1.1.4 知识链接

1.计算机的发展历程

（1）第一代计算机（1946—1957年）：电子管计算机。

硬件方面，逻辑元件采用真空电子管；主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管、静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁带。软件方面，采用机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。特点是体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但第一代计算机为以后的计算机发展奠定了基础。

（2）第二代计算机（1958—1964年）：晶体管计算机。

硬件方面，逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。软件方面，出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及其编译程序。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为数十万次每秒，可高达300万次每秒），性能相比第一代计算机有很大的提高。

（3）第三代计算机（1965—1970年）：中小规模集成电路计算机。

硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。软件方面，出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。特点是速度更快（一般为数百万次至数千万次每秒）、可靠性显著提高、价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。

（4）第四代计算机（1971年至今）：大规模、超大规模集成电路计算机。

硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。软件方面，出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

2.计算机的特点

计算机作为一种通用的信息处理工具，它具有极高的处理速度、很强的存储能力、精确的计算逻辑判断能力，其主要特点如下。

（1）运算速度快。截至2019年年底，超级计算机的运算速度已经达到每秒数十亿亿次，微型计算机也可以高达每秒几万亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。

（2）计算精确度高。科学技术的发展尤其是尖端科学技术的发展，需要高度精确地计算。计算机的计算精度从千分之几到百万分之几，令其他任何计算工具都望尘莫及。

（3）具有记忆和逻辑判断能力。随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序以及计算结果保存起来，以供用户随时调用。还可以对各种信息通过编码进行算术运算和逻辑运算，甚至进行推理和证明。

（4）具有自动控制能力。计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制进行的。用户根据实际应用需要，事先设计好运行步骤与程序，计算机会十分严格地按设定的步骤操作，整个过程无须人工干预。

（5）可靠性高。计算机的运行不会受外力、情绪的影响，只要内部元器件不损坏就可以连续工作。

3.计算机的应用

计算机的应用已渗透到社会的各个领域，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。总结起来计算机的主要应用领域有以下几个方面。

（1）科学计算。

科学计算也称为数值计算，是计算机最基本的功能之一。计算机最开始是为了解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题中的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中显得尤为重要。例如卫星运行轨迹、水坝应力、气象预报、油田布局、潮汐规律等，这些无法用人工解决的复杂的数值计算，都可以使用计算机快速而准确地解决。

（2）数据处理。

数据处理也叫信息处理，是计算机应用最广泛的领域。电子计算机早期主要用于数值计算，但不久应用范围就突破了这个局限，除了能进行数值计算之外，还能对字母、符号、表格、图形、图像等信息进行处理。计算机系统也发展了非数值算法和相应的数据结构，现代计算机可对数据进行采集、分类、排序、统计、制表、计算等方面的加工，并对处理的数据进行存储和传输。与科学计算相比，数据处理的特点是数据输入/输出量大，而计算则相对简单得多。

计算机的应用从数值计算发展到非数值计算的数据处理，大大拓宽了计算机应用的领域。目前，计算机的信息处理已经应用得非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索和经济管理等。信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。

（3）自动控制。

自动控制是通过计算机对某一过程进行自动操作的行为，它不需要人工干预，能够按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程。

计算机加上感应检测设备及模/数转换器，就构成了自动控制系统。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率和产品质量，降低成本，缩短生产周期，目前被广泛用于操作复杂的钢铁工业、石油化工业和医药工业等生产过程中。计算机自动控制还在国防和航空航天领域中起着决定性作用，例如无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是靠计算机来实现的。可以说计算机在现代国防和航空航天领域是必不可少的。

（4）辅助设计和辅助教学。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是指借助计算机的帮助自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前CAD技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计和大规模集成电路设计等。采用计算机辅助设计，可以缩短设计时间，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要的是提高了设计质量。CAD已经得到各国工程技术人员的高度重视，有些国家甚至把CAD和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助测试（Computer Aided Test）及计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）组成一个集成系统，使设计、制造、测试和管理有机地组成为一体，形成高度的自动化系统，因此产生了自动化生产线和“无人工厂”。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分别提供所需的教材内容，还可以个别教学，及时指出学生在学习中出现的错误，根据计算机对学生的测试成绩决定学生的学习从一个阶段进入另一个阶段。CAI不仅能够减轻教师的负担，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供有效的方法。

（5）人工智能。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能是计算机应用的一个重要领域，这方面的研究和应用正处于高速发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面已取得了显著的成效。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定的“思维能力”。

机器人是计算机人工智能的典型例子，其核心就是计算机。第一代机器人的代表是机械手；第二代机器人对外界信息能够反馈，有一定的触觉、视觉和听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，可以模仿人完成某些动作。机器人不怕疲劳，精确度高，适应力强，现已开始用于搬运、喷漆、焊接、装配等工作中。机器人还能代替人在危险工作中进行繁重的劳动，如在有放射线、污染有毒、高温、低温、高压和水下等环境中工作。

（6）多媒体技术应用。

随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、动画、图形、图像、音频、视频等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念——多媒体（Multimedia）。在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。

（7）计算机网络。

计算机网络是现代计算机技术与通信技术高度发展和密切结合的产物，它利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。

人类已经进入信息社会，处理信息的计算机和传输信息的计算机网络组成了信息社会的基础。目前，各种各样的计算机局域网在学校、政府机关甚至家庭中起着举足轻重的作用，全世界最大的计算机网络Internet（因特网）把整个地球变成了一个小小的村落，人们通过计算机网络实现数据与信息的查询、高速通信服务（电子邮件、电视电话、电视会议、文档传输）、电子教育、电子娱乐、电子商务、远程医疗和会诊、交通信息管理等。

4.计算机的分类

（1）按照性能指标分类：

①巨型机：高速度、大容量。

②大型机：速度快、应用于军事技术科研领域。

③小型机：结构简单、造价低、性能价格比突出。

④微型机：体积小、重量轻、价格低。

（2）按照用途分类：

①专用机：针对性强、特定服务、专门设计。

②通用机：通过科学计算、数据处理、过程控制解决各类问题。

（3）按照原理分类：

①数字机：速度快、精度高、自动化、通用性强。

②模拟机：用模拟量作为运算量，速度快、精度差。

③混合机：集中前两者优点、避免其缺点，处于发展阶段。