普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

（第二版）

郭紅主編

孫改平楊陽吳曉丹王曉菊副主編

耿子林主審

內(nèi)容簡介

本書根據(jù)教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出的《高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)教

學(xué)基本要求》，結(jié)合教育部考試中心頒發(fā)的《全國計算機(jī)等級考試一級計算機(jī)基礎(chǔ)及MSOffice

應(yīng)用考試大綱（2018年版）》編寫而成。

全書共分9章，系統(tǒng)地介紹了計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維、計算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)制與信息編碼、

操作系統(tǒng)、文字處理軟件Word2010、電子表格軟件Excel2010、演示文稿軟件PowerPoint2010、

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、算法與程序設(shè)計等內(nèi)容。

本書內(nèi)容豐富、語言通俗易懂、圖文并茂，注重突出重點(diǎn)、化解難點(diǎn)，結(jié)合操作實(shí)例進(jìn)行

講述，有利于提高讀者的計算機(jī)應(yīng)用能力。

本書適合作為普通高等院校非計算機(jī)專業(yè)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教材，也可作為全國計算機(jī)等

級考試的培訓(xùn)教材或相關(guān)人員的自學(xué)用書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程/郭紅主編.—北京：中國鐵道出版社

有限公司，2019.8

普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材

ISBN978-7-113-25732-3

Ⅰ.①大…Ⅱ.①郭…Ⅲ.①電子計算機(jī)-高等學(xué)校-教材

Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2019）第156433號

書名：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

作者：郭紅

策劃：魏娜李小軍編輯部電話2007

責(zé)任編輯：陸慧萍馮彩茹

封面設(shè)計：付巍

封面制作：劉穎

責(zé)任校對：張玉華

責(zé)任印制：郭向偉

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）

網(wǎng)址：http:///51eds/

印刷：三河市興博印務(wù)有限公司北京鑫正大印刷有限公司

版次：2019年8月第1版2019年8月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：19.5字?jǐn)?shù)：485千

書號：ISBN978-7-113-25732-3

定價：49.80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

打擊盜版舉報電話：（010）51873659

前言

近年來，計算機(jī)課程的改革如同計算機(jī)的發(fā)展速度一樣迅速，主要的變化是教育部

高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出了以計算思維為切入點(diǎn)的大學(xué)計算機(jī)課程

的教學(xué)改革思路，目的是著力提升大學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的計算機(jī)基礎(chǔ)

知識、技術(shù)和方法，以適應(yīng)信息化社會對人才需求的新變化，以及利用計算機(jī)解決本專

業(yè)領(lǐng)域問題的能力。

“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”是高等學(xué)校非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的通識必修課，是計算機(jī)教育的入

門課程。為了貫徹和實(shí)施以計算思維為切入點(diǎn)的教學(xué)改革，適應(yīng)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新變

化，在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中引入了算法和程序設(shè)計的內(nèi)容，以利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思

維能力。編者從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，以應(yīng)用為目的，結(jié)合計算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)和《全國計算機(jī)

等級考試一級計算機(jī)基礎(chǔ)及MSOffice應(yīng)用考試大綱（2018年版）》的要求，有選擇地確

定了本書的具體內(nèi)容，以期體現(xiàn)計算機(jī)最基本、最重要的概念、思想和方法。

全書共分9章，第1章介紹了計算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展、計算思維等基本內(nèi)容；第2章

系統(tǒng)地介紹了計算機(jī)系統(tǒng)的組成、微型計算機(jī)系統(tǒng)的組成和發(fā)展；第3章介紹了數(shù)制以

及數(shù)制間的轉(zhuǎn)換、多種信息的編碼；第4章系統(tǒng)地介紹了操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、Windows7

操作系統(tǒng)的基本操作和管理；第5～7章分別系統(tǒng)地介紹了文字處理軟件Word2010、電

子表格軟件Excel2010、演示文稿軟件PowerPoint2010的基本功能與應(yīng)用；第8章系統(tǒng)

地介紹了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識、局域網(wǎng)以及Internet的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用；第9章介紹

了算法設(shè)計的概念與表示、算法的基本方法以及程序設(shè)計基礎(chǔ)。為了方便廣大師生的教

和學(xué)，本書還提供了配套的電子教案和有關(guān)的素材文件。

本書在編寫過程中，基于科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性的原則，從信息技術(shù)的概念入手，

由淺入深、循序漸進(jìn)地進(jìn)行講述。在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)、深入地介紹計算機(jī)的基本概念、原

理、技術(shù)和方法；在內(nèi)容上，既考慮到初學(xué)計算機(jī)的學(xué)生需要系統(tǒng)地掌握常用辦公軟件

的使用，又為有一定基礎(chǔ)的學(xué)生增加了一些軟件的使用技巧；在應(yīng)用方面，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)

的應(yīng)用、算法與程序設(shè)計等內(nèi)容的介紹，突出了培養(yǎng)計算思維和面向應(yīng)用的教改理念。

本書由郭紅任主編，孫改平、楊陽、吳曉丹、王曉菊任副主編。全書內(nèi)容由耿子林

主審。第1章和第3章及第5章5.1～5.4節(jié)由郭紅編寫；第2章和第4章由孫改平編寫；

第6章由吳曉丹編寫；第7章和第8章由楊陽編寫，第5章5.5～5.7節(jié)和第9章由王曉

菊編寫，最后由郭紅統(tǒng)稿。另外，華北科技學(xué)院計算機(jī)學(xué)院的張瑾和劉士杰兩位教授對

2大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

本書的編寫提出了寶貴的建議；李芙鈴、陳超、欒尚敏、崔新偉、李冬艷、吳靜、狐為

民、孟廣學(xué)等教師對本書提出了寶貴的意見和建議，并在資料收集、整理和部分章節(jié)的

編校過程中付出了辛勤勞動；周輝、閆斌斌、侍偉洲等同學(xué)對本書中操作進(jìn)行了校對，

在此一并表示感謝。

由于編者的水平有限，加之時間倉促，書中難免存在疏漏和不足之處，懇請同行和

讀者批評、指正。

編者

2019年5月

目錄

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維12.2.8微型計算機(jī)的主要性能指標(biāo)37

1.1計算機(jī)發(fā)展概覽1習(xí)題38

1.1.1計算機(jī)的起源1第3章數(shù)制與信息編碼41

1.1.2計算機(jī)的發(fā)展23.1認(rèn)識“0”和“1”41

1.1.3計算機(jī)的分類33.1.1《易經(jīng)》與0和141

1.1.4計算機(jī)的特點(diǎn)53.1.2情報與0和142

1.1.5計算機(jī)的應(yīng)用53.1.3計算機(jī)為什么采用二進(jìn)制42

1.1.6我國計算機(jī)的發(fā)展73.2數(shù)制與轉(zhuǎn)換42

1.2計算機(jī)的發(fā)展趨勢83.2.1數(shù)制42

1.2.1計算機(jī)的發(fā)展方向83.2.2不同進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換44

