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    計算機

    英文翻譯:計算機(Computer;PC)
    內容摘要:計算機的全稱為電子計算機,俗稱電腦,是一種能夠按照程序運行,自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。由硬件和軟件所組成,沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。常見的型號有臺式計算機、筆記本計算機,較先進的計算機有生物計算機、光子計算機、量子計算機等。

    計算機的概述

    計算機的全稱為電子計算機,俗稱電腦,是一種能夠按照程序運行,自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。由硬件和軟件所組成,沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機。常見的型號有臺式計算機、筆記本計算機,較先進的計算機有生物計算機、光子計算機、量子計算機等。

    電腦的學名為電子計算機,是由早期的電動計算器發展而來的。1946年,世界上出現了第一臺電子數字計算機“ENIAC”,用于計算彈道。是由美國賓夕法尼亞大學莫爾電工學院制造的。1956年,晶體管電子計算機誕生了,這是第二代電子計算機。只要幾個大一的柜子就可將它容下,運算速度也大大地提高了。1959年出現的是第三代集成電路計算機。最初的計算機由約翰·馮·諾依曼發明(那時電腦的計算能力相當于現在的計算器),有三間庫房那么大,后逐步發展。   

    1946年面世的“ENIAC”,它主要是用于計算彈道。是由美國賓夕法尼亞大學莫爾電氣工程學院制造的,它的體積龐大,占地面積170多平方米,重量約30噸,消耗近150千瓦的電力。顯然,這樣的計算機成本很高,使用不便。這個說法被計算機基礎教科書上普遍采用,事實上在1973年根據美國最高法院的裁定,最早的電子數字計算機,應該是美國愛荷華州立大學的物理系副教授約翰·阿坦那索夫和其研究生助手克利夫·貝瑞(Clifford E. Berry ,1918-1963)于1939年10月制造的"ABC"(Atanasoff- Berry-Computer)。之所以會有這樣的誤會,是因為“ENIAC”的研究小組中的一個叫莫克利的人于1941年剽竊了約翰·阿坦那索夫的研究成果,并在1946年時,申請了專利。由于種種原因直到1973年這個錯誤才被扭轉過來。后來為了表彰和紀念約翰·阿坦那索夫在計算機領域內作出的偉大貢獻,1990年美國前總統布什授予約翰·阿坦那索夫全美最高科技獎項----“國家科技獎”。

    計算機的特點

    計算機的主要特點表現在以下幾個方面:

    1、運算速度快

    運算速度是計算機的一個重要性指標。計算機的運算速度通常用每秒鐘執行定點加法的次數或平均每秒鐘執行指令的條數來衡量。運算速度快是計算機的一個突出特點。計算機的運算速度已由早期的每秒幾千次(如ENIAC機每秒鐘僅可完成5000次定點加法)發展到現在的最高可達每秒幾千億次乃至萬億次。這樣的運算速度是何等的驚人!

    計算機高速運算的能力極大地提高了工作效率,把人們從浩繁的腦力勞動中解放出來。過去用人工曠日持久才能完成的計算,而計算機在"瞬間"即可完成。曾有許多數學問題,由于計算量太大,數學家們終其畢生也無法完成,使用計算機則可輕易地解決。

    2、計算精度高

    科學研究和工程設計中,對計算的結果精度有很高的要求。一般的計算工具只能達到幾位有效數字(如過去常用的四位數學用表、八位數學用表等),而計算機對數據的結果精度可達到十幾位、幾十位有效數字,根據需要甚至可達到任意的精度。

    3、存儲容量大

    計算機的存儲器可以存儲大量數據,這使計算機具有了"記憶"功能。目前計算機的存儲容量越來越大,已高達千兆數量級的容量。計算機具有"記憶"功能,是與傳統計算工具的一個重要區別。

