计算机的概念、发展及未来：信息技术基础与实践

2023-11-01 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-1ENIACENIAC的诞生是20世纪科学技术最卓越的成就之一，标志着人类社会进入了计算机时代。

1.计算机的概念

计算机是一种由程序控制的信息处理工具，它能自动而高速地对信息进行存储、传送和处理。计算机最早是应用于科研领域的，主要进行科学计算。现如今，计算机的应用领域已经扩展到工业、农业、军事、教学等各个行业，给人们的生产和生活带来了极大的便利，也产生了极大的影响。

2.计算机的发展

1946年2月15日，宾夕法尼亚大学研制成功了电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC），是世界上第一台电子数字计算机。它采用电子管作为基本电子元件，共有18 800个电子管，高约2.44 m、宽约0.91 m、长约33.33 m，体积约90 m3，重达30 t，功率为140 kW，其体积很大，如图1-1所示。ENIAC的计算能力为每秒5 000次加法运算或500次乘法运算。

图1-1　ENIAC

ENIAC的诞生是20世纪科学技术最卓越的成就之一，标志着人类社会进入了计算机时代。

自ENIAC问世以来，计算机采用的主要元器件从电子管进化到晶体管再演变到集成电路。按照计算机所使用电子元器件的不同，计算机的发展历程可划分为四代。

第一代：电子管计算机时代（1946—1957年）。

电子管计算机使用的主要逻辑元件是电子管，其特点是数据表示主要采用定点数，用机器语言或汇编语言写程序，其体积庞大、运算速度低（每秒几千次到几万次加法运算）、成本高、可靠性差、内存容量仅为几KB（Kilobyte），主要用于数值计算和军事科学方面的研究。

第二代：晶体管计算机时代（1958—1964年）。

晶体管计算机使用的主要逻辑元件是晶体管，其内存大多采用由磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器有磁盘、磁带，外设种类也有所增加。其运算速度达每秒几十万次加法运算，内存容量扩大到几十KB。由于Fortran、COBOL、Algol等高级语言的出现，该时期的计算机软件也有了较大发展。其应用领域扩展到工程设计、数据处理、事务管理、工业控制等。

第三代：中小规模集成电路计算机时代（1965—1970年）。(www.chuimin.cn)

中小规模集成电路计算机的逻辑元件主要是小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）和中小规模集成电路（Middle Scale Integration，MSI），其设计基本思想是标准化、模块化、系列化，计算机成本进一步降低，体积进一步缩小，兼容性更好。在这个时期，计算机高级程序设计语言有了很大发展，出现了操作系统和会话式语言，计算机开始广泛应用于各个领域。

第四代：大规模、超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）。

大规模、超大规模集成电路计算机的主要逻辑元件是大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI），其运行速度可达每秒上千万次到万亿次加法运算，体积更小，成本更低。在这个时期，集成度很高的半导体存储器代替了磁芯存储器，操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分，计算机发展进入了以计算机网络为特征的时代。

3.计算机的未来

随着计算机及网络技术的发展，未来的计算机将是新一代智能计算机、生物计算机、高速超导计算机、光子计算机、分子计算机、量子计算机、纳米计算机、DNA计算机、神经元计算机等。

（1）智能计算机：具有推理、联想、判断、决策、学习等功能的计算机，它能进行数值计算或处理一般的信息，主要能进行知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图像交换信息。

（2）生物计算机：以借助生物工程技术（特别是蛋白质工程）生产的蛋白质分子作为生物集成电路——生物芯片的计算机。在生物芯片中，信息以波的形式传递。当一列波传播到分子链的某一部位时，它们就像硅集成电路中的载流子（电流的载体称为载流子）那样传递信息。

（3）高速超导计算机：由特殊性能的超导开关器件、超导存储器等元件和电路制成的计算机。它执行一条指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快几十倍，但耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一。

（4）光子计算机：是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。据推测，未来光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1 000倍以上。

（5）神经元计算机：它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定要击毁的目标。它采用联想式信息存储，在学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能上比较突出。

计算机的概念、发展及未来：信息技术基础与实践

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