电子计算机:概念,硬件,软件,分类,发展

电子计算机：概念，硬件，软件，分类，发展

吴国发

（2020年7月8日）

内容提要：这是一篇关于电子计算机知识的科普性文章。本文简明扼要地、系统地介绍了电子计算机的基本知识，包括计算机的基本概念，计算机系统的组成，计算机硬件，计算机软件，计算机分类，计算机的特点，计算机的发展世代，等等。

关键词：计算机 硬件 软件 芯片 CPU 操作系统

一，电子计算机的基本概念

在电子计算机发明之前，人类已经发明了机械计算机。

1939年10月，世界上第一台电子计算机ABC（Atanasoff- Berry-Computer）诞生了；其发明者是美国爱阿华大学的教授约翰.文森特.阿塔那索夫（John Vincent Atanasoff）。约翰.阿塔那索夫被称为电子计算机之父。详见参考文献[1]、[2]。这是电子计算机发展史上的第一个里程碑。

1971年11月，英特尔公司推出了世界上第一个微处理器4004。这是4位字长处理芯片。从此，产生了微型计算机。这是电子计算机发展史上的第二个里程碑。

电子计算机（Electronic Computer），简称计算机（Computer），是一种高度自动化的、能够按照预先设定的程序进行高速数值运算和逻辑判断的现代化智能电子设备；其内部被传送、存储和运算的信息都是以电信号形式表示的2进制数字。这就是电子计算机的定义。

电子计算机包括电子数字计算机和电子模拟计算机。模拟计算机基本上被淘汰了。现在所说的电子计算机都是指电子数字计算机。

电子计算机科学技术使用的数制是2进制，只有0和1两个数字，分别代表负电和正电。按照数字电路常用的说法，0代表低电平，1代表高电平。

使用二进制，1+1 ≠ 2，而是1+1 = 11。

电子计算机系统由硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统所组成。

计算机硬件系统由中央处理器、辅助存储器和其它外部设备组成。

计算机软件系统包括系统软件、支撑软件、基础软件和应用软件。

没有安装任何软件的计算机称为裸机。

下面是计算机系统的组成图：

二，电子计算机的硬件系统

计算机硬件系统即计算机的机器系统，是构成电子计算机的所有电子器件、机械设备的总称。

典型的计算机硬件系统由中央处理器（由控制器、运算器和主存储器组成）、辅助存储器和其它外部设备组成。

中央处理器是计算机硬件系统的核心，是对信息进行高速运算处理的主要部件。当今的高档微型计算机的中央处理器的信息处理速度可达每秒1亿次以上。

存储器用于存储程序、数据和文件。存储器包括快速内存储器（主存储器）和慢速外存储器（辅助存储器）。内存储器的容量可达数百万字节，甚至百亿字节，即达到16G字节。慢速海量外存储器的容量可达数万亿字节，即达到1000G字节。

输入输出外部设备是人机间的信息转换器，由输入-输出控制系统管理外部设备与中央处理器之间的信息交换。

微处理器是由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。微型计算机是使用微处理器作为CPU的计算机。

微型机中央处理单元（CPU）由控制器（CU）、运算器（ALU）和主存储器组成。CPU电路都集成在一个芯片内。CPU是计算机硬件系统的核心。

微型计算机的存储器包括主存储器和辅助存储器。主存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。现在的辅助存储器（外存储器）有光盘、U盘等。

计算机输入/输出（I/O）设备、辅助存储器和其它外部设备合称为计算机外部设备。计算机输入设备包括键盘、鼠标等。计算机输出设备包括打字机、扫描仪、辅助存储器等。外部设备还有充电器、网络线等。

微型计算机除了硬件、软件以外，还有“固件（Firmware）”。把微型机启动、运行时经常被调用并且不需要改动的程序存储在只读存储器（ROM）芯片中，即把软件固化在硬件（ROM）中，这就成为固件。

