盡管計算機技術(shù)自20世紀(jì)40年代第一臺電子通用計算機誕生以來以來有了令人目眩的飛速發(fā)展，但是今天計算機仍然基本上采用的是存儲程序結(jié)構(gòu)，即馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了實用化的通用計算機。

存儲程序結(jié)構(gòu)間將一臺計算機描述成四個主要部分：算術(shù)邏輯單元（ALU），控制電路，存儲器，以及輸入輸出設(shè)備（I/O）。這些部件通過一組一組的排線連接（特別地，當(dāng)一組線被用于多種不同意圖的數(shù)據(jù)傳輸時又被稱為總線），并且由一個時鐘來驅(qū)動（當(dāng)然某些其他事件也可能驅(qū)動控制電路）。

概念上講，一部計算機的存儲器可以被視為一組“細(xì)胞”單元。每一個“細(xì)胞”都有一個編號，稱為地址；又都可以存儲一個較小的定長信息。這個信息既可以是指令（告訴計算機去做什么），也可以是數(shù)據(jù)（指令的處理對象）。原則上，每一個“細(xì)胞”都是可以存儲二者之任一的。

算術(shù)邏輯單元（ALU）可以被稱作計算機的大腦。它可以做兩類運算：第一類是算術(shù)運算，比如對兩個數(shù)字進行加減法。算術(shù)運算部件的功能在ALU中是十分有限的，事實上，一些ALU根本不支持電路級的乘法和除法運算（由是使用者只能通過編程進行乘除法運算）。第二類是比較運算，即給定兩個數(shù)，ALU對其進行比較以確定哪個更大一些。

輸入輸出系統(tǒng)是計算機從外部世界接收信息和向外部世界反饋運算結(jié)果的手段。對于一臺標(biāo)準(zhǔn)的個人電腦，輸入設(shè)備主要有鍵盤和鼠標(biāo)，輸出設(shè)備則是顯示器，打印機以及其他許多后文將要討論的可連接到計算機上的I/O設(shè)備。

控制系統(tǒng)將以上計算機各部分聯(lián)系起來。它的功能是從存儲器和輸入輸出設(shè)備中讀取指令和數(shù)據(jù)，對指令進行解碼，并向ALU交付符合指令要求的正確輸入，告知ALU對這些數(shù)據(jù)做那些運算并將結(jié)果數(shù)據(jù)返回到何處?？刂葡到y(tǒng)中一個重要組件就是一個用來保持跟蹤當(dāng)前指令所在地址的計數(shù)器。通常這個計數(shù)器隨著指令的執(zhí)行而累加，但有時如果指令指示進行跳轉(zhuǎn)則不依此規(guī)則。

20世紀(jì)80年代以來ALU和控制單元（二者合成中央處理器，CPU）逐漸被整合到一塊集成電路上，稱作微處理器。這類計算機的工作模式十分直觀：在一個時鐘周期內(nèi)，計算機先從存儲器中獲取指令和數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行指令，存儲數(shù)據(jù)，再獲取下一條指令。這個過程被反復(fù)執(zhí)行，直至得到一個終止指令。

由控制器解釋，運算器執(zhí)行的指令集是一個精心定義的數(shù)目十分有限的簡單指令集合。一般可以分為四類：1）、數(shù)據(jù)移動（如：將一個數(shù)值從存儲單元A拷貝到存儲單元B）2）、數(shù)邏運算（如：計算存儲單元A與存儲單元B之和，結(jié)果返回存儲單元C）3）、條件驗證（如：如果存儲單元A內(nèi)數(shù)值為100，則下一條指令地址為存儲單元F）4）、指令序列改易（如：下一條指令地址為存儲單元F）

指令如同數(shù)據(jù)一樣在計算機內(nèi)部是以二進制來表示的。比如說，10110000就是一條Intelx86系列微處理器的拷貝指令代碼。某一個計算機所支持的指令集就是該計算機的機器語言。因此，使用流行的機器語言將會使既成軟件在一臺新計算機上運行得更加容易。所以對于那些機型商業(yè)化軟件開發(fā)的人來說，它們通常只會關(guān)注一種或幾種不同的機器語言。

