任务一 了解计算机的发展

任务要求

肖磊上大学时选择了与计算机相关的专业，虽然平时在生活中也会使用计算机，但是他知道计算机的功能很强大，远不止他目前所了解的那么简单。作为一名计算机相关专业的学生，肖磊迫切想要了解计算机是如何诞生与发展的，计算机有哪些功能和分类，计算机的未来发展又会是怎样的。

本任务要求了解计算机的诞生及发展，认识计算机的特点、应用和分类，了解计算机的发展趋势等相关知识。

任务实现

（一）了解计算机的诞生及发展

17世纪，德国数学家莱布尼茨发明了二进制计数法。20世纪初，电子技术得到飞速发展。在1904年，英国电气工程师弗莱明研制出真空二极管；在1906年，美国科学家福雷斯特发明真空三极管，为计算机的诞生奠定了基础。

20世纪40年代，西方国家的工业技术得到迅猛发展，相继出现了雷达和导弹等高科技产品，大量运用复杂计算的科技产品使原有的计算工具无能为力，迫切需要在计算技术上有所突破。1943年正值第二次世界大战，由于军事上的需要，美国宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫克利和他的研究生埃克特计划采用真空管建造一台通用电子计算机，这个计划被军方采纳。1946年2月，由美国宾夕法尼亚大学研制的世界上第一台通用电子计算机——电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）诞生了，如图1-1所示。

ENIAC的主要元件是电子管，每秒可完成5000次加法运算、300多次乘法运算，比当时最快的计算工具要快300倍。ENIAC重30多吨，占地170m2，采用了18000多个电子管、1500多个继电器、70000多个电阻和10000多个电容，每小时耗电量为150k W。虽然ENIAC的体积庞大、性能不佳，但它的出现具有跨时代的意义，它开创了电子技术发展的新时代——计算机时代。

同一时期，ENIAC项目组的一个美籍匈牙利研究人员冯·诺依曼研制出他自己的离散变量自动电子计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC），这是当时最快的计算机，其主要设计理论是采用二进制代码和存储程序工作方式。因此人们把该理论称为冯·诺依曼体系结构，并将其沿用至今，冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。

从第一台计算机ENIAC诞生至今，计算机技术成为发展最快的现代技术之一。根据计算机所采用的物理器件，可以将计算机的发展划分为4个阶段，如表1-1所示。

（二）认识计算机的特点、应用和分类

随着科学技术的发展，计算机已被广泛应用于各个领域，在人们的生活和工作中起着重要的作用。下面介绍计算机的特点、应用和分类。

1.计算机的特点

计算机的特点主要有以下6个方面。

●运算速度快。计算机的运算速度指的是单位时间内执行指令的条数，一般以每秒能执行多少条指令来描述。早期的计算机由于技术的原因，运算速度较低，而随着集成电路技术的发展，计算机的运算速度得到飞速提升，目前世界上已经有超过每秒亿亿次运算速度的计算机。

●计算精度高。计算机的运算精度取决于采用机器码的字长（二进制码），即常说的8位、16位、32位和64位等，字长越长，有效位数就越多，精度也就越高。如果将10位十进制数转换成机器码，便可以轻而易举地取得几百亿分之一的精度。

●逻辑判断准确。除了计算功能外，计算机还具备数据分析和逻辑判断能力，高级计算机还具有推理、诊断和联想等模拟人类思维的能力，因此计算机俗称为“电脑”，而具有准确、可靠的逻辑判断能力是计算机能够实现自动化信息处理的重要保证。

●存储能力强大。计算机具有许多存储记忆载体，可以将运行的数据、指令程序和运算的结果存储起来，供计算机本身或用户使用，还可即时输出文字、图像、声音和视频等各种信息。例如，要在一个大型图书馆使用人工查阅书目可能会犹如大海捞针，而采用计算机管理后，所有的图书目录及索引都存储在计算机中，这时查找一本图书只需要几秒钟。

