計算機的發展概述
世界上第一臺電子計算機于1946年2月在美國賓夕法尼亞大學誕生，取名為ENIAC（讀作“埃尼克”），即Electronic Numerical Internal And Calculator的縮寫。電子計算機的產生和迅速發展是當代科學技術最偉大的成就之一。自1946年美國研制的第一臺電子計算機ENIAC以來，在半個世紀的時間里，計算機的發展取得了令人矚目的成就。
計算機從誕生到現在，已走過了60年的發展歷程，在這期間，計算機的系統結構不斷發生變化。人們根據計算機所采用的物理器件，將計算機的發展劃分為幾個階段，下面就來具體介紹。
1.1.1 計算機發展簡史
電子計算機的發展階段通常以構成計算機的電子器件來劃分，至今已經歷了四代，目前正在向第五代過渡。每一個發展階段在技術上都是一次新的突破，在性能上都是一次質的飛躍。
1．第一代（1946～1957年），電子管計算機
它是一臺電子數字積分計算機，取名為ENIAC。這臺計算機是個龐然大物，共用了18 000多個電子管、1500個繼電器，重達30噸，占地170平方米，每小時耗電140千瓦，計算速度為每秒5000次加法運算。盡管它的功能遠不如今天的計算機，但ENIAC作為計算機大家族的鼻祖，開辟了人類科學技術領域的先河，使信息處理技術進入了一個嶄新的時代。其主要特征如下：
（1）電子管元件，體積龐大、耗電量高、可靠性差、維護困難。
（2）運算速度慢，一般為每秒鐘1千次到1萬次。
（3）使用機器語言，沒有系統軟件。
（4）采用磁鼓、小磁芯作為存儲器，存儲空間有限。
（5）輸入/輸出設備簡單，采用穿孔紙帶或卡片。
（6）主要用于科學計算。
2．第二代（1958～1964年），晶體管計算機
晶體管的發明給計算機技術帶來了革命性的變化。第二代計算機采用的主要元件是晶體管，稱為晶體管計算機。計算機軟件有了較大發展，采用了監控程序，這是操作系統的雛形。第二代計算機有如下特征：
（1）采用晶體管元件作為計算機的器件，體積大大縮小，可靠性增強，壽命延長。
（2）運算速度加快，達到每秒幾萬次到幾十萬次。
（3）提出了操作系統的概念，開始出現了匯編語言，產生了如FORTRAN和COBOL等高級程序設計語言和批處理系統。
（4）普遍采用磁芯作為內存儲器，磁盤、磁帶作為外存儲器，容量大大提高。
（5）計算機應用領域擴大，從軍事研究、科學計算擴大到數據處理和實時過程控制等領域，并開始進入商業市場。
3．第三代（1965～1969年），中小規模集成電路計算機
20世紀60年代中期，隨著半導體工藝的發展，已制造出了集成電路元件。集成電路可在幾平方毫米的單晶硅片上集成十幾個甚至上百個電子元件。計算機開始采用中小規模的集成電路元件，這一代計算機比晶體管計算機體積更小，耗電更少，功能更強，壽命更長，綜合性能也得到了進一步提高。具有如下主要特征：
（1）采用中小規模集成電路元件，體積進一步縮小，壽命更長。
（2）內存儲器使用半導體存儲器，性能優越，運算速度加快，每秒可達幾百萬次。
（3）外圍設備開始出現多樣化。
（4）高級語言進一步發展。操作系統的出現，使計算機功能更強，提出了結構化程序的設計思想。
（5）計算機應用范圍擴大到企業管理和輔助設計等領域。
4．第四代（1971年至今），大規模集成電路計算機
隨著20世紀70年代初集成電路制造技術的飛速發展，產生了大規模集成電路元件，使計算機進入了一個新的時代，即大規模和超大規模集成電路計算機時代。這一時期的計算機的體積、重量、功耗進一步減少，運算速度、存儲容量、可靠性有了大幅度的提高。其主要特征如下：
（1）采用大規模和超大規模集成電路邏輯元件，體積與第三代相比進一步縮小，可靠性更高，壽命更長。
（2）運算速度加快，每秒可達幾千萬次到幾十億次。
（3）系統軟件和應用軟件獲得了巨大的發展，軟件配置豐富，程序設計部分自動化。
（4）計算機網絡技術、多媒體技術、分布式處理技術有了很大的發展，微型計算機大量進入家庭，產品更新速度加快。
（5）計算機在辦公自動化、數據庫管理、圖像處理、語言識別和專家系統等各個領域得到應用，電子商務已開始進入到了家庭，計算機的發展進入到了一個新的歷史時期。
1.1.2 計算機的特點
1．自動地運行程序
計算機能在程序控制下自動連續地高速運算。由于采用存儲程序控制的方式，因此一旦輸入編制好的程序，啟動計算機后，就能自動地執行下去直至完成任務。這是計算機最突出的特點。
2．運算速度快
