信息技術(shù)素養(yǎng)

普通高等學?！笆濉币?guī)劃教材

信息技術(shù)素養(yǎng)

主編◎暴占彪李培英劉明利

副主編◎張琳周揚劉鐘濤付媛媛

內(nèi)容簡介

本書根據(jù)當前高等院校對計算機教學改革的要求，將課程思政融入課程內(nèi)容中，內(nèi)容

取材既考慮到計算機及信息技術(shù)教育的基礎(chǔ)性、廣泛性和一定的理論性，又兼顧了計算機

教育的實踐性、實用性和更新發(fā)展。

本書共分11章，主要內(nèi)容包括計算機與計算思維、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、計算

機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應用、信息檢索、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及其應

用、信息安全和職業(yè)道德等。

本書內(nèi)容翔實，結(jié)構(gòu)嚴謹，知識覆蓋面廣，敘述準確，適合作為普通高等學校大學計

算機基礎(chǔ)課程的教材，也可作為計算機愛好者的自學參考書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

信息技術(shù)素養(yǎng)/暴占彪，李培英，劉明利主編.—北京：

中國鐵道出版社有限公司，2020.8

普通高等學?！笆濉币?guī)劃教材

ISBN978-7-113-27175-6

Ⅰ.①信…Ⅱ.①暴…②李…③劉…Ⅲ.①電子計算機-

高等學校-教材Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2020)第149068號

書名：信息技術(shù)素養(yǎng)

XINXIJISHUSUYANG

作者：暴占彪李培英劉明利

策劃：彭立輝編輯部電話：（010）63549508

責任編輯：彭立輝

封面設(shè)計：劉穎

責任校對：張玉華

責任印制：樊啟鵬

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：三河市宏盛印務有限公司

版次：2020年8月第1版2020年8月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：20字數(shù)：462千

書號：ISBN978-7-113-27175-6

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

隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，特別是信息技術(shù)的普及應用，人類已

步入了信息時代。信息技術(shù)的應用改變了人們的學習、生活和思維方式，計算機已

經(jīng)成為人們不可或缺的工具。因此，當今社會，每個人都應該學習信息技術(shù)，掌握

信息技術(shù)的應用，適應信息社會發(fā)展，與時代同行。

本書作為普通高等學校計算機基礎(chǔ)教學用書，旨在培養(yǎng)學生的計算機技能、信

息化素養(yǎng)、計算思維能力，為各專業(yè)后續(xù)課程學習奠定基礎(chǔ)。

本書按照教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發(fā)布的《大學計算機基礎(chǔ)

課程教學基本要求》，結(jié)合《中國高等院校計算機基礎(chǔ)教育課程體系》報告中有關(guān)大學計

算機基礎(chǔ)教學的要求組織編寫。內(nèi)容取材既考慮到計算機及信息技術(shù)教育的基礎(chǔ)性、廣

泛性和一定的理論性，又兼顧了計算機教育的實踐性、實用性和更新發(fā)展性；既照顧到

很少接觸計算機的部分高校新生，又兼顧了具有一定計算機基礎(chǔ)的同學的學習要求。

本書編寫的宗旨是為了滿足當前高校對計算機教學改革的要求，將課程思政貫穿于課

程內(nèi)容中，使讀者較全面、系統(tǒng)地了解計算機基礎(chǔ)知識，具備計算機實際應用能力，并能

在各自的專業(yè)領(lǐng)域自覺地應用計算機進行學習與研究。全書共分11章，主要內(nèi)容包括：計

算機與計算思維、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應用、信息檢索、數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及其應用、信息安全和職業(yè)道德等。本書內(nèi)容

