1.1 计算机概述

1.1.1 计算机的发展简史

1623年，德国图宾根大学教授W.契克卡德（Wilhelm Schickard）为天文学家开普勒制作了一种机械计算器，这是世界上已知的第一部机械式计算器。这部机械改良自时钟的齿轮技术，利用11个完整的、6个不完整的链轮进行加法运算，并能借助对数表进行乘除运算。这部机器在后来的战乱中被毁，契克卡德也因战祸而逝。直到1960年，契克卡德家乡的人们才根据契克卡德的手稿，复制了这台计算机，发现工作一切正常。

1642年，法国数学家布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）制作了加法器，后来被人们称为帕斯卡机械式计算机，首次确立了计算机器的概念。帕斯卡加法器是一种系列齿轮组成的装置，外壳用黄铜材料制作，是一个长20英寸、宽4英寸、高3英寸的长方盒子，面板上有一列显示数字的小窗口，旋紧发条后才能转动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。这种机器能够做6位加法和减法。帕斯卡先后制造了50台左右的计算机器，今天在巴黎国立工艺博物馆中还保存着两台帕斯卡亲手制造的加法器计算机。

1674年，德国哲学家、数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）改进了帕斯卡的计算机，使之成为一种能够进行连续运算的机器，并且提出了“二进制”数的概念。

1725年，法国纺织机械师布乔（B.Bouchon）提出了“穿孔纸带”构想。

1805年，法国机械师杰卡德（J.Jacquard）根据布乔“穿孔纸带”的构想完成了“自动提花编织机”的设计制作。虽然这是一台用于纺织工业的机器，但是它的精巧设计，被当时刚刚毕业于剑桥大学的查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）看中，并利用这个原理，在1822年制造出了人类历史上第一台可以编程的计算机—差分机。它可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。

1834年，查尔斯·巴贝奇提出了分析机的概念，机器共分为三个部分：堆栈、运算器、控制器。他的助手，英国著名诗人拜伦的独生女阿达·奥古斯塔（Ada Augusta）为分析机编制了人类历史上第一批计算机程序。

1847年，英国数学家、逻辑学家乔治·布尔（George Boole）发表著作《逻辑的数学分析》。

1854年，乔治·布尔发表《思维规律的研究—逻辑与概率的数学理论基础》，并综合《逻辑的数学分析》，创立了一门全新的学科—布尔代数，为后来出现的数字计算机的开关电路设计提供了重要的数学方法和理论基础。

1936年，英国数学家、逻辑学家艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）发表论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》，首次阐明了现代计算机原理，从理论上证明了现代通用计算机存在的可能性。图灵把人在计算时所做的工作分解成简单的动作，与人的计算类似，机器需要做到以下几点：

①存储器，用于贮存计算结果；

②一种语言，表示运算和数字；

③扫描；

④计算意向，即在计算过程中下一步打算做什么；

⑤执行下一步计算。

具体到一步计算，则分成：

①改变数字可计算符号；

②扫描区改变，如往左进位和往右添位等；

③改变计算意向等。

整个计算过程采用了二进位制，这就是后来人们所称的“图灵机”。艾伦·麦席森·图灵被称为计算机之父、人工智能之父。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献，提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法，即图灵试验。此外，图灵提出的著名的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

1937年，美国AT&T贝尔实验室研究人员乔治·斯蒂比兹（George Stibitz）制造了电磁式数字计算机“Model-K”。

1938年，美国数学家、信息论的创始人克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）发表了著名论文“A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits”（《继电器与开关电路的符号分析》）。首次用布尔代数对开关电路进行了相关的分析，并证明了可以通过继电器电路来实现布尔代数的逻辑运算，同时明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。该篇论文成为了开关电路理论的开端。

1939年，时任美国依阿华州立大学数学和物理学教授约翰·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）制造了后来举世闻名的ABC计算机的第一台样机，并提出了计算机的三条原则：

①以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；

②利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；

③采用把计算功能和二进制数更新存贮的功能相分离的结构。

1973年10月，约翰·阿塔纳索夫最终被认为是电子计算机的真正发明人，是被遗忘的计算机之父。

1944年，由IBM出资，美国人霍德华·艾肯（Howard Hathaway Aiken）负责研制的马克1号计算机在哈佛大学正式运行，它装备了15万个元件和长达800千米的电线，每分钟能够进行200次以上运算。女数学家格雷斯·霍波（Grace Hopper）为它编制了计算程序，并声称该计算机可以进行微分方程的求解。

