1.1.2 计算机的特点及应用领域

1.计算机的主要特点

在人类发展过程中没有一种机器像计算机这样具有如此强劲的渗透力，可以毫不夸张地说，人类现在已经离不开计算机。计算机之所以这么重要，与它的强大功能是分不开的。同以往的计算工具相比，计算机具有以下几个主要特点。

（1）运算速度快。运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。

世界上第一台计算机的运算速度为每秒5 000次，目前世界上最快的计算机每秒可运算万兆次，普通个人计算机每秒也可处理上百万条指令。运算速度快，不仅可以极大地提高工作效率，而且可以使时限性强的复杂处理在限定的时间内完成。

（2）计算精度高。计算机的计算精度随着数字运算设备的技术发展而提高，加上采用了二进制数字进行计算的先进算法，因此可以得到很高的计算精度。

在计算机诞生前1 500多年的时间里，虽然人们不懈努力，但也仅能计算到小数点后500位，而使用计算机后，目前已可达到小数点后上亿位的精度。

（3）存储容量大，记忆能力强。计算机的存储器类似于人的大脑，可以记忆大量的数据和计算机程序，随时提供信息查询、处理等服务，这使计算机具有了“记忆”功能。目前，计算机的存储容量越来越大，已高达吉（109）数量级的容量。计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具的显著区别。

（4）具有逻辑判断能力。计算机不仅能进行算术运算，同时也能进行各种逻辑运算，具有逻辑判断能力，这是计算机的又一重要特点。布尔代数是建立计算机的逻辑基础，计算机的逻辑判断能力也是计算机智能化必备的基本条件，是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。

冯·诺依曼型计算机的基本思想就是将程序预先存储在计算机中。在程序执行过程中，计算机根据上一步的处理结果，能运用逻辑判断能力自动决定下一步应该执行哪一条指令。这样，计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者结合，使得计算机的能力远远超过了其他任何一种工具而成为人类脑力延伸的有力助手。

知识扩展

图1-15所示为计算机奠基人——冯·诺依曼（John von Neumann）。1903年12月28日，他生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭，是著名的美籍匈牙利数学家。

程序存储在计算机内，计算机再自动地逐步执行程序，这个被称为“存储程序和过程控制”的思想就是由冯·诺依曼提出来的。虽然计算机一直在不断地发展，但计算机原理一直沿用该思想，因此人们把迄今为止的计算机称为冯·诺依曼型计算机。

（5）自动化程度高。只要预先把处理要求、处理步骤、处理对象等必备元素存储在计算机系统内，计算机启动工作后就可以在无人参与的条件下自动完成预定的全部处理任务。这是计算机区别于其他工具的本质特点。其中，向计算机提交任务主要是通过程序、数据和控制信息的形式。

计算机中可以存储大量的程序和数据。存储程序是计算机工作的一个重要原则，这是计算机能够自动处理的基础。

（6）支持人机交互。计算机具有多种输入/输出设备，配上适当的软件后，可支持用户进行方便的人机交互。以广泛使用的鼠标为例，用户手握鼠标，只需轻轻单击，计算机便可随之完成某种操作功能。

随着计算机多媒体技术的发展，人机交互设备的种类也越来越多，如手写板、扫描仪、触摸屏等。这些设备使计算机系统以更接近人类感知外部世界的方式输入或输出信息，使计算机更加人性化。

（7）通用性强。计算机能够在各行各业得到广泛的应用，原因之一就是具有很强的通用性。计算机采用存储程序原理，程序可以是各个领域中的用户自己编写的应用程序，也可以是厂家提供的供多用户共享的程序；丰富的软件，多样的信息，使计算机具有相当大的通用性。

2.计算机的应用领域

计算机的高速发展全面促进了计算机的应用。在当今信息社会中，计算机的应用极其广泛，已遍及经济、政治、军事及社会生活的各个领域。计算机的具体应用可以归纳为以下几个方面。

（1）科学计算。科学计算又被称为数值计算，是计算机最早的应用领域。同人工计算相比，计算机计算不仅速度快，而且精度高。利用计算机的高速运算和大容量存储的能力，可进行人工难以完成或根本无法完成的各种数值计算。

其中一个著名的例子是圆周率值的计算。美国一位数学家在 1873年宣称，他花了 15年的时间把圆周率 π 的值计算到小数点后707位。111年之后，日本有人宣称用计算机将 π 值计算到小数点后1 000万位，却只用了24小时。

对要求限时完成的计算，使用计算机可以赢得宝贵时间。以天气预报（见图1-16）为例，如果用人工进行计算，预报一天的天气情况就需要计算几个星期，这就失去了时效。如果改用高性能的计算机系统，取得10天的预报数据只需要计算几分钟，这就使中、长期天气预报成为可能。

科学计算是计算机成熟的应用领域，由大量经过“千锤百炼”的实用计算程序组成的软件包早已商品化，成为计算机应用软件的一部分。

（2）数据处理。数据处理又被称为信息处理（见图1-17），是目前计算机应用的主要领域。在信息社会中需要对大量的、以各种形式表示的信息资源进行处理，计算机因其具备的种种特点，自然成为处理信息的得力工具。

