1.1.2　计算机的分代与分类

自1946年电子计算机问世至今，计算机在制作工艺、元器件、软件、应用领域等各方面都有飞速的发展。根据计算机所采用的逻辑元件不同，一般将计算机的发展分成5个阶段，每一阶段在技术上都有崭新的突破，在性能上都有质的飞跃。

第一代计算机：电子管计算机时代（1946—1957年）。逻辑元件采用电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器有纸带、卡片、磁带和磁鼓等。软件方面使用机器语言或汇编语言编写程序。主要用于军事和科学计算。特点是体积大、耗能高、速度慢（一般每秒数千次至数万次）、存储容量小、价格昂贵。其代表机型有EDVAC、IBM704等。

第二代计算机：晶体管计算机时代（1958—1964年）。晶体管的发明改变了计算机的构建方式。IBM公司在1958年制造出第一台全部使用晶体管的计算机RCA501。逻辑元件采用晶体管，使计算机的能耗降低，寿命延长，运算速度提高（一般每秒为数十万次，甚至可高达300万次），可靠性提高，价格不断下降。第二代计算机内存储器使用磁芯、外存储器使用磁盘和磁带。软件方面出现了一系列高级程序设计语言（如FORTRAN、COBOL等），并提出了操作系统的概念。计算机设计出现了系列化的思想，应用范围也从军事与科学计算方面延伸到工程设计、数据处理、气象及事务管理科学研究领域。与第一代计算机相比，第二代计算机在体积、成本、重量、功耗、速度以及可靠性等方面有了较大的提高。其代表机型有IBM7090、ATLAS等。

第三代计算机：中、小规模集成电路计算机时代（1965—1970年）。逻辑元件采用中、小规模集成电路（Integrated Circuit，IC）。一块小小的硅片上，可以集成上百万个电子器件，如晶体管、电阻器或电容器等，因此常把它称为芯片。主存储器开始使用半导体存储器，外存储器使用磁盘和磁带。在这个阶段，出现了键盘和显示器。软件方面出现了操作系统以及结构化、模块化程序设计方法。软硬件都向标准化、多样化、通用化、系列化的方向发展。计算机开始广泛扩展到文字处理、图形处理等领域。其代表机型有IBM 360和CDC 7600。IBM 360是IBM公司在1964年4月7日发布的，它是第三代计算机的标志。CDC（Control Data Corporation）公司于1963年推出的CDC 6600首创分布式并行计算机工作结构，运算速度达到每秒300万次浮点运算，它从1964年到1969年一直保持世界最快的计算机。其后继者CDC 7600的运算速度达到每秒1 000万次浮点运算，成为当时最成功的计算机。

第四代计算机：大规模、超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）。第四代计算机以Intel公司1971年研制的第一台微处理器Intel 4004为标志，这一芯片集成了2250个晶体管，其功能相当于ENIAC，标志着大规模集成电路时代的到来，为微型计算机的出现奠定了基础。中央处理器（Central Process Unit，CPU）高度集成化是这一代计算机的主要特征。集成度高的半导体存储器完全代替了磁芯存储器，外存的存储速度和存储容量得到大幅度提升。外围设备有了很大发展，出现了光字符阅读器（OCR）、扫描仪、激光打印机和各种绘图仪。计算机体积、重量、功耗、价格不断下降，而性能、速度和可靠性不断提高，操作系统也在不断完善，数据库管理系统进一步发展。计算机的应用范围遍及网络、天气预报和多媒体等领域。

第五代计算机：第五代计算机是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它主要面向知识处理，能进行并行计算，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形、图像交流和传输信息。1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机。后来，美国等国家都先后投入巨资来研制第五代计算机。目前，第五代计算机的研制虽取得了一定的研究成果，但至今仍没有研制出具备智能特点的计算机。第五代计算机的研制对于人类又是一个巨大的挑战。

计算机发展的“分代”代表了计算机在时间轴上纵向的发展历程，而“分类”可用来说明计算机横向的发展。计算机种类很多，分类方法也有多种。目前，最常用的一种分类方法是1989年11月美国电气和电子工程师学会（IEEE）根据当时计算机的性能及发展趋势，按照运算速度、字长、存储性能等综合指标，将计算机分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机和嵌入式计算机。

1.巨型机

巨型机（Super Computer）也称为超级计算机，在所有计算机类型中其占地面积最大，价格最贵，功能最强，运算速度最快。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度已经成为衡量一个国家科技水平、经济发展、军事实力的象征。巨型机主要用于尖端科学领域，特别是国防领域。我国在1983年、1992年、1997年由国防科技大学计算机学院分别推出了银河I（每秒一亿次）、银河II（每秒十亿次）、银河III（每秒百亿次）计算机。银河系列计算机的推出标志着中国成为继美国、日本之后第三个生产巨型机的国家。2013年6月，由国防科技大学负责研制的“天河二号”超级计算机问世，如图1-8（a）所示。2015年7月13日在德国举行的2015年国际超级计算机大会发布的全球超级计算机500强最新榜单中，“天河二号”以每秒33.86千万亿次的持续浮点运算速度第五次蝉联冠军。天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算一千年，其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册。

2.大型机

大型机（Mainframe Computer）主机非常庞大，采用了多处理、并行处理等技术，通常具备超大的内存、海量的存储器，使用专用的操作系统和应用软件。大型机大量使用冗余等技术确保其安全性及稳定性，具有很强的管理和处理数据的能力，主要用于大企业、银行、高校和科研院所。目前，生产大型机的企业有IBM、UNISYS等。IBM大型机如图1-8（b）所示。

3.小型机

小型机（Minicomputer）是20世纪70年代由美国的DEC（数字设备公司）首先开发的一种高性能计算产品。小型机具备高可靠性、高可用性、高服务性等特性。而且小型机结构简单、价格介于普通服务器和大型主机之间、使用和维护方便，深受中小企业欢迎。当前，生产小型机的厂家主要有IBM、HP等公司。IBM小型机如图1-8（c）所示。

4.工作站

工作站（Workstation）是一种高档微型机系统，具有较高的运算速度，具有大型机和小型机的多任务、多用户能力，而且具有操作方便以及良好的交互界面。其最突出的特点是具有很强的图形交互能力，因此在工程领域特别是图像处理、计算机辅助设计领域得到迅速发展。目前，许多厂商都推出了适合不同用户群体的工作站，如Sun公司的Sun系列工作站以及IBM、DELL、HP等厂家的工作站。HP工作站如图1-8（d）所示。

5.微型计算机

微型计算机（Microcomputer）简称微机，通常所说的个人计算机（Personal Computer，PC）也是指微机。1981年8月12日，IBM发布了其第一台PC——IBM5150，开创了全新的微机时代。微机自产生以来，以设计先进、软件丰富、功能齐全、价格低廉、体积小等优势而被广大用户青睐。微型计算机的发展，极大地推动了计算机的普及应用。现在微型机除了台式机外，还有笔记本式、掌上型和手表型等多种类型。

6.嵌入式计算机

嵌入式计算机（Embedded Computer）是指嵌入到各种设备及应用产品内部的计算机系统。嵌入式计算机以应用为中心，软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统，如图1-9所示。嵌入式计算机系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件包括微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存作为存储介质。软件是实时、多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。嵌入式计算机系统最早出现在20世纪60年代各种武器控制中，用于军事指挥控制和通信系统。现在嵌入式系统已广泛应用到生活中的电器设备中，如掌上PDA、电视机顶盒、手机上网设备、数字电视、汽车、微波炉、数码照相机、家庭自动化系统、电梯、空调、自动售货机、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。