1.1.1 計算機的發展史及分類

1.計算機的發展史

在了解計算機的發展史之前，有必要先弄清楚什么是計算機。

（1）計算機的概念。計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、快速、高效地對各種信息進行存儲和處理的現代化智能電子設備。

計算機是一種現代化的信息處理工具，它對信息進行處理并給出結果，其結果（輸出）取決于所接收的信息（輸入）及相應的程序。計算機基本概念圖解如圖1-1所示。

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“計算機”的英文單詞為computer，原是指從事數據計算的人，而這些人往往需要借助某些機械計算設備或模擬計算機。即使在今天，我們也還能在許多地方看到這些早期計算設備的祖先——算盤的身影。有一種看法認為，算盤是最早的數字計算機，而珠算口訣則是最早的體系化算法。

（2）計算機的發展。下面，讓我們把時鐘撥回到 360 多年前，從計算機誕生的源頭開始談起，簡述計算機的發展歷程。

第零代：機械式計算機（1642—1945年）

① 1642年——齒輪式加減法器。1642年，法國數學家帕斯卡（B.Pascal）采用與鐘表類似的齒輪傳動裝置，研制出世界上第一臺十進制加減法器（見圖 1-2），這是人類歷史上的第一臺機械式計算機。此后，科學家們在這個領域里繼續研究能夠完成各種計算的機器，想方設法擴充和完善這些機器的功能。

② 1821年——差分機。1821年，英國數學家巴貝奇（C.Babbage）構想和設計了第一臺完全可編程計算機——差分機。這是第一臺可自動進行數學變換的機器，但由于技術條件、經費限制以及巴貝奇無法忍耐對設計不停地修補，這臺計算機最終沒有問世。

③ 1884年——制表機。1884年，美國人口普查局的統計學家霍列瑞斯（H.Hollerith）受提花織機的啟發，想到用穿孔卡片來表示數據，制造出了制表機（見圖1-3），并獲得專利。制表機的發明，是機械計算機向電子技術轉化的一個里程碑，標志著計算機作為一個產業開始初具雛形。

20世紀初，電子技術飛速發展，其代表性產物有真空二極管和真空三極管，這些都促成了真正的電子計算機的產生。根據組成電子計算機的基本邏輯組件的不同，我們可以把電子計算機的發展分為4個階段，每一階段在技術上都是一次新的突破，在性能上都是一次質的飛躍。4個階段的特點具體如下。

第一代：電子管計算機（1946年至20世紀50年代后期）

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圖 1-4 中左側的是世界上第一個電子管，也就是人們常說的真空二極管。直到真空三極管（見圖1-4右）被發明后，電子管才成為實用的器件。后來，人們又發現，真空三極管除了可以處于“放大”狀態外，還可以充當開關器件，其速度要比繼電器快成千上萬倍。于是，電子管很快受到計算機研制者的青睞，計算機的歷史也由此跨進電子的紀元。

第一代計算機采用電子真空管及繼電器作為邏輯組件構成處理器和存儲器，并用絕緣導線將它們連接在一起。電子管計算機相比之前的機電式計算機來講，無論是運算能力、運算速度還是體積等都有了很大的改進。

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計算機的鼻祖：埃尼阿克（lectronic Numerical Integrator And Computer，ENIACE，電子數字積分計算機，見圖1-5）。1946年2月5日，出于美國軍方對彈道研究的計算需要，世界上第一臺電子計算機埃尼阿克（ENIAC）問世。這個重達30噸、由18 800個電子管組成的龐然大物，就是所有現代計算機的鼻祖。第一臺電子計算機誕生的目的是為軍事提供服務，但它也和其他軍工產品一樣，隨著技術的成熟逐漸走向民用。

ENIAC 的誕生，宣告了人類從此進入電子計算機時代。從那一天到現在的半個多世紀里，伴隨著電子器件的發展，計算機技術有了突飛猛進的發展，造就了如IBM、SUN、Microsoft等若干大型計算機軟硬件公司，人類開始步入以電子科技為主導的新紀元。

