任务1.1
了解计算机的发展历程

任务要求

肖磊上大学时选择了与计算机相关的专业，虽然他平时在生活中也会使用计算机，但是他知道计算机的功能远不只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，肖磊迫切地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，以及计算机的未来发展是怎样的。

本任务要求了解计算机的诞生及发展阶段，计算机的特点、应用和分类，以及计算机的发展趋势。

探索新知

1.1.1 计算机的诞生及发展阶段

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，电子技术飞速发展。1904年，英国电气工程师弗莱明研制出了真空二极管。1906年，美国科学家福雷斯特发明了真空三极管，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迅猛发展，相继出现了雷达和导弹等高科技产品，原有的计算工具难以满足大量科技产品对复杂计算的需求，迫切需要在计算技术上有所突破。1943年，美国宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫奇利和他的研究生埃克特计划采用电子管（真空管）建造一台通用计算机。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，每秒可完成约5000次加法运算、300多次乘法运算。ENIAC重约30t，占地约170m ² ，采用18800多个电子管、1500多个继电器、7000个电阻器和10000多个电容器，每小时耗电量约为150kW·h。虽然ENIAC体积庞大、性能不佳，但它的出现具有划时代的意义，它开创了电子技术发展的新时代——“计算机时代”。

同一时期，离散变量自动电子计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）研制成功，这是当时理论上运算速度最快的计算机，其主要设计理论是采用二进制和存储程序工作方式。

从第一台通用计算机ENIAC诞生至今，计算机技术已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，可以大致将计算机的发展分为4个阶段，如表1-1所示。

1.1.2 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

计算机主要有以下5个特点。

• 运算速度快。计算机的运算速度指的是计算机在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局限性，工作效率较低。而随着集成电路技术的发展，计算机的运算速度飞速提升，目前世界上已经有运算速度超过“每秒亿亿次”的超级计算机。
• 计算精度高。计算机的计算精度取决于其采用的机器码（二进制码）的字长，即常说的8位、16位、32位和64位等。机器码的字长越长，有效位数就越多，计算精度也就越高。
• 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。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。计算机具有许多用于存储信息的载体，这些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、声音和视频等各种形式的信息。例如，要在一个大型图书馆使用人工查阅的方法查找图书可能会比较麻烦。而采用计算机对图书进行管理后，所有的图书及索引信息都被存储在计算机中，这时查找一本图书就会非常方便。
• 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，而且程序可以反复执行。例如，正是因为将企业生产车间及流水线管理中的各种自动化生产设备植入了计算机控制系统，工厂生产自动化才成为可能。

2. 计算机的应用

在诞生初期，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大型高科技产品的研发。但随着社会的发展和科技的进步，计算机的功能不断扩展，计算机在社会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涉及的数学问题的计算。计算机不仅可以进行数值计算，还可以解微积分方程及不等式。由于计算机运算速度较快，因此以往人工难以完成甚至无法完成的数值计算，使用计算机都可以完成，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达到10万亿次/秒的超快运算速度。
• 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。现代计算机运算速度快，存储容量大，因此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，以及资料和人事档案的文字处理等。计算机在数据处理和信息管理方面的应用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。过程控制也称实时控制，是指利用计算机对生产过程和其他过程进行自动监测，以及对设备工作状态进行自动控制的一种控制方式，被广泛应用于各种工业环境中；计算机还可以代替人在危险、有害的环境中作业。计算机作业不受疲劳等因素的影响，可完成大量有高精度和高速度要求的任务，从而节省大量的人力、物力，大大提高经济效益。
• 人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指智能的计算机系统。人工智能具备人才具有的智能特性，能模拟人类的智能活动，如“学习”“识别图像和声音”“推理预测”“适应环境”等。目前，人工智能主要应用于智能机器人、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。计算机辅助是指利用计算机协助人们完成各种设计工作的技术。计算机辅助是目前正在迅速发展并不断取得成果的重要应用技术，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。网络通信是指利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来，从而形成计算机网络。随着互联网技术的快速发展，人们通过计算机网络不仅可以在不同地区和国家间进行数据的传递，还可以开展各种商务活动。
• 多媒体技术。多媒体技术（Multimedia Technology，MT）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。

