1.1.3 计算机的工作原理和用途

匈牙利数学家冯·诺依曼是美国国家高级科学顾问，他在1945年提出了《关于电子计算机逻辑设计的初步讨论》的报告，给出了一个全新的程序存储的通用计算机方案EDVAC。目前大部分计算机的设计思路仍在这个基础之上进行，也就是所谓的“冯·诺依曼计算机结构”。脱离这个基础所设计的各种计算机，往往称为“非冯·诺依曼计算机结构”。

计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分组成，集成电路出现以后，往往把运算器和控制器制作在同一芯片中，称为中央处理器（CPU）。运算器、输入/输出设备、存储器的操作以及它们之间的联系都受控制器的控制。早期的计算机以控制器、运算器为机器的中心。

但由于计算机以控制器、运算器为中心，使得低速的输入/输出和快速的运算不得不互相等待，主要表现在快速中央处理在等待慢速的外围设备；又由于所有部件的操作由控制器集中控制会使控制器的负担过重，从而严重影响机器速度和设备利用率的提高。因此，很快将计算机改成了以主存储器为中心，让系统的输入/输出与CPU的运算并行，多种输入和输出并行。

计算机能做什么？玩游戏？QQ聊天？打字？看电影？听音乐？……如果你是这样认为的，那就是“大材小用”了。计算机具有高速运算、逻辑判断、大容量存储和快速存取等功能，这就决定了它在现代社会的各领域都成为越来越重要的工具。计算机的应用相当广泛，涉及科学研究、军事技术、工农业生产、文化教育、娱乐等各方面。按学科，计算机应用可分为如下五大类。

（1）科学计算（或称为数值计算）

这是计算机最早的应用领域。从尖端科学到基础科学，从大型工程到一般工程，都离不开数值计算。例如，宇宙探测、气象预报、桥梁设计、飞机制造等，都会遇到大量的数值计算问题，这些问题计算量大、计算过程复杂。像著名的“四色定理”的证明，就是利用IBM370系列的高端机计算了1200多个小时才获得证明的，如果用人工计算，日夜不停地工作，也要十几万年。20世纪20年代初，天气预报方程已基本建立，但只有在计算机出现以后数值天气预报才成为可能。而在使用并行计算机系统之前，由于受处理能力的限制，只能做到24小时天气预报。高性能计算是解决数值预报中大规模科学计算的必要手段。采用高性能计算技术，可以通过提高分辨率来提高预报精度。利用计算机进行化工模拟计算，加快了化工工艺流程从实验室到工业生产的转换过程。

航空航天工业中，高性能计算主要应用在科学计算、实时仿真、图像处理、人工智能、数据库建立和计算机辅助设计等方面。在当代飞行器的设计中，高性能计算和风洞实验、自由飞行一起，构成了获得飞行器气动力数据的三种手段。采用计算流体力学和计算气动力学方法可以缩短周期、降低费用，还可以改变参数、重复计算。对那些目前不能在特定的飞行状态下进行实验的未来飞行器来说，数值模拟方法可以减少其设计风险，并在风洞实验前迅速确定出有希望的设计方案。将性能最好的并行计算机装备在国家宇航局是美国等技术先进国家的惯例。

（2）数据处理（信息管理）

这是目前计算机应用最为广泛的领域。数据处理包括数据采集、转换、存储、分类、组织、计算、检索等，例如人口统计、档案管理、银行业务、情报检索、企业管理、办公自动化、交通调度、市场预测等，都涉及大量的数据处理工作。

（3）辅助工程

辅助工程是指利用计算机进行辅助设计、制造、测试（CAD/CAM/CAT），具体包括：①用计算机辅助进行工程设计、产品制造、性能测试；②办公自动化；③经济管理；④情报检索；⑤自动控制；⑥模式识别等。

（4）生产自动化

生产自动化指利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。

（5）人工智能

人工智能指开发一些具有人类某些智能的应用系统，如计算机推理、智能学习系统、专家系统、机器人等。