豐富、知識覆蓋面廣、結(jié)構(gòu)嚴謹、層次分明、敘述準確，為教師發(fā)揮個人教學特長留有很

大余地。在教學內(nèi)容上，各高?？筛鶕?jù)教學課時進行選取。

參加本書編寫的人員是多年從事一線教學的教師，具有較為豐富的教學經(jīng)驗。

在編寫時注重理論與實踐緊密結(jié)合；案例的選取上注意從讀者日常學習和工作的需

要出發(fā)；文字敘述深入淺出、通俗易懂。

本書由暴占彪、李培英、劉明利任主編，張琳、周揚、劉鐘濤、付媛媛任副主

編。其中：暴占彪編寫第3章的3.2節(jié)和第10章；李培英編寫第2章和第9章；劉

明利編寫第3章的3.1節(jié)、3.3節(jié)和第5章；張琳編寫第1章和第11章；劉鐘濤編寫

第7章；付媛媛編寫第6章；周揚編寫第4章和第8章。劉明利負責本書的統(tǒng)稿和組

織工作。感謝程道普、劉軍對全書的修改提出了許多寶貴意見；感謝中國鐵道出版社

有限公司的領(lǐng)導和編輯對本書的出版給予的大力支持和幫助。

由于時間倉促，編者水平有限，書中難免存在疏漏和不足之處，敬請各位讀者

和專家批評、指正。

編者

2020年5月

目錄

第1章計算機與計算思維12.1.1操作系統(tǒng)的含義36

1.1計算機概述12.1.2操作系統(tǒng)的分類37

1.1.1初識計算機12.1.3常用操作系統(tǒng)簡介38

1.1.2計算機的產(chǎn)生與發(fā)展12.1.4操作系統(tǒng)的功能40

1.1.3計算機的發(fā)展趨勢32.2Windows10的應用44

1.1.4計算機的分類42.2.1Windows10基礎(chǔ)44

1.1.5微機的發(fā)展歷程52.2.2Windows10文件管理48

1.1.6計算機的應用62.2.3Windows10系統(tǒng)管理53

1.2計算機系統(tǒng)8本章小結(jié)60

1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)8思考與練習60

1.2.2計算機的軟件系統(tǒng)10

第3章數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)62

1.2.3計算機的工作原理12

3.162

1.3微機及其硬件系統(tǒng)13文字處理

3.1.162

1.3.1微機的硬件結(jié)構(gòu)13創(chuàng)建和編輯文檔

3.1.265

1.3.2主機系統(tǒng)14文檔排版

1.3.3總線和接口183.1.3圖文混排71

1.3.4輸入/輸出設(shè)備193.1.4表格73

1.3.5微機主要性能指標213.2幻燈片76

1.3.6如何選購微機223.2.1建立和保存演示文稿76

1.4數(shù)制和信息編碼233.2.2視圖方式76

1.4.1數(shù)據(jù)和編碼233.2.3編輯幻燈片77

1.4.2進位制計數(shù)制233.2.4幻燈片插入對象78

1.4.3常用進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換...243.2.5美化80

1.4.4常用數(shù)據(jù)編碼263.2.6設(shè)置動畫效果82

1.5計算思維和算法基礎(chǔ)293.2.7幻燈片放映83

1.5.1計算思維的概念293.3電子表格85

1.5.2計算思維的主要方法293.3.1電子表格基礎(chǔ)85

1.5.3計算思維應用303.3.2輸入數(shù)據(jù)87

1.5.4算法基礎(chǔ)313.3.3單元格的格式與樣式89

本章小結(jié)34

3.3.4公式與函數(shù)91

思考與練習34

3.3.5圖表99目錄

第2章操作系統(tǒng)36本章小結(jié)100

2.1操作系統(tǒng)基礎(chǔ)36思考與練習100

I

信息技術(shù)素養(yǎng)

第4章計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應用1034.7.3地址配置命令ipconfig134

4.1認識計算機網(wǎng)絡(luò)1034.7.4路由跟蹤命令pathping134

4.1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的概念1034.7.5網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)命令netstat135

4.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的功能104本章小結(jié)136

4.1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的分類104思考與練習136

4.2計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和參考

II第5章信息檢索137

模型107

5.1信息概述137

4.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)107

5.2信息檢索138

4.2.2了解OSI參考模型108

5.2.1信息的基本原理138

4.2.3TCP/IP模型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議...110

5.2.2信息檢索的類型139

4.2.4TCP/IP模型與OSI模型的

5.2.3計算機檢索的方法140

對比111

5.3中國知網(wǎng)143

4.2.5IP協(xié)議112

5.3.1檢索技術(shù)144

4.3網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)114

5.3.2CNKI期刊檢索145

4.3.1同軸電纜114

5.3.3檢索結(jié)果原文瀏覽、

4.3.2雙絞線114

下載147

4.3.3光纖115

5.3.4CNKI常用軟件148

4.4局域網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)115

本章小結(jié)148

4.4.1了解局域網(wǎng)115

思考與練習148

4.4.2以太網(wǎng)116

4.4.3局域網(wǎng)設(shè)備117第6章數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)150

4.4.4無線局域網(wǎng)1216.1數(shù)據(jù)庫概述150

4.4.5虛擬局域網(wǎng)1236.1.1數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展150

4.5Internet基礎(chǔ)與應用1246.1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成151

4.5.1Internet簡介1246.1.3常用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

4.5.2Internet中的應用125介紹152

4.6計算機網(wǎng)絡(luò)安全1276.2數(shù)據(jù)模型154

4.6.1影響網(wǎng)絡(luò)安全的6.2.1數(shù)據(jù)模型介紹154

主要因素1276.2.2關(guān)系模型的基本術(shù)語156

4.6.2計算機網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)1286.3Access數(shù)據(jù)庫及其應用156

4.6.3網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議1286.3.1Access數(shù)據(jù)庫概述157

4.6.4數(shù)據(jù)加密技術(shù)1286.3.2創(chuàng)建Access數(shù)據(jù)庫157

4.6.5防火墻技術(shù)1296.3.3在Access數(shù)據(jù)庫中

4.6.6入侵檢測技術(shù)132創(chuàng)建表160

4.6.7虛擬專用網(wǎng)技術(shù)1326.3.4表的維護與操作168

4.6.8網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)發(fā)展趨勢...1336.4數(shù)據(jù)庫查詢175

