1.1.1　計算機(jī)發(fā)展史

借助機(jī)器進(jìn)行計算是人們永恒的追求，追憶計算機(jī)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，人們總是希望獲得更快的計算速度，利用計算機(jī)伸展研究領(lǐng)域、擴(kuò)展研究深度。

1.電子數(shù)字計算機(jī)的誕生

一般認(rèn)為世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)是1946年2月誕生于美國賓夕法尼亞大學(xué)的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），是由美國物理學(xué)家莫克利（John Mauchly）教授和他的學(xué)生埃克特（Presper Eckert）為計算彈道和射擊特性而研制的。它用了近18000個電子管，6000個繼電器，70000多個電阻，10000多只電容及其他器件。機(jī)器表面布滿了電表、電線和指示燈，總體積約90m3，重30t，功率為150kW，機(jī)器被安排在一排2.75m高的金屬柜里，占地170m2，其內(nèi)存是磁鼓、外存為磁帶，操作由中央處理器控制，使用機(jī)器語言編程。ENIAC雖然龐大無比，但它的加法運(yùn)算速度達(dá)到了5000次/s，可以在0.003s時間內(nèi)完成兩個10位數(shù)的乘法，使原來近200名工程師用機(jī)械計算機(jī)需7～10h的工作量，縮短到只需30s便能完成。

2.計算機(jī)的發(fā)展

現(xiàn)代電子數(shù)字計算機(jī)問世之前，計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式計算機(jī)、機(jī)電式計算機(jī)和萌芽期的電子數(shù)字計算機(jī)三個階段。在這個過程中，科學(xué)家們經(jīng)過了艱難的探索，發(fā)明了各種各樣的“計算機(jī)”，這些“計算機(jī)”順應(yīng)了當(dāng)時的歷史發(fā)展，發(fā)揮了巨大的作用，推動了計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展。

（1）機(jī)器計算的由來

今天的計算機(jī)有一個十分龐大的家譜。最早的計算設(shè)備可追溯到古希臘、古羅馬和古代中國。

算籌又稱籌、策、算子等，是中國古代勞動人民用來計數(shù)、列式和進(jìn)行各種數(shù)式演算的工具。成語“運(yùn)籌帷幄”中的“籌”指的就是算籌。現(xiàn)在的算盤是由古代的算籌演變而來的，素有“中國計算機(jī)”之稱。直到今天，算盤仍是許多人喜愛的計算工具。

1623年，德國科學(xué)家契克卡德（W.Schickard）為天文學(xué)家開普勒（Kepler）制作了一臺能做6位數(shù)加減法和乘除運(yùn)算的機(jī)械計算機(jī)。契克卡德一共制作了兩臺原型機(jī)，遺憾的是留給后人的只有設(shè)計示意圖。法國科學(xué)家布萊斯?帕斯卡（Blaise Pascal）是目前公認(rèn)的機(jī)械計算機(jī)制造第一人。帕斯卡先后做了三個不同的模型，1642年所做的第3個模型“加法器”獲得成功。1971年瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的尼克萊斯?沃爾斯（Niklaus Wirth）教授將發(fā)明的計算機(jī)通用高級程序設(shè)計語言命名為“Pascal語言”，以紀(jì)念帕斯卡在計算機(jī)領(lǐng)域中的卓越貢獻(xiàn)。

1674年，萊布尼茨在一些著名機(jī)械專家和能工巧匠的協(xié)助下，在巴黎制造出了一臺功能更完善的機(jī)械計算機(jī)。1700年，萊布尼茨從中國的“易圖”中受到啟發(fā)，系統(tǒng)地提出了二進(jìn)制的運(yùn)算法則。

1822年，英國劍橋大學(xué)著名科學(xué)家查理斯?巴貝奇（Charles Babbage）研制出了第一臺差分機(jī)，1847—1849年，巴貝奇完成了21幅差分機(jī)改良版的構(gòu)圖，可以操作第七階相差（7thorder）及31位數(shù)字。

