计算机发展史

1.1 早期计算工具

1.1.1 算筹与算盘

算筹是独特的一种计算工具。算筹是一种竹制、木制或骨制的小棍，在棍上刻有数字、把算筹放在地面或者盘中，就可以一边摆弄小棍，一边进行运算。算筹记数的表示方法为:个位用纵式，十位用横式，百位再用纵式，千位再用横式，万位再用纵式等等(到搜狗可以查)这样从右到左，纵横相间，以此类推，就可以用算筹表示出任意大的自然数了

算盘是由算筹演变而来的。在算筹时，上面每一根筹当五，下面每一根筹当一，这与珠算盘上档一珠当五，下档每一珠当一完全一致。由于在打算盘时，会遇到某位数字等于或超过十的情况，所以珠算盘采用上二珠下五珠的形式。珠算利用进位制计数，结构简单，操作方便迅速，价格低廉又便于携带。是早期最普遍的一种计算工具。

1.2 机械式计算机

机械计算机（echanical computer）由杠杆、齿轮等机械部件而非电子部件构成。最常见的例子是加法器和机械计数器，它们使用齿轮的转动来增加显示的输出。更复杂的例子可以进行乘法和除法。

机械阶段的思想就是通过机械的装置部件比如齿轮旋转，动力传送等来表示数据记录，进行运算。

1.2.1 帕斯卡加法器

1642年，年仅19岁的法国伟大科学家帕斯卡（Pascaline）发明了第一部机械式计算器。

作为一台加法器，帕斯卡只实现了加减法运算。他的计算器是一种由一系列齿轮组成的机械装置，其外观上有6个轮子，分别代表者个、十、百、千等，用钥匙旋紧发条后能转动，只需要顺时针拨动轮子，就可以进行加法，而逆时针则进行减法。为了解决“逢十进一”的进位问题，帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置，当定位齿轮朝9转 动时，棘爪便逐渐升高；一旦齿轮转到0，棘爪就会跌落下来，推动前一位数的齿轮前进一 档。该装置被世人称为“帕斯卡加法器”。

1.2.2 莱布尼茨四则运算器

1671年：德国数学家莱布尼茨（Gottfried Leibniz）设计了一架可以进行乘法，最终答案可以最大达到16位。莱布尼茨是现代机器数学的先驱，他在帕斯卡加、减法机械计算机的基础上进行改进，使这种机械计算机能进行乘法、除法、自乘的演算。他造出的计算器样机达到了进行四则运算的水平。

他设计的这种新型机器，由两个部分组成：第一部分是固定的，用于加减法，与帕斯卡先前设计的加法机基本一致；第二部分用于乘除法，这部分是他专门设计的乘法器和除法器，由两排齿轮构成（被乘数轮与乘数轮），这是莱布尼茨首创的。

差分机的研制成功，极大地鼓舞了巴贝奇。他发现这是一个大有作为的天地。他的“野心”更大了。他在给英国皇家学会主席的信中，提出准备造一台比这台差分机大得多的差分机，它应当可以处理20位数，有7个20位的寄存器，并且还附设了印刷装置，可以直接将结果制成表格。这台新的差分机可用于编制天文和航海表。英国政府认为巴贝奇的“新机器”颇有意义，给予1.7万英镑的研制资金。1823年，巴贝奇开始研制“新机器”。计划原定两至三年完成。估计制成的机器重约两吨。可是，限于当时的机械制作工艺水平，所研制的部件精度不够；再加上在研制过程中，巴贝奇不断地修改设计方案，引起工程人员的不满，以致纷纷离开研制小组，因此，工作进展缓慢。10年过去了，巴贝奇只完成“新机器”的一部分，可政府资助的经费早已用完，巴贝奇自己还花费了1.3万英镑。巴贝奇还指望政府予以进一步的资助，可政府认为这是在造一部“吃英镑”的机器，因此不予资助。巴贝奇毫无办法，只好中断研制工作。半成品的差分机连同它的全部图纸，被送至伦敦的皇家学院博物馆保存。

