1.1.2 电子计算机的发展

从20世纪30年代开始，科学家认识到电动机械部件可以由简单的真空管来代替，在这种思想的引导下，机电计算机中的机械部件被电子部件替换，真正的电子计算机开始登上历史舞台。按照电子计算机使用元件的不同，可将电子计算机分为电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机这四代。

1.第一代计算机：电子管计算机

电子管计算机主要存在于1946—1957年，其主要特点为：

（1）主要元件由放大电信号的电子管代替了机电时代的机械装置和继电器；

（2）运算速度低为几千次每秒，高至几万次每秒；计算机成本较高、可靠性较低、体积十分庞大；

（3）可以使用介质存储程序，介质从早期的水银延迟线和静电存储管发展到后来的磁鼓和磁芯，存储容量进一步增大；

（4）程序采用的指令由十进制转变为二进制，这一阶段主要编写程序的语言是机器语言和汇编语言，机器语言全由二进制数0和1构成，极容易出错又消耗时间，汇编语言的出现使这一情况有所改观，但编写程序仍然十分困难；

（5）程序的输入和输出采用穿孔卡，用有孔和无孔对应二进制数的0和1，速度较慢；

（6）这一阶段的计算机主要用于执行科学计算，很少用于其他领域。

电子管计算机时代开启的标志是普遍认为的第一台电子计算机——ENIAC 的诞生。ENIAC的全称为“电子数值积分计算机”（Electrical Numerical Integrator and Computer,ENIAC，读作“埃尼阿克”），是为了计算导弹的弹道而研制的。第二次世界大战中，美国宾夕法尼亚大学穆尔学院同阿伯丁弹道研究实验室共同负责为陆军每天提供6张火力表，而每张火力表都要计算几百条弹道，对于人工计算弹道的方式来说从时间上是完全不可行的。在穆尔学院任教的莫奇利（John W. Mauchly,1907—1980年）在参观军方实验室之后于1942年8月题写了《高速电子管计算装置的使用》，称为ENIAC的初始设计方案。莫奇利在研究生约翰·埃克特（John P.Eckert,1919—1995年）的帮助和美国陆军的资助下开始了ENIAC的设计和建造，建造合同在1943年6月5日签订，实际的建造在7月以“PX 项目”为代号秘密开始，由宾夕法尼亚大学穆尔电气工程学院进行，建造ENIAC花费了将近50万美元。建造完成的机器在1946年2月14日公布，并于次日在宾夕法尼亚大学正式投入使用，之后于1946年7月被美国陆军军械兵团正式接受。为了翻新和升级存储器，ENIAC在1946年11月9日关闭，在1947年转移到了马里兰州的阿伯丁试验场，并在那里继续工作到1955年。

ENIAC每秒可进行5 000次简单的加减运算或385次乘法运算，它包含了17 468个真空管、7 200个晶体二极管、1 500个继电器、10 000个电容器，还有大约500万个手工焊接头。它的重量达27吨，体积大约是2.4米×0.9米×30米，占地167平方米，耗电150千瓦，如图1-10所示。有传言说，每当这台计算机启动的时候，费城的灯都变暗了。ENIAC的输入和输出装置采用IBM的卡片阅读器和打卡器。

但是实际上ENIAC并不是真正的第一台电子计算机，第一台电子计算机是于1939年在爱荷华州立大学研制完成的阿坦纳索夫-贝里计算机（Atanasoff-Berry Computer,ABC）。20世纪30年代，阿坦纳索夫（John V.Atanasoff,1903—1995年）为了帮助学生求解线性偏微分方程组，尝试着运用模拟和数字的方法来处理繁杂的计算问题。阿坦纳索夫的设计目标是一台能够解含有29个未知数的线性方程组的机器，经过两年反复研究试验，思路越来越清晰，在研究生克利福德·贝里（Clifford E.Berry,1918—1963年）的帮助下，两个人终于在1939年造出来一台完整的样机，证明了他们的概念是正确并且是可以实现的。人们把这台样机称为 ABC，代表的意思是Atanasoff-Berry Computer，包含他们两人的名字。这台计算机是电子与电器的结合，电路系统中装有300个电子真空管执行数字计算与逻辑运算，机器上装有两个记忆鼓，使用电容器来进行数值存储，以电量表示数值，数据输入采用打孔卡，采用二进位制。ABC的设计中已经包含了现代计算机中4个最重要的基本概念。但令人惋惜的是，阿坦纳索夫在1942年应征去海军服役，没有为自己的计算机申请专利保护。直至1973年，美国明尼苏达地区法院经历了美国联邦法庭最长时间的调查之后，最终发现 ENIAC 的设计制造者莫奇利是深受 ABC 的影响才完成了 ENIAC的研制，这台机器根本不能作为一项独立的发明，于是法院吊销了莫奇利的专利，并肯定了阿坦那索夫才是真正的现代计算机的发明人。但是，阿坦纳索夫-贝里计算机仅能用于数值计算而且不能编程，而 ENIAC 是可以编程的。因此，可以认为 ABC 是第一台电子数字计算机，而 ENIAC是第一台电子普适计算机。图1-11为阿坦纳索夫-贝里计算机的仿制品。

