.1計(jì)算機(jī)概述12.1.2操作系統(tǒng)的分類(lèi)37

1.1.1初識(shí)計(jì)算機(jī)12.1.3常用操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介38

1.1.2計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展12.1.4操作系統(tǒng)的功能40

1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)32.2Windows10的應(yīng)用44

1.1.4計(jì)算機(jī)的分類(lèi)42.2.1Windows10基礎(chǔ)44

1.1.5微機(jī)的發(fā)展歷程52.2.2Windows10文件管理48

1.1.6計(jì)算機(jī)的應(yīng)用62.2.3Windows10系統(tǒng)管理53

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8本章小結(jié)60

1.2.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)8思考與練習(xí)60

1.2.2計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)10

第3章數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)62

1.2.3計(jì)算機(jī)的工作原理12

3.162

1.3微機(jī)及其硬件系統(tǒng)13文字處理

3.1.162

1.3.1微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)13創(chuàng)建和編輯文檔

3.1.265

1.3.2主機(jī)系統(tǒng)14文檔排版

1.3.3總線和接口183.1.3圖文混排71

1.3.4輸入/輸出設(shè)備193.1.4表格73

1.3.5微機(jī)主要性能指標(biāo)213.2幻燈片76

1.3.6如何選購(gòu)微機(jī)223.2.1建立和保存演示文稿76

1.4數(shù)制和信息編碼233.2.2視圖方式76

1.4.1數(shù)據(jù)和編碼233.2.3編輯幻燈片77

1.4.2進(jìn)位制計(jì)數(shù)制233.2.4幻燈片插入對(duì)象78

1.4.3常用進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換...243.2.5美化80

1.4.4常用數(shù)據(jù)編碼263.2.6設(shè)置動(dòng)畫(huà)效果82

1.5計(jì)算思維和算法基礎(chǔ)293.2.7幻燈片放映83

1.5.1計(jì)算思維的概念293.3電子表格85

1.5.2計(jì)算思維的主要方法293.3.1電子表格基礎(chǔ)85

1.5.3計(jì)算思維應(yīng)用303.3.2輸入數(shù)據(jù)87

1.5.4算法基礎(chǔ)313.3.3單元格的格式與樣式89

本章小結(jié)34

3.3.4公式與函數(shù)91

思考與練習(xí)34

3.3.5圖表99目錄

第2章操作系統(tǒng)36本章小結(jié)100

2.1操作系統(tǒng)基礎(chǔ)36思考與練習(xí)100

I

信息技術(shù)素養(yǎng)

第4章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用1034.7.3地址配置命令ipconfig134

4.1認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1034.7.4路由跟蹤命令pathping134

4.1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念1034.7.5網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)命令netstat135

4.1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能104本章小結(jié)136

4.1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)104思考與練習(xí)136

4.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和參考

II第5章信息檢索137

模型107

5.1信息概述137

4.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)107

5.2信息檢索138

4.2.2了解OSI參考模型108

5.2.1信息的基本原理138

4.2.3TCP/IP模型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議...110

5.2.2信息檢索的類(lèi)型139

4.2.4TCP/IP模型與OSI模型的

5.2.3計(jì)算機(jī)檢索的方法140

對(duì)比111

5.3中國(guó)知網(wǎng)143

4.2.5IP協(xié)議112

5.3.1檢索技術(shù)144

4.3網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)114

5.3.2CNKI期刊檢索145

4.3.1同軸電纜114

5.3.3檢索結(jié)果原文瀏覽、

4.3.2雙絞線114

下載147

4.3.3光纖115

5.3.4CNKI常用軟件148

4.4局域網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)115

本章小結(jié)148

4.4.1了解局域網(wǎng)115

思考與練習(xí)148

4.4.2以太網(wǎng)116

4.4.3局域網(wǎng)設(shè)備117第6章數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)150

4.4.4無(wú)線局域網(wǎng)1216.1數(shù)據(jù)庫(kù)概述150

4.4.5虛擬局域網(wǎng)1236.1.1數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展150

4.5Internet基礎(chǔ)與應(yīng)用1246.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成151

4.5.1Internet簡(jiǎn)介1246.1.3常用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

4.5.2Internet中的應(yīng)用125介紹152

4.6計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全1276.2數(shù)據(jù)模型154

4.6.1影響網(wǎng)絡(luò)安全的6.2.1數(shù)據(jù)模型介紹154

主要因素1276.2.2關(guān)系模型的基本術(shù)語(yǔ)156

4.6.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)1286.3Access數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用156

4.6.3網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議1286.3.1Access數(shù)據(jù)庫(kù)概述157

