1.1 计算机概述
1.1.1 计算机的诞生及发展过程
17世纪，德国数学家莱布尼茨发明了震惊世界的二进制，为计算机内部数据的表示方法创造了条件。20世纪初，电子技术得到了飞速发展，1904年，英国电气工程师弗莱明研制出了真空二级管；1906年，美国科学家福雷斯特发明了真空三极管，这些发明创造为计算机的诞生奠定了基础。
20世纪40年代后期，西方国家的工业技术得到迅猛的发展，相继出现了雷达和导弹等高科技产品，原有的计算工具对大量复杂的科技产品的计算无能为力，迫切需要在计算技术上有所突破。1943年，正值第二次世界大战，由于军事上的需要，宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫克利和他的研究生埃克特计划的世界上第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）诞生了，如图1-1所示。
图1-1 世界上第一台计算机ENIAC
ENIAC的主要元件是电子管，计算速度为每秒5 000次加法运算、300多次乘法运算，比当时最快的计算工具要快300倍。ENIAC重30多吨，占地170平方米，采用了18 000多个电子管、1 500多个继电器、70 000多个电阻和10 000多个电容，每小时耗电150千瓦。虽然ENIAC的体积庞大、性能差，但它的出现使信息处理技术进入了一个崭新的时代，标志着人类文明的一次飞跃和电子计算机时代的开始。
同一时期，鉴于ENIAC的缺点，ENIAC项目组的一个美籍匈牙利研究人员冯·诺依曼开始研制自己的EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机），该计算机是当时计算速度最快的计算机，其主要设计理论如下。
（1）使用二进制。计算机的程序和程序运行需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。
（2）存储程序执行。程序和数据存放在存储程序中，即存储程序的概念。计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。
冯·诺依曼的原理和思想，进一步明确指出了计算机的结构应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分组成。
EDVAC计算机对ENIAC进行了重大的改进，成为现代计算机的基本雏形。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯·诺依曼方式工作。冯·诺依曼提出的这些原理和思想，对后来计算机的发展起到了决定性的作用，被誉为“现代电子计算机之父”。
从第一台电子计算机诞生至今的几十年时间里，计算机技术成为发展最快的现代技术之一。根据计算机采用的物理器件，可将计算机的发展划分为4个阶段，如表1-1所示。
表1-1 计算机发展的4个阶段
第一代计算机（1946—1958）。这段时期称为“电子管计算机时代”。它使用的主要逻辑元件是真空电子管，其特点是体积庞大、速度慢、成本高、可靠性差。主存储器采用汞延迟线或静电储存管，容量很小；外存储器使用了磁鼓，输入/输出装置主要采用穿孔卡；采用机器语言编程，即用“0”和“1”来表示指令和数据；运算速度每秒仅为数千次至数万次。这一代计算机被应用于数值计算和军事科学方面的研究。
第二代计算机（1959—1964）。由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以这段时期称为“晶体管计算机时代”。晶体管与电子管相比，其特点是体积小、耗电省、速度快、价格低、寿命长。主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘、磁带，存储器容量有较大提高；软件方面出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及其编译程序。由此，计算机应用开始进入实时过程控制和数据处理领域，运算速度达到每秒数百万次甚至几十万条。这一代计算机应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。
第三代计算机（1965—1970）。这段时期被称为“中、小规模集成电路计算机时代”。它使用的主要逻辑元件是小规模集成电路（Small Scale Integrated circuits，SSI）和中规模集成电路（Medium Scale Integrated circuits，MSI），其特点是体积更小，价格更低、可靠性更高。主存储器采用半导体存储器，存储容量大幅度提高；软件方面出现了分时操作系统以及结构化、模块化程序设计方法；运算速度达到每秒千万次以上。这一代计算机应用开始进入文字处理和图形图像处理领域。