下图是典型的微型机。左边是主机。右边是显示屏、键盘和鼠标。

三，电子计算机的软件系统

计算机仅有硬件还不能工作，还必须有一套程序，启动硬件核心工作，确定信息处理的规则和次序，接受、处理存储的信息，输出处理结果。这些计算机的程序就是计算机软件的主体。

计算机软件系统是计算机的程序、相应的数据和文档的集合。计算机软件系统包括系统软件、支撑软件、基础软件和应用软件。

系统软件由操作系统、实用程序、编译程序等组成。

操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统软件的核心。操作系统实施对各种硬件、软件资源的管理和控制。如果把一个计算机系统比喻为一个国家的军队，那么，操作系统是军队的总司令和总后勤部长。

常用的计算机操作系统有Windows（微软公司），UNIX，Linux，Netware（加拿大Novell公司），MacOS（苹果公司），等等。

为方便计算机用户，系统提供基本的实用程序，如系统管理工具、文本编辑、设备管理器、文件资源管理器、网络和共享中心，等等。在Windows系统，这些实用程序多数放在“控制面板”中。

编译程序的功能是把用户用汇编语言或某种高级程序设计语言所编写的程序，翻译成机器可执行的机器语言程序。

支撑软件有接口软件、工具软件、环境数据库等。它能支持计算机的使用环境，提供软件研制的工具。支撑软件也可认为是系统软件的一部分。

基础软件是开发计算机各种应用软件所必需的软件，包括程序设计语言、数据库管理系统、工具软件等。

应用软件是用户按其需要自行编写的各种专用程序。应用软件借助于系统软件和支援软件来运行，是计算机软件系统的最外层。

要编写计算机程序，必须有程序设计语言。程序设计语言包括机器语言（由2进制数字组成）、汇编语言、高级程序设计语言。使用广泛的高级程序设计语言包括FORTRAN，BASIC，COBOL，C，C++，Java，Python，等等。

数据库管理系统（DBMS）用于存储、管理、处理计算机数据。常用的数据库管理系统有甲骨文公司的Oracle，微软公司的SQL Server（多用户）和Access（单用户），IBM公司的DB2和Informix，dBase，Sybase，等等。

工具软件有很多种，包括：办公软件Microsoft Office，WPS Office（金山软件公司）；集成开发工具Oracle Developer Studio，Visio Basic，PowerBuilder，Delphi；绘图工具Adobe Photoshop，CorelDRAW；网站设计工具Dreamweaver，FrontPage；数学计算工具SAS，MATLAB；自动工程图纸设计工具AutoCAD；零部件自动制造工具SmartCAM；集成电路设计工具Cadence；等等。这些工具软件都是美国的企业研制的。

计算机应用软件遍布各行各业，其中被普遍应用的软件之一是管理信息系统（Management Information System, MIS）。世界大型企业使用最广的管理系统是SAP，这是德国的企业研制的。

四，电子计算机的分类

计算机又称电脑。但是，广义的电脑包括电子计算机和当今智能设备（手机、医疗仪器设备、家用电器等）的核心装置。

电子计算机的分类有多种方式方法。

（一）按照计算机处理的数据分类

按照计算机处理的数据类型，早期的电子计算机分为数字计算机和模拟计算机两大类。

我们现在所说的计算机均指数字计算机。它运算处理的数据是用离散数字量表示的。模拟计算机运算处理的数据是用连续模拟量表示的。模拟机和数字机相比较，速度快，但精度低，稳定性和可靠性差。因此，除了个别专业领域，模拟计算机已经被淘汰了。

