1.1 走進計算機世界

美國著名的未來學家阿爾溫·托夫勒曾預言：“誰掌握了信息，控制了網絡，誰就擁有了整個世界”。現在就讓我們走進計算機的世界，學習計算機的基礎知識，掌握計算機的基本操作技能。

知識要點

● 計算機發展歷史

● 計算機分類

● 計算機主要應用領域

1.1.1 計算機發展歷史

計算機于1946年問世，有人說是由于戰爭的需要而產生的，我們認為計算機產生的根本動力是人們為創造更多的物質財富，是為了把人的大腦延伸，讓人的潛力得到更大的發展。正如汽車的發明是使人的雙腿延伸一樣，計算機的發明事實上是對人腦智力的繼承和延伸。

計算機產生的動力是人們想發明一種能進行科學計算的機器，因此稱為計算機。它一誕生，就立即成了先進生產力的代表，掀開自工業革命后的又一場新的科學技術革命。要追溯計算機的發明，可以由中國古時開始說起，古時人類發明算盤去處理一些數據，利用撥弄算珠的方法，人們無須進行心算，通過固定的口訣就可以將答案計算出來。這種被稱為“計算與邏輯運算”的運作概念傳入西方后，被美國人加以發揚光大。直到16世紀發明了一部可協助處理乘數等較為復雜數學算式的機械，被稱為“棋盤計算器”，但這時期的計算機只屬于純計算的階段。

而現代計算機的發明是20世紀40年代的事情，經過幾十年的發展，它已經成為一門復雜的工程技術學科，它的應用從國防、科學計算，到家庭辦公、教育娛樂，無所不在。

計算機的發展進程中經歷了四個時代：電子管時代、晶體管時代、集成電路時代、大規模集成電路時代。

1．第1代電子管計算機（1945—1956）

在第二次世界大戰中，美國政府尋求計算機以開發潛在的戰略價值。這促進了計算機的研究與發展。1944年霍華德·艾肯（1900—1973）研制出全電子計算器，為美國海軍繪制彈道圖。這臺簡稱Mark I的機器有半個足球場大，內含500英里的電線，使用電磁信號來移動機械部件，速度很慢（3～5秒完成一次計算）并且適應性很差只用于專門領域，但是，它既可以執行基本算術運算又可以運算復雜的等式。

1946年2月14日標志現代計算機誕生的ENIAC（The Electronic Numerical Integrator And Computer）在費城公之于世。ENIAC代表了計算機發展史上的里程碑，它通過不同部分之間的重新接線編程，擁有并行計算能力（見圖1-1）。ENIAC由美國政府和賓夕法尼亞大學合作開發，使用了18000個電子管，70000個電阻器，有5百萬個焊接點，耗電160千瓦，其運算速度比Mark I快1000倍，ENIAC是第一臺普通用途計算機。

第一代計算機的特點是操作指令是為特定任務而編制的，每種機器有各自不同的機器語言，功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數據。

20世紀40年代中期，馮·諾依曼（1903—1957）參加了賓夕法尼亞大學的小組，1945年設計電子離散可變自動計算機EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），將程序和數據以相同的格式一起儲存在存儲器中。這使得計算機可以在任意點暫停或繼續工作，機器結構的關鍵部分是中央處理器，它使計算機所有功能通過單一的資源統一起來。

馮·諾依曼提出的通用計算機方案——EDVAC（埃德瓦克，即離散變量自動電子計算機）方案中包含了3個重要設計思想。

① 新機器由5個部分組成，包括運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入設備和輸出設備。

② 采用二進制形式表示計算機的指令和數據。

③ 將程序和數據存放在存儲器中，并讓計算機自動地執行程序。這就是“存儲程序”思想的基本含義。

馮·諾伊曼對EDVAC的設計方案成了計算機設計的主要依據，成為計算機設計制造歷史上的一座里程碑。同時，他提出的“程序存儲結構”理論一直沿用至今。

2．第2代晶體管計算機（1956—1963）

1948年，晶體管的發明大大促進了計算機的發展，晶體管代替了體積龐大的電子管，電子設備的體積不斷減小。1956年，晶體管在計算機中使用，晶體管和磁芯存儲器導致了第二代計算機的產生。第二代計算機體積小、速度快、功耗低、性能更穩定。首先使用晶體管技術的是早期的超級計算機，主要用于原子科學的大量 數據處理，這些機器價格昂貴，生產數量極少。

1960年，出現了一些成功地用在商業領域、大學和政府部門的第二代計算機。第二代計算機用晶體管代替電子管，還有現代計算機的一些部件，如打印機、磁帶、磁盤、內存、操作系統等。計算機中存儲的程序使得計算機有很好的適應性，可以更有效地用于商業用途。在這一時期出現了更高級的COBOL（Common Business-Oriented Language）和FORTRAN （Formula Translator）等語言，以單詞、語句和數學公式代替了二進制機器碼，使計算機編程更容易。新的職業，如程序員、分析員和計算機系統專家，與整個軟件產業由此誕生。

