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《新編計算機科學概論》一0.2 計算機的曆史
0.2 計算機的曆史
雖然計算機的曆史相對於人類的文明史隻是短短的一瞬間，但其影響卻是舉足輕重的。
0.2.1 計算機前傳
在1946年美國成功研製第一台現代意義上的電子數字計算機ENIAC之前，計算機器的發展經曆了一個漫長的過程。根據計算機器的特點可以將其劃分為3個時代：算盤時代、機械時代和機電時代。
1. 算盤時代
這是計算機器發展史上時間最長的一個階段。這一階段出現了表示語言和數字的文字及其書寫工具、作為知識和信息載體的紙張和書籍，以及專門存儲知識和信息的圖書館。這一時期最主要的計算工具是算盤，其特點是通過手動完成從低位到高位的數字傳送（十進位傳送），數字由算珠的數量表示，數位則由算珠的位置確定，執行運算就是按照一定的規則移動算珠的位置。
2. 機械時代
隨著齒輪傳動技術的產生和發展，計算機器進入了機械時代。這一時期計算裝置的特點是借助於各種機械裝置（齒輪、杠杆等）自動傳送（十進位），而機械裝置的動力則來自計算人員的手。如1641年法國人帕斯卡利用齒輪傳動技術製成了第一台加法機，1671年德國人萊布尼茨在此基礎上又製造出能進行加、減、乘、除的演算機。
1822年英國人巴貝奇製成了第一台差分機（Difference Engine），這台機器可以計算平方表及函數數值表。1834年巴貝奇又提出了分析機（Analytical Engine）的設想，他是提出用程序控製計算思想的第一人。值得指出的是分析機中有兩個部件：用來存儲輸入數字和操作結果的“strore”和在其中對數字進行操作的“mill”，與現代計算機相應部件存儲器和中央處理器的功能十分相似。遺憾的是，該機器的開發因經費短缺而失敗。
3. 機電時代
計算機器的發展在電動機械時代的特點是使用電力做動力，但計算機構本身還是機械式的。1886年赫爾曼?霍勒瑞斯（Herman Hollerith）製成了第一台機電式穿孔卡係統——造表機，成為第一個成功地把電和機械計算結合起來製造電動計算機器的人。這台造表機最初用於人口普查卡片的自動分類和計算卡片的數目。該機器獲得了極大的成功，於是1896年霍勒瑞斯創立了造表公司TMC（Tabulating Machines Company），這就是IBM公司的前身。電動計算機器的另一代表是由美國哈佛大學教授霍華德?艾肯（Howard Aiken）提出，IBM公司生產的自動序列控製演算器ASCC，即MarkⅠ。它結合了霍勒瑞斯的穿孔卡技術和巴貝奇的通用可編程機器的思想。1944年MarkⅠ正式在哈佛大學投入運行，IBM公司從此走上開發與生產計算機之路。從20世紀30年代起，科學家認識到電動機械部件可以由簡單的真空管來代替。在這種思想的引導下，世界上第一台電子數字計算機在愛荷華（Iowa, 也譯作衣阿華或艾奧瓦）州立大學產生了。1941年德國人朱斯（Konrad Zuse）製造了第一台使用二進製數的全自動可編程計算機，此外，朱斯還開發了世界上第一個程序設計語言Plankalkul。該語言被視為現代算法程序設計語言和邏輯程序設計的鼻祖。此後，在包括圖靈、馮?諾依曼在內的數學家研究成果的影響下，在美國軍方的資助下以及包括約翰?莫奇利（John William Mauchly）和約翰?埃克特（John Presper Echert）在內的物理學家和電氣工程師的直接組織參與下，1946年世界上第一台高速通用計算機ENIAC在賓夕法尼亞大學研製成功，從此電子計算機進入了一個快速發展的新時代。
0.2.2 電子計算機
現代電子計算機的曆史可以追溯到1943年英國研製的巨人計算機和同年美國哈佛大學設計的MarkⅠ。今天計算機已經曆了四代並得到了迅勐的發展。
1. 第一代計算機（1946年 ~ 1957年）
第一代計算機利用電子真空管製造電子元件，利用穿孔卡作為主要的存儲介質。體積龐大，重量驚人，耗電量也很大。UNIVACI是第一代計算機的代表，它是繼ENIAC之後，由莫奇利和埃克特再度合作設計的。