4.7計算機網(wǎng)絡(luò)檢測命令1336.4.1選擇查詢175

4.7.1網(wǎng)絡(luò)連通測試命令ping...1336.4.2參數(shù)查詢179

4.7.2路由追蹤命令tracert1336.4.3交叉表查詢180

本章小結(jié)1838.2.2大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)233

思考與練習1838.2.3大數(shù)據(jù)架構(gòu)233

8.2.4分布式存儲和計算平臺

第7章云計算187

Hadoop234

7.1云計算的概述187

8.2.5分布式文件系統(tǒng)

7.1.1云計算的概念187

（HDFS）237

7.1.2云計算的特點189

8.2.6分布式數(shù)據(jù)庫HBase240

7.1.3云計算的發(fā)展190

8.2.7NoSQL數(shù)據(jù)庫241

7.1.4云計算的類型194

8.2.8編程模型MapReduce243

7.1.5云計算的部署模式198

8.2.9新一代資源管理調(diào)度

7.1.6云計算的優(yōu)勢199

框架YARN246

7.1.7云計算的劣勢200

8.2.10輕量級的分布式內(nèi)存

7.1.8云計算的應用200

計算系統(tǒng)Spark246

7.2云計算關(guān)鍵技術(shù)204

8.2.11流計算247

7.2.1云計算的體系結(jié)構(gòu)205

8.2.12圖計算249

7.2.2虛擬化技術(shù)206

8.3數(shù)據(jù)可視化249

7.2.3海量分布式數(shù)據(jù)

8.3.1入門級工具250

存儲技術(shù)208

8.3.2在線數(shù)據(jù)可視化工具250

7.2.4大規(guī)模數(shù)據(jù)管理209

8.3.3互動圖形用戶界面（GUI）

7.2.5并行編程模式210

控制250

7.2.6分布式資源管理210

8.3.4地圖工具250

7.2.7云計算平臺管理211

8.3.5專家級工具250

7.2.8運營支撐管理211

8.4大數(shù)據(jù)的應用251

7.2.9綠色節(jié)能技術(shù)213

8.4.1大數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的

7.3云計算與大數(shù)據(jù)214

應用251

7.3.1認識大數(shù)據(jù)214

8.4.2大數(shù)據(jù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的

7.3.2大數(shù)據(jù)與云計算關(guān)系215

應用251

7.4云計算平臺216

8.4.3大數(shù)據(jù)在金融行業(yè)的

7.4.1國外云平臺提供商216

應用252

7.4.2國內(nèi)云平臺提供商220

8.4.4大數(shù)據(jù)在智能交通領(lǐng)域的

本章小結(jié)225

應用253

思考與練習226

本章小結(jié)253

第8章大數(shù)據(jù)228思考與練習254

8.1大數(shù)據(jù)概述228

第9章物聯(lián)網(wǎng)255

8.1.1大數(shù)據(jù)的發(fā)展歷程228

9.1物聯(lián)網(wǎng)概述255

8.1.2大數(shù)據(jù)的概念和特征230

9.1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念255

8.1.3大數(shù)據(jù)時代的思維變革...231目錄

9.1.2物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展256

8.2大數(shù)據(jù)技術(shù)232

9.2物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)258

8.2.1大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展歷程232

9.2.1自動識別技術(shù)258

III

信息技術(shù)素養(yǎng)

9.2.2傳感器技術(shù)26210.4我國的人工智能戰(zhàn)略布局294

9.2.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)26410.4.1頂層設(shè)計——搶占

9.2.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務267人工智能制高點294

9.2.5中間件26810.4.2我國人工智能的判斷

9.2.6智能技術(shù)270與冷思考295

9.3物聯(lián)網(wǎng)的應用271本章小結(jié)296

IV

本章小結(jié)272思考與練習296

思考與練習272

第11章信息安全和職業(yè)道德298

第10章人工智能及其應用27411.1信息安全概述及技術(shù)298

10.1人工智能概述27411.1.1信息安全概述298

10.1.1人工智能的概念27411.1.2信息安全的主要威脅299

10.1.2人工智能的起源11.1.3信息安全策略300

和發(fā)展27511.1.4信息安全技術(shù)300

10.1.3弱人工智能與強人工11.2計算機中的信息安全302

智能27811.2.1計算機病毒及其防范302

10.1.4人工智能各學派的11.2.2網(wǎng)絡(luò)黑客及其防范305

認知觀27911.3職業(yè)道德與相關(guān)法規(guī)307

10.2人工智能的研究與應用28011.3.1使用計算機應遵守的

10.2.1智能感知281道德規(guī)范307

10.2.2知識推理28311.3.2網(wǎng)絡(luò)社會應遵守的

10.2.3機器學習285道德規(guī)范307

10.2.4智能行動28911.3.3有關(guān)知識產(chǎn)權(quán)和軟件

10.3新一輪人工智能的發(fā)展使用307

特征29211.3.4我國信息安全的相關(guān)

