1.1 个人计算机简介

随着人类科技的发展，人们在生产劳动中创造并改进了多种计算工具。计算工具是人类大脑的延伸，可以让人的潜力得到更大的发挥。人类最初用手指计算，人有两只手，10根手指头，所以人们自然而然地习惯于运用十进制记数法。用手指计算固然方便，但不能存储计算结果，于是人们用石头、刻痕或结绳来延长自己的记忆能力。

以算筹为基础产生的算盘是计算工具发展史上的第一次重大改革，是公认的最早使用的计算工具。

随着科学技术的发展，商业、航海和天文学等方面都提出了许多复杂的计算问题，为计算工具的发展提供了契机。1642年，法国数学家、物理学家帕斯卡（Blaise Pascal）发明了第一台机械加法器Pascaline，这也是机械式计算工具的代表。

1888年，美国统计学家霍勒瑞斯（Herman Hollerith）为美国的人口统计局创建了第一台机电式穿孔卡系统——制表机，这台制表机参与了美国1890年的人口普查，是人类历史上第一次利用计算工具进行的大规模数据处理。

1.现代计算机的发展阶段

1944年8月至1945年6月是计算机科学技术快速发展的时期。冯·诺依曼（John Von Neuman）博士（见图1.1）与莫尔学院科研小组合作，提出了一个全新的存储程序通用数字电子计算机方案EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机），这就是人们通常所说的冯·诺依曼型计算机，如图1.2所示。该计算机采用“二进制”代码表示数据和指令，并提出了“程序存储”的概念，为现代计算机奠定了坚实基础。

（1）第一代电子管计算机（1945—1956年）

1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院物理学家莫奇利（John W. Mauchly，如图1.3所示）和工程师埃克特（J.Presper Eckert）领导的科研小组共同开发了数字电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数值积分计算机），ENIAC是计算机发展史上的里程碑，被广泛认为是世界上第一台现实意义上的计算机。

图1.1 冯·诺依曼

图1.2 EDVAC

图1.3 ENIAC研发团队（左为莫奇利）

图1.4 第一台电子管计算机（ENIAC）

ENIAC是一个庞然大物，其占地面积为170m2，总重量达30t，如图1.4所示。机器中约有18000支电子管、1500个继电器以及其他各种元器件，在机器表面则布满电表、电线和指示灯，每小时耗电量约为140kWh。这样一台“巨大”的计算机，每秒可以进行5000次加法运算，相当于手工计算的20万倍，相当于机电计算机的1000倍。ENIAC的研制成功是计算机发展史上的一座里程碑。

第一代计算机的特点是操作指令为特定任务而编制，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢；另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据，如图1.5所示。

（2）第二代晶体管计算机（1956—1963年）

1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大的电子管，电子设备的体积不断减小，如图1.6所示。1956年，晶体管在计算机中广泛使用，晶体管和磁芯存储器促使了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低，性能更稳定。

首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科学的大量数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。比如著名的UNIVAC LARC计算机，LARC计算机是20世纪60年代初期功能最强劲的一台计算机，也是最早的晶体管计算机之一，它在设计上有许多创新，例如能与主机并行操作的外围处理机，用以控制各种输入、输出设备并行地与主存交换信息，从而使计算机能高速地同时完成几个操作。它有2个运算器，10个存储器模块。

图1.5 电子管

图1.6 晶体管

第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件，如打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBOL（Common Business-Oriented Language）和FORTRAN（FORmula TRANslator）等语言，以单词、语句和数学公式代替二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业，如程序员、分析员和计算机系统专家，甚至整个软件产业由此应运而生。

（3）第三代集成电路计算机（1964—1971年）

虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管在使用中会产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分，集成电路的出现使得这种状况有了改善，集成电路如图1.7所示。1964年，美国IBM公司成功研制第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM 360系统，如图1.8所示。它的体系结构既便于事务处理，又便于科学计算；系列中各机型具有兼容性；有标准的输入、输出接口和通用的输入、输出设备，它们与中央处理器相对独立；软件既有兼容性又有可扩充性，从而可最大限度地保护用户的软件投资。这些特征大多都成为以后计算机设计与开发所遵循的基本原则。1964年，IBM为美国Airlines提供了SABRE系统；1966年IBM为美国社会保障管理机构提供了管理系统；在1969年的Apollo 11登月计划中，IBM 360系统更是大显身手。

图1.7 集成电路

图1.8 IBM 360系统

随后，计算机体积变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

（4）第四代大规模集成电路计算机（1971至今）

出现集成电路后，计算机唯一的发展方向是扩大规模。大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件，如图1.9所示。到了20世纪80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。在硬币大小的芯片上容纳如此大数量的元件使得计算机的体积变小，价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。

2016年11月14日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国公布，我国研制的“神威·太湖之光”再次问鼎冠军，如图1.10所示。它是世界首台运行速度超十亿亿次/秒的超级计算机，其峰值性能达每秒12.5亿亿次，持续性能为每秒9.3亿亿次，系统能效比高达每瓦特60.5亿次，这些指标均居世界第一。有了这套计算机系统，甚至可以在30天内完成未来100年的地球气候模拟。

