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第7章 电子仪器设备(1)

电子管时代

最早的计算机是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫克利负责研制的。

这台机器的名字叫“电子数值积分计算机”,取它们每个英文单词的第一个字母就是“ENIAC”,简称为“埃尼阿克”。这台机器看上去像个庞然大物,机内使用了1万多个电子管,7万个电阻、1万个电容以及600个开关,整个机器长30米,高3米,宽1米,占地面积为170多平方米,相当于上课教室的4倍,整个机器重30多吨,相当于7~8辆解放牌大卡车的载重量。

这种计算机的运算速度比机械式计算机快得多,一般每秒几千至几万次。由于“埃尼阿克”是利用电子管制造的,所以,也称为电子管计算机。

从1946年到1957年生产的电子管计算机,是世界上公认的第一代电子计算机。

那什么是电子管呢?电子二极管是由一位叫费莱明的英国工程师在1904年发明的。电子二极管一端是灯丝,另一端是金属片做成的电极。金属片带正电时,电流才能通过。因此,在电子二极管中,电流只能朝一个方向流动,它可以用来检测无线电波。电子二极管的发明,是电子技术的一个重大突破。

与此同时,世界上第一支电子三极管也诞生了。这是由杰出的英国科学家德福雷斯发明的。它是20世纪最伟大的发明之一。电子三极管有放大微弱信号的功能。后来,人们又制造出四极管、五极管等等。

电子管计算机虽然较以前的各种计算机有了很大改进,但它体积太大,笨重、造价高、可靠性差、操作困难、维修复杂、耗电量高,不能进行批量生产,无法得到普及,没过多少年,它就被晶体管计算机所取代。

晶体管时代

早在古代,人们就发现了物体带电现象,当时的书籍记载说用毛皮摩擦琥珀可以吸引小纸片、毛发等轻微物体。又经过了很长时间,到18世纪,人们发现在自然界,有些材料允许电流通过,比如:金、银、铜等金属,人们把这些材料叫导体;有些材料不允许电流通过,如玻璃、橡皮等,人们把这些材料叫绝缘体。后来,人们又发现,在自然界中还有一些材料,它们既不是导体,也不是绝缘体,它们允许电流通过的程度,介于导体和绝缘体之间,比如锗硅的氧化物,人们把这些材料叫半导体。

半导体有一个显著的特点:一旦它们受到光照或在它们中掺入极少量的杂质后,它们允许电流通过的能力会成百上千倍地提高。因此,科学家用半导体制成许多电子元件和器件。

1947年,世界著名的贝尔电话实验室研制出了第一个半导体三极管,也就是晶体管。

晶体管有三个电极,通过三根导线引出管外。三个电极中有一个电极能起控制作用,如果给这一个电极通过电流,晶体管内部的电子开关就接通,另外两个电极就会有电流通过;如果不给这个电极电流,开关就断开,另外两个电极也就没有电流,这是晶体管的基本功能。晶体管还有放大功能,在它的一个电极上,给以一个微弱的信号,在另外两个电极上就能得到较大的信号。

晶体管既能代替电子管工作,又能消除电子管的所有缺点,它没有玻璃管壳,不需要真空,体积很小,生产成本很低,它的寿命比电子管长得多。

因此,晶体管问世后,立即得到了迅速发展并且代替了电子管的位置。现在,我们日常生活中已经到处可见它的踪影。

1956年,美国首先研制成军用小型晶体管计算机,1958年底到1959年初,第一批批量生产的民用晶体管计算机投入运行,这就是IBM1403机。它们标志着晶体管计算机时代的到来。人们又称晶体管计算机为第二代电子计算机。

晶体管计算机重量轻、体积小、耗电量小、成本低,因而在军事、工业、农业、商业、科研等各行业逐步得到应用。

电路时代

我们知道,在电子计算机里有许许多多电路,这些电路像一个个小型的交通控制系统,控制电流的往来,电流流通的路线由电路的形式决定。在电子管计算机中,电路是由单个电子管、电阻、电容等元件,经过焊接组装成的。在晶体管计算机中,电路是由单个晶体管、电阻、电容等元件,经过焊接组装成的。当科学家们采用先进的工艺技术,把微型化的晶体管、电阻、电容等元件集中组成电路,再把许许多多这样的电路集中在一块相当小的半导体硅片上,这就是集成电路。集成电路块只有大拇指那么大,是在1969年由美国英特尔公司年轻的工程师霍夫研制成功的。

所谓中小规模集成电路是相对后来的“大规模”集成电路而言的。1960年诞生的第一块集成电路,是小规模集成电路,在一平方毫米的硅片上形成一个电路。

采用中小规模集成电路制成的电子计算机,是第三代电子计算机。比如1964年生产的IBM360机。因采用了集成电路,大大缩短了信息传输的时间,降低了电路的故障,因而使计算机可靠性显著提高,运算速度大增,已达到每秒几百万次,重量、体积、功耗、成本也大大减少。

