1.1 概述

1946年，第一台电子数字计算机ENIAC问世。它的问世具有划时代的意义。在以后的几十年中，计算机技术发展迅速，并且被广泛应用于军事、教育、科研、工业制造以及设计等各个领域。

1.1.1 计算机发展简史

20世纪40年代问世的电子计算机是人类最伟大的科学技术成就之一，它是电子技术和计算技术空前发展的产物，是科学技术与生产力发展的结晶。它的诞生极大地推动了科学技术的发展。半个多世纪以来，计算机的发展深度和广度是人类没有任何第二类产品可以与之媲美的。于是有人说，计算机技术是现代科学技术的核心。

在计算机问世以后短短的几十年发展历史中，它所采用的电子元器件已经历了电子管时代、晶体管时代、小规模/大规模集成电路时代，现已进入超大规模集成电路时代。

1. 第一代计算机（1946-1958年）

世界上第一台计算机是美国宾夕法尼亚大学于1946年研制成功的ENIAC（Electronic Numerical Integrater and Calculater，电子数字积分计算机）。第一代计算机的主要特点是：硬件方面，采用电子管为基本逻辑电路元件，主存储器采用延迟线或磁鼓（后期采用了磁芯），外存储器采用磁带存储器，计算机体积庞大、功耗大、可靠性差、价格昂贵；软件方面，最初只能使用机器语言，编写程序、修改程序都很不方便，20世纪50年代中期以后才出现了汇编语言，但仍未从根本上解决编制程序的难题，因而计算机应用很不普遍。但是，第一代计算机所采用的基本技术（采用二进制、程序控制的方法）却为现代计算机技术的发展奠定了坚实的理论基础。

2. 第二代计算机（1959-1965年）

这一时代称为晶体管计算机时代，其主要特点是：硬件方面，采用晶体管为基本逻辑电路，主存储器全部采用磁芯存储器，外存储器采用磁鼓和磁带，计算机的系统结构也从第一代的以运算器为中心改为以存储器为中心，从而使得计算机的速度提高、体积减小、功耗降低、可靠性增强；软件方面，创立了一系列高级程序设计语言，并且提出了多道程序设计、并行处理和可变的程序设计思想。从此，计算机的应用也从单一的计算发展到了数据、事务管理和过程控制。

3. 第三代计算机（1965-1971年）

这一时代称为集成电路计算机时代，其主要特点是：硬件方面，主要逻辑部件采用中、小规模集成电路，主存储器从磁芯存储器逐步过渡到半导体存储器，使得计算机的体积进一步减小，运算速度、运算精度、存储容量，以及可靠性等主要性能指标大为改善；软件方面，对计算机程序设计语言进行了标准化工作，并提出了结构化程序设计思想。此外，产品的系列化、计算机系统之间的通信等方面都得到了较大发展，计算机的应用领域和普及程度有了迅速的发展。

4. 第四代计算机（1971年至今）

计算机进入了超大规模集成电路计算机时代。其主要特点是：硬件方面，逻辑部件由大规模和超大规模集成电路组成，主存储器采用半导体存储器，提供虚拟能力，计算机外围设备多样化、系列化；软件方面，实现了软件固化技术，出现了面向对象的程序设计思想，并广泛采用了数据库技术、计算机网络技术。其发展过程中最重要的成就之一表现在微处理器（Micro-processor）技术上。微处理器是一种超小型化的电子器件，它把计算机的运算器、控制器等核心部件集成在一个集成电路芯片上。微处理器的出现为微型计算机的诞生奠定了基础。

5. 计算机的发展趋势

随着大规模、超大规模集成电路的广泛应用，计算机在存储的容量、运算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。在科学技术日新月异的今天，各种新的器件不断出现，人们正试图用光电子元件、超导电子元件、生物电子元件等来代替传统的电子元件，制造出在某种程度上具有模仿人的学习、记忆、联想和推理等功能的新一代的计算机系统。计算机系统正朝着巨型化、微型化、网络化和智能化等方向更深入地发展。

1.1.2 计算机的特点与分类

自从第一台电子计算机问世以来，计算机技术得到了突飞猛进的发展。作为一种智能工具，它具有以下几个特点。

1. 运算速度快

电子计算机的运算速度从最初的每秒几千次提高到了现在的几百亿次甚至更高。过去人工需要几年、几十年才能完成的大量科学计算，使用计算机只需要几天、几个小时甚至几分钟就能完成。正是由于计算机的运算速度不断提升，其在航空航天、气象预报、军事、人工智能等领域发挥着越来越重要的作用。

