如题所述
第一章 计算机发展与 计算机应用 概述
1.1计算机发展概述
1946年2月，世界上第一台计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)诞生于美国宾夕法尼亚大学。它使用了18000个电子管、10000只电容和7000个电阻，占地170平方米，重达30吨，耗电150千瓦，每秒可进行5000次加、减法运算，价值40万美元。当时它的设计目的是为美国陆军弹道实验室解决弹道特性的计算问题，虽然它无法同现今的计算机相比，但在当时它可把计算一条发射弹道的时间缩短到30秒以下，使工程设计人员从繁重的计算中解放出来。在当时这是一个伟大的创举，它开创了计算机的新时代。
从第一台计算机诞生以来的50多年里，每隔数年在软、硬件方面就有一次重大的突破，至今计算机的发展已经历了以下四代。
第一代计算机(1946~1955年)。
从1946至1955年，陆续出现了一些著名的计算机，其用途已从军事进入到为公众服 务方面。它们都属于第一代计算机，其特征是：使用电子管为逻辑元件，内存储器开始时使用水银延迟线或静电存储器，后来采用磁芯，外存贮器有纸带、卡片、磁带等。运算速度可在每秒几千次到几万次。程序设计语言用二进制码表示的机器语言和汇编语言。第一代计算机体积都较庞大，造价很高，速度低，主要用于科学计算。
第二代计算机(1955~1964年)。
1955年第一台全晶体管计算机问世，1958年开始，以IBM公司的7000系列为代表的全晶体管计算机成为第二代计算机的主流产品。第二代计算机的主要特征为：全部使用晶体管，用磁芯做主存储器，用磁盘或磁带做外存储器，运算速度达到每秒几十万次。程序设计语言也在这一时期取得了较大发展，如 ALGO 60、FORTRAN、COBOL等都相继投入使用。程序的编制方便了，通用性也增强了，因而计算机的应用也扩展到事务管理及工业控制等方面。
第三代计算机(1964~1970年)。
1964年美国IBM公司公布了采用集成电路制造的System/360系列计算机，同时开发了供该系列机使用的OS/360操作系统，它使系列机内的低档机向高档机升级时，原有的操作系统与应用软件可继续使用，使360系列机本身成为第三代计算机的主流产品。第三代计算机的特征是用中、小规模集成电路代替了分立的晶体管元件, 内存开始使用半导体存储器，计算速度可达到几十万次到几百万次，个别的达到一千万次，内存储容量可达到兆字节。这一时期对计算机的设计提出了系列化、通用化和标准化的思想。例如，将系列机扩展到大、中、小型以适应不同层次的需要;在硬件设计中采用标准的半导体存储芯片和输入输出接口部件。在软件设计中提倡模块化和结构化设计，这样不但使计算机的成本降低，而且还扩大了计算机的应用范围。
第四代计算机(1971年~现在)。
1971年，英特尔公司制成了第一代微处理器，它集成了2250个晶体管组成的电路。它标志着计算机的发展已进人到了大规模集成电路的应用时代。大规模集成电路的应用是第四代计算机的基本特征，在这一代计算机上采用集成度更高的半导体芯片做存储器，计算机的速度可以达到每秒几百万次到上亿次。操作系统不断完善，应用软件层出不穷。在计算机系统结构方面发展了分布式计算机、并行处理技术和计算机网络等。这一时期计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。
我国自1956年开始研制计算机。第一台计算机于1958年研制成功，我国自行研制的第一台晶体管计算机也于1964年问世。1971年又研制成功了集成电路计算机。1985年研制出第一台IBM PC兼容微型机。2001年我国第一款通用CPU—“龙芯”芯片研制成功，2002年推出了完全自主知识产权的“龙腾”服务器。
微型计算机属于第四代计算机，但单从微型机来看，在这30多年的发展里又可再将它分为五个时代。
第一代是自1971年开始的4位微机，它的芯片集成了2000个晶体管，时钟频率为1MHz。
第二代是自1973年开始的8位微机。它的芯片集成度为4000-9000个晶体管，时钟频率4MHz。其典型的产品是Intel公司的8080，Motorola公司的M6800等。
