任务2.2　了解计算机的分类与应用

2.2.1　学习要点

◆ 了解计算机的分类

◆ 了解计算机的特点

◆ 了解计算机的应用领域

2.2.2　知识准备

在通常用语中，计算机一般指电子计算机中的个人计算机，如图2-3所示，它是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备。在学术性或正式场合，计算机（Computer／Calculation Machine）是各种计算设备的总称。

1. 计算机分类

依照不同的标准，计算机有多种分类方法，常见的分类有以下几种。

1）按处理数据的类型分类

按处理数据的类型不同，计算机可分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机三类。

（1）数字计算机

数字计算机是通过电信号的有无来表示数据并运用算术和逻辑法则进行计算的，它具有运算速度快、计算精度高、灵活性大和便于存储的特点，适合科学计算、信息处理、实时控制、人工智能等应用。

（2）模拟计算机

模拟计算机是通过电压的高低来表示数据，即通过电的物理变化过程来进行数值计算的，在模拟计算和控制系统中应用较多，但其信息不易存储，应用不及数字计算机普遍。

（3）混合计算机

混合计算机是指可以进行数字信息和模拟物理量处理的计算机系统。混合计算机一般由数字计算机、模拟计算机和混合接口三部分组成，其中，模拟计算机部分承担快速计算的工作，而数字计算机部分则承担高精度运算和数据处理，同时具有数字计算机和模拟计算机的特点，即运算速度快、计算精度高、逻辑和存储能力强、存储容量大和仿真能力强。随着电子技术的不断发展，混合计算机主要应用于航空航天、导弹系统等实时性的复杂大系统中。

2）按使用范围分类

按使用范围的大小，计算机可以分为专用计算机和通用计算机。

专用计算机就是专门为某种需求而设计的，不能做他用，它具有运算速度快、计算精度高、运行效率高的特点。通用计算机适用于一般的应用领域，通常人们所说的“计算机”就是指通用计算机。

3）按性能分类

依据计算机的主要性能（如字长、存储容量、运算速度、外部设备等）进行分类，可分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站和服务器六类。这也是常用的分类方法。

（1）超级计算机

超级计算机又称巨型计算机或超级电脑，人们通常把最大、最快并且最贵的主机称为超级计算机。它主要用于气象、太空、能源和医药等领域与战略武器研制中的复杂计算，世界上只有少数几个公司能生产超级计算机，如美国Cray公司生产的Cray-1、Cray-2和Cray-3；我国自行研制的“银河”“曙光”“天河”和“神威”机等，它们对尖端科学、战略武器、社会及经济模拟等新领域的研究都具有极其重要的意义。

“神威·太湖之光”超级计算机是由国家并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机，如图2-4所示。它是国内第一台全部采用国产处理器构建的超级计算机，共安装了40960个中国自主研发的“申威26010”众核处理器，该众核处理器采用64位自主申威指令系统，其峰值性能为12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次/秒。

2016年6月20日，在法兰克福世界超算大会上，“神威·太湖之光”超级计算机登顶榜单之首，不仅速度比当时的第二名“天河二号”快出近两倍，其效率也提高了3倍；2016年11月18日，我国科研人员依托“神威·太湖之光”超级计算机的应用成果首次荣获“戈登·贝尔”奖，实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。

（2）大型计算机

大型计算机（大型电脑）包括通常所说的大型机和中型机。一般只有大中型企事业单位才有足够的财力和人力去配置和管理大型主机，并以这台大机器及其外部设备为基础，组成一个计算中心，统一安排对主要资源的使用，如美国IBM公司生产的IBM 360、IBM 370、IBM 4300和IBM 9000系列。

（3）小型计算机

小型计算机（小型电脑）由于价格低廉，适合中小型企事业单位使用，如DEC公司的VAX系列、DG公司的MV系列、IBM公司的AS/4000系列。

（4）微型计算机

微型计算机（微型电脑，PC），如台式机、笔记本电脑、便携机、掌上电脑等。目前，微型计算机已广泛应用于学校、单位和家庭。人们通常所说的计算机主要指微型计算机。

（5）工作站

工作站与高档微型计算机之间的界限并不是十分明确，而且高性能的工作站接近于小型计算机，或低端主机。但是，工作站毕竟有其明显的特征：运算速度通常比微型计算机要快；使用大屏幕、高分辨率的显示器；有大容量的存储器，而且要有较强的网络通信功能。它主要应用于计算机辅助设计、图像处理和计算机网络领域。

