【中華百科全書●工學●數位計算機】

楊籍富 發表於 2012-12-24 09:16:46

【中華百科全書●工學●數位計算機】 數位計算機，是一部能處理數位資料的計算機，而其處理的程序，必須事先規畫並儲存在記憶器內。
 
數位資料與類比資料的不同，在於前者的值是不連續的，而後者的值為連續的，如溫度、壓力等物理量均為類比值，而對一件事的評判是與否即可當做數位值，將多個此類之數位值並排使用，即可用以表示不同值。
 
當然所有的類比值必可經某一轉換程序而將它們轉換為數位值，以便於數位計算機處理。
 
處理的程序一般稱為程式，它是由一條條的指令所組成。
 
程式隨著使用者的不同而互異，並可隨著使用者的意願加以改變。
 
如銀行使用的計算機與某大學使用的是屬於同一廠家、同一型號，但因程式不同，所處理的資料不同，表現的功能也不一樣。
 
一部近代數位計算機主要由五個部門組成(如圖1)：一、輸入部門：負責所有資料的擷取，包含程式與處理的資料；
 
二、記憶器部門：儲存程式與資料；
 
三、算術邏輯部門：負責資料的運算；
 
四、控制部門：整部機器的中樞，負責各部門的協調；
 
五、輸出部門：將結果送至適當的裝置。
 
一般把算術邏輯部門與控制部門合稱中央處理單元。
 
資料從輸入部門送入，經中央處理單元處理後，結果經由輸出部門送出，這資料的傳送均需經由某特定的物質做為媒介，這些媒介物質被稱之為媒體。
 
媒體的種類很多，如打孔卡片、紙帶、磁鼓、磁帶、磁碟與軟性磁碟等，它們既可當做輸入裝置、輸出裝置，亦可做為記憶裝置。
 
打孔卡片或紙帶是把經過編碼後的資料，利用卡片或紙帶上之孔的有無來表示；
 
磁帶、磁鼓、磁碟與軟性磁碟等均為磁性裝置，它們是利用感磁的原理，將資料以不同的形體儲存，由於具有重覆使用的特性及速度、準確度的合乎要求，目前的計算機都採用這些媒體做為主要的輸入、輸出及記憶裝置。
 
他如鍵盤、陰極射線顯示管、列表機等，亦為目前最廣泛的輸入、輸出裝置。
 
算術邏輯單元，是數位計算機處理資料的中心，包含了各種的暫存器、加法器、比較器及其他邏輯線路。
 
暫存器可分為一般用途與特別用途暫存器；
 
如累加器、程式計數器、指標暫存器、堆疊指示器、基址暫存器等均為特殊用途暫存器。
 
它們的存在具有個別的需要，所以大部分計算機都擁有這些暫存器；
 
而一般用途暫存器則視各不同廠商與型號而異，大體而言，一般暫存器愈多，使用愈方便。
 
加法器是執行算術運算的部分，一般採用二進制的形式來設計，減法、乘法與除法等可經轉換成各種不同步驟的加法來完成。
 
如減法可用加減數的補數，乘法可用連加或移位而後加，除法可用連減等運算來處理，其他較複雜的運算，如微分、積分、對數、三角函數等，則可化簡為基本加、減、乘、除等運算來完成。
 
比較器則被用以比較兩數之大小，結果用小於、等於、大於來表示。
 
計算機的線路，可用布林代數(BooleanAlgebra)來表示。
 
布林代數中最基本的函數是和(AND)、或(OR)及非(NOT)。
 
假如「1」代表「真」，「0」代表「假」，則圖2表示了這三種函數的功能及代表符號。
 
見圖2。
 
把這些基本函數加以種種不同的組合，就可得到希望之計算機的功能。
 
這種代表真、假的邏輯線路，很容易用電晶體的導通與截流來實現。
 
所以，今日計算機的核心，幾乎全部採用與電晶體有關的元件製作，如積體電路。
 
記憶器是存放程式及資料的場所，它的發展與計算機的發展並駕齊驅。
 
經過長期的發展，記憶器不時地更新，早期的水銀槽、延遲線、相位單元及磁鼓等均遭淘汰，目前使用的大都是快速、高可靠度的半導體記憶器或磁蕊、磁帶、磁碟、軟性磁碟等機械式記憶器，發展中的尚有電荷耦合裝置及磁泡記憶器。
 
依速度與取材方法可將記憶器分成三大類：短時、中時及長時記憶器。
 
對執行中的程式及資料暫時存放區需要高速記憶器方可勝任，因此採用短時記憶器，如半導體及磁蕊記憶器。
 
而在一個需要數量相當多的應用中，需要一種極為快速、容量又大的儲存單元，即為中時記憶器，如磁碟、磁泡及電荷耦合裝置。
 
對某些定期參考的大量資料，需要甚大的儲存媒體，非長時記憶器不可，如磁帶，這種裝置能以較慢的速度、合理的價格，順序儲存數以億計的資料。
 
控制部門協調前述各單元間的動作，它將指令解碼後，依其特性發出各種控制信號以執行該指令之特殊機能，一般存在著一系統計時脈衝做為整部機器的時基，所有部門的動作均與該時基取得同步。
 
