计算机俗称电脑，其英文是Computer。它是一种能高速运算、具有内部存储能力、由程序控制其操作过程及自动进行信息处理的电子设备。目前，计算机已成为我们学习、工作和生活中使用最广泛的工具之一。

2.1.1.1 计算机发展简史 

1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）在美国宾夕法尼亚大学研制成功。这台计算机结构复杂、体积庞大，但功能远不及现代的一台普通微型计算机。

ENIAC的诞生宣告了电子计算机时代的到来，其意义在于奠定了计算机发展的基础，开辟了计算机科学技术的新纪元。从第一台电子计算机诞生到现在，计算机技术经历了大型机阶段和微型机阶段。

在ENIAC的研制过程中，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼总结并归纳了以下3点。

●采用二进制。在计算机内部，程序和数据采用二进制代码表示。

●存储程序控制。程序和数据存放在存储器中，即程序存储的概念。计算机执行程序时无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。

●计算机的5个基本部件。计算机具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本功能部件。

1.大型计算机时代

人们通常根据计算机所采用电子元器件的不同将计算机的发展过程划分为电子管、晶体管、集成电路及大规模/超大规模集成电路4个阶段，分别称为第一代至第四代计算机。在这4个阶段的发展过程中，计算机的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越低，应用越来越广泛。

（1）第一代计算机（1946～1959年）

●主要元器件是电子管。

●运算速度为每秒几千次到几万次，内存容量仅为1000～4000字节。

●主要用于军事和科学研究。

●体积庞大、造价昂贵、速度低、存储容量小、可靠性差、不易掌握、维护困难。

●最具代表性的机型为UNIVACI。

（2）第二代计算机（1959～1964年）

●主要元器件是晶体管。

●运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万字节。

●应用已扩展到数据处理和事务处理。

●体积小、重量轻、耗电量少、速度快、可靠性高、工作稳定。

●最具代表性的机型为IBM7000系列机。

（3）第三代计算机（1964～1972年）

●主要元器件采用小规模集成电路（SSI）和中规模集成电路（MSI）。

●主要用于科学计算、数据处理以及过程控制。

●功耗、体积、价格等进一步下降，而速度及可靠性相应提高。

●最具代表性的机型为IBM360系列机。

（4）第四代计算机（1972年至今）

●主要元器件采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。

●运算速度可达每秒几百万次至上亿次。

●应用领域不断向社会各个领域渗透。

●体积、重量、功耗进一步减小。

●最具代表性的机型有IBM 4300/3080/3090/9000系列机。

2.我国计算机技术的发展概况

我国计算机技术研究起步晚、起点低，但随着改革开放的深入和国家对高新技术的扶持、对创新能力的提倡，计算机技术的水平正在逐步地提高。我国计算机技术的发展历程如下所述。

●1956年，开始研制计算机。

●1958年，研制成功第一台电子管计算机——103机。1959年，104机研制成功，这是我国第一台大型通用电子数字计算机。1964年，研制成功第二代晶体管计算机。1971年，研制成功以集成电路为主要元器件的DJS系列机。

●1983年，我国第一台亿次巨型计算机——“银河”诞生。1992年，10亿次巨型计算机——“银河Ⅱ”诞生。1997年，每秒130亿浮点运算、全系统内存容量为9.15GB的巨型机——“银河Ⅲ”研制成功。

●1995年，第一套大规模并行机系统——“曙光”研制成功。1998年，“曙光2000-I” 诞生，其峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算。1999年，“曙光2000-Ⅱ”超级服务器问世，峰值速度达每秒1117亿次，内存高达50GB。

