任务一 电子计算机的发展

任务分析：

近代科学技术的发展对计算精度和计算速度的要求不断提高，原有的计算机工具已无法满足应用的需求，促使人们研究和创造了新型的计算机工具。本任务将介绍电子计算机的发展，为后续计算机的学习做铺垫。

1.1 探寻计算机之父

1.查尔斯·巴贝奇

查尔斯·巴贝奇（Char les Babb age）（如图1-1-1所示）英国发明家、数学家，参与创建了英国天文学会和统计学会，开创了科学管理学科，是计算机科学的先驱。巴贝奇出生于英格兰得文郡（Devon Shire）一个富有的家庭，父亲是一位出色的银行家，巴贝奇后来继承了相当丰厚的遗产，但他把相当数量的金钱用于了科学研究。童年时代的巴贝奇显示出极高的数学天赋，考入剑桥大学后，他发现自己掌握的代数知识甚至超过了老师。

差分机的制造为巴贝奇带来了巨大声誉，所谓“差分”就是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法运算代替平方运算。1812年，20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，让差分机能够按照设计者的意图，自动处理不同函数的计算。巴贝奇耗费了整整十年光阴，于 1822 年完成了第一台差分机（如图 1-1-2 所示），它可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。

由于当时工业技术水平较低，第一台差分机从设计绘图到机械零件加工，都是巴贝奇亲自动手完成的。成功的喜悦激励着巴贝奇，他连夜奋笔上书英国皇家学会，要求政府资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。然而，第二台差分机在机械制造过程中，因为主要零件的误差达不到每英寸千分之一的高精确度，以失败告终，但他把全部设计图纸和已完成的部分零件送进了伦敦皇家学院博物馆。

1834年，巴贝奇发表的论文中提出了一种新的计算机器分析机的设计思想，其包含数据存储库、运算室、控制装置，由于资金和技术方面的原因，一直到巴贝奇去世，分析机（如图1-1-3所示图样）都没有被制造出来。100年以后，哈佛大学的物理学博士霍华德·艾肯在图书馆查资料时，无意间发现了巴贝奇的论文，他发现这个思想仍然具有很强的实用价值，于是艾肯决定在分析机的思想上，制造一台计算机器，最终于1944年，艾肯制造出世界上第一台机械电子式计算机。这台计算机沿用了分析机的机械结构和电子电路技术，它的问世对社会造成了极大的震动，此后有很多科学家、工程师和企业纷纷开始了对计算机的研制，掀起了计算机研究和制造的热潮。

2.艾伦·麦席森·图灵

艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）（如图1-1-4所示）英国数学家、逻辑学家，被誉为“计算机科学之父”，“人工智能之父”。1931 年图灵进入剑桥大学国王学院，毕业后到美国普林斯顿大学攻读博士学位，在美国期间和几位科学家讨论技术问题时，为了表达自己的观点，图灵发表了一篇论文《论数字计算在决断难题中的应用》，他提出了一种理论上的机器——有限状态自动机，后来这种机器被人们称为图灵机（如图1-1-5所示）。图灵机能够对问题进行具体分析，设计出合理的算法，并根据算法设置好运行规则，同时在纸袋上存储初始数据，就可解决任何一个数学问题。图灵机对计算机科学有着重要的贡献，它证明了通用计算机理论，揭示了计算机的工作模式和主要架构，引入了读写、算法与程序语言的概念。图灵机就是计算机的雏形。第二次世界大战爆发，图灵回到英国为国效力，曾协助军方破解德国的著名密码系统 En igma，为盟军取得第二次世界大战的胜利做出了贡献。战争结束后，图灵回到大学进行研究工作，发表了论文《机器能思考吗》并提出了一个名词“人工智能”，后来发展成为计算机科学的一个重要分支。图灵提出测试“人工智能”的方案，后来被称作“图灵测试”（测试者向一个机器和一个自然人提出一系列问题，如果根据双方的回答，不能辨别谁为机器，则这个机器应被视为有智能的），他为所有致力于从事人工智能研究的科学家指明了方向。196 6 年美国计算机协会（ACM）设立了一个计算机界的奖项，为了纪念图灵的卓越贡献，将其命名为“图灵奖”，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人。图灵奖对获奖条件要求极高，因此，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