第四代计算机（1971年至今）。这段时期称为“大规模或超大规模集成电路计算机时代”。它使用的主要逻辑元件是大规模集成电路（Large Scale Integrated circuits，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated circuits，VLSI），使得在很小的硅片上能够刻上几千万个晶体管，计算机走向微型化，运行速度可达每秒上千万次到万亿次，成本更低。主存储器采用半导体存储器，容量已达第三代计算机的辅存水平；作为外存的移动存储设备的容量大幅度增加；软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统、面向对象语言等。计算机应用的深度和广度有了更大的发展，开始深入人类生活的各个方面。
1.1.2 计算机的特点
计算机能够按照程序确定的步骤，对输入的数据进行加工处理、存储或传送，以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量。计算机之所以具有如此强大的功能，能够应用于各个领域，这是由它的特点决定的。
计算机作为一种通用的信息处理工具，具有以下主要特点。
1．运算速度快
计算机系统的运算速度指的是单位时间内能执行指令的条数，一般以每秒能执行多少条指令来描述。计算机内部的运算是由数字逻辑电路组成的，可以高速、准确地完成各种算术运算。早期的计算机由于技术的原因，工作频率较低，而随着集成电路技术的发展，计算机的运算速度得到飞速提升，目前世界上已经有计算速度每秒超过亿亿次的计算机。
2．计算精度高
计算机的运算精度取决于采用机器码的字长（二进制码），即通常的8位、16位、32位和64位等，字长越长，有效位数就越多，精度就越高。如果使用10位十进制数转换成机器码，便可以轻而易举地取得几百亿分之一的精度。
3．准确的逻辑判断能力
计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断。计算机能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令，以供用户随时调用。
4．强大的存储能力
计算机具有许多存储记忆载体，可以存储大量的信息。这些信息不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。
5．自动功能
计算机内具有运算单元、控制单元、存储单元和输入输出单元，计算机可以按照预先编写好的程序（一组指令）实现工作自动化，不需要人的干预，而且可以反复执行。
6．网络与通信功能
通过计算机网络技术可以将不同城市、不同国家的计算机连在一起形成一个计算机网，在网上的所有计算机用户可以共享资料和交流信息，从而改变了人类的交流方式和信息获取方式。
1.1.3 计算机的应用
计算机的应用已经渗透到社会的各个领域，正在深刻改变着人们的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的应用大致可分为以下几个方面。
1．科学计算
科学计算也被称为数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程设计中提出的一系列复杂的数学问题的计算。计算机不仅能进行数字运算，还可以解答微积分方程以及不等式。由于计算机具有较高的运算速度，对于以往人工难以完成甚至无法完成的数值计算，计算机都可以完成，如气象资料分析和卫星轨道的测算等。目前，基于互联网的云计算也将发挥越来越重要的作用。
2．数据与信息处理
对大量的数据进行分析、加工和处理等工作早已开始使用计算机来完成，这些数据不仅包括“数”，还包括文字、图像和声音等数据形式。现代计算机速度快、存储容量大，使得计算机在数据处理和信息加工方面的应用十分广泛，如企业的财务管理、事务管理、资料和人事档案的文字处理等。利用计算机进行信息管理，为实现办公自动化和管理自动化创造了有利条件。
3．过程控制
过程控制也称为实时控制，它是指利用计算机自动监测生产过程和其他过程进行以及自动控制设备工作状态的一种控制方式，被广泛应用于各种工业环境中，并替代人在危险、有害的环境中作业，不受疲劳等因素的影响，并可完成人类不能完成的有高精度和高速度要求的操作，从而节省了大量的人力、物力，并大大提高了经济效益。
4．人工智能
人工智能（Artificial Intelligence,AI）是用计算机模拟人类的某些智力活动。利用计算机可以识别图像和物体，模拟人的学习过程和探索过程。人工智能研究期望赋予计算机更多人的智能，如机器翻译、智能机器人等，都是利用计算机模拟人类的智力活动。人工智能是计算机科学发展以来一直处于前沿的研究领域，其主要研究内容包括自然语言理解、专家系统、机器人以及定理自动证明等。目前，人工智能已应用于机器人、医疗诊断、故障诊断、案件侦破和经营管理等诸多方面。
5．计算机辅助
计算机辅助也称为计算机辅助工程，是指利用计算机协助人们完成各种设计工作。计算机的辅助功能是目前正在迅速发展并不断取得成果的重要应用领域，主要包括计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助测试（Computer Aided Test，CAT）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）、计算机仿真模拟（Simulation）等。
6．网络通信
