第一节 计算机的发展、特点、分类及应用
项目一 计算机的发展历程与发展趋势
了解计算机的发展历程，可以帮助人们认识计算机技术的演变；了解计算机的发展趋势，有助于人们更好地利用计算机技术造福人类社会。
1. 计算机的发展历程
1946年2月，世界上第一台电子数字计算机ENIAC（埃尼阿克）在美国宾夕法尼亚大学宣告研制成功，如图1.1所示。ENIAC全称为“电子数字积分计算机”，其主要的电子元件是电子管，它使用了18000多个电子管，占地约170m2，重达30t，耗电150kW，造价48万美元，每秒可进行约5 000次运算，它强大的计算能力在当时首屈一指。
尽管ENIAC在技术上称不上完美，比如它对各种不同的计算问题都需要技术人员重新连接外部线路（见图1.2），功耗也很大，但它的设计理念具有跨时代的意义，其基本原则一直沿用至今，它的诞生标志着电子计算机时代的到来。计算机从诞生到现在，经历了半个多世纪的发展，如今已经发展到一个很高的水平。以计算机所采用的电子器件为划分标志，可以将计算机的发展历程分为5个阶段，见表1.1。
图1.1 ENIAC计算机
图1.2 技术人员重新接线
表1.1 计算机发展的4个阶段
第一代：电子管计算机
这一阶段计算机的主要特征是采用电子管元件作基本器件，用光屏管或汞延时电路作存储器，输入与输出主要采用穿孔卡片或纸带，体积大、耗电量大、速度慢、存储容量小、可靠性差、维护困难且价格昂贵。在软件上，通常使用机器语言或者汇编语言来编写应用程序。因此这一时代的计算机主要用于科学计算。
这时计算机的基本线路采用电子管结构，程序从人工手编的机器指令程序，过渡到符号语言，第一代电子计算机是计算工具革命性发展的开始，它所采用的二进位制与程序存储等基本技术思想，奠定了现代电子计算机技术的基础。
第二代：晶体管计算机
20世纪50年代中期，晶体管的出现使计算机生产技术得到了根本性的发展，由晶体管代替电子管作为计算机的基础器件，用磁芯或磁鼓作存储器，在整体性能上，比第一代计算机有了很大的提高，如图1.3所示。同时程序语言也相应出现了，如FORTRAN，COBOL，ALGO-160等计算机高级语言。晶体管计算机被用于科学计算的同时，也开始在数据处理、过程控制方面得到应用。
图1.3 晶体管计算机
晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、质量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用晶体管后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机就更容易实现了。
第三代：中小规模集成电路计算机
20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，成功制造了集成电路。中小规模集成电路成为计算机的主要部件，主存储器也渐渐过渡到半导体存储器，使计算机的体积更小，大大降低了计算机计算时的功耗，由于减少了焊点和接插件，进一步提高了计算机的可靠性，如图1.4所示。在软件方面，有了标准化的程序设计语言和人机会话式的Basic语言，其应用领域也进一步扩大。1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，这标志着计算机的发展进入了微型机阶段。4004微处理器是第一个用于微型计算机的4位微处理器，它包含2300个晶体管，随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080，成为第二代微处理器。
图1.4 集成电路数字计算机
第四代：大规模和超大规模集成电路计算机
随着大规模集成电路的成功制作并用于计算机硬件的生产过程中，计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。集成更高的大容量半导体存储器作为内存储器，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机（RISC），软件系统工程化、理论化，程序设计自动化。微型计算机在社会上的应用范围进一步扩大，几乎所有领域都能看到计算机的“身影”。
2. 中国计算机发展历史
1958年，中国科学院计算技术研究所成功研制出我国第一台小型电子管通用计算机103机（八一型），标志着我国第一台电子计算机的诞生。
1965年，中国科学院计算技术研究所成功研制出第一台大型晶体管计算机109乙机，之后推出109丙机，该机在“两弹”试验中发挥了重要作用。
1974年，清华大学等单位联合研制出采用集成电路的DJS-130小型计算机，运算速度达每秒100万次。
1983年，国防科技大学成功研制出运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，这是我国高速计算机发展的一个重要里程碑。
1985年，原电子工业部计算机管理局研制成功与IBM PC兼容的长城0520CH微机。
