下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
计算机是一种可以按照设计程序运行、自动且高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机作为现代信息技术的核心组成部分，其发展和应用已经深刻地改变了人类社会的各方面。人们日常接触较多的计算机为个人计算机，是计算机的一种。随着计算机技术的不断进步，它不仅成为了人们工作和学习的重要工具，还推动了人工智能、大数据、云计算等领域的飞速发展。
计算机的出现与发展是信息技术史上最为重要的事件之一，它标志着人类在信息处理和计算能力上的突破。从最初的机械计算工具到现代高度智能化的计算机，计算机技术经历了漫长而又革命性的变革。
为了计算弹道轨迹，宾夕法尼亚大学电子工程系教授约翰·莫奇利（John Mauchly）和他的研究生约翰·埃克特（John Presper Eckert）计划采用真空电子管建造一台通用的电子计算机。1943年，莫奇利和埃克特开始研制ENIAC（Eiectronic Numerical Intergrator And Computer，电子数字积分计算机），并于1946年2月14日研制成功。ENIAC被广泛认为是第一台实际意义上的电子计算机，如图2-1和图2-2所示。它通过不同部分之间的重新接线编程，并拥有并行计算能力，但功能受限制，速度也慢，并且体积和耗电量都非常大。
图2-1
图2-2
计算机发展至今，一般按照逻辑元件进行划分，主要分为以下4个阶段。
第1代计算机的逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线及阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是穿孔卡片和纸带。软件方面采用的是机器语言、汇编语言，整个过程异常复杂。应用领域以军事和科学计算为主。特点是体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（每秒处理几千条指令）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。
第2代计算机的逻辑元件采用晶体管，计算机系统初步成型。相较于电子管，晶体管体积更小，寿命更长，效率也更高。使用磁芯存储器作为内存，主要辅助存储器为磁鼓和磁带。开始使用高级计算机语言和编译程序。应用领域以科学计算、数据处理、事务管理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数可以处理几万至几十万条指令）、性能比第1代计算机有很大的提高。
第3代计算机的逻辑元件采用中、小规模集成电路，内存采用半导体存储器，外存采用磁盘、磁带。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法，可以实时处理多道程序。特点是速度更快（每秒几十万至几百万条指令），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。应用领域为自动控制、企业管理，并开始进入文字处理和图形图像处理领域。第3代计算机形成了一定规模的软件子系统，操作系统也日益完善。
第4代计算机在硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。内存使用半导体存储器，外存使用磁盘、磁带、光盘等大容量存储器。操作系统也不断成熟，软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象的高级语言等。处理能力大幅度提升（每秒处理上千万至万亿条指令）。
微处理器的出现
1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭，并在办公自动化、数据库管理、文字编辑排版、图像识别、语音识别中，发挥更大的作用。
