1.1 计算机概述

1.1.1 计算机的发展历程

17世纪，德国数学家莱布尼茨发明了震惊世界的二进制，为计算机内部数据的表示方法创造了条件。20世纪初，电子技术得到了飞速发展，1904年，英国电气工程师弗莱明研制出了真空二极管。1906年，美国科学家福雷斯特发明了真空三极管，为计算机的诞生奠定了基础。

20世纪40年代后期，西方国家的工业技术得到迅猛的发展，相继出现了雷达和导弹等高科技产品，大量复杂的科技产品的计算使得原有的计算工具无能为力，迫切需要在计算技术上有所突破。1943年正值第二次世界大战，由于军事上的需要，宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫克利和他的研究生埃克特研制的世界上第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）诞生了，如图1-1所示。

ENIAC的主要元件是电子管，每秒可完成5000次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具要快300倍。ENIAC重30多吨，占地170m2，采用了18 000多个电子管、1 500多个继电器、70 000多个电阻和10 000多个电容，耗电150千瓦。虽然ENIAC的体积庞大、性能差，但它的出现具有跨时代的意义，它开创了电子技术发展的新时代——计算机时代的到来。

同一时期，ENIAC项目组的一个美籍匈牙利研究人员冯·诺依曼开始研制他自己的离散变量自动电子计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）。该计算机是当时最快的计算机，其主要设计理论是采用二进制和存储程序方式。因此人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构，并沿用至今。冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。

从第一台计算机ENIAC诞生到至今的几十年时间里，计算机技术成为发展最快的现代技术之一，根据计算机所采用的物理器件，可以将计算机的发展划分为4个阶段，如表1-1所示。

1.1.2 计算机的特点、应用和分类

随着科学技术的发展，计算机已被广泛应用于各个领域，在人们的生活和工作中起着重要的作用。下面介绍计算机的特点、应用和分类。

1. 计算机的特点

计算机之所以具有如此强大的功能，这是由它的特点所决定的。计算机主要有以下6个主要特点。

（1）运算速度快。计算机的运算速度指的是单位时间内所能执行指令的条数，一般以每秒能执行多少条指令来描述。早期的计算机由于技术的原因，工作频率较低，而随着集成电路技术的发展，计算机的运算速度得到飞速提升，目前世界上已经有运算速度超过每秒亿亿次的计算机。

（2）计算精度高。计算机的运算精度取决于采用机器码的字长（二进制码），即常说的8位、16位、32位和64位等，字长越长，有效位数就越多，精度就越高。如果使用十位十进制数转换成机器码，便可以轻而易举的取得几百亿分之一的精度。

（3）准确的逻辑判断能力。除了计算功能外，计算机还具备数据分析和逻辑判断能力，高级计算机还具有推理、诊断和联想等模拟人类思维的能力，因此计算机俗称为“电脑”。而具有准确、可靠的逻辑判断能力是计算机能够实现信息处理自动化的重要原因之一。

（4）强大的存储能力。计算机具有许多存储记忆载体，可以将运行的数据、指令程序和运算的结果存储起来，供计算机本身或用户使用，还可即时输出为文字、图像、声音和视频等各种信息。例如，要在一个大型图书馆使用人工查阅书目可能会尤如大海捞针，而采用计算机管理后，所有的图书目录及索引都存储在计算机中，这时查找一本图书只需要几秒钟。

（5）自动化程度高。计算机内具有运算单元、控制单元、存储单元和输入输出单元，计算机可以按照编写的程序（一组指令）实现工作自动化，不需要人的干预，而且还可反复执行。例如，企业生产车间及流水线管理中的各种自动化生产设备，正是因为植入了计算机控制系统才使工厂生产自动化成为可能。

（6）具有网络与通信功能。通过计算机网络技术可以将不同城市、不同国家的计算机连在一起形成一个计算机网，在网上的所有计算机用户均可以共享资料和交流信息，从而改变了人类的交流方式和信息获取方式。

