1.1 计算机的发展及应用
1946年世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学问世，取名ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数值积分计算机），如图1-1所示。ENIAC占地170平方米，重量达28吨，虽然外观上是个庞然大物，性能却远逊于现在的微型计算机，但它的出现为人类社会进入信息时代奠定了坚实的基础，对人类社会的进步产生了极其深远的影响。
图1-1 世界上第一台计算机ENIAC
如今，计算机的应用已经渗透到社会生活的各个领域，计算机正在改变人们的学习、工作和生活方式，推动社会的飞速发展和文明的提高。
1.1.1 计算机的发展
电子计算机发展迅速，如果按计算机中所采用的电子逻辑器件来划分，可以将计算机的发展划分为四个阶段，又称为四代。
1.第一代计算机：电子管时代（1946—1958年）
第一代计算机的主要特征是采用电子管作为基本逻辑元件，存储器采用水银延迟电路或电子射线管作为记忆部件，输入/输出主要采用穿孔纸带或卡片，软件使用机器语言或汇编语言编写，特点是运算速度慢、体积较大、重量较重、价格较高、存储容量小、维护困难及应用范围小等，主要应用于科学计算。电子管计算机如图1-2所示。
图1-2 电子管计算机
2.第二代计算机：晶体管时代（1958—1964年）
第二代计算机的主要特征是采用晶体管作为基本逻辑元件。晶体管具有速度快、寿命长、体积小、重量轻和省电等优点。主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘或磁鼓。这个时期出现了高级语言，计算机运算速度大幅提高，重量和体积显著减小，使用越来越方便，应用越来越广，不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理等。晶体管计算机如图1-3所示。
图1-3 晶体管计算机
3.第三代计算机：集成电路时代（1964—1970年）
第三代计算机的主要特征是采用了中小规模集成电路作为基本逻辑元件。半导体的发展催生了集成电路，这个时期的计算机采用半导体存储器作为主存储器，外存储器包括磁盘和磁带，操作系统出现且有了标准化的程序设计语言（Basic语言）。计算机的功能越来越强、速度更快、可靠性更高、价格明显下降、应用范围更广。集成电路计算机如图1-4所示。
图1-4 集成电路计算机
4.第四代计算机：大规模及超大规模集成电路时代（1970年至今）
第四代计算机的主要特征是采用了大规模集成电路作为基本逻辑元件。主存储器采用半导体存储器，其集成度越来越高，容量也越来越大，外存储器除了广泛使用磁盘外，还出现了固体硬盘。这一代电子计算机体积进一步缩小，性能进一步提升，发展了并行处理技术和多机系统，产品更新速度更快，软件更丰富。微型机的产生和发展使得计算机应用普及到人类生活的各个领域，第四代计算机的容量之大、速度之快是前几代无法比拟的。第四代计算机天河二号如图1-5所示。
图1-5 我国生产的第四代计算机（巨型机）天河二号
1.1.2 计算机的特点与分类
1.计算机的特点
计算机之所以如此重要，是因为它强大的功能。与以往的计算工具相比，计算机具有以下特点。
（1）运算速度快
计算机的运算速度用每秒执行的指令数来衡量。指令是指挥计算机工作的一系列命令。现代计算机以百万条指令来衡量，数据处理速度相当快。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒万亿（Trillion，T）次以上。家用计算机根据配置不同，速度也不同，一般能达到每秒十亿次以上。
（2）运算精度高
计算机的运算精度在理论上不受限制，一般的计算机均能达到15位有效数字，通过一定的技术手段可以达到几百位以上的有效数字，可见运算精度之高。
（3）存储容量大
计算机可以用存储器来存储海量信息。大容量存储器能记忆大量信息，目前微机系统的内存可以达到几十GB，外存可以达到几十TB。
（4）具有复杂的逻辑判断能力
计算机的运算器除了能完成基本的算术运算外，还具有比较、判断等强大的逻辑运算能力，可以帮助用户分析命题是否成立以便做出相应策略。
2.计算机的分类
计算机的种类很多，且分类方法也很多。
（1）按计算机的用途划分
计算机按用途可分为通用计算机和专用计算机两类。通用计算机适用于解决一般性问题，这类计算机使用面广且适应性强，常见的计算机都是通用计算机。专用计算机用于解决特定的问题，功能单一、适应性差，但在特定用途下最有效、最经济、最快捷，配有为解决某一类特定问题的软硬件，如火箭上使用的计算机。
