计算机的发展及特点

1.1.1　计算机的发展

计算机的发明也与其他任何科学技术发明一样，凝聚了众多杰出人才的毕生心血，闪烁着无数科学精英的思想火花。像美国科学家艾肯（H.Aiken）、英国科学家图灵（A.M. Turing）和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（Von.Neumann）等杰出科学家，他们对计算机的设计和制造做了大量有意义的工作，为20世纪40年代世界上第一台具有真正意义的电子计算机的诞生打下了基础。

自1946年第一台电子计算机ENIAC（埃尼阿克）在美国宾夕法尼亚大学问世以来，计算机的发展经历了大型计算机、中小型计算机、微型计算机和计算机网络4个阶段。

1）传统计算机的发展历史

传统计算机按照采用的电子元器件经历了电子管时代、晶体管时代、集成电路时代，现在已进入大规模、超大规模集成电路时代。

•第1代计算机（1946—1958年）　电子管计算机时代。这一代计算机采用电子管作开关元件，体积大、耗电多、运算速度慢、存储容量小且可靠性低。其典型计算机就是人们所共知的第一台大型计算机ENIAC，它占地170m2，功率140 kW，质量30 t，运算速度5 000次／s。这一代计算机采用机器语言手编程序，几乎没有任何软件配置，主要用于科学和工程计算。

•第2代计算机（1959─1964年）　晶体管计算机时代。这一代计算机用晶体管代替了电子管，体积小、质量轻、耗电省、寿命长，其性能得到了显著提高。这一代计算机用汇编语言取代了机器语言，而且开始出现了FORTRAN、COBOL等高级语言，软件配置已开始出现，同时有了外存等辅助设备，使计算机的应用领域进一步扩大，计算机开始用于数据处理和过程控制。

•第3代计算机（1965─1970年）　集成电路计算机时代。这一代计算机用集成电路代替了晶体管，其体积更小、质量更轻、耗电更省、寿命更长、功能更强。这一代计算机已开始走向系列化、通用化、标准化。相应地，计算机软件也有了很大发展，操作系统在性能和规模上都取得了进展，使系统结构有了很大改进。这一代计算机的应用已进入了许多科学技术领域。

•第4代计算机（1971年以后）　大规模集成电路计算机时代。这一代计算机用大规模、超大规模集成电路取代了中小规模的集成电路。大规模集成电路是指将更多的电子元器件集成在一块很小很小的硅片上，使计算机的体积更小、耗电更省、运算速度更快、可靠性更高、功能更强。第4代计算机的出现，使计算机的应用进入了一个全新的领域，这一时代也正是微型计算机诞生的时代。

从20世纪80年代开始，各发达国家先后开始研究新一代计算机。新一代计算机采用一系列全新的高新技术，将计算机技术与生物工程学等边缘学科结合起来，是一种非冯·诺依曼体系结构的、人工神经网络的智能化计算机系统，这就是人们常说的第5代计算机。

2）微型计算机的发展历史

大规模、超大规模集成电路技术和微处理器的出现，使微型计算机异军突起，独树一帜。正是微型计算机的出现，才使计算机的应用走出了神秘的军事、科研和政府部门，进入了人类生产、生活的各个领域，甚至改变了人们的生活方式。微型计算机自20世纪70年代初问世以来，在短短的几十年时间里，经历了8位、16位和32位等几个阶段的发展。从16位机算起，微型计算机的发展也有5代的历史。

•第1代微型计算机　PC机时代。这一时代的微型计算机采用Intel 8088芯片为CPU，内部总线16位，外部总线8位，主要的机型有PC、PC／XT及其兼容机。

•第2代微型计算机　286机时代。这一时代的微型计算机采用Intel 80286芯片为CPU，时钟频率8～16 MHz，运算速度是1～2 MI／s。

•第3代微型计算机　386机时代。这一时代的微型计算机采用Intel 80386芯片为CPU，时钟频率16～33 MHz，运算速度是6～12 MI／s。

•第4代微型计算机　486机时代。这一时代的微型计算机采用Intel 80486芯片为CPU，时钟频率25～50 MHz，运算速度是20～40 MI／s。

•第5代微型计算机　Pentium机时代。这一时代的微型计算机采用Pentium芯片为CPU，时钟频率60～133 MHz，运算速度是100～200 MI／s，这就是人们常说的“奔腾机”，也就是586机。

自1993年Intel公司推出Pentium芯片以来，Pentium机又发展了PentiumⅡ代、PentiumⅢ代、PentiumⅣ代，PentiumⅣ处理器的时钟频率已达到1～3 GHz甚至更高。随着计算机制造技术的发展，Pentium处理器还采用了双内核、多内核技术，一个处理器可同时执行多个独立的代码流，使计算机性能达到了一个新的高度。

