1.3 电子计算机的分类

1.3.1 分类依据与方法

计算机的分类方法有很多种，人们根据不同的侧重点，可以对计算机进行以下分类。

1.按照处理的信号将计算机划分为数字计算机和模拟计算机

数字计算机使用的基本运算部件是数字逻辑电路，电路处理的是按脉冲的有无、电压的高低等形式表示的离散物理信号，该离散信号可以用0和1组成的二进制数字表示。该种计算机的优势在于计算精度高、速度快、存储量大、通用性强、抗干扰能力强，可以被用于科学计算、信息处理、实时控制、智能模拟等领域。

模拟计算机是用连续变化的模拟量来表示信息，基本运算部件由运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。模拟计算机虽然运算速度较快，但是由于精度低、通用性较差、抗干扰能力差、应用面窄，已基本被数字计算机替代。

2.按照用途和硬件的组合将数字计算机划分为通用计算机和专用计算机

通用计算机顾名思义就是一种带有通用外部设备，具有较快的运算速度、较大的存储容量，通用性较强的计算机。通用计算机硬件系统是标准的，并具有扩展性，装上不同的软件就可以做不同的工作。它可以进行科学计算，也可用于信息处理，如果在扩展槽中插入相关的硬件，还可实现数据采集、完成实时测控等任务。这类计算机的通用性强、应用范围广。

专用计算机一般是为了解决某一个或者某一类问题而设计的计算机，软硬件全部根据应用系统的要求配置。这种计算机从功能上来看比较单一，但是具有速度快、可靠性高的特点。如输入/输出处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）等都属于专用计算机。

3.按照规模和处理能力将通用计算机划分为微型计算机、工作站、小型计算机、大型主机、小巨型计算机、巨型计算机

按照规模和处理能力来划分计算机种类，主要划分依据包括机器体积、操作性、能量消耗、运算速率、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等，层次分类如图1.26所示。

图1.26 计算机层次分类

微型计算机是由大规模集成电路组成的体积较小的电子计算机，通常由微处理器、内存储器、输入/输出接口和相应辅助电路构成。微型计算机具有体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便的特点。

工作站是一种介于微型计算机和小型计算机之间的高端通用微型计算机，可以在图形处理方面为用户提供比微型计算机更强大的性能，并具有较强的网络通信功能，通常会配有多屏显示器以及大容量存储器。需要注意的是，网络系统中的用户节点计算机也称为工作站，但与这里提到的工作站是完全不同的概念，应注意区分。

小型计算机使用的是精简的指令集处理器，与大型主机和巨型计算机相比，小型计算机具有结构简单、成本较低、易于维护和使用的优点，通常在中小型单位使用，多运行Unix操作系统。

大型主机具有大容量存储器、多种类型的I/O通道，能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模按照满足一个大中型部门的工作需要进行设计和配置，相当于一个计算中心所要求的条件。

小巨型计算机也称作桌上型超级计算机。与巨型计算机相比，小巨型计算机最大的特点是价格便宜，具有更好的性能价格比。

巨型计算机也称作超级计算机。它是计算机中性能最强、运算速度最快、存储容量最大，但价格也最昂贵的一类计算机，主要用于国家高科技领域的尖端技术研究。生产这类计算机的能力可以体现一个国家的计算机科学水平。我国是世界上能够生产巨型计算机的少数几个国家之一。

1.3.2 微型计算机

微型计算机是发展最快、普及最广泛的一类电子计算机。它以微处理器为基础，由内存储器、输入/输出接口和相应的辅助电路构成，具有体积小、消耗低、灵活易用、价格便宜等特点。

1971年，MCS4微型计算机由Intel公司成功研制，其采用了微处理器芯片Intel 4040，是世界上第一台4位微型计算机。

MITS是一家由美国空军退伍工程师爱德华·罗伯茨创建的公司，主要生产各种电子部件和相关设备。创办初期推出的手持计算器以低廉的价格赢得市场好评，后来由于竞争公司数量增加，MITS的销售额受到很大影响。1974年，为了摆脱困境，罗伯茨想到创造一种价格便宜、人人都能使用的计算机。随着计算机爱好者数量不断增加，每个人都渴望拥有一台计算机，而当时市场上还没有此类产品，罗伯茨看到了巨大的商机，开始了个人计算机的研发工作。为了节省时间和成本，罗伯茨尽量使用现成的元件，产品并不是一台完整的计算机，而是一套零部件，需要用户自行组装。产品简单到不能再简单，罗伯茨把那些不是必要的产品特征都去掉了，比如键盘、显示器、软盘等。1975年1月，MITS公司成功研制了首台通用型Altair 8800计算机，它采用了Intel 8080微处理器，是世界上第一台8位微型计算机。虽然这台微型计算机的设计比较简单，但是在当时它具有两个闪光点，首先是价格便宜，该款计算机的售价不到500美元，其他大公司生产的类似产品价格高达5万美元左右。其次是具有可扩展能力，用户可以根据需求增加内存或外部设备。该款计算机在通过《电子科普》杂志宣传后，每天都能收到大约200张订单，更有一些用户为了早日得到自己的微型计算机搬到MITS公司附近，等待自己的计算机诞生。

