第一章 計算機(jī)基礎(chǔ)
一、計算機(jī)的發(fā)展
自從1946年2月現(xiàn)代電子計算機(jī)的鼻祖ENIAC(electronic numerical integrator and comˉputer)在美國賓夕法尼亞大學(xué)問世以后,短短50年里,計算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變革。
學(xué)術(shù)界經(jīng)常使用器件(硬件)劃分計算機(jī)的發(fā)展史,如第一代電子管計算機(jī)(1947~1957),第二代晶體管計算機(jī)(1958~1964),第三代集成電路計算機(jī)(1964~1972),第四代大規(guī)模集成電路計算機(jī)(1972~),目前提出了所謂的第五代(或新一代)計算機(jī)。
從1946年到50年代后期(1946~1957)為電子管計算機(jī)時期。計算機(jī)的元器件主要由電子管(vacuum tube)組成。其特點是體積龐大、功耗高、運算速度較低。如ENIAC占地170m 2 ,重達(dá)30噸,功耗為140kW,有18000多個電子管,每秒鐘能進(jìn)行5000次加法計算。這一階段,計算機(jī)主要用于軍事、國防等尖端技術(shù)領(lǐng)域。除了ENIAC以外,1945年左右,馮·諾依曼等人在研制EDVAC(electronic discrete variable computer)時,提出了存儲程序(stored-program)概念,奠定了以后計算機(jī)發(fā)展的基石。IBM公司1954年12月推出的IBM650是第一代計算機(jī)的代表。從20世紀(jì)50年代后期到60年代中期(1958~1964)為晶體管計算機(jī)時期。自從1947年晶體管(transistor)在貝爾實驗室誕生后,引發(fā)了一場影響深遠(yuǎn)的電子革命。體積小、功耗低、價格便宜的晶體管取代了電子管,不僅提高了計算機(jī)的性能,也使計算機(jī)在科研、商業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。第二代計算機(jī)不僅采用了晶體管器件,而且存儲器改用速度更快的磁芯存儲器;與此同時高級編程語言和系統(tǒng)軟件的出現(xiàn),也大大提高了計算機(jī)的性能和拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。這一時期計算機(jī)的代表主要有DEC公司1957年推出的PDP-I、IBM公司于1962年推出的7094以及CDC公司1964年研制成功的CDC6600。1969年CDC公司研制的DCD7600平均速度達(dá)到每秒千萬次浮點運算。
從20世紀(jì)60年代中期到70年代初期(1965~1972)為集成電路計算機(jī)時代。第一代和第二代計算機(jī)均采用分離器件(discrete component)組成。集成電路(integrated circuit)的出現(xiàn),宣告了第三代計算機(jī)的來臨。由于采用了集成電路,使得計算機(jī)的制造成本迅速下降;同時因為邏輯和存儲器件集成化的封裝,大大提高了運行速度,功耗也隨之下降;集成電路的使用,使得計算機(jī)內(nèi)各部分的互聯(lián)更加簡單和可靠,計算機(jī)的體積也進(jìn)一步縮小。這一時期的代表為IBM的system/360和DEC的PDP-8。
從20世紀(jì)70年代初期到70年代后期(1972~1978)為大規(guī)模集成電路(LSI)計算機(jī)時代。20世紀(jì)70年代初半導(dǎo)體存儲器的出現(xiàn),迅速取代了磁芯存儲器,計算機(jī)的存儲器向大容量、高速度的方向飛速發(fā)展。存儲器芯片從1kbit,4kbit,16kbit,64kbit,256kbit,1Mbit,4Mbit發(fā)展到16Mbit(1992年)。
接著就進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路(VLSI)計算機(jī)時代。隨著技術(shù)的日新月異,軟件和通信的重要性也逐步上升,成為和硬件一樣舉足輕重的因素。同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點對計算機(jī)的性能也有巨大的影響(中斷系統(tǒng)、Cache存儲器、流水線技術(shù)等等)。實際上在第三代計算機(jī)以后,就很難找到一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。
也可以從應(yīng)用的觀點來劃分計算機(jī)的發(fā)展史。最早的應(yīng)用是軍事上的需要,如炮彈彈道計算,核武器的設(shè)計等;其次是廣泛地用于科學(xué)計算,工程設(shè)計計算;第三階段是大量用于管理,現(xiàn)在計算機(jī)的80%以上用于管理;再接著是計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)和輔助制造(CAM);進(jìn)入90年代,計算機(jī)的應(yīng)用已趨向于綜合化和智能化,例如在一個企業(yè)里,計算機(jī)不僅用于科學(xué)計算、輔助設(shè)計和輔助制造,還用于輔助管理和輔助決策(MIS與DSS),以及辦公自動化(OA)等等,使設(shè)計、生產(chǎn)自動化和管理自動化融為一體,形成所謂計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS-Computer Integrated Manufacturing System),再發(fā)展下去就是工廠自動化(Factory Automation)或稱無人工廠。DSS(Decision Support System)/ES(Expert System)利用人工智能(AI---Artifcation Inˉtelligence)技術(shù),讓計算機(jī)代替人判斷、推理,尋找最優(yōu)方案,以輔助決策者決策。
目前更流行的是認(rèn)為計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了三次浪潮(wave)。
計算機(jī)的發(fā)展第一個浪潮是單個主機(jī)(Mainframe)的時期,以IBM360、370為代表的大型機(jī)的出現(xiàn),其特點是以批處理為主,主要用于大規(guī)?茖W(xué)計算。
第二次浪潮為客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)的時期,這時期出現(xiàn)了小型機(jī)、微型機(jī)和局域網(wǎng)。其特點是多用戶分時處理。
第三個浪潮是70~80年代的微型計算機(jī)PC(Personal Computer)的出現(xiàn),F(xiàn)在正處于第三次浪潮,網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)的時期,即以網(wǎng)絡(luò)為中心或以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的計算機(jī)時期。
目前計算機(jī)向綜合的方向發(fā)展,將各種計算機(jī)的特點和優(yōu)點綜合起來,并結(jié)合了多媒體技術(shù)、通信技術(shù)等,把人類帶入了網(wǎng)絡(luò)社會。
二、計算機(jī)的分類及其應(yīng)用
計算機(jī)分類的方法大致可分如下幾種:
1.按信息的形式和處理方式分類
計算機(jī)按信息的形式和處理方式可分為數(shù)字計算機(jī)、模擬計算機(jī)以及數(shù)字混合計算機(jī)。
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