任务1　走进计算机世界

任务情境

目前，人类社会已迈进入了网络时代，计算机和互联网也与老百姓的日常工作、学习和生活息息相关。在计算机技术、网络通信技术高速发展的今天，计算机和网络正在以惊人的速度进入人类社会的各个角落。现在连十几岁的孩子都知道利用计算机可以看动画、玩游戏、聊天……可以说，计算机是人类历史上一次神奇的发明。这次任务，我们就来走进计算机的世界，认识一下影响和改变着我们工作、学习和生活的计算机。

任务分解

（1）了解计算机可以做什么；

（2）了解计算机的特点；

（3）认识计算机的发展历程；

（4）认识未来计算机的发展趋势。

任务实施

1.了解计算机可以做什么

20世纪人类最杰出、最伟大的科技发明之一，就是计算机。计算机的诞生，为人类科技史揭开了崭新的一页，对人类社会的发展产生了巨大的影响，标志着人类进入了史无前例的信息时代。

计算机问世以来的短短几十年间，人类社会迅速由产业社会向信息社会过渡。伴随着计算机硬件和软件技术的发展，尤其近20年来网络技术和Internet技术的迅速发展，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、远程教育等领域。

1）数值计算

早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域。它用于解决科学研究和工程技术中提出的数学计算问题。利用计算机的高速度、高精度和存储容量大等特点，可以解决各种现代科学技术中计算量大、公式复杂、步骤烦琐的计算问题。如果不用计算机，这些问题是很难解决的，甚至根本无法完成。例如，在生物学领域，20世纪科研重大成果之一的核糖核酸、脱氧核糖核酸和蛋白质的组成和空间结构，就是采用计算机对其晶体结构进行大量分析、计算而获得的。此外，数值计算还应用于人造卫星、导弹发射及天气预报等计算问题。

2）信息处理

信息处理是目前计算机应用最广泛的一个领域。由于计算机的海量存储，可以把大量的数据输入计算机中进行存储、加工、计算、分类和整理，因此它广泛用于工农业生产计划的制定、科技资料的管理、财务管理、人事档案管理、火车调度管理、飞机订票等。当前我国服务于信息处理的计算机约占整个计算机应用的60％，而有些国家则达到80％以上。

目前，国内银行已采用计算机记账、算账，把成千上万的出纳、会计、审核员从烦琐、枯燥的计算中解脱出来。如我国一些银行发行的“牡丹卡”“长城卡”等信用卡片，顾客到全国各地指定商店购物不必带现金，只要将卡片送入商店计算机的一个终端设备中，即可验明卡片的真伪，查出存款数目，在自动减去货款后，将卡片退还顾客，整个操作可在数分钟内完成。

3）过程控制

过程控制又称实时控制或自动控制。它是指计算机对被控制对象实时地进行数据采集、检测和处理，按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。由于微机具有体积小、成本低和可靠性高的特点，在过程控制中得到了广泛应用。生产过程的计算机控制，不仅可以大大提高生产率，减轻人们的劳动强度，更重要的是可提高控制精度，提高产品质量和合格率。例如，对卫星、导弹、火炮等的发射过程的实时控制；对一台机床，一个生产车间以至整个工厂的控制；对海上、陆地、航空交通工具的运行过程的控制等。用计算机控制发电，对锅炉水位、温度、压力等参数进行优化控制，可使锅炉内燃料充分燃烧，提高发电效率。同时计算机可完成超限报警，使锅炉安全运行。计算机的过程控制已广泛应用于大型电站、火箭发射、雷达跟踪、炼钢等各个方面。

4）计算机辅助技术

计算机辅助技术是通过计算机来帮助人们完成特定任务的技术，它以提高工作效率和工作质量为目标。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是使用计算机来帮助设计人员进行设计的一门技术。使用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。CAD技术已广泛应用于船舶设计、飞机制造、建筑工程设计、大规模集成电路设计、机械设计等行业。目前，CAD的应用水平已成为一个国家现代化水平高低的重要标志。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。如工厂在制造产品的过程中，用计算机来控制机器的运行，处理制造中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行测试和检验等。采用CAM技术能提高产品质量，降低生产成本，改善工作条件和缩短产品的生产周期。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是指利用计算机来支持教学和学习。教师利用CAI系统可进行课堂教学、指导学生的学习等工作，学生可以通过CAI系统采用人机对话的方式学习有关课程内容并回答计算机给出的问题。

5）人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指用计算机来模拟人的智能，使其像人一样具备识别语言、文字、图形和推理、学习及自适应环境的能力。人工智能系统主要包括专家系统、机器人系统、语音识别和模式识别系统等。这是近年来开辟的计算机应用的新领域。

