第1章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論2

1.1信息社會(huì)2

1.1.1信息社會(huì)與信息技術(shù)2

1.1.2信息社會(huì)與計(jì)算思維5

1.1.3信息社會(huì)與計(jì)算機(jī)文化7

1.2計(jì)算機(jī)概述8

1.2.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生及發(fā)展歷程8

1.2.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢12

1.2.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)13

1.2.4計(jì)算機(jī)的分類13

1.2.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用16

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)17

1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成17

1.3.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（機(jī)器系統(tǒng)）18

1.3.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)20

1.3.4計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)及用戶的關(guān)系31

1.4微型計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成31

1.4.1微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)構(gòu)成31

1.4.2微型計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備37

1.4.3微型計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器39

1.4.4微型計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備42

1.4.5微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)44

1.4.6選購配置微型計(jì)算機(jī)45

1.5計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示及其編碼46

1.5.1數(shù)的進(jìn)位制及其轉(zhuǎn)換46

1.5.2字符編碼：ASCII碼49

1.5.3漢字編碼50

1.5.4聲音圖像數(shù)字化52

1.6多媒體技術(shù)和多媒體計(jì)算機(jī)53

1.6.1多媒體技術(shù)及其特征53

1.6.2多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成54

1.6.3多媒體信息處理的關(guān)鍵技術(shù)56

1.6.4多媒體技術(shù)的應(yīng)用58

知識(shí)鏈接計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)一一ACM圖靈獎(jiǎng)59

本章練習(xí)61

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

在漫長的社會(huì)實(shí)踐和社會(huì)發(fā)展歷史長河中，人類根據(jù)自身需要，利用自己的聰明才智，

創(chuàng)造出了許許多多燦爛的人類文明和科技成果，電子計(jì)算機(jī)這一偉大的發(fā)明就是其中之一。

電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給人類的生產(chǎn)、生活帶來了巨大的變化和深遠(yuǎn)的影響，極大地推動(dòng)了社

會(huì)的進(jìn)步和人類文明，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使人類的智能與體能得到了極大的延伸。今天，以計(jì)

算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)上工作、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上購物等網(wǎng)絡(luò)工作、學(xué)習(xí)、生活方式再已不是一

種時(shí)尚，已經(jīng)成了一種生活狀態(tài)和習(xí)慣。電子政務(wù)、電子商務(wù)的展開，極大地提高行政、商

務(wù)效率，規(guī)范和促進(jìn)了政務(wù)、商務(wù)工作的透明度，深化發(fā)展了社會(huì)管理的各種職能，大大地

減輕了人們的工作強(qiáng)度和工作壓力?，F(xiàn)代人必須熟悉和掌握現(xiàn)代化工具，“計(jì)算機(jī)盲”在信

息時(shí)代的今天已是寸步難行，以計(jì)算機(jī)為核心和動(dòng)力的計(jì)算機(jī)文化已和我們的生活廣泛而緊

密地聯(lián)系在了?起，必須了解學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)、掌握計(jì)算機(jī)技能和我們了解和學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化

一樣，已是全社會(huì)的共識(shí)，學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)我們的素質(zhì)要求，更是

生活、工作、學(xué)習(xí)的需要，

1.1信息社會(huì)

1.1.1信息社會(huì)與信息技術(shù)

1.信息

“信息”一詞可謂歷史悠久，在我國2000多年前的西漢時(shí)期就有“信”字，主要指信

息或消息。生活中，“信息”一詞表示音信、消息。作為科學(xué)概念的“信息”，是指對(duì)未預(yù)見

的事物或事件的報(bào)到和對(duì)邪物觀察所得的知識(shí)、印象。

著名信息學(xué)家RafaelCapurro曾經(jīng)在他的著作中給出過一個(gè)關(guān)于信息的定義，他認(rèn)為信

息不僅僅是交流的過程，也不是從一個(gè)主體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)主體的物質(zhì)，信息是一種狀態(tài)，人

類的生產(chǎn)生活以及其他一切活動(dòng)都是在這種狀態(tài)中進(jìn)行的。的確如此，任何一個(gè)物種的存在,

都依托一個(gè)流通的信息環(huán)境。

迄今為止學(xué)術(shù)界尚沒有對(duì)信息下一個(gè)準(zhǔn)確完整的定義，對(duì)信息解釋也眾說紛紜，但對(duì)信

息的含義和特征有著普遍的共識(shí)：信息是用數(shù)據(jù)作為載體來描述和表示客觀現(xiàn)象；信息可以

用數(shù)值、文字、聲音、圖形、圖像等多種形式表示；信息是對(duì)數(shù)據(jù)加工提煉的結(jié)果，是對(duì)人

類有用的知識(shí)；信息是具有含義的符號(hào)和消息，而數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的載體。顯而易見，

若想得到信息，必須要對(duì)客觀世界中的現(xiàn)象和問題通過數(shù)據(jù)這種媒體記錄下來，通常把對(duì)各

種數(shù)據(jù)加工轉(zhuǎn)換得到信息的過程稱為信息處理或數(shù)據(jù)處理。需要指出的是，信息和數(shù)據(jù)是有

區(qū)別的，數(shù)據(jù)是原始的、廣義的、可鑒別的抽象符號(hào)，它可以用來描述事物的屬性、狀態(tài)、

程度、方式等；數(shù)據(jù)單獨(dú)表示時(shí)沒有任何意義，只有把它們放入特定的場合進(jìn)行解釋和加工,

才能使其具有意義并升華為信息。

2.信息社會(huì)

信息就像空氣一樣，雖然摸不到，但卻不停地在我們身邊流動(dòng)，為人類服務(wù)。人僅需要

信息，研究信息，一時(shí)一刻也離不開信息。人類通過各種信息認(rèn)識(shí)各種事物，借助信息的交

流來溝通人與人之間的思想。當(dāng)人類這個(gè)生靈在地球上出現(xiàn)的時(shí)候，信息就注定要以比其他

物種更高的智能形態(tài)伴隨著人類在艱難惡劣的環(huán)境中，從茹毛飲血的日子里一點(diǎn)一點(diǎn)直到今

2

天。人類對(duì)信息的把握，成了認(rèn)識(shí)世界和改造世界的有力武器。語言的產(chǎn)生，文字的出現(xiàn)，

各種各樣信息載體和媒介的不斷拓展，使人們生活的信息世界越來越豐富和充盈?？茖W(xué)技術(shù)

的發(fā)展，給人類插上了遨游信息海洋的翅膀，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)把想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的令人激動(dòng)

的時(shí)刻。語言的形成，文字的創(chuàng)造，造紙術(shù)和印刷術(shù)的發(fā)明，電報(bào)電話和廣播電視的普及應(yīng)

用，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，五次信息技術(shù)革命的飛躍，使人類和信息融為了i體，人們驚異地

發(fā)現(xiàn)，無處不在的信息不僅是我們離不開的生存環(huán)境，更是一種具有深厚挖掘潛力的資源。

在古代，人類就已經(jīng)有了各種處理和記錄傳遞信息的手段，如算盤、結(jié)繩計(jì)數(shù)、紙張記事、

烽火臺(tái)、郵傳驛站傳遞信息等；到了近代，人類處理信息的手段又得到發(fā)展，電報(bào)、電話、

錄音、錄像等：現(xiàn)代信息處理則更加豐富多樣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位通訊、C”RS系統(tǒng)、

3G、4G通訊等等。人類在不斷地改進(jìn)信息處理的技術(shù)和工具，以適應(yīng)人們不斷提高的信息

處理要求。所有這些使得信息社會(huì)悄然來到我們身邊。

為什么信息化社會(huì)能夠來到我們身邊呢？其主要原因是：信息領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今

天，已經(jīng)具備了為社會(huì)提供“信息系統(tǒng)”這樣一種嶄新的社會(huì)生產(chǎn)工具的足夠能力。從技術(shù)

方面看，1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世，1947年第一只晶體管誕生，1965年第一顆商用衛(wèi)

星投入使用，隨后光纖通信的應(yīng)用及因特網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展等等，信息技術(shù)不斷滲透到社會(huì)各個(gè)