至此，人类通过300多年的不懈努力，终于使人类步入了电子计算机时代。

根据计算机所采用物理器件的不同，通常可将计算机的发展过程分为四代，如表1-1所示。

1.第一代计算机时代：电子管计算机（1946—1957年）

世界上第一台电子管数字计算机于1946年2月在美国研制成功，如图1-1所示。它的名称叫电子数值积分计算机（The Electronic Numberical Intergrator and Computer,ENIAC）。

电子管计算机是在第二次世界大战的弥漫硝烟中开始研制的。当时为了给美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表，迫切需要一种高速的计算工具。1942年美国物理学家莫希利（W.Mauchly）提出试制第一台电子计算机的初始设想——高速电子管计算装置的使用，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。于是，在美国军方的大力支持下，成立了以宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利和埃克特（Eckert）为首的研制小组，于1943年开始研制，并于1945年年底研制成功。

在研制工作的中期，著名美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）在参与研制ENIAC的基础上，于1945年提出了重大的改进理论：一是把十进位制改成二进位制，这样可以充分发挥电子元件高速运算的优越性；二是把程序和数据一起存储在计算机内，这样就可以使全部运算成为真正的自动过程。在此基础上将整个计算机的结构组成分成5个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。冯·诺依曼提出的理论，解决了计算机运算自动化的问题和速度匹配的问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大多数的计算机仍采用冯·诺依曼方式工作。由于冯·诺依曼在计算机科学方面的贡献，被人们称为计算机之父。

ENIAC长30.48m，高2.44m，占地面积170m2,30个操作台，相当于10间普通房间的大小，重达30t，耗电量150kW，造价48万美元。它使用约18 000个电子管（见图1-2）,70 000个电阻，10 000个电容，1 500个继电器，6 000多个开关，每秒执行5 000次加法或400次乘法运算，是当时已有的继电器计算机运算速度的1 000倍、手工计算速度的20万倍。ENIAC工作时，常常因为电子管被烧坏而不得不停机检修，电子管平均每7min 就要被烧坏一只，必须不停地更换。尽管如此，在人类计算工具发展史上，它仍然是一座不朽的里程碑。

电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来做计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，还具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。

第一代计算机主要特点如下：

①采用电子管作为逻辑开关元件；

②内存储器使用水银延迟线、静电存储管等，容量非常小，仅1 000～4 000B；

③外存储器采用纸带、卡片、磁带和磁鼓等；

④没有操作系统，使用机器语言；

⑤体积大、速度慢、可靠性差。

2.第二代计算机时代：晶体管计算机（1958—1964年）

以晶体管为主要元件制造的计算机，称为晶体管计算机。1958—1964年，晶体管计算机的发展与应用进入了成熟阶段，因此，人们将之称为第二代计算机时代，即晶体管计算机时代。从印刷电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断的革新使晶体管电子计算机日臻完善。

第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言 FORTRAN 语言和COBOL 语言相继被开发出来并被广泛使用。同时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机的体积减小，价格下降，应用领域不断扩大，计算机工业得以迅速发展。第二代计算机主要在商业、大学教学和政府机关中使用。

第二代计算机的主要特点如下：

①采用晶体管作为逻辑开关元件；

②使用磁芯作为主存储器（内存），辅助存储器（外存）采用磁盘和磁带，存储量增加，可靠性提高；

③输入输出方式有了很大改进；

④开始使用操作系统，使用汇编语言及高级语言；

⑤体积减小、重量减轻、速度加快、可靠性增强。

3.第三代计算机时代：中、小规模集成电路计算机（1965—1970年）

1964年4月7日，IBM公司宣布了IBM System/360系列计算机，声称“这是公司历史上宣布的最重要的产品”。

IBM System/360的开发总投资5.5亿美元，其中硬件2亿美元，软件3.5亿美元。IBM System/360系列计算机共有6个型号的大、中、小型计算机和44种新式的配套设备。从功能较弱的360/51型小型机，到功能超过51型500倍的360/91型大型机，形成了庞大的IBM/360计算机系列。

