第1章認識計算機1.1計算機的概念與分類1.2計算機的影響1.3計算機文化1.4計算機硬件的發展1.5計算機軟件的發展1.6計算機網絡的發展思考題

1.1計算機的概念與分類

1.1.1計算機的概念

計算機(Computer/Calculationmachine)一般是在學術性或正式場合使用的名稱，它的學名為電子計算機，是由早期的電動計算器發展而來的。自第一代計算機誕生以來，計算機技術和工業一直處于高速發展狀態，計算機科學已成為一門發展快、滲透性強、影響深遠的學科，計算機產業已在世界范圍內發展成為具有戰略意義的產業。計算機科學和計算機產業的發達程度已成為衡量一個國家的綜合國力強弱的重要指標。計算機作為20世紀出現的新生事物，它的誕生對我們的生活、工作、學習等各方面產生了極大影響。全球第一代計算機如圖1-1(a)所示，第一代便攜式手提計算機如圖1-1(b)所示。計算機科學涉及到數學、電子學(特別是微電子學)、磁學、光學、精密機械、通信、系統工程等學科，同時，由于各國政府、企業、科教組織對計算機的使用及影響程度不甚相同，因此，關于計算機并沒有一個統一的、權威的定義。圖1-1第一代計算機

《牛津英語詞典(第二版)》的定義為：計算機是一種進行運算或者控制那些可以表示為數字或者邏輯形式的操作的設備。人們一般認為，廣義的計算機是指能自動處理信息的機器。在通常用語中，計算機一般指電子計算機中的個人計算機。有一種定義為：計算機是一種能夠按照指令對各種數據和信息進行自動加工和處理的電子設備，它由多個零配件組成，如中央處理器、主板、內存、電源、顯卡等；還有一種定義為：計算機就是接收、處理和提供數據的一種裝置，通常由輸入/輸出設備、存儲器、運算和邏輯部件以及控制器組成。此外，還有這樣一些定義：主板、顯卡、聲卡、顯示器、機箱電源、鍵盤鼠標、光驅、軟驅、內存條、CPU等就構成了計算機；計算機就是能自動地、以存儲程序的方式進行算術和邏輯運算的機器；代替人的部分腦力活動的機器就是計算機。按定義來說，一臺通用計算機能用來解決任何問題，只要這個問題可以用程序來表示。然而，程序運行時是有一些實際限制的：計算機的存儲能力、所需處理問題的大小以及運行的速度。在1934年，艾倫·圖靈證明了：給定正確的程序，任何通用計算機可以模擬其他任何計算機的行為。他的數學證明是純粹理論上的，因為當時還沒有通用計算機存在。這個證明的意義是深遠的，例如，從理論上說，現在的通用計算機能夠模擬任何未來制造的通用計算機的行為，盡管速度很慢。通用計算機也稱為完備的圖靈機，它經常被用來定義現代計算機的能力上限。然而，這種定義是有問題的。幾種過分單純化的計算設備已經展現出完備的圖靈機特性，但是它們都處于一種所謂的“圖靈瀝青陷阱”狀態，即什么都是有可能的，但是和實用性一點都不沾邊。現代計算機不僅僅是理論上通用化的，而且是實用化的通用工具。圖1-2(a)所示為現在國防、科研上使用的萬億次高性能計算機(2007年12月26日，我國首臺采用國產高性能通用處理器芯片“龍芯2F”和其他國產器件、設備和技術的計算機在中國科學技術大學研制成功，并通過專家鑒定)，圖1-2(b)所示為市場上流行的一款掌上計算機。圖1-2現代計算機1.1.2計算機的分類

1．按用途分類

計算機制造商通常用以下詞匯來描述他們的產品：超級計算機、迷你超級計算機(如圖1-3所示)、大型計算機、企業級服務器、小型機、工作站、個人計算機或者臺式機、膝上型計算機或者筆記本計算機、個人數字助理、可以穿戴的計算機等。計算機發展的快速性意味著計算機新的用途層出不窮，當前的定義很快就會過時。許多不再被人使用的計算機的類型，例如微分分析器，通常不被列入分類條目之中。所以，必須采用其他分類方法來明白無誤地定義計算機。圖1-3TyphoonPSC(泰安臺風個人超級計算機)

2．按制造技術分類

按制造技術分類，可以有機械式計算機、半電子－半機械式計算機、電子式計算機、晶體管計算機、半導體集成電路計算機、光學計算機、量子計算機、神經計算機及生物計算機等。

3．按設計特點分類

現代計算機綜合了許多基本的設計特點，這些特點是許多貢獻者在很多年里逐漸開發出來的。設計特點經常獨立于實現技術。現代計算機的綜合性能來源于這些特點互相作用的方式。一些重要的設計特點羅列如下：

(1)數字式和模擬式。設計一種計算機時有一個基本的決定：這種計算機應該是數字式還是模擬式的。數字式計算機處理離散的數字性或者符號性值，而模擬式計算機仍然應用于一些特殊的領域，例如機器人和回旋加速器的控制。

(2)二進制和十進制。在數字式計算機的發展歷程中，一個重大的設計進步是引入了二進制作為內部的數字系統。這種方法避免了那些基于其他數字系統的計算機中必需的復雜的進位機制。采用二進制的好處是簡化了實現算術功能和邏輯運算的設計。

4．按能力分類

計算機按能力可以分為三大類：只能計算一種函數的單用途設備，可以計算有限范圍內的函數的特殊用途設備，以及我們天天使用的通用設備。過去計算機這個詞用來描述所有這些類型的機器，但是現在口語中的用法通常特指通用計算機了。

5．按操作方式分類

計算機可以按用戶操作的方式來分類。有兩大類操作方式：批處理和交互式處理。

6．按規模或系統功能分類

計算機可以分為巨型機、大型機、中小型機、工作站、個人計算機(微型機、膝上機、掌上機、單板機)等。

7．按計算機系統間的互連地域范圍分類

計算機可劃分為單機系統、計算機局域網、計算機遠程網等。

8．按Flynn的建議分類

按計算機內的指令流和數據流是單個還是多個來劃分計算機的種類，這就是Flynn分類法。按照Flynn法可把計算機的體系結構分為4類：SISD(單指令、單數據流)，串行地執行指令；MISD(多指令、單數據流)，在多個處理機中用不同的指令去處理單個數據，這種方案看來是很不實際的；SIMD(單指令、多數據流)，以多個處理機同時對不同的數據執行同一種指令操作；MIMD(多指令、多數據流)，以多個處理機自治地對不同的數據執行不同的操作。