領(lǐng)域，信息社會(huì)不知不覺已躍然眼前。信息已經(jīng)同物質(zhì)、能量一樣，成為了人類文明的三大

支柱之一。

如果說農(nóng)業(yè)社會(huì)足以物質(zhì)活動(dòng)為社會(huì)發(fā)展的基本活動(dòng)，工業(yè)社會(huì)足以資本活動(dòng)為社會(huì)發(fā)

展的基本活動(dòng)，那么信息社會(huì)無疑就是以信息活動(dòng)為社會(huì)發(fā)展的基本活動(dòng)。它是一種以信息

技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，以信息經(jīng)濟(jì)（或稱知識(shí)經(jīng)濟(jì)）為主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)，以信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，以信

息文化改變?nèi)祟惤逃⑸詈凸ぷ鞣绞郊皟r(jià)值觀念的新型社會(huì)形態(tài)。不難看出，在信息社會(huì)

中，信息已成為社會(huì)重要的戰(zhàn)略資源，信息網(wǎng)絡(luò)已成為社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施。

今天我們所處的社會(huì)對(duì)信息的要求和依賴前所未有，對(duì)信息的加工和處理日新月異，對(duì)

信息的使用和安全倍加重視，正因如此，信息社會(huì)是賦予了以上全新意義和深刻內(nèi)含的社會(huì)。

在這樣的社會(huì)，我們會(huì)因停電、斷網(wǎng)、死機(jī)，捶胸頓足、手足無措、寸步難行，并直接波及

社會(huì)的生產(chǎn)、生活、工作等方方面面。

如果說以蒸汽機(jī)為中心的動(dòng)力革命，使人類的體力勞動(dòng)得到了大大的解放，那么以電子

技術(shù)為先導(dǎo)、以計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通信為代表的信息革命使人類的腦力勞動(dòng)得到了解放。

信息的應(yīng)用非常廣闊a認(rèn)知、科學(xué)探索、知識(shí)傳播、生產(chǎn)流程控制、管理（宏觀管理和

微觀管理）、娛樂（多媒體）以及人們之間的交流等無處不在。

3.信息技術(shù)

美國未來學(xué)家托夫勒曾說過“誰掌握了信息，控制了網(wǎng)絡(luò)，誰就將擁有整個(gè)世界”?；?/p>

于此，人們對(duì)信息技術(shù)的依賴和想象被牽引到了無窮無盡的空間。

信息技術(shù)發(fā)展為當(dāng)今社會(huì)提供“信息系統(tǒng)”這樣一代嶄新的社會(huì)生產(chǎn)工具。在科學(xué)理論

方面，自1948年,信息論的創(chuàng)始人美國科學(xué)家香農(nóng)（ClaudeShannon）發(fā)表“通信的數(shù)學(xué)

理論”一文，闡述了在通信意義下的信息的概念和數(shù)學(xué)度量方法。建立了通信信道容量的定

義和度量公式，提出并證明了關(guān)于通信的有效性和可靠性的一組編碼定理，從而開創(chuàng)了信息

理論研究?？刂普搫?chuàng)始人美國科學(xué)家維納（N.Wiener）在“控制論：機(jī)器和動(dòng)物中的通信與

控制問題”專著中，指出信息是物質(zhì)和質(zhì)量同樣重要的研究對(duì)象，論述了在統(tǒng)計(jì)背景下通過

信息的反饋控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器系統(tǒng)的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)和自組織的可能機(jī)制。隨后麥卡錫的“人工

智能”以及查德的“模糊集合理論”為智能研究提供了新的理論和方法。在技術(shù)方面，自第

一臺(tái)計(jì)算機(jī)問世，以及晶體管的誕生，商用衛(wèi)星，光纖通信的應(yīng)用。信息技術(shù)的快速發(fā)展推

動(dòng)了信息的生產(chǎn)，流通和消費(fèi)規(guī)模不斷擴(kuò)大。所有這些，都展示了信息技術(shù)發(fā)展的美好前景。

一般來說，信息技術(shù)是指對(duì)信息的搜集、存儲(chǔ)、傳遞、分析、使用等的處理技術(shù)和智能

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

技術(shù)。具體地講，包括軟件開發(fā)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)和多媒體

技術(shù)，而傳感、自控和新材料技術(shù)等是信息技術(shù)的相關(guān)技術(shù)。信息技術(shù)是目前各領(lǐng)域高新技

術(shù)的關(guān)鍵和核心，更是信息產(chǎn)業(yè)、信息社會(huì)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代信息技術(shù)包括四大類：電子信息技術(shù)。包括電子感測技術(shù)、電子通信技術(shù)、電子計(jì)

算機(jī)、電子控制技術(shù)；量子信息技術(shù)。主要表現(xiàn)為量子計(jì)算機(jī)；激光信息技術(shù)。包括激光遙

感、光纖維通訊、激光全息存儲(chǔ)、激光控制技術(shù)、激光計(jì)算機(jī)；生物信息技術(shù)。生物開關(guān)器

件、生物存儲(chǔ)器件、生物邏輯器件、生物計(jì)算機(jī)等。

信息產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)和產(chǎn)品范圍包括：一是多媒體技術(shù)。其中包括多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、

PC技術(shù)、液晶等高清晰度顯示技術(shù)等：二是存儲(chǔ)和處理技術(shù)。其中包括超巨型和超微型計(jì)

算機(jī)技術(shù)、語言識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算機(jī)技術(shù)、分子電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)免疫系統(tǒng)技術(shù)等；

三是傳輸技術(shù)。包括光纖和衛(wèi)星等通訊技術(shù)、數(shù)字聲像技術(shù)、各種調(diào)制和解調(diào)技術(shù)、各種傳

感技術(shù)、交互式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

4.信息化建設(shè)

社會(huì)發(fā)展到每一階段，都需要有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施作支持。在農(nóng)業(yè)社會(huì)，出地是社會(huì)的基

礎(chǔ)設(shè)施；在工業(yè)社會(huì)，機(jī)械設(shè)備、道路交通等是社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施；在信息社會(huì)，”信息高速

公路”無疑成了社會(huì)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

各國以“信息高速公路”的方式推進(jìn)本國的信息化建設(shè)和進(jìn)程。我國是以“金”字工程

推進(jìn)信息化建設(shè)，其中，“金橋”、“金美”、“金卡”、“金稅”、“金農(nóng)”、“金盾”……工程在

國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。

“信息高速公路”是國家信息基礎(chǔ)設(shè)施（NID的形象比喻，國家信息基礎(chǔ)設(shè)施是美國

政府于1993年9月正式提出來的?！靶畔⒏咚俟贰笔且粋€(gè)交互式的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)，它以

光纖為“路”，以電話、電腦、電視、傳真等多媒體終端為“車”，既能傳輸語言文字，又能

傳輸數(shù)據(jù)和圖象，使信息的高速傳遞、共享和增值成為可能，并且提供了教育、衛(wèi)生、商務(wù)、

金融、文化、娛樂等廣泛的信息服務(wù)。

信息高速公路向億萬普通人展示了誘人畫卷：可視電話、網(wǎng)絡(luò)購物、無紙貿(mào)易、電視會(huì)

議、居家辦公、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻點(diǎn)播等，“千里眼”、“順風(fēng)耳”這些

夢(mèng)想大多已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。信息高速公路的建成，大大改變了人類的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，

其影響遠(yuǎn)超過鐵路與高速公路，對(duì)各國政治、經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)生活產(chǎn)生越來越深入、廣泛、

持久的影響，促進(jìn)了科學(xué)教育的速度和知識(shí)更新的步伐，導(dǎo)致了思維方式的更新，改變了人

們的生活方式。

5.信息化問題與困惑

信息化在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展變革的同時(shí)，也給人類帶來了諸多問題和困惑?！靶畔⒏咚俟贰?/p>

的建立加速了不同文化間的滲透，整個(gè)世界趨于共性有余而個(gè)性不足：發(fā)達(dá)國家對(duì)科技與信

息資源的進(jìn)一步壟斷，凸顯其比較優(yōu)勢與競爭優(yōu)勢，從而加大了發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家的數(shù)

