1.2.2　計算機的概念及其變遷

前面已簡單介紹了計算機，接著對計算機這個概念作進一步的介紹。

計算機的概念是與計算機的不同發展時代有關的，它一般可以分為三個階段：

第一階段：計算機主要表現為計算機硬件。

第二階段：計算機主要表現為計算機硬件+計算機軟件。

第三階段：計算機主要表現為計算機硬件+計算機軟件+計算機網絡（支撐）。

下面對這三個階段進行介紹。

1.計算機硬件

（1）計算機硬件概述

在計算機發展初期，計算機的主要表現形式是計算機硬件（computer hardware）。所謂硬件即是由電子元器件為主所組成的計算機實體，它看得見、摸得到，具有金屬外殼，堅固、硬實。硬件一般由五個部分組成：運算器、控制器、存儲器以及輸入裝置、輸出裝置等，它們通過總線與接口互相連接構成一個整體，以完成計算任務。其中，運算器與控制器的組合構成一個基本處理單元，稱為中央處理器（CPU）。硬件的主要功能是執行指令。指令有運算指令、控制指令、傳輸指令、輸入/輸出指令等。

計算機硬件是一個獨立的計算裝置，用戶需作計算時，只要從輸入裝置輸入相應的指令及數據后，計算機即能按指令要求工作從事“計算”，最終將計算結果通過輸出裝置輸出。圖1-1所示為計算機硬件的工作流程。

（2）計算機硬件的分類

計算機硬件發展很快，目前已形成一個龐大的計算機家族，它可按不同角度分為不同種類：

①按用途分類：計算機硬件可按不同用途分為通用與專用兩類，其中通用計算機具有廣泛的使用范圍，而專用計算機則主要用于特殊的應用領域，如儀器儀表中、自動火炮中、數控車床中等。

②按規模分類：計算機硬件可按不同規模分為巨型計算機、大型計算機、小型計算機、個人計算機及嵌入式計算機等。

?巨型計算機：又稱超級計算機，其峰值速度一般在億次/s以上。它主要用于復雜的科學計算中。我國的“天河”“銀河”“曙光”計算機均屬此列。

?大型計算機：此類計算機的運算速度在千萬次/s以上，且有大存儲容量，它主要用于大型應用系統中，如銀行、保險等金融系統中。

?小型計算機：此類計算機的運算速度與存儲容量均小于大/中型計算機，它主要用于一般應用系統或小型應用系統。

?個人計算機：也稱PC（personal computer），又稱微型計算機。它是微電子技術發展的結果。它的特點是體積小、使用方便，通常由一個用戶專用，故稱個人計算機。個人計算機發展至今已分為臺式計算機與筆記本式計算機（或稱便攜機）兩種。

嵌入式計算機：一種體積更小、專門為某些設備配套的計算機，它往往嵌入于設備中，因此稱為嵌入式計算機。例如，安裝于手機、數碼照相機、MP3中，或安裝于游戲機、機器人、自動車床、自動流水線及自動武器中等。

③按性質分類：計算機硬件可按不同性質分為服務器與客戶機兩類。

服務器是為多個用戶提供公共服務的計算機。這種計算機往往要求存儲量大、速度快的計算機，如打印服務器、文件服務器、應用服務器、數據庫服務器以及Web服務器等，它們一般設置于計算機網絡環境中。

客戶機是為客戶直接服務的計算機。

④按字長分類：計算機存儲與處理數據單位有固定長度，它們按二進制數字計算可分為16位、32位、64位等。

（3）計算機硬件的發展歷史

計算機硬件發展從1946年開始至今已有70余年歷史，在其發展的歷史長河中與電子技術的突破性進展緊密相關，一般將它分為四個發展時代：

①第一代計算機（1946—1957）：世界上第一臺真正的數字電子計算機誕生于1946年，而在它之前人類為實現能計算的機器已奮斗了數千年，前面所說的算盤、計算器以及計算尺即是有力的證明。但是，真正實現快速、自動計算機器的夢想，只有到20個世紀才成為可能。20世紀30年代電子技術的發展為計算機出現奠定了物理基礎。而1936年英國人圖靈（Alan Turing，見圖1-2）則給出了構造計算機的一種模型，稱為圖靈機，它為計算機的出現在理論上奠定了基礎。最后，由于第二次世界大戰的爆發，迫切需要快速計算用于軍事領域的應用刺激，最終出現了第一臺計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，見圖1-3）。

