1.1 计算机概述

1.1.1 计算机的发展

20世纪初，电子技术得到了迅猛发展，这为第一台电子计算机的诞生奠定了基础。1943年，正值第二次世界大战期间，由于军事上弹道计算问题的需要，美国军械部与宾夕法尼亚大学合作，开始研制电子计算机。1946年2月15日，世界上第一台电子计算机埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学研制成功，如图1-1所示。这台计算机使用了18800个真空管、1500个继电器、10000只电容、70000个电阻及其他电子元器件，占地170平方米，重达30吨，每秒可进行5000次的加法运算。

ENIAC的问世成为计算机发展史上的一座丰碑，具有划时代的意义，标志着现代计算机时代的到来。现代计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子元器件来划分，至今已经经历了电子管、晶体管、集成电路以及大规模和超大规模集成电路四个发展阶段，目前正在向第五代迈进，如表1-1所示。

1.第一代电子管计算机

第一代计算机使用的主要元器件是电子管，主存储器采用磁鼓、磁芯，辅助存储器采用磁带、纸袋、卡片等。第一代计算机体积大，耗电多，速度低，可靠性差，成本高，使用不便，仅采用机器语言和汇编语言，主要局限于在一些军事和科研部门中进行科学计算。其代表机型有IBM650 （小型计算机）、IBM709（大型计算机）。

2.第二代晶体管计算机

1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第二代计算机使用的主要元器件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器，容量扩大到几十万字节，运算速度达到几十万次/秒～百万次/秒。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，成本低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高。软件上广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。其代表机型有IBM7090。

3.第三代中小规模集成电路计算机

第三代计算机使用的主要元器件是小规模集成电路和中等规模集成电路，集成电路是在几平方毫米的硅片上，集中了几十个或上百个电子元件而组成的逻辑电路。主存储器开始逐渐采用半导体元件，运算速度提高到百万次/秒。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高：体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络，其应用领域不断扩大，已可以处理文字和图像等数据形式。典型机型有IBM360系统、PDP11系列等。

4.第四代大规模和超大规模集成电路计算机

第四代计算机使用的主要元器件是大规模乃至超大规模集成电路，使计算机体积、重量、成本均大幅度降低；作为主存的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大，外存储器除广泛使用软、硬磁盘外，还引进了光盘；运算速度可达几百万次/秒～千亿次/秒；输入、输出设备有了很大的发展，如鼠标、扫描仪、激光打印机、数码相机、绘图仪等。操作系统不断完善、发展，数据库技术进一步发展，计算机的应用进入了以网络化为特征的时代，它的迅速普及改变了人们的生活，加速了人类社会向信息化时代的变迁。

5.第五代计算机

第五代计算机即新一代计算机，是对第四代计算机以后的各种未来型计算机的总称。新一代计算机突破了前四代计算机存储控制的基本原理和工作方式，它能够最大限度地模拟人类大脑的机制，具有人脑所特有的联想、推理、判断、学习等某些功能，具有对语音、声音、图像及各种模糊信息的感知、识别和处理能力。从20世纪80年代开始，已提出超导计算机、量子计算机、神经网络计算机、光子计算机、纳米计算机及DNA计算机等各种设想和描述，在实际研制过程中也取得了一些重要进展。

1.1.2 计算机的分类

计算机的分类方法有多种。按功能与用途，计算机可分为通用计算机与专用计算机；按处理对象不同，计算机可分为数字电子计算机、模拟电子计算机和混合电子计算机；按性能和规模，如运算速度、存储容量、输入输出能力、外部设备、软件配置等，又可将计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机和工作站。

1.巨型机

巨型机又称为超级计算机，是一种超大型电子计算机，具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、多功能的软件系统。

我国的“天河一号”“天河二号”，美国的“泰坦”（Titan），日本的“K Computer”都是世界有名的巨型机。“天河二号”超级计算机如图1-2所示，其系统是由中国国防科技大学所研发的，是目前全球最快的超级计算机系统，综合技术处于国际领先水平，已连续六次蝉联世界超级计算机TOP500排行榜第一位。目前，天河二号已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、智慧城市、电子商务、云计算与大数据、数字媒体和动漫设计等多个领域，还将广泛应用于大科学、大工程、信息化等领域，为经济社会转型升级提供重要支撑。