更加強大的小型計算機，大型計算機和服務(wù)器可能會與上述計算機有所不同。它們通常將任務(wù)分擔(dān)給不同的CPU來執(zhí)行。今天，微處理器和多核個人電腦也在朝這個方向發(fā)展。

超級計算機通常有著與基本的存儲程序計算機顯著區(qū)別的體系結(jié)構(gòu)。它們通常由者數(shù)以千計的CPU，不過這些設(shè)計似乎只對特定任務(wù)有用。在各種計算機中，還有一些微控制器采用令程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛體系結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture）。

[編輯]計算機的數(shù)字電路實現(xiàn)

以上所說的這些概念性設(shè)計的物理實現(xiàn)是多種多樣的。如同我們所前述所及，一臺存儲程序式計算機既可以是巴比奇的機械式的，也可以是基于數(shù)字電子的。但是，數(shù)字電路可以通過諸如繼電器之類的電子控制開關(guān)來實現(xiàn)使用2進制數(shù)的算術(shù)和邏輯運算。香農(nóng)的論文正是向我們展示了如何排列繼電器來組成能夠?qū)崿F(xiàn)簡單布爾運算的邏輯門。其他一些學(xué)者很快指出使用真空管可以代替繼電器電路。真空管最初被用作無線電電路中的放大器，之后便開始被越來越多地用作數(shù)字電子電路中的快速開關(guān)。當(dāng)電子管的一個針腳被通電后，電流就可以在另外兩端間自由通過。

通過邏輯門的排列組合我們可以設(shè)計完成很多復(fù)雜的任務(wù)。舉例而言，加法器就是其中之一。該器件在電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了兩個數(shù)相加并將結(jié)果保存下來—在計算機科學(xué)中這樣一個通過一組運算來實現(xiàn)某個特定意圖的方法被稱做一個算法。最終，人們通過數(shù)量可觀的邏輯門電路組裝成功了完整的ALU和控制器。說它數(shù)量可觀，只需看一下CSIRAC這臺可能是最小的實用化電子管計算機。該機含有2000個電子管，其中還有不少是雙用器件，也即是說總計合有2000到4000個邏輯器件。

真空管對于制造規(guī)模龐大的門電路明顯力不從心。昂貴，不穩(wěn)（尤其是數(shù)量多時），臃腫，能耗高，并且速度也不夠快—盡管遠(yuǎn)超機械開關(guān)電路。這一切導(dǎo)致20世紀(jì)60年代它們被晶體管取代。后者體積更小，易于操作，可靠性高，更省能耗，同時成本也更低。

集成電路是現(xiàn)今電子計算機的基礎(chǔ)20世紀(jì)60年代后，晶體管開始逐漸為將大量晶體管、其他各種電器元件和連接導(dǎo)線安置在一片硅板上的集成電路所取代。70年代，ALU和控制器作為組成CPU的兩大部分，開始被集成到一塊芯片上，并稱為“微處理器”。沿著集成電路的發(fā)展史，可以看到一片芯片上所集成器件的數(shù)量有了飛速增長。第一塊集成電路只不過包含幾十個部件，而到了2006年，一塊IntelCoreDuo處理器上的晶體管數(shù)目高達一億五千一百萬之巨。

無論是電子管，晶體管還是集成電路，它們都可以通過使用一種觸發(fā)器設(shè)計機制來用作存儲程序體系結(jié)構(gòu)中的“存儲”部件。而事實上觸發(fā)器的確被用作小規(guī)模的超高速存儲。但是，幾乎沒有任何計算機設(shè)計使用觸發(fā)器來進行大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲。最早的計算機是使用Williams電子管向一個電視屏或若干條水銀延遲線（聲波通過這種線時的走行速度極為緩慢足夠被認(rèn)為是“存儲”在了上面）發(fā)射電子束然后再來讀取的方式來存儲數(shù)據(jù)的。當(dāng)然，這些盡管有效卻不怎么優(yōu)雅的方法最終還是被磁性存儲取而代之。比如說磁芯存儲器，代表信息的電流可在其中的鐵質(zhì)材料內(nèi)制造恒久的弱磁場，當(dāng)這個磁場再被讀出時就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)恢復(fù)。動態(tài)隨機存儲器（DRAM）亦被發(fā)明出來。它是一個包含大量電容的集成電路，而這些電容器件正是負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)電荷—電荷的強度則被定義為數(shù)據(jù)的值。