3.约翰·阿塔那索夫

约翰·阿塔那索夫（John Vincent Atanasoff）（如图1-1-6所示），保加利亚移民的后裔，190 3年1 0月 4日出生于美国纽约州哈密尔顿，是保加利亚科学院外籍院士。他曾获得“计算机先驱奖”，1990 年 IEEE 授予的“电气工程里程碑奖”（Electrical Engineering Milestone）、美国“全国技术奖章”。他还在1970年，获得保加利亚政府授予的 Bulgarian Order of Cyril and Methodius，First Class。1978年，他入选爱荷华州（Iowa）发明家名人堂。1983年，爱荷华州立大学校友会授予他杰出成就奖。

20 世纪 30 年代，阿塔那索夫在爱荷华州立大学物理系任副教授，在为学生讲授如何求解线性偏微分方程组时，繁杂的计算需消耗大量的时间。阿塔那索夫于是开拓新的思路，探索运用数字电子技术进行计算工作的可能性，与其合作者克利福特·贝瑞（Clifford Berry，当时还是物理系的研究生）成功研制了第一台电子计算机的试验样机。这台计算机帮助爱荷华州立大学的教授和研究生们解算了若干复杂的数学方程。阿塔那索夫把这台机器命名为 ABC（Atanasoff-Berry-Computer），其中，A、B 分别取两人姓氏的第一个字母，C即“计算机”的首字母。在1973 年以前，大多数美国计算机界人士认为，电子计算机发明人是宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇利（Mauchly，John William）和埃克特（Eckert，John Presper），因为他们是第一台电子计算机 ENIAC（埃尼阿克）的研制者。关于电子计算机的真正发明人是谁，阿塔那索夫、莫奇利和埃克特曾经打了一场旷日持久的官司，法院开庭审讯135次。最后由美国的一个地方法院做出判决，莫奇利和埃克特没有发明第一台计算机，只是利用了阿塔那索夫发明中的构思。

ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）曾一直被许多人认为是世界上第一台真正意义上的电子计算机，国内的许多书籍也如此表述。ENI AC于194 3年开始制造，完成于1946年2月，但是它的设计思想基本来源于 ABC，只是采用了更多的电子管，其运算能力更强大，主要用于计算弹道，莫奇利和埃克特制造完 ENI AC 后就立刻申请了美国专利，就是这个专利导致 ABC和ENI AC之间长期的“世界第一台电子计算机”之争。比较客观的结论是，世界上第一台通用电子数字计算机是由阿塔那索夫设计，并由莫奇利和埃克特完全研制成功的。国际计算机界公认的事实是：第一台电子计算机真正发明人是约翰·阿塔那索夫，他在国际计算机界被誉为“电子计算机之父”。

4.约翰·冯·诺依曼

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）（如图1-1-7所示）著名匈牙利裔美籍科学家，在计算机、博弈论、代数、集合论、测度论、量子理论等诸多领域里做出了开创性的贡献，被后人誉为“计算机之父”和“博弈论之父”。

冯·诺依曼是计算机体系结构的奠基者，他提出了计算机的体系结构，从提出到现在，尽管计算机的技术和性能等各方面发生了巨大的变化，但是其体系结构还是沿用了冯·诺依曼的体系结构。

