第1篇　计算机基础知识篇

第1章　计算机概述

1.1　计算机的历史

1.1.1　电子计算机发展简史

计算机是20世纪人类最伟大的科学技术发明之一。这项发明对人类社会产生了极大的影响，为人们的工作和学习带来了许多方便，它正在改变着人们的生活，且已经成为现代文明的必然组成部分。计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。

第一台电子计算机叫“埃尼阿克”（ENIAC），它于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学诞生。承担开发任务的“莫尔小组”由4位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦和博克斯组成，总工程师埃克特当时只有24岁。这台计算机研制的初衷是将其用于二战，但直到二战结束一年后才完成。

ENIAC（电子数值积分计算机）的问世，标志着人类社会从此迈进了计算机时代的门槛。

现代电子计算机技术的飞速发展，离不开人类科技知识的积累，离不开许许多多热衷于此并呕心沥血的科学家的探索，正是这一代代的积累才构筑了今天的“信息大厦”。从下面这个按时间顺序展现的计算机发展简史，我们可以感受到科技发展的艰辛及科学技术的巨大推动力。

从1946年至今，电子计算机的发展经历了4代。计算机的发展史是根据核心部件（处理器）采用的电子元件类别来划分的，如图1-1-1至图1-1-4所示。

图1-1-1　ENIAC（埃尼阿克）计算机

图1-1-2　电子管

图1-1-3　电子管计算机

图1-1-4 　晶体管计算机

第一代：电子管计算机（1947—1957）

第一代计算机是以电子管为逻辑元件的。1996年是世界上第一台电子计算机问世50周年。在为此举行的纪念仪式上，美国副总统戈尔按动了这台被称为“埃尼亚克”（ENIAC）的计算机的电钮，计算机上的两排数码灯随即以准确的节奏闪烁到“46”这一数字，表示它诞生于1946年，然后又闪烁50下到“96”，标志计算机已经走过了不平凡的50年。这台计算机是个庞然大物，装有17468个电子管、7万个电阻器、1万个电容器和6000个开关，重达30t，占地面积160m2，耗电174kW，它工作时不得不对附近的居民区停止供电，制造费用45万美元（相当于现在的1200万美元）。然而，这个庞然大物的计算速度却只有每秒5000次，仅及当今一台普通个人计算机的几千分之一，而后者轻轻一提即可带走，售价低于2000美元。

第二代：晶体管计算机（1958—1964）

这一时期的电子计算机主要采用晶体管作为基本器件，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，价格也不断下降。计算机的应用范围已不仅局限在军事与尖端技术上，而且逐步扩大到气象、工程设计、数据处理及其他科学研究领域。

第三代：集成电路计算机（1964—1974）

这一时期的计算机采用集成电路作为核心部件。集成电路是将成百上千个晶体管集成到1块芯片上，电路板体积缩小，功能增强，运算速度加快。采用集成电路设计出的计算机，其运算速度达到百万次每秒。

这一时期的集成电路属于中小规模集成电路，1块芯片集成的晶体管数目为103~105个。

第四代：大规模集成电路计算机（1974至今）

在计算机的发展史上，20世纪70年代初问世的第四代计算机具有特殊重要的意义。对此，我们只要知道“微机”和“网络”是第四代计算机的产物就会一目了然了。第四代计算机是采用大规模集成电路制造的计算机，高度的集成化使得计算机的中央处理器和其他主要功能可以集中到同一块集成电路中，这就是人们常说的“微处理器”。第一台微处理器“4004芯片”于1971年由英特尔公司研制成功，这块集成了2300个晶体管的芯片的面积只有4.2×3.2mm2，其功能却已相当于1950年时像房子那么大的电路板。此后，微处理器的发展如同乘上了高速列车，每隔18个月，性能价格比就翻一番。

从计算机诞生以来的近60年中，组成计算机的核心电子器件，经历了由电子管到晶体管，由中小规模集成电路到及超大规模集成电路的变化，CPU芯片的集成度越来越高，使计算机成本不断下降、体积不断缩小、功能不断增强，特别是微型计算机的出现和发展，是计算机能普及的主要原因。

就在第四代计算机方兴未艾的时候，日本人在1992年提出了第五代计算机的概念，立即引起了广泛的关注。第五代计算机的特征是智能化的，具有某些与人的智能相类似的功能，可以理解人的语言，能思考问题，并具有逻辑推理的能力。严格地说来，只有第五代计算机才具有“脑”的特征，才能被称为“电脑”，不过到目前为止，智能计算机的研究虽然取得了某些成果，如发明了能模仿人的右脑工作的模糊计算机等，但从总体上看还没有突破性进展。

科学家预测，到21世纪初，一个微处理器可以集成110亿个晶体管，比现在提高100多倍，智能计算机将取得突破性进展，人类将迎来“智能时代”。再往后还将出现光计算机、超导计算机和生物计算机，届时人类社会的信息化进程又将出现质的飞跃。

1.1.2　我国计算机发展史中的里程碑事件

依靠自力更生精神，我国的计算机事业用50年时间，进入了世界少数能研制巨型机的国家行列。

1983年，由国防科技大学计算机研究所研制的我国第一台巨型机“银河Ⅰ型”，运行速度为1亿次每秒。

1993年，银河Ⅱ号巨型机研制成功，运行速度为10亿次每秒。

1995年，由中科院计算技术研究所研制的“曙光1000型”大型机通过鉴定，运算速度最高达到25亿次每秒。

2002年，我国第一块有自主知识产权的微处理器（CPU）芯片“龙芯1号”问世，如图1-1-5所示。同年，研制出速度达万亿次每秒的超级服务器机组。

2003年，“联想深腾6800”超级计算机以4.183万亿次每秒的峰值运算速度，居全球超级计算机500强的第14位。

2005年4月，64位CPU“龙芯2号”研制成功。

2008年11月，“曙光5000A”大型机通过鉴定，运算速度最高达到230亿次每秒。

2010年10月，由国防科技大学研制的“天河一号A”，如图1-1-6所示。其性能高达2.507千万亿次每秒，成为2010年度全球速度最快的超级计算机。

图1-1-5　龙芯1号CPU

图1-1-6　国产“天河一号A”超级计算