另外，按計算機系統的抗惡劣環境程度還可劃分為通用計算機、加固(半加固)計算機。

1.2計算機的影響

21世紀人類已經進入信息社會，隨著計算機和網絡的普及，人們的生活正發生著翻天覆地的變化。計算機改變了人類獲取知識、信息的方式，它還將改變人類社會的經濟結構和生產、分配方式等。在這個科技進步的時代，計算機已成為每個人必備的工具，有了計算機，我們的聯系才如此方便，快捷。計算機時代讓人們盡情領略到了數字技術帶來的神奇，比如使用計算機制作的兩幅數字圖畫，如圖1-4(a)和1-4(b)所示。同時計算機也給人們帶來了一些健康隱憂，如圖1-4(c)和1-4(d)所示。計算機的普及和計算機文化的形成及發展，對社會產生了深遠的影響。加上網絡技術的飛速發展，使互聯網滲透到了人們工作、生活的各個領域，成為人們獲取信息、享受網絡服務的重要來源。隨著網絡經濟時代的到來，我們對計算機及其所形成的計算機文化，有了更全面的認識。圖1-4計算機對認知的影響在20世紀80年代初期，Papert曾指出計算機是一種強而有力的學習工具，可以克服傳統教學媒體的缺陷，將一些抽象而深奧的概念化為具體而易懂的多媒體光盤互動教材，以幫助幼兒學習。Swigger和Hines的研究成果顯示：三歲的兒童已具有玩計算機的能力；四歲的兒童已具有使用計算機的能力；五歲的兒童已具有設計作業的能力。目前有許多研究已指出幼兒使用計算機的正面效果，但提供給幼兒的有意義的經驗并非來自于計算機硬件，而是軟件。此外，多媒體和網絡技術提供了界面友好、形象直觀的交互式學習環境，有利于激發學生的學習興趣和協商會話、協作學習。當然，對于大多數人來說，如果計算機使用不當，那么它也會讓人們對它產生過分的依賴性。比如，現在計算機的廣泛使用極大地改變了人們認知世界的方式，改變了人的閱讀習慣、日常生活習慣、價值觀，甚至人格等。調查顯示，近年來，我國國民圖書閱讀率持續走低，與此相反，網絡閱讀率卻大幅增長。我國國民網上閱讀率從1999年的3.7%增加到2003年的18.3%，再到2005年的27.8%，7年間增長了7.5倍，我國有網上閱讀習慣的人數比例年均增幅40%。各種電子媒介欣欣向榮，正在改變著我們的生活方式和思維方式。2003年各種媒體接觸率排名如圖1-5所示。如今，網絡閱讀正成為全社會的一種新的閱讀方式。圖1-52003年各種媒體接觸率排名現在計算機及網絡技術已經成為人們生活中不可或缺的一部分，它們在我們的生活中無處不在。通過計算機網絡我們可以輕松了解各種資訊、獲取幫助、提高工作效率、共享信息等。如圖1-6和圖1-7所示的那樣，計算機和網絡也改變了我們一些傳統的生活方式。

下面我們將從信息高速公路和信息社會所具有的特征這兩個方面來了解計算機文化對社會的影響。圖1-6可視電話交流

圖1-7視頻聊天交流

1．信息高速公路

1993年1月，戈爾當選為克林頓政府的副總統，同年9月，他代表美國政府發表了“國家信息基礎設施行動日程(NationalInformationInfrastructure：AgendaforAction)”即“美國信息高速公路計劃”，或稱“NII”計劃。網絡系統是NII計劃的基礎。目前，世界上最大的計算機網絡——Internet(常稱為互聯網)就是在ARPAnet的基礎上，由35?000多個局域網、城域網(MAN)和國家網互連而成的一個全球網絡，使得人們好像住進了一個地球村(見圖1-8(a))。Internet已把全世界200多個國家和地區的幾億臺計算機及其用戶連接在一起，網上的數據信息量每月以10%以上的速度遞增。僅以電子郵件(ElectronicMail或E-mail)為例，每天就有幾千萬人次使用Internet的E-mail信箱。發送電子郵件的用戶只需把信件內容及收信人的E-mail地址按照規定送入連網的計算機中，E-mail系統就會自動把信件通過網絡傳送到目的地。收信的用戶如果定時連網，可在自己的E-mail信箱中看到任何人發送給自己的郵件。NII計劃的提出，給未來的信息社會勾畫出了一個清晰的輪廓，而Internet的擴大運行，也給未來的全球信息基礎設施提供了一個可供借鑒的原型。人人向往的信息社會，已不再是一個帶有理想色彩的空中樓閣。圖1-8計算機網絡改變生活、工作方式

2．信息社會的特征

同信息化以前的社會相比，信息社會具有下列主要特征：

(1)信息成為重要的戰略資源。在工業社會，能源和材料是最重要的資源。信息技術的發展，使人們日益認識到信息在促進經濟發展中的重要作用。信息被當作是一種重要的戰略資源。一個企業如果不實現信息化，就很難增加生產，提高與其他企業的競爭能力；一個國家如果缺乏信息資源，又不重視信息的利用和交換能力，就只能是一個貧窮落后的國家。目前，信息業已上升為一個國家最重要的產業。美國學者M·U·Poftat就提出一種宏觀經濟結構理論，將信息業與工業、農業、服務業并列為四大產業。信息業不能代替工業生產汽車，也不能代替農業生產糧食，但它是發展國民經濟的“倍增器”，能夠提高企業的生產水平，改進產品質量，改善勞動條件，產生明顯的經濟效益。可以預見，在未來的信息社會中，信息業將成為全世界最大的產業。

(2)信息網絡成為社會的基礎設施。隨著NII計劃的提出和Internet的擴大運行，“網絡就是計算機”的思想已深入人心。因此，信息化不單是讓計算機進入普通家庭，更重要的是將信息網絡聯通到世界的每一個角落，每個人可以隨時隨地的開展工作。圖1-8(b)所示為一位在機場利用便攜計算機和無線網絡開展工作的職業女性。如果說供電網、交通網和通信網是工業社會中不可缺少的基礎設施，那么信息網的覆蓋率和利用率，理所當然地將成為衡量信息社會是否成熟的標志。

1.3計?算?機?文?化

從文化教育的角度看，過去我們掃盲主要是使教育對象具有“能寫會算”的基本功。現在針對信息化社會的要求又提出要培養在計算機上“能寫會算”的人，國外把這稱為計算機素養，歸納出三個R，即讀計算機的書、寫計算機程序、取得計算機實際經驗，這概括了國外計算機掃盲的基本要求。隨著計算機教育的普及，一個更深內涵的問題——計算機文化正成為人們關注的熱點。人類文化的發展與傳播文化的媒體技術關系極大。早在1968年，美國一位計算機科學家就設想過將來的計算機將成為“超級媒體”或“超級紙張”，并希望它能像活字印刷術那樣對人類產生革命性的沖擊。事實的發展證實了他的預言。在計算機的支持下，無紙貿易、無紙辦公、無紙新聞、無紙出版正在成為現實。網絡技術的發展也使計算機如虎添翼。它建立起人與人之間以及這一群人與另一群人之間溝通的渠道，把時間和空間上的距離大大縮小，使得人們能彼此交流思想、交換信息。每個新思想正在被綜合成更新的思想，從而對人類的本質以及我們生存的宇宙產生新的認識。網絡最重要的特點就是人人可以處在網絡的中心位置，彼此能完全平等地對話。多媒體計算機全球網使人類的聯系更加密切，知識寶庫更加豐富，各種難題更容易獲得解決。網絡文明對人類社會進步和生活改善將起到不可估量的影響。當然，計算機文化既有知識精華在傳播，也有污穢糟粕在泛濫，例如網絡上傳播的不健康的東西就應該堅決取締。總之，隨著計算機及其網絡技術的發展，特別是信息高速公路的建設，要求我們不能單純地把它當作科學技術問題來研究，還應該當作一種重大的文化現象來探討，興利除弊，因勢利導。世界正在經歷由a到b的轉變，即原子(atom)時代向比特(bit)時代的變革，計算機科學與技術的進步在其中無疑起著關鍵性的作用。經過50多年的量變，計算機技術的應用領域幾乎無所不在，成為人們工作、生活、學習不可或缺的重要組成部分，并由此形成了獨特的計算機文化。1.3.1計算機文化的定義

所謂計算機文化，就是人類社會的生存方式因使用計算機而發生根本性變化后產生的一種嶄新的文化形態，這種嶄新的文化形態可以體現為：①計算機理論及其技術對自然科學、社會科學的廣泛滲透所表現的豐富文化內涵；②計算機的軟、硬件設備，作為人類所創造的物質設備豐富了人類文化的物質設備品種；③計算機應用介入人類社會的方方面面，從而創造和形成的科學思想、科學方法、科學精神、價值標準等成為一種嶄新的文化觀念。計算機文化作為當今最具活力的一種嶄新文化形態，加快了人類社會前進的步伐，它所產生的思想觀念、所帶來的物質基礎條件以及計算機文化教育的普及有利于人類社會的進步和發展。同時，計算機文化也帶來了人類嶄新的學習觀念：面對浩瀚的知識海洋，人腦所能接受的知識是有限的，我們根本無法“背”完，通過計算機這種工具可以把我們從“背”的繁重的記憶性勞動中解放出來，而更多地去完成“創造”性勞動。計算機文化代表一個新的時代文化，它已經將一個人經過文化教育后所具有的能力由傳統的讀、寫、算上升到了一個新高度，即除了能讀、寫、算以外，還要具有計算機運用能力(信息能力)，而這種能力可通過計算機文化的普及得到實現。

