1. 从电子管到集成电路
（1）电子管
电子管又称“真空管”，它是将玻璃管内部抽成真空，这样做有利于电子在其中的运动，也有效地降低灯丝的氧化损耗。电子管拥有三个最基本的极：阴极、屏极、栅极。
（2）晶体管
半导体是制造晶体管的基本材料。所谓半导体就是它的导电性介于导电性能很好的“导体”和几乎不传导电流的“绝缘体”之间。晶体管也具有三个基本极：①集电极C（collector）,相当于电子管的屏极；②基极B(base),相对于电子管的栅极；③发射极E(emitter),相当于电子管的阴极。它是微电子技术产生的标志。
（3）集成电路
所谓“集成电路”就是把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的，实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上。集成电路发展迅速，日新月异。1962年制成的集成电路只能够集成几个逻辑电路单元，到1965年已能集成近100个单元，通常称为“小规模集成电路”；1967年发展到集成度为100～1000个单元的中规模集成电路；1967～1973年，集成度达到1000～10000个单元的大规模集成电路（LSIC）；1978年集成度已达到10万个～100万个单元的超大规模集成电路。目前，集成度突破了千万单元，称为“超大规模集成电路”（VLSI Very Large Scale Integration）。
（4）多核处理器
从本世纪开始，Intel等集成电路制造厂商的产品已经发展成多核处理器，双核处理器相当于在一个芯片中存在2个CPU同时工作，四核处理器相当于在一个芯片中存在4个CPU同时工作。显然，只要它们能协同工作，效率就会成倍提高。目前市场上已经大量销售四核的CPU芯片，大大提高了计算机系统的整体性能。原来在大型计算机上的多处理器并行处理的原理正在个人计算机上通过多核处理器芯片而实现。 2. 摩尔定律
1975年摩尔提出了关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”，这个定律说，集成度（即单片电路芯片中的电子器件数）每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降。几十年的发展基本上证实了这个定律所揭示的规律。
从个人计算机的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。
这里需要特别指出的是，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽容度。从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。
1.2 计算机系统的基本结构和原理
自从世界上第一台电子计算机问世以来，计算机的发展速度是其他任何产业所无法比拟的。特别是微型计算机的出现，以及计算机网络技术和多媒体技术的发展，使计算机的应用已逐渐渗透到人类社会的各个领域。
1.2.1 计算机产生和发展
1．计算机的产生
计算机是一种具有快速计算和逻辑运算能力，依据一定程序自动处理信息，存储并且输出处理结果的电子设备。
电子计算机的发明人是阿塔那索夫（J.V.Atanasoff）和他的研究生贝瑞（C.Berry）在1941年发明制造了名为ABC（Atanasoff-Berry Computer）的电子计算机。1946年2月，具有盛名和极大影响的电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），即“电子数字积分与计算机”，在美国宾夕法尼亚大学诞生。
ENIAC是世界上第一台采用电子管为主要元件的、真正能自动运行的电子计算机。它使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格为40多万美元。它最初被专门用于军事上的弹道计算，后来经过多次改进，成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从诞生到结束使用历经了9年多时间。
尽管ENIAC存在许多缺陷，每秒只能进行5000次加法或减法运算，其功能远不如当今的计算机，但是它作为计算机家族的鼻祖，开辟了人类科学技术领域的先河。 2．计算机的发展
电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分，至今已经历了五个发展阶段。每一个发展阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。
第一阶段：电子管计算机阶段（1946-1957年）。其主要特点是采用电子管作为基本器件，以水银延时线作为主存，后期则采用了磁芯存储器；运算速度一般每秒数千次至数万次，内存容量仅几千个字节，程序设计语言处于最低阶段，只能采用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。由于体积大、耗电多、速度低、使用不便，主要是局限于一些军事和科研部门进行科学计算。
