第1章　绪论

1.1　计算机的发展和应用

1.1.1　计算机的发展历程

世界上第一台电子计算机ENIAC（electronic numerical integrator and calculator，电子数字积分计算机）于1946年诞生在美国宾夕法尼亚大学。虽然从外观上看它是个庞然大物，就其性能上看却远逊于现在的微型计算机，即PC机，但这并不影响它成为20世纪科学技术发展进程中最卓越的成就之一。它的出现为人类社会进入信息时代奠定了坚实的基础，有力地推动了其他科学技术的发展，对人类社会的进步产生了极其深远的影响。

20世纪40年代中期，冯·诺依曼（John von Neumann）参加了宾夕法尼亚大学的莫尔小组，1945年设计电子离散可变自动计算机EDVAC（electronic discrete variable automatic computer），将程序和数据以相同的格式共同储存于存储器。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，机器结构的关键部分是中央处理器（central processing unit，CPU），它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。

1946年，美国物理学家约翰·莫奇利（John Mauchly）和他的学生爱克特（Eckert）（图1-1）研制成功世界上第一台电子计算机ENIAC（图1-2）。

今天，计算机的应用已经渗入社会的各行各业和人们生活的方方面面，在人类社会变革中起到了无可替代的作用。从农业社会末期到工业社会的过渡，以及当今的信息化社会，计算机技术的应用正在逐渐改变人们传统的学习、工作和生活方式，推动社会的飞速发展和文明程度快速提高。

从计算机硬件构造上看，计算机的发展历史一般分成四个时代。

（1）第一代计算机——电子管时代（1946～1957年）　这一时期的计算机如图1-3所示，主要采用电子管作为其逻辑元件，它装有18000多只电子管和大量的电阻、电容，内存仅几千字节。数据表示多为定点数，采用机器语言和汇编语言编写程序，运算速度大约每秒5000次加法或者400次乘法，首次用电子线路实现运算。

（2）第二代计算机——晶体管时代（1958～1964年）　其基本特征是采用晶体管作为主要元器件，进而取代了电子管。内存采用了磁芯存储器，外部存储器采用了多种规格型号的磁盘和磁带，外设也有了很大的发展。此间计算机的运算速度提高了10倍，体积缩小为原来的1/10，成本降低至原来的1/10。更可喜的是，此间计算机软件有了重大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等多种高级计算机编程语言。第一台晶体管计算机如图1-4所示。

（3）第三代计算机——集成电路时代（1965～1970年）　随着半导体物理技术的发展，出现了集成电路芯片技术，在几平方毫米的半导体芯片上可以集成数百只电子元器件，小规模集成电路作为第三代电子计算机的重要特征，同时也催生了电子工业的飞速发展。第三代电子计算机的杰出代表有美国IBM公司（国际商业机器公司）1964年推出的IBM S/360计算机，如图1-5所示。

（4）第四代计算机——超大规模集成电路时代（1971年至今）　进入20世纪70年代，计算机的逻辑元器件采用超大规模集成电路技术，器件集成度得到大幅提升，运算速度达到每秒上百亿次浮点运算。集成度很高的半导体存储器取代了以往的磁芯存储器。此间，操作系统不断完善，应用软件的开发成为现代工业的一部分；计算机应用和更新的速度更加迅猛，产品覆盖各类机型；计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代，计算机真正开始快速进入社会生活的各个领域。大型计算机如图1-6所示。

1.1.2　微型计算机的发展

微型计算机是第四代计算机的典型代表。电子计算机按体积大小可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机，这不仅是体积上的简单划分，更重要的是其组成结构、运算速度和存储容量上的划分。

随着半导体集成技术的迅速发展，大规模和超大规模集成电路的应用，出现了微处理器（microprocessor unit，MPU）、大容量半导体存储器芯片和各种通用的或可专用的可编程接口电路，诞生了新一代的电子计算机——微型计算机，也称为个人计算机（personal computer，PC）。微型计算机再加上各种外部设备和系统软件，就形成了微型计算机系统。

微型计算机具有体积小、价格低、使用方便、可靠性高等优点，因此广泛用于国防、工农业生产和商业管理等领域，给人们的生活带来了深刻的变革。微型计算机的发展，大体上经历了以下几个过程。

（1）霍夫和Intel 4004　1971年1月，Intel公司的霍夫成功研制了世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，第一代微处理器问世，标志着微处理器和微机时代从此开始。

（2）8位微处理器8080　1973年，Intel公司又成功研制了8位微处理器8080，随后其他许多公司竞相推出微处理器、微型计算机产品。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器，这是世界上第一台微型计算机。

（3）AppleⅡ计算机　1977年美国苹果公司推出了著名的AppleⅡ计算机，它采用8位微处理器，是一种被广泛应用的微型计算机，开创了微型计算机的新时代。

（4）IBM与“PC机”　20世纪80年代初，当时世界上最大的计算机制造公司——美国IBM公司推出了名为IBM PC的微型计算机。

1981年IBM公司基于Intel 8088芯片推出的IBM-PC计算机以其优良的性能、低廉的价格以及技术上的优势迅速占领市场，使微型计算机进入一个迅速发展的实用时期。

世界上生产微处理器的公司主要有Intel（英特尔）、AMD（超微）、Cyrix（赛瑞克斯）、IBM等，美国的Intel公司是推动微型计算机发展最为著名的微处理器公司。在短短十几年内，微型计算机经历了从8位到16位、32位再到64位的发展过程。

当前计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化、多功能化和多媒体化的方向发展。而其日益增长的运算能力和各大软件的逐渐完善，也使得计算机在材料科学与工程领域的应用越来越广泛，地位也越来越重要。