（二）按照计算机的用途分类

电子计算机按照用途，可分为通用计算机和专用计算机。

通用计算机包括个人计算机(PC)即微型机、大型计算机、超级计算机等。

专用计算机包括网络服务器，工业控制计算机，军用计算机，嵌入式计算机，等等。飞机、汽车、机器人等智能设备中都有嵌入式计算机。无人驾驶飞机是由计算机控制的。

（三）按照计算机的规模分类

电子计算机按规模可分为单板机，微型机，小型机，中型机，大型机，巨型机（超级计算机）。

广义的微型机包括单片机（主要用于控制系统）和单板机（包括掌上电脑、平板电脑等）。功能齐全的单板机就是通常的微型计算机。

微型计算机包括个人计算机（PC）、笔记本电脑等。

智能手机实际上是一种没有外部设备的微型机。人们现在使用的4G（第4代）和5G（第5代）手机都是智能手机。

（四）按照对数据进行处理的方式分类

按照对数据进行处理的方式，计算机分为流水线处理机与并行处理机。

流水线处理机：对于一组数据，流水线处理机针对单指令单数据流，用用流水线方式加工处理处理数据。它的数据加工速率高。

并行处理机：对于一组数据，并行处理机是针对单指令多数据流，利用并行原理，重复设置多个处理部件，同时并行处理数据。它它的数据处理速度高。

流水和并行技术还可结合，如重复设置多个流水部件，并行工作，以获得更高性能。

（五）多台计算机组成的系统的分类

对于多台计算机组成的系统，可分成三种：多机系统，分布式系统，计算机网络。

多机系统：由多个处理机组成的多机系统是多指令流多数据流系统，各机处理各自的指令流，相互通信，联合解决大型问题。多机系统是大型机、巨型机发展的方向。

分布式系统：分布式系统是多机系统的发展。分布式系统是由物理上分布的多个独立而又相互联系的单机，协同解决用户问题的系统，其操作系统更为复杂。

计算机网络：多个地理上分布的计算机系统，通过通信线路和网络协议，相互联络起来，构成计算机网络。计算机网络的中心计算机叫服务器，其它计算机叫终端。

它按地理上分布的远近，分为局部（本地）计算机网络（局域网）和远程广域计算机网络（广域网）。

计算机网络上的终端互共服务器的软件、硬件和数据等资源；而网络中的各终端计算机还可相互共享软硬件资源和信息资源。

五，当代的五种计算机简介

当代的计算机可分为五种：桌面计算机（微型计算机），网络服务器，超级计算机，工业控制计算机，嵌入式计算机/嵌入式电脑。

（一）桌面计算机（微型计算机）

通常所说的微型计算机就是桌面计算机。微型机通常放在桌面上，由此得名“桌面计算机”。

通用桌面计算机可以分成三种：个人计算机(Personal Computer, PC)，网络工作站(Workstation)，笔记本电脑（Notebook Computer）。

网络工作站是网络系统的用户终端。各个终端共享网络服务器的软件（程序设计语言、数据库管理系统等）、硬件资源（打字机、扫描仪等）和数据。

个人计算机(PC)和笔记本电脑只提供单用户服务。

个人计算机(PC)的主机与输入设备键盘是分开的。

对于笔记本电脑，主机中的部件全部装入了键盘的底部。

下图是标准的笔记本电脑，其鼠标与主机是无线联接的。

（二）网络服务器

每一个计算机网络都有一个中心计算机，与网络中的各个计算机（终端）联接。这个中心计算机称为网络服务器。

中小型计算机网络的服务器是微型计算机。大型计算机网络的服务器是大中型计算机或超级计算机。

网络服务器的常用操作系统包括Windows Server，UNIX，Linux，Netware，等等。

网络服务器向网络的用户提供接入服务、网络安全服务等。网络用户共享服务器的硬件、软件和数据。

（三）超级计算机

超级计算机（Super Computer），是指运算速度和存储容量都大大超过大、中、小、微型计算机的计算机。就超级计算机和普通计算机的组成而言，构成组件基本相同。

超级计算机主要特点包含两个方面：极大的数据存储容量，极高的运算、处理速度。

1983年，国防科技大学研制成功每秒运算1亿次的银河Ⅰ巨型计算机，与美国的差距是7年。2010年11月，国防科技大学研制“天河一号A”在第36届世界超级计算机TOP 500排行榜上，名列第一。

