1.2 計算機概述

1.2.1 計算機的發展

1．計算機的起源

計算機是20世紀人類最偉大的發明之一。西方人發明了這種奇妙的計算機器，為它起名為Computer。60多年來，這臺機器徹底改變了我們每個人的生活、學習和工作，已在世界范圍內形成了一種新的文化，構造了一種嶄新的文明。歷史是未來的一面鏡子，關注計算機的人們都希望了解計算機發生和發展的歷程。在此，讓我們倒轉時空，向前追溯到60多年前第一臺電子計算機ENIAC誕生的歲月，以及人類發明計算工具的遠古年代，并由此回顧和感受計算機網絡所帶來的沖擊波。

現代計算機是從古老的計算工具一步步發展而來的。算盤是我國人民獨特的創造，是一種采用十進制的計算工具。隨著社會的發展，計算工具也得到相應的發展。特別是近300多年來，在歐洲，法國物理學家帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662）于1642年發明了第一臺能進行加、減法運算的齒輪式加減法器。在帕斯卡研究的基礎上，1673年德國數學家萊布尼茲（G .N.Won Leibniz，1646—1716）改進了帕斯卡的設計，增加了乘除法器，制成了可以進行四則運算的機械式計算器。另外，人們還研究了機械式邏輯器及機械式輸入和輸出裝置，為完整的機械式計算機打下了基礎。這些機器雖然發明得比較早，但受到當時工藝水平低下的制約（當時還不能生產廉價的精密小齒輪及其他的精密零部件），因此，直到19世紀，機械式計算機才開始成為商品進行使用。

19世紀20年代，英國數學家查爾斯·巴比奇（Charles Babbage，1791—1871）最先提出了通用數字計算機的基本設計思想，并于1822年和1834年先后設計了差分機和分析機，試圖以蒸汽機為動力來實現，但是受到當時技術和工藝的限制而失敗。分析機具有控制、處理、存儲、輸入及輸出5個基本裝置，是一種順應計算機自動化、半自動化的程序控制潮流的通用數字計算機，它成為以后電子計算機硬件系統的基本組成。在現代電子計算機誕生的100多年前，巴比奇就已經提出了幾乎是完整的設計方案，真是一個奇跡。1936年美國科學家霍華德·艾肯（Howard Aiken，1900—1973）采用機電方法來實現巴比奇分析機的想法，并于1944年研制成功了MarkⅠ計算機，使巴比奇的夢想變成現實。所以國際計算機界稱巴比奇為“計算機之父”。

現代計算機也稱為電腦或電子計算機（Computer），是指一種能存儲程序和數據，自動執行程序，快速而高效地完成對各種數字化信息處理的電子設備。

在現代計算機的發展中，具有突出貢獻的代表人物是英國數學家圖靈（Alan Mathison Turing，1912—1954）和美籍匈牙利數學家馮·諾依曼（Johon Von Neumann，1903—1957）。圖靈的主要貢獻，一是提出了著名的“圖靈機”（TM，Turing Machine）模型，探討了計算機的基本概念，證明了通用數字計算機是可以實現的；二是提出了圖靈測試（Turing Test），奠定了“人工智能”的理論基礎。為了紀念圖靈對計算機科學的重大貢獻，美國計算機協會（ACM）在1966年設立了圖靈獎，獎勵每年在計算機科學領域作出特殊貢獻的人。馮·諾依曼于1946年則首先提出了在計算機中存儲程序的思想，并確定了存儲程序計算機的基本組成和基本工作方法。馮·諾依曼的這一設計思想被譽為計算機發展史上的里程碑，標志著計算機時代的真正開始。50多年來，雖然計算機系統從運算速度、工作方式、性能指標等方面與當時的計算機有很大的差別，但馮·諾依曼提出的存儲程序的思想和規定的計算機硬件的基本結構沒有變，都屬于馮·諾依曼計算機。因此，“存儲程序”是現代計算機的重要標志。

