电子计算机发展历程及应用：从ENIAC到第一代计算机

计算机的基本概念包括计算机的发展和分类、计算机的主要用途和特点等知识。

1.1.1 计算机发展史

1.第一台电子计算机

第一台电子计算机叫ENIAC（电子数字积分计算机的简称，英文全称为Electronic Numerical Integrator And Computer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。

电子计算机在第二次世界大战弥漫的硝烟中开始研制的。当时为了给美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表，迫切需要有一种高速的计算工具。因此在美国军方的大力支持下，世界上第一台电子计算机ENIAC于1943年开始研制。参加研制工作的是以宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫西利和埃克特为首的研制小组。在研制中期，著名数学家冯·诺依曼加入了研究行列。

历时两年多，花费了48万美元（在20世纪40年代是一笔巨款），ENIAC研制成功。1945年春天，ENIAC（图1-1）首次试运行成功。1946年2月10日，美国陆军军械部和宾夕法尼亚大学莫尔学院联合向世界宣布ENIAC的诞生，从此揭开了电子计算机发展和应用的序幕。

图1-1 第一台计算机ENIAC

英国无线电工程师协会的蒙巴顿将军把ENIAC的出现誉为“诞生了一个电子的大脑”，“电脑”的名称由此流传开来。

ENIAC共使用了18 000个电子管，另加1 500个继电器以及其他器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5 000次加法或400次乘法，比机械式的继电器计算机快1 000倍。

虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过几千次（现在的超级计算机的速度最快每秒运算高达千万亿次！），但它比当时已有的计算装置要快1 000倍，而且还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也被打开了。

2.计算机的发展历程

自第一台电子数字计算机“ENIAC”1946年问世以来，经过60多年的时间，信息技术取得了惊人的发展，通过微电子技术、网络通信技术、多媒体技术和计算机技术的广泛应用，人类迅速进入了信息化社会。

60多年来，根据计算机所使用的电子元器件的发展，可大致将电子计算机的发展分为四个阶段。

（1）第一代计算机（1946—1957年）

从1946年的“ENIAC”到1957年，全世界已经生产了几千台大型电子计算机，其中有的运算速度已经高达每秒几万次。这些电子计算机都以电子真空管为主要组件，所以叫电子管计算机。利用这一代电子计算机，人们将人造卫星送上了天。这是第一代电子计算机，其主要特点是：体积大、耗电多、机身重、性能低，但开创了数字计算技术的新时代。

（2）第二代电子计算机（1958—1964年）

第二代电子计算机是晶体管计算机。1956年，美国贝尔实验室用晶体管代替真空管，制成了世界上第一台全晶体管计算机Lepreachaun。它使计算机的体积、重量、耗电都大为减少。至20世纪60年代，世界上已产了3万多台晶体管计算机，运算速度达到了每秒300万次。

第二代电子计算机的主要特点是：体积和耗电量都减少了、高级语言开始使用，并有了通用机和专用机之分。

（3）第三代电子计算机（1965—1970年）

第三代电子计算机是中小规模集成电路计算机。1962年，美国得克萨斯公司与美国空军合作，以集成电路为计算机的基本电子组件，制成了一台实验性的样机。在这一时期，计算机的体积、功耗都进一步减少，可靠性却大为提高，运算速度达到了每秒4000万次。

第三代电子计算机的主要特点是：体积和耗电量进一步减少，操作系统等软件逐渐完善，根据应用需要和性能产生了巨、大、中和小等多种机型。

（4）第四代电子计算机（1971至今）

第四代电子计算机是大规模和超大规模集成电路计算机。一般认为这是20世纪70年代开始的事。现在，超级计算机的运算速度已达到每秒千万亿次以上，在科学研究和经济管理中起着不可替代的作用；而微型机则使计算机的体积与成本大幅度减少，并渗透到工业生产和日常生活的各个角落。今天，要制造一台具有ENIAC同样功能的计算机，体积只要有它的百万分之一也就足够了。