这一阶段的一个重要计算机先驱是约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann,1903—1957年）。冯·诺依曼是出生于匈牙利的美国籍犹太人数学家，现代计算机创始人之一，他在计算机科学、经济学、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都作过重大贡献。1944—1945年间，冯·诺依曼主持设计了EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）方案，它明确了计算机由运算器、逻辑控制装置、存储器、输入设备和输出设备这5个部分组成，方案中还描述了这5部分的职能和相互关系。1946年，冯·诺依曼在其他一些人的帮助下，在EDVAC方案的基础上，提出了更加完善的计算机设计报告——《电子计算机逻辑设计初探》。这些设计标志着著名的冯·诺依曼计算机体系结构的形成，这个体系结构的概念被誉为计算机发展史上的一个里程碑，它标志着电子计算机时代的真正开始，并指导着以后的计算机设计。

2.第二代计算机：晶体管计算机

晶体管计算机主要存在于1959年至1964年，其主要特点为：

（1）主要元件由晶体管代替了第一代计算机中的电子管。晶体管是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，具有非常快的开关速度，实验室中的切换速度可达100GHz以上；

（2）晶体管使计算机的运算速度进一步提高，且计算机的体积减小、耗电量降低、成本降低，计算机体系结构也发生了变化；

（3）磁芯作为主存储器介质被普遍使用，磁盘与磁带作为外部存储介质也开始使用，这些新存储介质的使用使计算机存储空间增大、存储速度加快、可靠性提高，为系统软件的开发和运行创造了条件；

（4）高级程序设计语言在这一阶段开始出现，程序设计语言取得了较大发展，编程工作变得更加高效简洁，这一时期出现了监控程序，后来发展成为操作系统。这一阶段出现的程序设计语言有：FORTRAN、ALGOL、COBOL等；

（5）可变地址寄存器、浮点数据表示、间接寻址、中断、输入输出设备等现代计算机体系结构中的许多新技术纷纷出现；

（6）计算机的应用范围进一步扩大，从科学计算和数据处理领域开始延伸到实时过程控制领域。

晶体管是由美国贝尔实验室的3位物理学家巴丁（John Bardeen,1908—1991年）、布莱顿（Walter H. Brattain,1902—1987年）和肖克莱（William Shockley,1910—1989年）发明的，他们也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。1954年贝尔实验室使用了800个晶体管研制出第一台晶体管计算机TRADIC（TRAnsistor DIgital Computer）。

1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。由于第二代计算机采用晶体管逻辑元件，以及快速磁芯存储器，计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储量从几千提高到10万以上。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM 7090。

1961年，IBM完成了第一台使用晶体管的超级计算机IBM 7030，也称为Stretch。整个IBM 7030数据处理系统的尺寸为67.5英寸×64.25英寸×29.5英寸，由7101型CPU、7803功耗分布单元、7302核心存储单元、7619交换通道（提供8个I/O通道）、7620通道扩展、353磁盘存储单元、磁盘控制器、磁带控制器、打印机控制器，以及卡片穿孔机、控制台等模块组成，功耗为21.6KW。IBM 7030的CPU包含有大约169 000个晶体管，采用了最多可执行6条指令的控制方式，每秒能执行65万次浮点运算和35万次乘法运算，在当时是最快的超级计算机，它在包括核弹开发、气象、国家安全等领域中都发挥了重要作用。图1-12是位于巴黎工艺美术博物馆的IBM 7030维护控制台展品。

CDC 6600是来自控制资料公司的大型计算机，首先于1964年在加州大学伯克利分校的劳伦斯放射实验室投入使用。在当时，CDC 6600主要被用于高能核物理研究，包括一部分在阿尔瓦雷斯气泡室中录摄的核事件分析。一般来说，CDC 6600被认为是第一个成功的超级计算机，每秒浮点运算次数达1M，超过之前最快的IBM 7030约三倍，它从1964年到1969年一直保持世界最快的计算机，直到遇到其继任者CDC 7600。

1958—1964年，晶体管电子计算机经历了大范围的发展过程，从印刷电路板到单元电路和随机存储器，从运算理论到程序设计语言，不断革新使晶体管电子计算机日臻完善。

3.第三代计算机：集成电路计算机

集成电路计算机主要存在于1965—1970年，其主要特点为：

（1）主要元件由集成电路代替了晶体管。集成电路（Integrated Circuit,IC）通过采用半导体工艺或薄膜、厚膜工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；

