书城计算机网络研究性学习丛书-电脑知识
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第1章 电脑——本世纪的奇迹(1)

计算机又名“电脑”

世界上第一台电子计算机诞生于1945年。它的出现标志着计算工具随着科学技术的飞跃发展和世界文明的进步而跃入一个崭新的历史阶段。但你是否知道,人类从最初的计数工具发展到现代电子计算机却经过了漫长的道路。

第一台电子计算机(ENIAC)

在很久很久以前,人类祖先找到了最原始的计数工具——自身的双手,用手指来计数。这种极为古老的计数方法时至今日仍启蒙着幼儿们关于“数”的概念。为了能表达比10个手指头更多的数目,古代人又想出了另外的计算工具——石子、木棒、贝壳、绳结等。利用这些简单的自然界产物不但可以计算部落的财产、人数、猎物等,而且还能保存统计的结果,这就是现代计算机原理中存贮思想的最初萌芽。

算盘

一千多年前,中国开始使用世界上最古老、流传最广的计算工具——算盘。而古代的算盘则是用圆石子、小木棒或金属块等排放在不同的位置上来表示不同的数值,并据此进行各种各样的计算。那时已经有了进位的数制概念。在以后漫长的历史中,算盘不断完善,能方便地进行加、减、乘、除四则运算。今天,我国和许多国家仍在使用算盘。现代算盘中的一颗颗算珠似乎还遗留着石子计数的痕迹。

早在17世纪,欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本运算的数字计算机。1642年,19岁的法国数学家B·帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置,制成了世界上最早的十进制加法器。这种加法器由多个圆轮组成,每个圆轮代表一位数,每个轮面分为10个相等部分,刻有0~9十个数字,作加法时,转动圆轮,当转到0处时,便自动将高位圆轮带进一格。

显然,这种加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录,表示人类开始向自动计算工具迈进。

1673年,德国数学家G·W·莱布尼兹制成了能进行十进制的乘、除运算的计算机。英国数学家C·巴贝奇于1833年设计了一种程序控制的通用分析机——差分分析机。他天才地提出了计算工具至少必须具备5个基本部分,即“输入部分”——输入需要处理的问题和相关的数据;“存贮部分”——用以存放必需的数据和相关的信息,以便机器使用;“运算部分”——能进行加、减、乘、除等多种运算;“控制部分”——指挥和控制机器按规定的步骤工作;“输出部分”——输出问题处理后的结果。这台分析机虽然已经描绘出现代计算机应具备的几个基本部分,但遗憾的是他的这种创造性设计超越了当时的工具生产能力和技术水平,虽然他为此奋斗了37年,仍未能如愿。

巴贝奇的设想提出以后的100多年期间,电磁学、电工学、电子学不断取得了重大进展。在电子元利、器件方面,相继发明了真空二极管和真空三早期的电子管极管。在系统技术方面,接连发明了无线电报、电视和雷达。所有这些成就为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。与此同时,数学、物理也相应的蓬勃发展,研究出了各种数值积分,数值微分,以及微分方程的数值解法,把计算过程归结为巨量的基本运算,从而奠定了现代计算机的数值算法基础。

第一只晶体管

20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算问题堆积如山,已经明显阻碍了学科的继续发展。特别是第二次世界大战爆发前后,军事科学技术对大型、高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间,德国、美国、英国都在进行计算机的开拓性工作,几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。

德国K·朱赛最先采用电气元件制造计算机。他于1941年制成的全自动继电器计算机Z—3,已具备浮点记数、二进制运算、数字存贮地址的指令形式等现代计算机的特征。在美国,1940~1947年期间也相继制成了继电器计算机MARK—1、MARK—2、ModelI、ModelV等。不过,继电器的开关速度大约为百分之一秒,致使计算机的运算速度受到很大限制。

电子计算机的开拓过程,经历了从制作部件到整机、从专用机到通用机、从“外加式程序”到“存贮程序式”的演变。

1938年,美籍保加利亚学者J·阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。

1943年,英国外交部通信处制成了“巨人”电子计算机。这是一种专用的密码分析机,在第二次世界大战中起了重要作用。

1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家J·莫克利和J·P·埃克特制成了能进行各种科学计算的通用计算机——大型电子数字积分计算机(ENIAC)。这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存贮的计算机,其运算速度比继电器计算机快1000倍。这就是人们常说的世界上第一台电子计算机。这台计算机从1946年2月交付使用到1955年10月最后切断电源,服役达9年。它每秒可进行5000次加法或减法运算,使用了18800个电子管,占地170平方米,重达30吨,耗电150瓦,价格40万美元,真可谓“庞然大物”。

