電子計算機

「电子计算机」的各地常用別名
中国大陸电脑、电子计算机
臺灣電腦
香港電腦
澳門電腦
馬新電腦
1970年代早期的GEC4080小型機
wristwatch中的手錶型Linux系統電腦。電腦也可以很小,不限於一般所指的“PC”——個人電腦。

电子计算机,亦稱电脑,计算机是一种利用数字电子技术,根据一系列指令指示其自动执行任意算术或逻辑操作序列的设备。计算机遵循被称为“程序”的一般操作集的能力使他们能够执行极其广泛的任务。

计算机被用作各种工业和消费设备的控制系统。这包括简单的特定用途设备(如微波炉遥控器)、工业设备(如工业机器人计算机辅助设计),以及通用设备(如个人电脑智能手机之类的移动设备)等。尽管计算机种类繁多,但根据图灵机理论,一部具有最基本功能的计算机,应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此,理论上从智能手机超级计算机都应该可以完成同样的作业(不考虑时间和存储因素)。由于科技的飞速进步,下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代,这一现象有时被称作“摩尔定律”。通过互联网,计算机互相连接,极大地提高了信息交换速度,反过来推动了科技的发展。在21世纪的现在,计算机的应用已经涉及到方方面面,各行各业了。

自古以来,简单的手动设备——就像算盘——帮助人们进行计算。在工业革命初期,各式各样的机械的出现,其初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务,例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现,通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于二战期间。自那时以来,电脑的速度,功耗和多功能性不断增加。在现代,机械计算机的应用已经完全被电子计算机所取代。

计算机在组成上形式不一,早期计算机的体积足有一间房屋的大小,而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。当然,即使在今天依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的,为个人应用而设计的称为微型计算机(Personal Computer,PC),在中國地區简称為「微机」。我們今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指此,不过现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式,嵌入式计算机通常相对简单、体积小,并被用来控制其它设备——无论是飞机工业机器人还是数码相机[1]

同计算机相关的技术研究叫计算机科学,而「计算机技术」指的是将计算机科学的成果应用于工程实践所派生的诸多技术性和经验性成果的总合。「计算机技术」与「计算机科学」是两个相关而又不同的概念,它们的不同在于前者偏重于实践而后者偏重于理论。至於由数据为核心的研究則称為信息技术

传统上,现代计算机包括至少一个处理单元(通常是中央处理器(CPU))和某种形式的存储器。处理元件执行算术和逻辑运算,并且排序和控制单元可以响应于存储的信息改变操作的顺序。外围设备包括输入设备(键盘鼠标操纵杆等)、输出设备(显示器屏幕,打印机等)以及执行两种功能(例如触摸屏)的输入/输出设备。外围设备允许从外部来源检索信息,并使操作结果得以保存和检索。

历史

本来,计算机的英文原词“computer”是指从事数据计算的人。而他们往往都需要借助某些机械计算设备或模拟计算机。

这些早期计算设备的祖先包括有算盘,以及可以追溯到公元前87年的被古希腊人用于计算行星移动的安提基特拉机械。随着中世纪末期欧洲数学与工程学的再次繁荣,1623年德国博学家 Wilhelm Schickard德语Wilhelm Schickard率先研制出了欧洲第一部计算设备,這是一個能進行六位以內數加減法,並能通過鈴聲輸出答案的“計算鐘”。使用轉動齒輪來進行操作。

1642年法國數學家布莱士·帕斯卡在英国数学家William Oughtred所制作的“計算尺”的基礎上,將其加以改進,使能進行八位計算。還賣出了許多製品,成為當時一種時髦的商品。

1801年,法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔对织布机的设计进行改进,使用一系列打孔的纸卡片来作为编织复杂图案的程式。尽管这种被称作“ 雅卡尔织布机”的机器并不被认为是一部真正的计算机,但是其可程式化性质使之被视为现代计算机发展过程中重要的一步。

查尔斯·巴貝奇于1820年构想和设计了第一部完全可 程式化计算机。但由于技术条件、经费限制,以及无法忍耐对设计不停的修补,这部计算机在他有生之年始终未能问世。约到19世纪晚期,许多后来被证明对计算机科学有着重大意义的技术相继出现,包括打孔卡片以及真空管。德裔美籍统计学家赫爾曼·何樂禮设计了一部制表用的机器,其中便应用打孔卡片来进行大规模自动数据处理。

在20世纪前半叶,为了迎合科学计算的需要,许多专门用途的、复杂度不断增长的模拟计算机被研制出来。这些计算机都是用它们所针对的特定问题的机械或电子模型作为计算基础。1930-1940年代,计算机的性能逐渐强大并且通用性得到提升,现代计算机的关键特色被不断地加入进来。

