基础知识

一、计算机的发展

电子计算机（俗称电脑）的诞生及其快速发展，给人们的生产生活带来了革命性的改变。自1946年世界上第一台电子计算机在美国问世至今不过半个多世纪，可现在人们已很难想象没有计算机和网络的生活会是怎样的。

高性能的计算机与人们生活的关系到底有多密切呢？从应用的角度看，计算机的应用是潮流，更是财富。以日本和韩国的造船业为例，由于采用先进的计算机技术，这两个国家的造船工人人数从十几万下降到2万多，年造船排水量近千万吨。而我国有30万造船工人，年造船排水量300万吨，仅排水量这一指标的劳动力产能就与韩国和日本相差数十倍。在当今时代，制造业仅拼人力是不行的，一定要靠计算机技术提高产业水平。

在谈到计算机的应用时总会提到普及率，这与计算机对社会的影响和贡献有什么必然的联系吗？答案是肯定的。根据中国互联网络信息中心（China Internet Network Information Center,CNNIC）最新发布的《第34次中国互联网络发展状况统计报告》，截至2014年6月，我国网民规模达6.32亿，互联网普及率为46.9%，较2013年底提升了1.1个百分点，但与发达国家相比，仍有较大差距。从统计上来说，任何一项技术普及率到50%时，才可以说对社会经济生活产生巨大效益。在美国波音公司，飞机从设计到制造，全部是由计算机来完成的，整个过程看不到一张图纸，日本的造船也是如此，从船的设计到制造完全是无纸化的。

随着科技的发展，计算机对人们生活的影响无处不在，其外观亦发生了很大变化。未来计算机不仅具有非凡的记忆功能，而且具有判断能力，将真正成为人脑的延伸。但目前计算机的功能与人脑相比还相差很远。现代计算机虽然“智商”很高，具有人类无法比拟的计算速度，但“情商”很低。

人类所使用的计算工具随着生产力的发展和社会的进步，经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，相继出现了算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等计算工具。1946年，世界上第一台电子计算机（ENIAC）在美国诞生，如图1-1所示。这台计算机共用了18000只电子管，占地150 m2，总质量为30 t，功率140 kW，运算速度为每秒能进行5000次加法。2008年，世界第一台每秒运算速度达千万亿次的超级计算机诞生。

电子计算机在短短的50多年里经过了电子管、晶体管、集成电路（Integrated Circuit,IC）、大规模（Large Scale Integration,LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration,VLSI）四个阶段的发展，使计算机的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越低，应用越来越广泛，目前正朝智能化（第五代）计算机方向发展。下面首先了解一下计算机的发展历程及分类。

1.计算机的发展历程

第一代计算机——电子管计算机（1946—1958年）。这一阶段的计算机体积较大，运算速度较低，存储容量不大，而且价格昂贵，使用也不方便。在软件上，通常使用机器语言或汇编语言来编写程序。这一代计算机主要用于科学计算，只在重要部门或科学研究部门使用。

第二代计算机——晶体管计算机（1958—1965年）。这一阶段的计算机全部采用晶体管作为电子器件，其运算速度比第一代计算机的运算速度提高了近百倍，体积仅为电子管计算机的几十分之一。在软件方面开始使用计算机算法语言。这一代计算机不仅用于科学计算，而且用于数据处理和事务处理及工业控制。

第三代计算机——集成电路计算机（1965—1970年）。这一阶段的计算机的主要特征是以中、小规模集成电路为电子器件，并且出现操作系统，使计算机的功能越来越强，应用范围越来越广。它们不仅用于科学计算，而且用于文字处理、企业管理、自动控制等领域。同时，还出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统，它可用于生产管理、交通管理、情报检索等领域。

第四代计算机——大规模和超大规模集成电路计算机（1970年至今）。这一阶段的计算机采用大规模集成电路和超大规模集成电路为主要电子器件。例如80386微处理器，其面积仅为10 mm×10 mm，但可以集成约32万个晶体管。

第五代计算机——智能计算机。它是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它能进行数值计算或处理一般的信息，主要面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人-机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图像交换信息。第五代计算机又称新一代计算机，是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上一次重要的变革。

