计算机

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  计算机(computer),能自动地、以存储程序的方式进行算术和逻辑运算的机器。广义上指能自动地处理信息的机器。

  语言和文字是人类所特有的用来表达思想和交流信息的工具,当人类企图用定量的方式来表达思想时,就必然对计算的方法和工具提出需求。原始社会,人类是用结绳和垒石的方法来计数的。公元10世纪,中国人民在早期的算筹和珠盘的基础上发明了算盘和相应的口诀,这就是最初用于计算的“硬件”和“软件”,是人类在计算工具的发展史上的第一项重大发明。这种易学好用、轻便灵巧的计算工具在广泛的应用中日趋成熟,并传到日本、朝鲜和东南亚等地区。从中国古代的算盘到现代计算机的问世经历了一个漫长的阶段,即由算盘到机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机。1642年,法国数学家B.帕斯卡用类似钟表的齿轮传动装置,制成了十进制加法器。1822年,英国数学家C.巴贝奇在总结机械式的十进制数计算器原理的基础上又完成了差分机模型的设计,同时他还提出了一个设想:不是一次次地进行某种算术运算,而是能自动地完成某种特定运算的完整过程。1834年,巴贝奇提出了一种用程序控制的通用分析器的设计方案,但由于当时技术条件所限而未能实现。随后,美国人G.斯蒂比斯和H.艾肯发明了机电式的自动计算器。第二次世界大战爆发前后,军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切,例如火炮的弹道计算和密码的破译等,不依靠高速、自动、精确的计算装置,靠手工计算是不能满足计算难度和计算工作量的需求。

  1946年2月15日,世界上第一台数字电子计算机(ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功。最初专门用于火炮弹道计算,多次改进后成为运算速度为每秒5000次的通用电子计算机,它比当时的继电器式计算机的运算速度快1000倍。但这种计算机尚未具备现代计算机的主要特征。

  现代计算机发展中的第一次重大突破是由美籍匈牙利数学家J.von诺依曼领导的设计小组设计完成的。1945年3月,他们发表了存储程序式通用电子计算机方案(EDVAC)。1946年6月,诺依曼等人提出了更为完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。同年7、8月间,他们在莫尔学院为美英等国的专家讲授了《电子计算机设计的理论和技术》,提出存储程序式计算机的设计原理和方法。1949年,英国剑桥大学数学实验室研制成电子离散时序自动计算机(EDSAC)。1950年,美国研制成东部标准自动计算机(SFAC)。至此,电子计算机发展的萌芽时期遂告结束,开始了现代计算机作为一种按程序自动进行信息处理的通用工具的发展时期。在研制数字计算机的同时还研制了另一类重要计算工具,即模拟计算机。

  电子计算机诞生后已经历了4代,即4个发展阶段。

  第一代是从1946年到50年代末,其主要特征是:主机采用电子管器件,主存储器主要采用磁鼓和磁心存储器,应用以科学计算为主,软件技术采用机器语言和符号语言编程,所研制的都是单机系统。

  第二代是从50年代末到60年代中,其主要特征是:主机采用半导体器件,主存储器均为磁心存储器,磁鼓和磁盘用作辅助存储器,应用领域扩大到数据处理,软件采用算法语言(高级语言)编程,开始出现操作系统,计算机开始向系列化方向发展。

  第三代是从60年代中到70年代初,其主要特征是:主机及主存储器均采用集成电路,辅助存储器为硬磁盘、软磁盘和磁带,软件中的操作系统已很完善,软件工程兴起,应用领域随终端设备(包括远程终端)迅速发展而扩大。

  第四代电子计算机的特征是:主机和主存储器均采用大规模和超大规模集成电路,多处理机的体系结构已显示出优势,磁盘、磁卡和光盘成为主要的辅助存储器,计算机系统已向网络化、开放式、分布式发展,计算机硬件系统和软件工程的进展已使各种计算机辅助设计、辅助生产、辅助决策、辅助管理、辅助医疗、辅助教学等系统发挥出巨大的经济效益和社会效益。

  预计在20世纪末、21世纪初,光电器件、超导器件、生物器件将用于计算机,计算机技术将与通信技术更紧密地结合,采用大规模并行处理(MPP)体系结构的计算机将得到更快的发展,人工智能技术将使计算机不仅是处理数据的工具,也是处理知识的助手,人工智能技术和各种多媒体技术及幻真(灵境)技术使计算机和用户之间的距离缩小,在未来的信息社会中将建立起和谐的人-机系统。

分类[编辑 | 编辑源代码]

  计算机按所处理变量的性质可划分为数字计算机和模拟计算机,一般所说的计算机即指数字计算机;按计算机体系结构遵循的基本机理可划分为:诺依曼体系结构计算机和非诺依曼体系结构计算机;按计算机单机系统所具有的规模(指包括功能、体积等在内的综合规模)可划分为:巨型机(见巨型计算机)、大型机、中小型机、工作站、个人计算机(微型机、膝上机、掌上机、单板机)等;按计算机系统间的互联地域范围可划分为:单机系统、计算机局域网、计算机远程网等;按计算机系统的抗恶劣环境程度可划分为:通用计算机、加固(半加固)计算机。