1975年，保罗·艾伦在看到《电子科普》上关于Altair 8800的介绍后，马上找来了他的好朋友比尔·盖茨，因为Altair 8800跟他们之前想到的计算机的样子很像，由于当时Altair 8800还没有软件，于是两人决定为其编写BASIC软件。当时两人并没有Altair 8800计算机，所以就先在一台小型计算机上开发一个模拟程序，经过一个多月的艰苦工作，两人终于顺利开发出了一款适用于Altair 8800的BASIC解释器软件，用户可以很方便地使用该软件为Altair 8800编写其他应用程序。艾伦在MITS公司的演示一切顺利，罗伯茨很满意两人的成果，决定和两人签约，让他们负责MITS公司正式版BASIC软件的研发工作。同年4月，两人在阿伯克创建了一个小公司，这个公司就是微软公司。

为了给Altair 8800计算机找到应用，一些电脑爱好者在硅谷成立了一个家酿计算机俱乐部，并约定每周三在斯坦福线性加速器中心的报告厅讨论分享各自的成果。俱乐部有两个经常出席的成员——史蒂夫·乔布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克，他们的目标是建造一个完整的计算机系统，可以让软件爱好者直接在计算机上编写软件。每过一段时间，乔布斯和沃兹尼亚克就会把微型计算机的半成品搬到俱乐部让其他成员试用并提出意见，经过不断改进，微型计算机的功能日趋完善。1976年，乔布斯和沃兹尼亚克在乔布斯家的车库里创建了苹果计算机公司，并将之前的设计形成产品，命名为Apple-I。这台计算机拥有类似打字机的外观，可以连接电视机输出图像。这款计算机售价666美元，一共销售了175台。

为了扩大公司销售量，沃兹尼亚克开始设计新的产品，而乔布斯负责寻找投资者，他先后找到了惠普和Intel公司，但都遭到了拒绝，几经碰壁之后他终于找到了愿意投资的人——原Intel市场主管马库拉，他愿意投资9万美元。1977年，乔布斯带着Apple-II计算机参加了西海岸计算机大展，Apple-II使用的是装配好的系统，处理器、内存、软盘驱动器、键盘、扬声器、彩色显示电路都集成在一个主机系统里，用户只需要连接显示器或电视机就可以直接使用。Apple-II在展会上受到广泛关注，但是由于价格高昂、缺少特色应用，其销量跟乔布斯的设想还有差距。布瑞克林针对Apple-II设计了一种表格计算软件VisiCalc。1980年，许多大型企业开始大规模地使用苹果机和VisiCalc软件来处理业务。1981年，苹果公司全年共销售了Apple-II计算机30万台。

世界微型计算机市场快速蓬勃发展。1980年，世界微型计算机市场销售额已经达到10亿美元，巨大的利润引起了IBM公司的关注，于是IBM开始计划推出价格低廉的微型计算机产品。为了节省成本，IBM公司使用Intel 8088处理器芯片，因为它只提供8根数据线。由于IBM公司与CP/M操作系统的拥有者加里·基尔达尔未能达成使用协议，操作系统的选择陷入僵局，此时比尔·盖茨主动找到了IBM公司，提出微软可以提供与CP/M类似的操作系统。其实此时微软并没有操作系统产品，他们买断了与CP/M类似的操作系统Q-DOS，并将其改名为MS-DOS，使其变成了微软的产品，于是顺利地和IBM公司签约。1981年8月，IBM推出了该公司的首台个人计算机IBM 5150，迅速得到了市场的认可。截止到1984年，IBM公司共卖出了200多万台个人计算机，占据了50%以上的微型计算机市场。IBM 5150是世界上首次明确个人计算机的开放式业界标准的计算机，如图1.27所示。它允许任何人及厂商进入个人计算机市场，这对于个人计算机未来的发展具有极其重要的意义，个人计算机新生市场由此诞生。