冯·诺依曼早期是以算子理论、共振论、量子理论、集合论等方面的研究闻名的，开创了冯·诺依曼代数。第二次世界大战期间为第一颗原子弹的研制做出了贡献，在1943 年他加入了美国军方的“曼哈顿计划”，即参与原子弹的研发工作，其主要工作是研制能够将钚核装料压缩至临界质量的炸药透镜，这种内爆式设计的评估需要求解大量的方程，于是冯·诺依曼开始前往哈佛大学、贝尔实验室和阿伯丁等地方了解高速计算机的发展情况，他多次来回穿梭于各地研究中心和实验室，也像是一只蜜蜂一样将自己在各个地方采集到的想法传播给不同的团队。有一次，参与研发ENI AC（电子数字积分计算机）的陆军联络官赫尔曼·戈德斯坦上尉恰好在阿伯丁火车站的月台上碰见了冯·诺依曼，在戈德斯坦的邀请下他成为ENI AC团队的顾问。冯·诺依曼在几天之后来到宾夕法尼亚大学观摩了正在建造的 ENIAC。当时，ENIAC 可以在一个小时之内求解一道偏微分方程，而哈佛“马克一号”则需要花费80个小时，这点深深地打动了冯·诺依曼。在宾夕法尼亚大学忙碌工作了10个月之后，冯·诺依曼收集和整理自己的想法，主动提出将ENI AC团队讨论的内容以书面形式汇总起来，并于1944年～1945年年初形成了“存储程序计算机”概念，他在开往洛斯阿拉莫斯的长途列车上开始撰写这份报告。当戈德斯坦上尉将这份报告打印成文时，最终长达101页，这份“报告初稿”具有非常高的实用价值，它引领了后来的计算机发展。同时，冯·诺依曼与摩根斯特恩（Oskar Morgenstern）合著的《博弈论与经济行为》成为博弈论学科的奠基性著作。他的主要著作有《量子力学的数学基础》《计算机与人脑》《经典力学的算子方法》《博弈论与经济行为》《连续几何》等，冯·诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、数值分析和经济学中的博弈论进行了开拓性的工作。

1.2 电子计算机的发展

1.计算机的发展阶段

根据计算机采用的物理器件，一般将计算机的发展分为以下四个阶段。

（1）第一代计算机（1946—1957年）

第一代计算机采用的主要元件是电子管，称为电子管计算机。

（2）第二代计算机（1958—1964年）

第二代计算机采用的主要元件是晶体管，称为晶体管计算机。

（3）第三代计算机（1965—1970年）

第三代计算机采用中小规模的集成电路元件。

（4）第四代计算机（1971—现在）

第四代计算机采用大规模和超大规模集成电路元件。1971年微型计算机（微机）诞生，其特点是体积小、集成度高。它标志着大规模集成电路被广泛使用。

温馨提示

第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统，科研人员会不断地进行研究和实验，做出更加先进的计算机。

2.未来的新型计算机

未来的新型计算机主要包括以下三种。

（1）光子计算机

光子计算机是利用光束取代电子进行数据运算、传输和存储的计算机。它的数据密度可以做得非常高，从而在数据的存储和运算上具有一定的优势。

（2）生物计算机

生物计算机是采用由生物工程技术产生的蛋白质分子构成的生物芯片进行数据运算、传输和存储的计算机。

（3）量子计算机

量子计算机是利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。

以上三种计算机中，量子计算机的发展比较成熟，已经有了商用机型，光子计算机和生物计算机仍处于芯片的研究阶段，这三种计算机离广泛应用都还有一定的距离。

3.计算机技术的发展方向

从类型上看，电子计算机技术正在向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。

（1）巨型化

巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更完善、可靠性更高，其运算速度可达每秒万万亿次，存储容量超过几百T字节。巨型机的应用范围如今已日趋广泛，在航空航天、军事工业、气象、电子、人工智能等几十个学科领域发挥着巨大作用，特别是在尖端科学技术和军事国防系统的研究开发中，体现了计算机科学技术的发展水平。目前我国最著名的巨型计算机之一的神威系列，如图1-1-8所示。

（2）微型化

计算机的微型化不但可以降低计算机的成本和售价，也可以拓展计算机的使用领域。微型计算机从过去的台式机迅速向便携机、膝上机、掌上机、可穿戴设备等方向发展，其价格低廉、操作方便的特点，使其受到人们的青睐。同时作为工业控制过程的心脏，计算机的微型化使仪器设备实现了“智能化”。