  此外,还可按计算机内的指令流和数据流是单个还是多个来划分计算机的种类,这就是Flynn分类法。按Flynn的建议可把计算机的体系结构分为4类:SISD(单指令、单数据流):串行地执行指令;MISD(多指令、单数据流):在多个处理机中用不同的指令去处理单个数据,这种方案看来是很不实际的;SIMD(单指令、多数据流):以多个处理机同时对不同的数据执行同一种指令操作;MIMD(多指令、多数据流):以多个处理机自治地对不同的数据执行不同的操作。

原理和构成[编辑 | 编辑源代码]

  不论何种计算机,它们都是由硬件和软件所组成。

  硬件 计算机系统中所使用的电子线路和物理设备,是看得见、摸得着的实体,如中央处理器(CPU)、存储器、外部设备(输入输出设备、I/O设备)及总线等。①存储器。主要功能是存放程序和数据,程序是计算机操作的依据,数据是计算机操作的对象。存储器是由存储体、地址译码器、读写控制电路、地址总线和数据总线组成。能由中央处理器直接随机存取指令和数据的存储器称为主存储器,磁盘、磁带、光盘等大容量存储器称为外存储器(或辅助存储器)。由主存储器、外部存储器和相应的软件,组成计算机的存储系统。②中央处理器的主要功能是按存在存储器内的程序,逐条地执行程序所指定的操作。中央处理器的主要组成部分是:数据寄存器、指令寄存器、指令译码器、算术逻辑部件、操作控制器、程序计数器(指令地址计数器)、地址寄存器等。③外部设备是用户与机器之间的桥梁。输入设备的任务是把用户要求计算机处理的数据、字符、文字、图形和程序等各种形式的信息转换为计算机所能接受的编码形式存入到计算机内。输出设备的任务是把计算机的处理结果以用户需要的形式(如屏幕显示、文字打印、图形图表、语言音响等)输出。输入输出接口是外部设备与中央处理器之间的缓冲装置,负责电气性能的匹配和信息格式的转换。

  软件 对能使计算机硬件系统顺利和有效工作的程序集合的总称。程序总是要通过某种物理介质来存储和表示的,它们是磁盘、磁带、程序纸、穿孔卡等,但软件并不是指这些物理介质,而是指那些看不见、摸不着的程序本身。可靠的计算机硬件如同一个人的强壮体魄,有效的软件如同一个人的聪颖思维。

  计算机的软件系统可分为系统软件和应用软件两部分。系统软件是负责对整个计算机系统资源的管理、调度、监视和服务。应用软件是指各个不同领域的用户为各自的需要而开发的各种应用程序。计算机软件系统包括:①操作系统。系统软件的核心,它负责对计算机系统内各种软、硬资源的管理、控制和监视。②数据库管理系统。负责对计算机系统内全部文件、资料和数据的管理和共享。③编译系统。负责把用户用高级语言所编写的源程序编译成机器所能理解和执行的机器语言。④网络系统。负责对计算机系统的网络资源进行组织和管理,使得在多台独立的计算机间能进行相互的资源共享和通信。⑤标准程序库。按标准格式所编写的一些程序的集合,这些标准程序包括求解初等函数、线性方程组、常微分方程、数值积分等计算程序。⑥服务性程序,也称实用程序。为增强计算机系统的服务功能而提供的各种程序,包括对用户程序的装置、连接、编辑、查错、纠错、诊断等功能。为了使计算机能算得快和准、记得多和牢,数十年来,对提高单机中的中央处理器的处理速度和精度,对提高存储器的存取速度和容量作了许多改进,如:增加运算器的基本字长和提高运算器的精度;增加新的数据类型,或对数据进行自定义,使数据带有标志符,用以区别指令和数,及说明数据类型;在CPU内增设通用寄存器、采用变址寄存器、增加间接寻址功能和增设高速缓冲存储器和采用堆栈技术;采用存储器交叉存取技术及虚拟存储器技术;采用指令流水线和运算流水线;采用多个功能部件和增设协处理器等。

  充分发掘了单个处理器的潜力后,人们转向发展并行处理技术。开始时(1952年)是在运算器中设计了并行的算术运算逻辑,继而开始采用多功能部件,即在中央处理器中设立相互独立、而又可能同时工作的功能部件。经过30年的发展,用单处理器构成的计算机系统,性能已达到相当高的水平,向量巨型计算机就是这时期的技术的结晶。

意义[编辑 | 编辑源代码]

  自第一代计算机诞生,计算机技术和工业一直处于高速发展的阶段。计算机科学已成为一门发展快、渗透性强、影响深远的学科,计算机产业已在世界范围内发展成为具有战略意义的产业。计算机科学和计算机产业的发达程度已成为衡量一个国家的综合国力强弱的重要指标。