4.6.4數(shù)據(jù)加密技術(shù)1286.3.2創(chuàng)建Access數(shù)據(jù)庫(kù)157

4.6.5防火墻技術(shù)1296.3.3在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中

4.6.6入侵檢測(cè)技術(shù)132創(chuàng)建表160

4.6.7虛擬專用網(wǎng)技術(shù)1326.3.4表的維護(hù)與操作168

4.6.8網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)...1336.4數(shù)據(jù)庫(kù)查詢175

4.7計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)命令1336.4.1選擇查詢175

4.7.1網(wǎng)絡(luò)連通測(cè)試命令ping...1336.4.2參數(shù)查詢179

4.7.2路由追蹤命令tracert1336.4.3交叉表查詢180

本章小結(jié)1838.2.2大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)233

思考與練習(xí)1838.2.3大數(shù)據(jù)架構(gòu)233

8.2.4分布式存儲(chǔ)和計(jì)算平臺(tái)

第7章云計(jì)算187

Hadoop234

7.1云計(jì)算的概述187

8.2.5分布式文件系統(tǒng)

7.1.1云計(jì)算的概念187

（HDFS）237

7.1.2云計(jì)算的特點(diǎn)189

8.2.6分布式數(shù)據(jù)庫(kù)HBase240

7.1.3云計(jì)算的發(fā)展190

8.2.7NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)241

7.1.4云計(jì)算的類(lèi)型194

8.2.8編程模型MapReduce243

7.1.5云計(jì)算的部署模式198

8.2.9新一代資源管理調(diào)度

7.1.6云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)199

框架YARN246

7.1.7云計(jì)算的劣勢(shì)200

8.2.10輕量級(jí)的分布式內(nèi)存

7.1.8云計(jì)算的應(yīng)用200

計(jì)算系統(tǒng)Spark246

7.2云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)204

8.2.11流計(jì)算247

7.2.1云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)205

8.2.12圖計(jì)算249

7.2.2虛擬化技術(shù)206

8.3數(shù)據(jù)可視化249

7.2.3海量分布式數(shù)據(jù)

8.3.1入門(mén)級(jí)工具250

存儲(chǔ)技術(shù)208

8.3.2在線數(shù)據(jù)可視化工具250

7.2.4大規(guī)模數(shù)據(jù)管理209

8.3.3互動(dòng)圖形用戶界面（GUI）

7.2.5并行編程模式210

控制250

7.2.6分布式資源管理210

8.3.4地圖工具250

7.2.7云計(jì)算平臺(tái)管理211

8.3.5專家級(jí)工具250

7.2.8運(yùn)營(yíng)支撐管理211

8.4大數(shù)據(jù)的應(yīng)用251

7.2.9綠色節(jié)能技術(shù)213

8.4.1大數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的

7.3云計(jì)算與大數(shù)據(jù)214

應(yīng)用251

7.3.1認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)214

8.4.2大數(shù)據(jù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的

7.3.2大數(shù)據(jù)與云計(jì)算關(guān)系215

應(yīng)用251

7.4云計(jì)算平臺(tái)216

8.4.3大數(shù)據(jù)在金融行業(yè)的

7.4.1國(guó)外云平臺(tái)提供商216

應(yīng)用252

7.4.2國(guó)內(nèi)云平臺(tái)提供商220

8.4.4大數(shù)據(jù)在智能交通領(lǐng)域的

本章小結(jié)225

應(yīng)用253

思考與練習(xí)226

本章小結(jié)253

第8章大數(shù)據(jù)228思考與練習(xí)254

8.1大數(shù)據(jù)概述228

第9章物聯(lián)網(wǎng)255

8.1.1大數(shù)據(jù)的發(fā)展歷程228

9.1物聯(lián)網(wǎng)概述255

8.1.2大數(shù)據(jù)的概念和特征230

9.1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念255

8.1.3大數(shù)據(jù)時(shí)代的思維變革...231目錄

9.1.2物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展256

8.2大數(shù)據(jù)技術(shù)232

9.2物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)258

8.2.1大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展歷程232

9.2.1自動(dòng)識(shí)別技術(shù)258

III

信息技術(shù)素養(yǎng)

9.2.2傳感器技術(shù)26210.4我國(guó)的人工智能戰(zhàn)略布局294

9.2.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)26410.4.1頂層設(shè)計(jì)——搶占

