计算机组织与系统结构

计算机短轨与系统结枸

计算技术发展简史

（第二讲）

程旭

2014年10月8日

北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心

古代计算技术

公元前500年,中国,算盘

将位置标记的概念(conceptofpositionalnotation),引入计算

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古代计算技术

12世纪

塔什干(Tashkent)的牧师

MukhammadibnMusa

AFKhowarizmi

提出编写出达到一些目标的

操作过程的概念

并出版了一部以“算法

(algorithm)59为主题的书籍

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卜七世纪计算技术

1612,JohnNapier,对数

1622,WilliamOughtred,计算尺(sliderule)

1880的柱状计算尺(cylindricalSlideRule),

北京大泰陋斛长见位十进制精度

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十七世纪计算技术

1642年，PascalMachine

•MechanicalCounterforadditionandsubtraction

•CounterWheelsforstoringdecimalnumbers

•Usedasregisters

•OneRegisteractedasAccumulator

•TechnicalInnovations:

•AutomatictransferofCarry

•UseofComplementRepresentationfornegative

numbers

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PascaPsCalculator-Pascalene(1642)

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十七世纪计算技术

1671年，GottfriedLeibniz

ACalculatorthatcouldperformmultiplicationand

divisionaswellasadditionandsubtraction

StartedwithPascalCalculator

Addedtwoadditionalsetsofwheelsthatcould

performmultiplicationsanddivisionbyrepetitive

additionorsubtraction

UsedChainsandPulleys

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十八世纪和十九世纪计算技术

•1750MechanicalWeavingTechnology

•JacquardLoom(1801)

•Punchedcardformanualinstructionfirst

•UsedmechanicallyinJacquardLoom

•Holesinthepunchedcardsusedforthe

controlofthemovementofpartsoftheloom

•thefirstprogrammableprocesscontrol

machine

•Operationunderprogramcontrol

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Jacquard

Loom(1801)

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十九世纪二十年代

CharlesBabbageDifferenceEngine

Designedtocalculatetheentriesofatableautomaticallyand

transferthemviasteelpunchestoanengraver'splate

•Couldperformonlyadditionandsubtraction

•UsingFiniteDifferencemethodsalargenumberoffunctions

couldbecalculated

•Polynomials

•TrigonometricFunctions

•Usedanumberofmechanicalregisters

•DrivenbysteamenginetoCRANKOUTtheresults

•3rddegreepolynomialsand15digitnumbers

•Automaticmulistepoperations

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CharlesBabbage1791-1871

LucasianProfessorofMathematics,

CambridgeUniversity,1827-1839

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CharlesBabbage

■DifferenceEngine1823

■AnalyticEngine1833

•Theforerunnerofmoderndigitalcomputer!

Application

-MathematicalTables-Astronomy

-NauticalTables-Navy

Background

-Anycontinuousfunctioncanbeapproximatedbya

polynomial--Weierstrass

Technology

-mechanical-gears,Jacquard'sloom,simple

calculators

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DifferenceEngine

Amachinetocomputemathematicaltables

Weierstrass:

•Anycontinuousfunctioncanbeapproximatedbyapolynomial

•Anypolynomialcanbecomputedfromdifferencetables

Anexample

f(n)=n2+n+41

d1(n)=f(n)-f(n-1)=2n

d2(n)=d1(n)-d1(n-1)=2

f(n)=f(n-1)+d1(n)=f(n-1)+(d1(n-1)+2)

allyouneedisanadder!

n01234

d2(n)212121

」.

内⑻21-111

f(n)41"3->47>53A61

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DifferenceEngine

1823

•Babbage'spaperispublished

1834

•ThepaperisreadbyScheutz&hissoninSweden

1842

・Babbagegivesuptheideaofbuildingit;heisonto

AnalyticEngine!

1855

•ScheutzdisplayshismachineattheParisWorldFare

・Cancomputeany6thdegreepolynomial

•Speed:33to4432-digitnumbersperminute!

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Babbages

Difference

Engine1

1832

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AnalyticEngine

1833:Babbage'spaperwaspublished

•conceivedduringahiatusinthedevelopmentof

thedifferenceengine

Inspiration:JacquardLooms

•loomswerecontrolledbypunchedcards

弋Thesetofcardswithfixedpunchedholes

dictatedthepatternofweave=>program

弋Thesamesetofcardscouldbeusedwith

differentcoloredthreadsnnumbers

1871:Babbagedies

•Themachineremainsunrealized.

