1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史及分類

1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

在了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展史之前，有必要先弄清楚什么是計(jì)算機(jī)。

（1）計(jì)算機(jī)的概念。計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、快速、高效地對(duì)各種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。

計(jì)算機(jī)是一種現(xiàn)代化的信息處理工具，它對(duì)信息進(jìn)行處理并給出結(jié)果，其結(jié)果（輸出）取決于所接收的信息（輸入）及相應(yīng)的程序。計(jì)算機(jī)基本概念圖解如圖1-1所示。

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“計(jì)算機(jī)”的英文單詞為computer，原是指從事數(shù)據(jù)計(jì)算的人，而這些人往往需要借助某些機(jī)械計(jì)算設(shè)備或模擬計(jì)算機(jī)。即使在今天，我們也還能在許多地方看到這些早期計(jì)算設(shè)備的祖先——算盤的身影。有一種看法認(rèn)為，算盤是最早的數(shù)字計(jì)算機(jī)，而珠算口訣則是最早的體系化算法。

（2）計(jì)算機(jī)的發(fā)展。下面，讓我們把時(shí)鐘撥回到 360 多年前，從計(jì)算機(jī)誕生的源頭開始談起，簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程。

第零代：機(jī)械式計(jì)算機(jī)（1642—1945年）

① 1642年——齒輪式加減法器。1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）采用與鐘表類似的齒輪傳動(dòng)裝置，研制出世界上第一臺(tái)十進(jìn)制加減法器（見圖 1-2），這是人類歷史上的第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算機(jī)。此后，科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里繼續(xù)研究能夠完成各種計(jì)算的機(jī)器，想方設(shè)法擴(kuò)充和完善這些機(jī)器的功能。

② 1821年——差分機(jī)。1821年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇（C.Babbage）構(gòu)想和設(shè)計(jì)了第一臺(tái)完全可編程計(jì)算機(jī)——差分機(jī)。這是第一臺(tái)可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換的機(jī)器，但由于技術(shù)條件、經(jīng)費(fèi)限制以及巴貝奇無法忍耐對(duì)設(shè)計(jì)不停地修補(bǔ)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)最終沒有問世。

③ 1884年——制表機(jī)。1884年，美國人口普查局的統(tǒng)計(jì)學(xué)家霍列瑞斯（H.Hollerith）受提花織機(jī)的啟發(fā)，想到用穿孔卡片來表示數(shù)據(jù)，制造出了制表機(jī)（見圖1-3），并獲得專利。制表機(jī)的發(fā)明，是機(jī)械計(jì)算機(jī)向電子技術(shù)轉(zhuǎn)化的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)開始初具雛形。

20世紀(jì)初，電子技術(shù)飛速發(fā)展，其代表性產(chǎn)物有真空二極管和真空三極管，這些都促成了真正的電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。根據(jù)組成電子計(jì)算機(jī)的基本邏輯組件的不同，我們可以把電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為4個(gè)階段，每一階段在技術(shù)上都是一次新的突破，在性能上都是一次質(zhì)的飛躍。4個(gè)階段的特點(diǎn)具體如下。

第一代：電子管計(jì)算機(jī)（1946年至20世紀(jì)50年代后期）

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圖 1-4 中左側(cè)的是世界上第一個(gè)電子管，也就是人們常說的真空二極管。直到真空三極管（見圖1-4右）被發(fā)明后，電子管才成為實(shí)用的器件。后來，人們又發(fā)現(xiàn)，真空三極管除了可以處于“放大”狀態(tài)外，還可以充當(dāng)開關(guān)器件，其速度要比繼電器快成千上萬倍。于是，電子管很快受到計(jì)算機(jī)研制者的青睞，計(jì)算機(jī)的歷史也由此跨進(jìn)電子的紀(jì)元。

第一代計(jì)算機(jī)采用電子真空管及繼電器作為邏輯組件構(gòu)成處理器和存儲(chǔ)器，并用絕緣導(dǎo)線將它們連接在一起。電子管計(jì)算機(jī)相比之前的機(jī)電式計(jì)算機(jī)來講，無論是運(yùn)算能力、運(yùn)算速度還是體積等都有了很大的改進(jìn)。

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計(jì)算機(jī)的鼻祖：埃尼阿克（lectronic Numerical Integrator And Computer，ENIACE，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)，見圖1-5）。1946年2月5日，出于美國軍方對(duì)彈道研究的計(jì)算需要，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)埃尼阿克（ENIAC）問世。這個(gè)重達(dá)30噸、由18 800個(gè)電子管組成的龐然大物，就是所有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖。第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生的目的是為軍事提供服務(wù)，但它也和其他軍工產(chǎn)品一樣，隨著技術(shù)的成熟逐漸走向民用。

