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电子学与计算机

电子学是一门以应用为主要目的的科学和技术。

电子学是以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。它作为新的信息作业手段获得了蓬勃发展。

电子是基本粒子家族中的一个主要成员。电子的静止质量是9.10953×10-28克,为氢原子质量的1/1836。电子荷有1.602189×10-19库仑的负电。宇宙间存在着电子的对立物──正电子,但它的寿命很短,一般情况下是不存在的。质子荷有与电子电荷绝对值相等的正电荷,是氢原子质量的主要构成部分。在通常情况下,原子含有等量的电子和质子,对外不显电性。但当它俘获或失去电子时对外显现电性,称为离子。离子在电子学中也占有一定的位置,但远不如电子的应用广泛。电荷周围伴有电场,电场对电荷产生力的作用。电荷的运动产生电流,电流周围又伴有磁场,磁场对磁体或电流产生力的作用。当电流变化时,周围的电场和磁场也会随之发生变化。这种变化以波的形态携载能量以一定的速度向外传播,这种波称为电磁波。电流变化越快,所产生的电磁波波长越短,但传播速度不变。电磁波在真空中的传播速度为每秒 299792.46公里。电磁场和电磁波还能和带电粒子发生相互作用,产生能量变换。理论和实践都证明,光波、X射线、γ射线等都是电磁波,只是波长不同。电子和电磁波具有波、粒二象性;在电子运动速度极高和电磁波波长极短时,波、粒二象性十分显著。

电子在真空、气体、液体、固体和等离子体中运动时产生的许多物理现象,电磁波在真空、气体、液体、固体和等离子体中传播时发生的许多物理效应,以及电子和电磁波的相互作用的物理规律,合起来构成电子学的基础研究的主要内容。电子学不仅致力于这些物理现象、物理效应和物理规律的研究,尤其致力于这些物理现象、物理效应和物理规律的应用。电子学作为科学技术的门类之一具有十分鲜明的应用目的性,这是电子学的重要特点之一。电子学是为信息事业、能源事业和材料事业服务的。

信息作业的基本内容可以概括为信息的采集、变换、传输、交换、存储、处理和再现等。电子学为当代各种信息作业提供了强有力的技术手段,如计算机、通信网、广播电视网、雷达、遥感技术等,极大地增强了人类的感官和大脑的作用,使现代人类社会的生产活动、经济活动和社会活动的效率大大提高。电子学使人类跨入了信息社会的新阶段。

能源供给人类生产和生活以所需的动力。核能和太阳能正日益受到重视,太阳能是可再生能源。据计算,太阳辐射到地球上的峰功率达一百几十万亿千瓦。用半导体制成的太阳电池是利用太阳能的重要手段。电子学在开发和利用新旧能源方面,日益显示其重要作用。一门新兴分支学科──能电子学正在兴起。

材料是现代人类社会赖以存在和发展的物质基础。电子学在改造现有材料、创造新型材料、进行材料分析和材料加工作业中,同样也发挥着重要作用,并且往往是通过电子技术改变能态而实现的。

经历了约一个世纪不停息的开拓和发展,现代的电子学已发展成为当代最引人注目的专业和学科之一。

电子学的历史

电子学诞生迄今只有100年左右的历史,它是在早期的电磁学和电工学的基础上发展起来的。

在电子学诞生之前,人类对于电磁现象的研究已相当深入。一系列物理定律已经确立,如库仑定律、安培定律、 欧姆定律、 楞次定律、法拉第电磁感应定律等。英国J.C.麦克斯韦集以往电磁学研究之大成,建立了电磁学的完整理论──麦克斯韦方程,并从理论上预言了电磁波的存在。与此同时,人们对电磁学的利用也达到了一定的水平,有线电报和有线电话已相继发明,并且有了横贯美洲大陆的电报、电话线路和横跨大西洋的海底电缆。美国T.A.爱迪生发明了白炽灯。所有这些,都为电子学的诞生准备了充足的条件。

标志着电子学诞生的两个重大的历史事件,是爱迪生效应的发现和关于电磁波存在的验证实验。1883年,爱迪生在致力于延长碳丝白炽灯的寿命时,意外地发现了在灯丝与加有正电压的电极间有电流流过,电极为负时则无电流,这就是爱迪生效应。这一发现导致了后来电子管的发明。

1887年,德国H.R.赫兹进行了一项实验,他用火花隙激励一个环状天线,用另一个带缝隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。

电子学在发展过程中取得了许多有重大意义的成就。

无线电报

还在电子学诞生以前,美国S.莫尔斯就于1837年发明并建成了电报线路,赫兹的实验则架起了一座从“有线”通向“无线”的桥梁。1895年,意大利G.马可尼在赫兹实验的基础上成功地进行了 2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年,俄国А.С.波波夫也独立地进行了约250米距离的类似试验,他传送的第一份电文就是“赫兹”。此后数年,马可尼在英国进行了一系列卓有成效的工作,使得无线电报的传送距离不断延伸。1899年,跨越英吉利海峡的试验成功;1901年,跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报的发展以及由此开创的无线电通信事业上的成就,获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。

无线电报的发明,是人类利用电磁波的第一个巨大成就,电子学从此开始了一个研究和利用电磁波的极其兴旺的时期。

电子管

爱迪生虽然发现了热电子发射效应(即爱迪生效应),但他并未意识到这一效应的意义,而且对它的机理也不清楚。1897年,英国J.J.汤姆逊揭示出形成爱迪生效应的荷电粒子是电子,爱迪生效应乃是一种热电子发射现象。1904年,英国J.A.弗莱明第一个把爱迪生效应付诸实用,发明了二极电子管。二极电子管的发明为无线电报接收提供了一种灵敏可靠的检波器。1906年,美国L.德福雷斯特发明具有放大能力的三极电子管,为当时蓬勃发展的无线电报通信事业提供了一种极其有用的器件。三极电子管以后,又出现了四极管、五极管、更多极的电子管和复合管,形成了包括收信管、发射管、低频管、高频管、微波管和超小型管等系列。

电子管是电子器件的第一代,在晶体管发明以前的近半个世纪里,电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子学随后取得的许多成就,如电视、雷达、计算机的发明,都是和电子管分不开的。就是在固体电子学十分兴旺的现代,以大功率电子管(特别是微波功率电子管)和电子束管为代表的真空电子学也仍然是一个活跃的领域。

广播与电视

1876年,美国A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来。G.马可尼发明无线电报,促成了无线电话和无线电广播的出现。1906年,美国R.A.费森登进行了一项很有意义的实验,他用50千赫频率发电机作发射机,用微音器直接串入天线实现调制,首次使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐,这是无线电广播发明的先声。1916年,美国G.D.萨诺夫最先提出向公众进行无线电广播的设想,但因第一次世界大战爆发而未能实现。1919年,第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年,在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。此后,无线电广播事业即在世界范围内得到普及,从中波扩展到短波、超短波,从调幅扩展到调频、脉冲调制等,卫星直播也已实现。