为了满足用户对不同地点、不同计算机的硬件资源和软件资源的共享，20世纪70年代开始出现计算机网络。近年来，计算机网络发展速度极其迅猛，有关计算机网络的知识，将在本书第6章中详细介绍。

1.1.2　计算机的新技术

随着科学的进步，计算机技术也是日新月异，不断发展。从计算机发展角度来看，近年来得到快速发展并具有重要影响的新技术主要有高性能计算机、嵌入式计算机、云计算和物联网等。

1）高性能计算机

高性能计算（High Performance Computer）通常是指由多个计算单元组成、运算速度快、存储容量大、可靠性高的计算机系统，是计算机科学的一个分支。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需要高性能计算机，而且金融、教育、企业、政府信息化、网络游戏等更广泛的应用领域都需要高性能计算机。

高性能计算机的发展趋势之一是网络化，高性能计算机的主要用途是作为网络计算环境中的主机，高性能计算机利用网络将多台计算机连接在一起，构成一个统一的系统，从而拥有远远超过单台计算机的超强计算处理能力。这种利用网络让计算机合作工作的并行系统又称为计算机集群（简称集群）。集群就是将网络内部化，让网络成为系统内部不同计算机的沟通桥梁，把一组松散的计算机软件和硬件连接起来，高度紧密地协作完成计算工作。集群也是一种计算机系统，在某种意义上，它们可以被看作是一台计算机，集群中的单个计算机通常称为节点，各节点通过高速网络连接在一起，组成了一个高性能的计算机系统。

2）嵌入式计算机

嵌入式计算机（Embedded Computer）是指作为一种信息处理的部件，嵌入到某个应用系统之中的计算机。嵌入式计算机系统与一般通用计算机系统相比，在原理上没有本质的差异，主要区别在于系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单地说，把处理器、存储器以及接口电路直接嵌入设备当中的计算机就是嵌入式计算机。嵌入式计算机是有计算机功能但又不能称之为计算机的、集软件与硬件于一体的、可独立工作的“器件”，它是以应用为中心的、软硬件可裁减的、适应于各种应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。

嵌入式计算机一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序4个部分组成：

•嵌入式微处理器　这是嵌入式系统的核心。嵌入式微处理器一般要求对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间。嵌入式微处理器的功耗要求必须很低，因为很多用于便携式的无线及移动的计算和通信设备的嵌入式系统是靠电池供电的。

•外围硬件设备　它主要包括微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器、传感器等。嵌入式系统与一般计算机系统不同，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，系统软件和应用软件被固化在嵌入式计算机系统的ROM中或者利用闪存（Flash Memory）作为存储介质。

•嵌入式操作系统　这是嵌入式系统极为重要的组成部分，它主要负责嵌入系统全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

•特定的应用程序　嵌入式计算机的特定应用软件一般都固化在存储器芯片中，软件代码要求高质量、高可靠性，以提高执行速度和响应时间。

经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见，小到人们身边的智能手机、MP3、数码照相机、数码摄像机、电冰箱、全自动洗衣机、汽车上的防锁死刹车系统（ABS）、车载GPS等，大到军事上的夜视扫描、巡航导弹、航天航空的宇宙飞船、卫星系统等。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的进步。嵌入式系统的发展已成为当今计算机技术发展的一个重要标志。

3）云计算

简单地说，云计算（Cloud Computing）就是利用非本地或远程服务器集群的分布式计算机为互联网用户提供计算、存储、软硬件等服务。这使得用户可以根据需求访问计算机和存储系统，将资源切换到需要的应用上。云计算可以把普通的服务器或者PC连接起来以获得超级计算机的计算和存储等功能，真正实现按需计算，从而有效地提高对软硬件资源的利用效率。云计算的出现使高性能并行计算不再是科学家和专业人士的专利，普通用户也能通过云计算享受高性能并行计算所带来的便利，使人人都有机会使用并行机，从而大大提高了工作效率和资源的利用率。云计算模式中，用户不需要了解服务器在哪里，不用关心内部如何运作，只要通过高速互联网就可以透明地使用云中各种资源。可见，云计算就是一个虚拟化的计算机资源池，一种新的IT资源提供模式；云计算为人们提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，让互联网这片云成为每一个网民的数据资源中心和计算服务中心。

云计算是全新的基于互联网的超级计算理念和模式，实现云计算需要多种技术结合，并且需要用软件实现对硬件资源的虚拟化管理和调度，形成一个巨大的虚拟化资源池，把存储于个人计算机、移动设备和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工作。

通常，云计算可以提供3种服务模式：

•软件即服务（SaaS）　通过Internet提供软件，用户不再购买软件，向供应商租用软件来经营、管理自己的事务。从用户角度来看，省去对软件授权和进行维护的开支；从软件供应商角度来看，以租赁的概念给客户提供服务，这样只需要维持一个程序就够了，可大大减少成本开支。