第二代：晶體管計算機（20世紀 50年代后期至 20世紀 60年代中期）

晶體管的發明，標志著人類科技進入了一個新的電子時代。圖1-6所示為第一個晶體管。與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、壽命長、發熱少、功耗低、速度快等優點。晶體管的發明及其實用性的研究為半導體和微電子產業的發展指明了方向，同時也為計算機的小型化和高速化奠定了基礎。采用晶體管組件代替電子管成為第二代計算機的標志。

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1955年，貝爾實驗室研制出世界上第一臺全晶體管計算機TRADIC（見圖1-7）。這臺計算機裝有800個晶體管，僅100W功率，占地也只有約0.085m3。

第三代：中、小規模集成電路計算機（20世紀60年代中期至20世紀70年代初）

1958年，美國物理學家基爾比（J.Kilby）和諾伊斯（N.Noyce）同時發明集成電路。圖 1-8 所示為第一個集成電路。集成電路的問世催生了微電子產業，采用集成電路作為邏輯組件成為第三代計算機的最重要特征，微過程控制開始普及。

第三代計算機的杰出代表有IBM公司的IBM 360（見圖1-9）及CRAY公司的巨型計算機CRAY-1（見圖1-10）等。

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1964年，英特爾（Intel）公司的創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）以3頁紙的短小篇幅，發表了一個奇特的理論。摩爾天才地預言：集成電路上能被集成的晶體管數目每18～24個月會翻一番，并在以后數十年內保持著這種勢頭。

摩爾的這個預言，因集成電路芯片后來的發展曲線得以證實，并在較長時期內保持著有效性，被人們稱為“摩爾定律”。

第四代：大規模、超大規模集成電路計算機（20世紀70年代初至現在）

隨著集成電路技術的迅速發展，采用大規模和超大規模集成電路及半導體存儲器的第四代計算機開始進入社會的各個領域，計算機逐漸開始分化為通用大型機、巨型機、小型機和微型機。

1971年，因特爾公司發布了世界上第一個商業微處理器 4004（其中，第一個“4”表示它可以一次處理4位數據，第二個“4”表示它是這類芯片的第4種型號），如圖1-11所示，每秒可執行6萬次運算。在圖1-12中，一個小于1.613cm2的集成電路就可以含有超過100萬個電路元器件。

新一代計算機

新一代計算機過去習慣上被稱為第五代計算機，是對第四代計算機以后的各種未來型計算機的總稱。它能夠最大限度地模擬人類大腦的機制，具有人的智能，能夠進行圖像識別、研究學習和聯想等。

隨著計算機科學技術和相關學科的發展，在不遠的未來，研制成功新一代計算機的目標必定會實現。

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2010年1月27日，蘋果公司在美國舊金山歐巴布也那藝術中心（Yerba Buena Center for the Arts）發布iPad平板電腦，如圖1-13所示。iPad的定位介于蘋果公司的智能手機iPhone和筆記本電腦產品之間，提供瀏覽互聯網、收發電子郵件、觀看電子書、播放音頻或視頻、玩游戲等功能。

階段總結

計算機發展過程中，各階段的特點如表1-1所列。

（3）計算機的發展趨勢。回顧計算機的發展歷程，不難看出計算機的發展趨勢：現代計算機的發展正朝著巨型化、微型化的方向發展，計算機的傳輸和應用正朝著網絡化、智能化的方向發展。如今計算機越來越廣泛地應用于人們的工作、學習、生活中，對社會和生活起到不可估量的影響。圖1-14所示為計算機發展的趨勢圖。

① 巨型化：指具有運算速度高、存儲容量大、功能更完善等特點的計算機系統。

② 微型化：基于大規模和超大規模集成電路的飛速發展。

③ 網絡化：計算機技術的發展已經離不開網絡技術的發展。

④ 智能化：要求計算機具有人的智能，能夠進行圖像識別、定理證明、研究學習等。

2.計算機的分類

計算機種類很多，可以從不同的角度對計算機進行分類。按照計算機原理分類，可分為數字式電子計算機、模擬式電子計算機和混合式電子計算機；按照計算機用途分類，可分為通用計算機和專用計算機；按照計算機性能分類，可分為巨型機、小巨型機、大型機、小型機、工作站和個人計算機六大類。