ENIAC是美國賓夕法尼亞大學教授約翰·莫克萊所領導的一個小組所研制成功的世界上首臺計算機。對它的研制始于1944年，該計算機主要是為美國海軍計算炮彈的彈道軌跡而研制的。ENIAC用電子管作為主要組件，它使用了18000多個電子管，占地面積167m2，重達30噸，加法運算速度可達5000次/s。

在接下來的第二臺計算機EDVAC中，由美籍匈牙利專家馮·諾依曼（John von Neumann，見圖1-4）所領導的研制小組對計算機的結構體系作了新的調整，形成了目前被廣泛采用的馮·諾依曼體系，又稱馮·諾依曼計算機，這種結構體系一直沿用至今。EDVAC于1950年研制成功并投入運行。1946年的ENIAC和1950年的EDVAC這兩臺計算機是計算機發展歷史上具有標志性作用的機器。

到了20世紀50年代以后，計算機正式進入商用。IBM公司于1953年研制成功第一臺商用計算機IBM701，并投入批量生產，從此以后就開始了計算機應用和計算機產業的發展。

②第二代計算機（1958—1964）：第一代計算機雖然使用電子管，運算速度快，但是它所占體積大、耗電量高、可靠性差、制造成本高、維護難，這些缺點也嚴重制約了它的發展，特別是隨著應用擴大，運算速度已明顯不能滿足需要，因此迫切需要進一步的改造與發展。

到了20世紀50年代后半期，由于晶體管的出現并且取代了電子管，計算機進入了新的一代，稱第二代計算機。

由于晶體管的體積小、耗電量低、可靠性高，更主要的是速度快，因此，它的使用使計算機有了質的飛躍。

第二代計算機的典型產品有IBM公司IBM7094與CDC公司的CDC1640等。同時，計算機已開始進入大規模的商用階段。

③第三代計算機（1965—1971）：電子技術的進一步發展及集成電路的出現，催生了第三代計算機的問世。集成電路是將大量的晶體管等組件組合在一塊硅芯片上，因此又稱芯片。集成電路的集成規模在當時有兩種檔次，一種是小規模集成電路，其集成規模為100個晶體管以下；另一種是中規模集成電路，其集成規模為100～1000個晶體管。

在1965年，美國的DEC公司首推集成電路計算機PDP-8，從而使計算機進入了第三個歷史時代。

第三代計算機是以小規模及中規模集成電路取代晶體管電路為特點的新一代計算機，它具有比第二代更小的體積、更快的速度、更低的耗電量。

第三代計算機的典型產品是IBM公司的IMB360和370系列以及DEC公司的PDP系列，它們在20世紀60年代至70年代間起到了重要作用。

④第四代計算機（1972至今）：第四代計算機是采用大規模及超大規模集成電路為特點的計算機。所謂大規模集成電路指的是集成度在1000～10000個組件的芯片，而所謂超大規模集成電路則指的是集成度在10000個組件以上的芯片。目前，這種芯片的集成規模正按照摩爾定律（Moore’s law）的法則逐年變化。所謂摩爾定律是對芯片集成度規律的一種預測的描述，摩爾定律告訴我們，芯片的集成度每隔一年提高一倍，價格降低一倍，而速度也加快一倍。

由于大規模及超大規模電路的采用，第四代計算機正在向兩個方向迅速發展。

a.巨型機方向：計算機要進一步提高速度與計算能力，除了依靠微電子技術外，更主要的是需挖掘自身的潛能，而目前所采用的辦法是計算機自身的并行技術。所謂并行技術即是將多個計算單元組合在一起，共同協作完成計算任務。這種計算機稱為并行計算機（parallel computer）。

目前，幾乎所有的大型機與巨型機都采用這種并行技術，一般大型機中都包含有數十個CPU，巨型機中則包含有1000～10000個CPU，或超過10000個以上的CPU。

我國的巨型機：“銀河”“天河一號”“天河二號”等在過去幾年中連續六次獲得TOP500國際超級計算機評比冠軍，它們都是由數千個到上萬個芯片所組成的并行機。

2016年6月20日，2016最新TOP500評比結果出爐，全球超級計算機500強公布，我國有167臺巨型機進入500強內，占全球總數第一。而其中：“神威太湖之光”以10億億次／s速度榮登榜首。該機器是一臺采用了40000個國產芯片所組成的并行機，實現了全部元器件國產化（見圖1-5）。

b.微型化方向：計算機發展的另一個方向是微型化方向。由于大規模及超大規模電路的出現，使得這種發展成為現實。它們如微型計算機、筆記本式計算機、平板計算機、手機及單板機、單片機等。目前一般只要安裝一塊電路板即能實現計算機的功能。