1.2.2計算機(jī)發(fā)展的新熱點(diǎn)93.3數(shù)值在計算機(jī)中的表示46

1.3計算思維基礎(chǔ)123.3.1機(jī)器數(shù)47

1.3.1計算機(jī)文化123.3.2定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)47

1.3.2計算思維133.4信息編碼49

1.3.3計算思維對非計算機(jī)學(xué)科的3.4.1ASCII碼49

影響153.4.2BCD碼51

1.3.4計算思維能力的培養(yǎng)153.4.3漢字編碼51

習(xí)題163.4.4聲音編碼54

第2章計算機(jī)系統(tǒng)183.4.5圖像編碼56

2.1計算機(jī)系統(tǒng)概述18習(xí)題57

2.1.1計算機(jī)系統(tǒng)的組成18第4章操作系統(tǒng)59

2.1.2計算機(jī)硬件系統(tǒng)194.1Windows7操作系統(tǒng)59

2.1.3計算機(jī)軟件系統(tǒng)204.1.1操作系統(tǒng)概述59

2.1.4計算機(jī)的基本工作原理244.1.2Windows操作系統(tǒng)62

2.2微型計算機(jī)系統(tǒng)244.2Windows7基本操作64

2.2.1總線254.2.1Windows7的啟動與退出64

2.2.2主板274.2.2桌面66

2.2.3中央處理器294.2.3任務(wù)欄67

2.2.4內(nèi)存儲器304.2.4“開始”菜單69

2.2.5外存儲器324.2.5窗口71

2.2.6輸入設(shè)備344.2.6菜單74

2.2.7輸出設(shè)備354.2.7中文輸入法76

II大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

4.2.8幫助功能的使用785.3.1打開文檔109

4.3文件管理795.3.2文本的選定110

4.3.1認(rèn)識文件和文件夾795.3.3文檔的基本編輯111

4.3.2資源管理器815.3.4查找與替換112

4.3.3文件與文件夾的基本操作825.4文檔的格式化114

4.3.4文件與文件夾的其他操作895.4.1字符格式化115

4.4系統(tǒng)配置925.4.2段落格式化117

4.4.1Windows控制面板925.4.3底紋和邊框格式化122

4.4.2外觀和個性化設(shè)置925.4.4使用樣式與模板格式化124

4.4.3賬戶管理935.4.5格式刷的使用126

4.4.4設(shè)置鍵盤和鼠標(biāo)945.4.6頁面格式化126

4.4.5設(shè)置輸入法945.4.7打印輸出127

4.4.6安裝/刪除程序955.5表格處理128

4.5系統(tǒng)維護(hù)955.5.1創(chuàng)建表格128

4.5.1磁盤清理955.5.2編輯表格131

4.5.2磁盤碎片整理965.5.3格式化表格133

4.5.3磁盤查錯975.5.4表格數(shù)據(jù)的處理137

4.5.4磁盤格式化985.6對象的插入與編輯138

4.5.5任務(wù)管理器985.6.1插入圖形和圖片139

4.6Windows7常用應(yīng)用程序995.6.2插入藝術(shù)字146

4.6.1計算器995.6.3插入公式146

4.6.2記事本995.6.4插入文本框147

4.6.3寫字板1005.6.5圖文混排148

4.6.4畫圖1005.7長文檔編輯149

習(xí)題1015.7.1設(shè)置分隔符149

第5章文字處理軟件Word20101035.7.2設(shè)置頁眉與頁腳151

5.1Word2010概述1035.7.3設(shè)置頁碼152

5.1.1引言1035.7.4插入腳注與尾注154

5.1.2啟動Word20101035.7.5生成目錄154

5.1.3Word2010的工作界面1035.7.6插入批注157

5.1.4視圖方式105習(xí)題158

5.1.5退出Word2010106第6章電子表格軟件Excel2010160

5.2文檔的基本操作1066.1Excel2010概述160

5.2.1創(chuàng)建新文檔1066.1.1引言160

5.2.2文本的錄入1076.1.2Excel2010的工作界面160

5.2.3保存文檔1086.1.3Excel2010的基本概念161

5.3文檔的編輯1096.1.4Excel2010的基本操作162

目錄III

6.2數(shù)據(jù)的輸入與編輯163第7章演示文稿軟件PowerPoint

6.2.1輸入數(shù)據(jù)1632010212

6.2.2自動填充1657.1PowerPoint2010概述212

6.2.3數(shù)據(jù)編輯1677.1.1PowerPoint2010的常用術(shù)語212

6.3公式與函數(shù)1697.1.2PowerPoint2010的工作界面213

6.3.1使用公式1697.1.3PowerPoint2010的視圖模式214

6.3.2使用函數(shù)1727.2制作演示文稿215

6.3.3公式的復(fù)制和單元格引用1747.2.1新建演示文稿215

6.3.4應(yīng)用舉例1767.2.2向幻燈片中插入對象216

6.4工作表的格式化1787.2.3編輯幻燈片中的對象220

6.4.1設(shè)置行高、列寬1797.2.4編輯演示文稿221

6.4.2設(shè)置單元格格式1797.3格式化演示文稿224

6.4.3設(shè)置條件格式1837.3.1母版224

6.4.4自動套用格式1837.3.2主題226

6.4.5格式的復(fù)制和刪除1847.3.3幻燈片背景227

6.5工作表的基本操作1857.4設(shè)置放映效果230

6.5.1選定工作表1857.4.1設(shè)置幻燈片動畫效果230

6.5.2重命名工作表1857.4.2設(shè)置幻燈片切換效果232

6.5.3插入、刪除工作表1867.4.3設(shè)置幻燈片超鏈接效果232

6.5.4移動、復(fù)制工作表1867.5演示文稿的放映與輸出234

6.5.5隱藏或取消隱藏工作表1877.5.1設(shè)置幻燈片的放映控制234

6.5.6拆分與凍結(jié)工作表1877.5.2演示文稿的打印輸出236

6.6圖表188習(xí)題237

6.6.1創(chuàng)建圖表188第8章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)239

6.6.2圖表的編輯與格式化1908.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述239

6.6.3應(yīng)用舉例1938.1.1初識計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)239

6.7數(shù)據(jù)管理1958.1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本功能241

6.7.1數(shù)據(jù)管理概述1958.1.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類242

6.7.2數(shù)據(jù)排序1968.1.4計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)243

6.7.3數(shù)據(jù)篩選1978.1.5計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議244

6.7.4分類匯總2008.2局域網(wǎng)246

6.7.5數(shù)據(jù)透視表2028.2.1局域網(wǎng)的特點(diǎn)246

6.7.6應(yīng)用舉例2068.2.2局域網(wǎng)的組成246

6.8頁面設(shè)置與打印2088.3Internet基礎(chǔ)250

6.8.1打印區(qū)域與分頁的設(shè)置2088.3.1Internet概述250

6.8.2頁面設(shè)置與打印2098.3.2Internet基本技術(shù)253

習(xí)題

2108.3.3IP地址與域名255

IV大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

8.3.4Internet接入方法2589.1.1算法的概念279

8.4信息瀏覽與檢索2609.1.2算法的表示281

8.4.1基本概念2609.2算法設(shè)計的基本方法289

8.4.2瀏覽器的使用2619.2.1枚舉法289

8.4.3信息檢索2659.2.2迭代法290

8.4.4信息保存與下載2669.2.3排序291

8.5電子郵件2689.2.4查找293

8.5.1電子郵件的基本概念2689.3程序設(shè)計基礎(chǔ)294

8.5.2電子郵件的基本操作2699.3.1程序設(shè)計概述294

8.6網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)2729.3.2程序設(shè)計的一般過程297