21世纪，随着网络的发展和计算机的更新换代，计算机从传统的单机发展成依托于网络的终端模式。多核心、多任务，更高的稳定性、处理能力，更专业的显示、存储技术出现，使计算机的应用领域和高度都达到了前所未有的程度。计算机不仅在硬件上获得了巨大的提升，人工智能技术的结合也使得计算机具备了更强的自主学习与智能决策能力。计算机与人工智能的融合推动各行各业的创新与变革，为智能化社会发展提供了强大的技术支持。
计算机作为现代信息社会的核心工具，具有许多独特的特点，这些特点使得计算机在各行各业中得到广泛应用，并成为推动技术进步和社会变革的重要力量。
计算机的最大特点之一是高速运算能力。通过电子元件，计算机能够以极快的速度执行各种复杂的计算任务。相比人工计算，计算机能够在极短的时间内完成大量的运算任务，尤其在需要高精度和大量数据处理的应用中，计算机的速度和效率远远超过人类。
计算机能够进行精确的计算，不会出现人为错误。无论是进行数学运算还是执行复杂的程序，计算机能够严格按照预定的逻辑和算法进行处理，确保计算结果的准确性。这一特点使计算机在科学研究、工程设计等需要高精度的领域中不可或缺。
计算机能够根据输入的数据和指令自动执行一系列的任务，无须人工干预。通过编写程序，计算机可以完成重复性、烦琐性工作，如数据处理、信息检索等。自动化处理提高了工作效率，并减少了人为干预带来的误差。
现代计算机具有强大的多任务处理能力，能够同时处理多个任务或进程。通过多线程和并行计算，计算机能够在一个系统中同时运行多个程序，保证系统的高效性和流畅性。在操作系统的支持下，计算机能够同时进行文件处理、网页浏览、数据分析等任务，为用户提供多种服务。
计算机具备高度的可编程性，可以根据用户的需求通过编程语言来执行不同类型的任务。通过编写程序，计算机能够进行从简单计算到复杂数据分析、图形处理等多种任务。这一特点使得计算机的应用领域非常广泛，几乎涵盖了各行各业的需求。
计算机具备强大的存储与数据管理能力，能够高效存储、检索和管理大量信息。存储系统通常包括内存（RAM）和外部存储设备（如硬盘、固态硬盘、云存储等），内存用于高速数据访问，外部存储则确保数据的长期保存。同时，计算机具备数据管理与安全性功能，如自动分类、加密保护和备份恢复，确保数据的可靠性。随着云存储和分布式存储的发展，计算机的存储能力不断提升，为大数据、人工智能等技术应用提供了重要支撑。
可扩展性
计算机系统的可扩展性使其能够随着需求的变化进行硬件和软件的升级。通过添加硬件设备（如内存、存储器、图形处理单元等）和更新软件系统（如操作系统和应用程序），计算机能够不断提升其性能和处理能力，适应日益复杂的任务需求。
计算机的另一大特点是人机交互性。计算机通过输入设备（如键盘、鼠标、触摸屏等）接受用户的指令，通过输出设备（如显示器、打印机等）向用户呈现结果。随着人工智能和自然语言处理技术的进步，计算机与用户的互动方式变得更加智能和便捷，进一步提升了计算机的易用性。
随着互联网的发展，现代计算机不仅具备单机功能，还能够通过网络与其他计算机或设备进行通信与协作。计算机通过互联网连接可以访问全球的信息资源，进行数据共享、信息交流和远程协作，这一特点使得计算机成为信息社会的重要组成部分。
计算机根据不同的标准可以进行多种分类，常见的分类方式包括按用途、按处理能力、按计算机的规模、按计算机的形态等。不同类型的计算机适应不同的应用需求，涵盖从个人使用到大型企业、科研机构的广泛场景。以下是几种主要的计算机分类方式。
根据计算机的用途，可以将其分为以下两类。
通用计算机：
能够执行各种任务的计算机，适用于多种应用领域。个人计算机（PC）、工作站、服务器等都属于通用计算机。它们通过软件的不同配置来满足不同用户的需求，具有较强的灵活性和可扩展性。
专用计算机：
为特定用途或特定任务设计的计算机，通常用于特定的行业或场景，如嵌入式计算机、工业控制计算机等。专用计算机通常具备较高的稳定性和特殊的硬件配置，以满足特定需求。
计算机还可以根据其处理能力的不同，进行分级分类。根据计算机的处理速度、处理能力和存储能力的差异，常见的计算机种类如下。
