1.1 计算机的发展和应用

1.1.1 计算机的发展

电子数字计算机（Electronic Numerical Computer）是一种能自动、高速、精确地进行信息处理的电子设备，是20世纪最重大的发明之一。在计算机家族中包括了机械计算机、电动计算机、电子计算机等。电子计算机又可分为电子模拟计算机和电子数字计算机，通常我们所说的计算机就是指电子数字计算机，它是现代科学技术发展的结晶，特别是微电子、光电、通信等技术的进步，以及计算数学、控制理论的迅速发展带动了计算机不断更新。自1946年第一台电子数字计算机诞生以来，计算机发展十分迅速，已经从开始的高科技军事应用渗透到了人类社会的各个领域，对人类社会的发展产生了极其深刻的影响。

1.电子计算机的产生

1943年，美国为了解决新武器研制中的弹道计算问题而组织科技人员开始了电子数字计算机的研究。1946年2月，电子数字积分器和计算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它是世界上第一台电子数字计算机，如图1.1所示。这台计算机共使用了18000多只电子管、1500个继电器，耗电150kW，占地面积约为167m2，重30t，每秒钟能完成50000次加法或400次乘法运算。

图1.1 ENIAC计算机

与此同时，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（Von.Neumann）也在为美国军方研制电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）。在EDVAC中，冯·诺依曼采用了二进制数，并创立了“存储程序”的设计思想，EDVAC也被认为是现代计算机的原型。

2.电子计算机的发展

自1946年以来，计算机已经经历了几次重大的技术革命，按所采用的电子元器件可将计算机的发展划分为以下几代。

第一代计算机（1946—1958年）的主要特点是：逻辑元件采用电子管，功耗大，易损坏；主存储器采用汞延迟线或静电储存管，容量很小；外存储器使用了磁鼓；输入/输出装置主要采用穿孔卡；采用机器语言编程，即用“0”和“1”来表示指令和数据；运算速度每秒仅为数千至数万次。

第二代计算机（1958—1964年）的主要特点是：逻辑元件采用晶体管，与电子管相比，其体积小、耗电省、速度快、价格低、寿命长；主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘、磁带，存储器容量有较大提高；软件方面产生了监控程序（Monitor），提出了操作系统的概念，编程语言有了很大的发展，先用汇编语言（Assemble Language）代替了机器语言，接着又发展了高级编程语言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；计算机应用开始进入实时过程控制和数据处理领域，运算速度达到每秒数百万次。

第三代计算机（1964—1970年）的主要特点是：逻辑元件采用集成电路（Integrated Circuit，IC），它的体积更小，耗电更省，寿命更长；主存储器以磁芯为主，开始使用半导体存储器，存储容量大幅度提高；系统软件与应用软件迅速发展，出现了分时操作系统和会话式语言；在程序设计中采用了结构化、模块化的设计方法，运算速度达到每秒千万次以上。

第四代计算机（1970年至今）的主要特点是：采用了超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI），主存储器采用半导体存储器，容量已达第三代计算机的辅存水平，作为外存的软盘和硬盘的容量成百倍增加，并开始使用光盘：输入设备出现了光字符阅读器、触摸输入设备、语音输入设备等，使操作更加简洁灵活，输出设备已逐步转到了以激光打印机为主，使得字符和图形输出更加逼真、高效。

新一代计算机（Future Generation Computer Systems，FGCS），即未来计算机的目标是使其具有智能特性，具有知识表达和推理能力，能模拟人的分析、决策、计划和其他智能活动，具有人机自然通信能力，并称其为知识信息处理系统。现在已经开始了对神经网络计算机、生物计算机等的研究，并取得了可喜的进展。特别是生物计算机的研究表明，以蛋白分子为主要原材料的生物芯片的处理速度比现今最快的计算机的速度还要快100万倍，而能量消耗仅为现代计算机的10亿分之一。

