1.1 计算机概述

计算机是一门科学，也是一种自动、高速、精确地对信息进行存储、传送与加工处理的电子工具。掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识和应用能力，是信息社会中必备的基本素质。

1.1.1 计算机的发展

在人类文明发展的历史长河中，计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。比如，从古至今人们依次使用绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机、电子计算机等作为生活中的计算工具。它们在不同的历史时期都发挥了各自的作用，而且孕育了电子计算机的设计思想和雏形。

1.第一台计算机的诞生

1946年2月14日，世界上第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分器与计算器）在美国宾夕法尼亚大学诞生，它是真空管取代继电器的“电子化”的计算机。该机的设计源于第二次世界大战期间美国军方的请求，宾夕法尼亚大学的莫克利（Mauchly）博士和他的学生艾克特（Eckert）完成了实际设计，它被用来计算炮弹弹道轨迹，如图1-1所示。

ENIAC使用了约18000只真空管，占地面积约170平方米，重约30吨，造价48万美元。它有30个操作台，每秒可执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算机的20万倍。

ENIAC虽然每秒只能进行5000次加法运算，却把科学家从繁重的计算工作中解救了出来。ENIAC的诞生，标志着计算机时代的到来，具有跨时代的意义。

2.计算机科学奠基人

幸运地，当时正在进行炮弹弹道轨迹研究和美国第一颗原子弹研制的数学家冯·诺依曼（如图1-2所示），带着原子弹研制（1944年）过程中遇到的大量计算问题，加入了ENIAC研究小组。1945年，冯·诺依曼和ENIAC研究小组在共同讨论的基础上，提出了一个全新的“存储程序通用电子计算机”方案（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC），该方案可解释为：“在计算机内存储程序和数据，并使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作。”在此过程中，他对计算机的许多关键性问题的解决做出了重要贡献，促成了ENIAC的顺利问世。

这位美籍匈牙利数学家归纳了EDVAC的主要特点如下：

（1）计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制数的形式存放在计算机的存储器中，即所谓的“程序存储”概念。

（2）计算机执行程序时，无需人工干预，就能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。

根据冯·诺依曼方案，计算机有输入、存储、运算、控制和输出五个部分，它们协同完成计算功能，这种构成方式和控制方法被称为“冯·诺依曼体系结构”，相应的计算机也被称为“冯·诺依曼机”（或“冯氏机”）。如今世界上绝大多数计算机仍采用这种体系结构，冯·诺依曼也被人们誉为“现代电子计算机之父”。

阿兰·图灵（Alan Turing，1912—1954年，如图1-3所示）。英国著名的数学家和逻辑学家，他提出了机器的“抽象的计算模型”，建立了计算机的计算理论模型。因为他的论文深入讨论了“机器与思考”的机器智能问题，并提出了“人工智能”（Artificial Intelligence）的说法，所以被后人誉为“人工智能之父”。图灵是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。人们为纪念其在计算机领域的卓越贡献而设立了“图灵奖”。

3.计算机发展的四个阶段

从第一台计算机的诞生到现在，计算机经历了大型机、微型机及互联网等阶段。对于传统的大型机，根据计算机所采用电子元器件的不同而划分为电子管、晶体管、集成电路和大规模、超大规模集成电路计算机等四代。

1）第一代计算机（1946—1957年）——电子管计算机

第一代计算机以世界上第一台计算机ENIAC为代表，作为电子计算机大家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河，使信息处理技术进入了一个崭新的时代。其主要特征如下：

（1）采用电子管等分离器件构成，体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。

（2）运算速度较慢，一般为每秒钟1千次到1万次。

（3）使用机器语言，没有系统软件。

（4）采用磁鼓、小磁芯作为存储器，存储空间有限。

（5）输入/输出设备简单，采用穿孔纸带或卡片作为输入。

（6）主要用于科学计算。

2）第二代计算机（1958—1964年）——晶体管计算机

第二代计算机采用的主要器件是晶体管，称为晶体管计算机。第二代计算机在软件方面有了较大发展，引入了监控程序，这是操作系统的雏形。第二代计算机有如下特征：

（1）采用晶体管器件作为计算机的主要器件，体积大大缩小，可靠性增强，寿命延长。

（2）运算速度加快，达到每秒几万次至几十万次。

（3）提出了操作系统（Operation System，OS）的概念，用汇编语言代替了机器语言，产生了如FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言，由操作系统控制并可以进行批处理操作。