字鴻溝和貧富差距；人與人之間直接、面對(duì)面的接觸逐漸減少，群體生活與情感交流漸失；

計(jì)算機(jī)犯罪及計(jì)算機(jī)病毒也給人們帶來無盡的煩惱，影響到正常的生活工作；另外，信息安

全作為一種新興非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域，正受到越來越嚴(yán)重的安全威脅。如此種種，人們始料未及。

然而，同自然界一樣，適者生存依然是信息社會(huì)遵循的法則。我們惟有不斷解決問題迎接挑

戰(zhàn)，別無它途。在這一過程中，技術(shù)固然重要，但更重要的應(yīng)該是觀念的更新和信息意識(shí)的

培養(yǎng)。在社會(huì)變革及信息化進(jìn)程中，觀念的轉(zhuǎn)變是最根本的轉(zhuǎn)變！社會(huì)的現(xiàn)代化需要人的現(xiàn)

代化，而人的現(xiàn)代化需要現(xiàn)代的文化和觀念。

4

1.1.2信息社會(huì)與計(jì)算思維

信息社會(huì)大量的生產(chǎn)、工作、生活實(shí)景都依托信息技術(shù)支撐和實(shí)現(xiàn)。無論是過程控制、

科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)調(diào)度、學(xué)習(xí)娛樂、社會(huì)管理、國防軍事、預(yù)測預(yù)報(bào)等等都需要通過計(jì)算機(jī)這

一核心工具來解決與完成，計(jì)算機(jī)這一特殊的程序化了機(jī)器，有其獨(dú)特的解題（解決問題）

模型與方式，即所謂算法。這就要求我們?cè)谟糜?jì)算機(jī)來解決實(shí)際問題時(shí)要有計(jì)算機(jī)思維，盡

量使我們的求解過程和計(jì)算機(jī)契合，把解決現(xiàn)實(shí)問題的需要和計(jì)算機(jī)求解問題的方式（習(xí)慣）

聯(lián)系起來。其基本路徑是：明確問題、建立模型、確定算法、編制程序、聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)等。例如,

用隨機(jī)函數(shù)來處理（模擬）自然界中的隨機(jī)事件（投擲硬幣、彩票搖號(hào)），用條件函數(shù)來模

擬人們的選擇判斷（棋類對(duì)弈），用棧原理來實(shí)現(xiàn)生活中的先進(jìn)先出原則（出租車機(jī)場侯客）

等等。

1.計(jì)算思維的定義

2006年3月，美國卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（JeannelteM.Wing）教授

在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《CommunicationsoftheACM》雜志上給出，并定義了計(jì)算思維

（ComputationalThinking）.周教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題

求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

以上是關(guān)于計(jì)算思維的一個(gè)總定義，周教授為了讓人們更易于理解，又將它更進(jìn)一步地

解釋為：通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們

知道問題怎樣解決的方法；是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能

把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法；是一種采用抽象和分解來控制龐雜

的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注分離的方法（SOC方法）；是一種選擇

合適的方式去陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；是按

照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的?種思維方法:

是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；是利用

海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。

2.計(jì)算思維的內(nèi)涵及特點(diǎn)

（1）計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實(shí)世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

與評(píng)估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學(xué)思維

方法。計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之匕由大由機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我

們敢于去處理那些原本無法由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

計(jì)算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)（Essence）是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化

（Automation）（＞主要表現(xiàn)為問題求解能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和人類行為理解能力。計(jì)算思維

中的抽象完全超越物理的時(shí)空觀，并完全用符號(hào)來表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。與

數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計(jì)算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為更雜。數(shù)學(xué)抽象的最人特點(diǎn)

是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物埋、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)算

思維中的抽象卻不僅僅如此。

計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人日機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們

敢于去處理那些原本無法由任何個(gè)人獨(dú)自完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)算思維直面機(jī)器智

能的不解之謎：什么人類比計(jì)算機(jī)做得好？什么計(jì)算機(jī)比人類做得好？最基本的問題是：什

么是可計(jì)算的？迄今為止我們對(duì)這些問題仍是一知半解。

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題,設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包

括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣域的一系列思維活動(dòng)。

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

當(dāng)我們必須求解一個(gè)特定的問題時(shí)，首先會(huì)問：解決這個(gè)問題有多么困難？怎樣才是最

佳的解決方法？計(jì)算機(jī)科學(xué)根據(jù)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)來準(zhǔn)確地問答這些問題。表述問題的難度就

是工具的基本能力，必須考慮的因素包括機(jī)器的指令系統(tǒng)、資源約束和操作環(huán)境。

為了有效地求解一個(gè)問題，我們可能要進(jìn)一步問：一個(gè)近似解是否就夠了，是否可以利

用一下隨機(jī)化，以及是否允許誤報(bào)（falsepositive）和漏報(bào)（falsenegative）。計(jì)算思維就是

通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣

解決的問題。

（2）計(jì)算思維的特點(diǎn)

計(jì)算思維是一種遞歸思維。采用并行處理。它是把代碼譯成數(shù)據(jù)又把數(shù)據(jù)譯成代碼。它

是由廣義量綱分析進(jìn)行的類型檢查。咐于別名或賦予人與物多個(gè)名字的做法，它既知道其益

處又了解其害處。對(duì)于間接尋址和程序調(diào)用的方法，它既知道其威力又了解其代價(jià)。它評(píng)價(jià)

一個(gè)程序時(shí)，不僅僅根據(jù)其準(zhǔn)確性和效率，還有美學(xué)的考量，而對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還考慮簡

潔和優(yōu)雅。

計(jì)算思維是對(duì)問題的抽象和分解。通過這種手段迎接龐雜的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系

統(tǒng)。它是關(guān)注的分離（SOC方法）。它是選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或者是選擇合適

的方式對(duì)一個(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理。它是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫

系統(tǒng)的行為。它使我們?cè)诓槐乩斫饷恳粋€(gè)細(xì)節(jié)的情況下就能夠安全地使用、調(diào)整和影響一個(gè)

大型復(fù)雜系統(tǒng)的信息。它就是為預(yù)期的未來應(yīng)用而進(jìn)行的預(yù)取和緩存。

計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式從最壞情形恢復(fù)的?種思維。

它稱堵塞為“死鎖”，稱約定為“界面”。計(jì)算思維就是學(xué)習(xí)在同步相互會(huì)合時(shí)如何避％“競

爭條件”（亦稱“競態(tài)條件”）的情形。

計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答，就是在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。它就

是搜索、搜索、再搜索，結(jié)果是一系列的網(wǎng)頁，一個(gè)贏得游戲的策略，或者一個(gè)反例。計(jì)算

思維利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

先來看看日常生活中的事例：當(dāng)你來學(xué)校時(shí)，把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)書包，這就是預(yù)置

和緩存；當(dāng)我的水杯不在時(shí)，我沿走過的教室尋找，這就是回推：在什么時(shí)候停止租用自行

車而為自已買一輛呢？這就是在線算法；在超市付帳時(shí)，你應(yīng)去哪個(gè)收銀臺(tái)排隊(duì)呢？這就是

多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型；為什么停電時(shí)你的電話仍然可用？這就是失敗的無關(guān)性和設(shè)計(jì)的

冗余性；完全自動(dòng)的大眾圖靈測試如何區(qū)分計(jì)算機(jī)和人類，即CAPTCHA（Completely

AutomatedPublicTuringTesttoTellComputersandHumansApart,全自動(dòng)區(qū)分計(jì)算機(jī)和人類

的圖靈測試的簡稱）程序是怎樣鑒別人類的？這就是充分利用求解人工智能難題之艱難來挫

敗計(jì)算代理程序。

再說一說理解計(jì)算思維的幾個(gè)誤區(qū)，即計(jì)算思維是什么？不是什么？

概念化，不是程序化.計(jì)算思維不是計(jì)算機(jī)編程。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)

不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。

根本的，不是刻板的技能。根本技能是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握

的?？贪寮寄芤馕吨鴻C(jī)械的重復(fù)。具有諷刺意味的是，當(dāng)計(jì)算機(jī)像人類一樣思考之后，思維

可就真的變成機(jī)械的了。

是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維方式。計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人

