1.1.2　計算機的分代與分類

自1946年電子計算機問世至今，計算機在制作工藝、元器件、軟件、應用領域等各方面都有飛速的發展。根據計算機所采用的邏輯元件不同，一般將計算機的發展分成5個階段，每一階段在技術上都有嶄新的突破，在性能上都有質的飛躍。

第一代計算機：電子管計算機時代（1946—1957年）。邏輯元件采用電子管，內存儲器采用水銀延遲線，外存儲器有紙帶、卡片、磁帶和磁鼓等。軟件方面使用機器語言或匯編語言編寫程序。主要用于軍事和科學計算。特點是體積大、耗能高、速度慢（一般每秒數千次至數萬次）、存儲容量小、價格昂貴。其代表機型有EDVAC、IBM704等。

第二代計算機：晶體管計算機時代（1958—1964年）。晶體管的發明改變了計算機的構建方式。IBM公司在1958年制造出第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501。邏輯元件采用晶體管，使計算機的能耗降低，壽命延長，運算速度提高（一般每秒為數十萬次，甚至可高達300萬次），可靠性提高，價格不斷下降。第二代計算機內存儲器使用磁芯、外存儲器使用磁盤和磁帶。軟件方面出現了一系列高級程序設計語言（如FORTRAN、COBOL等），并提出了操作系統的概念。計算機設計出現了系列化的思想，應用范圍也從軍事與科學計算方面延伸到工程設計、數據處理、氣象及事務管理科學研究領域。與第一代計算機相比，第二代計算機在體積、成本、重量、功耗、速度以及可靠性等方面有了較大的提高。其代表機型有IBM7090、ATLAS等。

第三代計算機：中、小規模集成電路計算機時代（1965—1970年）。邏輯元件采用中、小規模集成電路（Integrated Circuit，IC）。一塊小小的硅片上，可以集成上百萬個電子器件，如晶體管、電阻器或電容器等，因此常把它稱為芯片。主存儲器開始使用半導體存儲器，外存儲器使用磁盤和磁帶。在這個階段，出現了鍵盤和顯示器。軟件方面出現了操作系統以及結構化、模塊化程序設計方法。軟硬件都向標準化、多樣化、通用化、系列化的方向發展。計算機開始廣泛擴展到文字處理、圖形處理等領域。其代表機型有IBM 360和CDC 7600。IBM 360是IBM公司在1964年4月7日發布的，它是第三代計算機的標志。CDC（Control Data Corporation）公司于1963年推出的CDC 6600首創分布式并行計算機工作結構，運算速度達到每秒300萬次浮點運算，它從1964年到1969年一直保持世界最快的計算機。其后繼者CDC 7600的運算速度達到每秒1 000萬次浮點運算，成為當時最成功的計算機。

第四代計算機：大規模、超大規模集成電路計算機時代（1971年至今）。第四代計算機以Intel公司1971年研制的第一臺微處理器Intel 4004為標志，這一芯片集成了2250個晶體管，其功能相當于ENIAC，標志著大規模集成電路時代的到來，為微型計算機的出現奠定了基礎。中央處理器（Central Process Unit，CPU）高度集成化是這一代計算機的主要特征。集成度高的半導體存儲器完全代替了磁芯存儲器，外存的存儲速度和存儲容量得到大幅度提升。外圍設備有了很大發展，出現了光字符閱讀器（OCR）、掃描儀、激光打印機和各種繪圖儀。計算機體積、重量、功耗、價格不斷下降，而性能、速度和可靠性不斷提高，操作系統也在不斷完善，數據庫管理系統進一步發展。計算機的應用范圍遍及網絡、天氣預報和多媒體等領域。

第五代計算機：第五代計算機是為適應未來社會信息化的要求而提出的，與前四代計算機有著本質的區別，是計算機發展史上的一次重要變革。第五代計算機是把信息采集、存儲、處理、通信同人工智能結合在一起的智能計算機系統。它主要面向知識處理，能進行并行計算，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，能夠幫助人們進行判斷、決策、開拓未知領域和獲得新的知識。人機之間可以直接通過自然語言（聲音、文字）或圖形、圖像交流和傳輸信息。1981年10月，日本首先向世界宣告開始研制第五代計算機。后來，美國等國家都先后投入巨資來研制第五代計算機。目前，第五代計算機的研制雖取得了一定的研究成果，但至今仍沒有研制出具備智能特點的計算機。第五代計算機的研制對于人類又是一個巨大的挑戰。

