1.1 计算机的发展

1.1.1 计算机的发展历史

        在人类历史文明的长河中，人类不断地发明创造各类工具进行计算。早期，人类通过在长绳上打结来记事或计数,周朝出现了算筹，这是最原始的人造计算工具，主要使用长短、粗细相同的棍子，通过纵向或横向的排列，达到计数、运算的目的，如图1-1所示。算盘自宋朝开始流行，由于运算方便快速，成为我国古代劳动人民普遍使用的计算工具，即便是现在的电子计算器，也不能完全取代算盘，如图1-2所示。联合国教科文组织于2013年12月宣布珠算成为人类非物质文化遗产。

图1-1 算筹

图1-2 算盘

        1642年，法国科学家布莱斯•帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662年）发明了齿轮式计算器，如图1-3所示。该计算器被称为世界上第一台数字计算器，采用齿轮啮合结构，手工操作，能够实现6位数加减法运算，为以后的计算机设计提供了基本原理，开辟了自动计算的道路。

图1-3 帕斯卡计算器

        1700年左右，德国著名数学家和思想家戈特弗里德•威廉•莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716年）在帕斯卡机的基础上进行改进，研制出能够进行乘除法运算的莱布尼茨乘法器，如图1-4所示。但是不论是帕斯卡加法器还是莱布尼茨乘法器都缺乏程序控制的功能。

图1-4 莱布尼茨乘法器

        1822年，英国数学家查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage，1792—1871年) 研制成功第一台差分机，它蕴含了程序设计、程序控制的思想，可用于计算数的平方、立方、对数和三角函数，可以进行8位数运算，计算精度达6位小数，如图1-5所示。此外，巴贝齐还发明了解析机，为计算机的诞生扫除了许多理论上的障碍。这些计算机工具主要是通过手摇的方式提供动力，并未使用电子元器件，因此这些机器统称为机械计算机。

图1-5 差分机

        1919年，由于电子管触发器的成功发明，计算机的发展迈入一个新的阶段。1946年，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，如图1-6所示。作为世界上第一台电子数字计算机，与机械计算机相比，ENIAC使之前需要100多名工程师花费一年才能解决的复杂计算问题，缩短为两个小时完成。但是它的缺点同样明显，体积过于庞大，耗电量大、存储容量小，硬件线路的连接繁琐。

图1-6 ENIAC

        1946年4月EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）研制成功，它主要包括运算器、逻辑控制装置、存储器、输入部分和输出部分。与ENIAC不同，EDVAC采用二进制作为数据存储方式，并按照指令的前后顺序依次执行，大大提高了计算速度。

        随着科学技术的迅猛发展，计算机早已摆脱了体积大、运行速度慢等缺点，其电子元器件经历了从电子管、晶体管到大规模和超大规模集成电路的演变。就目前情况而言，计算机已经走进了人们的日常生活，以大规模和超大规模集成电路为以电子元器件的计算机不会退出历史舞台。但是，生物计算机、光子计算机、纳米计算机等新型计算机也在研制的过程中，未来的新型计算机可能会超越人们现有的认知水平，并在性能、体积、功耗等方面表现的更加优秀。

1.1.2 计算机的分类

        计算机有多种不同的类别，分类标准不同，计算机的类别也不同。

1.按照用途分类

        按照计算机的用途进行分类，计算机可分为通用计算机和专用计算机。

        专用计算机是为解决某一特定问题而研制的计算机，速度快、可靠性高，配有固定的软硬件。通用计算机即人们日常生活中普遍使用的计算机，可以根据实际情况安装各种软硬件，满足用户不同的需求。

2.按照性能分类

        按照计算机的性能分类，计算机可分为巨型机、大型计算机、小型计算机和微型计算机。

        巨型机也称超级计算机，通常由数百、数千甚至更多的处理器组成，造价昂贵，仅有少数国家有能力研制巨型机。巨型机体现了一个国家的经济实力和科研实力，它能够处理大量复杂数据，解决复杂问题，对国家的安全和社会的发展具有举足轻重的意义，目前主要用于军事、天气预报、大型科学运算等领域。

        大型计算机允许多用户执行信息处理任务，可以处理大容量数据，运算速度快、存储容量大，但价格比较昂贵，一般用于大中型企业单位。

        小型计算机的软硬件系统规模比较小，相比于大型计算机运算速度小，存储容量低，但价格便宜，结构简单，运行环境要求低，便于维护，比较适合中小型企事业单位使用。

        微型计算机由大规模和超大规模集成电路组成，在某一时间内仅能有一位用户使用。微型计算机体积小巧、携带灵活、价格便宜，是人们日常生活工作中使用最为广泛的一种计算机，包括台式计算机、笔记本电脑、平板电脑等。