類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激

情。配置了計(jì)算設(shè)備，我們就能用自己的智慧去解決那些在計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問題，

實(shí)現(xiàn)“只有想不到，沒有做不到”的境界。

數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因?yàn)橄袼械目茖W(xué)

一樣，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲冶憬ㄔ?/p>

6

的是能夠與實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)，基本計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須計(jì)算性地思

考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠設(shè)計(jì)超越物理世界的各種系統(tǒng)。

是思想，不是人造物。不只是我們生產(chǎn)的軟件硬件等人造物將以物理形式到處呈現(xiàn)并時(shí)

時(shí)刻刻觸及我們的生活，更重要的是還將有我們用以接近和求解問題、管理日常生活、與他

人交流和互動(dòng)的計(jì)算概念；而且，面向所有的人，所有地方。當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)

的整體以致不再表現(xiàn)為一種顯式之哲學(xué)的時(shí)候，它就將成為一種現(xiàn)實(shí)。

3.計(jì)算思維的意義

計(jì)算思維將滲透到我們每個(gè)人的生活之中，不久的將來諸如“算法”和“前提條件”這

些詞匯將成為每個(gè)人日常語言的一部分，對(duì)“非確定論”和“垃圾收集”這些詞的理解會(huì)和

計(jì)算機(jī)科學(xué)里的含義驅(qū)近，而樹己常常被倒過來畫了。

我們已見證了計(jì)算思維在其他學(xué)科中的影響。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)改變了統(tǒng)計(jì)學(xué)。其它

學(xué)科也正大膽、主動(dòng)地與計(jì)算機(jī)學(xué)科聯(lián)姻。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家們對(duì)生物科學(xué)越來越感興趣，因?yàn)樗麄儓?jiān)信生物學(xué)家能夠從計(jì)算思維中獲

益。計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)生物學(xué)的貢獻(xiàn)決不限于其能夠在海量序列數(shù)據(jù)中搜索尋找模式規(guī)律的本

領(lǐng)。最終希望是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法(我們自身的計(jì)算抽象和方法)能夠以其體現(xiàn)自身功能的方

式來表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算生物學(xué)正在改變著生物學(xué)家的思考方式。類似地，計(jì)算博弈理

論正改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式，納米計(jì)算改變著化學(xué)家的思考方式，量子計(jì)算改變著物理

學(xué)家的思考方式。這種思維將成為每一個(gè)人的技能組合成分，而不僅僅限于科學(xué)家。普適計(jì)

算之于今天就如計(jì)算思維之于明天。普適計(jì)算是已成為今日現(xiàn)實(shí)的昨日之夢(mèng)，而計(jì)算思維就

是明日現(xiàn)實(shí)。

計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，更應(yīng)當(dāng)成為每個(gè)現(xiàn)代人特別

是當(dāng)代大學(xué)生的一種思維習(xí)慣。正如印刷出版促進(jìn)了3R的普及，打印技術(shù)的發(fā)展催生3D

打印一樣，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。

計(jì)算思維已成為一個(gè)引導(dǎo)著計(jì)算機(jī)教育者、研究者和實(shí)踐者的燈塔。今天大學(xué)計(jì)算機(jī)思

維的培養(yǎng)之所以甚囂塵上，令人關(guān)注，是因?yàn)椋环矫嬉巳雱俚目茖W(xué)問題依舊亟待理解和

解決，另?方面基于現(xiàn)實(shí)社會(huì)的要求也必須致力于使計(jì)算思維成為人們的常識(shí)和習(xí)慣。

1.1.3信息社會(huì)與計(jì)算機(jī)文化

人類文化的發(fā)展與傳播文化的媒體技術(shù)關(guān)系極大。信息技術(shù)的發(fā)展為人類文化的又一次

騰飛插上翱翔的翅膀，信息社會(huì)蘊(yùn)育了計(jì)算機(jī)文化。早在1968年，美國一位計(jì)算機(jī)科學(xué)家

就設(shè)想過將來的電腦將成為“超級(jí)媒體”或“超級(jí)紙張二并希望它能像活字印刷術(shù)那樣對(duì)

人類社會(huì)產(chǎn)生革命性的沖擊。今天的現(xiàn)實(shí)證實(shí)了他的預(yù)言。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持卜，無紙貿(mào)

易、無紙辦公、無紙新聞、無紙出版、自媒體正在成為我們社會(huì)生活中的現(xiàn)實(shí)。

1.獨(dú)特的計(jì)算機(jī)文化

計(jì)算機(jī)文化的提法是198I年在瑞士洛桑召開的第三次世界計(jì)算機(jī)教育大會(huì)上，科學(xué)家

提出了計(jì)算機(jī)教育是文化教育的概念，呼吁人們重視計(jì)算機(jī)教育，此后，“計(jì)算機(jī)文化”

(ComputerLiteracy)被各國計(jì)算機(jī)教育界所接受。

所謂計(jì)算機(jī)文化，就是以計(jì)算機(jī)為核心，集網(wǎng)絡(luò)文化、信息文化、多媒體文化為一體，

并對(duì)社會(huì)生活和人類行為所產(chǎn)生廣泛、深遠(yuǎn)影響的新型文化。

計(jì)算機(jī)文化之所以在“文化”之上冠以計(jì)算機(jī)的限定詞，旨在表明這種文化與計(jì)算機(jī)牢

不可破的內(nèi)在關(guān)聯(lián)一一它是因計(jì)算機(jī)而產(chǎn)生，以計(jì)算機(jī)為核心和動(dòng)力的文化。計(jì)算機(jī)的問世,

不僅是一次偉大的技術(shù)革命，更是一次生產(chǎn)方式、思維方式、生活方式和各種行為方式的革

命，導(dǎo)致了一場偉人而深刻的文化變遷，我們可以用“計(jì)算機(jī)文化”概括這種變遷。”計(jì)算

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

機(jī)文化”之所以稱為文化，說明計(jì)算機(jī)已緊密地與社會(huì)生活，人們的口常生活息息相關(guān)了，

它正深刻地改變著社會(huì)，影響著人們的觀念和行為，圍繞計(jì)算機(jī)構(gòu)成了一種全新的文化形態(tài),

這種文化正迅速深入到社會(huì)生活的各個(gè)角落，對(duì)整個(gè)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

目前'最能體現(xiàn)"計(jì)算機(jī)文化”的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力素質(zhì)的應(yīng)當(dāng)是“信息獲取、信息分析

與信息加工”有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際能力，其中包括信息發(fā)現(xiàn)、信息采集與信息優(yōu)選等“信

息能力”。這些知識(shí)與能力既是“計(jì)算機(jī)文化”水平高低和素質(zhì)優(yōu)劣的具體體現(xiàn)，又是信息

社會(huì)對(duì)新型人才培養(yǎng)所提出的要求。

2.全新的計(jì)算機(jī)文化形態(tài)

計(jì)算機(jī)文化形態(tài)主要表現(xiàn)為：（1）計(jì)算機(jī)理論及其技術(shù)對(duì)自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的廣泛滲

透表現(xiàn)出了豐富的文化內(nèi)涵；（2）計(jì)算機(jī)的軟、硬件，作為人類所創(chuàng)造的新的物質(zhì)形式大

大地豐富了人類文化的物質(zhì)種類；（3）計(jì)算機(jī)應(yīng)用介入人類社會(huì)的方方面面，從而創(chuàng)造和形

成的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)精神、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)等成為一種嶄新的文化觀念。

計(jì)算機(jī)文化作為當(dāng)今最具活力的一種嶄新文化形態(tài)，加快了人類社會(huì)前進(jìn)的步伐，其所

產(chǎn)生的思想觀念、所帶來的物質(zhì)基礎(chǔ)條件以及計(jì)算機(jī)文化教育的普及有利于人類社會(huì)的進(jìn)