首臺商用微型計算機是1975年的MITSAltair，它使用的是Intel公司的8080芯片，接著IBM公司所開發的微型計算機系列占領了計算機的市場，成為計算機市場中的佼佼者。而當前，在微型化方向上進一步發展，它們是以iPad為代表的平板計算機以及以iPhone為代表的移動計算機已成新的發展方向。

2.計算機軟件

（1）計算機軟件的基本概念

計算機軟件這個術語是相對于計算機硬件而言的，計算機軟件是看不見、摸不到的一些程序與數據。

在計算機誕生的初期，由于其結構簡單、應用面窄，因此計算機的運行所用指令少、數據量小。此時，計算機作為一個運行獨立單位，只要輸入少量指令與數據，即能獨立運行并最后產生結果。那時，在計算機中并沒有軟件這個概念。但是，隨著計算機的硬件的發展、應用面的擴大，從20世紀60年代初開始，計算機軟件這個概念就開始出現。

計算機是一種“計算“的機器，它不會自動計算，它的計算完全是聽從指令的指揮，即計算機是一種執行指令的機器。當人們需要計算時，將它們編制成指令的序列交給計算機執行，這是人們使用計算機的最常用方式。這種“指令的序列”稱為程序；而“編制指令序列”則稱為程序設計，或稱為編程。

隨著應用中求解問題的規模與復雜度增加，程序也越來越大，程序設計也越來越困難，此時迫切需要有一種更為接近自然語言的工具來編程，這就是計算機程序設計語言。用這種語言編程可以大大提高編程效率，加快應用開發。在使用了程序設計語言后，人們所編寫的程序需通過一個翻譯程序將其轉換成由指令所組成的程序，然后再交由計算機執行。這個翻譯程序稱為語言處理系統（language processing system）。

同時，由于計算機的發展，其內部的設備及軟件也越來越多，此時需要有一種軟件對它作統一管理，這種軟件稱為操作系統（operating system，OS）。

此外，計算機執行計算的對象是數據，在初期，計算機存儲容量小，因而數據量也很少，一般只達KB級（即1000個字節單位），隨著計算機存儲容量的增加，目前已可達GB級或TB級（即10億個單位或萬億個單位字節），因此計算機存儲的數據量也很多。為方便用戶使用這些數據，需要有專用的軟件進行管理，這種軟件就是數據庫管理系統（database management system，DBMS）。

與此同時，為解決應用中的問題而編寫的程序（稱為應用軟件）也大量出現。另外，還有一些用于支持應用軟件正常運行的軟件（稱為支撐軟件）也相應出現與發展。

所有這些程序，還需要有海量的數據與之匹配，它們組成了計算機軟件（computer software），這些軟件需要長期駐留于計算機內，并成為計算機正常運行的必不可少的條件。

在計算機軟件中一般將其分成為三部分：系統軟件、應用軟件與支撐軟件。下面對這三部分作簡單介紹。

①系統軟件：系統軟件是為計算機運行提供基礎性支持的軟件，它一般包括語言處理系統、操作系統及數據庫管理系統三種。

②應用軟件：應用軟件是直接面向應用的軟件，如字處理軟件、文稿演示軟件、財務處理軟件、電子商務軟件以及目前大量流行的App等均是應用軟件。

③支撐軟件：一些介于系統軟件與應用軟件間的軟件起著工具與接口的作用，它們對應用軟件具有支撐意義，因此稱為支撐軟件，如圖像處理軟件、文件傳輸軟件、數據與程序的接口軟件等均屬此類軟件。

（2）計算機概念的第一次變化

有了計算機軟件后，計算機硬件已不能構成一個獨立的運行實體，它必須在軟件的支撐與協助下才能完成計算。因此，在20世紀60年代后，人們所理解與認識的計算機是計算機硬件與軟件的結合體，一般稱為計算機系統（computer system），有時也可簡稱為計算機。在這種計算機中，計算機硬件往往稱為裸機，而其軟件可以認為是“穿在裸機身上的服裝”。如同人一樣，一個正常的人應該是一個穿著端正的人，同樣，一個正常的計算機應該是硬件與軟件相結合的計算機。這就是計算機硬件、軟件與計算機間的關系。圖1-6給出了這種計算機新概念示意圖。

