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計算器
來源:互聯網

計算器,目前通常指的就是電子計算器( electronic calculator)。它是由單片大規模集成電路等元件構成的現代計算工具,具有體積小、操作簡便、運算功能多、計算速度快、精確度高和用途廣泛等特點,常用于個人對數據的計算、處理及統計分析。

最早的計算工具誕生于中國古代,機械式計算器則是在此之后出現的一種用機械技術來實現數學運算的計算工具。而電子計算器是計算機科學和微電子技術高度發展的產物。1961年,英國的控制系統公司利用放電管和電子管制成了臺式電子計算機。隨后,日本于1964年抓住了采用半導體新技術的機會,制造出有競爭力的晶體管臺式計算機。到了20世紀70年代,集成電路和大規模集成電路被廣泛應用于電子計算機制造領域,從而使得電子計算器的發展達到了一個嶄新的時期。

計算器可以稱是第一代的計算機,雖然比起電腦功能較少,但較為方便與廉價。因此,計算器已成為一種用于日常計算的重要工具,廣泛應用于商業交易和教學中,也被認為是必備的辦公用品之一。

發展歷程

起源

最早的計算工具誕生在公元前770年的中國。春秋戰國時期,有一種使用得非常頻繁的計算工具叫籌策,也被稱為算籌。這種計算工具是由一根根同樣長短和粗細的小棍子制成,大約二百七十幾枚為一束,放在一個布袋里,需要記數和計算的時候,就把它們取出來,放在桌上或地上都能擺弄。早在公元469年,祖沖之就是運用算籌成功地把圓周率精確到3.1415926和3.1415927之間。按照中國古代的籌算規則,算籌記數的表示方法為:個位用縱式,十位用橫式,百位再用縱式,千位再用橫式,萬位再用縱式等。這樣從右到左,縱橫相間,依此類推,就可以用算籌表示出任意大的自然數了。由于它位與位之間的縱橫變換,且每一位都有固定的擺法,所以既不會混淆,也不會錯位。這樣一種算籌記數法和現代通行的十進位制記數法是完全一致的。

之后在1000多年前的中國北宋時期,勞動人民在生活實踐中又創造了一種便于計算的工具,大大提高了計算的速度,這個計算工具就是算盤。算盤是通過撥珠的方法來進行計算的,算珠分為上珠和下珠,一個上珠表示5,—個下珠表示1,當算珠撥到靠中間的梁時,就表示計數。算盤上的數位順序與讀寫數的數位順序相同??梢杂脕碛嬎慵臃āp法、乘法、除法,且運算方便、快捷,在沒有出現電子計算器之前,是普遍使用的一種計算工具。

機械化發展階段

隨著西方國家計算工具的發展,此時計算設備才有了第二次重要的進步。英國數學家約翰·納皮爾發明了“納皮爾算籌”,英國牧師奧卻德發明了圓柱形對數計算尺,這種計算尺不僅能做加減乘除、乘方、開方運算,甚至可以計算三角函數、指數函數和對數函數等多種復雜計算。

1642年,僅19歲的法國科學家帕斯卡借用中國算盤的原理,發明了第一部機械式計算器。在他的計算器中有一些互相連鎖的齒輪,一個轉過十位的齒輪會使另一個齒輪轉過一位,人們可像撥電話號碼盤那樣,把數字輸入進去,計算結果就會出現在另一個窗口中。數目被通過車輪裝入計算器,計算器里面轉動齒輪完成的就是計算的過程。但是由于帕斯卡計算器只能進行加減計算,且體型巨大,在此后的數百年間,一臺計算器的重量接近25千克,售價高達2500美元,價格高再加上難以攜帶,因此無法普及。

從帕斯卡發明機械式加法機起直到20世紀初,機械式計算器的發展極其緩慢,主要集中在機器體積的縮小和功能的改進上,如從最初只能進行加法輔助計算到后能進行乘除輔助計算等等。

電子計算器階段

從 20 世紀起,隨著電子技術尤其是集成電路技術的發展,計算器技術才得到了真正的發展。1946年 ENIAC 的誕生標志著計算機技術的新起點。1957年,卡西歐公司生產出世界上第一臺商用計算器。自那以后,計算器的發展突飛猛進。

20世紀六、七十年代是計算器技術發展的黃金時期。這時期計算器技術逐漸趨于成熟。1960年,第一臺桌面型電子計算器問世,它采用真空管作執行部件,用橙色放電管作顯示。1964 年包括Shmp公司在內的幾家公司都推出了執行元件全為晶體管的桌面型計算器,但是體積仍然很大且價格高昂,制約了計算器技術的進一步發展。一直到1967年,美國工程師團隊才終于克服小型化的集成電路和電池的技術難題,發明了第一款袖珍計算器。它和我們現在使用的計算器外形頗為相似。其重量雖大幅下降,但仍有1.2千克,且只能進行加減乘除的簡單運算,運算結果也并非直接通過屏幕顯示出來,而是先將答案印在卷紙上,再從其左側小孔輸出。