微型计算机：
目前应用最广泛的计算机类型，通常指个人计算机（PC），它们能够执行基本的计算任务，适用于家庭、办公室等日常场景。微型计算机在处理速度、存储容量等方面相对较低，但具备较强的多任务处理能力。
小型计算机：
处理能力和存储容量较微型计算机高，通常用于中型企业和较大规模的计算任务。小型计算机也可以支持多用户同时使用，能够处理较为复杂的数据和任务。
大型计算机：
通常指大型主机（Mainframe），它们的运算能力非常强，能够处理大量的数据和复杂的计算任务，常用于大型企业、政府机构和科研单位。大型计算机具有强大的存储能力和处理速度，能够同时为成千上万的用户提供服务。
超级计算机：
计算能力最强的计算机类型，能够进行极为复杂和高速的计算任务。超级计算机通常用于天气预报、核试验模拟、大规模科学计算等领域。它们由成百上千的处理单元组成，并具有极高的并行计算能力。
分布式计算机
分布式计算机是由多个相互连接的计算机组成的系统，这些计算机通过网络协同工作，共同完成一个复杂的任务。分布式计算机能够实现资源共享，并有效地提高计算的性能，常见的应用包括云计算和大规模的网络服务。
根据计算机的规模和处理能力，也可以将其分为以下几类。
个人计算机（PC）：
最常见的计算机类型，适用于个人、家庭以及小型办公室的日常需求。它包括桌面计算机和笔记本计算机，性能满足普通用户的计算需求，主要用于办公、娱乐和学习等场景。
工作站：
性能较高的计算机，通常用于图形设计、视频编辑、工程设计等需要强大计算能力的领域。工作站通常配备更强的处理器、显卡和内存，适合进行专业的技术计算和高负载任务。
服务器：
一种专门提供服务的计算机，通常用于企业、组织和机构中，承载着数据存储、资源共享、网络管理等功能。服务器能够支持多用户同时访问，并具备较强的计算能力和数据存储能力。
根据计算机的形态，常见的分类如下。
台式计算机：
常见的个人计算机类型，通常由显示器、主机、键盘和鼠标组成，适合长时间使用，性能较为强大，广泛应用于办公和家庭。
笔记本计算机：
一种便携式计算机，能够满足日常办公、娱乐等需求。与台式计算机相比，笔记本计算机体积较小，便于携带，但通常需要在性能上做出一定的妥协。
嵌入式计算机：
一种为特定功能设计的计算机，通常嵌入其他设备中，如家电、汽车、工业设备等。嵌入式计算机不需要用户直接操作，其功能由外部设备控制。
计算机的强大计算能力和信息处理能力，使其在各行各业中的应用愈发广泛。无论是基础的科研计算，还是工业、商业等领域的日常应用，计算机都已经成为不可或缺的工具。随着技术的不断演进，计算机的应用范围也在不断扩展。以下是计算机的一些主要应用领域。
科学计算是计算机的传统应用领域之一，主要用于处理复杂的数学模型和模拟实验。现代的科学计算不仅依赖于计算机的运算速度，还依赖于计算机的高精度和海量数据处理能力。在气象学、天文学、生物学、物理学等领域，科学家使用计算机模拟各种自然现象，并通过大规模的计算得出精准的科学结果。例如，在天气预报中，计算机模型被用来预测未来几天的气候变化。
超级计算机与科学计算
科学计算不仅仅依赖于普通计算机，在有些领域需要强大的计算能力，超级计算机则应运而生。超级计算机能够进行海量数据处理和复杂的科学模型模拟，广泛应用于气象预报、基因研究、天体物理等领域。
数据处理是计算机应用的另一个重要领域，涉及数据的采集、存储、整理、分析和利用。计算机通过高效的数据处理能力，帮助人们管理和分析大量信息。在金融、医疗、教育等领域，计算机系统能够处理复杂的数据库，提供及时的分析报告，帮助决策者做出准确的判断。例如，企业通过数据库管理系统（DBMS）存储和处理大量的业务数据，从而实现智能化管理。
计算机辅助技术包括多种专业应用，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助教学（CAI）。这些技术使得原本依赖人工操作的领域变得更加高效和精确。例如，CAD技术被广泛应用于建筑、机械、电子等设计行业，帮助设计师实现更加精确和复杂的产品设计。CAM技术则使得生产过程实现自动化，提高了生产效率和产品质量。
