计算机的诞生于发展.doc

计算机的诞生与发展从古至今，出于对计算的需要，人们一直在坚持不懈地寻找计算辅助工具。著名科普作家阿西莫夫说，人类最早的计算工具是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”；而中国古人常用“结绳”来帮助记事，“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子，这些都是古人用过的“计算机”。1.1早期的计算机不知何时开始，世界不同地区的人都不约而同地想到用“筹码”来改进计算工具，其中要数中国的算筹最有名。商周时代问世的算筹，实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍，通过移动来进行计算，从而出现了“运筹”这个词，最初运筹就是计算，后来才派生出“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”那样的新的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位，使用的工具正是算筹，这个结果即使用笔算也很不容易求得。算筹在使用中，一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱，让人感到不便，于是中国人又发明了一种新式的“计算机”算盘。世界文明的四大发源地黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域先后都出现过不同形式的算盘，只有中国的珠算盘一直沿用至今。早在公元前500年的古希腊、罗马时期，就出现了由石头和金属制成的“算板”（如图9.1）。到了公元5年至1400年间，木头成了制作算板的主要材料。这时，出现了水平方向的“算板”（如图9.2）。中国的珠算盘最早可能萌芽于汉代，定型于南北朝。它利用进位制记数，通过拨动算珠进行运算：上珠每珠当五，下珠每珠当一，每一档可当作一个数位。打算盘还必须记住一套口诀，口诀相当于算盘的“软件”。 （图9.2）算盘本身还可以存储数字，使用起来的确很方便，它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果，在人类计算工具史上具有重要的地位。后来算盘传到了日本和韩国。日本人还对它进行了改造，形成了现在所流行的两种算盘（如图9.3）。在中国，算盘一开始只是作为记数和进行简单运算的工具，历史学家们认为：当时它的比较准确的名称应该是“算板”。到了宋元明清时期，才逐渐发展成为今天我们所见到的算盘。这只是历史学家们的一个估计，算盘真正的起源和发展过程，仍是一个未解之迷。算盘可以说是早期的计算机。它 （图9.3）具有灵便、准确的特点。即使在计算机非常普遍的现代社会，算盘仍然没有退出历史的舞台。计算机一开始是以“计算器”的形态出现的。早期的计算机也只能从事简单的加减运算。第一台真正的计算机是1642年法国数学家帕斯卡发明的机械计算器，但是它太粗糙，无法满足当时的计算需要。不过，人们普遍将帕斯卡的这一算术计算机模型，作为计算机历史的开端。需要指出的是，人类计算技术的历史，并不是从这时开始的。1900年，考古学家在位于希腊的一艘沉船上，发现了公元八十二年制造的一台算术计算机。1623年9月，图宾根大学教授威廉什卡尔制成了一部可以自动进行加、减、乘、除运算的计算机，可惜没有保留下来。专家们还在马德里国家图书馆发现了列奥拉达分奇没有发表的稿子，其中有一些机器设计图和草图，这当中有一幅图上画的就是计算机。1775年，一个英国发明家也有两台按级轴原理制造的计算机。一台的轴是渐进运动的，造于1775年；一台的轴是旋转运动的，造于1777年。在技术史学家们看来，要把计算机的历史写完整，就不得不提著名学者莱布尼茨和舍比什夫的工作。1672年到1673年间，莱布尼茨发明了不仅可以做加法，而且可以做乘除法的计算机。并且这种计算机可以不用连续加、减法而直接进行乘法运算。而俄国著名数学家和机械师巴甫罗迪舍比什夫发明了能够连续地和逐渐地进行进位的十进位数计算机。并且在发明了加法计算器后三年，又补加了一个转接装置，以便能够做乘法和除法运算。1822年，一位叫巴贝杰的工程师依据化繁为简的分步计算思想，设计出了“差分机”。可惜后来由于资金和技术上的问题，差分机并未成功。后来在法国工程师贾夸特发明的自动控制织布机的基础上，巴贝杰转向了利用穿孔卡进行控制的计算机分析机的研究。 在巴贝杰那个时代，有许多的发明家和科学家在做这方面的工作。一个叫库默尔的人向圣彼得堡科学院提供了一种主要用于加减法运算，且不管数多大都可以进行的计算机。大约同一时期，查理托马斯已开始大量生产计算机。并且于1820年制造了一台能做四则运算的计算机。这台计算机的运算速度在当时来说是相当快的。它可以在十八秒钟内得出两个八位数的乘积，在二十四秒钟内得出一个六位数和一个八位数相除的商。1848年，四则计算机已经达到十位数了。可以说，查理托马斯的四则计算机是19世纪应用最普遍的计算机。1873年，圣彼得堡国家纸张制造工程师W奥德勒设计出了简便、容易操作的四则计算机。1889年，美国人赫曼何勒内斯在巴贝杰的基础上取得了新的进展。它制造了功能各异的穿孔卡计算机系统。然后利用人工，将穿孔卡片从一台机递送到另一台机，每台机只负责完成一道特定的工作。著名的国际通用计算机公司（IBM）就是从这种机型开始逐步发展起来的。19世纪末20世纪初时，国际贸易已朝复杂的、多边合作的方向发展。穿孔卡计算机正好迎合了这一时代的需要，所以得以走出科学家的深闺，走上了通向广大商业用户的坦途。