项目1 计算机基础知识

1.1 计算机的发展与展望

任务1 计算机是如何诞生的

一、任务描述

本任务讲述第一台电子计算机是如何诞生的。

二、相关知识与技能

概括地说，计算机就是用来计算的机器。从早期的手动计算到机械自动计算再到电动计算，人类对计算工具一直不懈地努力追求，直到研制出世界上第一台计算机ENIAC。计算机的高速发展推动了人类社会的进步，并对人类生活产生了极其重要的影响。

世界上第一台全自动电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Intergrator And Calculator，电子数字积分计算机)如图1-1所示。

三、知识拓展

1945年底，世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔电机学院被成功研制，人们于1946年2月15日举行了计算机的正式揭幕典礼。ENIAC是一个庞然大物。这台电子数字计算机重27 t，占地约为167 m2，并由17468个电子管组成，功率为150 kW。它每秒能进行加法运算5000次，乘法运算500次。这比当时已有的计算装置要快1000倍。

ENIAC的出现奠定了电子数字计算机的发展基础，并宣告了一个新的时代的开始，揭开了电子计算机的发展和应用的序幕。

四、探索与练习

(1)世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机是在哪里研制的？

(2)ENIAC诞生的背景是什么？

任务2 计算机的发展历程

一、任务描述

本任务讲述计算机在各个时期的发展情况及在各个时期所采用的主要电子元器件。

二、相关知识与技能

虽然ENIAC在功能上比不上现在最普通的一台微型计算机，且体积庞大、运算速度慢、耗电惊人、存储容量小，但在当时它的运算速度已经是最快的了，并且其运算精度和准度也是相当高的。

从ENIAC诞生至今，计算机以前所未有的速度飞速发展。人们通常习惯将计算机的发展历程分为“代”，然而对于“代”的划分并没有统一标准。在推动计算机发展的众多因素中，电子元器件的发展起着决定性的作用。计算机的主要元器件从电子管发展到晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。这使得计算机的体积减小，运算速度加快，耗电量大大减少。

三、知识拓展

按照主要元器件的发展阶段来划分，电子计算机的发展历程可划分为4代。

(1)第一代：电子管计算机 (1946—1958年)。

1946年2月15日，ENIAC的诞生是计算机发展史上的里程碑。1949年，第一台存储程序计算机——EDSAC在剑桥大学投入运行。ENIAC 和EDSAC 均属于第一代电子管计算机。

第一代电子计算机采用电子管作为计算机的逻辑组件，并且内存储器采用水银延迟线或者磁芯，外存储器使用纸带、卡片或磁带。因为其受电子器件的限制，所以运算速度仅能达到每秒几千次，且内存容量也只有几千字节。当时的计算机软件也处于发展初期，并且仅使用机器语言作为便携程序，直到20世纪50年代末才出现了汇编语言。

第一代计算机体积庞大、造价极高且故障率较高，因此当时仅应用于科学研究和军事研究领域。

(2)第二代：晶体管计算机 (1958—1964年)。

1957年，晶体管在计算机中使用。美国成功研制了全部使用晶体管的计算机，于是第二代计算机诞生了。

第二代计算机采用晶体管作为计算机的逻辑组件。其内存储器采用磁芯，且外存储器有磁盘、磁带等。其运算速度也有很大的提高，即扩大到每秒几十万次。在程序设计方面，影响最大的是FORTRAN语言，随后又出现了COBOL、ALGOL等高级语言。

与第一代计算机相比，由于晶体管的制造技术完全成熟，并已逐渐取代电子管，且晶体管体积小、重量轻、成本低、速度快、功耗小，因此以晶体管为主要器件的第二代计算机已成功应用于大学、军事和商用部门，并用于数据处理和事务处理。

(3)第三代：集成电路计算机 (1964—1971年)。

1958年德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路 (IC)，并将三种电子元件结合到一片小小的硅片上，以使更多的元件被集成到单一的半导体芯片上。1962年1月，IBM公司开始采用双极型集成电路。