10.3.1進入大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能法律法規(guī)308

發(fā)展階段292本章小結(jié)308

10.3.2進入智能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化思考與練習309

階段293

參考文獻310

10.3.3進入認知智能探索

階段293

第1章計算機與計算思維

計算機及相關(guān)技術(shù)應用在當今信息社會占據(jù)重要地位，已經(jīng)融入社會日常工作、生活

和學習中，是人們不可或缺的工具。因此，更多地了解計算機是大學生必備的信息素養(yǎng)。

本章從計算機的發(fā)展開始，介紹了計算機的發(fā)展趨勢、計算機的分類和應用領(lǐng)域；

然后介紹計算機系統(tǒng)的組成和簡單的工作原理、微機系統(tǒng)的組成及如何選購微機，以及數(shù)制

的概念和信息編碼方法；最后介紹計算思維和算法的基礎(chǔ)知識。

1.1計算機概述

1.1.1初識計算機

最早計算機只被定義成一種計算機器，但現(xiàn)在計算機幾乎無所不能。它所處理

的信息不僅是數(shù)值，還包括文本、圖像、聲音、視頻等多種媒體。可以將計算機看

作一種能快速、高效、準確地進行信息處理的數(shù)字化電子設(shè)備，它能按照人們事先

編寫的程序自動地對信息進行加工和處理，輸出人們所需要的結(jié)果，從而完成特定

的工作。

由于計算機的組成結(jié)構(gòu)和工作過程與人腦有許多相似之處，具有人腦處理分析問題

的功能，因此計算機也被稱為“電腦”。不過，在思維原理上，計算機與人是截然不同的。

計算機是由許許多多的電子元件組成，它能理解的是類似“開”“關(guān)”這樣的電子信號。

這些電子元件之間有著精確的邏輯關(guān)系，好像大腦的神經(jīng)元，互相配合協(xié)調(diào)，用來存儲

數(shù)據(jù)或者進行各種復雜的運算和操作。計算機在數(shù)值計算或數(shù)據(jù)處理方面的能力，是人

腦所望塵莫及的。

1.1.2計算機的產(chǎn)生與發(fā)展

1．計算機的產(chǎn)生

在數(shù)的概念出現(xiàn)以后，人們就遇到了計算問題。首先用十個手指計數(shù)，因此，十進

制就成為人們最熟悉的進制計數(shù)法。隨著人類社會的發(fā)展和進步，計算變得越來越重要，

于是人們便開始研究和利用計算工具。人類第一個簡單的人造計算工具是“籌算”；另一

個重要的計算工具是算盤，在計算工具的歷史上占有很重要的地位。

信息技術(shù)素養(yǎng)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，計算也日趨復雜，于是人們一直在追求得到更先進的計算工具。