（2）计算机的运算速度和可靠性进一步提高，计算速度达到每秒几十万次到几百万次，体积、成本、耗电量等进一步减小；

（3）磁鼓和磁芯存储介质逐步被半导体存储器取代，使存储器的集成化程度和存储器容量都有大幅度提升；

（4）程序设计技术进一步提高，出现了结构化、模块化程序设计方法，操作系统出现并在功能上取得了提高和完善，具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能，系统软件和应用软件也有较大发展，软件开发的质量和效率均有提高；

（5）计算机的应用领域更加广泛，尤其是中小企事业单位和政府职能部门开始使用计算机作为办公工具，成本较低、体积较小的计算机为了满足这些需要也应运而生。计算机的生产开始采用流水线和微程序设计技术，计算机作为产品走向系列化、通用化和标准化，计算机体系结构的兼容性也有巨大改善。

第三代计算机中最具代表性的产品是IBM公司的IBM 360机型。1964年4月7日，吉恩·阿姆达尔（Gene Amdahl,1922年至今）在IBM公司成立50周年之际公布了由他担任主设计师、历时4年研发完成的IBM 360计算机，它是IBM公司历史上最为成功的机型之一，它的诞生也标志着集成电路计算机时代的到来。360计算机系列是世界上首个指令集可以兼容的计算机系列：1964年以前，计算机厂商要针对每种主机量身定做操作系统，而360系统的问世则让单一操作系统适用于整系列的计算机，360系统的主要型号有20型/25型/30型小型机、40型/44型/50型中型机、65型/75型/85型大型机和91型/95型超级计算机，图1-13展示了65型机器的控制台。这项计划的投入规模空前，特为此招募了6万名新员工，建立了5座新工厂，当时的研发费用超过了50亿美元（相当于现在的340亿美元）。直到1965年首台360系统的计算机才开始出货，但是到1966年IBM每月售出超过千台，每台的价格在250万～300万美元，约合现在的2 000万美元。

计算机程序设计语言在这一阶段也取得了巨大的发展，高级程序设计语言的种类进一步增加，语言在语法上也更加接近人们使用的自然语言，它允许用英文编写计算机程序，程序中所使用的运算符号和运算式子均与日常使用的数学式子相似。高级语言的通用性增强，使用的便捷性、简单性和编程效率均有提高。这一阶段中有些流行的高级语言已经被大多数计算机厂家采用，固化在计算机的内存里，如美国达特茅斯学院的凯默尼（John G. Kemeny,1926—1992年）和库尔泽（Thomas E. Kurtz,1930—）发明的BASIC语言。

4.第四代计算机：大规模集成电路计算机

从1971年至今的计算机均属于第四代大规模集成电路计算机，其主要特点为：

（1）主要元件由微处理器或大规模集成电路代替了普通的集成电路。随着制作工艺的进步，更多的电子元件能被集成到体积更小的芯片上，出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，大规模集成电路（Large Scale Integration,LSI），通常指含逻辑门数为100门～9 999门（或含元件数1 000个～99 999个）、在一个芯片上集合有1 000个以上电子元件的集成电路。超大规模集成电路（Very Large Scale Integration,VLSI）通常指含逻辑门数大于10 000门（或含元件数大于100 000个）的集成电路。将一片或多片超大规模集成电路集成在一起执行算数逻辑部件和控制器功能便构成了微处理器，微处理快速成为了新一代的中央处理单元；

（2）计算机的体积和价格不断下降，可靠性和计算能力不断提升，每秒能执行的计算次数上升到上千万次到上亿次；

（3）计算机的存储容量进一步扩大，出现了新的设备，如光盘和激光打印机等；

（4）计算机程序设计更加人性化，更高级的程序设计语言如 C、C++、Java 等相继出现并迅速占领市场，编程编得更加简单、高效；

（5）计算机的生产技术不断提升，流水线生产和集成制造技术使一台计算机生产的时间显著下降，这一时期各大计算机制造厂商开始生产适合个人生活、学习、工作和娱乐的微型计算机。微型计算机是以微处理器为核心，加上存储器和外部输入、输出等设备构成，具有体积小、价格低廉等优点；

（6）计算机的应用领域前所未有地扩大，深入多媒体技术、人工智能、数据库和数据挖掘、电子商务等各个领域，并且在每个领域中发展了单独的计算机技术，甚至诞生了分支学科；

