計算機導論-計算機發(fā)展史

計算機發(fā)展史1引言計算機在誕生的初期主要被用于科學計算,因此被稱為“計算機”。現在的計算機處理對象遠遠超過了“計算”的范圍，它可以對數字、文字、聲音、圖像等各種形式的數據進行處理。實際上，計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地對數據進行輸入、處理、輸出和存儲的系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分：硬件是由電子的、磁性的、機械的器件組成的物理實體，包括運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備5個基本部分；軟件則是程序和有關文檔的總稱，包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩類。

計算機能快速、高效地對各種信息進行存儲和處理。具有以下幾個特征：⑴運算速度快⑵精確度高，可靠性好⑶具有記憶能力和邏輯運算能力⑷能自動執(zhí)行命令⑸高性能的實時通信和交流能力⑹信息表達形式的直觀性和使用的方便性2計算工具的發(fā)展簡史計算工具的發(fā)展簡史手動式計算機工具機械式計算工具機電式計算機電子計算機最初用手計算?！擞袃墒?，10個指頭，所以自然而然地習慣用手指計數并采用十進制計數法?！奖?，但計算范圍有限，計算結果也無法存儲。用繩子、石子計算——拉丁文Calculus的本意就是用于計算的小石子。最原始的計算工具——算籌算籌的記數方法為：個位用縱式，十位用橫式，百位用縱式，千位用橫式……，這樣從左到右，縱橫相間，就可以表示任意大小的自然數了。

算盤(中國)Napier算籌（1617年，英國）可以用加法和一位數乘法代替多位數乘法，也可以用除法為一位數的除法和減法代替多位數除法，從而大大簡化數值計算過程。對數計算尺——不僅能進行加、減、乘、除、乘方和開方運算，甚至可以計算三角函數和對數函數Pascal加法器（1642年，法國）是人類歷史上第一臺機械式計算工具。由齒輪組成、以發(fā)條為動力、通過轉動齒輪實現加減運算、用連桿實現進位的計算裝置。萊布尼茲四則運算器（1673年，德國）進行乘法運算時，采用移位-加的方法，后來演化為二進制，被現代計算機采用。1804年，法國機械師約瑟夫.雅各發(fā)明了可編程織布機，第一次使用了“穿孔卡片”輸入方式。差分機（巴貝奇，英國，1822年）是最早采用寄存器來存儲數據的計算工具，體現了早期程序設計的思想，使計算工具由手動機械躍入自動機械的新時代。分析機（巴貝奇，英國，1832年）在分析機設計中，巴貝奇采用了三個具有現代意義的裝置：（1）存儲裝置（2）運算裝置（3）控制裝置巴貝奇的分析機是可編程計算機的設計藍圖,我們今天使用的每一臺計算機都遵循巴貝奇的基本設計方案。赫爾曼.霍勒瑞斯借鑒了穿孔卡片的原理，用穿空卡片存儲數據，采用機電技術取代純機械裝置，制造了第一臺可以自動進行四則運算、累計存檔、制作報表的制表機。這臺制表機參與了1890年的人口普查，使預計10年的統(tǒng)計工作僅用了1年零7個月就完成了，是人類歷史上第一次利用計算機進行大規(guī)模的數據處理。赫爾曼.霍勒瑞斯與1896年創(chuàng)建了制表機公司TMC公司。1911年TMC公司與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年CTR公司改名為國際商業(yè)機器公司（InternatinalBusinessMachinesCorporation——IBM）。1939年，美國的依阿華州大學數學物理學教授JohnAtanasoff和他的研究生CliffordBerry一起研制了一臺稱之為ABC(AtanasoffBerryComputer)的電子計算機。由于經費有限，他們只研制了一個能求解包含30個未知數的線性代數方程組的樣機。在JohnAtanasoff的設計方案中，第一次提出采用電子技術來提高計算機的運算速度。1943年，美國賓夕法尼亞大學物理學教授莫克利和他的研究生?？颂厥苘娦挡康奈?，為彈道和射擊表啟動了研制ENIAC(ElectroicNumericalIntegratorandComputer)的計劃，1946年宣告竣工。Decimal(notbinary)采用十進制表示/運算20accumulatorsof10digits20個10位累加器Programmedmanuallybyswitches設置開關手工編程18,000vacuumtubes真空管70,000resistors電阻10,000capacitors電容6,000switches開關30tons15,000squarefeet140KWpowerconsumption5,000additionspersecondENIAC是世界上第一臺能真正運轉的大型電子計算機，標志著電子計算機時代的到來。ENIAC比當時最快的計算工具快1000多倍。雖然ENIAC顯示了電子元件在進行初等運算速度上的優(yōu)越性，但沒有最大限度地實現電子技術所提供的巨大潛能。主要缺點：存儲容量小，至多能存儲20個10進制數；程序是“外插型”的，為了進行幾分鐘的計算，接通各種開關和線路的準備工作就要用幾小時。1944年8月到1945年6月，普林斯頓大學數學教授馮.諾依曼與ENIAC小組合作，提出了一個全新的EDVAC(ElectronicDiscretevariableAutomaticComputer)，離散變量自動電子計算機）。EDVAC是第一臺現代意義的通用計算機。和ENIAC不同,EDVAC首次使用二進制而不是十進制。整臺計算機共使用大約6000個電子管;大約12000個二極管，功率為56KW，占地面積45.5平方米，重7850KG;使用時需要三十個技術人員同時操作。它由五個基本部分組成：1）運算器CA（2）控制器CC（3）存儲器M（4）輸入裝置I（5）輸出裝置O；這種體系結構一直延續(xù)至今，現在使用的計算機，其基本工作原理仍然是存儲程序和程序控制，所以現在一般計算機被稱為馮諾依曼結構計算機。鑒于馮諾依曼在發(fā)明電子計算機中所起到關鍵性作用，他被西方人譽為"計算機之父"。計算機的定義：計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動高速地對數據進行輸入、輸出、處理和存儲的系統(tǒng)。更確切地說：計算機是一種數據處理機，它能夠把輸入的數據進行加工處理，并輸出處理結果。1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分機