•基础设施即服务（IaaS）　消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施中获得服务。消费者可以消费使用如处理能力、存储空间、网络组件等基础计算资源。

•平台即服务（PaaS）　实际上，PaaS是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。云计算把开发平台作为一种服务来提供，消费者可使用中间商的设备掌控运作程序的环境，开发自己的程序，经营管理自己的事务。

云计算的出现使数据的保存、提取都变得非常的方便。在云计算模式下，用户的所有数据存储在云端，在需要的时候直接从云端下载使用。云计算的云端是由成千上万台甚至更多服务器组成的集群，具有无限空间、无限速度的特点，用户使用的软件由服务商统一部署在云端运行，软件维护由服务商来完成，当个人计算机出现故障或崩溃时，也不会影响该用户对其软件的使用，用户只需要换个计算机就可以继续自己中断的工作，包括文档编辑和程序开发等。

在云计算时代，用户可以根据自己的需要或喜好定制相应的服务、应用及资源，云计算平台可以按照用户的需求来部署相应的资源、计算能力、服务及应用。用户不必关心资源在哪里、如何部署，只需要把自己的需求告诉云，剩下的工作就交给云，云将返回用户定制的结果。当然用户也可以对定制的服务进行管理，如退订或删除一些服务等。

在云计算时代，用户在任何时间、任意地点，只需要用自己的计算机、笔记本电脑、手机或者其他设备登录到云计算系统后就可以使用云端的网络资源、计算资源、数据库资源、硬件资源、存储资源等，完成我们需要完成的一切任务，就像在使用自己的本地计算机一样。

4）物联网技术

物联网（The Internet of Things）是物与物、人与物之间的信息传递与控制。它是在互联网基础上，利用射频识别（RFID）技术、近距离无线通信（NFC）技术、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，组成一个覆盖世界万事万物的整合网络，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网用途十分广泛，覆盖了从传感器、控制器到云计算的各种应用，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等应用领域。

物联网应用中，传感器技术是最关键的技术，在中国也把物联网称之为“传感网”。早在1999年，中科院就启动了物联网核心传感网技术的研究并建立了一些实用的传感网。2012年，由工信部颁布了我国第一个物联网5年规划（中国物联网“十二五”发展规划），并且把物联网正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。与其他国家相比，我国物联网技术研发水平处于世界前列，具有同发优势和重大的影响力。在世界传感网领域，中国与美国、德国、韩国等成为国际标准制定的主导国之一。

1.1.3　计算机的特点

计算机是一种能快速高效地完成信息和知识数字化的电子设备，它能按照人们预先编制好的程序对输入的原始数据进行加工处理、存储或传送，获得所期望的有用的输出信息，以提高社会生产率，促进社会生产发展，改善人们生活质量。所以，计算机不同于一般的计算工具，它具有以下主要特点：

•运算速度快，计算精度高　由于计算机中采用了高速的电子元器件，加上先进的计算技术，使得计算机有很快的计算速度和很高的计算精度。目前，微型计算机的速度在每秒1 000万次以上，大型计算机运算速度已达到每秒万亿次。

•存储容量大，记忆功能强　计算机中设有大容量的存储器，它能把数字、字符和各种计算结果，甚至各种图片、声音等大量信息保存起来，以便在以后任何时候再取出来使用。这个功能类似于人的大脑记忆功能。计算机存储信息的容量越来越大，存取的速度也越来越快，现在一般的微型计算机都配置有2 GB内部存储器和300 GB以上的外部存储器。

•具有逻辑判断能力　计算机不仅能完成烦琐的算术运算、逻辑运算，它还可以对处理的数字、符号等信息进行比较判断，并根据判断结果确定下一步进行的操作。这是计算机与其他计算工具的一个重要区别。正是这一点，使得计算机自动运算成为可能，而且能完成逻辑推理和定理证明的工作，极大地拓宽了计算机的应用领域。

•运算自动化　计算机进行的各种操作运算都是在程序的控制下自动完成的。人们把预先编制好的程序输送到计算机中，只要发出执行命令，计算机就能够按照程序中的指令自动地、连续地执行下去，直到程序执行结束。计算机的这个特点也是它与其他计算工具最根本的区别之一。

•计算机是人类忠实的朋友　计算机是不闹情绪、不怕麻烦的信息处理工具，它按照人们预先编制好的程序，兢兢业业地工作，从不马虎，所以，计算机是人类最忠实可靠的朋友。当然，计算机系统也会“偶染小恙”或遭受计算机病毒的侵扰。有关计算机病毒的防治知识，将在本书第7章中详细介绍。