計算機能以極快的速度進行計算。現在普通的微型計算機每秒可執行幾十萬條指令，而巨型機則達到每秒幾十億次甚至幾百億次。隨著計算機技術的發展，計算機的運算速度還在提高。例如天氣預報，由于需要分析大量的氣象資料數據，單靠手工完成計算是不可能的，而用巨型計算機只需十幾分鐘就可以完成。
3．運算精度高
電子計算機具有以往計算機無法比擬的計算精度，目前已達到小數點后上億位的精度。
4．具有記憶和邏輯判斷能力
人是有思維能力的。而思維能力本質上是一種邏輯判斷能力。計算機借助于邏輯運算，可以進行邏輯判斷，并根據判斷結果自動地確定下一步該做什么。計算機的存儲系統由內存和外存組成，具有存儲和“記憶”大量信息的能力，現代計算機的內存容量已達到上百兆甚至幾千兆，而外存也有驚人的容量。如今的計算機不僅具有運算能力，還具有邏輯判斷能力，可以使用其進行諸如資料分類、情報檢索等具有邏輯加工性質的工作。
5．可靠性高
隨著微電子技術和計算機技術的發展，現代電子計算機連續無故障運行時間可達到幾十萬小時以上，具有極高的可靠性。例如，安裝在宇宙飛船上的計算機可以連續幾年時間可靠地運行。計算機應用在管理中也具有很高的可靠性，而人卻很容易因疲勞而出錯。另外，計算機對于不同的問題，只是執行的程序不同，因而具有很強的穩定性和通用性。用同一臺計算機能解決各種問題，應用于不同的領域。
微型計算機除了具有上述特點外，還具有體積小、重量輕、耗電少、維護方便、可靠性高、易操作、功能強、使用靈活、價格便宜等特點。計算機還能代替人做許多復雜繁重的工作。
1.1.3 計算機的應用
進入20世紀90年代以來，計算機技術作為科技的先導技術之一得到了飛躍發展，超級并行計算機技術、高速網絡技術、多媒體技術、人工智能技術等相互滲透，改變了人們使用計算機的方式，從而使計算機幾乎滲透到人類生產和生活的各個領域，對工業和農業都有極其重要的影響。計算機的應用范圍歸納起來主要有以下6個方面。
1．科學計算
亦稱數值計算，是指用計算機完成科學研究和工程技術中所提出的數學問題。計算機作為一種計算工具，科學計算是它最早的應用領域，也是計算機最重要的應用之一。在科學技術和工程設計中存在著大量的各類數字計算，如求解幾百乃至上千階的線性方程組、大型矩陣運算等。這些問題廣泛出現在導彈實驗、衛星發射、災情預測等領域，其特點是數據量大、計算工作復雜。在數學、物理、化學、天文等眾多學科的科學研究中，經常遇到許多數學問題，這些問題用傳統的計算工具是難以完成的，有時人工計算需要幾個月、幾年，而且不能保證計算準確，使用計算機則只需要幾天、幾小時甚至幾分鐘就可以精確地解決。所以，計算機是發展現代尖端科學技術必不可少的重要工具。
2．數據處理
數據處理又稱信息處理，它是指信息的收集、分類、整理、加工、存儲等一系列活動的總稱。所謂信息是指可被人類感受的聲音、圖像、文字、符號、語言等。數據處理還可以在計算機上加工那些非科技工程方面的計算，管理和操縱任何形式的數據資料。其特點是要處理的原始數據量大，而運算比較簡單，有大量的邏輯與判斷運算。
據統計，目前在計算機應用中，數據處理所占的比重最大。其應用領域十分廣泛，如人口統計、辦公自動化、企業管理、郵政業務、機票訂購、情報檢索、圖書管理、醫療診斷等。
3．計算機輔助設計
（1）計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是指使用計算機的計算、邏輯判斷等功能，幫助人們進行產品和工程設計。它能使設計過程自動化，設計合理化、科學化、標準化，大大縮短設計周期，以增強產品在市場上的競爭力。CAD技術已廣泛應用于建筑工程設計、服裝設計、機械制造設計、船舶設計等行業。使用CAD技術可以提高設計質量，縮短設計周期，提高設計自動化水平。
（2）計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是指利用計算機通過各種數值控制生產設備，完成產品的加工、裝配、檢測、包裝等生產過程的技術。將CAD進一步集成形成了計算機集成制造系統CIMS，從而實現設計生產自動化。利用CAM可提高產品質量，降低成本和降低勞動強度。
（3）計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）是指將教學內容、教學方法以及學生的學習情況等存儲在計算機中，幫助學生輕松地學習所需要的知識。它在現代教育技術中起著相當重要的作用。
除了上述計算機輔助技術外，還有其他的輔助功能，如計算機輔助出版、計算機輔助管理、輔助繪制和輔助排版等。
4．過程控制
亦稱實時控制，是用計算機及時采集數據，按最佳值迅速對控制對象進行自動控制或采用自動調節。利用計算機進行過程控制，不僅大大提高了控制的自動化水平，而且大大提高了控制的及時性和準確性。