网络通信是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。网络通信是指利用计算机网络实现信息的传递功能，随着Internet技术的快速发展，人们可以在不同地区和国家间进行数据传递，并可通过计算机网络进行各种商务活动。
7．多媒体技术
多媒体技术（Multimedia Technology）是指通过计算机对文字、数据、图形、图像、动画和声音等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行实时信息交互的技术。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于教育、广告宣传、视频会议、服务业和文化娱乐业等。同时，多媒体技术与人工智能技术的有机结合还促进了虚拟现实（Virtual Reality）、虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术的发展。
8．嵌入式系统
并不是所有计算机都是通用的，有许多特殊的计算机用于不同的设备中，包括大量的消费电子产品和工业制造系统，都是把处理器芯片嵌入其中，完成特定的处理任务。这些系统称为嵌入式系统。例如，数码相机、数码摄像机以及高档电动玩具等都使用了不同功能的处理器。
1.1.4 计算机的分类
计算机的分类方法很多，一般可根据计算机的性能、规模和处理能力，把计算机分成巨型机、大型通用机、微型计算机、服务器和工作站等几类。
1．巨型机
巨型机也称超级计算机或高性能计算机，在所有计算机类型中占地最大、价格最贵、功能最强，其浮点运算速度极快。通常，巨型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，现有的超级计算机运算速度大多可以达到每秒一太（Trillion，万亿）次以上。2014年6月，在德国莱比锡市发布的世界超级计算机500强排行榜上，中国超级计算机系统“天河二号”位居榜首，其浮点运算速度达到每秒33.86千万亿次。
2．大型机
大型通用机的特点是大型、通用，具有极强的处理能力和管理能力，运算速度为每秒100万至几千万次，在一台大型机中可以使用几十台微机或微机芯片，用以完成特定的操作，可同时支持上万个用户，可支持几十个大型数据库。大型通用机主要应用在政府管理部门、大公司、大企业、高校和科研院所。大型通用机通常又被称为“企业级”计算机，通用性强，但价格较贵，覆盖国内通常所说的大中型机。
3．微型计算机
微型计算机简称微机，即通常说的电脑、个人电脑（Personal Computer，PC）。微机技术在近十年发展迅速，平均每两年计算机微芯片上集成的晶体管数目就翻一番，性能提高一倍而价格降低一半。微机的主流是IBM公司在1981年推出的PC系列及其众多的兼容机。微机以其设计先进（总是率先采用高性能的微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有广大的用户，因而大大推动了计算机的普及应用。微机分为可独立使用的微机和嵌入式微机（又称嵌入式系统）两类。
可独立使用的微机可分为台式机、一体机、笔记本电脑、平板电脑、掌上电脑（PDA）等。在掌上电脑基础上加上手机功能，就成了智能手机；平板电脑、掌上电脑的核心技术是嵌入式操作系统这一系统软件，各种产品之间的竞争也主要在此。
嵌入式微机被作为一个应用系统的部件安装在应用设备里，最终用户直接使用的是该应用设备而非微机，如智能数字电视机、数码相机、自动售货机、微波炉、电梯等生活中的各种电器设备以及工业自动化仪表与医疗仪器等。嵌入式微机有单片机和单板机之分：把微处理器、一定容量的存储器以及输入输出接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机嵌入式系统，一般用作专用机或用来控制高级仪表、家用电器等；把微处理器、存储器、输入输出接口电路安装在一块印刷电路板上，就成为单板机嵌入式系统，主要用于工业控制、微型机教学和实验，或作为计算机控制网络的前端执行机。
4．工作站
工作站是一种高端的通用微型计算机系统。它具有较高的运算速度，具有大小型机的多任务、多用户功能，且兼具微型计算机的操作便利和良好的人机界面。它可以连接到多种输入/输出设备，具有易于联网、处理功能强等特点。其应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并充当网络服务器的角色。
5．服务器
服务器专指能通过网络，为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算机。服务器的构成与普通电脑类似，但相对于普通电脑来说，它对稳定性、安全性、可扩展性、可管理性、性能等方面的要求更高，因此在CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件上和普通电脑有所不同。服务器是网络的节点，存储、处理网络上80%的数据、信息，在网络中起到举足轻重的作用，被称为网络的灵魂。服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文件传送、数据库等多种业务服务。
