计算机是人类在20世纪最伟大的发明之一， 也是发展最快的技术。 从它诞生之日起， 就很快渗入到人类社会的政治、 军事、 经济、 文化、 交通运输、 生产制造、 工作生活与休闲娱乐的各领域和各方面， 成为人们工作和生活中不可或缺的助手。 计算机这一人类文明发展的产物， 已渗透到现代社会生活的各个层面，其作用就如同蒸汽机的发明促使农业时代的终结， 以及电力的发明促使旧工业时代的变革一样， 对当今的社会产生了十分重要和深远的影响。
1.1.1 计算机的发展历史
计算机的诞生酝酿了很长一段时间。1946年2月， 世界上第一台电子计算机ENIAC， 即 “电子数字积分计算机” 在美国加州宾夕法尼亚大学宣告诞生。ENIAC体积庞大，占地170m2，耗电惊人，运算速度却只有每秒400次乘法运算或每秒5000次加法运算， 耗资100万美元以上。 尽管ENIAC有许多不足之处，但它仍比当时已有的计算设备快1000倍。 ENIAC的问世揭开了计算机时代的序幕，如图1-1所示。
图1-1 ENIAC计算机
以计算机元器件的变革作为主要标志， 可将计算机的发展分为4个阶段， 也称为计算机发展的4个时代。
1. 第一代 (1946—1957年): 电子管计算机时代
第一代计算机采用电子管作为计算机的逻辑元件， 也称电子管时代。 用机器语言或汇编语言编写程序； 每秒运算速度仅为几千次， 内存容量仅有几KB。 这个时期计算机的特点是体积庞大， 成本高， 可靠性差， 仅用于科学计算和从事军事及科学研究方面的工作。 代表机型有IBM650 (小型机)、 IBM709 (大型机)。
2. 第二代 (1958—1964年): 晶体管计算机时代
第二代计算机的逻辑组件由电子管改为晶体管， 也称晶体管时代。 主存储器大多采用磁芯铁氧磁性材料制成的磁芯存储器， 外存储器使用磁带和磁盘。 软件方面也有了较大的发展， 出现了FORTRAN、 COBOL、 ALGOL等一系列高级语言。 与第一代相比， 晶体管电子计算机的运行速度已提高到每秒几十万次， 体积已大大减小， 可靠性和内存容量也有较大的提高。 第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关等。 代表机型有IBM7094、 CDC7600。
3. 第三代 (1965—1970年): 中小规模集成电路计算机时代
第三代计算机的逻辑器件采用的是小规模集成电路SSI和中规模集成电路MSI。 集成电路是做在晶片上的一个完整的电子电路， 晶片可以比手指甲还要小，却包含了几千个晶体管元件。 第三代计算机存储器进一步发展， 体积更小、 价格更低、 可靠性更高、 计算速度更快。 第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM360系列。
4. 第四代 (1971年至今): 大规模和超大规模集成电路计算机时代
第四代计算机使用的主要逻辑元件是大规模和超大规模集成电路， 它包含几十万到上百万个晶体管。 计算机的速度可达每秒上千万次甚至十万亿次。 1975年， 美国IBM公司推出了个人计算机PC (Personal Computer)， 从此， 人们对计算机不再感到陌生， 计算机开始深入到人们的生活。
1.1.2 计算机的发展方向
现代计算机呈现出了巨型化、 微型化、 网络化和智能化的特征。
1. 巨型化
巨型计算机是计算机的一个重要的发展方向，其特点是高速度、 大存储量和强功能。主要是为了满足天文、气象、原子、核反应等尖端科学与研究的需要。
2. 微型化
随着微电子技术的进一步发展， 笔记本、 掌上电脑等微型计算机越来越受到人们的青睐。 另一方面， 随着微处理器的不断发展， 微处理器已经应用到仪器、仪表和家电等电子产品中。
3. 网络化
以Internet为代表的网络技术开辟了信息时代新的里程碑。 网络可使人们方便地进行信息的收集、 传递和计算机软硬件资源的共享。 不联网的计算机已经不是真正意义上的计算机。
4. 智能化
自20世纪80年代开始， 发达国家投入到第五代计算机的研制， 目标是使计算机打破以往固有的体系结构， 能具有像人一样的思维、 判断能力， 实现接近人的思考模式。
1.1.3 计算机的分类
数字计算机按其应用特点可分为两大类， 即专用计算机和通用计算机。
专用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计算机， 如工业控制机、 卫星图像处理用的大型并行处理机等。 特点是它的系统结构及专用软件对所指定的应用领域是高效的， 若用于其他领域则效率较低。