19世紀(jì)末，赫爾曼?霍列瑞斯（Herman Hollerith）首先用穿孔卡完成了第一次大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理工作，穿孔卡第一次把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制信息，這種用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)的方法一直沿用到20世紀(jì)70年代，霍列瑞斯的成就使他成為“信息處理之父”。1890年，他創(chuàng)辦了一家專業(yè)的“制表機(jī)公司”，后來Flent兼并了“制表機(jī)公司”，改名為CTR（C代表計算機(jī)，T代表制表，R代表計時），1924年，CTR公司更名為IBM公司，專門生產(chǎn)打孔機(jī)、制表機(jī)等產(chǎn)品。

1873年，美國人鮑德溫（F.Baldwin）利用齒數(shù)可變齒輪設(shè)計制造了一種小型計算機(jī)樣機(jī)，兩年后獲得專利，鮑德溫便大量制造這種供個人使用的“手搖式計算機(jī)”。

1938年，在AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的斯蒂比茲（G.Stibitz）運(yùn)用繼電器作為計算機(jī)的開關(guān)元件，設(shè)計出用于復(fù)數(shù)計算的全電磁式計算機(jī)，使用了450個二進(jìn)制繼電器和10個閘刀開關(guān)，由三臺電傳打字機(jī)輸入數(shù)據(jù)，能在30s算出復(fù)數(shù)的商，1939年，斯蒂比茲將電傳打字機(jī)用電話線連接上紐約的計算機(jī)，異地操作進(jìn)行復(fù)數(shù)計算，開創(chuàng)了計算機(jī)遠(yuǎn)程通信的先河。1938年，28歲的楚澤（K.Zuse）設(shè)計了一臺可編程數(shù)字計算機(jī)Z-1。1939年，楚澤用繼電器組裝了Z-2，1941年，他設(shè)計制作了電磁式計算機(jī)Z-3，實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制程序控制。1945年，建造了Z-4，并在1949年成立了“Zuse計算機(jī)公司”。

在計算機(jī)發(fā)展史上占據(jù)重要地位、計算機(jī)“史前史”中最后一臺著名的計算機(jī)，是由美國哈佛大學(xué)的艾肯（H.Aiken）博士發(fā)明的“自動序列受控計算機(jī)”，即電磁式計算機(jī)馬克一號（Mark I）。

（2）以電子器件發(fā)展為主要特征的計算機(jī)的發(fā)展階段

從第一臺電子數(shù)字計算機(jī)誕生到今天，計算機(jī)技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，功能不斷增強(qiáng)，所用電子器件不斷更新，可靠性不斷提高，軟件不斷完善。直到現(xiàn)在，計算機(jī)還在日新月異地發(fā)展著。計算機(jī)的性能價格比繼續(xù)遵循著著名的摩爾定律：芯片的集成度和性能每18個月提高一倍。表1-1-1列出了第一代、第二代、第三代和第四代計算機(jī)的主要特征。

（3）計算機(jī)的未來發(fā)展

直到今天，人們使用的所有計算機(jī)，都采用美國數(shù)學(xué)家馮?諾依曼（John von Neumann）提出的“存儲程序”原理作為體系結(jié)構(gòu)，因此也統(tǒng)稱為馮?諾依曼型計算機(jī)。20世紀(jì)80年代以來，美國、日本等發(fā)達(dá)國家開始研制新一代計算機(jī)，是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電子仿生技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物，希望打破以往固有的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，使計算機(jī)能進(jìn)行知識處理、自動編程、測試和排錯，能用自然語言、圖形、聲音和各種文字進(jìn)行輸入和輸出，能具有人類那樣的思維、推理和判斷能力。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的非傳統(tǒng)計算技術(shù)有：利用光作為載體進(jìn)行信息處理的光計算機(jī)；利用蛋白質(zhì)、DNA的生物特性設(shè)計的生物計算機(jī)；模仿人類大腦功能的神經(jīng)元計算機(jī)以及具有學(xué)習(xí)、思考、判斷和對話能力，可以辨別外界物體形狀和特征，且建立在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的模糊電子計算機(jī)等。未來的計算機(jī)還可能是超導(dǎo)計算機(jī)、量子計算機(jī)、DNA計算機(jī)或納米計算機(jī)等。