1.1 计算机的发展

计算机包括机械计算机、电动计算机和电子计算机等，人们常说的计算机是指电子计算机。计算机的发展十分迅速，从1946年出现第一台电子数字计算机到如今，计算机已经渗透到社会的各个领域，对人类社会发展产生了深刻的影响。

1.1.1 早期的计算工具

按时间的先后顺序来讲，早期的计算工具有4种：小石头、算筹、算盘、计算尺。

计算工具是用来计算数的，数的历史早于人类的语言和文字历史，人们早期便有大、小、多、少等量的概念，需要度量时，就用手指进行数数，于是出现了手指计数。手指计数有两个作用，一是导致了十进制的出现，数到十就用1块石头代替；二是用手指计算比较方便。但手指计数的缺陷是手被占用，因此，人们采用小石头代替手指来进行计算，所以，小石头是最早的计算工具。

随着人类的不断发展，计数和计算更复杂，使用小石头计算需要很多石头，人们想用一种方法代替小石头，以使计算更方便。到了春秋战国时期，计算有了进一步要求，人们开始用小木棍代替小石头，便形成了算筹。算筹被分为横式和竖式两种，横式的算筹代表1，竖式的算筹代表5。

随着人类的发展和进步，算筹计算工具已不能适应社会的发展。由于算筹中的小木棍易丢、易散，所以到了唐宋时期，人们用珠子串在竹签上将其固定起来，便出现了算盘。

提示

算盘是在算筹的基础上发展起来的，算盘在当时是世界上领先的计算工具。

在1620年～1630年，西方出现了资本主义经济萌芽，航海业大发展对天文和历法提出了新的要求，要求制作精密的航海仪器和天文率表，这两种东西需要很复杂的计算才能实现。为了解决复杂的计算问题，人们发明了计算尺，计算尺分为直算尺和圆算尺两种。直算尺是英国的甘特于1620年~1626年发明的，圆算尺是英国的奥特瑞德于1630年发明的。

提示

计算尺采用的是对数原理，对数的概念是苏格兰数学家纳皮尔于1614年提出的。

1.1.2 机械计算机和电动计算机的发展

机械计算机就是由一些机械部件，如齿轮、杆、轴等构成的计算机。机械计算机的发展历程中有5位代表人物，分别是达芬奇、什卡尔、帕斯卡、莱布尼兹、巴贝奇。达芬奇曾经设计了加法器，但最终未能实现。德国人什卡尔于1623年发明了计算器，但遗憾的是，当计算机快研制成功的时候毁于大火。帕斯卡1642年发明了加法器，利用一个有10个齿的齿轮表示1位数字，几个齿轮并排起来表示一个数，通过齿轮与齿轮之间的关系来表示数的进位，这是世界上第一个研制成功的加法器。莱布尼兹是德国著名的数学家、哲学家，在1674年发明了能直接进行乘法运算的乘法器。以前数学用表是人工手动计算的，巴贝奇想使用机器计算从而避免人工计算错误。

1822年在政府的支持下巴贝奇开始研制差分机，在研制完成七分之一时，政府停止了支持，但巴贝奇并未放弃，继续发明了更高级的分析机。分析机主要有3个思想，一是用卡片上的程序来控制分析机的工作，二是包括计算单元和记忆单元，三是可根据中间结果的正负号，进行不同的处理。分析机已经具备了现代计算机的核心部件和主要思想，遗憾的是当时的工艺满足不了分析机的要求，最终未能研制成功，后来人们称巴贝奇为现代计算机之父。

电动计算机的发展时间较短，主要代表人物有楚泽和艾肯。1938年，楚泽设计出一台纯机械结构的计算机Z-1，采用了二进制；1939年，楚泽设计了Z-2计算机，用继电器改进了Z-1;1941年，楚泽研制出Z-3计算机；1944年，楚泽研制出Z-4计算机。艾肯于1937年发现了巴贝奇的差分机，在IBM公司的资助下，1944年艾肯研制出马克一号计算机，1947年研制出马克二号计算机，仍然采用的是继电器，1949年研制出马克三号计算机，部分采用电子元件，1952年研制出马克四号计算机，是全电子元件的计算机。

1.1.3 电子计算机的发展——探索奠基期

电子计算机就是以电子管、晶体管、集成电路等电子元件为主要部件的计算机，电子计算机的发展可分为3个时期：探索奠基期、稳步发展期、蓬勃发展期。

探索奠基期主要的事件包括：技术基础的建立、理论基础的建立、ABC（Atanasoff-Berry-Computer）计算机、巨人（Colossus）计算机、ENIAC（Electronic Numerical Integrafor And Computer）计算机、EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）方案。