（3）計算機軟件的發展歷史

雖然計算機軟件與硬件關系密切，但是計算機軟件的發展有其自身的歷史軌跡，了解軟件進化方式對理解軟件在現代計算機系統中的重要性是至關重要的。

計算機軟件發展自1951年起到目前為止經歷了五個時代，分別是：

①第一代軟件（1951—1959）——萌芽期：自1950年馮·諾依曼計算機出現后就有了程序與程序設計的概念。但是，那時的程序是用計算機的指令所編寫的，這種指令稱為機器指令或機器語言，因為這是計算機的語言。這種語言是由一串二進制數字所組成，而一個程序往往就是一大串二進制數字。這種語言與自然語言差距極大，因此人們要使用它與閱讀它均十分困難，當時人們稱之為“天書”。這種說法充分反映了機器語言對人類的不適應性，特別是用它編制程序時，不僅困難，同時極易出錯。人們企圖擺脫這種困境，這就出現了產生軟件的原動力。

首先所出現的改變是將這種二進制數字符串的指令用人們所熟悉的符號表示，如用ADD表示加法，而取代二進數字中的“101”；如用sub表示減法指令，取代二進制字符串中的“110”。用符號替代機器指令后，所形成的語言稱為匯編語言（assembly language）。人們用匯編語言編程比過去方便多了。

但是，僅有匯編語言是不夠的，因為用匯編語言所寫成的程序無法被機器所識別，更不能在計算機上運行。因此，必須將這種程序翻譯成機器語言后計算機才能執行，而這種“翻譯”也可以用程序實現，這種程序稱為匯編程序。

機器指令編程與匯編語言編程構成了第一代軟件的基本特征。匯編語言的出現邁開了計算機程序設計語言的第一步。

但是，在第一代軟件中尚未出現軟件的概念，僅僅有軟件的一些思想與局部性的概念。因此，稱這一代為軟件的萌芽期，而真正軟件的出現則是在第二代。第一代軟件的示意圖如圖 1-7（a）所示。

②第二代軟件（1960—1965）——軟件初創期：真正意義上的軟件出現于第二代，其標志性的成果是高級程序設計語言的出現。雖然匯編語言的出現改變了程序的面貌，但是它僅僅是機器語言的一種改良而已，離真正人類所使用的自然語言還很遠，因此，要達到這種境界不僅存在著技術上的困難，而且更主要的是理論上的困難，而這些困難的克服在第二代軟件這個時期內都得到了解決。

在20世紀60年代上半期，真正的接近自然語言的程序設計語言問世，對匯編語言而言，它稱為高級程序設計語言，其典型的代表是ALGOL、FORTRAN及COBOL等。

隨著高級程序設計語言的出現，翻譯這些語言的翻譯程序能將高級程序設計語言翻譯成機器語言，稱為編譯程序（compiler），它是語言處理系統的一種形式。

在這個時代軟件才真正出現，它是軟件發展的初期，因此該時代稱為軟件的初創期。圖1-7（b）所示為這個時代的示意圖。

③第三代軟件（1965—1971）——軟件發展期：這個時代是軟件的發展時代，目前一般所應用的軟件在這個時期都已逐步形成，它們是：

?操作系統：由于計算機結構越來越復雜，計算機內程序與數據越來越多，因此需要有一個協調的機構以統一管理，這個機構可以用軟件實現，稱為操作系統。操作系統的出現從另一個角度改變了計算機的面貌。

?數據庫管理系統：數據庫管理系統主要用于管理計算機內日益增多的數據量，為有效組織數據與操作數據提供方便。

?應用軟件包：在該時代中出現了眾多的應用軟件包，如辦公軟件包Office、殺毒軟件等，它們為用戶應用提供了很多方便。

在這個時代中，語言處理系統、操作系統及數據庫管理系統組成了系統軟件，而應用軟件包則是支撐軟件的前身，再加上這個時代的大量應用程序，它們構成了整個軟件的基本架構。

在這個時代中所有這些軟件一般需常駐于計算機內，它們構成了計算機的一部分。因此，計算機概念的改變確切地說始于此時代的末期，即從20世紀70年代以后，計算機的概念不僅包含硬件，同時也將軟件包含在內。圖1-7（c）所示為這個時代的示意圖。

④第四代軟件（1971—1989）——軟件持續發展期：這個時代是軟件持續發展的時代，其主要特征是軟件工程的發展，其原因是緣于大型應用程序出現，迫切需要規范應用程序的開發，因此需要有一個完整的開發軟件的思想與方法，這就出現了軟件工程。軟件工程為促進大型應用系統的發展做出了貢獻，同時也為軟件的發展做出了貢獻。如結構化方法、面向對象方法都是在這個時代誕生的。圖1-7（d）所示為這個時代的示意圖。

