U1: Computer and Computer Science
SA: Computer Overview 计算机概览
Ⅰ. Introduction
A computer is an electronic device that can receive a set of instructions, or program, and then carry out this program by performing calculations on numerical data or by manipulating other forms of information.
计算机是一种电子设备，它能接收一套指令或一个程序，然后通过对数字数据进行运算或对其他形式的信息进行处理来执行该程序。
要不是由于计算机的发展，现代的高科技世界是不可能产生的。不同类型和大小的计算机在整个社会中被用于存储和处理数据，从政府机密文件到银行交易到私人家庭账户。计算机通过自动化技术开辟了制造业的新纪元，并增强了现代通信系统。它们是几乎所有研究和应用技术领域的基本工具，从构建宇宙模型到制作明天的天气报告，它们的使用本身就开辟了新的猜测领域。数据库服务和计算机网络使各种各样的信息源可供使用。同样的先进技术也可能侵犯个人和商业隐私。计算机犯罪已经成为现代技术代价的众多风险之一。
Ⅱ. History
第一台加法机是数字计算机的先驱，由法国科学家、数学家和哲学家布莱斯·帕斯卡于1642年发明。该装置采用了一系列十个齿轮，每个齿轮代表一个从0到9的数字。轮子被连接起来，这样通过使轮子前进正确的齿数，可以将数字彼此相加。在1670年代，德国哲学家和数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）通过设计一种同样可以繁殖的机器，对这台机器进行了改进。
法国发明家约瑟夫·马里·贾卡在设计自动织机时，使用薄的穿孔木板来控制复杂设计的编织。19世纪80年代，美国统计学家赫尔曼·霍勒瑞斯提出了使用穿孔卡片（类似于提花纸板）处理数据的想法。他使用了一种在电触点上传递穿孔卡片的系统，能够为1890年的联合国人口普查编制统计信息。
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The Analytical Engine
同样在19世纪，英国数学家和发明家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）提出了现代数字计算机的原理。他设想了许多机器，例如差分机，这些机器被设计用来处理复杂的数学问题。许多历史学家认为巴贝奇和他的同事、数学家奥古斯塔·阿达·拜伦是现代数字计算机的真正先驱。巴贝奇的设计之一，分析引擎，具有现代计算机的许多特点。它有一组穿孔卡片形式的输入流，一个保存数据的“存储”，一个算术运算的“磨坊”，以及一个永久记录的打印机。巴贝奇未能将这一想法付诸实践，尽管在当时技术上很可能是可行的。
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Early Computers
模拟计算机在19世纪末开始制造。早期模型通过旋转轴和齿轮计算。用这种机器评估了难以以任何其他方式求解的方程的数值近似。开尔文勋爵建立了一个机械潮汐预报器，这是一个专门的模拟计算机。在第一次世界大战和第二次世界大战期间，机械和后来的电气模拟计算系统被用作潜艇的鱼雷航向预报器和飞机的炸弹瞄准镜控制器。另一个系统被设计用于预测密西西比河流域的春季洪水。
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Electronic Computers
第二次世界大战期间，一个科学家和数学家团队在伦敦北部的布莱切利公园工作，创造了第一批全电子数字计算机之一：巨像。到1943年12月，装有1500个真空管的巨像号开始运行。艾伦·图灵（Alan Turing）领导的团队使用了这一技术，成功地破解了恩尼格码中的德国无线电信息。
与此无关的是，早在1939年，美国罗瓦州立学院的约翰·阿塔纳索夫和克利福德·贝里（Clifford Berry）就制造了一台电子机器的原型。这个原型和后来的研究都是悄悄完成的，后来被1945年电子数字积分器和计算机（ENIAC）的发展所掩盖。ENIAC获得了一项专利，该专利在几十年后的1973年被推翻，当时该机器被发现包含了Atanasoff-Berry计算机首次使用的原理。