1641年，英國人岡特(E.Gunter)發(fā)明了計算尺，開創(chuàng)了模擬計算的先河。1642年，法國

數(shù)學家帕斯卡（BlaisePascal）發(fā)明了帕斯卡加法器，這是人類歷史上第一臺機械式計算

工具，其原理對后來的計算工具產(chǎn)生了持久的影響；1822年，英國數(shù)學家巴貝奇

(C.Babbage)發(fā)明了巴貝奇差分機，這是最早采用寄存器來存儲數(shù)據(jù)的計算工具，體現(xiàn)了

早期程序設(shè)計思想的萌芽，使計算工具從手動機械躍入自動機械的新時代。

2

1936年，美國哈佛大學應用數(shù)學教授霍華德·艾肯（HowardAiken）在讀過巴貝奇

筆記后，被巴貝奇的遠見卓識所震驚。艾肯提出用機電的方法，而不是純機械的方法來

實現(xiàn)巴貝奇的分析機。在IBM公司的資助下，1944年研制成功了繼電式計算機Mark-I。

Mark-I只是部分使用了繼電器，1947年研制成功的計算機Mark-Ⅱ全部使用繼電器。

人們普遍認為人類歷史上第一臺電子數(shù)字計算機的名稱為ENIAC（埃尼阿克），如

圖1-1所示。它是由美國賓夕法尼亞大學莫奇萊（JohnWilliamMauchly）教授和他的學

生?？颂兀↗.PresperEckert）設(shè)計，并于1946年2月15日在賓夕法尼亞大學成功投入

運行。ENIAC是電子數(shù)字積分計算機（ElectronicNumbericalIntergratorandComputer）的

縮寫，它使用了17468個真空電子管，功率

為174kW，占地170m2，質(zhì)量為30t，每秒

可進行5000次加法運算。

雖然它還比不上今天最普通的一臺微型

計算機，但在當時它已是運算速度的絕對冠

軍，并且其運算的精確度和準確度也是史無

前例的。以圓周率π的計算為例，中國的古

代科學家祖沖之利用算籌，耗費15年心血，

才把圓周率計算到小數(shù)點后7位數(shù)。一千多

年后，英國人香克斯以畢生精力計算圓周率，圖1-1世界上第一臺計算機ENIAC

才計算到小數(shù)點后707位。而使用ENIAC進行計算，僅用了40s就達到了這個記錄，還

發(fā)現(xiàn)香克斯的計算中，第528位是錯誤的。

ENIAC奠定了電子計算機的發(fā)展基礎(chǔ)，在計算機發(fā)展史上具有劃時代的意義，這臺

機器雖然無法存儲大量的數(shù)據(jù)與程序，但是它的誕生無疑是一個歷史性的創(chuàng)舉，是計算

機科學史上的一個里程碑，標志著科學技術(shù)發(fā)展進入計算機時代。

1951年6月14日，UNIVAC（通用自動計算機）誕生，并交付美國人口統(tǒng)計局使用。

輿論普遍認為，UNIVAC的使用標志著人類進入了計算機時代。原因有兩個：一是UNIVAC

先后生產(chǎn)了近50臺，并作為商品出售，而ENIAC只有一臺；二是UNIVAC用于公眾數(shù)

據(jù)處理，從實驗室走到了社會，而ENIAC用于軍事目的，只在實驗室中使用。特別是在

1951年美國總統(tǒng)大選中，UNIVAC曾預測艾森豪威爾當選，這使西方輿論大為轟動。

在同一個時期，作為第一臺計算機ENIAC研制顧問的美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼

（JohnvonNeumann）（見圖1-2）領(lǐng)導的研究小組對電子數(shù)字計算機提出了一些基本構(gòu)想：計

算機應當采用二進制運算；計算機中應當配置存儲程序和數(shù)據(jù)的存儲器；計算機應具有自動實

現(xiàn)程序控制的功能等。他還認為一臺電子數(shù)字計算機必須具備運算、控制、存儲、輸入和輸出

這5個部件。這些基本構(gòu)想，實際上成為半個多世紀以來電子數(shù)字計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

真正符合馮·諾依曼基本構(gòu)想的第一臺電子數(shù)據(jù)存儲

自動計算機是由英國劍橋大學教授威爾克斯(Wilkes)等人

于1946年設(shè)計、制造，并于1949年投入運行。人們習慣

于把具有五大功能部件組成的計算機稱為馮·諾依曼計算

機，馮·諾依曼也被稱為現(xiàn)代計算機的“鼻祖”。

2．計算機的發(fā)展

ENIAC從誕生到現(xiàn)在僅70多年，但計算機的發(fā)展突

飛猛進。根據(jù)計算機所采用的物理元件的不同，一般將計

算機的發(fā)展劃分為以下4個時代：

圖1-2馮·諾依曼

（1）第一代電子管計算機（1946—1957年）

采用電子管作為邏輯元件，它用陰極射線管或汞延遲線作為主存儲器，外存主要使

用紙帶、卡片等。程序設(shè)計主要使用機器指令或符號指令，其應用領(lǐng)域主要是科學計算。

（2）第二代晶體管計算機（1958—1964年）

晶體管比電子管小得多，不需要暖機時間，消耗能量較少，處理更迅速、更可靠。

第二代計算機的程序語言從機器語言發(fā)展到匯編語言，接著，高級語言FORTRAN語言

和COBOL語言相繼開發(fā)出來并被廣泛使用，這時也開始使用磁盤和磁帶作為輔助存儲

器。程序設(shè)計使用了更接近于人類自然語言的高級程序設(shè)計語言，計算機的應用領(lǐng)域也

從科學計算擴展到了事務處理、工業(yè)設(shè)計等多個方面。

（3）第三代中小規(guī)模集成電路計算機（1965—1970年）

采用中小規(guī)模的集成電路塊代替了晶體管元件，半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲

器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器。第三代計算機的特點是體積更小、

價格更低、可靠性更高、計算速度更快。系統(tǒng)軟件和應用軟件迅速發(fā)展，出現(xiàn)了分時操

作系統(tǒng)和會話式語言；在程序中采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計方法。

（4）第四代大規(guī)模集成電路計算機（1971年至今）

采用的元件依然是集成電路，不過這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬到

上百萬個晶體管，稱為大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。應用領(lǐng)域從科學計算、事

務管理、過程控制逐步走向家庭。這一時期還產(chǎn)生了新一代的程序設(shè)計語言以及數(shù)據(jù)庫

管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)軟件等。

1.1.3計算機的發(fā)展趨勢第

1章

未來的計算機將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向網(wǎng)絡(luò)化、超大型化、微型化與智能

化方向發(fā)展。計算機與計算思維

1．網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)就是通過通信線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將不同地點的計算機連接起來。網(wǎng)絡(luò)的功能一方

