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  • 计算机简史

    2019-04-30 23:23:21
    计算机简史前言可计算的机器电的时代真空管计算机晶体管计算机集成电路计算机微型计算机千禧之年 计算机简史 前言 笔者对20世纪人类科技爆炸式发展的过程挺感兴趣,但又没有耐心阅读历史书。《万物简史》那样的科普...

    计算机简史

    前言

    笔者对20世纪人类科技爆炸式发展的过程挺感兴趣,但又没有耐心阅读历史书。《万物简史》那样的科普读物就很合适,但记录的历史还不过瘾。

    因此笔者搜集资料,将计算机发展过程中那些有趣的历史简记在此文中,包括电子电路、计算机科学、编程语言、显示技术、通信网络、公司变迁等方面。


    可计算的机器

    1642年,法国数学家帕斯卡发明了一种机械计算装置,可以计算加减法,还可通过拨动齿轮实现进位。它被称为“帕斯卡加法器”。

    1674年,德国数学家莱布尼兹改进了帕斯卡加法器,使它不仅能计算加减法,还能计算16位数以内的乘除法。它被称为“莱布尼兹乘法器”。

    1679年,莱布尼兹发明一种计算方法:用二进制代替人们习惯的十进制。他在手稿中写下:“1与0,一切数字的神奇渊源。”

    1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。

    1821年,英国物理学家法拉第发明了电动机。

    1822年,英国数学家巴贝奇开始研制一台复杂的机械装置,取名为“差分机”。它能通过简单的加法运算实现平方运算,预计完工需要25,000个零件,最高可存储16位数。然而,消耗了将近3万英镑和十年时间之后,这台装置依然没有完成。

    1831年,法拉第发现了电磁感应现象,进而得到产生交流电的方法,并发明了发电机。

    1834年,巴贝奇设想了一台比“差分机”更复杂的机械计算装置,取名为“分析机”。它以蒸汽机为动力,驱动大量的齿轮运转,可以执行条件命令、循环命令。

    • 然而,那么复杂的机械装置终究是遥不可及的梦,巴贝奇最终只能在失望中离世。他的失败似乎说明了机械计算机的极限,日后,在人类世界兴起的是电子计算器。

    电的时代

    1844年,莫尔斯在华盛顿国会大厦向65公里外的Baltimore市发出了世界上第一封电报——“WHAT HATH GOD WROUGHT”。这封电报采用他发明的莫尔斯编码,通过已建设的电报线路传输。从此,人类进入电信时代。

    1877年,贝尔电话公司成立。爱迪生为了与贝尔电话公司竞争,改良贝尔发明的电话机,期间发明了留声机。

    1883年,爱迪生在寻找电灯泡的最佳灯丝材料时,偶然发现加热碳丝时,附近的铜线上会产生微弱的电流。他将这一发现命名为“爱迪生效应”,并申请了专利。

    1888年,德国物理学家赫兹证明了电磁波的存在,使得无线电通信成为可能。

    1897年,德国物理学家布劳恩制造出世界上第一台示波器,它使用阴极射线管(CRT)显示画面。此后演变成CRT显示器。

    1904年,英国物理学家弗莱明根据爱迪生效应制作出第一只电子管(又称为真空管)。从此,人类进入电子时代。

    1918年,德国与协约国签订停战协定,第一次世界大战结束。

    1931年,奥地利数学家哥德尔证明了算术逻辑系统的“不完备性定理”。它表明可证的命题一定是真的,但真的命题不一定可证,悖论将永远纠缠着人类。

    1934年,哥德尔在普林斯顿研究院开展关于“不完备性定理”的讲座,期间又提出了一般递归函数的概念:对于每个给定自变量值的集合,都能通过有穷程序计算出函数值。

    • 当场,数学家丘奇提出一个大胆的猜想:“可计算函数都是递归函数。”这奠定了算法理论的基础。

    1936年,剑桥大学的研究员图灵设想出一种能自动计算的机器:在一条纸带上的每一格记下一个简单符号,一台机器像人脑一样依次读取每格的符号,根据符号执行某种操作。这种机器被称为图灵机,后来演变成一个猜想——“任何算法都可以由一台图灵机计算。”它揭开了计算机的光明未来。


    真空管计算机

    1939年,爱荷华州立大学的Atanasoff和Berry制造出世界上第一台电子计算机ABC。它采用二进制,由300个真空管执行数字计算和逻辑运算,使用电容器存储数据,通过打孔读卡输入数据。从此,世界进入电子计算机的时代。

    1945年3月,参与美国原子弹研制的冯·诺依曼起草了一份论述EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)的报告,将计算机设计成五个基本部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。这种计算机结构被沿用至今。

    • 9月,日本政府代表在美国战舰密苏里号的甲板上签署无条件投降书。第二次世界大战结束。

    1946年,美国军方为了计算导弹弹道而研制的计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)顺利问世。它占地面积约170平方米,包含约17468根真空管。它每秒可以计算5000次加法,是采用继电器运转的机电式计算机的1000倍。ENIAC不能存储程序,但是可以重新编程——通过改变电线所接的电路板。


