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从古至今，出于对计算的需要，人们一直在坚持不懈地寻找计算辅助工具。著名科普作家阿西莫夫说，人类最早的计算工具是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”；而中国古人常用“结绳”来帮助记事，“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……，这些都是古人用过的“计算机”。
不知何时开始，世界不同地区的人都不约而同地想到用“筹码”来改进计算工具，其中要数中国的算筹最有名。商周时代问世的算筹，实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍，通过移动来进行计算，从而出现了“运筹”这个词，最初运筹就是计算，后来才派生出“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”那样的新的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位，使用的工具正是算筹，这个结果即使用笔算也很不容易求得。
算筹在使用中，一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱，让人感到不便，于是中国人又发明了一种新式的“计算机”——算盘。世界文明的四大发源地──黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域──先后都出现过不同形式的算盘，只有中国的珠算盘一直沿用至今。
早在公元前500年的古希腊、罗马时期，就出现了由石头和金属制成的“算板”（如图9.1）。
到了公元5年至1400年间，木头成了制作算板的主要材料。这时，出现了水平方向的“算板”（如图9.2）。
（图9.11）
由图中我们可以了解，计算机由输入和输出设备、存储器、运算器和控制器五个部分组成。它一般采用存储程序模式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可根据运算结果和外界条件的改变而改变。
计算机以运算器为核心。输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic
Logic Unit）。它的功能是算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（“与”、“或”、“非”等）。在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。
控制器则由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它地基本功能就是从内存取指令和执行指令。控制器和运算器合称为中央处理单元，即CPU（Central Processing Unit），它是整个计算机的核心。内存储器则用于存放要执行的程序和数据。
有了这些计算机仅仅只是有了运算的可能性。如果要让计算机进行计算、控制等功能，还必须配有必要的软件。这里的软件主要是指使用计算机的各种程序。计算机主要通过各种指令完成某个操作。一条指令通常由操作代码和操作数两个部分组成。操作代码指明该指令要完成的操作，操作数则指参加运算的数或数所在的地址。用户根据解决某一问题的需要，选择相应的指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可以完成预定的任务。
计算机执行指令一般分为两个阶段。首先，将要执行的指令从内存取到CPU内。接着，CPU对读入的该条指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作。接着向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后，就进入下一条指令的读取操作。
程序则是由一系列指令的有序集合构成，计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU从内存读出一条指令到CUP内执行，当该指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内继续执行。CPU不断的读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。
计算机是一种具有强大信息处理功能的电子设备，它有两个主要特点：它所处理的信息是数字式的，它的信息处理工作采用“存储程序控制”方式。因此，它具有完全的通用性。编制程序是计算机解决问题的关键之一。程序是由人根据需要编制的，计算机能按照程序，一条一条地忠实执行指令。
语言是人类所特有的用来表达意思、交流思想、传递信息的工具，是一种特殊的社会现象。而计算机是二十世纪人类文明史上最先进的发明。为了让计算机更好地为人类服务，我们必须得让计算机明白我们的意思，并能够按照我们的要求去工作。在这个基础上，计算机语言就应运而生了。计算机语言也叫程序语言（Program Language），是人与计算机交流的和沟通的重要工具。
由于计算机只能识别“0”和“1”两种状态，也就是说，计算机智能依靠电路“0”和“1”两种状态的转换来完成数字运算、逻辑操作和信息存储。因此，从世界上第一台电子计算机诞生的那一天起，人们就一直在设法开发计算机所能“理解”的语言。具体的做法是：用“0”和“1”编码的指令写出“机器语言”来。这样的机器语言就能沟通人与机器之间的对话。而这种直接用机器语言写出的程序，我们通常称之为手编程序。但是，以“0”和“1”为代码来编写程序，不仅难写而且难读，效率非常低。有鉴于此，人们开始改用符号来代替手编程序中的操作码和地址，于是就产生了汇编语言。编制符号程序（由汇编语言编写的程序）比起手编程序要先进、方便得多，但是编制符号程序因机器而异，而且效率也低，这与计算机硬件的高速发展是相矛盾的。
