《大学信息技术应用》：带你走进计算机

1.计算机的发展

计算机于1946年问世，有人说是由于战争的需要而产生的，我们认为计算机产生的根本动力是人们为创造更多的物质财富，是为了把人的大脑延伸，让人的潜力得到更大的发展。正如汽车的发明使人的双腿延伸一样，计算机的发明事实上是对人脑智力的继承和延伸。近10年来，计算机的应用日益深入到社会的各个领域，如管理、办公自动化等。由于计算机日益向智能化发展，于是人们干脆把微型计算机称之为“电脑”了。

计算机产生的动力是人们想发明一种能进行科学计算的机器，因此称之为计算机。它一诞生，就立即成了先进生产力的代表，掀开自工业革命后的又一场新的科学技术革命。目前计算机的应用已扩展到人类社会的各个领域。人们根据计算机采用的物理器件把现代计算机的发展分为四个阶段：电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模集成电路时代。

第一阶段：电子管计算机（1945—1956）

1946年2月14日，世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学问世了。ENIAC（中文名：埃尼阿克）这台计算机使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28t（吨），功耗为170kW，其运算速度为每秒5000次的加法运算，造价约为487000美元。ENIAC的问世具有划时代的意义，表明电子计算机时代的到来。在以后60多年里，计算机技术以惊人的速度发展，没有任何一门技术的性能价格比能在30年内增长6个数量级。

图1.1.1　世界上第一台电子计算机

1944年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了计算机基本结构和工作方式的设想，为现代计算机的诞生和发展提供了理论基础。ENIAC的程序是外加式的，存储容量较小，尚未完全具备现代计算机的主要特征。1949年，英国剑桥大学数学实验室率先制成的电子离散时序自动计算机（EDSAC），是世界上第一台存储程序计算机，是现代计算机的原型和范本。

第二阶段：晶体管计算机（1956—1963）。

1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。贝尔实验室使用800只晶体管组装了世界上第一台晶体管计算机TRADIC。1947年，贝尔实验室发明点触型晶体管；1950年又发明了面结型晶体管。

第三阶段：集成电路计算机（1964—1971）。

虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。1958年发明了集成电路（IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。科学家使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。于是，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统

第四阶段：大规模集成电路计算机（1971至今）。

出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了20世纪80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。基于“半导体”的发展，到了1972年，第一部真正的个人计算机诞生了。所使用的微处理器内包含了2300个“晶体管”，可以一秒内执行60000个指令，体积也缩小很多。20世纪70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的文字处理和电子表格程序。这一领域的先锋有Commodore，Radio Shack和Apple Computers等。1981年，IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上到膝上到掌上。与IBM PC竞争的Apple Macintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。

2.计算机分类

随着计算机技术的发展和应用的推动，尤其是微处理器的发展，计算机的类型越来越多样化。依据不同的分类标准，可将计算机分为不同的类型。根据用途的不同，计算机可分为通用机和专用机。通用机的特点是通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各种类型的问题。专用机则用于解决特定的问题，配置有专用的软、硬件，高速可靠。根据工作模式的不同，计算机可分为工作站和服务器。根据计算机的规模、运算速度、数据存储能力等因素，可将其划分为巨型机、大型机、小型机和微型机。

（1）巨型机。

巨型机也称为超级计算机，是指运算速度超过每秒1亿次的高性能计算机。主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制领域。我国先后研制的“银河Ⅰ”“银河Ⅱ”“银河Ⅲ”巨型计算机，运算速度可达每秒几十亿次至几百亿次。2001年2月我国自主开发的“曙光3000”其运算速度更是达到每秒4000亿次以上。2004年11月我国首台10万亿次超级计算机“曙光4000A”问世，使我国成为世界上除美国、日本以外第三个能制造10万亿次商品化高性能计算机的国家。目前，我国巨型机的研制及生产水平已经达到或接近世界先进水平。

（2）大型机。

大型机有很高的运算速度和很大的存储容量。其特点是规模大、通用、具有较快的处理速度和处理能力。主要用于计算中心和计算机网络中，多见于银行、大公司和规模较大的高等学校和科研机构。