1992年，国防科技大学研究出银河-II通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算（相当于每秒10亿次基本运算操作），为共享主存储器的四处理机向量机，其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的，总体上达到20世纪80年代中后期国际先进水平。
1993年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准UNIX操作系统设计开发的并行计算机。
1995年，北京市曙光计算机公司又推出了国内第一台具有大规模并行处理机（MPP）结构的并行机曙光1000（含36个处理机），峰值速度每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光1000与美国Intel公司1990年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近，与国外的差距缩小到5年左右。
1997年，中国人民解放军国防科技大学研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统，采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构，由130多个处理结点组成，峰值性能为每秒130亿次浮点运算，系统综合技术达到20世纪90年代中期国际先进水平。
1997至1999年，北京市曙光计算机公司先后在市场上推出具有机群结构（Cluster）的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超级服务器，峰值计算速度已突破每秒1000亿次浮点运算，机器规模已超过160个处理机。
1999年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威I计算机通过了国家级验收，并在国家气象中心投入运行。系统有384个运算处理单元，峰值运算速度达每秒3840亿次。
2000年，北京市曙光计算机公司推出每秒3000亿次浮点运算的曙光3000超级服务器。
2001年，中国科学院计算技术研究所研制成功我国第一款通用CPU——“龙芯”芯片
2002年，北京市曙光计算机公司推出完全自主知识产权的“龙腾”服务器，龙腾服务器采用了“龙芯-1”CPU，采用了北京市曙光计算机公司和中国科学院计算技术研究所联合研发的服务器专用主板，采用曙光LINUX操作系统，该服务器是国内第一台完全实现自有产权的产品，在国防、安全等部门将发挥重大作用。
2003年，百万亿次数据处理超级服务器曙光4000L通过国家验收，再一次刷新国产超级服务器的历史纪录，使得国产高性能产业再上新台阶。
3. 计算机的发展趋势
计算机技术是发展最快的科学技术之一，为了适应社会对计算机应用的基本需求，未来计算机将向着以下几个方面发展。
（1）巨型化。社会高度信息化导致数据量剧增，必然需要有与之适应的高速度、高精度和大存储量的超级计算机。巨型计算机是国家实力的象征，也是军事、航天等尖端科技领域开展研究的重要基础。
（2）微型化。计算机只有向着体积更小、功能更强、价格更低的方向发展，才能适应更多的应用环境，满足更多领域对计算机的应用需求。
（3）网络化。利用现代通信技术和计算机技术，将分布在不同地点的计算机连接起来，按照网络协议互相通信，共享软件、硬件和数据资源。
（4）智能化。让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程，使计算机具有视觉、听觉、语言、推理、思维、学习等能力，成为智能型计算机。
练一练
1. 世界上第一台计算机于1946年诞生在美国宾夕法尼亚大学，该计算机的英文缩写名为________。
A. MARK-II
B. ENIAC
C. EDSAC
D. EDVAC
2. 按电子计算机传统的分代方法，第一代至第四代计算机依次是________。
A. 机械计算机，电子管计算机，晶体管计算机，集成电路计算机
B. 晶体管计算机，集成电路计算机，大规模集成电路计算机，光器件计算机
C. 电子管计算机，晶体管计算机，小、中规模集成电路计算机，大规模和超大规模集成电路计算机
D. 手摇机械计算机，电动机械计算机，电子管计算机，晶体管计算机
3. 第二代电子计算机的主要电子元件是________。
A. 电子管
B. 晶体管
C. 小规模集成电路
D. 大规模和超大规模集成电路
4. 目前，微型计算机中广泛采用的电子元件是________。
A. 电子管
B. 晶体管
C. 小规模集成电路
D. 大规模和超大规模集成电路
5. 中国第一台计算机________通用数字电子计算机于1958年6月由中国科学院计算技术研究所研制成功。
A. 103型
B. 长城
C. 联想
D. 银河