目前，世界上已研制出各种各样的智能机器人。如能在钢琴上演奏简单乐曲的机器人；能带领盲人走路的机器人；能听懂人的简单命令并按命令执行的机器人等。从它们的工作效能看，人工智能的前景是十分诱人的。

6）网络应用

计算机网络利用通信线路，按照通信协议，将分布在不同地点的计算机互联起来，使其相互通信，实现网上资源共享。计算机网络技术的发展，将形成一个支撑社会发展，改善生活品质的全新系统。全球网络化对当今社会政治、经济、科技、教育和文化产生了深远的影响，改变着人们的生活方式、工作方式和思维方法。

目前，基于Internet的应用不可胜数。例如，信息检索、电子商务、电子政务、网络教育、办公自动化、金融服务、远程会议、远程医疗、网络游戏、视频点播、网络寻呼等。

Internet是一个资源宝库，保存有许多共享软件、学术文献、影像资料、图片与动画等，人们可以通过Internet去搜索所需要的信息资源。例如，Internet上有许多提供搜索引擎的站点，搜索引擎可依据用户输入的查找要求进行自动搜索，并将找到的有关内容进行分类与索引。利用搜索引擎可以搜索所需的网站，也可以搜索所需的网页，甚至可以搜索出特定文字的网页。常见的搜索引擎网站有http://www.baidu.com、http://www.google.com.hk、www.yahoo.com等。

电子商务（Electronic Commerce，EC）的含义是任何一个组织机构可利用Internet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。目前，电子商务正在世界各国蓬勃发展。

基于Internet教育网络的建立，学生学习可以不受时间、地点的限制，通过网络伸展到全世界，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学习。这种基于网上的教育模式，将实现教育的重大革新，满足21世纪人才培养的需求。

办公自动化（Office Automation，OA）是利用计算机及自动化的办公设备来替代传统的办公设施及办公人员的劳动，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包括文秘、财务、人事、资料、后勤等各项管理工作。

远程医疗（Telemedicine）又称远程医学，是指在计算机网络环境下开展的异地远程医疗活动。在Internet环境下，在医疗管理信息系统的基础上，远程医疗可以异地开展远程医疗咨询与诊断、远程专家会诊、在线检查、远程手术指导、医疗信息服务、远程教学和培训等活动，甚至建立一家基于网络环境的虚拟医院。远程医疗可以使城市、农村或偏远山区的每一个人都能享受到及时、良好的医疗服务。

2.了解计算机的特点

1）自动地运行程序

计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。由于采用存储程序控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，启动计算机后，就能自动地执行下去直至完成任务。这是计算机最突出的特点。

2）运算速度快

计算机能以极快的速度进行计算。现在微型计算机的速度一般为每秒几十亿至几千亿次运算，而大型机、巨型机可达每秒千万亿次。随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需十几分钟就可以完成。

3）运算精度高

电子计算机具有以往计算机无法比拟的计算精度，目前已达到小数点后上亿位的精度。

4）具有记忆和逻辑判断能力

人是有思维能力的。而思维能力本质上是一种逻辑判断能力。计算机借助于逻辑运算，可以进行逻辑判断，并根据判断结果自动地确定下一步该做什么。计算机的存储系统由内存和外存组成，具有存储和“记忆”大量信息的能力，现代计算机的内存容量已达到几吉字节，甚至更大，而外存也有惊人的容量。如今的计算机不仅具有运算能力，还具有逻辑判断能力，可以使用其进行诸如资料分类、情报检索等具有逻辑加工性质的工作。

5）可靠性高

随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。计算机应用在管理中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。用同一台计算机能解决各种问题，可应用于不同的领域。

微型计算机除了具有上述特点外，还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易操作、功能强、使用灵活、价格便宜等特点。计算机还能代替人做许多复杂繁重的工作。

3.认识计算机的发展历程

1946年，世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院诞生，取名为“电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer）”，简称ENIAC。这标志着人类另一新纪元的开始。

几十年来，电子计算机经历了几次重大的技术革命，得到了突飞猛进的发展。通常按照电子计算机采用的电子器件来进行划分，将电子计算机的发展分为4个阶段，如表1-1所示。

1）第一代电子计算机

第一代计算机（1946—1957）。它采用磁鼓作存储器。磁鼓是一种高速运转的鼓形圆筒，表面涂有磁性材料，根据每一点的磁化方向来确定该点的信息。由于采用电子管，所以它们体积大、耗电多、运算速度较低、故障率较高而且价格极贵，使用也不方便，为解决一个问题所编制的程序其复杂程度难以表述。这一代计算机主要用于科学计算，只在重要部门或科学研究部门使用。图1-1所示为最早的计算机。

2）第二代电子计算机

第二代计算机（1958—1964）。它们全部采用晶体管作为电子器件，其运算速度比第一代计算机的速度提高了近百倍，体积为原来的几十分之一。在软件方面开始使用计算机算法语言。这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理及工业控制。图1-2和图1-3所示为该时代的计算机。

