1.2 计算机概述

1.2.1 计算机发展简史

电子计算机简称计算机，俗称电脑，是20世纪人类最伟大、最卓越的技术发明之一，它给人类带来了一种新的文化、新的工作和生活方式。

世界公认的第一台计算机是1946年2月15日由美国宾夕法尼亚大学研制的，名为“埃尼阿克”（英文缩写为ENIAC，即Electronic Numerical Integrator and Calculator，中文意思是电子数字积分器和计算器）。它是为了满足美国奥伯丁武器试验场计算弹道需要而研制的。其主要发明人是电气工程师普雷斯波·埃克特（J. Prespen Eckert）和物理学家约翰·莫奇利（John W. Mauchly）。它的问世具有划时代的意义，表明了计算机时代的到来，在以后的半个多世纪里，计算机技术发展异常迅速。根据计算机所采用的物理器件，一般将其发展分成以下四个阶段。

1. 第一代计算机（1946—1957年）

第一代计算机采用电子管作为其主要构成器件，主要用于军事领域和科学计算。

2. 第二代计算机（1958—1964年）

第二代计算机采用晶体管作为其主要构成器件，与第一代计算机相比，其体积、成本有了较大的降低，功能、可靠性等有了较大的提高，应用范围扩大到数据处理、事务管理和工程设计等方面。

3. 第三代计算机（1965—1971年）

第三代计算机是随固体物理技术的发展、集成电路的出现而诞生的，它采用了中、小规模集成电路，运算速度每秒可达几十万次到几百万次，存储器进一步发展，体积更小、成本更低。同时，计算机开始向标准化、多样化、通用化和系列化发展，软件方面形成了三个独立的系统：操作系统、编辑系统和应用系统。

4. 第四代计算机（1972年至今）

第四代计算机的主要特征是采用大规模、超大规模集成电路为计算机的主要功能元件。其特点是微型化，耗电极少，运算速度更快，可靠性更高，成本更低。在这一时期，出现了微处理器，产生了微型计算机（现在也称PC），使人类社会进入了计算机普及的新纪元。

1.2.2 计算机的分类

计算机种类很多，可以从不同的角度对计算机进行分类。

传统的分类方法有以下几种：按照计算机原理分类，可分为数字式计算机、模拟式计算机和混合式计算机；按照计算机用途分类，可分为通用计算机和专用计算机；按照计算机性能分类，可分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机六大类。

本书从发展的角度借助硬件对计算机进行重新分类，分为服务器、工作站、台式机、笔记本电脑和手持设备五大类。

1. 服务器

服务器的英文名为Server，专指某些高性能计算机，能通过网络对外提供服务。相对于普通计算机来说，其稳定性、安全性、性能等方面都要求更高，因此在CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件方面和普通计算机有所不同。服务器是网络的节点，存储、处理网络上80%的数据和信息，在网络中起到举足轻重的作用。它们是为客户端计算机提供各种服务的高性能计算机，其高性能主要表现在高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。服务器的构成与普通计算机类似，也有处理器、硬盘、内存、系统总线等，但因为它是针对具体的网络应用特别定制的，因而服务器与普通计算机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性和可管理性等方面存在的差异很大。

2. 工作站

工作站的英文名为Workstation，是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。工作站属于一种高档的计算机，一般拥有较大屏幕的显示器和大容量的内存和硬盘，也拥有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。

3. 台式机

台式机的英文名为Desktop，也叫桌面机，为现在非常流行的微型计算机，多数人家里和公司用的机器都是台式机。台式机的性能相较笔记本电脑要强。

4. 笔记本电脑

笔记本电脑的英文名为Notebook Computer（简称NB）或Laptop，也称手提电脑或膝上型电脑（中国港台地区则称之为笔记型电脑），是一种小型、可携带的个人计算机，通常重1～3千克。它和台式机架构类似，但是提供了更好的便携性，包括液晶显示器、较小的体积、较轻的重量。笔记本电脑除了键盘外，还提供了触控板（TouchPad）或触控点（Pointing Stick），提供了更好的定位和输入功能。笔记本电脑大体上可以分为4类：商务型、时尚型、多媒体应用型和特殊用途型。商务型笔记本电脑的特点一般可以概括为移动性强、电池续航时间长、商务软件多；时尚型笔记本电脑的外观主要针对时尚女性；多媒体应用型笔记本电脑则有较强的图形、图像处理能力和多媒体处理能力，尤其是播放能力，为享受型产品，而且，多媒体应用型笔记本电脑多拥有较为强劲的独立显卡和声卡（均支持高清），并有较大的屏幕；特殊用途型笔记本电脑是服务于专业人士，可以在酷暑、严寒、低气压、战争等恶劣环境下使用的机型，有的较笨重，如奥运会前期在“华硕珠峰大本营IT服务区”使用的华硕笔记本电脑。

