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计算机发展历史

发布时间:2019-07-04 02:50 来源:未知 编辑:admin

  电脑的学名叫计算机,电脑是用来做计算的。在古时候,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。  缺点:手指和石头太低效了

  又不知过了多久,许多国家的人开始使用”筹码“来计数,最有名的就要数咱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。   算筹的缺点: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,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。

  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,不久省去了用两脚规度量长度了么。他的这个想法导致了机械化计算的诞生,但奥特雷德对这件事情并没有在意,此后200年里,他的发明也就没有被实际应用。

  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。

  第一台线年,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,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年),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,在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1/10、2/10圈……,直到9/10圈,这样一来,它就能够连续重复地做加法。

  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。)

  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。

  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。

  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,却有想不起在哪里见过。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之独生女——阿达·奥古斯塔。

  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。当然这些都是后话了。

  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。

  1936年,美国青年霍德华·艾肯去哈佛共度物理学博士学位,由于博士论文设计设计空间电荷传导理论,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。沃森听完了艾肯的线W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1/100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)

  时间向前一年,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此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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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