面使聯(lián)網(wǎng)的用戶能共享網(wǎng)絡(luò)上的資源；另一方面網(wǎng)絡(luò)上連接的計算機之間能互相通信。

網(wǎng)絡(luò)應用大大豐富了計算機的內(nèi)涵和外延，大家平時接觸最多的網(wǎng)絡(luò)就是因特網(wǎng)

（Internet）。這是一個覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，它發(fā)展到今天僅50多年的歷史，但已給人們的

日常生活帶來了重大影響，其本身的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。

3

信息技術(shù)素養(yǎng)

2．超大型化

超大型化是指計算機的運算速度更快、存儲容

量更大、功能更強。超級計算機具有很強的計算和

數(shù)據(jù)處理能力，同時配有多種外圍設(shè)備及豐富的軟

件系統(tǒng)，多用于國家高科技領(lǐng)域和尖端技術(shù)研究。

超級計算機是一個國家科研實力的體現(xiàn)，它對國家

4

安全、經(jīng)濟和社會發(fā)展具有舉足輕重的意義。我國

的超級計算機“天河二號”和“神威·太湖之光”

圖1-3“天和二號”機房

曾經(jīng)9次在超算TOP500榜單折桂，圖1-3所示為

“天河二號”的機房。

3．微型化

20世紀70年代以來，由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，微處理器芯片

連續(xù)更新?lián)Q代，微型計算機連年降價，加上豐富的軟件和外圍設(shè)備，操作簡單，使微型

計算機很快普及到社會各個領(lǐng)域并走進千家萬戶。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，微型

計算機將發(fā)展得更加迅速，其中筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更優(yōu)的性能價格

比受到人們的歡迎。

4．智能化

計算機人工智能的研究是建立在現(xiàn)代科學基礎(chǔ)之上的。智能化是計算機發(fā)展的一個

重要方向，新一代計算機將可以模擬人的感覺行為和思維過程的機理，進行“看”“聽”

“說”“想”“做”等行為，具有邏輯推理、學習與證明的能力，能模擬人的感覺和思維能

力。智能化的研究領(lǐng)域很多，其中最有代表性的領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機器人。目前，已研

制出的機器人可以代替人從事危險環(huán)境的勞動。

展望未來，計算機的發(fā)展必然要經(jīng)歷很多新的突破。從目前的發(fā)展趨勢來看，未來

的計算機將是微電子技術(shù)、光學技術(shù)、量子技術(shù)和電子仿生技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。在不

久的將來，量子計算機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機等全新的計算機也會誕生，屆時計算機將發(fā)展

到一個更高、更先進的水平。

1.1.4計算機的分類

隨著計算機發(fā)展和計算應用的推動，計算機的類型越來越多樣化。根據(jù)用途和使用范圍

可以分為通用計算機和專用計算機；根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式可以分為數(shù)字計算機、模擬計算機和

數(shù)?；旌嫌嬎銠C；但人們更習慣根據(jù)處理速度和性能指標來劃分計算機的類別，具體分為：

1．高性能計算機

高性能計算機運行速度最快、處理能力最強，但價格相當昂貴，數(shù)量不多，有重要

和特殊用途。在軍事上，可用于戰(zhàn)略防御系統(tǒng)、大型預警系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)等；在民

用方面，可用于大區(qū)域中長期天氣預報、大面積物探信息處理、大型科學計算和系統(tǒng)模

擬等。近年來，我國高性能計算機的研發(fā)取得了很大成績，推出了“曙光”“天河”等系

列高性能計算機。

2．服務器

服務器是一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對外提供服務的計算機系統(tǒng)。根據(jù)服務器所提供的服

務，一般來說服務器都具備承擔響應服務請求、承擔服務、保障服務的能力。與微型計

算機相比，服務器在穩(wěn)定性、安全性、性能方面要求更高，硬件系統(tǒng)要求也更高。

3．工作站

工作站是介于微型計算機和小型計算機之間的高檔微型計算機系統(tǒng)。工作站通常配

有高分辨率的大屏幕顯示器和大容量的內(nèi)、外存儲器，具有較強的信息處理功能和高性

能的圖形、圖像處理功能以及網(wǎng)絡(luò)功能。工作站主要應用在計算機輔助設(shè)計、輔助制造、

動畫設(shè)計、地理信息系統(tǒng)、圖像處理、模擬仿真等領(lǐng)域。

4．微型計算機

微型計算機，簡稱微機，是以運算器和控制器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作

的存儲器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線構(gòu)成。微型計算機因其小、巧、輕、使用方便、價