9.2.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)267人工智能制高點(diǎn)294

9.2.5中間件26810.4.2我國(guó)人工智能的判斷

9.2.6智能技術(shù)270與冷思考295

9.3物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用271本章小結(jié)296

IV

本章小結(jié)272思考與練習(xí)296

思考與練習(xí)272

第11章信息安全和職業(yè)道德298

第10章人工智能及其應(yīng)用27411.1信息安全概述及技術(shù)298

10.1人工智能概述27411.1.1信息安全概述298

10.1.1人工智能的概念27411.1.2信息安全的主要威脅299

10.1.2人工智能的起源11.1.3信息安全策略300

和發(fā)展27511.1.4信息安全技術(shù)300

10.1.3弱人工智能與強(qiáng)人工11.2計(jì)算機(jī)中的信息安全302

智能27811.2.1計(jì)算機(jī)病毒及其防范302

10.1.4人工智能各學(xué)派的11.2.2網(wǎng)絡(luò)黑客及其防范305

認(rèn)知觀27911.3職業(yè)道德與相關(guān)法規(guī)307

10.2人工智能的研究與應(yīng)用28011.3.1使用計(jì)算機(jī)應(yīng)遵守的

10.2.1智能感知281道德規(guī)范307

10.2.2知識(shí)推理28311.3.2網(wǎng)絡(luò)社會(huì)應(yīng)遵守的

10.2.3機(jī)器學(xué)習(xí)285道德規(guī)范307

10.2.4智能行動(dòng)28911.3.3有關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和軟件

10.3新一輪人工智能的發(fā)展使用307

特征29211.3.4我國(guó)信息安全的相關(guān)

10.3.1進(jìn)入大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能法律法規(guī)308

發(fā)展階段292本章小結(jié)308

10.3.2進(jìn)入智能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化思考與練習(xí)309

階段293

參考文獻(xiàn)310

10.3.3進(jìn)入認(rèn)知智能探索

階段293

第1章計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在當(dāng)今信息社會(huì)占據(jù)重要地位，已經(jīng)融入社會(huì)日常工作、生活

和學(xué)習(xí)中，是人們不可或缺的工具。因此，更多地了解計(jì)算機(jī)是大學(xué)生必備的信息素養(yǎng)。

本章從計(jì)算機(jī)的發(fā)展開(kāi)始，介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)、計(jì)算機(jī)的分類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域；

然后介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和簡(jiǎn)單的工作原理、微機(jī)系統(tǒng)的組成及如何選購(gòu)微機(jī)，以及數(shù)制

的概念和信息編碼方法；最后介紹計(jì)算思維和算法的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.1計(jì)算機(jī)概述

1.1.1初識(shí)計(jì)算機(jī)

最早計(jì)算機(jī)只被定義成一種計(jì)算機(jī)器，但現(xiàn)在計(jì)算機(jī)幾乎無(wú)所不能。它所處理

的信息不僅是數(shù)值，還包括文本、圖像、聲音、視頻等多種媒體。可以將計(jì)算機(jī)看

作一種能快速、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息處理的數(shù)字化電子設(shè)備，它能按照人們事先

編寫(xiě)的程序自動(dòng)地對(duì)信息進(jìn)行加工和處理，輸出人們所需要的結(jié)果，從而完成特定

的工作。

由于計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程與人腦有許多相似之處，具有人腦處理分析問(wèn)題

的功能，因此計(jì)算機(jī)也被稱為“電腦”。不過(guò)，在思維原理上，計(jì)算機(jī)與人是截然不同的。

計(jì)算機(jī)是由許許多多的電子元件組成，它能理解的是類(lèi)似“開(kāi)”“關(guān)”這樣的電子信號(hào)。

這些電子元件之間有著精確的邏輯關(guān)系，好像大腦的神經(jīng)元，互相配合協(xié)調(diào)，用來(lái)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)或者進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算和操作。計(jì)算機(jī)在數(shù)值計(jì)算或數(shù)據(jù)處理方面的能力，是人

腦所望塵莫及的。

1.1.2計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展

1．計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

在數(shù)的概念出現(xiàn)以后，人們就遇到了計(jì)算問(wèn)題。首先用十個(gè)手指計(jì)數(shù)，因此，十進(jìn)

制就成為人們最熟悉的進(jìn)制計(jì)數(shù)法。隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算變得越來(lái)越重要，

于是人們便開(kāi)始研究和利用計(jì)算工具。人類(lèi)第一個(gè)簡(jiǎn)單的人造計(jì)算工具是“籌算”；另一

個(gè)重要的計(jì)算工具是算盤(pán)，在計(jì)算工具的歷史上占有很重要的地位。

信息技術(shù)素養(yǎng)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，計(jì)算也日趨復(fù)雜，于是人們一直在追求得到更先進(jìn)的計(jì)算工具。

1641年，英國(guó)人岡特(E.Gunter)發(fā)明了計(jì)算尺，開(kāi)創(chuàng)了模擬計(jì)算的先河。1642年，法國(guó)