1.2.3 巴贝奇差分机与分析机

1819年，英国科学家巴贝奇设计“差分机”,并于1822年制造出可动模型。 这台机器能提高乘法速度和改进对数表等数字表的精确度。

差分机的研制成功，极大地鼓舞了巴贝奇。他发现这是一个大有作为的天地。他的“野心”更大了。他在给英国皇家学会主席的信中，提出准备造一台比这台差分机大得多的差分机，它应当可以处理20位数，有7个20位的寄存器，并且还附设了印刷装置，可以直接将结果制成表格。这台新的差分机可用于编制天文和航海表。英国政府认为巴贝奇的“新机器”颇有意义，给予1.7万英镑的研制资金。1823年，巴贝奇开始研制“新机器”。计划原定两至三年完成。估计制成的机器重约两吨。可是，限于当时的机械制作工艺水平，所研制的部件精度不够；再加上在研制过程中，巴贝奇不断地修改设计方案，引起工程人员的不满，以致纷纷离开研制小组，因此，工作进展缓慢。10年过去了，巴贝奇只完成“新机器”的一部分，可政府资助的经费早已用完，巴贝奇自己还花费了1.3万英镑。巴贝奇还指望政府予以进一步的资助，可政府认为这是在造一部“吃英镑”的机器，因此不予资助。巴贝奇毫无办法，只好中断研制工作。半成品的差分机连同它的全部图纸，被送至伦敦的皇家学院博物馆保存。

巴贝奇1834年开始进行分析机的研究工作。他把分析机制造成了由黄铜配件组成，用蒸汽驱动的机器。当时，分析机的出现并没有带来石破天惊的震撼，也没有被广泛的接受。

在分析机之后，在1847~1849 年间巴贝奇运用在开发过程中得到的心得，重新设计了差分机2号。可惜的是，这时候巴贝奇已经找不到愿意出资的人了，因此差分机2号也只停留在了纸面上。

第二个差分机在1849年设计出来却在有生之年只实现了很小一部分。尽管如此，巴贝奇为电脑科学留下了一份极其珍贵的精神遗产，包括30种不同设计方案，近2000张组装图和50000张零件图。

1.3 机电式计算机

1.3.1 制表机

人口调查局Hollerith相信，机器可以更快更精确地计算调查产生的数据。在19世纪80年代晚期，他设计建造了用于1890年人口普查的编表机。他建立了一家公司使他的发明商业化，这家公司最初称为制表机器公司(Tabulating Machine Company)，1924年更名为美国国际商用机器公司(IBM)。Hollerith的打卡编表系统是文本编码的前身–FORTRAN语言的早期版本使用字母H(表示Hollerith)来表示文本数据，这一点反映了他的贡献。

制表机19世纪末，统计学家Herman Hollerith负责1890年美国人口调查工作，他借着打孔机的处理方式和Hollerith的打孔卡片制表机(Tabulation Machine)，使这一次的人口调查，只花了两年半的时间，仅为预计十年时间的1/4，同时替调查局节省五佰万美元以上。此项工作开启了数据处理自动化的时代。

Herman HollerithHollerith后来成立一家制表机器公司，并将其产品营销至世界各地。1897年，苏俄进行第一次人口调查，就使用了Hollerith的制表机。1911年，制表机器公司与其它几家公司合并，成立了计算器表纪录公司(ComputingTabulating Recording Company )。

制表机所产生的结果一直都必须用手抄，直到1919年，计算制表纪录公司的列表机制造成功，才省略手抄的工夫。列表机的推出，使各公司的经营方式，产生了格命性的转变。计算制表纪录公司为了反映其业务兴趣的范围，乃于1924年改名为国际商业机器公司(InternationalBusiness Machines Corporation)，这就是大家熟悉的IBM公司。

1.3.2 z系列计算机

Z1计算机，由Konrad Zuse于1938年开发完成，其使用继电器为逻辑元件，Z1是世界首台可自由编程使用二进制数的计算机。

Z1是一台机械计算机，由Konrad Zuse在1935年至1936年期间设计，并在1936年至1938年期间建造。它是一个先进的电力驱动的机械计算器，具有有限的可编程性，从穿孔带阅读指令。

这台机器是一个22位的浮点值加法器和减法器，通过一些控制逻辑使它能够执行更复杂的操作，比如乘法(通过重复加法)和除法(通过重复减法)。Z1的ISA有9条指令，CPI从1到20。这台机器只能执行从穿孔带读取器读取的指令，因此程序本身不会被加载到内存中。

Z1是Konrad Zuse设计的一系列计算机中的第一款。Z2和Z3是基于许多与Z1相同的想法的后续。

1.4 电子计算机

1.4.1 电子管计算机

电子管计算机，主要特点是采用电子管作为基本电子元器件，体积大 耗电量大 寿命短 可靠性低 成本高;存储器采用水银延迟线。在这个时期，没有系统软件，用机器语言和汇编语言编程.计算机只能在少数尖端领域中得到运用，一般用于科学，军事和财务等方面的计算。

