第2章 计算机的发展及应用
一、计算机的产生和发展
（一）第一代电子管计算机
1943年，美国国防部批准了建造一台用电子管组成的电子数字积分机和计算机（Electronic Numerica1 Integrator And Computer，ENIAC）的计划。ENIAC于1946年交付使用，ENIAC采用十进制运算，每秒可进行5000多次加法运算。
1945年，冯·诺依曼在为一台新的计算机EDVAC（电子离散变量计算机）所制定的计划中首次提出了存储程序的概念，即将程序和数据一起存放在存储器中，使编程更加方便。
IAS的总体结构成为后来通用计算机的原型，图2-1就是IAS计算机的总体结构示意图。它由几部分组成：一个同时存放指令和数据的主存储器、一个二进制的算逻运算部件、一个解释存储器中的指令并能控制指令执行的程序控制部件以及由控制部件操作的I／O设备。
图2-1 IAS计算机结构
（二）第二代晶体管计算机
1947年在贝尔实验室成功地用半导体硅作为基片，制成了第一个晶体管，它有小体积、低耗电以及载流子高速运行的特点。
（三）第三代集成电路计算机
利用光刻技术把晶体管、电阻、电容等构成的单个电路制作在一块极小（如几个平方微米）的硅片上，所以集成电路制造技术又一次大大地缩小了计算机的体积，大幅度下降了耗电量，极大地提高了计算机的可靠性。表2-1列出了硬件技术对计算机更新换代的影响。
表2-1 硬件技术对计算机更新换代的影响
（四）微型计算机的出现和发展
微型计算机的发展在很大程度上取决于微处理器的发展，而微处理器的发展又依赖于芯片集成度和处理器主频的提高。每3年处理器的性能就能提高4～5倍，但是计算机中一些其他部件性能的提高速度达不到这个水平，影响它们之间不匹配的主要因素是处理器与主存之间的接口和处理器与外设之间的接口。
处理器与主存之间解决方案：加宽数据总线的宽度，在主存和处理器之间设置高速缓冲存储器（Cache）并发展成片内Cache和分级Cache，采用高速总线和分层总线来缓冲和分流数据，从而提高处理器和存储器之间的连接带宽。
处理器和外设之间解决方案：通过各种缓冲机制、加上高速互连总线以及更精致的总线结构来解决它们之间传输速率的不匹配问题。
当前通用微处理器的发展重点将在以下几方面：
1．进一步提高复杂度来提高处理器性能
这种方法沿袭传统的指令级并行方法加速单线程应用，组织更宽的超标量，采用更多的功能部件、多级Cache和激进的数据、控制以及指令轨迹预测，达到使用尽可能多的指令级并行（Instruction-Level Parallelism，ILP）。
2．通过线程／进程级并行性的开发提高处理器的性能
即通过开发线程级并行性（Thread-Level Parallelism，TLP）或进程级并行性（Process-Level Parallelism，PLP）来提高性能，简化硬件设计。
3．将存储器集成到处理器芯片内来提高处理器性能
采用ILP、TLP、PLP能大大提高处理器内部指令执行的并行度，而指令和数据的供应是充分发挥这些技术的关键问题。将存储器集成到处理器芯片上，这将有利于提高未来大量的网络应用性能，并且能减少对片外存储器的访问，使处理器的功耗大大降低。
4．发展嵌入式处理器
目前嵌入式处理器大多是针对专门的应用领域进行专门设计来满足高性能、低成本和低功耗的要求。嵌入式处理器的高性能和低成本技术发展趋势是：体系结构需要在新技术与产品、市场和应用需求之间取得平衡；设计方法趋向于走专用、定制和自动化的道路。
（五）软件技术的兴起和发展
随着各种语言的出现，汇编程序、编译程序、解释程序的产生，逐渐形成了软件系统。
为了使计算机资源让更多用户共享，又出现了操作系统；此外，一些服务性程序，如装配程序、调试程序、诊断程序和排错程序等，也逐渐形成。以上所述的各种软件均属于系统软件，而软件发展的另一个主要内容就是应用软件。
软件发展有以下几个特点。
（1）开发周期长；
（2）制作成本昂贵；
（3）检测软件产品质量的特殊性。
二、计算机的应用
（一）科学计算和数据处理
1．科学计算
科学计算的特点是计算量大和数值变化范围大。在天文学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域都要依靠计算机进行复杂的运算。
2．数据处理
大量的数据信息，由计算机收集、存储、整理、检索、统计、修改、增删等，由此获得某种决策数据或趋势。
（二）工业控制和实时控制
在工业上，新型的工业自动控制系统具有更强的适应性、更好的开放性、更易于扩展、更经济、更短的开发周期等显著优点。通常将工控系统分为3层：控制层、监控层和管理层。
