电子计算机
简介
电子计算机，通称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算、逻辑计算，具有存储记忆功能，能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据。计算机目前被用作各种工业和消费设备的控制系统，包括简单的特定用途设备（如微波炉和遥控器）、工业设备（如工业机器人和计算机辅助设计），以及通用设备（如个人电脑和智能手机之类的移动设备）等。
自古以来，简单的手动设备，比如算盘，就帮助人们进行计算。在工业革命初期，各式各样机械的出现，初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务，例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现，通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于二战期间。自那时以来，电脑的速度，功耗和多功能性则不断增加。在现代，机械计算机的应用已经完全被电子计算机所取代。
计算机在组成上形式不一，早期计算机具有庞大的体积，为特别的科学计算或为大型组织的事务处理需求服务。比较小的，为个人应用而设计的计算机则称为微型计算机（Personal Computer，PC），我们今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指微型计算机。不过现在计算机最为普遍的形式却是嵌入式，嵌入式计算机通常相对简单、体积小，并被用来控制其它设备，如飞机、工业机器人或数码相机等[1]。
一般来说，现代计算机包含至少一个处理单元（通常是中央处理器（CPU））和某种形式的存储器。处理元件执行算术和逻辑运算，排序和控制单元可以响应于存储的信息并且改变运算的顺序。外围设备包括输入设备（键盘、鼠标、操纵杆等），输出设备（监视器屏幕、打印机等），以及执行这两种功能的输入/输出设备（如触摸屏）。外围设备允许从外部源检索信息，并允许保存和检索操作结果。
主要特点
运算速度快
计算机内部电路组成，可以高速准确地完成各种算术运算。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、24小时天气算需要几年甚至几十年，而在现代社会里，用计算机只需几分钟就可完成。
计算精确度高
科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。
逻辑运算能力强
计算机不仅能进行精确计算，还具有逻辑运算功能，能对信息进行比较和判断。计算机能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，并能根据判断的结果自动执行下一条指令以供用户随时调用。
存储容量大
计算机内部的存储器具有记忆特性，可以存储大量的信息。这些信息，不仅包括各类数据信息，还包括加工这些数据的程序。
自动化程度高
由于计算机具有存储记忆能力和逻辑判断能力，所以人们可以将预先编好的程序组纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。
性价比高
几乎每家每户都会有电脑，越来越普遍化、大众化，22世纪电脑必将成为每家每户不可缺少的电器之一。计算机发展很迅速，有台式的还有笔记本。
历史
20世纪前
几千年来，设备一直被用来辅助计算，如通过手指进行计算。最早的计数装置可能是一种计数棒，新月沃地产生了许多计数工具，如结石、粘土球、球果等，用他们的数量来表示物品的数量，如牲畜或谷物的数量[2]。
早期机械计算设备的祖先包括算盘，以及可以追溯到公元前87年的被古希腊人用于计算行星移动的安提基特拉机械。
第一台计算设备
随着中世纪末期欧洲数学与工程学的再次繁荣，1623年德国博学家Wilhelm Schickard率先研制出了欧洲第一部计算设备，这是一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的“计算钟”。使用转动齿轮来进行操作。
1642年法国数学家布莱士·帕斯卡在英国数学家William Oughtred所制作的“计算尺”的基础上，将其加以改进，使能进行八位计算，还卖出了许多制品，成为当时一种时髦的商品。
1801年，法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔对织布机的设计进行改进，使用一系列打孔的纸卡片来作为编织复杂图案的程序。尽管这种被称作“雅卡尔织布机”的机器并不被认为是一部真正的计算机，但是其可编程性质使之被视为现代计算机发展过程中重要的一步。
查尔斯·巴贝奇于1820年构想和设计了第一部完全可程序化计算机。但由于技术条件、经费限制，以及无法忍耐对设计不停的修补，这部计算机在他有生之年始终未能问世。
