【计算机基础知识】计算机的概念

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前言

美国数学家香农说过：信息是能够消除不确定性的东西，也就是说信息能消除事物的不确定性，把不确定变成确定性；

1.计算机的概念

计算机(Computer)也称做电脑，是一种具有计算能力、记忆功能和逻辑判断功能的机器设备。它能够接受数据，保存数据，按照预定的程序对数据进行处理，并提供和保存处理结果。

计算机的发展历程

从早期具有历史意义的计算工具：

早期计算工具	相应的历史
算筹	在春秋战国时代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具

算盘	唐代发明的算盘是世界上第一种手动式计算器（算盘是最早的数字计算器，而珠算口诀则是最早的体系化的算法）

计算尺	1622年，英国数学家奥特瑞德(William Oughtred)根据对数表设计了计算尺

加法器	1642年，法国数学家帕斯卡(Blaise Pascal)发明了帕斯卡计算器，可以进行加法运算，世界上第一个加法器

计算器	1673年，德国数学家莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)发明了能进行四则运算的机器，并发明了莱布尼茨轮来解决进位问题：发明了二进制

差分机、分析机	19世纪，英国数学家查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)提出来通用数字计算机的基本设计思想-------于1822年，查尔斯·巴贝奇设计了一台“差分机”---------于1834年，设计一种基于计算自动化的程序控制的“分析机”，提出几乎完整的计算机设计方案-----------其被称为通用计算机之父

电子计算机的诞生：

图灵机的诞生:
在1936年，著名的英国数学家图灵提出了一个全新的数学模型同时证明了一切数学上的问题都可以依靠机器来解决，图灵将其命名为：可计算计算机，虽然这个概念计算机刚刚提出的时候并不是实体计算机，但推动了后面的电子计算机的发展，因此人们为了纪念图灵将其命名为：图灵机 ;
因此图灵也被称为：计算机科学之父、人工智能之父；
图灵机(Turing Machine)是由图灵于1936年提出的，它是一种精确的通用计算机模型，能模拟实现计算机的所有计算行为；
图灵机是理论模型，不是实际存在的机器；其反映了计算的本质，如果图灵机实现不了的，其他计算机也实现不了；

ENIAC的诞生：
要知道当时的背景，是二战之后的美苏冷战时期，要明白一个国家的科技创新都代表着它有一个伟大的敌人；而第一代电子计算机(ENIAC)就是在这样的背景下诞生的；
ENIAC诞生于1942年2月美国的宾夕法尼大学,由美国人:莫克利(JohnW.Mauchly)和艾克特（J.PresperEckert）建造;
建造的目的是：用于军工(如：计算导弹的轨迹)…等等；
标志着电子计算机时代的到来；
其特点：
1.采用了十进制
2.使用了电子管
3.运算速度为每秒5000次运算(虽然在现在不算什么，但在当时可以说是惊世骇俗哇)

冯若依曼体系结构：
第一台计算机ENIAC的诞生仅仅表明人类发明了计算机，对后来的计算机在体系结构和工作原理上有重大影响的是由美籍匈牙利数学家冯诺依曼和他的同事们研制的EDVAC(即离散变量自动电子计算机),在EDVAC中采用了“存储程序”的思想，以此思想为基础的各类计算机统称为冯诺曼机。
EDVAC方案中提出：计算机内部使用二进制、存储程序和程序控制、计算机的五大硬件； 其中“存储程序”是冯诺依曼思想的核心。
冯诺依曼所提出的体系结构被称为冯诺依曼体系结构，一直沿用至今。70多年来，虽然计算机在性能指标、运行速度、工作方式、应用领域等方面与当时的计算机有了很大的差异，但基本结构没有改变，都是冯诺依曼机；
冯诺依曼被称为：计算机之父。

人们根据计算机采用的主要电子元件的不同，将电子计算机的发展分成了四代：

分代	电子元器件	运行速度(每秒)	软件	应用
–第一代–(1946~1956)	电子管	几千次	机器语言、汇编语言	军事领域、科学计算

–第二代–(1956~1964)	晶体管	几十万次	高级语言	数据处理、工业控制

–第三代–(1964~1971)	中小规模集成电路	几百万次	操作系统、会话式语言	文字处理、图形处理

–第四代–(1971~至今)	大规模、超大规模集成电路	上亿次甚至亿亿次	数据库、计算机网络	社会的各个方面

知识拓展：

艾伦·麦席森·图灵不仅仅提出了图灵机模型，还有图灵测试(智能)、图灵奖等等;
图灵测试(The Turing test)： 由艾伦·麦席森·图灵提出，指测试者在与被测试者（一个人和一台机器）隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问，进行多次测试后，如果被测试者机器让平均每个测试者做出超过30%的误判，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能。
图灵奖： 是计算机界的诺贝尔奖(目前唯一华人获奖者–姚期智)；这是美国计算机协会(ACM)于1966年设立，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人。

下面是一段关于图灵测试的一段人机测试对话：
图灵采用“问”与“答”模式，即观察者通过控制打字机向两个测试对象通话，其中一个是人，另一个是机器。要求观察者不断提出各种问题，从而辨别回答者是人还是机器。

