1.2 计算机概述

1.2.1 计算机的发展

1．计算机的起源

计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。西方人发明了这种奇妙的计算机器，为它起名为Computer。60多年来，这台机器彻底改变了我们每个人的生活、学习和工作，已在世界范围内形成了一种新的文化，构造了一种崭新的文明。历史是未来的一面镜子，关注计算机的人们都希望了解计算机发生和发展的历程。在此，让我们倒转时空，向前追溯到60多年前第一台电子计算机ENIAC诞生的岁月，以及人类发明计算工具的远古年代，并由此回顾和感受计算机网络所带来的冲击波。

现代计算机是从古老的计算工具一步步发展而来的。算盘是我国人民独特的创造，是一种采用十进制的计算工具。随着社会的发展，计算工具也得到相应的发展。特别是近300多年来，在欧洲，法国物理学家帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662）于1642年发明了第一台能进行加、减法运算的齿轮式加减法器。在帕斯卡研究的基础上，1673年德国数学家莱布尼兹（G .N.Won Leibniz，1646—1716）改进了帕斯卡的设计，增加了乘除法器，制成了可以进行四则运算的机械式计算器。另外，人们还研究了机械式逻辑器及机械式输入和输出装置，为完整的机械式计算机打下了基础。这些机器虽然发明得比较早，但受到当时工艺水平低下的制约（当时还不能生产廉价的精密小齿轮及其他的精密零部件），因此，直到19世纪，机械式计算机才开始成为商品进行使用。

19世纪20年代，英国数学家查尔斯·巴比奇（Charles Babbage，1791—1871）最先提出了通用数字计算机的基本设计思想，并于1822年和1834年先后设计了差分机和分析机，试图以蒸汽机为动力来实现，但是受到当时技术和工艺的限制而失败。分析机具有控制、处理、存储、输入及输出5个基本装置，是一种顺应计算机自动化、半自动化的程序控制潮流的通用数字计算机，它成为以后电子计算机硬件系统的基本组成。在现代电子计算机诞生的100多年前，巴比奇就已经提出了几乎是完整的设计方案，真是一个奇迹。1936年美国科学家霍华德·艾肯（Howard Aiken，1900—1973）采用机电方法来实现巴比奇分析机的想法，并于1944年研制成功了MarkⅠ计算机，使巴比奇的梦想变成现实。所以国际计算机界称巴比奇为“计算机之父”。

现代计算机也称为电脑或电子计算机（Computer），是指一种能存储程序和数据，自动执行程序，快速而高效地完成对各种数字化信息处理的电子设备。

在现代计算机的发展中，具有突出贡献的代表人物是英国数学家图灵（Alan Mathison Turing，1912—1954）和美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Johon Von Neumann，1903—1957）。图灵的主要贡献，一是提出了著名的“图灵机”（TM，Turing Machine）模型，探讨了计算机的基本概念，证明了通用数字计算机是可以实现的；二是提出了图灵测试（Turing Test），奠定了“人工智能”的理论基础。为了纪念图灵对计算机科学的重大贡献，美国计算机协会（ACM）在1966年设立了图灵奖，奖励每年在计算机科学领域作出特殊贡献的人。冯·诺依曼于1946年则首先提出了在计算机中存储程序的思想，并确定了存储程序计算机的基本组成和基本工作方法。冯·诺依曼的这一设计思想被誉为计算机发展史上的里程碑，标志着计算机时代的真正开始。50多年来，虽然计算机系统从运算速度、工作方式、性能指标等方面与当时的计算机有很大的差别，但冯·诺依曼提出的存储程序的思想和规定的计算机硬件的基本结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。因此，“存储程序”是现代计算机的重要标志。