在電子真空管計算機時期，計算機主要用於科學計算。主存儲器是決定計算機技術麵貌的主要因素。當時，主存儲器包括水銀延遲線存儲器、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓和磁芯存儲器等類型，通常按此對計算機進行分類。在電子管計算機時期，一些計算機配置了匯編語言和子程序庫，科學計算用的高級語言FORTRAN嶄露頭角。
（1）第一台電子計算機ENIAC
世界上第一台電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，讀作“埃尼阿克”）是美國賓夕法尼亞大學研製的。1942年在美國軍方的資助下，該大學成立以莫奇利和埃克特為首的研製小組，於1946年2月15日將ENIAC投入運行，目的是用於解算非常複雜的彈道非線性方程組。眾所周知，這些方程組是沒有辦法求出準確解的，隻能用近似方法進行計算，因此研究一種快捷準確的計算辦法很有必要。
從技術上看ENIAC采用十進製進行計算，在結構上沒有明確的CPU（中央處理器）概念，主要采用電子管作為基本元件。它用了約1萬8千隻電子管，每隻電子管的體積大約與一隻家用的25瓦燈泡相當，還有數千隻二極管和數以萬計的電阻、電容等基本元器件。整個計算機外形尺寸達到2.4米高、1米寬、30.5米長，占地約170平方米，重達30噸，耗電功率高達每小時150千瓦，如圖0-4所示。它每秒鍾能進行5 000次加法運算或400次乘法（人腦的運算速度約為每秒5次加法運算），還能進行平方和立方運算、計算正弦和餘弦等三角函數的值及其他一些更複雜的運算。這樣的速度在當時已經是人類智慧的最高水平。ENIAC與現代PC的比較見表0-1。
（2）馮?諾依曼與EDVAC
約翰?馮?諾依曼 （John Von Neumann），美籍匈牙利人，1903年12月28日出生於匈牙利猶太人家庭，1957年2月8日在美國因患癌症去世。馮?諾依曼在數學諸多領域都進行了開創性工作，並做出了重大貢獻，曾任美國數學學會主席，是20世紀最傑出的數學家之一。馮?諾依曼對人類的最大貢獻是計算機科學、計算機技術、數值分析和經濟學中的博弈論領域的開拓性工作。鑒於在發明電子計算機中所起到的關鍵性作用，他被西方人譽為“計算機之父”。1944年他和摩根斯坦恩（Morgenstern）合作出版的經濟學著作《博弈論和經濟行為》（The Theory of Games and Economic Behaviour）一書標誌著係統的博弈理論的形成，他被經濟學家譽為“博弈論之父”。他在物理和化學領域也有相當的造詣，做出了極其重要的貢獻。總而言之，馮?諾依曼是20世紀最偉大的全才之一（如圖0-5所示）。
1944年 ~ 1945年間，馮?諾依曼主持設計了EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)方案，它明確了計算機由5個部分組成，包括運算器、邏輯控製裝置、存儲器、輸入和輸出設備，並描述了這5部分的職能和相互關係。1946年，馮?諾依曼和戈爾德斯廷、勃克斯等人在EDVAC方案的基礎上，提出了一個更加完善的設計報告——《電子計算機邏輯設計初探》。這些設計的核心思想便是著名的“馮?諾依曼計算機結構”，這個概念被譽為“計算機發展史上的一個裏程碑”，它標誌著電子計算機時代的真正開始，並指導著以後的計算機設計。
其設計思想之一是二進製。他根據電子元件雙穩工作的特點，建議在電子計算機中采用二進製，並預言二進製的采用將大大簡化機器的邏輯線路。實踐已經證明了其正確性。如今，邏輯代數的應用已成為設計電子計算機的重要手段，在EDVAC中采用的主要邏輯線路也一直沿用著，隻是對實現邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方做了改進。
程序內存是馮?諾依曼的另一傑作。通過對ENIAC的考察，馮?諾依曼敏銳地抓住了它的最大弱點——沒有真正的存儲器。ENIAC隻有20個暫存器，它的程序是外插型的，指令存儲在計算機的其他電路中。這樣，解題之前必須先想好所需的全部指令，通過手工把相應的電路連通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間，而計算本身隻需幾分鍾。計算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。針對這個問題，馮?諾依曼提出了程序內存的思想：把運算程序存在機器的存儲器中，程序員隻需要在存儲器中尋找運算指令，機器就會自行計算，這樣就不必每個問題都重新編程，從而大大加快了運算進程。這一思想標誌著自動運算的實現和電子計算機的成熟，已成為電子計算機設計的基本原則。