（3）网络化

网络化指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，以便各用户之间可以相互通信并能使用公共的资源。今天的网络化指分布式处理或云计算。计算机网络已在交通、金融、企业管理、教育、电信、商业、娱乐等各行各业中得到了广泛应用。

（4）智能化

智能化指计算机模拟人的感觉和思维过程的能力，它是计算机发展的一个重要方向。智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能，以及知识处理和知识库管理的功能等。未来的计算机将能接受自然语言的命令，是有视觉、听觉和触觉的功能，可能不再有计算机的外形，其体系结构也会有所不同。人工智能取得今天的发展，主要依赖于机器学习的新技术，其内容包括数据挖掘、模式识别、计算机视觉、自然语言处理等多个方面。目前机器学习较成熟的应用是无人驾驶技术，集合了人工智能发展的前沿学科，综合体现了信息技术的水平，现在无人驾驶汽车已在很多国家进行了路上测试，很快就会进入人们的生活。

此外，机器翻译也是人工智能代表性的成熟应用，它是对自然语言进行处理的一种技术，利用机器翻译、语音识别和计算机视觉等技术相结合产生了多种应用。目前已研制出的机器人有的可以代替人从事危险环境的劳动，有的能与人下棋等，都从本质上扩充了计算机的能力，使计算机成为可以越来越多地替代人思维的电脑。

1.3 微型计算机的发展

随着集成度更高的超大规模集成电路技术的出现，使计算机朝着巨型化和微型化两个方向发展，尤其是微型计算机，自 1971年第一片微处理器Intel 4004诞生，便异军突起，以迅猛的气势渗透到工业、教育、生活等许多领域之中。以1981年出现的I BM-PC机为代表，标志了微型计算机时代的来临。微型计算机的体积轻巧、操作方便，且性能价格比恰当，使计算机从实验室和大型计算中心进入人们的日常工作和生活中，为计算机的普及做出了巨大贡献。

由于微处理器决定了微型计算机的性能，根据微处理器的位数和功能，可将微型计算机的发展划分为以下四个阶段。

1.4位微处理器

4位微处理器的代表产品是Intel 4004及其构成的MCS-4微型计算机。该类微型计算机的时钟频率为 5 00～800 KHz，数据线和地址线均为 4～8 位，使用机器语言和简单汇编语言编程，主要应用于家用电器、计算器和简单的控制等。

2.8位微处理器

8 位微处理器的代表产品是 Intel 8080、Intel 8085，Motorola公司的 MC6800、Zilog公司的Z80、MOS Tec hnology公司的6502微处理器。较著名的微型计算机有以6502为中央处理器的 APPLE Ⅱ微型机、以Z80为中央处理器的System-3。该类微型计算机的时钟频率为1～2.5MHz，数据总线为8位，地址总线为16位，并配有操作系统，可使用FORTRAN、BASIC等多种高级语言编程，主要应用于教学和实验、工业控制和智能仪表。

3.16位微处理器

16位微处理器的代表产品为Intel 8086及其派生产品Intel 8088等，其中以Intel 8088为中央处理器的 I BM PC 系列微型计算机最为著名。该类微型计算机的时钟频率为 5～10MHz，数据总线为8位或16位，地址总线为20位。

4.32位及以上微处理器

32位微处理器（超级微型计算机）的代表产品是Intel 80386DX、Intel 80486。该类微型计算机的时钟频率为16～100MHz，数据总线为32位，地址总线为32位，其应用扩展到计算机辅助设计、工程设计、排版印刷等方面。

从80586（Pentium）开始，Intel处理器进入“64位时代”，数据位为64位，地址线的使用方式也与之前的Intel处理器不同，做了重大调整。并在随后生产了赛扬、酷睿等多款、多系列产品。