第三代是自1978年开始的16位微机。芯片集成度为2万~7万个晶体管，时钟频率为5MHz~10MHz。典型的产品是Intel公司的8086及80286。 IBM公司用这一代芯片研制了IBMPC、 IBMPC/XT及 IBM PC/AT。
第四代是自1981年开始的32位微机。芯片的集成度为10万～100万个晶体管。时钟频率10MHz~33MHz。用该微处理器制成的微机的性能达到或超过了70年代的大、中型计算机。
第五代是自1993年开始的64位微机。芯片的集成度在l00万个晶体管以上，并且每年都有不同类型的新产品出现。
微处理器的发展大大地推动了计算机的发展，目前性能价格比大幅度跃升，采用多处理机技术的大型机使用数十个微处理器芯片的产品已经系列化。新一代的操作系统采用友好的图形界面使用户学习和使用计算机更加容易。面向对象的程序设计语言的使用，使程序员能更快、更好地设计高质量的软件。将来计算机的发展趋势将表现在以下几个方面：
1.多极化
虽然今天个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对大型机、巨型机的需求也在稳步增长。巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。
2.网络化
利用现代通信和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，以共享软、硬件和数据资源。网络是计算机技术和通信技术结合的产物，虽然已出现近30年，但直到近几年才开始形成热潮，并且已开始走向家庭。
3.多媒体
多媒体是80年代末、90年代初发展起来的一项新技术，过去人机交互的媒体仅仅是文字，而多媒体技术则是以图形、图像、声音、文字等多种媒体进行人机交互。在短短的几年中多媒体技术已走向成熟，计算机辅助教学的蓬勃发展也全靠多媒体技术的支持。多媒体技术被认为是90年代信息领域的一次革命。
4.智能化
智能化是新一代计算机实现的目标，前述日本宣布的它的第五代计算机研制计划就是研制智能计算机。神经网络计算机和生物计算机更强调计算机具有像人一样的能听、说和逻辑思维能力。智能化的主要研究领域为：模式识别、机器人、专家系统、自然语言的生成与理解等方面。目前在这些领域都取得了不同程度的进展，将来随着第五代计算机的诞生，计算机技术将发展到一个更高、更先进的水平。
计算机中最重要的核心部件是CPU芯片，以硅片为基础的芯片制造技术的发展并不是无限的，不久的将来就可能达到发展的极限，目前认为有可能引发下一次计算机技术革命的技术主要包括：纳米技术、光技术、量子技术和生物技术。未来的计算机发展方向是：光计算机、生物计算机、分子计算机、量子计算机。
光计算机的发展方向是把极细的激光束与快速芯片结合，主要解决芯片之间的数据传输问题。由于光子的传播速度极快，今天的计算机数据传输速度最高为每秒10亿字节，采用光技术后其传输速度可以达到每秒万亿字节。另外光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间时可以传输更多的数据。同时光的传输无需物理连接。光计算机发展的关键技术是要做出能耗少、体积小、易于制造、价廉的光电子转换器和光计算机定位系统。
生物计算机实现起来比光计算机更为困难，它是使用生物工程技术产生的蛋白分子为主要原料制成的生物芯片。它不但具有巨大的存储能力，且能以波的形式传播信息。其处理速度比当今最快的计算机快一百万倍，而且能耗仅有现代计算机的十亿分之一。许多科学家认为，21世纪很可能是生物计算机的时代。
分子计算机的基础是制造出单个的分子，其功能与三极管、二极管及今天的微电路的其他重要部件相同或相似，然后把上亿个分子器件牢固地连接在某种基体表面。在这方面还有很长的路要走。
量子计算机目前处于理论与实现之间，大多数科学家认为量子计算机会在今后几十年间出现，它是采用基于量子力学原理的、采用深层次计算模式的计算机，这种模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，对应于晶体管的开和关来处理。他的这种计算模式对并行计算非常有利。量子计算机的原型机正在研究当中，还要进行多年的艰苦研究工作，但科学家预见终究将有一天会出现针尖上的超级计算机。