1.2 二次世界大战时期的计算机从第一次世界大战之后，到第二次世界大战爆发之前，穿孔卡计算机的制造已发展到相当的规模。以电动机为动力的穿孔卡计算机不仅可以解决一般的财会和统计问题，还可一定程度的满足天文和军事上的需要。二次大战爆发后，军事上破译密码和火炮研制等迫切需要有功能更强大的计算工具。1943年3月，正在英国通信部工作的图灵（Turing），运用他的专业技能，开始研制“科洛萨斯（Colossus）”计算机。它的主要功能是破译经过德国 Enigma （如图9.4）加密机加密过的密码。Enigma能够定期将密码改变，让破译者根本摸不到头绪。1944年1月10日，Colossus正式投入使用，它仅需6至8小时，就能破译原来需要6至8个星期才能破译的密码。Colossus比美国的计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。Colossus是用马达和金属做的，与现在的数字式计算机根本不是一回事，但它是现代计算机发展史上的重要一步。这一时期，英国的计算机技术在世界上处于领先地位，但是它没有抓住这一机会。而同一时期的美国，则积极鼓励发展计算机技术和产业。1944年，美国国防部门组织了由莫奇利和埃克脱领导的计算机的研究小组。当时在普林斯顿大学工作的现代计算机奠基者冯诺依曼也参与了研究工作。这一时期出现的两位著名的计算机专家，图灵（Turing）和冯诺依曼（von Neumann）对后来计算机的发展起了决定性的作用。（图9.4）艾伦图灵（Alan Turing），1912年生于英国伦敦，1954年死于英国的曼彻斯特。他出生于伦敦时，父母于印度就官。由孩提时期起，图灵就显露出了科学天才，但是他在人文科学方面的成绩却差强人意。1928年，图灵和校友克里斯托福.摩肯产生了热烈的友谊。不幸的是，摩肯于两年后患肺结核不幸逝世。摩肯的死给图灵造成了非常大的打击，并促使图灵开始发愤学习。不久，图灵就获得奖学金进入了剑桥大学国王学院（Kings College）。1934年，图灵以优异成绩获得硕士学位，并被评为优秀毕业生，进入美国普林斯顿大学继续深造。后来获得数理逻辑领域的博士学位。图灵是二十世纪最伟大的数学家之一，是计算机逻辑的奠基人。他对计算机的重要的贡献，就是他提出的有限状态自动机，也就是图灵机（The Turing Machine）的概念。图灵机具有无限长的磁带，即无限的存储量。能够无休止的进行操作而不出现故障。每一步运算，不仅遵循已设定的并且已经输入磁带中的程序，而且需要根据前面执行过的运算而定。图灵机被公认为现代计算机的原型。图灵机可以读入一系列的零和一，这些问题代表了解决某一问题所需要的步骤，按照这个步骤走下去，就可以解决一定的问题，即后来我们所说的“人工智能机”。从理论上来说，图灵机是通用的。而当时大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的。对于人工智能，图灵提出了重要的衡量标准图灵测试(The Turing Test)。如果有计算机能够通过图灵测试，那么它就是一个完全意义上的智能机。图灵相信机器可以模拟人类大脑的思维，并于1950年提出了著名的“图灵测试”。测试是让考官通过键盘向一个人和一个机器发问，这个考官不知道他现在问的是人还是机器。如果经过一定时间的提问之后，这位人类考官还不能确定谁是人，谁是机器，那么就可以认为这个机器有智力了。在今天看来，这个测试非常简单，可是伟大的思想往往就源于简单的事物之中。1952年，图灵写出了经典文章智能机器(Intelligent Machinery)。许多人工智能的重要方法都来源于这位伟大的科学家。因此，图灵被后人尊称为“人工智能之父”。为纪念图灵为现代计算机所做出的贡献，美国计算机协会（ACM）于1966年设立了“图灵奖”。这是在计算机技术方面所授予的最高奖项，被喻为计算机界的诺贝尔奖。冯诺依曼（John von Neumann）（如右图），1903年出生于匈牙利的一个犹太家庭，父亲是一位银行家。幼年的冯诺依曼就已经显现出了过人的聪慧。他3岁就能背诵父亲帐本上的所有数字，6岁能够心算8位数除8位数的复杂算术题，8岁学会了微积分，以至于到了他11岁时，他的父亲不得不为找一个合适的家庭教师而烦恼。在进入正规学校就读不到一个学期之后，冯诺依曼的数学教师就把他推荐给了布达佩斯大学的一位数学教授。在学习期间，他阅读了大量历史和文学方面的书籍，并学会了七种外语。不到17岁时，冯诺依曼就和数学教授联名发表了他的第一篇数学论文。22岁时，他获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后，轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。之后不久，转而攻向物理学，为量子力学研究数学模型，在理论物理学领域占领了突出的地位。这时的冯诺依曼已成为横跨“数、理、化”各门学科的超级全才。1928年，他接受美国数学泰斗，普林斯顿高级研究院维伯伦教授（O.Veblen）的邀请，赴美任教。1933年，他又与爱因斯坦一起，被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，而且是六名大师中最年轻的一名。冯诺依曼最大的贡献，就是建立了现代计算机设计的一般逻辑理论。1945年，冯诺依曼与戈德斯坦等人联名发表了计算机史上著名的“101页报告”，这份报告奠定了现代计算机体系结构的坚实基础，并被认为是计算机发展里程碑式的文献。冯诺依曼也因此获得“计算机之父”的美称。这份报告又称为 EDVAC 报告，它是“离散变量自动电子计算机”的英文缩写。