直到1952年1月， EDVAC才真正研製完成。製造它共使用了大約6 000個電子管和12 000個二極管，功率約56千瓦，占地麵積45.5平方米，重7 850千克。與ENIAC相比，體積、重量、功率都減小許多，而運算速度提高了10倍。馮?諾依曼的設想在這台計算機上得到了圓滿的體現，可以說EDVAC是第一台現代意義的通用計算機。
隨著科學技術的進步，今天人們又認識到“馮?諾依曼結構”的不足，它製約了計算能力的進一步提高，進而提出了“非馮?諾依曼結構”的設想。關於“馮?諾依曼結構”的具體理論我們將在後麵的章節中詳細討論。
2. 第二代計算機（1958年 ~ 1964年）
使用晶體管的計算機被稱作第二代計算機。與真空管計算機相比，晶體管計算機在大幅提升計算能力和可靠性的同時，工作耗電量和自身的發熱量都大大降低。第二代計算機利用磁芯製造內存，利用磁鼓和磁盤取代穿孔卡作為主要的外部存儲設備。此時還出現了高級程序設計語言，如FORTRAN和COBOL。
在晶體管計算機時期，主存儲器均采用磁芯存儲器，磁鼓和磁盤開始用作主要的輔助存儲器。不僅科學計算用計算機繼續發展，而且中、小型計算機，特別是廉價的小型數據處理用計算機開始大量生產。
在晶體管計算機階段，事務處理的COBOL語言、科學計算用的ALGOL語言和符號處理用的LISP等高級語言開始進入實用階段。操作係統初步成型，計算機的使用方式由手工操作改變為自動作業管理。
1953年4月7日，IBM公司（International Business Machines Corporation，國際商業機器公司）正式對外發布自己的第一台電子計算機 IBM 701，並邀請了馮?諾依曼、肖克利和奧本海默等150名各界名人出席揭幕儀式，為自己的第一台計算機宣傳。該年8月，IBM公司發布了應用與會計行業的IBM 702計算機。
次年IBM公司推出了中型計算機IBM 650，以低廉的價格和優異的性能在市場中獲得了極大的成功，至此IBM公司在市場中確立了領導者的地位。
3. 第三代計算機（1964年 ~ 1970年）
1964年 4月7日，在IBM公司成立50周年之際，由年僅40歲的吉恩?阿姆達爾（G. Amdahl）擔任主設計師，曆時4年研發的IBM 360計算機問世，標誌著第三代計算機的全麵登場，這也是IBM公司曆史上最為成功的機型之一。
這一代計算機的特征是使用集成電路代替晶體管，使用矽半導體製造存儲器，廣泛使用微程序技術，簡化處理器設計，操作係統開始出現。係列化、通用化和標準化是這一時期計算機設計的基本思想。
1964年，在集成電路計算機發展的同時，計算機也進入了產品係列化的發展時期。半導體存儲器逐步取代了磁芯存儲器的主存儲器地位，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，並且開始普遍采用虛擬存儲技術。隨著各種半導體隻讀存儲器和可改寫的隻讀存儲器的迅速發展，以及微程序技術的發展和應用，計算機係統中開始出現固件子係統。
計算機發展進入集成電路時期以後，在計算機中形成了相當規模的軟件子係統，高級語言種類進一步增加，操作係統日趨完善，具備批量處理、分時處理、實時處理等多種功能。數據庫管理係統、通信處理程序、網絡軟件等也不斷添加到軟件子係統中。軟件子係統的功能不斷增強，明顯地改變了計算機的使用屬性，使用效率顯著提高。
4. 第四代計算機（1971年至今）
20世紀70年代以後，計算機使用集成電路的集成度迅速從中小規模發展到大規模、超大規模的水平，微處理器和微型計算機應運而生，各類計算機的性能迅速提高。隨著字長4位、8位、16位、32位和64位的微型計算機相繼問世和廣泛應用，對小型計算機、通用計算機和專用計算機的需求量也得到相應增長。
微型計算機在社會上大量應用後，一座辦公樓、一所學校、一個倉庫常常擁有數十台乃至數百台計算機。實現它們互連的局域網隨即興起，進一步推動了計算機應用係統從集中式係統向分布式係統的發展。