直到1969 年,Mostek 公司設計的大規模集成電路芯片 MK-6010 LSI 集成了完成計算器各種功能所需的全部晶體管,并由日本 Busicom 公司應用到其產品 NCR18-16中,才開始了單芯片計算器的歷史。它不僅使計算器的功耗大大降低,可以采用電池供電,而且使便攜式計算器(Pocket Calculator)成為可能。同時使組裝成本大幅下降,促使了大批的計算器制造廠商的出現,展開了一場計算器市場之爭。

尤其是 70 年代后期,由于CMOS 工藝和 LCD 顯示器件的引入,技術上己經基本成熟,不僅降低了計算器的功耗,價格也進一步降低。例如1972年面世的HP-35是世界上第一部手持的科學計算器。因其擁有35個按鍵而命名為HP-35,它能把計算尺的所有功能精確到10位數字精度,而且能夠在200位十進制范圍運行小數點或10次冪的指數運算。因此,到九十年代,計算器市場競爭趨于穩定,只有少數幾家廠商幸存下來,其中包括美國的 TI、HP,日本的 Sharp、Casio 等。

在此后的幾十年里,手持計算器飛速發展。目前計算器功能已經從四則運算增加到幾百種,其中包括各種函數和復雜圖形等的計算功能,涵蓋從小學到大學的數理教學。并且電子計算器作為一種先進的、專業的計算工具,在日常生活中也得到了廣泛應用,解決了人們對數據計算的基本需求。

產品分類

計算器的種類很多,而且分類也各不相同。例如按功能可劃分為普通計算器、函數型計算器和程序型計算器,按顯示方式又可劃分為液晶顯示計算器和數碼管顯示計算器等等。盡管這些計算器功能,顯示方式,運算方法等有所區別,但是都具有下面的共同點:從按鍵輸入數值和運算符號,到顯示輸入結果,再到程序后臺的運算,最終顯示運算結果。

按計算機功能劃分

普通型計算器:也被稱為算術計算器。它可進行加、減、乘、除、乘方、開方、百分比等運算,一般只有一個存儲器。

函數型計算器:函數計算器又稱科學計算器,具備計算初等函數數值計算功能的一類計算的統稱,是所有計算器中最常見的一類。一般級別的函數計算器具備初等函數的計算功能,回歸分析等功能。高級的函數計算器具備數值微積分、數值求和、求積單位進制轉換與位運算、科學常數、解方程組、解不等式、關系證明等動能。

程序型計算器:也稱高級計算器。除具有科學型計算器的功能外,還具有解微分方程、積分方程、代數方程等功能,這類計算器一般都具有兩個以上數碼寄存器,而且具有不同容量的存儲運算公式的存儲器,個別型號的計算器還附有打印裝置。

按顯示方式劃分

液晶顯示計算器:它是通過液晶分子翻轉顯示數字的。特點是功耗小、省電。但在無光處不能使用。

數碼管顯示計算器:其顯示器是由微型數碼管組成的,數碼字顯示以“日”字為基礎組成。特點是:顯示清晰明亮,可在任何場合使用,功耗較大,但可外接電源使用。

按運算方法劃分

法則運算計算器:這類計算器是按照數學運算法則進行運算的,遵循先乘除后加減,從左到右進行運算。

順序運算計算器:這種計算器的運算是依按入的先后順序進行運算的,而不是按照數學運算法則進行。

按體積大小劃分

臺式計算器:體積較大,宜在辦公室和商店柜臺上使用。

便攜型計算器:體積較小,攜帶方便,是使用最多的一種。

超小型計算器:體積小,重量輕,使用方便。

應用領域

教育教學

在數學教學活動中,教師借助合適的信息技術可以有效地彌補傳統教學的不足,激發學生的學習興趣。在眾多信息技術中,圖形計算器受到了廣大師生的青睞。圖形計算器是一種集數值計算、函數圖像顯示、編程、數據分析等功能于一身的掌上計算器。作為一種新型的數學實驗工具,它具備符號代數系統、幾何操作系統、數據分析系統等幾種系統,可以直觀地繪制各種圖形,并進行動態演示、軌跡跟蹤。

金融行業

目前市場上已存在集單、復利計算,投資評價、年限攤銷、利息轉換、債券、固定資產計算等強大功能于一體的金融財務計算器,同時在財務管理計算中設有現金流量、保本點、保利點、安全邊際、經濟杠桿、財務杠桿、綜合杠桿等重要財務指標模式,可免除大量的計算工作量,大大提高工作效 率。同時還具有攜帶方便,已成為財會人員現場工作的好助手。

商業辦公

隨著科技的進步與革新,會計和出納人員在日常的工作中以電子計算器計算機小鍵盤(Excel)代替了算盤進行會計計量。一個合適的電子計算器,可以提升財務工作的效率和速度。