在这份报告中，冯诺依曼明确规定出了计算机的五大部件：运算器CA，控制器CC，存储器M，输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。冯诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。1自冯诺依曼设计EDVAC开始，直到今天我们用“奔腾”（Pentium）芯片制作的多媒体计算机，共四代，成千上万台计算机，其结构都没能跳出诺依曼机体系，冯诺依曼为现代计算机的发展指明了方向。随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但是冯诺依曼对于电脑发展所做的贡献和他的巨大成就，将永远在人类文明历史上绽放夺目的光辉。值得一提的是，冯诺依曼还利用计算机去解决各个学科领域中的问题。他提出了一项用计算机预报天气的研究计划，构成了今天系统的气象数值预报的基础；他受聘担任IBM公司的科学顾问，帮助该公司催生出第一台存储程序的电脑IBM 701；他对电脑与人脑的相似性怀着浓厚的兴趣，准备从计算机的角度研究人类的思维；他虽然没有参加达特默斯首次人工智能会议，但他开创了人工智能研究领域的数学学派；他甚至是提出计算机程序可以复制的第一人，在半个世纪前就预言了电脑病毒的出现11957年2月8日，身患骨癌的冯诺依曼在美国德里医院与世长辞，终年54岁。他一生获得了数不清的荣誉，包括两次美国总统奖。1994年，还被追授予美国国家基础科学奖。他是计算机史上最有影响的一代伟人。1.3 第一台电子计算机在1946年2月第一台计算机诞生之前，人类对于计算工具的研究一直没有停歇。但是在漫长的岁月间，人类只迈出了很小的步伐。直到1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机埃尼克（ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生(如图9.5)。（图9.5）ENIAC犹如一个庞然大物，它重达30吨，占地170平方米，内装18000个电子管，每秒只能进行5000次加减运算。但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。ENIAC耗电惊人，功能有限，但是确实能够节省人力和时间。这台计算机从1946年2月正式开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，一共服役了9年多。ENIAC的诞生，表明了电子计算机时代的到来，标志着人类进入数字化时代，预示了科学家们将从奴隶般的计算中解脱出来，具有划时代的意义，它开辟了一个计算机科学技术的新纪元。1.4 电子计算机的发展环境在快速多样的变化，计算机工业远比地球上其它任何工业的发展都要快。从ENIAC出现至今已有50多年。在这50多年的时间里，计算机的发展，可以用一句“一日千里”来形容。人们一般根据计算机采用的物理器件的发展，将电子计算机的发展分成几个阶段。第一代：电子管计算机第一代电子计算机是电子管计算机，时间大约为1946年1957年。1949年，第一台存储程序计算机EDSAC在剑桥大学投入运行。ENIAC和EDSAC均属于第一代电子管计算机。电子管计算机采用磁鼓作存储器。这一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，因而体积庞大、耗电多、运算速度较低、故障率高而且价格昂贵；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。因此，第一代电子计算机仅限于军事和科学研究工作。其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。第二代：晶体管计算机第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机，时间大约为1957年1962年。1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明的晶体管，比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低、工作可靠性好。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机TRADIC，使计算机的体积大大缩小。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都是用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器主要采用磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。输入和输出方面有了很大的改进，价格大幅度下降。与此同时，计算机软件也有了较大发展。在程序设计方面，一些通用的算法和语言研制成功，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统的雏形开始形成。与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM7094、CDC 7600。第三代：集成电路计算机第三代电子计算机是集成电路计算机，时间约为1962年1970年。60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。