1.5 扩展知识

1.5.1 计算机的产生与发展

计算机是一种随着生产的发展而发展起来的高科技产品。计算机技术是信息技术的基础，在人类生活中起着极其重要的作用。

1．计算机的产生与发展过程

世界上第一台计算机是1946年2月由美国的宾夕法尼亚大学研制成功的，该机命名为ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），意思是“电子数值积分计算机”。这台计算机共用了18 000个电子管，1500多个继电器，重量达30t，占地170m2，耗电150kW，运算速度为5000次/s加、减运算。它的诞生在人类文明史上具有划时代的意义，从此开辟了人类使用电子计算工具的新纪元。随着电子技术的不断发展，计算机先后以电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路为主要元器件，共经历了四代的变革，见表1.1。每一代的变革在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。

目前使用的计算机都属于第四代计算机。从20世纪80年代开始，发达国家开始研制第五代计算机，研究的目标是能够打破以往计算机固有的体系结构，使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向高级智能化发展，实现接近人的思考方式。

ENIAC虽是世界上的第一台电子计算机，但它却不具备现代计算机的“存储程序”的特点。1946年6月，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼成功地设计了一台“存储程序”式计算机EDVAC（埃德瓦克），即离散变量自动电子计算机（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。该结构的计算机被后人普遍接受，并将此结构的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。人们把在1946年之前的计算机称为近代计算机，而把1946年后的计算机称为现代计算机。现代计算机已经进入微型化和网络时代。

冯·诺依曼结构计算机工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”，并具有以下三个特点：

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成；

（2）程序和数据均存放在存储器中，并能自动依次执行指令；

（3）所有的数据和程序均用二进制的0、1代码表示。

2．计算机的发展趋势

目前，科学家们正在使计算机朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多功能化的方向发展。巨型计算机的研制、开发和利用，代表着一个国家的经济实力和科学水平；微型计算机的研制、开发和广泛应用，则标志着一个国家科学普及的程度。

（1）向两极化方向发展：巨型化和微型化

巨型化是指要研制运算速度极高、存储容量极大、整体功能极强，以及外设完备的计算机系统（巨型计算机），巨型计算机主要用于尖端科学技术及军事国防系统；而微型化是随着大规模集成电路技术的不断发展和微处理器芯片的产生，以及进一步扩大计算机的应用领域而研制的高性价比的通用微型计算机，这种微型计算机操作简单，使用方便，所配软件丰富。

（2）智能化是未来计算机发展的总趋势

智能化就是要求计算机能够模拟人的逻辑思维功能和感官，能够自动识别文本、声音、图形/图像等多媒体信息，具有逻辑推理和判断功能。其中最具代表性的领域是专家系统和智能机器人。

（3）非冯·诺依曼体系结构是提高现代计算机性能的另一个研究焦点

我们都知道，冯·诺依曼体系结构计算机工作原理的核心是存储程序和程序控制，整个计算机的工作都是在程序设计人员设计的程序的控制下工作的，计算机不具备智能功能。因此，要想真正实现计算机的智能化，就必须打破目前的冯·诺依曼体系结构，研制新型的非冯·诺依曼体系结构计算机。

（4）多媒体计算机仍然是计算机研究和开发的热点

多媒体技术是集文字、声音、图形、图像和计算机于一体的综合技术。它以计算机技术为基础，包括数字化信息技术、音频视频技术、图像技术、通信技术、人工智能技术、模式识别技术等，是一门多学科多领域的高新技术。多媒体技术虽然已经取得很大的发展，但高质量的多媒体设备和相关技术需要进一步研制，主要包括视频数据的压缩、解压缩技术，多媒体数据的通信，以及各种接口的实现方案等。因此，多媒体计算机仍然是计算机研究和开发的热点。