3）第三代电子计算机

20世纪60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随后，集成电路的集成度以每3～4年提高一个数量级的速度增长。第三代计算机是从1965年至1970年。这一时期的主要特征是以中、小规模集成电路为电子器件，并且出现操作系统，使计算机的功能越来越强，应用范围越来越广。它们不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。

4）第四代电子计算机

第四代计算机是指从1970年以后采用大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）为主要电子器件制成的计算机。例如80386微处理器，在约为10mm×10mm的单个芯片上，可以集成大约32万个晶体管。第四代计算机的另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。图1-4所示为第四代计算机。

5）第五代计算机

第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。1981年，日本东京召开了一次第五代计算机——智能计算机研讨会，随后制定出研制第五代计算机的长期计划。第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛应用，使人们能用语音、图像、视频等更自然的方式与计算机进行信息交互。智能计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和快速推理，其软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机（又称神经计算机）是智能计算机的重要代表。

6）第六代生物计算机

半导体硅晶片的电路密集，散热问题难以彻底解决，大大影响了计算机性能的进一步发挥与突破。研究人员发现，遗传基因——脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）的双螺旋结构能容纳巨量信息，其存储量相当于半导体芯片的数百万倍。一个蛋白质分子就是一个存储体，而且阻抗低、能耗少、发热量极小。基于此，利用蛋白质分子制造出基因芯片，研制生物计算机（又称分子计算机、基因计算机），已成为当今计算机技术的最前沿。生物计算机是比硅晶片计算机在速度、性能极具发展潜力的“第六代计算机”。

4.认识未来计算机的发展趋势

1）高性能计算

速度是计算机的第一指标，人类制造计算机的初衷就是追求计算速度，速度是计算机发展60多年来始终不渝的追求。尽管与第一台计算机相比，计算机的速度已经有了巨大的飞跃，但速度依然是计算机发展追求的最重要的目标之一。

发展高速度、大容量、功能强大的超级计算机，对于进行科学研究、保卫国家安全、提高经济竞争力具有非常重要的意义。诸如气象预报、航天工程、石油勘测、人类遗传基因检测等现代科学技术，以及开发先进的武器、军事作战的谋划和执行、图像处理及密码破译等，都离不开高性能计算机。研制超级计算机的技术水平体现了一个国家的综合国力，因此，超级计算机的研制是各国在高技术领域竞争的热点。

实现这种以速度为核心的高性能计算的途径包括两个方面，一方面是提高单一处理器的计算性能；另一方面是把这些处理器集成，由多个中央处理器（Central Processing Unit，CPU）构成一个计算机系统，进行并行计算。目前世界上顶级的高性能计算机都有成百上千，甚至上万个CPU，这些处理器协同计算，才提供了我们需要的速度。

2013年6月，由国防科大研制的天河二号超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全球最快超级计算机。2010年11月，天河一号曾以每秒4.7千万亿次的峰值速度，首次将五星红旗插上超级计算领域的世界之巅。此次是继天河一号之后，中国超级计算机再次夺冠。

相比之下，美国能源部下属橡树岭国家实验室的“泰坦”从上次第一名降至本次第二名，其运算速度为17.59千万亿次。

2）服务计算

服务属于商业范畴，计算属于技术范畴，服务计算是商业与技术的融合，通俗地讲就是把计算当作一种服务提供给用户。近年来我们常常听到的“云计算”就是这样一种计算形式，把大规模信息技术相关的各种计算资源和计算能力通过Internet以服务的方式提供给用户。

传统的计算模式通常需要购置必要的计算设备和软件，这种计算往往不会持续太长的时间，或者偶尔为之。不计算时，这些设备和软件就处于闲置状态。算一下世界上该有多少这样的设备和软件，如果能够把所有这些设备和软件集中起来，供需要的用户使用，那只需要支付少许的租金就可以了，一方面用户节省了成本，另一方面设备和软件的利用率达到了最大化。这就是服务计算的理念。

2001年，IBM开始倡导Web服务，把运行在不同工作平台的应用相互交流、整合在一起。2002年6月，一个以Web服务计算为名的学术专题研讨分会依托国际互联网计算会议在美国拉斯维加斯举行，首次把网上服务和计算融为一体。2003年11月，在IEEE的推动下，把服务的概念进一步拓展，正式确认服务计算诞生。

服务计算跨越计算机与信息技术、商业治理、商业咨询服务等领域，应用面向服务架构技术，消除了商业服务与信息支撑技术之间的鸿沟。它整合了一系列最新技术成果，面向服务的体系结构、SOA、Web服务、网格计算，以及业务流程整合及治理。第一部分解决的是技术平台和架构的问题，第二部分解决的是服务交付的问题，第三部分则是业务本身的整合和治理。

