Computer and computer Science(計算機與計算機科學)
計算機概述
i. 計算機簡介
計算機是一種可以接收指令集或程序的電子設備，並通過執行數字計算或操作其他形式的信息來運行這些程序。
計算機的發展催生現代高科技的產生。從國家機密文件，到銀行交易事物，到家庭與私人賬戶，各種各樣的計算機在數據存儲和數據處理方面得到使用。通過自動化技術，計算機開啓了製造工業的新時代。同時計算機還加強了現代通訊系統。從構建宇宙模型，到天氣預報，計算機都是研究與應用科技領域必不可少的工具，他們的使用開闢了全新的推測領域。數據庫服務和計算機網絡是各種各樣的信息源可供使用。同時，高科技也使個人和企業機密信息遭受到侵害的可能，計算機犯罪也成爲衆多犯罪的一項。
ii. 計算機發展歷史
第一臺算數計算機—數字計算機的先驅，由法國數學家，物理學家，哲學家布萊斯.帕斯卡發明。該設備採用了一系列的十齒輪，每個齒輪代表從0到9的數字，這些齒輪相互連接，以此通過推進齒輪到一個正確的齒輪數，這些數字可以相互相加。17世紀70年代，德國數學家，哲學家戈特弗裏德.威廉.萊布尼茨改進了該計算機以完成乘法計算。
法國發明家約瑟夫-瑪麗.雅卡爾設計了一種自動的織機,採用很薄的穿孔木板來控制很複雜的編織工作。在19世紀80年間，與雅卡爾類似的，美國統計學家赫爾曼想出了採用穿孔卡片來處理數據。採用穿孔卡片在電觸點上，他爲美國1890年人口普查，編制了統計信息。
1 分析機
在19世紀，英國數學家，發明家查爾斯.巴比奇提出現代數字計算機的工作原理。他設想用很多很多機器來工作，比如被設計用於處理複雜數據問題的差分機。許多歷史學家都認爲巴比奇和他的數學家同事阿達.拜倫是現代數字計算機的先驅。巴比奇設計的分析機具備現代計算機的很多特點，它以穿孔卡片組的形式作爲輸入流，一個保存數據的倉庫，一個進行算數運算的工廠和一個產生永久性記錄的打印機。即使當時在技術上能夠實現，巴比奇依然沒有把該想法付諸實踐。
2 早期計算機
模擬計算機出現於19世紀晚期。早期的模型通過旋轉軸和齒輪的方式來實現計算。很難用其他方式解決的近似運算採用了此種方式。開爾文勳爵創造出了一種潮汐推算機的特殊的模擬計算機。在一戰和二戰期間，機械和後來的電子模擬計算機系統在潛艇中被用於魚雷路線預測器，在飛機中作爲瞄準器控制器。另一個系統被設計用於預防密西西比河的洪水。
3 電子計算機
在二戰期間，一批科學家和數學家在倫敦北部的布萊奇利創造了第一臺全電子化得數字計算機：Colossus. 到1943年12月，包含了1,500個真空管的Colossus還在正常運作。該計算機由成功破譯了加密爲恩尼格碼的德國無線電報的老大艾倫.圖靈使用。
除此之外，在美國，早在1939年約翰和貝里在艾奧瓦州立學院設計了電子計算機的原型。該原型和隨後的研究已趕不上在1945年出現的電子數字積分計算機（ENIAC）。 ENIAC被授予了專利，但是後來被廢除了。在1973年發現，該機器與Atanasoff-Beffy 計算機有很多相同的原理。
ENIAC包含了18,000個真空管，每分鐘可執行數百次乘法運算。其程序最初是通過導線傳送到處理器內，還需人工進行轉換。後來基於馮.諾依曼的想法，計算機引進了程序存儲功能。數據指令存儲在內存上，從此計算機在運行程序的過程中，不再受限於紙帶閱讀器那樣的速度，同時還可以在不重新佈線的前提下解決實際問題。
二十世紀50年代後期，晶體管在計算機中的使用標誌着比真空管計算機更小，更快，以及更多用的邏輯元件出現了。晶體管由於更省電，使用時間更長，它的出現改進了第二代電子計算機。因爲計算機中的內部元件以及元件間間距都在變小，所以計算機也變得便宜了許多。
4 集成芯片
在二十世紀60年代後期，集成芯片（IC）的引進使很多晶體管制作在一張硅襯底元器件上，晶體管之間用覆鍍在適當位置的導線相連接。集成芯片進一步降低了價格，縮小了尺寸，減少了計算機生產的失敗率。二十世紀70年代中後期，大規模以及超大規模的集成芯片的引進，使得成千上萬的晶體管通過相互內連的方式集成在硅片上。