80年代计算机集中于性能的竞争，90年代计算机集中于价格的竞争。进入21世纪，计算机将集中于方便化、随身化的竞争。人们为了能够随时随地的使用计算机，从开发膝上型计算机开始，继而开发出了笔记本型计算机乃至掌上计算机。掌上计算机进一步的发展，产生了无键盘式计算机（如图9.12）。无键盘微机是一种用电笔在屏幕窗口书写输入命令的微机。这种微机屏幕的表面，镀有一层防止划痕的电子传导层（即氧化物锡锑薄层），当与电笔接触时，就会使其一电路开通，能测定笔尖运行的走向、距离和角度。然后，由坐标系统对这些数据进行计算、评价和数字编码，再将它们与事先设计的成千个模式作比较。一旦发现与待识别字符最相像的那个模式，微机内的操作系统即对之进行存储和处理。操作这种无键盘式计算机，就像我们平时使用纸和笔一样方便。更有人异想天开，想将计算机穿在身上。美国甚至还在2001年10月的时候举办过一次可穿戴的计算机时装展。将来某一天，我们就能像今天用随身听欣赏音乐，用移动电话进行联络一样，将计算机带着到处走，随时随地的工作、上网冲浪。
神经网络计算机
此外，人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来，人们在研究人体神经系统结构和功能的神经生物学家及神经解剖学家的帮助下研制出数学模型，然后制造能够完成类似人脑功能的计算机系统的人造神经元网络。至此，计算机将获得真正的人工智能。神经元计算机比较有前途的应用领域是国防。它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定需击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常地有效快捷。
还有人预测，到2030年，我们将用上新一代的量子电脑。到那时，我们桌上的计算机主机不再使用芯片与半导体，而是充满了液体。它应用的不在是我们所熟悉的物理定律，而是玄妙的量子理论。量子计算机的运算速度可能比日前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍，它可以在眨眼之间搜寻整个国际网络，可以轻易的破解任何安全密码。日，华裔科学家艾萨克·张向各国专家展示了迄今最尖端的“5比特量子电脑”，并初步验证了量子计算技术的超凡魔力。量子电脑是利用原子所具有的量子特征进行信息处理的一种全新概念的计算机。它以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算能力比目前以微型晶体管电路为基础的传统计算机快几亿倍！尽管量子电脑的研制工作现在还处于十分原始的阶段，但人们坚信量子电脑终将取代传统模式的计算机，从而开创信息时代的新纪元。
超导计算机
除此之外，计算机正朝着其他多元化的方向发展。其中有超导计算机。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。以目前的技术制造出的超导电脑用集成电路芯片只有3～5立方毫米大小。
光子计算机
也有科学家致力于光计算机的研究。光计算机是利用光作为载体进行信息处理的计算机，其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。光计算机靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。与计算机相似之处是，光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。计算机的功率取决于其组成部件的运行速度和排列密度，光在这两个方面都很理想。激光束对信息的处理速度可达现有半导体硅器的1000倍。光束在一般条件下的这种互不干扰的特性，使得光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜，其通过能力超过全球现有全部电话电缆的许多倍。
生物计算机
众所周知，现代半导体大规模集成电路的体积已经小到了1微米，很难再缩小了。自集成电路发明以来，能够集成在单个芯片中的设备数量以及这些设备运行的速度已经有了巨大的发展。1964年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔博士（G.
Moore）注意到一个芯片上的晶体管数量呈几何级数增长，并以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的定律。摩尔天才地预言说道，集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头（1975年，他把翻一番的速度修改为2年）。摩尔所作的这个预言，因集成电路的发展历史而得以证明，并在较长时期保持有效，被人誉为“摩尔定律”，即“IT业第一定律”。到1997年Intel公司推出的奔腾Ⅱ芯片时，集成的晶体管数已超过750万个，运算速度达到每秒5.8亿次。
然而科学家预言，微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。
因此， 摩尔定律描述的增长趋势必然会有中断的时刻。因此，人们开始研究用有机物分子取代半导体的可能性。这样的计算机，我们称之为生物计算机或分子计算机。近年来，随着基因与蛋白质工程、重组脱氧核糖核酸（DNA）技术、聚合物化学、人造膜工艺等相关领域的发展，使这一新兴计算机系统的创立有了材料方法上的保证。
生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的生物芯片构成。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。生物计算机的数字计算逻辑元件和存储元件均是由有机物分子组成的分子电子器。一旦这种分子电子器研制成功，将比半导体器件具有更多重要的优越性。用蛋白质制造的电脑芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，大大超过人脑的思维速度。
生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有组织自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。
生物计算机在未来技术工程中必将引发新一轮的冲击波。在初期阶段，它将作为实现信息同步预处理的敏感器件——传感器使用。科学家和技术人员希望它是能够辨认光学图像、触知和识别固体表面形状、“感知”化学物质梯度及配置的智能传感器
