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发布时间：2020-09-15 15:38:38 来源：文档文库

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从外表上看这是一个像袖珍计算机的普通小盒子。它有一个非常薄的玻璃外壳，里面装着肉眼看不见的多层蛋白质，蛋白质间由复杂的晶格联结，很像电影《超人》中的北极圈避难所。这种精巧的蛋白质晶格里是一些生物分子，这就是生物计算机的集成电路。

生物计算机中的生物分子，在电流的作用下同样可以产生“开”和“关”的两种状态，并能储存、输出“0”和“1”这样的二进制信息。因此，可以像电子计算机一样进行运算和信息处理。

组成生物计算机的蛋白分子，直径只有头发丝上的五千分之一。体积仅手指头粗细的一只生物计算机，其储存信息的容量可以比现在的普通电子计算机大一千万倍。而且由于生物分子非常微小，彼此之间的距离又非常近，所以传递信息和计算速度非常快。如果将这种计算机和人脑比较，人脑进行思维是靠神经冲动传递的，与声音在空气中传递的速度（每秒330米）相当；而在生物计算机中，分子的电子运动速度与光速相接近，高达每秒约30万公里。因此，生物计算机的速度比人脑思维的速度快近100万倍。

生物计算机这样微小的体积和惊人的运算速度，可以用来制造真人大小的机器人，使机器人具有像人脑一样的智能。生物计算机能够与健康人的大脑连在一起，甚至植入人的大脑，代替大脑有病的人进行思维、推理、记忆。它可以装备机器人，使机器人更小巧，用来执行高度危险的任务；可以植入人体，使截瘫病人站立走路，给盲人重建光明。国外有一个名叫罗斯纳的“共生人”，他有两个身体，但只有一个大脑。两个身躯接受同一个大脑的指令。如果给他植入一台生物计算机的话，那么这个机器脑就能控制其中一个躯体的一切活动，再通过外科手术，就能得到完整的两个人。

计算机的诞生是20世纪人类最伟大的发明创造之一。自1946年第一台电子计算机问世以来，计算机技术得到迅猛的发展。计算机在科学研究、工农业生产、国防建设以及社会的各个领域都得到越来越广泛的应用，计算机已经是各行各业必不可少的一种基本工具。

1．计算机的发展简史

1946年2月，世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为ENIAC，即Electronic Numerical Integrator And Calculator的缩写，全称为“电子数值积分和计算机”，它的计算速度为每秒5000次加减法，最初被专门用于弹道计算，使每个弹道参数的计算时间由原先手工计算的20min缩短为30s，后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946年2月交付使用，到1955年10月最后切断电源，ENIAC共服务了9年时间。ENIAC使用了18000只电子管，1500个继电器，占地170m2，重达30t，每小时耗电140kW，价格40多万美元，与现在的计算机相比，它是一个昂贵、耗电而功能又不完善的庞然大物，但是它的出现标志着电子计算机时代的到来。

人们一般根据计算机所采用的主要物理器件，将计算机的发展划分成几个阶段，习惯上一个阶段称为一代，每个阶段都意味着计算机技术的新突破以及计算机性能的质的飞跃。

第一代（约1946～1957年）是电子管计算机时代。采用电子管作为基本器件，以汞延迟线及磁鼓、小磁心作为存储器，输入输出用读卡机和纸带机，主要用机器语言编写程序。这一阶段计算机的特点是体积庞大、运算速度低、成本高、可靠性差、内存容量小，主要用于军事和科学计算。

第二代（约1957～1964年）是晶体管计算机时代。采用晶体管作为基本器件，普遍采用磁心作为内存储器、磁盘磁带作为外存储器，用汇编语言和高级语言（例如FORTRAN、ALGOL、COBOL等）编写程序，并且提出了操作系统的概念。这一阶段计算机的特点是体积减小、运算速度提高、能耗降低、可靠性和内存容量也有较大提高，价格不断下降，应用范围进一步扩大，从军事与尖端技术领域延伸到气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究领域。