IBM System/360以其通用化、系列化和标准化的特点，对全世界计算机产业的发展产生了巨大而深远的影响，被认为是划时代的杰作。

第三代计算机以IBM System/360系列计算机为标志，即采用中、小规模集成电路制造的电子计算机。人们将1965年至1970年划为第三代计算机时代。

第三代计算机的主要特点如下：

①采用中、小规模集成电路；

②使用内存储器，用半导体存储器替代了磁芯存储器，存储容量和存取速度有了大幅度的提高；

③输入设备出现了键盘，使用户可以直接访问计算机；

④输出设备出现了显示器，可以向用户提供立即响应；

⑤使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

4.第四代计算机时代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）

第四代计算机以英特尔（Intel）公司研制的第一代微处理器Intel 4004为标志，这个时期的计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。微处理器是指将运算器、控制器、寄存器及其他逻辑单元集成在一块小的芯片上。微处理器的出现使计算机在外观、处理能力、价格、实用性以及应用范围等方面发生了巨大的变化。

1971年11月15日，英特尔公司发布了其第一个微处理器4004。Intel 4004微处理器包含2 300个晶体管，采用10μm 的PMOS 技术生产，字长4位，时钟频率为108kHz，每秒执行6万条指令，如图1-3所示。

1978年，英特尔公司研制出8086微处理器（16位处理器）。

1979年，英特尔公司研制出8088微处理器（准16位处理器）。

1981年8月12日，IBM公司使用Intel 8088微处理芯片和微软操作系统研制出IBM PC，同时，发布MS-DOS 1.0和PC-DOS 1.0,IBM公司推出的个人计算机主要用于家庭、办公室和学校。

1982年，286微处理器（又称80286）推出，成为英特尔公司的最后一个16位处理器，可运行为英特尔公司前一代产品所编写的所有软件。286微处理器使用了13 400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

1985年，英特尔386微处理器问世，32位芯片，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍，每秒可执行600万条指令。

1989年，英特尔486微处理器问世，这款经过4年开发和3亿美元资金投入的芯片，首次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，使用1μm的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz以上。

1993年3月22日，英特尔奔腾处理器（Pentium）问世，含有300万个晶体管，早期核心频率为60MHz～66MHz，每秒执行1亿条指令，采用0.8μm制造技术生产。

1997年5月7日，英特尔公司发布第二代奔腾处理器（PentiumⅡ）。

1999年7月，英特尔公司发布了奔腾III处理器。奔腾III处理器是1平方英寸的正方形硅，含有950万个晶体管，采用0.25μm工艺生产。

2002年1月，英特尔奔腾4处理器被推出，高性能桌面台式电脑可实现22亿个周期运算/秒。它采用0.13μm制造技术生产，含有5 500万个晶体管。

2005年5月，英特尔公司第一个主流双核处理器（英特尔奔腾D处理器）诞生，含有2.3亿个晶体管，采用90nm制造技术生产。

2006年7月，英特尔Core 2双核处理器诞生，该处理器含有2.9亿个晶体管。Core 2分为Solo（单核，只限手提电脑）、Duo（双核）、Quad（四核）及 Extreme（极致版）型号。其中，英特尔 Core2 Extreme QX6800处理器其主频达2.93GHz，总线频率达到了1 066MHz，二级缓存容量达到了8MB，采用了先进的65nm 制造技术，将两个 X6800双核Core2处理器集成在一块芯片上，其外形如图1-4所示。

2009年后，英特尔公司推出Core2 Yorkfield四核心处理器Q9550，采用了更先进的45 nm制造技术，主频2.83GHz，总线频率达到了1 333MHz，二级缓存容量达到了12MB。

2008年11月，英特尔公司推出了64位元四核的Core i7处理器（中文：酷睿i7），沿用x86-64指令集，并以Intel Nehalem微架构为基础，取代了Intel Core 2系列处理器。Core i7处理器提升了高性能计算和虚拟化性能，该处理器主要面向高端处理需要。

Core i7是面向中高端用户的CPU家族标识，已从第一代发展至目前的第六代，其相关系列主要特点如下。

第一代：基于Nehalem、Westmere架构微架构，2～4颗核心，2008年后相继推出。32nm～45nm，晶体管数量7.31亿～11.7亿个，接口为LGA1156。包含Bloomfield（2008年）、Lynnfield （2009年）、Clarksfield（2009年）、Ar randale（2010年）、Gulftown（2010年）等子系列。