电视的发明可追溯到1884年德国P.G.尼普科夫关于机械扫描电视的设想。把尼普科夫设想付诸实现的是英国J.L.贝尔德。1927年,他成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。不过这还不是现代类型的全电子电视,第一个对全电子电视作出实际贡献的是V.K.兹沃雷金。他在1923年和1924年相继发明了摄像管和显像管。1931年,他组装成世界上第一个全电子电视系统。此后几年,迭经改进,约在30年代末,英美先后开始了试验性的电视广播。第二次世界大战后,电视广播便在各国逐渐普及。

广播、电视的发明,不仅使人类的文化生活更加丰富多彩,而且为人类提供了一种公共的信息媒介。

雷达

物体,特别是金属物体(如舰船),具有反射电磁波的能力,在赫兹、马可尼、波波夫时代早已为人所知。在雷达发明之前,利用脉冲无线电装置测量电离层高度的工作已进行多年。第二次世界大战前夕,在飞机成为主要进攻武器的情况下,英、美、德、法等国均投入较多的人力,竞相研制一类能早期警戒飞机的装置。1936年,英国R.A.沃森-瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。它架设在英国的东岸,有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年,美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达,大大提高了火炮的命中率。1940年,出现能产生微波高功率的多腔磁控管,次年,第一部微波雷达研制成功。1944年,能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年,能消除背景干扰显示运动目标的动目标显示技术的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电子学中最活跃的部分之一。近炸引信也属于雷达性质,它成百倍地提高了炮火威力。

电子计算机

计算工具的发明,经历了漫长的道路。从古代中国的算筹和算盘到16世纪西方的计算尺和齿轮式计算机,从机械式计算机到电子计算机,从手动计算到自动计算,从十进制到二进制,是一个逐步发展的过程。电子计算机的应用越来越广泛,从科学计算扩展到事务管理、过程控制、情报检索、人工智能等许多领域,对人类的生产和生活产生了巨大的影响。

晶体管

正当电子管进入全盛时期,美国贝尔实验室的物理学家看到电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性,在客观需要的推动下着手固体器件的研究。1948年,贝尔实验室宣布J.巴丁、W.H.布喇顿和W.B.肖克莱研制成晶体三极管。初期的晶体管是点触式的,制造比较困难,稳定性较差,但它毕竟是时代的标志。1957年,贝尔实验室的D.斯帕克斯发明面结型晶体管,克服了点触式晶体管的缺点,使得问世不久的晶体管的地位巩固下来。后来,由于材料工艺方面取得进展,肖克莱早期设想的场效应晶体管也实现了。

晶体管的发明将电子学推向了一个新的阶段。电子学在以后取得的许多成就,如集成电路、微处理器和微型计算机等,都是从晶体管发展而来的。

集成电路

1958年,美国得克萨斯仪器公司宣布一种集成的振荡器问世,首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上,构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年,美国仙童公司宣布制成一种集成的触发器。从此,集成电路获得了飞速的发展。数字集成电路从小规模到中规模、大规模,乃至到超大规模,集成度越来越高,使过去的中小型计算机乃至大型计算机得以微型化,进入了微型计算机的时期。与此同时,模拟集成电路也获得了发展。

集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面,使传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的封装好的器件体积和功耗都很小,具有独立的电路功能,甚至具有系统的功能。单片微波集成电路也已进入生产阶段。集成电路的发明使电子学进入了微电子学时期,是电子学发展的一次重大飞跃。

卫星通信

1957年,苏联发射人造地球卫星成功,宣告了空间时代的到来。1958年,美国发射低轨道的“斯科尔”卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1962年,美国发射中轨道的通信卫星“电星”-Ⅰ号。1963年,美国把“辛康”-Ⅱ号射入距离地球约35800公里的同步轨道,成为第一颗定点同步通信卫星。1964年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。到1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国,这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展,终趋于成熟。

用定点同步通信卫星作为中继站,为洲际信息传递提供了一种稳定而又可靠的手段,也解决了幅员广大的国家的国内通信问题。卫星通信的成功是通信技术,也是电子学的又一次飞跃。

光频的开拓和利用

电子学发展的一个重要方面,表现在电磁波谱利用的扩展上,其中特别是对光频段(包括红外和紫外)的开拓和利用上。麦克斯韦在他创立的经典电磁理论中,就已经阐明了光的电磁本质。人类对光的认识和利用远在电子学诞生之前。但是,在激光器发明以前,人们所涉及的,主要是非相干光。

1954年,美国C.H.汤斯用致冷的氨分子作工作物质,研制成世界上第一台微波激射器。稍后,苏联Н.Г.巴索夫和 А.М.普罗霍洛夫也研制成以氟化铯为工作物质的微波激射器。1958年,汤斯与A.L.肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和光频段。1960年,美国T.H.梅曼研制成第一台激光器──红宝石脉冲激光器。此后不到一年,第一个连续激光器──氦氖激光器研制成功。从此,用于信息技术的电磁波谱,从无线电频段扩展到了光频段,从而使已经显得十分拥挤的无线电频段得到了缓解。

激光器的出现,使英国D.盖伯在1946年发明的全息摄影技术获得了新的活力,并为后来的高密度大容量信息存储技术奠定了基础。激光器的问世,也导致了大容量光纤通信的出现,使通信技术继卫星通信之后发生了又一次飞跃,这又是一个重大进展。

应用基础科学

电子学在实践上所取得的一系列重大成就,和它在应用基础科学方面所取得的成就是分不开的。

在20~30年代,由于对载波、长途和音频通信的需要,人们研究电路网络、模拟滤波器、传输线、听觉和音响等,并取得了重大进展。

在信息论和通信理论方面,信息的度量,信息传输(即通信)的有效性和可靠性,是这方面的主要问题。1924年,H.奈奎斯特首先证明了信息传输的速率与信道带宽成正比。1928年,R.V.L.哈特莱证明,信息量与信息长度的对数成正比。可以说,这是关于信息度量的先驱性工作。1948年,C.E.仙农把信息的研究置于统计学的基础上。他通过引入信息熵的概念,解决了信息的度量问题。他的更重要的功绩是给出了信息传输能力的极限公式、关于信源和信道编码的定理,以及关于信息率失真函数的概念。仙农因此成为信息理论的奠基人。在另一个方面,1942年,D.O.诺斯提出了最佳滤波器的概念;1948年,В.А柯捷尔尼科夫创立了最佳接收机的理论;1950年,P.M.乌特沃德提出了模糊函数的概念,他因此成为现代雷达检测理论的先驱。

控制和系统理论方面的成就对现代电子学的发展产生了很大的影响。从电子学的角度来说,应当特别提到以下几个早期的事实:尽管J.瓦特早已发明负反馈的速度调制器,到1928年,H.布莱克才从电路角度提出了负反馈的概念;1932年,H.奈奎斯特将此原理用之于电路稳定性分析;1942年,N.维纳提出了关于平稳随机信号的平滑、滤波和预测的理论;1949年,N.维纳对机器和动物中的通信与控制问题作了高度的概括,创立了控制论这一新的学科。50年代后期,状态变量概念的引入,使控制和系统理论有了一个大的飞跃。1957年,R.贝尔曼创立了动态规划理论;1958年,Л.С.庞特里亚金提出了极大值原理;1960年,R.卡尔曼把维纳问题推广到多变量、非平稳的情形并给出问题的递推解,他还提出了可控性和可观性两个概念。

