1.1　计算机的发展、类型及应用领域

计算机俗称电脑，是用来做计算的。计算机是人类在发展时，为了提高计算能力、速度而出现的工具。

1.1.1　计算机的发展

1.人类计算工具的演变

在古时候，人们最早使用的计算工具可能是手指，英文单词“digit”既有“数字”的意思，又有“手指“的意思。古人用石头打猎，所以还有可能是用石头来辅助计算。

随着社会发展，人们要记录的数字变多，便又演变出了结绳记事。而结绳记事的缺点便是速度太慢，并且绳子的长度会限制记录的数量。

又不知过了多久，许多国家的人开始使用“筹码”来计数，最有名的要数中国商周时期出现的算筹。古代的算筹实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子，大约二百七十几枚为一束，大多数是用竹子制成的，也有的是用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的。数学家祖冲之计算圆周率时使用的工具就是算筹。使用算筹计算需要慢慢摆放，仍旧很不方便。

于是，人们发明了更好的计算工具——算盘。据传，算盘在汉代萌芽，在南北朝时期定型，利用进位制计数。使用算盘时需要配合一套口诀，可以将口诀理解为现在的计算机软件。算盘本身还可以存储数字，使用时很方便。至今，算盘还在被使用。

15世纪，随着天文和航海的发展，计算工作越来越繁重，计算工具急需改进。

1630年，英国数学家奥特雷德在使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算时，突然想到，如果用两根相互滑动的对数刻度尺，不就省去了用两脚规度量长度了么。他的这个想法导致了机械化计算的诞生，但奥特雷德对这件事情并没有在意，此后200年里，他的发明也就没有被实际应用。

18世纪末，发明蒸汽机的瓦特成功制作了第一把计算尺，他在尺座上增加了一个滑标，用来“存储”计算的中间结果，这种滑标很长时间一直被后人沿用。

1850年以后，计算尺迅速发展，成为工程师随身携带的“计算器”，一直到20世纪中期，计算尺仍然是工科大学生的一种身份标志。

2.机械计算机的发展

1623年，法国数学家帕斯卡出生，他三岁丧母，后由担任税务官的父亲养大。在帕斯卡幼时，看到父亲费力地计算税率税款的时候，就想帮父亲做点事情。

1642年，帕斯卡发明了人类有史以来第一台机械计算机——帕斯卡加法器。它是一种由系列齿轮组成的装置，外形像一个长方形盒子，用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动，只能够做加法和减法。然而，即使只做加法，也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时，棘爪便逐渐升高；一旦齿轮转到0，棘爪就“咔嚓”一声跌落下来，推动十位数的齿轮前进一档。

1662年，帕斯卡去世，不久后，在德国的大数学家莱布尼茨看到了帕斯卡关于加法计算机的论文，勾起了他的发明欲。莱布尼茨早年经历坎坷，后来获得了一次去法国的机会。在巴黎的时候，他聘请了一些著名的机械专家和能工巧匠，终于在1674年制造出了一台更完美的机械计算机。

莱布尼茨发明的新型机械计算机约有1米长，内部安装了一系列齿轮机构，除了体积较大之外，其基本原理与帕斯卡加法器并无不同。不过，莱布尼茨技高一筹，他为计算机增添了一种名叫“步进轮”的装置。步进轮是一个有9个齿轮的长圆柱体，9个齿轮依次分布于圆柱表面，旁边另有个小齿轮可以沿着轴移动，逐次与步进轮啮合。每当小齿轮转动一圈，步进轮可根据它与小齿轮啮合的齿数，分别转动1/10圈、2/10圈……，直到9/10圈，这样一来，它就能够连续、重复地做加法。

连续、重复地做加法就是现代计算机做乘除法采用的办法，所以莱布尼茨的机械计算机加减乘除四则运算一应俱全。

在介绍莱布尼茨的时候还有一个小插曲，据说大约在1700年左右的某天，莱布尼茨的朋友送给他一幅中国的“易图”（其实就是八卦图）。在看八卦图的时候，莱布尼茨发现八卦图的每一种卦象都由阴阳两种符号组成，这不就是有规律的二进制数字吗。于是他就由此，率先提出了二进制的运算法则，直到今天，我们用到的计算机还在使用二进制。