约到19世纪晚期，许多后来被证明对计算机科学有着重大意义的技术相继出现，包括打孔卡片以及真空管。德裔美籍统计学家赫尔曼·何乐礼设计了一部制表用的机器，其中便应用打孔卡片来进行大规模自动数据处理。
模拟计算机
在20世纪前半叶，为了迎合科学计算的需要，许多专门用途的、复杂度不断增长的模拟计算机被研制出来。这些计算机都是用它们所针对的特定问题的机械或电子模型作为计算基础。
1930-1940年代，计算机的性能逐渐强大并且通用性得到提升，现代计算机的关键特色被不断地加入进来。
1937年，年仅21岁的麻省理工学院研究生克劳德·香农发表了他的重要论文《对继电器和开关电路中的符号分析》，文中首次提及数字电子技术的应用。他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。此后，他通过研究万尼瓦尔·布什的微分模拟器进一步巩固了他的想法。这是一个标志着二进制电子电路设计和逻辑门应用开始的重要时刻，而这些关键思想启蒙了许多先驱，包括：阿尔蒙·斯特罗格，他为一个含有逻辑门电路的设备申请了专利；尼古拉·特斯拉，他早在1898年就曾申请含有逻辑门的电路设备；李·德富雷斯特，他于1907年用真空管代替了继电器。
沿着这样一条上下求索的漫漫长途去定义所谓的“第一部电子计算机”可谓相当困难。
1941年5月12日，德国工程师康拉德·楚泽完成了他的图灵完全机电一体计算机“Z3”，这是第一部具有自动二进制数学计算特色以及可行的程序化功能的计算机，但还不是“电子”计算机。
1941年夏天诞生的阿塔纳索夫-贝瑞计算机是世界上第一部电子计算机，它使用了真空管计算器，二进制数值，可复用内存；在英国于1943年被展示的神秘的巨像计算机（Colossus computer），尽管程序化能力极为有限，但是它使人们确信使用真空管既值得信赖，又能实现电气化的再编程；哈佛大学的马克一号；以及基于二进制的ENIAC[3]，全名为电子数值积分计算器，这是第一部通用意图的计算机，但由于其结构设计不够弹性化，导致对它的每一次再编程都要重新连接电子线路。
数字计算机
1940年代的第二次世界大战中，为训练轰炸机飞行员，美国海军曾向麻省理工学院探询，是否能够开发出一款可以控制飞行模拟器的计算机。军方当初的设想只是希望经由该计算机将飞行员模拟操作产生的数据即时反映到仪表盘上。和以前的训练系统林克训练机不同，军方计划系统能尽可能真实地根据空气动力学模型进行模拟，以使其能适用于各种不同类型的飞机。于是麻省理工创造了旋风工程，其制造出了世界上第一台能够即时处理数据的旋风电脑，并发明了磁芯存储设备。这为个人电脑的发展做出了历史性的贡献。
开发埃尼阿克的小组针对其缺陷又进一步改善了设计，并最终呈现出今天我们所熟知的冯·诺伊曼结构（程序存储体系结构）。这个体系是当今所有计算机的基础。 20世纪40年代中晚期，大批基于此一体系的计算机开始研制，其中以英国最早。尽管第一部研制完成并投入运转的是小规模实验机（Small-Scale Experimental Machine，SSEM），但真正被开发出来的实用机很可能是延迟存储电子自动计算器（EDSAC）。
在整个1950年代，真空管计算机居于统治地位。
1958年9月12日在后来英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯的领导下，发明了集成电路。 不久又推出了微处理器。1959年到1964年间设计的计算机一般称为第二代计算机。
到了1960年代，晶体管计算机将其取而代之。晶体管体积更小，速度更快，价格更加低廉，性能更加可靠，这使得它们可以商品化生产。 1964年到1972年的计算机一般被称为第三代计算机。大量使用集成电路，典型的机型是IBM360系列。
现代计算机
到了1970年代，积体电路技术的引入大大地降低了计算机生产成本，计算机也从此开始走向千家万户。
1972年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。。
1971年11月15日，美国英特尔公司 (Intel) 推出第1款微处理器Intel 4004，也是全球第一款微处理器[4]。
1972年4月1日，Intel推出8008微处理器。
1976年，史蒂夫·乔布斯和斯蒂夫·沃兹尼亚克创办苹果计算机公司，并推出其Apple I计算机。
1977年5月Apple II型计算机发布。
1979年6月1日Intel发布了8位的8088微处理器[5]。
1982年，微电脑开始普及，大量进入学校和家庭。
1982年1月Commodore 64计算机发布，价格595美元[6]。
1982年2月Intel 80286发布。时脉提高到20 MHz，并增加了保护模式，可访问640 KB存储器。支持1 MB以上的虚拟内存。每秒运行270万条指令，集成了134000个晶体管。