1.1.5 未来计算机的发展趋势
1．计算机的发展方向
（1）巨型化。巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更强大、可靠性更高。巨型化计算机的应用范围主要包括天文、天气预报、军事、生物仿真等，这些领域需进行大量的数据处理和运算，需要性能强劲的计算机才能完成。
（2）微型化。随着超大规模集成电路的进一步发展，个人计算机将更加微型化，膝上型、书本型、笔记本型、掌上型等微型化计算机将不断涌现，并受到越来越多用户的喜爱。
（3）网络化。随着计算机的普及，计算机网络也逐步深入人们工作和生活的各个部分。通过计算机网络可以连接地球上分散的计算机，然后共享各种分散的计算机资源。现在计算机网络也是人们工作和生活中不可或缺的事物，计算机网络化可以让人们足不出户就能获得大量的信息以及与世界各地的亲友进行通信、网上贸易等。
（4）智能化。智能化的计算机能够代替人的脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言，能看懂各种图形，可以自己学习等，即计算机可以处理知识，从而代替人的部分工作。未来的智能型计算机将会代替甚至超越人类某些方面的脑力劳动。
2．新一代计算机
由于计算机中最重要的核心部件是芯片，因此计算机芯片技术的不断发展也是推动计算机未来发展的动力。Intel公司的创始人之一戈登·摩尔在1965年曾预言了计算机集成技术的发展规律，那就是每18个月，在同样面积的芯片中集成的晶体管数量将翻一番，而成本将下降一半。
几十年来，计算机芯片的集成度严格按照摩尔定律发展，不过该技术的发展并不是无限的。因为计算机采用电流作为数据传输的信号，而电流主要靠电子的迁移而产生，电子最基本的通路是原子，一个原子的直径大约等于1 nm，目前芯片的制造工艺已经达到了90 nm甚至更小，也就是说一条传输电流的导线的直径即为90个原子并排的长度，那么最终晶体管的尺寸将接近纳米级，即达到一个原子的直径长度，但是这样的电路是极不稳定的，因为电流极易造成原子迁移，原子迁移后电路也就断路了。
由于晶体管计算机存在上述物理极限，因而世界上许多国家在很早的时候就开始了各种非晶体管计算机的研究，如光子计算机、量子计算机、生物计算机和超导计算机等，这类计算机也被称为第五代计算机或新一代计算机，它们能在更大程度上仿真人的智能，这类技术也是目前世界各国计算机发展技术研究的重点。
（1）光子计算机。是利用光信号进行数据运算、处理、传输和存储的新型计算机。在光子计算机中，以光子代替电子，用不同波长的光代表不同的数据，光运算代替电运算，具有超高速的运算速度、强大的并行处理能力、大存储量、非常强的抗干扰能力。1990年1月底，美国贝尔实验室成功研制成世界上第一台光子计算机。它采用砷化稼光学开关，运算速度可达每秒10亿次，尽管其装置粗糙，但已显示出强大的生命力，而且人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用，这些为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。
（2）量子计算机。是根据量子力学原理设计，基于原子的量子效应构建的完全以量子比特为基础的计算机。它利用每一位量子比特可同时存储“0”和“1”两个状态的相应量子态叠加来表示不同的数据，从而进行多位量子比特并行计算。量子计算机具有运算速度快、存储容量极大、功耗低、高度微型化和集成化的特点，理论上其性能能够超过任何可以想象的标准计算机。2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”，但它只能进行特定的计算。
（3）生物计算机。是利用蛋白质的开关特性，采用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片，并以这种生物电子元件构建而成的计算机。生物计算机中的信息以波的形式沿着蛋白质分子链中单键、双键的结构顺序改变，其性能是由酶之间电流启闭的开关速度来决定，用蛋白质制成的计算机芯片的一个存储点只有一个分子大小，由蛋白质构成的集成电路大小仅相当于硅片集成电路的十万分之一，因此其存储容量可以达到普通计算机的10亿倍，运行速度比当今最新一代传统计算机快10万多倍，能耗仅相当于普通台式机的十分之一。生物计算机的发展还需要经历较长的过程。
（4）超导计算机。是用超导材料代替半导体制作芯片元器件的计算机。其具有能耗小、运算速度快等特点，超导计算机耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一，执行一条指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快几十倍。以目前的技术制造出的超导计算机的集成电路芯片只有（3~50）mm2大小。超导计算机目前尚有许多有待突破的技术难关。
1.1.6 信息技术
以计算机技术、通信技术和网络技术为核心的信息技术深入影响了人类社会的各个领域，对人类的生活和工作方式产生了巨大的影响，半个多世纪以来，人类社会正在由工业社会进入信息社会，而随着科学技术的不断进步，信息技术将得到更深、更广和更快的发展。