    晶体管计算机

    1948年,贝尔实验室的香农发表一篇论文《通信的数学原理》,阐明了通信的基本问题,奠定了现代信息论的基础。

    • 12月,贝尔实验室的肖克利、Johm Bardeen和Walter Brattain成功地以半导体材料制成了一种电子信号放大元件,称为“晶体管”。晶体管很快取代了真空管,成为了电子电路的主要元件。

    1949年10月1日,中华人民共和国成立。中国离西方科技有很大距离需要追赶。

    1950年,图灵发表论文《计算机器与智能》,提出了“图灵测试”——如果一台机器让人不能分辨出它是机器,则可以判断该机器具备人工智能。

    1951年,王安离开哈佛大学,创立王安实验室。后来改名为“王安电脑有限公司”,在计算机行业崛起,与主导计算机行业的IBM公司竞争。

    1952年,图灵设计了世界上第一个国际象棋程序。不过当时没有计算机具备足够的运算能力去执行这个程序,他就模仿计算机,每走一步要用半小时。他与一位同事下了一盘,结果输了。

    1954年,IBM公司的John Backus公布了世界上第一种高级编程语言FORTRAN,主要应用于公式计算。

    1955年,肖克利离开贝尔实验室,回到他的家乡圣克拉拉谷,在斯坦福大学的南边创立了肖克利半导体实验室,使电子工业界的目光汇聚到这个日后被称为“硅谷”的地方。

    • 八个杰出的年轻人慕名而来,但两年后一起离职,创办了仙童半导体公司,日后被称为“硅谷人才的摇篮”。

    1956年8月,John McCarthy在Dartmouth学院发起一场会议,与香农、Nathaniel Rochester、Marvin Minsky等人在讨论中首次提出了“人工智能”的概念。

    • 9月,IBM发布了世界上第一块硬盘RAMAC 350,它的存储容量为5M,重达1吨,奠定了机械硬盘(HDD)的基本结构。比起使用打孔机、磁带作为存储介质,硬盘不仅容量大,还可以随机读写。

    集成电路计算机

    1958年,在美国德州仪器公司的实验室里,工程师Jack Kilby成功地把多个晶体管元件集中制作在一小块半导体材料上。他的发明被称为“集成电路”,使得电路的体积可以大幅缩小。

    • 同年,John McCarthy为人工智能编程设计了一种语言Lisp,它是第一种支持递归函数的高级语言。

    1961年,美国无线电公司展示了一项新发明——液晶显示技术(Liquid Crystal Display,LCD)。它比CRT显示器体积小很多,分辨率更高。不过当时他们并没有重视LCD技术,日后主导世界LCD产业的是日本公司。

    1964年,Dartmouth学院的John Kemeny和Thomas Kurtz发明了一种高级语言BASIC。它拥有接近英语的简单命令,适合让学院的学生们学习编程。为了让学院里唯一一台计算机能被学生们同时使用,他们还发明了分时操作系统。

    • 同年,贝尔实验室、麻省理工学院、通用电气公司开始合作研发一个目标宏大的分时操作系统multics——计划将它安装在通用电力公司的大型机上,支持300个用户同时使用。multics项目提出了许多新概念,比如动态链接、分层文件系统。

    1965年,仙童半导体公司的摩尔发表一个对集成电路的预言,后来被称为“摩尔定律”——半导体芯片上能集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

    1966年,Ken Thompson从加州大学伯克利分校毕业,加入名满天下的贝尔实验室,参与multics项目。

    • 在研发multics的过程中,Thompson发明了B语言,在multics系统中编写了一个名叫“Space Travel”的小游戏。

    1967年,IBM公司推出世界上第一张软盘。它直径32英寸,是计算机最早的可移动存储介质,虽然储存容量只有几十KB。

    • 同年,Dennis Ritchie来到贝尔实验室,负责多道处理机的BCPL语言等。他在次年拿到哈佛的数学博士学位,论文为《递归函数的层次》。
    • 同年,挪威的Ole Johan Dahl和Kristen Nygaard发布了Simula 67语言。它是第一种面向对象的高级语言,引入了对象、类、继承的概念。

    1968年,Robert Noyce和莫尔等人离开仙童半导体公司,创立了Inter公司,日后主导了世界的半导体行业。

    • 12月,加州大学伯克利分校的Douglas Engelbart博士在一个计算机会议上展示了他发明的定位器——一个带着按钮的木头盒子,拖着一条长导线。使用这个装置可以更方便地操作电脑。因为它看起来像一只老鼠,所以取名为“鼠标”。

    1969年,由于multics的研发进度缓慢,贝尔实验室决定退出该项目。

    • 因此,Ken Thompson不得不将他的小游戏移植到另一台老机器上,移植的过程是:借鉴multics系统的设计思路,用汇编语言开发一个新操作系统,取名为Unix;然后在BCPL语言的基础上设计出B语言,用B语言混合汇编语言在Unix系统中开发应用程序。
    • 同年,被仙童半导体公司解雇的Jerry Sanders创立了AMD公司。40多年后,AMD打破了Inter公司对CPU市场的垄断。
    • 同年,在冷战的阴影下,美国为了避免计算机系统被集中打击而开始建立一个分布式计算机系统,以4所大学的计算机作为网络节点构成一个广域网。这个网络被称为阿帕网(ARPAnet),它是最早的计算机网络,也是互联网(即Internet)的早期骨干网。

