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電腦的由來

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電腦的由來. 班級 : 化材一乙 學號 :4A240080 學生 : 鄭詠達. 電腦的歷史. 本來,電腦的英文原詞「computer」是指從事資料計算的人。而他們往往都需要藉助某些機械計算裝置或模擬電腦。 這些早期計算裝置的祖先包括有 算盤 ,以及可以追溯到公元前87年的被古希臘人用於計算行 行星 移動的 安提基特拉機械 。隨著中世 紀 中 末期歐洲數學與工程學的再次繁榮,1623年德國博學家Wilhelm Schickard率先研製出了歐洲第一部計算裝置,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。.

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電腦的由來

班級:化材一乙

學號:4A240080

學生:鄭詠達

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電腦的歷史

本來,電腦的英文原詞「computer」是指從事資料計算的人。而他們往往都需要藉助某些機械計算裝置或模擬電腦。 這些早期計算裝置的祖先包括有算盤,以及可以追溯到公元前87年的被古希臘人用於計算行行星移動的安提基特拉機械。隨著中世紀中末期歐洲數學與工程學的再次繁榮,1623年德國博學家Wilhelm Schickard率先研製出了歐洲第一部計算裝置,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。

ENIAC是電腦發展史上的一個里程碑

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1642年法國數學家布萊士·帕斯卡在英國數學家William Oughtred所製作的「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,法國人約瑟夫·瑪麗·雅卡爾對織布機的設計進行改進,使用一系列打孔的紙卡片來作為編織複雜圖案的程式。儘管這種被稱作「雅卡爾織布機」的機器並不被認為是一部真正的電腦,但是其可編程性質使之被視為現代電腦發展過程中重要的一步。
  • 查爾斯·巴貝奇於1820年構想和設計了第一部完全可編程電腦。但由於技術條件、經費限制, 以及無法忍耐對設計不停的修補,這部電腦在他有生之年始終未能問世。約到19世紀晚期,許多後來被證明對電腦科學有著重大意義的技術相繼出現,包括打孔卡片以及真空管。德裔美籍統計學家赫爾曼·何樂禮設計了一部製表用的機器,其中便應用打孔卡片來進行大規模自動資料處理。
  • 在20世紀前半葉,為了迎合科學計算的需要,許多專門用途的、複雜度不斷增長的模擬電腦被研製出來。這些電腦都是用它們所針對的特定問題的機械或電子模型作為計算基礎。20世紀三四十年代,電腦的效能逐漸強大並且通用性得到提升,現代電腦的關鍵特色被不斷地加入進來。
  • 1937年,年僅21歲的麻省理工學院研究生克勞德·香農發表了他的偉大論文《對繼電器和開關電路中的符號分析》,文中首次提及數位電子技術的應用。他向人們展示了如何使用開關來實作邏輯和數學運算。此後,他透過研究萬尼瓦爾·布希的微分模擬器進一步鞏固了他的想法。這是一個標誌著二進制電子電路設計和邏輯閘應用開始的重要時刻,而作為這些關鍵思想誕生的先驅,應當包括:Almon Strowger,他為一個含有邏輯閘電路的裝置申請了專利;尼古拉·特斯拉,他早在1898年就曾申請含有邏輯閘的電路裝置;Lee De Forest,於1907年他用真空管代替了繼電器。
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沿著這樣一條上下求索的漫漫長途去定義所謂的「第一部電子電腦」可謂相當困難。1941年5月12日,德國工程師Konrad Zuse完成了他的圖靈完全機電一體電腦「Z3」,這是第一部具有自動二進制數學計算特色以及可行的編程功能的電腦,但還不是「電子」電腦。此外,其他值得注意的成就主要有:
  • 1941年夏天誕生的阿塔納索夫-貝瑞電腦是世界上第一部電子電腦,它使用了真空管計算機,二進制數值,可復用記憶體;在英國於1943年被展示的神秘的巨像電腦(Colossus computer),儘管編程能力極其有限,但是它使人們確信使用真空管既值得信賴,又能實作電力化的再編程;哈佛大學的馬克一號;以及基於二進制的ENIAC,全名為電子數值積分計算器,這是第一部通用意圖的電腦,但由於其結構設計不夠彈性化,導致對它的每一次再編程都要重新連線電力線路。
  • 20世紀40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通過該計算機將飛行員模擬操作產生的資料實時反映到儀表盤上。和以前的訓練系統林克訓練機不同,軍方計劃系統能儘可能真實地根據空氣動力學模型進行模擬,以使其能適用於各種不同型別的飛機。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實時處理資料的旋風電腦,併發明了磁芯存儲器。這為個人電腦的發展做出了歷史性的貢獻。
  • 開發埃尼阿克的小組針對其缺陷又進一步完善了設計,並最終呈現出今天我們所熟知的馮·紐曼結構(程式儲存體系結構)。這個體系是當今所有電腦的基礎。 20世紀40年代中晚期,大批基於此一體系的電腦開始被研製,其中以英國最早。儘管第一部研製完成並投入運轉的是小規模實驗機(Small-Scale Experimental Machine,SSEM),但真正被開發出來的實用機很可能是EDSAC。