世界上第一臺電子計算機ENIAC在美國于1946年2月14日誕生。這臺計算機是在美國陸軍部的主持下，由美國賓夕法尼亞大學的埃克特（Ecket）和莫奇里（Mauchley）研制成功的，它占地160平方米，重30噸，功率150千瓦，使用了18 000多只電子管，運算速度為5000次/秒。雖然它仍存在著不能存儲程序，以及使用的是十進制數等嚴重缺陷，但是它的運算速度在當時來說已經是非常快了。ENIAC是Electronic Numerical Integrator And Calculator的縮寫（稱為電子數字積分計算機）。ENIAC的問世具有劃時代的意義，它標志著人類計算工具的歷史性變革，它的成功，開辟了提高計算速度的極為廣闊的前景，從此，計算機登上了人類社會發展的歷史舞臺。ENIAC研制的同時，馮·諾依曼也于1952年和他的同事們研制了第二臺電子計算機EDVAC。這臺機器的硬件系統由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備5部分組成，它采用了二進制編碼，把程序和數據存儲在存儲器中。EDVAC的發明為現代計算機在體系結構和工作原理上奠定了基礎，對后來的計算機設計產生了重大影響。事實上，真正實現內存儲程序式的世界第一臺電子計算機是由英國劍橋大學的威爾克斯（M.V.Wilkes）等根據馮·諾依曼的設計思想設計的EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Caculator，電子延遲存儲自動計算器）。EDSAC于1949年5月制成并投入運行，采用了二進制編碼和存儲器，即事先把指令存入計算機的存儲器，省去了在機外編排程序的麻煩，保證了計算機能按事先存入的程序自動地進行運算，其硬件系統由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備5部分組成。計算機孕育于英國，誕生于美國，遍布于全世界。

2．計算機的發展

自1946年電子計算機問世以來，計算機在制作工藝與元件、軟件、應用領域等方面都取得了突飛猛進的發展。根據計算機所采用的邏輯元器件的不同，一般將計算機的發展分成4個階段，習慣上稱為4代。

第1代計算機：電子管計算機時代（1946—1957）。邏輯元件采用電子管，軟件方面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2代計算機：晶體管計算機時代（1958—1964）。邏輯元件采用晶體管，軟件方面出現了一系列高級程序設計語言，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、事務管理及其他科學研究領域。其代表機型有IBM7090、ATLAS等。

第3代計算機：中、小規模集成電路計算機時代（1965—1970）。邏輯元件采用中、小規模集成電路（IC），軟件方面出現了操作系統及結構化、模塊化程序設計方法，高級語言在這一時期有了很大的發展。軟、硬件都向標準化、多樣化、通用化、機種系列化的方向發展。計算機開始廣泛應用在各個領域。其代表機型有IBM360等。

第4代計算機：大規模和超大規模集成電路計算機時代（1971年至今）。邏輯元件采用大規模集成電路（LSI，Large Scale Integration）和超大規模集成電路（VLSI，Very Large Scale Integration）。伴隨性能的不斷提高，計算機體積、重量、功耗、價格不斷下降，而速度和可靠性不斷提高，應用范圍進一步擴大。操作系統不斷完善，應用軟件已成為現代工業的一部分。這些年來，多媒體、網絡也在不斷地發展著，今天計算機的發展進入了以計算機網絡為特征的時代。

3．計算機的發展趨勢

目前，計算機正向著巨型化、微型化、網絡化、多媒體化、智能化和未來計算機的方向發展。

（1）巨型化

巨型化不是針對計算機的體積而言的，而是指計算機的存儲容量、運算速度和功能。為了發展尖端科學技術，需要有高速度、超大存儲容量和功能更強的超大型計算機。目前，巨型機的運算速度高達每秒數萬億次。美國還在開發每秒1000萬億次運算的超級計算機。這些計算機多用于航天、氣象、核反應等尖端科學領域，其研制水平、生產能力及應用程度，已成為衡量一個國家經濟實力與科技水平的重要標志。美國、日本是生產這種計算機的主要國家。2003年年底中國研制的曙光4000A計算機實現了每秒11萬億次的峰值運算，在2004年首次被選入“全球高性能計算機500強”排行榜中，排行第10名，中國成為繼美、日之后第3個跨越了10萬億次計算機研發和應用的國家。

（2）微型化

超大規模集成電路的飛速發展，使得微型機的發展十分迅猛。當前微型機的標志是將運算器和控制器集成在一塊大規模或超大規模集成電路的芯片上，今后將逐步發展到對存儲器、高速運算部件、圖形卡、聲卡的集成，進一步的發展將實現系統的軟件固化，以達到整個微型機系統的集成，使微型機的體積更小，運算速度更快，并且可以像手機一樣握在手上，嵌入到家用電器或儀器儀表等小型設備中。現在微型機的性能在某些方面已經超過了早期的巨型機水平。

