1.1　計算機概述

計算機（Computer）俗稱電腦，是20世紀最先進的科學技術發明之一，計算機技術是當代眾多新興技術中發展最快、應用最廣的一項技術，對人類的生產活動和社會活動產生了極其重要的影響。它的應用從最初的軍事計算擴展到社會的各個方面，遍及學校、機關、企事業單位等，進入尋常百姓家，成為人們生產生活必不可少的工具。本節主要介紹計算機的發展歷程、發展趨勢、特點、分類、應用領域等。

1.1.1　計算機的發展歷程

計算機最早的誕生源于解決大量的科學計算問題。計算工具的演化經歷了由簡單到復雜、從低級到高級的不同階段，例如從“結繩記事”中的繩結到算盤、計算尺、機械計算機、電子計算器等。現代電子計算機的研制也經歷了從簡單到復雜，從低級到高級的過程。

1889年，美國科學家赫爾曼·何樂禮研制出以電力為基礎的電動制表機，用以儲存計算資料。1930年，美國科學家范內瓦·布什造出世界上首臺模擬電子計算機。

1946年，由美國軍方定制的世界上第一臺電子計算機“電子數字積分計算機”（Electronic Numerical And Calculator，簡稱ENIAC）在美國賓夕法尼亞大學問世。如圖1-1所示。ENIAC（中文名：埃尼阿克）是為了滿足武器試驗場計算彈道需要而研制成的。這臺計算器使用了近18000支電子管，占地170m²，重達28t，功耗為170kW，其運算速度可實現每秒5000次的加法運算，比當時最快的計算工具快300倍。ENIAC的問世具有劃時代的意義，表明電子計算機時代的到來。

圖1-1　世界上第一臺電子數字積分計算機

自從第一臺計算機問世以來，計算機技術以前所未有的速度迅猛發展。通常根據計算機所使用的“電子元件”，將計算機的發展劃分為四個階段，也稱為四個時代，即電子管時代、晶體管時代、中小規模集成電路時代、大規模和超大規模集成電路時代。

第一代：電子管計算機（1946～1957年）

主要元件采用的是電子管，主存儲器采用汞延遲線、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓、磁芯；外存儲器采用的是磁帶；運行的軟件多采用的是機器語言、匯編語言；應用領域以科學計算為主。特點是體積大、功耗高、可靠性差，速度慢、價格昂貴；第一代計算機為以后計算機的發展奠定了基礎。

第二代：晶體管計算機（1958～1964年）

主要元件采用的是晶體管，主存儲器采用磁芯，外存儲器已開始使用更先進的磁盤；出現了各種各樣的高級語言以及編譯程序；應用領域以科學計算和事務處理為主，并開始進入工業控制領域；特點是體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運算速度提高、性能比第1代計算機有很大的提高。

第三代：中小規模集成電路計算機（1965～1970年）

主要元件采用中、小規模集成電路，主存儲器仍采用磁芯；出現了分時操作系統以及結構化、規模化程序設計方法；特點是速度更快，而且可靠性有了顯著提高，價格進一步下降，產品走向了通用化、系列化和標準化等；應用領域開始進入文字和圖形圖像處理領域。

第四代：大規模和超大規模集成電路計算機（1971年至今）

主要元件采用大規模和超大規模集成電路；出現了數據庫管理系統、網絡管理系統和面向對象語言等；運算速度可達百萬至數億億次/秒；應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步應用于各個領域。

計算機的發展階段及其特征如表1-1所示。

表1-1　計算機的發展階段及其特征

1971年世界上第一臺微處理器在美國硅谷誕生，開創了微型計算機的新時代。另一方面，利用大規模、超大規模集成電路制造的各種邏輯芯片，已經制成了體積并不很大，但運算速度可達每秒一億甚至幾十億次的巨型計算機。1983年“銀河-Ⅰ”億次計算機研制成功，如圖1-2所示，生產安裝3臺，是我國第一臺自主研制的億次計算機系統，使我國成為繼美、日之后世界上第三個能研制巨型機的國家。繼“銀河-Ⅰ”這一巨型機以后，我國又于1993年研制成功運算速度更快的“銀河-Ⅱ”巨型計算機。

