大学计算机基础：特点、分类、应用领域与新技术

任务情景

小明在普及计算机知识的时候，有同学就提到，在“最强大脑”中提到有的人脑比计算机还计算得快，大家对此表示疑惑。小明决定给他的学生普及一下计算机的特点、分类、应用领域和计算机发展的新技术，展现出计算机的先进性，认识到计算机的计算速度和计算能力是人类很难达到的。

任务分析

◆计算机的特点

◆计算机的分类

◆计算机的应用领域

◆计算机的新技术

知识准备

1.计算机的特点

计算机发展如此迅速，这与计算机的特点是分不开的。计算机具有以下主要特点。

1）运算速度快

第一台计算机的计算速度是5000次加法/秒，现代的巨型计算机的运算速度已达每秒1000万亿次以上甚至更多。计算机应用到大量复杂的科学计算，例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、天气预报的计算等。过去人工计算需要几年、几十年，现在使用计算机只需几天、几个小时甚至更短的时间就可以完成。计算机的运算速度常用MIPS（百万条指令/秒）来衡量。

2）运算精度高

科学技术的发展需要高精度的运算，如导弹能够准确击中目标，卫星能够在指定的轨道运行等。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制位）的有效数位，计算精度可以达到几百万分之一。例如对圆周率的计算，数学家采用人工计算能够得到小数点后500位，而使用计算机计算能计算到小数点后200万位。

3）存储能力强

计算机能够把包括数字、文字、图形、图像、声音等信息存储起来随时使用，计算机外部存储配置的使用，使计算机的存储容量从理论上来说几乎没有限制。随着制造工艺的不断提高，内存容量和辅助存储器的容量也越来越大，微型计算机内存储器的容量已达1G字节以上，辅助存储器（普通硬盘）的容量可达到在1TB以上。

4）具有逻辑判断功能

计算机既可进行算术运算又可以进行逻辑运算，能对信息进行比较和判断，可实现推理和证明，从而极大地扩展了计算机的运用范围。例如在1997年，卡斯帕罗夫与“深蓝”（IBM研制的计算机）之间的“人机大战”就体现了计算机强大的逻辑判断能力。

5）具有自动控制能力

计算机的操作、控制是根据人们事先编制的程序自动控制进行的，不需要人工干预，极大地提高了工作效率。由计算机控制的机械设备可以完成人工无法完成的工作，如精密仪器制造、危险地域的生产建设等。

2.计算机的分类

1）按照计算机的用途划分

通用计算机：适应性强，应用范围广，如进行科学计算，数据处理、过程控制等。性能会根据不同的适用对象会有不同程度的差别。

专用计算机：专为解决某种特殊问题而设计的电子计算机。如控制生产过程用的专用机、银行的ATM提款机等。与通用电子计算机相比，专用电子计算机结构简单，针对性强，体积较小，使用简便。

2）按照计算机的性能划分

图1-1-2　天河一号巨型计算机

巨型计算机：也称超级计算机（Super Computer），是价格昂贵，性能最高、功能最强，运行速度最快的计算机，主要应用于国防、航天、生物、气象、核能等国家高科技领域。巨型计算机的研制水平、生产能力及其应用程度是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。我国在1983年研制出超级计算机“银河一号”，使中国成为继美国、日本之后第三个能独立设计和研制超级计算机的国家。2009年10月，“天河一号”研制成功，代表我国的巨型计算机的研制已经处于国际领先水平。图1-1-2是我国“天河一号”巨型计算机。

大型计算机：这类计算机具有较高的运算速度，较大的存储空间，通用性强，综合处理能力强，主要用于大型网站、金融系统、大型企业、规模较大的高校或科研机构。

小型计算机：是指规模和性能介于在大型机和微机之间的一种计算机，其处理能力、可靠性比微机更高，并且规模较小，结构简单，运行环境要求较低，一般用于工业自动控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面。

微型机：也称为个人计算机（Personal Computer，PC），由于体积小，价格便宜，功能齐全、灵活性好，广泛应用于办公自动化以及大众化的信息处理。微型机又可分为台式机和便携式微机（笔记本电脑、平板电脑、智能手机等）。

工作站：是一种高档微型计算机系统，其运行速度通常比微机更快，配有大容量的主存、高分辨率的大屏幕显示器、有较强的网络通信功能。主要用于图像处理、计算机辅助设计、软件工程等专业领域。

3.计算机的应用领域

计算机经过70多年的发展，从最初的军事领域和科学计算扩展到生产生活的各个领域，改变了人们的工作、学习和生活方式。概括起来计算机的应用主要包括以下相关领域。

1）科学计算（或数值计算）

科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中数学问题的计算。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。目前科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。

2）数据处理（或信息处理）

数据处理也叫非数值计算，是指对各种数据信息进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、传播等一系列活动的统称，是计算机现在应用最广泛的领域。目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、会计电算化等各行各业。

随着数据处理应用的普及，计算机系统里面存储了海量的数据，这些数据隐藏了大量的信息，如何利用这些帮助做决策分析、行为判断等，大数据就是这个信息时代的产物，以云计算为代表的计算技术的不断进步，为我们提供了强大的计算能力，大数据时代构建起了一个与物质世界相平行的数字世界。

3）计算机辅助技术

计算机辅助技术包括CAD、CAM、CAT和CAI等。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）：是指利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。CAD在建筑设计、机械设计、服装业、土木建筑、地质、艺术等各个领域得到广泛应用。例如，在建筑设计过程中，利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。图1-1-3为计算机辅助设计案例。(www.xing528.com)

