第壹章 計算機發展與 計算機應用 概述
1.1計算機發展概述
1946年2月，世界上第壹臺計算機 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)誕生於美國賓夕法尼亞大學。它使用了18000個電子管、10000只電容和7000個電阻，占地170平方米，重達30噸，耗電150千瓦，每秒可進行5000次加、減法運算，價值40萬美元。當時它的設計目的是為美國陸軍彈道實驗室解決彈道特性的計算問題，雖然它無法同現今的計算機相比，但在當時它可把計算壹條發射彈道的時間縮短到30秒以下，使工程設計人員從繁重的計算中解放出來。在當時這是壹個偉大的創舉，它開創了計算機的新時代。
從第壹臺計算機誕生以來的50多年裏，每隔數年在軟、硬件方面就有壹次重大的突破，至今計算機的發展已經歷了以下四代。
第壹代計算機(1946~1955年)。
從1946至1955年，陸續出現了壹些著名的計算機，其用途已從軍事進入到為公眾服 務方面。它們都屬於第壹代計算機，其特征是：使用電子管為邏輯元件，內存儲器開始時使用水銀延遲線或靜電存儲器，後來采用磁芯，外存貯器有紙帶、卡片、磁帶等。運算速度可在每秒幾千次到幾萬次。程序設計語言用二進制碼表示的機器語言和匯編語言。第壹代計算機體積都較龐大，造價很高，速度低，主要用於科學計算。
第二代計算機(1955~1964年)。
1955年第壹臺全晶體管計算機問世，1958年開始，以IBM公司的7000系列為代表的全晶體管計算機成為第二代計算機的主流產品。第二代計算機的主要特征為：全部使用晶體管，用磁芯做主存儲器，用磁盤或磁帶做外存儲器，運算速度達到每秒幾十萬次。程序設計語言也在這壹時期取得了較大發展，如 ALGO 60、FORTRAN、COBOL等都相繼投入使用。程序的編制方便了，通用性也增強了，因而計算機的應用也擴展到事務管理及工業控制等方面。
第三代計算機(1964~1970年)。
1964年美國IBM公司公布了采用集成電路制造的System/360系列計算機，同時開發了供該系列機使用的OS/360操作系統，它使系列機內的低檔機向高檔機升級時，原有的操作系統與應用軟件可繼續使用，使360系列機本身成為第三代計算機的主流產品。第三代計算機的特征是用中、小規模集成電路代替了分立的晶體管元件, 內存開始使用半導體存儲器，計算速度可達到幾十萬次到幾百萬次，個別的達到壹千萬次，內存儲容量可達到兆字節。這壹時期對計算機的設計提出了系列化、通用化和標準化的思想。例如，將系列機擴展到大、中、小型以適應不同層次的需要;在硬件設計中采用標準的半導體存儲芯片和輸入輸出接口部件。在軟件設計中提倡模塊化和結構化設計，這樣不但使計算機的成本降低，而且還擴大了計算機的應用範圍。
第四代計算機(1971年~現在)。
1971年，英特爾公司制成了第壹代微處理器，它集成了2250個晶體管組成的電路。它標誌著計算機的發展已進人到了大規模集成電路的應用時代。大規模集成電路的應用是第四代計算機的基本特征，在這壹代計算機上采用集成度更高的半導體芯片做存儲器，計算機的速度可以達到每秒幾百萬次到上億次。操作系統不斷完善，應用軟件層出不窮。在計算機系統結構方面發展了分布式計算機、並行處理技術和計算機網絡等。這壹時期計算機的發展進入了以計算機網絡為特征的時代。
我國自1956年開始研制計算機。第壹臺計算機於1958年研制成功，我國自行研制的第壹臺晶體管計算機也於1964年問世。1971年又研制成功了集成電路計算機。1985年研制出第壹臺IBM PC兼容微型機。2001年我國第壹款通用CPU?龍芯?芯片研制成功，2002年推出了完全自主知識產權的?龍騰?服務器。
微型計算機屬於第四代計算機，但單從微型機來看，在這30多年的發展裏又可再將它分為五個時代。
第壹代是自1971年開始的4位微機，它的芯片集成了2000個晶體管，時鐘頻率為1MHz。
第二代是自1973年開始的8位微機。它的芯片集成度為4000-9000個晶體管，時鐘頻率4MHz。其典型的產品是Intel公司的8080，Motorola公司的M6800等。