世界上第一台电子计算机ENIAC在美国于1946年2月14日诞生。这台计算机是在美国陆军部的主持下，由美国宾夕法尼亚大学的埃克特（Ecket）和莫奇里（Mauchley）研制成功的，它占地160平方米，重30吨，功率150千瓦，使用了18 000多只电子管，运算速度为5000次/秒。虽然它仍存在着不能存储程序，以及使用的是十进制数等严重缺陷，但是它的运算速度在当时来说已经是非常快了。ENIAC是Electronic Numerical Integrator And Calculator的缩写（称为电子数字积分计算机）。ENIAC的问世具有划时代的意义，它标志着人类计算工具的历史性变革，它的成功，开辟了提高计算速度的极为广阔的前景，从此，计算机登上了人类社会发展的历史舞台。ENIAC研制的同时，冯·诺依曼也于1952年和他的同事们研制了第二台电子计算机EDVAC。这台机器的硬件系统由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5部分组成，它采用了二进制编码，把程序和数据存储在存储器中。EDVAC的发明为现代计算机在体系结构和工作原理上奠定了基础，对后来的计算机设计产生了重大影响。事实上，真正实现内存储程序式的世界第一台电子计算机是由英国剑桥大学的威尔克斯（M.V.Wilkes）等根据冯·诺依曼的设计思想设计的EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Caculator，电子延迟存储自动计算器）。EDSAC于1949年5月制成并投入运行，采用了二进制编码和存储器，即事先把指令存入计算机的存储器，省去了在机外编排程序的麻烦，保证了计算机能按事先存入的程序自动地进行运算，其硬件系统由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5部分组成。计算机孕育于英国，诞生于美国，遍布于全世界。

2．计算机的发展

自1946年电子计算机问世以来，计算机在制作工艺与元件、软件、应用领域等方面都取得了突飞猛进的发展。根据计算机所采用的逻辑元器件的不同，一般将计算机的发展分成4个阶段，习惯上称为4代。

第1代计算机：电子管计算机时代（1946—1957）。逻辑元件采用电子管，软件方面用机器语言或汇编语言编写程序，主要用于军事和科学计算。特点是体积大、耗能高、速度慢（一般每秒数千次至数万次）、存储容量小、价格昂贵。其代表机型有EDVAC、IBM704等。

第2代计算机：晶体管计算机时代（1958—1964）。逻辑元件采用晶体管，软件方面出现了一系列高级程序设计语言，并提出了操作系统的概念。计算机设计出现了系列化的思想。应用范围也从军事与科学计算方面延伸到工程设计、数据处理、事务管理及其他科学研究领域。其代表机型有IBM7090、ATLAS等。

第3代计算机：中、小规模集成电路计算机时代（1965—1970）。逻辑元件采用中、小规模集成电路（IC），软件方面出现了操作系统及结构化、模块化程序设计方法，高级语言在这一时期有了很大的发展。软、硬件都向标准化、多样化、通用化、机种系列化的方向发展。计算机开始广泛应用在各个领域。其代表机型有IBM360等。

第4代计算机：大规模和超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）。逻辑元件采用大规模集成电路（LSI，Large Scale Integration）和超大规模集成电路（VLSI，Very Large Scale Integration）。伴随性能的不断提高，计算机体积、重量、功耗、价格不断下降，而速度和可靠性不断提高，应用范围进一步扩大。操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。这些年来，多媒体、网络也在不断地发展着，今天计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。

3．计算机的发展趋势

目前，计算机正向着巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化和未来计算机的方向发展。

（1）巨型化

巨型化不是针对计算机的体积而言的，而是指计算机的存储容量、运算速度和功能。为了发展尖端科学技术，需要有高速度、超大存储容量和功能更强的超大型计算机。目前，巨型机的运算速度高达每秒数万亿次。美国还在开发每秒1000万亿次运算的超级计算机。这些计算机多用于航天、气象、核反应等尖端科学领域，其研制水平、生产能力及应用程度，已成为衡量一个国家经济实力与科技水平的重要标志。美国、日本是生产这种计算机的主要国家。2003年年底中国研制的曙光4000A计算机实现了每秒11万亿次的峰值运算，在2004年首次被选入“全球高性能计算机500强”排行榜中，排行第10名，中国成为继美、日之后第3个跨越了10万亿次计算机研发和应用的国家。