[編輯]輸入輸出設(shè)備

輸入輸出設(shè)備（I/O）是對將外部世界信息發(fā)送給計算機的設(shè)備和將處理結(jié)果返回給外部世界的設(shè)備的總稱。這些返回結(jié)果可能是作為使用者能夠視覺上體驗的，或是作為該計算機所控制的其他設(shè)備的輸入：對于一臺機器人，控制計算機的輸出基本上就是這臺機器人本身，如做出各種行為。

第一代計算機的輸入輸出設(shè)備種類非常有限。通常的輸入用設(shè)備是打孔卡片的讀卡機，用來將指令和數(shù)據(jù)導(dǎo)入內(nèi)存；而用于存儲結(jié)果的輸出設(shè)備則一般是磁帶。隨著科技的進步，輸入輸出設(shè)備的豐富性得到提高。以個人計算機為例：鍵盤和鼠標(biāo)是用戶向計算機直接輸入信息的主要工具，而顯示器、打印機、擴音器、耳機則返回處理結(jié)果。此外還有許多輸入設(shè)備可以接受其他不同種類的信息，如數(shù)碼相機可以輸入圖像。在輸入輸出設(shè)備中，有兩類很值得注意：第一類是二級存儲設(shè)備，如硬盤，[[光盤]]或其他速度緩慢但擁有很高容量的設(shè)備。第二個是計算機網(wǎng)絡(luò)訪問設(shè)備，通過他們而實現(xiàn)的計算機間直接數(shù)據(jù)傳送極大地提升了計算機的價值。今天，國際互聯(lián)網(wǎng)成就了數(shù)以千萬計的計算機彼此間傳送各種類型的數(shù)據(jù)。

[編輯]程序

簡單說，計算機程序就是計算機執(zhí)行指令的一個序列。它既可以只是幾條執(zhí)行某個簡單任務(wù)的指令，也可能是可能要操作巨大數(shù)據(jù)量的復(fù)雜指令隊列。許多計算機程序包含有百萬計的指令，而其中很多指令可能被反復(fù)執(zhí)行。在2005年，一臺典型的PC機可以每秒執(zhí)行大約30億條指令。計算機通常并不會執(zhí)行一些很復(fù)雜的指令來獲得額外的機能，更多地它們是在按照程序員的排列來運行那些較簡單但為數(shù)眾多的短指令。

一般情況下，程序員們是不會直接用機器語言來為計算機寫入指令的。那么做的結(jié)果只能是費時費力、效率低下而且漏洞百出。所以，程序員一般通過“高級”一些的語言來寫程序，然后再由某些特別的計算機程序，如解釋器或編譯器將之翻譯成機器語言。一些編程語言看起來很接近機器語言，如匯編程序，被認(rèn)為是低級語言。而另一些語言，如即如抽象原則的Prolog，則完全無視計算機實際運行的操作細(xì)節(jié)，可謂是高級語言。對于一項特定任務(wù)，應(yīng)該根據(jù)其事務(wù)特點，程序員技能，可用工具和客戶需求來選擇相應(yīng)的語言，其中又以客戶需求最為重要（美國和中國軍隊的工程項目通常被要求使用Ada語言）。

計算機軟件是與計算機程序并不相等的另一個詞匯。計算機軟件一個較為包容性較強的技術(shù)術(shù)語，它包含了用于完成任務(wù)的各種程序以及所有相關(guān)材料。舉例說，一個視頻游戲不但只包含程序本身，也包括圖片、聲音以及其他創(chuàng)造虛擬游戲環(huán)境的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在零售市場，在一臺計算機上的某個應(yīng)用程序只是一個面向大量用戶的軟件的一個副本。這里老生常談的例子當(dāng)然還是微軟的office軟件組，它包括一些列互相關(guān)聯(lián)的、面向一般辦公需求的程序。