电子学历史上所取得的成就是多方面的,每一分支专业或学科都有自己的应用基础科学的成就。理论与实践,循环往复,相辅相成,不断提高,把整个电子学推向一个又一个新的阶段。

中国的电子学进展

中国是有着悠久历史的文明古国,有着光辉灿烂的文化。但是,从1840年的鸦片战争以后,中国逐渐沦为半殖民地半封建的国家。中国不仅在政治上遭受压迫,在经济上遭受剥削,在科学和教育上也十分落后。这种情况一直持续到1949年中华人民共和国成立。在这一百多年的时间里,前半段正是电磁学和电工学在西方蓬勃发展、电子学孕育诞生的时期;后半段正是电子学在西方迅速成长并取得辉煌成就的时期。在这一时期,中国却基本上处于电子学发展的洪流之外。中华人民共和国成立之前,只有少数的几家修造厂和器材厂,以及少数几所大学能培养少量电信人才。

电子学和电子工业在中国的创建和发展,是在中华人民共和国成立以后才开始的。

1949~1952年是中国的经济恢复时期。这段时期的主要成就表现为:国家成立了电信工业管理局,统一领导全国的电信工业;改造了接管过来的几家工厂,并很快制造出一批无线电台和军用步谈机,在中国历史上第一次能成套地生产接收电子管;一批电子学科技工作者从海外归来参加国家建设。

1953~1957年是中国第一个五年计划时期。这段时期的主要成就是:建设了一批以元件器件、通信和雷达为重点的骨干企业,研制和生产了一批广播设备、通信电台、军用雷达;在十多所高等院校中成立了无线电系科,创建了专业性的研究院和研究所;第一次制订了发展电子科学的十二年规划。

1958~1965年的主要成就是:完成了为研制原子弹和导弹以及进行试验所需的电子配套工程;研制并生产了一批军用雷达、电台和其他通信装备;建成了1000千瓦中波广播发射台,10信道电视中心和10千瓦黑白电视台;建立了邮电科学研究院、电子工业研究院及其所属研究机构。

1966~1976年是动乱的十年,中国在极其困难的条件下获得的进展主要有:第一颗人造地球卫星发射成功;第一台集成电路计算机研制成功;自行设计和制造的地球站建成;25米天线的巨型跟踪雷达投入使用;第一部巨型相控阵雷达进行试运转。

1977年以来,中国的电子学进入了新的振兴时期,获得了许多重大成就。其中有代表性的成就是:成功地发射了一颗实验定点通信同步卫星;建成了全国卫星测控网;研制成千万次向量计算机和亿次计算机;研制成16千位随机存储器和8位微处理器;建成了京沪杭1800路中同轴电缆通信系统;光纤通信系统相继在上海、天津和武汉并入市话网,达到了实用阶段;初步建成了全国电视网、电视发射台和差转台,总数已达5600余座;在国家科学技术委员会的领导下,制订了发展电子科学技术的十年规划。

电子学的专业和学科体系

现代电子学是一个庞大的专业和学科体系,在这个体系里包含有众多的分支。它们有机地结合在一起,形成了电子学的统一整体。这些分支,按性质可划分为四大类,即:系统与大系统技术;基础理论与基础技术;元件、 器件、 材料与工艺;交叉专业和学科类。现代电子学犹如一株枝叶繁茂的大树,深深地扎根于应用物理、应用化学、应用数学等基础学科的沃土之中。

系统与大系统技术

属于这一类的分支学科有:通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、计算机、能电子系统,以及综合多种系统技术的大型电子系统。其共同特点是用电子学方法实现具有某一种或多种社会和军事应用的功能。

通信是以电子学方法,实现从点到点(人与人,人与机器或机器与机器)的信息传输的原理、技术和系统。广播是将语言、音乐和活动的与静止的图像、文字向公众播发,并由公众接收、录放的原理、技术和系统。电视是图像和文字以及与之伴随的声音等的摄取、传输、再现、播发、接收、录放的原理、技术和系统。雷达是利用物体对电磁波的散射现象以发现飞机、导弹、船舰等目标,并获取这类目标信息的原理、技术和系统。遥感技术主要是在空中利用地物、云层等的辐射电磁波,观察地面和大气中的现象,从而取得地理、地貌、地质、植被、水文、气象等有用信息,也可用于军事。遥感技术也可在地面上应用。导航是以电子学的方法确定船舰、飞机、车辆等的位置并引导其向目的地进发的原理、技术和系统。电子对抗是敌对双方利用电子手段进行侦察和干扰的原理、技术和系统。测量和监测系统不仅广泛用于电子科学技术,而且电子测量和检测技术手段还广泛用于各行各业,包括电量和非电量测量。

计算机是用电子学方法实现数值计算、逻辑作业、数据处理、过程控制、信号与信息处理、计算机辅助设计、专家系统等的原理、技术和系统,包括各种计算机硬件和软件等。计算机是电子学中最大的一个分支学科,并正在逐步向自成体系的单独的专业和学科发展。能电子系统是指用电子手段进行能和动力的作业,如用太阳电池发电,用微波、高频、激光、超声波等进行处理和加工,利用电子计算机调度和微处理器控制节约电能等。

大型电子系统是多种具有不同功能的电子系统有机地结合起来,协调地运行,形成具有信息反馈和控制功能的庞大复杂的系统。例如,综合业务数字网环球空间监视系统,航天测控系统、指挥-控制-通信系统等。

基础理论和基础技术

属于这一类的分支学科有:电子线路与网络分析、微波、天线、电波传播、测量、电源、显示技术、信号处理、 信息论、 自动控制原理、可靠性理论等。它们是构成功能性电子系统所需的各种技术手段或基础理论。

电子线路与网络是由电子元件和电子器件组成的功能性电子单元。电子线路有线性的、非线性的、模拟式、脉冲式和数字式几大类,能实现滤波、频率平衡、振荡、放大、调制、变频、脉冲形成、开关、移位、记忆、计数等多种功能。微波技术是有关分米波、厘米波、毫米波等的传输、辐射、测量和应用等的理论和技术。天线是将约束在传输线内的电磁能转换成向指定空间辐射的电磁波或相反过程的理论、技术与装置。电波传播是有关电磁波在对流层、电离层、地表面、水下或其他均匀的与不均匀的媒体中传播时产生吸收、反射、折射、绕射等的理论、方法和实验研究。测量是指在极宽电磁波谱上电磁参量的测量,包括电子元件、器件、材料、线路和电子装置的基本参量的测量,各种电子信号的特征参量和电磁能的测量,网络参数的测量以及与这些测量有关的理论、技术和装置。