    微型计算机

    1971年,Inter公司发布世界上第一款微型CPU 4004,它每次运算可以处理4位二进制数。从此,世界进入微型计算机的时代。

    1972年,因为使用B语言移植程序仍然比较麻烦,Ken Thompson和Dennis Ritchie将解释型的B语言改进成编译型的C语言,用它重写了Unix系统,终于成功移植了自己的小游戏。

    • 吸取了multics项目夭折的教训,Dennis Ritchie在设计Unix系统时采用“Keep it simple stupid”的原则,将复杂的程序拆分成多个小模块分别实现,然后再灵活地组合。

    1973年,施乐公司研发出第一台使用Alto操作系统的个人电脑。Alto操作系统是第一个使用用户图形界面(GUI)和鼠标的操作系统。

    • 同年,Vinton Cerf和Robert Kahn设计了TCP/IP协议,成功应用于阿帕网。

    1975年,施乐公司的Alan Kay发明了Smalltalk语言。它是世界上第二种面向对象的高级语言,并且提供了第一个集成开发环境(IDE)。

    • 同年,雅达利公司推出第一款电子街机游戏《PONG》。游戏中一个小点在两条线段之间碰撞,模拟两个人打乒乓球。

    1976年,DATARAM公司推出了世界上第一款固态硬盘(SSD)。它名为BULK CORE,容量为2MByte。

    1977年,苹果公司发布他们的第二款个人电脑Apple II,获得了市场的追捧,使个人电脑开始普及。

    • 9月,中国教育部决定恢复已经停止了10年的高考,以统考、择优录取的方式选拔人才上大学。

    1978年,Brian Kernighan和Dennis Ritchie出版《The C Programming Language》,将C语言介绍给全世界。

    • 这是第一本介绍C语言编程的书籍,书中的第一个示例程序是显示“hello world”,成为了众多编程语言教程的传统。
    • 这本书中描述的C语言还没有正式的语法标准,被称为“K&R C”。
    • 随着C语言的传播,Unix系统逐渐成为了主流的操作系统。

    1979年,Bjarne Stroustrup来到贝尔实验室,他结合Simula等语言的经验,开始将C语言改进成一种编程效率更高的、面向对象的语言。1983年它被正式命名为C++,意思是C的升级版。

    1980年,SONY公司推出世界上第一张CD光盘。光盘不仅存储容量大,还可以反复擦写,重复使用,很快便普及开来。

    1981年,微软公司为IBM公司销售的个人电脑提供了一个磁盘操作系统,简称为MS-DOS。随着IBM PC的热销,MS-DOS也成为了最受欢迎的DOS系统。

    1983年9月,Richard Stallman提出GNU计划,开始了自由软件运动。

    • GNU计划的目的是创建一个完全自由的、兼容Unix的操作系统GNU以及配套软件。
    • 自由软件的英文名是free software,这个free不是指免费,而是指自由。自由软件会公开自己的源代码,并且可以被用户自由地使用、复制、修改、发布。
    • 同年,Brad Cox发明了Objective-C语言。它在ANSI C的基础上增加了Smalltalk语言的特性,后来被苹果公司用于IOS系统的编程。

    1984年,苹果公司发布Mac OS System 1.0操作系统。它首创了通过鼠标拖动文件到窗口中,实现文件的拷贝。

    • 同年,东芝公司的舛冈富士雄提出了“闪速存储器”的概念,简称为“闪存”。闪存比硬盘读写速度快,断电后还能保持数据。

    1985年,微软公司发布自己的第一个图形用户界面的操作系统Microsoft Windows 1.0。

    1986年,爱立信公司的Joe Armstrong发明了Erlang语言。它支持超大量级的并发进程,适合编写分布式应用。

    • 同年,ANSI(美国国家标准学会)制定了关系型数据库的标准语言SQL。

    1987年,邓青云博士发明了有机发光二极管(OLED)。使用OLED作为显示器,比CRT、LCD显示器亮度高、对比度高,还支持柔性曲面,如今已广泛用作手机显示屏。

    • 9月,在德国Karlsruhe大学Werner Zorn教授等人的帮助下,王运丰教授和李澄炯博士等人在北京计算机应用技术研究所(ICA)建成一个电子邮件节点,并于9月20日向德国成功发出一封电子邮件——“Across the Great Wall we can reach every corner in the world.”。

    1988年,加州大学伯克利分校的Larry Wall公布了Perl语言。它内置了正则表达式,适用于文本处理。

    1989年,ANSI(美国国家标准学会)制定了第一个C语言标准,称为ANSI C。又因为所在年份被称为C89。

    • 12月,参与设计ABC语言的Guido van Rossum决定开发一种更好的脚本语言,并根据他喜欢的Monty Python喜剧团将这种语言命名为Python。它结合了Unix shell和C语言的习惯,是面向对象、解释型的脚本语言。