計算機文化來源于計算機技術，正是后者的發展，孕育并推動了計算機文化的產生和成長；而計算機文化的普及，又反過來促進了計算機技術的進步與計算機應用的擴展。當人類跨入21世紀時，又迎來了以網絡為中心的信息時代。作為計算機文化的一個重要組成部分，網絡文化已成為人們生活的一部分，深刻地影響著人們的生活，同樣也給我們帶來了前所未有的挑戰。信息時代是互聯網的時代，嫻熟地駕馭互聯網將成為人們工作生活的重要能力。在信息時代造就了微電子、數據通信、計算機、軟件技術這4大產業，圍繞網絡互聯，又實現了計算機、電視、電話的“三合一”。“三合一”包含兩層意思：一是計算機網、電視網、電話網三網合一，三種信號均通過網際網傳輸；二是終端設備融為一體。這是目前人們廣泛關注的技術，它的實現極大地豐富了計算機文化的內涵，讓每一個人都能領略計算機文化的無窮魅力，體味計算機文化的浩瀚。

今天，計算機文化已成為人類現代文化的一個重要組成部分，完整準確地理解計算科學與工程及其社會影響，已成為新時代青年人的一項重要任務。1.3.2計算機文化的形成

自第一臺微型計算機問世以來，世界上已有超過2.5億臺的個人計算機(PC)在各地運行。PC機在美國家庭的普及率已超過50%。在中國，PC機的銷售量以每年約20%的速度增長。除此以外，每年還有大量的單片機裝入汽車、微波爐、洗衣機、電話和電視機中。一個計算機大普及的時代已經揭開了序幕，并由此形成了獨具魅力的計算機文化。回顧過去20多年的歷史，計算機的成就主要表現在以下幾個方面：

(1)價格持續下降。1975年問世的第一臺微機(Altair8800)的價格為4000美元。1977年著名的AppleII8位機(帶64KB內存、不配顯示器)的售價為1300美元。1981年推出的第一代IBMPC機(4.77?MHz8088CPU，512?KB內存，單色顯示器和5英寸軟盤驅動器)報價為3200美元。到1996年，一臺配備齊全的PC機(90?MHzPentiumCPU，8?MB內存，VGA彩顯，54?MB硬盤)，加上鍵盤、打印機等標準外部設備，花2500美元即可買到。在中國，現在配備最新的CPU的微機售價只需幾千元人民幣。同許多其他家電產品一樣，PC機現已成為普通人能夠買得起的家電產品。

(2)性能大幅度提高。早期的微機速度低、內存容量小，其功能遠不及小型機和主機。許多大型的軟件因內存限制，無法在PC機上運行。硬件的進步，使PC機每秒可處理千兆字節的信息，內存容量可達幾百兆字節，不少以前只能在工作站乃至大型機上運行的軟件，現在也能在PC機上運行。一些先進技術，像虛似存儲、數據庫管理、圖形系統和多媒體應用等，在PC機上都能實現。“微機不微”，今天的PC機，不僅在功能上已超過了26年前的小型機或某些主機，而且在軟件、硬件技術上也覆蓋了許多當代新技術。

(3)操作日趨簡便。早期的計算機操作復雜，只有專家才能使用。隨著分時系統與小型機的推廣，開始用鍵盤代替讀卡機和紙帶機，用字符顯示器補充單獨使用的電傳打字機或打印機，簡化了輸入/輸出操作。1982年，美國Xerox公司采用圖形顯示器和鼠標器等設備，采用層疊式窗口、彈出式菜單等人機交互技術，一舉吸引了公眾的注意。1984年，美國Apple公司在推出MacintoshPC機的同時，除采用窗口與菜單技術外，還增加了引人注目的“對話框”等技術。從此，圖文并茂的圖形用戶界面開始取代傳統的字符用戶界面，以“多窗口”下拉菜單和“聯機幫助”為特征的窗口系統迅速推廣。隨著多媒體技術的發展，形聲兼備的多媒體用戶界面也初露頭角。不久的將來，計算機的操作與應用將更趨簡便，更加自然。一個高性能的工具，配上友好的用戶界面，再加上低廉的價格，使得計算機從“昔日王榭堂前燕”，變成了如今的“飛入平常百姓家”。計算機已成為我們日常生活不可分割的一個重要部分。

(4)計算機網絡迅猛發展。網絡不僅作為一個媒體給傳媒格局帶來很多沖擊，也作為一種新的社會形態，孕育了各種新的文化現象。網絡文化的景觀，既讓一些人稱奇，又讓一些人困惑，更讓不少人擔憂。芙蓉姐姐、網絡小胖、后舍男孩、美媚自拍、聊天交友、論壇灌水、反恐游戲、網絡寫手、電子購物等成了全新的文化創作與參與主體、全新的文化內容與文化傳播、全新的經濟活動與生存方式的代表。僅僅在10年前，我們還無法想象到今天的這種新文化形態，網絡從一種技術的代名詞演變為一種文化，成熟的周期顯得過于短暫。圖1-9、圖1-10、圖1-11是一些網絡文化中較有代表性的一些事例。圖1-9網絡電視圖1-10網絡聊天圖1-11博客影響著人類生活和思維方式的網絡文化是一個內涵十分豐富的概念，對它的認識角度與層面不盡相同。人民網傳媒頻道彭蘭博士將網絡文化分成如下層面：

(1)網絡文化行為：網民在網絡中的行為方式與活動，大多具有文化的意味，它們就是網絡文化的基本層面，是網絡文化的其他層面形成的基礎。

(2)網絡文化產品：既包括網民利用網絡傳播的各種原創的文化產品，例如文章、圖片、視頻、Flash等，也包括一些組織或商業機構利用網絡傳播的文化產品。

(3)網絡文化事件：網絡中出現的一些具有文化意義的社會事件，它們不僅對網絡文化的走向起到一定作用，也會對社會文化發展產生一定影響。

(4)網絡文化現象：有時網絡中并不一定發生特定的事件，但是，一些網民行為或網絡文化產品等會表現出一定的共同趨向或特征，形成某種文化現象。

(5)網絡文化精神：網絡文化的一些內在特質。目前網絡文化精神的主要特點表現為：自由性、開放性、平民性、非主流性等。但隨著網絡在社會生活中滲透程度的變化，網絡文化精神也會發生變化。不同層面的網絡文化交織在一起，構成了復雜的網絡文化景觀。而網絡文化的形成，有著自己內部的動力系統，也有著外部的推動力量。總體來看，網絡文化的形成基于以下幾種主要的動力要素的組合結構及其運動方式：

(1)網絡文化發展的原動力是網民的需要或訴求。這些需要和訴求主要包括休閑娛樂訴求、自我表達訴求、自我調適需求、個人信息傳播訴求、自我形象塑造訴求、知識管理訴求、社會參與訴求。

(2)網民互動是網絡文化的助推力。網民互動放大了個體行為影響(“芙蓉姐姐”就是一個典型的例子)、聚合了個體行為能量(近兩年的“超女”現象)、孕育了群體文化、促進了文化產品傳播(博客、BBS)、造就了網絡文化精神。

社會學家指出，網絡文化極大地滿足了人們的一種“經歷癖”，人們在網絡的虛擬空間中從心態上鍛煉了一種成就感和自信心。在游戲中，人們通過與不同魔怪打斗來提升自己的武功，同俠女相識相愛，如同身臨其境；在論壇中，可以像學者官員那樣評點國家大事，抨擊社會丑惡現象；在網絡文學與網絡音樂創作中，可以像大作家與音樂家那樣，隨意創作自己得意的作品，供網民評點……網絡社會是在網絡技術不斷完善的過程中形成的，網絡技術的不斷發展使得網絡的門檻逐漸降低，越來越多的人匯集到網絡中來，人們共同完善和建設著這個有史以來人類最大的社區。因此，網絡文化首先是“全球化”的，同時，由于網絡匯聚了全球各個角落、各種民族、不同文化的人們來參與，網絡文化的最終發展必然是多元的、共生的，更像是一個文化的“叢林”。

