计算机的发展历程
计算机的发展历程
现代计算机的历史开始于20世纪40年代后期。一般认为，第一台真正意义上的电子计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生的名为ENIAC的计算机。但应该看到，计算机的诞生并不是一个孤立事件，它是几千年人类文明发展的产物，是长期的客观需求和技术准备的结果。
1.1.1  计算机的产生
自从人类社会形成以来，人们对自动计算的追求就一直没有停止过。人类从用石头、刻痕或绳结来计数和计算开始，陆续发明了算盘、计算尺等计算工具。随后，在现代计算机问世之前，计算机的发展经历了机械计算机、机电计算机和萌芽期的电子计算机3个阶段。
1．机械计算机
从17世纪到19世纪中期长达200多年的时间里，一批杰出的科学家相继进行了机械计算机的研制，其中的代表人物有帕斯卡（Blaise Pascal）、莱布尼茨（Gottfried Leibniz）和巴贝奇（Charles Babbage）。这一时期的计算机虽然构造和性能还非常简单，但是其中体现的许多原理和思想已经开始接近现代计算机。
1642年，法国数学家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机。帕斯卡的加法机，虽然只能做简单的加、减运算，但是帕斯卡的工作是开创性的。他提出了一个有意义的设想，即利用纯粹机械的装置来代替人们的思考和记忆。这是人类发明计算工具的第一次尝试。为了纪念这位自动计算的先驱，著名的程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。
德国著名的数学家莱布尼兹于1673年改进了帕斯卡的设计，发明了乘法机，这是第一台可以进行四则运算的机器。莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行繁琐、重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。
英国数学家巴贝齐在1822年发明了差分机，这是最早采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽。1834年，巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机，其中采用了3个具有现代意义的装置：保存数据的寄存器；从寄存器取出数据进行运算的装置，并且机器的乘法以累次加法来实现；控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果的装置。虽然限于当时的技术条件而未能实现，但这台分析机已经描绘出有关程序控制方式计算机的雏型，其设计思想为现代电子计算机的产生奠定了基础。
2．机电计算机
巴贝奇的设想提出以后的100多年间，电磁学、电工学、电子学不断取得重大进展，在元器件方面接连发明了真空电子二极管和真空电子三极管；在系统技术方面，相继发明了无线电报、电视和雷达等。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。
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。进入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，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，各国科学家对采用继电器的机电计算机进行了大量的研制工作，为现代计算机的最终诞生积累了极为重要的经验。
1938年，德国科学家祖思（Konrad Zuse）成功制造了第一台采用二进制的Z-1型计算机，此后他又研制了Z系列计算机。其中，Z-3型计算机是世界第一台通用程序控制机电式计算机，它不仅全部采用继电器，同时采用了浮点记数法、带数字存储地址的指令形式等。
1944年，美国科学家艾肯（Howard Aiken）研制成功了一台机电式计算机，它被命名为自动顺序控制计算器MARK-I。1947年，艾肯又研制出运算速度更快的机电式计算机MARK-Ⅱ。
希腊字母表及读音
到做薯片1949年，由于当时电子管技术已取得重大进步，于是艾肯研制出采用电子管的计算机MARK-Ⅲ。
至此，在计算机技术上存在着两条发展道路：一条是各种台式机械和较大机械式计算机的发展道路；另一条是采用继电器作为计算机电路元件的发展道路。后来建立在电子管和晶体管之类电子元件基础上的计算机正是受益于这两条发展道路。
3．萌芽期的电子计算机
几乎是在制造机电计算机的同时，人们开始了制造电子计算机的努力。电子计算机的研制过程，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。在20世纪30年代后期，许多目光敏锐的科学家纷纷跻身于制造电子管计算机这一大有可为的领域，其中最著名的是美国衣阿华州立大学教授阿塔纳索夫（John V. Atanasoff）。1939年，阿塔纳索夫提出设计计算机三原则：采用二进制进行运算；采用电子技术来实现控制和运算；采用把计算功能和存储功能相分离的结构。1939年，阿塔纳索夫和他的学生贝瑞（Clifford E. Berry）还设计并试制了数字电子计算机的样机“ABC计算机”（Atanasoff-Berry Computer），但未能完工。ABC计算机是计算机发展史上的一个里
程碑，有些科学史学家认为，如果ABC计算机当时能正式制造出来，那将是世界上第一台电子数字计算机。
4．电子计算机的诞生