工程建造

從二十一世紀初以來,隨著科技實力的快速發展,測繪儀器的精度不斷提高,初始測邊、測角精度提高,為現代工程施工奠定了堅實基礎。例如礦山測量因工程施工條件特殊,地表及井下建設施工中,CASIOfx4500-4800計算器編程對其應用比較廣泛,程序主要包括:方位角計算、坐標正反算、導線測量計算、同一站點多個觀測點三維坐標計算、測站點在任意控制點上中、腰線放樣及檢查測量,操作過程中只需使用全站儀采集平、斜距,高差,水平角等簡單測量參數,即可借助編好程序的CASIO計算器精確的計算出工程點數據指導施工,此方法操作簡便、快捷,外業作業時間短,硬件投資少,已在礦山測量過程中普遍使用。

工作原理

如下圖所示為計算器工作結構原理框圖,該系統由電源模塊、算術邏輯單元(ALU)、ROM存儲器、鍵盤掃描、地址生成及地址譯碼模塊、RC震蕩器、時鐘及計數器模塊、寄存器陣列、段譯碼及段鎖存、COM信號產生模塊、自動斷電時間計數器、顯示輸出等模塊構成。下面介紹計算器的工作過程:

(1)當按下計算器ON/C鍵時,電路開始進入上電過程。首先時鐘被設置成快速模式,要完成數據寄存器清零及所有標志寄存器清零,接著設置液晶顯示數據寄存器,時鐘設置為慢速方式,顯示輸出帶小數點的“0”,將此顯示維持一段時間后進入鍵盤等待狀態,上電過程完畢。在此上電過程中,自動斷電計數器被清零。

(2)計算器上電之后,系統進入鍵盤等待狀態,在此過程內斷電計數器開始計數,如果在設定的計數時間內沒有按鍵輸入,則電源VDD變成低電平,系統自動斷電;如果在此期間內有按鍵輸入,則斷電計數器清零,電路進入按鍵輸入狀態。

(3)一旦有任何按鍵輸入,時鐘立刻由慢速變成快速方式,系統依次掃描各條掃描線上的按鍵輸入情況,判定是何鍵輸入。如果按鍵時間超過規定的最小按鍵維持時間(即鍵盤掃描程序執行時間),則此按鍵有效,一個按鍵對應一個特定的ROM地址,系統根據該按鍵對應的ROM地址進入微程序指令的入口。

(4)計算器進行的算術運算都是由鍵盤輸入提供的微程序指令地址進入ROM單元,提取與之對應的相關程序,逐條執行。執行程序的核心操作都是通過算數邏輯單元ALU完成的,在ALU中所有運算都是通過加法和減法實現的,其運算結果寄存在相應的數據寄存器中,不同的運算還會影響相應標志寄存器的值,最后在特定指令作用下將數據寄存器中的結果到達LCD顯示。

結構組成

常見的電子計算器一般由顯示屏、功能鍵、內存和運算器等部分組成。

顯示屏

顯示屏是計算器的顯示窗口,位于計算器的表面,由功能鍵輸入的數據以及各種運算結果都由它來顯示出來,是人機對話的重要部件。除此之外,計算機顯示屏還顯示有關符號以表示狀態:

(1)“M”指獨立記憶指示符,表示計算器已儲存的數據;

(2)“E”指錯誤指示符,表示計算過程出現錯誤;

(3)“ERROR”指計算得數超過計算器顯示屏位數的提示符。當運算結果的位數超過計算器顯示屏位數時計算器顯示屏出現“ERROR”符號,提示計算得數在計算器顯示屏不能完全顯示。此時,按“AC”鍵可清除所有數值;按“C”可清除屏幕上顯示的“ERROR”符號,但計算器顯示屏上的數值仍可繼續使用,“MR”和“GT”依然存在。

功能鍵

功能鍵分布于電子計算的盤面,是人機對話的主要部件。計算機基本功能鍵下表介紹如下表所示:

以上資料來源于:

內存

內存是電子計算器的倉庫,用來存放指令和各種數據,以及運算器運來的各種運算結果。

運算器

運算器是電子計算器的運算裝置,是對數據信息進行加工處理的部件。通常設在計算器的內部,是計算器的中樞,它的主要功能就是在控制器的控制下,完成各種算術運算(如加、減、乘、除)和三角函數、對數復數等的運算。有的還可以進行角度和弧度、坐標的轉換等。

性能指標

計算器的性能指標主要有以下幾點:

(1)用交流電網供電的計算器,在電源電壓為220V( + 10%15%)頻率為 50+2Hz的情況下應能正常工作;

(2)用電池供電的計算器,當電源電壓變化+5%—-10%時計算器應能正常工作。用太陽能供電的計算器要求在 100 - 250 光照度的條件下能正常工作。

參考資料 >

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