數(shù)學(xué)家帕斯卡（BlaisePascal）發(fā)明了帕斯卡加法器，這是人類(lèi)歷史上第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算

工具，其原理對(duì)后來(lái)的計(jì)算工具產(chǎn)生了持久的影響；1822年，英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇

(C.Babbage)發(fā)明了巴貝奇差分機(jī)，這是最早采用寄存器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算工具，體現(xiàn)了

早期程序設(shè)計(jì)思想的萌芽，使計(jì)算工具從手動(dòng)機(jī)械躍入自動(dòng)機(jī)械的新時(shí)代。

2

1936年，美國(guó)哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德·艾肯（HowardAiken）在讀過(guò)巴貝奇

筆記后，被巴貝奇的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)所震驚。艾肯提出用機(jī)電的方法，而不是純機(jī)械的方法來(lái)

實(shí)現(xiàn)巴貝奇的分析機(jī)。在IBM公司的資助下，1944年研制成功了繼電式計(jì)算機(jī)Mark-I。

Mark-I只是部分使用了繼電器，1947年研制成功的計(jì)算機(jī)Mark-Ⅱ全部使用繼電器。

人們普遍認(rèn)為人類(lèi)歷史上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的名稱為ENIAC（埃尼阿克），如

圖1-1所示。它是由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫奇萊（JohnWilliamMauchly）教授和他的學(xué)

生?？颂兀↗.PresperEckert）設(shè)計(jì)，并于1946年2月15日在賓夕法尼亞大學(xué)成功投入

運(yùn)行。ENIAC是電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ElectronicNumbericalIntergratorandComputer）的

縮寫(xiě)，它使用了17468個(gè)真空電子管，功率

為174kW，占地170m2，質(zhì)量為30t，每秒

可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。

雖然它還比不上今天最普通的一臺(tái)微型

計(jì)算機(jī)，但在當(dāng)時(shí)它已是運(yùn)算速度的絕對(duì)冠

軍，并且其運(yùn)算的精確度和準(zhǔn)確度也是史無(wú)

前例的。以圓周率π的計(jì)算為例，中國(guó)的古

代科學(xué)家祖沖之利用算籌，耗費(fèi)15年心血，

才把圓周率計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后7位數(shù)。一千多

年后，英國(guó)人香克斯以畢生精力計(jì)算圓周率，圖1-1世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC

才計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后707位。而使用ENIAC進(jìn)行計(jì)算，僅用了40s就達(dá)到了這個(gè)記錄，還

發(fā)現(xiàn)香克斯的計(jì)算中，第528位是錯(cuò)誤的。

ENIAC奠定了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，這臺(tái)

機(jī)器雖然無(wú)法存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)與程序，但是它的誕生無(wú)疑是一個(gè)歷史性的創(chuàng)舉，是計(jì)算

機(jī)科學(xué)史上的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代。

1951年6月14日，UNIVAC（通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)）誕生，并交付美國(guó)人口統(tǒng)計(jì)局使用。

輿論普遍認(rèn)為，UNIVAC的使用標(biāo)志著人類(lèi)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代。原因有兩個(gè)：一是UNIVAC

先后生產(chǎn)了近50臺(tái)，并作為商品出售，而ENIAC只有一臺(tái)；二是UNIVAC用于公眾數(shù)

據(jù)處理，從實(shí)驗(yàn)室走到了社會(huì)，而ENIAC用于軍事目的，只在實(shí)驗(yàn)室中使用。特別是在

1951年美國(guó)總統(tǒng)大選中，UNIVAC曾預(yù)測(cè)艾森豪威爾當(dāng)選，這使西方輿論大為轟動(dòng)。

在同一個(gè)時(shí)期，作為第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC研制顧問(wèn)的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼

（JohnvonNeumann）（見(jiàn)圖1-2）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)提出了一些基本構(gòu)想：計(jì)

算機(jī)應(yīng)當(dāng)采用二進(jìn)制運(yùn)算；計(jì)算機(jī)中應(yīng)當(dāng)配置存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；計(jì)算機(jī)應(yīng)具有自動(dòng)實(shí)

現(xiàn)程序控制的功能等。他還認(rèn)為一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)必須具備運(yùn)算、控制、存儲(chǔ)、輸入和輸出

這5個(gè)部件。這些基本構(gòu)想，實(shí)際上成為半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

真正符合馮·諾依曼基本構(gòu)想的第一臺(tái)電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