Itisnotcleariftheanalyticenginecouldbebuilt

eventodayusingonlymechanicaltechnology

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Babbage's

DifferenceEngine2

and

AnalyticalEngine

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1834BabbageAnalyticalEngine

OperationVariable

CardsCards

Program

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BabbageAnalyticalEngine

•TheStore:Memoryunitconsistingofcounter

wheels

•TheMill:Thearithmeticunitcapableof4operations

usedapairofregisterandproducedresultsstored

inanotherregisterinthestore

•OperationCards:SpecifiedoneofFouroperations

•VariableCards:Specifiedthememorylocationtobe

used

•Output:Printerorpunch

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AnalyticEngine

Thefirstconceptionofageneral-purposecomputer

1.Thestoreinwhichallvariablestobeoperatedupon,as

wellasallthosequantitieswhichhavearisenfromthe

resultsoftheoperationsareplaced.

2.Themillintowhichthequantitiesabouttobeoperated

uponarealwaysbrought.

Theprogram

Operationvariablelvariable?variables

Anoperationinthemillrequiredfeedingtwopunchedcards

andproducinganewpunchedcardforthestore.

Anoperationtoalterthesequencewasalsoprovided!

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Thefirstprogrammer

AdaByronaka“LadyLovelace“1815-52

Ada'stutorwasBabbagehimself!

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Babbage'sInfluence

■Babbage'sideashadgreatinfluencelater

primarilybecauseof

•LuigiMenabrea,whopublishednotesof

Babbage'slecturesinItaly

•LadyLovelace^whotranslatedMenabrea3s

notesinEnglishandthoroughlyexpanded

them.

“・・・AnalyticEngineweavesalgebraic

patterns...^

■Intheearlytwentiethcentury-thefocusshifted

toanalogcomputersbut

•HarvardMarkIbuiltin1944isveryclosein

spirittotheAnalyticEngine.

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SrfM.iseuni仅zncc

Sueu：vI5::turc

Kelvin's

Tide

Predictor

(1876)

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古代及近代计算技术

公元前500年，中国，算盘

12世纪，Al'Khowarizmi，算法

1612,JohnNapier,对数

1622,WilliamOughtred,计算尺(sliderule)

1642,BlaisePascal,自动进位的加法机器

齿轮驱动的拨盘,在窗口中显示累加和

1822,CharlesBabbage,差分机(differentialengine)

单一功能的专用机器

1833,解析机(AnalyticalEngine)

具有现代计算机的基本部件=>计算机之父

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二十世纪前叶计算技术

•1932-VannevarBush'smechanical

computer(calculus)

•Late30's-Zuse,Stibitz,Aiken-

electomechanicalcomputer

•1937-42-Atanasoff-BerryComputer:first

electronicdigitalcomputer

•1943-TuringandNewman-Colossus

(Decryption)

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ElectomechanicalComputers

Limitations:

•InertiaofMovingParts-limitscomputationspeed

•Useofgearsandleversetc.tomovedatais

cumbersomeandunreliable

•Equipmentbulk

Computerswithnomovingparts!

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MITDifferentialAnalyzer(1930)

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VannevarBush'sMITDifferentialAnalyzer(1930)

VannevarBush,MIT,builtalarge-scaledifferentialanalyzerwiththeadditional

capabilitiesofintegrationanddifferentiation;perhapsthelargestcomputational

deviceintheworldin1930.

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KonradZuse9sZ-1(1935)

arelaycomputer,usingbinaryarithmetic

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AikensModel-K(1937)

HowardAikenatHarvard

University,whoseworkwould

cometofruitionin1944,and

GeorgeStibitzatBellTelephone

Laboratorieswhowaslooking

attheuseoftelephonerelaysin

doingarithmetic.Hefirst

constructedarelaydriven

arithmeticunitin1937(which

helatercalledtheModel-K

sinceitwasbuiltonthe

Kitchentable)andfromthat

smallstartbuiltanumberof

relaymachinesthatwereinuse

duringWorldWarII

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LinearEquationSolver

JohnAtanasoff,IowaStateUniversity

19300

•AtanasoffbuilttheLinearEquationSolver.