    千禧之年

    1990年11月,在王运丰教授和Werner Zorn教授的努力下,中国的顶级域名.CN完成注册。从此中国在国际互联网上有了自己的身份标识。

    1991年4月,微软发布了源于BASIC语言的Visual Basic语言。它可以通过图形用户界面进行直观的编程。

    • 5月,欧洲粒子物理研究所(CERN)的Tim Berners Lee公布了一种针对Internet的文档系统,可以让任何人通过HTTP协议、HTML等技术获取Internet上某台电脑的文档。他将这种系统命名为World Wide Web,简写为WWW、Web,中文译名为万维网。他还为此做出了世界上第一个Web网页和Web浏览器。
    • 同年,Sun公司的James Gosling等人开始研发一种适用于单片机系统的编程语言——他们将C++语言进行简化,抛弃了多继承、指针等复杂功能,并提高程序的兼容性。他们把这种语言取名为Oak,介绍给硬件厂商,但并没有受到欢迎。
    • 10月,Linus Torvalds开发出Linux内核,将它授权为自由软件,与GNU计划开发的诸多软件组合构成了一个类Unix的操作系统。它的全名是GNU/Linux。
    • 12月25日,戈尔巴乔夫宣布辞去苏联总统职务。次日,苏联最高苏维埃共和国院举行最后一次会议,宣布苏联停止存在。

    1992年,王安电脑有限公司申请破产保护,一代传奇谢幕。

    1993年,里约热内卢天主教大学的Roberto Ierusalimschy、Waldemar Celes、Luiz Figueiredo发明了Lua语言。它基于ANSI C,适用于编写嵌入其它程序的脚本。

    1994,Rasmus Lerdorf为了维护他的个人网页而用Perl语言编写了一个程序,后来改进成一种新语言PHP。

    1995年,Sun公司发现Oak语言在互联网上的用途——它可以随网页移植到不同系统,从而实现不同平台之间的网络通信。于是将它改名为Java重新发布,终于成功推广。

    • 同年,日本的松本行弘公布了Ruby语言。它结合了Perl、Python、Java等语言的特点,是面向对象、无类型、动态的编程语言,主要用于服务器端编程。
    • 同年,Brendan Eich为网景浏览器设计了JavaScript语言,后来成为浏览器上最流行的脚本语言。

    1997年5月,IBM公司研发的计算机Deep Blue在国际象棋比赛中击败了人类象棋冠军Garry Kasparov。

    • 11月,中国互联网络信息中心(CNNIC)发布了第一次《中国互联网络发展状况统计报告》:截止到1997年10月31日,中国共有上网计算机29.9万台,上网用户数62万,CN下注册的域名4066个,WWW站点约1500个,国际出口带宽25.408M。58%的上网用户家庭人均月收入为400元-1000元,32%的为1000元-2000元。报告最后指出——网上速度太慢和收费太贵是影响中国 Internet 发展的两大障碍。

    1998年1月,曾经主导浏览器市场的网景浏览器落败,打败它的是与微软系统捆绑销售的IE浏览器。网景公司为了挽回市场,将浏览器开源,但依然无力回天。日后,这个开源项目孕育出了Firefox浏览器。

    • 同年,自由软件阵营中的部分成员分裂出来,以“开源”的名义继续开展活动。开源只是一种通过协作提高软件质量的开发方法,开源软件不一定是自由软件。

    1999年7月,中国互联网络信息中心(CNNIC)发布了第四次《中国互联网络发展状况统计报告》:截止到1999年6月30日,中国共有上网计算机146万台,上网用户数256万,CN下注册的域名29045个,WWW站点约9906个,国际出口带宽241M。用户投票最多的浏览器首页依次为www.sina.com.cnwww.sohoo.com.cnwww.263.net、空白页。


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    http://www.cnnic.net.cn/hlwfzyj/hlwdsj/

