1.1 概述

1946年，第一臺電子數字計算機ENIAC問世。它的問世具有劃時代的意義。在以后的幾十年中，計算機技術發展迅速，并且被廣泛應用于軍事、教育、科研、工業制造以及設計等各個領域。

1.1.1 計算機發展簡史

20世紀40年代問世的電子計算機是人類最偉大的科學技術成就之一，它是電子技術和計算技術空前發展的產物，是科學技術與生產力發展的結晶。它的誕生極大地推動了科學技術的發展。半個多世紀以來，計算機的發展深度和廣度是人類沒有任何第二類產品可以與之媲美的。于是有人說，計算機技術是現代科學技術的核心。

在計算機問世以后短短的幾十年發展歷史中，它所采用的電子元器件已經歷了電子管時代、晶體管時代、小規模/大規模集成電路時代，現已進入超大規模集成電路時代。

1. 第一代計算機（1946-1958年）

世界上第一臺計算機是美國賓夕法尼亞大學于1946年研制成功的ENIAC（Electronic Numerical Integrater and Calculater，電子數字積分計算機）。第一代計算機的主要特點是：硬件方面，采用電子管為基本邏輯電路元件，主存儲器采用延遲線或磁鼓（后期采用了磁芯），外存儲器采用磁帶存儲器，計算機體積龐大、功耗大、可靠性差、價格昂貴；軟件方面，最初只能使用機器語言，編寫程序、修改程序都很不方便，20世紀50年代中期以后才出現了匯編語言，但仍未從根本上解決編制程序的難題，因而計算機應用很不普遍。但是，第一代計算機所采用的基本技術（采用二進制、程序控制的方法）卻為現代計算機技術的發展奠定了堅實的理論基礎。

2. 第二代計算機（1959-1965年）

這一時代稱為晶體管計算機時代，其主要特點是：硬件方面，采用晶體管為基本邏輯電路，主存儲器全部采用磁芯存儲器，外存儲器采用磁鼓和磁帶，計算機的系統結構也從第一代的以運算器為中心改為以存儲器為中心，從而使得計算機的速度提高、體積減小、功耗降低、可靠性增強；軟件方面，創立了一系列高級程序設計語言，并且提出了多道程序設計、并行處理和可變的程序設計思想。從此，計算機的應用也從單一的計算發展到了數據、事務管理和過程控制。

3. 第三代計算機（1965-1971年）

這一時代稱為集成電路計算機時代，其主要特點是：硬件方面，主要邏輯部件采用中、小規模集成電路，主存儲器從磁芯存儲器逐步過渡到半導體存儲器，使得計算機的體積進一步減小，運算速度、運算精度、存儲容量，以及可靠性等主要性能指標大為改善；軟件方面，對計算機程序設計語言進行了標準化工作，并提出了結構化程序設計思想。此外，產品的系列化、計算機系統之間的通信等方面都得到了較大發展，計算機的應用領域和普及程度有了迅速的發展。

4. 第四代計算機（1971年至今）

計算機進入了超大規模集成電路計算機時代。其主要特點是：硬件方面，邏輯部件由大規模和超大規模集成電路組成，主存儲器采用半導體存儲器，提供虛擬能力，計算機外圍設備多樣化、系列化；軟件方面，實現了軟件固化技術，出現了面向對象的程序設計思想，并廣泛采用了數據庫技術、計算機網絡技術。其發展過程中最重要的成就之一表現在微處理器（Micro-processor）技術上。微處理器是一種超小型化的電子器件，它把計算機的運算器、控制器等核心部件集成在一個集成電路芯片上。微處理器的出現為微型計算機的誕生奠定了基礎。

5. 計算機的發展趨勢

隨著大規模、超大規模集成電路的廣泛應用，計算機在存儲的容量、運算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。在科學技術日新月異的今天，各種新的器件不斷出現，人們正試圖用光電子元件、超導電子元件、生物電子元件等來代替傳統的電子元件，制造出在某種程度上具有模仿人的學習、記憶、聯想和推理等功能的新一代的計算機系統。計算機系統正朝著巨型化、微型化、網絡化和智能化等方向更深入地發展。

1.1.2 計算機的特點與分類

自從第一臺電子計算機問世以來，計算機技術得到了突飛猛進的發展。作為一種智能工具，它具有以下幾個特點。

1. 運算速度快

電子計算機的運算速度從最初的每秒幾千次提高到了現在的幾百億次甚至更高。過去人工需要幾年、幾十年才能完成的大量科學計算，使用計算機只需要幾天、幾個小時甚至幾分鐘就能完成。正是由于計算機的運算速度不斷提升，其在航空航天、氣象預報、軍事、人工智能等領域發揮著越來越重要的作用。