下图是巨型机天河一号A：

2016年，位于江苏省无锡市的江南计算技术研究所研制的超级巨型计算机“神威•太湖之光”峰值性能为12.5亿亿次/秒，运算速度世界第一。

（四）工业控制计算机

所谓工业控制计算机，简称工业计算机（Industrial Compute），就是在工业控制中使用的计算机。工业控制计算机基本上都是单板机。

一个典型的工业控制计算机的运行过程是：通过标准的串行口（RS232/485等串口）获得外部的数据，通过计算机内部的微处理器进行处理，最后通过显示屏或者通过串行口输出结果。

工业控制计算机可以拥有多个串行口，其CPU是专用的工业控制的CPU，可以没有显示屏。

工业控制计算机的软件系统比较单一，用于实现一个特定的功能。

（五）嵌入式电脑

嵌入式系统的Computer，我们称为嵌入式电脑（Embedded Computer）。

嵌入式系统电脑是以应用为中心，以计算机技术为基础，能够根据用户需求（功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等）灵活裁剪软件硬件模块的专用电脑。

嵌入式电脑系统由硬件和软件组成。嵌入式系统的软件包括操作系统、中间件和应用程序。嵌入式系统的硬件包括信号处理器、存储器、通信模块（输入输出接口）等。

嵌入式系统广泛地应用在生活、生产的各个方面，从便携式设备到大型固定设施，如手机、平板电脑、数码相机、家用电器、医疗设备、交通灯、航空电子设备和工厂控制设备，等等。复杂的嵌入式系统安装有实时操作系统。

六，当代电子计算机的特点

这里所说的“当代计算机”是指上一节所述的前三种计算机（桌面计算机，网络服务器，超级计算机）。

当代电子计算机的主要功能和特点是能进行精确、快速的数学计算和和逻辑判断，而且使用容易。

具体地说，当代计算机的基本特点如下：

（1）多功能：既能进行数学计算，又可以进行逻辑判断；既能处理普通数据，又能处理自然语言；既能进行定量计算，又能进行定性决策；既能具有机械的能力，又能具有人的许多智能。

（2）速度快：计算机运算的速度非常快。微型机的运算速度可以达到每秒1亿次以上；而巨型机的运算速度可以高达每秒亿亿次以上。

（3）精确度高：当今64位字长的计算机，计算精度理论上不受限制。

（4）存储容量大：当今的微型计算机服务器的内存储器的容量可以达到96G字节，外存储器（辅助存储器）容量可以到达3000G（3T）字节。

（5）使用容易：对配备了常用硬件、软件的当今计算机，使用非常方便、容易。

七，电子计算机的发展世代

电子计算机的发展世代是以大型计算机的核心硬件质量为标准来划分的。

从世界第一台电子计算机诞生以来，到目前为止的电子计算机发展可以分为四代；现在正进入第五代。详见参考文献[4]。

第一代：电子管计算机，1939年至1958年。

第二代：晶体管计算机，1958年至1964年。

下图是早期的大型计算机——第二代（晶体管）计算机。这是一个完整的计算机系统，加上计算机操作者。

第三代：集成电路计算机，1964年至1970年。

第四代：大规模集成电路（包括LSI和VLSI）计算机，1971年至今。

此外，还有“第五代”计算机的说法，但是在计算机界未形成共识。

近几年，出现了量子计算机、光子计算机、分子计算机、生物计算机等。但是，它们才刚刚起步，很不完善，没有实用价值。

参考文献：

[1] 吴国发：《电子计算机是谁发明的？》，《太平洋论坛》杂志，2005年第一期，2005年1月。

[2] 吴国发：《世界电子计算机之父是约翰·文森特·阿塔那索夫》，知乎，2021年11月23日。网页链接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/467444615

[3] 吴国发：《电子计算机的发明过程》，百度APP，2021年11月24日。网页链接：
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1717272844631679142&wfr=spider&for=pc

[4] 吴国发：《电子计算机的发展世代概述》，今日头条，2023年7月2日。网页链接：
https://www.toutiao.com/article/7251230337374896700/