8.6.1網(wǎng)絡(luò)安全2729.3.3程序設(shè)計方法297

8.6.2計算機(jī)病毒及防范2739.4應(yīng)用實(shí)例301

8.6.3網(wǎng)絡(luò)攻擊及防范2759.4.1算法分析301

8.6.4互聯(lián)網(wǎng)行為規(guī)范與禮儀2769.4.2利用C語言編程301

習(xí)題277習(xí)題302

第9章算法與程序設(shè)計279參考文獻(xiàn)304

9.1算法279

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維

計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維第1章

計算機(jī)技術(shù)對社會的影響已經(jīng)人所共識。計算機(jī)已經(jīng)成為人類工作、學(xué)習(xí)和生活的必備工具，

無論在經(jīng)濟(jì)、軍事、教育、科技乃至商業(yè)等領(lǐng)域都能看到它的應(yīng)用。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，縮

短了人們交流的距離，實(shí)現(xiàn)了無距離、跨地區(qū)的優(yōu)質(zhì)資源共享，所有這一切都應(yīng)歸功于計算機(jī)和

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的誕生。因此，掌握計算機(jī)基礎(chǔ)知識和具有計算思維能力已成為當(dāng)今社會所需人才的

必備素質(zhì)。

本章主要介紹計算機(jī)的基礎(chǔ)知識、計算機(jī)發(fā)展歷程和計算思維的基本概念。通過本章的學(xué)習(xí)，

讀者可對計算機(jī)有較深入的認(rèn)識和興趣，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

1.1計算機(jī)發(fā)展概覽

1.1.1計算機(jī)的起源

1．早期的計算工具

人類的生產(chǎn)和生活離不開計算，然而人類自身的計算速度又較為低下，如公元5世紀(jì)祖沖之

將圓周率π推算到小數(shù)點(diǎn)后7位花了整整15年時間。為了適應(yīng)社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，追求更快的

計算能力，人類在其漫長的文明進(jìn)化過程中，發(fā)明和改進(jìn)了許多計算工具。

計算工具的源頭可以追溯到2000多年前的春秋戰(zhàn)國時代，古

代中國人發(fā)明的算籌是世界上最早的計算工具；中國唐朝末年發(fā)明

的算盤，是人類歷史上最早的一種手動式計算器，也被許多人認(rèn)為

是最早的數(shù)字計算機(jī)，一直沿用至今，如圖1-1所示。

圖1-1算盤

1623年德國科學(xué)家契克卡德（W.Schickard）制造了人類有史以

來第一臺機(jī)械計算機(jī)，它能進(jìn)行6位數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算；1642年法國科學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）

發(fā)明了第一個加法器，它采用齒輪式傳動裝置實(shí)現(xiàn)了自動進(jìn)位操作，但只能進(jìn)行加法運(yùn)算；1647

年德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨（W.Leibniz）在帕斯卡研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改

進(jìn)，發(fā)明了能夠進(jìn)行四則運(yùn)算的手搖式計算機(jī)，如圖1-2所示。這

臺計算機(jī)采用“進(jìn)位-加”的方法進(jìn)行計算，后來演化為二進(jìn)制，

被現(xiàn)代計算機(jī)普遍采用至今。

1822年英國劍橋大學(xué)的查爾斯·巴貝奇（CharlesBabbage）教圖1-2手搖式計算機(jī)

授受杰卡德編織機(jī)的啟迪，花費(fèi)10年時間，設(shè)計出了差分機(jī)，如圖1-3所示。它能夠按照設(shè)計

者的旨意，自動處理不同函數(shù)的計算過程，1834年他又設(shè)計出了具有堆棧、運(yùn)算器和控制器的分

2大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

析機(jī)，分析機(jī)體現(xiàn)了現(xiàn)代電子計算機(jī)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計思想，因此被稱為現(xiàn)代

通用計算機(jī)的雛形。

至此，這些計算工具多是手動式和機(jī)械式的，并不能滿足人類對更快

計算能力的渴望。直到世界上第一臺電子計算機(jī)的出現(xiàn)，人類才從繁重、

枯燥的計算中解脫出來。

圖1-3差分機(jī)

2．計算機(jī)的誕生

在機(jī)械式計算機(jī)誕生后的近100年時間中，電子科學(xué)與工程技術(shù)取得了長足的進(jìn)展，數(shù)學(xué)、

物理等自然科學(xué)領(lǐng)域的成果也為電子計算機(jī)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，加之社會的迫切需求，計

算機(jī)開始了真正意義上的由機(jī)械向電子的“進(jìn)化”，電子計算機(jī)才正式問世。

1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺電子計算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC）。

ENIAC完全采用電子線路執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和信息存儲，運(yùn)算速度是當(dāng)時繼電器計算機(jī)的

1000倍。ENIAC使用了18000多只電子管，70000多個電阻，占地面積達(dá)170m2，質(zhì)量達(dá)30t，

每小時耗電為150kW，它是一臺公認(rèn)的“大型”計算機(jī)，如圖1-4所示。

圖1-4ENIAC

ENIAC采用十進(jìn)制，每次運(yùn)行一個新的程序都要重新連接線路，接線的時間甚至遠(yuǎn)比運(yùn)行的

時間長，盡管如此，雖然只有5000次/s加法運(yùn)算速度，能在30s內(nèi)計算出從發(fā)射到擊中目標(biāo)飛

行1min的彈道軌跡，在當(dāng)時已經(jīng)是巨大的成就。

至今人們公認(rèn)，ENIAC的問世在人類科學(xué)史上具有劃時代的意義，開辟了電子計算機(jī)時代的

新紀(jì)元。不過ENIAC自身存在兩大缺點(diǎn)，一是沒有存儲器；二是用布線接板進(jìn)行控制，計算速度

被接線的工作所抵消，因此，對后來計算機(jī)的研究影響不大。直到EDVAC的問世才為現(xiàn)代計算

機(jī)在體系結(jié)構(gòu)和工作原理上奠定了基礎(chǔ)。

1.1.2計算機(jī)的發(fā)展

從第一臺電子計算機(jī)的誕生到現(xiàn)在，電子計算機(jī)經(jīng)過了70多年的發(fā)展，體積不斷變小，性能

和速度卻不斷提高。根據(jù)它所采用的主要物理器件，將計算機(jī)的發(fā)展分為四個時代。

1．電子管時代（1946—1959年）

這一代計算機(jī)采用的邏輯元件主要是電子管，數(shù)據(jù)采用定點(diǎn)數(shù)表示。由于當(dāng)時電子技術(shù)的限

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維3

制，運(yùn)算速度僅為每秒幾千次，內(nèi)存容量也僅為幾千字節(jié)。因此，電子管時代的計算機(jī)體積龐大、

造價很高。在這個時期，沒有系統(tǒng)軟件，只能用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序。計算機(jī)只能在少