●1999年，“神威”并行计算机研制成功，其技术指标位居世界第48位。

●2001年，中科院计算所成功研制我国第一款通用CPU——“龙芯”芯片。

●2002年，我国第一台拥有完全自主知识产权的“龙腾”服务器诞生。

●2005年，联想并购IBM PC，一跃成为全球第三大PC制造商。

●2008年，我国自主研发制造的百万亿次超级计算机“曙光5000”获得成功。

●2009年，国内首台百万亿次超级计算机“魔方”在上海正式启用。同年，中国第一台千万亿次超级计算机——“天河一号”亮相。

●2010年，中国曙光公司研制的“星云”千万亿次超级计算机排名世界第二。同年，中国研制的“天河一号”超级计算机，位居世界第一。

近年来我国大型计算机的发展可以总结为“银河”现“曙光”，中华显“神威”。

2.1.1.2 计算机的特点 

作为人类智力劳动的工具，计算机具有以下特点。

（1）处理速度快

现在运算速度高达105亿次/秒的计算机，使过去人工计算需要几年

或几十年完成的科学计算能在几小时或更短时间内完成。

（2）计算精度高

随着字长的增加和配合先进的计算技术，计算机的高精度计算能力解决了其他计算工具根本无法解决的问题。

（3）存储容量大

主存储器（内存）的容量越来越大；辅助存储器（外存）随着大容量的磁盘、光盘等外部存储器的发展，存储容量达到海量。

（4）可靠性高

计算机发展到今天，其可靠性很高，一般很少发生错误。人们通常所说的“计算机错误”，其实大多是计算机的外设错误和人为造成的错误。

（5）全自动工作

人们根据应用的需要，事先编制好程序。在编制好的程序控制下自动工作，不需要人工干预，工作完全自动化。

（6）适用范围广，通用性强

计算机在预先将数据编制成计算机识别的编码，将问题分解成基本的算术运算和逻辑运算，再通过编制和运用不同的软件，就可以解决大部分复杂的问题。

2.1.1.3 计算机的应用 计算机的应用主要分为数值计算和非数值计算两大类。信息处理、计算机辅助设计、计算机辅助教学、过程控制等均属于非数值计算，其应用领域远远大于数值计算。

据统计，目前计算机有5000多种用途，并且以每年300～500种的速度增加。计算机的主要应用领域可以分为以下几个方面。

1.科学计算（数值计算）

科学计算也称数值计算，主要解决科学研究和工程技术中产生的大量数值计算问题。这是计算机最初的也是最重要的应用领域。

计算机“计算”能力的增加，推进了许多科学研究的进展，如著名的人类基因序列分析计划、人造卫星的轨道测算等。

2.信息处理（数据处理）

所谓信息处理，是指对大量数据进行加工处理，如收集、存储、传送、分类、检测、排序、统计、输出等，再筛选出有用信息。信息处理是非数值计算，与科学计算不同，处理的数据虽然量大，但计算方法简单。

3.过程控制

过程控制又称实时控制，是指用计算机实时采集控制对象的数据，加以分析处理后，按系统要求对控制对象进行控制。工业生产领域的过程控制是实现工业生产自动化的重要手段。利用计算机代替人对生产过程进行监视和控制，可以大大提高劳动生产率。

4.计算机辅助设计和辅助制造

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）。在CAD系统的帮助下，设计人员能够实现最佳的设计模拟，提前作出设计判断，并能很快地制作图纸。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）。CAM利用CAD输出的信息控制、指挥作业。

将CAD、CAM和数据库技术集成在一起，形成CIMS（计算机集成制造系统）技术，可实现设计、制造和管理的自动化。

5.网络通信

网络通信是指通过电话交换网等方式将计算机连接起来，实现资源共享和信息交流。计算机通信的应用主要有以下几个方面。

①网络互联技术。

②路由技术。

③数据通信技术。

④信息浏览技术。

⑤网络技术。

6.人工智能

人工智能是指模拟人类的学习过程和探索过程。人工智能的应用主要有以下几个方面。

①自然语言理解。

②专家系统。

③机器人。

④定理自动证明。

7.多媒体

运用计算机网络可以为计算机用户带来丰富多彩的娱乐活动，例如丰富的电影、电视资源、网络游戏等。另外，数字电视的发展也使传统电视的单向播放模式转变为交互模式。

8.嵌入式系统

把处理器芯片嵌入计算机设备中完成特定处理任务的系统称为嵌入式系统。嵌入式系统的应用主要有以下几个方面。

①消费电子产品。

②工业制造系统。

2.1.1.4 计算机的分类 

依照不同的标准，计算机有多种分类方法，常见的分类有以下几种。

1.按性能分类

按计算机的主要性能（如字长、存储容量、运算速度、外部设备、允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高，

计算机可分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站和服务器6类。这是最常用的分类方法。

2.按处理数据的类型分类

按处理数据的类型不同，可将计算机分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机。

3.按使用范围分类

2.1.1.5 计算机科学研究与应用 计算机的应用尽管已经渗透到科学技术的各个领域，并扩展到工业、农业、军事、商业以及家庭生活之中，但随着科学的飞速发展和全球范围内的新技术革命的不断兴起，计算机科学研究已经渗入人工智能、网格计算、中间件技术、云计算等方面。

1.人工智能

人工智能（Artificial Intelligence,AI）的主要内容是研究、开发能以与人类智能相似的方式做出反应的智能机器，包括机器人、指纹识别、人脸识别、自然语言处理等。人工智能能让计算机更接近人类的思维，实现人机交互。

2.网格计算

随着科学的进步，世界上每时每刻都在产生着海量的信息。面对这样海量的计算量，高性能计算机也是束手无策的。于是，人们把目光投向了当今世界大约数亿台在大部分时间里处于闲置状态的PC。假如发明一种技术，自动搜索到这些PC，并将它们并联起来，它所形成的计算能力，肯定会超过许多高性能计算机。网格计算的出现就来源于这种思想。

网格计算是针对复杂科学计算的新型计算模式。这种模式利用互联网，把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式称为网格计算。