Commodore公司在1980年代生產的Amiga 500電腦

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在整個20世紀50年代,真空管電腦居於統治地位。1958年9月12日在後來英特爾的創始人、Robert Noyce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被稱為第二代計算機。
  • 到了60年代,電晶體電腦將其取而代之。電晶體體積更小,速度更快,價格更加低廉,效能更加可靠,這使得它們可以被商品化生產。 1964年到1972年的計算機一般被稱為第三代計算機。大量使用積體電路,典型的機型是IBM360系列。
  • 到了70年代,積體電路技術的引入極大地降低了電腦生產成本,電腦也從此開始走向千家萬戶。1972年以後的計算機習慣上被稱為第四代計算機。基於大規模積體電路,及後來的超大規模積體電路。1972年4月1日,INTEL推出8008微處理器。1976年,史蒂夫·賈伯斯和斯蒂夫·沃茲尼亞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80286發佈。時鐘〣頻率提高到20MHz,並增加了保護模式,可訪問640KB內存。 支援1MB以上的虛擬內存。每秒執行270萬條指令,整合了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),有光驅,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,整合了550萬個電晶體。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年發表的摩爾定律不斷被應證,預測在未來十—十五年仍依然適用。
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原理
  • 儘管電腦技術自20世紀40年代第一部電子通用電腦誕生以來以來有了令人目眩的飛速發展,但是今天電腦仍然基本上採用的是儲存程式結構,即馮·紐曼結構。這個結構實作了實用化的通用電腦。
  • 儲存程式結構間將一部電腦描述成四個主要部分:算術邏輯單元、控制電路、記憶體及輸入輸出裝置。這些部件透過一組一組的排線連線(特別地,當一組線被用於多種不同意圖的資料傳輸時又被稱為匯流排),並且由一個時鐘來驅動(當然某些其他事件也可能驅動控制電路)。
  • 概念上講,一部電腦的記憶體可以被視為一組「細胞」單元。每一個「細胞」都有一個編號,稱為位址;又都可以儲存一個較小的定長訊息。這個訊息既可以是指令(告訴電腦去做什麼),也可以是資料(指令的處理物件)。原則上,每一個「細胞」都是可以儲存二者之任一的。
  • 算術邏輯單元(ALU)可以被稱作電腦的大腦。它可以做兩類運算: 第一類是算術運算,比如對兩個數位進行加減法。算術運算部件的功能在ALU中是十分有限的,事實上, 一些ALU根本不支援電路級的乘法和除法運算(由是使用者只能透過編程進行乘除法運算)。第二類是比較運算,即給定兩個數, ALU對其進行比較以確定哪個更大一些。[
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輸入輸出系統是電腦從外部世界接收訊息和向外部世界反饋運算結果的手段。對於一部標準的個人電腦,輸入裝置主要有鍵盤和滑鼠,輸出裝置則是顯示器、印表機以及其他許多後文將要討論的可連線到電腦上的I/O裝置。
  • 控制系統將以上電腦各部分聯繫起來。它的功能是從記憶體和輸入輸出裝置中讀取指令和資料,對指令進行解碼, 並向ALU交付符合指令要求的正確輸入,告知ALU對這些資料做哪些運算並將結果資料返回到何處。控制系統中一個重要元件就是一個用來保持跟蹤當前指令所在位址的計數器。 通常這個計數器隨著指令的執行而累加,但有時如果指令指示進行跳轉則不依此規則。
  • 20世紀80年代以來ALU和控制單元(二者合稱中央處理器)逐漸被整合到一塊積體電路上,稱作微處理器。 這類電腦的工作模式十分直觀:在一個時鐘周期內,電腦先從記憶體中獲取指令和資料,然後執行指令,儲存資料,再獲取下一條指令。這個過程被反覆執行,直至得到一個終止指令。
  • 由控制器解釋,運算器執行的指令集是一個精心定義的數目十分有限的簡單指令集合。一般可以分為四類:1)、資料移動 (如:將一個數值從儲存單元A拷貝到儲存單元B)2)、數邏運算(如:計算儲存單元A與儲存單元B之和,結果返回儲存單元C)3)、 條件驗證(如:如果儲存單元A內數值為100,則下一條指令位址為儲存單元F)4)、指令序列改易(如:下一條指令位址為儲存單元F)
  • 指令如同資料一樣在電腦內部是以二進制來表示的。比如說,10110000就是一條Intel x86系列微處理器的拷貝指令代碼。 某一個電腦所支援的指令集就是該電腦的機器語言。因此,使用流行的機器語言將會使既成軟體在一部新電腦上執行得更加容易。所以對於那些機型商業化軟體開發的人來說,它們通常只會關注一種或幾種不同的機器語言。
  • 更加強大的小型電腦,大型電腦和伺服器可能會與上述電腦有所不同。它們通常將任務分擔給不同的CPU來執行。今天, 微處理器和多核個人電腦也在朝這個方向發展。[2]
  • 超級電腦通常有著與基本的儲存程式電腦顯著區別的體系結構。它們通常有著數以千計的CPU, 不過這些設計似乎只對特定任務有用。在各種電腦中,還有一些微控制器採用令程式和資料分離的哈佛架構(Harvard architecture)。
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未來
  • 自問世以來數位電腦在速度和能力上有了可觀的提升,迄今仍有不少課題顯得超出了當前電腦的能力所及。 對於其中一部分課題,傳統電腦是無論如何也不可能實作的,因為找到一個解決方法的時間還趕不上問題規模的擴充功能速度。因此,科學家開始將目光轉向生物計算技術和量子理論來解決這一類問題。比如,人們計劃用生物性的處理來解決特定問題(DNA計算)。由於細胞分裂的指數級增長方式,DNA計算系統很有可能具備解決同等規模問題的能力。當然,這樣一個系統直接受限於可控制的DNA總量。任重道遠。
  • 量子電腦,顧名思義,利用了量子物理世界的超常特性。一旦能夠造出量子電腦,那麼它在速度上的提升將令一般電腦難以望其項背。當然,這種涉及密碼學和量子物理模擬的下一代電腦還只是停留在構想階段。
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