●自动化程度高。计算机内具有运算单元、控制单元、存储单元和输入/输出单元。计算机可以按照编写的程序（一组指令）实现工作自动化，不需要人的干预，而且可以反复执行。例如，企业生产车间及流水线管理中的各种自动化生产设备，正是因为植入了计算机控制系统才使工厂生产自动化成为可能。

●具有网络与通信功能。通过计算机网络技术可以将不同城市、不同国家的计算机连在一起形成一个计算机网，在网上的所有计算机用户都可以共享资料和交流信息，从而改变了人类的交流方式和信息获取方式。

提示：除了以上主要特点外，计算机还具有可靠性高和通用性强等特点。

2.计算机的应用

在计算机诞生的初期，计算机主要应用于科研和军事等领域，负责的工作内容主要是针对大型的高科技研发活动。近年来，随着社会的发展和科技的进步，计算机的性能不断提高，计算机在社会的各个领域都得到了广泛的应用。

计算机的应用可以概括为以下7个方面。

●科学计算。科学计算即通常所说的数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程设计中提出的一系列复杂的数学问题的计算。计算机不仅能进行数字运算，还可以解答微积分方程以及不等式。由于计算机具有较高的运算速度，对于以往人工难以完成甚至无法完成的数值计算，计算机都可以完成，如气象资料分析和卫星轨道的测算等。目前，基于互联网的云计算，甚至可以体验每秒10万亿次的超强运算能力。

●数据处理和信息管理。数据处理和信息管理是指使用计算机来完成对大量数据进行的分析、加工和处理等工作，这些数据不仅包括“数”，还包括文字、图像和声音等数据形式。现代计算机速度快、存储容量大，在数据处理和信息加工方面的应用十分广泛，如企业的财务管理、事务管理、资料和人事档案的文字处理等。利用计算机进行信息管理，为实现办公自动化和管理自动化创造了有利条件。

●过程控制。过程控制也称为实时控制，它是指利用计算机对生产过程和其他过程进行自动监测以及自动控制设备工作状态的一种控制方式，被广泛应用于各种工业环境中，并取代人在危险、有害的环境中作业，不受疲劳等因素的影响，并可完成大量有高精度和高速度要求的操作，从而节省了大量的人力物力，并大大提高了经济效益。

●人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指设计智能的计算机系统，让计算机具有人才具有的智能特性，让计算机模拟人类的某些智力活动，如“学习”“识别图形和声音”“推理过程”和“适应环境”等。目前，人工智能主要应用在智能机器人、机器翻译、医疗诊断、故障诊断、案件侦破和经营管理等方面。

●计算机辅助。计算机辅助也称为计算机辅助工程应用，是指利用计算机协助人们完成各种设计工作。计算机的辅助功能是目前正在迅速发展并不断取得成果的重要应用领域，主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）和计算机辅助测试（Computer Aided Testing，CAT）等。

●网络通信。网络通信是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。网络通信是指利用计算机网络实现信息的传递功能。随着Internet技术的快速发展，人们通过计算机网络可以在不同地区和国家间进行数据的传递，并可进行各种商务活动。

●多媒体技术。多媒体技术（Multimedia Technology）是指通过计算机对文字、数据、图形、图像、动画和声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于教育、广告宣传、视频会议、服务业和文化娱乐业等领域。

3.计算机的分类

计算机的种类非常多，划分的方法也有很多种。

按计算机的用途可将其分为专用计算机和通用计算机两种。其中，专用计算机是指为适应某种特殊需要而设计的计算机，如计算导弹弹道的计算机等。因为这类计算机都增强了某些特定功能，忽略了一些次要需求，所以有高速度、高效率、使用面窄和专机专用的特点。通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等领域，具有功能多、配置全、用途广和通用性强等特点，目前市场上销售的计算机大多属于通用计算机。

按计算机的性能、规模和处理能力，可以将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5类，具体介绍如下。