2. 運算精度高

使用計算機進行數值計算，可以精確到小數點后幾十位、幾百位甚至更多位，而且運算十分準確。

3. 具有記憶功能

計算機中的存儲器的存儲容量不斷增大，可以存儲的信息量也越來越大。使用幾張光盤就可以將整個大英博物館中的藏書保存起來。

4. 具有邏輯判斷功能

計算機可以處理各種各樣的信息，如數值、語言、文字、圖形、音樂和動畫等。計算機既可以進行算術運算，又可以進行邏輯運算，可以對文字、符號、大小、異同等進行比較、判斷和推理。

5. 具有自動執行程序的能力

計算機可以在人們事先編制的程序的控制下自動進行工作，不需要人為干預。

6. 支持人機交互

計算機具有多種輸入輸出設備，配上適當的軟件后，可支持用戶進行方便的人機交互。以廣泛使用的鼠標器為例，用戶手握鼠標，只須輕輕一點，計算機便隨之完成某種操作功能。當這種交互性與聲像技術結合形成多媒體用戶界面時，更可以使用戶的操作達到自然、方便，豐富多彩。

1.1.3 計算機的分類

根據計算機的應用領域和硬件設施的不同，可以把計算機分為以下幾類。

1. 巨型計算機（Super Computer）

人們通常把最快、最大、最昂貴的計算機稱為巨型計算機（超級計算機）。巨型機一般用在國防和尖端科學領域。目前，巨型機主要用于戰略武器（如核武器和反導彈武器）的設計、空間技術、石油勘探、長期天氣預報，以及社會模擬等領域。世界上只有少數幾個國家能生產巨型機，著名巨型機如：美國的克雷系列（Cray-1、Cray-2、Cray-3和Cray-4等），我國自行研制的銀河-I（每秒運算1億次以上）、銀河-II（每秒運算10億次以上）和銀河-III（每秒運算100億次以上）都是巨型機。現在世界上運行速度最快的巨型機已達到每秒萬億次浮點運算。

2. 大型主機（Mainframe）

大型主機包括大型機和中型機，價格比較貴，運算速度沒有巨型機那樣快，一般只有大中型企事業單位才有必要配置和使用它。以大型主機和其他外部設備為主，并且配備眾多的終端，組成一個計算機中心，才能充分發揮大型主機的作用。美國IBM公司生產的IBM360、IBM370、IBM9000系列，就是國際上有代表性的大型主機。

3. 小型計算機（Minicomputer）

小型計算機一般為中小型企事業單位或某一部門所用，例如高等院校的計算中心都以一臺小型機為主機，配以幾十臺甚至上百臺終端機，以滿足大量學生學習程序設計課程的需要。當然其運算速度和存儲容量都比不上大型主機。美國DEC公司生產的VAX系列機、IBM公司生產的AS/400機，以及我國生產的太極系列機都是小型計算機的代表。

4. 個人計算機（Personal Computer）

個人計算機（Personal Computer，PC），通常稱為微機，俗稱電腦，是第四代計算機時期出現的一個新機種。它雖然問世較晚，卻發展迅猛，初學者接觸和認識計算機，多數是從電腦開始的。電腦的特點是質量輕、體積小、價廉、易用。在過去20多年中，電腦使用的CPU芯片平均每兩年集成度增加一倍，處理速度提高一倍，價格卻降低一半。隨著芯片性能的提高，電腦的功能越來越強大。今天，電腦的應用已遍及各個領域：從工廠的生產控制到政府的辦公自動化，從商店的數據處理到個人的學習娛樂，幾乎無處不在，無所不用。

5. 工作站（Workstation）

工作站是介于個人計算機和小型計算機之間的一種高檔微型機。1980年，美國Apollo公司推出世界上第一臺工作站DN100。20多年來，工作站迅速發展，現已成長為專門處理某類特殊事務的一種獨立的計算機系統。著名的Sun、HP和SGI等公司，是目前規模較大的幾個生產工作站的廠家。工作站通常配有高檔CPU、高分辨率的大屏幕顯示器和大容量的內、外存儲器，具有較強的數據處理能力和高性能的圖形處理功能。它主要用于圖像處理、計算機輔助設計（CAD）等領域。

6. 小巨型計算機（Minisupers）

也稱為桌上型超級計算機，它的問世對巨型機的高價格發出了挑戰，其發展也非常迅速。例如，美國Convex公司的C系列機，就是比較成功的小巨型機。