圖1-2 “銀河-Ⅰ”計算機

1.1.2　計算機的發展趨勢

（1）計算機的發展方向

隨著科技的進步，各種計算機技術、網絡技術的飛速發展，計算機的發展已經進入了一個快速而又嶄新的時代。計算機已經從功能單一、體積較大發展到了功能復雜、體積微小、資源網絡化等并朝著不同的方向延伸，當前計算機技術正向著微型化、網絡化、智能化和巨型化的方向發展。

① 微型化　隨著微處理器的出現，計算機中開始使用微型處理器，使計算機體積縮小了，成本降低了。20世紀70年來，從臺式電腦到筆記本電腦再到掌上電腦、平板電腦，計算機的體積逐步微型化，為人們提供便捷的服務。計算機理論和技術上的不斷完善促使微型計算機很快滲透到全社會的各個行業和部門中，并成為人們生活和學習的必需品。未來計算機仍會不斷趨于微型化，體積將越來越小。

② 網絡化　20世紀90年代以來，隨著Internet的飛速發展，計算機網絡已廣泛應用于各個領域。互聯網將世界各地的計算機連接在一起，從此進入了互聯網時代，人們通過互聯網共享資源，交換信息，協同工作，極大地提高了使用計算機的便捷性，計算機網絡化徹底改變了人類世界，未來計算機將會進一步向網絡化方面發展。

③ 智能化　現代計算機具有強大的功能和運行速度，但與人腦相比，其邏輯能力和自動化程度仍有待提高。人類不斷在探索如何讓計算機能夠更好地反映人類思維，可以通過思考與人類溝通交流，拋棄以往的依靠通過編碼程序來運行計算機的方法，直接對計算機發出指令。計算機人工智能化是未來發展的必然趨勢。

④ 巨型化　巨型化是指為了適應尖端科學技術的需要，研制具有極快的運算速度，超大容量的存儲空間，功能更加強大和完善的超級計算機。此類計算機主要應用于航空航天、生物工程、軍事、人工智能等領域。計算機朝著巨型化方向發展也預示著計算機的功能更加的多元化。

（2）未來的新一代計算機技術

從計算機的產生及發展可以看出，目前計算機技術的發展都是以電子技術的發展為基礎的，集成電路芯片是計算機的核心部件。然而，以硅為基礎的芯片制造技術的發展不是無限的。利用納米技術、光技術、生物技術和量子技術研究新一代計算機成為未來計算機研究的焦點。

① 分子計算機　分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10×10^?12s，比人的思維速度快100萬倍；分子計算機具有驚人的存儲能力，1m³的DNA溶液可存儲10²⁰個二進制數據；分子計算機消耗的能量也只有電子計算機的十億分之一。

② 量子計算機　量子計算機是利用原子所具有的量子特性進行信息處理的一種全新概念的計算機。量子計算機處理數據時不是分步進行而是同時完成。只要40個原子一起計算，就相當于今天一臺超級計算機的性能。

③ 光子計算機　光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計算機。如圖1-3所示。由于光子比電子速度快，它的存儲量是現代計算機的幾萬倍，還可以對語言、圖形和手勢進行識別與合成。隨著現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，許多國家都投入巨資進行光子計算機的研究，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。1990年初，美國貝爾實驗室研制成世界上第一臺光子計算機。

圖1-3　光子計算機

④ 納米計算機　納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

⑤ 生物計算機　生物計算機是一種有知識、會學習、能推理的計算機，具有能理解自然語言、聲音、文字和圖像的能力，并且具有說話的能力，使人機能夠用自然語言直接對話，它可以利用已有的和不斷學習到的知識，進行思維、聯想、推理，并得出結論。20世紀80年代以來，生物工程學家對人腦、神經元和感受器的研究傾注了很大精力，以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高效的第六代計算機—生物計算機。

1.1.3　計算機的特點及其分類

（1）計算機的特點

計算機可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能，是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。計算機不同于其它一般的計算工具，有其自身的特點，歸納起來主要表現在以下幾個方面。

① 運算速度快　計算機的運算速度是指單位時間內所能執行指令的條數，一般用每秒鐘能執行多少條指令來描述，其常用單位是MIPS（Million Instruction Per Second），即百萬條指令每秒。當今計算機系統的運算速度已達到每秒10¹⁶次，微機也可達每秒10⁸次以上，使大量復雜的科學計算問題得以解決。例如：大型橋梁工程的計算、氣象問題的計算人工完成需要幾年甚至幾十年，而用計算機只需幾分鐘就可完成。