70年代的計算機通常能夠同時處理8位數據，即能在每個週期內傳輸8位二進制數據。8個位被稱一個字節，每個字節都由0或者1組成，每種組合模式都等同於一個指令或者指令的一部分，或者是一種特殊的數據類型，比如表示一個數字，字符，或符號。如“11010010”可能是二進制數據，在這種情況下，就表示把十進制數210與內存中的某個數據做比較。
從處理16位，32位，64位的處理器的發展已經提高了計算機運行速度。計算機能夠處理的一系列可識別的操作符集合叫指令集。隨着現代數字計算機的持續發展，計算機處理的數據位數和指令集也在不斷增加。
ii. 計算機硬件
現代數字計算機除了大小外，在概念是都是相似的。然而，在價格和性能上他們可以被分爲如下幾類：個人計算機（PC），筆記本，掌上電腦，工作站（企業中專用於處理圖像或者通訊的計算機），小型計算機（適用於企業，學校，實驗室），大型機（大型計算機，用於企業，政府機構，科研機構），超級計算機。
數字計算機由五個不同的部分組成，1中央處理器（CPU），2輸入設備，3存儲器，4,輸出設備，總線（負責計算機的內部和外部數據傳送）。
iv. 計算機程序
計算機程序是通過硬件來操作數據的指令序列。程序也可以構建在硬件之中，或者以軟件的形式獨立存在。在一些特殊硬件裏，計算機指令嵌入在電路里面，比如計算器，手錶，汽車引擎，微波爐。一臺通用的計算機，包含了內置的程序或者指令，同時依靠外部程序來執行一些有用的任務。可通過編程讓計算機做很多事，各種各樣的應用程序可讓計算機完成各種各樣的事情。
v. 未來的發展趨勢
計算機在未來會更傾向於微小型化發展，芯片上會嵌入更多的電路元件。研究人員正在不斷嘗試通過超導性（在低溫條件下特殊材料的電阻會減少）來改進電路功能。
第五代計算機的一個發展趨勢是人工智能，另一方面是通過採用多個芯片同時處理多個任務來實現並行計算。一個很重要的並行處理方式是神經網絡，它模仿了神經系統的體系結構。另外一個趨勢就是計算機全球網絡化。也有大量的研究表明光學計算機出現的可能性（硬件採用的不是電脈衝而是更加快速的光脈衝）。
什麼是計算機科學
I. 簡介
計算機科學是一種理論研究，實驗科學，讓計算機完成自動化信息處理的工程科學。計算機科學可追溯到英國數學家查爾斯.巴比奇時代，他在1837年首先提出了可編程的機械計算器。直到二十世紀40年代，數字電子計算機的出現，計算機科學才和數學工程區別開來。因此衍生了很多分支科研學科。
II. 計算機科學的發展
在二十世紀四五十年代，計算機科學領域裏早期的工作主要關注科學和工程中的自動化處理。科學家和工程師建立了很多計算的理論模型，用於分析並執行繁多的計算任務。計算機科學在這個時期和用於精確分析計算的數值分析學科幾乎是重疊於一起的。
在二十世紀50到70年代，計算機不斷的發展，計算機科學涉及的範圍不斷變大，計算機可執行很多由編程語言實現的程序，計算機通過操作系統爲用戶提供了非常有用的操作界面和入口。在這個時期，計算機用於實踐一下新穎的應用軟件，設計工作，同時還率先創造了計算機網絡，探索着計算機和人腦間的關係。
二十世紀70年代，芯片製造業開始大規模的生產處理器，這種電子電路芯片充當了計算機的信息處理中心。這種新技術通過降低計算機生產成本和不斷的提高處理速度爲計算機工業帶來了全新的革命。由於處理器的發展以及使用，個人計算機的出現，導致出現了大量的計算機應用軟件。在70、80年代後期，計算機科學快速的發展着個人計算機中的應用程序，並不斷的提高着計算機工業中的技術發展。許多來源於早期的系統概念通過個人計算機也傳播到了公衆裏面。
計算機科學持續的發展成了一門前言科學，並創造出了更復雜，可靠和很功能強大的計算機系統。人們通過計算機網絡，有效的傳輸着大量的信息，並不斷的探尋着使計算機更加智能的途徑。由於計算機成爲了現代社會不可分割的一部分，計算機科學也努力解決發展過程中遭遇的各種新難題。
幾十年來，從啓蒙人們怎樣使用計算機到理論轉變爲具體的技術和方案實踐，計算機科學不斷的變化。一直以來，改善人們的生活條件和提高信息的利用效率是計算機科學不斷髮展並實現這些目標的基礎。
III. 理論與試驗
計算機科學是結合了學術理論，工程實踐，和科學試驗的學科。在某些情況下，計算機科學家提出了一種理論，然後工程師就基於該理論通過計算機硬件和軟件來實踐並運用它。這種理論驅動方式開發軟件工程的工具並在實際中評估該軟件。在另一些情況下，預先的試驗可形成一些新的理論知識，比如神經網絡的發現就與人腦的神經元很類似，以此還形成了神經生理學。