第三代（约1965～1972年）是中小规模集成电路计算机时代。采用中、小规模集成电路作为基本器件，内存储器采用半导体存储器，磁带作为外存储器，外部设备种类繁多，高级语言数量增多，出现了操作系统以及结构化、模块化程序设计方法。这一阶段计算机的特点是体积更小，速度更快，可靠性和存储容量进一步提高，价格更便宜，计算机和通信密切结合起来，广泛应用到科学计算、数据处理、事务管理和工业控制等领域。

第四代（1972年起）是大规模集成电路和超大规模集成电路计算机时代。采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，内存储器采用半导体存储器，外存储器采用磁盘和光盘，操作系统不断发展和完善，而且发展了数据库管理系统和通信软件等。这一阶段计算机的特点是体积更小，运行速度可达每秒上千万次甚至上亿次，存储容量和可靠性又有了很大提高，造价更低，在办公自动化、数据库管理、图像处理、语音识别和专家系统等各个领域大显身手。

20世纪90年代以来，计算机技术的发展十分迅速，许多国家投入大量的人力物力开展具有知识表示和逻辑推理能力的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等新一代计算机。

2．微型计算机的发展

在计算机的发展过程中，20世纪70年代微型计算机的出现引发了电子计算机的第二次革命。随着微电子技术和大规模、超大规模集成电路技术的发展，在一块半导体芯片上可以集成上万个乃至上千万个器件。1971年，美国Intel公司把组成中央处理单元CPU（Central Processing Unit）的运算器ALU（Arithmetic Logic Unit）和逻辑控制器CU（Control Unit）集成在一块芯片上，研制出了第一批微处理器Intel 4004，该微处理器在一块芯片上集成了2250个晶体管电路，一次能处理4位二进制数，其功能相当于ENIAC，由它加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS—4，微型计算机从此诞生并得到迅速的发展。之后许多公司竞相研制微处理器，先后推出了8位、16位、32位、64位的微处理器芯片，芯片的主频和集成度不断提高，由它们组成的微型计算机在功能上也不断完善。由于微型计算机体积小、重量轻、功耗低、环境要求低、价格廉、可靠性高、软件丰富且易学易用，因此迅速得到普及和应用，走进了各行各业和寻常百姓家庭。

同时为适应不同需要，许多厂家开发和生产了各种各样的微型计算机，如个人计算机（PC机）、单片机、单板机、专用机等。个人计算机以供“个人使用”为特点，具有小巧、省电、价廉、功能强、可靠性高、使用方便等显著优势，在社会生活的各个领域得到广泛应用。1977年美国APPLE公司的个人计算机问世，1981年美国IBM公司推出IBM-PC个人计算机。

微型计算机的发展非常迅速，以2～3年的速率更新换代。如今的微型计算机在某些方面可以和以往的大型计算机相媲美。

3．计算机的发展趋势

计算机作为计算、控制和管理的有力工具，极大地推动了科研、国防、工业、交通、电力、通信等各行各业的发展。同时，随着应用的广泛和深入，又对计算机技术提出了更高的要求。当前，计算机的发展表现为5种趋势：巨型化、微型化、多媒体化、网络化和智能化。

巨型化是指发展高速、大存储容量和强功能的巨型计算机，这既是为了满足天文、气象、宇航、核反应等尖端科学以及基因工程、生物工程等新兴科学发展的需要，也是为了使计算机具有学习、推理、记忆等功能。目前运算速度达每秒千万亿次的巨型计算机正在研制中。巨型机的研制反映了一个国家科学技术的发展水平。

微型化是利用微电子技术和超大规模集成电路技术，将计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低，如可以随身携带的便携式计算机。当前微型机的标志是将运算部件和控制部件集成到一起，今后将逐步发展成存储器、高速运算部件、输入输出接口及软件等集成在一起。

多媒体化是指计算机不仅具有处理文本信息的能力，而且具有处理声音、图像、动画、影像（视频）等多种媒体的能力。正是由于多媒体计算机技术的发展，计算机与人的交互界面越来越友好，使人能以接近自然的交互方式收发所需要的媒体信息。