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片上集成由十几个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。随后，集成电路的集成都以每34年提高一个数量级的速度增长。1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路，生产了IBM 360 系列计算机。DEC公司（先并入Compaq 公司）交付了数千台PDP小型计算机。第三代计算机采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）作为逻辑元件，使用范围更广。第三代电子计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积更小、价格更低，软件也逐步完善。同一时期，计算机还朝着标准化、多样化、通用化、机种系列化发展。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言，尤其是一些小型计算机在程序设计方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。值得一提的是，操作系统中“多道程序”和“分时系统”等概念的提出，并结合计算机终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。从50年代的真空电子管计算机开始，到1959年的晶体管计算机，1965年的集成电路计算机，在短短15年的时间里，计算机发展到第3代。无论是算盘还是早期的机械计算机，其发展无不经历了上百年的里程。5年后的1970年，第一台个人计算机问世。第四代：大规模集成电路计算机到了70年代，计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。1971年美国Intel 公司年轻的工程师马西安 霍夫（M. E. Hoff）研制成功了一片4位微处理器 Intel 4004 ，一片320位（40字节）的随机存取存储器，一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器，他们通过总线连接起来，于是就组成了世界上第一台4位微型电子计算机MCS4。虽然字长只有4位，且功能很弱，但它是第四代计算机在微型机方面的先锋。它的诞生，拉开了世界微型机发展的序幕。19721973年，8位微处理器相继问世。1972年，Intel 公司推出8位微处理器 Intel 8008，它主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体）电路。这就是人们常说的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，这就是第二代微处理器。尽管它的性能还不完善，但显示了无限的生命力，促使众多厂家投入竞争。具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085、Motorola公司的M 6800、Zilog公司的Z 80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型机及其外围设备都得到相应发展并进入盛期。由它装备起来的微型计算机称为第二代微型机。1978年，16位微处理器相继出现，标志着微处理器进入第三代，微型计算机到达一个新的高锋，首先成功开发16位微处理器的是Intel公司。由于它采用了HMOS（HHigh performance）新工艺，使新的微处理器Intel 8086 比第二代的 Intel 8085在性能上提高了将近十倍。类似的16位微处理器还有Z 8000、M 6800等。由第三代微处理器装备起来的微型计算机称为第三代微型机。1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世，标志着第四代微处理器的诞生。如Intel公司的80386，Zilog公司的Z80000，惠普公司的HP32，NS公司的NS16032等。新型的微型机系统可以与20世纪70年代的大中型计算机相匹敌。用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。Intel公司不断地进行着微处理器地革新。1993年，Intel公司推出32位微处理芯片奔腾（Pentium），它的外部数据总线为64位，工作频率为66 MHz200 MHz。以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium CPU都是更先进的32位高档微处理器。后来又推出了奔腾三代（Pentium ），现在则推出了Pentium 。第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。但是，微处理芯片微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。据英特尔公司格洛夫推测，到2011年，一个硅芯片上能够集成的晶体管数将是10亿个， 运行速度为每秒执行1000亿条指令，性能超过高能奔腾芯片的250倍，是最初4004芯片的43.5万倍。届时，将由生物芯片或量子器件替代硅芯片，引来新一轮冲击波。从第一代到第四代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器、存储器、运算器和输入输出设备组成，称为冯 诺依曼体系结构。