第二代：基于Sandy Bridge微架构，2011年推出，2～6颗核心，32nm，晶体管数量11.6亿～22.7亿个，接口为LGA1155。

第三代：基于Ivy Bridge微架构，2012年推出。2～4核心，22nm，晶体管数量14.8亿个，接口为LGA1156。

第四代：基于Haswell微架构，2013年推出，2～8核心，22nm，晶体管数量9.6亿～26亿个，接口为LGA1150。

第五代：基于Broadwell微架构，2015年推出。2～4核心，14nm，晶体管数量13亿个以上，接口为LGA1150。

第六代：基于 Skylake 微架构，2015年推出。4～8核心，10～14nm 工艺新架构，接口为LGA1151。支持DDR4和低电压的DDR3L的双通道内存。

2009年9月，英特尔公司推出了Core i5（中文：酷睿i5）处理器，是Core i7的衍生中低阶版本。与Core i7支援三通道内存不同，Core i5只会集成双通道DDR3内存控制器。每一个核心拥有各自独立二级缓存256KB，不同的Core i5系列分别采用了45nm或32nm制造技术，分别采用了二个或四个核心，三级缓存分别采用了3MB、6MB和8MB等三种不同的容量，以适应不同用户的需要。

2010年年初，英特尔公司推出了Core i3（中文：酷睿i3）首款CPU + GPU产品，建基于Intel Westmere微架构。采用了先进的22nm～32nm制造技术，有两个核心，支援超线程技术，L3缓冲内存采用两个核心共享4MB。

2011年2月，Intel公司发布了四款第二代酷睿i系列处理器和六核心旗舰Core i7-3990X。新版的I3处理器采用了最新的且与新版Core i5、新版Core i7系列处理器相同的构架Sandy Bridge，但三级缓存降至3MB；新版Core i5-2390T采用了32nm制造技术，两个核心四个线程，每个核心二级缓存256MB，共享三级缓存3MB，支持双通道DDR3内存，功耗35W；新版Core i7-3990X极致版，32nm制造技术，6个核心12线程，每个核心有二级缓存256KB，共享三级缓存15MB，支持四通道DDR3内存，功耗130W，总线频率达到了1 600MHz。

2012年2月，Intel公司发布了基于Ivy Bridge架构的第三代Core i7- 3770处理器，采用22nm制造技术，4个核心8线程，每个核心有二级缓存256KB，共享三级缓存8MB，支持双通道DDR3内存，功耗77W。

2015年8月，Intel公司发布了基于Skylake架构的第六代酷睿i7-6700K处理器。官方称之为“Intel史上最好的处理器”，性能提升了2.5倍，图形性能提升了30倍，续航时间也提升了3倍。酷睿i7-6700基于Skylake架构设计，采用14nm制造技术，LGA 1151接口需搭配100系列主板，四核八线程设计，默认主频4.0GHz，睿频可达 4.2GHz，三级缓存8M，支持DDR3/DDR4两种规格，集成了HD 530核心显卡。

微型计算机严格地说仅是计算机中的一类，尽管微型计算机对人类社会的发展产生了极其深远的影响，但是微型计算机由于其内部的体系结构与其他计算机存在较大差别，它仍然无法完全取代其他类型的计算机。利用大规模集成电路制造出的多种逻辑芯片，可以组装出大型计算机、巨型计算机，其运算速度更快、存储容量更大、处理能力更强，这些企业级的计算机一般要放到可控制温度的机房里，因此很难被普通公众看到。

巨型计算机（超级计算机）是当代计算机的一个重要发展方向，它的研制水平标志着一个国家工业发展的总体水平，象征着一个国家的科技实力。它一般用来解决尖端和重大科学技术领域的问题，例如在核物理、空气动力学、航空和空间技术、石油地质勘探、天气预报等方面都离不开巨型计算机。巨型计算机一般指运算速度在亿次/秒以上，价格在数千万元以上的计算机。我国的银河-II并行处理计算机、美国的克雷-II（CRAY-II）等都是运算速度达十亿次/秒的巨型计算机。

2013年6月，世界超级计算机TOP500组织在德国莱比锡举行的“2013国际超级计算大会”上，正式发布了第41届世界超级计算机500强排名。由国防科技大学研制的天河二号超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首。这是继2010年天河一号首次夺冠之后，中国超级计算机再次夺冠，直至2015年11月，天河二号超级计算机共六次蝉联冠军，获得“六连冠”。其外形如图1-5所示。