自動(dòng)計(jì)算機(jī)是由英國(guó)劍橋大學(xué)教授威爾克斯(Wilkes)等人

于1946年設(shè)計(jì)、制造，并于1949年投入運(yùn)行。人們習(xí)慣

于把具有五大功能部件組成的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼計(jì)算

機(jī)，馮·諾依曼也被稱為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的“鼻祖”。

2．計(jì)算機(jī)的發(fā)展

ENIAC從誕生到現(xiàn)在僅70多年，但計(jì)算機(jī)的發(fā)展突

飛猛進(jìn)。根據(jù)計(jì)算機(jī)所采用的物理元件的不同，一般將計(jì)

算機(jī)的發(fā)展劃分為以下4個(gè)時(shí)代：

圖1-2馮·諾依曼

（1）第一代電子管計(jì)算機(jī)（1946—1957年）

采用電子管作為邏輯元件，它用陰極射線管或汞延遲線作為主存儲(chǔ)器，外存主要使

用紙帶、卡片等。程序設(shè)計(jì)主要使用機(jī)器指令或符號(hào)指令，其應(yīng)用領(lǐng)域主要是科學(xué)計(jì)算。

（2）第二代晶體管計(jì)算機(jī)（1958—1964年）

晶體管比電子管小得多，不需要暖機(jī)時(shí)間，消耗能量較少，處理更迅速、更可靠。

第二代計(jì)算機(jī)的程序語(yǔ)言從機(jī)器語(yǔ)言發(fā)展到匯編語(yǔ)言，接著，高級(jí)語(yǔ)言FORTRAN語(yǔ)言

和COBOL語(yǔ)言相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)并被廣泛使用，這時(shí)也開(kāi)始使用磁盤(pán)和磁帶作為輔助存儲(chǔ)

器。程序設(shè)計(jì)使用了更接近于人類(lèi)自然語(yǔ)言的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也

從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)展到了事務(wù)處理、工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。

（3）第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1965—1970年）

采用中小規(guī)模的集成電路塊代替了晶體管元件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器逐步取代了磁芯存儲(chǔ)

器的主存儲(chǔ)器地位，磁盤(pán)成了不可缺少的輔助存儲(chǔ)器。第三代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是體積更小、

價(jià)格更低、可靠性更高、計(jì)算速度更快。系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件迅速發(fā)展，出現(xiàn)了分時(shí)操

作系統(tǒng)和會(huì)話式語(yǔ)言；在程序中采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法。

（4）第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971年至今）

采用的元件依然是集成電路，不過(guò)這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬(wàn)到

上百萬(wàn)個(gè)晶體管，稱為大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。應(yīng)用領(lǐng)域從科學(xué)計(jì)算、事

務(wù)管理、過(guò)程控制逐步走向家庭。這一時(shí)期還產(chǎn)生了新一代的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及數(shù)據(jù)庫(kù)

管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)軟件等。

1.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)第

1章

未來(lái)的計(jì)算機(jī)將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向網(wǎng)絡(luò)化、超大型化、微型化與智能

化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

1．網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)就是通過(guò)通信線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。網(wǎng)絡(luò)的功能一方

面使聯(lián)網(wǎng)的用戶能共享網(wǎng)絡(luò)上的資源；另一方面網(wǎng)絡(luò)上連接的計(jì)算機(jī)之間能互相通信。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大大豐富了計(jì)算機(jī)的內(nèi)涵和外延，大家平時(shí)接觸最多的網(wǎng)絡(luò)就是因特網(wǎng)

（Internet）。這是一個(gè)覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，它發(fā)展到今天僅50多年的歷史，但已給人們的

日常生活帶來(lái)了重大影響，其本身的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。

3

信息技術(shù)素養(yǎng)

2．超大型化

超大型化是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容

量更大、功能更強(qiáng)。超級(jí)計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算和

數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)配有多種外圍設(shè)備及豐富的軟

件系統(tǒng)，多用于國(guó)家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究。

超級(jí)計(jì)算機(jī)是一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力的體現(xiàn)，它對(duì)國(guó)家

4

安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的意義。我國(guó)

的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”和“神威·太湖之光”

圖1-3“天和二號(hào)”機(jī)房

曾經(jīng)9次在超算TOP500榜單折桂，圖1-3所示為

“天河二號(hào)”的機(jī)房。

3．微型化

20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，微處理器芯片

連續(xù)更新?lián)Q代，微型計(jì)算機(jī)連年降價(jià)，加上豐富的軟件和外圍設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，使微型

計(jì)算機(jī)很快普及到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域并走進(jìn)千家萬(wàn)戶。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，微型

計(jì)算機(jī)將發(fā)展得更加迅速，其中筆記本型、掌上型等微型計(jì)算機(jī)必將以更優(yōu)的性能價(jià)格

比受到人們的歡迎。

4．智能化

計(jì)算機(jī)人工智能的研究是建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)之上的。智能化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)