第二阶段：晶体管计算机阶段（1958-1962年）。其主要特点是采用晶体管作为基本器件，内存储器大量使用磁芯存储器，外存储器有磁盘和磁带等，运算速度提高到每秒几十万次，内存容量扩大到几十万个字节，出现了诸如ALGOL60，FORTRAN，COBOL等高级程序设计语言。与电子管计算机相比，体积小、耗电少、成本低、使用方便、可靠性高。它的应用从军事研究、科学计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。
第三阶段：集成电路计算机（1963-1970年）。其主要特点是采用了小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Medium Scale Integration），内存储器开始使用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几千次到几百万次基本运算。同时，计算机软件技术进一步发展，操作系统正式形成，并出现多种高级程序设计语言，如BASIC等。在性能方面与前一阶段相比都有大大的提高。它被广泛地应用
于科学计算、数据处理、工业控制等方面，进入众多的学科领域。
第四阶段：大规模集成电路计算机（1971-1995年）。其主要特点是采用了大规模集成电路LSI（Large Scale Integration）和超大规模集成电路，运算速度提高到每秒百千万次，甚至上亿次，存储容量发展到几千兆字节，存取速度大大加快。同时操作系统、数据库管理系统等系统软件不断完善，应用软件逐渐发展成为一个现代产业。计算机技术和通讯技术相结合，使计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的应用已渗透到人类社会生活的各个方面。
第五阶段：人工智能计算机（1995年至今）。其主要特征为人工智能在计算机中的运用，运算速度和存储容量大大提高，主要用于支持知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等。新一代计算机主要是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，它以知识库为基础，采用智能接口，能理解人类自然语言，能进行逻辑推理，完成判断和决策任务。毫无疑问，随着超大规模集成电路的发展以及新的计算机体系结构和软件技术的发展，第五代计算机将是完全新型的一代计算机。 3．微机的发展概况
微机是指以微处理器为核心，配上内存储器（包括随机存储器RAM和只读存储器ROM）、输入/输出接口电路及其他相应的电路而构成的裸机。微机的发展是以微处理器的发展为特征的。微处理器是指由一片大规模集成电路组成的中央处理器（CPU，即通常所指的运算器和控制器），以及时钟脉冲发生器和系统控制器。
微处理器和微机自1971年问世以来，在仅三十几年的时间里得到异乎寻常的发展，大约每2-4年就更新换代一次，至今已经历了五代演变。通常我们是按CPU的字长和功能来划分各代微机的产品。由4位或8位低档微处理器，字长为4位或8位发展到64位微处理器，即人们习惯称其为586（Pentium，奔腾）处理器。以后又推出了PentiumPro（多能奔腾），几个月后又推出了基于MMX技术的全系列CPU，MMX就是多媒体扩展的意思。使微机在处理多媒体信息上有了很大的提高，
1999年，出现了以PentiumIII为处理器的微机，内存一般为64MB、128MB，并可扩充到256MB以上，配备了软驱、光驱和几个GB到几十个GB的硬盘，主频在450MHz到1000MHz不等。这一代计算机带有更强的多媒体效果，而且支持网络应用的功能更加强大。2000年岁末，以PentiumⅣ为处理器的新一代微机出现，运算速度更快、存储容量更大、处理能力更强。
随着互联网功能增强，有的微机开始注重上网功能，即机器只要具有优秀的上网功能，而不一定需要配备高性能的处理器、大容量硬盘，这使得个人计算机向另外一个方向发展，出现了“上网本”。另一个值得关注的趋势是，笔记本电脑和智能手机相互融合，产生出了新型的“平板电脑”。例如苹果公司发布了苹果iPad；RIM公司发布了黑莓PlayBook。 4.嵌入式系统
随着微控制器的大规模的嵌入式应用，嵌入式系统遍及各行各业，得到广泛应用。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统
对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、特定的应用程序等几个部分。
以信息家电为主要应用领域的嵌入式产品，有十分美好的应用前景，但由于网络和多媒体技术的迅速发展，对其提出更高要求：十分灵活的网络联接；包括与移动通信相适应的信息交换；快速的多媒体信息处理；微型化的体积和较高的功能密度等。
嵌入式系统发展的趋势主要有以下几点：嵌入式处理器向64位过度；嵌入式Linux操作系统；联网成为必然趋势；微小尺寸、微功耗和低成本；提供精巧的多媒体人机界面。