电源是用电子方法使化学能、热能、核能、太阳能、交流电能、直流电能、高频能、微波能、超声能、激光能等相互转变,以供各种用途。

显示技术是将信息以文字、表格、图形等方式提供给信息收受者的技术,包括静态的和动态的。信号处理是将语言、图像、雷达等电信号或其他电测非电信号进行诸如过滤、平滑、压缩、变换、重构之类加工过程的理论和技术,以及这些理论和技术在电子和非电子领域中的应用。信息论研究有关信息的度量、 编码、 传输、处理的一般性理论,是关于广义通信系统的概括性理论。自动控制是使受控对象达到指定状态或预定功能的理论和技术。它的理论部分已逐渐上升为控制论和系统工程理论,其技术部分与电子技术相结合形成具有各种功能的自动控制系统。可靠性理论是有关电子元件、器件、部件、电子装置,乃至电子系统或大系统的可靠性的理论,以及提高可靠性的各种具体技术方法。

元件、器件与材料、工艺

属于这一类的主要分支学科有:固态电子器件与集成电路、真空电子学、电子元件、电子材料及有关生产技术等。这一类分支学科可以说是电子学的物质基础。

半导体与集成电路是研究半导体性能并加以利用的一门科学技术,包括半导体物理、半导体工艺、半导体分立器件和各类集成电路器件。真空电子学是研究带电粒子(电子、离子)在真空或气体中运动时与场和物质相互作用规律并加以利用的一门科学技术,包括电子物理、电子管工艺和各种类型的电子管等。电子元件是构成电子设备的基本单元,通常分为有源元件和无源元件两类。但是,电子元件一般指无源元件。电子材料是研究各种材料用于制备电子元件、器件的一门科学技术,包括一般金属材料、高能半导体材料、介质材料、陶瓷材料、磁性材料、高分子材料、铁电材料等。生产技术包括各种机械、电气、电子生产工艺与设备,如真空设备、电子束与离子束加工设备、加热设备、焊接设备、净化设备、例行试验设备等。

交叉专业和学科类

电子学与其他学科交叉渗透,又形成了许多新的分支学科。属于这一类的主要有:量子电子学、核电子学、空间电子学、生物与医学电子学、射电天文学与雷达天文学等。

量子电子学是利用物质内部量子系统能级间的受激辐射现象,放大或产生相干电磁波,并研究这一过程的应用的学科。按习惯说,激光技术也是量子电子学的主要内容。

核电子学主要研究核科学、核技术和高能物理实验中有关核辐射和粒子探测的电子学技术,研究核爆炸和外层空间辐射对电子系统的影响,以及抗辐射加固技术等。

空间电子学是电子学与空间科学技术的结合。

生物与医学电子学既是电子学与生物学、医学的结合,也是电子学在生物学和医学中的应用。

射电天文学利用天体或星际空间的空间自然辐射研究天体和天文现象;雷达天文学则用雷达方法研究太阳和太阳系的近地行星。

电子机械工程

各种电子设备、装置和元件、器件中都包含有大量的机械技术。这种机械技术必须满足电子技术的独特要求,而有别于一般机械工程。

电子学的发展和应用

电子学是发展速度很快的学科之一。电子器件从电子管的发明到晶体管的发明经历了44年,而从晶体管发展到集成电路只用了10年。集成电路问世后,20多年间,已从小规模集成发展到中规模集成和大规模集成,进而发展到超大规模集成,并出现了从单位、4位一直到32位的微处理器。

通信技术也经历了多次划时代的进展。从电子学诞生以前的架空明线发展到电子学诞生初期的无线电;从长、中、短波扩展到超短波、微波,进而扩展到红外与可见光频段。与此同时,超长波也获得了应用;从微波中继到同轴电缆,直至现代的同步卫星中继,以至最近的光纤通信。多路通信以电话来说,一个频道已可通万路模拟电话和上千路的数字电话。通信的范围也在不断地扩大,从国内扩展到国际,从洲际扩展到全球,从近地空间发展到星际深空。

军用雷达的作用距离已增加了2~3个量级,对无应答器的不合作目标最远可达上万公里,对有应答器的合作目标可达几千万公里以上。几乎所有环绕地球的轨道目标都已置于雷达的监视之下。雷达的测量精度也提高了2~3个量级,精密跟踪雷达的测距精度已达米量级,测角精度已达毫弧量级。雷达的应用范围从军事扩展到气象、测绘、民航、水陆交通、城市建设和环境保护等民用各部门。

电子学还是应用和渗透范围很广的学科之一。电子学用于工业,极大地提高了现代工业的劳动生产率。电子技术与机械相结合产生了各种类型的数控机床、机械手和机器人,出现了由它们组合起来的全自动化的和柔性的生产线。电子学用于生产检验,可以有效地控制产品质量,指示产品设计和生产的改进方向。电子学用于油田开发,可以提高找油的成功率,并能科学地组织开采。电子学用于电力生产的管理,可以实现电力的合理调配,提高生产的安全性。电子学用于交通,可以引导船只、飞机安全航行。

电子学用于农业,也给农业带来了很大好处。气象对于农业至关重要,用无线电和雷达的方法可以搜集局部地区的气象资料,专用的气象卫星可以定期播发全球各地区的大范围云图,通信网用于传递气象情报,计算机用于气象情报处理并作出预报。利用遥感数据,可以获得土壤湿度、作物长势、病虫害等信息。电子学还可以用于作物的育种催芽和粮食的烘干加工。

电子学用于军事,提高了各种武器装备的性能,并深刻地影响着军事行为的方式。在现代武器装备中,电子设备所占比重不断增加。电子技术还是情报侦察、通信联络、分析决策、指挥控制等不可缺少的手段。正因为如此,一种无形的战争──电子战成了引人注目的战争形式。

电子学为科学研究提供了强有力的手段。天文学家利用巨型射电望远镜,把观测范围扩大到200亿光年的宇宙深处;地理学家用遥感的方法发现了撒哈拉沙漠浸没了的古河道;生物学家利用信息论的方法解释了生物遗传的奥秘──遗传密码;物理学家利用高灵敏度的天线接收系统发现了2.7K的宇宙背景辐射;化学家利用超高压电子显微镜已使观察分辨能力达到分子水平。各行各业的科学工作者,利用联机检索系统和全球通信网可以从世界浩如烟海的资料库中迅速查询所需的资料。

电子学用于教育,给教育的现代化提供了许多新的技术。收音机、录音机、电视机、录像机作为教育手段已相当普遍,电子语言教室、程序教学机器、电视教育卫星已相继问世。由于知识的迅速更新和增加,终身教育的概念已经形成,以电子技术为核心的开放式学校在整个教育系统中占有的比重将会越来越高。

电子学用于医学,出现了各种类型的电子监护系统、物理治疗系统、辅助诊断系统、以至医学专家系统。X射线断层成像技术是70年代的重要科学进展之一,所采用的主要技术就是图像处理技术和高速大容量计算机。电子学进入家庭,减轻了人们的家务劳动,使家庭生活更加丰富多彩。