微型计算机是计算机的一个重要分支。1971年，世界上第一个微处理器芯片4004诞生于美国。从那时起，短短的时间，微型计算机已经历了五个阶段。

第一代微型计算机（1971—1973年）——该阶段的微处理器有4004、4040、8008。1971年Intel公司研制出MCS-4微型计算机（CPU为4040，四位机）。后来又推出以8008为核心的MCS-8型。

第二代微型计算机（1973—1977年）——微型计算机的发展和改进阶段。该阶段的微处理器有8080、8085、M6800、Z80。初期产品有Intel公司的MCS-80型（CPU为8080，八位机）；后期有TRS-80型（CPU为Z80）和APPLE-II型（CPU为6502），该机型在20世纪80年代初期曾一度风靡世界。

第三代微型计算机（1978—1983年）——16位微型计算机的发展阶段。该阶段的微处理器有8086、8088、80186、80286、M68000、Z8000。代表产品为IBM-PC（CPU为8086）。本阶段的顶峰产品是APPLE公司的Macintosh（1984年）和IBM公司的PC/AT286（1986年）微型计算机。

第四代微型计算机（1983—1993年）——32位微型计算机的发展阶段。相继推出微处理器80386、80486。386、486微型计算机是初期产品。

第五代微型处理器（1993年至今）——64位微型计算机的发展阶段。1993年，Intel公司推出了Pentium或称P5（中文译名为“奔腾”）的微处理器，它具有64位的内部数据通道。目前CPU多为多核心处理器，如双核心、四核心、八核心处理器。

由此可见，微型计算机的性能主要取决于它的核心器件——微处理器（CPU）的性能。

2.计算机的种类

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。例如根据指令流和数据流来分类，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6大类。

① 超级计算机或称巨型机超级计算机通常是指计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。例如目前世界上运行最快的超级计算机为中国“天河二号”，其运算速度为每秒33.86千万亿次浮点运算。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”也属于巨型机，银河-Ⅰ为亿次机，银河-Ⅱ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，是指将巨型机缩小成个人机大小的计算机或者具有超级计算机性能的个人机。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。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。不过随着微型机与网络的迅速发展，大型主机正在走下坡路。如今许多计算中心的大型主机正在被高档微型机群取代。

④ 小型机。由于大型主机价格昂贵，操作复杂，只有大型企业或单位才能买得起。在集成电路发展推动下，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亦推出1000、3000系列等。通常小型机用于部门计算，同时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，例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，可根据所使用的微处理器的不同而分为若干类型：首先是使用Intel芯片386、486以及奔腾等的IBM PC及其兼容机；其次是使用 IBM、Apple、Motorola联合研制的 PowerPC 芯片的机器，苹果公司的 Macintosh有使用这种芯片的机器；最后，DEC公司推出了使用它自己的Alpha芯片的机器。

3.计算机的特点及应用

① 记忆能力强。在计算机中有容量很大的存储装置，它不仅可以长久地存储大量的文字、图形、图像、声音等信息资料，还可以存储指挥计算机工作的程序。

② 计算精度高与逻辑判断准确。它可完成人类无法完成的高精度控制或高速操作任务，具有可靠的判断能力，以实现计算机工作的自动化，从而保证计算机控制的判断可靠、反应迅速、控制灵敏。

③ 高速的处理能力。它具有神奇的运算速度，其速度已达到每秒上万亿次。例如，为了计算出圆周率π的精确值，一位数学家花了十几年的时间才算出小数点后707位，而如果用现代的计算机来计算，可能瞬间就能完成，同时可达到小数点后50000亿位。

④ 自动化程度高。计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，只要将编制好的应用程序输入计算机，计算机就能自动按照程序规定的步骤完成预定的处理任务。

