1.4 计算机的发展

国古代发明的算盘（见图1-56）被认为是计算机的鼻祖，在大约六七百年前，中国人开始用算盘处理数据计算问题，通过固定的口诀，利用拨弄算珠的方法，可以直接计算出结果，并一直沿用至今；在17世纪，人们先后发明了各种可处理简单数值计算的机械计算机；1946年，世界上第一台数字电子计算机——ENIAC（ElectronicNumericalntegratorAndComputer）研制成功，开创了人类的电子计算机时代。

1.4.1 机械计算机的发明

614年，苏格兰人纳皮尔发表了一篇论文，其中提到他发明了一种可以计算四则运算和方程运算的精巧装置。1623年，谢卡特制作了一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的“计算钟”，通过转动齿轮来进行操作。1625年，奥特雷德发明计算尺。

1642—1643年，帕斯卡（BlaisePascal）为了帮助做收税员的父亲，发明了齿轮式加减器；1673年，德国数学家莱布尼兹（G.N.WonLeibniz）在帕斯卡的齿轮加减器上增加了乘、除法，制成了能进行四则运算的机械式运算器（乘法计算机）；1822年和1834年，英国数学家Charles巴贝奇先后设计了差分机与分析机。所设计的差分机专门用于航海和天文计算。这是最早采用寄存器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计思想的萌芽；而差分机与现代计算机的设计思想几乎完全相同。巴贝奇分析机采用了三个具有现代意义的装置：保存数据的寄存器（齿轮式装置）；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及输出结果的装置。这一设计思想构成了当今计算机硬件系统的基本框架——输入、处理、存储、输出及控制5个基本组成部分。

1888年，美国人赫尔曼·霍勒斯发明了制表机，它采用穿孔卡片进行数据处理，并用电气控制技术取代了纯机械装置。1890年，美国人口普查全部采用了霍勒斯制表机。在1900年美国人口普查中，由于采用了制表机，全部统计处理工作只用了1年零7个月时间。此后霍勒斯根据自己的发明成立了自己的制表机公司，并最终演变成为IBM公司。

早期的机械计算机如图1-57所示。

1.4.2 电子计算机诞生

在以机械方式运行的计算器诞生百年之后，随着电子技术的突飞猛进，计算机开始了真正意义上的由机械向电子时代的过渡，电子器件逐渐演变成为计算机的主体，而机械部件则渐渐处于从属位置，最终促使电子计算机正式诞生。

1938年，德国科学家朱斯制造出Z-1计算机，这是第一台采用二进制的计算机。在接下来的4年中，朱斯先后研制出采用继电器的Z-2和Z-3。使用了2600个继电器。Z-31943年英国科学家研制成功第一台“巨人”计算机，专门用于破译德军密码。“巨人”算不上真正的数字电子计算机，但在继电器计算机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字母。第二次世界大战期间共有10台“巨人”在英军服役，平均每小时破译11份德军情报。

1944年，艾肯霍华德·（HowardAiken）等研制出了机电式自动顺序控制计算机MARK-1，这是世界上最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。MARK-1的外壳用钢和玻璃制成，长15m，高2.4m，自重31.5t，使用了15万个元件和800km电线，每分钟进行200次运算。

1946年2月15日，世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研制成功。ENIAC长.48m，宽1m，占地面积170m2，有30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达t，耗电量150kW，造价48万美元。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机1000倍、手工计算的20万倍。

一代（1946—1956）电子计算器都以真空管为主要组件，运算速度达到每秒几万次。

子计算机的演进如图1-58所示。

1.4.3 晶体管计算机的发展

1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大的电子管，电设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器促进了第二代计算机（1959—1965）的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科学的大量数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。

第二代计算机采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，内存采用磁芯存储器，其容量达几十万字节，外存采用磁盘、磁带，运算速度达几十万次每秒。软件方面出现了一系列的高级程序设计语言（如FORTRAN、COBOL等），有了系统软件（监控程序），提出了操作系统的概念，且提出了多道程序设计、并行处理和可变的微程序设计思想。1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机TRADIC（见图1-59），装有800只晶体管，仅100W功率，占地也只有3立方英尺。

1.4.4 集成电路计算机的发展

虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计机内部的敏感元件。1958年得州仪器的工程师JackKilby发明了集成电路（IC），将三种子元件结合到一片小小的硅片上。科学家使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。1961，美国得克萨斯仪器公司与美国军方合作，研制出第一台以试验型半导体集成电路作为主电子器件的集成电路电子计算机。1964年，美国IBM公司生产出了由混合集成电路制成IBM350系统，这成为第三代计算机（1965—1971）的主要里程碑。1964年，IBM研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统，如图1-60所示。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几平方毫米的单晶硅集成电路片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。它的运算速度每秒可达几十万次到几百万次，体积越来越小，价格越来越低，软件越来越完善，在监控程序的基础上发展形成了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

1.4.5 电子计算机智能化趋势

1971年美国Intel公司生产了第一块单片微处理器Intel4004，同时Intel公司用其组成了世界上第一台微机MSC-4，这标志着第四代计算机的产生。由于集成电路不断提高，集成度也越来越高，大规模集成电路与超大规模集成电路相继出现，中央处理器CPU高度集成是这一代微机的主要特征。从Intel4004到目前的P4，芯片集成了上千万只晶体管。处理速度每秒可执行几亿条指令，微机的主存扩展到512MB；并且存储技术从SDRAM到DDR到RDRAM，光盘存储容量从650MB到几个GB。由于相应技术的不断提高，促使计算机的性能飞跃前进。随着计算机性能的进步，各种应用软件也相继推出。软件的丰富，计算机性能的不断提高，特别是个人计算机（PC）进入家庭，将计算机的应用变得空前普及。这几年来，计算机技术与通信技术结合而出现的网络技术，使世界变成了“地球村”。网络、微机、多媒体成为当今计算机技术发展的主流。

目前各种形式的计算机如图1-61所示。

为适应未来社会信息化的要求，科学家们提出了第五代计算机，它与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。第五代电子计算机是智能电子计算机，它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。智能计算机突破了传统的冯·诺伊曼式机器的概念，舍弃了二进制结构，把许多处理机并联起来，并行处理信息，速度大大提高。它的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需发出命令或提出要求，计算机就会完成推理和判断，并且给出解释。