第三代计算机采用小规模集成电路SSI (Small Scale Integration)和中规模集成电路MSI (Middle Scale Integration)。内存储器采用半导体存储器，且外存储器使用磁带或者磁盘。其运算速度可达几十万到几百万次每秒。在程序设计技术方面，其也有很大的发展，并形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序。

由于存储器进一步发展且集成电路计算机的体积更小、重量更轻，因此其价格更低，计算机也开始广泛地应用于各个领域。

(4)第四代：大规模集成电路计算机 (1971年至今)。

第四代计算机的逻辑器件采用大规模集成电路LSI (Large Scale Integration)和超大规模集成电路VLSI (Very Large Scale Integration)。大规模集成电路可以在一个芯片上容纳几百个元件，而超大规模集成电路可以在一个芯片上容纳几十万个元件。在一个仅有硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件，使得计算机的体积不断减小、价格不断下降，且其功能和可靠性不断加强。计算机的运行速度可以达到几千亿次到十万亿次每秒。

由于计算机的操作系统向虚拟操作系统发展，且应用软件已成为现代工业的一部分，因此计算机的发展进入以计算机网络为特征的时代。

四、探索与练习

(1)从第一台计算机诞生到现在，计算机的发展经历了哪几个阶段？

(2)简述计算机的发展过程。

(3)简述计算机的设计原理。

(4)目前微型计算机中的逻辑元件是什么？

任务3 计算机的发展趋势

一、任务描述

本任务通过回顾过去和现在计算机技术的发展，展望未来新型计算机的发展方向。

二、相关知识与技能

随着科技的进步以及计算机技术、网络技术的飞速发展，计算机的发展又进入了一个崭新的时代。科学家们一直在努力探索新的计算机材料和计算机技术，以便能研究出更快、更好、功能更强的计算机。

三、知识拓展

目前，集成电路的计算机在短期内还不会退出历史舞台，而一些新型的计算机正在研究中。随着新的元器件及其技术的发展，新型的超导计算机、光子计算机、量子计算机、生物计算机、纳米计算机，将会在21世纪走进人们的生活，并遍布各个领域。

1．超导计算机

超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”理论，即由超导体—绝缘体—超导体组成器件，并在两端加电压，那么电子会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中穿过去，并形成微小电流。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导体计算机的耗电量仅为其千分之一，并且执行一条指令所需的时间也要快百分之一。

2．光子计算机

光子计算机即全光数字计算机。与传统硅芯片计算机不同，光子计算机用光束代替电子进行运算和存储。与电子计算机相比，光子计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道的密度极大。例如，一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将成为21世纪的高科技课题之一。

3．量子计算机

量子计算机利用粒子的量子力学效应，例如光子的极化、原子的自旋等，来表示0和1以进行存储和计算。量子元件的使用将可使计算机的工作速度提高1000倍，而功耗减少至1/1000。专家乐观估计，量子计算机将在2016年至2026年间进入商业化阶段。

4．生物计算机

生物计算机把生物工程技术产生的蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，并以波的形式传送信息。其传送速度比现代计算机提高了上百万倍，且能量消耗极小，因此更易于模仿人脑的功能。生物计算机被称为继超大规模集成电路后的第五代计算机。

5．纳米计算机

纳米计算机的基本元器件尺寸只有几纳米到几十纳米 (1 μm＝1000 nm)。在现代大规模集成电路中，元器件的尺寸约为0.35 μm。只有研究人员另辟蹊跷，才能突破0.1 μm界，并实现纳米级器件。

四、探索与练习

(1)思考、探讨一下未来计算机在我们的工作和生活中会有哪些应用？

(2)思考一下在未来十年，计算机将怎样与你亲密接触？

(3)在新技术兴起的今天，信息技术的发展将会有什么新的变化呢？