重要方向，新一代計(jì)算機(jī)將可以模擬人的感覺(jué)行為和思維過(guò)程的機(jī)理，進(jìn)行“看”“聽(tīng)”

“說(shuō)”“想”“做”等行為，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力，能模擬人的感覺(jué)和思維能

力。智能化的研究領(lǐng)域很多，其中最有代表性的領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。目前，已研

制出的機(jī)器人可以代替人從事危險(xiǎn)環(huán)境的勞動(dòng)。

展望未來(lái)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展必然要經(jīng)歷很多新的突破。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)

的計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、量子技術(shù)和電子仿生技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。在不

久的將來(lái)，量子計(jì)算機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等全新的計(jì)算機(jī)也會(huì)誕生，屆時(shí)計(jì)算機(jī)將發(fā)展

到一個(gè)更高、更先進(jìn)的水平。

1.1.4計(jì)算機(jī)的分類(lèi)

隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展和計(jì)算應(yīng)用的推動(dòng)，計(jì)算機(jī)的類(lèi)型越來(lái)越多樣化。根據(jù)用途和使用范圍

可以分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)；根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式可以分為數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)和

數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)；但人們更習(xí)慣根據(jù)處理速度和性能指標(biāo)來(lái)劃分計(jì)算機(jī)的類(lèi)別，具體分為：

1．高性能計(jì)算機(jī)

高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度最快、處理能力最強(qiáng)，但價(jià)格相當(dāng)昂貴，數(shù)量不多，有重要

和特殊用途。在軍事上，可用于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)、大型預(yù)警系統(tǒng)、航天測(cè)控系統(tǒng)等；在民

用方面，可用于大區(qū)域中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、大面積物探信息處理、大型科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)模

擬等。近年來(lái)，我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)取得了很大成績(jī)，推出了“曙光”“天河”等系

列高性能計(jì)算機(jī)。

2．服務(wù)器

服務(wù)器是一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)外提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)服務(wù)器所提供的服

務(wù)，一般來(lái)說(shuō)服務(wù)器都具備承擔(dān)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求、承擔(dān)服務(wù)、保障服務(wù)的能力。與微型計(jì)

算機(jī)相比，服務(wù)器在穩(wěn)定性、安全性、性能方面要求更高，硬件系統(tǒng)要求也更高。

3．工作站

工作站是介于微型計(jì)算機(jī)和小型計(jì)算機(jī)之間的高檔微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。工作站通常配

有高分辨率的大屏幕顯示器和大容量的內(nèi)、外存儲(chǔ)器，具有較強(qiáng)的信息處理功能和高性

能的圖形、圖像處理功能以及網(wǎng)絡(luò)功能。工作站主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、

動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)、圖像處理、模擬仿真等領(lǐng)域。

4．微型計(jì)算機(jī)

微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱微機(jī)，是以運(yùn)算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作

的存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線構(gòu)成。微型計(jì)算機(jī)因其小、巧、輕、使用方便、價(jià)

格便宜等優(yōu)點(diǎn)迅速得以發(fā)展并成為計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的主流。微型計(jì)算機(jī)主要分為4類(lèi)：臺(tái)式

計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)。

5．嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)是指作為信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)。嵌入式計(jì)算機(jī)

與通用計(jì)算機(jī)相比，主要區(qū)別在于系統(tǒng)和功能軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，也就是

系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和硬件一體化。嵌入式計(jì)算機(jī)廣泛用于各種家用電器之中，如電冰箱、

自動(dòng)洗衣機(jī)、數(shù)字電視機(jī)等。

1.1.5微機(jī)的發(fā)展歷程

微機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜，已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一個(gè)重要組

成部分。微機(jī)的發(fā)展主要表現(xiàn)在其核心部件微處理器的發(fā)展上，每當(dāng)一款新型的微處理

器出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)微機(jī)系統(tǒng)其他部件的相應(yīng)發(fā)展，如微機(jī)體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，存

儲(chǔ)器存取容量的不斷增大、存取速度的不斷提高、外圍設(shè)備的不斷改進(jìn)，以及新設(shè)備的

不斷出現(xiàn)等。從1971年誕生微機(jī)以來(lái)，至今微機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了6個(gè)階段。

1．第一代（1971—1973年）：4位或低檔8位微處理器

代表產(chǎn)品是美國(guó)Intel公司首推的4004微處理器以及由它組成的MCS-4微型計(jì)算機(jī)。

隨后又制成8008微處理器及由它組成的MCS-8微型計(jì)算機(jī)。第一代微機(jī)指令系統(tǒng)比較

簡(jiǎn)單，運(yùn)算功能較差，速度較慢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)停留在臺(tái)式計(jì)算機(jī)的水平，軟件主要采用機(jī)