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  • 重温历史——计算机简史,十二万字详解解读计算机发展历史,生动有趣的笔法,读来爱不释卷
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    第*页 * 模拟CD音频输入接口(CD-IN):使用CD音源线将来自CD/DVD光驱的模拟音频信号接入。 辅助设备接口(AUX-IN):用于将电视卡,解压卡等设备的声音信号输入声卡并通过音箱播放。 音频扩展接口(SPDIF-EXT):接到数字I/O子卡,实现数字信号的输入和输出 线性输入插孔(LINE IN):用于将随身听或影碟机等外部设备的声音信号输入电脑。 * 分辨率:1024(每线光点)×1024(每帧光线) 点间距:两个像素点之间的距离(0.28mm,0.31mm) 显示卡:显示器与主机的接口(VGA,640×480,256色) 针式打印机:便宜、耐用、消耗小、噪音大 喷墨打印机:比较便宜、噪音小、清晰、消耗大 激光打印机:噪音小、速度快、质量高、比较贵 1. 计算机系统的组成 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。 计算机硬件是人们看得见、摸得着的实体,它是由一组设备组装而成的,将这些设备作为一个统一体而协调运行,故称之为硬件系统。计算机硬件主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。 1.运算器(ALU) 2. 控制器(CU) 3.存储器 4.输入设备 5.输出设备 2. 硬件系统 3)存储器(Memory) 存储器是计算机用来存放程序和数据的记忆装置。 计算机中的全部信息,包括输入的原始信息,经过计算机初步加工后的中间信息以及最后处理得到的结果信息都记忆或存储在存储器中。另外,对数据信息进行加工处理的一系列指令所构成的程序也存放其中。 存储器分为两大类:内存储器和外存储器。 4)输入/输出设备(Input/ Output Device) 输入输出设备是实现人与计算机之间相互联系的部件。其主要功能是实现人—机对话、输入与输出以及各种形式的数据变换等。 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等。 常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和音响等。 3.计算机的硬件设备 通常,计算机硬件设备可分为三大部分: 主机:安装在机箱里面的硬件与机箱,被称为主机。 输出设备:如显示器、打印机等。 输入设备:如键盘、鼠标及手写板等。 (1)主机 主机由机箱和机箱中的组件构成。其中主机箱中的主要组件有主板、CPU、内存条、 硬盘、软盘驱动器、光驱、显卡、声卡及电源等。 1) 主机箱 2)主板 主板又称系统板或母板(mother board),是计算机主机的核心,被固定在机箱内。计算机整体性能是否能稳定有效地得到发挥,主板将起到非常重要的作用。 计算机中几乎所有的基本设备都与主板相连接。主板是计算机中最大的一块电路板,上面有一系列的插槽及接口: 早期的CPU 586 686 K6 PⅡ PⅢ PⅣ 3) CPU 内存是计算机运行程序时临时存储数据的地方,其存储速度及大小直接影响着计算机的整体性能。内存存储的数据直接供CPU使用,存储容量越大,计算机执行效率越高。 内存包括ROM和RAM两种。 4)内存储器 ① 只读存储器(Read only Memory,简称ROM) 是一种写入信息之后,只能读出而不能再写入的固定存储器; 特点:信息在断电后仍能保存下来; 用途:常用它来存放固定的程序和数据。 如电脑系统盘里的数据。 4)内存储器 ② 随机存储器(Random Access Memory,简称RAM) 是一种可以任意读写数据的存储器,其中的数据会因掉电而丢失,故一般用来存放正在使用的数据。 CPU对它们既可读出又可写入数据。 形状:内存通常制作成条状,称为内存条,插在主板的内存插槽中; 特点:RAM存储单元的内容可以随时读出或写入,故又称为读写存储器。但它里面存放的信息会因断电而消失; 用途:暂存输入、输出的数据和中间计算结果,用来和外存交换信息。 4)内存储器 硬盘是计算机系统中使用最多的外存储器,安装在主机箱中,如图所示。 目前硬盘的发展主要是向大容量、高速存储、小体积、高可靠性这几个方面进行。硬盘一般采用IDE标准接口,随着技术的不断提高,目前比较流行的是EIDE标准接口。 5)硬盘 6)光盘与光驱 ① 光盘读写原理: 写入数据时,用高能激光束沿螺旋线照射光盘片,在可塑层上灼出极小的坑,并以小坑的有无表示 0 和 1

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    计算机简史

    我们都知道电脑的学名叫计算机,从名字我们可以看出,最初电脑是用来做计算的。那么我们可以推测,电脑的始祖是用来做计算的。

    在远古,人们最早使用的计算工具可能是手指,英文单词“digit”既有“数字”的意思,又有“手指“的意思。古人用石头打猎,所以还有可能是石头来辅助计算。

    但是手指和石头太低效了,后来就出现了”结绳“记事——结绳慢,绳子还有长度限制。后来又不知过了多久,许多国家的人开始使用”筹码“来计数,最有名的就要数我们中国商周时期出现的算筹了。古代的算筹实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子,大约二百七十几枚为一束; 多用竹子制成,也有用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的。数学家祖冲之计算圆周率时使用的工具就是算筹。

    在长期使用算筹进行计算的过程中,算筹的缺点显露了出来,使用算筹计算太麻烦了,很不方便——计算时需要慢慢摆放。

    于是,这个时候人们发明了更好的计算工具——算盘,

    算盘最早可能在汉代萌芽,在南北朝时期定型,利用进位制计数。使用时需要配合一套口诀——好比计算机的软件。算盘本身还可以存储数字,使用时很方便。至今,算盘还在被使用。

    15世纪,随着天文和航海领域的发展,计算工作越来越繁重,计算工具急需改进。1630年,英国数学家奥特雷德在使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算时,突然想到,如果用两根相互滑动的对数刻度尺,不就省去了用两脚规度量长度了么。但奥特雷德对这件事情并没有在意,此后200年他的想法也没有被实际应用。

    直到18世纪末,发明蒸汽机的瓦特成功制作了第一把计算尺,在尺座上增加了一个滑标,用来“存储”计算的中间结果,这种滑标很长时间一直被后人所沿用。

    1850年以后,计算尺迅速发展,成为工程师随身携带的”计算器“,一直到20世纪五六时年代,计算尺仍然是工科大学生的一种身份标志。

    第一台真正计算机的出现

    1623年,法国数学家帕斯卡出生,三岁丧母,后由担任税务官的父亲养大。在帕斯卡小时候,每每看到父亲费力的计算税率税款的时候,就想帮父亲做点事情。

    19岁时(1642),帕斯卡发明了人类有史以来第一台机械计算机——帕斯卡加法器。它是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动,只能够做加法和减法。然而,即使只做加法,也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的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“咔嚓”一声跌落下来,推动十位数的齿轮前进一档。