數(shù)尖端領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如科學(xué)研究、軍事研究等。

2．晶體管時代（1960—1964年）

這一代計算機(jī)采用的邏輯元件主要是晶體管，內(nèi)存儲器所使用的器件大都為磁芯存儲器。外

存儲器出現(xiàn)了磁盤、磁帶等存儲設(shè)備，外圍設(shè)備種類也有所增加。運(yùn)算速度達(dá)到每秒幾十萬次，

內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬字節(jié)。與此同時，計算機(jī)軟件也有了較大的發(fā)展，出現(xiàn)了高級語言。與電

子管計算機(jī)相比，晶體管計算機(jī)體積小、成本低、功能強(qiáng)、可靠性高。除了用于科學(xué)研究外，還

逐漸被應(yīng)用在商業(yè)、工程等領(lǐng)域。晶體管計算機(jī)存在的主要缺點(diǎn)是，輸入/輸出設(shè)備速度較慢，無

法與主機(jī)的計算速度相匹配。

3．集成電路時代（1965—1970年）

這一代計算機(jī)采用的邏輯元件主要是中小規(guī)模集成電路。隨著固體物理技術(shù)的發(fā)展，集成電

路工藝已可以在幾平方毫米的單晶硅片上集成由十幾個甚至上百個電子元件組成的邏輯電路。其

運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾十萬次至百萬次。隨著集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，體積越來越小，價格越來越

低，而軟件越來越完善。這一時期，計算機(jī)同時向標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化、通用化、機(jī)種系列化方向發(fā)

展，高級程序設(shè)計語言在這個時期也有了很大發(fā)展，并出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和會話式語言。計算機(jī)的

應(yīng)用也開始向社會各個領(lǐng)域擴(kuò)展。

4．大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代（1971年至今）

這一代計算機(jī)采用的邏輯元件主要是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。由于集成度的大

幅提高，使得計算機(jī)具有高速度、高性能、大容量和低成本等特點(diǎn)，運(yùn)算速度也提高到幾百萬次/s～

幾百萬億次/s。在軟件方面，操作系統(tǒng)功能完善、應(yīng)用軟件豐富。并行處理系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)施進(jìn)展迅速；系統(tǒng)軟件的發(fā)展不僅實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)運(yùn)行的自動化，而且逐步

向工程化和智能化方向邁進(jìn)。

1.1.3計算機(jī)的分類

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動，特別是微處理器的發(fā)展，計算機(jī)的類型越來越多

樣化。

1．按計算機(jī)用途分類

根據(jù)用途的不同，計算機(jī)可以分為通用機(jī)和專用機(jī)。

①通用機(jī)。特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的綜合處理能力，能夠解決各種類型的問題。

②專用機(jī)。特點(diǎn)是功能單一，配有解決特定問題的軟、硬件，但能夠高速、可靠地解決特

定的問題，這類計算機(jī)多用于工業(yè)控制系統(tǒng)。

2．按處理的數(shù)據(jù)類型分類

按處理的數(shù)據(jù)類型不同，計算機(jī)可以分為數(shù)字計算機(jī)、模擬計算機(jī)和混合計算機(jī)。

①數(shù)字計算機(jī)。數(shù)字計算機(jī)所處理的信息是用“0”和“1”來表示的數(shù)字量，其基本運(yùn)算

部件是數(shù)字邏輯電路。數(shù)字計算機(jī)具有精度高、存儲量大、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前常用的計算機(jī)

大都是數(shù)字計算機(jī)。

4大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

②模擬計算機(jī)。模擬計算機(jī)使用連續(xù)變化的電壓模擬量來表示信息，其基本運(yùn)算部件主要

是由放大器等元件構(gòu)成的運(yùn)算電路組成。模擬計算機(jī)的解題速度快，但精度不高，信息不易存儲，

通用性差，它一般用于解微分方程或自動控制系統(tǒng)設(shè)計中的模擬參數(shù)。

③混合計算機(jī)。混合計算機(jī)是綜合了數(shù)字計算機(jī)和模擬計算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計的。它既可

以處理數(shù)字量，又可以處理模擬量，最后以連續(xù)的模擬量或離散的數(shù)字量進(jìn)行輸出。但是這種計

算機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計困難。

3．按計算機(jī)性能分類

計算機(jī)的性能主要是指計算機(jī)的字長、運(yùn)算速度、存儲容量、數(shù)字邏輯電路等。1989年美國

電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）根據(jù)當(dāng)時計算機(jī)的性能及發(fā)展趨勢，將計算機(jī)分為巨型機(jī)、小巨型

機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和個人計算機(jī)（微型機(jī)）六大類。這種分類標(biāo)準(zhǔn)不是固定不變的，

只是針對某一時期而言，下面主要介紹其中的五類。

（1）巨型機(jī)

巨型機(jī)又稱超級計算機(jī)，是目前速度最快、處理能力最強(qiáng)的計算機(jī)。通常是指由數(shù)百數(shù)千甚

至更多的處理器（機(jī)）組成的，能計算微型計算機(jī)和服務(wù)器不能完成的大型復(fù)雜課題的計算機(jī)。

目前巨型機(jī)已達(dá)到每秒百萬億次甚至億億次以上的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。研制超級計算機(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。航空航天、導(dǎo)彈反導(dǎo)技術(shù)、氣象預(yù)報、石油勘探等都需要計算

機(jī)有很高的運(yùn)算速度和很大的存儲容量，非巨型計算機(jī)很難滿足這類應(yīng)用的需要。這類計算機(jī)的

研發(fā)水平、生產(chǎn)能力和應(yīng)用程度已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的重要標(biāo)志。

近年來，我國超級計算機(jī)的研發(fā)水平取得了很大的成績，推出了“銀河”“曙光”“星云”“天

河”“神威·太湖之光”等超級計算機(jī)。在2017年6月進(jìn)行的世界超級計算機(jī)TOP500測試中，

中國的“神威·太湖之光”超級計算機(jī)名列第一，持續(xù)計算速度達(dá)到每秒9.3億億次。

（2）大型機(jī)

大型機(jī)又稱主機(jī)，通常安裝在機(jī)架內(nèi)，它具有通用性好、處理速度快、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，

提供多種類型的I/O通道，能同時支持批處理和分時處理等多種工作方式。大型機(jī)一般作為大型

的客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)中的服務(wù)器，或者終端/主機(jī)系統(tǒng)中的主機(jī)，主要用于銀行、大公司、政府

部門、規(guī)模較大的高等學(xué)?；蚩蒲性核?。

（3）小型機(jī)

小型機(jī)是為了滿足中、小型部門的需要而設(shè)計的，通常具有規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、

設(shè)計周期較短、操作簡便、易于維護(hù)以及與外圍設(shè)備連接容易等特點(diǎn)。小型機(jī)主要用于工業(yè)控制、

數(shù)據(jù)采集、分析計算等。近年來，隨著微型計算機(jī)的迅速發(fā)展，小型機(jī)受到一定的挑戰(zhàn)。

（4）工作站

工作站是介于微型機(jī)和小型機(jī)之間的一種高檔微機(jī)，它具有巨型機(jī)、大型機(jī)和小型機(jī)的多任

務(wù)、多用戶能力，又兼有微型機(jī)的操作便利和界面友好的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，高性

能的圖形交互處理能力，以及很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能。特別在CAD/CAM領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在金融、