1．信息与信息技术
信息在不同的领域有不同的定义，一般来说。信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，简单地说，信息是经过加工的数据，或者说信息是数据处理的结果，泛指人类社会传播的一切内容，如音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象等。在信息化社会中，信息已成为科技发展日益重要的资源。
信息技术（Information Technology，IT）是一门综合的技术，人们对信息技术的定义，因其使用的目的、范围和层次不同而有不同的表述。联合国教科文组织对信息技术的定义为“应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧与应用；计算机及其与人、机的相互作用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物”。该定义强调的是信息技术的现代化应用与高科技含量，主要指一系列与计算机相关的技术。狭义范围内的信息技术是指对信息进行采集、传输、存储、加工和表达的各种技术的总称。
信息技术主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件，主要包括传感技术、通信技术、计算机技术和缩微技术。
（1）传感技术。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、建造、测试、应用及评价改进等活动，传感技术、计算机技术和通信一起被称为信息技术的三大支柱，其主要任务是延长和扩展人类收集信息的功能。目前，传感技术已经发展了一大批敏感元件。例如，通过照相机、红外、紫外等光波波段的敏感元件来帮助人们提取肉眼见不到的重要信息，也可通过超声和次声传感器来帮助人们获得人耳听不到的信息。
（2）通信技术。通信技术又称通信工程，主要研究的是通信过程中的信息传输和信号处理的原理和应用。目前，通信技术得到了飞速发展，从传统的电话、电报、收音机、电视到如今的移动电话（手机）、传真、卫星通信、光纤通信和无线技术等现代通信方式，使数据和信息的传递效率得到大大提高，通信技术已成为办公自动化的支撑技术。
（3）计算机技术。计算机技术是信息技术的核心内容，其主要研究任务是延长人的思维器官处理信息和决策的功能，计算机技术作为一个完整系统运用的技术，主要包括系统结构技术、系统管理技术、系统维护技术和系统应用技术等。近年，计算机技术同样取得了飞速的发展，尤其是随着多媒体技术的发展，计算机的体积越来越小，但应用功能却越来越强大。
（4）缩微技术。缩微技术是一种涉及多学科、多部门、综合性强且技术成熟的现代化信息处理技术，其主要研究任务是延长人的记忆器官存储信息的功能。例如，在金融系统、卫生系统、保险系统、工业系统均采用缩微技术复制了纸质载体的文件，从而改变了过去传统的管理方法，提高了档案文件、文献资料的管理水平，提高了经济效益。
总地来说，现代信息技术是一个内容十分广泛的技术群，它包括微电子技术、光电子技术、通信技术、网络技术、感测技术、控制技术和显示技术等。此外，物联网和云计算作为信息技术新的高度和形态被提出，并得到了发展。根据中国物联网校企联盟的定义，物联网为当下大多数技术与计算机互联网技术的结合，它能更快、更准确地收集、传递、处理和执行信息，是科技的最新呈现形式与应用。
2．现代信息技术的发展趋势
现代信息技术的发展趋势可以概括为数字化、多媒体化、高速度、网络化、宽频带、智能化等。
（1）数字化。当信息被数字化并经由数字网络流通时，一个拥有无数可能性的全新世界便由此揭开序幕。大量信息可以被压缩，并以光速进行传输，数字传输的品质又比模拟传输的品质要好得多。许多种信息形态能够被结合、被创造，如多媒体文件。无论在世界的任何地方，都可以立即存储和取用信息。新的数字产品也将被制造出来，有些小巧得可以放进你的口袋里，有些则足以对商业和个人生活的各层面都造成重大影响。
（2）多媒体化。随着未来信息技术的发展，多媒体技术将文字、声音、图形、图像、视频等信息媒体与计算机集成在一起，使计算机的应用由单纯的文字处理进入文、图、声、影集成处理。随着数字化技术的发展和成熟，以上每一种媒体都将被数字化，并容纳进多媒体的集合里，系统将信息整合在人们的日常生活中，以接近于人类的工作方式和思考方式来设计与操作。
（3）高速度、网络化、宽频带。目前，几乎所有的国家都在进行最新一代的信息基础设施建设，即建设宽频信息高速公路。尽管今日的Internet已经能够传输多媒体信息，但仍然被认为是一条频带宽度低的网络路径，被形象地称为一条花园小径。下一代Internet技术（Internet 2）的传输速率将可以达到2.4 GB/s。实现宽频的多媒体网络是未来信息技术的发展趋势之一。
（4）智能化。随着未来信息技术向着智能化的方向发展，在超媒体的世界里，“软件代理”可以替人们在网络上漫游。“软件代理”不再需要浏览器，它本身就是信息的寻找器，它能够收集任何可能想要在网络上获取的信息。