第三代是自1978年開始的16位微機。芯片集成度為2萬~7萬個晶體管，時鐘頻率為5MHz~10MHz。典型的產品是Intel公司的8086及80286。 IBM公司用這壹代芯片研制了IBMPC、 IBMPC/XT及 IBM PC/AT。
第四代是自1981年開始的32位微機。芯片的集成度為10萬～100萬個晶體管。時鐘頻率10MHz~33MHz。用該微處理器制成的微機的性能達到或超過了70年代的大、中型計算機。
第五代是自1993年開始的64位微機。芯片的集成度在l00萬個晶體管以上，並且每年都有不同類型的新產品出現。
微處理器的發展大大地推動了計算機的發展，目前性能價格比大幅度躍升，采用多處理機技術的大型機使用數十個微處理器芯片的產品已經系列化。新壹代的操作系統采用友好的圖形界面使用戶學習和使用計算機更加容易。面向對象的程序設計語言的使用，使程序員能更快、更好地設計高質量的軟件。將來計算機的發展趨勢將表現在以下幾個方面：
1.多極化
雖然今天個人計算機已席卷全球，但由於計算機應用的不斷深入，對大型機、巨型機的需求也在穩步增長。巨型、大型、小型、微型機各有自己的應用領域，形成了壹種多極化的形勢。
2.網絡化
利用現代通信和計算機技術，把分布在不同地點的計算機互聯起來，按照網絡協議互相通信，以***享軟、硬件和數據資源。網絡是計算機技術和通信技術結合的產物，雖然已出現近30年，但直到近幾年才開始形成熱潮，並且已開始走向家庭。
3.多媒體
多媒體是80年代末、90年代初發展起來的壹項新技術，過去人機交互的媒體僅僅是文字，而多媒體技術則是以圖形、圖像、聲音、文字等多種媒體進行人機交互。在短短的幾年中多媒體技術已走向成熟，計算機輔助教學的蓬勃發展也全靠多媒體技術的支持。多媒體技術被認為是90年代信息領域的壹次革命。
4.智能化
智能化是新壹代計算機實現的目標，前述日本宣布的它的第五代計算機研制計劃就是研制智能計算機。神經網絡計算機和生物計算機更強調計算機具有像人壹樣的能聽、說和邏輯思維能力。智能化的主要研究領域為：模式識別、機器人、專家系統、自然語言的生成與理解等方面。目前在這些領域都取得了不同程度的進展，將來隨著第五代計算機的誕生，計算機技術將發展到壹個更高、更先進的水平。
計算機中最重要的核心部件是CPU芯片，以矽片為基礎的芯片制造技術的發展並不是無限的，不久的將來就可能達到發展的極限，目前認為有可能引發下壹次計算機技術革命的技術主要包括：納米技術、光技術、量子技術和生物技術。未來的計算機發展方向是：光計算機、生物計算機、分子計算機、量子計算機。
光計算機的發展方向是把極細的激光束與快速芯片結合，主要解決芯片之間的數據傳輸問題。由於光子的傳播速度極快，今天的計算機數據傳輸速度最高為每秒10億字節，采用光技術後其傳輸速度可以達到每秒萬億字節。另外光子不像帶電的電子那樣相互作用，因此經過同樣窄小的空間時可以傳輸更多的數據。同時光的傳輸無需物理連接。光計算機發展的關鍵技術是要做出能耗少、體積小、易於制造、價廉的光電子轉換器和光計算機定位系統。
生物計算機實現起來比光計算機更為困難，它是使用生物工程技術產生的蛋白分子為主要原料制成的生物芯片。它不但具有巨大的存儲能力，且能以波的形式傳播信息。其處理速度比當今最快的計算機快壹百萬倍，而且能耗僅有現代計算機的十億分之壹。許多科學家認為，21世紀很可能是生物計算機的時代。
分子計算機的基礎是制造出單個的分子，其功能與三極管、二極管及今天的微電路的其他重要部件相同或相似，然後把上億個分子器件牢固地連接在某種基體表面。在這方面還有很長的路要走。
量子計算機目前處於理論與實現之間，大多數科學家認為量子計算機會在今後幾十年間出現，它是采用基於量子力學原理的、采用深層次計算模式的計算機，這種模式只由物質世界中壹個原子的行為所決定，而不像傳統的二進制計算機那樣將信息分為0和1，對應於晶體管的開和關來處理。他的這種計算模式對並行計算非常有利。量子計算機的原型機正在研究當中，還要進行多年的艱苦研究工作，但科學家預見終究將有壹天會出現針尖上的超級計算機。