商業(yè)和辦公等方面也得到了應(yīng)用。

（5）微型機(jī)

微型機(jī)又稱個人計算機(jī)（PersonalComputer，PC），具有技術(shù)先進(jìn)、小巧靈活、通用性強(qiáng)、價

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維5

格低廉、操作方便等特點(diǎn)，是發(fā)展速度最快的一類計算機(jī)。一般的單位和家庭使用的大多是微型

機(jī)。微型機(jī)又分為臺式機(jī)和便攜機(jī)兩類。

1.1.4計算機(jī)的特點(diǎn)

計算機(jī)與其他計算工具相比主要具有如下特點(diǎn)：

1．運(yùn)算速度快

計算機(jī)的運(yùn)算速度是指計算機(jī)在單位時間內(nèi)所能完成的運(yùn)算次數(shù)，是衡量計算機(jī)的主要性能

指標(biāo)之一。目前微型計算機(jī)的運(yùn)算速度大約在每秒千萬次、億次以上，而巨型機(jī)的運(yùn)算速度可以

達(dá)到每秒千萬億次級，甚至億億次級。從而使大量復(fù)雜的科學(xué)計算問題得以解決，如衛(wèi)星軌道的

計算、天氣預(yù)報的計算等，使過去人工計算需要幾年、幾十年的時間，現(xiàn)在用計算機(jī)計算只需幾

天甚至幾分鐘就可以完成。

2．計算精度高

計算機(jī)中數(shù)的精確度主要取決于以二進(jìn)制形式表示的數(shù)據(jù)位數(shù)，稱為機(jī)器字長。機(jī)器字長越

長則精度越高。現(xiàn)代計算機(jī)都提供了多種數(shù)據(jù)的表示能力，以滿足對各種計算精度的要求。尖端

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要有高精度的計算，如導(dǎo)彈之所以能準(zhǔn)確地?fù)糁蓄A(yù)定的目標(biāo)，與計算機(jī)的精確

計算是分不開的。一般計算機(jī)可以達(dá)到十幾位以上的有效數(shù)字（二進(jìn)制），有的計算機(jī)甚至可以達(dá)

到200萬位以上的有效數(shù)字，這是其他計算工具無法比擬的。

3．存儲容量大

隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，在計算機(jī)內(nèi)存儲的信息愈來愈多，要求存儲的時間愈來愈長。因此

要求計算機(jī)具備海量存儲能力，信息保持幾年到幾十年，甚至更長?，F(xiàn)代計算機(jī)完全具備了這種

能力。目前微型計算機(jī)的內(nèi)存儲器的容量已達(dá)到GB級，加上大容量的磁盤、光盤等外部存儲設(shè)

備，實(shí)際上存儲信息可以達(dá)到海量。

4．具有邏輯判斷功能

計算機(jī)不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，同時也能進(jìn)行各種邏輯運(yùn)算，具有邏輯判斷能力。計算機(jī)根據(jù)

邏輯判斷結(jié)果進(jìn)行推理和控制，從而可以解決各種復(fù)雜的問題，使之可以模仿人的某些智能活動。

計算機(jī)的邏輯判斷能力也是計算機(jī)智能化必備的基本條件。

5．高度自動化

由于計算機(jī)是采用存儲程序的方式工作的，即預(yù)先把處理要求、處理步驟、處理對象等必備

元素編成程序，存儲在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。計算機(jī)啟動工作后就可以在不用人參與的條件下自動完成

預(yù)定的全部處理任務(wù)。這是計算機(jī)區(qū)別于其他計算工具的本質(zhì)特點(diǎn)。

6．通用性強(qiáng)

人們使用計算機(jī)時，不需要了解其內(nèi)部構(gòu)造和原理，無論是簡單的還是復(fù)雜的問題，都可以

分解成基本的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并用程序描述解決問題的步驟。所以，各類用戶在不同的應(yīng)

用領(lǐng)域中，只要編制和運(yùn)行不同的應(yīng)用軟件，計算機(jī)就能為該領(lǐng)域的用戶很好地服務(wù)，通用性強(qiáng)。

1.1.5計算機(jī)的應(yīng)用

計算機(jī)最初的應(yīng)用只是計算。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的計算能力日益強(qiáng)大，對計算

機(jī)的需求迅速增長，計算機(jī)及其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會的各行各業(yè)，正在改變著人們傳統(tǒng)的工作、

6大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

學(xué)習(xí)和生活方式，推動著社會的發(fā)展。歸納起來，計算機(jī)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1．科學(xué)計算

科學(xué)計算又稱數(shù)值計算，是指利用計算機(jī)來完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中的數(shù)學(xué)計算，這是計

算機(jī)最基本的應(yīng)用。在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、天文和地理等自然科學(xué)領(lǐng)域中，以及航天、汽

車、造船、建筑等工程技術(shù)領(lǐng)域中的各種復(fù)雜計算都是借助計算機(jī)完成的。如果不用計算機(jī)，有

些問題很難解決，甚至根本無法完成。

2．?dāng)?shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理又稱非數(shù)值計算，是指利用計算機(jī)對信息進(jìn)行采集、查詢、分類、排序、統(tǒng)計、存

儲、傳送等工作。計算機(jī)應(yīng)用從數(shù)值計算向非數(shù)值計算的擴(kuò)展，是計算機(jī)發(fā)展史上的一個飛躍。

數(shù)據(jù)處理已經(jīng)是計算機(jī)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它不但提高了工作效率、節(jié)約了人力物力，還可以使

工作更趨于科學(xué)、系統(tǒng)和規(guī)范。目前，數(shù)據(jù)處理在辦公室自動化、企事業(yè)單位的各類信息管理、

圖像信息系統(tǒng)、圖書情報檢索等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在世界上80%以上的計算機(jī)用于

數(shù)據(jù)處理工作。

3．過程控制

過程控制又稱實(shí)時控制，是指計算機(jī)對被控制對象實(shí)時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，按最佳值迅速地對被

控制對象進(jìn)行自動控制或自動調(diào)節(jié)。利用計算機(jī)來控制各種自動裝置、自動儀表、生產(chǎn)過程等都

稱為過程控制。過程控制也是計算機(jī)應(yīng)用要求實(shí)時性最強(qiáng)的領(lǐng)域。例如，工業(yè)生產(chǎn)自動化方面的

巡回檢測、自動記錄、監(jiān)視報警、自動調(diào)控等內(nèi)容；交通運(yùn)輸方面的行車調(diào)度；農(nóng)業(yè)方面的自動

溫度、濕度控制；家用電器中的某些自動功能等，都是計算機(jī)在這方面的應(yīng)用。

4．人工智能

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指用計算機(jī)來模擬人類的智能。雖然計算機(jī)的能力

在許多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類，如計算速度，但是真正要達(dá)到人類的智能還是比較遙遠(yuǎn)的事情。目

前有些智能系統(tǒng)已經(jīng)能夠替代人的部分腦力勞動，獲得了實(shí)際的應(yīng)用，尤其在機(jī)器人、專家系統(tǒng)

和模糊識別等方面。例如，1997年5月11日，國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫?qū)腎BM公司的國