我们知道,电子和光的速度是每秒30万千米。电子计算机的线路越短,电子走过的路程就越短,所花的时间也越少。我们以万分之一秒计算,第一代电子计算机中电子线路的累计总长度是30千米左右,第二代缩短到3000米,第三代只有30厘米左右了。

集成电路促进了电子计算机的小型化。1965年美国数字设备公司制成12位小型机后,各种小型机纷纷出现,迅速发展。

1970年出现了能装1000个电路的大规模集成电路,它们的大小只有我们平时吃的方块糖那样大。采用大规模集成电路制造的计算机,是第四代计算机,比如1972年美国IBM公司生产的IBM370系列机。目前世界上使用的电子计算机大多数是第四代电子计算机。

如果现在我们拿第四代电子计算机同第一代电子计算机“埃尼阿克”相比,我们会发现,它们的功能一样,但第四代电子计算机的体积却只有“埃尼阿克”的30万分之一,重量是它的6万分之一,耗电量是它的5万分之一,可靠性却提高了1万倍。

创造这个奇迹的是看起来平淡无奇的小硅片——集成电路。在显微镜下观察这些硅片,如同从空中看到一座现代化城市。由它组成的各种类型和用途的电脑,正对人类社会产生着巨大而深刻的影响。

电子计算机进入第四代的时候,开始朝两个方向发展:一是发展微型电子计算机;二是发展大型电子计算机。

现今社会,在大街小巷经常见到“电脑培训”、“电脑打字”的招生广告,这里说的电脑就是指微型电子计算机。

微型电子计算机是由小型计算机演变而来的,它比小型机体积小,重量轻,用起来方便灵活,可靠性高,比小型机更适应信息时代的要求,更有发展前途,一般人们叫它“微机”,也称“微电脑”。

第一代微机是1970年4月由美国英特尔公司首先研制成功的。它比小型机的体积要小,但该机工作速度较慢,不适应信息时代的快节奏。

于是英特尔公司动员人力、物力,运用新工艺、新技术对第一代微机做了改进,很快研制出了第二代微型计算机。第二代微机比第一代性能大幅度提高,运算速度大大加快,具有抗干扰和抗辐射能力,同时降低了耗电量。

1974年,后来居上的摩托罗拉公司研制成了第三代微型计算机8080A,性能超过了英特尔公司的产品,它比第二代微型计算机运算速度更快,体积进一步缩小。之后,微型计算机迅猛发展,1978年出现了8086型微机,指令执行时间比8080A快7倍,完全可以和小型计算机相媲美了。1981年又研制出了功能能和70年代中期的大中型计算机相比的微型计算机。

1979年世界微机有5000台,1985年超过1亿台,现在发展更是迅猛。

8086型微处理机已经发展到了80286、80386、80486以及奔腾(80586)机,功能一代比一代强,不仅可做文字处理,还能进行绘图、设计,加上多媒体功能,就可以听音乐、看光盘、打电话、看电视、玩游戏等等。

微型计算机有许多突出的特点和优点:

第一是新。技术新、工艺新、产品新。它运用最新科学技术,产品花样翻新,层出不穷,成为计算机系统的佼佼者。

第二是快。革新快、换代快、生命力强。微型计算机的更新换代速度惊人。1969年8月设计、1970年4月第一代微型计算机问世,1973年第二代微型计算机问世,1975年第三代微型计算机问世。之后,其性能、质量迅速提高,微型计算机产业猛烈扩张,竞争对手云涌。美国加州甚至出现了以计算机为主导的电子产业基地“硅谷”,它的发展速度,远远超过了美国当年的汽车工业。

第三是多。品种多、产量多。从1970年到1985年,产量增加了30倍。

到现在不仅有普通微机,还出现了笔记本、膝上机等。

第四是便宜。体积小,用材少,价格低,平均每两年降价一半。

第五是广。涉及面广,用途广。现在,微型计算机在科研、生产、社会和生活中得到了广泛应用,可以说已渗透到社会生活的各个方面。

我们平时喜欢用“傻瓜”照相机照相,因为它不需人工调节,能自动对光圈定速度、测距离,就是因为在照相机里安装了微型计算机;电视广告上经常说的全自动洗衣机,不需人工操作就完成洗衣工作,也是微机的功劳。

微型计算机用于交通可进行自动信号控制、节约燃料、减少污染、自动刹车;用于商业可自动售货、自动结算、自动加油;用于教育,出现了电脑教师。

今天电脑已广泛进入家庭,微型计算机已迈向一人一机的个人电脑时代。

据美国一家电台报道,美国个人电脑1991年拥有量为5500万台。日本电子工业振兴协会对日本个人电脑市场抽查预测,个人电脑已进人一人一机的时代。

美国一家市场调查公司的调查表明,1991年,在2800多万个家庭中,有3000万台个人电脑,研究预测指出,到1999年每个美国家庭平均将有2.2台个人电脑,比每个家庭的子女平均数量还多,并预测到1999年,在美国的学校中使用手提式个人电脑,就像现在使用小型计算器那样普遍。

