谈谈电子计算机

电子计算机这门独立的学科，从出现到现在只有十几年的时间。但是它的发展却极为迅速。目前世界上的电子计算机总数已达万台以上，并且有几百个专门设计和制造电子计算机的工厂。

电子计算机这样迅速的发展，是由于现代科学技术领域需要进行大量的复杂的运算。例如，解算导弹空间运动的整个微分方程组，熟练的计算人员需要二年的时间，而利用电子计算机只要二十分钟。如果没有电子计算机，洲际导弹的飞行、人造卫星的发射和宇宙飞行等将成为不可能的事情。苏联发射的人造卫星和宇宙飞船所以能按照预定的轨道运动，并在预定地点着陆，就是依靠电子计算机进行了精确的计算和控制。现代快速电子计算机能够在一秒钟内完成几万次、几十万次、甚至上百万次算术运算。

电子计算机不但能够进行算术运算，而且能够进行逻辑操作，如选择“是”与“非”，比较数字，选择所需数值，确定数的符号等。因此成为辅助和在一定的范围内代替人类脑力劳动的强有力的工具。现在已有各种不同用途的电子计算机。控制机能够进行生产过程的自动控制、飞机的自动飞行和列车的自动驾驶，翻译机能够把一种语文翻译成另一种语文，情报机能够迅速而有效地处理大量科学技术情报，统计机能够自动完成各项复杂的经济统计工作、编制精确的国民经济计划和执行一般的行政管理事务，学习机能够进行学习、作曲、下棋、做游戏等等。电子计算机还能够模仿人对周围环境高度适应的能力，随着外界条件的变化而改变本身的接线方式，构成所谓“自调自学系统”。近来，正在研究一种叫做电子脑的电子计算机，以模拟人的思维活动。如果说，从前技术进步的基本任务在于解决体力劳动的机械化，那么从20世纪中叶开始，由于电子计算机的出现，科学技术已经向解决智力劳动机械化的方向前进了。这对人类进步将会发生极深刻的影响。当然，无论哪种电子计算机，都不能代替人的大脑，都不能像人脑那样进行复杂的思维活动。因为它本身是一种产品，是人的智慧的创造，必然低于人的智慧。

此外，电子计算机为物理学、化学、生物学、经济学、语言学、工程技术等方面广泛运用数学方法开辟了新的可能性，促使这些学科变为所谓精确学科。同时，电子计算机又把现代科学技术各个不同领域，例如计算数学、数理统计、概率论、博奕论、数理逻辑、控制论、电子学、薄膜技术、神经生理学等等，综合起来了。这样一来，不但促进了这些学科的进一步发展，且形成了一系列所谓边缘学科，例如数理语言学，神经经济学、大脑控制论、仿生电子学等等。

由此可见，电子计算机的发展前途极为广阔，对生产、国防、科学研究都有很重要的作用。

电子计算机有两种基本类型。一类是电子模拟计算机，一类是电子数字计算机。

电子模拟计算机，实际上就是某一类物理现象的数学模型。要进行各种运算的数，是用某些物理量（例如电流、电压等等）来模拟的。最简单的例子，可以用图1来说明。图1中П\(_{1}\)和П2是两个电位计，在这两个电位计上，可以设置两个相当于被加数的电压U\(_{1}\)和U2。很明显，根据伏特计V指示的电压U=U\(_{1}\)+U2，很容易得出U\(_{1}\)和U2所相当的被加数的和。利用比较复杂的类似线路，能够构成进行算术运算、三角运算、积分运算等等的计算装置。因为在电子模拟计算机内，是用一些物理量的连续量值来表示的，所以这种计算机又称为连续式电子计算机。

电子数字计算机，是以数值计算的方式来进行工作的。任何计算问题或逻辑问题，都可归结为顺序地完成一系列算术计算（加、减、乘、除）或逻辑操作。例如，任何微分方程的数值解都可以化成算术的四则运算，而任何分析与综合问题，均可化成各种基本的逻辑操作。在电子数字计算机里，参加解题的数值是用元件的不同状态来表示的，例如电子管接通表示1，电子管关闭表示0，接通与关闭之间没有连续性，所以电子数字计算机又叫做不连续式电子计算机。由此可见，在使用电子数字计算机时，必须先把问题用数字来表达，计算结果也以数字形式表达出来。

电子数字计算机与电子模拟计算机比较，具有以下优点：

第一，电子数字计算机的通用性大，可以解算很多类型的数字问题和逻辑问题。而电子模拟计算机，在制成后，就只能求解一定类型的问题，因此电子模拟计算机多少是专用性质的，但结构比电子数字计算机简单。

第二，电子计算机计算的精确度很高，并且只要增加计算机内表示数值的元件的数量，也就是增加表示数的位数，就可以提高计算的精确度。它不受制造工艺的限制，对元件的准确性要求不高。在电子模拟计算机中，表示数值的准确度则受到计算机制造工艺上的限制，并且受干扰和电源电压变化的影响，在快速工作时不易以很高的精确度来确定和测量电压或电流。