3．第3代集成電路計算機（1964—1971）

雖然晶體管比起電子管是一個明顯的進步，但晶體管還是產生大量的熱量，這會損害計算機內部的敏感部分。1958年德州儀器的工程師Jack Kilby發明了集成電路。集成電路能夠將許多的單一元件集成到一片小小的硅片上。集成電路應用于計算機，使計算機的體積變得更小，功耗更低，速度更快。集成電路為現代計算機的產生鋪平了道路。這一時期的發展還包括使用了操作系統，使得計算機在中心程序的控制協調下可以同時運行許多不同的程序。

人們將集成電路分為中、小規模，大規模和超大型規模。第3代計算機的芯片屬于中、小規模集成電路。

這個時期出現了里程碑式的計算機IBM-360。IBM公司同時在14個國家、全美63個城市宣告IBM-360系統研制成功，有大、中、小型計算機，共6個型號。它兼顧了科學計算和事務處理兩方面的需要，各種計算機全都相互兼容，適用于各方面的用戶。因為此計算機具有全方位的特點，正如羅盤有360°刻度一樣，所以取名為360。IBM-360系統是最早使用集成電路元件的通用計算機系統，它開創了民用計算機使用集成電路的先例，從此計算機進入了集成電路時代（見圖1-2）。IBM-360也成為了第3代計算機的里程碑。

4．第4代大規模集成電路計算機（1971至今）

出現集成電路后，唯一的發展方向是擴大規模。大規模集成電路（LSI）可以在一個芯片上容納幾百個元件。到了20世紀80年代，超大規模集成電路（VLSI）在芯片上容納了幾十萬個元件，后來的ULSI將數字擴充到百萬級。可以在硬幣大小的芯片上容納如此數量的元件使得計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性 不斷增強。基于“半導體”的發展，到了1972年，第一部真正的個人計算機誕生了。所使用的微處理器內包含了230個“晶體管”，可以一秒內執行60000個指令，體積也縮小很多。而世界各國也隨著“半導體”及“晶體管”的發展去開拓計算機史上新的一頁。

70年代中期，計算機制造商開始將計算機帶給普通消費者，這時的小型機帶有軟件包，供非專業人員使用的程序和最受歡迎的字處理和電子表格程序。

1981年，IBM推出個人計算機（PC）用于家庭、辦公室和學校。80年代個人計算機的競爭使得價格不斷下跌，微機的擁有量不斷增加，計算機繼續縮小體積，從桌上到膝上到掌上。與IBM PC競爭的Apple Macintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的圖形界面，用戶可以用鼠標方便地操作。FACOMM-382計算機如圖1-3所示。

ENIAC誕生后短短的幾十年間，計算機的發展突飛猛進。主要電子器件相繼使用了真空電子管、晶體管、中、小規模集成電路及大規模、超大規模集成電路，促使計算機幾次更新換代。每一次更新換代都使計算機的體積和耗電量大大減小，功能大大增強，應用領域進一步拓寬。特別是體積小、價格低、功能強的微型計算機的出現，使得計算機迅速普及，進入了辦公室和家庭，在辦公室自動化和多媒體應用等領域發揮了很大的作用。

1.1.2 計算機分類

計算機的種類很多，而且分類的方法也很多。有些分法是在專業人員中使用的，如我們用I代表“指令流”，用D代表“數據流”，用S表示“單”，用M表示“多”。于是就可以把系統分成：SISD、SIMD、MISD、MIMD共四種。

根據計算機分類的演變過程和近期可能的發展趨勢，國外通常把計算機分為六大類。

（1）超級計算機或稱巨型機。超級計算機通常是指最大、最快、最貴的計算機。如目前世界上運行最快的超級機速度為每秒1704億次浮點運算。生產巨型機的公司有美國的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等。我國研制的銀河機也屬于巨型機，銀河1號為億次機，銀河2號為10億次機。

（2）小超級機或稱小巨型機。小超級機又稱桌上型超級計算機，它想使巨型機縮小到個人機的大小，或者使個人機具有超級計算機的性能。典型產品有美國Convex公司的C-1, C-2, C-3等；Alliant公司的FX系列等。

（3）大型主機。它包括我們通常所說的大、中型計算機。這是在微型機出現之前最主要的計算模式，即把大型主機放在計算中心的玻璃機房中，用戶要上機就必須去計算中心的端上工作。大型主機經歷了批處理階段、分時處理階段，進入了分散處理與集中管理的階段。IBM公司一直在大型主機市場處于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生產大型主機。不過隨著微機與網絡的迅速發展，大型主機正在走下坡路。我們許多計算中心的大機器正在被高檔微機群取代。

（4）小型機。由于大型主機價格昂貴，操作復雜，只有大企業大單位才能買得起。在集成電路推動下，20世紀60年代DEC推出一系列小型機，如PDP-11系列、VAX-11系列。HP有1000、3000系列等。通常小型機用于部門計算。同樣它也受到高檔微機的挑戰。

