计算机发展

一、启蒙时代早期的计算工具 人类使用计算工具的历史，最早可追溯到遥远的古代。据信早在公元前 500 年，古巴比伦人就曾使用过某种辅助计算工具。然而这种计算工具究为何物，既无文字记载，亦无实物佐证，只能算是某种“考古发现”而已。真正“眼见为实”的最早的计算工具，应属至今仍在中国和其他一些国家教学和使用的 算盘。算盘是中国的“国粹”之一，据信已有一千多年的历史，早在宋代的清明上河图中就有算盘的描绘，关于算盘最早的文字记载可见于元末（公元 1366 年）陶宗仪的南村辍耕录：“算盘珠拨之则动”。 至明代算盘已在全国流行。16 世纪算盘传入日本、朝鲜、越南等周边国家， 17 世纪传入遥远的欧洲各国，近年来更陆续传入美洲国家。虽然它的发明人今天已无从考证，但一个更为重要的事实是：它是迄今为止世界上使用时间最长的计算工具。 在欧洲，自从十七世纪以来，随着文艺复兴和工业革命带来科学技术的不断进步，各种类型的计算工具陆续出现。其中较有影响的有： 法国数学家布莱斯帕斯卡（ Blaise Pascal ） 1642 年发明的机械加法器，据信这是第一台数字计算机。 德国数学家莱布尼茨（ Gottfried Leibniz ） 1694 年发明了“步进乘法器”，其所发明的步进齿轮传动原理，至今仍被采用。 法国人查尔斯塞瓦托马斯德科马（ Charles Xavier Thomas de Colmar ） 1820 年制造的机械计算器，采用莱布尼茨的原理，而其功能更强，可进行加、减、乘、除四则运算。 英国剑桥大学数学教授 巴贝吉 （ Charles Babbage ）根据德国人缪勒（ J. H. Mueller ） 1786 年提出的“差分引擎”构思，设计出改进型的“差分引擎”原型机，并独立发明了更为复杂的“解析引擎”机。巴贝吉首次提出了自动化的计算原理，在他的机器中，有累加器、存储器、控制器、指令系统、卡片机、打印机，计算过程由程序自动控制。他自 1822 年开始研制，坚持不懈努力达 10 余年之久。虽然他的计划因经费不足而未能全部实现，但他提出的自动化计算概念及机器的结构组成方式，在后人发明的电子计算机中均得到采用，并一直延续至今。 在理论领域，值得一提的重大事件是 1848 年英国数学家乔治凡级 George Boole ）创立了二进制代数（布尔代数），从而为一个世纪之后研发二进制计算机铺平了道路，至今仍是当代计算机的理论基础之一。 和数字式计算工具对应的是模拟式计算工具。前者的数据形式是非连续量，其计算精度取决于位数的多少，上述算盘、机械式计算机（器）均属此范畴；而后者的数据为连续量，其精度取决于计算工具本身物理上的量测精度。这方面的发展有：苏格兰牧师、哲学家和数学家约翰纳皮尔（ John Napier ， 1550 - 1617 ）于 1614 年发表了关于对数算法的论文。他还计制造了采用对数原理的滑竿式计算器，可进行乘、除、开平方根、立方根运算； 1650 年两个英国人埃德蒙冈特 (Edmund Gunter) 和威廉奥彻德（ William Oughtred ）合作发明了最早的滑动计算尺； 1850 年法国炮兵军官埃米地曼亨（ Amedee Mannheim ）对滑动式计算尺加以改进，增加了可移动的双面游标，使其成为今天人们所看到的样子。 二、襁褓时代电子计算机的问世 20 世纪科学技术的飞速发展，一方面带来了大量的数学方程求解和数据处理的问题，特别是第二次世界大战期间，为了计算炮弹的弹道飞行轨迹，若采用齿轮式的手摇计算机，其工作量高达数十小时，待得到结果已经失去了意义，因而对高性能、高速度速的计算工具需的求十分迫切。另一方面，本世纪初发明了电子管， 1919 年，爱克尔斯 （Eccles） 和乔丹 （Jordan） 把一对电子三极管连接起来制成了第一个电子触发器，这是构成电子计算机的最基本的单元电路。 20 年代电子管线路研制成功，其开关速度比继电器快了 1 万倍，为高速计算机的诞生准备了物质、技术条件。 30 年代后期，一些目光敏锐的学者已经注意到了使用电子管来大大提高计算机速度的可能性。直到 40 年代中期，不少试验者、探索者已装置成功了一些部件或雏型，其中主要有： 法国于 1939 年制成了一台全自动的机电式数字计算机。 数学物理教授阿塔纳索夫 （Atanasoff）1937 年前后开始研究，并与他的同事贝利 （C erry） 合作，试制一台能够求解包含 30 个未知数的线性代数方程组的电子计算机。阿塔纳索夫的方案在电子计算机设计中是最早采用电子技术的方案。可惜因经费有限，未能完成整机，只是在 1941 年制造成功了其中的一个部件。 