第二章 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

2.1.3軟件技術(shù)的興起和發(fā)展

發(fā)展——

1. 早期計(jì)算機(jī)，使用機(jī)器語(yǔ)言，機(jī)器不同，機(jī)器語(yǔ)言也不同，不同機(jī)器上需要熟悉不同的機(jī)器指令，不方便，很難讀懂；

2. 20世紀(jì)50年代，形成了符號(hào)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，仍然是面向機(jī)器的，不同的機(jī)器有不同的匯編語(yǔ)言——?jiǎng)?chuàng)造匯編程序，將匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言；

3. 面向問(wèn)題的高級(jí)語(yǔ)言，接近人們習(xí)慣用的自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)語(yǔ)言，使程序具有很強(qiáng)的可讀性。

高級(jí)語(yǔ)言發(fā)展階段：

1. 第一階段：代表語(yǔ)言，1954年問(wèn)世的FORTRAN，面向科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算；

2. 第二階段：結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)階段，代表語(yǔ)言，1968年問(wèn)世的Pascal語(yǔ)言，定義了真正的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，按嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化程序編程，具有豐富的數(shù)據(jù)類(lèi)型，易讀懂、易查錯(cuò)；

3. 第三階段：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)階段，代表語(yǔ)言，C++。

軟件分類(lèi)：

1. 系統(tǒng)軟件：匯編程序、編譯程序、解釋程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)型程序（裝配程序、調(diào)試程序、診斷程序、排錯(cuò)程序等）、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)軟件等；

2. 應(yīng)用軟件：用戶在各自行業(yè)中開(kāi)發(fā)和使用的各種程序。

軟件發(fā)展特點(diǎn)：

1. 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；

2. 制作成本昂貴；

3. 檢測(cè)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性

2.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

2.2.1科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理

a.科學(xué)計(jì)算

地位：計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

特點(diǎn)：計(jì)算量大和數(shù)值變化范圍大。

b.數(shù)據(jù)處理：

地位：計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

內(nèi)容：數(shù)據(jù)信息，由計(jì)算機(jī)收集、存儲(chǔ)、整理、檢索、統(tǒng)計(jì)、修改、增刪等，并由此獲得某種決策數(shù)據(jù)或趨勢(shì)，供各級(jí)決策指揮者參考。

2.2.2工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制

內(nèi)容：通過(guò)各種傳感器獲得的各種物理信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換為可測(cè)可控的數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，根據(jù)偏差，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整，便可達(dá)到控制的目的。

進(jìn)展：以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成集成系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 更強(qiáng)的適應(yīng)性；

2. 更好的開(kāi)放性；

3. 更易于擴(kuò)展；

4. 更經(jīng)濟(jì)；

5. 更短的開(kāi)發(fā)周期。

分層：

1. 控制層：通過(guò)各種傳感器來(lái)獲得各種有效信號(hào)；

2. 監(jiān)控層：實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用；

3. 管理層。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

起源：起源于實(shí)現(xiàn)硬件資源的共享。

例子：

1. 電子商務(wù)；

2. 網(wǎng)絡(luò)教育；

3. 敏捷制造。

2.2.4虛擬現(xiàn)實(shí)

定義：利用計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，達(dá)到用戶與環(huán)境直接進(jìn)行交互的目的。

例子：

1. 虛擬演播室；

2. 飛行員與汽車(chē)駕駛員的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

2.2.5辦公自動(dòng)化和管理信息系統(tǒng)

辦公自動(dòng)化：利用計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化的辦公設(shè)備來(lái)替代“筆、墨、紙、硯”及辦公人員的部分腦力、體力勞動(dòng)，從而提高了辦公的質(zhì)量和效率。

企業(yè)管理信息系統(tǒng)：通過(guò)信息的獲取、分析，開(kāi)發(fā)獨(dú)占性產(chǎn)品；通過(guò)優(yōu)化的信息管理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.2.6CAD/CAM/CIMS

a.CAD

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）——

1. 按設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，可進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的比較，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形尺寸、材料選擇、模擬組裝；

2. 再對(duì)模擬整機(jī)進(jìn)行各種性能測(cè)試，包括強(qiáng)度分析、振動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析等；

3. 任意修正，從性能的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)的合理性、加工的可行性等方面進(jìn)行論證，獲得最終的設(shè)計(jì)產(chǎn)品；

4. 將其分解為零件、分裝部件，并給出零件圖、分部裝配圖、總體裝配圖等。

b.CAM

計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）——

1. 內(nèi)容：以數(shù)控機(jī)床為主體，利用存有全部加工資料的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工的自動(dòng)化；

