第1章 计算机概述
1.1 计算机基础
计算机（Computer）是一种能按照事先存储的程序，自动、高速、精确地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置，是20世纪最先进的科学技术发明之一。计算机的广泛应用，推动了社会的发展与进步，对人类的生产活动和社会活动都产生了极其深刻的影响。
1.1.1 计算机的发展、分类及特点
1．计算机的发展
世界上第一台数字电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生，ENIAC计算机（见图1-1）占地面积170平方米，重达30多吨，耗电150kW，耗资48万美元，主要元器件采用电子管，共使用了1 500个继电器、18 800只电子管，运算速度为每秒5 000次加法或400次乘法，比机械式的继电器计算机快1 000倍。当ENIAC公开展出时，一条炮弹的轨道用20s就能计算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，在计算机发展史上具有划时代的意义，它的问世标志着数字电子计算机时代的到来。
图1-1 世界上第一台数字电子计算机——ENIAC
ENIAC诞生后的半个多世纪，计算机已由早期单纯的计算工具发展成为信息社会中具有强大信息处理能力的现代电子设备。迄今为止，基于构成计算机的物理元器件的变化，计算机大致经历了4个发展阶段（见表1-1）。
表1-1 计算机发展史
计算机的发展史也可以按照计算机应用的观点来划分。计算机最早的应用是军事上的需要，如炮弹弹道计算、核武器的设计等；其次是广泛地用于科学计算、工程设计计算；第三阶段是大量用于管理；接着是计算机辅助设计（CAD）和辅助制造（CAM）。进入20世纪90年代，计算机的应用已经趋于综合化和智能化。例如，在一个企业里，计算机不仅用于科学计算、辅助设计和辅助制造，还用于辅助管理和辅助决策，以及办公自动化（OA）等，使设计、生产自动化和管理自动化融为一体，形成所谓计算机集成制造系统（CIMS），再发展下去就是工厂自动化或称无人工厂。决策支持系统DSS/专家系统ES利用人工智能AI技术，让计算机代替人判断、推理，寻找最优方案，以辅助决策者决策。
另外，还有一种较流行的计算机发展史分类，认为计算机的发展经过了3次浪潮。计算机发展的第一次浪潮是单主机的时期，以IBM 360、IBM 370为代表，其特点是以批处理为主，主要用于大规模科学计算。第二次浪潮为客户机/服务器的时期，在这个时期出现了小型机、微型机和局域网，其特点是多用户分时处理。第三次浪潮是微型计算机，即PC（personal computer）的出现。现在正处于第三次浪潮，网络计算机时期，即以网络为中心或以网络为基础的计算机时期。目前计算机正在向综合的方向发展，将各种计算机的特点和优点综合起来，并结合多媒体技术、通信技术等，把人类带入了网络社会。
2．计算机的分类
计算机种类繁多，从工作原理、应用特点，以及规模大小等不同角度，将其进行如下分类。
（1）按信息的表示和处理方式分类。
数字电子计算机：该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字信息，这些数据在时间上是离散的。
模拟电子计算机：该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是模拟信息，这些数据在时间上是连续的。
（2）按应用特点分类。
通用计算机：该类计算机是面向多种应用领域和算法的计算机，其特点是它的系统结构和软件能满足多种用户的要求。
专用计算机：该类计算机是针对某一特定应用领域，或面向某种算法而研制的，如工业控制机、卫星图像处理用的大型并行机等。其特点是它的系统结构及专用软件对于指定的应用领域是高效的，一般不适用于其他领域。
（3）按规模大小和性能分类。
巨型机：也称超级计算机。该类计算机运算速度极快、存储量巨大、处理能力极强、工艺技术性能先进，主要用于复杂的科学和工程计算。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。中国研制的银河机也属于巨型机。
大型机：该类计算机具有较强的数据处理和管理能力，运算速度较快（每秒可达几千万次），通信联网功能完善、可靠性高、安全性好。大型计算机通常有8个、16个、32个甚至更多个处理器。大型机包括通常所说的大、中型计算机。IBM公司一直在大型机市场处于霸主地位，DEC、富士通、日立、NEC也生产大型机。
小巨型机：该类计算机是一种新发展起来的小型超级计算机或桌面型超级计算机，它可以使巨型机缩小成个人机的大小，或使个人机具有超级计算机的性能。
小型机：该类计算机规模小、结构简单、价格便宜、通用性强、维修使用方便，主要用于工业、商业及事务处理。
服务器：服务器是指在网络环境下为网上多个用户提供共享信息资源和各种服务的一种高性能计算机，在服务器上需要安装网络操作系统、网络协议和各种网络服务软件。服务器主要为网络用户提供文件、数据库、应用及通信方面的服务。
微型机：简称PC机，又称个人计算机，是目前应用最广泛的计算机。它体积小、功耗低、成本低、价格低，一般为家庭或个人使用。
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点：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、软件工程及大型控制中心。
1.1.2 计算机的应用
计算机的应用领域已经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。结合计算机的特点，其主要应用于以下几个方面。
（1）科学计算。主要解决科学研究和工程技术中提出的数值计算问题。例如，天体运动轨迹、石油勘探、气象预报、工程设计、生物工程等方面，都需要计算机进行大量高速、精确的计算。
（2）数据处理或信息加工。人类社会生活中有大量数据需要处理，并且当前的数据已具有更广泛的含义，如图、文、声、像等多种多媒体，都是现代计算机的处理对象。例如，人事档案管理、学籍管理、人口普查、人才资源管理等，现在都采用计算机进行计算、分类、检索、统计等处理。
（3）过程控制。过程控制是指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，而且还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，而且还可以使整个车间或工厂实现自动化。
（4）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指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。
（5）计算机辅助系统。计算机辅助系统主要包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助测试（CAT）等。
计算机辅助设计指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。目前它已广泛应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。
计算机辅助制造是指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，降低生产成本，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，这种技术称为计算机集成制造系统（CIMS），它将真正实现无人化工厂或车间。
计算机辅助教学是指利用计算机系统并使用课件进行教学。课件可以用制作工具或高级语言来开发，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。
计算机辅助测试是利用计算机对测试对象进行测试的过程。例如，利用计算机自动测试超大规模集成电路生产过程中的各种参数。
（6）计算机网络。计算机技术与现代通信技术的结合形成了计算机网络。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、硬件资源的共享等问题，也大大促进了国际文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。
（7）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。
（8）多媒体应用。多媒体计算机的出现提高了计算机的应用水平，扩大了计算机技术的应用领域。多媒体计算机除了能够处理文字信息外，还能处理声音、视频、图像等多媒体信息。