（3）小型机。

小型机较之大型机而言，规模小、结构简单、成本较低，维护也较容易。小型机的用途非常广泛。既可用于科学计算、数据处理，也可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理，还可作为大型机、巨型机的辅助机。

（4）微型机。

微型机又称个人计算机（Personal Computer，简称PC）。微型机体积小、功耗低、成本少、灵活性好、可靠性更高、使用更加方便，因而得到了广泛应用。随着计算机技术的发展，个人计算机家族中还出现了笔记本电脑和移动PC机。笔记本电脑具有体积小、功能强、携带方便的特点，其品质和制造标准比一般的台式机要高。移动PC机也称“便携台式机”，外观与笔记本电脑非常类似，但是没有内置电池，通过交流电供电，采用普通台式机的CPU。今天，微型计算机的应用已经遍及社会的各个领域，从工厂的生产控制到政府的办公自动化，从商店的数据处理到家庭的信息管理，几乎无处不在。

3.操作系统

（1）操作系统的概念。

操作系统（英文Operating System，缩写OS）是一组控制和管理计算机软、硬件资源，通过操作系统使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为计算机用户操作提供方便、有效的服务界面。随着时代的进步，操作系统的新技术不断出现，功能不断地增加，并逐渐形成从开发工具到系统工具再到应用软件的一个平台环境，更加地满足了尽可能多用户的需要。如今，许多系统软件以及大量的应用软件都依赖于操作系统的支持，取得它的服务。(www.xing528.com)

（2）操作系统的发展。

最早的计算机并没有操作系统。完全由人工来操作计算机的硬件，所以那时的计算机只能由专业的程序员来操作。1980年以后，随着微型计算机的诞生，应用于个人电脑的第一代字符界面操作系统逐步开始普及，这时的操作系统主要使用命令方式来进行操作，易用性不高，所以依然是专业人士才能很好地驾驭。1990年以后，随着个人电脑性能的不断提升，基于图形界面的操作系统逐步完善，成了应用主流，这时的操作系统功能不断提升，操作却越来越简单，计算机真正走入了寻常百姓家。2000年开始，个人电脑的操作系统已经非常成熟，操作系统的功能已经非常强大，对多媒体设备的支持，也越来越完善，个人电脑成了工作学习、家庭娱乐中不可或缺的工具。2010年以来，随着智能手机的快速普及，从计算机操作系统发展而来的手机操作系统快速崛起，功能上已经逐步接近个人电脑的水平，与电脑操作系统的区别也越来越模糊。未来随着技术的发展，智能设备越来越多，操作系统将渗透到我们生活的各个领域。

（3）主流操作系统。

①DOS操作系统。

DOS是Disk Operation System（磁盘操作系统）的简称，是1985—1995年的个人电脑上使用的一种主要的操作系统。由于早期的DOS系统是由软公司为IBM的个人电脑开发的，称为MS-DOS，因此后来其他公司生产的与MS-DOS兼容的操作系统，也沿用了这个称呼，如PCDOS、DR-DOS等等。DOS操作系统是个人计算机上的第一代操作系统，MS-DOS磁盘操作系统是由美国Microsoft公司为IBM-PC系列机开发的一个单用户、单任务的16位操作系统，MS-DOS的作用是对微型计算机的软件、硬件资源进行管理，主要是对磁盘和文件进行管理。由于有大量成功的应用软件仍在MS-DOS上运行，使其生命得以延续。MS-DOS自问世以来，不断的改进，每次改进都有新版本出现。

