1.1 計算機概述

1.1.1 計算機的發(fā)展

20世紀初，電子技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，這為第一臺電子計算機的誕生奠定了基礎(chǔ)。1943年，正值第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上彈道計算問題的需要，美國軍械部與賓夕法尼亞大學合作，開始研制電子計算機。1946年2月15日，世界上第一臺電子計算機埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC）在美國賓夕法尼亞大學研制成功，如圖1-1所示。這臺計算機使用了18800個真空管、1500個繼電器、10000只電容、70000個電阻及其他電子元器件，占地170平方米，重達30噸，每秒可進行5000次的加法運算。

ENIAC的問世成為計算機發(fā)展史上的一座豐碑，具有劃時代的意義，標志著現(xiàn)代計算機時代的到來。現(xiàn)代計算機的發(fā)展階段通常以構(gòu)成計算機的電子元器件來劃分，至今已經(jīng)經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路以及大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路四個發(fā)展階段，目前正在向第五代邁進，如表1-1所示。

1.第一代電子管計算機

第一代計算機使用的主要元器件是電子管，主存儲器采用磁鼓、磁芯，輔助存儲器采用磁帶、紙袋、卡片等。第一代計算機體積大，耗電多，速度低，可靠性差，成本高，使用不便，僅采用機器語言和匯編語言，主要局限于在一些軍事和科研部門中進行科學計算。其代表機型有IBM650 （小型計算機）、IBM709（大型計算機）。

2.第二代晶體管計算機

1948年，美國貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，10年后晶體管取代了計算機中的電子管，誕生了晶體管計算機。第二代計算機使用的主要元器件是晶體管，內(nèi)存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲器，容量擴大到幾十萬字節(jié)，運算速度達到幾十萬次/秒～百萬次/秒。與第一代電子管計算機相比，晶體管計算機體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強，使用方便，可靠性高。軟件上廣泛采用高級語言，并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)。其代表機型有IBM7090。

3.第三代中小規(guī)模集成電路計算機

第三代計算機使用的主要元器件是小規(guī)模集成電路和中等規(guī)模集成電路，集成電路是在幾平方毫米的硅片上，集中了幾十個或上百個電子元件而組成的邏輯電路。主存儲器開始逐漸采用半導體元件，運算速度提高到百萬次/秒。由于采用了集成電路，第三代計算機各方面性能都有了極大提高：體積縮小，價格降低，功能增強，可靠性大大提高。軟件上廣泛使用操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了分時、實時等操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，已可以處理文字和圖像等數(shù)據(jù)形式。典型機型有IBM360系統(tǒng)、PDP11系列等。

4.第四代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機

第四代計算機使用的主要元器件是大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路，使計算機體積、重量、成本均大幅度降低；作為主存的半導體存儲器，其集成度越來越高，容量越來越大，外存儲器除廣泛使用軟、硬磁盤外，還引進了光盤；運算速度可達幾百萬次/秒～千億次/秒；輸入、輸出設(shè)備有了很大的發(fā)展，如鼠標、掃描儀、激光打印機、數(shù)碼相機、繪圖儀等。操作系統(tǒng)不斷完善、發(fā)展，數(shù)據(jù)庫技術(shù)進一步發(fā)展，計算機的應(yīng)用進入了以網(wǎng)絡(luò)化為特征的時代，它的迅速普及改變了人們的生活，加速了人類社會向信息化時代的變遷。

5.第五代計算機

第五代計算機即新一代計算機，是對第四代計算機以后的各種未來型計算機的總稱。新一代計算機突破了前四代計算機存儲控制的基本原理和工作方式，它能夠最大限度地模擬人類大腦的機制，具有人腦所特有的聯(lián)想、推理、判斷、學習等某些功能，具有對語音、聲音、圖像及各種模糊信息的感知、識別和處理能力。從20世紀80年代開始，已提出超導計算機、量子計算機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、光子計算機、納米計算機及DNA計算機等各種設(shè)想和描述，在實際研制過程中也取得了一些重要進展。

1.1.2 計算機的分類

計算機的分類方法有多種。按功能與用途，計算機可分為通用計算機與專用計算機；按處理對象不同，計算機可分為數(shù)字電子計算機、模擬電子計算機和混合電子計算機；按性能和規(guī)模，如運算速度、存儲容量、輸入輸出能力、外部設(shè)備、軟件配置等，又可將計算機分為巨型機、大型機、小型機、微型機和工作站。

1.巨型機

巨型機又稱為超級計算機，是一種超大型電子計算機，具有很強的計算和處理數(shù)據(jù)的能力，主要特點表現(xiàn)為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設(shè)備及豐富的、多功能的軟件系統(tǒng)。

我國的“天河一號”“天河二號”，美國的“泰坦”（Titan），日本的“K Computer”都是世界有名的巨型機。“天河二號”超級計算機如圖1-2所示，其系統(tǒng)是由中國國防科技大學所研發(fā)的，是目前全球最快的超級計算機系統(tǒng)，綜合技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，已連續(xù)六次蟬聯(lián)世界超級計算機TOP500排行榜第一位。目前，天河二號已應(yīng)用于生物醫(yī)藥、新材料、工程設(shè)計與仿真分析、天氣預報、智慧城市、電子商務(wù)、云計算與大數(shù)據(jù)、數(shù)字媒體和動漫設(shè)計等多個領(lǐng)域，還將廣泛應(yīng)用于大科學、大工程、信息化等領(lǐng)域，為經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級提供重要支撐。

