1.1 计算机的产生、发展及应用特点

1946年2月14日，在美国宾夕法尼亚（Pennsylvania）大学的一间大厅里，由美国陆军的一位将军按下了一个按钮，一件对现代世界影响巨大的事件发生了，世界上第一台电子多用途数字计算机（ENIAC）启动了，如图1-1所示。ENIAC能够重新编程，解决各种计算问题。ENIAC是按照十进制，而不是按照二进制来计算的。

图1-1 ENIAC电子数字计算机

1.1.1 计算机产生的结构思想

在ENIAC充分运行之前，离散变量自动电子计算机EDVAC）的建造计划就被提出，其设计工作就已经开始。ENIAC和EDVAC的建造者均为宾夕法尼亚大学的电气工程师约翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特。和ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验场的弹道研究实验室研制的。与ENIAC不同的是，冯·诺依曼Von Neumann）以技术顾问形式加入，他总结和详细说明了EDVAC的逻辑设计，1945年6月发表了著名的关于EDVAC的报告草案，提出了以“二进制存储信息”“存储程序（自动执行程序）”为基础的计算机结构思想，报告提出的体系结构一直延续至今，即冯·诺依曼结构。EDVAC是冯·诺依曼结构的通用电子计算机，从1951年EDVAC成功运行开始，计算机经历了多次的更新换代，但使用的仍然是冯·诺依曼结构，冯·诺依曼与EDVAC计算机如图1-2所示。

图1-2 冯·诺依曼与EDVAC

冯·诺依曼计算机设计方案包含以下3个要点

1）采用二进制数的形式表示指令和数据。

2）将指令和数据存放在存储器中。

3）计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。

在计算机中，二进制数是计算机硬件能直接识别并进行处理的唯一形式。

计算机所做的任何工作都必须以二进制数据所表示的指令形式送入计算机内存中存储，一条条有序指令的集合称为程序。

根据冯·诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令。计算机对任何问题的处理都是对数据的处理，计算机所做的任何操作都是执行指令的结果。充分认识和理解计算机产生的结构思想，才能理解数据、程序与计算机硬件之间的关系，这对于学习和掌握计算机基本原理是十分重要的。

按照冯·诺依曼结构思想，计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，如图1-3所示。

图1-3 计算机硬件经典结构

计算机给出程序中第一条指令在存储器中的存储地址，控制器则依据第一条指令的地址顺序地取指令、分析（译码）指令、执行指令。在执行指令的过程中，运算器根据指令的要求完成对数据的处理，并把处理结果送入存储器存储。然后，由输出设备展示数据处理结果。这样，在控制器的控制下，计算机周而复始地完成全部的指令流操作，从而实现程序控制。

1.1.2 计算机的发展过程

从ENIAC的诞生到现在，计算机在体积、性能、速度、应用领域、生产成本等各方面都发生了巨大的变化。通常以计算机所使用的主要电子元器件为衡量标准，可以把计算机的发展历程划分为如下4代。

第1代：电子管计算机时代（约1946～1957年）。

采用电子管作为运算和逻辑元器件，以二进制代码和汇编语言编写指令和程序，主要用于科学和工程计算。

第2代：晶体管计算机时代（约1958～1964年）。

采用晶体管作为运算和逻辑元器件，产生了高级程序设计语言，主要用于科学计算、数据处理，并开始用于过程控制。

第3代：小规模集成电路计算机时代（约1965～1971年）。

采用半导体集成电路作为计算机的主要功能部件。计算机在科学计算、数据处理及过程控制等领域得到了更加广泛的应用。

第4代：大规模或超大规模集成电路计算机时代（1972年开始至今）。

采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）作为计算机的主要功能部件。随着CPU技术的迅速发展，相继诞生了32位、64位及双内核64位微处理器，时钟主频达到2GHz，如图1-4所示。半导体存储器因集成度不断提高，容量也越来越大，外存广泛使用软硬磁盘和光盘，各种输入/输出设备相继出现。软件产业高速发展，各种系统软件、应用软件相继出现且日趋完善，尤其是20世纪90年代开始的计算机网络及多媒体技术的迅猛发展，使计算机广泛应用于社会各个领域。

图1-4 超大规模集成电路制作的CPU芯片（Intel Core i、AMD A）

在应用需求的强力推动下，计算机未来发展趋势主要集中在以下几个方面。

1）提高计算机处理速度是计算机发展的主要目标。

2）在提高性能指标前提下，计算机继续朝着微型化方向发展。

3）计算机价格的下降趋势还在继续发展。

4）计算机的信息处理功能更加多媒体化。

5）网络通信更加完善、广泛。

6）计算机智能化可以模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，使计算机尽量具备和人一样的思维和行为能力。

1.1.3 计算机的特点及应用

计算机是一种能迅速而高效地自动完成信息处理的电子设备，它能按照程序对信息进行加工、处理和存储。

1.计算机的特点 现代计算机具有以下主要特点。

1）具有很高的信息处理速度。中央处理器（CPU）的速度几乎每两年翻一番，计算机的运算速度已达上亿次/s。

2）CPU芯片的集成化程度越来越高。CPU芯片上的半导体管器件的数量每18个月翻一番。

3）具有极大的信息存储容量。

4）具有精确的计算能力和逻辑判断能力。

5）具有多样的输入/输出手段和多媒体信息处理能力。

6）计算机网络使资源能够共享，信息迅速而方便地向四面八方传递。

2.计算机的应用 计算机的主要应用有以下几个方面。

1）科学计算和科学研究。计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。

2）数据处理（信息处理）。主要是利用计算机速度快和精度高的特点来对数字信息进行加工。

3）工业控制。用单板微型计算机实现底层的分散过程控制级（DDC级）控制，用微型计算机实现中间层的监督控制级（SCC级）监督管理控制，用高档微型计算机实现SCC或低层MIS管理。

4）计算机辅助系统。计算机辅助系统主要有计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造CIMS）等系统。

5）人工智能。人工智能主要是研究解释和模拟人类智能行为及其规律的一门学科，包括智能机器人、模拟人的思维过程、计算机学习等。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。

6）网络应用。计算机网络化实现资源共享、数据传输、电子商务、网络计算和控制等。

7）家用电器。目前，大多数家用电器都已嵌入单片微控制器，使其具有记忆、存储等智能化功能。