1946年2月15日是计算机发展史上值得纪念的一个日子。这一天在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院举行了人类历史上第一台通用数字电子计算机的揭幕典礼。这台机器名为“电子数字积分计算机”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC无级变速和手自一体），如图1-1所示。它看上去完全是一个庞然大物，占地面积达170m2，重量达工作检讨书大全30t，耗电量也很惊人，功率为150kW，共使用了18 000多只电子管，1 500多个继电器以及其他器件。ENIAC最初是专门用于火炮弹道计算的专用机，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，运算速度是两寸证件照尺寸Mark I的1 000倍。ENIAC在莫尔学院的地下室运行了几个月，就被送到马里兰州的阿伯丁武器试验场，1955年才停止使用。ENIAC是世界上第一台真正意义上的通用电子数字计算机。它的问世，标志着人类计算工具发生了历史性的变革，人类从此进入了电子计算机的新时代。
图1-1  世界上第一台电子计算机ENIAC
同以往的许多重大发明一样，现代电子计算机的诞生也是同军事上的迫切需要紧密相联的。1943年4月，由于当时第二次世界大战急需高速、准确的计算工具来分析炮弹轨道，在美国陆军军械部的支持下，由美国宾夕法尼亚大学物理学家莫奇利（John W. Mauchly）和电气工程师埃克特（J. Prester Eckert）带领，开始设计和制造第一台电子计算机ENIAC，两年以后即宣告竣工。
在计算机的发展过程中，有许多引人入胜的故事。计算机的产生和许多科学家的探索创造密不可分，沿着他们的足迹，也许会带给我们许多启迪。ENIAC的问世也充分表明，一项
重大发明只有为社会发展所迫切需要，才能脱颖而出。反之，如果社会没有这方面的需求，多么美妙的设想也逃脱不掉为历史所淘汰的命运。电子计算机制造技术在20世纪30年代已经成熟，而在20世纪40年代才真正制造出来，也正是这个原因。
5．计算机体系结构的形成
虽然ENIAC的运算速度已经相当快了，但它存储容量太小，而且计算程序是用线路连接的方式实现的，不便于使用。为了进行一个新的计算，可能要花费几小时甚至几天的时间进行线路连接准备。后来美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼（Von Neumann）提出的程序存储的思想解决了这个问题。
1946年6月，冯·诺伊曼提出了存储程序通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）方案。方案中明确规定新型计算机有万圣节是什么意思呀5个组成部分：计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出，并详细描述了这5个部分的功能和相互关系，提出了程序存储（Stored-Program）思想，计算机可以按照程序规定的顺序，自动地从一条程序指令进到下一条程序指令。长达101页的EDVAC方案是计算机发展史上的一个划时代的文献。由于这一方案提出了现代计算机的基本体系结构，
从而奠定了现代计算机的发展基础，所以，人们把现代计算机称为冯·诺伊曼型计算机。
计算机体系结构的形成离不开人类科技知识的积累，离不开许许多多科学家的探索。1834年巴贝奇设计的分析机就有了今天计算机的雏形。在现代数字计算机问世100多年以前，他就对计算机的主要组成部分和它们的功能提出了卓越的预见，并包含了程序控制思想的萌芽。尽管他的先进思想在100多年后才得以实现，但他的这一预见对以后计算机的研制产生了深远的影响。
在计算机科学的奠基和发展中，英国科学家图灵（Alan Turing）做出了杰出的贡献。1936年，24岁的图灵提出了理想计算机的通用模型，后来人们称这种模型为图灵机。图灵机成为现代通用数字计算机的数学模型，它证明通用数字计算机是可以制造出来的。图灵机对计算机的逻辑结构、可实现性产生了深远影响，为可计算性理论奠定了基础。1950年，图灵指出，如果一台机器对质问的响应与人类做出的响应无法区别，那么这台机器就具有智能。今天，人们把这一论断称为“图灵测试”，它奠定了人工智能的理论基础。
作为计算机理论的先驱，图灵的思想已远远走在了时代的前面。然而，图灵本人也并没有远离计算机的研制工作。在1939年～1945年间，图灵是英国外交部破译德军密码的主要成
员，他和他的同事设计和制造了“巨人”计算机。这台机器采用了图灵机的某些概念，破译了德国的很多密码，在战争中发挥了重大作用。
一般认为，现代计算机的基本概念源于图灵。现代计算机之父冯·诺伊曼生前曾多次谦虚地说，如果不考虑巴贝奇等人早先提出的有关思想，现代计算机的概念当属于阿兰·图灵。冯·诺伊曼能把“计算机之父”的桂冠戴在比自己小10岁的图灵头上，足见图灵对计算机科学影响之巨大。也正是为了纪念图灵对计算机理论与研究的卓越贡献，美国计算机协会（Association for Computing Machinery，ACM）设立了年度图灵奖（Turing Award），这一直是世界计算机科学领域的最高奖项，与物理、化学、医学、经济学领域的诺贝尔奖齐名。自从1966年设立以来，作为计算机界“诺贝尔奖”的图灵奖已走过了40多个春秋。40多位图灵奖得主均对计算机科学与技术的发展创新做出了杰出贡献。他们在珍惜自己所获崇高荣誉的同时，也深切怀念阿兰·图灵这位在计算机创新史上永放光芒的先驱。

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