1. 2計算機的特點和分類
1.2.l計算機的特點
1.運算速度快
運算速度快是計算機從出現到現在人們利用它的主要目的。現代的計算機已達到每秒幾百億次至幾萬億次的運算速度。許多以前無法做到的事情現在利用高速計算機就可以得到實現。如眾所周知的天氣預報，若不采用高速計算機，就不可能對幾天後的天氣變化作較準確的預測。另外，像我國十多億人的人口普查，離開了計算機也無法完成。
2.計算精度高
計算機采用二進制數字運算，計算精度可用增加表示二進制數的位數來獲得，從程序設計方面也可使用某些技巧，使計算精度達到人們所需的要求。眾所周知的圓周率p，壹位美國數學家花了15年時間計算到707位，而采用計算機目前已達到小數點後上億位。
3.具有記憶和邏輯判斷能力
計算機的存儲器不僅能存放原始數據和計算結果，更重要的是能存放用戶編制好的程序。它的容量都是以兆字節計算的，可以存放幾十萬至幾千萬個數據或文檔資料，當需要時，又可快速、準確、無誤地取出來。計算機運行時，它從存儲器高速地取出程序和數據，按照程序的要求自動執行。
計算機還具有邏輯判斷能力，這使得計算機能解決各種不同的問題。如判斷壹個條件是真還是假，並且根據判斷的結果，自動確定下壹步該怎麽做。例如數學中的著名難題?4色問題即對任意地形圖，要使相鄰區域顏色不同，用4種顏色就夠了?就是美國數學家在1976年用了上百億次判斷，三臺計算機***用了1200小時才解決的。
4.可靠性高，通用性強
現代計算機由於采用超大規模集成電路，都具有非常高的可靠性，可以安全地使用在各行各業，特別是像銀行這種要求高可靠性的行業。由於計算機同時具有計算和邏輯判斷等功能，使得計算機不但可用於數值計算，還可對非數據信息進行處理，如圖形圖像處理、文字編輯、語言識別、信息檢索等各個方面。使得計算機的應用在各行各業都可發揮出它的效力。
l.2.2計算機的類型
計算機的分類方法很多，有按計算機的原理將其分為數字計算機、模擬計算機和混合式計算機三大類的;也有按用途將其分為通用機和專用機兩大類的;這裏我們按照1989年美國電氣和電子工程師協會(IEEE)的科學巨型機委員會對計算機的分類提出的報告，來對計算機的各種類型進行分別介紹。按照這壹分類方法，計算機被分成巨型機、小巨型機、主機、小型計算機、工作站、個人計算機等6類。現分別介紹如下：
1.巨型機
巨型機在6類計算機中是功能最強的壹種，當然價格也最昂貴，它也被稱作超級計算機，它具有很高的速度及巨大的容量，能對高品質動畫進行實時處理。巨型機的指標通常用每秒多少次浮點運算來表示。70年代的第壹代巨型機每秒為1億次浮點運算;80年代的第二代巨型機每秒為100億次浮點運算;90年代研制的第三代巨型機速度已達到每秒萬億次浮點運算。目前的許多巨型機都是采用多處理機結構，用大規模並行處理來提高整機的處理能力。
目前巨型機大多用於空間技術，中、長期天氣預報，石油勘探，戰略武器的實時控制等領域。生產巨型機的國家主要是美國和日本，俄羅斯、英國、法國、德國也都開發了自己的巨型機。我國在1983年研制了?銀河Ⅰ?型巨型機，其速度為每秒1億次浮點運算。1992年研制了?銀河Ⅱ?型巨型計算機，其速度為每秒10億次浮點運算，1997年推出的?銀河Ⅲ?型巨型機是屬於每秒百億次浮點運算的機型，它相當於第二代巨型機,2001年我國又成功推出了?曙光3000?巨型計算機，其速度為每秒4000億次，2003年12月推出的聯想?深騰6800?達到每秒4萬億次，2004年六月推出的?曙光4000A?達到每秒11萬億次，已經進入世界前十名。
2.小巨型機
小巨型機是由於巨型機性能雖高但價格昂貴，為滿足市場的需求，壹些廠家在保持或略降低巨型機性能的前提下，大幅度降低價格而形成的壹類機型。小巨型機的發展壹是將高性能的微處理器組成並行多處理機系統，二是將部分巨型機的技術引入超小型機使其功能巨型化。目前流行的小巨型機處理速度在每秒250億次浮點運算，價格只相當於巨型機的十分之壹。