•Ithad300tubes!

Application:

•LinearandIntegraldifferentialequations

Background:

•VannevarBush'sDifferentialAnalyzer

-ananalogcomputer

Technology:

•TubesandElectromechanicalrelays

Atanasoffdecidedthatthecorrectmodeof

computationwasbyelectronicdigitalmeans.

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1936-39Atanasoff/BerryComputer(ABC)

ScientificAmericanAugust1988

•Specialpurposepp.90-96:Dr.AtanasofffsComputer

-solvingsimultaneousequations

Electronicdigitalcomputation

Electronicswitching

Separatememory

Memoryregeneration

Binarynumbersystem

Vectorprocessing

Clockedcontrol

Capacitor-drummemories

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Colossus-MarkI(1943)

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IBM/HarvardMarkI(1944)

Thefirstlargescale,automatic,generalpurpose,electromechanicalcalculator

■Builtin1944inIBMEndicott

laboratories

•HowardAiken-Professor

ofPhysicsatHarvard

•Essentiallymechanicalbut

hadsomeelectro-

magneticallycontrolled

relaysandgears

•Weighed5tonsandhad

IheIBM/HanardMarkI<1943)TheMmki心litefirstuvnipklclyauiomatk:,digitalcom-

puLet.IlWH、cbhuuiiailyanckjcUmwhanicalrvcreationatBabbage^AnalyticalEngine.The750,000components

Mark1的那pressedmt。serviceperformingnnvnlweapojwcalciilaii<m5duringWerridWarH.•Asynchronizingclockthat

weighedMera)盘〃nd

beatevery0.015seconds

a*，*(66Hz)

Performance:

0.3secondsforadditionBrokedownonceaweek!

6secondsformultiplication

1minuteforasinecalculation

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数字逻辑

■GeorgeBooleinventsBooleanalgebra

•1848年，出版了HheMathematicalAnalysis

ofLogic》,将逻辑命题和射到待号，maps

logicalpropositionstosymbols,使得向用数

学南方在处理逻辑语句

•1854年，出版了《TheLawsofThought》,

介绍了现在以他的名字命名的布尔代数。

•Numbersystemwith2values

V0/1《==》真/假

早Domathonlogicstatement

?3operations(NOT,AND,OR)

NOT

A।0;t

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数字电路

■ClaudeElwoodShannon

•1938,MIT,电气工程硕士学位，硕士论文题目是

《ASymbolicAnalysisofRelayandSwitching

Circuits》（继电器看开关电路的符号分析）。＜

布尔代数分析并优化开关电路，奠定了数字电路

的理论基础。

—

1—Out

A।0;t

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1937,AlanTuring

Whilenotusingthepractical

technologyoftheera,Alan

Turingdevelopedtheideaofa

“UniversalMachine"capable

ofexecutingany

describablealgorithm,and

formingthebasisforthe

conceptof''computability''.

Perhapsmoreimportantly

Turing'sideasdifferedfrom

thoseofotherswhowere

solvingarithmeticproblems

byintroducingtheconceptof

“symbolprocessing”.

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1937年，当A.M.Turing提出图灵机概念时,

也许人们并不知道存储程序计算机对人类社会的

真正意义；然而，在此之后的半个多世纪，人们

却在科学、技术，甚至哲学、法律等社会的各个

领域都品味到计算机的强大震撼力。有些我们现

在看来理所当然的处理器的特点，在计算机不长

的历史上也的确经历了一个不短的认识过程。了

解这个过程，包括其技术背景和器件工艺背景，

对我们研究将来的计算机以及用好现在的计算机

都是有益的o

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“Ithinkthereisaworld

marketformaybefive

computers.”

ThomasWatsonSenior,

ChairmanofIBM,1943

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Generations

1:1950~59VacuumTubes

2:1960~68Discretetransistor

3:1969~77ICs

4:1978-?LSIandVLSI

5?:Japaneseproject

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TheFirstGeneration

UseVacuumTubesforswitchingandstorage.

ATriodeinventedin1906becameabuildingblock.

Structure?

Turing:

•In1937gavethemathematicalfoundations

intermsofTURINGMACHINEwhichcan

emulateanyothercomputer.