第四代电子计算机的特点是：具有高速运算能力和较强的自动控制能力，计算精度高、通用性和逻辑判断能力强。随着微型计算机和网络的应用逐步普及，并且发展迅猛，人类逐步进入了信息化时代。

1.1.2 计算机的应用与分类

1.计算机的应用

电子计算机运算速度快，计算精度高，具有存储和判断的能力以及自动处理能力，这些特点决定了计算机的应用是非常广泛的，主要应用有以下几点。

（1）科学计算

科学计算也称为数值计算，是计算机最早，也是最基本的应用。最初的“ENIAC”就是用来计算弹道火力表的。随着计算机的发展，数值计算在现代科学研究中的地位和作用也越来越重要，已经成为与高度技术化的实验具有同等意义的研究方法。在石油勘探、精密机械、医药研制、生命科学、气象气候、国防科技等诸多领域的研究和设计中都离不开计算机的科学计算，因此计算机的计算功能显得尤为重要。

导弹核武器、核潜艇、超声速轰炸机等先进武器的研制和生产都离不开电子计算机，“神舟九号”和“神舟十号”的成功发射、对接和回收也都需要计算机的精确计算。因此，数值计算在国防现代化建设中发挥的作用也越来越大。

（2）数据处理

数据处理就是对数据的综合分析。对在科学研究、生产实践、经济活动中所获得的大量信息，如实验数据、观察数据、统计数据、原始数据等，计算机能按照不同的使用要求，对其进行搜索、转换、分类、组织、计算、存储等加工处理，有时还要根据需要进行统计分析，绘制出图表，打印出报表。数据处理是计算机应用最广泛的领域，涉及社会各行各业。

（3）自动控制

自动控制系统一般由检测、放大、信息处理、显示、执行等几个环节组成。计算机是信息处理的基本设备，也是执行机构的中心环节。在整个系统中，计算机将检测到的信息经过处理后，向被控制或调节对象发出最佳的控制信号，由系统中的执行机构自动完成控制。利用计算机进行自动控制，对于自动化控制系统具有重大的意义。

计算机用于生产过程的控制，不仅解放了生产力，提高了生产效率，引起了工业生产的革命性改变，对人类的发展和社会的进步也产生了极为深刻的影响。

（4）辅助系列

计算机辅助系列是利用计算机的图形处理能力和模拟仿真能力进行工作，可大大提高工作效率，并提升工程的质量。如利用计算机的图形处理能力帮助设计人员进行工程设计、电路设计等，称为CAD（Computer Aided Design）；利用计算机来辅助制造，称为CAM （Computer Aided Manufacturing）等；由于计算机的广泛应用，目前许多国家已经把辅助设计、辅助制造、辅助测试组成一个系统，使得设计、制造、测试一条龙，形成高度自动化的生产线。

利用计算机来辅助教学，称为CAI（Computer Assisted Instruction）。计算机辅助教学起步于20世纪60年代，作为一种自动化教学设备，计算机以其形象化、智能化的特点来辅助完成教学计划和模拟某个实验过程。具体的操作程序是：根据教学的要求，编写好课件的脚本，然后设计出相应的计算机辅助教学软件；教师在计算机的协助下完成教学任务，也可以由学生通过人机对话的方式操作计算机，根据自己的学习需求进行学习，达到辅助学习的目的。这种学习方式的最大特点是能够适应各种不同水平和层次的学生，提高学生的学习兴趣，有效地提高学习效率和学习质量。随着现代科技的发展，融计算机、摄像机等多种设备为一体的多媒体技术的发展和应用，将进一步显示出计算机辅助教学的优势。(www.chuimin.cn)

（5）人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一门综合了计算机科学、生理学、哲学的交叉学科。人工智能的研究课题涵盖面很广，从机器视觉到专家系统，包括了许多不同的领域。这其中共同的基本特点是让机器学会“思考”，具有“智能”。人工智能专家们面临的最大挑战之一是如何构造一个系统，可以模仿由上百亿个神经元组成的人脑的行为，去思考复杂的问题，如专家系统、智能机器人等。