2. 新領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）。

c.CIMS

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integral Manufacturing System，CIMS）——

1. 利用信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)、加強(qiáng)新興制造業(yè)、提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的一種生產(chǎn)模式；

2. 前提：廣泛地采用CAD/CAE/CAPP/CAM，并且已經(jīng)建立了企業(yè)的管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）。

2.2.7多媒體技術(shù)

定義：計(jì)算機(jī)技術(shù)和視頻、音頻及通信等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

作用：用來(lái)實(shí)現(xiàn)人和計(jì)算機(jī)交互地對(duì)各種媒體進(jìn)行采集、傳輸、轉(zhuǎn)換、編輯、存儲(chǔ)、管理，并由計(jì)算機(jī)綜合處理為文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、音響、影像等視聽(tīng)信息而有機(jī)合成的新媒體。

2.2.8人工智能

定義：專(zhuān)門(mén)研究如何使計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的智能的技術(shù)。

分支：

1. 模式識(shí)別：對(duì)某些感興趣的客體進(jìn)行定量的或結(jié)構(gòu)的描述，研究一種自動(dòng)生成技術(shù)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地把待識(shí)別的模式分配到各自的模式類(lèi)中；——派生圖像處理技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)；

2. 文字/語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)言翻譯：讓計(jì)算機(jī)正確認(rèn)識(shí)文字和語(yǔ)音，正確理解自然語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)正確的語(yǔ)言翻譯還是十分困難的，但是目前已有很大進(jìn)展；

3. 專(zhuān)家系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)構(gòu)成存儲(chǔ)量極大的知識(shí)庫(kù)，把各類(lèi)專(zhuān)家豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于知識(shí)庫(kù)內(nèi)，通過(guò)專(zhuān)用軟件，根據(jù)用戶輸入查詢的要求，向用戶做出所要求的解答；

4. 機(jī)器人：人們讓機(jī)器人做一些重復(fù)性的勞動(dòng)，特別是一些不適宜人們工作的勞動(dòng)場(chǎng)所，機(jī)器人的應(yīng)用顯得格外重要。

2.3計(jì)算機(jī)的展望

預(yù)言：到了2046年人類(lèi)社會(huì)幾乎所有的知識(shí)和信息將全部融入于計(jì)算機(jī)空間，而任何人在任何地方任何時(shí)間都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所有的知識(shí)和信息進(jìn)行在線獲取。

前提：努力提高處理器的主頻。

硅芯片處理器主頻與其集成度緊密相關(guān)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并非易事——

1. 硅芯片的集成度又受其物理極限的制約，集成度不可能無(wú)止境地提高，當(dāng)集成電路的線寬達(dá)到僅為單個(gè)分析大小的物理極限時(shí)，意味著硅芯片的集成度已到了窮途末路的境地；

2. 硅芯片集成度提高時(shí)，其制作成本也在不斷提高，按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本情況發(fā)展，數(shù)年內(nèi)該費(fèi)用將達(dá)100億美元，致使企業(yè)無(wú)法承受；

3. 隨著集成度的提高，微處理器內(nèi)部的功耗、散熱、線延遲等一系列問(wèn)題將難以解決。

未來(lái)的可能性——

1. 光計(jì)算機(jī)：利用光子取代電子進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)，用不同波長(zhǎng)的光代表不同數(shù)據(jù)，可快速完成復(fù)雜計(jì)算；

2. DNA生物計(jì)算機(jī)：通過(guò)DNA分子間的生化反應(yīng)完成運(yùn)算，但是必須將DNA溶于試管液體中；

3. 量子計(jì)算機(jī)：利用原子所具有的量子特性進(jìn)行信息處理的一種全新概念的計(jì)算機(jī)——原子會(huì)旋轉(zhuǎn)，而且不是向上就是向下，正好與數(shù)位科技的“0”與“1”完全吻合，量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為重要處理器和內(nèi)存，其運(yùn)算能力比目前的硅芯片為電路基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要快幾億倍；

4. 超級(jí)智能計(jì)算機(jī)：利用高速運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)高并行度的體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)大量高速處理器的高帶寬局域網(wǎng)的連接，使它具有類(lèi)似人腦的高并行性的本質(zhì)。

5. 價(jià)格低廉、使用方便、體積更小、外形多變、具有人性化的計(jì)算機(jī)的研究和應(yīng)用。