⑤第五代軟件（1990至今）——軟件成熟期：這個時代是軟件收獲的季節，累累碩果掛滿軟件這棵大樹枝頭，供人們欣賞、采摘。

經過幾十年的努力與奮斗，軟件發展已取得重大階段性成果。軟件從思想、理論與方法，從研究到開發都告訴我們，一個完整的軟件體系已經建立，具體表現為如下幾個方面：

?系統軟件基本定型：系統軟件中的操作系統、數據庫管理系統與語言處理系統經過不斷競爭與發展，其中的Windows、UNIX及Linux脫穎而出成為操作系統的代表性產品；Oracle、DB2及SQLServer等數據庫管理系統成為典型的數據庫管理系統產品；在程序設計語言方面，C、C++及Java等已成為目前常用的工具。

?大型應用系統開發方法已基本成熟：經過數十年開發的積累與研究，對大型應用系統開發已有一套行之有效的方法。

?已形成一套完整理論體系：在對軟件研究的基礎上已形成了一套完整的體系，包括算法

理論與數據理論等。

圖1-7（e）所示為這個時代的示意圖。

3.計算機網絡

（1）計算機網絡的基本概念

計算機網絡是在計算機及數據通信發展基礎之上所出現的，它是地理上分散的多臺自主計算機互連的集合，是自主計算機與數據通信按一定協議要求所組成的實體。網絡的出現使計算機打破了地域的限制，從而使計算機應用領域更為廣泛。

計算機網絡的進一步發展是互聯網，它使得計算機在全球范圍內連在一起，當前進入了互聯網時代。

（2）計算機概念的又一次改變

計算機網絡的出現使計算機的概念又一次發生改變。現在的計算機已不是孤單的計算機，而是與網絡相連的計算機，譬如人一樣，現代的人是在社會中生活的人，這是一種社會人，而不是離群索居的，也不是閉關自守的人。這種與網絡相連的計算機與孤單的計算機有著不同，其主要差別至少有下面幾點：

①這種計算機具有更多資源可以利用，包括數據資源、軟件資源及硬件資源等，稱為資源共享。

②這種計算機具有能進行相互溝通與相互支持的能力。例如，可以進行E-mail通信、QQ交流等；又如，具有遠程醫療、遠程教育以及遠程通信等能力。

③這種計算機還能通過網絡多機協作完成單機無法完成的大型計算任務。

目前的計算機正是這種以網絡為依托的計算機，這是目前人們所看到與使用的計算機。當前有一句名言：“網絡即是計算機”，它指的即是現代的計算機必是在網絡支撐下的計算機。這種計算機又稱計算機系統或簡稱計算機，如圖1-8所示。

（3）計算機網絡的發展歷史

計算機網絡的發展是計算機發展的必然結果，它與計算機發展緊密相關。計算機網絡發展一般可分為三個階段，它們是：

①網絡發展第一階段（1969—1975）——網絡初創階段：在計算機出現23年后，受計算機發展影響及應用的促進，在1969年由美國國防部的國防部先進研究項目局（DARPA）所研制的首個網絡ARPANET問世，當時，這是一個僅有四個節點的簡單網絡，它是一種實驗性的系統，主要用于試驗網絡的可行性。在獲得試驗成功的基礎上，計算機網絡逐步開始流行，各種協議也相繼出現，同時IBM公司及DEC公司等也相繼推出各自的網絡體系結構SNA和DNA，計算機網絡正式進入商用領域。

②網絡發展第二階段（1976—1983）——局域網階段：1976年，美國Xerox公司首推以太網用于局域網中，由于以太網性能好且安裝、使用方便，因此成為廣泛使用的一種局域網。

由于以太網的使用在局域網的應用中掀起了一個高潮，計算機網絡從此進入了一個普及階段，進而擴充到了廣域網領域。與此同時，與網絡相關的軟件也迅速發展與壯大。

③網絡發展第三階段（1983至今）——因特網階段：因特網（Internet）從1983年開始試驗到1994已進入實用階段，并進入商業化時代，目前它已普及全球，幾乎所有計算機都已接入因特網。全球網民已超過30億。

與此同時，與因特網有關的軟件也得到發展，目前已形成了一個完整的網絡體系，當今的應用軟件實際已是一個網絡應用軟件。