計算機(jī)發(fā)展與誕生

計算機(jī)的產(chǎn)生源于計算的需求，計算機(jī)的發(fā)展更來源于計算需求的空前高漲，通信技術(shù)的現(xiàn)代化、互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和“一統(tǒng)天下”，更得益于計算機(jī)的迅猛發(fā)展，它們都在為信息的傳輸、處理和共享這個共同的目標(biāo)而各盡所能并殊途同歸.歸根結(jié)底，營銷型網(wǎng)站建設(shè)信息技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展起源于計算，歸宿于計算。

計算工具的源頭可以追溯到2000多年前的春秋戰(zhàn)國時期。古代中國人發(fā)明的算籌是世界上最早的計算工具，如圖3-1所示，計算的時候擺成縱式和橫式兩種形式，按照縱橫相間的原則表示任何自然數(shù)，可進(jìn)行加、減、乘、除、開方以及其他的代數(shù)計算。負(fù)數(shù)出現(xiàn)后，算籌分紅黑兩種，紅籌表示正數(shù)，黑籌表示負(fù)數(shù)。這種運算工具和運算方法在當(dāng)時是世界上獨一無二的。算籌為人類文明做出過巨大貢獻(xiàn)，我國古代著名的數(shù)學(xué)家祖沖之，就是借助算籌計算出圓周率的值介于3. 1415926和3. 1415927之間的。

大約在六七百年前，中國人發(fā)明了更為方便的計算工具—算盤，如圖3-2所示。珠算方法在我國商業(yè)活動中被廣泛采用，因為它技術(shù)先進(jìn)，工具輕便靈巧，所以一直沿用至今。許多人認(rèn)為算盤是最早的數(shù)字計算機(jī)。
1614年，英國人奈普爾發(fā)明了對數(shù)。根據(jù)對數(shù)原理發(fā)明的計算尺可以通過簡單地推拉來進(jìn)行復(fù)雜的乘、除法運算，成為工程人員常備的計算工具。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，需要進(jìn)行大量大規(guī)模的復(fù)雜計算，而傳統(tǒng)的計算工具無法將人們從繁重、機(jī)械的計算工作中解脫出來，因此計算工具隨著應(yīng)用需求的增加得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

1623年，德國圖賓根大學(xué)的威爾海姆·什卡爾(Wilhelm Schickard)教授設(shè)計了第，一個帶有進(jìn)位機(jī)構(gòu)、執(zhí)行四則運算的計算設(shè)備模型，如圖3-3所示。
  1642年，法國數(shù)學(xué)家布萊斯·帕斯卡設(shè)計并制造了用于數(shù)值計算的機(jī)械計算器，可以進(jìn)行加減法運算，如圖3-4所示。它用一個個齒輪表示數(shù)字，利用齒輪嚙合裝置，通過低位的齒輪轉(zhuǎn)10圈、高位的齒輪轉(zhuǎn)一圈來實現(xiàn)進(jìn)位。這是手搖式計算器的雛形，其計算原理雖然簡單，卻符合人類的思維習(xí)慣，其影響也十分久遠(yuǎn)。為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，1971年，沃斯教授將其發(fā)明的一種高級程序設(shè)計語言命名為帕斯卡(Pascal)語言。
17至18世紀(jì)是人類計算技術(shù)發(fā)展的一個非常重要的時期。德國哲學(xué)家和自然科學(xué)家萊布尼茲在帕斯卡的思想與工作的影響下，對機(jī)械式計算器進(jìn)行了重要的改進(jìn)，他于1672年提出了不用連續(xù)相加而實現(xiàn)機(jī)械乘法的方案，并于1673年制成了第一臺通用的機(jī)械計算器。這是一臺能夠?qū)崿F(xiàn)四則運算的演算機(jī)，機(jī)器的關(guān)鍵部件是梯形軸，即齒長不同的圓柱。第一次實現(xiàn)了帶有可變齒數(shù)的齒輪(如圖3-5所示)，正是這種齒輪保證了乘除法的完成.隨著計算工作量的急劇增長，也由于帕斯卡和萊布尼茲等人的大力提倡，18世紀(jì)歐洲各國對機(jī)械計算器的研制相當(dāng)重視。

這個時期出現(xiàn)了很多種機(jī)械計算器。帕斯卡和萊布尼茲的工作奠定了手搖式計算器的理論基礎(chǔ)。但是，不管是萊布尼茲計算器還是其他的機(jī)械計算器，它們和現(xiàn)代的電子計算機(jī)是有本質(zhì)區(qū)別的，即這些計算器只能完成簡單的四則運算，不能實現(xiàn)程序控制。 到了19世紀(jì)，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇針對夭文和航海用表的計算需求，提出了一種差分機(jī)模型，如圖3-6所示。在該模型的設(shè)計中，他首次考慮了程序控制的思想，這時距離現(xiàn)代計算機(jī)的誕生尚有133年。巴貝奇所設(shè)計的機(jī)器包括齒輪式寄存器、運算器以及專門控制操作順序的機(jī)構(gòu)等幾個部分，在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)與現(xiàn)代計算機(jī)很接近了。由于經(jīng)費等方面的原因，這種差分機(jī)沒有取得最后的成功。這是因為，巴貝奇的思想已經(jīng)超越了他所處的時代，要使數(shù)千個齒輪在蒸汽動力的控制下精密無誤地工作，難度的確太大了。