• 技术基础的建立：1883年，美国发明家爱迪生发现了热电子效应。1904年，英国电气工程师弗莱明发明了真空二极管。1906年，美国发明家德弗雷斯发明了真空三极管。1906年后，具有各种性能的多极真空管、复合真空管相继被发明。

• 理论基础的建立：1847年，英国数学家布尔发表了《逻辑的数学分析》，建立了“布尔代数”，并创造了一套符号系统。1936年，英国数学家图灵发表的《论数字计算在决断难题中的应用》论文中提出了被称为“图灵机”的抽象计算机模型，为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

• ABC计算机：1940年，阿塔纳索夫和贝利研制成功了有300个电子管，能做加法和减法运算的计算机ABC，这是有史以来第一台以电子管为元件的有记忆功能的数字计算机。

• 巨人计算机：二战时期，图灵研制出译码计算机，当时破解了部分德国军事通信密码。1943年，弗劳尔斯设计出更先进的译码计算机“巨大”（Colossus），用了1500个电子管。

• ENIAC计算机：又称电子数字积分计算机，延生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学，是世界上第一台通用计算机，也是继ABC计算机之后的第二台电子计算机。它是能够重新编程、解决各种计算问题的电子计算机。

• EDVAC方案：1943年，为快速计算炮弹的弹道，美国军方出资研制EDVAC（冯·诺依曼）计算机，由约翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特负责研制，1945年研制成功，1946年2月举行了典礼。EDVAC用了约6000个电子管和约12000个二极管，功率为56kW，占地面积45.5m2，重7850kG，使用时需要30个技术人员同时操作。EDVAC是计算机发展史上的一座里程碑，它标志着电子计算机时代的到来。EDVAC有两个问题，一是内部信息采用十进制表示，导致硬件线路复杂，工作状态不稳定；二是通过开关连线方式控制计算机工作，十分麻烦。

提示

针对EDVAC的不足和缺陷，冯·诺依曼提出了EDVAC方案。EDVAC方案做了两项重大改进，第一，机内数制由原来的十进制改为二进制；第二，采用了“存储程序”方式控制计算机的运行过程。冯·诺依曼的设计思想，奠定了现代计算机的体系结构。现代计算机仍然采用这种设计思想，因此，人们将冯·诺依曼称为现代电子计算机之父。

1.1.4 电子计算机的发展——蓬勃发展期

从ENIAC诞生后，计算机技术成为发展最快的现代技术之一。电子计算机的蓬勃发展经历了70年左右的时间，共发展了4代计算机，如表1-1所示。

1.1.5 计算机的发展展望

下面主要通过计算机的发展趋势和研制中的新型计算机两部分内容，来讲解计算机的发展展望。

1．计算机的发展趋势

计算机的发展趋势主要包括4个阶段：巨型化、微型化、网络化和智能化。

• 巨型化：巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更强大、可靠性更高。巨型化计算机的应用范围主要包括天文、天气预报、军事、生物仿真等，这些领域需进行大量的数据处理和运算，需要性能强劲的计算机才能完成。

• 微型化：随着超大规模集成电路的进一步发展，个人计算机将更加微型化。膝上型、书本型、笔记本型、掌上型等微型化计算机不断涌现，并受到越来越多的用户喜爱。

• 网络化：随着计算机的普及，计算机网络也逐步深入到人们工作和生活的各个部分。通过计算机网络可以连接地球上分散的计算机，然后共享各种分散的计算机资源。现在计算机网络也是人们工作和生活中不可或缺的事物，计算机网络化可以让人们足不出户就能获得大量的信息，与世界各地的亲友通信、进行网上贸易等。

• 智能化：早期的计算机只能按照人的意愿和指令去处理数据，而智能化的计算机能够代替人的脑力劳动，具有类似人的智能，如能听懂人类的语言，能看懂各种图形，可以自己学习等，计算机可以自主进行知识的处理，从而代替人的部分工作。未来的智能型计算机将会代替甚至超越人类进行某些方面的脑力劳动。

2．研制中的新型计算机

新型计算机主要体现在新的原理、新的元器件上。目前，制作中的新型计算机有3种：DNA生物计算机、光计算机、量子计算机。

• DNA生物计算机：以DNA作为基本的运算单元，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。DNA计算机具有体积小、存储量大、运算速度快、耗能低、并行性等优点。

• 光计算机：以光作为载体来进行信息处理的计算机。光计算机具有3个优点：光器件的带宽非常大，传输和处理的信息量极大；信息传输中畸变和失真小，信息运算速度高；光传输和转换时，能量消耗极低。

• 量子计算机：遵循物理学的量子规律来进行多数计算和逻辑计算，并进行信息处理的计算机。量子计算机具有运算速度快、存储量大、功耗低的优点。

提示

DNA生物计算机和光计算机还在探索研究阶段，2015年年底取得了突破性的进展，但离使用还有一段时间。