（3）網絡化

計算機網絡是計算機技術和通信技術相結合的產物。如今計算機網絡的發展如同計算機的發展一樣，發展速度迅猛，普及廣泛，它把國家、地區、單位和個人連成一體，正改變著人們的生產和生活方式。計算機技術的發展已經無法離開網絡技術。

（4）多媒體化

多媒體技術是指采用計算機綜合處理數據、文字、圖形圖像、聲音等多媒體信息，同時具有集成性和交互性。多媒體技術的目標是使人們能夠以語言和圖像等多種媒體形式同計算機進行交流，縮短了人與計算機之間的距離。

（5）智能化

智能化就是讓計算機具有人工智能。人工智能使計算機具備類似人的思維能力，即具有語言、學習、分析推理、聽覺、視覺、行為等能力，可以替代人的某些體力勞動和腦力勞動。人工智能的研究從本質上拓寬了計算機的能力，在某些方面可以越來越多地代替或超越人類的體力勞動和腦力勞動。

（6）未來的計算機

自第一臺電子計算機誕生以來，人類對計算機的追求一刻也沒有停止。在20世紀80年代初，人們提出了分子計算機的構想。分子計算機的邏輯元件采用生物芯片，它由生物工程技術產生的蛋白質分子或傳導化合物元件構成。這種計算機的運算速度極快，存儲能力巨大，能量消耗微小，并且具有模擬部分人腦的能力。目前，分子計算機的研究已經有了新的進展，預計在不久的將來，就能制造出分子元件，即通過在分子水平上的物理和化學作用對信息進行檢測、處理、傳輸和存儲。與此同時，光子計算機和量子計算機也在研制當中。光子計算機是用光子代替電子來進行信息傳遞。在光子計算機中，不同波長的光表示不同的數據，可快速完成復雜的計算工作。由于光的速度是30萬千米/秒，是電子的300多倍，所以理論上光子計算機的運算速度比目前的計算機高出300多倍。與傳統的硅芯片計算機相比，光子計算機有下列優點：超高的運算速度、超強的抗干擾能力、強大的并行處理能力、存儲容量大、與人腦相似的容錯性等。

量子計算機是由美國阿貢國家實驗室提出來的。所謂量子計算機，是指基于量子力學的基本原理，利用電子、質子等亞原子微粒的某些特性進行運算的計算機。與傳統的電子計算機相比，未來的量子計算機具有運算速度更快、存儲容量更大、搜索功能更強和安全性能更高等優點。雖然目前光子計算機和量子計算機都還沒有進入到實用階段，但可以肯定，將來必將成為現實。

1.2.2 計算機的分類

隨著計算機技術的發展和廣泛應用，計算機的類型也越來越多樣化，其分類方法也很多。下面僅從計算機的用途、使用范圍、規模和處理能力3個方面進行說明。

1．按計算機的用途分類

按計算機的用途可以將計算機分為科學與工程計算計算機、數據處理計算機和工業控制計算機3類。科學與工程計算計算機專門用于科學與工程領域的計算問題；數據處理計算機主要用于數據處理，如辦公事務處理、報表統計等；工業控制計算機主要用于生產過程監測和控制。

2．按計算機的使用范圍分類

按計算機的使用范圍分類可以將計算機分為專用計算機和通用計算機兩類。

專用計算機是指為解決某種特定問題而設計的計算機，這種計算機具有運算速度快、精度高、運行效率好、針對性強和結構簡單等特點。專用計算機一般用于銀行存取款、飛機的自動控制、數控機床等方面。

通用計算機是指為解決各種一般問題而設計的計算機，這種計算機具有很強的綜合處理能力，能夠解決各種類型的問題，通用性是其主要特點。通用計算機既可用于數據處理、科學計算，又可用于工程設計和工業控制等，它是一種用途廣泛、結構復雜的計算機。

3．按計算機的規模和處理能力分類

計算機的規模和處理能力主要是指計算機的大小、存儲容量、運算速度、字長、外部設備等多方面的綜合性能指標。按計算機的規模和處理能力大體可分為巨型機、大型機、小型機、微型機、工作站、服務器等。

（1）巨型機

巨型機（Supercomputer）也稱為超級計算機，在所有計算機類型中其體積最大、價格最貴、處理能力最強、存儲容量最大、浮點運算速度最快（目前已達到每秒幾十萬億次以上的浮點運算速度）。由我國研發的“曙光”、“聯想”、“銀河”等都屬于這類。