5.超级计算机
超级计算机通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成、性能极其强大、能完成普通PC机和服务器不能完成的大型复杂计算的计算机。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。
作为高科技发展的要素，超级计算机已经成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。经过我国科技工作者几十年的不懈努力，我国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。
1.2.2 计算机的应用及性能特点
1．计算机的应用
计算机的应用已涉及人类社会的各个方面。特别是Internet的诞生和发展，使计算机的应用范围日益扩大，并改变着人们传统的工作、学习和生活方式。归纳起来，计算机的应用主要有以下几个方面：
（1）科学计算：科学计算，即数值计算，是指计算机用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题的计算。由于计算机高速度、高精度、大存储和连续计算能力的实现，使得计算量极大或者计算过程极其复杂的计算变得相当简单和容易。例如，天气预报、火箭运行轨迹、高能物理以及计算机仿真原子弹的爆炸等许多尖端科学技术的计算。
（2）数据和信息处理：这主要是指计算机对原始数据进行收集、分析、整理、合并、统计、存储、输出等加工处理，计算机应用的一个重要方面就是数据和信息处理。由于计算机具有高速运算、海量存储和逻辑判断的能力，使得它成为数据处理的强有力工具，并广泛应用于办公自动化、军事指挥、专家系统和决策支持系统、情报检索、医疗管理和诊断等方面。目前，数据和信息处理已占据了计算机应用的75%左右。
（3）过程控制和人工智能：即实时控制，是指用计算机即时采集检测数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动调节控制。利用计算机进行过程控制，不仅大大提高了控制的自动化水平，而且大大提高了控制的及时性和准确性，从而能改善劳动条件、提高质量、节约能源和降低成本。计算机过程控制已在工业、军事和航天等诸多领域得到广泛的应用。例如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）等。
另外，随着智能机器人的研制成功，用计算机来“模仿”人的智能，使计算机像人
一样具有识别语言、文字、图形和“推理”等思维活动，这样，使计算机可以完成更复杂的控制任务。
（4）通信和网络
随着社会信息化的发展，通信业也发展迅速，计算机在通信领域的作用越来越大，特别是计算机网络的迅速发展。目前因特网已把全球的大多数国家联系在一起，它将所有信息资源连接成一个全球性的大网络。 2．计算机的性能特点
计算机是一种具有记忆功能、自动控制的现代化计算工具和信息处理工具。它具有五个方面的性能特点：
（1）运算速度快：计算机最显著的特点是运算速度快，可以达到每秒几百万次到上千万次运算速度。不仅大大提高工作效率，而且使许多极其复杂的科学问题得以解决。
（2）计算精度高：计算机具有计算精度高的特点，一般其有效数字可以准确到十几位、几十位，甚至上百位，这样就能精确地进行数据计算和表示数据的计算结果。
（3）存储功能强：计算机具有存储数据和指令等信息的存储装置，在需要这些信息时再将它们取出。
（4）具有逻辑判断能力：计算机不仅能进行数值运算，还可以进行逻辑运算，即对文字或符号等非数值计算问题进行判断和比较，进行逻辑分析和证明。
（5）具有自动运行能力：计算机内部操作是按照人们事先编制的程序自动执行的，不需要人工操作和干预。现代计算机不仅可以用于数据计算，还可以用于数据处理、工业控制、辅助设计等，具有很强的通用性和可靠性。
1.2.3 计算机中数制和信息的表示
1. 计算机中的数据
计算机中的数据分为数值型数据和非数值型数据。比如，0，1，2，3?等十个数字组成的数据可称为数值型数据；由字符和各种符号组成的数据（包括图形、图像、声音等）称为非数值型数据。计算机的功能就是对这些信息（数据）进行加工处理。
（1）数据的单位
位（bit）：简写为b（比特），是计算机存储数据的最小单位，是二进制数中的一个位。
字节（byte）：简写为B，规定一个字节为8位，即1B=8bit。字节是计算机数据处理的基本单位，每个字节由8个二进制位组成。一般一个字节可存放一个ASCII码，两个字节存放一个汉字。
字（Word）：字是计算机进行数据处理时，一次可以存取、加工和传送的位数最长的数据。一个字通常由一个或若干个字节组成。由于字长是决定计算机数据处理的速度和精度，因此，字长越长说明计算机的性能越好。
计算机存储容量以字节数来度量，各度量单位可用字节表示： 1KB=2B=1024B
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