1. 2计算机的特点和分类
1.2.l计算机的特点
1.运算速度快
运算速度快是计算机从出现到现在人们利用它的主要目的。现代的计算机已达到每秒几百亿次至几万亿次的运算速度。许多以前无法做到的事情现在利用高速计算机就可以得到实现。如众所周知的天气预报，若不采用高速计算机，就不可能对几天后的天气变化作较准确的预测。另外，像我国十多亿人的人口普查，离开了计算机也无法完成。
2.计算精度高
计算机采用二进制数字运算，计算精度可用增加表示二进制数的位数来获得，从程序设计方面也可使用某些技巧，使计算精度达到人们所需的要求。众所周知的圆周率p，一位美国数学家花了15年时间计算到707位，而采用计算机目前已达到小数点后上亿位。
3.具有记忆和逻辑判断能力
计算机的存储器不仅能存放原始数据和计算结果，更重要的是能存放用户编制好的程序。它的容量都是以兆字节计算的，可以存放几十万至几千万个数据或文档资料，当需要时，又可快速、准确、无误地取出来。计算机运行时，它从存储器高速地取出程序和数据，按照程序的要求自动执行。
计算机还具有逻辑判断能力，这使得计算机能解决各种不同的问题。如判断一个条件是真还是假，并且根据判断的结果，自动确定下一步该怎么做。例如数学中的著名难题“4色问题”——即对任意地形图，要使相邻区域颜色不同，用4种颜色就够了——就是美国数学家在1976年用了上百亿次判断，三台计算机共用了1200小时才解决的。
4.可靠性高，通用性强
现代计算机由于采用超大规模集成电路，都具有非常高的可靠性，可以安全地使用在各行各业，特别是像银行这种要求高可靠性的行业。由于计算机同时具有计算和逻辑判断等功能，使得计算机不但可用于数值计算，还可对非数据信息进行处理，如图形图像处理、文字编辑、语言识别、信息检索等各个方面。使得计算机的应用在各行各业都可发挥出它的效力。
l.2.2计算机的类型
计算机的分类方法很多，有按计算机的原理将其分为数字计算机、模拟计算机和混合式计算机三大类的;也有按用途将其分为通用机和专用机两大类的;这里我们按照1989年美国电气和电子工程师协会(IEEE)的科学巨型机委员会对计算机的分类提出的报告，来对计算机的各种类型进行分别介绍。按照这一分类方法，计算机被分成巨型机、小巨型机、主机、小型计算机、工作站、个人计算机等6类。现分别介绍如下：
1.巨型机
巨型机在6类计算机中是功能最强的一种，当然价格也最昂贵，它也被称作超级计算机，它具有很高的速度及巨大的容量，能对高品质动画进行实时处理。巨型机的指标通常用每秒多少次浮点运算来表示。70年代的第一代巨型机每秒为1亿次浮点运算;80年代的第二代巨型机每秒为100亿次浮点运算;90年代研制的第三代巨型机速度已达到每秒万亿次浮点运算。目前的许多巨型机都是采用多处理机结构，用大规模并行处理来提高整机的处理能力。
目前巨型机大多用于空间技术，中、长期天气预报，石油勘探，战略武器的实时控制等领域。生产巨型机的国家主要是美国和日本，俄罗斯、英国、法国、德国也都开发了自己的巨型机。我国在1983年研制了“银河Ⅰ”型巨型机，其速度为每秒1亿次浮点运算。1992年研制了“银河Ⅱ”型巨型计算机，其速度为每秒10亿次浮点运算，1997年推出的“银河Ⅲ”型巨型机是属于每秒百亿次浮点运算的机型，它相当于第二代巨型机,2001年我国又成功推出了“曙光3000”巨型计算机，其速度为每秒4000亿次，2003年12月推出的联想“深腾6800”达到每秒4万亿次，2004年六月推出的“曙光4000A”达到每秒11万亿次，已经进入世界前十名。
2.小巨型机
小巨型机是由于巨型机性能虽高但价格昂贵，为满足市场的需求，一些厂家在保持或略降低巨型机性能的前提下，大幅度降低价格而形成的一类机型。小巨型机的发展一是将高性能的微处理器组成并行多处理机系统，二是将部分巨型机的技术引入超小型机使其功能巨型化。目前流行的小巨型机处理速度在每秒250亿次浮点运算，价格只相当于巨型机的十分之一。