ENIAC 的誕生，宣告了人類從此進(jìn)入電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。從那一天到現(xiàn)在的半個(gè)多世紀(jì)里，伴隨著電子器件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，造就了如IBM、SUN、Microsoft等若干大型計(jì)算機(jī)軟硬件公司，人類開始步入以電子科技為主導(dǎo)的新紀(jì)元。

第二代：晶體管計(jì)算機(jī)（20世紀(jì) 50年代后期至 20世紀(jì) 60年代中期）

晶體管的發(fā)明，標(biāo)志著人類科技進(jìn)入了一個(gè)新的電子時(shí)代。圖1-6所示為第一個(gè)晶體管。與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱少、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。晶體管的發(fā)明及其實(shí)用性的研究為半導(dǎo)體和微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了方向，同時(shí)也為計(jì)算機(jī)的小型化和高速化奠定了基礎(chǔ)。采用晶體管組件代替電子管成為第二代計(jì)算機(jī)的標(biāo)志。

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1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)全晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC（見圖1-7）。這臺(tái)計(jì)算機(jī)裝有800個(gè)晶體管，僅100W功率，占地也只有約0.085m3。

第三代：中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（20世紀(jì)60年代中期至20世紀(jì)70年代初）

1958年，美國物理學(xué)家基爾比（J.Kilby）和諾伊斯（N.Noyce）同時(shí)發(fā)明集成電路。圖 1-8 所示為第一個(gè)集成電路。集成電路的問世催生了微電子產(chǎn)業(yè)，采用集成電路作為邏輯組件成為第三代計(jì)算機(jī)的最重要特征，微過程控制開始普及。

第三代計(jì)算機(jī)的杰出代表有IBM公司的IBM 360（見圖1-9）及CRAY公司的巨型計(jì)算機(jī)CRAY-1（見圖1-10）等。

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1964年，英特爾（Intel）公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）以3頁紙的短小篇幅，發(fā)表了一個(gè)奇特的理論。摩爾天才地預(yù)言：集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目每18～24個(gè)月會(huì)翻一番，并在以后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢(shì)頭。

摩爾的這個(gè)預(yù)言，因集成電路芯片后來的發(fā)展曲線得以證實(shí)，并在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持著有效性，被人們稱為“摩爾定律”。

第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（20世紀(jì)70年代初至現(xiàn)在）

隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的第四代計(jì)算機(jī)開始進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)逐漸開始分化為通用大型機(jī)、巨型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)。

1971年，因特爾公司發(fā)布了世界上第一個(gè)商業(yè)微處理器 4004（其中，第一個(gè)“4”表示它可以一次處理4位數(shù)據(jù)，第二個(gè)“4”表示它是這類芯片的第4種型號(hào)），如圖1-11所示，每秒可執(zhí)行6萬次運(yùn)算。在圖1-12中，一個(gè)小于1.613cm2的集成電路就可以含有超過100萬個(gè)電路元器件。

新一代計(jì)算機(jī)

新一代計(jì)算機(jī)過去習(xí)慣上被稱為第五代計(jì)算機(jī)，是對(duì)第四代計(jì)算機(jī)以后的各種未來型計(jì)算機(jī)的總稱。它能夠最大限度地模擬人類大腦的機(jī)制，具有人的智能，能夠進(jìn)行圖像識(shí)別、研究學(xué)習(xí)和聯(lián)想等。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的未來，研制成功新一代計(jì)算機(jī)的目標(biāo)必定會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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2010年1月27日，蘋果公司在美國舊金山歐巴布也那藝術(shù)中心（Yerba Buena Center for the Arts）發(fā)布iPad平板電腦，如圖1-13所示。iPad的定位介于蘋果公司的智能手機(jī)iPhone和筆記本電腦產(chǎn)品之間，提供瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、收發(fā)電子郵件、觀看電子書、播放音頻或視頻、玩游戲等功能。

階段總結(jié)

計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中，各階段的特點(diǎn)如表1-1所列。

（3）計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。回顧計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，不難看出計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展正朝著巨型化、微型化的方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)的傳輸和應(yīng)用正朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。如今計(jì)算機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于人們的工作、學(xué)習(xí)、生活中，對(duì)社會(huì)和生活起到不可估量的影響。圖1-14所示為計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)圖。

① 巨型化：指具有運(yùn)算速度高、存儲(chǔ)容量大、功能更完善等特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

② 微型化：基于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展。

③ 網(wǎng)絡(luò)化：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

④ 智能化：要求計(jì)算機(jī)具有人的智能，能夠進(jìn)行圖像識(shí)別、定理證明、研究學(xué)習(xí)等。

2.計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)種類很多，可以從不同的角度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。按照計(jì)算機(jī)原理分類，可分為數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)、模擬式電子計(jì)算機(jī)和混合式電子計(jì)算機(jī)；按照計(jì)算機(jī)用途分類，可分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)；按照計(jì)算機(jī)性能分類，可分為巨型機(jī)、小巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)六大類。