（4）普遍采用磁芯作为内存储器，磁盘、磁带作为外存储器，存储容量大大提高。

（5）计算机应用领域扩大，从军事研究、科学计算扩大到数据处理和实时过程控制等领域，并开始进入商业应用市场。

与第一代计算机相比，晶体管计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高，编程处理能力大大增强。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。

3）第三代计算机（1965—1970年）——中小规模集成电路计算机

20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，已制造出了大量通用型集成电路元件。集成电路可在面积为几平方毫米的单晶硅片上集成十几个，甚至上百个电子元器件。这个时代的计算机的具体特征如下：

（1）采用中小规模集成电路元件，体积进一步缩小，寿命更长。

（2）内存储器使用半导体存储器芯片，存储容量明显增加，性能更优越，运算速度更快，每秒可达几百万次。

（3）外围设备开始出现多样化趋势。

（4）计算机高级编程语言进一步发展。操作系统走向成熟，计算机整体功能更强。在程序设计方面，提出了结构化程序设计的思想。

（5）计算机应用范围扩大到企业管理和计算机辅助设计等领域。

4）第四代计算机（1971年至今）——大规模和超大规模集成电路计算机

随着20世纪70年代初集成电路制造技术的飞速发展，计算机进入了大规模和超大规模集成电路计算机时代。这一时期的计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度、存储容量、可靠性有了大幅度的提高。其主要特征如下：

（1）采用大规模和超大规模集成电路逻辑元件，体积与第三代相比大幅缩小，可靠性更高，寿命更长。

（2）运算速度加快，每秒可达几千万次到几十亿次。

（3）系统软件和应用软件获得了巨大的发展，软件配置丰富，程序设计部分自动化。

（4）计算机网络技术、多媒体技术、分布式处理技术、并行处理技术等都有了巨大的发展，微型计算机大量进入家庭，产品更新速度加快。

（5）计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和人工智能等领域得到广泛应用，电子商务已全面进入家庭，计算机的发展进入到一个新的历史时期。

1956年，在周恩来总理提议、主持下，我国制定了《十二年科学技术发展规划》，选定了“计算机、电子学、半导体、自动化”作为“发展规划”的四项内容，并制定了计算机科研、生产、教育发展规划。我国由此开始了计算机研制的历程。

1958年，筹备中的中科院计算所（后来的中国科学院计算技术研究所）研制成功我国第一台小型电子管通用计算机103机（八一型），标志着我国第一台电子计算机的诞生。

1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙机，之后推出109丙机，该机在“两弹一星”的设计和研制过程中发挥了重要作用。

1974年，清华大学等多家单位联合设计、研制成功采用集成电路的DJS-130小型计算机，运算速度达每秒50余万次。

1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的“银河-I”巨型计算机，这是我国在高速计算机研制方面的一个重要成果。

1985年，原电子工业部组织多家单位研制成与IBM PC计算机兼容的长城0520CH微型计算机并大规模投入市场。

2003年，百万亿次数据处理超级服务器曙光4000L通过国家验收，再一次刷新了国产超级服务器的历史纪录，使得国产高性能计算机再上新台阶。

2010年，国防科大研制出“天河一号”，其峰值运算速度达到千万亿次/秒级。

2013年5月，国防科大研制成功“天河二号”，其峰值运算速度达到亿亿次/秒级。

在随后的若干年中，我国在微型计算机、大型计算机、超级计算机、网格计算机、协同式高性能计算机等研发、生产方面更是全面取得进展，部分领域赶上或领先国际水平。

综上所述，对四代计算机的发展历程划分如表1-1所示。

1.1.2 计算机的特点、应用和分类

计算机的出现开启了计算科学一个新的纪元，不但替代了复杂的人工运算，还具备很多辅助功能，可以应用于各种不同的领域。

1.计算机的特点

现代计算机一般具有以下4个重要特点。

（1）运算速度快。运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒执行定点加法的次数或平均每秒执行指令的条数来衡量。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒数千亿次乃至数万亿次。

（2）计算精度高。在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到十几位有效数字，而计算机对数据的结果精度可达到几十位、上百位有效数字，根据需要甚至可达到更高的精度。

（3）具有“记忆”和逻辑判断功能。计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具的一个重要区别。计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这些能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

（4）工作全自动、通用性强。由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在存储器内，工作时按程序规定的操作步骤，一步一步地自动完成，一般无需人工干预，因而自动化程度高。

2.计算机的应用

计算机处理速度快，运算精度高，具有强大的记忆存储能力、逻辑推理能力和逻辑运算能力，由程序控制自动执行，因此被广泛应用于各学科领域，并渗透到人类社会的各个方面。目前计算机的应用领域可概括为以下5个方面。