過程控制的特點是及時收集并檢測數據，按最佳值調節控制對象。在電力、機械制造、化工、冶金、交通等部門采用過程控制，可以提高勞動生產效率、產品質量、自動化水平和控制精確度，減少生產成本，減輕勞動強度。在軍事上，可使用計算機實時控制導彈根據目標的移動情況修正飛行姿態，以準確擊中目標。
5．人工智能
人工智能（Artificial Intelligence，AI）是用計算機模擬人類的智能活動，如判斷、理解、學習、圖像識別、問題求解等。它涉及到計算機科學、信息論、仿生學、神經學和心理學等諸多學科。在人工智能中，最具代表性、應用最成功的兩個領域是專家系統和機 器人。
計算機專家系統是一個具有大量專門知識的計算機程序系統。它總結了某個領域的專家知識構建了知識庫。根據這些知識，系統可以對輸入的原始數據進行推理，做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢，這是人工智能的一個成功的例子。
機器人是人工智能技術的另一個重要應用。目前，世界上有許多機器人工作在各種惡劣環境，如高溫、高輻射、劇毒等。機器人的應用前景非常廣闊。現在有很多國家正在研制機器人。
6．計算機網絡
把計算機的超級處理能力與通信技術結合起來就形成了計算機網絡。人們熟悉的全球信息查詢、郵件傳送、電子商務等都是依靠計算機網絡來實現的。計算機網絡已進入到了千家萬戶，給人們的生活帶來了極大的方便。
1.1.4 電子計算機的分類
一般情況下，電子計算機有多種分類方法，但在通常情況下采用3種分類標準。
1．按處理的對象分類
電子計算機按處理的對象分可分為電子模擬計算機、電子數字計算機和混合計算機。
電子模擬計算機所處理的電信號在時間上是連續的（稱為模擬量），采用的是模擬技術。
電子數字計算機所處理的電信號在時間上是離散的（稱為數字量），采用的是數字技術。計算機將信息數字化之后具有易保存、易表示、易計算、方便硬件實現等優點，所以數字計算機已成為信息處理的主流。通常所說的計算機都是指電子數字計算機。
混合計算機是將數字技術和模擬技術相結合的計算機。
2．按性能規模分類
按性能規模可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和工作站。
（1）巨型機
研究巨型機是現代科學技術，尤其是國防尖端技術發展的需要。巨型機的特點是運算速度快、存儲容量大。目前世界上只有少數幾個國家能生產巨型機。我國自主研發的銀河I型億次機和銀河II型十億次機都是巨型機。主要用于核武器、空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等領域。
（2）大型機
大型機的特點表現在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在公司、銀行、政府部門、社會管理機構和制造廠家等，通常人們稱大型機為企業計算機。大型機在未來將被賦予更多的使命，如大型事務處理、企業內部的信息管理與安全保護、科學計算等。
（3）中型機
中型機是介于大型機和小型機之間的一種機型。
（4）小型機
小型機規模小，結構簡單，設計周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器由于可靠性高，對運行環境要求低，易于操作且便于維護。小型機符合部門性的要求，為中小型企事業單位所常用。具有規模較小、成本低、維護方便等優點。
（5）微型計算機
微型機又稱個人計算機（Personal Computer，PC），它是日常生活中使用最多、最普遍的計算機，具有價格低廉、性能強、體積小、功耗低等特點。現在微型計算機已進入到了千家萬戶，成為人們工作、生活的重要工具。
（6）工作站
工作站是一種高檔微機系統。它具有較高的運算速度，具有大小型機的多任務、多用戶功能，且兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它可以連接到多種輸入/輸出設備。它具有易于聯網、處理功能強等特點。其應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業、金融、辦公領域，并充當網絡服務器的角色。
3．按功能和用途分類
按功能和用途可分為通用計算機和專用計算機。
通用計算機具有功能強、兼容性強、應用面廣、操作方便等優點，通常使用的計算機都是通用計算機。
專用計算機一般功能單一，操作復雜，用于完成特定的工作任務。