1937年,年仅21岁的麻省理工学院研究生克劳德·香农发表了他的伟大论文《对继电器和开关电路中的符号分析》,文中首次提及数字电子技术的应用。他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。此后,他通过研究万尼瓦尔·布什的微分模拟器进一步巩固了他的想法。这是一个标志着二进制电子电路设计和逻辑门应用开始的重要时刻,而这些关键思想诞生的先驱,应当包括:阿尔蒙·斯特罗格,他为一个含有逻辑门电路的设备申请了专利;尼古拉·特斯拉,他早在1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备;李·德富雷斯特,于1907年他用真空管代替了继电器

HP Jornada 690開啟了手機和電腦結合的早期概念,成為智能手機早期概念典範。

沿着这样一条上下求索的漫漫长途去定义所谓的“第一部电子计算机”可谓相当困难。1941年5月12日,德国工程师康拉德·楚澤完成了他的图灵完全机电一体计算机“Z3”,这是第一部具有自动二进制数学计算特色以及可行的程式化功能的计算机,但还不是“电子”计算机。此外,其他值得注意的成就主要有:

1941年夏天诞生的阿塔纳索夫-贝瑞计算机是世界上第一部电子计算机,它使用了真空管计算器,二进制数值,可复用内存;在英国于1943年被展示的神秘的巨像计算机(Colossus computer),尽管程式化能力极為有限,但是它使人们确信使用真空管既值得信赖,又能实现电气化的再编程;哈佛大学的馬克一號;以及基于二进制的ENIAC,全名為電子數值積分計算器,这是第一部通用意图的计算机,但由于其结构设计不够弹性化,导致对它的每一次再编程都要重新连接電子线路。

1940年代的第二次世界大戰中,為訓練轟炸機飛行員,美國海軍曾向麻省理工學院探詢,是否能夠開發出一款可以控制飛行模擬器的計算機。軍方當初的設想只是希望經由該計算機將飛行員模擬操作產生的數據即時反映到儀表盤上。和以前的训练系统 林克训练机不同,军方计划系统能尽可能真实地根据空气动力学模型进行模拟,以使其能适用于各种不同类型的飞机。於是麻省理工創造了旋風工程,其製造出了世界上第一臺能夠即時處理資料的旋風電腦,併發明了磁芯儲存裝置。這為個人電腦的發展做出了歷史性的貢獻。

开发埃尼阿克的小组针对其缺陷又进一步改善了设计,并最终呈现出今天我们所熟知的冯·诺伊曼结构(程序存储体系结构)。这个体系是当今所有计算机的基础。 20世纪40年代中晚期,大批基于此一体系的计算机开始研制,其中以英国最早。尽管第一部研制完成并投入运转的是 小规模实验机(Small-Scale Experimental Machine,SSEM),但真正被开发出来的实用机很可能是延迟存储电子自动计算器(EDSAC)。

在整个1950年代,真空管计算机居于统治地位。1958年9月12日在后来英特爾的創始人罗伯特·诺伊斯的領導下,發明了積體電路。 不久又推出了微處理器。1959年到1964年間設計的計算機一般稱為第二代計算機。

到了1960年代,電晶體计算机将其取而代之。晶体管體積更小,速度更快,价格更加低廉,性能更加可靠,这使得它们可以商品化生产。 1964年到1972年的計算機一般被稱為第三代計算機。大量使用積體电路,典型的機型是IBM360系列。

到了1970年代,積體电路技术的引入大大地降低了计算机生产成本,计算机也从此开始走向千家万户。1972年以後的計算機習慣上被稱為第四代計算機。基於 大規模積體电路,及後來的 超大規模積體电路。Intel 4004美國英特爾公司 (Intel) 推出的第1款微處理器,也是全球第一款微處理器;1971年11月15日发布。1972年4月1日,INTEL推出8008微處理器。1976年,史蒂夫·賈伯斯斯蒂夫·沃兹尼亚克創辦蘋果計算機公司。並推出其Apple I計算機。1977年5月Apple II型計算機發佈。1979年6月1日INTEL,發佈了8位元的8088微處理器。

1982年,微電腦開始普及,大量進入學校和家庭。1982年1月Commodore 64計算機發佈,價格595美元。

1982年2月Intel 80286發佈。時脈提高到20MHz,並增加了保護模式,可存取640KB記憶體。支援1MB以上的虛擬記憶體。每秒執行270萬條指令,集成了134000個電晶體。

1990年11月,微軟發佈第一代MPC(Multimedia PC,多媒體個人電腦標準):處理器至少為80286/12 MHz(後來增加到80386SX/16 MHz),有光碟機,傳輸率不少於150 KB/sec。

1994年10月10日Intel發佈75MHzPentium處理器。1995年11月1日,Pentium Pro發佈。主頻可達200MHz,每秒鐘完成4.4億條指令,集成了550萬個晶體管。1997年1月8日Intel發佈Pentium MMX,對遊戲和多媒體功能進行了增強。

此後計算機的變化日新月異,1965年發表的摩尔定律不斷被應證,預測在未來10—15年仍依然適用。

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