步、發(fā)展。同時(shí)，計(jì)算機(jī)文化也帶來了人類嶄新的學(xué)習(xí)觀念：面對(duì)浩瀚的知識(shí)海洋，人腦所

能接受的知識(shí)是有限的，我們根本無法“背”完，電腦這種工具可以解放我們“背”的繁重

的記憶性勞動(dòng)，人腦應(yīng)該更多地用來完成“創(chuàng)造”性勞動(dòng)。

計(jì)算機(jī)文化代表一種新的時(shí)代文化，它已經(jīng)將一個(gè)人經(jīng)過文化教育后所具有的能力由傳

統(tǒng)的讀、寫、算上升到了?個(gè)新高度：即除了能讀、寫、算以外還要具有計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力（信

息能力）。而這種能力可通過計(jì)算機(jī)文化的普及得到實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)文化來源于計(jì)算機(jī)技術(shù)，正是后者的發(fā)展，孕育并推動(dòng)了計(jì)算機(jī)文化的產(chǎn)生和成

長；而計(jì)算機(jī)文化的普及，又反過來促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展。

當(dāng)人類跨入二十一世紀(jì)后，又迎來了以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息時(shí)代。作為計(jì)算機(jī)文化的重要

組成部分，網(wǎng)絡(luò)文化已成為人們生活的一部分，深刻地影響著人們的生活，同樣，也給我們

帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。信息時(shí)代是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，嫻熟地駕馭網(wǎng)絡(luò)將成為人們工

作生活的重要手段。圍繞互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，極大地豐富了計(jì)算機(jī)文化的內(nèi)涵，讓

每一個(gè)人都能領(lǐng)略計(jì)算機(jī)文化的無窮魅力，體味著計(jì)算機(jī)文化的浩瀚。

今天，計(jì)算機(jī)文化已成為人類現(xiàn)代文化的一個(gè)重要組成部分，當(dāng)代大學(xué)生為了能更好地

適應(yīng)信息社會(huì)的發(fā)展要求，提升計(jì)算機(jī)文化素養(yǎng)，普及計(jì)算機(jī)文化，促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步

與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，完整準(zhǔn)確地理解計(jì)算科學(xué)與工程及其社會(huì)影響，已成為當(dāng)代大學(xué)生的

一項(xiàng)重要任務(wù)。

1.2計(jì)算機(jī)概述

1.2.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生及發(fā)展歷程

1.計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

在漫長的人類進(jìn)化和文明發(fā)展過程中，人類的大腦逐漸具備了一種特殊的本領(lǐng)，這就是

把直觀的形象變成抽象的數(shù)字，進(jìn)行抽象思維活動(dòng)，在這一過程中，人類才逐步創(chuàng)造和發(fā)展

了計(jì)算工具。

人類最初的計(jì)算工具就是人的雙手，掰指頭算數(shù)是最早的計(jì)算方法。一個(gè)人有10個(gè)手

指，因此十進(jìn)制數(shù)也就自然成了人類最熟悉的進(jìn)制計(jì)數(shù)法。嚴(yán)格意義上講，人類社會(huì)早期，

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沒有真正的計(jì)算工具，也沒有復(fù)雜的計(jì)算需要，人們僅僅停留在“計(jì)數(shù)”階段。由于雙手的

局限性，人們開始利用“可數(shù)”的東西進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如‘‘小石子"、“結(jié)繩”計(jì)數(shù)等。

唐末宋初，出現(xiàn)了人類歷史上第i種計(jì)算工具一一算盤，它通過“算珠”的多少進(jìn)行“計(jì)

數(shù)”，通過“算珠”及其位置的變化實(shí)現(xiàn)計(jì)算。許多人也將其稱為“手動(dòng)計(jì)算機(jī)”，珠算口訣

也被視為最早的體系化算法。算盤結(jié)合了十進(jìn)制計(jì)數(shù)法和一整套計(jì)算口訣，其設(shè)計(jì)簡單，操

作易行，極具智慧，出現(xiàn)后出現(xiàn)許多變種，并以極強(qiáng)的生命力沿續(xù)下來，直至今日仍在加減

運(yùn)算和教育啟智領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的一些雛型思想。

1642年，機(jī)械計(jì)算機(jī)出現(xiàn)：1654年，計(jì)算尺產(chǎn)生；1887年，電動(dòng)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，計(jì)算工

具使用了電能，已和現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)有了一定“血獴”美系，使用了電能.然而這些計(jì)算工

具都有其設(shè)計(jì)和使用上的致命缺點(diǎn)：一是不能自動(dòng)運(yùn)算；二是不能存貯?，F(xiàn)已基本被淘汰。

研制和開發(fā)新的計(jì)算工具的工作在不斷地進(jìn)行著。二次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)各國為加強(qiáng)

軍備競賽，在開發(fā)和研制新武器的過程中，涉及到彈道軌跡和角度的大量、復(fù)雜的計(jì)算，這

時(shí)研制人員比任何時(shí)候都更迫切需要一種新的計(jì)算工具來輔助研究工作，并使他們從大量的

計(jì)算中解脫出來。于是，一些較為發(fā)達(dá)的資本主義國家為其投入了大量的人力、物力來研制、

開發(fā)新的計(jì)算機(jī)工具并不斷取得進(jìn)展。

1946年，人類第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAnd

Calculator,埃尼阿克“電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)”）計(jì)算機(jī)在美國的賓夕法尼亞大學(xué)誕生，它

的出現(xiàn)，掀開了人類歷史、特別是科技發(fā)展史的新的一頁，人們甚至把它譽(yù)為第二次工業(yè)革

命的標(biāo)志。它的出現(xiàn)是計(jì)算工具不斷發(fā)展的結(jié)果。

第一臺(tái)計(jì)算機(jī)可謂是個(gè)龐然大物。如圖17所示。它用了18000個(gè)電子管（早期使用的

一種被封閉在玻璃容器中為電信號(hào)放大器件），1500個(gè)繼電器（用較小電流去控制較大電流

的一種“電子開關(guān)”），占地約170平方米,重約30噸，耗電150度/小時(shí),運(yùn)算速度5000

次/秒（每秒做加法的次數(shù)），造價(jià)48萬美元（相當(dāng)于現(xiàn)在的1000多萬美元），僅運(yùn)行J'10

年就被送入了博物館。很顯然，如果計(jì)算機(jī)沒有飛速發(fā)展，今天的普及使用是不可能的。

圖1-1ENIAC計(jì)算機(jī)圖片

我國于1958年成功研制出了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)：1964年生產(chǎn)出第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)；

1971年研制成功集成電路計(jì)算機(jī),1983年、1992年、1997年分別研制出了銀河I型、銀河

II型、銀河川型每秒上億次、上十億次、上百億次計(jì)算機(jī)。進(jìn)入本世紀(jì)以來，2001年成功

研制“曙光3000M巨型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度4000億次；2004年“曙光4000A"運(yùn)算速度10.2

萬億次；2008年“曙光5000A”運(yùn)算速度230萬億次,如圖1-2所示。

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

圖1-2曙光5000A及所采用4核心處理器主板

2009年研制成功的超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)上千萬億次，2010年11月“天河一

號(hào)”以每秒4.7千萬億次的峰值速度，首次登上超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域的世界之巔?！疤旌右惶?hào)”

的誕生，是我國高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展史上新的里程碑，是我國戰(zhàn)略高技術(shù)和大型基礎(chǔ)科

技裝備研制領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了我國自主研制超級(jí)計(jì)算機(jī)能力從百萬億

次到千萬億次的跨越，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)的國家。2013年11月18口，國際TOP500組織公布了最新全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜

榜單，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒

5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全

球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。目前，我國在高性能計(jì)算機(jī)的研制領(lǐng)域仍保持著較高水平。

2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段

自第一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)得到了飛速發(fā)展，在今天的計(jì)算機(jī)身上已很難找到第一

臺(tái)計(jì)算機(jī)的蹤影，這足已看出計(jì)算機(jī)發(fā)展速度之快。然而由于元器件的制約，其發(fā)展過程也

是漸進(jìn)的。人們根據(jù)計(jì)算機(jī)所采用的邏輯元器件的演變，將電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致分為了四

