計算機
計算機（computer，亦稱電腦）是一種能夠根據存儲的程序指令自動處理數據、進行算術和邏輯運算，並輸出結果的電子設備。其系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設備等，軟件則分為系統軟件和應用軟件[1]。自20世紀中葉誕生以來，計算機從最初的軍用數值計算工具發展為通用信息處理平台，成為資訊時代的核心基礎設施之一，廣泛應用於科學計算、商業數據處理、工業控制與人工智能等領域[1]。
| 計算機 | |
|---|---|
| 中文名 | 計算機 |
| 外文名 | computer |
| 別名 | 電腦 |
| 組成 | 硬件系統、軟件系統 |
| 分類 | 超級計算機、大型計算機、個人計算機、嵌入式計算機等 |
| 主要應用 | 科學計算、數據處理、過程控制、人工智能等 |
| 涉及學科 | 計算機科學、計算機工程等 |
計算機的發展歷經了從機械式計算設備到現代電子計算機的演變。
早期計算輔助工具包括算盤等手動裝置。17世紀，機械計算器出現：1642年布萊茲·帕斯卡發明了齒輪式加法器，此後戈特弗里德·萊布尼茨研製出可進行乘除運算的步進計算器[1]。19世紀，查爾斯·巴貝奇設計了分析機，其程序存儲的思想成為現代計算機的理論先導[1]。
20世紀40年代，電子計算機問世。1946年，賓夕法尼亞大學完成的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）通常被認為是世界上第一台通用電子計算機[1]。隨後，馮·諾依曼等人提出了「存儲程序控制」架構，將程序指令和數據一同存放在存儲器中，由中央處理器順序讀取執行——這一原理奠定了絕大多數現代計算機的設計基礎[1]。
根據核心電子器件的更新，計算機發展經歷多代演進。第一代使用電子管，體積龐大且能耗高；第二代採用電晶體，顯著縮小了體積並降低功耗；第三代開始使用中小規模集成電路；第四代及以後大規模和超大規模集成電路使得整個中央處理器可集成於單塊晶片上，推動了個人計算機的普及[1]。目前計算機繼續向更高性能、更低功耗和多樣化形態（如可穿戴設備、嵌入式系統）發展。
計算機可按不同維度分類。
- 超級計算機：用於處理極端複雜的科學計算任務，如氣象模擬、基因分析、核物理仿真等。
- 大型計算機：支持大規模並發事務處理，常見於銀行、保險、大型企業的核心交易系統。
- 小型計算機：服務於中等規模的部門或機構。
- 微型計算機：即個人電腦（PC），包括台式機、筆記本電腦、平板電腦等，廣泛用於辦公、學習和娛樂[1]。
- 數字計算機與模擬計算機：前者處理離散的二進制數據，是當前主流；後者處理連續變化的物理信號。
- 通用計算機與專用計算機：通用計算機可運行多種軟件，專用計算機則為特定任務（如嵌入式控制器）優化。
- 嵌入式計算機：隱藏在各類設備內部（如汽車、家電、工業機器）中的專用計算系統。
一個完整的計算機系統由硬件和軟件兩大部分構成。
硬件指計算機系統中所有物理部件，主要包括：
- 中央處理器（Central Processing Unit，CPU）：執行指令的核心部件，內部包含運算器、控制器和寄存器。
- 存儲器：分為內部存儲器（內存）和外部存儲器（硬盤、固態硬盤等）。內存用於臨時存放CPU正在處理的數據，外部存儲器用於長期保存程序和數據[1]。
- 輸入設備：如鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀等。
- 輸出設備：如顯示器、打印機、音響等。
- 主板與總線：連接各硬件並傳送數據與指令。
軟件是程序、數據和文檔的集合，用於指揮硬件完成特定任務：
- 系統軟件：管理硬件資源並為應用軟件提供運行環境。作業系統是核心（如Windows、Linux、macOS），此外還包括驅動程序、編譯程序、數據庫管理系統等。
- 應用軟件：面向具體任務的程序，如文字處理軟件、電子表格、瀏覽器、圖像處理軟件、遊戲等。
- 科學計算：解決複雜的數學和工程問題，是計算機最早的應用方向之一。
- 數據處理與信息管理：進行大量數據的存儲、檢索、統計和管理，應用於銀行交易、企業資源計劃、政務系統等。
- 過程控制：在工業生產線、電力系統、交通信號等場景中，計算機實時採集數據並控制執行設備。
- 計算機輔助技術：CAD/CAM等工具輔助工程設計與製造。
- 人工智能：運用機器學習、自然語言處理等方法，實現圖像識別、自動駕駛、智能推薦等先進功能。
- 網絡與通信：通過互聯網和內聯網實現全球範圍內的信息交換與協同工作。