    4、具有邏輯判斷功能

    計算機的運算器除了能夠完成基本的算術運算外,還具有進行比較、判斷等邏輯運算的功能。這種能力是計算機處理邏輯推理問題的前提。

    5、自動化程度高,通用性強

    由于計算機的工作方式是將程序和數據先存放在機內,工作時按程序規定的操作,一步一步地自動完成,一般無須人工干預,因而自動化程度高。這一特點是一般計算工具所不具備的。

    計算機通用性的特點表現在幾乎能求解自然科學和社會科學中一切類型的問題,能廣泛地應用各個領域。

    計算機的分類

    計算機可分為模擬計算機和數字計算機兩大類。

    模擬計算機的主要特點是:參與運算的數值由不間斷的連續量表示,其運算過程是連續的,模擬計算機由于受元器件質量影響,其計算精度較低,應用范圍較窄,目前已很少生產

    數字計算機的主要特點是:參與運算的數值用斷續的數字量表示,其運算過程按數字位進行計算,數字計算機由于具有邏輯判斷等功能,是以近似人類大腦的"思維"方式進行工作,所以又被稱為“電腦”。數字計算機按用途又可分為專用計算機和通用計算機。

    專用與通用計算機在其效率、速度、配置、結構復雜程度、造價和適應性等方面是有區別的。

    專用計算機功能單一,針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經濟的特性,但它的適應性較差,不適于其它方面的應用。我們在導彈和火箭上使用的計算機很大部分就是專用計算機。這些東西就是再先進,你也不能用它來玩游戲。

    通用計算機功能多樣,適應性很強,應用面很廣,但其運行效率、速度和經濟性依據不同的應用對象會受到不同程度的影響。

    通用計算機按其規模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及單片機。這些類型之間的基本區別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統和設備、軟件配置等的不同。

    一般來說, 巨型計算機的運算速度很高,可達每秒執行幾億條指令,數據存儲容量很大,規模大結構復雜,價格昂貴,主要用于大型科學計算。它也是衡量一國科學實力的重要標志之一。單片計算機則只由一片集成電路制成,其體積小,重量輕,結構十分簡單,性能介于巨型機和單片機之間的就是大型機、中型機、小型機和微型機。它們的性能指標和結構規模則相應的依次遞減。

    計算機的用途

    計算機用途廣泛,歸納起來有以下幾個方面:

    1、數值計算

    數值計算即科學計算。數值計算是指應用計算機處理科學研究和工程技術中所遇到的數學計算。應用計算機進行科學計算,如衛星運行軌跡,水壩應力,氣象預報,油田布局,潮汐規律等等,可為問題求解帶來質的進展,使往往需要幾百名專家幾周、幾月甚至幾年才能完成的計算,只要幾分鐘就可得到正確結果。

    2、信息處理

    信息處理是對原始數據進行收集、整理、分類、選擇、存儲、制表、檢索、輸出等的加工過程。信息處理是計算機應用的一個重要方面,涉及的范圍和內容十分廣泛。如自動閱卷、圖書檢索、財務管理生產管理醫療診斷、編輯排版、情報分析等等。

    3、實時控制

    實時控制是指及時搜集檢測數據,按最佳值對事物進程的調節控制,如工業生產的自動控制。利用計算機進行實時控制,既可提高自動化水平,保證產質量,也可降低成本,減輕勞動強度。

    4、輔助設計

    計算機輔助設計為設計工作自動化提供了廣闊的前景,受到了普遍的重視。利用計算機的制圖功能,實現各種工程的設計工作,稱為計算機輔助設計。即CAD。如橋梁設計、船舶設計、飛機設計、集成電路設計、計算機設計、服裝設計等等。當前,人們已經把計算機輔助設計、輔助制造(CAM)和輔助測試(CAT)聯系在一起,組成了設計、制造、測試的集成系統,形成了高度自動化的“無人”生產系統。