2.大型机

大型机的运算速度和存储容量次于巨型机，但仍具有高速度、高容量的特点，它的通用性好、外部设备负载能力强、通信联网功能完善、可靠性高，且有丰富的系统软件和应用软件，因此大型机常用于银行业务、大型企业、科研机构等。美国IBM公司生产的IBM390、IBM Z系列，就是国际上有代表性的大型主机。

3.小型机

小型机是比大型机存储容量小、处理能力弱的中等规模的计算机。小型机结构简单、操作简便、容易维护、成本较低，通常用在一般的科研与设计机构、中小企业和普通高校等。

4.微型机

微型机也称为个人计算机（PC），是目前发展最快、应用最广的机型。微型机集成度高、体积小、灵活性好、价格低廉、使用方便。微型机又分为台式机和便携机，便携机有笔记本电脑以及现在很流行的平板电脑等。

5.工作站

工作站实际上就是一台高档微机，介于PC和小型机之间。它拥有大屏幕、高分辨率的显示器，配有大容量主存，具有较强的信息处理能力和联网功能，主要用于图形、图像处理和计算机辅助设计及制作等领域。

1.1.3 计算机的应用领域

随着计算机的高速发展，计算机的应用遍及到教育、经济、政治、商业、军事及社会生活的各个领域，概括起来主要有以下几个方面。

1.科学计算

科学计算即数值计算，随着计算机最早的应用领域。科学研究和工程设计中经常遇到各种各样复杂的数学问题，计算量很大，用一般计算工具难以完成。例如，人造卫星轨迹的计算、气象预报中卫星云图资料的分析计算等。借助计算机的高速运算和大容量的存储能力可以完成这类复杂的数值计算任务，大大缩短计算周期，节省人力和物力。另外，计算机的逻辑判断能力和强大的运行能力又给许多学科提出了新的研究方法。

2.信息处理

信息处理也称为信息加工或数据处理。信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。信息处理包括对各种形式的信息（如文字、图形、图像、声音、视频等）的收集、分类、整理、加工、存储和传输等工作，其结果为管理和决策提供有用的信息。目前，信息处理已广泛应用于办公自动化、事务处理、企业管理、医疗管理和诊断、情报检索和决策等领域。

3.过程控制

过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集检测数据，将数据处理后按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。从20世纪60年代起，实时控制就开始应用于冶金、机械、电力和石油化工等领域。例如，高炉炼铁中，计算机用于控制投料、出铁、出渣以及对原料和生铁成分的管理与控制，通过对数据的采集和处理，实现对各个工作环节操作的指导。

4.计算机辅助系统

计算机辅助系统是指能够部分或全部代替人工完成各项工作的计算机应用系统，目前主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）和计算机辅助教育（CBE）等。

计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机帮助各类设计人员进行设计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，使CAD技术得到了广泛的应用，如飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计等。采用计算机辅助设计后，不但减少了设计人员的工作量，提高了设计速度，更重要的是提高了设计的质量。

计算机辅助制造（CAM）是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动、对产品的检验等。

计算机集成制造系统（CIMS）是集设计、制造、管理三大功能于一体的现代化工厂生产系统，它是在信息技术、自动化技术的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化的制造系统。

计算机辅助教育（CBE）是指以计算机为主要媒介所进行的教育活动，也就是使用计算机来帮助教师教学，帮助学生学习，帮助教师管理教学活动和组织教学等。

5.网络与通信

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。利用计算机网络实现不同地区计算机之间的软、硬件资源共享，可以大大促进和发展地区间、国际间的通信和数据的传输及处理。现代计算机的应用已离不开计算机网络，例如，银行服务系统、交通订票系统、电子商务、公用信息通信网、企业管理信息系统等都建立在计算机网络基础之上，利用网络进行通信已成为现代生活不可或缺的一大部分。

6.人工智能

人工智能（AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术。它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、模式识别、机器翻译、智能搜索和专家系统等。