（6）云计算

“云计算”（Cloud Computing）概念是由Google公司首先提出的，是一个网络应用模式（图1-2）。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需要、易扩展的方式获得所需的资源。广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需要、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务，云计算具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。

图1-2 云计算

云计算是网格计算（Grid Computing）、分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力（目前仅Google云计算已经拥有100多万台服务器），进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力。

（7）物联网

物联网的英文简称是IOT（The Internet of Things）。物联网（图1-3）通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

图1-3 物联网

由“物联网”名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，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。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：

①要有相应信息的接收器；

②要有数据传输通路；

③要有一定的存储功能；

④要有CPU；

⑤要有操作系统；

⑥要有专门的应用程序；

⑦要有数据发送器；

⑧遵循物联网的通信协议；

⑨在世界网络中有可被识别的唯一编号。

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。目前物联网已在2010年写入了政府工作报告，被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业。

除了以上几个方面，计算机还有着多种用途，今天在我们的学习和工作中，计算机无所不在，已成为不可或缺的必需工具。

2.计算机的分类

电子计算机的分类可有多种方法。例如，按电路原理可分为数字和模拟的电子计算机；按用途可分为通用、专用的电子计算机；按规模可分为巨型、大型、小型机和微型机。

（1）按电路原理区分

电子计算机按电路原理可分为模拟式电子计算机和数字式电子计算机。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，抗外界干扰能力较差。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。由于处理信号的差异，使得数字式电子计算机的组成结构和性能优于模拟式电子计算机。当今使用的计算机，如果不加说明，都是指数字式电子计算机。

（2）按用途区分

电子计算机按用途区分，可分为通用、专用的电子计算机。一般的微型计算机都是通用机，其用途广泛，结构较完善。专用机是指为某些专用目的而设计的计算机，如专用于数控机床、银行存取款、超市结算等的计算机。专用机的针对性强，效率高，但应用单一。

（3）按规模区分

电子计算机按规模可分为单片机、微型机、小型机、大中型机、巨型机和超级计算机。

单片计算机是将所有的功能部件集成在一起，形成仅仅为一片集成电路的计算机，将单片机同专用的软硬件系统应用于手机、家电等系统，即形成嵌入式系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合，是一个技术密集、不断发展的知识集成系统。

微型计算机也称微机或微电脑，1980年代问世的时候，是设计为个人所用的，也称为个人计算机（Personal Computer，PC），以其价格低、体积小、功能强迅速崛起，应用领域不断拓展，成为计算机应用的主力军，本书主要介绍的就是微型计算机应用的基础知识。

小型机和大、中型机都是一些规模较大，速度较快的计算机，多用于复杂的科学计算，目前应用得较少。

巨型机主要是从性能方面去定义的。20世纪70年代，国际上以运算速度在每秒1 000万次以上，存储容量在1 000万位以上，价格在1 000万美元以上的计算机称为巨型机；也有人把运算速度超过每秒执行1000万条指令，主存储器容量达几兆字节的电子计算机作为巨型计算机。到了20世纪80年代，巨型机的标准则为运算速度每秒1亿次以上，字长达64位，主存储器的容量达4～16兆字节的数字式电子计算机。中国的银河计算机就属巨型机。1980年世界上最快的计算机是大约每秒100万次浮点运算（Mflops）。10年后计算机的速度较1980年的计算机高出1 000倍——1Gflops，而21世纪初的计算机速度又较1990年的计算机速度高出1 000倍——1Tflops。近年来，巨型机又发展成为超级计算机。

超级计算机通常是指由成百上千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通计算机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。若把普通计算机的运算速度比做成人的走路速度，那么超级计算机就达到了火箭的速度。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一万亿（Trillion）次以上。

超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

2013年6月17日，在德国莱比锡开幕的2013年国际超级计算机大会上，TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，中国国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机，以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度夺得头筹，中国“天河二号”成为全球最快超级计算机，这标志着中国生产、应用、维护高性能计算机能力已达到世界领先水平，对中国高性能计算机的发展具有划时代的意义。