（6）服务器

服务器主要通过网络对外提供服务。相对于普通的PC来说，它对稳定性、安全性、性能等方面都有更高的要求。

2. 计算机的特点

计算机是一种可以进行自动控制、具有记忆功能的现代化计算工具和信息处理工具，它具有以下五个方面的特点。

（1）运算速度快

计算机的运算速度用MIPS（每秒百万条指令）衡量，现代计算机的运算速度都在几十MIPS以上。过去需要几年、几十年才能完成的运算任务，现在只需要几天、几小时，甚至更短的时间。

（2）计算精度高

计算机内部采用二进制数字进行计算。数的精度主要由二进制码的位数决定，位数越多精度越高，因此可以通过增加数的二进制位数来提高精度，现在的计算机一般都有几十位有效数字。

（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，并在计算的同时，把中间结果储存起来供以后使用。早期的计算机由于存储容量小，存储器常常成为限制计算机应用的“瓶颈”。今天，一台普通PC的内存能支持运行大多数应用程序。当然，有些数据量特别大的应用，如大型情报检索、卫星图像处理等，仍需要使用具有更大存储容量的计算机，如小型计算机或巨型计算机。

（4）具有逻辑判断能力

计算机能够根据上一步的处理结果，运用逻辑判断能力自动决定下一步应该执行哪一条指令。因此计算机不仅能解决数值计算问题，还能解决非数值计算问题，如信息检索、图像识别等。

（5）能在程序控制下自动进行工作

计算机是由程序控制其操作过程的。只要根据应用需要，事先编制好程序并输入计算机，计算机就能自动、连续的工作，完成预定的处理任务。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，这是计算机能自动处理的基础。

3. 计算机的应用

计算机早已突破狭义的“计算”范围，成为人类大脑的延伸，被广泛地应用于工业、农业、国防、科研、教育、商业、医疗、通信、日常生活及娱乐等各个领域，其主要应用领域可以分为以下几个方面。

（1）科学计算

科学计算（数值计算）指在工程设计和科学研究中存在大量的数值计算问题，这些问题往往十分复杂，其计算工作量大，且通常又有很强的时间性，如人造卫星轨迹的计算、房屋抗震强度的计算等。计算机使科学家从大量繁复单调的计算中解脱出来，得以从事更多的创造性的工作。

（2）信息处理

信息处理（数据处理）已占计算机应用的70%以上。它主要利用计算机对大批量的数据信息进行加工、分析和处理，如收集、存储、传送、分类、检测、排序等，再筛选出有用的信息。信息处理是非数值计算，与科学计算不同，虽然处理的数据量大，但计算方法简单。

（3）过程控制

过程控制（实时控制）指利用计算机对工业生产过程进行控制，以便节省劳动力，减轻劳动强度，提高生产效率。

（4）计算机辅助领域

计算机辅助领域指利用计算机辅助人们完成某个特定的任务。当前计算机辅助系统的应用十分广泛，主要包括以下几个方面。

• 计算机辅助设计（CAD）：利用计算机辅助设计工作，使设计过程实现半自动化和自动化。

• 计算机辅助制造（CAM）：利用计算机控制各种机床进行零件的生产和加工，实现无图纸加工。

• 计算机集成制造系统（CIMS）：将CAD、CAM和数据库技术集成在一起，可实现设计、制造和管理的自动化。

• 计算机辅助教学（CAI）：利用多媒体计算机辅助各种课件进行教学，可使教学内容生动、形象、图文并茂，且信息量大。

• 计算机辅助测试（CAT）：利用计算机对产品质量等方面进行检验测试。

• 计算机辅助工程（CAE）：利用计算机辅助实现对整个生产过程的全面控制。

（5）人工智能

人工智能（模拟智能）研究用计算机模拟人类“智能”，使计算机具有“推理”“学习”和“积累经验”等思维能力，其研究领域包括模式识别、机器证明、专家系统、自然语言理解、机器翻译和机器人等。

（6）网络与通信

网络与通信是指通过电话交换网等方式将计算机连接起来，以实现资源共享和信息交流。它的应用主要有网络互联技术、路由技术、数据通信技术、信息浏览技术和网络技术等。

（7）数字娱乐

运用计算机网络可以为计算机用户带来丰富多彩的数字娱乐活动，如电影和电视资源、网络游戏等。

（8）嵌入式系统

嵌入式系统是指把处理器芯片嵌入计算机设备中，以完成特定处理任务的系统，其应用主要有消费电子产品和工业制造系统。