(DifferenceEngine）1833分析機

(AnalyticalEngine)MARKI(20世紀30年代)ENIAC（1946）(JohnMauchlyandJ.PresperEckert)電子計算機時代機械計算機器時代14世紀3計算機發(fā)展簡史

按照計算機所用的邏輯元件（電子器件）來劃分計算機的時代：⑴第一代電子計算機(1946年到1958年）：基本邏輯電路由電子管組成。⑵第二代電子計算機（1958年到1964年）：基本邏輯電路由晶體管電子元件組成。⑶第三代電子計算機（1964年到1970年）：基本邏輯電路由小規(guī)模集成電路組成。⑷第四代電子計算機（1970年以后）：采用中、大規(guī)模集成電路構成邏輯電路。從1946年到1959年這段時期我們稱之為“電子管計算機時代”。第一代計算機的內部元件使用的是電子管。由于一部計算機需要幾千個電子管，每個電子管都會散發(fā)大量的熱量，因此，如何散熱是一個令人頭痛的問題。電子管的壽命最長只有3000小時，計算機運行時常常發(fā)生由于電子管被燒壞而使計算機死機的現象。第一代計算機主要用于科學研究和工程計算。ENIAC真空管的缺點：體積大；耗能高、散熱量大。1.1.1計算機發(fā)展內存:磁鼓輸入設備:讀卡機輸出設備:穿孔卡片或行式打印機外存:磁帶存儲器硬件特點計算機語言:機器語言匯編語言匯編程序出現了系統(tǒng)程序員軟件特點電子元件：真空管從1959年到1964年，由于在計算機中采用了比電子管更先進的晶體管，所以我們將這段時期稱為“晶體管計算機時代”。晶體管比電子管小得多，不需要暖機時間，消耗能量較少，處理更迅速、更可靠。第二代計算機的程序語言從機器語言發(fā)展到匯編語言。接著，高級語言FORTRAN語言和COBOL語言相繼開發(fā)出來并被廣泛使用。這時，開始使用磁盤和磁帶作為輔助存儲器。第二代計算機的體積和價格都下降了，使用的人也多起來了，計算機工業(yè)迅速發(fā)展。第二代計算機主要用于商業(yè)、大學教學和政府機關。晶體管(transistors)實質上是按顯微比例的真空管建造的。晶體管的優(yōu)點：體積??；耗能低；性能穩(wěn)定;速度快電子元件：晶體管內存:磁芯外存:磁盤硬件特點計算機語言:高級語言的出現FORTRAN、COBOL、Lisp出現了系統(tǒng)程序員、應用程序設計員軟件特點1965年到1970年，集成電路被應用到計算機中，這段時期被稱為“中小規(guī)模集成電路計算機時代”。集成電路（IntegratedCircuit）是將大量的晶體管和電子線路組合在一塊硅片上,這個晶片甚至比手指甲還小，稱之為芯片，卻包含了幾千個晶體管元件。第三代計算機的特點是體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。第三代計算機的代表是IBM公司花了50億美元開發(fā)的IBM360系列。33IBMSystem/360Model50IBMSystem/360IBMSystem/360Model30IBMSystem/360Model67為了滿足中小企業(yè)與政府機構日益增多的計算機應用，第三代計算機出現了小型計算機。1965年，DEC公司（DigitalEquipmentCorporation）推出了第一臺商業(yè)化的小型計算機PDP-8。