天河二号超级计算机系统由170个机柜组成，包括125个计算机柜、8个服务机柜、13个通信机柜和24个存储机柜，占地面积720m2，内存总容量1 400万亿字节，存储总容量12 400万亿B，最大运行功耗17.8MW。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机，天河二号计算速度是“泰坦”的2倍，计算密度是“泰坦”的2.5倍，能效比相当。与该校此前研制的天河一号相比，两者占地面积相当，天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上，能效比提升了2倍，执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的1/3。天河二号运算1小时，相当于13亿人同时用计算器计算1 000年。

2016年6月20日，全球超级计算机500强榜单公布，使用中国自主芯片制造的“神威·太湖之光”超级计算机取代了“天河二号”荣登榜首。由中国国家超级计算无锡中心研制的“神威·太湖之光”，浮点运算速度为每秒9.3亿亿次。“神威·太湖之光”拥有10 649 600个计算核心，包括40 960个节点，其运算速度为此前3年处在该榜单首位的“天河二号”的两倍以上，大约是目前排名第三的美国超级计算机系统的5倍。其外形如图1-6所示。

当代计算机正随着半导体器件以及软件技术的发展而发展，速度越来越快，功能不断增强和扩大，而且价格更便宜，使用更方便，因此应用也越来越广泛，并正向着巨型化、微型化、多媒体和网络化的方向发展。

第四代计算机主要特点如下：

①使用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件；

②主存储器采用半导体存储器，辅助存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘；

③外部设备有了很大发展，采用光学字符阅读器（OCR）、扫描仪、激光打印机和各种绘图仪；

④操作系统不断发展和完善，数据库管理系统进一步发展，计算机广泛应用于图形、图像、音频及视频等领域；

⑤数据通信、计算机网络已有很大发展，微型计算机异军突起，遍及全球。计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度高达几百万亿次/秒至亿亿次/秒，存储容量、可靠性等都有了大幅度提升。

1.1.2 计算机的特点

计算机不同于以往任何计算工具，在短短的几十年中获得了飞速发展，这是因为计算机具有以下几个特点。

1.运算速度快

现在计算机的运算速度一般都能达到数十万次/秒，有的速度更快，达到了几千万亿次/秒。计算机的高速运算能力可以应用在航天航空、天气预报和地质勘测等需要进行大量运算的科研工作中。

2.计算精度高

计算机具有很高的计算精度，一般可达几十位，甚至几百位以上的有效数字精度。计算机的高精度计算使它能运用于航天航空、核物理等方面的数值计算中。

3.存储功能强

计算机可配备容量很大的存储设备，它类似于人脑，能够把程序、文字、声音、图形、图像等信息存储起来，在需要这些信息时可随时调用。

4.具有逻辑判断能力

计算机在执行过程中，能根据上一步的执行结果，运用逻辑判断方法自动确定下一步的执行命令。正因为具有这种逻辑判断能力，使得计算机不仅能解决数值计算问题，而且能解决非数值计算问题，如信息检索和图像识别等。

5.在程序控制下自动进行处理

计算机的内部操作运算，都是可以自动控制的，用户只要把运行程序输入计算机，计算机就能在程序的控制下自动运行，完成全部预定任务，而无需人工干预。这一特点是原有的普通计算工具所不具备的。

1.1.3 计算机的分类

1.按工作原理分类

计算机按工作原理可分为模拟计算机和数字计算机两类。

模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。模拟计算机由于受元器件质量的影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。

数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用二进制表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。

2.按计算机用途分类

数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。

专用与通用计算机在效率、速度、配置、结构复杂度、造价和适应性等方面都有所区别。

专用计算机针对某类问题能显示出最有效、快速和经济的特性，但它的适应性较差，不适于其他方面的应用，这是专用计算机的局限性。在导弹和火箭上使用的计算机绝大多数是专用计算机。

通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性根据不同的应用对象会受到不同程度的影响。

3.按计算机的规模分类

通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及工作站。这些计算机之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能、数据存储容量、指令系统、设备和软件配置等方面的不同。

（1）巨型机（超级计算机）

巨型机是指运算速度每秒能执行几亿次以上的计算机。它数据存储容量大、规模大、结构复杂、价格昂贵，主要用于大型科学计算。我国自主研制的“银河”计算机和曙光4000A系列计算机及“神威·太湖之光”等均属于超级计算机。