1.1.3 计算机的特点

        计算机作为一种高性能的计算工具，具有以下几个特点：

1.运算速度快

        由于计算机可以高速准确的完成各种运算，使大量复杂的科学计算问题得以解决，例如计算卫星轨道、天气预测等。计算机的运算速度通常以计算机每秒能执行的指令数目或浮点运算数目来衡量。常用的计算机运算速度单位有TFLOPS（Tera Floating Point Operations Per Second，每秒万亿次浮点运算）、PFLOPS（Peta Floating Point Operations Per Second，每秒千万亿次浮点运算）等。我国的“神威•太湖之光” 超级计算机的运算速度可达12.5亿亿次/秒，美国的“顶点”超级计算机的运算速度为20亿亿次/秒。

2.计算精度高

        在计算机中，数据并不是以人们习惯的形式存在，例如文字、十进制数等，而是以二进制的形式存在。计算机精度取决于计算机中表示数据的二进制数的位数，目前计算机的精度非常高，但还有提高的空间。

3.存储容量大

        计算机可以像人类的大脑一样存储各种各样的信息，存储容量是衡量计算机性能的指标之一，计算机存储的数据不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。目前主存储器和外存储器的容量都在不断地向大容量和超大容量的方向发展。

4.设备可靠性高

        目前生产工艺水平的提高使得计算机芯片的稳定性也越来越高，计算机可以进行长时间的连续工作，计算机烧毁、信息丢失的现象越来越少，有效的保护了工作人员的劳动成果。

5.通用性强

        对于同一台机器而言，只要搭配不同的软硬件，就可以完成不同的任务，例如数值计算、办公自动化、休闲娱乐等。因此计算机的通用性非常强，适用于各个领域的工作。

1.1.4 计算机的应用

        计算机已经渗透到人类生活的方方面面并发挥重要作用，计算机不仅可以进行科学研究，还可以为人们日常工作学习提供支持，简化复杂的工作。合理地使用计算机解决问题已经成为现代人必须掌握的技能。

1.科学计算

        科学计算即数值计算，是指在科学研究和工程项目中使用计算机进行数据运算。由于计算机具有高精度的计算能力且可以长时间工作，因此可以解决许多人工无法解决的复杂问题，缺少了计算机的帮助，许多大型项目将无法完成。

2.信息处理

        人类社会传播交互的一切形式的内容都是信息，包括文字、图像、音频、视频等形式。信息在传播的过程中需要加工处理，信息处理是对信息进行收集、存储、整理、加工等一系列活动。目前信息处理主要应用于办公自动化、情报、检索、图书管理等领域。

3.数据采集与过程控制

        数据采集主要是采集设备或装置产生的信号并进行分析处理，目的是对生产过程进行自动调节；过程控制可以控制生产的质量，提高控制的准确率。目前数据采集与过程控制被广泛应用于各种工业环境中。

4.计算机辅助技术

        计算机辅助技术是以计算机为工具，辅助人在特定应用领域内完成任务的理论、方法和技术，包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助教学、计算机辅助质量控制及计算机辅助绘图等。

5.人工智能

        人工智能是研究、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，是计算机科学的一个分支。该领域的研究内容包括图像识别、自然语言处理和专家系统等。

6.云计算

        云计算是对大量的计算资源进行统一的管理和调度，构成一个计算资源池为用户提供按需服务。云计算拥有强大计算能力，甚至可以让用户体验每秒10万亿次的运算能力，可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。用户可通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按照需求进行运算。

7.休闲娱乐

        计算机不仅可以满足人们日常工作学习的需求，还可以为人们提供休闲娱乐的功能。用户可以在计算机上听音乐、玩游戏、看影视剧，还可以通过网络共享资源、传输文件、交友和购物等。

1.1.5 新型计算机展望

        从第一台计算机出现至今，随着科技的不断发展，计算机的体积不断减小、功耗不断降低、种类多样可以满足不同需求。未来的新型计算机可能会颠覆人们的认知，在性能、外观等方面取得革命性突破。目前提出的新型计算机主要有以下几种：

1.光子计算机

        光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，以光子代替电子，光运算代替电运算。光子计算机的优点在于并行处理能力很强，具有超高运算速度，光传输和转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。此外，光子计算机还具有与人脑相似的容错性，因此当系统中某一组件出现问题，最终的计算结果也并不会受到影响。

2.生物计算机

        生物计算机主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。生物计算机的优点在于运算速度极快、能量消耗低、拥有巨大的存储能力、很强的抗电磁干扰能力、能彻底消除电路间的干扰，同时还具有生物体的一些特点。

3.量子计算机

        量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。与传统的电子计算机相比，量子计算机具有速度快、存储量大、搜索功能强和安全性高等优点。

4.人工智能计算机

        人工智能作为计算科学的分支，已然成为世界关注的焦点。人工智能计算机可以模仿人脑进行思考，模仿人类表达自己的情感，创造性地进行工作。如果要使计算机能够根据实际情况做出合理优秀的决定，在与人交流互动的过程中能够理解人的想法，就必须按照人的心理活动设计计算机。

5.纳米计算机

        纳米计算机是一种体积小，运行速度快的计算机，是将纳米技术应用于计算机研发领域而研制出的新型高性能计算机。纳米管原件尺寸小，质地坚固且具有极强的导电性能。采用纳米技术研发芯片成本低廉，不需要专门的生产车间和昂贵实验设备，在实验室内组合分子即可，大大缩减了成本。