软件即服务（SaaS）是服务计算的一个典型例子。传统意义上软件通常是通过购买版权而获得使用权的，在SaaS模式中，软件按使用时间付费，而且是通过互联网实现的，甚至可连设备也一并按使用时间付费，计算纯粹就是一种服务。

3）普适计算

普适计算（Pervasive Computing）这个词是IBM在1999年发明的，意指在任何时间、任何地点都可以计算，又称无处不在的计算（Ubiquitous Computing），就是说计算无时不在、无处不在。

随着计算机网络化、微型化，以及嵌入式技术的发展，普适计算正在逐渐成为现实。现在我们的周围就可以看到普适计算的影子，如自动洗衣机可以按照设定的模式自动完成洗衣工作，智能电饭煲可以在早晨醒来时做好饭，在大街上拿着手机上网，捧着笔记本在机场大厅查收邮件，在家里网上预订酒店、机票等，尽管还没有达到十足的普适计算，但已经体现了普适计算的雏形。

未来的普适计算将集移动通信技术、计算技术和嵌入式技术于一体，通过将普适计算设备嵌入到人们生活的各种环境中，将计算从桌面上解脱出来，使用户能以各种灵活的方式享受计算能力和系统资源。那时在我们的周围到处都是计算机，这些计算机将依据不同的计算要求而呈现不同的模样、不同的名称，以至于我们忘记了它们其实就是计算机。中小学生不用再背着沉甸甸的书包去上学了，所有的教材和作业本都装在一个薄薄的笔记本里，做完作业只要按一下键就可以交给老师。数字家庭通过家庭网关将宽带网络接入家庭，在家庭内部，手持设备、PC或者家用电器通过有线或者无线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环境。人们能在任何地点、任何时间访问社区服务网络，比如在社区里预订一场比赛的门票，电子家庭解决方案通过高级的设备与电器诊断、自动定时、集中和远程控制等功能，令生活更方便舒适。通过远程监控器监控家庭的情况，使生活更安全。

4）智能计算

1950年10月，图灵发表了又一篇划时代的论文——“机器能思考吗”。他在这篇论文中提出了这样一个观点，我们可以做到让机器像人一样进行思考。1956年夏天，10个来自不同领域、不同专业的科学家，在美国达特莫斯大学（Dartmouth）举行了为期两个月的学术研讨会，会议主要探讨的就是图灵当年提出的这个问题。作为这次会议的主要成果，一个新的学科领域——人工智能宣告诞生。

人工智能的主要内容是研究如何让计算机去做过去只有人才能做的智能工作，核心目标是赋予计算机智能，人脑一样的智能。

半个多世纪来，在人工智能领域取得了一些进展。典型的例子就是模式识别，指纹识别技术已经得到广泛应用。在机器翻译方面也取得了一些进展，计算机辅助翻译极大提高了翻译效率。在输入方面，手写输入技术已经在手机上得到应用，语音输入还在完善中。

1997年，IBM的“深蓝”以3.5：2.5的比分战胜了卡斯帕罗夫，完成了一次耗资巨大的图灵测试。2003年“小深”替换上场，以3：3的比分与卡斯帕罗夫“握手言和”。人们不由得问：机器真的不会思考吗？甚至有些人开始对思考的内涵有了思考：究竟什么是思考。

但所有这些还不能称得上是真正的智能计算，就像深蓝的获胜是靠计算机超强的计算能力实现的。未来的目标是实现人机交互，让计算机能够听懂我们的话，看懂我们的表情，能够进行思维。

5）生物计算

生物计算包含两个方面：一方面，晶体管的密度已经接近当前所用技术的极限，要继续提高计算机的性能，就要寻找新的计算机结构，生物计算机成为一种选择。另一方面，随着分子生物学的突飞猛进，它已经成为资料量最大的一门学问，借助计算机进行分子生物信息研究，可以通过数量分析的途径获取突破性的成果。

20世纪70年代，人们发现DNA处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化，这个发现引发了人们对生物元件的研究和开发。目前，在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。如果真的能实现生物计算机，生物芯片的特性将使计算机进入一个新的时代。

生物计算更重要的方面是利用计算机进行基因组研究，运用大规模高效的理论和数值计算，归纳、整理基因组的信息和特征，模拟生命体内的信息流过程，进而揭示代谢、发育、分化、进化的规律，探究人类健康和疾病的根源，并进一步转化为医学领域的进步，从而为人类的健康服务。

目前这方面的研究包括以下一些内容，基因组序列分析、基因组注释、生物多样性数据库并不仅是以结构预测、蛋白质表达分析、比较基因组学、基因表达分析、生物系统模拟等在药物研发方面的应用。