计算机基础知识：从历史到现代架构的全面解析

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计算机基础知识：从历史到现代架构的全面解析

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计算机科学作为现代科技的重要组成部分，其基础知识对于理解信息技术的发展至关重要。本文将从计算机的历史发展、基本构成以及冯诺依曼体系结构等方面，为读者提供一个全面的计算机入门指南。

一、第一台计算机

在探讨任何事物时，我们通常都会从其历史开始。目前世界上公认的第一台计算机是“埃尼阿克”（ENIAC），它于1946年2月诞生于美国宾夕法尼亚大学，是世界上第一台通用电子数字计算机。

尽管有一些争议，比如有人认为帕斯卡在1623年发明的帕斯卡加法器也可以算是计算机，或者1937年设计、1942年成功测试的阿塔纳索夫-贝瑞计算机，但ENIAC因其更接近现代计算机的设计思路而被广泛认可。

ENIAC由1.8万个电子管组成，体积庞大，重量达30多吨，占地相当于两三间教室。虽然它的运算速度仅为每秒5000次加法运算，但在当时已经是一个了不起的成就。

为了进一步感受那个年代的技术水平，下面这张图展示了1965年的硬盘，容量仅有5M，现在一张高清照片都放不下，当时还需要用叉车来搬运。

二、计算机发展史

从1946年的ENIAC开始，计算机的发展经历了四个阶段：

第一代电子管计算机(1946~1958)：特点包括使用真空电子管和磁鼓储存数据，操作指令为特定任务而编制，每种机器有各自的机器语言，功能受到限制，速度也慢。

第二代晶体管计算机 (1956-1963)：晶体管代替了体积庞大的电子管，使用磁芯存储器，体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。这一时期还出现了COBOL和FORTRAN等高级编程语言，以及打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等现代计算机部件。

第三代集成电路计算机 (1964-1971)：以中小规模集成电路构成主要功能部件，主存储器采用半导体存储器，运算速度可达每秒几十万次至几百万次基本运算。软件方面，操作系统日趋完善。
第四代大规模集成电路计算机 (1971-至今)：采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件，重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

阶段	逻辑元件	主存储器	运算速度（每秒）	软件	应用
第一代（1946-1958）	电子管	电子射线管	几千次到几万次	机器语言、汇编语言	军事研究、科学计算
第二代（1958-1964）	晶体管	磁芯	几十万次	监控程序、高级语言	数据处理、事务处理
第三代（1964-1971）	中小规模集成电路	半导体	几十万次到几百万次	操作系统、编辑系统、应用程序	有较大发展开始广泛应用
第四代（1971-至今）	大规模超大规模集成电路	集成度更高的半导体	上千万次到上亿次	操作系统完善、数据库系统、高级语言发展、应用程序发展	渗入社会各级领域

摩尔定律

摩尔定律由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。这一规律解释了为什么最早的计算机又大又弱，而现在的智能手机性能却远超早期的掌上电脑。

超级计算机

中国在超级计算机领域取得了显著成就。2022年上半年全球超级计算机500强榜单显示，中国部署的超级计算机数量达到173台，占总体份额的34.6%。“神威太湖之光”和“天河二号”分别位列榜单第六、第九位。上海交通大学部署的“思源一号”排名138位，在全球高校部署的超算系统中名列前茅。联想集团交付161台，成为目前世界最大的超级计算机制造商。