德国的许莱尔 （H chreyer） 与朱斯合作，计划造一台有 1500 个电子管、每秒钟能运算 1 万次的通用电子计算机。这台机器的运算部件于 1942 年完成，整个计划也夭折了。 1943 年，英国研制出使用电子管的电子计算机，但只是一台专用电子计算机。 1945 年底，世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC（ 全称为 Electronic Numerical Integrator and Computer ，即 “电子数值积分和计算机”） 在美国研制成功， 1946 年 2 月 15 日正式举行了揭幕典礼。 世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC美国物理学家莫克利（ W. Mauchly ）ENIAC 系由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电气工程系为美国陆军军械部阿伯丁弹道研究实验室研制，用于炮弹弹道轨迹的计算。其最初方案由美国物理学家莫克利（ W. Mauchly ）提出，并经过多次的论证，于 1943 年 6 月 5 日由莫尔学院与美国陆军军械部正式签定合同。该项目由莫克利任总设计师， 23 岁的研究生埃克特（ John P. Eckert ）任研制小组的总工程师，共用了两年半的时间完成。军方投资 48 万美元。 该机共使用了 1.8 万支电子管， 7 万只电阻， 1 万只电容，耗电量为 180 千瓦，占地面积为 180 平方英尺，总重量达 30 吨，俨然是一个庞然大物。它的字长为 10 位十进制数，运算速度每秒 5000 次，比起齿轮传动的机械式计算机或使用继电器的机电式计算机快上万倍。虽然同 50 多年后的今天相比，其功能还不如在掌上使用的每台售价仅几十美元的可编程序计算器，但是，在当时的历史条件下确实是一件了不起的大事。 ENIAC 堪称人类伟大的发明之一，从此开创了人类社会的信息时代。三、成长时代元器件的升级换代与软件的丰富完善 在 ENIAC 的鼓舞下， 1945 年宾夕法尼亚大学数学教授冯诺依曼（ John von Neumann ， 1903-1957 ） 开始了电子离散可变自动计算机 EDIVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer) 的设计。其特点是程序和数据均以相同的格式储存在存储器中，这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作。冯诺依曼结构的核心部分是 CPU ，即中央处理器，计算机所有功能均集中统一于其中。这一体系结构方式沿用至今，称为冯诺依曼体系。这一时期的计算机还有：英国曼彻斯特大学的 Manchester Mark I ，剑桥大学的 EDSAC, 美国麻省理工学院的 Whirlwind, 伊利诺大学的 ILIAC 1, 美国军方建造的 ORDVAC ，用于国防的 IBM701 等，全世界共计 100 台左右，通称第一代计算机。其主机均以电子管作为基本元件，存储器多采用延迟线，并已出现磁鼓、磁带机等外存储设备。输入 / 输出设备有穿孔卡片机、纸带机。这个时期机器的速度很低（每妙几千次到几万次），容量亦十分有限，其编程大都直接采用机器指令代码，到五十年代初期也有某种编译器的雏形出现。第一代计算机的用途以解决复杂的数学问题为主，通称“科学计算”。也有少量机器已经涉足数据处理领域。 40 年代末发明的一种新型半导体器件晶体管，为电子计算机的升级换代带来的新的契机。 1956 年，计算机开始以晶体管取代电子管作为计算机的基本元件，从而进入了第二代晶体管的时代。其整机的体积、重量大为减少，耗电量大为降低，性能相应提高。在存储器方面，著名美籍华裔学者和企业家王安博士发明的磁心存储器为电子计算机的升级换代作出了不可磨灭的贡献。在外部设备方面，计算机专用的键盘 、打印机、 CRT （阴极射线管）显示器也相继问世。硬件设备性能的大幅度提高，为软件的发展打下了物理基础。计算机的程序设计告别了机器指令的时代，高级编程语言纷纷问世，如适用于科学计算的 FORTRAN(Formula Translator) ，面向商业应用的 COBOL(Common Business-Oriented Language) ，通用性的 ALGOL60 ， PASCAL ，简单易学的 BASIC (Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code) 等，大大提高了编程的工作效率。