●巨型机。巨型机也称超级计算机或高性能计算机，如图1-2所示。巨型机是速度最快、处理能力最强的计算机之一，是为满足少数部门的特殊需要而设计的。通常，巨型机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，现有的超级计算机运算速度大多可以达到每秒1万亿次以上。

●大型机。大型机或称大型主机，如图1-3所示，其特点是运算速度快、存储量大和通用性强，主要针对计算量大、信息流通量大、通信需求大的用户，如银行、政府部门和大型企业等。目前，生产大型主机的公司主要有IBM、DEC和富士通等。

●中型机。中型机的性能低于大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业和公司。

●小型机。小型机是指采用精简指令集处理器，性能和价格介于微型机和大型机之间的一种高性能64位计算机。小型机的特点是结构简单、可靠性高和维护费用低，它常用于中小型企业。随着微型计算机的飞速发展，小型机最终被微型机取代的趋势已非常明显。

●微型机。微型计算机简称微机，是应用最普及的机型，而且其价格便宜、功能齐全，被广泛应用于机关、学校、企业、事业单位和家庭中。微型机按结构和性能可以划分为单片机、单板机、个人计算机（PC）、工作站和服务器等。其中个人计算机又可分为台式计算机和便携式计算机（如笔记本电脑）两类，分别如图1-4、图1-5所示。

提示：工作站是一种高端的通用微型计算机，它可以提供比个人计算机更强大的性能，通常配有高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内存储器和外存储器，并具有极强的信息功能和高性能的图形图像处理功能，主要用于图像处理和计算机辅助设计领域。服务器是提供计算服务的设备，它可以是大型机、小型机或高档微机。在网络环境下，服务器根据提供服务的类型，可分为文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和Web服务器等。

（三）了解计算机的发展趋势

从计算机的历史来看，计算机的发展呈现出了体积越来越小、耗电量越来越少、速度越来越快、性能越来越佳、价格越来越便宜、操作越来越容易的趋势。

1.计算机的发展方向

未来计算机的发展呈现出巨型化、微型化、网络化和智能化的四大趋势。

●巨型化。巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更强和可靠性更高。巨型化计算机的应用范围主要包括天文、天气预报、军事和生物仿真等，这些领域需进行大量的数据处理和运算，这些数据处理和运算只有性能强的计算机才能完成。

●微型化。随着超大规模集成电路的进一步发展，个人计算机将更加微型化。膝上型、书本型、笔记本型和掌上型等微型化计算机将不断涌现，并受到越来越多的用户的喜爱。

●网络化。随着计算机的普及，计算机网络也逐步深入人们工作和生活的各个部分。人们通过计算机网络可以连接全球分散的计算机，然后共享各种分散的计算机资源。计算机网络逐步成为人们工作和生活中不可或缺的事物，它可以让人们足不出户就能获得大量的信息以及与世界各地的人进行通信、网上贸易等。

●智能化。早期，计算机只能按照人的意愿和指令去处理数据，而智能化的计算机能够代替人的脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言，能看懂各种图形，可以自己学习等，即计算机可以进行知识的处理，从而代替人的部分工作。未来的智能型计算机将会代替甚至超越人类某些方面的脑力劳动。

2.未来新一代计算机芯片技术

由于计算机最重要的核心部件是芯片，因此计算机芯片技术的不断发展也是推动计算机未来发展的动力。Intel公司的创始人之一戈登·摩尔在1965年曾预言了计算机集成技术的发展规律，那就是每18个月在同样面积的芯片中集成的晶体管数量将翻一番，而其成本将下降一半。

几十年来，计算机芯片的集成度严格按照摩尔定律发展，不过该技术的发展并不是无限的。计算机采用电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是原子。

由于晶体管计算机存在上述物理极限，因而世界上许多国家在很早的时候就开始了各种非晶体管计算机的研究，如超导计算机、生物计算机、光子计算机和量子计算机等。这类计算机也被称为第五代计算机或新一代计算机，它们能在更大程度上模仿人的智能，这类技术也是目前世界各国计算机技术研究的重点。