（5）网络化是今后计算机应用的主流

计算机网络技术是在计算机技术和通信技术的基础上发展起来的一种新型技术。所谓计算机网络就是用通信介质将分布在不同地点的多台具有独立功能的计算机（或终端设备）相互连接起来，并配以一定的网络软件，在网络通信协议的控制下，以实现资源共享和相互通信为目的的系统。目前世界上最大的计算机网络就是被广大用户所使用的Internet，俗称因特网。

1.5.2 计算机的特点

计算机技术是信息化社会的基础、信息技术的核心，这是由计算机的特点决定的。概括地说，电子计算机和过去的计算工具相比具有以下几个方面的特点。

1．运算速度快

计算机的运算速度是其他任何一种工具无法比拟的。现在一台微型计算机的运算速度可以达到每秒钟处理千万条指令。目前，世界上速度最快的巨型计算机的运算速度可达每秒数十万亿次以上。正是有了这样的运算速度，使得过去不可能完成的计算任务得到了解决，如天气预报、地震预报等。

2．计算精度高

计算机进行数值计算时所获得的精度可达到小数点后几十位、几百位甚至上万位。1981年日本筑波大学利用计算机计算π值，首次将π值精确到小数点后200万位。

3．具有超强的“记忆”能力和逻辑判断能力

“记忆”功能是指计算机能存储大量信息，供用户随时检索和查询。逻辑判断功能是指计算机不仅能够进行算术运算，还能进行逻辑运算、实践推理和证明。记忆功能、算术运算和逻辑判断功能相结合，使得计算机能模仿人类的智能活动，成为人类脑力延伸的重要工具，所以计算机又称为“电脑”。

4．能自动运行并支持人机交互

所谓自动运行就是人们把需要计算机处理的问题编成程序，存入计算机中，当发出运行指令后，计算机便在该程序控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。“人机交互”则是在人想要干预时，采用人机之间“一问一答”的形式，有针对性地解决问题。

1.5.3 计算机的应用范围

随着超大规模集成电路和计算机网络技术的迅速发展，微型计算机不断普及，信息资源日益丰富，使得计算机的应用渗透到社会的各个领域，如科学技术、国民经济、国防建设及家庭生活等。计算机的应用大致可分为如下几个领域。

1．科学计算

科学计算也称数值计算，是计算机应用最早的也是最成熟的应用领域。航天分机、人造卫星、宇宙飞船、原子反应堆、气象预报、大型桥梁、地震测级、地质勘探和机械设计等都离不开计算机的科学计算。如果没有计算机，如此巨大、繁多的计算单靠人类自身是绝对无法完成的。

2．过程检测与控制

过程控制也称实时控制，它在工业生产、国防建设和现代化战争中都有广泛的应用。在工业生产中，将计算机用来控制各种自动装置、自动仪表、生产过程等。例如：工业生产自动化方面的巡回检测、自动记录、监测报警、自动启停、自动调控等内容；交通运输方面的红绿灯控制、行车调度；国防建设中，如在导弹的发射中，实施控制其飞行的方向、速度、位置等。

3．信息处理

现代社会是信息化的社会。随着社会的不断进步，信息量也在急剧增加；现在，信息已和能源、物资一起构成人类社会活动的基本要素。计算机最广泛的应用就是信息处理，有关资料表明，世界上80%左右的计算机主要用于信息处理。信息处理的特点是处理的数据量较大，但不涉及复杂的数学运算；有大量的逻辑判断和输入输出，时间性较强，如生产管理、财务管理、人事管理、情报检索、办公自动化、票务管理等。

4．计算机辅助系统

当前用计算机辅助工作的系统越来越多，如计算机辅助设计（Computer Aided Design， CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）、计算机辅助测试（Computer Aided Testing，CAT）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）等。

5．人工智能

人工智能也称智能模拟，利用计算机来模拟人的神经系统，使计算机能够进行逻辑判断和逻辑思维。在人工智能领域中的应用有：模式识别、自动定理证明、自动程序设计、知识表示、机器学习、专家系统、自然语言理解、机器翻译、智能机器人等。

