计算机

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计算机(Computer;PC)

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计算机的概述

  计算机的全称为电子计算机,俗称电脑,是一种能够按照程序运行,自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。由硬件和软件所组成,没有安装任何软件的计算机称为裸机。常见的型号有台式计算机、笔记本计算机,较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

  电脑的学名为电子计算机,是由早期的电动计算器发展而来的。1946年,世界上出现了第一台电子数字计算机“ENIAC”,用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的。1956年,晶体管电子计算机诞生了,这是第二代电子计算机。只要几个大一点的柜子就可将它容下,运算速度也大大地提高了。1959年出现的是第三代集成电路计算机。最初的计算机由约翰·冯·诺依曼发明(那时电脑的计算能力相当于现在的计算器),有三间库房那么大,后逐步发展。   

  1946年面世的“ENIAC”,它主要是用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院制造的,它的体积庞大,占地面积170多平方米,重量约30吨,消耗近150千瓦的电力。显然,这样的计算机成本很高,使用不便。这个说法被计算机基础教科书上普遍采用,事实上在1973年根据美国最高法院的裁定,最早的电子数字计算机应该美国爱荷华州立大学的物理系副教授约翰·阿坦那索夫和其研究生助手克利夫·贝瑞(Clifford E. Berry ,1918-1963)于1939年10月制造的"ABC"(Atanasoff- Berry-Computer)。之所以会有这样的误会,是因为“ENIAC”的研究小组中的一个叫莫克利的人于1941年剽窃了约翰·阿坦那索夫的研究成果,并在1946年时,申请了专利。由于种种原因直到1973年这个错误才被扭转过来。后来为了表彰和纪念约翰·阿坦那索夫在计算机领域内作出的伟大贡献,1990年美国前总统布什授予约翰·阿坦那索夫全美最高科技奖项----“国家科技奖”。

计算机的特点

  计算机的主要特点表现在以下几个方面:

  1、运算速度快

  运算速度是计算机的一个重要性能指标。计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量。运算速度快是计算机的一个突出特点。计算机的运算速度已由早期的每秒几千次(如ENIAC机每秒钟仅可完成5000次定点加法)发展到现在的最高可达每秒几千亿次乃至万亿次。这样的运算速度是何等的惊人!

  计算机高速运算的能力极大地提高了工作效率,把人们从浩繁的脑力劳动中解放出来。过去用人工旷日持久才能完成的计算,而计算机在"瞬间"即可完成。曾有许多数学问题,由于计算量太大,数学家们终其毕生也无法完成,使用计算机则可轻易地解决。

  2、计算精度高

  在科学研究和工程设计中,对计算的结果精度有很高的要求。一般的计算工具只能达到几位有效数字(如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等),而计算机对数据的结果精度可达到十几位、几十位有效数字,根据需要甚至可达到任意的精度。

  3、存储容量大

  计算机的存储器可以存储大量数据,这使计算机具有了"记忆"功能。目前计算机的存储容量越来越大,已高达千兆数量级的容量。计算机具有"记忆"功能,是与传统计算工具的一个重要区别。

  4、具有逻辑判断功能

  计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外,还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

  5、自动化程度高,通用性强

  由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内,工作时按程序规定的操作,一步一步地自动完成,一般无须人工干预,因而自动化程度高。这一特点是一般计算工具所不具备的。

  计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题,能广泛地应用各个领域。

计算机的分类

  计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。

  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:参与运算的数值用断续的数字量表示,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,是以近似人类大脑的"思维"方式进行工作,所以又被称为“电脑”。数字计算机按用途又可分为专用计算机通用计算机

  专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。

  专用计算机功能单一,针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性,但它的适应性较差,不适于其它方面的应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。这些东西就是再先进,你也不能用它来玩游戏。

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

  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、微型机及单片机。这些类型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、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。

  一般来说, 巨型计算机的运算速度很高,可达每秒执行几亿条指令,数据存储容量很大,规模大结构复杂,价格昂贵,主要用于大型科学计算。它也是衡量一国科学实力的重要标志之一。单片计算机则只由一片集成电路制成,其体积小,重量轻,结构十分简单,性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机。它们的性能指标和结构规模则相应的依次递减。

计算机的用途

  计算机用途广泛,归纳起来有以下几个方面:

  1、数值计算

  数值计算即科学计算。数值计算是指应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算。应用计算机进行科学计算,如卫星运行轨迹,水坝应力,气象预报,油田布局,潮汐规律等等,可为问题求解带来质的进展,使往往需要几百名专家几周、几月甚至几年才能完成的计算,只要几分钟就可得到正确结果。