② 計算精度高　目前計算機的計算精度已達到小數點后上億位，是任何其它計算工具所望塵莫及的。理論上通過一定的技術手段，計算機可以實現任何精度要求的計算，計算機的計算精度是不受限制的。

③ 存儲容量大　計算機的存儲能力是計算機區別于其它計算工具的重要特征。計算機內部的存儲器具有記憶特性，可以存儲大量數字、文字、圖像、視頻、聲音等各類信息。目前計算機的存儲容量越來越大，已高達千兆數量級。

④ 邏輯判斷能力強　計算機不僅能解決數值計算問題，還能解決非數值計算問題。在相應程序的控制下，計算機能對信息進行比較和判斷，分析命題是否成立，并可根據命題成立與否做出相應的處理。人是有思維能力的，思維能力本質上是一種邏輯判斷能力，人類也在積極探索利用計算機的邏輯判斷能力，讓計算機也學會“思考”。

⑤ 自動化程度高　計算機的存儲記憶能力和邏輯判斷能力保證了計算機信息處理的高度自動化。人們可以將預先編好的程序輸入計算機，在程序控制下計算機可以連續、自動地一步一步完成工作，不需要人的干預。

（2）計算機的分類

計算機及相關技術的迅速發展帶動計算機類型也不斷分化，形成了各種不同種類的計算機，可以按照不同的標準對其進行分類。

① 按照信息的表示方式分類　根據信息在計算機中的表示方式可分為數字計算機和模擬計算機。數字計算機是通過電信號的有無來表示數，并利用算術和邏輯運算法則進行計算的。它具有運算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲等優點，因此適合于科學計算、信息處理、實時控制和人工智能等應用。我們通常所用的計算機，一般都是指的數字計算機。

模擬計算機是通過電壓的大小來表示數，即通過電的物理變化過程來進行數值計算的。其優點是速度快，在模擬計算和控制系統中應用較多，但通用性不強，信息不易存儲，且計算機的精度受到了設備的限制。因此，不如數字計算機的應用普遍。

② 按照用途分類　按照計算機的用途分為專用計算機和通用計算機。專用計算機具有單一性、使用范圍小甚至專機專用的特點，它是為了解決一些專門的問題而設計制造的。一般來說，模擬計算機通常都是專用計算機。通用計算機具有用途多、配置全、通用性強等特點，我們通常所說的以及本書所介紹的都是指通用計算機。

③ 按照性能分類　在對計算機進行分類時較為普遍的是按照計算機的運算速度、字長、存儲容量、處理能力等綜合性能指標來分，可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和工作站。

巨型機運算速度快，存儲量大，結構復雜，價格昂貴，主要用于尖端科學研究領域。大型機是對一類計算機的習慣稱呼，本身并無十分準確的技術定義。其規模僅次于巨型機，通常人們稱大型機為“企業級”計算機。中型機的標準是計算速度每秒10萬至100萬次，字長32位、主存儲器容量為1兆以下的計算機，主要用于中小型局部計算機通信網中的管理。小型機機器規模小、結構簡單、設計試制周期短，便于及時采用先進工藝。微型機（又稱為個人計算機）目前發展最快，應用范圍最廣。工作站是一種高檔的微機系統。它具有較高的運算速度，既具有大、中、小型機的多任務、多用戶能力，又兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它的應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業、金融、辦公領域，并頻頻充當網絡服務器的角色。

1.1.4　計算機的應用領域

（1）計算機的主要應用領域

計算機問世之初主要用于科學計算，因而得名“計算機”。而今計算機的應用領域已滲透到社會的各行各業，正在改變著人們傳統的工作、學習和生活方式，推動著社會的發展。歸納起來計算機主要應用于以下幾個方面。

① 科學計算　也稱數值計算，是指利用計算機來完成科學研究和工程技術中提出的數學問題的計算。在現代科學技術工作中，存在大量復雜的科學計算問題，利用計算機運算速度快、計算精度高、具有存儲記憶功能等特點，可以實現人工無法解決的各種科學計算問題，達到事半功倍的效果，大大縮短工作周期，提高工作效率，節約人力、物力、財力。

② 數據處理　也稱信息管理或事物處理，是指對各種數據進行收集、存儲、整理、分類、統計、加工、傳播等一系列活動的統稱。據統計，80%以上的計算機主要用于數據處理。目前，數據處理已廣泛地應用于辦公自動化、企事業管理、電影電視動畫設計、娛樂、游戲、會計電算化等各行各業。