当年，在ENIAC诞生后，“计算机之父” 冯诺依曼曾大胆预言：“有四台像ENIAC这样的计算机就足够全世界使用！”。而IBM公司的创始人沃森则给自己留了一点余地：“世界市场对计算机需求大约只有5部。”在那个大型机一统天下的时代，连当时最著名的科普大师艾萨德阿西莫夫也预言：“一架电脑最终会有几十亿个电子管，有一个国家那么大。”他们的语言，在今天看来，是多么的不可思议。他们无法想象，就在50年后，全世界的计算机已经超过了4亿台。同时，电脑的体积缩小到只有ENIAC的几万分之一，然而速度却提高了几个数量级，可靠性能提高了几千倍,成本也只有ENIAC的万分之一。电脑的近50年的发展速度是非常惊人的。我们可以回顾一下电脑产生的整个历史过程。1642年法国数学家帕斯卡研制出的机械计算机是世界上第一台能够进行加减运算的计算机，它可是说是计算机的雏形。然而直到1944年美国哈佛大学的艾肯博士发明了最后一台磁式计算机Mark 为止，300多年间，计算机的运算速度才达到每秒200次。1946年ENIAC的诞生，立刻就把运算速度提高到了每秒5000次。就在ENIAC诞生35周之后，它的运算速度就已经输给了当时廉价的微型电脑TRS80。ENIAC的造价是TRS80的800倍，运算速度仅为TRS80的1/18。1969年，美国阿波罗载人飞船第一次登上月球时，指令舱电脑仅有36K存储器，今天任何一台供儿童玩耍的手持式游戏机都能令它自愧弗如。1996年，Intel公司发布了它专门为美国能源部门研制的超级电脑。这部电脑采用了9624个高能Pentium芯片，大规模并行处理数据，号称当时世界上最高速的电脑，每秒钟运算速度高达1万亿次。同年12月，以研制巨型电脑闻名的Cray公司与图形电脑巨头SGI公司合并后，研制出具有256台高性能处理器的超级电脑。1999年这个系统的处理器数目被提高到4096台，运算速度达到3万亿次。美国能源部还宣布，它在下一个10年的目标，是要研制出每秒运算100万亿次的超级计算机系统。与国内比较，最近我国“联想”集团研制成功的“深腾”LSSC机的运算速度已达到1万亿次，名列世界最快计算机第24位。在计算机的速度和性能不断提高的同时，计算机的价格却呈指数级的不断的下跌。50年代的大型计算机售价高达100万美元。到了1986年，功能远远超过50年代大型计算机的个人计算机，价格降到了2000美元之下。曾有人做过这样一组比较。如果按照计算机的降价幅度，到飞机和汽车发展到第四代的时候，仅仅只需几美元。有人半开玩笑半认真地说，60年代电脑专业毕业的研究生，若从那一时刻起再也不接触电脑，那么，到了90年代会发现自己成了“机盲”。有关资料显示，在近10年内，一位普通工程师所掌握的知识的90%都与电脑的发展有关，因为电脑乃是当代变化最剧烈的科学技术。第五代：智能计算机1981年，日本东京召开了一次第五代计算机智能计算机研讨会，随后制定出研制第五代计算机的长期计划4。世界各国的科学家们都准备在90年代研究和发展新一代的计算机。这是集成更高、运算速度更快、功能更加齐全的第五代计算机人工智能计算机。第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛的应用，使人们能用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机交流。第五代计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和快速推理，其软件系统能够处理知识信息。长期以来，人们就力图模拟自己的大脑，因而产生了人工智能这门学科。人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的一般规律的。研究用计算机来模拟和执行人脑的智力功能的科学技术，称为人工智能。相应的，具有人工智能的计算机，称为智能计算机。它借助于给电子计算机编制程序的手法使它执行类似人的智能的任务和进行学习。当前计算机的人工智能水平总的说来还比较低，功能不够完善。虽然计算机目前能够进行文字翻译、定理证明、图像识别、弈棋和操控机器人，在某些局部领域其“智力”甚至超过了人类，但在某些方面，一台大型计算机的智能还不如一个三岁的孩童。IBM公司在90年代中后期推出的“深蓝”，于1997年击败国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。“深蓝”的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。第二节 计算机的工作原理也许大家或多或少的接触过计算机，不过相信多数人对于计算机都是处于一种黑箱操作状态。对于计算机的内部结构如何,以及计算机是如何工作的，恐怕就知之甚少了。那么计算机内部都有些什么结构呢？这些结构间又是怎样相互协作呢？2.1 计算机的身体硬件普通微机的机箱里通常包括以下几个主要部件：主板、主板上安装的CPU（微处理器）芯片、主存储器模块、显示卡、磁盘存储器接口卡及外部设备接口卡等。在主机箱里还可能安装着硬盘、一个或两个软驱。除此之外，主机箱里还有另一个重要设备电源。下面，我们将简单介绍一下这些硬件设备的基本功能。主板（如图9.6）是机箱里最重要的部件，又称主机板、系统板。它是一块安装了许多电子元件的多层印刷电路板，CPU、内存和其他重要部件都安装在主机板上。主板最重要的功能是实现系统总线，实现各主要系统部件之间的信息连接和通信管理。一般主板上都会有几个CPU芯片插槽，我们只要把CPU直接插入这个插槽就可以使用了。当然也有些主板上的CPU是焊接上去的。