第二章计算机的发展及应用

2.1 计算机的发展史

2.1.1 计算机的生产和发展

第一代电子管计算机

1946 年，Pennsyivania 大学 John Mauchly 教授和 John Presper Ecker 等人发明了第一台由电子管组成的计算机 ENIAC，该计算机主要是为了解决当时国防弹道研究，采用了十进制，电路结构复杂，使用了 18000 多个电子管，运行耗电量达 150 千瓦，体积庞大，重达 30 吨，占地面积 1500 平方英尺，每秒可进行 5000 多次加法运算，需用手工搬动开关和拔、插电缆来编制程序。这台机器有两个很明显的缺点：① 没有存储器；② 使用布线、接拔进行控制的。

1946 年，von Neumann 与他的同行在普林斯顿大学设计了一台存储程序的计算机 IAS，直到 1952 也未能问世，但 IAS 的总体结构得到了确认，成为后来通用计算机的原型，它是由四部分组成：① 一个同时存放指令和数据的主存储器；② 一个二进制的算逻部件；③ 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；控制部件操作的 I/O 设备。

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第二代晶体管计算机

1947 年在 Bell 实验室成功地用半导体硅作基片，制成了第一个晶体管，它的体积小、低耗电以及载流子高速运行的特点，使 50 年代后全球出现了一场以晶体管替代电子管的革命，计算机的性能有了很大的提高。

第三代集成电路计算机

随着 1958 年微电子学的深入研究，特别是新的光刻技术和设备的成熟，为计算机的发展开辟了一个崭新的时代 ---- 集成电路时代。

由于集成电路制作技术出现后，可以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的硅片上，使得大大缩减了计算机的体积，大幅度的降低了耗电量，提高了机器的可靠性。这就是人民称为小规模集成电路（SSI）和中等规模集成电路（MSI）的第三代计算机。其典型的代表为 IBM 的 System/360 和 DEC 的 PDP-8。

1964 年，IBM 推出了 System/360 系列的计算机，它打破了 7000 系列体系结构方面的一些约束，不同机型可以相互兼容，它们具有类似或相同的指令系统，各机型有类似或相同的操作系统，随着档次的提高，机器的速度、存储器的容量、I/O 端口的数量以及价格都有所增长。

另一代表机器是 DEC 的 PDP-8，它采用总线结构，有迷你机之称，它以低价格、小体积吸引了不少用户，使其成为 IBM 之后的第二大计算机制造商。

硬件技术对计算机更新换代的影响：

硬件技术对计算机更新换代的影响

2.1.2 微型计算机的出现和发展

微处理器是指用一片大规模的集成电路组成的处理器，该处理器上面集成了运算器和控制器。

微型计算机是指使用微处理器的、集成度相当高的一些大规模集成电路构成的面向个人用户的，体积小、重量轻、价格低的计算机。

1971 年，美国 Intel 公司工程师霍夫研制成世界上第一个 4 位的微处理器芯片 4004，随后微处理器又经历了 8 位、16 位、32 位和 64 位这几个阶段的发展，芯片的集成度和速度都有很大的提升。不仅是微信处理器有了质的飞跃，存储芯片的容量也在不断的提升，从 256 位到 64M，每个阶段都比过去提高 4 倍容量，而价格和访问时间都有所下降。

Moore（摩尔）定律：微芯片上集成的晶体管数每三年翻两番。

2.1.3 软件技术的兴起与发展

计算机得以广泛的运用，一定要有软件的支持，软件丰富了计算机的功能，而软件离不开各种编程语言的作为编程工具，最先出现的就是机器语言，机器语言是面向机器的，二进制的代码，不同的机器，指令不一样，机器语言也是不一样的，早期的计算机几乎是每设计一台新机器，就有一个新的指令机，在这台机器上运行的软件如果想放到另外一台机器上去执行，代码就需要重新写，而且这些 “0”、“1” 代码对于程序员而言很难进行记忆，之后就发展出汇编语言，同样，汇编语言也是面向机器的，不同的机器有不同的汇编语言，但是对于程序员来说，这些汇编语言的符号比机器语言 “0”、“1” 二进制的代码更容易记忆。进而发展的便是高级语言，它是面向问题的，用高级语言进行编程的时候，不需要去了解计算机的指令系统，只需要面向问题进行编程就可以了，使程序员的编程效率大大提高，高级语言有代表性的就是用于科学计算和工程计算的 FORTRAN、结构化程序设计的 PASCAL、面向对象的 C++、适应网络环境的 JAVA 等等。

系统软件

语言处理程序
- 汇编程序、编译程序、解释程序
操作系统
- DOS、UNIX、Windows
服务性程序
- 装配、调试、诊断、排错
数据库管理系统
- 数据库和数据库管理软件
网络软件

软件发展的特点：

开发周期长
制作成本高
检测软件产品质量的特殊性

2.2 计算机的应用

科学计算和数据处理
工业控制和实时控制
网络技术
- 电子商务
- 网络教育
- 敏捷制造
虚拟现实
办公自动化和管理信息系统
CAD/CAM/CIMS
多媒体技术
人工智能

2.3 计算机的展望

计算机具有类似人脑的一些超级智能功能
- 要求计算机的速度足够快
芯片集成度的提高受一下三方面的限制
- 芯片集成度受物理极限的制约
- 按几何数递增的制作成本
- 芯片的功耗、散热、线延迟
传统硅芯片的替代
- 光计算机
  - 利用光子取代电子进行运算和存储
- DNA 生物计算机
  - 通过控制 DNA 分子间的生化反应
- 量子计算机
  - 利用原子所具有的量子特性