ENIAC包含18000个真空管，速度为每分钟几百次，但最初它的程序被连接到处理器中，必须手动修改。后来的机器是根据匈牙利裔美国数学家约翰·冯·诺伊曼的想法，用程序存储器制造的。这些指令和数据一样，都存储在“存储器”中，在执行过程中使计算机从纸带阅读器的速度限制中解放出来，并允许在不重新连接计算机的情况下解决问题。
20世纪50年代末，晶体管在计算机中的应用标志着比真空管机更小、更快、更通用的逻辑元件的出现。由于晶体管使用的功率要小得多，寿命也要长得多，因此仅这一发展就促成了被称为第二代计算机的改进机器。组件变得更小，组件之间的间距也变小，系统的建造成本也大大降低。
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Integrated Circuits
20世纪60年代末，集成电路（IC）被引入，使得许多晶体管可以在一个硅衬底上制造，并在适当位置镀上互连导线。集成电路进一步降低了价格、尺寸和故障率。在20世纪70年代中期，随着大规模集成（LST）电路的引入，以及后来的超大规模集成（VLSI）电路（微芯片）的引入，微处理器成为现实，在单个硅衬底上蚀刻了数千个互连晶体管。
回到现代计算机的交换能力：20世纪70年代的计算机通常能够同时处理八个交换机。也就是说，他们可以在每个周期处理八个二进制数字或位的数据。一组八位称为一个字节，每个字节包含256种可能的ON和OFF模式（或1和0）。每个模式都相当于一条指令、一条指令的一部分或一种特定类型的数据，例如数字、字符或图形符号。例如，模式11010010可能是二进制数据——在这种情况下是十进制数210——或者它可能是一个指令，告诉计算机将存储在其交换机中的数据与存储在某个存储芯片位置中的数据进行比较。
一次可以处理16、32和64位数据的处理器的发展提高了计算机的速度。计算机能够识别的模式的完整集合——操作的总列表——称为其指令集。随着现代数字计算机的不断发展，这两个因素——一次可以处理的位数和指令集的大小——都在不断增加。
Ⅲ. Hardware
无论大小，现代数字计算机在概念上都是相似的。然而，根据成本和性能，它们可以分为几类：个人计算机或微型计算机，这是一种成本相对较低的机器，通常为台式大小（尽管“笔记本电脑”足够小，可以放在公文包中，而“掌上电脑”可以放在口袋中）；工作站，一种具有增强的图形和通信能力的微型计算机，使其特别适用于办公室工作；小型计算机，通常对个人使用来说过于昂贵，其功能适合商业、学校或实验室；大型计算机，一种大型、昂贵的机器，能够满足主要商业企业、政府部门、科研机构等的需求（其中最大和最快的被称为超级计算机）。
数字计算机不是一台机器：而是一个由五个不同元素组成的系统：
（1） 中央处理单元；
（2） 输入设备；
（3） 存储器存储设备；
（4） 输出设备；
（5） 一种称为总线的通信网络，它连接系统的所有元件，并将系统连接到外部世界。
Ⅳ. Programming
程序是告诉计算机硬件对数据执行什么操作的指令序列。程序可以内置于硬件本身，也可以以软件的形式独立存在。在一些专用计算机中，操作指令嵌入电路中；常见的例子是计算器、手表、汽车发动机和微波炉中的微型计算机。另一方面，通用计算机虽然包含一些内置程序（在ROM中）或指令（在处理器芯片中），但依赖于外部程序来执行有用的任务。一旦计算机被编程，它只能做任何给定时刻控制它的软件所能做的多或少。广泛使用的软件包括广泛的应用程序——对计算机如何执行各种任务的指令。
Ⅴ. Future Developments
目前正在积极研究利用许多有前途的新型技术制造计算机，如光学计算机、DNA计算机、神经计算机和量子计算机。大多数计算机是通用的，能够计算任何可计算的函数，并且仅受其内存容量和操作速度的限制。然而，不同的计算机设计可以为特定问题提供非常不同的性能；例如，量子计算机可以很快地（通过量子因子分解）破解一些现代加密算法。
计算机将完全按照编程的方式解决问题，而不考虑效率、替代解决方案、可能的快捷方式或代码中可能的错误。学习和适应的计算机程序是人工智能和机器学习新兴领域的一部分！基于人工智能的产品通常分为两大类：基于规则的系统和模式识别系统。基于规则的系统试图表示人类专家使用的规则，并且开发起来往往很昂贵。基于模式的系统使用关于问题的数据来生成结论。基于模式的系统的例子包括语音识别、字体识别、翻译和新兴的在线营销领域。