CPU（Central Processing Unit）（如图9.7）是计算机系统的核心部件，它的主要任务是处理信息，完成计（图9-7）算。CPU的基本功能是执行指令。指令就是要求CPU执行某种 （图9.6）动作的命令。CPU的性能主要由三个因素决定，一是执行指令的速度；二是处理数据的二进制位数（称为CPU的“字长”或者“数据宽度”）；三是指令本身的处理能力。CPU也是由几个部分组成的。一是一组称为“寄存器”的高速存储单元，用于CPU内部数据和其他信息的存储。一是由一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件组成的“算术逻辑单元”（ALU，Arithmetic Logic Unit），它们实际执行计算。一是作为CPU控制中心的程序控制单元，它是CPU的核心，负责处理指令，控制各部件的活动。（图9.8）主存储器又称为内存储器（Main Memory）（如图9.8），简称内存或主存。 现代微型机的内存通常采用超大规模集成电路芯片制成。若干芯片安装在一个小电路板上，构成一个称为SIMM（Single In-line Memory Module）的存储模块。这个存储模块上焊有数目不等的记忆IC（Instructions Cache，指令缓存）。可分为以下2种型态：72PIN：72脚位的单面内存模块是用来支持32位的数据处理量。30PIN：30脚位的单面内存模块是用来支持8位的数据处理量。内存模块的规格除了容量外，另一个重要的指标是访问速度。它的速度是以每笔CPU与内存间数据处理耗费的时间来计算，总线循环(bus cycle)以纳秒(ns)为单位。速度快的内存工作效率自然高。内存模块另一个不同点是有的模块包含奇偶校验，有的模块则没有。有奇偶校验的内存由于在存储和传输中可以进行正确性的检查，所以可靠性更高，但价格自然也就相对高些。计算机主板上还有一组扩展插槽。这些插槽是为各种插卡准备的。包括作为计算机基本配置的显示卡、磁盘接口卡以及各种扩展卡（如图9.9）。例如调制解调卡（Modem），声卡（用于输入输出音频信号），解压缩卡（用于恢复经过压缩的视频信号）等。扩展插槽就是设备连接总线的接口。 （图9.9）每一个类型的总线都有自己额定的运行频率，如果超过太多，就可能使设备运行不正常。显示器的接口一般是插在主板扩展槽上的一块卡显示卡（如图9.10）。现（图9.10）在的计算机一般都是使用彩色显示卡。由于显示器工作时信息传输量非常大，尤其是对于采用图形用户界面的系统，如Windows等，在中央处理单元和显示器之间需要提供高速数据连接。因此，目前的显示卡一般都采用PCI总线（Peripheral Component Interconnect:外部设备互连）。显示卡安装在主板上，它在机箱后面有一个15孔的显示器连线插座，供连接显示器使用。目前的图形显示卡带有图形加速功能，它们能直接处理程序的标准图形显示命令。近年来，更高性能的显示卡还提供了支持三维图形显示、动画等功能。显示卡上还有一个显示存储器（简称显存），它的大小对显示卡的性能有巨大影响。磁盘接口则包括软盘接口和硬盘接口两个部分。现在，由于技术的发展，软盘已经越来越无法满足人们的需要。Intel首先吹响了终结软驱的号角，表示要在新一代的计算机架构中同时取消软驱、并行口、串口等老古董外设。国内的一些整机厂商如联想、实达等也纷纷呼应，推出了好几款使用zip和优盘的PC及笔记本电脑。韩国三星更是极端，宣称即将在全系列产品，包括桌面PC和笔记本电脑不再使用软驱。日前，一家著名的DIY网站在其全国第八届DIY大赛上也宣布，不再将软驱作为必选配置。由此看来，短时间内软驱被废已是大势所趋。计算机的硬盘接口有两个系列。 一个是在一般计算机中广泛使用的IDE（Integrated Device Electronics）方式，另一个是在高性能工作站和网络服务器上广泛使用的SCSI（Small Computer System Interface:小型电脑系统界面）方式。SCSI方式具有更高的数据传输速度。目前的计算机多采用扩展的IDE（即EIDE，Enhanced IDE：增强性IDE）。目前，所有的计算机都提供了一个专用的键盘插口。现今的一些流行的Pentium主板多采用PS/2做鼠标接口，而放弃常用的串行接口做鼠标接口。这样做的好处是：既可以节省一个常规串行接口，又可以使鼠标得到更快的响应速度。此外，计算机机箱后面一般还提供的接口有：一个小型的9针插座是串行通信接口，用于连接对数据传输速度要求较低的设备，也可用于计算机间的互连；一个25针的大型并行接口插座，用于连接打印机等并行设备。同时，许多扩展卡提供自己的外部接口插座。例如Modem卡带有连接电话线的插座，声卡带有连接麦克风、扬声器等的插座等。2.2 计算机的思想软件计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的。一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。那么什么是软件呢？广义来看，软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。软件的基本组成部分是完成其功能的程序，程序设计语言（也称为“编程语言”，Programming Language）是人们编制程序时所使用的语言。计算机软件非常丰富，通常按功能将它们分为系统软件和应用软件两大类。2.2.1系统软件系统软件是计算机系统的一部分，它是支持应用软件运行的。它为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，但不能随意修改它。