美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John von Neumann，1903—1957）在计算机的发展过程中提出了“存储程序通用电子计算机方案”——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），在此过程中他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献，比如决定在计算机中采用了二进制数，创立了“存储程序”的设计思想，从而保证了计算机的顺利问世。

虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过几千次（2023年12月，中国发布了最新的超级计算机——天河星逸，其性能每秒达到62亿亿次，位居全球第二，仅次于美国的Frontier，再次彰显了中国超级计算机的强大实力。），但它比当时已有的计算装置要快1000倍，而且还具有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。ENIAC宣告了一个新时代的开始，从此科学计算的大门被打开了。

2.　计算机的发展

自1946年计算机发明以后，随着科学技术的发展，计算机经历了几次重大的技术革命，按照计算机中采用的主要电子器件，我们将计算机的发展划分为四代。

（1）1946—1957年 电子管时代

（2）1958—1964年 晶体管时代晶体管计算机

晶体管代替电子管作为计算机的基础器件，用磁芯或磁鼓作存储器，在整体性能上，比第一代计算机有了很大的提高，如图14-3所示。同时程序语言也应运而生，如Fortran，Cobol，Algo160等计算机高级语言。

（3）1965—1970年 集成电路时代

中小规模集成电路成为计算机的主要部件，主存储器也渐渐过渡到半导体存储器，使计算机的体积更小，大大降低了计算机计算时的功耗，由于减少了焊点和接插件，进一步提高了计算机的可靠性，如图5-1-2所示。

（4）1971年至今 大规模和超大规模集成电路时代

大规模和超大规模集成电路计算机随着大规模集成电路的成功制作并用于计算机硬件生产过程，计算机的体积进一步缩小，性能进一步提高。集成更高的大容量半导体存储器作为内存储器，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机（RISC），软件系统工程化、理论化，程序设计自动化。微型计算机在社会上的应用范围进一步扩大，几乎所有领域都能看到计算机的“身影”。

3.　微型计算机的发展

微型计算机属于第四代计算机，又称为个人计算机（Personal Computer，PC），简称微机。其主要特点是采用微处理器（CPU，又称中央处理器）作为计算机的核心部件，并由大规模、超大规模集成电路构成。

微型计算机的发展主要是微处理器的发展，因此微型计算机根据微处理器的发展大致可分为以下几代。

第一代（1971—1973年）是4位和低档8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel 4004/8008。集成度为2000晶体管/片，时钟频率为1MHz。

 第二代（1974—1977年）是8位微处理器时代。典型微处理器产品有Intel公司的Intel 8080、Motorola公司的MC 6800、Zilog公司的Z 80等。集成度为5000晶体管/片，时钟频率为2MHz。

第三代（1978—1984年）是16位微处理器时代。典型微处理器产品是Intel公司的Intel 8086/8088/80286、Motorola公司的MC 68000、Zilog公司的Z 80000等。集成度为25万晶体管/片，时钟频率为5MHz。

第四代（1985—1992年）是32位微处理器时代。集成度已达到100万晶体管/片，时钟频率达到60MHz以上。典型32位CPU产品有Intel公司的Intel 80386/80486、Motorola公司的MC 68020/68040、IBM公司和Apple公司的Power PC等。

第五代（1993年—至今）是64位微处理器的时代，典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列芯片。

知识点二　计算机的特点

作为现代信息技术的代表，计算机的特点大致可以总结为以下几点。

1．运算速度快

计算机内部由各种电路元器件组成，可以高速地完成各种运算。目前，计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，即便是微型计算机的运算性能也不容小觑。比如，水利工程量计算、卫星轨道参数计算、24小时天气预报分析等原来需要算上几年甚至几十年的海量数据，现在可以轻轻松松地在几分钟内得到计算结果。

2．计算精度高

“精度”是数据计算的基本要求。在科学研究领域更是这样。目前，通用计算机可以做到十几位甚至几十位有效数字，这是任何早期的计算工具都很难做到的。正是因为计算机将运算精度控制在千分之一甚至百万分之一，才有了全球各类高新技术的蓬勃发展。我国的航天技术就是一个成功的典型。

3．存储容量大

计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息。这些信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。一台计算机就是一个大型的资料库。

4．自动化程度高

电子元器件的特性决定了计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们利用基本的硬件条件进行计算机的程序存储，并用程序控制数据信息的处理，完成连续、自动地计算工作，不需要人工干预。

5．逻辑运算能力强

计算机不但可以进行数据计算，还能够根据内部存储的程序进行逻辑判断，从而控制程序的运行方向。软件设计者正是利用计算机的这个特点设计、开发出许许多多面向信息处理、过程控制、人工智能等方面的应用软件。例如，在游戏产品开发中，计算机的这个特点就体现得尤为突出。