（2）大型機

大型機（Mainframe）或稱大型計算機。特點是大型、通用，內存可達幾吉字節（GB）以上，整機處理速度高達每秒30億次，具有很強的處理和管理能力。在向網絡邁進的時代，大型機一般用作大型“客戶-服務器”系統的服務器，或“終端/主機”系統的主機，主要用于大公司、大銀行、規模較大的高校和科研機構。

（3）小型機

小型機（Minicomputer或Minis）具有結構簡單、規模小、可靠性高、成本較低、操作簡單、與外部設備連接容易等特點，用戶不需要經長期培訓即可維護和使用，這對于廣大的中、小用戶來說具有很大的吸引力，更容易推廣和普及。小型機的應用范圍很廣，既可作為醫療設備、測量儀器、工業控制中的數據采集、分析計算設備，也可作為巨型機、大型機的輔助設備，主要用于企業管理、大學和研究所的科學計算和事務管理。

（4）微型機

平常說的微機指的就是個人計算機（PC，Personal Computer）。這種計算機以其設計先進（總是率先采用高性能微處理器）、軟件豐富、功能齊全、價格便宜等優勢而擁有廣大的用戶。PC在銷售數量與金額上都位居榜首。

自1971年Intel公司推出世界上第一臺4位微型計算機MCS-4后，微型計算機開始以“摩爾第一定律”的速度發展，即平均每18個月芯片的集成度提高1倍、性能提高1倍、價格下降一半。這就是說，微機將向著運算速度更快、功能更強、更易用、價格更便宜、體積更小、重量更輕、攜帶更方便的方向發展。

（5）工作站

工作站（Workstation）是介于微型機與小型機之間的一種高性能微型計算機系統，其運算速度比微機快，且有較強的聯網功能。主要用于特殊領域，如圖形圖像處理、輔助設計等。它與網絡系統中的“工作站”，雖然名稱一樣，但含義不同。網絡上“工作站”常用來泛指聯網用戶的結點，以區別于網絡服務器，通常只是一般的微機。

（6）服務器

服務器是一種在網絡環境下為多用戶提供服務的共享設備，一般分為文件服務器、通信服務器、打印服務器和計算服務器等。服務器連接在網絡上，網絡用戶在網絡通信軟件的支持下可遠程登錄，共享各種服務。

1.2.3 計算機的特點和應用

1．計算機的特點

計算機的發展之所以如此迅猛，與其自身的許多特點是分不開的。計算機的主要特點體現在以下3個方面。

① 計算機是一個運算速度快、計算精確度高的機器。它的計算速度是其他計算工具所望塵莫及的。計算機的運算速度是指計算機每秒執行加法運算的次數，是標志計算機性能的重要指標之一。

② 計算機有記憶裝置，即存儲器。它可以把原始數據、中間結果、最后的結果和程序等信息存放在存儲器中。存儲程序是計算機的一個重要工作原則，是計算機能夠進行自動工作的基礎，這也是計算機區別于其他計算工具的本質特點。存儲信息的多少取決于存儲設備的容量。

③ 計算機具有邏輯判斷功能。計算機不僅能夠進行算術運算，還能夠進行邏輯運算，在計算過程中遇到支路時，能夠判斷應該走哪一條支路。計算機的這種特點使其好像具有了“思維”能力，但計算機的邏輯功能是由程序實現的。計算機的這種邏輯判斷功能是實現計算機智能化的基本條件。

2．計算機的應用

從計算機的誕生到現在這60多年的時間里，計算機的應用已經深入到了人類生活和工作的各個領域，成為人們離不開的幫手。歸結起來，其主要應用領域表現在科學計算、信息處理、過程控制、計算機輔助系統、多媒體技術應用、電子商務、計算機通信與網絡應用及人工智能等領域。

（1）科學計算

科學計算與工程計算也稱為數值計算，是指應用計算機完成科學研究和工程技術中所提出的數學問題，如導彈的發射、宇宙飛船的飛行軌跡計算等。科學計算是計算機最早的應用領域。第一臺電子計算機研制的目的就是用于軍事計算，計算機發展的初期也主要用于科學計算。直到今天，雖然計算機在其他方面的應用不斷加強，但仍然是科學研究和科學計算的最佳工具。這個領域要求計算機速度快、精度高，存儲容量大。