常用的系统软件有：操作系统OS（Operating System），语言处理程序，联接程序，诊断程序，数据库系统，数据仓库几种。操作系统是一个庞大的管理控制程序，它一般包括进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理五个管理功能。其中操作系统又分为实时操作系统、分时操作系统、批处理操作系统、单用户操作系统、网络操作系统几种。目前在计算机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows系列、NetWare等。这些操作系统根据侧重面和设计思想的不同，结构和内容存在很大差别。语言处理程序是人与计算机之间交流的工具。一般分为机器语言、汇编语言和高级语言几种。机器语言（Machine Language）是计算机系统能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。汇编语言（Assemble Language）是面向机器的程序设计语言，它是为特定的计算机设计的。高级语言诞生于20世纪50年代中期到70年代。这些高级语言较为接近自然语言的英文表达方式和数学表达方式。我们通常把用高级语言编写成的程序称为“源程序”，而把由源程序翻译成的机器语言程序和汇编语言程序称为“目标程序”。计算机将源程序翻译成机器指令时，通常有“翻译”和“解释”两种方式。目前常用的高级语言有：FORTRAN、PASCAL、C语言程序（包括现在较常用的面向对象的Visual C程序设计语言）、BASIC、JAVA等。联接程序则可以把目标程序变为可执行的程序，因此又称为组合翻译程序或联接编译程序。由源程序到可执行的目标程序一般有两个阶段：翻译阶段和联接阶段。翻译阶段将源程序转换称为目标程序，这时程序仍是不能执行的。联接则是将目标程序转换成一个可执行的装入程序。诊断程序我们平时提得比较少。它主要用于对计算机系统硬件的检测。60年代后发展起来的数据库系统是计算机科学中发展最快的领域之一。数据库系统通常由硬件、操作系统、数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）、数据库和应用程序组成。数据库是按照一定的方式组织起来的数据集合，具有数据冗余度小、可共享等特点。目前常用的数据库管理系统有：DB2、SQL Server、SYBASE、ORACLE等。而数据库仓库是近几年才迅速发展起来的一种存储技术。目前，计算机界对数据库仓库还没有一个统一的定义。但是却有一个一致的观点，就是：数据库仓库绝不是数据的简单堆积。2.2.2应用软件应用软件是指利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。目前的应用软件可以分为一下几种类型：(1)文字处理软件，主要用于对输入计算机的文字进行修改、编辑、排版等。目前常用的文字处理软件有：WPS、Microsoft Word等。(2)表格处理软件，主要用于处理各式各样的表格。包括根据用户的要求自动生成相应的表格，完成表格计算等。还可将设计好的表格打印出来。目前常用的表格处理软件有Microsoft公司的Excel等。(3)计算机辅助系统，主要是协助人们进行一些比较复杂的技术性工作，例如工程绘图等。主要包括辅助设计软件（CAD）、辅助制造软件(CAM)、辅助教育软件(CAI)和计算机代数系统辅助科研（CAS）。(4)实时控制软件。现代的实时控制软件主要是指在现代化工厂里，用于生产过程自动控制的计算机上安装的，用于处理一定的生产信息如电压、温度、压力、流量等的软件。实时控制对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则会造成重大损失和事故。这一类软件统称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监察控制和数据采集）软件。目前比较流行的SCADA软件有FIX、InTouch、Lookout等。2.3计算机工作原理计算机的基本组成硬件我们已经有了初步的了解，那么它们之间是如何协同工作的呢？计算机系统的基本结构如图9.11所示。（图9.11）由图中我们可以了解，计算机由输入和输出设备、存储器、运算器和控制器五个部分组成。它一般采用存储程序模式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可根据运算结果和外界条件的改变而改变。计算机以运算器为核心。输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（“与”、“或”、“非”等）。在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。控制器则由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它地基本功能就是从内存取指令和执行指令。控制器和运算器合称为中央处理单元，即CPU（Central Processing Unit），它是整个计算机的核心。内存储器则用于存放要执行的程序和数据。有了这些计算机仅仅只是有了运算的可能性。如果要让计算机进行计算、控制等功能，还必须配有必要的软件。这里的软件主要是指使用计算机的各种程序。计算机主要通过各种指令完成某个操作。一条指令通常由操作代码和操作数两个部分组成。操作代码指明该指令要完成的操作，操作数则指参加运算的数或数所在的地址。