网络化是指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强的计算机网络。网络化的目的是使网络内众多的计算机系统共享相互的硬件、软件、数据等计算机资源。

智能化是使计算机能模拟人的感觉、行为、思维过程，使计算机具备“视觉”、“听觉”、“语言”、“行为”、“思维”、“逻辑推理”、“学习”、“证明”等能力。目前已研制出各种智能机器人，能代替人完成不宜由人来进行的工作。智能化使计算机突破了“计算”这一初级含义，从本质上扩充了计算机的能力，因此，也有人称智能计算机为新一代计算机。

1.1.2 计算机的特点

从计算机的发展历史中可以看出，计算机已从早期的数值计算发展成为能进行信息处理的智能设备，其特点如下：

1．运算速度快

当前计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微型计算机的运算速度也可以达到每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如卫星轨道的计算、大型水坝的计算、天气预报的计算等，过去需要几年甚至更长时间完成的计算工作，现在只需几天甚至几分钟就可完成。

2．计算精度高

计算机具有其他计算工具无法比拟的计算精度，其有效位数可达几十甚至上百位，这样的计算精度足以满足一般实际问题的需要。在电子计算机问世之前，圆周率的近似值被计算到小数点后的第808位，1949年科学家用ENIAC计算机把算到了小数点后的2037位。

3．记忆能力强

计算机的存储器类似于人的大脑，可以记忆大量的数据和计算机程序，而且不会忘却。现代计算机的存储容量极大，一台计算机可以将一个中等规模图书馆的全部图书资料存储起来，因此计算机的记忆能力是超强的。

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。1976年，美国数学家用计算机进行了上百亿次的逻辑判断，通过证明1900多个定理，解决了100多年来未能解决的著名难题—— 四色问题。

5．具有自动执行程序的能力

计算机能够按照人们事先编好的程序自动进行操作，在工作过程中一般不需要人工干预。因此，计算机可以代替人从事一些枯燥乏味的重复性的劳动以及有毒有害环境下的工作。

计算机在对字母、数字和其他符号进行处理时，需要将这些非数值型信息用二进制编码表示。目前存在着多种字符集和字符编码方式，使用最多的是1963年美国标准学会ANSI制定的美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange），简称ASCII码。

为了适应计算机处理汉字的需要，1980年我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集· 基本集》（GB2312—1980）国家标准，这个标准所收集的字符及其编码称为国标码，又叫国标交换码。该标准共收集了汉字、字母、图形等字符7445个，其中汉字6763个（常用的一级汉字3755个，按汉语拼音顺序排列，二级汉字3008个，按部首顺序排列），字母、数字和其他符号682个。

国标GB2312—1980规定，所有的国标汉字和符号组成一个9494的矩阵，该矩阵中的每一行称为一个“区”，每一列称为一个“位”，这样，字符集中的每个汉字或字符都有对应的区号（1～94）和位号（1～94），区号和位号组合在一起称为国标区位码，简称区位码。区位码指出了该汉字或字符在字符集中的位置，区位码与汉字是一一对应的，例如汉字“啊”，它的区位码是1601，即“啊”位于第16区的第一位。

我国继GB2312—1980之后，1990年颁布了GB12345—1990，该国标包含717个图形符号和6866个汉字，除新增加的35个图形符号和103个汉字外，图形符号与GB2312—1980相同，汉字是GB2312—1980中简化汉字的繁体形式。

1993年5月，国际标准化组织正式发布了ISO/IEC 10646标准《信息技术—— 通用多八位编码字符集》，简称UCS。UCS规定了全世界现代书面语言文字所使用的所有字符的标准编码，每个字符的编码用4个字节即32位二进制数表示。UCS的16位格式的子集（UCS—2），又称为Unicode编码，其编码长度为16位。其中从0X4E00到0X9FA5的连续区域包含了来自中国（包括台湾）、日本、韩国的两万多个汉字及符号，该汉字集被称为CJK（Chinese Japanese Korean），CJK是GB2312—1980、GB12345—1990和BIG5的超集，但是Unicode与GB2312的编码不兼容。