【项目1.1】 计算机的发展

1.1.1 信息科学与信息技术

1.数据和信息

数据（data）：数据是指一切计算机可以接收并处理的表示客观事物的符号，如数字、文字、图形、影像、声音等。

信息（information）：信息是指对人有用的数据，这些数据将可能影响到人们的行为与决策。

两者是有区别的：数据是信息的载体，信息是对数据加工处理提炼后的结果；信息是具有含义的符号或消息，而单独的数据符号是没有任何意义的。

信息的特点：不灭性、可存储性、可共享性、可加工处理性、相对性、时效性。

2.信息科学的先辈

（1）信息论的创始人——香农

香农，美国数学家，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法；提出了通信系统的模型，解决了信道容量、信源编码等有关精确传送通信符号的基本技术问题。

（2）计算机科学的奠基人——图灵

图灵，英国数学家，提出图灵机。这是一种思想模型，他认为计算机应该通过相应的程序来完成任何设定好的任务。

（3）存储程序式计算机之父——冯·诺依曼

冯·诺依曼，美国数学家，他提出了以下三个重要思想。

● 计算机由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

● 计算机内部采用二进制表示计算机的指令和数据。

● 计算机的工作方式为“存储程序控制”。它将程序和数据存放在存储器中，并让计算机自动执行程序。

3.信息技术与计算机技术的关系

信息技术是人类开发和利用信息的方法和手段，人类一直在探索快速、高效、精确处理信息的技术手段。信息技术经历了四次革命：

● 创造了语言和文字；

● 造纸术和印刷术的出现；

● 电报、电话、电视及其他通信技术的发明和应用；

● 计算机技术和现代通信技术的应用。

信息技术的核心是计算机技术、微电子技术和现代通信技术。

1.1.2 计算机的诞生

1946年2月，物理学家约翰·莫奇莱（John Mauchly）研制的世界上第一台电子数字计算机电子数值积分和计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator,ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学诞生了，如图1.1所示，它标志着计算机时代的到来。

第一台计算机是为计算弹道和射击表而设计的，其主要元器件采用的是电子管，它使用了1500个继电器，18000个电子管，占地170平方米，重量30多吨，耗电150千瓦，耗资40万美元。这台计算机每秒能完成5000次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快300倍。其功能虽远不及今天的计算机，但在当时它却使科学家们从繁重复杂的计算中解放出来，它的诞生标志着人类进入了一个崭新的信息革命时代。

1.1.3 计算机的发展

第一台计算机诞生以来，计算机的发展日新月异，尤其是电子器件的发展，更有力地推动了计算机的发展。人们根据计算机的性能和使用主要元器件的不同，将计算机的发展划分成几个阶段。每一个阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。

（1）第一代计算机（1946年—20世纪50年代末），电子管计算机时代。其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元器件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几 KB。因此，第一代电子计算机体积庞大，造价很高，仅限于军事和科学研究工作中使用，其代表机型有 IBM650（小型机）、IBM709（大型机）。

（2）第二代计算机（1958年—1964年），晶体管计算机时代。其基本特征是逻辑元器件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都使用铁氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器有了磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度大到每秒几十万次，内存容量扩大到几十 KB。与此同时，计算机软件也有了较大的发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。本代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理，代表机型有IBM7094、CDC7600。

（3）第三代计算机（1964年—1972年），集成电路计算机时代。其基本特征是逻辑元器件采用小规模集成电路（Small Scale Integration,SSI）和中规模集成电路（Middle Scale Integration,MSI）。第三代电子计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。采用半导体存储器做主存储器，存储容量和存储速度有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，在程序设计方法上，采用了结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。此时，计算机开始广泛应用在各个领域。其代表机型有IBM360。

（4）第四代计算机（1972年至今），大规模、超大规模集成电路计算机时代。其基本特征是逻辑元器件采用大规模集成电路（Large Scale Integration,LSI）和超大规模集成电路（Very large Scale Integration,VLSI），计算机的体积、重量和成本大幅度降低，运算速度和可靠性大幅度提高。作为主存储器的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除了广泛地使用软、硬磁盘外，还引进了光盘；操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分；多媒体技术崛起，计算机集图像、图形、声音与文字处理于一体。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。代表机型有IBM370、银河、曙光、深腾等。