    1662年帕斯卡去世,不久后,德国的大数学家莱布尼茨看到了帕斯卡关于加法计算机的论文,勾引起了他的发明欲。莱布尼茨早年经历坎坷,后来获得了一次去法国的机会,在巴黎的时候,他聘请了一些著名的机械专家和能工巧匠,终于在1674年制造出了一台更完美的机械计算机。

    莱布尼茨发明的新型计算机约有1米长,内部安装了一系列齿轮机构,除了体积较大之外,基本原理继承于帕斯卡。不过,莱布尼茨技高一筹,他为计算机增添了一种名叫“步进轮”的装置。步进轮是一个有9个齿的长圆柱体,9个齿依次分布于圆柱表面;旁边另有个小齿轮可以沿着轴向移动,以便逐次与步进轮啮合。每当小齿轮转动一圈,步进轮可根据它与小齿轮啮合的齿数,分别转动1/102/10圈……,直到9/10圈,这样一来,它就能够连续重复地做加法。

    连续重复的计算加法是现代计算机做乘除法采用的办法,莱布尼茨的计算机加减乘除四则运算一应俱全。

    在介绍莱布尼茨的时候还有一个小插曲。

    传说大约在1700年左右的某天,莱布尼茨的朋友送给他一副中国的”易图“,其实就是八卦图,在看八卦图的时候,发现八卦的每一种卦象都有阴阳两种符号组成,这不就是有规律的二进制数字么,于是他就由此,率先系统提出了二进制的运算法则,直到今天,我们用到的计算机还是使用的二进制。

    计算机发展到现在还是人去操作机器,还没有实现人与机器的对话,或者会所是把人类的思想告诉机器,让机器按照人的想法去自动执行。


    说到实现人机对话,就需要说一下另外一个行业——纺织业。

    提花编织机是具有升降纱线的提花装置,是一种能使绸布编织出图案花纹的织布机器。

    最开始编织机编织图案相当费事。所有的绸布都是用经线(纵向线)和纬线(横向线)编织而成。若要织出花样,织工们必须细心地按照预先设计的图案,在适当位置“提”起一部分经线,以便让滑梭牵引着不同颜色的纬线通过。机器当然不可能自己“想”到该在何处提线,只能靠人手“提”起一根又一根经线,不厌其烦地重复这种操作。

    1725 年:法国纺织机械师布乔发明了“穿孔纸带”的构想。布乔想出了一个“穿孔纸带”的绝妙主意。布乔首先设法用一排编织针控制所有的经线运动,然后取来一卷纸带,根据图案打出一排排小孔,并把它压在编织针上。启动机器后,正对着小孔的编织针能穿过去钩起经线,其它则被纸带挡住不动。于是,编织针自动按照预先设计的图案去挑选经线,布乔的“思想”“传递”给了编织机,编织图案的“程序”也就“储存”在穿孔纸带的小孔中。

    1790年的时候法国机械师杰卡德,基本形成了改进提花机的构想,由于当时正是法国大革命时期,杰卡德为了参加革命,无暇顾及发明创造,直到1805年才真正完成”自动提花编织机“的制作。杰卡德为他的提花机增加了一种装置,能够同时操纵 1200 个编织针,控制图案的穿孔纸带后来换成了穿孔卡片。

     在后来电子计算机开始发展的最初几年中,在多款著名计算机中我们均能找到自动提花机的身影。


    18世纪末,法兰西发起了一项宏大的工程——人工编制《数学用表》,由于当时没有先进的计算工具,导致这项工作极其艰巨。从数学界调集大批的数学家,组成人工计算的流水线,算的昏天暗地才完成了17卷书稿,即便如此,计算出的《数学用表》仍有大量错误。

    巴贝奇在他的自传《一个哲学家的生命历程》里写到,大约在1812年的,“有一天晚上,我坐在剑桥大学的分析学会办公室里,神志恍惚地低头看着面前打开的一张对数表。一位会员走进屋来,瞧见我的样子,忙喊道:‘喂!你梦见什么啦?’我指着对数表回答说:‘我正在考虑这些表也许能用机器来计算!’”

    巴贝奇的第一个目标是制作一台”差分机“。

    所谓“差分”的含义,是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。那一年,刚满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,差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴,于1822年完成了第一台差分机,它可以处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低,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。当他看着自己的机器制作出准确无误的《数学用表》,高兴地对人讲:“哪怕我的机器出了故障,比如齿轮被卡住不能动,那也毫无关系。你看,每个轮子上都有数字标记,它不会欺骗任何人。”以后实际运用证明,这种机器非常适合于编制航海和天文方面的数学用表。

    成功后,巴贝奇连夜上书皇家学会,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。政府看到巴贝奇的研究有利可图,破天荒地与科学家签订了第一个合同。

    然而,第二台差分机在机械制造工厂里触上了“暗礁”。第二台差分机大约有25000个零件,主要零件的误差不得超过每英寸千分之一,即使用现在的加工设备和技术,要想造出这种高精度的机械也绝非易事。