2. 计算机的应用

在计算机诞生的初期，计算机主要应用于科研和军事等领域，负责的工作内容主要是针对大型的高科技研发活动。近年，随着社会的发展和科技的进步，计算机的性能不断上升，在社会的各个领域都得到了广泛的应用。

计算机的应用可以概括为以下7个方面。

（1）科学计算。科学计算即通常所说的数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程设计中提出的一系列复杂的数学问题的计算。计算机不仅能进行数字运算，还可以解答微积分方程以及不等式。由于计算机具有较高的运算速度，对于以往人工难以完成甚至无法完成的数值计算，计算机都可以完成，如气象资料分析和卫星轨道的测算等。目前，基于互联网的云计算，甚至可以体验每秒10万亿次的超强运算能力。

（2）数据处理和信息管理。对大量的数据进行分析、加工和处理等工作早已开始使用计算机来完成，这些数据不仅包括“数”，还包括文字、图像和声音等数据形式。由于现代计算机速度快、存储容量大，使得计算机在数据处理和信息加工方面的应用十分广泛，如企业的财务管理、事物管理及资料和人事档案的文字处理等。利用计算机进行信息管理，为实现办公自动化和管理自动化创造了有利条件。

（3）过程控制。过程控制也称为实时控制，它是指利用计算机对生产过程和其他过程进行自动监测以及自动控制设备工作状态的一种控制方式，被广泛应用于各种工业环境中，并替代人在危险、有害的环境中作业，不受疲劳等因素的影响，并可完成人类所不能完成的有高精度和高速度要求的操作，从而节省了大量的人力物力，并大大提高了经济效益。

（4）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指设计有智能性的计算机系统，让计算机具有人才具有的智能特性，让计算机模拟人类的某些智力活动，如“学习”“识别图形和声音”“推理过程”和“适应环境”等。目前，人工智能主要应用在智能机器人、机器翻译、医疗诊断、故障诊断、案件侦破和经营管理等方面。

（5）计算机辅助。计算机辅助也称为计算机辅助工程应用，是指利用计算机协助人们完成各种设计工作。计算机的辅助功能是目前正在迅速发展并不断取得成果的重要应用领域，主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助教育（CAE）、计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）和计算机辅助测试（Computer Aided Testing，CAT）等。

（6）网络通信。网络通信是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。网络通信是指利用计算机网络实现信息的传递功能，随着Internet技术的快速发展，人们可以在不同地区和国家间进行数据的传递，并可通过计算机网络进行各种商务活动。

（7）多媒体技术。多媒体技术（Multimedia Technology）是指通过计算机对文字、数据、图形、图像、动画和声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于教育、广告宣传、视频会议、服务业和文化娱乐业等。

3. 计算机的分类

计算机的种类非常多，划分的方法也有很多种，按计算机的用途可将其分为专用计算机和通用计算机两种。其中，专用计算机是指为适应某种特殊需要而设计的计算机，如计算导弹弹道的计算机等。因为这类计算机都增强了某些特定功能，忽略了一些次要要求，所以有高速度、高效率、使用面窄和专机专用的特点。通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等领域，具有功能多、配置全、用途广、通用性强等特点，目前市场上销售的计算机大多属于通用计算机。

按计算机的性能、规模和处理能力，可以将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5类，具体介绍如下。

（1）巨型机。巨型机（如图1-2所示）也称超级计算机或高性能计算机，是速度最快、处理能力最强的计算机，是为少数部门的特殊需要而设计的。通常，巨型机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，现有的超级计算机运算速度大多可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上。2014年6月，在德国莱比锡市发布的世界超级计算机500强排行榜上，中国超级计算机系统“天河二号”位居榜首，其浮点运算速度达到每秒33.86千万亿次。

（2）大型机。大型机（如图1-3所示）或称大型主机，其特点是运算速度快、存储量大、通用性强，主要针对计算量大、信息流通量多、通信能力高的用户，如银行、政府部门和大型企业等。目前，生产大型主机的公司主要有IBM等。