    5、智能模擬

    智能模擬亦稱人工智能。利用計算機模擬人類智力活動,以替代人類部分腦力勞動,這是一個很有發展前途的學科方向。第五代計算機的開發,將成為智能模擬研究成果的集中體現;具有一定“學習、推理和聯想”能力的機器人的不斷出現,正是智能模擬研究工作取得進展的標志。智能計算機作為人類智能的輔助工具,將被越來越多地用到人類社會的各個領域。

    計算機的發展史

    1.第一階段 電子管計算機(1946~1957年)

    主要特點是:

    (1)采用電子管作為基本邏輯部件,體積大,耗電量大,壽命短,可靠性大, 成本高。

    (2)采用電子射線管作為存儲部件,容量很小, 后來外存儲器使用了磁鼓存儲信息,擴充了容量。

    (3)輸入輸出裝置落后,主要使用穿孔卡片,速度慢,容易出去使用十分不便。 (4)沒有系統軟件,只能用機器語言和匯編語言編程。

    2.第二階段 晶體管計算機 (1958~1964年)

    主要特點是:

    (1)采用晶體管制作基本邏輯部件,體積減小,重量減輕,能耗降低,成本下降,計算機的可靠性和運算速度均得到提高。

    (2)普遍采用磁芯作為貯存器,采用磁盤/磁鼓作為外存儲器。

    (3)開始有了系統軟件(監控程序),提出了操作系統概念,出現了高級語言。

    3.第三階段 集成電路計算機 (1965~1969年)

    主要特點是:

    (1)采用中,小規模集成電路制作各種邏輯部件,從而使計算機體積小,重量更輕,耗電更省,壽命更長,成本更低,運算速度有了更大的提高。

    (2)采用半導體存儲器作為主存,取代了原來的磁芯存儲器,使存儲器容量的存取速度有了大幅度的 提高,增加了系統的處理能力。

    (3)系統軟件有了很大發展, 出現了分時操作系統, 多用戶可以共享計算機軟硬件資源

    (4)在程序設計方面上采用了結構化程序設計,為研制更加復雜的軟件提供了技術上的保證。

    4.第四階段 大規模、超大規模集成電路計算機 (1970年至今)

    主要特點是:

    (1)基本邏輯部件采用大規模,超大規模集成電路,使計算機體積,重量,成本均大幅度降低,出現了微型機。

    (2)作為主存的半導體存儲器,其集成度越來越高,容量越來越大;外存儲器除廣泛使用軟,硬磁盤外,還引進了光盤。

    (3)各種使用方便的輸入輸出設備相繼出現。

    (4)軟件產業高度發達,各種實用軟件層出不窮,極大地方便了戶。

    (5)計算機技術與通信技術相結合,計算機網絡把世界緊密地聯系在一起。

    (6)多媒體技術崛起,計算機集圖象,圖形,聲音,文字,處理與一體,在信息處理領域掀起了一場革命,與之對應的信息高速公路正在緊鑼密鼓地籌劃實施當中。

    從20世紀80年代開始,日本,美國,歐洲等發達國家都宣布開始新一代計算機的研究。普遍認為新一代計算機應該是智能型的,它能模擬日的智能行為,理解人類自然語言,并繼續向著微型化,網絡化發展。

    計算機系統的組成

    從嚴格意義上說,計算機應包括硬件系統和軟件系統,兩者缺一不可。硬件系統是計算機應用的基礎,它包括了各種設備;而軟件系統就是我們平常所說的程序,是一組有序的計算機指令,這些指令用來指揮計算機硬件系統進行工作。硬件系統往往是固定不變的,而計算機千變萬化的功能則是通過軟件實現。

    現在,計算機已發展成由巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機組成的一個龐大的計算機家族,其中每個成員盡管在規模、性能、結構和應用等方面存在著很大差別,但是它們的基本組成結構是相同的。計算機的硬件系統由中央處理器(由運算器和控制器等組成)、內存儲器、外存儲器和輸入/輸出設備組成。而計算機的軟件系統分為兩大類,即計算機系統軟件和應用軟件。計算機系統的組成如下圖所示。

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