1890年，德国侨民霍列瑞斯博士在美国做人口普查（上一次人口普查人工花了7年），人口普查需要做大量工作，如年龄、性别等用调查表做采集的项目，还要计算每个社区有多少老人、小孩，男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用机器自动统计这些数据。几年后他根据巴贝奇的发明和杰卡德的穿孔纸带设计了机器，结果花了6周就得出了准确的数据。

杰卡德和霍列瑞斯分别用开创了程序设计和数据处理的先河。以历史的目光审视他们的发明，正是这种程序设计和数据处理，构成了计算机“软件”的雏形。

1906年，美国的德福雷斯特发明了电子管，为计算机的发展奠定了基础。（真空管是弗莱明在1904年发明的，使用玻璃外壳密封，里面装有碳丝和铜板，并抽成接近真空状，具有单向导通的能力，是一种二极管。1906年，德福雷斯特在真空二极管的基础上发明了真空三极管，可通过栅极电压控制阴极到阳极之间的电流，也可以当作压控开关使用。）

1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管（电子管）的发明专利。真空三极管可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极到阳极的电流完全导通，相当于开关开启；“截止”即从阴极到阳极没有电流流过，相当于开关关闭，其控制速度要比艾肯的继电器快成千上万倍。

3.电子计算机的发展

（1）电子管计算机（1946—1957年）

1946年，美国首次研制成功人类第一台计算机，这台机器重30吨，占地面积达167平方米。

1949年诞生了第一台存储程序的计算机，又称第一代机，这台计算机为后来的计算机发展奠定了基础。

电子管计算机的主要特点如下：

·采用电子管作为基本逻辑部件，体积大、耗电量大、寿命短、成本高。

·采用电子射线管作为存储部件，容量很小，后来外存储器使用了磁鼓存储信息，扩充了容量。

·输入输出装置落后，主要使用穿孔卡片，速度慢，使用十分不便。

·没有系统软件，只能用机器语言和汇编语言编程。

（2）晶体管计算机（1958—1964年）

1959年，第一台晶体管计算机问世，由此，计算机发展进入了第二阶段。

1964年，IBM第一代360系列计算机问世，这是第一代通用计算机，为研制这种计算机，IBM投资50亿美元，比二战期间美国政府投入到原子弹研究的钱（20亿美元）还要多；由此，计算机发展进入了第三阶段。

晶体管计算机的主要特点如下：

·采用晶体管制作基本逻辑部件，体积减小，重量减轻，能耗降低，成本下降，计算机的可靠性和运算速度均得到提高。

·普遍采用磁芯作为存储器，采用磁盘、磁鼓作为外存储器。

·开始有了系统软件（监控程序），提出了操作系统概念，出现了高级语言。

（3）集成电路计算机（1965—1969年）

主要特点：采用中，小规模集成电路制作各种逻辑部件，从而使计算机体积小，重量更轻，耗电更省，寿命更长，成本更低，运算速度有了更大的提高。

采用半导体存储器作为主存，取代了原来的磁芯存储器，使存储器容量的存取速度有了大幅度的提高，增加了系统的处理能力。

系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统，多用户可以共享计算机软硬件资源。

在程序设计方面上采用了结构化程序设计，为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证。

（4）大规模、超大规模集成电路计算机（1970年至今）

主要特点：基本逻辑部件采用大规模，超大规模集成电路，使计算机体积、重量、成本均大幅度降低，并出现了微型机。

作为主存的半导体存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除广泛使用软、硬磁盘外，还引进了光盘。

各种使用方便的输入输出设备相继出现。

软件产业高度发达，各种实用软件层出不穷，极大地方便了用户。

计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世界紧密地联系在一起。

多媒体技术崛起，计算机集图像、图形、声音、文字、处理于一体，在信息处理领域掀起了一场革命。

1.1.2　计算机的特点、分类和应用

1.计算机的特点

（1）运算速度快

运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或每秒钟执行指令的条数来衡量。运算速度快是计算机的一个突出特点，计算机的运算速度已由早期的每秒几千次（如ENIAC机每秒钟仅可完成5000次定点加法）发展到现在的最高可达每秒几千亿次乃至万亿次。

计算机高速运算的能力极大地提高了工作效率，把人们从脑力劳动中解放出来。过去用人工旷日持久才能完成的计算，现在计算机在“瞬间”即可完成。曾有许多数学问题，由于计算量太大，数学家们终其毕生也无法完成，现在使用计算机则可轻易地解决。