1.4計算機硬件的發展

1.4.1計算機的發展歷史

1．計算機的誕生

1946年2月15日發生了人類歷史上一件劃時代的大事：人類第一臺真正意義上的電子計算機誕生了。1945年，由美國生產了第一臺全自動電子數字計算機“埃尼阿克”(英文縮寫詞是ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，中文意思是電子數字積分器和計算器)，如圖1-12所示。它是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研制的。主要發明人是電氣工程師普雷斯波·埃克特(J.PrespenEckert)和物理學家約翰·莫奇勒(JohnW.Mauchly)。這臺計算機1946年2月交付使用，共服役9年。“埃尼阿克”的功，是計算機發展史上的一座紀念碑，是人類在發展計算技術的歷程中到達的一個新的起點。“埃尼阿克”計算機的最初設計方案是由36歲的美國工程師莫奇利于1943年提出的，它的主要任務是分析炮彈軌道。總工程師由年僅24歲的埃克特擔任，組員格爾斯是位數學家，另外還有邏輯學家勃克斯。“埃尼阿克”共使用了18?000個電子管、1500個繼電器以及其他器件。其總體積約90立方米，重達30噸，占地170平方米，需要用一間30多米長的大房間才能存放，是個地地道道的龐然大物。這臺耗電量為140千瓦的計算機，運算速度為5000次加法每秒，或者400次乘法每秒，比機械式的繼電器計算機快1000倍。“埃尼阿克”最初是為了進行彈道計算而設計的專用計算機，但后來可以通過改變插入控制板里的接線方式來解決各種不同的問題，而成為一臺通用機。它的一種改型機曾用于氫彈的研制。“埃尼阿克”程序采用外部插入式，每當進行一項新的計算時，都要重新連接線路。有時幾分種或幾十分種的計算，要花幾小時或1～2天的時間進行線路連接準備，這是一個致命的弱點。它的另一個弱點是存儲量太小，至多只能存20個10位的十進制數。因此有了隨后的世界上第一臺能夠存儲程序的計算機，如圖1-13所示。英國無線電工程師協會的蒙巴頓將軍把“埃尼阿克”的出現譽為“誕生了一個電子的大腦”，“電腦”的名稱由此流傳開來。圖1-12第一臺電子數字計算機“ENIAC”圖1-13世界上第一臺存儲程序式計算機EDVAC

ENIAC機的問世具有劃時代的意義，它標志著計算機時代的到來。在以后的40多年里，計算機技術發展得異常迅速，在人類科技史上還沒有一種學科可以與電子計算機的發展速度相提并論。在計算機技術發展初期，杰出代表人物是美籍匈牙利科學家馮·諾依曼(圖1-14)和英國科學家阿蘭·邁席森·圖靈(見圖1-15)。圖1-14馮·諾依曼(JohnvonNeumann)圖1-15阿蘭·邁席森·圖靈(AlanMathisonTuring)馮·諾依曼的主要貢獻是：確立了現代計算機的基本結構，即馮·諾依曼結構。其特點可以概括如下：

(1)使用單一的處理部件來完成計算、存儲以及通信的工作；

(2)存儲單元是定長的線性組織；

(3)存儲空間的單元是直接尋址的；

(4)使用機器語言，指令通過操作碼來完成簡單的操作；

(5)對計算進行集中的順序控制。從技術上講，ENIAC尚未正式運行就幾乎過時了。因為在它正式運行之前，一份新型電子計算機的設計報告，又在計算機發展史上樹起了一座新的里程碑!這份設計報告的起草人，就是20世紀天才的數學大師之一、美籍匈牙利數學家馮·諾依曼。1903年12月28日，馮·諾伊曼誕生于匈牙利的布達佩斯。他從小就顯示出驚人的數學天賦。18歲時，他與指導老師合作，在國外的雜志上發表了第一篇數學論文。1926年，馮·諾依曼幾乎同時畢業于兩所大學，在蘇黎世高等技術學院獲得“化學工程”文憑，在布達佩斯大學獲得數學博士證書。馮·諾依曼有一個突出的優點，就是善于把人們認為不能用數學處理的實際問題加以公理化、系統化，將抽象的數學理論巧妙地應用于實際生活領域。譬如一次幾十名商人參加的交易會，商人們都會謀求有利于自己的最優策略，其數學復雜程度遠遠超過了太陽系行星的運動。馮·諾依曼敢于知難而進，用一系列的數學理論創造并揭示了這類現象的規律，從而奠定了對策論這門數學分支的基礎。馮·諾依曼對計算機科學的貢獻，尤其為人們所贊賞。有趣的是，將他引向這個領域卻純粹靠一個偶然的機會。1944年夏天，馮·諾依曼在一個火車站候車時，偶然遇見ENIAC研制小組的負責人之一、數學家格爾斯坦中尉。當時，馮·諾依曼正為原子彈實驗中遇到的大量計算問題而苦惱，譬如有關原子核裂變反應過程問題，需要進行數十億次初等算術運算，上百名女計算員用臺式計算器日夜不停地工作，仍然不能按時完成任務。在與格爾斯坦中尉閑聊中，馮·諾依曼聽到了ENIAC正在研制的消息，立刻理解了這項工作的深遠意義。不久，他就成了研制小組的常客，并對一些關鍵問題的解決作出了貢獻。從此，他那嶄新的設計思想，深深地烙印在現代電子計算機的基本設計之中。西方科學家們對馮·諾依曼的工作給予了極高的評價，尊稱他為“電子計算機之父”。

后來，馮·諾依曼又進一步研究了自動機理論，他用驚人的毅力克服癌癥帶來的病痛，探索了計算機和人腦機制的類似現象。不幸的是，1957年2月8日，《計算機與人腦》的講稿尚未寫完，馮·諾依曼便被骨癌奪去了生命。

計算機發展史上另一位重要人物阿蘭·邁席森·圖靈對現代計算機的貢獻主要是：建立了圖靈機的理論模型，發展了可計算性理論；提出了定義機器智能的圖靈測試。圖靈1912年生于英國倫敦，1954年死于英國的曼徹斯特。他是計算機邏輯的奠基者，許多人工智能的重要方法也源自于這位偉大的科學家。他對計算機的重要貢獻在于他提出了有限狀態自動機也就是圖靈機的概念，他杰出的貢獻使他成為計算機界的第一人。現在人們為了紀念這位偉大的科學家，將計算機界的最高獎定名為“圖靈獎”。少年圖靈感興趣的是數學等學科，在加拿大他開始了他的職業數學生涯。在大學期間，這位學生似乎對前人現成的理論并不感興趣，什么東西都要自己來一次。大學畢業后，他前往美國普林斯頓大學，也正是在那里，他制造出了以后稱之為圖靈機的東西。圖靈機被公認為現代計算機的原型，這臺機器可以讀入一系列的0和1，這些數字代表了解決某一問題所需要的步驟，按這個步驟走下去，就可以解決某一特定的問題。

