1.1.2　計算機的發展歷程

計算機的產生是20世紀的重大科技成果之一。自從第一臺電子計算機誕生以來，計算機科學已經成為20世紀發展最快的一門學科，尤其是微型計算機的出現和計算機網絡的發展，極大地促進了社會信息化的進程和知識經濟的發展，引起了社會的深刻變革。計算機已廣泛地應用于社會的各行各業，正在改變著人類的工作、學習與生活方式。必須掌握以計算機為核心的信息技術以及計算機的應用能力，不會使用計算機將無法面對21世紀的工作、學習與生活。

為了進行有效計算，人類不斷地探索與研究，先后發明了多種計算工具。在遠古時代，采用木棍和石塊進行計數和計算。幾百年前，我國發明了最早的計算工具——算盤，它是世界上第一種手動式計數器。1621年，英國數學家岡特根據對數表設計發明了計算尺。1642年，法國科學家帕斯卡發明了加法器，被稱為人類歷史上的第一臺機械式計算機。1673年，德國數學家萊布尼茨設計了能進行加、減、乘、除的計算器。19世紀20年代，英國數學家巴貝奇設計了差分機和分析機，希望采用機械方式實現計算過程，但是由于當時的技術限制，這種采用機械方式實現復雜計算過程的思想沒能實現。到了19世紀后期，隨著電子技術的發展，出現了新的實現自動計算的途徑。1884年，德國人康拉德·祖思在第二次世界大戰期間用機電方式制造了一系列計算機。多年后，美國人霍華德·艾肯也推出了用機電方式實現的自動機，在IBM的資助下，于1944年制造出了著名的MARK I計算機。MARK I用穿孔紙帶代替了齒輪傳動裝置，是最早的自動計算機。

推動計算機發展的最重要因素是人類社會的需求。隨著現代社會和科學技術的發展，對新型的計算工具提出了更為強烈的需求。在計算機發展史中，圖靈機模型、第一臺計算機和馮·諾依曼機模式是計算機產生過程中的三個重要事件。

1.圖靈機模型

1936年，英國劍橋大學著名數學家圖靈在研究解決數學的一個基礎理論問題時，發表了著名的名為《理想計算機》的論文。在該文中提出了現代通用數字計算機的數學模型，利用這種計算機，可以把推理化做一些簡單機械動作。這種理論機器被稱為圖靈機。圖靈分析和證明了這種圖靈機可具有的功能。在理論上，圖靈機的功能和現代計算機的功能基本類似。在隨后的幾十年時間里，圖靈機成為計算機科學家、數學家、電子工程師研制實際計算機時在功能方面要達到的目標。另外，圖靈在分析和證明圖靈機功能時所使用的形式化證明方法也為計算機科學奠定了理論基礎。

2.第一臺計算機

1946年2月，世界上第一臺電子數字計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC），即“電子數字積分計算機”，在美國賓西法尼亞大學莫爾學院研制成功。ENIAC是二次大戰時應美國軍方快速計算導彈彈道的需求研制的，但它正式完工時已是1945年年底。ENIAC主要由電子管和繼電器組成，加法計算速度為5000次/秒，這樣的計算速度比當時的計算工具有了很大的提高。在此以前，對新的計算工具研制的主流是機械式實現方法，ENIAC的出現，引導眾多科學家和工程師把自己的注意力重點轉向了電子實現方法，這為現代電子計算機的出現奠定了基礎。

3.馮·諾依曼機模式

馮·諾依曼出生于匈牙利，以后移居美國，成為普林斯特大學的數學教授。在J·普雷斯泊·埃克特與約翰·馮·諾依曼的一次偶然會面中，他們討論了ENIAC的工作原理和操作中的問題。馮·諾依曼提出了一個全新的電子計算機設計方案。這個方案的核心是存儲程序方法。并且，馮·諾依曼和賓夕法尼亞大學莫爾學院合作，于1952年按照這種方案設計完成了取名為EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，電子離散變量自動計算機）的電子計算機。

馮·諾依曼提出的存儲程序方法，就是設計一個包括存儲部件和處理部件的機器，程序存儲在存儲部件中，處理部件按照存儲的程序有序地執行。存儲程序方法是計算機發展的一個重要里程碑，現代計算機都是采用存儲程序方法來實現自動計算的。通常把采用0、1符號編碼方法和存儲程序方法設計的計算機稱為馮·諾依曼計算機。把具有馮·諾依曼計算機的特征簡稱為馮·諾依曼機特征。