计算机技术的发展现状及趋势

第三节　计算机技术

如果你根本不知道自己在讨论什么，那么对其强求精确是毫无意义的。

——冯·诺依曼（美国）

电子计算机是人类在20世纪创造出来的最伟大的工具，计算机技术是现代科技的核心。它的出现对生产、制造、经济、军事、社会文化以及人类各个方面产生影响。现代科技的发展，也集中反映在计算机技术的发展上。电子计算机的功能决定了信息技术的水平，现代信息科技的发展正是在计算机技术的发展下取得的。计算机是信息处理的主体，随着电子计算机技术的发展，使得计算机的面貌日新月异，它的用途越来越广，功能越来越全，效率越来越高。在当今的信息社会，人类对计算机的依赖程度越来越高，计算机已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。电子计算机是现代科技史上最辉煌的成就。

（一）ENIAC的诞生及其以后的发展

第一台电子计算机ENIAC（Electronic　Numerical　Integrator And　Computer）于1946年诞生于美国宾西法尼亚大学，由该大学的莫克莱（J.W.Mauchly，1907～1980年）负责研制成功的。这台计算机共用了1.8万个电子管，重30多吨，占地170平方米，运行速度为每秒5000次。由于采用的逻辑元件是电子管，因此被称为是第一代计算机——电子管计算机。

图8-8　世界上第一台电子计算机ENIAC

1948年6月贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布莱顿公布了他们的发明——晶体管，伴随着晶体管制造工艺的日趋成熟，1958年4月以蓝色巨人为代表的一大批计算机制造商决定采用晶体管取代电子管，制造了第二代计算机——晶体管计算机。

用晶体管替代电子管还只是一个器件代替另一个器件，能否用一个器件代替一批器件呢？1952年5月，英国人达默（G.W.A.Dummer）首次提出了集成电路（Integrated　Circuit，简称IC），1964年4月IBM公司宣布研制成功IBM—360计算机，大规模使用小规模集成电路，成为第三代计算机的代表——集成电路计算机。

随着集成电路进一步向大规模和超大规模集成电路的方向发展，其集成度越来越高，在发展的途中出现了微处理器芯片，这起源于摩尔（G.Moore）的一个执著的构想：把一台计算机都制造在一块芯片上。Intel公司在1971年制造了世界上的第一个4位机核心部件的芯片——英特尔4004，包含了大约2000个晶体管。这是第四代计算机——大规模集成电路计算机。

图8-9　摩尔

图8-10　Intel　4004处理器

（二）计算机的组成原理

迄今为止的计算机都是基于“计算机之父”——美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（J.Von　Neumann，1903～1957年）“程序存贮”的思想设计而成的，其中心就是存储程序原则——指令和数据一起存储。这个概念被誉为计算机发展史上的一个里程碑，它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计。因此现代的计算机通常也被称为冯·诺依曼机。

计算机由硬件和软件组成。硬件是组成计算机的一切实物设备；软件是为计算机编制的各种类型的程序和文件资料。硬件主要是由中央处理器、存储器以及输入、输出设备等组成。中央处理器（简称为CPU）包括运算器和控制器。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。所谓逻辑运算就是对各种数据信息进行比较、判断和处理。控制器是计算机的指挥系统，相当于人的大脑，由它发出信号操纵计算机各部分协调工作。存储器是用来存储程序、数据及运算过程中的中间结果和最终结果等信息的逻辑元件，由主存储器（内存）和辅助存储器（外存）组成。内存又可分为随机存储器（RAM），能随机读出和写入信息；只读存储器（ROM），只能随机读出信息，是永久性存储器。输入设备将外界信息转换成计算机能识别的二进制代码输送到计算机存储器保存。基本输入设备有键盘、鼠标、光笔、话筒、扫描仪、摄影仪等。输出设备是经过计算机处理后的结果，用人们能接受或其他外部设备所需要的形式表示出来。基本输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响系统以及外存储器、磁盘和光盘等。

图8-11　冯·诺依曼

图8-12　电子计算机各功能部件的相互关系^[1]

计算机软件包括系统软件和应用软件。系统软件是指管理、监控和维护计算机资源的软件，主要由操作系统、各种语言处理系统和系统服务软件组成。操作系统目前有DOS、Windows和UNIX等。应用软件是为了某个具体任务而编写的应用程序，专用性很强，如Word2000、WPS2000等文字处理软件和Photoshop、3DMAX等作图软件。