個(gè)發(fā)展階段，如表17所示。

表1-1計(jì)算機(jī)的4個(gè)發(fā)展階段

第一代第二代第三代第四代

(1946?1955)(1956~1963)(1964?1970)（1971?現(xiàn)在）

中小規(guī)模集成大規(guī)模、超大規(guī)模集成

主要電子元件電子管晶體管

電路電路

內(nèi)存汞延遲線磁愛存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

磁帶、磁盤、光盤、陣

外存儲(chǔ)器穿孔卡片、紙帶磁帶磁帶、磁盤

列等大容量存儲(chǔ)器

處理速度

幾千條幾百萬條幾千萬條數(shù)億條以上

（每秒指令數(shù)）

第一階段：第一代電子管時(shí)代計(jì)算機(jī)（1946年?1955年）。這一代計(jì)算機(jī)使用了大量的

電子管元件，使得計(jì)算機(jī)成本高，體積龐大，耗電量高，性能不夠穩(wěn)定，維護(hù)普及極為困難。

第二階段：第二代晶體管時(shí)代計(jì)算機(jī)（1956年?1963年）。由于晶體管這種電子元件的

出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)代的計(jì)算機(jī)普遍采用了晶體管元件，使得計(jì)算機(jī)成本、體積、耗電量都有了進(jìn)

一步降低，性能更為穩(wěn)定，運(yùn)算速度大大得到提高。這一時(shí)期出現(xiàn)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，如

FORTRAN.ALGOL.COBOL等語言，計(jì)算機(jī)應(yīng)用也擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中。

第三階段：第三代中小規(guī)模集成電路時(shí)代計(jì)算機(jī)（1964年?1970年）。1964年4月，

IBM公司推出了采用新概念設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)IBM360,宣布了第三代計(jì)算機(jī)的誕生。正像它名

字中的數(shù)字所表示的那樣，IBM360有360全方位的應(yīng)用范圍。

這一時(shí)期，由于半導(dǎo)體芯片及集成技術(shù)的出現(xiàn)，使集成電路得到了廣泛的運(yùn)用，大量

10

的分離元件都做到集成電珞中，計(jì)算機(jī)元器件趨于穩(wěn)定與成熟，計(jì)算機(jī)性能得到了強(qiáng)有力的

提升。計(jì)算機(jī)開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

第四階段：第四代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代計(jì)算機(jī)(1971年?現(xiàn)在)。1971年

11月5日，Intel公司的霍夫(MarcianE.Hoff)研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片

MPU(microprocessingunit)Intel4004,并由它組裝成第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)MCS-4,由此揭

開了微型計(jì)算機(jī)普及的序幕。計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC,每秒執(zhí)行6萬條指令。1974

年4月1日，Intel公司發(fā)布了8位微處理器芯片8080。12月，計(jì)算機(jī)愛好者埃德?羅伯

茨利用8080微處理器設(shè)計(jì)出一款體積很小的計(jì)算機(jī)“Altair8800”，這也是世界上第一臺(tái)

商用個(gè)人計(jì)算機(jī)，內(nèi)存只有256字節(jié)。與此同時(shí)，羅伯茨首次創(chuàng)造性地提出了PC(Personal

Computer)這個(gè)嶄新的概念，這預(yù)示了微機(jī)時(shí)代的到來。同年，當(dāng)時(shí)還在哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里

的比爾?蓋茨(BillGates)和保羅?艾倫(PaulAllen)開始用BASIC語言第一個(gè)為Altair

計(jì)算機(jī)撰寫各種程序。1975年，兩人創(chuàng)辦了今天大名鼎鼎的Microsoft微軟公司。

可以說，半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展造就了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)。著名的摩爾定律一一半導(dǎo)體上的集

成度每18個(gè)月提高一倍一一從1965年誕生至今的50年內(nèi)都是非常準(zhǔn)確的。表1-2反映出

了集成電路的飛速發(fā)展。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，能在半導(dǎo)體領(lǐng)域飛速發(fā)展、變化莫測的幾十年

內(nèi)一直保持準(zhǔn)確，這不能不說是一個(gè)奇跡。透過奇跡，應(yīng)該得出這樣的結(jié)論：與其說是摩爾

定律幾十年來一直統(tǒng)治著半導(dǎo)體市場，不如說摩爾定律只是客觀真實(shí)地反映了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的

發(fā)展規(guī)律。用戶對(duì)芯片性能和功能的需求，促使半導(dǎo)體廠商采用更精密的制造工藝并將更多

的晶體管放到芯片中；同時(shí)，半導(dǎo)體廠商為了降低成本，采用直徑越來越大的晶體片來提高

產(chǎn)出率。

表1-2數(shù)字集成電路的發(fā)展

分類門的個(gè)數(shù)(集成度)典型的集成電路

小規(guī)模最多12個(gè)邏輯門、觸發(fā)器

中規(guī)模12-99計(jì)數(shù)器、加法器

大規(guī)模100-9999小型存儲(chǔ)器、門陣列

超大規(guī)模10000-99999大型存儲(chǔ)器、微處理器

甚大規(guī)模100000以上可編程邏輯器件、多功能專用集成電路

半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展至今，足以能在一個(gè)芯片上裝下數(shù)千萬只晶體管，有趣的是這是一個(gè)

喜憂參半的結(jié)局。如此之多的晶體管，加上如此之高的主頻，使得芯片工作起來像是一個(gè)“小

電爐”，從而“拖累”了主頻提升的步伐；但另一方面，如此之高的集成技術(shù)，使得多內(nèi)核

和超線程等并行計(jì)算技術(shù)成為可能。以此為契機(jī)，未來并行技術(shù)對(duì)芯片性能的貢獻(xiàn)將會(huì)越來

越大。今后，當(dāng)半導(dǎo)體工藝遭遇物理極限、頻率無法繼續(xù)提高時(shí)，惟有并行技術(shù)能夠擔(dān)當(dāng)繼

續(xù)推動(dòng)硅計(jì)算的重任。如果說摩爾在1965年能夠突破集成電路發(fā)展初期的局限而提煉出摩

爾定律，那今天探討摩爾定律時(shí)，更要用發(fā)展的眼光，看它給產(chǎn)業(yè)帶來的啟迪，而不是就事

論事地談?wù)撃柖墒欠褚廊粶?zhǔn)確。

在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的司時(shí)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，并行處理技術(shù)、分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算

機(jī)網(wǎng)絡(luò)等都有了很大的發(fā)展；在軟件方面，發(fā)展了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、高效而可

靠的高級(jí)語言以及面向?qū)ο蠹夹g(shù)等等，并逐漸形成軟件產(chǎn)業(yè)。

第四代計(jì)算機(jī)始于20世紀(jì)70年代初，和第三代計(jì)算機(jī)相比，元器件沒有發(fā)生本質(zhì)變化,

大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為計(jì)算機(jī)的主要功能部件，但是，由于技術(shù)工藝水平的進(jìn)步，使

得集成電路的“集成度”〔集成電路的集成度是指單塊芯片上所容納的元件數(shù)目。集成度越

高，所容納的元件數(shù)目越多。)得到了大大提高，計(jì)算機(jī)性能已是十分優(yōu)越，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了

快速普及應(yīng)用階段。微型計(jì)算機(jī)也得到了較快發(fā)展。

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

計(jì)算機(jī)廣泛普及應(yīng)用后，各國科學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家就開始了計(jì)算機(jī)盡可能“模擬人”、

“模擬人腦”的研究工作，并取得了顯著的成果。新型的量子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)也在研制

當(dāng)中。

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展史表明：電子計(jì)算機(jī)是以其電子元器件（材料）的更新和技術(shù)工藝水

平的進(jìn)步為基礎(chǔ)，以功能不斷完善的軟件作保障。總的發(fā)展趨勢是：成本降低，性能提高,

用戶界面日趨友好。

1.2.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

計(jì)算機(jī)今后將朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、人工智能四個(gè)方向發(fā)展。

1.巨型化

巨型化計(jì)算機(jī)也稱高性能計(jì)算機(jī)或超級(jí)計(jì)算機(jī)，一般是指每秒運(yùn)算速度上億次的計(jì)算

機(jī)。超級(jí)計(jì)算機(jī)是世界高新技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是體現(xiàn)科技競爭力和綜合國力的

重要標(biāo)志，其開發(fā)研制水平是衡量一個(gè)國家科技發(fā)展的主要指標(biāo)之一。因此各國都十分重

視其開發(fā)研制工作，我國從“銀河系列”、“曙光系列”到今天的“天河系列”，在高性能計(jì)

算機(jī)的研發(fā)和創(chuàng)新方面取得了一個(gè)又一個(gè)的重大突破，并站到了世界的前列，這得益于我國

科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展。高性能計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于國防、氣象、統(tǒng)計(jì)等領(lǐng)域。

2.微型化

微型化即微型機(jī)是一種大眾化的普及應(yīng)用機(jī)型。近幾年來速度得到了大大提升，性價(jià)比

也在不斷提高，應(yīng)用十分廣泛，和我們聯(lián)系比較緊密，我們?nèi)粘Ｊ褂媒佑|的基本都是微型機(jī).