際象棋計算機(jī)“深藍(lán)”，僅用不到1小時的時間，卡斯帕羅夫就向“深藍(lán)”拱手稱臣，這是一場具

有特殊意義的對抗。

5．多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，將現(xiàn)代聲像技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，其應(yīng)用十分廣泛。

它不僅覆蓋計算機(jī)的絕大部分應(yīng)用領(lǐng)域，同時還拓寬了新的應(yīng)用領(lǐng)域，如可視電話等。實(shí)際上，

多媒體技術(shù)的應(yīng)用以極強(qiáng)的滲透力進(jìn)入了人類工作和生活的各個方面，正改變著人類的工作和生

活方式，成功地塑造了一個絢麗多彩的劃時代的多媒體世界。

6．電子商務(wù)

電子商務(wù)（ElectronicCommerce，EC）是指利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行的新型商務(wù)活動，是

在Internet與各種資源相結(jié)合的背景下應(yīng)運(yùn)而生的一種網(wǎng)上商務(wù)活動。它出現(xiàn)于1996年，雖然起

步時間不長，但因其高效率、低成本、全球化等特點(diǎn)，很快受到政府和企業(yè)的廣泛重視，有著廣

闊的應(yīng)用前景。目前，世界各地已有許多公司通過Internet進(jìn)行商業(yè)交易，在網(wǎng)上進(jìn)行業(yè)務(wù)往來。

當(dāng)然，電子商務(wù)系統(tǒng)也面臨著諸如安全性、可靠性等問題，但這些問題隨著技術(shù)的發(fā)展和社會的

進(jìn)步將會逐步得到解決。

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維7

7．計算機(jī)輔助工程

當(dāng)前用計算機(jī)進(jìn)行輔助工作的系統(tǒng)越來越多，主要有以下幾種：

①計算機(jī)輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD），即利用計算機(jī)來輔助人們進(jìn)行設(shè)計工作，

以便達(dá)到提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，使設(shè)計實(shí)現(xiàn)自動化。目前，建筑、機(jī)械、

服裝、電子等行業(yè)都廣泛采用了CAD技術(shù)。

②計算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM），即利用計算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管

理、控制和操作的過程。例如在產(chǎn)品的制造過程中，用計算機(jī)控制機(jī)器的運(yùn)行，處理生產(chǎn)過程中

所需要的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動以及對產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)等。使用CAM技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)

量、降低成本、縮短生產(chǎn)周期。

③計算機(jī)輔助教學(xué)（ComputerAssistedInstruction，CAI），即利用計算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)，把

各種教學(xué)手段綜合化，使教學(xué)活動更形象、生動，便于學(xué)生對知識的理解和掌握。CAI還可以輔

導(dǎo)學(xué)習(xí)、解答問題、批改作業(yè)、編制考題等。有助于實(shí)現(xiàn)因材施教，提高教學(xué)質(zhì)量。

除上述計算機(jī)輔助工程外，還有計算機(jī)輔助測試（ComputerAidedTesting，CAT）和計算機(jī)集

成制造系統(tǒng)（ComputerIntergratedManufacturingSystem，CIMS）等計算機(jī)輔助系統(tǒng)。

1.1.6我國計算機(jī)的發(fā)展

我國電子計算機(jī)的研究是從1953年開始的，1958年8月研制出第一臺電子計算機(jī)“103機(jī)”。

103機(jī)是通用數(shù)字電子計算機(jī)，屬于第一代電子管計算機(jī)，它的成功開啟了我國計算機(jī)研究的發(fā)

展歷程。隨后在1964年研制出第一臺晶體管計算機(jī)，1971年研制出集成電路計算機(jī)。1983年

研制成功每秒能進(jìn)行1億次運(yùn)算的“銀河Ⅰ”巨型機(jī)；1995年“曙光1000”大規(guī)模并行計算機(jī)

系統(tǒng)MPP問世，其性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2000年我國自行研制成功高性能計算機(jī)“神威Ⅰ”，其主要技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)達(dá)到國際先

進(jìn)水平，成為繼美國和日本之后，世界上第三個具備研制高性能計算機(jī)的國家。2004年由中國科

學(xué)院計算所、曙光公司和上海超級計算中心聯(lián)合研制的10萬億次級計算機(jī)“曙光4000A”并成功

進(jìn)入全球超級計算機(jī)TOP500排行榜前10名，標(biāo)志著我國成為世界上繼美國和日本之后第三個能

制造10萬億次商品化高性能計算機(jī)的國家。2008年我國百萬億次超級計算機(jī)“曙光5000”問世，

中國高性能計算機(jī)的研制邁上了新的臺階。

2009年10月，我國研制的“天河一號”超級計算機(jī)的運(yùn)算速度達(dá)到每秒1206萬億次，

是我國第一臺千萬億次的計算機(jī)。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和改進(jìn)，“天河一號”在2010年11月的全球

超級計算機(jī)TOP500排名中名列第一。2013年6月，我國部署到廣州的國家超級計算機(jī)中心

的“天河二號”以持續(xù)計算速度每秒33.86千萬億次的優(yōu)越性能位居全球超級計算機(jī)TOP500

的榜首，而且多次蟬聯(lián)。

“神威·太湖之光”超級計算機(jī)是由我國國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制的超級計算

機(jī)。安裝了40960個中國自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申

威指令系統(tǒng)，峰值性能為每秒12.5億億次，持續(xù)性能為每秒9.3億億次。2016年6月20日，在

法蘭克福世界超算大會上，國際TOP500組織發(fā)布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級計算機(jī)系

統(tǒng)登頂榜首，不僅速度比第二名“天河二號”快出近兩倍，其效率也提高3倍。2017年6月19

日，在德國法蘭克福召開的ISC2017國際高性能計算大會上，“神威·太湖之光”再次斬獲第49

8大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

屆世界超級計算機(jī)排名榜單TOP500第一名。本次奪冠也實(shí)現(xiàn)了我國國產(chǎn)超算系統(tǒng)在世界超級計

算機(jī)冠軍寶座的首次三連冠。“神威·太湖之光”超級計算機(jī)如圖1-5所示。

圖1-5“神威·太湖之光”超級計算機(jī)

1.2計算機(jī)的發(fā)展趨勢

1.2.1計算機(jī)的發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們對計算機(jī)的依賴越來越強(qiáng)，對計算機(jī)的功能

要求也越來越高，因此研究功能更加強(qiáng)大的計算機(jī)已成為必然。未來計算機(jī)發(fā)展的總趨勢可以歸

納為以下幾個方面：

1．巨型化

巨型化是指發(fā)展大容量、高速度和功能強(qiáng)大的巨型計算機(jī)，以滿足尖端科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)值分析

與計算的需要，如火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船的研制，氣象預(yù)報的數(shù)值分析與計算等。并

行處理技術(shù)是巨型機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前其運(yùn)算速度可達(dá)每秒千萬億次級。巨型機(jī)的發(fā)展體現(xiàn)了一

個國家計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展水平，是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。

2．微型化

微型化是指發(fā)展體積小、質(zhì)量小、能耗小、速度快、價格低、功能強(qiáng)的微型計算機(jī)，微型計

算機(jī)是計算機(jī)微型化的代表，如PC、筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)等。計算機(jī)的微型化可以