通用计算机是面向多种应用领域和算法的计算机。 特点是它的系统结构和计算机的软件能适合多种用户的需求。 通用数字计算机根据其性能、 用途的不同，大体可以分为5类: 巨型机、 大型机、 小型机、 工作站和微型机。
1. 巨型机
巨型机是计算机中性能最高、功能最强且具有巨大数值计算能力和数据信息处理能力的计算机。主要性能指标有:运算速度可达每秒几亿次； 主存容量高达几十兆字节(MB)， 字长可达64位； 价格昂贵。 此类计算机主要应用于军事、 气象、地质勘探等尖端科技领域。我国研制成功的 “银河系列机” 就属于巨型机。
2. 大型机
大型机是计算机中通用性能最强、 功能也很强的计算机。 运算速度在每秒几百万次到几亿次， 字长为32～64位， 主存容量在几百兆字节。 它有丰富的外部设备和通信接口， 主要用于计算中心和计算机网络。
3. 小型机
小型机是计算机中性能较好、 价格便宜、 应用领域十分广泛的计算机。 它的结构简单、 规模较小、 操作方便、 成本较低。 小型机在存储容量和软件系统的完善方面有一定优势， 通常会作为某部分的核心机。
4. 工作站
工作站是一种新型的计算机系统， 它出现于20世纪70年代后期。 一般来说，高档微机也可称为工作站。工作站的特点是易于联网、有较大容量内存、 具有较强的网络通信功能，如CAD、图像处理、三维动画等，这些都是工作站的应用领域。
5. 微型机
微型机是应用领域最广泛的一种计算机， 也是近年来各类计算机中发展最快、 人们最感兴趣的计算机。 微型机的体积小、 价格低、 功能全、 操作方便， 一般简称为 “微机”。
1.1.4 计算机的应用
半个世纪以来，计算机的应用已渗透到社会的各个行业，改变了人们以往的学习、工作和生活方式， 帮助人们完成形形色色的工作。计算机主要应用在以下几方面。
1. 科学计算
科学计算也称为数值计算， 是指用于完成科学研究和工程技术中所遇到的数学计算问题。 例如， 在天文学、 量子化学、 空气动力学、 核物理学和天气预报等领域中， 计算机相当复杂， 人工无法完成， 只能依靠计算机来进行高速、 高精度的运算。
2. 数据处理
数据处理也称为非数值计算或者事务处理， 与科学计算不同的是， 数据处理所涉及的数据计算量大， 并可以有文字、 图像、 图形、 音频、 视频等多种类型的数据， 但计算方法简单。 典型的数据处理系统有银行储蓄系统、 电信收费系统和人口统计系统等。
3. 过程控制
过程控制又称为实时控制、自动控制。计算机按事先编好的程序运行， 及时地采集数据，将数据处理后，按最佳方案准确、及时地进行控制， 实现自动化。 计算机过程控制已经在冶金、机械、石油、化工、纺织、水电、航天等行业得到了广泛的应用。
4. 计算机辅助
计算机辅助设计CAD (Computer Aided Design) 是指利用计算机的工程计算、 逻辑判断、 数据处理能力， 以及人的经验判断能力帮助设计人员进行工程和产品设计， 使设计过程自动化。 目前， CAD广泛应用于航空、 汽车、 船舶、 机械、 电子、 纺织、 服装、 建筑等行业的设计。
计算机辅助制造CAM (Computer Aided Manufacturing) 是指利用计算机进行生产过程的管理、 控制和操纵。 CAM技术可以减少工人的劳动强度、 缩短生产周期、 提高产品质量、 降低成本。
5. 人工智能
人工智能是计算机应用的前沿学科。 人工智能AI (Artificial Intelligence) 一般指用计算机来模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。 人工智能涉及的领域包括自然语言处理、 自动程序设计、 专家系统和机器人、 机器视觉系统、 智能数据库等方面。
6. 多媒体技术的应用
随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展， 人们已经有能力把文本、 音频、 视频、 动画、 图形和图像等各种媒体综合起来构成一种全新的概念—— “多媒体” (Multimedia)。 在医疗、 教育、 商业、 银行、 保险、 行政管理、 军事、 工业、 广播和出版等领域中， 多媒体的应用发展很快。 而网络技术的发展使计算机的多媒体技术应用进一步深入到社会的各行各业。 多媒体计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。常见多媒体设备如图1-2所示。
图1-2 多媒体设备
(a) 音箱； (b) 打印机
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