网格计算的特点如下。

●能够提供资源共享，实现应用程序的互相连接。

●协同工作，共同处理一个项目。

●基于国际的开放技术标准。

●可以提供动态的服务，适应变化。

3.中间件技术

中间件是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。中间件抽象了典型的应用模式，应用软件制造者可以基于标准的中间件进行再开发。中间件可分为多种，例如，交易中间件、消息中间件、专有系统中间件、面向对象中间件、数据访问中间件、远程过程调用中间件、Web服务器中间件、安全中间件等。

中间件的特点如下。

●满足大量应用的需要。

●运行于多种硬件和OS平台。

●支持分布计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明性应用或服务的交互。

●支持标准的协议。

●支持标准的接口。

4.云计算

云计算（Cloud Computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源（包括网络、服务器、存储、应用软件、服务）共享池，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

云计算的特点是：超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、价廉。

2.1.1.6 未来计算机的发展趋势 

1.计算机的发展趋势

（1）巨型化

巨型化是指高速运算、大存储容量和强功能的巨型计算机。它的运算能力一般在每秒百亿次以上、内存容量在几百吉字节以上。巨型计算机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平，推动了计算机系统结构、硬件和软件的理论和技术、计算数学以及计算机应用等多个科学分支的发展，主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。

（2）微型化

因大规模、超大规模集成电路的出现，计算机迅速向微型化方向发展。微型化是指体积更小、功能更强、可靠性更高、携带更方便、价格更便宜、适用范围更广的计算机系统。因为微型计算机可以渗透到仪表、家电、导弹弹头等小型机无法进入的领域，所以20世纪80年代以来发展异常迅速。

（3）网络化

计算机网络是计算机技术发展的又一重要分支，是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。网络化就是利用现代通信技术和计算机技术，将分布在不同地点的计算机连接起来，按照网络协议互相通信，共享软件、硬件和数据资源。

（4）智能化

第五代计算机要实现的目标是“智能”计算机，让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程，使计算机具有视觉、听觉、语言、推理、思维、学习等能力，成为智能型计算机。

2.未来新一代的计算机

（1）模糊计算机

实际生活中，人们使用着大量的模糊概念，比如“ 走快一些”、“ 再来一点”、“ 休息片刻”中的“一些”、“一点”、“片刻”等都是含糊、不精确的说法，人们往往需要处理大量模糊信息。目前的计算机只能进行精确运算而不能处理模糊信息，而模糊计算机除具有一般计算机的功能外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可以帮助人从事复杂的脑力劳动。

日本科学家把模糊计算机应用在地铁管理上。1990年，日本松下公司把模糊计算机装在洗衣机上，它可以根据衣服的肮脏程度以及衣服的布料调节洗衣程序。我国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑芯片。此外，人们又把模糊计算机装在吸尘器里，可以根据灰尘量以及地毯厚薄程度调整吸尘器的功率。模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等多个方面。

（2）生物计算机

微电子技术和生物工程这两项高科技的互相渗透为研制生物计算机提供了可能。利用DNA 化学反应，通过和酶的相互作用，可以使某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计算机。科学家们认为，生物计算机的发展可能要经历一个较长的过程。

（3）光子计算机

光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成电路技术，把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再用光导纤维连成计算机。1990 年1 月底，贝尔实验室研制成第一台光子计算机。光子计算机的关键技术为光存储技术、光互联技术、光集成元器件。除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光子计算机，预计未来将出现更先进的光子计算机。

（4）超导计算机

超导技术的发展使科学家们想到用超导材料来替代半导体制造计算机。超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，运算速度是传统计算机无法比拟的。美国科学家已经成功地将5000个超导单元装置在小于10 cm3的主机内，组成一个简单的超导计算机，每秒能执行2.5亿条指令。研制超导计算机的关键之一是要有一套维持超低温的设备。

（5）量子计算机

量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子有叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1，因此一个量子位可以存储2个数据。同样数量的存储位，量子计算机的存储量比传统的电子计算机大许多。传统计算机与量子计算机之间的区别是，传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则遵循独一无二的量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前个人计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。最近，年轻的科学家艾萨克·庄领衔的IBM公司科研小组向公众展示了迄今最尖端的“5比特量子计算机”。目前，关于量子计算机所应用的材料研究仍然是其中的一个基础研究问题。

2.1.1.7 信息技术简介 

1.1.7信息技术简介

信息同物质、能源一样重要，是人类生存和社会发展的三大基本资源之一。数据处理之后产生的结果为信息，信息具有针对性、实时性，是有意义的数据。信息技术是指：应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法与管理技巧，上述方面的技巧和应用；计算机以及与人、机的交互作用，与之相应的社会、经济和文化等多种事物。目前，信息技术主要指一系列与计算机相关的技术。

一般来说，信息技术包括了信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。

（1）信息基础技术

信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新元器件的开发和制造技术。

（2）信息系统技术

信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。

（3）信息应用技术

信息应用技术是针对种种实用目的的技术。如信息管理、信息控制、信息决策等技术门类。

信息技术在社会各个领域得到了广泛的应用，显示出强大的生命力。展望未来，现代信息技术将面向数字化、多媒体化、高速度、网络化、宽频带、智能化等方面发展。