1936年，圖靈向倫敦權威的數學雜志投了一篇論文，題為“論數字計算在決斷難題中的應用”。在這篇開創性的論文中，圖靈給“可計算性”下了一個嚴格的數學定義，并提出著名的“圖靈機(TuringMachine)”的設想。“圖靈機”不是一種具體的機器，而是一種思想模型，如圖1-16所示，它由三部分組成：一個控制器，一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀/寫頭。通過圖靈機可制造出一種十分簡單但運算能力極強的計算裝置，用來計算所有能想象得到的可計算函數。“圖靈機”與“馮·諾依曼機”齊名，被永遠載入計算機的發展史中。1950年10月，圖靈又發表了另一篇題為“機器能思考嗎”的論文，成為劃時代之作。也正是這篇文章，為圖靈贏得了“人工智能之父”的桂冠。圖1-16圖靈機模型示意圖大學畢業后，圖靈去美國普林斯頓大學攻讀博士學位，還順手發明過一個解碼器。在那里，他遇見了馮·諾依曼，后者對他的論文極為贊賞，并隨后由此提出了“存儲程序”概念。當有人將“電子計算機之父”的頭銜戴在馮·諾依曼頭上時，他謙遜地說，真正的計算機之父應該是圖靈。他倆是計算機歷史浩瀚星空中相互映照的兩顆巨星。數學家把聰明給了電子計算機，電子計算機將使數學家變得更加聰明。電子計算機與其他的工具都不相同：它是人腦的一個側面的延伸。電子計算機不僅具有非凡的計算能力，速度之快令人望塵莫及，而且還能夠仿真人的某些思維功能，按照一定的規則進行邏輯判斷和邏輯推理，代替人的部分腦力勞動。1976年，數學家憑借電子計算機去證明四色定理，“依靠機器完成了人沒有能夠完成的事情”，轟動了整個國際數學界。電子計算機把人的思維更加有效地引向未知領域。僅僅從這個角度講，也不難認識到電子計算機是一項多么偉大的科學發明了。

2．計算機發展的四個時代

1)第一代(1946～1958)：電子管數字計算機

計算機的邏輯元件采用電子管(見圖1-17)，主存儲器采用汞延遲線、磁鼓、磁芯；外存儲器采用磁帶；軟件主要采用機器語言、匯編語言；應用以科學計算為主。其特點是體積大、耗電大、可靠性差、價格昂貴、維修復雜，但它奠定了以后計算機技術的基礎。第一代電子計算機的五個基本部分為運算器、控制器、存儲器、輸入器和輸出器。運算器和控制器采用電子管，存儲器采用電子管和延遲線。圖1-17第一代：電子管(計算速度為5000～40000次/秒)這一代計算機的一切操作，包括輸入、輸出在內，都由中央處理機集中控制。這種計算機主要用于科學技術方面的計算。“埃迪瓦克(EDVAC)”是典型的第一代電子計算機，其方案實際上在1945年就完成了，但直到1952年1月才制成。

1949年5月，英國劍橋大學數學實驗室根據馮·諾依曼的思想，制成電子延遲存儲自動計算機“埃迪薩克(EDSAC)”，這是第一臺帶有存儲程序結構的電子計算機。隨后，在1952年1月，由馮·諾依曼設計的IAS電子計算機問世，諾依曼的設想終于在這臺機器上得到了圓滿的體現。這臺IAS計算機總共只采用了2300個電子管，但運算速度卻比擁有18?000個電子管的“埃尼阿克”提高了10倍。因此IAS計算機被屢屢仿制，并成為諾依曼型電子計算機的鼻祖。從1953年起，美國的IBM公司開始批量生產應用于科研的大型計算機系列，從此電子計算機走上了工業生產之路。1955年，前蘇聯科學家也研制出快速大型電子計算機，該機占用機房面積達100平方米，共用了5000多個電子管，平均計算速度達7000～8000次每秒。該機包括一個能存儲1004個代碼的專用內存儲器。1958年，中國科學院也研制出了中國第一臺采用電子管的大型快速計算機。

2)第二代(1958～1964)：晶體管數字計算機

晶體管(見圖1-18)的發明推動了計算機的發展。邏輯元件采用了晶體管以后，計算機的體積大大縮小，耗電減少，可靠性提高，性能比第一代計算機有很大的提高。這一代計算機的主存儲器采用磁芯，外存儲器已開始使用更先進的磁盤；軟件有了很大發展，出現了各種各樣的高級語言及其編譯程序，還出現了以批處理為主的操作系統，計算機開始向系列化方向發展。其應用以科學計算和各種事務處理為主，并開始用于工業控制。圖1-18第二代：晶體管(計算速度為幾十萬～百萬次/秒)

1954年，美國貝爾實驗室研制成功第一臺使用晶體管線路的計算機，取名“催迪克(TRADIC)”，裝有800個晶體管。1955年，美國在阿塔拉斯洲際導彈上裝備了以晶體管為主要元件的小型計算機。10年以后，在美國生產的同一型號的導彈中，由于改用集成電路元件，重量只有原來的1/100，體積與功耗減少到原來的1/300。

1958年，美國的IBM公司研制出了第一臺全部使用晶體管的計算機RCA501型。由于第二代計算機采用晶體管邏輯元件及快速磁芯存儲器，計算速度從幾千次每秒提高到幾十萬次每秒，主存儲器的存儲量從幾千提高到10萬以上。1959年，IBM公司又生產出全部晶體管化的電子計算機IBM7090。1958～1964年，晶體管電子計算機經歷了大范圍的發展過程。從印刷電路板到單元電路和隨機存儲器，從運算理論到程序設計語言，不斷的革新使晶體管電子計算機日臻完善。1961年，世界上最大的晶體管電子計算機ATLAS安裝完畢。1964年，中國研制出了第一臺全晶體管電子計算機441-B型。第一代電子計算機使用的是“定點運算制”，參與運算的絕對值必須小于1；而第二代電子計算機則增加了浮點運算，使數據的絕對值可達到2的幾十次方或幾百次方，使電子計算機的計算能力實現了一次飛躍。同時，用晶體管取代電子管使第二代電子計算機的體積大大減小，壽命延長，價格降低，為電子計算機的廣泛應用創造了條件。

3)第三代(1964～1971)：集成電路數字計算機

20世紀60年代，計算機的邏輯元件采用小、中規模集成電路(見圖1-19)，計算機的體積更加小型化、耗電量更少、可靠性更高，性能比第二代計算機又有了很大的提高。這時，小型機也蓬勃發展起來，應用領域日益擴大。主存儲器仍采用磁芯，軟件逐漸完善，分時操作系統、會話式語言等多種高級語言都有新的發展。圖1-19第三代：集成電路(計算速度為百萬～幾百萬次/秒)

1958年，世界上第一個集成電路誕生時，只包括一個晶體管、兩個電阻和一個電阻—電容網絡。后來集成電路工藝日趨完善，集成電路所包含的元件數量以每1～2年翻一番的速度增長著。發展到20世紀70年代初期，大部分電路元件都已經以集成電路的形式出現了。甚至，在像指甲那樣大的約1平方厘米的芯片上，就可以集成上百萬個電子元件。因為它看起來只是一塊小小的硅片，所以人們常把它稱為芯片。與晶體管相比，集成電路的體積更小，功耗更低，而可靠性更高，造價更低廉，因此得到迅速發展。

1964年4月7日，美國IBM公司同時在14個國家、全美63個城市宣告，世界上第一個采用集成電路的通用計算機系列IBM360系統研制成功，該系列有大、中、小型計算機共6個型號，它兼顧了科學計算和事務處理兩方面的應用，各種機器全都相互兼容，適用于各方面的用戶，具有全方位的特點，正如羅盤有360°刻度一樣，所以取名為360。它的研制開發經費高達50億美元，是研制第一顆原子彈的曼哈頓計劃的2.5倍。IBM360系統是最早使用集成電路元件的通用計算機系列，它開創了民用計算機使用集成電路的先例，計算機從此進入了集成電路時代。IBM360成為第三代計算機的里程碑。

4)第四代(1971年以后)：大規模集成電路數字計算機

計算機的邏輯元件和主存儲器都采用了大規模集成電路(見圖1-20)。所謂大規模集成電路，是指在單片硅片上集成1000～2000個以上晶體管的集成電路，其集成度比中、小規模的集成電路提高了1～2個以上數量級。這時計算機發展到了微型化、耗電極少、可靠性很高的階段。隨著大規模集成電路技術的迅速發展，計算機除了向巨型機方向發展外，還朝著超小型機和微型機方向飛越前進。