（2）按计算机的规模划分
计算机按规模即按存储容量、运算速度等可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、工作站和服务器。
● 巨型机。即超级计算机，是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家发展水平和综合国力的重要标志。例如，国防科学技术大学研制的“天河”、曙光公司研制的“星云”等。
● 小型机。规模较小，成本较低，很容易维护。在速度、存储容量和软件系统的完善方面占有优势。小型机的用途较广，既可用于科学计算和数据处理，又可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理。
● 微型机。采用微处理器芯片，体积小，价格低，使用方便，所以被广泛使用。目前，普通用户使用的多是微型机。
1.1.3 计算机的应用领域
计算机已应用于社会生活的各个领域，大致可以归纳如下。
（1）科学计算
科学计算是计算机的最早应用，可以完成人工无法实现的科学计算，主要是指计算机应用于科学研究和工程技术中所提出的数学问题，如气象预报的数据处理、大型水坝的工程计算等。
（2）数据处理（信息管理）
数据处理是计算机应用的一个重要领域，泛指非科技工程方面的所有计算、管理和任何形式的数据资料的处理，包括办公自动化、信息管理系统和专家系统等。
（3）实时控制
实时控制是计算机在过程控制方面的重要应用。计算机对工业生产的实时控制，不仅可以节省劳动力，减轻劳动强度，提高生产效率，而且可以实现工业生产自动化。实时控制在冶金、电力、石油、机械、化工、航空航天等领域得到了广泛的应用。
（4）计算机辅助系统
计算机辅助系统的应用，可以提高产品设计、生产和检测过程的自动化水平，降低成本、缩短生产周期、改善工作环境、提高产品质量、获得更高的经济效益。计算机辅助系统包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助制造（CAM）等。
（5）人工智能（Artificial Intelligence，AI）
人工智能是指计算机模拟人类的演绎推理和决策等智能活动，是计算机科学、控制论、信息论、语言学、神经生理学、心理学、数学和哲学等多学科互相渗透而发展起来的综合性学科。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。人工智能的应用非常广泛，如模拟医学专家的经验对某一类疾病进行诊断、具有低等智力的机器人等。
（6）云计算（Cloud Computing）
“云”实质上就是一个网络，狭义上讲，云计算就是一种提供资源的网络，使用者可以随时获取“云”上的资源，只要按使用量付费就可以。从广义上说，云计算是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务，这种计算资源共享池叫作“云”，云计算把计算资源集合起来，通过软件实现自动化管理，只需要很少的人参与，就能让资源被快速提供。也就是说，计算能力作为一种商品，可以在互联网上流通，就像水、电、煤气一样，可以方便地取用，且价格较为低廉。云计算是继互联网后，计算机在信息时代的革新和飞跃。
1.1.4 计算机的发展趋势
未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展，将更加广泛地应用于人们的工作和生活当中。
● 巨型化：指制造速度更快、存储更大、功能更强的巨型机。例如，我国的“银河”“曙光”“星云”系列，及美国的“泰坦”“美洲虎”等。
● 微型化：指制造体积更小、集成度更高、价格更低的微型机。
● 网络化：指利用通信技术把不同地理位置的计算机联网以实现更好的资源共享和交流。
● 智能化：指计算机在人工智能方面深入发展，能够更好地模拟人的思维活动。
除上述发展趋势外，人们还在研究光子计算、生物计算、超导计算、纳米计算和量子计算等技术。
● 光子计算：利用光子取代电子进行数据运算、数据存储和数据传输。运算速度比当代计算机快千倍，并具有超强的抗干扰能力和并行处理能力。
● 生物计算：生物芯片的引入使得运算速度比当代计算机快数万倍，而能耗极低。
● 超导计算：目前的超导开关器件要比集成电路快几百倍，能耗仅为其千分之一。
● 纳米计算：纳米技术研制的内存芯片体积只有数百个原子大小，纳米计算几乎不消耗能量，但运算速度可以比硅基芯片快一万倍。
● 量子计算：利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。