人类社会正进入一个新的发展阶段,它是以信息的急剧膨胀为主要特征的阶段,一场以信息技术为主流的新的技术革命正在兴起。推动这一转变的正是电子学的最新成就,主角是微电子技术。各种信息作业,无一不借助于电子科学技术来完成。人们今天广泛谈论的三“A”革命(即工厂自动化、办公室自动化、家庭自动化)以及三“C”革命(即通信、计算机、控制),也无一不是建立在电子学的基础之上的。正因为如此,许多国家把发展电子学,特别是微电子技术,作为自己的重要国策之一。

计算机是新技术革命的一支主力,也是推动社会向现代化迈进的活跃因素。计算机科学与技术是第二次世界大战以来发展最快、影响最为深远的新兴学科之一。计算机产业已在世界范围内发展成为一种极富生命力的战略产业。

现代计算机是一种按程序自动进行信息处理的通用工具。它的处理对象是信息,处理结果也是信息。利用计算机解决科学计算、 工程设计、 经营管理、过程控制或人工智能等各种问题的方法,都是按照一定的算法进行的。这种算法是定义精确的一系列规则,它指出怎样以给定的输入信息经过有限的步骤产生所需要的输出信息。算法的特殊表示称为程序。信息处理的一般过程,是计算机使用者针对待解决的问题事先编制程序并存入计算机内,然后利用存储程序指挥、控制计算机自动进行各种基本操作,直至获得预期的处理结果。计算机自动工作的基础在于这种存储程序方式,其通用性的基础则在于利用计算机进行信息处理的共性方法。

计算机的历史

现代计算机的诞生和发展

现代计算机问世之前,计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。

早在17世纪,欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本运算的数字计算机。1642年,法国数学家B.帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置,制成了最早的十进制加法器。1673年,德国数学家G.W.莱布尼兹制成的计算机,进一步解决了十进制数的乘、除运算。英国数学家C.巴贝奇在1822年制作差分机模型时提出一个设想,每次完成一次算术运算将发展为自动完成某个特定的完整运算过程。1834年,巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机。这台分析机虽然已经描绘出有关程序控制方式计算机的雏型,但限于当时的技术条件而未能实现。

巴贝奇的设想提出以后,一百多年期间,电磁学、电工学、电子学不断取得重大进展,在元件、器件方面接连发明了真空二极管和真空三极管。在系统技术方面,相继发明了无线电报、电视和雷达。所有这些成就为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。与此同时,数学、物理也相应地蓬勃发展。到了20世纪30年代,物理学的各个领域经历着定量化的阶段,描述各种物理过程的数学方程,其中有的用经典的分析方法已很难解决。于是,数值分析受到了重视,研究出各种数值积分,数值微分,以及微分方程数值解法,把计算过程归结为巨量的基本运算,从而奠定了现代计算机的数值算法基础。

社会上对先进计算工具多方面迫切的需要,是促使现代计算机诞生的根本动力。20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算困难堆积如山,已经阻碍了学科的继续发展。特别是第二次世界大战爆发前后,军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间,德国、美国、英国都在进行计算机的开拓工作,几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。

德国K.朱赛最先采用电气元件制造计算机。他早在1941年制成的全自动继电器计算机Z-3,已具备浮点记数、二进制运算、数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征。在美国,1940~1947年期间也相继制成了继电器计算机MARKⅠ、MARKⅡ、ModelⅠ、ModelⅤ等。不过,继电器的开关速度大约为百分之一秒,使计算机的运算速度受到很大限制。

电子计算机的开拓过程,经历了从制作部件到整机、从专用机到通用机、从“外加式程序”到“存储程序”的演变。1938年,美籍保加利亚学者J.阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。1943年,英国外交部通信处制成了“巨人”电子计算机。这是一种专用的密码分析机,在第二次世界大战中得到了应用。1946年2月,美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC),最初也专门用于火炮弹道计算,后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储的计算机,运算速度比继电器计算机快1000倍。这就是人们常常提到的世界上第一台电子计算机。但是,这种计算机的程序仍然是外加式的,存储容量也太小,尚未完全具备现代计算机的主要特征。再一次的重大突破是由数学家J.诺伊曼领导的设计小组完成的。1945年3月,他们发表了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案──电子离散变量自动计算机(EDVAC)。随后于1946年6月,诺伊曼等人提出了更为完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。同年7~8月间,他们又在莫尔学院为美国和英国二十多个机构的专家讲授了专门课程《电子计算机设计的理论和技术》,推动了存储程序式计算机的设计与制造。1949年,英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机(EDSAC);美国则于1950年制成了东部标准自动计算机(SFAC)等。至此,电子计算机发展的萌芽时期遂告结束,开始了现代计算机的发展时期。

在创制数字计算机的同时,还研制了另一类重要的计算工具──模拟计算机。物理学家在总结自然规律时,常用数学方程描述某一过程;相反,解数学方程的过程,也有可能采用物理过程模拟方法。对数发明以后,1620年制成的计算尺,已把乘法、除法化为加法、减法进行计算。J.C.麦克斯韦巧妙地把积分(面积)的计算转变为长度的测量,于1855年制成了积分仪。19世纪数学物理的一项重大成就傅里叶分析,对模拟机的发展起到了直接的推动作用。19世纪后期和20世纪前期,相继制成了多种计算傅里叶系数的分析机和解微分方程的微分分析机等。但是当试图推广微分分析机解偏微分方程和用模拟机解决一般科学计算问题时,人们逐渐认识到模拟机在通用性和精确度等方面的局限性,并将主要精力转向了数字计算机。

电子数字计算机问世以后,模拟计算机仍然继续有所发展,并且与数字计算机相结合而产生了混合式计算机。模拟机和混合机已发展成为现代计算机的特殊品种,即用在特定领域的高效信息处理工具或仿真工具。

20世纪中期以来,计算机一直处于高速度发展时期,计算机由仅包含硬件发展到包含硬件、软件和固件三类子系统的计算机系统。计算机系统的性能-价格比,平均每10年提高两个数量级。计算机种类也一再分化,发展成微型计算机、 小型计算机、 通用计算机(包括巨型、大型和中型计算机),以及各种专用机(如各种控制计算机、模拟-数字混合计算机)等。计算机技术面貌发生变化的主要因素,是计算机器件、软件和外围设备的迅速改进和革新。

计算机器件从电子管到晶体管,再从分立元件到集成电路以至微处理器,促使计算机的发展出现了三次飞跃。

在电子管计算机时期(1946~1959),计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时,主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型,通常按此对计算机进行分类。

到了晶体管计算机时期(1959~1964),主存储器均采用磁心存储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展,而且中、小型计算机,特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。

1964年,在集成电路计算机发展的同时,计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储器,并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展,以及微程序技术的发展和应用,计算机系统中开始出现固件子系统。