图1.9 大规模集成电路

图1.10 神威·太湖之光超级计算机

2.计算机的发展趋势

目前计算机技术的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化4个方向发展。

（1）巨型化

巨型化是指具有运算速度高、存储容量大、功能更完善的计算机系统，其运算速度一般在每秒万亿次，这样的计算机被誉为“现代科技的大脑”。巨型机主要用于尖端科技和国防系统的研究与开发。如航空航天、军事工业、气象、人工智能等几十个学科领域，特别是在复杂的大型科学计算领域，其他的机种难以与之抗衡。

由于加工数据吞吐量极大，巨型机主机由高速运算部件和大容量快速主存储器构成，在系统结构、硬件、软件、工艺和电路等方面采取各种支持并行处理的技术。截至2017年，全球排名前十位的巨型机的浮点运算速度都在5000万亿次/秒以上。

航空航天、地质勘探、车船设计、动漫制作、环境保护、新药研发、生物信息、气象监测……巨型机的应用已从实体经济转到战略领域的诸多方面。

（2）微型化

微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞速发展。微处理器自1971年问世以来，发展非常迅速，几乎每隔两三年就会更新换代一次，这也使以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。微型化、多功能、高可靠性、防静电和抗电磁干扰的各类片式电子元器件不断发展，顺应了计算机微型化的发展方向，便携、网络化和多媒体化以及更轻、更薄、更短、更小的特点，使得微型机的发展日新月异。

现在，除了放在办公桌上的台式微型计算机外，还有可随身携带的膝上型计算机、可以握在手上的掌上型计算机以及在生活中广泛使用的嵌入式计算机，如电视机顶盒、数字电视、汽车、数码相机、家庭自动化系统、空调、POS机、工业自动化仪表与医疗仪器，使用范围覆盖了各行各业。这些微型机的体积小、使用方便、价格便宜，操作简单且技术更新快，迅速进入了社会各个领域。

（3）网络化

网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享数据和软硬件资源的目的。整个互联网相当于一台巨大的超级计算机，当然也可以构造地区性的网络、企事业内部网络、局域网络，家庭网络甚至个人网络。目前各国都在致力于“三网合一”的开发与利用，即将计算机网络、有线电视网、通信网合为一体，通过网络更加高效地传送文本、声音、图形和视频，用户不但可以随时随地上网，并可以方便地使用可视电话或者收看世界各地的电视节目。

现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、通信及商业等各行各业中得到广泛的应用。云计算、物联网、虚拟化、移动通信、网络安全与管理都是当今计算机网络化发展研究的热点，未来的计算机网络将向着开放、集成、智能的方向发展。

（4）智能化

智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人，如图1.11所示。专家系统已经在管理调度、辅助决策、医疗诊断、人脸识别、故障诊断、地质测绘、产品设计及教育咨询等方面广泛应用。文字、语音、图形图像的识别与理解以及机器翻译等领域也取得了重大进展，比如在线翻译系统、人脸识别等产品已经问世，且在不断地进行改进。

2017年1月4日晚，随着古力认输，阿尔法狗（AlphaGo，见图1.12）新版Master对人类顶尖高手的战绩停留在60胜0负1和，而令专业棋手最尴尬的是这唯一一场和棋还是因为计算机掉线系统自动判和。人工智能再度震撼人类，阿尔法狗制造团队谷歌DeepMind透露，Master只是被发现的那一个，还有更多的人工智能“狗”正在互联网上挑战人类。

图1.11 智能机器人

图1.12 AlphaGo

展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。

光子计算机的运算速度比电子计算机快1000倍，第一台超高速全光数字计算机已由欧盟的英、法、德、意等国的70多名科学家和工程师合作研制成功。

2013年9月26日，斯坦福大学宣布人类首台基于碳纳米管技术的计算机成功测试运行。碳纳米管是由碳原子层以堆叠方式排列所构成的同轴圆管，碳纳米管的直径可以小到1nm，而人类的DNA直径一般是2.5nm。碳纳米管具有体积小、传导性强、支持快速开关等特点。这台碳纳米管计算机芯片包含178个晶体管，其中每个晶体管由10～200个碳纳米管构成。

超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，其运算速度将比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是其千分之一。

DNA计算机比传统计算机在体积、容量、能耗、速度方面都有很大的优势，预计1cm3空间的DNA可储存的资料量超过1兆片CD容量，运算速度更可达到惊人的10亿次/秒，而能耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。目前离开发、实际应用还有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式，基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元，通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。量子计算机将会完成比传统计算机更复杂的运算，运算速度也是传统计算机无法比拟的。2016年8月，中国在量子计算机的研究上取得突破性进展，中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片和量子存储，可实现量子计算机的逻辑运算和信息处理。