1946年2月14号，取名为ENIAC的第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生。但它体积庞大，并且属于程序外插型，使用起来并不方便。计算机运算几分钟或几小时，需要用几小时到几天来编插程序。当ENIAC的研制接近成功时，曾任职伯丁试炮场顾问的冯·诺依曼知道了这一消息。他在仔细研究过ENIAC的优缺点后，在别人的协助下，于1946年给出了一个新机EDVAC的设计方案，这个方案中的计算机包括计算器、控制器、存储器、输入输出装置，为提高运算速度首次在电子计算中采用了二进制，并实现了程序内存。它使全部运算真正成为自动过程。到目前为止，它是一切电子计算机设计的基础。英国剑桥大学于1949年最先制成了世界第一台用电子延迟存贮的程序内存电子计算机EDSAC。冯·诺依曼的EDVAC几经周折，在1952年终于制成。另外，由于美籍华人王安在1950年提出了用磁芯存贮数据的思想，麻省理工学院的福雷斯特发明了磁芯存贮器，这种存贮器在50-70年代一直被用作几乎所有电子计算机的主存贮器。

1.4.2 晶体管计算机

晶体管计算机，是大型计算机发展的一个阶段，主要是由电子管计算机发展而来的。由于电子管是非固态的(真空的)，它通常都比较庞大;并且电子管的单体使用寿命短，所以经常会有电子管烧毁页停机。

晶体管计算机是第二代电子计算机。在20世纪50年代之前第一代，计算机都采用电子管作元件。电子管元件在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用晶体管后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机就更容易实现了。第一代计算机(电子管计算机)使用的是"定点运算制"，参与运算数的绝对值必须小于1;而第二代计算机(晶体管计算机)增加了浮点运算，使数据的绝对值可达2的几十次方或几百次方，计算机的计算能力实现了一次飞跃。同时，用晶体管取代电子管，使得第二代计算机体积减小，寿命大大延长，价格降低，为计算机的广泛应用创造了条件。

1.4.3 集成电路计算机

60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随后，集成电路的集成度以每3-4年提高一个数量级的速度增长。集成电路(Integrated Circuit，简称r)是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路。生产了IBM360系列计算机。一些小型计算机在程序设计技术方面形成了三个独立的系统:操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。值得一提的是，操作系统中"多道程序"和"分时系统"等概念的提出，结合计算机终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。

1.4.4超大规模集成电路计算机

计算机的逻辑元件和主存储器都采用了大规模集成电路(LSI)。所谓大规模集成电路是指在单片硅片上集成1000~2000个以上晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了1~2个以上数量级。这时计算机发展到了微型化、耗电极少、可靠性很高的阶段。大规模集成电路使军事工业、空间技术、原子能技术得到发展，这些领域的蓬勃发展对计算机提出了更高的要求，有力地促进了计算机工业的空前大发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展，计算机除了向巨型机方向发展外，还朝着超小型机和微型机方向飞越前进。1971年末，世界上第一台微处理器和微型计算机在美国旧金山南部的硅谷应运而生，它开创了微型计算机的新时代。此后各种各样的微处理器和微型计算机如雨后春笋般地研制出来，潮水般地涌向市场，成为当时首屈一指的畅销品。这种势头直至今天仍然方兴未艾。特别是IBM-PC系列机诞生以后，几乎一统世界微型机市场，各种各样的兼容机也相继问世。

发展阶段	时期	特点	主要途径
第一代计算机	1946-1957	采用电子管技术；计算速度为1次/s-10000次/s；价格昂贵；主要采用机器语言和汇编语言	军事和科学计算
第二代计算机	1958-1964	采用晶体管技术；计算速度为每秒几十万次；价格大幅度下；	主要采用FORTRAN、COBOL等 科学计算、数据处理、实时过程控制
第三代计算机	1965-1971	采用中小规模集成电路；计算速度为每秒几百万次；寿命更长，价格更低	采用多种高级语言并有成熟的操作系统进行企业管理、辅助设计和辅助系统领域
第四代计算机	1972至今	采用大规模及超大规模集成电路；计算速度为每秒几亿次，性能不断提高价格不断下降，采用多种高级语言，操作系统不断得到改进	办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别、信息处理