图1.27 IBM 5150个人计算机

1984年1月，苹果公司发布Apple Macintosh个人计算机，如图1.28所示。该款机器使用了革命性的图形操作系统，这使它成为计算机发展史上里程碑级的产品，创造了10天销售5万台的优异成绩。

图1.28 Apple Macintosh个人计算机

微型计算机发展迅速，产品呈现多样化发展趋势。通常可以将微型计算机分为个人计算机、网络计算机、工业控制计算机、嵌入式计算机4类，如图1.29所示。个人计算机包括台式机、电脑一体机、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑。网络计算机包括服务器、工作站、集线器、交换机、路由器。工业控制计算机包括PC总线工业电脑、可编程控制系统、分散型控制系统、现场总线系统及数控系统。嵌入式计算机包括多媒体播放器、数字电视、空调、微波炉等电器设备。

图1.29 微型计算机种类

1.3.3 超级计算机

超级计算（Super Computing）这个词首次出现在1929年《纽约世界报》关于“IBM为哥伦比亚大学建造大型报表机”的报道中。它由数百、数千甚至更多的处理器组成，能够计算普通计算机和服务器不能完成的大型、复杂、国家高科技领域课题。

1964年，西摩·克雷团队研制出了世界上第一台超级计算机CDC 6600，如图1.30所示。它使用了西摩·克雷团队研发的RISC指令集，运算速度为每秒100万次浮点运算。西摩·克雷因此被称为超级计算机之父。1976年，美国克雷公司推出了世界上首台商业成功的超级计算机Cray-1，运算速度达到每秒2.5亿次浮点运算。2008年，全球第一台突破每秒运算1 000万亿次浮点运算的超级计算机由IBM研制成功，并命名为走鹃，如图1.31所示。

图1.30 世界上首台超级计算机CDC 6600

图1.31 IBM走鹃

2019年11月，国际超级计算机大会公布了超级计算机500强的最新榜单，美国橡树岭国家实验室的顶点（Summit）以每秒14.86亿亿次的浮点运算速度位列榜首，如图1.32所示。排名第二的超级计算机是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的山脊（Sierra），如图1.33所示。中国超级计算机神威·太湖之光、天河二号和美国得克萨斯高级计算中心的超级计算机Frontera分别位列榜单第三至第五，如图1.34～图1.36所示。

图1.32 超级计算机顶点

图1.33 超级计算机山脊

图1.34 超级计算机神威·太湖之光

图1.35 超级计算机天河二号

图1.36 超级计算机Frontera

中国则继续扩大数量上的领先优势，在总算力上与美国的差距进一步缩小。本次榜单显示，中国境内有228台超级计算机上榜，在上榜数量上蝉联第一，比半年前增加9台。美国以117台位列第二，日本、法国、德国、荷兰、爱尔兰、英国等也分别有两位数的超级计算机入围本次500强榜单。

1.3.4 摩尔定律

1965年4月，Intel公司创始人之一戈登·摩尔在Electronics Magazine上发表了一篇名为“让集成电路填满更多的组件”的评论报告。摩尔对未来10年间的半导体元件工业的发展趋势作出预言。据他推算，到1975年，在面积仅为四分之一平方英寸（即161.29平方毫米）的单块硅芯片上，将有可能密集65 000个元件。摩尔根据器件的复杂性（电路密度提高而价格降低）和时间之间的线性关系做出了上述推断，他的原话是这样的：“最低元件价格下的复杂性每年大约增加一倍。可以确信，短期内这一增长率会继续保持。即便不是有所加快的话。而在更长时期内的增长率应是略有波动，尽管没有充分的理由来证明，这一增长率至少在未来10年内几乎维持为一个常数。”这就是摩尔定律（Moore’s Law）的最初原型。1975年，摩尔在提交到IEEE会议的论文中对摩尔定律的内容做出了部分修改，将原来的每年增加一倍改为每两年增加一倍。

其实摩尔的发现不基于任何特定的科学或工程理论，它只是对真实情况的总结。硅芯片行业注意到了这个定律，并且没有简单地把它当作一个描述的、预言性质的观察，而是作为一个说明性的、重要的规则，这成为整个行业努力的目标。摩尔当初预测这个假设只能维持10年左右的时间。然而，芯片制造技术的进步让摩尔定律已经持续了近50年。2016年2月，一篇刊登在全球著名学术杂志Nature上的文章指出，即将出版的国际半导体技术路线图将不再以摩尔定律为目标，而是采取一种叫作“新摩尔”的方法。这意味着摩尔定律在芯片行业近50年来创造的神话终究还是被打破了。