拓展計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，使計算機(jī)進(jìn)一步貼近人們的日常生活。計算機(jī)微型化發(fā)展促進(jìn)了計算機(jī)

的普及和應(yīng)用。

3．網(wǎng)絡(luò)化

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機(jī)技術(shù)中最重要的一個分支，

是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)信息交流、資源共享等，通信、電子

商務(wù)、電子政務(wù)、遠(yuǎn)程教育等都離不開計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。截至2018年12月，據(jù)CNNIC報告顯示，我

國網(wǎng)民規(guī)模已達(dá)8.29億，互聯(lián)網(wǎng)普及率也達(dá)到59.6%。

4．智能化

智能化是指利用計算機(jī)技術(shù)模擬人的思維過程，使計算機(jī)具有一定程度的決策和判斷能力。

所謂智能計算機(jī)就是指具有感知、識別、推理、學(xué)習(xí)等能力，能處理定性的、不完全不確定的知

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維9

識。在這一領(lǐng)域最具代表性的是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。目前已有許多機(jī)器人在高溫、高壓、有毒、

輻射等環(huán)境下代替人工作業(yè)。計算機(jī)的智能化將會領(lǐng)導(dǎo)計算機(jī)的發(fā)展潮流，也將使人類社會進(jìn)入

一個嶄新的時期。

5．多媒體化

多媒體計算機(jī)是當(dāng)前計算機(jī)開發(fā)和研究的熱點(diǎn)。多媒體技術(shù)能將大量信息以數(shù)值、文字、聲

音、圖形、圖像、視頻等形式進(jìn)行表現(xiàn)，極大地改善、豐富了人機(jī)界面，能夠充分運(yùn)用人的聽覺、

視覺高效率地接收信息。其中關(guān)鍵的技術(shù)是音頻和視頻數(shù)據(jù)的處理，包括音頻/視頻數(shù)據(jù)的壓縮、

解壓縮技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)的通信及各種接口的實(shí)現(xiàn)方案等。

6．非馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)理論為現(xiàn)在計算機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，基于這一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算

機(jī)也為人類做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，它的“程序存儲和控制”原理表現(xiàn)為“集中順序控制”方

面的串行機(jī)制，成為進(jìn)一步提高計算機(jī)性能的瓶頸。計算機(jī)的軟件和硬件發(fā)展將因傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

的限制無法持續(xù)發(fā)展下去。因此出現(xiàn)了非馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)理論，研制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算

機(jī)、DNA計算機(jī)、光子計算機(jī)等基于新理論的計算機(jī)成為計算機(jī)未來發(fā)展的新趨勢。

1.2.2計算機(jī)發(fā)展的新熱點(diǎn)

回顧計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史，從大、中、小型計算機(jī)時代，到微型計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)時代，再

到如今的云計算、移動互連、物聯(lián)網(wǎng)時代，技術(shù)革命一直是整個IT產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動力。目前，在新思

想、新技術(shù)和新應(yīng)用的驅(qū)動下，云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，全

球IT產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著一場新的變革。

1．云計算

云計算（CloudComputing）是分布式計算、并行處理和網(wǎng)格計算的進(jìn)一步發(fā)展，是計算機(jī)應(yīng)

用的一個新方向。它將計算任務(wù)分布在大量計算機(jī)構(gòu)成的資源池上，即將計算任務(wù)分布在分布式

計算機(jī)上，而不是本地計算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計算力、存儲

空間和信息服務(wù)，這就好比是從古老的單臺發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式。云計算中的

“云”是一個形象的比喻，以云可大可小、可以飄來飄去的特點(diǎn)來形容云計算中服務(wù)能力和信息資

源的伸縮性，以及后臺服務(wù)設(shè)施位置的透明性。

Google、IBM和Amazon等幾家公司對云計算技術(shù)進(jìn)行了大力開發(fā)，其后在大學(xué)校園推廣云計

算計劃，將這種先進(jìn)的大規(guī)?？焖儆嬎慵夹g(shù)推廣到校園，隨后云計算逐漸延伸到商業(yè)應(yīng)用、社會

服務(wù)等多個領(lǐng)域。

目前，根據(jù)云計算提供者與使用者的關(guān)系，可將云計算分為三類，即公有云、私有云和混合云。

用戶可以根據(jù)需求，選擇適合自己的云計算模式。公有云是由一個獨(dú)立的第三方云提供商提供，對

云計算的服務(wù)對象沒有特定的限制；私有云是由某個機(jī)構(gòu)獨(dú)立構(gòu)建專供自己使用的云環(huán)境，機(jī)構(gòu)以

外的用戶無法訪問；混合云是指公有云與私有云的混合。一般情況下，中小型企業(yè)和創(chuàng)業(yè)公司多選

擇公有云，而金融機(jī)構(gòu)、政府機(jī)關(guān)和大型企業(yè)則更傾向于選擇私有云或混合云。如果選擇混合云，

可將一些對安全性和可靠性需求較低的應(yīng)用部署在公有云，從而減輕對自身IT基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)。

云計算的優(yōu)點(diǎn)是它可以提供安全、可靠的數(shù)據(jù)存儲中心，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等問

10大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

題；對用戶端的設(shè)備要求最低；可以輕松實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享；另外它為人們使用

網(wǎng)絡(luò)提供了更大的空間?！霸啤弊屆總€普通的人都能以極低的成本接觸到頂尖的IT技術(shù)。

2．移動互聯(lián)網(wǎng)

移動互聯(lián)網(wǎng)（MobileInternet，MI）是一種通過智能移動終端，采用移動無線通信方式獲取業(yè)

務(wù)和服務(wù)的新興業(yè)務(wù)，是移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合。2012年全球移動用戶已超過60億，互

聯(lián)網(wǎng)用戶也超過了24億，由此看出，人類對移動性和信息的需求急劇上升，移動互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)成

為一種發(fā)展的必然趨勢。

移動互聯(lián)網(wǎng)是一個全國性的、以寬帶IP為技術(shù)核心的并可同時提供語音、傳真、數(shù)據(jù)、圖像、

多媒體等高品質(zhì)信息服務(wù)的新一代開放的電信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，是國家信息化建設(shè)的重要組成部分。移

動互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在小巧輕便和通信便捷兩個方面，正是基于上述特點(diǎn)，人們可以利用生

活中、工作中的零散時間，接受和處理互聯(lián)網(wǎng)的各類信息。

4G時代的開啟以及移動終端設(shè)備的凸顯必將為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入巨大的能量，2014年

移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到前所未有的飛躍。

3．物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofThings，IOT）是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到物品與

物品之間進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)，是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技

術(shù)與普適計算，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)

展的第三次浪潮，它代表著當(dāng)前和今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

物聯(lián)網(wǎng)的概念早在20世紀(jì)90年代就已提出，當(dāng)時稱為傳感器網(wǎng)。2005年11月在突尼斯舉

行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)

網(wǎng)》，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的描述，在物聯(lián)網(wǎng)時代，通過在各種日常

用品中嵌入一個短距離的移動收發(fā)器，人類在信息與通信世界將獲得一個新的溝通維度，從隨時

隨地的人與人的溝通連接擴(kuò)展到人與物、物與物之間的連接和溝通。2009年8月，時任總理溫家

寶提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，并寫入“政府工作

報告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了全社會極大的關(guān)注。

目前，物聯(lián)網(wǎng)正在支撐起社會活動和人們生活方式的變革，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后沖