用户根据解决某一问题的需要，选择相应的指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可以完成预定的任务。计算机执行指令一般分为两个阶段。首先，将要执行的指令从内存取到CPU内。接着，CPU对读入的该条指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作。接着向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后，就进入下一条指令的读取操作。程序则是由一系列指令的有序集合构成，计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU从内存读出一条指令到CUP内执行，当该指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内继续执行。CPU不断的读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。计算机是一种具有强大信息处理功能的电子设备，它有两个主要特点：它所处理的信息是数字式的，它的信息处理工作采用“存储程序控制”方式。因此，它具有完全的通用性。编制程序是计算机解决问题的关键之一。程序是由人根据需要编制的，计算机能按照程序，一条一条地忠实执行指令。2.4 计算机语言的产生和发展语言是人类所特有的用来表达意思、交流思想、传递信息的工具，是一种特殊的社会现象。而计算机是二十世纪人类文明史上最先进的发明。为了让计算机更好地为人类服务，我们必须得让计算机明白我们的意思，并能够按照我们的要求去工作。在这个基础上，计算机语言就应运而生了。计算机语言也叫程序语言（Program Language），是人与计算机交流的和沟通的重要工具。由于计算机只能识别“0”和“1”两种状态，也就是说，计算机智能依靠电路“0”和“1”两种状态的转换来完成数字运算、逻辑操作和信息存储。因此，从世界上第一台电子计算机诞生的那一天起，人们就一直在设法开发计算机所能“理解”的语言。具体的做法是：用“0”和“1”编码的指令写出“机器语言”来。这样的机器语言就能沟通人与机器之间的对话。而这种直接用机器语言写出的程序，我们通常称之为手编程序。但是，以“0”和“1”为代码来编写程序，不仅难写而且难读，效率非常低。有鉴于此，人们开始改用符号来代替手编程序中的操作码和地址，于是就产生了汇编语言。编制符号程序（由汇编语言编写的程序）比起手编程序要先进、方便得多，但是编制符号程序因机器而异，而且效率也低，这与计算机硬件的高速发展是相矛盾的。1953年12月，IBM公司程序师约翰巴科斯（J. Backus）建议为IBM 704设计一种全新的程序设计语言。巴科斯曾在“选择顺序控制计算机”（SSEC）上工作过3年， 深深体会到编写程序的困难性。他说：“每个人都看到程序设计有多昂贵，租借机器要花去好几百万，而程序设计的费用却只会多不会少。”因此，他希望能设计出一种用于科学计算的“公式翻译语言”（FORmula TRANslator）。1954年，他带领的一个13人小组设计完成了第一个电脑高级语言FORTRAN语言。1957年，西屋电气公司幸运地成为FORTRAN的第一个商业用户。之后，不同版本的FORTRAN纷纷面世。1966年，美国统一了它的标准，称为FORTRAN 66语言。直到今天，FORTRAN仍然是科学计算选用的语言之一，巴科斯也因此摘取了1977年度“图林奖”。在FORTRAN得到广泛运用的时候，并没有适用于商业的计算机语言。早在1952年，在斯佩里兰德公司兼任系统工程师的格蕾丝霍波（Grace Hopper ,1906-1992）率先研制出世界上第一个编译程序A-O，能够将类似英语的符号代码转换成计算机能够识别的机器指令，并发表了第一篇关于编译器的论文。到了50年代中期，她又开发出FlowMatic语言，为COBOL高级语言诞生创造了基础。1959年5月，格蕾丝霍波领导一个工作委员会成功的设计出第一个商用计算机语言COBOL（Common Business Oriented Language）。COBOL最重要的特征，就是和英文语法非常接近，可以让不懂电脑的人也看懂程序。只需要对编译软件进行少许修改，就可以在任何类型的电脑上运行。当时还发生了一件很有趣的事。这个委员会中有一个人担心这种语言不会长久，特地为这种语言制作了一块墓碑。然而，COBOL却幸存下来。1963年，美国国家标准局对它进行了标准化。用它编写的软件，要比其它语言多得多。格蕾丝霍波是计算机语言领域的开拓者，人们尊敬的将她称作“计算机语言之母”。计算机界的通用术语“臭虫”（Bug），和90年代末引起世界范围内恐慌的“千年虫”（Y2K），就来自于霍波的天才创造和发明。1971年，为了纪念现代数字计算机诞生25周年，美国计算机协会设立了“格蕾丝霍波奖”，专门颁发给年度最优秀的30岁以下的青年计算机工作者。1958年，一个国际商业和学术计算机科学家组成的委员会在瑞士苏黎世开会，探讨如何改进FORTRAN。在这次会议上，科学家们探讨设计了一种标准化的电脑语言，巴科斯也参加了这次会议。1960年，该委员会在1958年设计的基础上，定义了一种全新的语言版本国际代数语言ALGOL 60，并首次引进了局部变量和递归的概念。后来，ALGOL没有能够得到广泛的应用，但是却演变称为其他程序语言的概念基础。FORTRAN和ALOGO等语言虽然在数值计算种能够大显身手，但是在人工智能领域却一筹莫展。1960年，美国马萨诸塞理工学院的计算机科学加约翰麦卡锡发表了一篇的论文，文中介绍了一种新的计算机语言LISP。美国一直采用LISP作为人工智能语言