（5）工作站。工作站與高檔微機之間的界限并不十分明確，而且高性能工作站正接近小型機、甚至接近低端主機。但是，工作站畢竟有它明顯的特征：使用大屏幕、高分辨率的顯示器；有大容量的內外存儲器，而且大都具有網絡功能。它們的用途也比較特殊，如用于計算機輔助設計、圖像處理、軟件工程以及大型控制中心。

（6）個人計算機或稱微型機。這是目前發展最快的領域。根據它所使用的微處理器芯片的不同而分為若干類型：首先是使用Intel芯片386、486以及奔騰等IBM PC及其兼容機；其次是使用IPM-Apple-Motorola聯合研制的PowerPC芯片的機器，蘋果公司的Macintosh已有使用這種芯片的機器；再次是DEC公司推出使用它自己的Alpha芯片的機器。

除此之外，還可以按處理方式和功能對計算機進行分類。

按處理方式分類可以把計算機分為模擬計算機、數字計算機和數字模擬混合計算機。模擬計算機主要用于處理模擬信息，如工業控制中的溫度、壓力等。模擬計算機的運算部件是一些電子電路，其運算速度極快，但精度不高，使用也不夠方便。數字計算機采用二進制運算，其特點是解題精度高，便于存儲信息，是通用性很強的計算工具，既能勝任科學計算和數字處理，也能進行過程控制和CAD/CAM等工作。混合計算機是取數字和模擬計算機之長，既能高速運算，又便于存儲信息。但這類計算機造價昂貴。現在人們所使用的大都屬于數字計算機。

按功能分類一般可分為專用計算機與通用計算機。專用計算機功能單一，可靠性高，結構簡單，適應性差，但在特定用途下最有效、最經濟、最快速，這些優點是其他計算機無法替代的。如軍事系統、銀行系統均屬專用計算機。通用計算機功能齊全，適應性強，目前人們所使用的大都是通用計算機。

1.1.3 計算機主要應用領域

計算機的應用領域已滲透到社會的各行各業，正在改變著傳統的工作、學習和生活方式，推動著社會的發展。計算機的主要應用領域如下：

1．科學計算（或數值計算）

科學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，科學計算問題是大量的和復雜的。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續運算的能力，可以實現人工無法解決的各種科學計算問題。

例如，建筑設計中為了確定構件尺寸，通過彈性力學導出一系列復雜方程，長期以來由于計算方法跟不上而一直無法求解。而計算機不但能求解這類方程，并且引起彈性理論上的一次突破，出現了有限單元法。

2．數據處理（或信息處理）

數據處理是指對各種數據進行收集、存儲、整理、分類、統計、加工、利用、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，這類工作量大面寬，決定了計算機應用的主導方向。

數據處理從簡單到復雜已經歷了三個發展階段。

（1）電子數據處理（Electronic Data Processing, EDP），它是以文件系統為手段，實現一個部門內的單項管理。

（2）管理信息系統（Management Information System, MIS），它是以數據庫技術為工具，實現一個部門的全面管理，以提高工作效率。

（3）決策支持系統（Decision Support System, DSS），它是以數據庫、模型庫和方法庫為基礎，幫助管理決策者提高決策水平，改善運營策略的正確性與有效性。

目前，數據處理已廣泛地應用于辦公自動化、企事業計算機輔助管理與決策、情報檢索、圖書管理、電影電視動畫設計、會計電算化等各行各業。信息正在形成獨立的產業，多媒體技術使信息展現在人們面前的不僅是數字和文字，也有聲情并茂的聲音和圖像信息。

3．輔助技術（或計算機輔助設計與制造）

（1）計算機輔助技術（包括CAD、CAM和CAI等）

計算機輔助設計（Computer Aided Design, 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，以實現最佳設計效果的一種技術。它已廣泛地應用于飛機、汽車、機械、電子、建筑和輕工等領域。例如，在電子計算機的設計過程中，利用CAD技術進行體系結構模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動布線等，從而大大提高了設計工作的自動化程度。又如，在建筑設計過程中，可以利用CAD技術進行力學計算、結構計算、繪制建筑圖紙等，這樣不但提高了設計速度，而且可以大大提高設計質量。

（2）計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing, 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。

將CAD和CAM技術集成，實現設計生產自動化，這種技術被稱為計算機集成制造系統（CIMS）。它的實現將真正做到無人化工廠（或車間）。

（3）計算機輔助教學（Computer Aided Instruction, 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。課件可以用著作工具或高級語言來開發制作，它能引導學生循序漸進地學習，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、個別指導和因人施教。

4．過程控制（或實時控制）

過程控制是利用計算機及時采集檢測數據，按最優值迅速地對控制對象進行自動調節或自動控制。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、航天等部門得到廣泛的應用。

例如，在汽車工業方面，利用計算機控制機床、控制整個裝配流水線，不僅可以實現精度要求高、形狀復雜的零件加工自動化，而且可以使整個車間或工廠實現自動化。

5．人工智能（或智能模擬）

人工智能（Artificial Intelligence）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。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．網絡應用

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。