1.1 走进计算机世界

美国著名的未来学家阿尔温·托夫勒曾预言：“谁掌握了信息，控制了网络，谁就拥有了整个世界”。现在就让我们走进计算机的世界，学习计算机的基础知识，掌握计算机的基本操作技能。

知识要点

● 计算机发展历史

● 计算机分类

● 计算机主要应用领域

1.1.1 计算机发展历史

计算机于1946年问世，有人说是由于战争的需要而产生的，我们认为计算机产生的根本动力是人们为创造更多的物质财富，是为了把人的大脑延伸，让人的潜力得到更大的发展。正如汽车的发明是使人的双腿延伸一样，计算机的发明事实上是对人脑智力的继承和延伸。

计算机产生的动力是人们想发明一种能进行科学计算的机器，因此称为计算机。它一诞生，就立即成了先进生产力的代表，掀开自工业革命后的又一场新的科学技术革命。要追溯计算机的发明，可以由中国古时开始说起，古时人类发明算盘去处理一些数据，利用拨弄算珠的方法，人们无须进行心算，通过固定的口诀就可以将答案计算出来。这种被称为“计算与逻辑运算”的运作概念传入西方后，被美国人加以发扬光大。直到16世纪发明了一部可协助处理乘数等较为复杂数学算式的机械，被称为“棋盘计算器”，但这时期的计算机只属于纯计算的阶段。

而现代计算机的发明是20世纪40年代的事情，经过几十年的发展，它已经成为一门复杂的工程技术学科，它的应用从国防、科学计算，到家庭办公、教育娱乐，无所不在。

计算机的发展进程中经历了四个时代：电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模集成电路时代。

1．第1代电子管计算机（1945—1956）

在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。1944年霍华德·艾肯（1900—1973）研制出全电子计算器，为美国海军绘制弹道图。这台简称Mark I的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（3～5秒完成一次计算）并且适应性很差只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算又可以运算复杂的等式。

1946年2月14日标志现代计算机诞生的ENIAC（The Electronic Numerical Integrator And Computer）在费城公之于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，拥有并行计算能力（见图1-1）。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比Mark I快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机。

第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

20世纪40年代中期，冯·诺依曼（1903—1957）参加了宾夕法尼亚大学的小组，1945年设计电子离散可变自动计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），将程序和数据以相同的格式一起储存在存储器中。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，机器结构的关键部分是中央处理器，它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。

冯·诺依曼提出的通用计算机方案——EDVAC（埃德瓦克，即离散变量自动电子计算机）方案中包含了3个重要设计思想。

① 新机器由5个部分组成，包括运算器、逻辑控制装置、存储器、输入设备和输出设备。

② 采用二进制形式表示计算机的指令和数据。

③ 将程序和数据存放在存储器中，并让计算机自动地执行程序。这就是“存储程序”思想的基本含义。

冯·诺伊曼对EDVAC的设计方案成了计算机设计的主要依据，成为计算机设计制造历史上的一座里程碑。同时，他提出的“程序存储结构”理论一直沿用至今。

2．第2代晶体管计算机（1956—1963）

1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大的电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科学的大量 数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。

1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件，如打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBOL（Common Business-Oriented Language）和FORTRAN （Formula Translator）等语言，以单词、语句和数学公式代替了二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业，如程序员、分析员和计算机系统专家，与整个软件产业由此诞生。

3．第3代集成电路计算机（1964—1971）

虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。1958年德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路。集成电路能够将许多的单一元件集成到一片小小的硅片上。集成电路应用于计算机，使计算机的体积变得更小，功耗更低，速度更快。集成电路为现代计算机的产生铺平了道路。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

人们将集成电路分为中、小规模，大规模和超大型规模。第3代计算机的芯片属于中、小规模集成电路。

这个时期出现了里程碑式的计算机IBM-360。IBM公司同时在14个国家、全美63个城市宣告IBM-360系统研制成功，有大、中、小型计算机，共6个型号。它兼顾了科学计算和事务处理两方面的需要，各种计算机全都相互兼容，适用于各方面的用户。因为此计算机具有全方位的特点，正如罗盘有360°刻度一样，所以取名为360。IBM-360系统是最早使用集成电路元件的通用计算机系统，它开创了民用计算机使用集成电路的先例，从此计算机进入了集成电路时代（见图1-2）。IBM-360也成为了第3代计算机的里程碑。

4．第4代大规模集成电路计算机（1971至今）

出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了20世纪80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性 不断增强。基于“半导体”的发展，到了1972年，第一部真正的个人计算机诞生了。所使用的微处理器内包含了230个“晶体管”，可以一秒内执行60000个指令，体积也缩小很多。而世界各国也随着“半导体”及“晶体管”的发展去开拓计算机史上新的一页。