（2）大、中型机

大、中型机是指运算速度在每秒几千万次左右的计算机，通常用在国家级科研机构、银行及重点理工科类院校的实验室。

（3）小型机

小型机是指运算速度在每秒几百万次左右的计算机，通常用在科研与设计机构以及普通高校等单位。

（4）微型机

微型机也称为个人计算机（Personal Computer,PC），是目前应用最广泛的机型。如使用Intel奔腾III、奔腾IV等CPU组装而成的桌面型或笔记本型计算机都属于微型机。

（5）工作站

工作站主要用于图形图像处理和计算机辅助设计。它是介于小型机与微型机之间的一种高档计算机，如Apple图形工作站。

1.1.4 计算机的应用领域

计算机是近代科学技术迅速发展的产物，在科学研究、工业生产、国防军事、教育和国民经济的各个领域得到了广泛应用。下面简单叙述计算机的主要应用领域。

1.科学计算

科学计算也称为数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以处理人工无法解决的各种复杂的计算问题。

2.数据处理

对数据进行的收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列操作统称为数据处理。数据处理是计算机的主要用途，这个领域工作量大、涉及面宽，决定了计算机应用的主导方向。

在数据处理领域中，管理信息系统（Management Information System,MIS）逐渐成熟，它以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。MIS将数据处理与经济管理模型的优化计算和仿真结合起来，具有决策、控制和预测功能。MIS在引入人工智能之后就形成了决策支持系统（DDS），它充分运用运筹学、管理学、人工智能、数据库技术以及计算机科学技术的最新成果，进一步发展和完善了MIS系统。

如果将计算机技术、通信技术、系统科学及行为科学等应用于办公事务处理上，就形成了办公自动化系统（OA）。

目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业单位计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各行业。

3.计算机过程控制

过程控制是指利用计算机及时采集、检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。过程控制是计算机应用的一个很重要的领域。被控对象可以是一台机床、一条生产线、一个车间，甚至整个工厂。计算机与执行机构相配合，使被控对象按照预定算法保持最佳工作状态。适合在工业环境中使用的计算机称为工业控制计算机，这种计算机具有数据采集和控制功能，能在恶劣的环境中可靠地运行。

此外，计算机控制在军事、航空、航天和核能利用等领域中也有广泛的应用。

4.计算机辅助技术

计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）是指利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品的设计，以实现最佳设计效果的一种技术，CAD已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用 CAD 技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且大大提高了设计质量。

计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。CAM与CAD密切相关，CAD侧重于设计，CAM侧重于产品的生产过程。采用CAM技术能提高产品质量，降低生产成本，改善工作条件，缩短产品的生产周期。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction,CAI）是指利用计算机系统帮助教师进行课程内容的教学和测验，可以使用工具或高级语言来开发制作多媒体课件及其他辅助教学资料，引导学生循序渐进地学习，使学生轻松自如地学到所需的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。

5.计算机网络与应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络，在计算机网络的基础上建立了信息高速公路，这对各国的经济发展速度、信息资源的开发利用以及对人们的工作和生活方式等都产生了巨大的影响。

6.人工智能

人工智能（Artificial Intelligence,AI）是指用计算机来模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等，即让计算机具有类似于人类的“思维”能力。它是计算机应用研究的前沿学科。人工智能应用的领域主要有图像识别、语言识别和合成、专家系统、机器人等，在军事、化学、气象、地质、医疗等行业都有广泛的应用。例如，用于医学方面的计算机能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗，以及具有一定思维能力的智能机器人等。

7.电子商务

电子商务（E-Business）是指在因特网上进行的网上商务活动，始于1996年，现已迅速发展，全球已有许多企业先后开展了“电子商务”活动。它涉及企业和个人各种形式的、基于数字化信息处理和传输的商业交易，其中的数字化信息包括文字、语音和图像。从广义上讲，电子商务既包括电子邮件（E-mail）、电子数据交换（EDI）、电子资金转账（EFT）、快速响应（QR）系统、电子表单和信用卡交易等电子商务的一系列应用，又包括支持电子商务的信息基础设施。从狭义上讲，电子商务仅指企业—企业（B2B）、企业—消费者（B2C）之间的电子交易。

电子商务的主要功能包括网上广告和宣传、订货、付款、货物递交和客户服务等，另外，还包括市场调查分析、财务核算及生产安排等。电子商务以其高效率、低支出、高收益和全球性的优点，很快受到了各国政府和企业的广泛重视。