按用途的不同，可将计算机分为专用计算机和通用计算机两种。其中，专用计算机是指为满足某种特殊需求而设计的计算机，如计算导弹弹道的计算机等。因为这类计算机都强化了计算机的某些特定功能，忽略了一些次要功能，所以有速度快、效率高、使用面窄和专机专用等特点。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。

按性能、规模和处理能力的不同，可将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机5种，具体介绍如下。

• 巨型机。巨型机也称为超级计算机或高性能计算机，如图1-2所示。巨型机是运算速度最快、处理能力最强的计算机之一，是为满足特殊需求而设计的。巨型机多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科研实力的体现。现有巨型机的运算速度大多在1万亿次/秒及以上。

• 大型机。大型机也称为大型主机，如图1-3所示。大型机的特点是运算速度快、存储容量大和通用性强，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，生产大型机的公司主要有国际商业机器（International Business Machines，IBM）公司和富士通公司等。

• 中型机。中型机在性能上不如大型机，其特点是处理能力强，常用于中小型企业。
• 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与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，常用于中小型企业。随着微型计算机的飞速发展，小型机被微型机取代的趋势已非常明显。
• 微型机。微型计算机简称微型机。微型机价格合理，功能齐全，被广泛应用于机关、学校、企业和家庭中。按结构和性能的差异，可将微型机分为单片机、单板机、个人计算机（Personal Computer，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和图1-5所示。

1.1.3 计算机的发展趋势

下面从计算机的发展方向和未来新一代计算机芯片技术这两个方面对计算机的发展趋势进行介绍。

1. 计算机的发展方向

计算机未来的发展呈现巨型化、微型化、网络化和智能化的趋势。

• 巨型化。巨型化是指计算机的运算速度更快，存储容量更大，功能更强，可靠性更高。巨型化计算机的应用领域主要包括天文、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，只有性能强的计算机才能胜任。
• 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，并会受到越来越多用户的喜爱。
• 网络化。随着计算机的普及，计算机网络也逐步深入人们的工作和生活。人们通过计算机网络可以连接分散在全球的计算机，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获得大量的信息，并能与世界各地的人进行网络通信、网上贸易等。
• 智能化。早期的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进行脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言、能看懂各种图形、可以自主学习等。智能化的计算机可以代替人完成部分工作，未来的智能化计算机将会代替人类完成在某些方面的脑力劳动，甚至会比人类做得更好。

2. 未来新一代计算机芯片技术

由于计算机的核心部件是芯片，因此计算机芯片技术的不断发展也是推动计算机发展的动力。英特尔（Intel）公司的创始人之一戈登·摩尔曾在1965年预言了计算机集成技术的发展规律，即摩尔定律，大致内容是每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，计算机芯片中集成的晶体管数量按照摩尔定律发展，不过其发展并不是无限的。现有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产生，电子的基本通路是原子。按现在的发展趋势，传输电流的导线直径将达到一个原子的直径长度，但这样的电流极易造成原子迁移，十分容易出现断路的情况。因此，世界上许多国家很早就开始了对各种非晶体管计算机的研究，如DNA生物计算机、光计算机、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类的智能。这类技术也是目前世界各国计算机技术研究的重点。

• DNA生物计算机。DNA生物计算机以脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）作为基本的运算单元，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。DNA生物计算机具有体积小、存储容量大、运算速度快、耗能低、可并行等优点。
• 光计算机。光计算机是以光子作为载体来进行信息处理的计算机。光计算机的优点是光器件的带宽非常大，能够传输和处理的信息量极大，信息传输中的畸变和失真小，信息运算速度快，光传输和转换时能量消耗极低等。
• 量子计算机。量子计算机是指遵循物理学的量子规律来进行数学运算和逻辑运算，并进行信息处理的计算机。量子计算机具有运算速度快、存储容量大、功耗低等优点。

任务实践——探索计算机的应用领域

计算机的应用十分广泛，目前已经遍及人类社会的各个领域，如国防科技、工业、农业、商业、交通运输、文化教育、医疗等。请查阅书籍或互联网上的资料，并结合自己的了解，说说计算机在各个领域的具体应用情况，将结果归纳到表1-2中。