4.计算机应用领域

计算机的应用非常广泛，并且还在不断向各个领域渗透，主要有以下5个方面。

（1）科学计算：科学计算机又称数值计算。它是计算机最早的应用领域。科学计算是指用计算机完成科学研究和技术工作中数学问题的计算。这类计算往往公式复杂、难度很大，用一般计算工具难以完成。例如，气象预报需要求解描述大气运动规律的微分方程，发射导弹需要计算导弹弹道曲线方程，水利土木工程中有大量的力学问题需要计算。有些科技问题计算方法并不复杂，但计算工作量太大，仅靠人工根本无法完成。例如证明每个平面地图只需四种颜色填色即可使相邻两国不出现同一颜色的“四色定理”，该问题在数学上长期不能得到证明，成为一大难题。因为若用人工证明需昼夜不停地计算十几万年，而使用高速电子计算机，这个问题就可轻而易举地解决。还有一类问题如用人工计算速度太慢，得到结果时已失去实际意义，如气象预报，只有采用计算机快速计算才能及时得到有意义的结果。

（2）数据处理：数据处理又称信息加工，是现代化管理的基础，包括对数据的记录、整理、加工、合并和分类统计等。数据处理在计算机应用中占有重要地位。

（3）过程控制：过程控制又称实时控制。其工作过程是选用传感器及时检测受控对象的数据，求出它们与设定数据的偏差，接着由计算机按控制模型进行计算，然后产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制或调节。从20世纪60年代起，过程控制就开始应用于冶金、机械、电力、石油、化工等部门。例如高炉炼铁，计算机用于控制投料、出铁出渣以及对原料和生铁成分的管理和控制，通过数据的采集和处理，过程对各工作操作的指导。过程控制是实现工业生产过程自动化的一个重要手段。

（4）计算机辅助技术：主要包括计算机辅助设计与制造、计算机集成制造系统和计算机辅助教育。

① 计算机辅助设计与制造，缩写为CAD（Computer Aided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）。它是将计算机的快速计算、逻辑判断等功能与人的经验和判断能力相结合，形成一个专业系统，用来帮助产品或各项工程的设计制造，使设计和制造过程实现半自动化或自动化。这不仅可以缩短设计周期，节省人力和物力，降低成本，而且可提高产品质量。目前，计算机辅助设计已广泛应用于飞机、船舶、汽车、建筑、服装等行业，主要包括两类，一类涉及外观形状设计，称为计算机辅助几何设计（Computer Aided Geometric Design,CAGD）；另一类主要应用于集成电路中的布线，称为计算机辅助逻辑设计（Computer Aided Logical Design,CALD）。

② 计算机集成制造系统，缩写为CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。它是集设计、制造、管理三大功能于一体的现代化工厂生产系统。CIMS是从20世纪80年代初期迅速发展起来的一种新型的生产模式，具有生产效率高、生产周期短等优点。

③ 计算机辅助教育，缩写为CBE（Computer-Based Education）。它包括计算机辅助教学（Computer Aided Instruction,CAI）和计算机管理教学（Computer-Managed Instruction,CMI）。在计算机辅助教学中，CAI课件系统所使用的教学软件，相当于传统教学中的教材，能实现远程教学、个别教学，并有自我检测、自动评分等功能，还可模拟实验过程，并通过画面直观展示给学生。它是现代化教育强有力的手段。

（5）人工智能，缩写为AI（Artificial Intelligence）。它是让计算机模拟人的某些智能行为。人的活动是一种高度复杂的智能活动，如联想记忆、模式识别、决策对弈、文艺创作、创造发明等，都是一些复杂的生理和心理活动过程。智能模拟是一门涉及许多学科的边缘学科。近30年来，围绕AI的应用主要表现在以下几个方面。

① 机器人。它可分为工业机器人和智能机器人。工业机器人存有事先编好的程序控制，通常用于完成重复性的规定操作；智能机器人具有感知和识别能力，能说话和回答问题。

② 专家系统。它是用于模拟专家智能的一类软件。需要时只需由用户输入要查询的问题和有关数据，专家系统通过推理判断为用户做出解答。

③ 模式识别。它的实质是抽取被识别对象的特征，即所谓模式，并与事先存储于计算机中的已知对象的特征进行比较与判别，主要通过识别函数和模式校对来实现。文字识别、声音识别、邮件自动分拣、指纹识别、机器人景物分析等都是模式识别的主要应用。

④ 智能检索。智能数据库和知识库中除存储经典数据库中的已知“事实”外，还存储推理和联想时用到的“规则”，因而智能检索具有一定的推理能力。