由於計算機的性質是預先知曉的，所以一些試驗結果是可以提前預測的。但是，在真實世界中計算機系統內部間的交互是極其複雜的，常常出現無法預料的結果，所以試驗和一些傳統的科學方法也是計算機科學關鍵的一部分。
IV. 計算機科學的主要分支
計算機科學可以分爲四個主要的領域：軟件開發，計算機體系結構（硬件），人機交互和人工智能。軟件開發主要關注創造計算機程序並使之高效執行。計算機體系結構主要關注特殊計算機的最佳硬件配置。人工智能和人機交互通常涵蓋於硬件和軟件中的特定問題。
1. 軟件開發
在軟件開發領域，計算機科學家和工程師研究出了很多軟件設計的技術，比如編程語言的選型和特殊問題的算法選用，怎樣高效存儲和檢索信息，還有某種程式組合機的計算限制。當開發程序時，軟件設計師必須考慮很多因素，有些時候爲了滿足軟件的通用性能，就要犧牲某些特定性能。比如，計算機內存有限，所以就必須限制計算機不能負擔的功能。
軟件工程師科學家和工程師提出的一系列工具和方法，用於提高程序的正確性，可靠性，健壯性。計算機科學的分支學科軟件工程包含了軟件生命週期的所有階段，有需求說明文檔，方案設計的進度控制，有開發，測試，還有維護。軟件工程師通過搭建開發環境，利用一些工具集來開發軟件。工具可以用於管理開發人員參與的程序模塊。
2. 計算機體系結構
計算機體系結構用於設計和分析新的計算機組成系統，通過提高執行速度，存儲容量，可靠性，減少成本和電耗來改進計算機。同時計算機體系結構還構建軟件和硬件模型，分析執行性能和原有的設計，並用這些分析結果來指導新的計算機的開發。除此之外，還涉及到計算機工程，由於需要精確控制計算機模型，故還很依賴計算機電子電路的設計。許多計算機設計師還對得設計一些特殊化功能的計算機，如圖像處理，信號處理，機械系統控制。按照特定任務對計算機體系結構進行的優化，常常帶來性能的提高、成本的降低或者兩者兼具。
3. 人工智能
人工智能（AI）探尋着讓計算機和機器模仿人類的智力和感官能力，以及行爲能力。人工智能的分支研究包括了機器學習，推理，認知，知識表達，解決問題，案例推理，自然語言理解，語音識別，計算機視覺，人工神經網絡。
4. 機器人技術
另一個很有用的計算機科學領域是機器人技術，它通過計算機設計和開發來控制機器設備。機器人的複雜度範圍就像普通玩具到自動化工廠生產線那樣，它用於幫助人們減輕枯燥繁悶而且危險的工作。機器人從事需要速度和精度以及需要一致性的工作，還有一些人們不能完成的清潔工作。
機器人技術包含了控制機器人的方方面面的技術，包含了機器人物理屬性建模，環境建模，行動規劃，控制機制（通過傳感器來提供反饋到控制程序，並確保其行爲的安全性），以及一些簡化控制程序的研究技術。還有一些研究，用於爲機器人提供更多的靈敏性和人類的適應性，並通過人工智能與人類緊密相處。
5. 人機交互
人機交互爲人們提供很多操作計算機的方式，比如鍵盤可以輸入命令給計算機和文字內容到特殊的應用程序中。人機交互的多樣性於計算機用戶和應用程序有關，然而，兩者聯合起來可以建立更好的交互體驗。比如爲殘障人士提供交互方式，簡潔化程序使用，爲虛擬現實提供三維的輸入和輸出設備，改進手寫和語音識別功能，在飛機上，一些顯示關鍵信息的地方比如速度，海拔高度，航向等，在飛行員的前面提供前導式顯示器。另一個研究被稱爲可視化，即圖形化顯示大量的數據，旨在幫助人們理解他的重要特徵。
V. 計算機科學與其他學科的連接
理論上，計算機科學借鑑了數學和邏輯學的許多地方，數值計算與數學上的數值分析相重疊，計算機設計師常常都是設計電路的電子工程師。除這些外，人工智能還與心理學、神經生理學、語言學緊密聯繫。人機交互也於心理學相關，機器人學還與機械工程和生理學相關。計算機科學還間接的使用計算機的所有學科相關。應用程序的開發包括了科學家間的相互協作，涉及到算法，數據結構，軟件工程和其他已有的技術。於是，科學家纔有機會進一步對計算機應用程序有更深的見解。這些聯繫使得計算機科學成爲顯著的跨學科的研究領域
注：本文翻譯自《計算機英語第四版》Unit1
淺薄之言，歡迎指正。登高作賦，有望於羣公
-- 謝樂 2015.4.12