擊現(xiàn)代社會的第三次信息化發(fā)展浪潮。應(yīng)用創(chuàng)新是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核

心，以用戶體驗(yàn)為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)

相比，物聯(lián)網(wǎng)是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上并應(yīng)用了各種感知技術(shù)的

泛在網(wǎng)絡(luò)，它不僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的

能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制，可實(shí)現(xiàn)物品的智能化識別、定位、

跟蹤、監(jiān)控和管理。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普

適服務(wù)智能化的重要特征。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到智能

交通、倉儲物流、智能環(huán)境（家庭、辦公、工廠）、環(huán)境保護(hù)和個人

健康等多個領(lǐng)域，如圖1-6所示。圖1-6物聯(lián)網(wǎng)示意圖

4．大數(shù)據(jù)技術(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)+的時代，科技發(fā)達(dá)，信息暢通，人們的交流與生活、企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營等方方面

第1章計算機(jī)基礎(chǔ)知識與計算思維11

面都會生成、累積大量的用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，又帶來數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式的

變革，物聯(lián)網(wǎng)傳感器每時每刻源源不斷地產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)由人工產(chǎn)生階段邁向自動產(chǎn)生

階段，它也是構(gòu)成大數(shù)據(jù)的重要來源。

所謂大數(shù)據(jù)（BigData）是指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的

數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能解決，具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、

高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)?？梢杂?V來概括大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，即Volume（大量）、Velocity（高

速）、Variety（多樣）、Value（低價值密度）、Veracity（真實(shí)性）。大數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，通常以PT、

ET或ZT等單位計量。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅僅在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，更在于對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化處理。若把大數(shù)

據(jù)比作一種產(chǎn)業(yè)，那么這種產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵，在于提高對數(shù)據(jù)的“加工能力”，通過“加工”

挖掘數(shù)據(jù)潛在的“增值”信息。大數(shù)據(jù)運(yùn)用的案例有很多，較為經(jīng)典的就是“啤酒與尿不濕”的

故事。在20世紀(jì)90年代，美國某大型超市為了分析銷售數(shù)據(jù)，在POS機(jī)中引入Apriori算法，

用于分析商品之間的關(guān)系、從而找出客戶的購買行為。由此管理人員發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：在

某些特定的情況下，“啤酒”與“尿不濕”兩件商品會經(jīng)常出現(xiàn)在同一購物清單中；又經(jīng)后續(xù)分析

發(fā)現(xiàn)，在美國的育嬰家庭中，通常母親在家中照看嬰兒，年輕的父親去超市購物。父親在購買尿

不濕的同時，也會順便為自己購買啤酒。如果在一家超市不能同時買到這兩件商品，他可能放棄

在這一家超市購物而選擇另一家超市。該超市在發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，就在店內(nèi)嘗試將啤酒與尿不濕

擺放在相同的區(qū)域，從而獲得了很好的商品銷售收入。

現(xiàn)在許多人漸漸形成了有事上網(wǎng)搜索相關(guān)信息的習(xí)慣。如果一個人患上流感，也會在搜索引

擎上輸入特定的檢索詞條以獲得與流感相關(guān)的信息，而Google是全球著名的搜索引擎，在2009

年它通過匯總和分析5000多萬條美國最頻繁的檢索詞條，將其和美國疾病控制中心2003年—

2008年間季節(jié)性流感傳播時期的數(shù)據(jù)相比較，并建立了一個特殊的數(shù)學(xué)模型，最終在流感爆發(fā)前

幾周成功預(yù)測了其在全美范圍的傳播，甚至可以具體到特定的地區(qū)或州，反響巨大。一時間，有

關(guān)大數(shù)據(jù)開啟公共衛(wèi)生變革的觀點(diǎn)接踵而來。

現(xiàn)在，大數(shù)據(jù)技術(shù)除了在公安、交通、商業(yè)運(yùn)營等方面得到應(yīng)用，它同時也在經(jīng)濟(jì)、政治、

文化等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，大數(shù)據(jù)可以幫助人們開啟循“數(shù)”管理的模式。阿里巴巴創(chuàng)始人馬

云在一次演講中提到，未來的時代將不是IT（InformationTechnology，信息技術(shù)）時代，而是DT

（DataTechnology，數(shù)據(jù)科技）時代，因此，對于很多行業(yè)而言，如何利用這些大規(guī)模數(shù)據(jù)將是

贏得競爭的關(guān)鍵。

因此，大數(shù)據(jù)成為企業(yè)和社會關(guān)注的重要戰(zhàn)略資源，并已成為大家爭相搶奪的新焦點(diǎn)。隨著

大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)將帶來新一輪的技術(shù)革命，也可能會使我們未來的生活方式發(fā)生改變。

5．人工智能

人工智能最早提出于1956年，當(dāng)時在美國達(dá)特茅斯學(xué)院舉辦的一次會議中，以麥卡賽、明斯

基、羅切斯特等一批年輕科學(xué)家研討“如何用機(jī)器模擬人的智能”時，首次提出了“人工智能”

這一概念，這標(biāo)志著“人工智能”新興學(xué)科的誕生。

人工智能經(jīng)歷60多年的發(fā)展，期間積累的人工智能技術(shù)和人才，都為我們現(xiàn)在的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)落

地，并且應(yīng)用在生活場景中奠定了基礎(chǔ)。事實(shí)上，人工智能發(fā)展至今，大致分為三個階段。

12大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程

第一階段：人工智能的興起與冷落。當(dāng)時的計算機(jī)主要被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)和自然語言領(lǐng)域，

用來解決代數(shù)、幾何和英語問題。在人工智能概念提出后，這讓很多研究學(xué)者看到了機(jī)器向人工

智能發(fā)展的信心，從此人工智能走上了快速發(fā)展的道路，相繼取得了一批令人矚目的研究成果，

如機(jī)器定理證明、跳棋程序等，掀起人工智能發(fā)展的第一個高潮。但由于受到當(dāng)時計算機(jī)性能、

數(shù)據(jù)量的限制，出現(xiàn)消解法推理能力有限以及機(jī)器翻譯等的失敗，人工智能的前景被蒙上了一層

陰影，使人工智能走入了低谷。

第二階段：人工智能的發(fā)展與低迷。20世紀(jì)80年代，人工智能領(lǐng)域出現(xiàn)了專家系統(tǒng)，即用

模擬人類專家的知識和經(jīng)驗(yàn)解決特定領(lǐng)域的問題，如醫(yī)療、化學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的應(yīng)用，

實(shí)現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的重大突破，使人工智能研究走入應(yīng)用發(fā)展的新高潮。

但是好景不長，由于專家系統(tǒng)存在的應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、知識獲取困難、推理方法單一等問題逐漸暴

露出來，加之大幅削減對人工智能的投入，使人工智能發(fā)展進(jìn)入低迷。

第三階段：人工智能的蓬勃發(fā)展。隨著人工智能的技術(shù)尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，人

們對人工智能也有了客觀理性的認(rèn)知，人工智能技術(shù)開始進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展時期。在此期間曾出現(xiàn)多

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