1990年11月，微软发布第一代MPC（Multimedia PC，多媒体个人电脑标准）：处理器至少为80286/12 MHz（后来增加到80386SX/16 MHz），有光盘驱动器，传输率不少于150 KB/sec。
1994年10月10日Intel发布75 MHz Pentium处理器。
1995年11月1日，Pentium Pro发布。主频可达200 MHz，每秒钟完成4.4亿条指令，集成了550万个晶体管。1997年1月8日Intel发布Pentium MMX，对游戏和多媒体功能进行了增强。
此后计算机的变化日新月异，1965年发表的摩尔定律不断被认证，预测在未来10-15年仍依然适用。
原理
尽管计算机技术自20世纪40年代第一部电子通用计算机诞生以来以来有了令人目眩的快速发展，但是今天计算机仍然基本上采用的是存储程序结构，即冯·诺伊曼结构。这个结构实现了实用化的通用计算机。
存储程序结构将一部计算机描述成四个主要部分：算术逻辑单元、控制电路、存储器及输入输出设备。这些部件通过一组一组的排线连接（特别地，当一组线被用于多种不同意图的数据传输时又被称为总线），并且由一个时钟来驱动（当然某些其他事件也可能驱动控制电路）。
概念上讲，一部计算机的存储器可以被视为一组“细胞”单元。每一个“细胞”都有一个编号，称为地址；又都可以存储一个较小的定长信息。这个信息既可以是指令（告诉计算机去做什么），也可以是数据（指令的处理对象）。原则上，每一个“细胞”都是可以存储二者之任一的。
算术逻辑单元（ALU）可以被称作计算机的大脑。它能做两类运算： 第一类是算术运算，比如对两个数字进行加减法。算术运算部件的功能在ALU中是十分有限的，事实上， 一些ALU根本不支持电路级的乘法和除法运算（由是用户只能通过编程进行乘除法运算）。第二类是比较运算，即给定两个数， ALU对其进行比较以确定哪个更大一些。
输入输出系统是计算机从外部世界接收信息和向外部世界反馈运算结果的手段。对于一部标准的个人电脑，输入设备主要有键盘和鼠标，输出设备则是显示器、打印机以及其他许多后文将要讨论的可连接到计算机上的I/O设备。
控制系统将以上计算机各部分联系起来。它的功能是从存储器和输入输出设备中读取指令和数据，对指令进行解码， 并向ALU交付符合指令要求的正确输入，告知ALU对这些数据做哪些运算并将结果数据返回到何处。控制系统中一个重要组件就是一个用来保持跟踪当前指令所在地址的计数器。 通常这个计数器随着指令的执行而累加，但有时如果指令指示进行跳转则不依此规则。
20世纪80年代以来ALU和控制单元（二者合称中央处理器）逐渐被集成到一块集成电路上，称作微处理器。 这类计算机的工作模式十分直观：在一个时钟周期内，计算机先从存储器中获取指令和数据，然后执行指令，存储数据，再获取下一条指令。这个过程被反复执行，直至得到一个终止指令。
指令集合一般可以分为四类：
数据移动 （如：将一个数值从存储单元A拷贝到存储单元B）
数逻运算（如：计算存储单元A与存储单元B之和，结果返回存储单元C）
条件验证（如：如果存储单元A内数值为100，则下一条指令地址为存储单元F）
指令串行改易（如：下一条指令地址为存储单元F）
指令如同数据一样在计算机内部是以二进制来表示的。比如说，10110000就是一条Intel x86系列微处理器的拷贝指令代码。 某一个计算机所支持的指令集就是该计算机的机器语言。因此，使用流行的机器语言将会使既成软件在一部新计算机上运行得更加容易。所以对于那些机型商业化软件开发的人来说，它们通常只会关注一种或几种不同的机器语言。
更加强大的小型计算机，大型计算机和服务器可能会与上述计算机有所不同。它们通常将任务分担给不同的CPU来执行。今天， 微处理器和多核个人电脑也在朝这个方向发展。
超级计算机通常有着与基本的存储程序计算机显著区别的体系结构。它们通常有着数以千计的CPU， 不过这些设计似乎只对特定任务有用。在各种计算机中，还有一些微控制器采用令程序和数据分离的哈佛架构（Harvard architecture）。
输入输出设备
输入输出设备（I/O）是对将外部世界信息发送给计算机的设备和将处理结果返回给外部世界的设备的总称。 这些返回结果可能是作为用户能够视觉上体验的，或是作为该计算机所控制的其他设备的输入：对于一部机器人，控制计算机的输出基本上就是这部机器人本身，如做出各种行为。
第一代计算机的输入输出设备种类非常有限。通常的输入用设备是打孔卡片的读卡机，用来将指令和数据导入内存；而用于存储结果的输出设备则一般是磁带。
随着科技的进步，输入输出设备的丰富性得到提高。以个人计算机为例：键盘和鼠标是用户向计算机直接输入信息的主要工具，而显示器、打印机、扩音器、耳机则返回处理结果。此外还有许多输入设备可以接受其他不同种类的信息，如数字相机可以输入图像。