1971年末，世界上第一臺微處理器和微型計算機在美國舊金山南部的硅谷應運而生，它開創了微型計算機的新時代。此后各種各樣的微處理器和微型計算機如雨后春筍般地研制出來，潮水般地涌向市場，成為當時首屈一指的暢銷品。這種勢頭直至今天仍然方興未艾。特別是IBM-PC系列機誕生以后，幾乎一統世界微型機市場，各種各樣的兼容機也相繼問世。圖1-20第四代：大規模集成電路(計算速度為幾百萬～幾億次/秒)進入20世紀60年代后，微電子技術發展迅猛。在1967年和1977年，分別出現了大規模集成電路和超大規模集成電路，并立即在電子計算機上得到了應用。由大規模和超大規模集成電路組裝成的計算機，被稱為第四代電子計算機。美國ILLIAC-IV計算機是第一臺全面使用大規模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計算機，它標志著計算機的發展已到了第四代。1975年，美國阿姆爾公司研制成470V/6型計算機，隨后日本富士通公司生產出M-190機，它們是比較有代表性的第四代計算機，英國曼徹斯特大學1968年開始研制第四代機，1974年研制成功DAP系列機。1973年，德國西門子公司、法國國際信息公司與荷蘭飛利浦公司聯合成立了統一數據公司，研制出Unidata7710系列機。第四代計算機的主機和主存儲器均采用大規模和超大規模集成電路，多處理機的體系結構已顯示出優勢，磁盤、磁卡和光盤成為主要的輔助存儲器，計算機系統已向網絡化、開放式、分布式發展，計算機硬件系統和軟件工程的進展已使各種計算機輔助設計、輔助生產、輔助決策、輔助管理、輔助醫療、輔助教學等系統發揮出巨大的經濟效益和社會效益。預計在21世紀，光電器件、超導器件、生物器件將用于計算機，計算機技術將與通信技術更緊密地結合。采用大規模并行處理(MPP)體系結構的計算機將得到更快的發展。人工智能技術將使計算機不僅是處理數據的工具，也是處理知識的助手。人工智能技術和各種多媒體技術及幻真(靈境)技術使計算機和用戶之間的距離縮小，在未來的信息社會中將建立起和諧的人—機系統。

3．中國計算機發展的四個時代

華羅庚教授是我國計算技術的奠基人和最主要的開拓者之一。當馮·諾依曼開創性地提出并著手設計存儲程序通用電子計算機EDVAC時，正在美國Princeton大學工作的華羅庚教授參觀過他的實驗室，并經常與他討論有關學術問題。華羅庚教授1950年回國，1952年在全國大學院系調整時，他從清華大學電機系物色了閔乃大、夏培肅和王傳英三位科研人員在他任所長的中國科學院數學所內建立了中國第一個電子計算機科研小組。1956年籌建中科院計算技術研究所時，華羅庚教授擔任籌備委員會主任。

1)第一代電子管計算機的研制(1958～1964年)

我國從1957年開始研制通用數字電子計算機，1958年8月1日該機可以表演短程序運行，標志著我國第一臺電子計算機誕生。為紀念這個日子，該機定名為八一型數字電子計算機。該機在738廠開始小量生產，改名為103型計算機(即DJS-1型，如圖1-21所示)，共生產了38臺。圖1-21103機

1958年5月我國開始了第一臺大型通用電子計算機(104機，如圖1-22所示)的研制。它以前蘇聯當時正在研制的БЭСМ-II計算機為藍本，在前蘇聯專家的指導幫助下，中科院計算所、四機部、七機部和部隊的科研人員與738廠密切配合，于1959年國慶節前完成了研制任務。在研制104機同時，夏培肅院士領導的科研小組于1960年4月首次自行設計研制成功一臺小型通用電子計算機107機，如圖1-23所示。1964年我國第一臺自行設計的大型通用數字電子管計算機119機研制成功，如圖1-24所示。該機平均浮點運算速度為5萬次每秒。參加119機研制的科研人員約有250人，有十幾個單位參與協作。圖1-22104機圖1-23107機圖1-24119機

2)第二代晶體管計算機的研制(1965～1972年)

我國在研制第一代電子管計算機的同時，已開始研制晶體管計算機。1965年研制成功的我國第一臺大型晶體管計算機(109乙機，如圖1-25所示)實際上從1958年起計算所就開始醞釀啟動。在國外禁運條件下要造晶體管計算機，必須先建立一個生產晶體管的半導體廠(109廠)。經過兩年努力，109廠就提供了機器所需的全部晶體管(109乙機共用2萬多個晶體管，3萬多個二極管)。對109乙機加以改進，兩年后又推出109丙機，它為用戶運行了15年，有效算題時間10萬小時以上，在我國兩彈試驗中發揮了重要作用，被用戶譽為“功勛機”。圖1-25109乙機我國工業部門在第二代晶體管計算機研制與生產中已發揮重要作用。華北計算所先后研制成功108機、108乙機(DJS-6)、121機(DJS-21)和320機(DJS-6)，并在738廠等五家工廠生產。哈軍工于1965年2月成功推出了441B晶體管計算機并小批量生產了40多臺。

3)第三代基于中小規模集成電路的計算機研制(1973～20世紀80年代初)

我國第三代計算機的研制受到文化大革命的沖擊。IBM公司1964年推出360系列大型機是美國進入第三代計算機時代的標志，我國到1970年初期才陸續推出大、中、小型采用集成電路的計算機。1973年，北京大學與北京有線電廠等單位合作研制成功運算速度為100萬次每秒的大型通用計算機。進入20世紀80年代，我國高速計算機，特別是向量計算機有新的發展。1983年中國科學院計算所完成我國第一臺大型向量機757機(如圖1-26所示)，計算速度達到1000萬次每秒。這一記錄同年就被國防科大研制的銀河-Ⅰ億次巨型計算機打破。銀河-Ⅰ巨型機(如圖1-27所示)是我國高速計算機研制的一個重要里程碑，它標志著我國文革動亂時期與國外拉大的距離又縮小到7年左右(銀河-Ⅰ的參考機克雷-1于1976年推出)。圖1-26757機圖1-27銀河-Ⅰ

4)第四代基于超大規模集成電路的計算機研制(20世紀80年代中期至今)

和國外一樣，我國第四代計算機的研制也是從微機開始的。1980年初我國不少單位也開始采用Z80、X86和M6800芯片研制微機。1983年12月電子部六所研制成功與IBMPC機兼容的DJS-0520微機。二十多年來我國微機產業走過了一段不平凡的道路，現在以聯想微機為代表的國產微機已占領一大半國內市場。

1992年國防科大研制成功銀河-Ⅱ通用并行巨型機，其峰值速度達4億次每秒浮點運算(相當于10億次每秒基本運算操作)，總體上達到20世紀80年代中后期國際先進水平。從90年代初開始，國際上采用主流的微處理機芯片研制高性能并行計算機已成為一種發展趨勢。國家智能計算機研究開發中心于1993年研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機。1995年，國家智能機中心又推出了國內第一臺具有大規模并行處理機(MPP)結構的并行機曙光1000(含36個處理機)，峰值速度為25億次每秒浮點運算，實際運算速度上了10億次每秒浮點運算這一高性能臺階。

1997年國防科大研制成功銀河-Ⅲ?百億次并行巨型計算機系統，它采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結構，由130多個處理結點組成，峰值性能為130億次每秒浮點運算，系統綜合技術達到90年代中期國際先進水平。