在计算机的发展史上，涌现了许多著名的人物。查尔斯·巴贝奇（1791—1871），英国数学家，在近代计算机发展中，查尔斯·巴贝奇起着奠基的作用。他的主要贡献有：①1822年设计了“差分机”；②1834年设计了“分析机”（以上两种机器均用蒸汽机作为动力）；③在他的分析机中已经具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构思。当时他还提出了“条件转移”的思想。这些构思，已成为今天计算机硬件系统组成的基本框架。霍华德·艾肯（1900—1973），美国人，1936年他提出用机电方法而不是纯机械方法来实现巴贝奇分析机的想法，1944年他成功地制造了Mark2计算机，使巴贝奇的梦想变成了现实。阿伦·图灵（1912—1954），英国数学家，他为计算机的诞生奠定了理论基础，1936年提出了计算机的抽象理论模型，发展了可计算性理论。以他名字命名的图灵奖也是当前计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。约翰·冯·诺依曼（1903—1957），美籍匈牙利人，经济学家、物理学家、数学家、发明家，“现代电子计算机之父”，他制定的计算机工作原理直到现在还被各种计算机使用着。

3.微型计算机的发展

微型计算机指的是个人计算机（Personal Computer，PC），简称微机。其主要特点是采用微处理器（CPU，又称中央处理器）作为计算机的核心部件，并由大规模、超大规模集成电路构成。

微型计算机的升级换代主要有两个标志，微处理器的更新和系统组成的变革。微处理器从诞生的那一天起发展方向就是：更高的频率，更小的制造工艺，更大的高速缓存。随着微处理器的不断发展，微型计算机的发展大致可分为以下几代。

第一代（1971—1973年）是4位和低档8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel 4004/8008。集成度为2000晶体管/片，时钟频率为1MHz。

第二代（1974—1977年）是8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel公司的Intel 8080、Motorola公司的MC6800、Zilog公司的Z80等。集成度为5000晶体管/片，时钟频率为2MHz。同时，指令系统得到完善，形成典型的体系结构，具备中断、DMA等控制功能。

第三代（1978—1984年）是16位微处理器时代。典型微处理器产品是Intel公司的Intel 8086/8088/80286、Motorola公司的MC68000、Zilog公司的Z80000等。集成度为25万晶体管/片，时钟频率为5MHz。微机的各种能性指标达到或超过中、低档小型机的水平。

第四代（1985—1992年）是32位微处理器时代。集成度已达到100万晶体管/片，时钟频率达到60MHz以上。典型32位CPU产品有Intel公司的Intel 80386/80486、Motorola公司的MC68020/68040、IBM公司和Apple公司的Power PC等。

第五代（1993年至今）是64位奔腾（Pentium）系列微处理器的时代，典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。它们的内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（Multi Media eXtension）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化、智能化等方面跨上了更高的台阶，目前已向双核和多核处理器发展。

4.发展趋势

目前计算机的发展趋势主要有如下几个方面。

（1）多极化

今天包括电子词典、掌上电脑、笔记本电脑等在内的微型计算机在我们的生活中已经是处处可见，同时大型、巨型计算机也得到了快速的发展。特别是在VLSI的技术基础上的多处理机技术使计算机的整体运算速度与处理能力得到了极大的提高。图1.2所示为我国自行研制的面向网格的曙光5000A高性能计算机，每秒运算速度最高可达230万亿次，标志着我国的高性能计算技术已经迈入世界前列。

除了向微型化和巨型化发展之外，中小型计算机也各有自己的应用领域和发展空间。特别在注意运算速度提高的同时，提倡功耗小、对环境污染小的绿色计算机和提倡综合应用的多媒体计算机已经被广泛应用，多极化的计算机家族还在迅速发展中。

图1.2 曙光5000A高性能计算机

（2）网络化

网络化就是通过通信线路将一定地域内不同地点的计算机连接起来形成一个更大的计算机网络系统。计算机网络的出现只有40多年的历史，但已成为影响到人们日常生活的应用热潮，是计算机发展的一个主要趋势。

（3）多媒体化

媒体可以理解为存储和传输信息的载体，文本、声音、图像等都是常见的信息载体。过去的计算机只能处理数值信息和字符信息，即单一的文本媒体。近几年发展起来的多媒体计算机则集多种媒体信息的处理功能于一身，实现了图、文、声、像等各种信息的收集、存储、传输和编辑处理，被认为是信息处理领域在20世纪90年代出现的又一次革命。

（4）智能化

智能化虽然是未来新一代计算机的重要特征之一，但现在已经能看到它的许多踪影，比如能自动接收和识别指纹的门控装置，能听从主人语音指示的车辆驾驶系统等。让计算机具有人的某些智能将是计算机发展过程中的下一个重要目标。