計算機發展的“分代”代表了計算機在時間軸上縱向的發展歷程，而“分類”可用來說明計算機橫向的發展。計算機種類很多，分類方法也有多種。目前，最常用的一種分類方法是1989年11月美國電氣和電子工程師學會（IEEE）根據當時計算機的性能及發展趨勢，按照運算速度、字長、存儲性能等綜合指標，將計算機分為巨型機、大型機、小型機、工作站、微型計算機和嵌入式計算機。

1.巨型機

巨型機（Super Computer）也稱為超級計算機，在所有計算機類型中其占地面積最大，價格最貴，功能最強，運算速度最快。巨型機的研制水平、生產能力及其應用程度已經成為衡量一個國家科技水平、經濟發展、軍事實力的象征。巨型機主要用于尖端科學領域，特別是國防領域。我國在1983年、1992年、1997年由國防科技大學計算機學院分別推出了銀河I（每秒一億次）、銀河II（每秒十億次）、銀河III（每秒百億次）計算機。銀河系列計算機的推出標志著中國成為繼美國、日本之后第三個生產巨型機的國家。2013年6月，由國防科技大學負責研制的“天河二號”超級計算機問世，如圖1-8（a）所示。2015年7月13日在德國舉行的2015年國際超級計算機大會發布的全球超級計算機500強最新榜單中，“天河二號”以每秒33.86千萬億次的持續浮點運算速度第五次蟬聯冠軍。天河二號運算1小時，相當于13億人同時用計算器計算一千年，其存儲總容量相當于存儲每冊10萬字的圖書600億冊。

2.大型機

大型機（Mainframe Computer）主機非常龐大，采用了多處理、并行處理等技術，通常具備超大的內存、海量的存儲器，使用專用的操作系統和應用軟件。大型機大量使用冗余等技術確保其安全性及穩定性，具有很強的管理和處理數據的能力，主要用于大企業、銀行、高校和科研院所。目前，生產大型機的企業有IBM、UNISYS等。IBM大型機如圖1-8（b）所示。

3.小型機

小型機（Minicomputer）是20世紀70年代由美國的DEC（數字設備公司）首先開發的一種高性能計算產品。小型機具備高可靠性、高可用性、高服務性等特性。而且小型機結構簡單、價格介于普通服務器和大型主機之間、使用和維護方便，深受中小企業歡迎。當前，生產小型機的廠家主要有IBM、HP等公司。IBM小型機如圖1-8（c）所示。

4.工作站

工作站（Workstation）是一種高檔微型機系統，具有較高的運算速度，具有大型機和小型機的多任務、多用戶能力，而且具有操作方便以及良好的交互界面。其最突出的特點是具有很強的圖形交互能力，因此在工程領域特別是圖像處理、計算機輔助設計領域得到迅速發展。目前，許多廠商都推出了適合不同用戶群體的工作站，如Sun公司的Sun系列工作站以及IBM、DELL、HP等廠家的工作站。HP工作站如圖1-8（d）所示。

5.微型計算機

微型計算機（Microcomputer）簡稱微機，通常所說的個人計算機（Personal Computer，PC）也是指微機。1981年8月12日，IBM發布了其第一臺PC——IBM5150，開創了全新的微機時代。微機自產生以來，以設計先進、軟件豐富、功能齊全、價格低廉、體積小等優勢而被廣大用戶青睞。微型計算機的發展，極大地推動了計算機的普及應用。現在微型機除了臺式機外，還有筆記本式、掌上型和手表型等多種類型。

6.嵌入式計算機

嵌入式計算機（Embedded Computer）是指嵌入到各種設備及應用產品內部的計算機系統。嵌入式計算機以應用為中心，軟硬件可裁減，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴格要求的專用計算機系統，如圖1-9所示。嵌入式計算機系統由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成，硬件包括微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等，而大多使用EPROM、EEPROM或閃存作為存儲介質。軟件是實時、多任務操作系統和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。嵌入式計算機系統最早出現在20世紀60年代各種武器控制中，用于軍事指揮控制和通信系統。現在嵌入式系統已廣泛應用到生活中的電器設備中，如掌上PDA、電視機頂盒、手機上網設備、數字電視、汽車、微波爐、數碼照相機、家庭自動化系統、電梯、空調、自動售貨機、消費電子設備、工業自動化儀表與醫療儀器等。