利用那些極其簡單的機器語言指令來實現(xiàn)無數(shù)功能強大的應(yīng)用軟件意味著其編程規(guī)模注定不小。WindowsXP這個操作系統(tǒng)程序包含的C++高級語言源代碼達到了4000萬行。當(dāng)然這還不是最大的。如此龐大的軟件規(guī)模也顯示了管理在開發(fā)過程中的重要性。實際編程時，程序會被細(xì)分到每一個程序員都可以在一個可接受的時長內(nèi)完成的規(guī)模。

即便如此，軟件開發(fā)的過程仍然進程緩慢，不可預(yù)見且遺漏多多。應(yīng)運而生的軟件工程學(xué)就重點面向如何加快作業(yè)進度和提高效率與質(zhì)量。

[編輯]庫與操作系統(tǒng)

在計算機誕生后不久，人們發(fā)現(xiàn)某些特定作業(yè)在許多不同的程序中都要被實施，比如說計算某些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)。出于效率考量，這些程序的標(biāo)準(zhǔn)版本就被收集到一個“庫”中以供各程序調(diào)用。許多任務(wù)經(jīng)常要去額外處理種類繁多的輸入輸出接口，這時，用于連接的庫就能派上用場。

20世紀(jì)60年代，隨著計算機工業(yè)化普及，計算機越來越多地被用作一個組織內(nèi)不同作業(yè)的處理。很快，能夠自動安排作業(yè)時續(xù)和執(zhí)行的特殊軟件出現(xiàn)了。這些既控制硬件又負(fù)責(zé)作業(yè)時序安排的軟件被稱為“操作系統(tǒng)”。一個早期操作系統(tǒng)的例子是IBM的OS/360。

在不斷地完善中，操作系統(tǒng)又引入了時間共享機制——并發(fā)。這使得多個不同用戶可以“同時”地使用機器執(zhí)行他們自己的程序，看起來就像是每個人都有一臺自己的計算機。為此，操作系統(tǒng)需要像每個用戶提供一臺“虛擬機”來分離各個不同的程序。由于需要操作系統(tǒng)控制的設(shè)備也在不斷增加，其中之一便是硬盤。因之，操作系統(tǒng)又引入了文件管理和目錄管理（文件夾），大大簡化了這類永久儲存性設(shè)備的應(yīng)用。此外，操作系統(tǒng)也負(fù)責(zé)安全控制，確保用戶只能訪問那些已獲得允許的文件。

當(dāng)然，到目前為止操作系統(tǒng)發(fā)展歷程中最后一個重要步驟就是為程序提供標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面（GUI）。盡管沒有什么技術(shù)原因表明操作系統(tǒng)必須得提供這些界面，但操作系統(tǒng)供應(yīng)商們總是希望并鼓勵那些運行在其系統(tǒng)上的軟件能夠在外觀和行為特征上與操作系統(tǒng)保持一致或相似。

除了以上這些核心功能，操作系統(tǒng)還封裝了一系列其他常用工具。其中一些雖然對計算機管理并無重大意義，但是于用戶而言很是有用。比如，蘋果公司的MacOSX就包含視頻剪輯應(yīng)用程序。

一些用于更小規(guī)模的計算機的操作系統(tǒng)可能沒用如此眾多的功能。早期的微型計算機由于內(nèi)存和處理能力有限而不會提供額外功能，而嵌入式計算機則使用特定化了的操作系統(tǒng)或者干脆沒有，它們往往通過應(yīng)用程序直接代理操作系統(tǒng)的某些功能。

[編輯]應(yīng)用

由電腦控制的機械在工業(yè)中十分常見很多現(xiàn)代大量生產(chǎn)的玩具，如Furby，是不能沒有便宜的嵌入式處理器

起初，體積龐大而價格昂貴的數(shù)字計算機主要是用做執(zhí)行科學(xué)計算，特別是軍用課題。如ENIAC最早就是被用作火炮彈道計算和設(shè)計氫彈時計算斷面中子密度的（如今許多超級計算機仍然在模擬核試驗方面發(fā)揮著巨大作用）。澳大利亞設(shè)計的首臺存儲程序計算機CSIRMkI型負(fù)責(zé)對水電工程中的集水地帶的降雨情形進行評估。還有一些被用于解密，比如英國的“巨像”可編程計算機。除去這些早年的科學(xué)或軍工應(yīng)用，計算機在其他領(lǐng)域的推廣亦十分迅速。