2.大型機

大型機的運算速度和存儲容量次于巨型機，但仍具有高速度、高容量的特點，它的通用性好、外部設(shè)備負載能力強、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、可靠性高，且有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，因此大型機常用于銀行業(yè)務(wù)、大型企業(yè)、科研機構(gòu)等。美國IBM公司生產(chǎn)的IBM390、IBM Z系列，就是國際上有代表性的大型主機。

3.小型機

小型機是比大型機存儲容量小、處理能力弱的中等規(guī)模的計算機。小型機結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、容易維護、成本較低，通常用在一般的科研與設(shè)計機構(gòu)、中小企業(yè)和普通高校等。

4.微型機

微型機也稱為個人計算機（PC），是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的機型。微型機集成度高、體積小、靈活性好、價格低廉、使用方便。微型機又分為臺式機和便攜機，便攜機有筆記本電腦以及現(xiàn)在很流行的平板電腦等。

5.工作站

工作站實際上就是一臺高檔微機，介于PC和小型機之間。它擁有大屏幕、高分辨率的顯示器，配有大容量主存，具有較強的信息處理能力和聯(lián)網(wǎng)功能，主要用于圖形、圖像處理和計算機輔助設(shè)計及制作等領(lǐng)域。

1.1.3 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著計算機的高速發(fā)展，計算機的應(yīng)用遍及到教育、經(jīng)濟、政治、商業(yè)、軍事及社會生活的各個領(lǐng)域，概括起來主要有以下幾個方面。

1.科學計算

科學計算即數(shù)值計算，隨著計算機最早的應(yīng)用領(lǐng)域。科學研究和工程設(shè)計中經(jīng)常遇到各種各樣復雜的數(shù)學問題，計算量很大，用一般計算工具難以完成。例如，人造衛(wèi)星軌跡的計算、氣象預報中衛(wèi)星云圖資料的分析計算等。借助計算機的高速運算和大容量的存儲能力可以完成這類復雜的數(shù)值計算任務(wù)，大大縮短計算周期，節(jié)省人力和物力。另外，計算機的邏輯判斷能力和強大的運行能力又給許多學科提出了新的研究方法。

2.信息處理

信息處理也稱為信息加工或數(shù)據(jù)處理。信息處理是目前計算機應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。信息處理包括對各種形式的信息（如文字、圖形、圖像、聲音、視頻等）的收集、分類、整理、加工、存儲和傳輸?shù)裙ぷ鳎浣Y(jié)果為管理和決策提供有用的信息。目前，信息處理已廣泛應(yīng)用于辦公自動化、事務(wù)處理、企業(yè)管理、醫(yī)療管理和診斷、情報檢索和決策等領(lǐng)域。

3.過程控制

過程控制又稱實時控制，指用計算機及時采集檢測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后按最佳值迅速地對控制對象進行自動控制或自動調(diào)節(jié)。從20世紀60年代起，實時控制就開始應(yīng)用于冶金、機械、電力和石油化工等領(lǐng)域。例如，高爐煉鐵中，計算機用于控制投料、出鐵、出渣以及對原料和生鐵成分的管理與控制，通過對數(shù)據(jù)的采集和處理，實現(xiàn)對各個工作環(huán)節(jié)操作的指導。

4.計算機輔助系統(tǒng)

計算機輔助系統(tǒng)是指能夠部分或全部代替人工完成各項工作的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，目前主要包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和計算機輔助教育（CBE）等。

計算機輔助設(shè)計（CAD）是指利用計算機幫助各類設(shè)計人員進行設(shè)計。由于計算機有快速的數(shù)值計算、較強的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，使CAD技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，如飛機設(shè)計、船舶設(shè)計、建筑設(shè)計、機械設(shè)計等。采用計算機輔助設(shè)計后，不但減少了設(shè)計人員的工作量，提高了設(shè)計速度，更重要的是提高了設(shè)計的質(zhì)量。

計算機輔助制造（CAM）是指用計算機進行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的技術(shù)。例如，在產(chǎn)品的制造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產(chǎn)過程中所需的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動、對產(chǎn)品的檢驗等。

計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）是集設(shè)計、制造、管理三大功能于一體的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，它是在信息技術(shù)、自動化技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機技術(shù)把分散在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)有機地集成起來，形成適用于多品種、小批量生產(chǎn)，實現(xiàn)整體效益的集成化和智能化的制造系統(tǒng)。

計算機輔助教育（CBE）是指以計算機為主要媒介所進行的教育活動，也就是使用計算機來幫助教師教學，幫助學生學習，幫助教師管理教學活動和組織教學等。

5.網(wǎng)絡(luò)與通信

計算機技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了計算機網(wǎng)絡(luò)。利用計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同地區(qū)計算機之間的軟、硬件資源共享，可以大大促進和發(fā)展地區(qū)間、國際間的通信和數(shù)據(jù)的傳輸及處理。現(xiàn)代計算機的應(yīng)用已離不開計算機網(wǎng)絡(luò)，例如，銀行服務(wù)系統(tǒng)、交通訂票系統(tǒng)、電子商務(wù)、公用信息通信網(wǎng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)等都建立在計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，利用網(wǎng)絡(luò)進行通信已成為現(xiàn)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、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)。它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器，該領(lǐng)域的研究包括機器人、模式識別、機器翻譯、智能搜索和專家系統(tǒng)等。