（2）信息處理

信息處理主要是指非數值形式（如文字、圖形、聲音、圖像等）的數據處理，包括對數據的收集、整理、存儲、計算或加工、分類、排序、檢索、傳輸等一系列工作。例如，在科研、生產和經濟活動中，把所獲得的大量信息存入計算機，通過加工處理，得到可用于某種使用目的的新信息。信息處理的特點是要處理的原始數據量大，而進行的科學計算較簡單，但有大量的邏輯運算與判斷。目前，信息處理是計算機應用最廣的領域，廣泛應用于辦公自動化（OA）、企業管理、情報檢索、報刊編排處理等。

（3）過程控制

過程控制也稱實時控制，是指利用計算機采集檢測數據，按最佳值對控制對象進行自動控制、指揮和協調。利用計算機進行過程控制，不僅提高了控制的自動化水平，而且大大提高了控制的及時性和準確性，從而可以改善勞動條件，提高質量，節約能源，降低成本。過程控制常用于電力、冶金、石油化工、機械等工業。由于過程控制一般都是實時控制，要求計算機可靠性高、響應及時。目前，在實時控制系統中廣泛采用集散系統，即把控制功能分散給若干臺計算機擔任，而操作管理則集中在一臺或多臺高性能計算機上進行。

（4）計算機輔助系統

計算機輔助系統主要包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助教育（CBE）等。

CAD利用計算機的計算、邏輯判斷等功能，幫助人們進行產品設計和工程技術設計。CAM由計算機輔助設計派生出來，是指利用計算機對生產設備進行管理、控制、操作等。例如，操縱機器的運行，控制材料的流動，處理產品制造過程中所需的數據，對產品進行測試和檢測等。計算機輔助設計和輔助制造結合起來可以直接把CAD設計的產品加工出來。近年來，計算機集成制造系統（CIMS）又成為制造自動化技術的前沿，它是集工程設計、生產過程控制、生產經營管理為一體的高度計算機化、自動化和智能化的現代化生產大系統，是制造業的未來。

CBE主要包括計算機輔助教學（CAI）和計算機輔助管理教學（CMI）。CAI就是利用計算機模擬教師的教學行為進行授課，學生通過與計算機之間的對話進行學習，并在學習過程自測學習效果等，同時它還包括用形象動態的圖形來表達一些用語言和文字不易表達清楚的概念。CMI可用計算機實現各種教學管理，如日常的教務管理、課程安排、制訂教學計劃、計算機評分等。

（5）多媒體技術應用

多媒體技術是指利用計算機、通信和廣播電視技術，把數字、文字、聲音、圖形、圖像和動畫等多種媒體有機組合起來，使它們建立起邏輯聯系，并能進行加工處理（包括對這些媒體的錄入、壓縮和解壓縮、存儲、處理、顯示和傳輸等）的技術。目前，多媒體計算機技術的應用領域正在不斷拓寬，除了電子圖書、知識學習、商業及家庭應用外，在視頻會議、遠程醫療中都得到了極大的推廣。

（6）電子商務

電子商務是指利用計算機和網絡進行的商務活動。具體而言，是指綜合利用局域網、企業內部網和Internet進行的商業活動，如金融匯兌、網絡廣告、商品與服務交易等。交易的雙方可以是企業與消費者，也可以是企業與企業。在網絡時代，電子商務的發展對于一個企業而言，不僅僅意味著商機，還意味著一個全新的、全球性的網絡驅動經濟的誕生。

（7）計算機通信與網絡應用

計算機網絡是計算機技術與通信技術結合的產物，它將處在不同地域的計算機用通信線路連接起來，配以相應的軟件，達到信息傳輸和資源共享的目的。

（8）人工智能

人工智能是研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規律的學科，其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能行為的計算系統。人工智能的研究領域包括模式識別、知識工程、機器學習、自然語言處理、智能機器人和神經計算等多個方面。

目前，已開發的典型人工智能應用系統如下：

① 計算機專家系統，它實際上是具有專門知識的程序系統，使用較多的領域有軍事、化學、氣象學、地質學及醫療診斷等；

② 機器人系統，它由專門的計算機程序配以相應的運動部件組成，目前還只能做一些較簡單的動作，但也非常有用，比如大量繁重的勞動，精度要求高而又不斷重復的勞動，在有危險、有放射線、有毒等的環境下的勞動，連續長時間的勞動等。