早在20世纪50年代，人们就开始把登记、统计账目等单调的事务工作交给计算机处理。20世纪60年代初期，大银行、大企业和政府机关纷纷用计算机来处理账册、管理仓库或统计报表，从数据的收集、存储、整理到检索统计，应用的范围日益扩大。数据处理很快就超过科学计算，成为最广泛的计算机应用领域。

随着数据处理应用的扩大，在硬件上刺激着大容量存储器和高速度、高质量输入/输出设备的发展。同时，也在软件上推动了数据库管理系统、表格处理软件、绘图软件以及用于分析和预测等应用的软件包的开发。

（3）自动控制。自动控制也被称为过程控制或实时控制，是指用计算机作为控制部件对生产设备或整个生产过程进行控制。其工作过程是：首先用传感器在现场采集受控制对象的数据，求出它们与设定数据的偏差；接着由计算机按控制模型进行计算；然后产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制或调整。

（4）计算机辅助功能。计算机辅助功能是指能够部分或全部代替人完成各项工作的计算机应用系统，目前主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助教学。

① 计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）。CAD可以帮助设计人员进行工程或产品的设计工作，采用CAD能够提高工作的自动化程度，缩短设计周期，并达到最佳的设计效果。目前，CAD技术广泛应用于机械、电子、航空、船舶、汽车、纺织、服装、化工、建筑等行业，已成为现代计算机应用中最活跃的领域之一。

② 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）。CAM是指用计算机来管理、计划和控制加工设备的操作。采用CAM技术，可以提高产品质量、缩短生产周期、提高生产率、降低劳动强度，并改善生产人员的工作条件。

计算机辅助设计和计算机辅助制造的结合产生了 CAD/CAM一体化生产系统，再进一步发展，则形成了计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。CIMS是制造业的未来。

③ 计算机辅助测试（Computer Aided Test，CAT）。CAT是指利用计算机协助对学生的学习效果进行测试，并对学习能力进行估量。CAT一般分为脱机测试和联机测试两种。

脱机测试是由计算机从预置的题目库中按教师规定的要求挑选出一组适当的题目，打印为试卷，给学生回答后，答案纸卡可通过光电阅读机送入计算机进行评卷和评分。标准答案在计算机中早已存储，以作对照用。联机测试是从计算机的题目库中逐个地选出题目，并通过显示器和输出打印机等交互手段向学生提问，学生将自己的回答通过键盘等输入设备送入计算机，由计算机批阅并评分。

④ 计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）。CAI是指利用计算机来辅助教学工作。CAI 改变了传统的教学模式，它使用计算机作为教学工具，把教学内容编制成教学软件——课件。学习者可根据自己的需要和爱好选择不同的内容，在计算机的帮助下学习，实现教学内容的多样化和形象化。

随着计算机网络技术的不断发展，特别是全球计算机网络Internet的实现，计算机远程教育已成为当今计算机应用技术发展的主要方向之一，它有助于构建个人的终生教育体系，是现代教育中的一种教学模式。

（5）人工智能（Artificial Intelligence，AI）。AI是指用计算机来模拟人的智能，代替人的部分脑力劳动。人工智能既是计算机当前的重要应用领域，也是今后计算机发展的主要方向。近20余年来，围绕AI的应用主要表现在以下几个方面。

① 机器人。机器人诞生于美国，但发展最快的是日本。机器人可分为两类：一类叫“工业机器人”，它由事先编制好的过程控制，只能完成规定的重复动作，通常用于车间的生产流水线上：另一类叫“智能机器人”，它具有一定的感知和识别能力，能说话和回答一些简单问题。

② 定理证明。借助计算机来证明数学猜想或定理，这是一项难度极大的人工智能应用。最著名的例子是四色猜想的证明。

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四色猜想是图论中的一个世界级难题，它的内容是：任意一张地图只需要4种颜色来着色，就可以使地图上的相邻区域具有不同的颜色。换言之，用4种颜色就可以绘制任何地图，3种颜色不够，而5种颜色多余。

这个猜想的证明不知难倒了多少数学家，虽然经过无数次的验证，但一直无法在理论上给出证明。1976年，美国数学家哈根和阿贝尔用计算机进行了100亿次逻辑判断，成功地证明了四色猜想。

③ 专家系统。专家系统是一种能够模仿专家的知识、经验、思想，代替专家进行推理和判断，并做出决策处理的人工智能软件。著名的“关幼波肝病诊疗程序”就是根据我国著名中医关幼波的经验制成的一个医疗专家系统。

④ 模式识别。这是 AI 最早的应用领域之一，是通过抽取被识别对象的特征，与存放在计算机内的已知对象的特征进行比较及判别，从而得出结论的一种人工智能技术。公安机关的指纹分辨、手写汉字识别、语音识别等都是模式识别的应用实例。

（6）网络应用。网络应用是计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将处在不同地域的计算机用通信线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。

网络应用是当前及今后计算机应用的主要方向。目前Internet的用户遍布全球，计算机网络作为信息社会的重要基础设施，影响已深入人心，上网已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

总之，在现代生活中，在我们的身边，计算机无处不在，其应用已渗透到社会的各个领域，改变了人们传统的工作、生活方式。可以预见的是，计算机对人类的影响会越来越大。