格便宜等優(yōu)點迅速得以發(fā)展并成為計算機市場的主流。微型計算機主要分為4類：臺式

計算機、筆記本計算機、平板計算機和智能手機。

5．嵌入式計算機

嵌入式計算機是指作為信息處理部件，嵌入到應用系統(tǒng)中的計算機。嵌入式計算機

與通用計算機相比，主要區(qū)別在于系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，也就是

系統(tǒng)的應用軟件和硬件一體化。嵌入式計算機廣泛用于各種家用電器之中，如電冰箱、

自動洗衣機、數(shù)字電視機等。

1.1.5微機的發(fā)展歷程

微機由于結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、價格便宜，已成為現(xiàn)代計算機領(lǐng)域中的一個重要組

成部分。微機的發(fā)展主要表現(xiàn)在其核心部件微處理器的發(fā)展上，每當一款新型的微處理

器出現(xiàn)時，就會帶動微機系統(tǒng)其他部件的相應發(fā)展，如微機體系結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化，存

儲器存取容量的不斷增大、存取速度的不斷提高、外圍設(shè)備的不斷改進，以及新設(shè)備的

不斷出現(xiàn)等。從1971年誕生微機以來，至今微機的發(fā)展經(jīng)歷了6個階段。

1．第一代（1971—1973年）：4位或低檔8位微處理器

代表產(chǎn)品是美國Intel公司首推的4004微處理器以及由它組成的MCS-4微型計算機。

隨后又制成8008微處理器及由它組成的MCS-8微型計算機。第一代微機指令系統(tǒng)比較

簡單，運算功能較差，速度較慢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)停留在臺式計算機的水平，軟件主要采用機

器語言或簡單的匯編語言，用于簡單的控制場合。第

2．第二代（1974—1977年）：中高檔8位微處理器

1章

其典型產(chǎn)品是Intel8080/8085、Motorola公司的M6800，以及Zilog公司的Z80等。

它們的特點是采用NMOS工藝，集成度提高約4倍，運算速度提高10～15倍，指令系計算機與計算思維

統(tǒng)比較完善，具有典型的計算機體系結(jié)構(gòu)和中斷、DMA（直接存儲器訪問）等控制功能。

軟件方面除了匯編語言外，還有BASIC、FORTRAN等高級語言和相應的解釋程序和編

譯程序，在后期還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。

3．第三代（1978—1984年）：16位微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel8086、Z8000和MC68000。這類16位微型計算機通常都具有豐

富的指令系統(tǒng)，其特點是采用HMOS工藝，集成度和運算速度都比第2代提高了一個數(shù)量級。

5

信息技術(shù)素養(yǎng)

指令系統(tǒng)更加豐富、完善，并配置了強有力的系統(tǒng)軟件。這一時期IBM公司推出了自己的個

人計算機，由于在發(fā)展個人計算機時采用了技術(shù)開放的策略，使個人計算機風靡世界。

4．第四代（1985—1992年）：32位微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel80386/80486、M69030/68040等。其特點是采用HMOS或CMOS

工藝，集成度高達100萬個晶體管/片，具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。每秒可完成

600萬條指令。微型計算機的功能已經(jīng)達到甚至超過超級小型計算機，完全可以勝任多

6

任務、多用戶的作業(yè)。

5．第五代（1993—2004年）：奔騰系列微處理器

其典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯

片。內(nèi)部采用了超標量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著

MMX（MultiMediaeXtended）微處理器的出現(xiàn)，微機的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能

化等方面跨上了更高的臺階。

6．第六代（2005年至今）：酷睿系列微處理器

奔騰系列芯片之后Intel公司推出酷睿（Core）、Core2，目前市場上酷睿系列CPU的

主流產(chǎn)品是i5、i7和i9，如圖1-4所示?？犷ＮⅢw系結(jié)構(gòu)是一款領(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，

面向服務器、臺式計算機和筆記本計算機等多種處理器進行了多核優(yōu)化，其創(chuàng)新特性可

帶來更出色的性能、更強大的多任務處理性能和更高的能效水平。

圖1-4酷睿i系列芯片

64位技術(shù)和多核技術(shù)的應用使微型計算機進入一個新的時代，縱觀微型計算機發(fā)展

的40年歷史，工藝的進步和體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展促進了微處理器性能不斷提升，現(xiàn)在微處理器的

性能遠遠超過了早期的巨型機。微處理器正朝著多核、流處理、可重構(gòu)、多態(tài)方向不斷進步。

由于它結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、價格便宜，正以令人炫目的高速度進行更新?lián)Q代，向前發(fā)展。

1.1.6計算機的應用

現(xiàn)代電子計算機已廣泛應用于人類生活的各個領(lǐng)域。大到宇宙飛船，小到每一個家

庭，都有計算機在發(fā)揮作用。計算機的應用歸納起來主要有以下幾方面：

1．數(shù)值計算

數(shù)值計算就是利用計算機來完成科學研究和工程設(shè)計中的數(shù)學計算，這是計算機最

基本的應用，如人造衛(wèi)星軌道的計算、氣象預報等。這些工作由于計算量大、速度和精

度要求都十分高，離開了計算機是根本無法完成的。通過特殊的軟件，計算機不僅能解

代數(shù)方程，而且還可以解微分方程以及不等式組，并且能將計算速度提高到人類無法想

象的程度。

2．信息處理

信息處理是計算機的一個重要應用領(lǐng)域。由于計算機的海量存儲，可以把大量的數(shù)

