第二章 计算机的发展与应用

2.1计算机的发展史

2.1.3软件技术的兴起和发展

发展——

1. 早期计算机，使用机器语言，机器不同，机器语言也不同，不同机器上需要熟悉不同的机器指令，不方便，很难读懂；

2. 20世纪50年代，形成了符号语言和汇编语言，仍然是面向机器的，不同的机器有不同的汇编语言——创造汇编程序，将汇编语言翻译成机器语言；

3. 面向问题的高级语言，接近人们习惯用的自然语言和数学语言，使程序具有很强的可读性。

高级语言发展阶段：

1. 第一阶段：代表语言，1954年问世的FORTRAN，面向科学计算和工程计算；

2. 第二阶段：结构化程序设计阶段，代表语言，1968年问世的Pascal语言，定义了真正的标准语言，按严谨的结构化程序编程，具有丰富的数据类型，易读懂、易查错；

3. 第三阶段：面向对象程序设计阶段，代表语言，C++。

软件分类：

1. 系统软件：汇编程序、编译程序、解释程序、操作系统、服务型程序（装配程序、调试程序、诊断程序、排错程序等）、数据库、网络软件等；

2. 应用软件：用户在各自行业中开发和使用的各种程序。

软件发展特点：

1. 开发周期长；

2. 制作成本昂贵；

3. 检测软件产品质量的特殊性

2.2计算机的应用

2.2.1科学计算和数据处理

a.科学计算

地位：计算机的重要应用领域之一。

特点：计算量大和数值变化范围大。

b.数据处理：

地位：计算机的重要应用领域之一。

内容：数据信息，由计算机收集、存储、整理、检索、统计、修改、增删等，并由此获得某种决策数据或趋势，供各级决策指挥者参考。

2.2.2工业控制和实时控制

内容：通过各种传感器获得的各种物理信号经转换为可测可控的数字信号后，再经计算机运算，根据偏差，驱动执行机构来调整，便可达到控制的目的。

进展：以标准的工业计算机软、硬件平台构成集成系统，取代了传统的封闭式系统。

优点：

1. 更强的适应性；

2. 更好的开放性；

3. 更易于扩展；

4. 更经济；

5. 更短的开发周期。

分层：

1. 控制层：通过各种传感器来获得各种有效信号；

2. 监控层：实现对现场的实时监测和控制，在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用；

3. 管理层。

2.2.3网络技术的应用

起源：起源于实现硬件资源的共享。

例子：

1. 电子商务；

2. 网络教育；

3. 敏捷制造。

2.2.4虚拟现实

定义：利用计算机生产的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，达到用户与环境直接进行交互的目的。

例子：

1. 虚拟演播室；

2. 飞行员与汽车驾驶员的仿真训练系统。

2.2.5办公自动化和管理信息系统

办公自动化：利用计算机及自动化的办公设备来替代“笔、墨、纸、砚”及办公人员的部分脑力、体力劳动，从而提高了办公的质量和效率。

企业管理信息系统：通过信息的获取、分析，开发独占性产品；通过优化的信息管理，实现质优价廉产品的生产。

2.2.6CAD/CAM/CIMS

a.CAD

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）——

1. 按设计任务书的要求，可进行各种设计方案的比较，确定产品结构、外形尺寸、材料选择、模拟组装；

2. 再对模拟整机进行各种性能测试，包括强度分析、振动分析、运动状态分析等；

3. 任意修正，从性能的先进性、经济的合理性、加工的可行性等方面进行论证，获得最终的设计产品；

4. 将其分解为零件、分装部件，并给出零件图、分部装配图、总体装配图等。

b.CAM

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）——

1. 内容：以数控机床为主体，利用存有全部加工资料的数据库，实现对产品加工的自动化；

2. 新领域：计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）。

c.CIMS

计算机集成制造系统（Computer Integral Manufacturing System，CIMS）——

1. 利用信息技术和现代管理技术改造传统制造业、加强新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一种生产模式；

2. 前提：广泛地采用CAD/CAE/CAPP/CAM，并且已经建立了企业的管理信息系统（Management Information System，MIS）。

2.2.7多媒体技术

定义：计算机技术和视频、音频及通信等技术相结合的产物。

作用：用来实现人和计算机交互地对各种媒体进行采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影像等视听信息而有机合成的新媒体。

2.2.8人工智能

定义：专门研究如何使计算机来模拟人的智能的技术。

分支：

1. 模式识别：对某些感兴趣的客体进行定量的或结构的描述，研究一种自动生成技术，由计算机自动地把待识别的模式分配到各自的模式类中；——派生图像处理技术和图像识别技术；

2. 文字/语音识别、语言翻译：让计算机正确认识文字和语音，正确理解自然语言，实现正确的语言翻译还是十分困难的，但是目前已有很大进展；

3. 专家系统：利用计算机构成存储量极大的知识库，把各类专家丰富的知识和经验，以数据形式存储于知识库内，通过专用软件，根据用户输入查询的要求，向用户做出所要求的解答；

4. 机器人：人们让机器人做一些重复性的劳动，特别是一些不适宜人们工作的劳动场所，机器人的应用显得格外重要。

2.3计算机的展望

预言：到了2046年人类社会几乎所有的知识和信息将全部融入于计算机空间，而任何人在任何地方任何时间都可以通过网络，对所有的知识和信息进行在线获取。

前提：努力提高处理器的主频。

硅芯片处理器主频与其集成度紧密相关，但实现起来并非易事——

1. 硅芯片的集成度又受其物理极限的制约，集成度不可能无止境地提高，当集成电路的线宽达到仅为单个分析大小的物理极限时，意味着硅芯片的集成度已到了穷途末路的境地；

2. 硅芯片集成度提高时，其制作成本也在不断提高，按几何级数递增的制作成本情况发展，数年内该费用将达100亿美元，致使企业无法承受；

3. 随着集成度的提高，微处理器内部的功耗、散热、线延迟等一系列问题将难以解决。

未来的可能性——

1. 光计算机：利用光子取代电子进行运算和存储，用不同波长的光代表不同数据，可快速完成复杂计算；

2. DNA生物计算机：通过DNA分子间的生化反应完成运算，但是必须将DNA溶于试管液体中；

3. 量子计算机：利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机——原子会旋转，而且不是向上就是向下，正好与数位科技的“0”与“1”完全吻合，量子计算机以处于量子状态的原子作为重要处理器和内存，其运算能力比目前的硅芯片为电路基础的传统计算机要快几亿倍；

4. 超级智能计算机：利用高速运行的量子计算机，结合现代计算机高并行度的体系结构，通过大量高速处理器的高带宽局域网的连接，使它具有类似人脑的高并行性的本质。

5. 价格低廉、使用方便、体积更小、外形多变、具有人性化的计算机的研究和应用。