③ 計算機輔助系統　計算機輔助系統是利用計算機輔助完成不同類任務的系統的總稱。計算機輔助系統常用的有計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）等。

a．計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）　計算機輔助設計是利用計算機系統輔助設計人員進行工程或產品設計，以縮短設計周期，提高設計質量，達到最佳設計效果的一種技術。它已廣泛地應用于機械、電子、建筑和輕工等領域。例如，在機械設計過程中，可以利用CAD技術繪制機械零部件圖紙，提高設計速度和設計質量。

b．計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，簡稱CAI）　計算機輔助教學是利用計算機系統使用課件來進行教學。課件可以用制作工具或高級語言來開發制作，它能引導學生循環漸進地學習，使學生輕松自如地從課件中學到所需要的知識。CAI的主要特色是交互教育、個別指導和因材施教。

c．計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，簡稱CAM）　計算機輔助制造是利用計算機系統進行生產設備的管理、控制和操作的過程。例如，在產品的制造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產過程中所需的數據，控制和處理材料的流動以及對產品進行檢測等。使用CAM技術可以提高產品質量，降低成本，縮短生產周期，提高生產率和改善勞動條件。

d．計算機輔助測試（Computer Aided Test，簡稱CAT）　計算機輔助測試是指利用計算機協助進行測試。可應用于對教學效果和學習能力的測試，也可進行產品測試，軟件測試等。

④ 過程控制　采用計算機進行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以提高控制的及時性和準確性，從而改善勞動條件、提高產品質量及合格率。因此，計算機過程控制已在機械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等行業得到廣泛的應用。這不只是控制手段的改變，而且擁有眾多優點。第一，能夠代替人在危險、有害的環境中作業。第二，能在保證同樣質量的前提下連續作業，不受疲勞、情感等因素的影響。第三，能夠完成人所不能完成的有高精度、高速度、時間性、空間性等要求的操作。

⑤ 人工智能　人工智能是計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學習、問題求解和圖像識別等。人工智能是計算機科學發展以來一直處于前沿的研究領域，現在人工智能的研究已取得不少成果，有些已開始走向實用階段。例如，能模擬高水平醫學專家進行疾病診療的專家系統，具有一定思維能力的智能機器人等。

⑥ 計算機網絡　計算機技術與現代通信技術的結合構成了計算機網絡。計算機網絡的建立，不僅解決了一個單位、一個地區、一個國家中計算機與計算機之間的通信，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數據的傳輸與處理。通過網絡，人們坐在家里通過計算機便可預定車票、可以購物，從而改變了傳統服務業、商業單一的經營方式。通過網絡，人們還可以與遠在異國他鄉的親人、朋友實時地傳遞信息，大大地縮短了人們之間的距離。

（2）計算機新技術應用

隨著計算機技術的發展，計算機的功能已遠遠超過最初作為“計算的機器”這樣狹義的概念。近幾年由于網絡技術的進步，計算機領域出現的新技術也被越來越多地廣泛應用于更多新興領域。

① 人工智能　人工智能是研究用計算機來模擬人的思維過程和智力行為的學科，制造類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現更高層次的應用。人工智能就其本質而言，是對人的思維的信息過程的模擬。

進入21世紀，人工智能在計算機領域內，得到了愈加廣泛的重視，以計算機為基礎的人工智能技術取得了一些進展，典型的例子就是人機對弈。2016年3月，阿爾法圍棋與圍棋世界冠軍、職業九段棋手李世石進行圍棋人機大戰，以4比1的總比分獲勝。

② 云計算　云計算是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云是網絡、互聯網的一種比喻說法。互聯網上的云計算服務特征和自然界的云、水循環具有一定的相似性，因此，云是一個相當貼切的比喻。

近幾年，云計算作為一個新的技術趨勢已經得到了快速地發展和廣泛應用，例如阿里云分擔12306流量壓力、浙江交通廳用阿里云大數據預測1小時后堵車、云上貴州公安交警云等。

③ 大數據　大數據指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合。大數據技術的戰略意義不在于掌握數據信息的量有多龐大，而在于對這些含有意義的數據進行專業化處理，即如何提高對數據的加工能力，使數據經過加工后實現數據的增值。