3.網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化即計(jì)算機(jī)互聯(lián)，這是通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展的必然產(chǎn)物，它為計(jì)算機(jī)應(yīng)

用展現(xiàn)了廣闊的前景。過去社會(huì)分工相對(duì)獨(dú)立、社會(huì)相對(duì)封閉；現(xiàn)在及將來社會(huì)是信息的、

網(wǎng)絡(luò)的、更加開放的社會(huì)。網(wǎng)絡(luò)化的突出特點(diǎn)就是較好地實(shí)現(xiàn)了資源共享，互通有無。如今

互聯(lián)網(wǎng)使地球成了“地球村”，人們遠(yuǎn)隔千里也恍若近在咫尺，網(wǎng)絡(luò)化真正使人們實(shí)現(xiàn)了“溝

通無極限”。

4.智能化

智能計(jì)算機(jī)的研制開發(fā)體現(xiàn)出了人類的任何創(chuàng)造發(fā)明都要為自身服務(wù)這一基本思想，計(jì)

算機(jī)人工智能化的研究工作是很有意義的?，F(xiàn)在，有許許多多機(jī)器人在美國的汽車生產(chǎn)流水

線上工作，一些高溫、高噪音、高灰塵的高污染環(huán)境里也不乏智能計(jì)算機(jī)工作的身影，機(jī)器

人排爆，機(jī)器人深水作業(yè)等等。

最能體現(xiàn)人工智能的首推“人機(jī)對(duì)弈”，公眾直覺上認(rèn)為弈棋機(jī)程序是人工智能的最好

表達(dá)。上世紀(jì)末，美國IBM計(jì)算機(jī)公司研制開發(fā)的計(jì)算機(jī)一一“更深的藍(lán)”戰(zhàn)勝棋王國際特

級(jí)象棋大師k斯帕羅夫與“克隆”事件一樣引發(fā)人們的熱議，這標(biāo)志著長期以來的“人工智

能”工程實(shí)踐達(dá)到了相當(dāng)水準(zhǔn)。“計(jì)算機(jī)下棋不但涉及硬件的改進(jìn)，也需要算法觀念的創(chuàng)新。

不過，目前水平上的人機(jī)對(duì)弈中，機(jī)器需要的計(jì)算量是人的幾百萬倍，這一定程度上衡量了

我們對(duì)人工智能原理的理解仍然很有限。”“機(jī)器戰(zhàn)勝人”也引起公眾對(duì)科學(xué)現(xiàn)在與未來的關(guān)

注，人們并不直接關(guān)心事件中的科學(xué)研究實(shí)際過程，而是立即跨越幾個(gè)層次，侈談遙遠(yuǎn)的未

來以及總是爭論不休的哲學(xué)問題。在議論過程中，公眾提高了對(duì)人工智能領(lǐng)域的感知。

總的來說，計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢是由大到巨（追求高速度、高容量、高性能），由小到微

（追求微型化，包括臺(tái)式、便攜式、筆記本式乃至掌上型電腦，它們使用方便，價(jià)格低廉。）,

網(wǎng)絡(luò)化，智能化。同時(shí)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在許多技術(shù)領(lǐng)域都取得了巨大進(jìn)步，比如多媒體技術(shù)、

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、面向?qū)ο蟮募夹g(shù)、并行處理技術(shù)、人工智能、不污染環(huán)境并節(jié)約能源的“綠色

計(jì)算機(jī)”等。許多新技術(shù)，新材料也開始應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，比如超導(dǎo)技術(shù)、光盤技術(shù)等。雖然

12

很多國家都在研制第五代計(jì)算機(jī)，但至今未能實(shí)現(xiàn)突破，仍然還沒有出現(xiàn)第五代計(jì)算機(jī)。然

而計(jì)算機(jī)的發(fā)展將會(huì)突破迄今一直沿用的馮?諾依曼結(jié)構(gòu)是一必然趨勢。前四代計(jì)算機(jī)是按

構(gòu)成電子計(jì)算機(jī)的主要元器件的變革劃分的，第五代計(jì)算機(jī)可能是采用激光元器件和光導(dǎo)纖

維的光計(jì)算機(jī)，也可能不是按元器件的變革作為更新?lián)Q代的標(biāo)志，而是按其功能的革命性突

破作為標(biāo)志，比如是能夠處理知識(shí)和推理的人工智能計(jì)算機(jī)，甚至可能發(fā)展到以人類大腦和

神經(jīng)元處理信息的原理為基礎(chǔ)的生物計(jì)算機(jī)等。總之，i-算機(jī)的發(fā)展方興未艾，發(fā)展前景極

其廣闊和誘人。

普通大眾能夠深深感受到的變化是：計(jì)算機(jī)正從一種操作T具變成一種交流工具，從一

種普通的單一的計(jì)算工具變成一種智能化的、可開發(fā)的、學(xué)習(xí)的、現(xiàn)代化的復(fù)合工具。

1.2.3計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

1.計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)（Computer）是一種運(yùn)算速度很快，能夠接收和存儲(chǔ)信息，并按照存儲(chǔ)在其內(nèi)部

的程序?qū)斎氲男畔⑦M(jìn)行加工、處理，得到人們預(yù)期的結(jié)果，然后將處理結(jié)果輸出的高度自

動(dòng)化、智能化的電子設(shè)備，也有人稱計(jì)算機(jī)就是程序化了的機(jī)器。

2.計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

與其他工具和人類自身相比，計(jì)算機(jī)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)算速度快、通用強(qiáng)、運(yùn)算精

確等特點(diǎn)。

（1）運(yùn)算速度快

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件采用的是電子器件，其運(yùn)算速度遠(yuǎn)非其他計(jì)算工具所能比擬，而且運(yùn)

算速度仍在快速提高。目前最快已達(dá)數(shù)億億次以上。

（2）存儲(chǔ)容量大

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)功能是計(jì)算機(jī)區(qū)別于其他計(jì)算工具的重要特征。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器可以把原

始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、運(yùn)算指令等存儲(chǔ)起來，以備隨時(shí)調(diào)用。存儲(chǔ)器不但能夠存儲(chǔ)大量的信息,

而且能夠快速準(zhǔn)確地存入或取出這些信息。

（3）通用性強(qiáng)

通用性是計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)用于各種領(lǐng)域的基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)中，任何復(fù)雜的任務(wù)都可以分解

為大量的基本算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，計(jì)算機(jī)程序員可以把這些基本的運(yùn)算和操作按照一定的

規(guī)則（算法）寫成一系列操作指令，加上運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)，形成適當(dāng)?shù)某绦蚓涂梢酝瓿筛鞣N

各樣的任務(wù)。

（4）自動(dòng)化程度高

計(jì)算機(jī)內(nèi)部的操作運(yùn)算是根據(jù)人們預(yù)先編制的程序自動(dòng)控制執(zhí)行的。只要把包含一連串

指令的處理程序輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)便會(huì)依次取出指令，逐條執(zhí)行，完成各種規(guī)定的操作，

直到得山結(jié)果為止。

（5）計(jì)算精度高

計(jì)算機(jī)的可靠性高，差錯(cuò)率極低，一般來講只在那些人工介入的地方才有可能發(fā)生錯(cuò)誤,

這就是它的精確性。

1.2.4計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)由于其運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、可靠性強(qiáng)，并具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、過程控制