（2）微型化

超大规模集成电路的飞速发展，使得微型机的发展十分迅猛。当前微型机的标志是将运算器和控制器集成在一块大规模或超大规模集成电路的芯片上，今后将逐步发展到对存储器、高速运算部件、图形卡、声卡的集成，进一步的发展将实现系统的软件固化，以达到整个微型机系统的集成，使微型机的体积更小，运算速度更快，并且可以像手机一样握在手上，嵌入到家用电器或仪器仪表等小型设备中。现在微型机的性能在某些方面已经超过了早期的巨型机水平。

（3）网络化

计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。如今计算机网络的发展如同计算机的发展一样，发展速度迅猛，普及广泛，它把国家、地区、单位和个人连成一体，正改变着人们的生产和生活方式。计算机技术的发展已经无法离开网络技术。

（4）多媒体化

多媒体技术是指采用计算机综合处理数据、文字、图形图像、声音等多媒体信息，同时具有集成性和交互性。多媒体技术的目标是使人们能够以语言和图像等多种媒体形式同计算机进行交流，缩短了人与计算机之间的距离。

（5）智能化

智能化就是让计算机具有人工智能。人工智能使计算机具备类似人的思维能力，即具有语言、学习、分析推理、听觉、视觉、行为等能力，可以替代人的某些体力劳动和脑力劳动。人工智能的研究从本质上拓宽了计算机的能力，在某些方面可以越来越多地代替或超越人类的体力劳动和脑力劳动。

（6）未来的计算机

自第一台电子计算机诞生以来，人类对计算机的追求一刻也没有停止。在20世纪80年代初，人们提出了分子计算机的构想。分子计算机的逻辑元件采用生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子或传导化合物元件构成。这种计算机的运算速度极快，存储能力巨大，能量消耗微小，并且具有模拟部分人脑的能力。目前，分子计算机的研究已经有了新的进展，预计在不久的将来，就能制造出分子元件，即通过在分子水平上的物理和化学作用对信息进行检测、处理、传输和存储。与此同时，光子计算机和量子计算机也在研制当中。光子计算机是用光子代替电子来进行信息传递。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。由于光的速度是30万千米/秒，是电子的300多倍，所以理论上光子计算机的运算速度比目前的计算机高出300多倍。与传统的硅芯片计算机相比，光子计算机有下列优点：超高的运算速度、超强的抗干扰能力、强大的并行处理能力、存储容量大、与人脑相似的容错性等。

量子计算机是由美国阿贡国家实验室提出来的。所谓量子计算机，是指基于量子力学的基本原理，利用电子、质子等亚原子微粒的某些特性进行运算的计算机。与传统的电子计算机相比，未来的量子计算机具有运算速度更快、存储容量更大、搜索功能更强和安全性能更高等优点。虽然目前光子计算机和量子计算机都还没有进入到实用阶段，但可以肯定，将来必将成为现实。

1.2.2 计算机的分类

随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机的类型也越来越多样化，其分类方法也很多。下面仅从计算机的用途、使用范围、规模和处理能力3个方面进行说明。

1．按计算机的用途分类

按计算机的用途可以将计算机分为科学与工程计算计算机、数据处理计算机和工业控制计算机3类。科学与工程计算计算机专门用于科学与工程领域的计算问题；数据处理计算机主要用于数据处理，如办公事务处理、报表统计等；工业控制计算机主要用于生产过程监测和控制。

2．按计算机的使用范围分类

按计算机的使用范围分类可以将计算机分为专用计算机和通用计算机两类。

专用计算机是指为解决某种特定问题而设计的计算机，这种计算机具有运算速度快、精度高、运行效率好、针对性强和结构简单等特点。专用计算机一般用于银行存取款、飞机的自动控制、数控机床等方面。

通用计算机是指为解决各种一般问题而设计的计算机，这种计算机具有很强的综合处理能力，能够解决各种类型的问题，通用性是其主要特点。通用计算机既可用于数据处理、科学计算，又可用于工程设计和工业控制等，它是一种用途广泛、结构复杂的计算机。

3．按计算机的规模和处理能力分类

计算机的规模和处理能力主要是指计算机的大小、存储容量、运算速度、字长、外部设备等多方面的综合性能指标。按计算机的规模和处理能力大体可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器等。