1981年8月12日，經過了一年的艱苦開發，由後來被IBM公司內部尊稱為“PC之父”的唐?埃斯特奇（D. Estridge）領導的開發團隊完成了IBM個人計算機的研發，IBM公司宣布了IBM PC的誕生，由此掀開了改變世界曆史的一頁，如圖0-6所示。
1983年，蘋果公司推出了劃時代的Macintosh（國內稱之為“麥金塔”）計算機，不僅首次采用了圖形界麵的操作係統，並且第一次使個人計算機具有了多媒體處理能力。
（1）個人計算機普及
這個無終止的時代開始於1985年。這個時代個人微型計算機市場迅速擴大，見證了掌上電腦和台式計算機的誕生、第二代存儲媒體（CD-ROM、DVD等）的改進、多媒體的應用、虛擬現實現象的產生。如圖0-7所示。
在此期間微處理器產生並高速發展，主要特征是采用了大規模和超大規模集成電路，使用集成度更高的半導體元件做主存儲器。這一代計算機是把信息采集、存儲處理、通信和人工智能結合在一起的智能計算機係統。它不僅能進行一般信息處理，而且能麵向知識處理，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，能幫助人類開拓未知領域和獲得新知識。
（2）平板電腦
平板電腦是計算機產品的最新形式。平板電腦（Tablet Personal Computer，簡稱Tablet PC、Flat PC、Tablet、 Slates）是一種小型、方便攜帶的個人計算機，以觸摸屏作為基本輸入設備。用戶通過觸控筆或數字筆甚至手指來進行操作，而無須使用傳統的鍵盤或鼠標。平板電腦最早由微軟的比爾?蓋茨提出，從微軟提出的平板電腦概念產品上看，平板電腦就是一款無須翻蓋、沒有鍵盤、小到可以放入女士手袋卻功能完整的PC。如圖0-8所示。
2010年1月27日，在美國舊金山芳草地藝術中心舉行的蘋果公司發布會上，富有傳奇色彩的首席執行官史蒂夫?喬布斯親自發布了平板電腦產品——iPad。iPad定位介於蘋果的智能手機iPhone和筆記本電腦產品之間，通體隻有四個按鍵，與iPhone布局一樣，提供瀏覽互聯網、收發電子郵件、觀看電子書、播放音頻或視頻等功能，成為當今市場上最成功的平板產品。2011年3月3日正式發布了第二代產品iPad 2；2012年3月7日，發布第三代iPad，第三代iPad名為“The New iPad”。據蘋果中國官網信息，蘋果第三代iPad定名為“全新 iPad”。
0.2.3 計算機的未來
在可預見的未來，計算機將向更高性能、更加易用、聯網更廣泛和更專業的應用發展。就計算機本身而言，隨著硬件技術和算法設計的進步，計算機的處理能力將進一步提高，不久將達到每秒1 000萬億次浮點運算的計算能力。隨著處理器對存儲器管理能力的提高和內存硬件成本的不斷降低，計算機的內存將不斷擴大，這將支持計算機處理更加複雜和規模更大的問題。
同時計算機將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語言能力，能夠提供自然的輸入手段（如語音輸入、手寫輸入），讓人能產生身臨其境感覺的各種交互設備已經出現，以便於人們用人類所熟悉的方式與計算機進行交互。
新型計算機係統不斷湧現。矽芯片技術的高速發展也意味著矽技術越來越接近其物理極限，為此世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機從體係結構的變革到器件與技術革命都要產生一次量的乃至質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等將會逐步走進我們的生活，遍布各個領域。
網絡繼續蔓延且基於網絡的應用不斷提升。已經有人提出“網絡就是計算機”的概念。網絡不僅改變了計算機的應用模式，也為性能計算解決方案提供了新的途徑。
隨著第四代計算機向智能化方向發展，最終將導致新一代計算機的出現。新一代計算機的研製是各國計算機界研究的熱點，如知識信息處理係統（KIPS）、神經網絡計算機、生物計算機等。知識信息處理係統是從外部功能方麵模擬人腦的思維方式，使計算機具有人的某些智能，如學習和推理的能力。神經網絡計算機則從內部結構上模擬人腦神經係統，其特點是具有大規模的分布並行處理、自適應和高度容錯的能力。生物計算機是使用以人工合成的蛋白質分子為主要材料製成的生物芯片的計算機，它具有生物體的某些機能，如自我調節和再生能力等。
最後更新：2017-08-17 16:32:36