6．性价比高

随着科技生产力的发展，计算机作为人们日常生活的一部分已经进入了普通家庭。它的普及应用已经成为信息社会的一大风景。在新的世纪里，计算机已成为每家每户不可缺少的设备，而且形式多样的态势已经见端倪，台式计算机、笔记本、平板电脑等，更新换代越来越快，性价比越来越高。

知识点三　计算机的分类

计算机及相关技术的迅速发展带动计算机类型也不断分化，形成了各种不同种类的计算机。

1.　按照规模和处理能力分类

（1）巨型机

巨型机（Supercomputer）具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。

巨型机实际上是一个巨大的计算机系统，主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术研发、国民经济领域的大型计算课题解决及数据处理任务，如大范围天气预报，整理卫星照片，原子核物的探索，研究洲际导弹、宇宙飞船等。制定国民经济的发展计划，项目繁多，时间性强，要综合考虑各种各样的因素，依靠巨型计算机能较顺利地完成。我国知名的高性能巨型计算机有：“银河”“曙光”“神威” 等。

（2）大型机

大型计算机（Mainframe） 是指运算速度快、处理能力强、存储容量大、功能完善的计算机。它的软、硬件规模较大，价格也较高。大型机多采用对称多处理器结构，有数十个处理器，在系统中起着核心作用，发挥主服务器的作用。大型计算机广泛应用于企业级应用，如金融交易处理、数据库管理等。它们具有强大的计算和数据处理能力，通常支持多用户同时访问。 

（3）小型机

小型计算机（Minicomputer） 适用于中小型企业或科研机构，提供相对较高的性能和存储容量。它们通常用于科学研究、工程设计等领域。例如，美国DEC公司的VAX系列、富士通的K系列、我国生产的“太极”系列计算机等，都属于小型计算机。近年来，小型计算机逐渐被高性能的服务器取代。

（4）个人计算机

个人计算机（Personal Computer）又称为微型计算机（Microcomputer）。是面向个体用户的计算机，包括台式机和笔记本电脑。它们通常用于办公、娱乐和学习等个人需求。由微处理器、半导体存储器和输入/输出接口等芯片组成，因此其体积更小、价格更低、通用性更强、可靠性更高、使用更加方便。

（5）工作站

工作站（Workstations）是一种介于个人计算机和大型计算机之间的计算机类型。它通常用于科学计算、图形设计和工程仿真等专业领域。

（6）嵌入式计算机

嵌入式计算机（Embedded Computers）被嵌入到其他设备或系统中，用于控制和监控特定的功能。例如，汽车中的车载计算机和智能家居设备中的嵌入式系统。

2.　按照应用范围分类

（1）通用计算机

通用计算机是指各行业、各种工作环境都能使用的计算机，例如，学校、家庭、工厂、医院、公司等用户都能使用的就是通用计算机，平时我们购买的品牌机、兼容机都是通用计算机。使用通用计算机不但能办公，还能进行图形设计、制作网页动画、上网查询资料等。

（2）专用计算机

专用计算机具有单纯、使用面窄甚至专机专用的特点，它是为了解决一些专门的问题而设计制造的。因此，它可以增强某些特定的功能，而忽略一些次要功能，使其能够高速度、高效率地解决某些特定的问题。在军事控制系统中，广泛地使用了专用计算机。

3.　按照信息的表示方式分类

（1）模拟计算机

模拟式电子计算机问世较早，内部所使用的电信号模拟自然界的实际信号，因而称为模拟电信号。模拟电子计算机处理问题的精度差，所有的处理过程均需模拟电路来实现，电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。

（2）数字计算机

数字式电子计算机是当今世界电子计算机行业中的主流，其内部处理的是一种称为符号信号或数字信号的电信号。它的主要特点是“离散”，在相邻的两个符号之间不可能有第三种符号存在。由于这种处理信号的差异，使得它的组成结构和性能优于模拟式电子计算机，在数字计算机中所有信息以二进制数表示。

（3）混合计算机

混合计算机出现于20世纪70年代。那时候，数字计算机是串行操作的，运算速度受到限制，但运算精度很高；而模拟计算机是并行操作的，运算速度很高，但精度较低。把两者结合起来可以互相取长补短，因此混合计算机主要适用于一些严格要求实时性的复杂系统的仿真。例如，在导弹系统仿真中，连续变化的姿态动力学模型由模拟计算机来实现，而导航和轨道计算则由数字计算机来实现。