将来，生物计算机可能会进入更为复杂的与数字电子计算机协同运作的模式，承担一部分它们能更有效处理的工作。重要的是，生物计算机还有可能为数字电子计算机附加一些生物功能。
生物计算机并不是遥不可及的。大多数的专家认为，生物计算机必可以在本世纪内研制成功。尽管目前科学家们对于生物计算机的结构还存在种种分歧，但是我们有理由相信，制造生物计算机的技术能力将在未来几年内逐步显示出来。
除了前面提到的生物计算机，人们还寄望研究出一种DNA计算机。研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，就是能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因信息和物质。科学家们从中得到启迪，正在合作研制未来的液体D
N A电脑。这种D N A电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，并通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的D
N A编码形式加以解答。和普通的电脑相比，D N A电脑的优点首先是体积小，但存储的信息量却超过现代世界上所有的电脑。它用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的D
N A链中，一升的DN A电脑只需几天时间，就可以完成迄今为止所有计算机曾经进行过的运算。其次是最大限量地减少能耗，D N A电脑的能耗，仅为普通电脑的十亿分之一。再者就是功能的强大，它的每个D
N A链可以各自进行运算，这意味着，D A N计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。
1998年8月，以色列捷赫尼昂大学的研究人员宣布，他们利用生物学和微电子学共生机理，首次在人的DNA链的基础上制成了一种电导体。这种电导体只有一根头发的千分之一细，为人们制造新一代微芯片开创了无限的发展前景。从理论上来说，DNA分子计算机在几天内就可以完成过去半个世纪中世界上所有计算机曾经进行过的运算，还能解决许多目前计算机不能解决或难以解决的问题。
脑控计算机
现在使用的计算机，一般都是通过计算机键盘或鼠标器输入指令而工作的，另外还有少部分声控计算机。未来，计算机能通过分析使用者思维时发出的生物信号来实现人脑控制。这项技术是从长期被用来诊断大脑疾病的脑电图记录衍生而来的。目前，研究脑电波控制计算机的一个重大挑战是：如何使计算机从人脑电波中分辨人的思维是“是”还是“否”。关键是科学家们目前对脑部细胞就某思想释放出的电荷以及它们之间的关联所知甚少。另外，某个信息可能同时被其他信息所遮盖，这对计算机收集和分析信息造成相当的困难。专家们认为，由于这种实验技术耗资巨大而且非常复杂，很难投入实际应用。他们说完全随人脑反应的计算机的研制还需几十年的时间，也许永远都是科学幻想。但在今后十几年内，有可能开发出比较实际的能帮助残疾人通信或操作一些用具的系统。
能听会说的计算机
在科幻电影中，我们常能看到这样的镜头：主人公和计算机自由的对话，聊天。计算机不仅能按照主人公指示完成各种计算、搜索资料工作，还能适当的提出自己的建议。更有趣的是，它能像人一样插科打诨，还有丰富的情感。被冷落时会不满，会害怕诸如老鼠之类的东西，还会像个老朋友一样唠叨个不停。
虽然这只是电影中的镜头，然而科学家们正在为此做着不懈的努力，并且已经取得了部分成就，这一方面最突出成就之一就要数机器人了。
2002年的暑假期间，中国科技馆展出一个“会说话的机器人”。不过，这个号称万事通的机器人在面对猜测小朋友的成绩时，却只能频频闪红灯来来应对了。日本在这一类型的机器人研究方面可以说走在世界前列。日前，日本电器公司展出了一种外形象胖娃娃的机器人。这个机器人名叫“R100”，具有辨别面孔、说话和服从主人命令的本领。它的外观颜色非常鲜艳，像是一个鸡蛋型的塑胶桶，其头部像是个皮球。它有一张平面、半透明的白脸，一双黑色的大眼睛，眼睛里是两部摄像机。当它脸上亮起一排白灯，就表示它在微笑。在主人说用日语说“再见”时，这个重7.9公斤的有时会拒绝结束谈话，并摇头抗议。如果被搁置一旁，它会利用它的三个轮子四处“走动”、跳舞甚至找人聊天。和人类一样，它对外界环境和指令的反应会随着温度和灯光的变化而不同。如果它接到太多的指令，它甚至会感觉疲倦，到一旁休息。偶尔也会耍耍性子，不听使唤，非常有趣。
不久前，日本的索尼公司推出了一种名叫“艾博”的机器狗。它有18个“关节”，能做250种运动。它能玩球，模仿狗撒尿，以及摇头、晃动身体和抬腿。这种机器狗装有许多传感器，包括彩色像机、热传感器、红外线传感器、触觉传感器、加速和速度传感器以及一个立体声微型话筒。艾博的主人如果想表扬它，可以把手放在它头上一两秒钟。如果重重地拍艾博头一下，就是处罚，它就会开始生气。目前，控制艾博行动的大多数指令要通过遥控，不过声控也开始应用。艾博在日语里的意思是伙伴，它自己能发出多种声音，叫声、说话声，甚至演唱英文和日文歌曲。
除了这些模拟人和动物的机器人外，还有许多能够通过语音进行简单交流的计算机。当然，这一类型的计算机虽然目前性能还不是很完善，智力水平也不高，常常出现答非所问的情况或者重重复复的说一样的话。例如电子导游系统，当你通过电话查询由出发点到目的地的乘车方法时，只要你不放下电话，计算机就会一遍一遍的重复乘车的方法，丝毫不知要停下来，或是给你问话的机会。还有一些聊天软件，常常让人哭笑不得。例如有的聊天软件，当你问它：“你今天感觉如何？”计算机能够迅速回答说：“我今天大脑很兴奋，有很多新想法。”当你再问它：“你能听见我的声音吗？”它就会傻傻的回答：“不，我是个真人。”
虽然目前有些计算机在听说理解方面比较笨拙，但是随着计算机技术的不断发展，我们终有一天能够制造出跟人类一样，具有独立思维能力、也有喜怒哀乐的计算机。不管怎么样，要想制造出具有类似人脑思考能力的电脑来还是一个遥远的事情，人工智能技术专家们要走的路还很长很长。
今天的预言在明天看来也许会非常可笑。不过不管怎样，现实社会已经为我们展开了一幅美丽的画卷。在可以想见的未来，生活会因为有了计算机而加多姿多彩。谁又能肯定，今天的科幻电影不会是明天的现实。人类社会必将在它的推助下，飞向更高更新的物质文明。
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