（1）科学计算：又称为数值计算，通常是指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在天文学、气象学等众多领域中，都需要依靠计算机进行复杂的运算。

（2）数据处理：又称为信息处理，它是指信息的收集、分类、整理、加工、存储等一系列活动的总称。所谓信息是指可被人类感受的声音、图像、文字、符号、语言等。数据处理还可以在计算机上加工那些非科技工程方面的计算，管理和操纵任何形式的数据资料。其特点是，处理的原始数据量大，而运算比较简单，有大量的逻辑与判断运算。

（3）过程控制：又称为实时控制，是用计算机及时采集数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或自动调节。利用计算机进行过程控制，不仅极大地提高了控制的自动化水平，而且提高了控制的及时性和准确性。在电力、机械制造、化工、冶金、交通等领域采用过程控制，可以提高劳动生产效率、产品质量、自动化水平和控制精确度，降低生产成本，减轻劳动强度。

（4）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）、计算机辅助制造（CAM）等系统。计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机帮助设计人员进行设计。采用计算机辅助设计后，不但减少了设计人员的工作量，提高了设计的速度，更重要的是提高了设计的质量。计算机辅助教学（CAI）是指将教学内容、教学方法以及学生的学习情况等信息存储在计算机中，帮助学生轻松地学习所需要的知识。它在现代教育技术中起着相当重要的作用。计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机通过各种数值控制生产设备，完成产品的设计、模拟、加工、装配、检测、包装等生产过程的技术。将CAD进一步集成形成了计算机集成制造系统（CIMS），从而实现设计生产自动化。

（5）虚拟现实：是利用计算机生成的一种模拟环境，通过各种传感设备实现任何环境直接互动的目的。

3.计算机的分类

一般情况下，电子计算机采用以下三种分类标准。

1）按处理的对象分类，可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和混合计算机。

（1）电子模拟计算机：电子模拟计算机所处理的电信号在时间上是连续的（称为模拟量），采用的是模拟技术。

（2）电子数字计算机：电子数字计算机所处理的电信号在时间上是离散的（称为数字量），采用的是数字技术。

（3）混合计算机：混合计算机是将数字技术和模拟技术相结合的计算机。

2）按性能规模分类，可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站。

（1）巨型机：特点是运算速度快、存储容量大。研究巨型机是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。

（2）大型机：通常被称为企业计算机，其特点为通用性强、综合处理能力强、性能覆盖面广等，主要应用在大型公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂家等。

（3）小型机：规模小，结构简单，设计周期短，便于及时采用先进工艺；可靠性高，对运行环境要求低，易于操作且便于维护，符合部门性的要求，为中小型企事业单位所常用。

（4）微型机：又称个人计算机（Personal Computer，PC），具有价格低廉、性能强、体积小、功耗低等特点。微型机已进入千家万户，日常生活中使用普遍。

（5）工作站：工作站是一种高档微型计算机系统。它具有较高的运算速度，具有小型机的多任务、多用户功能，且兼具微型机的操作简易性和良好的人机界面。它可以连接多种输入/输出设备，具有易于联网、处理功能强等特点。其应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公等领域，并充当网络服务器的角色。

3）按功能和用途分类，可分为通用计算机和专用计算机。

（1）通用计算机具有功能强、兼容性强、应用面广、操作方便等优点，平常使用的计算机都是通用计算机。

（2）专用计算机一般功能单一、操作复杂，用于完成特定的工作任务。

1.1.3 计算机的发展趋势

从第一台计算机产生至今的半个多世纪里，计算机的应用不断得到拓展，计算机类型不断分化，这就决定了计算机的发展也在朝着不同的方向延伸。当今计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多媒体化等方向发展。从目前计算机的研究情况可以看到，未来的计算机将有可能在光子计算机、量子计算机、神经元计算机等方面的研究领域上取得重大的突破。

（1）光子计算机：光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达每秒一万亿次。它的存储量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。

（2）量子计算机：量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。量子计算机在处理数据时不是分步进行的，而是同时完成的。只要40个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比Pentium 4（奔腾4）芯片快10亿倍，就像一枚信息火箭，在一瞬间搜索整个互联网。

（3）神经元计算机：神经元计算机的特点是可以实现分布式联想记忆，并能在一定程度上模拟人和动物的学习能力。它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。它还可以利用已有的和不断学习到的知识进行思考、联想、推理，并得出结论，能解决复杂的问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。