1.1.1 计算机发展史
计算机从诞生至今，发展非常迅猛，其最重要的标志为构成这些计算机的电子元件。不同的时期，计算机的主要构成电子元件也有不同，人们一般依此把计算机的发展划分为四代。
计算机的诞生及发展过程
1.第一代电子计算机
第一代电子计算机（1946—1957年），基本元件为电子管。1946年2月15日，世界第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国诞生。它由美国宾夕法尼亚大学教授莫奇得（J.Mauchly）和埃克特（J. Eckert）所研制，主要用于当时军事上的需要，在美国陆军军械部的支持下花费了40多万美元和两年多的努力研制完成。ENIAC采用电子管作为基本部件，它由18000多个电子管、1500多个继电器组成，重达30吨，占地170平方米，耗电功率150千瓦，计算速度每秒5000次加法运算，使当时用机械计算机需用7～20小时才能计算出一条发射弹道的工作量减少到了30秒，把科学家们从烦琐的计算中解放出来。这台计算机是计算机发展史上的重要里程碑，不过它具有一个非常明显的缺陷：无法存储程序。
20世纪40年代末，现代电子计算机的奠基人美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John Von Neumann）带领他的团队研制了离散变量自动电子计算机（Electronic Discrete variable Automatic Computer，EDVAC）。这台计算机提出了“存储程序”的工作原理，以二进制数表示数据，并在后来汇总出著名的冯·诺依曼体系。时至今日，虽然计算机经过了飞速地发展，涌现了一个个革新的技术领域，但始终没有突破这个体系结构。
ENIAC和EDVAC作为两台最著名的第一代计算机，使用电子管作为基本元件研制，具有划时代意义，可以说是电子计算机的鼻祖。第一代计算机具有以下主要特征：
●采用电子管作为基本元件；
●运算速度不高，约为每秒数千次；
●主存储器采用磁鼓等设备，外存储器采用卡片磁带等设备，容量较小；
●能耗非常大，持续运行时间不长；
●输入输出设备落后，使用机器语言或者汇编语言来进行交互。
2.第二代电子计算机
第二代电子计算机（1958—1964年），基本元件为晶体管。1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管的电子计算机TRADIC。不过这时候晶体管只是作为次要的制作元件。科学家们逐渐发现晶体管在体积、功耗等方面的巨大优势，直到1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型，正式宣布第二代电子计算机的产生。第二代电子计算机由于采用了晶体管等新技术，运行速度极大提高，存储容量也大大提高，相关的技术如程序设计语言等也不断革新，引起了第一次计算机技术的飞速发展。我国在1964年研制出第一台晶体管电子计算机。
●第二代电子计算机有以下特点：
●采用晶体管作为基本元件；
●每秒运算速度约数十万次；
●主存储器采用快速磁芯存储器，外存储器第一次引入了磁盘；
●使用较为高级的程序设计语言，并且引入了操作系统概念。
3.第三代电子计算机
第三代电子计算机（1965—1970年），使用集成电路作为基本元件。1958年美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了集成电路（IC），这种技术在电子计算机的发展中逐渐得到广泛应用。第三代电子计算机的发展来自于集成电路的产生和生产部门制作工艺的提高，在这个背景下，电子计算机的体积大大降低，能耗进一步减少，从而更进一步提高计算机性能并降低成本，使得应用领域进一步扩张。
第三代电子计算机的另一个特征是软件系统的逐步成熟。作为用户与机器之间的桥梁，以及整个计算机系统最重要的软件部分，操作系统在第二代电子计算机时代已经被引入，并得到逐步的改善。由于操作系统的存在，计算机已经不仅能完成快速计算等重复劳动，还能与用户进行频繁交互，以实现各种各样的工作需要。除了操作系统之外，计算机语言的发展也进入了一个新的阶段，人们可以使用接近于人们习惯的语言来和计算机进行交互。这些语言称之为高级语言，如BASIC、COBOL。在第三代计算机发展的末期，对人类历史有着里程碑意义的程序设计语言——C语言逐步产生并不断完善。
在这一系列技术革新的产品中，最有影响力的是IBM公司研制的IBM-360系列。我国第一台第三代电子计算机于1973年在北京大学研制成功。
第三代电子计算机的特点如下所示：
●采用集成电路作为基本元件；
●运算速度提高到每秒数百万次；
●采用半导体存储设备；
●软件系统飞速发展，出现了完善的操作系统，程序设计语言也得到极大提高。
4.第四代电子计算机
第四代电子计算机（1971年至今），基本元件为超大规模集成电路。集成电路的发明给计算机的发展提供了一个非常良好的思路：提高制作工艺即可提高设备性能。在这种理念的推动下，人们致力于研发更小、性能更强的设备。最初的集成电路是把多个电子元件集中在几平方毫米的基片上，每个基片有几个到十几个电子元件。但是到了第四代电子计算机的超大规模集成电路上，一个硬币大小的芯片可以容纳几十万个甚至几百万个元件，使得计算机的体积不断下降，而功能和可靠性却不断增强。
20世纪70年代中期，以微型计算机为代表的设备开始走入普通消费者的市场，计算机除了军事和科学应用以外，第一次给人们的日常生活带来了巨大的方便。1981年，IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。20世纪80年代个人计算机的竞争使得其价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机的体积继续缩小。
第四代电子计算机的特点如下：
●采用超大规模集成电路作为基本元件；
●每秒运算速度超过了上亿次；
●进一步改革主存储器和外存储器；
●更丰富多彩的软件系统进入了计算机领域；
●计算机步入了普通民众的市场；
●开始出现网络通信技术。
5.当今的电子计算机和摩尔定律
第四代计算机之后，业界普遍不再对其进行更新换代的划分，而是通过集成电路的制作工艺提高，不断开发计算机的性能。其中最著名的一条定律被业界称之为摩尔定律。1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表了戈登·摩尔撰写的文章。文中预言：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。直到1975年，摩尔根据实际的数据，将其预言修改为每两年增加一倍。这就是计算机行业摩尔定律的来源。业界普遍认可的具体数据是每隔18个月，若在相同面积的晶圆下生产同样规格的IC，随着制程技术的进步，其IC产出量可以提高一倍，直接使得IC的技术推进一个世代。摩尔定律从提出开始，一直用事实验证着其有效性，和IC紧密相关的计算机也伴随着该定律稳步发展。
从2011年开始，传统的制作工艺中硅晶体管已经接近物理极限，而其他方向的研究需要付出昂贵的经费，从经济角度来说，摩尔定律开始失效。尽管如此，该定律从20世纪60年代开始就是计算机制作工艺的有力路标，给计算机技术发展带来了非常重要的指引作用。