器語(yǔ)言或簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言，用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合。第

2．第二代（1974—1977年）：中高檔8位微處理器

1章

其典型產(chǎn)品是Intel8080/8085、Motorola公司的M6800，以及Zilog公司的Z80等。

它們的特點(diǎn)是采用NMOS工藝，集成度提高約4倍，運(yùn)算速度提高10～15倍，指令系計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

統(tǒng)比較完善，具有典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和中斷、DMA（直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）等控制功能。

軟件方面除了匯編語(yǔ)言外，還有BASIC、FORTRAN等高級(jí)語(yǔ)言和相應(yīng)的解釋程序和編

譯程序，在后期還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。

3．第三代（1978—1984年）：16位微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel8086、Z8000和MC68000。這類(lèi)16位微型計(jì)算機(jī)通常都具有豐

富的指令系統(tǒng)，其特點(diǎn)是采用HMOS工藝，集成度和運(yùn)算速度都比第2代提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

5

信息技術(shù)素養(yǎng)

指令系統(tǒng)更加豐富、完善，并配置了強(qiáng)有力的系統(tǒng)軟件。這一時(shí)期IBM公司推出了自己的個(gè)

人計(jì)算機(jī)，由于在發(fā)展個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)采用了技術(shù)開(kāi)放的策略，使個(gè)人計(jì)算機(jī)風(fēng)靡世界。

4．第四代（1985—1992年）：32位微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel80386/80486、M69030/68040等。其特點(diǎn)是采用HMOS或CMOS

工藝，集成度高達(dá)100萬(wàn)個(gè)晶體管/片，具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。每秒可完成

600萬(wàn)條指令。微型計(jì)算機(jī)的功能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)超級(jí)小型計(jì)算機(jī)，完全可以勝任多

6

任務(wù)、多用戶的作業(yè)。

5．第五代（1993—2004年）：奔騰系列微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯

片。內(nèi)部采用了超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著

MMX（MultiMediaeXtended）微處理器的出現(xiàn)，微機(jī)的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能

化等方面跨上了更高的臺(tái)階。

6．第六代（2005年至今）：酷睿系列微處理器

奔騰系列芯片之后Intel公司推出酷睿（Core）、Core2，目前市場(chǎng)上酷睿系列CPU的

主流產(chǎn)品是i5、i7和i9，如圖1-4所示?？犷ＮⅢw系結(jié)構(gòu)是一款領(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，

面向服務(wù)器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)等多種處理器進(jìn)行了多核優(yōu)化，其創(chuàng)新特性可

帶來(lái)更出色的性能、更強(qiáng)大的多任務(wù)處理性能和更高的能效水平。

圖1-4酷睿i系列芯片

64位技術(shù)和多核技術(shù)的應(yīng)用使微型計(jì)算機(jī)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，縱觀微型計(jì)算機(jī)發(fā)展

的40年歷史，工藝的進(jìn)步和體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展促進(jìn)了微處理器性能不斷提升，現(xiàn)在微處理器的

性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了早期的巨型機(jī)。微處理器正朝著多核、流處理、可重構(gòu)、多態(tài)方向不斷進(jìn)步。

由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜，正以令人炫目的高速度進(jìn)行更新?lián)Q代，向前發(fā)展。

1.1.6計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)已廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域。大到宇宙飛船，小到每一個(gè)家

庭，都有計(jì)算機(jī)在發(fā)揮作用。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用歸納起來(lái)主要有以下幾方面：

1．?dāng)?shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)計(jì)算，這是計(jì)算機(jī)最

基本的應(yīng)用，如人造衛(wèi)星軌道的計(jì)算、氣象預(yù)報(bào)等。這些工作由于計(jì)算量大、速度和精

度要求都十分高，離開(kāi)了計(jì)算機(jī)是根本無(wú)法完成的。通過(guò)特殊的軟件，計(jì)算機(jī)不僅能解

代數(shù)方程，而且還可以解微分方程以及不等式組，并且能將計(jì)算速度提高到人類(lèi)無(wú)法想

象的程度。

2．信息處理

信息處理是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)的海量存儲(chǔ)，可以把大量的數(shù)

據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)、加工、計(jì)算、分類(lèi)和整理，因此它廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃

的制訂、科技資料的管理、財(cái)務(wù)管理、人事檔案管理、火車(chē)調(diào)度管理、飛機(jī)訂票等。使

用計(jì)算機(jī)管理與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)速度快、統(tǒng)計(jì)精度高、錯(cuò)誤率小、統(tǒng)計(jì)成本低等諸多