人工智能通过模拟人类的思维、学习和判断能力，使计算机能够处理更加复杂的任务，如自然语言处理、图像识别、语音识别等。人工智能技术已经广泛应用于医疗诊断、智能客服、自动驾驶、智能推荐等领域。在医疗行业，AI能够辅助医生分析医疗影像，甚至在某些情况下提供诊断意见；在零售行业，AI通过分析用户的购买习惯，提供个性化的推荐服务。
计算机在工业过程控制领域的应用，极大地提高了生产过程的效率和安全性。通过计算机控制系统，能够实时监控生产环境，调节设备运作参数，确保生产过程稳定并最大限度地减少人为错误。在化工、电力、钢铁等行业中，计算机控制系统被用于生产过程的自动化和优化，大大降低了成本并提升了生产效率。
随着互联网技术的普及，计算机网络应用已成为日常生活和工作中的核心组成部分。从社交媒体、电子商务到在线教育、远程办公，计算机网络使得全球信息交换变得更加便捷高效。网络应用不仅仅限于信息的传播，还包括通过互联网进行数据存储、文件共享、云计算等。随着云计算和大数据技术的发展，计算机网络应用正在向更加智能化、定制化的方向发展。
网络计算机
网络计算机是一种通过网络连接到服务器，依赖远程资源进行计算和存储的计算机。网络计算机通常具有较少的本地存储和处理能力，而是通过网络访问服务器上的应用程序、数据和计算资源。
计算机的多媒体功能，使其成为信息传播和娱乐的主要平台之一。通过整合文本、图像、视频、音频等多种元素，计算机能够创造丰富的交互式内容，如视频游戏、虚拟现实和增强现实应用等。计算机多媒体技术不仅广泛应用于娱乐和教育，还在广告、营销等领域中发挥着重要作用。例如，企业可以通过多媒体广告向顾客展示产品，提升品牌影响力。
随着信息技术的广泛应用，数据安全和隐私保护问题也变得越来越重要。计算机技术在加密、身份验证、防火墙等领域的应用，极大地提高了网络和数据的安全性。尤其是在金融、电商和社交媒体等平台中，计算机安全技术被用来防止信息泄露、数据篡改和恶意攻击，保护用户的个人信息和财产安全。
计算机技术的未来发展不仅影响科技领域，还将对人类社会的方方面面产生深远影响。随着人工智能、量子计算、物联网和生物计算等新兴技术的快速发展，计算机将突破传统计算模式，在更广泛的领域扮演重要角色。
人工智能将成为未来计算机发展的核心驱动力。通过深度学习和神经网络技术，未来的计算机将能够模拟人类的思维和行为，具备更强的自主学习和决策能力。
量子计算是未来计算机技术的一大变革。利用量子叠加和量子纠缠的原理，大幅提升计算速度和效率。在分子模拟、密码学破解、大数据分析等领域，量子计算有潜力解决传统计算机无法处理的复杂问题。随着量子硬件和算法的成熟，量子计算或将成为未来科技的支柱。
生物计算机以DNA或蛋白质为基础，利用生物分子的特殊属性进行信息处理。与传统计算机相比，生物计算机具有体积小、能耗低的优势，可在医学诊断、基因编辑和新药研发等领域发挥重要作用。未来，生物计算机可能成为个性化医疗和生命科学的重要工具。
云计算与边缘计算的深度融合
未来的计算架构将更加注重云计算和边缘计算的结合。云计算提供强大的集中式计算能力，边缘计算则满足本地实时处理需求。通过这种融合，计算机可以实现更加高效和灵活的资源利用，为物联网、5G通信和智慧产业提供强大支持。
未来的计算机将具备自我优化和学习的能力，无须人为干预即可根据环境变化进行调整。这种能力将使计算机更高效地适应不同的任务需求，在智能制造、环境监测和资源管理等领域发挥重要作用。
随着环保意识的增强，未来计算机的发展将更加注重能效优化和绿色技术。例如，通过研发低能耗芯片、使用可再生材料，以及改进散热技术，计算机制造和使用过程中的环境影响将被大幅降低。
为适应复杂计算需求，未来可能会出现更多新型计算架构，如神经形态计算机和光子计算机。神经形态计算机模拟人脑神经元网络，适合人工智能应用；光子计算机则利用光信号进行运算，速度更快且能耗更低。这些新型架构将极大扩展计算机的应用范围。
超导计算机
利用超导技术研制的计算机为超导计算机，运算速度是电子计算机的100倍以上，而能耗仅仅为电子计算机的1%。