70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。

1981年，IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上到膝上到掌上。与IBM PC竞争的Apple Macintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。FACOMM-382计算机如图1-3所示。

ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管、晶体管、中、小规模集成电路及大规模、超大规模集成电路，促使计算机几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用等领域发挥了很大的作用。

1.1.2 计算机分类

计算机的种类很多，而且分类的方法也很多。有些分法是在专业人员中使用的，如我们用I代表“指令流”，用D代表“数据流”，用S表示“单”，用M表示“多”。于是就可以把系统分成：SISD、SIMD、MISD、MIMD共四种。

根据计算机分类的演变过程和近期可能的发展趋势，国外通常把计算机分为六大类。

（1）超级计算机或称巨型机。超级计算机通常是指最大、最快、最贵的计算机。如目前世界上运行最快的超级机速度为每秒1704亿次浮点运算。生产巨型机的公司有美国的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等。我国研制的银河机也属于巨型机，银河1号为亿次机，银河2号为10亿次机。

（2）小超级机或称小巨型机。小超级机又称桌上型超级计算机，它想使巨型机缩小到个人机的大小，或者使个人机具有超级计算机的性能。典型产品有美国Convex公司的C-1, C-2, C-3等；Alliant公司的FX系列等。

（3）大型主机。它包括我们通常所说的大、中型计算机。这是在微型机出现之前最主要的计算模式，即把大型主机放在计算中心的玻璃机房中，用户要上机就必须去计算中心的端上工作。大型主机经历了批处理阶段、分时处理阶段，进入了分散处理与集中管理的阶段。IBM公司一直在大型主机市场处于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生产大型主机。不过随着微机与网络的迅速发展，大型主机正在走下坡路。我们许多计算中心的大机器正在被高档微机群取代。

（4）小型机。由于大型主机价格昂贵，操作复杂，只有大企业大单位才能买得起。在集成电路推动下，20世纪60年代DEC推出一系列小型机，如PDP-11系列、VAX-11系列。HP有1000、3000系列等。通常小型机用于部门计算。同样它也受到高档微机的挑战。

（5）工作站。工作站与高档微机之间的界限并不十分明确，而且高性能工作站正接近小型机、甚至接近低端主机。但是，工作站毕竟有它明显的特征：使用大屏幕、高分辨率的显示器；有大容量的内外存储器，而且大都具有网络功能。它们的用途也比较特殊，如用于计算机辅助设计、图像处理、软件工程以及大型控制中心。

（6）个人计算机或称微型机。这是目前发展最快的领域。根据它所使用的微处理器芯片的不同而分为若干类型：首先是使用Intel芯片386、486以及奔腾等IBM PC及其兼容机；其次是使用IPM-Apple-Motorola联合研制的PowerPC芯片的机器，苹果公司的Macintosh已有使用这种芯片的机器；再次是DEC公司推出使用它自己的Alpha芯片的机器。

除此之外，还可以按处理方式和功能对计算机进行分类。

按处理方式分类可以把计算机分为模拟计算机、数字计算机和数字模拟混合计算机。模拟计算机主要用于处理模拟信息，如工业控制中的温度、压力等。模拟计算机的运算部件是一些电子电路，其运算速度极快，但精度不高，使用也不够方便。数字计算机采用二进制运算，其特点是解题精度高，便于存储信息，是通用性很强的计算工具，既能胜任科学计算和数字处理，也能进行过程控制和CAD/CAM等工作。混合计算机是取数字和模拟计算机之长，既能高速运算，又便于存储信息。但这类计算机造价昂贵。现在人们所使用的大都属于数字计算机。

按功能分类一般可分为专用计算机与通用计算机。专用计算机功能单一，可靠性高，结构简单，适应性差，但在特定用途下最有效、最经济、最快速，这些优点是其他计算机无法替代的。如军事系统、银行系统均属专用计算机。通用计算机功能齐全，适应性强，目前人们所使用的大都是通用计算机。

1.1.3 计算机主要应用领域

计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、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（或数值计算）

科学计算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。

例如，建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出一系列复杂方程，长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解。而计算机不但能求解这类方程，并且引起弹性理论上的一次突破，出现了有限单元法。

2．数据处理（或信息处理）

数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。

数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段。

（1）电子数据处理（Electronic Data Processing, EDP），它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。

（2）管理信息系统（Management Information System, MIS），它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。

（3）决策支持系统（Decision Support System, DSS），它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。

目前，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。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。

3．辅助技术（或计算机辅助设计与制造）

（1）计算机辅助技术（包括CAD、CAM和CAI等）

计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）

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。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。

（2）计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）

计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。它的实现将真正做到无人化工厂（或车间）。

（3）计算机辅助教学（Computer Aided Instruction, CAI）

计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循序渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。

4．过程控制（或实时控制）

过程控制是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。

例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。

5．人工智能（或智能模拟）

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。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。

6．网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。