但是，巴貝奇這位計算機(jī)先驅(qū)對人們思想上的啟迪是巨大的，差分機(jī)也被認(rèn)為是現(xiàn)代計算機(jī)的鼻祖。巴貝奇未完成的樣機(jī)至今仍陳列在英國倫敦大英博物館內(nèi)。

1944年8月7日，由IBM出資、美國人霍華德·艾肯(H. Aiken)負(fù)責(zé)研制的MARK-I計算機(jī)在哈佛大學(xué)正式運行，如圖3-7所示。它采用繼電器來代替齒輪等機(jī)械零件，裝備了15萬個元件和總長達(dá)800k。的電線，每分鐘能夠進(jìn)行200次以上的運算。女?dāng)?shù)學(xué)家格雷斯·霍波(G. Hopper)為它編制了計算程序，并聲明該計算機(jī)可以進(jìn)行微分方程的求解。MARK-I計算機(jī)的問世不但實現(xiàn)了巴貝奇的夙愿，而且也代表了自帕斯卡計算器問世以來機(jī)械計算器和電動計算器的最高水平。 “第二次世界大戰(zhàn)”結(jié)束后，美國軍方開始大力發(fā)展新式武器。在新武器的研制中，彈道問題的研究要經(jīng)過許多復(fù)雜的計算過程。這時，依靠以前的計算工具已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，急需一種能夠自動、快速完成計算過程的機(jī)器。基于這種需求，1946年在賓夕法尼亞大學(xué)，由兩位年輕的物理學(xué)家莫奇利(J. W. Mauchly)和埃克特(J. P. Eckert )主持研制了世界上第一臺電子計算機(jī)ENIAC(電子數(shù)字積分計算機(jī))，如圖3-8所示.ENIAC用了18 000多個電子管，占地170m2，總重量為30t，每秒可進(jìn)行5000次加法運算。
現(xiàn)代電子計算機(jī)的理論模型是數(shù)學(xué)家圖靈(Alan Mathison Turing)于1939年提出的圖靈機(jī)(Turing's Machine)，因此他被稱為計算機(jī)理論之父。為了紀(jì)念他，全世界計算機(jī)領(lǐng)域的最高榮譽獎設(shè)為“ACM圖靈獎”。

圖靈機(jī)是一種抽象的機(jī)器(假想的機(jī)器)，如圖3-9所示.這個裝置的組成部分為:一個無限長的紙帶，一個讀寫頭，一個控制器(圖3-9中的那個大盒子，具有內(nèi)部狀態(tài))，另外，還有一個程序?qū)@個盒子進(jìn)行控制。這個裝置根據(jù)程序的命令以及它的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行紙帶的讀寫和移動。紙帶被分成了一個一個的小方格，每個小方格可以是空白或?qū)懭艘粋€字符。 圖靈機(jī)是這樣工作的:讀寫頭在紙帶上讀出一個方格的信息，并且根據(jù)它當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)對程序進(jìn)行查表，然后得出一個輸出動作，即往紙帶上寫信息或者把讀寫頭移動到下一個方格。程序也會告訴它下一時刻會轉(zhuǎn)移到哪一個內(nèi)部狀態(tài).圖靈機(jī)的產(chǎn)生，奠定了現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)的理論基礎(chǔ)。根據(jù)圖靈機(jī)這一基本而簡潔的概念，還可以看到可計算的極限是什么。

馮·諾依曼是著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家，1903年12月3日生于匈牙利布達(dá)佩斯的一個猶太人家庭.他曾對ENIAC的設(shè)計提出過建議。1945年3月，針對ENIAC的不足，他起草了EDVAC(電子離散變量自動計算機(jī)，如圖3-10所示)設(shè)計報告初稿。在該方案中，馮·諾依曼做了以下兩項重大改進(jìn):機(jī)內(nèi)數(shù)制由原來的十進(jìn)制改為二進(jìn)制;采用存儲程序方式來控制計算機(jī)的操作過程。 馮·諾依曼的工作對現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，莫定了現(xiàn)代計算機(jī)的基本體系結(jié)構(gòu)。他提出的存儲程序控制方式，就是把要執(zhí)行的指令和要處理的數(shù)據(jù)按照一定的順序編制成程序存儲到計算機(jī)的內(nèi)部讓它自動執(zhí)行，這種設(shè)計思想一直延續(xù)至今.因此，人們將馮·諾依曼稱為現(xiàn)代計算機(jī)之父，將具有馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)稱為馮·諾依曼機(jī)。