在军事上，导弹的发射及飞行轨道的计算控制、先进的防空系统等现代化军事设施，通常也都是由计算机构成的控制系统。
（三）网络技术的应用
网络技术的基础是计算机技术与通信技术的结合。
网络应用涉及方方面面，常见有如下几种：
1．电子商务
电子商务的含义是任何一个组织机构可利用Internet来方便他们与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以认为是消费者、销售者和结算部门之间利用Internet完成商品采购和支付的过程。
2．网络教育
通过教育网络，学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，通过网络伸展到全球的每个角落，建立真正意义上的开放式的虚拟学校，每个学生可以在任意时间、任意地点通过网络自由地学习。
3．敏捷制造
敏捷制造由两部分组成：敏捷制造的基础结构和敏捷制造的虚拟企业。前者为形成虚拟企业提供环境和条件，后者对市场不可预期的变化做出迅速响应。
（四）虚拟现实
虚拟现实是利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，达到用户与环境直接进行交互的目的。
（五）办公自动化和管理信息系统
办公自动化是利用计算机及自动化的办公设备来替代“笔、墨、纸、砚”及办公人员的部分脑力、体力劳动，从而提高了办公的质量和效率。
（六）CAD／CAM／CIMS
1.CAD
计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）：计算机按设计任务书的要求，可进行各种设计方案的比较，再对模拟整机进行各种性能测试，并可任意修正，获得最终的设计产品，然后将其分解为零件、分装部件。这样大大降低了产品设计的成本，缩短了产品设计的周期，最大限度地降低了产品设计的风险。
2.CAM
计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是以数控机床为主体，利用存有全部加工资料的数据库，实现对产品加工的自动化。
3.CIMS
计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）是利用信息技术和现代管理技术改造传统制造业、加强新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一种生产模式。
（七）多媒体技术
多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信等技术相结合的产物。它是用来实现人和计算机交互地对各种媒体进行采集、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影像等视听信息而有机合成的新媒体。
（八）人工智能
人工智能是专门研究如何使计算机来模拟人的智能的技术。
模式识别是指对某些感兴趣的客体进行定量的或结构的描述，研究一种自动生成技术，由计算机自动地把待识别的模式分配到各自的模式类中。
专家系统也是人工智能的重要应用领域，它是利用计算机构成存储量极大的知识库，把各类专家丰富的知识和经验，以数据形式存储于知识库内，通过专用软件，根据用户输入查询的要求，向用户做出所要求的解答。
机器人的应用，通常人们让机器人做一些重复性的劳动，特别是在一些不适宜人们工作的劳动场所，机器人的应用显得格外重要。
三、未来计算机的发展趋势
光计算机利用光子取代电子进行运算和存储，用不同波长的光代表不同数据，可快速完成复杂计算。
DNA（脱氧核糖核酸）生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想，它通过控制DNA分子间的生化反应完成运算。
量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机，量子这种常人难以理解的特性，使得具有5000个量子位的量子计算机能在约30s内解决传统硅芯片超级计算机要在100亿年才能解决的大数因子分解问题。因而量子计算机被寄托了极大的希望。
超级智能计算机不仅需要有硬件支撑，而且还必须有软件支持。模拟大脑功能创建超级智能计算机，除了通过足够的硬件能力和适应计算机学习的软件外，还需有足够的初始体系结构和丰富的感官输入流。
对于网络应用来说，到2046年，每光波长携带几个GB的光纤将会很普遍地进入到广大家庭用户中，那时带宽将不再是问题。它们将为电话、可视电话、电视、网络访问、安全监控、家庭能源管理以及其他各种设备服务。