（3）中型机。中型机的性能低于大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业和公司。

（4）小型机。小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于微型机服务器和大型机之间的一种高性能64位计算机。小型机的特点是结构简单、可靠性高、维护费用低，常用于中小型企业。随着微型计算机的飞速发展，小型机最终被微型机取代的趋势已非常明显。

（5）微型机。微型计算机简称微机，它是应用最普及的机型，占了计算机总数中的绝大部分，而且价格便宜、功能齐全，被广泛应用于机关、学校、企事业单位和家庭中。微型机按结构和性能可以划分为单片机、单板机、个人计算机（PC）、工作站和服务器等，其中个人计算机又可分为台式计算机和便携式计算机（如笔记本电脑）两类，分别如图1-4、图1-5所示。

1.1.3 计算机的发展趋势

从计算机的历史发展来看，计算机的体积越来越小、耗电量越来越小、速度越来越快、性能越来越好、价格越来越便宜、操作越来越容易。

1. 计算机的发展趋势

目前计算机的发展趋势主要有如下几个方面。

（1）多极化

今天包括电子词典、掌上电脑、笔记本电脑等在内的微型计算机在我们的生活中已经是处处可见，同时大型、巨型计算机也得到了快速的发展。特别是在VLSI的技术基础上的多处理机技术使计算机的整体运算速度与处理能力得到了极大的提高。

除了向微型化和巨型化发展之外，中小型计算机也各有自己的应用领域和发展空间。特别在注意运算速度提高的同时，提倡功耗小、对环境污染小的绿色计算机和提倡综合应用的多媒体计算机已经被广泛应用，多极化的计算机家族还在迅速发展中。

（2）网络化

网络化就是通过通信线路将一定地域内不同地点的计算机连接起来形成一个更大的计算机网络系统。计算机网络的出现只有40多年的历史，但已成为影响到人们日常生活的应用热潮，是计算机发展的一个主要趋势。

（3）多媒体化

媒体可以理解为存储和传输信息的载体，文本、声音、图像等都是常见的信息载体。过去的计算机只能处理数值信息和字符信息，即单一的文本媒体。近几年发展起来的多媒体计算机则集多种媒体信息的处理功能于一身，实现了图、文、声、像等各种信息的收集、存储、传输和编辑处理，被认为是信息处理领域在20世纪90年代出现的又一次革命。

（4）智能化

智能化虽然是未来新一代计算机的重要特征之一，但现在已经能看到它的许多踪影，比如能自动接收和识别指纹的门控装置，能听从主人语音指示的车辆驾驶系统等。让计算机具有人的某些智能将是计算机发展过程中的下一个重要目标。

2. 未来新一代计算机芯片技术

由于计算机中最重要的核心部件是芯片，因此计算机芯片技术的不断发展也是推动计算机未来发展的动力。Intel公司的创始人之一戈登·摩尔在1965年曾预言了计算机集成技术的发展规律，那就是：每18个月在同样面积的芯片中集成的晶体管数量将翻一番，而成本将下降一半。这就是摩尔定律。

几十年来，计算机芯片的集成度严格按照摩尔定律进行发展，不过该技术的发展并不是无限的。因为计算机采用电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是原子，一个原子的直径大约等于1nm，目前芯片的制造工艺已经达到了90nm甚至更小，也就是说一条传输电流的导线的直径即为90个原子并排的长度，那么最终晶体管的尺寸将接近纳米级，即达到一个原子的直径长度，但是这样的电路是极不稳定的，因为电流极易造成原子迁移，那么电路也就断路了。

由于晶体管计算机存在上述物理极限，因而世界上许多国家在很早的时候就开始了各种非晶体管计算机的研究，如超导计算机、生物计算机、光子计算机和量子计算机等，这类计算机也被称为第五代计算机或新一代计算机，它们能在更大程度上仿真人的智能，这类技术也是目前世界各国计算机发展技术研究的重点。