什麼是電腦?

電子電腦（以下簡稱電腦）是一種根據一系列指令來對數據進行處理的機器。電腦種類繁多。實際來看，電腦總體上是處理信息的工具。根據圖靈機理論，一部具有最基本功能的電腦應當能夠完成任何其它電腦能做的事情。因此，只要不考慮時間和存儲因素，從個人數字助理（PDA）到超級電腦都應該可以完成同樣的作業。即是說，即使是設計完全相同的電腦，只要經過相應改裝，就應該可以被用於從公司薪金管理到無人駕駛飛船操控在內的各種任務。由於科技的飛速進步，下一代電腦總是在性能上能夠顯著地超過其前一代，這一現象有時被稱作「摩爾定律」。

電腦在組成上形式不一。早期電腦的體積足有一間房屋大小，而今天某些嵌入式電腦可能比一副撲克牌還小。當然，即使在今天，依然有大量體積龐大的巨型電腦為特別的科學計算或面向大型組織的事務處理需求服務。比較小的，為個人應用而設計的電腦稱為微型電腦，簡稱微機。我們今天在日常使用「電腦」一詞時通常也是指此。不過，現在電腦最為普遍的應用形式卻是嵌入式的。嵌入式電腦通常相對簡單，體積小，並被用來控制其它設備—無論是飛機，工業機器人還是數位相機。

上述對於電子計算機的定義包括了許多能計算或是只有有限功能的特定用途的設備。然而當說到現代的電子計算機，其最重要的特徵是，只要給予正確的指示，任何一臺電子計算機都可以模擬其他任何電腦的行為（只受限於電子計算機本身的存儲容量和執行的速度）。據此，現代電子計算機相對於早期的電子計算機也被稱為通用型電子計算機。

歷史
本來，電腦的英文原詞"computer" 是指從事數據計算的人。而他們往往都需要藉助某些機械計算設備或模擬電腦。這些早期計算設備的祖先包括有算盤，以及可以追溯到公元前87年的被古希臘人用於計算行星移動的Antikythera mechanism。隨著中世紀末期歐洲數學與工程學的再次繁榮，Wilhelm Schickard於1623 年率先研製出了歐洲第一臺計算設備。

1801年，Joseph Marie Jacquard對織布機的設計進行了改進，其中他使用了一系列打孔的紙卡片來作為編織複雜圖案的程序。Jacquard 式織布機，儘管並不被認為是一臺真正的電腦，但是它的出現確實是現代電腦發展過程中重要的一步。

查爾斯・巴比奇(Charles Babbage)是構想和設計一臺完全可程式電腦的第一人，當時是1820年。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，這台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。Hermann Hollerith設計了一臺製表用的機器，就實現了應用打孔卡片的大規模自動數據處理。

在20世紀前半葉，為了迎合科學計算的需要，許許多多單一用途的並不斷深化複雜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3，40年代，電腦的性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。

克勞德・香農（Claude Shannon）於1937年發表了他的偉大論文《對繼電器和開關電路中的符號分析》，文中首次提及數字電子技術的應用。他向人們展示瞭如何使用開關來實現邏輯和數學運算。此後，他通過研究Vannevar Bush的微分模擬器進一步鞏固了他的想法。這是一個標志著二進位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設備申請了專利；尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla），他早在1898年就曾申請含有邏輯閘的電路設備；Lee De Forest，於1907年他用真空管代替了繼電器。

沿著這樣一條上下求索的漫漫長途去定義所謂的「第一臺電子電腦」可謂相當困難。1941年5月12日，Konrad Zuse完成了他的機電共用設備「Z3」，這是第一臺具有自動二進位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Atanasoff-Berry電腦，這是一臺具有特定意圖的電腦，但它使用了真空管計算器，二進位數值，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，但是它的的確確告訴了人們使用真空管既值得信賴又能實現電力化的再編程；哈佛大學的Harvard Mark I；以及基於二進位的「埃尼愛克」（ENIAC，1944年），這是第一臺通用意圖的電腦，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意味著電力物理線路的再連接。

開發埃尼愛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・諾伊曼體繫結構（程序存儲體繫結構）。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。儘管第一臺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。

在整個20世紀50年代，真空管電腦居於統治地位。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，性能更加可靠，這使得它們可以被商品化生產。到了70年代，集成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。

原理
儘管電腦技術自20世紀40年代第一臺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存儲程序結構，即馮・諾伊曼體繫結構。這個結構實現了實用化的通用電腦。

存儲程序結構間將一臺電腦描述成四個主要部分：算術邏輯單元（ALU），控制電路，存儲器，以及輸入輸出設備（I/O）。這些部件通過一組一組的排線連接（特別地，當一組線被用於多種不同意圖的數據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，一部電腦的存儲器可以被視為一組「細胞」單元。每一個「細胞」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（告訴電腦去做什麼），也可以是數據（指令的處理對象）。原則上，每一個「細胞」都是可以存儲二者之任一的。

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，比如對兩個數字進行加減法。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，ALU對其進行比較以確定哪個更大一些。

輸入輸出系統是電腦從外部世界接收信息和向外部世界反饋運算結果的手段。對於一臺標準的個人電腦，輸入設備主要有鍵盤和滑鼠，輸出設備則是顯示器，印表機以及其他許多後文將要討論的可連接到電腦上的I/O設備。

控制系統將以上電腦各部分聯繫起來。它的功能是從存儲器和輸入輸出設備中讀取指令和數據，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對這些數據做那些運算並將結果數據返回到何處。控制系統中一個重要組件就是一個用來保持跟蹤當前指令所在地址的計數器。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。這類電腦的工作模式十分直觀：在一個時鐘周期內，電腦先從存儲器中獲取指令和數據，然後執行指令，存儲數據，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）、數據移動（如：將一個數值從存儲單元A拷貝到存儲單元B）2）、數邏運算（如：計算存儲單元A與存儲單元B之和，結果返回存儲單元C）3）、條件驗證（如：如果存儲單元A內數值為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）

指令如同數據一樣在電腦內部是以二進位來表示的。比如說，10110000就是一條Intel x86系列微處理器的拷貝指令代碼。某一個電腦所支持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臺新電腦上運行得更加容易。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。

超級電腦通常有著與基本的存儲程序電腦顯著區別的體繫結構。它們通常由者數以千計的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序和數據分離的哈佛體繫結構（Harvard architecture）。
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