控制部門的製作，可採用散亂邏輯的設計或採用微程式來完成。
 
前者是將整個控制程序依一般數位系統的設計方法，採用各種閘及正反器的組合來完成，速度較快，但限制亦大。
 
後者則採用記憶器來取代散亂邏輯，因其具有很大的可塑性，系統更新容易，因此大多數計算機均採此法。
 
自從人類有了數量的觀念，就開始找尋協助處理的工具，首先利用本身具備的手指或腳趾，接著借用外界的石頭、念珠。
 
大約數千年前，我國發明了算盤成為處理數量機械式工具的先驅，之後，算盤以各種不同的形態存在於人類的古文明中，直到今日仍被廣泛地使用。
 
早期人類對天文的研究可謂不遺餘力，因此各種天文學計算器的發明也跟著人類的進步而持續出現，更由於處理數量的不斷增加，突破傳統計算方式的需要日見殷切，終於在西元一六四二年，由法國卓越物理學家與數學家巴斯葛(B.Pascal)，製作了第一部機械動作的十進制加、減法器。
 
一六七二年，德人萊布尼茲(B.V.Leibnitz)更仔細地研究巴氏的機器而製造了更精確、更有效率的計算器，不但能執行加、減運算，並可做乘、除與開平方，成為第一部符合於數學家及記帳員需要的一般用途計算器。
 
一八○四年，法籍機械師傑克瓦得(Jacquard)提供了一項觀念的突破，利用打孔卡片以控制織布機的操作，為日後卡片輸入的起始。
 
一八二二年，英人巴培治(C.Babbage)發明差分機，用以計算數學表格，其後更發明了分析機，但因受經費、技術及社會的限制，一直未能完成，但其觀念已包含了近代數位電子計算機的基本功能(如輸入、輸出、資料儲存及處理程式等)，因此巴培治被譽為近代數位計算機之父。
 
有關程式中之迴路、副程式觀念，也在這些年代中確定了。
 
一八九○年，美人哈里士博士(Dr.H.Hollerith)根據傑克瓦得的觀念設計了一套卡片運算系統，透過卡片上的孔，利用電磁原理以驅動此一統計登錄機，此系統曾為美國一八八○年戶口調查之結果製表，登錄時間節省三分之二，運算速度為人工八倍。
 
一九三九至一九四四年間，美國哈佛大學與萬國商業機器公司在愛肯(H.Aiken)主持下完成了馬克一號計算機，該機為世上第一部全自動計算機。
 
全機由七十五萬個繼電器組成，執行加法一次要三分之一秒，乘法要三秒，對數約九十秒。
 
四十年代真空管的技術已臻成熟，計算機開始進入電子時代。
 
一九四六年，美賓州大學完成的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratingAutomaticComputer)，即為世上第一部電子數位計算機。
 
該機由一萬八千個真空管組成，每秒可執行加法五百次或乘法三百次，重三十噸，耗電一百五十瓩(由伊克特J.P.Eckert及莫克萊J.W.Macheley主持製造)。
 
一九四七年，路曼博士(Dr.J.V.Newman)提出了內儲程式的觀念，計算機進入了現代的結構；
 
如一九五一年的UNIVACI(UniversalAutomaticComputer)，即為第一部商用電子計算機(由雷明頓公司Remington製造)。
 
該機即為內儲程式計算機，由真空管及二極體組成，每秒可執行加法或減法二千次或乘法五百次或除法二百五十次。
 
一九五八年至一九六四年間，電晶體問世，使得計算機的體積大為縮小，計算速度更以百萬分之一秒為單位，使用了磁帶、磁碟做為儲存媒體，為第二代電子計算機，如IBM七○七○、七○九四，CDC三六○○等均屬之。
 
在結構上使用了中斷系統，在組織上增加了資料通道，開始了平行處理的能力。
 
一九六四年後，積體電路發展成功，計算機更形縮小，速度更快、可靠度更高、消耗電力更少、成本更低，並有多種的輸入、輸出裝置，為第三代電子計算機，如IBM三六○系統。
 
一九七一年後，更由於大型、超大型積體電路研製成功，計算機的形態也在蛻變中，一些超大型計算機即將問世。
 
計算機的結構(即硬體)，只是一些邏輯元件的組合，必須靠著某些指令才可執行任務，指令組成了程式，而程式所使用的語言也隨著計算機的演進而遞變，這就是所謂的軟體。
 
早期的計算器，因未使用內儲程式的方式，也沒有語言，直到第一代電子計算機才開始有軟體的萌芽，由機器語言、組合語言而高階語言，一切以易於使用為原則，今日已大部分使用高階語言了，如FORTRAN，COBOL，BASIC，PASCAL，PL/I，APL，ALGOL…等。
 
而控制整部計算機動作的作業系統，也隨著系統的複雜與需求而有很大的進展。
 
科技一天天地進步，硬體的成本將繼續的下降，然而由於系統的複雜與直接人工的參與，軟體的成本卻將逐步攀升，預測今後計算機成本將以軟體為主。
 
由於人類知識的累積與大量創造的結果，造成情報、資料的劇增，藉著與生俱來的兩大特性-神速與精確，數位計算機已成為處理大量資料與繁複計算最有效、最可靠的工具，更由於大量資料的流通，今後將導致通信與計算機的結合，屆時不僅空間縮小了，時間也將因此而被更有效地利用，計算機將扮演著更重要的腳色。
 
(謝忠健)
 引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9082

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