70年代以来,计算机用集成电路的集成度迅速从中、小规模发展到大规模、超大规模的水平,微处理器和微型计算机应运而生,各类计算机的性能迅速提高。随着字长4位、8位、16位和32位的微型计算机相继问世和广泛应用,对小型计算机、通用计算机和专用计算机的需求量也相应增长了。当微型计算机的性能提高到过去小型计算机的程度时,32位超级小型计算机跨入了通用计算机的中、低档范围。一般通用大型计算机的运算速度达到千万次每秒,主存储器容量达几百万至上千万字节,单台磁盘存储器容量高达几亿至几十亿字节,而巨型计算机高达十亿次每秒以上,并进入百亿次每秒的超高速度。

微型计算机在社会上大量应用后,一座办公楼、一所学校、一个仓库常常拥有数十台以至数百台计算机。实现它们互连的局部网随即兴起,进一步推动了计算机应用系统从集中式系统向分布式系统的发展。

微处理器和微型计算机工作可靠,使用简便,因而促进了计算机系统功能的分散化,而且广泛渗透到各种工业产品中。

从计算机系统的成本来看,50年代中期,软件不到总成本的20%,70年代后期便上升到50%以上。

在电子管计算机时期,一些计算机配置了汇编程序和子程序库,科学计算用的高级语言 FORTRAN初露头角。在晶体管计算机阶段,事务处理的COBOL语言、科学计算机用的 ALGOL语言和符号处理用的LISP等高级语言开始进入实用阶段。操作系统初步成型,使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。进入集成电路计算机发展时期以后,在计算机中形成了相当规模的软件子系统,高级语言种类进一步增加,操作系统日趋完善,具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能。数据库管理系统、通信处理程序、网络软件等也不断增添到软件子系统中。软件子系统的功能不断增强,明显地改变了计算机的使用属性,使用效率显著提高。

60年代中期以后,在软件子系统发展方面出现了复杂程度高、研制周期长和正确性难于保证的三大特征,从而形成难以控制软件发展的局面,出现了所谓的“软件危机”。为了克服这种危机,人们一方面着手从理论上探讨程序的正确性和软件的可靠性问题,另一方面致力于使软件研制从“技艺”方式转向“工程”方式,即试图建立和应用牢固的工程准则,以期得到可靠的和高效的软件。软件工程实现的途径,是尽量让计算机去自动完成软件研究与维护中的工作。为此,研制成各种软件工具,并适当地使其配备成套,形成软件支援环境。

在现代计算机中,外围设备的价值一般已超过计算机硬件子系统的一半以上,其技术水平在很大程度上决定着计算机的技术面貌。外围设备技术的综合性很强,既依赖于电子学、机械学、光学、磁学等多门学科知识的综合,又取决于精密机械工艺、电气和电子加工工艺以及计量的技术和工艺水平等。外围设备包括辅助存储器和输入输出设备两大类。辅助存储器包括磁盘、磁鼓、磁带、激光存储器、海量存储器和缩微存储器等;输入输出设备又分为输入设备、输出设备、转换设备、模式信息处理设备和终端设备。在这些品种繁多的设备中,对计算机技术面貌影响最大的是磁盘、终端设备、模式信息处理设备和转换设备等。

磁盘存储器自50年代后期问世以来,存储密度每三年大体上提高一倍。从晶体管计算机时期开始,磁盘存储器就开始占据辅助存储器的主要位置,不仅促使计算机性能-价格比不断提高,而且推动计算机功能和计算机应用领域不断扩展。

终端设备包括输入设备、输出设备和数据通信设备等,能提高计算机资源利用率,改善人-机联系,提供人与人之间通信的新手段。终端设备的发展推动计算机应用从单机、多机发展到网络应用的新阶段。

计算机直接输入输出的信息形式,从符号扩展到文字、图形、图像、声音和其他各种物理量。这是靠模式信息处理设备和转换设备实现的。各种模拟的物理量通过模拟-数字转换设备转换为数字量送入计算机,计算机输出的数字量再通过各种数字-模拟转换设备转换为模拟量。这是过程控制计算机系统不可缺少的环节。实际上,转换设备和各种智能化接口,是开拓计算机过程控制、智能机器人等应用领域的重要手段。随着文字、图形、图像、声音的识别和处理技术的进展,创造具有高度智能的计算机终将成为可能,从而推动计算机的技术面貌发生新的巨变。

新一代计算机(又称第五代计算机)是把信息采集、存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理,而且能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。新一代计算机的研究领域大体上包括人工智能、系统结构、软件工程和支援设备,以及对社会的影响等。人工智能的应用,将是未来信息处理的主流。因此,新一代计算机的发展,必将与人工智能、知识工程和专家系统等的研究紧密相联,并为其发展提供新的基础。新一代计算机的系统结构,将突破传统的诺伊曼机器的概念,实现高度并行处理。这方面的研究课题包括逻辑程序设计机、函数机、相关代数机、抽象数据型支援机、 数据流机、 关系数据库机、分布式数据库系统、分布式信息通信网络等。新一代计算机的发展必然引起新一代软件工程的发展,极大地提高软件的生产率和可靠性。为了改善软件和硬件系统的设计环境,将研制各种智能化的支援系统,包括智能程序设计系统、知识库设计系统、智能超大规模集成电路辅助设计系统,以及各种智能应用系统和集成专家系统等。在新一代计算机硬件方面,将会出现一系列新的技术,如先进的微细加工和封装测试技术、砷化镓器件、约瑟夫逊结器件、光学器件、光纤通信技术以及智能辅助设计系统等。新一代计算机还将推动计算机通信技术的发展,使计算机网所拥有的知识库和知识处理能力实现共享,促进综合业务数字网络的发展和通信业务进一步多样化,并使多种多样的通信业务集中于统一的系统之中,更有力的促进社会信息化。

计算技术在中国的发展

在人类文明发展的历史上,中国曾经在早期计算工具的发明创造方面写过光辉的一页。远在商代,中国就创造了十进制记数方法,领先于世界千余年。到了周代,发明了当时最先进的计算工具──算筹。这是一种用竹、木或骨制成的颜色不同的小棍。计算每一个数学问题时,通常编出一套歌诀形式的算法,一边计算,一边不断地重新布棍。中国古代数学家祖冲之,就是用算筹计算出π值在 3.1415926和3.1415927之间。这一结果比西方早1千年。

珠算盘是中国的又一独创,也是计算工具发展史上的第一项重大发明。这种轻巧灵活、携带方便、与人民生活关系密切的计算工具,最初大约出现于汉朝,到元朝时渐趋成熟。珠算盘不仅对中国经济的发展起过有益的作用,而且传到日本、朝鲜、东南亚等地区,经受了历史的考验,至今仍在使用。