（7）计算机网络的兴起使全世界各个计算机“互联”起来，从社会、经济、科技等各个方面极大地影响了人们的生活，推动了人类社会的信息化步伐。

个人计算机（Personal Computer,PC）、便携式计算机的出现和普及以及超级计算机的进化是这一阶段的特征。

IBM PC是IBM公司于1981年8月推出的旗下首款个人电脑，由唐·埃斯特奇（D. Estridge, 1937—1985年）领导的开发团队用一年的时间开发完成。IBM PC的出现开启了个人电脑的先河，使微型计算机走进千家万户，虽然IBM PC出现之前苹果公司和坦迪公司均推出过个人电脑，但均不及IBM PC成功，唐·埃斯特奇也被称为“个人电脑之父”。IBM PC的主要电路板是主机板，上面嵌有中央处理器和主存储器，此外它还有总线及其装扩展卡的槽。内部存储器如硬盘、软盘和光盘驱动器等通过总线与主机板相连，这些内部存储器一般有标准的大小，如3.5英寸或5.25英寸的宽度，此外它们有固定的插孔，同时机身的外壳带有标准的电源。原始 PC 中的这种设计后来普及得非常广泛，后来发展成为工业标准架构体系。图1-14展示了IBM 5150型PC的外观，可见它与现在使用的个人电脑已具有基本一致的结构。

苹果公司于1984年1月24日由史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs,1956—2011年）推出了Macintosh个人计算机，这是苹果公司继Apple Lisa后第二款具备图形化界面的个人电脑产品，但由于其销售上的成功，使Macintosh的影响远超过Apple Lisa，故Macintosh常被认为是首款使用图形化操作界面的个人电脑。目前，苹果公司凭借其产品出色的性能、独特的设计、时尚的外观和出色的市场营销，在台式电脑、便捷式笔记本电脑和平板电脑、智能手机等电子产品领域占据重要的地位，拥有一批忠实的消费者。

便携式计算机包括笔记本电脑和平板电脑，它们的出现均得益于计算机硬件生产技术的发展，各个零部件变得越来越小、成本越来越低廉，原本要占满一个房间的计算机现在可以集成到一块小小的芯片上。计算机的设计也越来越向着一体化方向发展，使随身携带成为可能。笔记本电脑的组成与台式机一致，它的液晶显示屏与机身相连并且可以折叠以减小体积，机身上带有键盘和具有鼠标功能的触摸板。平板电脑是计算机产品的新形式，是一种小型、方便携带的个人计算机，一般以触摸屏幕作为输入方式，因此不需要键盘和鼠标。它的体积比笔记本电脑还要小，携带更加方便。目前又产生了PC、平板二合一的便携式计算机，如图1-15所示，这种计算机的显示器为触控式，与主机是一体的，且具有可以拆卸和组合的键盘，安装上键盘之后在外观上看起来就像笔记本电脑一样，可以通过键盘更快速地进行输入；拆掉键盘之后它又变成了一个普通的平板电脑，通过触摸屏幕进行操作，可以方便地携带。

超级计算机主要是为了满足高强度的计算需要而产生的超大型电子计算机，具有很强的计算和处理数据的能力。其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，能以极高速度执行一般计算机所无法完成的运算，处理海量数据。主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。在目前的全球超级计算机排名中，我国的“天河”系列超级计算机已经连续三年取得冠军，性能最高的“天河二号”峰值计算速度为每秒5.49亿亿次双精度浮点运算，持续计算速度为每秒3.39亿亿次双精度浮点运算。超级计算机多用于国家天文、气象、军事、基因等高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

扩展阅读：苹果公司

苹果公司由史蒂夫·乔布斯、史蒂夫·沃兹尼克、罗纳德·韦恩创立于1976年4月1日，主要业务是开发和销售个人计算机。该公司于1977年1月3日正式称为苹果电脑公司，并于2007年1月9日改名为苹果公司，此后该公司将业务重点转向消费电子领域。

苹果公司按收入计算为仅在三星电子之后的世界第二大信息技术公司，是三星电子之后世界第二大移动电话制造商。《财富杂志》提名苹果公司为美国2008年最受尊敬的公司，从2008年到2012年世界最受尊敬公司。2013年9月30日，在宏盟集团的“全球最佳品牌”报告中，苹果公司超过可口可乐成为世界最有价值品牌。然而，苹果公司曾在其产业链中的劳工制度、环境和商业实践中受到批评。

到2014年6月，苹果公司拥有14个国家的425间零售商店，还有线上苹果商店、iTunes商店。iTunes商店是世界最大音乐零售商。苹果公司是市值最高的公共交易公司，到2014年6月，大约拥有市值6 000亿美元，到同年11月更是历史上首家突破7 000亿美元的公司。截至2012年9月29日，苹果公司全球拥有永久全职员工72 800名，临时全职员工3 300名。2013年全球总收入1 709亿美元。截至2014年第1季度，苹果公司五年平均增长率销售额39%，利润率45%。2013年5月苹果公司首次进入财富500强公司名单前10名，比2012年上升11位，位列第6名。