1.1 计算机概论

1.1.1 计算机的发展

1946年2月，在美国诞生了世界上第一台全自动电子计算ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），电子数字积分计算机，如图1.1所示。它每秒能进行5 000次加减运算，至今人们认为，ENIAC的问世，表明了电子计算机时代的到来，它的出现具有划时代的意义。

电子计算机从产生到现在，有了飞速的发展。按照计算机所用的逻辑元件（电子器件）来划分计算机的时代，其发展历史简况如下。

1.第一代：电子管计算机

第一代电子计算机是电子管计算机（1946年～1957年）。这一代机器的主要特点是其基本逻辑电路由电子管组成。因此，这类机器运算速度比较低（一般为每秒数千次至数万次）、体积较大、重量较重、价格较高，计算机语言处于机器语言和汇编语言阶段，主要应用于科学计算。

2.第二代：晶体管计算机

第二代电子计算机是晶体管计算机（1958年～1964年）。它的特点是其基本逻辑电路由晶体管电子元件组成。第二代计算机运算速度大幅度提高（可达数十万次至数百万次每秒），重量、体积也显著减小，软件方面出现了简单的操作系统和高级语言，其应用扩展到了数据处理和事物管理。

3.第三代：集成电路计算机

第三代电子计算机是集成电路计算机（1965年～1970年）。它的特点是其基本逻辑电路由小规模集成电路组成。这类机器的运算速度可达每秒数百至数千万次，可靠性也有了显著的提高，并且价格明显下降。软件方面出现了功能较强的操作系统和结构化、模块化的程序设计语言，应用领域向社会各部门推广和普及。

4.第四代：大规模集成电路和超大规模集成电路计算机

第四代电子计算机称为大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）技术（1971年至今）。这一代电子计算机采用中、大和超大规模集成电路构成逻辑电路，计算机的容量大、速度快，操作系统进一步完善，数据库和网络软件得到发展，面向对象的软件设计方法与技术被广泛采用。

5.第五代：人工智能计算机

计算机虽能在一定程度上能辅助人类脑力劳动，但其智能还与人类相差甚远。因此，科学的进步及社会发展需要更新一代的计算机，即第五代计算机（未来）。

第五代计算机尚未有统一的定义，有的学者认为第五代计算机应包括多个运行速度更快，处理功能更强的新型微机和容量无限的存储器；也有专家认为可采用镓材料的电子线路，镓材料比硅材料的速度快5倍，而功耗仅是硅的1/10。此外，第五代计算机将采用并行处理的工作方式，即多个处理器同时解决一个问题，多媒体技术将会是向第五代计算机过渡的重要技术。

1.1.2 计算机的分类及应用

1.计算机的分类

计算机的分类常见的有按计算机的功能分类、按处理方式分类、按计算机规模分类，也可以按工作模式进行分类。

（1）按计算机的功能分类

计算机按功能一般可分为专用计算机与通用计算机两类。专用计算机功能单一，结构简单，可靠性高，但适应性差。如用于军事、银行等领域的都属专用计算机。通用计算机功能齐全，适应性强，目前人们使用的都是通用计算机。

（2）按计算机的处理方式分类

计算机按其处理方式可分为模拟计算机、数字计算机和数字模拟混合计算机。模拟计算机主要处理模拟信息，如压力、温度、流量等。数字计算机采用二进制运算，其特点是计算机精度高，便于存储信息，通用性强。混合计算机则取数字、模拟计算机之长，既能高速运算，又便于存储信息，但造价昂贵。

（3）按计算机的规模分类

按计算机的规模，参考运算速度，输入/输出能力和存储能力等因素，计算机可分为以下4种。

① 巨型机：亦称超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域。巨型机主要用于天气预报、地质勘探等尖端科技领域。我国是世界上生产巨型计算机的少数国家之一，如我国研制成功的“银河”“曙光”“神威”等计算机都属于巨型机，如图1.2所示。

② 大型机：这种机器也有很高的运算速度和很大的存储容量，它有丰富的外部设备和功能强大的软件，主要用在计算中心和计算机网络中。IBM3033、VAX8800都是大型计算机的代表产品，如图1.3所示。

③ 小型机：结构简单、规模较小、操作简便、成本较低。小型机在存储容量和软件系统的完善方面占有优势，用途广泛。代表机型有PDP-11、VAX-11系列，如图1.4所示。

④ 微型机：人们常简称为微机或PC机，它具有体积小、价格低、功能全、操作方便等优点，因此发展迅速。目前它的功能越来越强，速度越来越快，已经达到甚至超过了小型机。例如，PentiumⅣ的CPU速度已超过1G。

（4）按计算机的工作模式分类

计算机按其工作模式可以分为服务器和工作站两类。

① 服务器。服务器是一种可供网络用户共享的、高性能的计算机。服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部设备，其运行是依靠网络操作系统。服务器上的资源可供网络用户共享。

② 工作站。工作站是高档微机，它的特点是易于联网，配有大容量的主存和大屏幕显示器，适合用于计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）和办公自动化。

2.计算机的应用

计算机的应用领域非常广阔，归纳起来主要有以下几个方面。

（1）科学计算

科学计算是计算机最早、最成熟的应用领域。利用计算机可以方便地实现数值计算，代替人工计算。例如，人造卫星轨迹计算、水坝应力计算、房屋抗震强度计算等。

（2）精密制造与自动控制

计算机在精密制造中自动控制技术的广泛应用，大大促进了现代化生产速度和精度。例如：用计算机控制炼钢和机床等。

（3）信息系统与数据处理

信息系统中的数据处理是指非科学、工程方面的所有计算、管理及操纵任何形式的数据资料。例如，企业的生产管理、质量管理、财务管理、仓库管理、各种报表的统计、账目计算等。信息系统应用领域非常广阔，全世界将近 80%的计算机信息系统都应用于各种经营管理。

（4）人工智能

利用计算机模拟人脑的一部分功能。例如：数据库的智能性检索、专家系统、定理证明、智能机器人、模式识别等。

（5）计算机辅助设计

计算机在计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助教学（CAI）等方面发挥着越来越大的作用。例如，利用计算机部分代替人工进行汽车、飞机、家电、服装等的设计和制造，可以使设计和制造的效率提高几十倍，质量也大大提高。在教学中使用计算机辅助系统，不仅可以节省大量人力、物力，而且使教育、教学更加规范，从而提高教学质量。

（6）文化娱乐

计算机已走进千家万户，人们可以用于计算机欣赏电影、观看电视、玩游戏及进行家庭文化教育。

（7）网络通信

随着 Internet 的普及，利用计算机网络实现远距离通信已经越来越方便。此外，利用计算机进行通信业务，比普通的电信业务成本低，并能进行可视化等形式的多样化交流。目前被人们广泛应用的IP电话即是计算机通信的最新发展。

（8）电子商务

电子商务是指在计算机网络上进行的商务活动。它是涉及企业和个人各种形式的、基于数字化信息处理和传输的商业交易。它包括电子邮件、电子数据交换、电子资金转账、快速响应系统、电子表单和信用卡交易等电子商务的一系列应用，又包括支持电子商务的信息基础设施。