5. 手持设备

手持设备的英文名为Handheld Device，种类较多，如PDA、SmartPhone（智能手机）、掌上型计算机等，它们的特点是体积小。随着4G、5G时代的到来，手持设备将会获得更大的发展，其功能也会越来越强。

1.2.3 计算机的特点

作为20世纪人类最伟大的创造发明之一，计算机已成为当今社会各行各业不可缺少的工具。计算机有许多特点，概括起来主要有以下几个。

1. 自动运行程序

计算机能在程序控制下自动连续地高速运行。由于采用“存储程序”控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，启动计算机后，就能自动地执行下去直至完成任务。这是计算机最突出的特点。

2. 运算速度快

计算机能以极快的速度进行运算。现在普通的微型计算机每秒可执行几十万条指令，而巨型机则达到每秒几十亿次甚至几百亿次。随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需很短的时间就可以完成。

3. 运算精度高

电子计算机具有以往计算机无法比拟的计算精度，目前已达到小数点后上亿位的精度。

4. 具有逻辑判断和记忆能力

计算机借助于逻辑运算，可以进行逻辑判断，并能根据判断结果自动地确定下一步该做什么。计算机的存储系统由内存和外存组成，具有存储即“记忆”大量信息的能力，现代计算机的内存容量已达到几十亿字节，而外存也有惊人的容量。计算机具有的逻辑判断能力可以使其进行诸如资料分类、情报检索等具有逻辑加工性质的工作。

5. 可靠性高

随着微电子技术和计算机技术的发展，现代电子计算机连续无故障运行时间可达到几十万小时以上，具有极高的可靠性。例如，安装在宇宙飞船上的计算机可以连续几年时间可靠地运行。计算机应用在管理中也具有很高的可靠性，而人却很容易因疲劳而出错。另外，计算机对于不同的问题，只是执行的程序不同，因而具有很强的稳定性和通用性。用同一台计算机能解决各种问题，应用于不同的领域。

微型计算机除了具有上述特点外，还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易操作、功能强、使用灵活、价格便宜等特点。由于计算机的这些特点，随着经济社会的发展，计算机的用途越来越广，深入到社会生活的各个方面。

1.2.4 计算机的性能指标

判断一台计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。对于大多数普通用户来说，可以从以下几个方面来大致评价一台计算机的性能强弱。

1. 运算速度

运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”（MIPS, Million Instruction Per Second）来描述。同一台计算机，执行不同的运算所需的时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同的方法。常用的有CPU时钟频率（主频）、每秒平均执行指令数（IPS）等。微型计算机一般采用主频来描述运算速度，例如，Core i3 550 3.2GHz的主频为3.2GHz，Intel Core i5 7400四核主频为3.0GHz，Intel i7 8700K盒装CPU酷睿六核处理器主频为3.7GHz。一般来说，在核心数、缓存等其他参数相同或相近的情况下，主频越高，其运算速度就越快。

2. 字长

一般来说，计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为计算机的一个“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大，计算机处理数据的速度就越快。早期的微型计算机的字长一般是8位或16位，后来Intel Pentium系列的CPU字长为32位。当前CPU字长大多为64位。

3. 内部存储器的容量

内部存储器简称内存或主存，是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在内存中的。内部存储器容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力。随着操作系统的升级、应用软件的不断丰富及其功能的不断扩展，人们对计算机内存容量的需求也不断提高。目前，运行Windows 7、Windows 10需要2GB以上的内存容量。内存容量越大，系统功能就越强大，数据处理速度也就越快。

4. 外部存储器的容量

外部存储器的容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外部存储器的容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件也就越丰富。目前，硬盘容量一般为500GB～3TB，固态硬盘一般在120GB到256GB。

除了上述这些主要性能指标外，微型计算机还有其他一些指标，例如，所配置外围设备的性能指标以及所配置系统软件的情况等。另外，各项指标之间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应该把它们综合起来考虑，而且还要遵循“性能价格比”的原则。

1.2.5 计算机的发展趋势

1. 巨型化

巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。目前正在研制的巨型计算机的运算速度每秒可达百万亿次，甚至每秒千万亿次。

2. 微型化

微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。计算机体积上的优势使人们可以方便地将它们带到任何地方，再以后，它们甚至可以缩小到内置在人们的衣服中或者皮肤里。

3. 网络化

随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，人们一方面希望众多用户能共享信息资源，另一方面也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，已在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。

4. 智能化

智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。目前已研制出的机器人可以代替人从事危险环境的劳动，又如运算速度为每秒约十亿次的“深蓝”计算机曾在1997年战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。

展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。第一台超高速全光数字计算机，已由欧盟的英国、法国、德国、意大利和比利时等国的70多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算速度比电子计算机快1000倍。在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机等全新的计算机也会诞生。届时计算机将发展到一个更高、更先进的水平。