（1）巨型机

巨型机（Supercomputer）也称为超级计算机，在所有计算机类型中其体积最大、价格最贵、处理能力最强、存储容量最大、浮点运算速度最快（目前已达到每秒几十万亿次以上的浮点运算速度）。由我国研发的“曙光”、“联想”、“银河”等都属于这类。

（2）大型机

大型机（Mainframe）或称大型计算机。特点是大型、通用，内存可达几吉字节（GB）以上，整机处理速度高达每秒30亿次，具有很强的处理和管理能力。在向网络迈进的时代，大型机一般用作大型“客户-服务器”系统的服务器，或“终端/主机”系统的主机，主要用于大公司、大银行、规模较大的高校和科研机构。

（3）小型机

小型机（Minicomputer或Minis）具有结构简单、规模小、可靠性高、成本较低、操作简单、与外部设备连接容易等特点，用户不需要经长期培训即可维护和使用，这对于广大的中、小用户来说具有很大的吸引力，更容易推广和普及。小型机的应用范围很广，既可作为医疗设备、测量仪器、工业控制中的数据采集、分析计算设备，也可作为巨型机、大型机的辅助设备，主要用于企业管理、大学和研究所的科学计算和事务管理。

（4）微型机

平常说的微机指的就是个人计算机（PC，Personal Computer）。这种计算机以其设计先进（总是率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有广大的用户。PC在销售数量与金额上都位居榜首。

自1971年Intel公司推出世界上第一台4位微型计算机MCS-4后，微型计算机开始以“摩尔第一定律”的速度发展，即平均每18个月芯片的集成度提高1倍、性能提高1倍、价格下降一半。这就是说，微机将向着运算速度更快、功能更强、更易用、价格更便宜、体积更小、重量更轻、携带更方便的方向发展。

（5）工作站

工作站（Workstation）是介于微型机与小型机之间的一种高性能微型计算机系统，其运算速度比微机快，且有较强的联网功能。主要用于特殊领域，如图形图像处理、辅助设计等。它与网络系统中的“工作站”，虽然名称一样，但含义不同。网络上“工作站”常用来泛指联网用户的结点，以区别于网络服务器，通常只是一般的微机。

（6）服务器

服务器是一种在网络环境下为多用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、通信服务器、打印服务器和计算服务器等。服务器连接在网络上，网络用户在网络通信软件的支持下可远程登录，共享各种服务。

1.2.3 计算机的特点和应用

1．计算机的特点

计算机的发展之所以如此迅猛，与其自身的许多特点是分不开的。计算机的主要特点体现在以下3个方面。

① 计算机是一个运算速度快、计算精确度高的机器。它的计算速度是其他计算工具所望尘莫及的。计算机的运算速度是指计算机每秒执行加法运算的次数，是标志计算机性能的重要指标之一。

② 计算机有记忆装置，即存储器。它可以把原始数据、中间结果、最后的结果和程序等信息存放在存储器中。存储程序是计算机的一个重要工作原则，是计算机能够进行自动工作的基础，这也是计算机区别于其他计算工具的本质特点。存储信息的多少取决于存储设备的容量。

③ 计算机具有逻辑判断功能。计算机不仅能够进行算术运算，还能够进行逻辑运算，在计算过程中遇到支路时，能够判断应该走哪一条支路。计算机的这种特点使其好像具有了“思维”能力，但计算机的逻辑功能是由程序实现的。计算机的这种逻辑判断功能是实现计算机智能化的基本条件。

2．计算机的应用

从计算机的诞生到现在这60多年的时间里，计算机的应用已经深入到了人类生活和工作的各个领域，成为人们离不开的帮手。归结起来，其主要应用领域表现在科学计算、信息处理、过程控制、计算机辅助系统、多媒体技术应用、电子商务、计算机通信与网络应用及人工智能等领域。

（1）科学计算

科学计算与工程计算也称为数值计算，是指应用计算机完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题，如导弹的发射、宇宙飞船的飞行轨迹计算等。科学计算是计算机最早的应用领域。第一台电子计算机研制的目的就是用于军事计算，计算机发展的初期也主要用于科学计算。直到今天，虽然计算机在其他方面的应用不断加强，但仍然是科学研究和科学计算的最佳工具。这个领域要求计算机速度快、精度高，存储容量大。