•HetriedtobuildacomputerACE

AutomaticComputingEngine(ACE)wascompletedin1947

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通用电子计算机的起源

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第一台通用电子计算机--ENIAC1946年2月14日

ElectronicNumericalIntegratorandCalculatorJ.PresperEckert&

JohnMauchly

MooreSchool

UniversityofPennsylvania

Size:80feetlong

8.5feethigh

18,000vacuumtubes

5000additions/sec.

Theworld'sfirstgeneral-purposeelectroniccomputer

conditionalJumpandbeprogrammable,distinguisheditfromearlierones

Usedforcomputingartilleryfiringtables

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ENIAC

■InspiredbyAtanasoffandBerry,EckertandMauchlydesignedandbuilt

ENIAC(1943-45)attheUniversityofPennsylvania

■Thefirst,completelyelectronic,operational,general-purposeanalytical

calculator!

•30tons,72squaremeters,200KW

■Performance

•Readin120cardsperminute

WW-2Effort

•Additiontook200)is,Division6ms

•1000timesfasterthanMarkI

■Notveryreliable!

Application：Ballisticcalculations

angle=f(location,tailwind,crosswind,

airdensity,temperature,weightofshell,

propellantcharge,...)

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Accumulator

■28vacuumtubes

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ENIACwasNOTa“storedprogram^device

■Foreachproblem,someoneanalyzedthe

arithmeticprocessingneededandpreparedwiring

diagramsforthecomputerstousewhenwiringthe

machine

■Processwastimeconsuminganderrorprone

■Cleaningpersonneloftenknockedcablesoutof

theirplaceandjustputthembacksomewhere

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Wiringthemachine

FunctionTables

北岸究开发中心1

GQ@@：@&；£j.：.i0。:3G：36：<>.Q

CBSG：a：G：0：&或NN*U*Q。.

在仃««："仁4.1

Q.6

PulseDiagram

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ENICA:ElectronicNumericalandIntegrateCalculator

MauchlyandEckert

•FirstGeneralPurposeComputer:Wasdesignedfor

ballisticcalculationsbutwasusedforH-Bomb

design

•30Tons,15,000SquareFt.,18,000VacuumTubes,

140KW

•5,000additionspersecond

•Useddecimalarithmetic

•Memoryhad20accumulatorsfor10digitnumbers

•Programmingrequiredsettingswitchesand

pluggingcablesmanually

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ENIAC

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ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer(EDVAC)

■ENIAC'sprogrammingsystemwasexternal

•Sequencesofinstructionswereexecuted

independentlyoftheresultsofthecalculation

•Humaninterventionrequiredtotakeinstructions

“outoforder”

■Eckert,Mauchly,JohnvonNeumannandothers

designedEDVAC(1944)tosolvethisproblem

•Solutionwasthestoredprogramcomputer

="programcanbemanipulatedasdata”

■FirstDraftofareportonEDVACwaspublishedin

1945,butjusthadvonNeumann、signature!

•In1973thecourtofMinneapolisattributedthe

honorofinventingthecomputertoJohnAtanasoff

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StoredProgramComputer

Program=Asequenceofinstructions

Howtocontrolinstructionsequencing?

manualcontrolcalculators

automaticcontrol

external(papertape)HarvardMark1,1944

Zuse'sZ1,WW2

internal

plugboardENIAC1946

read-onlymemoryENIAC1948

read-writememoryEDVAC1947(concept)

-Thesamestoragecanbeusedtostoreprogramanddata

EDSAC1950MauriceWilkes

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TechnologyIssues

ENIACnEDVAC

18,000tubes4,000tubes

2010-digitnumbers2000wordstorage

mercurydelaylines

ENIAChadmanyasynchronousparallelunits

butonlyonewasactiveatatime

BINAC:Twoprocessorsthatcheckedeachother

forreliability.

Didnftworkwellbecauseprocessorsnever

agreed

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DominantProblem:Reliability

Meantimebetweenfailures(MTBF)

MIT'sWhirlwindwithanMTBFof20min.wasperhapsthe

mostreliablemachine!