在输入输出设备中，有两类很值得注意：第一类是二级存储设备，如硬盘，光盘或其他速度缓慢但拥有很高容量的设备。第二个是计算机网络访问设备，通过他们而实现的计算机间直接数据传送极大地提升了计算机的价值。
今天，国际互联网成就了数以千万计的计算机彼此间传送各种类型的数据。
主要分类
计算机的种类按照其用途分为通用计算机和专用计算机 。
按运算速度分类法，可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机，微型机就是我们用的台式机，笔记本
按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机和混合型计算机等等。
超级计算机
超级计算机（Supercomputers）通常是指由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。超级计算机拥有最强的并行计算能力，主要用于科学计算。在气象、军事、能源、航天、探矿等领域承担大规模、高速度的计算任务。在结构上，虽然超级计算机和服务器都可能是多处理器系统，二者并无实质区别，但是现代超级计算机较多采用集群系统，更注重浮点运算的性能，可看着是一种专注于科学计算的高性能服务器，而且价格非常昂贵。
服务器
服务器专指某些高性能计算机，能通过网络，对外提供服务。相对于普通电脑来说，稳定性、安全性、性能等方面都要求更高，因此在CPU、芯片组、内存、磁盘系统、网络等硬件和普通电脑有所不同。服务器是网络的节点，存储、处理网络上80%的数据、信息，在网络中起到举足轻重的作用。它们是为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算机，其高性能主要表高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力等方面。服务器的构成与普通电脑类似，也有处理器、硬盘、内存、系统总线等，但因为它是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在差异很大。服务器主要有网络服务器（DNS、DHCP）、打印服务器、终端服务器、磁盘服务器、邮件服务器、文件服务器等。
工作站
工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。工作站最突出的特点是具有很强的图形交换能力，因此在图形图像领域特别是计算机辅助设计领域得到了迅速应用。
无盘工作站是指无软盘、无硬盘、无光驱连入局域网的计算机。在网络系统中，把工作站端使用的操作系统和应用软件被全部放在服务器上，系统管理员只要完成服务器上的管理和维护，软件的升级和安装也只需要配置一次后，则整个网络中的所有计算机就都可以使用新软件。所以无盘工作站具有节省费用、系统的安全性高、易管理性和易维护性等优点，这对网络管理员来说具有很大的吸引力。
无盘工作站的工作原理是由网卡的启动芯片（Boot ROM）以不同的形式向服务器发出启动请求号，服务器收到后，根据不同的机制，向工作站发送启动数据，工作站下载完启动数据后，系统控制权由Boot ROM转到内存中的某些特定区域，并引导操作系统。
根据不同的启动机制，比较常用无盘工作站可分为RPL 和PXE。RPL 为Remote Initial Program Load 的缩写，此技术常用于Windows95 中。PXE 是RPL 的升级品，它是Preboot Execution Environment的缩写。两者不同之处在于RPL 是静态路由，而PXE 是动态路由，其通信协议采用TCP/IP，实现了与Internet 连接高效而可靠，它常用于Windows98、Windows NT、Windows2000、Windows XP中 。
集线器
集线器（HUB）是一种共享介质的网络设备，它的作用可以简单的理解为将一些机器连接起来组成一个局域网，HUB 本身不能识别目的地址。集线器上的所有端口争用一个共享信道的带宽，因此随着网络节点数量的增加，数据传输量的增大，每节点的可用带宽将随之减少。另外，集线器采用广播的形式传输数据，即向所有端口传送数据。如当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，对网络上所有节点同时发送同一信息，然后再由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。其实接收数据的一般来说只有一个终端节点，而对所有节点都发送，在这种方式下，很容易造成网络堵塞，而且绝大部分数据流量是无效的，这样就造成整个网络数据传输效率相当低。另一方面由于所发送的数据包每个节点都能侦听到，容易给网络带来一些不安全隐患。
交换机