（2）信息处理

信息处理主要是指非数值形式（如文字、图形、声音、图像等）的数据处理，包括对数据的收集、整理、存储、计算或加工、分类、排序、检索、传输等一系列工作。例如，在科研、生产和经济活动中，把所获得的大量信息存入计算机，通过加工处理，得到可用于某种使用目的的新信息。信息处理的特点是要处理的原始数据量大，而进行的科学计算较简单，但有大量的逻辑运算与判断。目前，信息处理是计算机应用最广的领域，广泛应用于办公自动化（OA）、企业管理、情报检索、报刊编排处理等。

（3）过程控制

过程控制也称实时控制，是指利用计算机采集检测数据，按最佳值对控制对象进行自动控制、指挥和协调。利用计算机进行过程控制，不仅提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而可以改善劳动条件，提高质量，节约能源，降低成本。过程控制常用于电力、冶金、石油化工、机械等工业。由于过程控制一般都是实时控制，要求计算机可靠性高、响应及时。目前，在实时控制系统中广泛采用集散系统，即把控制功能分散给若干台计算机担任，而操作管理则集中在一台或多台高性能计算机上进行。

（4）计算机辅助系统

计算机辅助系统主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教育（CBE）等。

CAD利用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品设计和工程技术设计。CAM由计算机辅助设计派生出来，是指利用计算机对生产设备进行管理、控制、操作等。例如，操纵机器的运行，控制材料的流动，处理产品制造过程中所需的数据，对产品进行测试和检测等。计算机辅助设计和辅助制造结合起来可以直接把CAD设计的产品加工出来。近年来，计算机集成制造系统（CIMS）又成为制造自动化技术的前沿，它是集工程设计、生产过程控制、生产经营管理为一体的高度计算机化、自动化和智能化的现代化生产大系统，是制造业的未来。

CBE主要包括计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助管理教学（CMI）。CAI就是利用计算机模拟教师的教学行为进行授课，学生通过与计算机之间的对话进行学习，并在学习过程自测学习效果等，同时它还包括用形象动态的图形来表达一些用语言和文字不易表达清楚的概念。CMI可用计算机实现各种教学管理，如日常的教务管理、课程安排、制订教学计划、计算机评分等。

（5）多媒体技术应用

多媒体技术是指利用计算机、通信和广播电视技术，把数字、文字、声音、图形、图像和动画等多种媒体有机组合起来，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理（包括对这些媒体的录入、压缩和解压缩、存储、处理、显示和传输等）的技术。目前，多媒体计算机技术的应用领域正在不断拓宽，除了电子图书、知识学习、商业及家庭应用外，在视频会议、远程医疗中都得到了极大的推广。

（6）电子商务

电子商务是指利用计算机和网络进行的商务活动。具体而言，是指综合利用局域网、企业内部网和Internet进行的商业活动，如金融汇兑、网络广告、商品与服务交易等。交易的双方可以是企业与消费者，也可以是企业与企业。在网络时代，电子商务的发展对于一个企业而言，不仅仅意味着商机，还意味着一个全新的、全球性的网络驱动经济的诞生。

（7）计算机通信与网络应用

计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物，它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，达到信息传输和资源共享的目的。

（8）人工智能

人工智能是研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的学科，其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。人工智能的研究领域包括模式识别、知识工程、机器学习、自然语言处理、智能机器人和神经计算等多个方面。

目前，已开发的典型人工智能应用系统如下：

① 计算机专家系统，它实际上是具有专门知识的程序系统，使用较多的领域有军事、化学、气象学、地质学及医疗诊断等；

② 机器人系统，它由专门的计算机程序配以相应的运动部件组成，目前还只能做一些较简单的动作，但也非常有用，比如大量繁重的劳动，精度要求高而又不断重复的劳动，在有危险、有放射线、有毒等的环境下的劳动，连续长时间的劳动等。