1 1 1 計算機的誕生

計算機

計算機（computer）俗稱電腦，是現代一種用於高速計算的電子計算機器，可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有儲存記憶功能。是能夠按照程式執行，自動、高速處理海量資料的現代化智慧型電子裝置。

計算工具的演化經歷了由簡單到複雜、從低階到高階的不同階段，例如從「結繩記事」中的繩結到算籌、算盤計算尺、機械計算機等。它們在不同的歷史時期發揮了各自的歷史作用，同時也啟發了現代電子計算機的研製思想。

2023年，美國科學家赫爾曼·何樂禮研製出以電力為基礎的電動製表機，用以儲存計算資料。

2023年，美國科學家範內瓦·布希造出世界上首颱模擬電子計算機。

2023年2月14日，由美**方定製的世界上第一台電子計算機「電子數字積分計算機」（eniac electronic numerical and calculator）在美國賓夕法尼亞大學問世了。eniac（中文名：埃尼阿克）是美國奧伯丁**試驗場為了滿足計算彈道需要而研製成的，這台計算器使用了17840支電子管，大小為80英呎×8英呎，重達28t（噸），功耗為170kw，其運算速度為每秒5000次的加法運算，造價約為487000美元。eniac的問世具有劃時代的意義，表明電子計算機時代的到來。在以後60多年裡，計算機技術以驚人的速度發展，沒有任何一門技術的效能**比能在30年內增長6個數量級。

硬體方面，邏輯元件採用的是真空電子管，主儲存器採用汞延遲線、陰極射線示波管靜電儲存器、磁鼓、磁芯；外儲存器採用的是磁帶。軟體方面採用的是機器語言、組合語言。應用領域以軍事和科學計算為主。

特點是體積大、功耗高、可靠性差。速度慢（一般為每秒數千次至數萬次）、**昂貴，但為以後的計算機發展奠定了基礎。

硬體方的作業系統、高階語言及其編譯程式。應用領域以科學計算和事務處理為主，並開始進入工業控制領域。特點是體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運算速度提高（一般為每秒數10萬次，可高達300萬次）、效能比第1代計算機有很大的提高。

硬體方面，邏輯元件採用中、小規模積體電路（msi、ssi），主儲存器仍採用磁芯。軟體方面出現了分時作業系統以及結構化、規模化程式設計方法。特點是速度更快（一般為每秒數百萬次至數千萬次），而且可靠性有了顯著提高，**進一步下降，產品走向了通用化、系列化和標準化等。應用領域開始進入文書處理和圖形影象處理領域。

硬體方面，邏輯元件採用大規模和超大規模積體電路（lsi和vlsi）。軟體方面出現了資料庫管理系統、網路管理系統和物件導向語言等。特點是2023年世界上第一台微處理器在美國矽谷誕生，開創了微型計算機的新時代。應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步走向家庭。

由於整合技術的發展，半導體晶元的整合度更高，每塊晶元可容納數萬乃至數百萬個電晶體，並且可以把運算器和控制器都集中在乙個晶元上、從而出現了微處理器，並且可以用微處理器和大規模、超大規模積體電路組裝成微型計算機，就是我們常說的微電腦或pc機。微型計算機體積小，**便宜，使用方便，但它的功能和運算速度已經達到甚至超過了過去的大型計算機。另一方面，利用大規模、超大規模積體電路製造的各種邏輯晶元，已經製成了體積並不很大，但運算速度可達一億甚至幾十億次的巨型計算機。我國繼2023年研製成功每秒運算一億次的銀河ⅰ這型巨型機以後，又於2023年研製成功每秒運算十億次的銀河ⅱ型通用並行巨型計算機。這一時期還產生了新一代的程式語言以及資料庫管理系統和網路軟體等。

隨著物理元、器件的變化，不僅計算機主機經歷了更新換代，它的外部裝置也在不斷地變革。比如外儲存器，由最初的陰極射線顯示管發展到磁芯、磁鼓，以後又發展為通用的磁碟，現又出現了體積更小、容量更大、速度更快的唯讀光碟（cd—rom）。

計算機是由硬體系統（hardware system）和軟體系統（software system）兩部分組成的。

為什麼會產生積體電路？我們知道任何發明創造背後都是有驅動力的，而驅動力往往**於問題。那麼積體電路產生之前的問題是什麼呢？我們看一下2023年在美國誕生的世界上第一台電子計算機，它是乙個占地150平方公尺、重達30噸的龐然大物，裡面的電路使用了17468只電子管、7200只電阻、10000只電容、50萬條線，耗電量150千瓦[1] 。顯然，占用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題；如果能把這些電子元件和連線整合在一小塊載體上該有多好！我們相信，有很多人思考過這個問題，也提出過各種想法。典型的如英國雷達研究所的科學家達默，他在2023年的一次會議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中製作在一塊半導體晶元上，一小塊晶元就是乙個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高。這就是初期積體電路的構想，電晶體的發明使這種想法成為了可能，2023年在美國貝爾實驗室製造出來了第乙個電晶體，而在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。電晶體具有電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，因此在電晶體發明後，很快就出現了基於半導體的積體電路的構想，也就很快發明出來了積體電路。傑克·基爾比（jack kilby）和羅伯特·諾伊斯（robert noyce）在1958~1959期間分別發明了鍺積體電路和矽積體電路[2-3]

數位電路或數字積體電路是由許多的邏輯門組成的複雜電路。與模擬電路相比，它主要進行數碼訊號的處理（即訊號以0與1兩個狀態表示），因此抗干擾能力較強。數字積體電路有各種閘電路、觸發器以及由它們構成的各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。乙個數字系統一般由控制部件和運算部件組成，在時脈的驅動下，控制部件控制運算部件完成所要執行的動作。通過模擬數字轉換器、數字模擬轉換器，數位電路可以和模擬電路互相連線。

**處理器（cpu）是一塊超大規模的積體電路，是一台計算機的運算核心（core）和控制核心（ control unit）。**處理器主要包括運算器（算術邏輯運算單元）和高速緩衝儲存器（cache）及實現它們之間聯絡的資料（data）、控制及狀態的匯流排（bus）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟體中的資料。

**處理器與內部儲存器（memory）和輸入/輸出（i/o）裝置合稱為電子計算機三大核心部件。

後續引導 …

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