知识点四　计算机的应用与发展趋势

1.  计算机的应用

当今，计算机已经应用在我们日常生活的各个方面，具体可概括为以下几个方面。

（1） 科学计算

早期的计算机主要用于科学计算。目前，科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域，如高能物理、工程设计、地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力，因此出现了计算力学、计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。

（2） 信息管理

信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。利用计算机可加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算、信息情报检索等。近年来，国内许多机构纷纷建设自己的管理信息系统（MIS），生产企业也开始采用制造资源规划软件（MRP），商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统（EDI），即所谓“无纸贸易”。

（3） 过程检测与控制

利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统。特别是仪器仪表引入计算机技术后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。

（4） 计算机辅助系统

计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。目前，此技术已经在电路、机械、土木建筑、服装等设计中得到了广泛的应用。

计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，并且还能大大改善制造人员的工作条件。

计算机辅助测试（CAT）是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作。

计算机辅助教学（CAI）指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学习的自动化系统，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。

（5） 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究和开发用于模拟，延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它是计算机科学的一个分支，企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以与人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。

人工智能的应用范围非常广阔，目前主要的应用有：机器翻译，智能控制，专家系统，机器人学，语言和图像理解，遗传编程机器人工厂，自动程序设计，航天应用，庞大的信息处理，储存与管理，执行化合生命体无法执行的或复杂或规模庞大的任务。

（6）网络与通信

计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络是按照网络协议，将地球上分散的、独立的计算机相互连接的集合。连接介质可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能，具有对共享数据资源集中处理及管理和维护的能力。

随着计算机网络带宽的加大，使用计算机网络可以方便流畅地进行文字、语音、图像、视频等各种形式的通信。

（7）物联网

物联网（Internet of Things，IoT）就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是“物物相息”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，因此也被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。

物联网应用中，传感器技术是最关键的技术，在中国也把物联网称之为“传感网”。早在1999年，中科院就启动了物联网核心传感网技术的研究并建立了一些实用的传感网。2012年，由工信部颁布了我国第一个物联网5年规划（中国物联网“十二五”发展规划），并且把物联网正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。与其他国家相比，我国物联网技术研发水平处于世界前列，具有同发优势和重大的影响力。在世界传感网领域，中国与美国、德国、韩国等成为国际标准制定的主导国之一。

2. 计算机的发展趋势

从第一台计算机产生至今的半个多世纪里，计算机的应用得到不断拓展，计算机类型不断分化，这就决定计算机的发展也朝不同的方向延伸。当今计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化及多媒体化方向发展，在未来更有一些新技术会融入到计算机的发展里去。

（1） 巨型化

指计算机具有极高的运算速度、大容量的存布空间、更加强大和完善的功能，主要用于航空航天、军事、气象、人工智能、生物工程等学科领域。

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。

（2）微型化

计算机微型化是大规模及超大规模集成电路发展的必然趋势。从第一块微处理器芯片问世以来，计算机芯片的发展速度与日俱增，其集成度每18个月翻一番，而价格则减一半，这就是信息技术发展功能与价格比的“摩尔定律”。计算机芯片集成度越来越高，所完成的功能越来越强，使得计算机微型化的进程也越来越快，微型计算机的普及率也越来越高。

（3） 网络化

网络化是指充分利用计算机的宝贵资源，扩大计算机的使用范围，为用户提供方便、及时、可靠、广泛、灵活的信息服务。 网络化是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。尤其是20世纪90年代以来，随Internet的飞速发展，计算机网络已广泛应用于政府、学校、企业、科研、家庭等领域，越来越多的人接触并了解到计算机网络。计算机网络将不同地理位置上具有独立功能的不同计算机通过通信设备和传输介质互连起来，在通信软件的支持下，实现网络中的计算机之间共享资源、交换信息、协同工作。计算机网络的发展水平已成为衡量国家现代化程度的重要指标，在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。

（4） 智能化

智能化即让计算机能够模拟人类的智力活动，如学习、感知、理解、判断、推理等。并具备理解自然语言、声音、文字和图像的能力，而且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。计算机可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集记忆、检索有关知识的能力。

（5） 多媒体化

多媒体技术是当今信息技术领域发展最快、最活跃的技术之一，是新一代电子技术发展和竞争的焦点。现在的计算机能够把声音、文本、图像、动画、视频等多种媒体信息收集起来，然后进行数字化处理，并对其进行存储、编辑处理、传输等。多媒体技术被广泛应用在咨询服务、图书、教育、通信、军事、金融、医疗等诸多行业，并正潜移默化地改变着我们生活的面貌。