及其海量信息存儲(chǔ)能力，在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。按其用途，計(jì)算機(jī)可分為通用機(jī)和專用

第I章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)概論

機(jī)兩類。據(jù)其原理，計(jì)算機(jī)又可分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)?；旌嫌?jì)算機(jī)。

通常，人們根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、字長、存儲(chǔ)容量、軟件配置及用途等多方面的綜合

性能指標(biāo)，將計(jì)算機(jī)分為PC機(jī)、工作站、大型機(jī)、巨型機(jī)和服務(wù)器等幾類。下面分雙加以

介紹。

1.PC（PersonaIComputer）機(jī)即個(gè)計(jì)算機(jī)

I97I年，美國hnel公司成功地在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上

第一片4位微處理器MPU（micropiocessingunit）,并由它組裝成第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)MCS-4,

由此揭開了微型計(jì)算機(jī)普及的序幕。隨后，許多公司也爭相研制微處理器，相繼推出了8

位、16位、32位、64微處理器，芯片內(nèi)的主頻和集成度不斷提高。表1-3列出了近年來推

出的幾款Pentium微處理器芯片的性能指標(biāo)。

表1-3Penlium微處理器芯片

芯片名稱集成度主頻

PentiumMMX450萬個(gè)晶體管266MHz

Pentium11750萬個(gè)晶體管500MHz

Pentiumlll950萬個(gè)晶體管1GHz

Pentium41200萬個(gè)晶體管3.2GHz

1976年成立的蘋果公司，于70年代末先后推出Applel和Applell型計(jì)算機(jī)，以其完美

的軟硬件組合，向人們展示了PC機(jī)的魅力。

美國IBM公司采用Intel微處理器芯片，于1981年推出它的第一臺(tái)PC機(jī)IBM5150.IBM

PC機(jī)最大的意義在于：它采用開放式標(biāo)準(zhǔn)，并公開了全套的技術(shù)資料。此后，各廠家爭相

制造IBMPC兼容機(jī)及與之配套的外圍設(shè)備。以Intel處理器為核心的PC機(jī)硬件的不斷發(fā)展

和Microsoft等公司對(duì)PC機(jī)操作系統(tǒng)和辦公軟件的不斷改進(jìn)，使得PC機(jī)為大多數(shù)用戶所接

受。于是，采用不同微處理器、配以不同的外設(shè)、功能不斷增強(qiáng)的PC機(jī)走進(jìn)了我們的生活、

學(xué)習(xí)和工作中。

PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)之后，用戶乂可以通過PC機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)上的各種軟硬件資源。PC機(jī)已成為網(wǎng)

絡(luò)上客戶機(jī)的主力軍。使用多臺(tái)微機(jī)并行工作，還可以實(shí)現(xiàn)性能價(jià)格比非常好的高性能計(jì)算

機(jī)系統(tǒng)。

隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的加快，強(qiáng)大的計(jì)算能力固然對(duì)每一個(gè)用戶必不可少，然而移動(dòng)辦

公又也成了一種重要的辦公方式。因此，一種可隨身攜帶的“便攜機(jī)”應(yīng)運(yùn)而生，筆記本電

腦就是其中的典型產(chǎn)品之一，它適于移動(dòng)和外出使用的特長深受用戶歡迎。

根據(jù)微型機(jī)是否由最終用戶使用，微機(jī)又可分為獨(dú)立式微機(jī)（即我們口常使用的微機(jī)）

和嵌入式微機(jī)（或稱嵌入式系統(tǒng)）。嵌入式微機(jī)作為一個(gè)信息處理部件安裝在應(yīng)用設(shè)備里，

最終用戶不直接使用計(jì)算機(jī)，使用的是該應(yīng)用設(shè)備。例如包含有微機(jī)的醫(yī)療設(shè)備、家用電器、

銀行自動(dòng)存取機(jī)等。嵌入式微機(jī)一般是單片機(jī)或單板機(jī)。將中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出

接口集成在一個(gè)芯片上的計(jì)算機(jī)稱之為單片機(jī)。

PC機(jī)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)真正面向個(gè)人，真正成為大眾化的信息處理工具。現(xiàn)在，人們

手持一部“便攜機(jī)”，便可通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地與世界上任何一個(gè)地方實(shí)現(xiàn)信息交流與通信。

原來保存在桌面和書柜里的部分信息將存入隨身攜帶的電腦中。人走到哪里，以個(gè)人機(jī)（特

別是便攜機(jī)）為核心的移動(dòng)信息系統(tǒng)就跟到哪里，人類向著信息化的自由王國乂邁進(jìn)了一大

步。

2.工作站

工作站是一種高檔微機(jī)系統(tǒng)，其最突出的特點(diǎn)是圖形功能強(qiáng)，具有很強(qiáng)的圖形交互與

處理能力，因此在工程領(lǐng)域、特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無怪

乎人們稱工作站是專為工程師設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。工作站一般采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即將機(jī)器的

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軟、硬件接口公開，并盡量遵守國際工業(yè)界流行標(biāo)準(zhǔn)，以鼓勵(lì)其他廠商、用戶圍繞工作站開

發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。目前，多媒體等各種新技術(shù)已普遍集成到工作站中，使其更具特色。而它

的應(yīng)用領(lǐng)域也已從最初的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)擴(kuò)展到商業(yè)、金融、辦公領(lǐng)域，并頻頻充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服

務(wù)器的角色。

3.大型通用機(jī)

大型通用機(jī)是對(duì)一類計(jì)算機(jī)的習(xí)慣稱呼，本身并無十分準(zhǔn)確的技術(shù)定義。其具有通用性

強(qiáng)、綜合處理能力強(qiáng)、性能覆蓋面廣等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在科研、商業(yè)和管理部門。通常人們

稱大型機(jī)為“企業(yè)級(jí)”計(jì)算機(jī)。

大型機(jī)系統(tǒng)可以是單處理機(jī)、多處理機(jī)或多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)合體。

在信息化社會(huì)里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題，

而這正是大型機(jī)的特長。未來將賦予大型機(jī)更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應(yīng)用領(lǐng)域,

如大型事務(wù)處理、企業(yè)內(nèi)部的信息管理與安全保護(hù)、大型科學(xué)與工程計(jì)算等等。

4.巨型機(jī)

巨型機(jī)是計(jì)算機(jī)型號(hào)中檔次最高的機(jī)型，它的運(yùn)算速度最快、性能最高、技術(shù)最復(fù)雜。

巨型機(jī)主要用于解決大型機(jī)也難以解決的復(fù)雜問題，它是解決科技領(lǐng)域中某些帶有挑戰(zhàn)性問

題的關(guān)鍵工具。

研制巨型機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、尤其是國防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。核武器、反導(dǎo)彈武器、

空間技術(shù)、大范圍天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等都要求計(jì)算機(jī)有很高的速度和很大的容量，困而一

些國家競相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力

及其應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志。

FI前巨型機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒上億億次運(yùn)算。這種計(jì)算機(jī)使研究人員可以研究以前無

法研究的問題，例如研究更先進(jìn)的國防尖端技術(shù)、模擬巨能核爆過程、估算100年以后的天

氣、更詳盡地分析地震數(shù)據(jù)以及幫助科學(xué)家計(jì)算病毒對(duì)人體的作用等等。

巨型機(jī)按照體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平的發(fā)展，已經(jīng)經(jīng)歷了4代。

第一代巨型機(jī)是單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的陣列處理機(jī)AP,其典型代表是美國于

1972年研制成功的ILLAC-IV,它由64個(gè)處理機(jī)構(gòu)成8X8的陣列，這些處理機(jī)在?個(gè)控制

部件的控制下問步工作，其運(yùn)算速度近每秒1億次。

第二代巨型機(jī)是具有流水線結(jié)構(gòu)的向量機(jī)VPC20世紀(jì)70年代后期美國推出的Cray-I

是第二代巨型機(jī)的標(biāo)志。該機(jī)由高速中小規(guī)模集成電路組成，有12條不同功能的流水線運(yùn)

算部件，分為4組，可并行流水工作。該機(jī)也使得巨型計(jì)算機(jī)首次成為