6．网络应用

计算机网络是微电子技术、计算机技术和现代通信技术的结合。计算机网络的建立不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家乃至全世界范围内的计算机与计算机之间的相互通信和各种硬件资源、软件资源和信息资源的共享。目前，世界各国都相继建立了自己的网络系统，并分别与Internet相连。我国已建和在建信息网络共有9个，并先后启动了政府上网和企业上网工程。网络技术的发展和应用已成为人们谈论的热门话题。

1.5.4 计算机的分类

计算机的分类方法较多，从计算机处理数据的方式可以分为数字计算机（Digital Computer）、模拟计算机（Analog Computer）和混合计算机（Hybrid Computer），但目前所使用的计算机一般均为数字计算机；按计算机的使用范围不同可分为通用计算机（General Purpose Computer）和专用计算机（Special Purpose Computer）。

1．按计算机的规模和处理能力分类

当前沿用较多的是“电气电子工程师学会”（IEEE）于1999年提出的一种分类方法，将计算机分为个人计算机、工作站、小型计算机、主机、小巨型计算机和巨型计算机六类。

（1） 个人计算机（Personal Computer，PC）：即面向个人或家庭使用的低档微型计算机，主要包括台式微型计算机、便携式计算机、掌上个人计算机、单片机等。

（2）工作站（Work Station，WS）：工作站是介于PC和小型机之间的高档微型计算机。一般采用高档微型计算机作为核心，专门用于处理某些特殊事物的一种独立的计算机类型，如苹果图形处理工作站。

（3）小型计算机（Minicomputer）：这种计算机结构简单、价格较低、管理维护容易、使用方便，深受中、小企业欢迎。

（4）主机（Mainframe）：也称大型主机，相当于国内常说的大型机和中型机。这类计算机一般具有较大的内、外存存储容量、多种类型的I/O通道、支持批处理系统和分时处理系统等多种工作方式。

（5）小巨型计算机（Minisuper Computer）：也称桌上型超级计算机。它是在巨型机的基础上，在力求保持或略微降低巨型机性能的条件下开发的一种性价比较高的计算机，即巨型机的小型化。这种计算机在技术上采用高性能的微处理器组成并行处理器系统。

（6）巨型计算机（Super Computer）：也称超级计算机，是计算机家族中价格最高、速度最快、存储容量和体积最大、功能最强的一类计算机，主要应用于国家高科技领域和国防尖端技术领域。巨型机一般采用多处理器结构和大规模并行处理技术，我国分别在1983年、1992年和1997年研制成功的银河Ⅰ、银河Ⅱ、银河Ⅲ计算机即为三个不同档次的巨型计算机。

2．现代计算机的分类

根据当前计算机的使用情况，可以把计算机分为服务器、工作站、台式机、便携机和手持机五大类。

（1）服务器：服务器主要分为网络服务器、打印服务器、磁盘服务器和文件服务器等几种。服务器有容量很大的存储器和快速的输入/输出通道，具有功能强大的处理能力和连网能力。通常它的处理器采用高端微处理器芯片，例如使用64位的Alpha芯片的UNIX服务器，以及使用一个、两个、四个或者更多P4至强芯片的NT服务器。

（2）工作站：工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能及连网功能。

（3）台式机：台式机就是通常所说的微型计算机，由主机箱、CRT或LCD显示器、键盘、鼠标等设备组成，也称桌面机。由于厂家通过不同的配置以适应不同的用户，台式机又分为商用微型计算机、家用微型计算机和多媒体微型计算机，其实它们并没有本质的区别。

（4）便携机：也称笔记本电脑，如图1.34所示。它的功能与台式机不相上下，其特点是体积小、重量轻，价格却比台式机高许多。它就像一个笔记本，打开后，一面是LCD液晶显示器，另一面则是键盘和当做鼠标使用的触摸板或轨迹球等。

（5）手持机：又称掌上电脑或亚笔记本，比笔记本更小、更轻，如图1.35所示。