國家智能機中心與曙光公司于1997～1999年先后在市場上推出具有機群結構的曙光1000A、曙光2000-Ⅰ，曙光2000-Ⅱ超級服務器，峰值計算速度已突破1000億次每秒浮點運算，機器規模已超過160個處理機。2000年推出浮點運算速度達3000億次每秒的曙光3000超級服務器。2004年上半年推出浮點運算速度1萬億次每秒的曙光4000超級服務器(如圖1-28所示)。圖1-28曙光4000綜觀40多年來我國高性能通用計算機的研制歷程，從103機到曙光機，走過了一段不平凡的歷程。這里給出國內外標志性計算機推出的時間表，見表1-1。其中國外的代表性計算機為ENIAC、IBM7090、IBM360、CRAY-1、IntelParagon、IBMSP-2，國內的代表性計算機為103、109乙、150、銀河-Ⅰ、曙光1000、曙光2000。表1-1中外計算機研究進展對照表1.4.2計算機的發展現狀

計算機科學與技術是一門實用性很強、發展極其迅速的面向廣大社會的技術學科，它建立在數學、電子學(特別是微電子學)、磁學、光學、精密機械等多門學科的基礎之上。但是，它并不是簡單地應用某些學科的知識，而是經過高度綜合形成一整套有關信息表示、變換、存儲、處理、控制和利用的理論、方法和技術。計算機科學是研究計算機及其周圍各種現象與規模的科學，主要包括理論計算機科學、計算機系統結構、軟件和人工智能等。計算機技術則泛指計算機領域中所應用的技術方法和技術手段，包括計算機的系統技術、軟件技術、部件技術、器件技術和組裝技術等。隨著科學技術的不斷進步與發展，人們迫切需要一種高性能的，即運算速度達到萬億次、百萬億次甚至于更高的超級計算機，以此解決諸如氣象模擬、流體湍流分析、污染分析、人類染色體、半導體模擬、視學科學、認知科學、燃燒系統、海洋環境以及核試驗模擬等一類問題。具體的例子有，美國宇航局艾姆斯研究中心希望提供一臺擁有百萬億次每秒浮點運算能力的超級計算機，美國能源部已在2000年時為他提供10萬億次量級超級計算機。這些用戶的要求，只有靠規模并行處理技術去實現，只有大規模并行機才能勝任。近年來，美、日兩國的許多著名巨型機廠商興起了將傳統向量巨型機技術和大規模并行處理(MPP)技術相結合的綜合性處理技術，以提高系統的性能。向量處理機高度并行化，既能保持同以往傳統向量巨型機軟件的兼容性，又能大幅度提高系統運算速度。例如，CrayResearch公司的CRAY-YMP系列(如圖1-29所示)、日本富士通公司研制的VPP500等。圖1-29向量巨型機CrayYMPM90Ziegler在計算機大家族中，超級巨型計算機(或超級計算機)是計算技術發展的頂峰，它集中了現代高科技之精華，因而國際上公認超級計算機技術及其超級計算機產品是一個國家綜合國力的象征。超級計算機水平標志著一個國家科技、經濟和國防的綜合實力，因而發達國家為爭奪超級計算機領域里的領先地位一直在激烈地競爭。近幾年來，萬億次超級計算機成為世界上的熱點。美國的HPCC(高性能計算與通信)計劃、日本的RWC(真實世界計算)計劃以及“歐洲萬億次計算機計劃”都是圍繞這個熱點展開的。由于美國和日本的超級計算機發展水平遙遙領先，因此，萬億次機的爭奪戰主要在美、日之間進行。

2008年6月18日，第31屆全球超級計算機TOP500排行榜發布。本次排行一個爆炸性的突破，就是運算速度達千萬億次每秒的超級計算機的發布。美國能源部位于LosAlamos的國家實驗室(LANL)的Roadrunner系統，以1.026petaflop/s(千萬億次浮點運算每秒)的計算能力位列榜首。超級計算機“Roadrunner”的名字取自新墨西哥州州鳥，其價值約為1億美元，共經過三個階段實施，是世界上第一臺“混合”超級計算機(如圖1-30所示)，其計算能力可達到1?petaflop(一千萬億次每秒計算)，比部署在勞倫斯利物莫國家實驗室(LawrenceLivermoreNationalLab)的目前世界上最快的計算機IBM“藍色基因(BlueGene)”快了1倍。圖1-30超級計算機“Roadrunner”

Roadrunner的速度大約是目前全球其他500強超級計算機中領先者的近三倍。Roadrunner大致相當于10萬臺目前最快的筆記本型計算機的計算能力總和，若將與其計算能力相當的筆記本計算機疊加起來，大概有1.5英里高。

在過去的10年中，超級計算機的計算能力增加了大約1000倍。今天，僅僅3個Roadrunner3刀片處理單元就可與1998年速度最快的計算機相匹敵。對于一項復雜的物理學計算，在1998年，計算機需要花費20年的時間才能夠完成(到現在才剛剛完成了一半)，而如今Roadrunner僅在一周之內便能完成。如果汽車油耗在過去十年中的改進速度能夠趕上超級計算機成本和效率的提升速度，那么如今一加侖汽油將可以行駛20萬英里。然而，另外一方面，臺灣的泰安TyphoonPSC(臺風個人超級計算機，如圖1-31所示)性能強大卻擁有令人心儀的超迷你尺寸。泰安臺風PSC定位于科學計算機與高性能計算機(HPC)，有采用AMD皓龍和英特爾P4/PD處理器的型號，外殼分別被刷成銀或黑色。

2007年11月7日，SSC(ScalableServersCorporation)鼎磊科技在經過長時間的精心研發后，首次正式向大眾發表基于AMD次世代OpteronCPU的超級計算機系統——flexBlade工作群組超級計算機平臺(如圖1-32所示)。flexBlade系統可看做為一臺單獨放置在桌邊的個人超級計算機，或者是SMP架構的超級計算機，亦可作為機架式集群服務器。具有靈活且可擴展的配置方案，作為通用型的flexBlade由五組雙路刀片服務器所組成，架構性能類似于Cluster、SMP。該平臺可以依照客戶對性能需求的不同，從以安靜及低耗電為目標的1500?W總耗電升級為以高性能計算為目標的3000?W總耗電。每個平臺都可配置充足的內存(每節點最多16條DIMM插槽，每個機箱80條DIMM插槽)、硬盤容量(有10個2.5英寸硬盤和14個3.5英寸的硬盤)，具有高速Infiniband網絡交換器及服務器管理功能，使跨機箱的系統擴充成為可能。圖1-31臺風個人超級計算機圖1-32flexBlade工作群組超級計算機平臺近幾年來通信網絡技術的飛速進展，使分布式計算機專用互連網有逐漸轉向標準通信網絡的趨勢。ATM技術是適合于B-ISDN(寬帶綜合業務數字網)的標準通信協議，利用ATM網可將各種類型的計算機連接成分布式并行計算系統。由于ATM具有高帶寬、低延遲等特性，緊耦合的并行處理系統和松耦合的分布式系統的界限逐漸模糊。2007年底華碩EeePC(如圖1-33所示)的發布給相關產業帶來了一系列的連鎖沖擊。而在英特爾和威盛等芯片廠商的推波助瀾下，2008年，包括聯想、惠普、戴爾、Acer、富士通、三星、技嘉、微星、海爾甚至愛國者等消費電子廠商都公布了生產超低價便攜機的計劃。日前，清華同方聯手威盛電子在北京推出了imini系列迷你筆記本(如圖1-34所示)的首款產品S1。與以往不同的是，imini系列筆記本隸屬超移動計算平臺，只有10英寸的屏幕。S1除了可以當成筆記本使用外，還能搖身變成名片大師、移動硬盤、移動電源、數碼伴侶、數碼相框以及GPS導航儀等其他設備，其個性化定制功能搭配威盛超移動平臺，不僅能充分滿足用戶的個性化需求，也展示了超移動計算機的魅力。圖1-33華碩EeePC圖1-34imini筆記本