  2、信息处理

  信息处理是对原始数据进行收集、整理、分类、选择、存储、制表、检索、输出等的加工过程。信息处理是计算机应用的一个重要方面,涉及的范围和内容十分广泛。如自动阅卷、图书检索、财务管理生产管理医疗诊断、编辑排版、情报分析等等。

  3、实时控制

  实时控制是指及时搜集检测数据,按最佳值对事物进程的调节控制,如工业生产的自动控制。利用计算机进行实时控制,既可提高自动化水平,保证产品质量,也可降低成本,减轻劳动强度

  4、辅助设计

  计算机辅助设计为设计工作自动化提供了广阔的前景,受到了普遍的重视。利用计算机的制图功能,实现各种工程的设计工作,称为计算机辅助设计。即CAD。如桥梁设计、船舶设计、飞机设计、集成电路设计、计算机设计、服装设计等等。当前,人们已经把计算机辅助设计、辅助制造(CAM)和辅助测试(CAT)联系在一起,组成了设计、制造、测试的集成系统,形成了高度自动化的“无人”生产系统

  5、智能模拟

  智能模拟亦称人工智能。利用计算机模拟人类智力活动,以替代人类部分脑力劳动,这是一个很有发展前途的学科方向。第五代计算机的开发,将成为智能模拟研究成果的集中体现;具有一定“学习、推理和联想能力的机器人的不断出现,正是智能模拟研究工作取得进展的标志。智能计算机作为人类智能的辅助工具,将被越来越多地用到人类社会的各个领域。

计算机的发展史

  1.第一阶段 电子管计算机(1946~1957年)

  主要特点是:

  (1)采用电子管作为基本逻辑部件,体积大,耗电量大,寿命短,可靠性大, 成本高。

  (2)采用电子射线管作为存储部件,容量很小, 后来外存储器使用了磁鼓存储信息,扩充了容量。

  (3)输入输出装置落后,主要使用穿孔卡片,速度慢,容易出去使用十分不便。 (4)没有系统软件,只能用机器语言和汇编语言编程。

  2.第二阶段 晶体管计算机 (1958~1964年)

  主要特点是:

  (1)采用晶体管制作基本逻辑部件,体积减小,重量减轻,能耗降低,成本下降,计算机的可靠性和运算速度均得到提高。

  (2)普遍采用磁芯作为贮存器,采用磁盘/磁鼓作为外存储器。

  (3)开始有了系统软件(监控程序),提出了操作系统概念,出现了高级语言。

  3.第三阶段 集成电路计算机 (1965~1969年)

  主要特点是:

  (1)采用中,小规模集成电路制作各种逻辑部件,从而使计算机体积小,重量更轻,耗电更省,寿命更长,成本更低,运算速度有了更大的提高。

  (2)采用半导体存储器作为主存,取代了原来的磁芯存储器,使存储器容量的存取速度有了大幅度的 提高,增加了系统的处理能力。

  (3)系统软件有了很大发展, 出现了分时操作系统, 多用户可以共享计算机软硬件资源。

  (4)在程序设计方面上采用了结构化程序设计,为研制更加复杂的软件提供了技术上的保证

  4.第四阶段 大规模、超大规模集成电路计算机 (1970年至今)

  主要特点是:

  (1)基本逻辑部件采用大规模,超大规模集成电路,使计算机体积,重量,成本均大幅度降低,出现了微型机。

  (2)作为主存的半导体存储器,其集成度越来越高,容量越来越大;外存储器除广泛使用软,硬磁盘外,还引进了光盘。

  (3)各种使用方便的输入输出设备相继出现。

  (4)软件产业高度发达,各种实用软件层出不穷,极大地方便了户。

  (5)计算机技术与通信技术相结合,计算机网络把世界紧密地联系在一起。

  (6)多媒体技术崛起,计算机集图象,图形,声音,文字,处理与一体,在信息处理领域掀起了一场革命,与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。

  从20世纪80年代开始,日本,美国,欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。普遍认为新一代计算机应该是智能型的,它能模拟日的智能行为,理解人类自然语言,并继续向着微型化,网络化发展。

计算机系统的组成

  从严格意义上说,计算机应包括硬件系统和软件系统,两者缺一不可。硬件系统是计算机应用的基础,它包括了各种设备;而软件系统就是我们平常所说的程序,是一组有序的计算机指令,这些指令用来指挥计算机硬件系统进行工作。硬件系统往往是固定不变的,而计算机千变万化的功能则是通过软件实现。

  现在,计算机已发展成由巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机组成的一个庞大的计算机家族,其中每个成员尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大差别,但是它们的基本组成结构是相同的。计算机的硬件系统由中央处理器(由运算器和控制器等组成)、内存储器、外存储器和输入/输出设备组成。而计算机的软件系统分为两大类,即计算机系统软件和应用软件。计算机系统的组成如下图所示。

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