1.1.4 計(jì)算機(jī)的發(fā)展

自古以來，人類就在不斷地發(fā)明和改進(jìn)計(jì)算工具，從古老的“結(jié)繩計(jì)算”、算盤，到計(jì)算尺、手搖計(jì)算機(jī)，直到1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生，經(jīng)歷了漫長的歲月（見圖1-6）。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)已成為目前發(fā)展最快的學(xué)科之一，尤其是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了信息社會(huì)的發(fā)展。多年來，人們以計(jì)算機(jī)物理器件的變革作為標(biāo)志，把電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分為5代。

電子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的“代”通常以其使用的主要器件（如電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路）來劃分。此外，在電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的各個(gè)階段，所配置的軟件和使用方式也有不同的特點(diǎn)，成為劃分“代”的標(biāo)志之一。

第一代（1946—1958年）是電子管計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯器件是電子管，用穿孔卡片機(jī)作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設(shè)備，用磁鼓或磁帶作為外存儲(chǔ)器，使用機(jī)器語言編程。雖然第一代計(jì)算機(jī)的體積大、速度慢、能耗高、使用不便且經(jīng)常發(fā)生故障，但是它從一開始就顯示了強(qiáng)大的生命力。這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，特別是用于軍事和科學(xué)研究方面的工作。其代表機(jī)型有ENIAC、IBM 650（小型機(jī)）、IBM 709（大型機(jī)）等。

第二代（1959—1964年）是晶體管計(jì)算機(jī)，這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲(chǔ)器采用了磁心體，引入了變址寄存器和浮點(diǎn)運(yùn)算硬件，利用I/O處理器提高了輸出能力，在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并且推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言及相應(yīng)的編譯程序。

這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等方面。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度已提高到每秒幾十萬次，體積已大大減小，可靠性和內(nèi)存容量也有較大的提高。這個(gè)時(shí)期的代表機(jī)型有IBM7090、IBM7094、控制數(shù)據(jù)公司（Control Data Corporation，CDC）7600等。

第三代（1965—1970年）是集成電路（Integrated Circuit，IC）計(jì)算機(jī)，所謂集成電路是將大量的晶體管和電子線路組合在一塊硅晶片上，故又稱其為芯片。小規(guī)模集成電路每個(gè)芯片上的元件數(shù)為100以下，中規(guī)模集成電路每個(gè)芯片上則可以集成100～10000個(gè)元件。

這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)用中小規(guī)模集成電路代替了分立元件，用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替了磁芯存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器使用磁盤。在軟件方面，操作系統(tǒng)進(jìn)一步完善，高級(jí)語言數(shù)量增多，出現(xiàn)了并行處理、多處理器、虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)以及面向用戶的應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度也提高到每秒幾百萬次，可靠性和存儲(chǔ)容量進(jìn)一步提高，外部設(shè)備種類繁多。計(jì)算機(jī)和通信密切結(jié)合起來，廣泛地應(yīng)用到科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理、工業(yè)控制等領(lǐng)域。這個(gè)時(shí)期的代表機(jī)型有IBM360系列、富士通F230系列、DEC的PDP-X系列等。

第四代（1971年以后）是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要邏輯元件是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，一般稱這一時(shí)期為大規(guī)模集成電路時(shí)代。大規(guī)模集成電路（Large Scale Integration，LSI）每個(gè)芯片上可以集成10000個(gè)以上的元件。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，具有大容量的軟、硬磁盤，并開始引入光盤。在軟件方面，操作系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，同時(shí)還出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信軟件等。

在第四代計(jì)算機(jī)中，微型計(jì)算機(jī)最為引人注目。微型計(jì)算機(jī)的誕生是超大規(guī)模集成電路應(yīng)用的結(jié)果。現(xiàn)在的微型計(jì)算機(jī)體積越來越小，性能越來越強(qiáng)，可靠性越來越高，價(jià)格越來越低，應(yīng)用范圍越來越廣。

目前新一代（第五代）計(jì)算機(jī)正處在設(shè)想和研制階段。新一代計(jì)算機(jī)是把信息采集、存儲(chǔ)處理、通信和人工智能結(jié)合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也就是說，新一代計(jì)算機(jī)將從以處理數(shù)據(jù)信息為主，轉(zhuǎn)向以處理知識(shí)信息為主，如獲取、表達(dá)、存儲(chǔ)及應(yīng)用知識(shí)等，并具備推理、聯(lián)想和學(xué)習(xí)（如理解能力、適應(yīng)能力、思維能力等）等人工智能方面的能力，能幫助人類開拓未知的領(lǐng)域和獲取新的知識(shí)。

這里必須要提到“摩爾定律”。摩爾定律是由英特爾（Intel）公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的，其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，將每隔18～24個(gè)月翻一番。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)世紀(jì)以上的時(shí)間，然而，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖的更新增長在2013年年底已經(jīng)放緩，之后的時(shí)間里，晶體管數(shù)量密度預(yù)計(jì)只會(huì)每3年翻一番。

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