图灵指出：“如果机器在某些现实的条件下，能够非常好地模仿人回答问题，以至提问者在相当长时间里误认它不是机器，那么机器就可以被认为是能够思维的。”
从表面上看，要使机器回答按一定范围提出的问题似乎没有什么困难，可以通过编制特殊的程序来实现。然而，如果提问者并不遵循常规标准，编制回答的程序是极其困难的事情。例如，提问与回答呈现出下列状况：
那么，你面前的这位，大概是人而不是机器。上述两种对话的区别在于，第一种可明显地感到回答者是从知识库里提取简单的答案，第二种则具有分析综合的能力，回答者知道观察者在反复提出同样的问题。“图灵测试”没有规定问题的范围和提问的标准，如果想要制造出能通过试验的机器，以我们的技术水平，必须在电脑中储存人类所有可以想到的问题，储存对这些问题的所有合乎常理的回答，并且还需要理智地作出选择。

至今为止，2014年6月7日在英国皇家学会举行的“2014图灵测试”大会上，举办方英国雷丁大学发布新闻稿，宣称俄罗斯人弗拉基米尔·维西罗夫（Vladimir Veselov）创立的人工智能软件尤金·古斯特曼（Eugene Goostman）通过了图灵测试；

计算机的特点

运算速度快： 计算机采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具能比拟，而且计算机的运算速度还以每隔几个月提高一个数量级的速度快速发展；
计算精度高： 计算机的计算精度在理论上不受限制，一般的计算机均能达到15位有效数字，经过技术处理可以满足任何精度要求；
存储容量大： 计算机的存储性是计算机区别于其他计算机工具的重要特征，计算机中的存储器既能存储大量数据，也能快速准确的读取这些信息；
具有逻辑判断能力： 可以让计算机做出逻辑判断，分析命题是否成立，可根据命题成立是否采取对应的对策；
工作自动化： 计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的；
通用性强： 是计算机能应用于各个领域的基础，任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算数运算和逻辑运算；

计算机的分类

随着计算机技术的迅速发展和应用领域的不断扩大，计算机的种类也越来越多，可以从不同的角度对计算机进行分类：

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其中超级计算机即高性能或巨型计算机是衡量一个国家科技发展实力的一个重要指标。我国的代表超级计算机有：神威太湖之光、天河一号、天河二号…等等，其中神威太湖之光位居第一，其在2017年进行的世界500强高性能计算机(Top500)测试中排名第一，至今在世界排名仍位列第三；

2.计算机的应用

科学计算： 科学计算又叫做 数值计算 ，指计算机用于完成和解决科学研究及工程技术的数学计算问题；科学计算仍是计算机应用一个重要领域；如：ENIAC的诞生就是为了计算弹道轨迹而研制的，还有一些数据计算工作量大，数值变化范围大，如：地震预测、气象预报、航天技术等等；
信息管理： 信息管理即数据处理，是以数据库管理系统为基础，利用计算机对大量数据进行加工处理，形成有用的信息；数据处理目前是计算机应用最广泛的领域；数据处理的数据输入输出量大，但计算方法比较简单，如企业管理、账目计算、事物处理等等；
过程控制： 过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集检测数据，按照最佳值迅速的对控制对象进行自动控制或自动调节；目前已经在治金、石油、纺织、航空等等领域；

举个经典的例子：一个经典的实时控制的例子是飞机的自动驾驶系统。飞机的自动驾驶系统能够实时监测飞机的状态，包括速度、高度、姿态等，并根据预设的航线和目标参数进行调整，以保持飞机在预定的航线上飞行。这个系统需要实时地获取和处理大量的传感器数据，并通过控制飞机的各个舵面和引擎，实时地调整飞机的姿态和航向，以保持飞机的稳定性和安全性。

计算机辅助系统： 计算机辅助系统（Computer-aided system）是利用计算机辅助完成不同类任务的系统的总称。
人工智能： 人工智能(AI)是通过计算机模拟人类的某些智能活动，如图像和语言的识别、逻辑推断能力等；目前该方向研究的有：机器人、智能检索、专家系统等等；当然人工智能不可能能替代人类；
计算机网络和通信： 利用通信技术，将不同地理位置的计算机互联，可以实现世界范围内的资源共享，并能交互式地交流信息。
多媒体： 能够对多媒体进行采集、存储、传输和加工的技术，随着多媒体应用技术的发展和多媒体计算机的普及，以及计算机网络的应用越来越多，多媒体技术已经广泛应用于文化教育、家庭娱乐、商业应用等各种领域；
嵌入式系统： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件能灵活变化以适应所嵌入的应用系统，用于专用计算机系统中；早期应用于军事和航空领域，现逐步应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子等等；

计算机的发展趋势

巨型化： ==巨型化是指不断研究速度更快、存储量更大和功能更强大的巨型计算机，也就是超级计算机在功能上的巨型化； == 研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志；
微型化： 微型化是指利用电子技术和超大规模的集成电路技术，把计算机的体积进一步的缩小，价格进一步降低；各种笔记本电脑和掌上电脑的大量使用是计算机微型化的一个标志；
网络化：网络化是指将计算机和相关装置连接起来形成网络。计算机网络的作用不仅是实现网络资源共享，而且提供了一个分布式的计算机平台，可以极大的提高计算机系统的处理能力；
智能化； 计算机智能化是指计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力；