Reasonsforunreliability:

1.VacuumTubes

2.Storagemedium

acousticdelaylines

mercurydelaylines

Williamstubes

Selections

ReliabilitysolvedbyinventionofCorememoryby

J.Forrester1954atMITforWhirlwindproject

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第一台可操作的存储程序机器-一Mark-I

Theworld'sfirstoperationalstored-programmachine

1948年，曼彻斯特大学，小型计算机样机

存储器大小:32字（可扩充到8K字）

机器字长：32位

6条指令：

jump

IoadaccumuIatornegative

substract

storeaccumuIator

testforzero

stop

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第一台全面的、可操作的、存储程序计算机一EDSAC

Theworld'sfirstfull-scale,operational,stored-programcomputer

MauriceWilkes,CambridgeUniversity

EDSAC:ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator

1949年，EDSAC开始运行

其基于累加器的结构和其

指令系统设计

对以后一段时期的机器设

计有着重要影响

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ThevonNeumannMachine

StoredProgramComputer

IAS(lnstituteforAdvancedStudy)

Computer

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存储程序的思想即构成计算机程序

的指令可同数据一样事先存放到存储器中,

然后由计算机自己一条条取出执行。

这种思想很自然地引出了转移指令和

可对指令的地址部分进行修改的概念，从

而使一段程序的指令可以自动地被有意义

地多次执行。

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IASComputer

•Mainmemorywhichstoresbothdataandinstructions

•Anarithmetic-LogicUnitcapableofoperatingonbinary

data

•Acontrolunitwhichinterpretstheinstructionsin

memoryandcausesthemtobeexecuted

•InputandOutputequipmentoperatedbythecontrolunit

•1000wordsof40bitseach

•SignedMagnituderepresentationofnumbers

Instruction082028

FormatOpcodeAddressOpcodeAddress

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IASComputerDetails

CentralProcessingUnit

IAS:InstituteforAdvancedStudy(1952)

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IASInstructionSet

•21Instructions

eDataTransfer

eUnconditionalBranch

eConditionalBranch

•Arithmetic

•AddressModify

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IAS机器的设计采用基于累加器的结构.

指令系统含有五种指令：数据传送、无条件转移、

条件转移、算术运算和地址修改。另外，IAS可

以从主存中一次取出两条指令,并且把不立

即执行的指令存放在指令缓冲寄存器中。

IAS计算机的设计，是对前人工作的一个总

结，它使存储程序的思想和计算机的设计紧密联

系在一起，从而开辟了计算机技术发展的广阔前

景。他们的设计在计算机发展史上起到了承前启

后的作用。

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HarvardArchitecture

•Separatememoriesforinstructions

anddata

•NamedforAiken'sMarkI*IV

machines

•Todayusedforseparatecaches

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这个时期的机器主要利用电子

管来实现。一般主存用静电管和延

迟线，辅存用纸带、穿孔卡和延迟

线。由于硬件的昂贵，这一时期的

机器大都采用基于累加器的结构，

而且仅能实现极少一些必须的机器

指令，大多数机器的设计目的主要

是用于进一步研究。

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计算机产业的形成

做为节约人类劳动工具的计算机，只有在形成

产业之后才可能在社会上得以广泛应用。

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Laterof1946,EckertandMauchly,inapatentdispute

withtheUniversityofPennsylvania,lefttheUniversityto

establishthefirstcomputercompany-ElectronicControl

Corp,withaplantobuildtheUniversalAutomatic

Computer(UNIVAC).Aftermanycrisestheybuiltthe

BINACforNorthrupAviation,andweretakenoverby

Remington-RandbeforetheUNIVACwascompleted.At

thesametimetheElectronicResearchAssociates(ERA)

wasincorporatedinMinneapolisandtooktheir

knowledgeofcomputingdevicestocreatealineof

computers;laterERAwasalsoassimilatedinto

Remington-Rand.

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1951年6月,Eckert-MauchIy计

算机公司开始交付UNIVACI机器，

这种机器售价为250,000美元，

共生产了48套系统，从而使之成

为第一台成功的商业化计算机。

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UNIVAC-1(1951)

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UNIVACConsole

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1952年，IBM公司推出了它的

第一台机器-----IBM701,在这台

机器中使用了威廉管(Wi11iarrfs

tube)存储器。

这种机器一共生产了19套;租

金为$15,00为月。

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IBM701(1952)

ELECTRONIC

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Whirlwind(1951)

JayForres