图1.1.2　DOS操作系统界面

②Windows操作系统。

Windows是Microsoft公司在1985年11月发布的第一代窗口式多任务系统，它使PC机开始进入了所谓的图形用户界面时代。Windows 1.0版是一个具有多窗口及多任务功能的版本，但由于当时的硬件平台为PC/XT，速度很慢，所以Windows 1.0版本并未十分流行。1987年底，Microsoft公司又推出了MS-Windows 2.0版，它具有窗口重叠功能，窗口大小也可以调整，并可把扩展内存和扩充内存作为磁盘高速缓存，从而提高了整台计算机的性能，此外它还提供了众多的应用程序。1990年，Microsoft公司推出了Windows 3.0，它的功能进一步加强，具有强大的内存管理，且提供了数量相当多的Windows应用软件，因此成为386、486微机新的操作系统标准。随后，Windows发布3.1版，而且推出了相应的中文版。3.1版较之3.0版增加了一些新的功能，受到了用户欢迎，是当时最流行的Windows版本。1995年，Microsoft公司推出了Windows 95。在此之前的Windows都是由DOS引导的，也就是说它们还不是一个完全独立的系统，而Windows 95是一个完全独立的系统，并在很多方面做了进一步的改进，还集成了网络功能和即插即用功能，是一个全新的32位操作系统。1998年，Microsoft公司推出了Windows 95的改进版Windows 98，Windows 98的一个最大特点就是把微软的Internet浏览器技术整合到了Windows 95里面，使得访问Internet资源就像访问本地硬盘一样方便，从而更好地满足了人们越来越多的访问Internet资源的需要。Windows 98已经成为当时实际使用的主流操作系统。随后Microsoft公司又相继推出了Windows XP，Windows 7，Windows 10等版本，几乎成了操作系统的代名词。目前，应用最广泛的Windows操作系统是Windows 7。

图1.1.3　Windows操作系统界面

③ Linux操作系统。

Linux操作系统诞生于1991年10月5日，是一套免费使用和自由传播的操作系统，主要用于服务器领域，在个人电脑领域也占有少量的份额。Linux是一套免费的32位多人多工的操作系统，Linux系统的稳定性、多工能力与网络功能已是许多商业操作系统无法比拟的，Linux还有一项最大的特色在于源代码完全公开，在符合GNU GPL（General Public License）的原则下，任何人皆可自由取得、散布、甚至修改源代码。

图1.1.4　Linux操作系统界面

就Linux的本质来说，它只是操作系统的核心，负责控制硬件、管理文件系统、程序进程等。Linux Kernel（内核）并不负责提供用户强大的应用程序，没有编译器、系统管理工具、网络工具、Office套件、多媒体、绘图软件等，这样的系统也就无法发挥其强大功能，用户也无法利用这个系统工作，因此有人便提出以Linux Kernel为核心再集成搭配各式各样的系统程序或应用工具程序组成一套完整的操作系统，经过如此组合的Linux套件即称为Linux发行版。

国内Linux发行版做得相对比较成功是红旗和中软两个版本，界面做得都非常的美观，安装也比较容易，新版本逐渐屏蔽了一些底层的操作，适合于新手使用。两个版本都是源于中国科学院软件研究所承担的国家863计划的Linux项目，但无论稳定性与兼容性与国外的版本相比都有一定的差距，操作界面和习惯与Windows越来越像，提供一定技术支持和售后服务，适宜于国内做低价的操作系统解决方案。

④ Mac OS。

Mac OS是一套运行于苹果Macintosh系列电脑上的操作系统。Mac OS是首个在商用领域成功的图形用户界面操作系统。Mac OS是基于Unix内核的图形化操作系统，由苹果公司自行开发。苹果电脑的操作系统已经到了OS 10，代号为Mac OS Ⅹ（Ⅹ为10的罗马数字写法），这是Mac电脑诞生15年来最大的变化。新系统非常可靠，它的许多特点和服务都体现了苹果公司的理念。另外，疯狂肆虐的电脑病毒几乎都是针对Windows的，由于Mac的架构与Windows不同，所以很少受到病毒的袭击。Mac OS Ⅹ操作系统界面非常独特，突出了形象的图标和人机对话。苹果公司不仅自己开发系统，也涉及硬件的开发。但Mac OS只能运行在苹果电脑的硬件平台上，软件与Windows也不能通用，所以市场占有率有限，如果同学们没有使用苹果电脑的话，是很难接触到Mac OS的。

图1.1.5　Mac OS界面

⑤手机操作系统。

随着智能手机的发展，手机硬件发展得非常迅速，功能和个人电脑的差距也越来越小。而智能手机同样拥有CPU、存储器、输入输出设备等硬件，实质上与计算机是相同的，所以智能手机同样需要操作系统。目前，手机操作系统市场占有率最高的是Android和iOS。如图所示，为Android和iOS操作系统界面。Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。

图1.1.6　手机操作系统界面