1.2 计算机的发展及应用

1.2.1 计算机发展概论

1946年2月，世界上第一台现代电子数字计算机电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer,ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学研制成功，开创了计算机科学的新纪元。它使用了近18 000个电子管，10 000只电容和7 000个电阻，总重30吨，功率150千瓦，占地170平方米，是花了近3年时间才完成的一项庞大工程。

世界上第一台按存储程序功能设计的计算机EDVAC是第一台具有冯·诺依曼设计思想的电子数字计算机。世界上第一台投入运行的存储程序式电子计算机是EDSAC。

1.信息论的创始人

香农：史劳德·埃尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon,1916—2001）美国数学家，信息论的创始人。香农发表了《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》两篇著名论文，提出信息熵的数学公式，从量的方面描述了信息的传输和提取问题，创立了信息论，为信息科学的研究奠定了初步的基础。信息论的发展经历了经典信息论（由香农创立，又称为狭义信息论）、一般信息论和广义信息论3个阶段。

2.计算机科学的奠基人

图灵：艾伦·图灵（A.M.Turing,1912—1954）是英国数学家，计算机科学的创始人，人们称图灵为“计算机理论之父”。图灵提出著名的“图灵机”，它不是一种具体的机器，而是一种抽象的计算模型，可用来制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置。

3.存储程序式计算机之父

冯·诺依曼：冯·诺依曼（John von Neuman,1903—1957）是匈牙利的美籍数学家，存储程序式计算机的创始人。冯·诺依曼提出并实现了的计算机工作模式可以简单地归结为：存储程序，顺序控制。其基本思想是：（1）计算机可以使用二进制；（2）计算机的指令和数据都可以存储在机内。（3）冯·诺依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理，其主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。

4.计算机的发展

根据使用的电子元器件不同，电子计算机的发展大致可分为4代。

第一代计算机（电子管时代1946—1956年），其主要特征是：

（1）逻辑元器件采用电子管；

（2）主存储器采用磁鼓与磁芯；

（3）程序用机器语言或汇编语言编写。

第二代计算机（晶体管时代1957—1964年），其主要特征是：

（1）逻辑元器件采用晶体管；

（2）用磁盘或磁带作辅助存储器；

（3）程序用汇编语言或高级语言编写。

第三代计算机（中小规模集成电路1965—1970年），其主要特征是：

（1）逻辑元器件采用中、小规模集成电路；

（2）用半导体存储器代替了磁芯存储器；

（3）出现了操作系统软件。

第四代计算机（大规模和超大规模集成电路1971年至今），其主要特征是：

（1）逻辑元器件采用大规模集成电路和超大规模集成电路；

（2）硬件更新快，软件丰富，操作更方便，应用更广泛。

1.2.2 计算机分类及基本特点

1.计算机分类

按性能指标分类，计算机可分为以下几类。

（1）超级计算机：又称巨型机，通常由数百、数千甚至更多的处理器组成，能承担普通微型机、服务器不能完成的大型复杂课题，多用于高精尖科技研究领域，如战略武器开发、空间技术、天气预报等，是综合国力的重要标志之一。

（2）大型机：具有极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面，主要应用于政府部门、银行、大型企业。

（3）小型机：是指采用8～32个处理器，性能和价格介于微型机服务器和大型主机之间的一种高性能64位计算机。这种计算机规模比大型机要小，但仍能支持几十个用户同时使用，适合于中小型企事业单位使用。

（4）微型机：简称微机，是应用最普及、产量最大的机型，其体积小、功耗低、成本少、灵活性大、性能价格比明显优于其他类型的计算机。微机按结构和性能可划分为单片机、单板机、个人计算机（Personal Computer,PC，包括台式微机和便携式微机）、工作站和服务器等。

2.基本特点

处理速度快；运算精确度高；存储能力强；具有逻辑判断能力；可靠性高。

1.2.3 计算机的发展趋势

计算机在向以下几个方面发展：巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化、未来计算机（生物计算机、光子计算机、量子计算机、纳米计算机等）。

1.2.4 计算机在信息社会中的应用

（1）科学计算：包括科学研究和工程计算；科学计算是计算机最早的应用领域。

（2）数据处理：包括各种数据库的应用、办公自动化中的文字处理以及Internet网的应用；数据处理是计算机在信息社会中最广泛的应用之一。

（3）实时控制：主要用于工业生产过程的控制。

（4）计算机辅助系统：包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助教学（CAI）。

（5）人工智能（AI）：包括机器人模拟、专家系统等。

（6）计算机模拟：利用计算机程序代替实物模型来做模拟试验，并为此开发了通用模拟语言。

（7）大数据：是一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有4V特点：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（低价值密度）。大数据最核心的价值在于对海量数据进行存储和分析。

（8）云计算：指通过网络获得应用所需的资源（硬件、平台、软件）。其核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供服务。

