1.3 基本概念

1.3.1 计算机的发展与应用

进入21世纪以来，计算机的发展非常迅速，其已经渗透到科学技术、国防事业、国民经济、工农业生产以及社会生活等各个领域，改变了人们的工作、学习以及生活的方方面面，成为目前信息社会不可缺少的一部分。

1.计算机的产生

1946年2月，世界上第一台通用的电子计算机—电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer,ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学由教授约翰·莫克利（John Mauchly）和他的研究生埃克特（John Presper Eckert）研制成功，ENIAC 共用了18000多个电子管组成，占地170平方米，总重量为30吨，耗电150千瓦，它的运算速度达到每秒能进行5000次加法、300次乘法，主要用于计算弹道轨迹及氢弹的研制，如图1-1所示。

在ENIAC研制过程中，美籍匈牙利人冯·诺依曼（John von Neumann）发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”，即EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。EDVAC方案明确了新机器由5个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这5部分的职能和相互关系。报告中，冯·诺依曼对 EDVAC 中的两大设计思想做了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。

（1）计算机中采用二进制。在计算机内，程序和数据均采用二进制代码表示。

（2）存储程序控制。程序和数据存放在存储器中，计算机执行程序时，能自动运行，并得到预期的结果。

冯·诺依曼被称为“计算机之父”，他的这些理论的提出，解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。现在使用的计算机，还是采用冯·诺依曼方式工作的。

根据冯诺依曼的原理，计算机是一种在存储的指令集控制下，接受输入、存储数据、处理数据并产生输出的电子设备。

2.计算机发展的几个阶段

从第一台计算机问世到现在已有60多年的时间，在这个过程中，科学技术的进步推动了计算机的快速发展，计算机的功能越来越强，体积越来越小，体格越来越低，应用范围越来越广。按其所采用的电子元器件来划分（电子元器件如图1-2、图1-3、图1-4所示），计算机的发展已经历了如表1-1所示的4个阶段。

从1970年开始，许多国家开始研制第五代智能计算机，这一代计算机将把信息存储、采集、处理、通信和人工智能密切结合在一起，能理解自然语言、声音、文字和图像，并具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构将突破传统的冯·诺依曼计算机的思想，实现高度的并行处理。

3.我国计算机的发展

1958年8月，我国第一台电子管计算机103机诞生，速度为2000次每秒。

1959年第一台大型通用电子计算机（104机）研制完成，其速度为10000次每秒。

1965年，我国成功研制了第一台大型晶体管计算机（109乙机），对109乙机加以改进，两年后又推出109丙机，为用户运行了15年，有效算题时间10万小时以上，在我国两弹试验中发挥了重要作用，被用户誉为“功勋机”。

我国到1970年初期才陆续推出大、中、小型采用集成电路的计算机。

1983年，国防科技大学研制出银河-Ⅰ亿次巨型计算机，它是我国高速计算机研制的一个重要里程碑。

1992年，国防科大研究成功银河-Ⅱ通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算（相当于每秒10亿次基本运算操作）。

1997—1999年，曙光公司先后在市场上推出具有机群结构的曙光1000A、曙光2000-I、曙光2000-Ⅱ超级服务器，峰值计算速度已突破每秒1000亿次浮点运算，机器规模已超过160个处理机，2000年推出每秒浮点运算速度3000亿次的曙光3000超级服务器。

2001年，中科院计算机所研制成功我国第一款通用CPU—“龙芯”,2002年曙光公司推出完全自主知识产权的“龙腾”服务器。

2004年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研发制造的曙光4000A实现了每秒10万亿次运算速度。

2008年，曙光5000A实现峰值速度230万亿次、Linpack值180万亿次，适用于各个领域的大规模科学工程计算、商务计算，还可以作为各种数据中心、云计算中心的支撑平台。

2010年9月，我国首台国产千万亿次超级计算机—“天河一号”的13排计算机柜全部安装到位，从9月开始进行系统调试与测试，并分步提交用户使用。

2013年6月17日，我国超级计算机运算速度重返世界之巅。国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度成为全球最快的超级计算机。

2014年6月23日，国际TOP500组织公布了最新的全球超级计算机500强排行榜，中国的“天河二号”超级计算机以比第二名美国“泰坦”超级计算机快近一倍的速度，连续第三次获得冠军。

4.计算机的发展趋势

当前计算机的发展趋势是向微型化、巨型化、网络化和智能化方向发展。

（1）微型化

20世纪70年代以来，由于大规模和超大规模集成电路的飞速发展，微处理器芯片的集成度越来越高，计算机的元器件越来越小，使得计算机的计算速度快，功能强，体积小，价格低，加上丰富的软件和外部设备，操作简单，微型计算机很快普及到社会各个领域并走进了千家万户，其中笔记本型、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。

（2）巨型化

巨型化是指计算机的运算速度更快，存储容量更大，功能更强。目前正在研制的巨型计算机运算速度可达每秒百亿次，甚至更高。巨型计算机主要用于尖端科学技术、军事国防系统、气象等领域的研究开发。巨型计算机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平。

（3）网络化

网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到广泛的应用。

（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。智能化是未来计算机发展的总趋势，将会代替人类某些方面的脑力劳动。

5.计算机的应用

计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着人们传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的主要应用领域如下。

（1）科学计算

科学计算一直是计算机应用的一个重要领域，主要是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的，利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。

（2）信息管理（数据处理）

信息管理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、检索等一系列工作。数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各行各业。

（3）实时控制

实时控制也称为过程控制，利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件，提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。

（4）计算机辅助技术

计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助技术（CAT）及计算机辅助教学（CAI）等。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工业等领域。

（5）电子商务

电子商务（Electronic Commerce）是指利用计算机技术、网络技术和远程通信技术，实现整个商务（买卖）过程中的电子化、数字化和网络化，主要为电子商户提供服务，实现消费者的网上购物、商户之间的网上交易和在线电子支付的新型商业模式。

（6）人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等，包括专家系统、模式识别、机器翻译、自动定理证明、自动程序设计、智能机器人、知识工程等。

（7）办公自动化

办公自动化（Office Automation,OA）是将现代化办公和计算机网络功能结合起来的一种新型的办公方式，主要表现为“无纸办公”，通过Internet平台，为企业员工提供信息的共享、交换、组织、传递、监控功能，提供协同工作的环境。办公自动化利用科学的管理方法，极大地提高办公效率和质量，提升管理和决策的科学化、自动化水平。

（8）家庭应用

随着不断的普及与推广，计算机已经走入千家万户，成为人们工作、娱乐、学习和通信必不可少的工具。人们可以在家中通过计算机浏览全世界的信息资源，通过邮件、QQ、BBS等方式和亲友联系，计算机游戏、多媒体娱乐丰富了人们的生活，通过远程学习可以接受更多的教育等。