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，其价格非常昂贵，生产数量极少。 1960 年，晶体管的第二代计算机开始成功地用于商业领域、大学和政府部门。 1958 年德州仪器公司（ Texas Instrument ）的工程师 Jack Kilby 发明了集成电路 (IC) 。这种将多个晶体管和电阻、电容元件集成在一块芯片内的新型器件，标志着半导体器件的制造工艺水平产生了一个飞跃。六十年代中期，计算机开始采用集成电路，从此进入了第三代集成电路的时代。计算机的体积、重量、功耗进一步大幅度降低，性能继续大幅度提高。在外存储器方面，一种速度更快、纪录密度更高设备磁盘成为主流，为软件特别是操作系统的发展提供了广阔的物理空间。在系统结构方面出现了系列化兼容的大、中型机和小型机，其中最有影响力的代表机型是 IBM(International Business Machine) 公司的 IBM360 （后来升级为 IBM370 ），和 DEC （ Digital Equipment Corporation ，又简称 Digital ，现已被 COMPAQ 兼并）公司的 PDP-11 ，二者分别成为大、中型机和小型机的主流机型，其体系结构成为事实上的国际标准。在软件方面，出现了操作系统，其中影响较大的有 IBM 的 VM/370 ， MVS ， DEC 的 VMS 等。算法语言也更加丰富和完善。由多台计算机通过通讯线路互连起来构成的计算机网络开始出现，其典型的代表就是美国国防部的 ARPANET 网。 七十年代，制集成电路的造工艺水平有了长足的进步，在一个芯片上集成几百个元件的大规模集成电路 (LSI) 问世。 1971 年， Intel 推出了 4 位的微处理器芯片 4004 。紧接着， 1972 年 8 位的微处理器芯片 8008 和 8080 相继问世。至 1978 年， 16 位的 Intel 8086 推出，此后， 80286 ， 80386 ， 80486 接踵而来，成为微处理器芯片的主流产品。同一时期，另一个著名的芯片制造厂商 Motorola 于 1974 年推出了第一个 8 位微处理器 M6800 ， 1979 年推出 16 位的 M68000 ，与 Intel 形成竞争的态势。从 80 年代开始，可容纳几十万个元件的超大规模集成电路 (VLSI) 和上百万个元件的 ULSI 相继出现，使得计算机的体积、重量和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。第四代计算机就是大规模集成电路的时代。芯片集成化程度的大幅度提高，使计算机向微型化和巨型化两极发展。一方面，可满足个人需要的各种微型计算机纷纷登台；另一方面，满足大型计算任务需要的巨型计算机（又称超级计算机）也应运而生。介于两者之间的则是大中型机和小型机，占据了另一片市场空间。计算机制造业呈现一派欣欣向荣的景象。 1977 年，由斯蒂夫乔布斯（ Steve Jobs ） 等三个年轻人从车库中起家的 Apple 公司首先推出了最早的面向个人使用的微型计算机 AppleII ，受到用户的普遍欢迎。看好这一市场，以大、中型机为主业的计算机业界巨头 IBM 也涉足于微机领域，于 1981 年推出个人计算机 IBM-PC 。此后， Apple 于 1984 年又首次创了采用图形用户界面（ GUI ）和鼠标操作的新款机型 Macintosh ，使计算机的使用操作更加方便，大获成功。比尔盖茨的微软公司（ Microsoft ）看准了这一势头，步其后尘推出了基于 IBM-PC 的 Windows 操作系统，从此一发而不可收，成为取代 IBM 荣登世界计算机业龙头老大地位的霸主。传统的小型机也向超级小型机的方向迈进，其功能已达到过去大型机的水平，而其价格却仍维持小型的水平。其代表就是 1978 年 DEC 推出的 VAX 系列。与此同时，适用于工业控制和自动化仪表的单板机、单片机也蓬勃发展，使传统工业和其他相关行业的技术改造走上一个新的台阶。在巨型化的方向上， CDC (Control Data Corporation) 公司走在前列。其克雷 (Cray) 系列机采用多 CPU 组成的阵列机并行工作方式，运算速度跃升到每秒 1.5 亿次 (Cray 1) 、 2.5(Cray 2) 亿次，甚至 16 亿次 (Cray Y-MP90) ，主要用于气象预报，复杂数学、物理问题的求解和电影动画制作等方面。此外，这一时期较知名的公司，在大、中型机领域有 Burroughs （即“宝来”，其产品有 B-1900 、 B