2. 运算精度高

使用计算机进行数值计算，可以精确到小数点后几十位、几百位甚至更多位，而且运算十分准确。

3. 具有记忆功能

计算机中的存储器的存储容量不断增大，可以存储的信息量也越来越大。使用几张光盘就可以将整个大英博物馆中的藏书保存起来。

4. 具有逻辑判断功能

计算机可以处理各种各样的信息，如数值、语言、文字、图形、音乐和动画等。计算机既可以进行算术运算，又可以进行逻辑运算，可以对文字、符号、大小、异同等进行比较、判断和推理。

5. 具有自动执行程序的能力

计算机可以在人们事先编制的程序的控制下自动进行工作，不需要人为干预。

6. 支持人机交互

计算机具有多种输入输出设备，配上适当的软件后，可支持用户进行方便的人机交互。以广泛使用的鼠标器为例，用户手握鼠标，只须轻轻一点，计算机便随之完成某种操作功能。当这种交互性与声像技术结合形成多媒体用户界面时，更可以使用户的操作达到自然、方便，丰富多彩。

1.1.3 计算机的分类

根据计算机的应用领域和硬件设施的不同，可以把计算机分为以下几类。

1. 巨型计算机（Super Computer）

人们通常把最快、最大、最昂贵的计算机称为巨型计算机（超级计算机）。巨型机一般用在国防和尖端科学领域。目前，巨型机主要用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、长期天气预报，以及社会模拟等领域。世界上只有少数几个国家能生产巨型机，著名巨型机如：美国的克雷系列（Cray-1、Cray-2、Cray-3和Cray-4等），我国自行研制的银河-I（每秒运算1亿次以上）、银河-II（每秒运算10亿次以上）和银河-III（每秒运算100亿次以上）都是巨型机。现在世界上运行速度最快的巨型机已达到每秒万亿次浮点运算。

2. 大型主机（Mainframe）

大型主机包括大型机和中型机，价格比较贵，运算速度没有巨型机那样快，一般只有大中型企事业单位才有必要配置和使用它。以大型主机和其他外部设备为主，并且配备众多的终端，组成一个计算机中心，才能充分发挥大型主机的作用。美国IBM公司生产的IBM360、IBM370、IBM9000系列，就是国际上有代表性的大型主机。

3. 小型计算机（Minicomputer）

小型计算机一般为中小型企事业单位或某一部门所用，例如高等院校的计算中心都以一台小型机为主机，配以几十台甚至上百台终端机，以满足大量学生学习程序设计课程的需要。当然其运算速度和存储容量都比不上大型主机。美国DEC公司生产的VAX系列机、IBM公司生产的AS/400机，以及我国生产的太极系列机都是小型计算机的代表。

4. 个人计算机（Personal Computer）

个人计算机（Personal Computer，PC），通常称为微机，俗称电脑，是第四代计算机时期出现的一个新机种。它虽然问世较晚，却发展迅猛，初学者接触和认识计算机，多数是从电脑开始的。电脑的特点是质量轻、体积小、价廉、易用。在过去20多年中，电脑使用的CPU芯片平均每两年集成度增加一倍，处理速度提高一倍，价格却降低一半。随着芯片性能的提高，电脑的功能越来越强大。今天，电脑的应用已遍及各个领域：从工厂的生产控制到政府的办公自动化，从商店的数据处理到个人的学习娱乐，几乎无处不在，无所不用。

5. 工作站（Workstation）

工作站是介于个人计算机和小型计算机之间的一种高档微型机。1980年，美国Apollo公司推出世界上第一台工作站DN100。20多年来，工作站迅速发展，现已成长为专门处理某类特殊事务的一种独立的计算机系统。著名的Sun、HP和SGI等公司，是目前规模较大的几个生产工作站的厂家。工作站通常配有高档CPU、高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内、外存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形处理功能。它主要用于图像处理、计算机辅助设计（CAD）等领域。

6. 小巨型计算机（Minisupers）

也称为桌上型超级计算机，它的问世对巨型机的高价格发出了挑战，其发展也非常迅速。例如，美国Convex公司的C系列机，就是比较成功的小巨型机。