一个完整的云计算环境由云端、计算机网络和终端三部分组成，其中云端负责完成软件的计算，终端负责完成与人的交互，计算机网络负责完成信息的传递。它是分布式计算、网络计算、虚拟化等计算机与网络技术相互融合发展的产物。云服务在类型上一般可划分为私有云、联合云和公共云3种。层次结构上，云服务可以由下至上分为3层：基础设施作为服务（IaaS, Infrastructure as a Service）、平台作为服务（PaaS,Platform as a Service）、软件作为服务（SaaS, Software as a Service）。

（9）三维（3D）打印：是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它使用的“墨水”是实实在在的原材料，其工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。

（10）物联网：是指射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息化传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。和传统互联网相比，物联网是建立在互联网上的泛在网络，是各种感知技术的广泛应用，具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。

（11）互联网+：代表一种新的经济形态，即充分发挥互联网在生产要素配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域中，提升实体经济的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。

（12）智慧城市：是运用信息和通信技术手段感应、监测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，实现城市智慧式管理和运行，促进城市的和谐、可持续发展。

1.2.5 计算机在医学上的应用

按电子计算机在医学中的应用特点来划分，大致有以下几个方面的应用内容。

1.医学信息的贮存、查询、借鉴

计算机对医学信息的分类贮存作用，主要是按照医学信息的分类而对医学信息进行高容量、有具体内容的存储，包括按医学信息的应用价值、存在的空间或场所、提供或掌握的角色、所具有的时间性以及疾病载体种类、性质、程度和观察的角度等来分类贮存。贮存医学信息后，我们就可以上网查询、借鉴。利用计算机来对医学信息进行查询、借鉴，不但可节省很多人力、精力和时间，避免不必要的周折与艰辛，而且能事半功倍，收到更可观的效果。

2.医学临床诊断

近年来，计算机技术在医学诊疗上的应用有了更大的突破。通常是把各种征象或指标（如病人的病史、体征、临床检验、检查结果）输入计算机，计算机运行有关已编制好的程序作出各种可能的诊断。如应用计算机来完成生理信号的自动分析和使医疗仪器智能化，包括实现心电图、脑电图和临床生化等的自动分析，建立对危重病人、冠心病人、手术复苏病人以及新生儿和早产儿等的自动监护系统等；又如应用计算机来实行医学图像处理，包括现在广泛应用的计算机X线断层扫描装置（CT）、超声波扫描、同位素扫描、PET脑扫描以及核磁共振成像术和显微镜照片与玻璃涂片的自动识别等。随着技术的发展，计算机辅助诊断将变得操作简单、诊断准确，临床应用范围将进一步扩大。

3.医学教学与科研

随着计算机多媒体技术的研究与开发，又把计算机技术在临床和基础教学中的应用提高到了一个新的层次。如上海开发的《中医内科学杂病辨证和教学系统》分为系统教学、主证教学、系统辨证测验、主证辨证测验、内科学试题练习、名家医案思考与欣赏、辨证示教、病例模拟等几个方面。它能模拟出中医内科教学的讲课、病案讨论、见习实习等环节，更加形象生动地辅助中医内科的教学。再如《组胚学教学玻片图片》软件是用扫描仪将教学玻片照片和各种教学图片扫描下来储存进计算机，制成这些图片的浏览软件，每幅图片在播放时配以专业人员的详细解说，使人感到好像有一个不知疲倦的老师在为自己辅导。计算机在医学科研领域的应用已极为广泛而普及。利用计算机进行数据采集，对数据进行压缩以及对生物医学信号进行处理因其极大的方便性、准确性逐渐取代了以往人工采集数据、数据分析，用模拟信号（如示波器）采取数据等方法。计算机可通过A/D转换器将传来的模拟信号（如动作电位、肌电活动等）转化为准确的数据进行采样、数据分析、曲线描绘甚至可直接得出结果、结论。最突出的表现是，计算机应用于医学统计学。这项功能是人不可代替的。如统计软件SAS和SPSS使烦琐的统计工作变得更为轻松，同时也降低了出错率，提高了工作效率。

4.医院管理

现在许多医院对 CT、X 光、B 超等资料的管理依然为陈旧的手工方式，不仅资料的有效保存期限存在与生俱来的限制，而且管理难度大、人力资源浪费。特别是医师的拍片诊断意见无法保留在原始的拍片上，因此对病人的病历档案存在不可弥补的缺陷。引进计算机医学图像处理系统后，医生每看完一个病人，在每个病人的图片后附带着一个文档用来专门说明此病人的病情，可以在计算机中长期保存下来，通过标记使病人清楚地看到自己的病史。同时可使病人拍完片之后直接通过计算机传输把拍片的结果传到医师那里，有效地节约了卫生资源，具有良好的社会应用价值。再如，医院门诊管理网络系统集挂号、划价、收费、药房管理系统等为一体，它的应用减少了错误率，节省了时间，提高了效率。还有使用计算机进行药库管理等等。一个成熟的医院信息管理系统能够做到医院各部门的信息及时交流、快速综合处理，能提供量化依据供领导决策时参考。