中国发明创造的指南车、 水运浑象仪、 记里鼓车、提花机等,不仅对自动控制机械的发展有卓越的贡献,而且对计算工具的演进产生了直接或间接的影响。例如,张衡制作的水运浑象仪,可以自动地与地球运转同步,后经唐、宋两代的改进,遂成为世界上最早的天文钟。记里鼓车则是世界上最早的自动计数装置。提花机原理对计算机程序控制的发展有过间接的影响。中国古代用阳(―)阴(–)两爻构成八卦,也对计算技术的发展有过直接的影响。G.W.莱布尼兹写过研究八卦的论文,系统地提出了二进制算术运算法则。他认为,世界上最早的二进制表示法就是中国的八卦。

经过漫长的沉寂,中华人民共和国成立后,中国计算技术迈入了新的发展时期,先后建立了研究机构,在高等院校建立了计算技术与装置专业和计算数学专业,并且着手创建中国计算机制造业。

1958年和1959年,中国先后制成第一台小型和大型电子管计算机。60年代中期,中国研制成功一批晶体管计算机,并配制了ALGOL等语言的编译程序和其他系统软件。60年代后期,中国开始研究集成电路计算机。70年代,中国已批量生产小型集成电路计算机。若干种百万次每秒以上的大型集成电路计算机相继研制成功,并开展了微型计算机的研制工作。这些计算机系统包含有操作系统、多种程序语言的编译程序等比较丰富的系统软件。80年代以后,中国开始重点研制微型计算机系统并推广应用;在大型计算机、特别是巨型计算机技术方面也取得了重要进展;建立了计算机服务业,逐步健全计算机产业结构。

在计算机科学与技术的研究方面,中国在有限元计算方法、数学定理的机器证明、汉字信息处理、计算机系统结构和软件等方面都有所建树。在计算机应用方面,中国在科学计算与工程设计领域取得了显著成就。在有关经营管理和过程控制等方面,计算机应用研究和实践也日益活跃。

中国计算机事业经过30多年的发展,已形成一支较大的科研、生产、应用和教学队伍,拥有上百个计算机制造厂、外围设备制造厂和研究机构。开设计算机专业的高等院校在百所以上。

计算机科学与技术

计算机科学与技术是一门实用性很强、发展极其迅速的面向广大社会的技术学科,它建立在数学、电子学(特别是微电子学)、磁学、光学、精密机械等多门学科的基础之上。但是,它并不是简单地应用某些学科的知识,而是经过高度综合形成一整套有关信息表示、变换、存储、处理、控制和利用的理论、方法和技术。

计算机科学是研究计算机及其周围各种现象与规模的科学,主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件和人工智能等。计算机技术则泛指计算机领域中所应用的技术方法和技术手段,包括计算机的系统技术、软件技术、部件技术、器件技术和组装技术等。计算机科学与技术包括5个分支学科,即理论计算机科学、计算机系统结构、计算机组织与实现、计算机软件和计算机应用。

理论计算机科学

它是研究计算机基本理论的学科。在几千年的数学发展中,人们研究了各式各样的计算,创立了许多算法。但是,以计算或算法本身的性质为研究对象的数学理论,却是在20世纪30年代才发展起来的。当时,由几位数理逻辑学者建立的算法理论,即可计算性理论或称递归函数论,对40年代现代计算机设计思想的形成产生过影响。此后,关于现实计算机及其程序的数学模型性质的研究,以及计算复杂性的研究等不断有所发展。理论计算机科学包括自动机论、形式语言理论、程序理论、算法分析,以及计算复杂性理论等。自动机是现实自动计算机的数学模型,或者说是现实计算机程序的模型。自动机理论的任务就在于研究这种抽象机器的模型。已经提出的模型有无限自动机──图灵机,以及各种更接近现实机器的图灵机的变形等。程序设计语言是一种形式语言,而形式语言理论只研究形式语言的语法侧面。这种理论根据语言表达能力的强弱分为0~3型语言,与图灵机等四类自动机逐一对应。程序理论是研究程序逻辑、程序复杂性、程序正确性证明、程序验证、程序综合、形式语义学,以及程序设计方法学的理论基础。算法分析研究各种特定算法的性质。计算复杂性理论研究算法复杂性的一般性质。

计算机系统结构

程序设计者所见的计算机属性,着重于计算机的概念结构和功能特性,硬件、软件和固件子系统的功能分配及其界面的确定。使用高级语言的程序设计者所见到的计算机属性,主要是软件子系统和固件子系统的属性,包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等的用户界面。使用机器语言的程序设计者所见到的计算机属性,则是硬件子系统的概念结构(硬件子系统结构)及其功能特性,包括指令系统(机器语言),以及寄存器定义、中断机构、输入输出方式、机器工作状态等。

硬件子系统的典型结构是诺伊曼结构,它由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备组成,采用“指令驱动”方式。当初,它是为解非线性、微分方程而设计的,并未预见到高级语言、操作系统等的出现,以及适应其他应用环境的特殊要求。在相当长的一段时间内,软件子系统都是以这种诺伊曼结构为基础而发展的。但是,其间不相适应的情况逐渐暴露出来,从而推动了计算机系统结构的变革。

计算机系统结构的变革包括以下几个方面:

(1)计算机系统结构从基于串行算法改变为适应并行算法,从而出现了向量计算机、并行处理计算机系统、分布计算机系统等。

(2)高级语言与机器语言的语义距离缩小,从而出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言机器。

(3)硬件子系统与操作系统和数据库管理等系统软件相适应,从而出现了面向操作系统机器和数据库计算机等。

(4)计算机系统结构从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和要求驱动型,从而出现了数据流机器和归约机。

(5)为了适应特定应用环境而出现了各种专用计算机,如快速傅里叶变换机器,过程控制计算机等。

(6)为了获得高可靠性的计算机而研制成容错计算机。

(7)计算机系统功能分散化、专业化,从而出现了各种功能分布式计算机,这类计算机包含有外围处理机、通信处理机、维护处理机等。

(8)与大规模、超大规模集成电路技术相适应,也是促进计算机系统结构变革的一个重要方面。

(9)为了扩展计算机功能,特别是适应人工智能的应用,新一代计算机的发展获得了动力。

计算机组织与实现

研究组成计算机的功能、部件间的相互连接和相互作用,以及有关计算机实现的技术,均属于计算机组织与实现的任务。

在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后,计算机组织的任务就是研究各组成部分的内部构造和相互联系,以实现机器指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括各功能部件的布置、相互连接和相互作用。各功能部件的性能参数相互匹配,是计算机组织合理的重要标志,因而相应地就有许多计算机组织方法。例如,为了使存储器的容量大、速度快,人们研究出层次存储体系和虚拟存储技术。在层次存储体系中,又有高速缓存、多模块交错工作、多寄存器组和堆栈等技术。为了使外围设备与处理机间的信息流量达到平衡,人们研究出通道、外围处理机等方式;而为了提高处理机速度,人们研究出先行控制、流水线、多执行部件等方式。在各功能部件的内部结构研究方面,产生了许多组合逻辑、时序逻辑的高效设计方法和结构。例如,在运算器方面,出现了多种自动调度算法和结构等。