從一開始，存儲程序計算機就與商業(yè)問題的解決息息相關(guān)。早在IBM的第一臺商用計算機誕生之前，英國J.Lyons等就設(shè)計制造了LEO以進行資產(chǎn)管理或迎合其他商業(yè)用途。由于持續(xù)的體積與成本控制，計算機開始向更小型的組織內(nèi)普及。加之20世紀(jì)70年代微處理器的發(fā)明，廉價計算機成為了現(xiàn)實。80年代，個人計算機全面流行，電子文檔寫作與印刷，計算預(yù)算和其他重復(fù)性的報表作業(yè)越來越多地開始依賴計算機。

隨著計算機便宜起來，創(chuàng)作性的藝術(shù)工作也開始使用它們。人們利用合成器，計算機圖形和動畫來創(chuàng)作和修改聲音，圖像，視頻。視頻游戲的產(chǎn)業(yè)化也說明了計算機在娛樂方面也開創(chuàng)了新的歷史。

計算機小型化以來，機械設(shè)備的控制也開始仰仗計算機的支持。其實，正是當(dāng)年為了建造足夠小的嵌入式計算機來控制阿波羅宇宙飛船才刺激了集成電路技術(shù)的躍進。今天想要找一臺不被計算機控制的有源機械設(shè)備要比找一臺哪怕是部分計算機控制的設(shè)備要難得多?？赡茏钪挠嬎銠C控制設(shè)備要非機器人莫屬，這些機器有著或多或少人類的外表和并具備人類行為的某一子集。在批量生產(chǎn)中，工業(yè)機器人已是尋常之物。不過，完全的擬人機器人還只是停留在科幻小說或?qū)嶒炇抑小?/p>

機器人技術(shù)實質(zhì)上是人工智能領(lǐng)域中的物理表達環(huán)節(jié)。所謂人工智能是一個定義模糊的概念但是可以肯定的是這門學(xué)科試圖令計算機擁有目前它們還沒有但作為人類卻固有的能力。數(shù)年以來，不斷有許多新方法被開發(fā)出來以允許計算機做那些之前被認(rèn)為只有人才能做的事情。比如讀書、下棋。然而，到目前為止，在研制具有人類的一般“整體性”智能的計算機方面，進展仍十分緩慢。

[編輯]網(wǎng)絡(luò)、國際互聯(lián)網(wǎng)

20世紀(jì)50年代以來計算機開始用作協(xié)調(diào)來自不同地方之信息的工具，美國軍方的賢者系統(tǒng)（SAGE）就是這方面第一個大規(guī)模系統(tǒng)。之后“軍刀”等一系列特殊用途的商業(yè)系統(tǒng)也不斷涌現(xiàn)出來。

70年代后，美國各大院校的計算機工程師開始使用電信技術(shù)把他們的計算機連接起來。由于這方面的工作得到了ARPA的贊助，其計算機網(wǎng)絡(luò)也就被稱為ARPANET。此后，用于ARPA網(wǎng)的技術(shù)快速擴散和進化，這個網(wǎng)絡(luò)也沖破大學(xué)和軍隊的范圍最終形成了今天的國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）。網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)導(dǎo)致了對計算機屬性和邊界的再定義。太陽微系統(tǒng)公司的JohnGage和BillJoy就指出：“網(wǎng)絡(luò)即是計算機”。計算機操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序紛紛向能訪問諸如網(wǎng)內(nèi)其它計算機等網(wǎng)絡(luò)資源的方向發(fā)展。最初這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅限于為高端科學(xué)工作者所使用，但90年代后隨著電子郵件和萬維網(wǎng)（WorldWideWeb）技術(shù)的擴散，以及以太網(wǎng)和ADSL等網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的廉價化，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已變得無所不在。今日入網(wǎng)的計算機總數(shù)，何以千萬計；無線互聯(lián)技術(shù)的普及，使得互聯(lián)網(wǎng)在移動計算環(huán)境中亦如影隨形。比如在筆記本計算機上廣泛使用的Wi-Fi技術(shù)就是無線上網(wǎng)的代表性應(yīng)用。

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