    由于进度缓慢,到1842年的时候,政府宣布停止对巴贝奇的一切资助,连科学界的有人都用一种怪异的目光看他。

    然而在这个时候,巴贝奇收到了一封信,写信人不仅对他表示理解而且还希望与他共同工作。娟秀字体的签名表明了她不凡的身份——伯爵夫人。

    收到信函不久后,写信的女士来到了巴贝奇的实验室,巴贝奇感觉与这位女士似曾相识,却又想不起在哪里见过。直到这位女士说”您还记得我吗?十多年前,您还给我讲过差分机原理。”看到巴贝奇迷惑的眼神,她又笑着补充说:“您说我像野人见到了望远镜。”巴贝奇恍然大悟,想起已经十分遥远的往事。 原来这位女士是大名鼎鼎的英国诗人拜伦的独生女——阿达·奥古斯塔

    在大型差分机进军受挫的1834年,巴贝奇提出了一个更新更大胆的设计——通用的数学计算机。巴贝奇称它为“分析机”,它能够自动解算100个变量的复杂算题,每个数字可以达25位,速度每秒1次。

    巴贝奇首先为分析机构思了一种齿轮式的“存贮库”,每一齿轮可贮存10个数,总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓“运算室”,其基本原理与帕斯卡的转轮相似,但他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构、以及在“存储库”和“运算室”之间运输数据的部件。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作。一个多世纪过去后,现代电脑的结构几乎就是巴贝奇分析机的翻版,只不过它的主要部件被换成了大规模集成电路而已。仅此一说,巴贝奇就当之无愧于计算机系统设计的“开山鼻祖”。

    阿达非常准确地评价道:“分析机'编织’的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是,为分析机编制一批函数计算程序的重担,落在了她的肩头。阿达开天辟地第一回为计算机编出了程序,其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。阿达编制的这些程序,即使到了今天,电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。人们公认她是世界上第一位软件工程师。众所周知,美国国防部据说是花了250亿美元和10年的光阴,把它所需要软件的全部功能混合在一种计算机语言中,希望它能成为军方数千种电脑的标准。1981年,这种语言被正式命名为ADA语言,使阿达的英名流传至今。

    在当时,两人为把分析机的图纸变成现实,耗尽了全部财产,搞得一贫如洗,在此期间,两人为筹措研究经费,两人还商量“下海创收”,比如制作国际象棋玩具、赛马游戏机等等。但这并没有带来什么改变,为此,阿达还两次把丈夫家中的祖传珍宝拿去当铺换钱,不过后来又被阿达的母亲赎了回来。

    在经历了贫困交加和无休止的脑力劳动,阿达的身体状况急剧恶化,1852年,年仅36岁的阿达怀着对分析机美好的梦想去世了。

    阿达去世后,巴贝奇又默默的独自坚持了20年,晚年的他已经不能准确发音并且有条理的表达自己的意思,但仍坚持工作。

    1871年巴贝奇去世。

    最终分析机没有被制造出来。巴贝奇和阿达设想的分析机超出了他们所处时代至少一个世纪。


    时间到了1890年,德国侨民霍列瑞斯博士在美国做人口普查(上一次人口普查人工花了7年),人口普查需要做大量工作,如年龄、性别等用调查表做采集的项目,还要计算每个社区有多少老人、小孩,男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用机器自动统计这些数据。几年后他根据巴贝奇的发明和杰卡德的穿孔纸带设计了机器,只花了6周就得出了准确的数据。

    杰卡德和霍列瑞斯分别开创了程序设计和数据处理的先河。以历史的目光审视他们的发明,正是这种程序设计和数据处理,构成了电脑“软件”的雏形。

    1896年霍列瑞斯博士创办了IBM公司的前身。


    1906年,美国的德福雷斯特发明了电子管,为计算机的发展奠定了基础。

    1907年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。真空三极管可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极到屏极的电流完全导通,相当于开关开启;“截止”即从阴极到屏极没有电流流过,相当于开关关闭。其控制速度要比艾肯的继电器快成千上万倍。


    1924年,IBM一个有划时代意义的公司成立了。

    1936年,美国青年霍德华·艾肯去哈佛攻读物理学博士学位,由于博士论涉及空间电荷传导理论,需要计算非常复杂的非线性微分方程。艾肯想发明一种机器代替人工计算,幻想有一台计算机帮他解决数学难题。三年后,艾肯在图书馆里发现了巴贝奇和阿达的论文。 博士毕业后,艾肯进入了美国海军军械局做了一名小小的海军中尉。为了实现计算机的梦想,他想到了IBM。

    正好艾肯的一位老师正在IBM出资创办的“哥伦比亚大学统计局”里任职,艾肯从这位老师这里听说了IBM董事长沃森的大名。这位老师为艾肯写了一封推荐信。艾肯拿到推荐信后,准备好了一份可行性报告,就去找沃森。沃森听完了艾肯的话以后,直接给艾肯划了100W美元。

    有了钱,艾肯开始了“MARK I”(马克1号)的研发。

    马克1号借助电流进行运算,最关键的部件采用继电器组成,马克1号上安装了大约3000个继电器。继电器接通电路表示“1”,继电器断开则表示“0”。继电器能在大约0.01秒内接通或断开电路。