（2）计算精度高

在科学研究和工程设计中，对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字（如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等），而计算机对数据的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，根据需要甚至可达到任意的精度。

（3）存储容量大

计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。目前计算机的存储容量越来越大，已高达千兆数量级的容量。计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具的一个重要区别。

（4）具有逻辑判断功能

计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

（5）自动化程度高，通用性强

由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在计算机内，工作时按程序规定的操作，一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所不具备的。

计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用于各个领域。

2.计算机的分类

根据运算速度、输入/输出能力、数据存储量、指令系统的规模和机器价格等因素，可将计算机划分为以下六类。

（1）巨型机

巨型机又称超级计算机（Super Computer），它是所有计算机中性能最高、功能最强、速度极快、存储量巨大、结构复杂、价格昂贵的一类计算机，其浮点运算速度目前已达每秒千万亿次。

（2）大型机

大型机是计算机中通用性能最强，功能、速度、存储量仅次于巨型机的一类计算机，国外习惯上将其称为主机（Mainframe）。大型机具有比较完善的指令系统和丰富的外部设备，很强的管理和处理数据的能力，一般用在大型企业、金融系统、高校、科研院所等。

（3）小型机

小型机（Mini Computer）是计算机中性能较好、价格便宜、应用领域非常广泛的一类计算机，其浮点运算速度可达每秒几千万次。小型机结构简单、使用和维护方便，备受中小企业欢迎，主要用于科学计算、数据处理和自动控制等。

（4）微型机

微型机也称为个人计算机（Personal Computer，简称PC），是应用领域最广泛、发展最快、人们最感兴趣的一类计算机，它以设计先进（总是率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、体积小、价格便宜、灵活、性能好等优势而拥有广大的用户。目前，微型机已广泛应用于办公自动化、信息检索、家庭教育和娱乐等领域。

（5）服务器

服务器（Server）是可以被网络用户共享、为网络用户提供服务的一类高性能计算机。一般都配置多个CPU，有较高的运行速度，并具有超大容量的存储设备和丰富的外部接口。

（6）工作站

工作站（Workstation）是一种高档微型机系统。通常它配有大容量的内存、高分辨率的大屏幕显示器、较高的运算速度和较强的网络通信能力，具有大型机或小型机的多任务、多用户能力。因此，工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域。

3.计算机的主要用途

伴随着计算机硬件和软件技术的发展，尤其是近年来网络技术的迅速发展，使计算机的应用范围从科学计算、数据处理、过程控制等传统领域扩展到计算机辅助技术、人工智能、网络应用等现代应用领域。

（1）数值计算

早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域。它用于解决科学研究和工程技术中提出的数学计算问题。利用计算机的高速度、高精度和存储容量大等特点，可以解决各种现代科学技术中计算量大、公式复杂、步骤烦琐的计算问题。如果不用计算机，这些问题是很难解决的，甚至根本无法完成。例如，在生物学领域，20世纪科研重大成果之一的核糖核酸、脱氧核糖核酸和蛋白质的组成和空间结构，就是采用计算机对其晶体结构进行大量分析、计算而获得的。此外，数值计算还应用于人造卫星、导弹发射及天气预报等领域中的计算问题。

（2）数据处理

数据处理是指对数字、文字、声音、图形和图像等各种类型的数据进行收集、存储、分类、加工、排序、检索、打印和传送等工作。数据处理具有数据量大、数据之间的逻辑关系比较复杂的特点，但计算却相对简单。如在我国人口普查中，要对120个大、中型城市中人口的年龄、性别、职业等10多个项目的几百亿个数据进行统计分析，单靠人力是无法精确完成的，而用计算机则只需几个小时即可得到全部结果。

计算机的应用从数值计算到非数值计算，是计算机应用中的一个飞跃。在当今的信息社会，从国家经济信息系统、科技情报系统、银行储蓄系统到办公自动化等，均需要数据处理技术的支持。

（3）过程控制

过程控制也称实时控制，它是指计算机对被控制对象实时地进行数据采集、检测和处理，按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。由于微型机具有体积小、成本低和可靠性高的特点，在过程控制中得到了广泛应用。用计算机控制生产过程，不仅可以大大提高生产率，减轻人们的劳动强度，更重要的是可提高精度，提高产品质量和合格率。在电力、冶金、石油化工、机械制造等工业部门采用过程控制，可以提高劳动效率，提高产品质量，降低生产成本，缩短生产周期。