據(jù)輸入計算機中進行存儲、加工、計算、分類和整理，因此它廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃

的制訂、科技資料的管理、財務管理、人事檔案管理、火車調(diào)度管理、飛機訂票等。使

用計算機管理與統(tǒng)計數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計速度快、統(tǒng)計精度高、錯誤率小、統(tǒng)計成本低等諸多

優(yōu)點。現(xiàn)在應用比較廣泛的是大型網(wǎng)站數(shù)據(jù)管理、銀行數(shù)據(jù)管理、大型公司的數(shù)據(jù)管理。

當前，我國服務于信息處理的計算機占整個計算機應用的60%左右，而有些國家達80%

以上。

3．過程控制

過程控制也稱實時控制，它要求及時地搜集檢測數(shù)據(jù)，按最佳值進行自動控制或自

動調(diào)節(jié)控制對象，這是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的重要手段。例如，用計算機控制發(fā)電，對鍋爐

水位、溫度、壓力等參數(shù)進行優(yōu)化控制，可使鍋爐內(nèi)燃料充分燃燒，提高發(fā)電效率。同

時，計算機可完成超限報警，使鍋爐安全運行。計算機的過程控制已廣泛應用于大型電

站、火箭發(fā)射、雷達跟蹤、煉鋼等各個方面。

4．計算機輔助工程

計算機輔助工程包括計算機輔助設(shè)計、輔助制造、輔助教學等。

計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD）：用計算機幫助人們進行產(chǎn)品的設(shè)

計，不僅可以加快設(shè)計過程，還可縮短產(chǎn)品的研制周期。廣泛應用于船舶設(shè)計、飛機設(shè)

計、建筑設(shè)計、服裝設(shè)計、電子設(shè)備設(shè)計和各種機械行業(yè)設(shè)計。

計算機輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）：利用計算機通過各種數(shù)值控

制設(shè)備，完成產(chǎn)品的加工、裝配、檢測、包裝等生產(chǎn)過程的技術(shù)。計算機輔助制造可以

提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本和勞動力強度。

計算機輔助教學（ComputerAssistedInstruction，CAI）：將教學內(nèi)容、教學方法及學

生的學習情況等存儲在計算機中，幫助學生輕松地學習所學的知識，同時還可通過交

互操作激發(fā)學習興趣、提高教學效率。

5．人工智能

人工智能是新興起的一門學科，所指的是設(shè)計出智能的計算機系統(tǒng)，讓計算機具有

通常只有人才具有的那種智能特性，模擬人類的某些智力活動，如識別圖形與聲音、學

習過程、探索過程、推理過程，以及對環(huán)境的適應過程等。這是近年來開辟的計算機應

用的新領(lǐng)域。第

自然語言理解是人工智能應用的一個分支，它研究如何使計算機理解人類的自然語言（如

1章

漢語或英語），如根據(jù)一段文章的上下文來判斷文章的含義，這是一個十分復雜的問題。

專家系統(tǒng)是人工智能應用的另一個重要分支，它的作用是使計算機具有某一方面專計算機與計算思維

家的專門知識，利用這些知識去處理所遇到的問題。例如，計算機輔助醫(yī)生看病、專業(yè)

領(lǐng)域咨詢系統(tǒng)等。

機器人是人工智能領(lǐng)域最偉大的發(fā)明之一，有仿人形機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機

器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等。圖1-5所示為一個由斯

坦福大學開發(fā)的OceanOne水下機器人，它可以幫助人類探索大海的深處。機器人技術(shù)

正在迅速向?qū)嵱没~進，機器人可以工作在各種惡劣環(huán)境下，如高溫、高輻射、劇毒等。

7

信息技術(shù)素養(yǎng)

8

圖1-5OceanOne水下機器人

6．計算機網(wǎng)絡(luò)應用

通過計算機網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)計算機之間的通信、各種軟硬件資源的共享。人們可以進

行很多不受地域、區(qū)域限制的活動，如網(wǎng)上購物、網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上炒股、網(wǎng)上訂票等，

此外還可以進行遠程教學、科研、娛樂、交友等。

1.2計算機系統(tǒng)

概括來說，一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)

計算機的硬件系統(tǒng)指的是組成計算機的各種電子物理設(shè)備。由馮·諾依曼提出的計

算機的體系結(jié)構(gòu)指出計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組

成；馮·諾依曼還提出存儲程序原理，即把程序也當作數(shù)據(jù)來對待，程序和程序要處理

的數(shù)據(jù)用同樣的方式存儲；提出“存儲程序，程序控制”的基本工作方法，指出計算機

中要使用二進制。

馮·諾依曼理論的重點在于“存儲程序”，計算機應按照事先存儲的