图1-1-3　计算机辅助设计

计算机辅助制造（Computer Aided M anufacturing，CAM）：是指利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在汽车的生产过程中，利用计算机控制系统自动完成零件的加工、装配等过程，可实现无图纸、无工人的生产。使用CAM技术可以提高产品质量，降低生产成本，缩短生产周期，提高生产率、改善劳动条件。

图1-1-4　计算机集成制造系统

将CAD技术和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。它的实现将真正做到无人车间。图1-1-4为计算机集成制造系统。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，简称CAI）：计算机辅助教学是指利用计算机帮助或代替教师执行教学任务，向学生传授知识和提供技能训练的教学方式。CAI为学生提供一个良好的个性化学习环境，综合应用多媒体、超文本、人工智能、网络通信和知识库等计算机技术，克服了传统教学情景方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高学习质量和学习效率，实现最优化的学习目标。

4）过程控制（Process Control）

是指利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，提高产品质量及合格率，提高劳动生产率。例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。目前，过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等领域得到广泛的应用。

5）人工智能（Artificial Intelligence）

是指计算机模拟人的思维指导行动过程的活动。在人工智能的快速发展下，如今的计算机变得越来越聪明了。在1997年5月，IBM公司研制的深蓝（DEEP BLUE）计算机战胜了国际象棋大师卡斯帕洛夫（KASPAROV），成为历史上第一个在标准国际象棋比赛中打败卫冕世界冠军的计算机系统，图1-1-5为深蓝击败卡斯珀罗夫图片。现在人工智能在机器视觉，指纹识别，人脸识别，掌纹识别，智能搜索，博弈，语言和图像理解等得到广泛应用。

图1-1-5　深蓝击败卡斯珀罗夫

6）网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。通过计算机网络，把不同个人，不同单位、不同地区、不同行业、不同国家的人们连接到了一起，缩短了人与人之间的距离，改变了人们的工作、生活方式。人们可以在任何地方通过网络进行会议、电话、文书传递、购物、社交、工作等。

4.计算机的新技术

计算机的发展日新月异，新技术层出来穷，昨天的新技术，今天就已经得到广泛应用，从现在的发展趋势来看，能够快速发展并能广泛应用的新技术主要有以下4个：

1）移动互联网

移动互联网（Mobile Internet，简称MI）是基于移动通信和互联网结合的技术。通过智能移动终端，采用移动无线通信方式获取业务和服务的新兴业务，包含移动终端（平板电脑、智能手机等）、软件（移动操作系统Android/IOS，中间件，数据库等）、应用（休闲娱乐、工具媒体、商务财经等）三个层面。移动互联网技术的应用领域主要包括：资讯、沟通、娱乐、移动电子商务、个性化服务等。

2）物联网

物联网（The Internet of things）是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络，用户端延伸到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相连。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网的关键技术包括传感器技术、无线射频识别技术、嵌入式系统技术。现在物联网应用领域非常广泛，给人们的生活带来的翻天覆地的变化，图1-1-6为家庭物联网示意图。

图1-1-6　家庭物联网示意图

3）云计算

云计算是近几年来兴起一计算机技术，在很多领域都已经实现，比如我们电子邮件，我们不需要关心我们的邮件存放在哪个城市，哪台计算机上，只要我们能上网，我们就可以进入邮箱，收发邮件。关于云计算机的定义很多，现阶段广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）对云计算（cloud computing）的定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。云是网络、互联网的一种比喻说法。云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，利用强大的云计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。图1-1-7为云计算工作图。

云计算提供的计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中。云计算的主要特点是：1）超大规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器，企业私有云一般拥有数百上千台服务器。网络中强大的计算服务器像“云”一样分布在各处，“云”能赋予用户前所未有的计算能力。2）虚拟化，用户使用各种终端通过网络获取云计算提供的应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的网络服务器。用户无须了解、也不用担心提供云计算的具体位置。3）按需服务，按需购买，用户就可以利用云计算提供的服务。

图1-1-7　云计算示意图

4）大数据

大数据（Big Data）是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。现在的社会是一个高速发展的社会，科技发达，信息流通，人们之间的交流越来越密切，生活也越来越方便，大数据就是这个高科技时代的产物。大数据的特点用5V来表示：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（低价值密度）、Veracity（真实性）。

阿里巴巴创办人马云的演讲中就提到，未来的时代将不是IT时代，而是DT（Data Technology数据科技）的时代。大数据对于阿里巴巴集团来说举足轻重。大数据的影响并不仅仅限于电子商务产业，在许多传统行业中，广泛运用数据分析手段来进行管理和生产，如麦当劳、肯德基以及苹果公司等旗舰专卖店的位置都是建立在数据分析基础之上的精准选址。在零售业中，数据分析的技术与手段更是得到广泛的应用，传统企业如沃尔玛通过数据挖掘重塑并优化供应链。大数据的价值体现在以下几个方面：第一对大量消费者提供产品或服务的企业可以利用大数据进行精准营销；第二做小而精模式的中小微企业可以利用大数据做服务转型；第三面临互联网压力之下必须转型的传统企业需要与时俱进充分利用大数据的价值。

大数据带来的巨大价值逐渐被人们认可，它通过技术的创新与发展以及数据的全面感知、收集、分析、共享，为人们提供了一种全新的改造世界的方法，为各行各业基于事实与数据做出科学的决策。大学生要培养大数据思维才能紧跟时代的步伐，把自己打造成大数据时代的先锋，在自己的学科领域创造性地开展工作。

任务实施

1.说说计算机与其他工具相比，具有哪些特点？

2.搜集相关知识，将不同类型计算机的基本情况填入表1-1-3中。

表1-1-3　计算机的分类

3.将你了解到计算机技术在生产生活中的应用记录在表1-1-4中。

表1-1-4　计算机的应用