351964小型機不需要空調房間小到可以放在實驗室的工作臺上$16,000被原始設備制造商集成到自己系統(tǒng)中總線結構3637晶體管數目4004奔騰4750,000,0002,3000.18微米芯片10微米芯片電子元件：集成電路（IntergratedCircuit）內存:半導體輸入/輸出:終端硬件特點操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件的出現出現計算機用戶的概念計算機軟件工業(yè)的誕生軟件特點半導體存儲器391970，Fairchild(仙童)體積是一個磁芯的大小可存儲256位非破壞性讀比磁芯速度快存儲容量每年翻一番從1971年到現在，被稱之為“大規(guī)模集成電路計算機時代”。第四代計算機使用的元件依然是集成電路，不過，這種集成電路已經大大改善，它包含著幾十萬到上百萬個晶體管，人們稱之為大規(guī)模集成電路（LargeScalelntegratedCircuit，簡稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，簡稱VLSI）。1975年，美國1BM公司推出了個人計算機PC（PersonaIComputer），從此，人們對計算機不再陌生，計算機開始深入到人類生活的各個方面。局域網的誕生DesktopMicrocomputer電子元件：大規(guī)模集成電路結構化程序設計語言Pascal、c語言出現操作系統(tǒng)UNIX、PC-DOS、MS-DOS、Macintosh各種應用程序包：電子制表軟件Lotus1-2-3、文字處理軟件WordPerfect、數據庫管理系統(tǒng)dBaseⅣ第四代軟件特點引入并行計算機體系結構硬件特點面向對象程序設計方法Sun公司的Java萬維網（WorldWideWeb）的普及

Microsoft公司的崛起第五代軟件第二代媒體的出現硬件特點NotebookComputerPersonalDigitalAssistantor

Plam-topComputer43GordonMoore,Intel公司創(chuàng)始人44晶體管數單位時間執(zhí)行的指令數百萬條/每秒每18個月芯片能力增長一倍。451968年，諾依斯、摩爾和格羅夫退出“仙童”，根據摩爾的建議，把新建公司取名為“英特爾”（英文縮寫INTEL），寓意著“集成電子”。461971-4004Firstmicroprocessor第一個微處理器所有CPU組件在一個芯片上4bit471972:80088bit481974–8080第一個通用微處理器4970年代后期,16-bit通用處理器8086501985,32-bit,803864計算機的分類運算速度可達每秒幾百億次運算的超級計算機1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領域。中國超級計算機：國防科技大學研制的“銀河1號”、“銀河2號”和“銀河3號”國家智能計算機中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”銀河ⅡCRAY-Ⅱ中國最快超級服務器：“曙光3000”運算速度為每秒3800億次（排名80位）48小時的精確天氣預報數據處理只需1小時38分鐘；一個月的氣候預報僅用15分鐘；1000萬人每人每天可以在網上點擊800次網頁；1000萬人每人每天可以收發(fā)