交换机（Switch）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它是集线器的升级换代产品，外观上与集线器非常相似，其作用与集线器大体相同。但是两者在性能上有区别：集线器采用的是共享带宽的工作方式，而交换机采用的是独享带宽方式。即交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个端口上数据的快速有效传输，交换机为用户提供的是独占的、点对点的连接，数据包只被发送到目的端口，而不会向所有端口发送，其它节点很难侦听到所发送的信息，这样在机器很多或数据量很大时，不容易造成网络堵塞，也确保了数据传输安全，同时大大的提高了传输效率，两者的差别就比较明显了。
路由器
路由器（Router）是一种负责寻径的网络设备，它在互联网络中从多条路径中寻找通讯量最少的一条网络路径提供给用户通信。路由器用于连接多个逻辑上分开的网络，为用户提供最佳的通信路径，路由器利用路由表为数据传输选择路径，路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单，路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径，路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径。路由器是产生于交换机之后，就像交换机产生于集线器之后，所以路由器与交换机也有一定联系，并不是完全独立的两种设备。路由器主要克服了交换机不能向路由转发数据包的不足。
交换机、路由器是一台特殊的网络计算机，它的硬件基础CPU、存储器和接口，软件基础是网络互联操作系统IOS。
工业控制计算机
工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的计算机系统总称。简称工控机。它由计算机和过程输入输出（I/O）通过两大部分组成。计算机是由主机、输入输出设备和外部磁盘机、磁带机等组成。在计算机外部又增加一部分过程输入/输出通道，用来完成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理；另一方面将计算机要行使对生产过程控制的命令、信息转换成工业控制对象的控制变量的信号，再送往工业控制对象的控制器去。由控制器行使对生产设备运行控制。
个人计算机
个人计算机包括台式机、电脑一体机、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑等。
台式机（Desktop）也叫桌面机，是一种独立相分离的计算机，完完全全跟其它部件无联系，相对于笔记本和上网本体积较大，主机、显示器等设备一般都是相对独立的，一般需要放置在电脑桌或者专门的工作台上。因此命名为台式机。为非常流行的微型计算机，多数人家里和公司用的机器都是台式机。台式机的性能相对较笔记本电脑要强。
电脑一体机，是由一台显示器、一个电脑键盘和一个鼠标组成的电脑。它的芯片、主板与显示器集成在一起，显示器就是一台电脑，因此只要将键盘和鼠标连接到显示器上，机器就能使用。随着无线技术的发展，电脑一体机的键盘、鼠标与显示器可实现无线链接，机器只有一根电源线。这就解决了一直为人诟病的台式机线缆多而杂的问题。有的电脑一体机还具有电视接收、AV功能，也整合专用软件，可用于特定行业专用机。
笔记本电脑（Notebook或Laptop）也称手提电脑或膝上型电脑，是一种小型、可携带的个人电脑，通常重1-3公斤。笔记本电脑除了键盘外，还提供了触控板（TouchPad）或触控点（Pointing Stick），提供了更好的定位和输入功能。
掌上电脑是一种运行在嵌入式操作系统和内嵌式应用软件之上的、小巧、轻便、易带、实用、价廉的手持式计算设备。它无论在体积、功能和硬件配备方面都比笔记本电脑简单轻便。在掌上电脑基础上加上手机功能，就成了智能手机（Smartphone）。
平板电脑是一款无须翻盖、没有键盘、大小不等、形状各异，却功能完整的电脑。其构成组件与笔记本电脑基本相同，但它是利用触笔在屏幕上书写，而不是使用键盘和鼠标输入，并且打破了笔记本电脑键盘与屏幕垂直的J 型设计模式。它除了拥有笔记本电脑的所有功能外，还支持手写输入或语音输入，移动性和便携性更胜一筹。
量子计算机
量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机[7]。量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称之为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机0与1完全吻合。如果把一群原子聚在一起，它们不会像电子计算机那样进行的线性运算，而是同时进行所有可能的运算，例如量子计算机处理数据时不是分步进行而是同时完成。只要40个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比奔腾4芯片快10亿倍[8]。