随着计算机功能的扩展和性能的提高,计算机包含的功能部件也日益增多,其间的互连结构日趋复杂。现代已有三类互连方式,分别以中央处理器、存储器或通信子系统为中心,与其他部件互连。以通信子系统为中心的组织方式,使计算机技术与通信技术紧密结合,形成了计算机网、局部区域网、分布计算机系统等重要的计算机研究与应用领域。

与计算实现有关的技术范围相当广泛,包括计算机的元件、器件技术,数字电路技术,组装技术以及有关的制造技术和工艺等。

软件

软件的研究领域主要包括程序设计、基础软件、软件工程三个方面。

程序设计指设计和编制程序的过程,是软件研究和发展的基础环节。程序设计研究的内容,包括有关的基本概念、规范、工具、方法以及方法学等。这个领域发展的特点是:从顺序程序设计过渡到并发程序设计和分布程序设计;从非结构程序设计方法过渡到结构程序设计方法;从低级语言工具过渡到高级语言工具;从具体方法过渡到方法学。

基础软件指计算机系统中起基础作用的软件。计算机的软件子系统可以分为两层:靠近硬件子系统的一层称为系统软件,使用频繁,但与具体应用领域无关;另一层则与具体应用领域直接有关,称为应用软件。此外,还将支援其他软件的研究与维护的软件,专门称为支援软件。这三类软件既有分工又互相结合。

软件工程是采用工程方法研究和维护软件的过程,以及有关的技术。软件研究和维护的全过程,包括概念形成、要求定义、设计、实现、调试、交付使用,以及有关校正性、适应性、完善性等三层意义的维护。软件工程的研究内容涉及上述全过程有关的对象、结构、方法、工具和管理等方面。

软件自动研究系统的任务是:在软件工程中采用形式方法;使软件研究与维护过程中的各种工作尽可能多地由计算机自动完成;创造一种适应软件发展的软件、固件与硬件高度综合的高效能计算机。

计算机产业

计算机产业包括两大部门,即计算机制造业和计算机服务业。后者又称为信息处理产业或信息服务业。计算机产业是一种省能源、省资源、附加价值高、知识和技术密集的产业,对于国民经济的发展、国防实力和社会进步均有巨大影响。因此,不少国家采取促进计算机产业兴旺发达的政策。

计算机制造业包括生产各种计算机系统、外围设备、终端设备,以及有关装置、元件、器件和材料的制造部门。

技术密集的特点要求计算机制造业比其他制造业有更多的研究与发展投资,拥有足够数量的多种专业的专业人才。技术密集的特点也体现在计算机制造业的研究、发展和生产工具的不断改进和创新上。事实上,计算机制造业本身就是计算机的重要用户,也是自动化研究的重要领域,例如各种计算机辅助设计、测试、制造。计算机的自动化系统已成为先进的计算机制造业的基本工具。这些研究、发展和生产工具的水平,在很大程度上决定着计算机产品的水平。计算机作为工业产品,要求产品有继承性,有很高的性能-价格比和综合性能。计算机的继承性特别体现在软件兼容性方面,这能使用户和厂家把过去研制的软件用在新产品上,使价格很高的软件财富继续发挥作用,减少用户再次研制软件的时间和费用。提高性能-价格比则是计算机产品更新的目标和动力。

计算机制造业提供的计算机产品,一般仅包括硬件子系统和部分软件子系统。通常,软件子系统中缺少适应各种特定应用环境的应用软件。为了使计算机在特定环境中发挥效能,还需要设计应用系统和研制应用软件。此外,计算机的运行和维护,需要有掌握专业知识的技术人员,这常常是一般用户所作不到的。针对这些社会需要,一些计算机制造厂家十分重视向用户提供各种技术服务和销售服务。一些独立于计算机制造厂家的计算机服务机构,也在50年代开始出现。到60年代末期,计算机服务业在世界范围内已形成为独立的行业。

计算机的发展和应用

计算机科学与技术同各门学科相结合,改进了研究工具和研究方法,促进了各门学科的发展。过去,人们主要通过实验和理论两种途径进行科学技术研究。现在,计算和模拟已成为研究工作的第三条途径。计算机已成为一种重要的研究、实验和设计工具。计算机与有关的实验观测仪器相结合,可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表,显著地提高实验工作的质量和效率。计算机辅助设计已成为工程设计优质化、自动化的重要手段。在理论研究方面,计算机是人类大脑的延伸,可代替人脑的若干功能并加以强化。古老的数学靠纸和笔运算,现在计算机成了新的工具。例如数学定理证明之类的繁重脑力劳动,已有可能由计算机来完成或部分完成,以便数学家集中精力去进行真正创造性的劳动。计算和模拟作为一种新的研究手段,常使一些学科衍生出新的分支学科。例如,空气动力学、气象学、弹性结构力学和应力分析等所面临的“计算障碍”,在有了高速计算机和有关的计算方法之后开始有所突破,并衍生出计算空气动力学、气象数值预报等边缘分支学科。利用计算机进行定量研究,不仅在自然科学中发挥了重大的作用,在社会科学和人文学科中也是如此。例如,在人口普查、社会调查和自然语言研究方面,计算机就是一种很得力的工具。

计算机在各行各业中的广泛应用,常常产生显著的经济效益和社会效益,从而引起产业结构、产品结构、经营管理和服务方式等方面的重大变革。在产业结构中已出现了计算机制造业和计算机服务业,以及知识产业等新的行业。各种行业和部门内部结构也在发生变化,如出现了计算中心、数据处理部、计算机辅助设计中心等新的结构,并且使有些机构的层次减少,机构之间的信息渠道畅通。

计算机嵌入产品之中,通常会使产品更新换代,并且有可能进一步引起一些行业的产品结构发生变化。微处理器和微计算机已嵌入机电设备、电子设备、通信设备、仪器仪表和家用电器中,使这些产品向智能化方向发展。计算机被引入各种生产过程系统中,使化工、石油、钢铁、电力、机械、造纸、水泥等生产过程的自动化水平大大提高,劳动生产率上升、质量提高、成本下降。计算机嵌入各种武器装备和武器系统中,可显著提高其作战效果。

在经营管理方面,计算机可用于完成统计、计划、查询、库存管理、市场分析、辅助决策等,使经营管理工作科学化和高效化,从而加速资金周转,降低库存水准,改善服务质量,缩短新产品研制周期,提高劳动生产率。在办公室自动化方面,计算机可用于文件的起草、检索和管理等,显著提高办公效率。

计算机还是人们的学习工具和生活工具。借助家用计算机、个人计算机、计算机网、数据库系统和各种终端设备,人们可以学习各种课程,获取各种情报和知识,处理各种生活事务(如订票、购物、存取款等),甚至可以居家办公。越来越多的人的工作、学习和生活中将与计算机发生直接的或间接的联系。普及计算机教育已成为一个重要的问题。

总之,计算机的发展和应用已不仅是一种技术现象,而且是一种政治、经济、军事和社会现象。世界各国都力图主动地驾驭这种社会计算机化和信息化的进程,克服计算机化过程中可能出现的消极因素,更顺利地向高度社会信息化方向迈进。

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