1.1.4 计算机的特点与分类

1.计算机的特点

（1）运算速度快。目前微型计算机每秒钟进行加减基本运算的次数可高达几十亿次/秒，微型超级计算机则高达数千亿次/秒。如：计算机控制导航，要求运算速度比飞机飞的还快；气象预报要分析大量资料，运算速度必须跟上天气变化，否则就失去了预报的意义。

（2）计算精度高。一般的计算机均能达到15位有效数字，通过一定的手段可以实现任何精度要求。如：历史上一位数学家花了15年时间计算圆周率，才算到7071位，而现在的计算机，几个小时就可计算到10万位。

（3）具有记忆和逻辑判断能力。记忆能力是指计算机存储器能存储大量数据；逻辑判断能力使得计算机能分析命题是否成立以便做出相应对策。通过程序还可实现各种复杂的推理。如：经典的“五子棋”“迷宫”等。

（4）自动执行程序的能力。人们把需要计算机处理的问题编成程序存入计算机，向计算机发出命令后，它便代替了人类，不知疲倦地工作着，如：机器人等。

2.计算机的分类

随着计算机技术的不断更新，计算机的类型日趋多样化。

按处理方式来分，计算机可分为模拟计算机、数字计算机和数字模拟混合计算机。模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算速度极快，但由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄。数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用二进制表示，其运算过程按数字位进行计算，计算精度高，便于存储，通用性强。混合计算机取数字、模拟计算机之长，既能高速运算，又便于存储信息。但这类计算机造价昂贵。现在人们所使用的大都属于数字计算机。

从功能角度来分，计算机可分为专用计算机和通用计算机。专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对性强，功能单一，可靠性高，适应性较差。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。通用计算机适应性强，应用广泛，目前人们所使用的大都是通用计算机。

按规模来分，计算机可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。巨型计算机的运算速度很高，可达每秒执行几千亿条指令，数据存储容量很大，规模大结构复杂，价格昂贵，主要用于尖端科学研究领域。它也是衡量一个国家科学实力的重要标志之一。单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单。性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机。它们的性能指标和结构规模则相应的依次递减。

1.1.5 计算机的应用

计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改变着人们传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。概括起来，计算机的主要应用可分为以下几个领域。

1.科学计算

科学计算又称数值计算，是计算机的重要应用领域之一。第一台计算机的研制目的就是用于弹道计算的，计算机以其计算速度快和计算精度高的特点，大大加快了科学研究的进程。可以说计算机为科学计算而诞生，为科学计算而发展。

2.数据处理

数据处理又称信息处理，是指对数据进行收集、转换、分类、排序、检索、存储和输出等综合性分析工作。数据处理是一切信息管理、辅助决策系统的基础，各类管理信息系统、决策支持系统，专家系统以及办公自动化系统都属于数据处理的范畴。

3.自动控制

计算机能够对工业生产过程中的各种参数进行连续、实时的控制，降低劳动强度和能源消耗，提高生产效率，这种应用又称实时控制。单片机的应用开辟了实时控制的更加广泛的领域，它替代了仪器仪表的功能，具有可程控、数据处理和对外接口的能力，众多的计算机必备部件集成于一片小小的芯片上，使大量仪器仪表实现了微型化、智能化，将实时控制的应用推上一个更高的台阶。

4.计算机辅助系统

计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教育（CBE）等计算机辅助系统，是工业、企业和教育工作者利用计算机良好的图形功能与较高的响应速度，把传统的经验和计算机技术结合起来，代替人们完成复杂而繁重的工作。

5.人工智能

人工智能（AI）一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理准则，然后设计程序让计算机自动探索解题的方法。人工智能是在计算机与控制论学科上发展起来的边缘学科。

6.计算机网络

计算机网络是现代计算机技术与通信技术高度发展密切结合的产物。电子邮件、上网浏览、资料检索、网络电话、电子商务、远程教育、娱乐休闲、聊天以及虚拟社区等，正不断地改变着人类的生产和生活方式。

除了上述介绍的各种应用外，计算机还在多媒体技术、文化艺术和家庭生活等方面有着广泛的应用；随着社会发展的需要，计算机的应用领域在广度和深度两个方面正在无止境地发展着。