个人电脑已经从业余爱好者手中的玩艺儿变成了一种非常普及的工具。

在千百万人的办公桌上,已具有了20世纪50年代中央处理机那样计算能力的个人电脑。在家庭中,个人电脑是自从有电视机之后作用最大的消费品,比电话普及速度还快。美国的少年儿童中有46%在家里或在学校中使用电脑。美国人用个人电脑可以干许多工作,比如把电脑与电话线连接,直接传送信件、文件和其他信息。利用“电子邮局”,只要按下电脑的按键,几秒钟就能把过去几天才能寄到的信件内容同时送到若干处。还可以用个人电脑构成印刷系统,出版自己写的新闻稿。最广泛的应用是把电脑当成最完善的打字机,62%的电脑拥有者常常用电脑写信或书写其他文字材料。用电脑玩游戏也很普遍。

个人电脑发展十分快。第一代个人电脑很粗糙,用户要经常自己编写程序。1981年个人电脑发展揭开了新的篇章,IBM公司的个人电脑在佛罗里达州博卡拉顿的产品开发实验室问世,IBM个人电脑很快就把很大一部分市场掌握在手中。1982年末各大公司激烈争夺市场,相继大幅度削价,几个月时间价格从1000美元跌到199美元。到该年年底,个人电脑摆满了商店的玩具部。第二代个人电脑,包括IBMPC机及其兼容机,就是我们常说“攒”的微机,现已显得陈旧了。目前,第三代个人电脑包含有强大的微处理机芯片、存贮器、外部存贮器(如磁盘)、键盘、光笔、鼠标器、显示器、打印机,还有能将信号作转换的调制——解调器。当然,除硬件之外,还要有软件,有成套的指令,即编好的程序,个人电脑才能完成各项工作。

个人电脑的兴起是信息技术革命中的一个伟大事件。个人电脑现在国外和洗衣粉、饮料一样充斥市场,就像罐头一样随时可以买到。个人电脑正朝着小型化、轻量化、高性能和直观化方向发展。发展的核心是力求电脑的操作更简单,就像使用洗衣机、录像机一样方便。到那时,对于用户来说,个人电脑就更“可亲”了。为了使用方便,声控电脑也是一个发展方向。

1922年2月25日,苹果计算机公司宣布,该公司已制出一种话控电脑,它不但能识别口头命令,有时还能“回答”,当它完成任务后,可以报告它已完成了任务,并问使用者还有什么事情要做。

1992年在澳大利亚悉尼举办的个人电脑展上,夏普公司推出了只有手掌般大小的超小型电脑,重量只有500克,成了名符其实的“掌上电脑”了。

现在,个人电脑是整个电子计算机家庭中数量最多的成员。

1990年8月2日,伊拉克入侵科威特,触犯了美国及其他西方国家的战略利益。海湾上空战云密布。8月4日美国制定了代号为“沙漠盾牌”的军事行动计划,应沙特国王的请求,向海湾地区增派大量军队。1991年1月17日,海湾战争终于爆发。

当天夜晚,一片漆黑,几百架多国部队飞机对伊拉克首都巴格达进行了轮番轰炸,据美国一位退役的将军说:“仅这一夜向伊拉克和科威特泻下的炸弹,就相当于一个半投在广岛的原子弹。”然而让美国指挥部的军官们真正感到惊奇的,是这次轰炸几乎都命中预定的目标,参谋部的军官甚至认为这是一个奇迹。

人们不禁会问:多国部队的夜间轰炸,为什么“几乎都命中预定的目标”?

原来,早在战争爆发前几个月,美国就专门发射了几颗军事卫星上天,全天24小时不间断地监视着伊拉克、科威特地区的动静,包括伊军通讯波段、电台位置、雷达频率、部队调动、武器位置等,然后将收集到的大量情报传到指挥中心,在这里由大型计算机迅速加以处理,仅仅几分钟,一张张清晰的照片就送到指挥官面前。照片上及时显示出伊拉克导弹的位置、停在跑道上和隐蔽在机库里的各种飞机、以及伊拉克的化学工厂、核研究中心、通信中心等要害部门,甚至连伊拉克总统萨达姆所处的位置,都在这些照片中标明了。于是多国部队根据情报制出一套作战地图,极其精确地标出了攻击目标。战争前夕,又把截获的数百万条信息输入电脑处理分析,极其精确地制定了进攻计划;最后对所有情报详细筛选,编入计算机程序,制成数据图像,输入各类作战飞机的电脑。战斗中,大型电子计算机及时处理前线发回的信息,能在几秒至十秒钟之内,将信息和指令发回前线,供指挥官选择有利时机发起攻击。可以说整个轰炸行动得以准确、利索地完成,完全得益于计算机。

海湾战争中还进行了导弹战,最著名的就是“爱国者”大战“飞毛腿”。