優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的是大型網(wǎng)站數(shù)據(jù)管理、銀行數(shù)據(jù)管理、大型公司的數(shù)據(jù)管理。

當(dāng)前，我國(guó)服務(wù)于信息處理的計(jì)算機(jī)占整個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的60%左右，而有些國(guó)家達(dá)80%

以上。

3．過(guò)程控制

過(guò)程控制也稱實(shí)時(shí)控制，它要求及時(shí)地搜集檢測(cè)數(shù)據(jù)，按最佳值進(jìn)行自動(dòng)控制或自

動(dòng)調(diào)節(jié)控制對(duì)象，這是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要手段。例如，用計(jì)算機(jī)控制發(fā)電，對(duì)鍋爐

水位、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，可使鍋爐內(nèi)燃料充分燃燒，提高發(fā)電效率。同

時(shí)，計(jì)算機(jī)可完成超限報(bào)警，使鍋爐安全運(yùn)行。計(jì)算機(jī)的過(guò)程控制已廣泛應(yīng)用于大型電

站、火箭發(fā)射、雷達(dá)跟蹤、煉鋼等各個(gè)方面。

4．計(jì)算機(jī)輔助工程

計(jì)算機(jī)輔助工程包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助教學(xué)等。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）：用計(jì)算機(jī)幫助人們進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)

計(jì)，不僅可以加快設(shè)計(jì)過(guò)程，還可縮短產(chǎn)品的研制周期。廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)、飛機(jī)設(shè)

計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、電子設(shè)備設(shè)計(jì)和各種機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）：利用計(jì)算機(jī)通過(guò)各種數(shù)值控

制設(shè)備，完成產(chǎn)品的加工、裝配、檢測(cè)、包裝等生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助制造可以

提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本和勞動(dòng)力強(qiáng)度。

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（ComputerAssistedInstruction，CAI）：將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及學(xué)

生的學(xué)習(xí)情況等存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，幫助學(xué)生輕松地學(xué)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)還可通過(guò)交

互操作激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效率。

5．人工智能

人工智能是新興起的一門(mén)學(xué)科，所指的是設(shè)計(jì)出智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，讓計(jì)算機(jī)具有

通常只有人才具有的那種智能特性，模擬人類(lèi)的某些智力活動(dòng)，如識(shí)別圖形與聲音、學(xué)

習(xí)過(guò)程、探索過(guò)程、推理過(guò)程，以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)過(guò)程等。這是近年來(lái)開(kāi)辟的計(jì)算機(jī)應(yīng)

用的新領(lǐng)域。第

自然語(yǔ)言理解是人工智能應(yīng)用的一個(gè)分支，它研究如何使計(jì)算機(jī)理解人類(lèi)的自然語(yǔ)言（如

1章

漢語(yǔ)或英語(yǔ)），如根據(jù)一段文章的上下文來(lái)判斷文章的含義，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。

專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用的另一個(gè)重要分支，它的作用是使計(jì)算機(jī)具有某一方面專計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

家的專門(mén)知識(shí)，利用這些知識(shí)去處理所遇到的問(wèn)題。例如，計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)生看病、專業(yè)

領(lǐng)域咨詢系統(tǒng)等。

機(jī)器人是人工智能領(lǐng)域最偉大的發(fā)明之一，有仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)

器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。圖1-5所示為一個(gè)由斯

坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的OceanOne水下機(jī)器人，它可以幫助人類(lèi)探索大海的深處。機(jī)器人技術(shù)

正在迅速向?qū)嵱没~進(jìn)，機(jī)器人可以工作在各種惡劣環(huán)境下，如高溫、高輻射、劇毒等。

7

信息技術(shù)素養(yǎng)

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圖1-5OceanOne水下機(jī)器人

6．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的通信、各種軟硬件資源的共享。人們可以進(jìn)

行很多不受地域、區(qū)域限制的活動(dòng)，如網(wǎng)上購(gòu)物、網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上炒股、網(wǎng)上訂票等，

此外還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)、科研、娛樂(lè)、交友等。

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

概括來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

1.2.1計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)指的是組成計(jì)算機(jī)的各種電子物理設(shè)備。由馮·諾依曼提出的計(jì)

算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)指出計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組

成；馮·諾依曼還提出存儲(chǔ)程序原理，即把程序也當(dāng)作數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)待，程序和程序要處理

的數(shù)據(jù)用同樣的方式存儲(chǔ)；提出“存儲(chǔ)程序，程序控制”的基本工作方法，指出計(jì)算機(jī)

中要使用二進(jìn)制。

馮·諾依曼理論的重點(diǎn)在于“存儲(chǔ)程序”，計(jì)算機(jī)應(yīng)按照事先存儲(chǔ)的