（三）信息在计算机中的表示方法

计算机的信息存储、运算、传输都是借助脉冲的有无、电位的高低或磁性的正负来表示的，所以计算机处理的数据，无论是数字还是文字符号都是采用二进制数表示。

（1）编码

①字符编码：计算机中最常用的字符编码是ASCII码。它共有128个编码，除去表示32个命令外，还可以表示52个英文大小写字母，10个阿拉伯数字和其他符号。

②汉字编码：汉字的字数较多，要对汉字进行编码，首先应确定有多少汉字，选择哪些汉字。1981年我国制定了“中华人民共和国国家标准信息交换编码”，代号为“GB2312—80”，这种编码为国标码。在该标准编码中共收录了6763个汉字和682个图形符号。

（2）计算机的数据单位

①位（Bit）：位是计算机能处理或存储的最小信息单位。

②字节（Byte）：字节（用B表示）是最基本的存储单位，一个字节可存放一个ASCII码，两个字节可存放一个汉字国标码。计算机的存储容量是以字节为单位计算。

1KB＝1024B　　1MB＝1024KB　　1GB＝1024MB

③字长：反映着计算机处理信息的能力。一般情况下基本字节越长，计算机的处理能力就越强。目前，微型计算机已从8位、16位、32位发展到64位甚至更大。

（3）计算机的语言

让计算机按照人们的意图去工作，需要有人机之间信息交流的工具——计算机语言。

①机器语言：机器语言用计算机能直接识别的二进制代码表示。

②汇编语言：汇编语言采用比较简单的文字符号代替机器语言中的二进制代码，这种语言一般与机器语言有逐条命令一一对应的关系。

③高级语言：机器语言、汇编语言与人类自然语言差别很大，不易交流推广，为了克服这些缺点，从20世纪50年代中期人们就开发了计算机程序高级语言。高级语言的出现，给计算机的普及应用创造了条件。目前计算机中常用的高级语言有以下几种：Ⅰ.BASIC语言：简单易学，具有人机对话的功能，特别适用于初学者。BASIC语言有不同的版本，如：QBASIC是一种结构化的BASIC语言。Ⅱ.PASCAL语言：主要用于教学、科学计算，也可编写系统程序和应用程序。Ⅲ.C语言：适用于编写系统程序。

（四）CISC和RISC技术

为了使计算机的功能强大，设计人员把计算机的指令设计得愈来愈复杂，计算机的指令数目也愈来愈多，执行指令所需的时间也愈来愈长。有的调用子程序因涉及复杂的运行环境保护操作，执行一次要花费70多个时钟周期。这种计算机结构被称为“复杂指令集计算”（Complex　Instruction　Set　Computing，CISC），如摩托罗拉的68030微处理器。

基于CISC指令集结构太复杂；设计太困难；设计周期变得愈来愈长；全面检查芯片几乎变得不可能。为此，IBM公司的约翰·科克根据各种指令的使用频率的不同于1975年提出了精简指令计算（Reduced　Instruction　Set　Computing，RISC）。到80年代初，加州伯克利大学及斯坦福大学，推出了基于RISC思想的RICS系列计算机。

拥护RISC和CISC的各大公司进行激烈竞争，相继推出各自的芯片，以争夺芯片市场。1994年，英特尔公司和HP公司宣布结成伙伴关系，共同研制新一代的处理器IA-64。其结构更加强调以并行方式执行指令，既不同于CISC，也不同于RISC，被称为EPIC（Ex-plicitly　Parallel　Instruction　Computing），中文名是——明显并行指令计算。

RICS和CISC之争并没有结束，IA-64芯片是否能出笼？他们是相互结合还是相互争霸，人们拭目以待！

（五）计算机的未来展望

现在人们正在研制的第五代计算机是一种完全不同于前四代的计算机，它采用全新的工作原理和体系结构，更接近于人们的思考方式。其功能从单纯的数据处理发展到知识的智能处理，着重于逻辑推理和知识信息处理。未来的计算机将在模式识别、语音处理等分析综合能力上获得重大突破。一个新的计算机时代正在到来。

进一步了解计算机技术，请登陆：

http://techs-book.db66.com/list/15/1.asp

【思考题】

1.为什么计算机技术是现代科技的核心？谈谈你的学习体会。

2.简述电子计算机的组成。