ENIAC机在计算题目时,先要根据题目计算步骤预先编好一条条指令——指示计算机工作的命令,再按指令连接好外部线路,然后自动进行计算并输出结果。当计算另一题目时,必须重新进行上述工作。所以,当时只有少数专家才能使用。尽管如此,它却使过去借助台式计算机需7~20小时才能计算一条发射弹道的工作量缩短到30秒,使科学工作者从奴隶般的计算工作中解放出来。

至今人们仍然公认,ENIAC机的问世表明了电子数字计算机时代的到来,具有划时代的伟大意义。但是,这种计算机的程序仍然是外加式的,存贮容量也不够大,尚未完全具备现代计算机的主要特征。

又一次的重大突破是由数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成的。1945年3月,该小组发表了一个全新的存储程序式通用计算机方案——“电子离散变量自动计算机”(EDVAC)。随后于1946年6月,诺伊曼等人提出了更为完善的设计报告——《电子计算机装置逻辑结构初探》。

同年7~8月,他们又在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院为美国和英国二十多个机构的专家讲授了专门课程《电子计算机设计的理论和技术》,极大地推动了存贮程序式计算机的设计与制造。

1949年,英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机(EDSAC);美国则于1950年制成了东部标准自动计算机(SFAC)等。

至此,电子计算机的萌芽时期遂告结束,开始了现代计算机的发展时期。

在这之后的短短30几年,计算机器件从电子管到晶体管,再从分离元件到集成电路以至微处理器,计算机技术发展异常迅速,至今已经历了四代的变迁。

第一代是电子管计算机(1946~1959年),其基本电子元件是电子管,主存贮器(计算机主机内的存贮器,也简称内存)采用水银延迟线、阴极射线示波管等,外存贮器(计算机主机外的存贮器,也称外存或辅存)有纸带、卡片、磁鼓、磁带等。运算速度为每秒几千次至几万次基本运算,内存容量仅几千字,计算机程序设计语言还处于最低阶段,主要用二进制代码表示的机器语言或少量的汇编语言编程,程序设计的工作繁琐、易出错,出错后又不易修改。因此,第一代电子计算机体积庞大,造价很高,其应用主要局限在科学计算、军事技术研究等狭小天地里。

第二代是晶体管电子计算机(1959~1964年),其基本元件是晶体管,主存贮器大量使用磁性材料制成的磁芯存贮器。磁带,特别是磁盘成了不可缺少的外存贮器,外设的种类增加。计算机的运算速度从每秒几万次提高到几十万次,内存容量扩大到几十万字。与此同时,计算机软件有了较大发展,用于科学计算的高级程序设计语言FOR-TRAN、ALGOL,用于事务处理的COBOL语言和用于符号处理的LISP语言开始进入实用阶段,操作系统初步成型,使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。

与第一代计算机相比,晶体管电子计算机体积小,成本低,逻辑功能强,可靠性大大提高。它的应用从科学计算和军事技术研究扩大到工业过程控制、数据处理等领域,开始进入商业市场。

第三代是集成电路电子计算机(1964~1970年),随着固体技术的发展,集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。用这些称为小规模集成电路和中规模集成电路的器件作为计算机的主要逻辑器件是第三代电子计算机的主要标志。

第三代计算机的运算速度进一步提高,每秒可达几十万次到几百万次,磁芯存贮器进一步发展,体积缩小,价格降低,计算机软件逐渐完善,高级语言种类进一步增加,操作系统已具备批量处理、实时处理和分时处理等多种功能。数据库管理系统、通信处理程序、网络软件等也不断添加到软件子系统中。

这一时期,计算机同时向多样化、系列化发展,计算机的性能和可靠性有了极大提高,被广泛用于工业控制、商业、企业、管理等众多学科领域。

第四代计算机又称为大规模集成电路电子计算机。70年代以来,计算机的逻辑器件采用大规模集成电路(LSI)或超大规模集成电路(VLSI)技术,在硅半导体芯片上集成了1000个~100000个电子元器件。

集成度极高的半导体存贮器替代了服役长达20年之久的磁芯存贮器。计算机的速度可达几百万次至亿次,而巨型计算机运算速度高达每秒十亿次,并进入每秒百亿次的超高速度。软件环境不断完善,应用软件已成为现代工业的一部分,计算机的发展进入以计算机网络和分布并行处理为特征的时代,计算机的应用已渗透到各行各业,方方面面。

如前所述,随着电子元件、器件的不断发展、更新,传统计算机已经经历了四代演变。这四代计算机都属于以顺序控制和按地址寻址为基础的冯·诺伊曼式计算机体系,都以高速数值计算为主要目标,而系统设计原理没有多大变化。

由于硬件实现的功能过于简单,软件负担越来越重,造成了所谓的“软件危机”。技术体系上固有的局限性,严重妨碍了计算机性能的继续提高,也限制了传统计算机在90年代信息社会中的广泛应用。

因此,必须以新思想、新理论、新方法、新技术研制新一代计算机。