由于电子数字计算机有这些优点，所以对它的研究和应用都比较广泛。

电子数字计算机与大脑控制系统的工作过程，极为相似。通常，在脑力劳动时，主要是利用第二信号系统的刺激作用，即文字和语言这两种形式的刺激作用，通过视觉器官和听觉器官来接受外界的信息。收到的信息，以“神经脉冲”的形式通过有关神经网络传到中枢神经系统。然后进行复杂的脑力劳动，其中最主要的是记忆、复制和思维。所谓记忆，就是把以神经脉冲形式传入的信息，在记忆细胞上刻上相应的痕迹存储起来。所谓复制，就是根据记忆细胞上所刻痕迹发出相应的神经脉冲，反映一系列需要的概念，构成所谓“内部信息”。思维活动则是根据一系列外部信息（例如文件、书籍、字典等等）和内部信息进行分析和综合。分析和综合的结果，又以神经脉冲形式通过有关神经网络传到执行器官，把神经脉冲再度变换成文字和语言，以手写口读的形式表达出来。全部脑力劳动过程都由中枢神经系统控制。

在电子数字计算机里，由输入器（相当于视觉和听觉器官）接收信息，并把信息变成电脉冲送到存储器（相当于记忆细胞）存储起来。再由控制器发出命令，从存储器中提取（复制）所需的原始数据和解题程序，输入运算器进行算术运算或逻辑操作，这相当于大脑的思维活动。运算结果又送到存储器，在控制器的作用下由存储器以电脉冲形式送到输出器，输出器再把电脉冲变换成数字代码或文字，直接打印出来。计算机的全部工作都由控制器直接控制，自动进行，很明显，控制器相当于大脑的中枢神经系统。

根据以上分析，可以看出，电子数字计算机必须具有以下五个基本组成部分:

1．运算器 用来对数字进行各种运算和逻辑操作；

2．存储器 用来接收、存储和传送需要进行运算的数字；

3．控制器 用来控制计算机按照一定的程序进行工作；

4．输入器 用来把问题的原始数据及解题程序输入计算机内；

5．输出器 用来把计算机运算的结果打印出来。

在图2中画出了以上各部分相互联系的方框图。在解题之前，先由程序设计员进行程序设计，准备好问题的原始数据和解题程序。再由操作员用电动穿孔机，把这些用数字代码编好的数据和程序指令（包括运算代码和地址指令），打到穿孔卡片或穿孔带上。然后，把全套穿孔卡片或穿孔带装进输入器的读写装置内，用机械摸孔或光电探孔的方法从穿孔卡片或穿孔带上接受数据，并把这些数据以电脉冲的形式送入存储器。存储器中分成许多单元，每个单元都有固定的编号，称为单元地址。原始数据和程序指令都以数字形式保存在存储器单元中，一个单元可以保存一个数或一组数，也可以保存一道指令或一组指令。开始运算时，控制器从存储器中取出第一道程序指令，把运算代码送入运算器，指示运算器当前应执行哪一种算术运算或哪一种逻辑操作。同时，向存储器发出地址指令，指出当前需要进行运算的数保存在哪一个单元里，并取出来输入运算器中按控制器送来的运算代码进行运算。在地址指令中，还指示存储器把从运算器送来的运算结果，保存在哪个单元里。这些工作完成后，就执行了一道指令。此后，控制器按照指令编号顺序或转移指令的规定，从存储器中取出下一道指令，按上述相同步骤进行运算，直到全部解题程序执行完毕为止。运算结果，从存储器送入输出器，在输出器中信号脉冲重新转换成打印的数字代码，或直接打印成数字和文字。

在运算过程中，运算器还将中间运算结果标志送入控制器，控制器发出信号，使操作员监视整个运算过程。

在电子数字计算机里，为了提高运算速度，不但要求存储器的存储量要大，而且要求存储器接受和给出数字的速度要快。因此，存储器往往分成两组：内存储器和外存储器。内存储器又称记忆器，相当于大脑记忆神经细胞的作用，通常采用铁氧体制成的磁心存储器，存储量不大，只能保存1024、2048或4096个数，最多只能达到65536个数，但工作速度极快，存取时间最快可达0.2微秒。内存储器与运算器直接相联,给出参与运算的数字，并接受运算所得到的结果，只存储接近计算所需要的数据。外存储器又称聚集器，相当于人们查阅的种种科学文献,起着外部记忆的作用。外存储器通常采用磁鼓存储器或磁带存储器，存储量在原则上没有限制，实际上已有保存10亿个数的外存储器。外存储器并不直接与运算器相连，而仅与内存储器相连，作为内存储器的备用器。内存储器与外存储器不断交换信息：当前的程序所需的全部数据，由外存储器送入内存储器；已经计算过的数据及计算结果，又由内存储器送入外存储器。这样，电子数字计算机就能很快地解决多种多样的问题，具有通用的性能了。

以上只是简单地介绍了电子计算机的一些基本常识。为了进一步理解电子计算机的工作原理。需要学习脉冲技术的有关知识，这里就不多谈了。（陈中基）