    为马克1号编制计算程序的也是一位女数学家格雷斯·霍波(G.Hopper)。有一天,她在调试程序时出现了故障,拆开继电器后,发现有只飞蛾被夹扁在触点中间,从而“卡”住了机器的运行。于是,霍波恢谐地把程序故障统称为“臭虫”(bug,现在表示电脑系统或程序中的一些缺陷或问题)

    1944年2月,马克1号计算机在哈佛大学正式运行。从外表看,它的外壳用钢和玻璃制成,长约15米,高约2.4米,自重达到31.5吨,他可以每分钟进行200次以上的运算。可以作23位数加23位数的加法,一次仅需要0.3秒;而进行同样位数的乘法,则需要6秒多的时间。

    马克1号被称为最后一台“史前”计算机——机械/电动方式。


    时间回到1年前,也就是1943年,此时正是二战时期,美国为了实验新式火炮,需要计算火炮的弹道表。需要进行大量计算。一张弹道表需要计算近4000条弹道,每条弹道需要计算750次乘法和更多的加减法,工作量巨大。 你可以想象这样一个场景:一发炮弹大出去,100多人用一种手摇计算机算个不停,还经常出错,费力不讨好。

    当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利(John Mauchly)于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”,期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。

    美国军方得知这一设想后,拨款成立了一个以莫希利、埃克特(John Eckert)为首的研制小组。终于在1946年2月14日,世界上第二台电子计算机,世界上第一台通用计算机 (多个行业都可以使用)埃历阿克”(ENIAC,译成中文是“电子数字积分和计算机”)诞生于美国宾夕法尼亚大学。

    ENIAC长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米,30个操作台,重达30英吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。它包含了17,468根真空管(电子管)7,200根晶体二极管,1,500 个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器,1500个继电器,6000多个开关。
    每秒能进行5000次加法运算(据测算,人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算),每秒400次乘法运算,是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。。它还能进行平方和立方运算,计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。
    以我们的眼光来看,这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就!原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道,现在只要短短的30秒!


    第一台电子计算机:

    阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,通常简称ABC计算机)在1937年设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组,并在1942年成功进行了测试。然而,这台计算机用纸卡片读写器实现的中间结果存储机制是不可靠的。而且,在发明者约翰·文森特·阿塔纳索夫因为二战任务而离开爱荷华州立大学之后,这台计算机的工作就没有继续进行下去[2]。ABC计算机开创了现代计算机的重要元素,包括二进制算术和电子开关[3]。但是因为缺乏通用性、可变性与存储程序的机制,将其与现代计算机区分开来。这台计算机在1990年被认定为IEEE里程碑之一。

    阿塔纳索夫和克利福德·贝瑞的计算机工作直到1960年才被发现和广为人知,并且陷入了谁才是第一台计算机的冲突中。那时候,ENIAC普遍被认为是第一台现代意义上的计算机,但是在1973年,美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利,并得出结论:ENIAC的发明者从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要构件思想。因此,ABC被认定为世界上第一台计算机


    埃历阿克虽然威力强大,但是它毕竟还很不完善,比如存在着耗电多、费用高的缺点。它的耗电量超过174千瓦,据说那些年,只要埃历阿克一开动,整个费城城市的所有灯光顿时黯然失色。那些个电子管发光又发热,平均每隔7分钟要损坏一只。虽然当初只花了军械部40万元的研制费用,可谁能料到,维护它的费用后来竟超过200万之巨!埃历阿克最致命的缺点是程序与计算两分离。指挥埃历阿克2万只电子管工作的程序指令,被存放在机器的外部电路里。需要计算某个题目前,埃克特必须分派几十员精兵强将,把数百条线路用手接通,像一群电话接线员那样手忙脚乱地忙活好几天,才能进行几分钟运算。这时,冯·诺依曼用高超的理论和技术方法,一举攻克了巨大的难关。在埃历阿克尚未投入运行前,冯·诺依曼就已开始着手起草一份新的设计报告,要对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写译音是“埃德瓦克”(EDVAC)。1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人,为埃德瓦克方案联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,直到今天,仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件(输入系统、输出系统、存储器、运算器、控制器),并用二进制替代十进制运算,大大方便了机器的电路设计。埃德瓦克方案的革命意义在于“存储程序”──程序也被当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动依次执行指令,再也不必去接通什么线路。
      人们后来把根据这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。自冯·诺依曼设计的埃德瓦克始,直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止,电脑一代又一代的“传人”,大大小小千千万万台计算机,都没能够跳出诺依曼机的掌心。在这个意义上,冯·诺依曼是当之无愧的“电脑之父”。


    第一代电子管计算机(1946~1958):
    特点: 操作指令是为特定任务而编制的,每种机器有各自不同的机器语言,功能受到限制,速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

    第二代晶体管计算机 (1956-1963):
    特点: 晶体管代替了体积庞大电子管,使用磁芯存储器。体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等编程语言,使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。

    第三代集成电路计算机 (1964-1971):
    特征是以中小规模集成电路,来构成计算机的主要功能部件。主存储器采用半导体存储器。运算速度可达每秒几十万次至几百万次基本运算。在软件方面,操作系统日趋完善。

    第四代大规模集成电路计算机 (1971-至今):
    指从1970年以后采用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)为主要电子器件制成的计算机,重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

     

    参考:《电脑史话》、维基百科、百度百科

     

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