1.5計算機軟件的發展

一個完整的計算機系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成計算機的物質實體，而沒有軟件的計算機幾乎不能完成任何功能。實際呈現在用戶面前的計算機系統是經過若干層軟件改造的計算機，其功能的強弱也與所配備的軟件有關。因此一種能夠讓人與計算機之間進行“溝通”的語言——計算機語言就此誕生了，也稱為編程語言。程序設計人員利用編程語言來編寫完成某個特定任務的軟件。計算機軟件技術發展很快。50年前，計算機只能被高素質的專家使用，今天，計算機的使用非常普遍，甚至沒有上學的小孩都可以靈活操作；40年前，文件不能方便地在兩臺計算機之間進行交換，甚至在同一臺計算機的兩個不同的應用程序之間進行交換也很困難，今天，網絡在兩個平臺和應用程序之間提供了無損的文件傳輸；30年前，多個應用程序不能方便地共享相同的數據，今天，數據庫技術使得多個用戶、多個應用程序可以互相覆蓋地共享數據。了解計算機軟件的進化過程，對理解計算機軟件在計算機系統中的作用至關重要。語言和文字是人類所特有的用來表達思想和交流信息的工具，當人類試圖用定量的方式來表達思想時，就必然對計算的方法和工具提出需求。計算機語言的發展是一個不斷演化的過程，其根本的推動力就是對抽象機制更高的要求以及對程序設計思想的更好的支持。具體來說，就是把機器能夠理解的語言提升到也能夠很好地模仿人類思考問題的形式。計算機語言的演化是從最開始的機器語言到匯編語言，再到各種結構化高級語言，最后到支持面向對象技術的面向對象語言。

1．機器語言

第一代軟件是用機器語言編寫的。電子計算機所使用的是由“0”和“1”組成的二進制數，二進制是計算機語言的基礎。計算機發明之初，人們只能用計算機的語言去命令計算機干這干那，一句話，就是寫出一串串由“0”和“1”組成的指令序列交由計算機執行。這種語言就是機器語言。例如計算2+6在某種計算機上的機器語言指令如下：

1011000000000110

0000010000000010

1010001001010000第一條指令表示將“6”送到寄存器AL中，第二條指令表示將“2”與寄存器AL中的內容相加，結果仍在寄存器AL中，第三條指令表示將AL中的內容送到地址為5的單元中。

使用機器語言是十分痛苦的，特別是在程序有錯需要修改時更是如此。而且，由于每臺計算機的指令系統往往各不相同，因此，在一臺計算機上執行的程序，要想在另一臺計算機上執行，必須另編程序。所以，只有少數專業人員能夠為計算機編寫程序，這就大大限制了計算機的推廣和使用。用機器語言進行程序設計不僅枯燥費時，而且容易出錯(如圖1-35所示)。但由于使用的是針對特定型號計算機的語言，故而運算效率是所有語言中最高的。圖1-3520世紀40年代的編程

2．匯編語言

為了減輕使用機器語言編程的痛苦，人們進行了一種有益的改進：用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定指令的二進制串，比如，用“ADD”代表加法，“MOV”代表數據傳遞等。例如計算2+6的匯編語言指令如下：

MOVAL，6

ADDAL，2

MOV#5，AL這樣一來，人們很容易讀懂并理解程序在干什么，糾錯及維護都變得方便了。這種程序設計語言就稱為匯編語言，即第二代計算機語言。然而計算機是不認識這些符號的，這就需要一個專門的程序，負責將這些符號翻譯成二進制數的機器語言。這種翻譯程序被稱為匯編程序。匯編語言同樣十分依賴于機器硬件，移植性不好，但效率仍十分高。針對計算機特定硬件而編制的匯編語言程序，能準確發揮計算機硬件的功能和特長，程序精煉而質量高，所以至今仍是一種常用而強有力的軟件開發工具。

3．高級語言

從最初與計算機交流的痛苦經歷中人們意識到，應該設計一種這樣的語言，這種語言接近于數學語言或人的自然語言(例如計算2+6的高級語言指令就是2+6)，同時又不依賴于計算機硬件，編出的程序能在所有機器上通用。經過努力，1954年，第一個完全脫離機器硬件的高級語言——FORTRAN問世了。40多年來，共有幾百種高級語言出現，有重要意義的有幾十種，其中影響較大、使用較普遍的有FORTRAN、ALGOL、COBOL、BASIC、LISP、SNOBOL、PL/1、Pascal、C、PROLOG、Ada、C++、VC、VB、Delphi、JAVA等。高級語言的發展也經歷了從早期語言到結構化程序設計語言，從面向過程到非過程化程序語言的過程。相應地，軟件的開發也由最初的個體手工作坊式的封閉式生產，發展為產業化、流水線式的工業化生產。

4．結構化程序設計

20世紀60年代中后期，軟件越來越多，規模越來越大，而軟件的生產基本上是各自為戰，缺乏科學規范的系統規劃與測試、評估標準，其惡果是大批耗費巨資建立起來的軟件系統，由于含有錯誤而無法使用，甚至帶來巨大損失。軟件給人的感覺是越來越不可靠，以致幾乎沒有不出錯的軟件。這一切，極大地震動了計算機界，史稱“軟件危機”。人們認識到：大型程序的編制不同于寫小程序，它應該是一項新的技術，應該像處理工程一樣處理軟件研制的全過程。程序的設計應易于保證正確性，也便于驗證正確性。1969年，人們提出了結構化程序設計方法。1970年，第一個結構化程序設計語言——Pascal語言出現，標志著結構化程序設計時期的開始。

5．面向對象程序設計

20世紀80年代初開始，在軟件設計思想上又產生了一次革命，其成果就是面向對象的程序設計。在此之前的高級語言，幾乎都是面向過程的，程序的執行是流水線式的，在一個模塊被執行完成前，人們不能干別的事，也無法動態地改變程序的執行方向。這和人們日常處理事物的方式是不一致的，對人而言，是希望發生一件事就處理一件事，也就是說，不能面向過程，而應是面向具體的應用功能，也就是對象(object)。其方法就是軟件的集成化，如同硬件的集成電路一樣，生產一些通用的、封裝緊密的功能模塊，稱之為軟件集成塊，它與具體應用無關，但能相互組合，完成具體的應用功能，同時又能重復使用。對使用者來說，只關心它的接口(輸入量、輸出量)及能實現的功能，至于如何實現，那是它內部的事，使用者完全不用關心，C++、VB、Delphi就是典型代表。高級語言的下一個發展目標是面向應用，也就是說只需要告訴程序你要干什么，程序就能自動生成算法，自動進行處理，這就是非過程化的程序語言。第五代計算機語言的發展過程中有三個著名事件：在計算機軟件業具有主導地位的Microsoft公司的崛起、面向對象的程序設計方法的出現以及萬維網(WorldWideWeb)的普及。

在這個時期，Microsoft公司的Windows操作系統在PC機市場占有顯著優勢，盡管WordPerfect仍在繼續改進，但Microsoft公司的Word成了最常用的文字處理軟件。20世紀90年代中期，Microsoft公司將文字處理軟件Word、電子制表軟件Excel、數據庫管理軟件Access和其他應用程序綁定在一個程序包中，稱為辦公自動化軟件。

6．計算機語言的未來發展趨勢

面向對象程序設計以及數據抽象在現代程序設計思想中占有很重要的地位，未來語言的發展將不再依賴一種單純的語言標準，將會是一種完全面向對象、更易表達現實世界、更易為人編寫的語言。其使用人員將不再只是專業的編程人員，人們完全可以用訂制真實生活中一項工作流程的簡單方式來完成編程。計算機語言發展的特性包括：

(1)簡單性。提供最基本的方法來完成指定的任務，只需理解一些基本的概念，就可以用它編寫出適合于各種情況的應用程序。

(2)面向對象。提供簡單的類機制以及動態的接口模型。對象中封裝狀態變量以及相應的方法，實現了模塊化和信息隱藏；提供了一類對象的原型，并且通過繼承機制，子類可以使用父類所提供的方法，實現代碼的復用。

(3)安全性。用于網絡、分布環境下有安全機制保證。

(4)平臺