1.1.1 计算机的发展史及分类

1.计算机的发展史

在了解计算机的发展史之前，要先弄清楚什么是计算机。

（1）计算机的概念。

计算机是一种能按照预先存储的程序，自动、快速、高效地对各种信息进行存储和处理的现代化智能电子设备。

计算机是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理并输出所需结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）以及相应的程序。计算机概念图解如图1-1所示。

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计算机的英文单词为Computer，原是指从事数据计算的人，而这些人往往都需要借助某些机械式计算机或模拟计算机进行数据计算。即使在今天，还能在许多地方看到这些早期计算设备的祖先之一——算盘的身影。有一种看法认为算盘是最早的数字计算机，而珠算口诀则是最早的体系化算法。

（2）计算机的发展。

下面把时钟拨回到360多年前，从计算机诞生的源头开始谈起，从一个历史旁观者的角度去观察计算机的发展历程。

①第零代：机械式计算机（1642~1945年）。

a.1642年诞生齿轮式加减法器。1642年，法国数学家帕斯卡（B. Pascal）采用与钟表类似的齿轮传动装置，研制出了世界上第一台十进制加减法器，如图1-2所示。这是人类历史上的第一台机械式计算机。此后，科学家们在这个领域里继续研究能够完成各种计算的机器，想方设法扩充和完善这些机械装置的功能。

b.1821年诞生差分机。1821年，英国数学家巴贝奇（C. Babbage）构想并设计了第一台完全可编程计算机——差分机，这是第一台可自动进行数学变换的机器。但由于技术条件、经费限制，以及巴贝奇无法忍耐对设计不停地修补，这台计算机最终没有问世。

c.1884年诞生制表机。1884年，美国人口普查局的统计学家霍列瑞斯（H. Hollerith）受到提花织机的启发，想到用穿孔卡片来表示数据，制造出了制表机，如图1-3所示，并获得了专利。制表机的发明是机械式计算机向电气技术转化的一个里程碑，标志着计算机作为一个产业开始初具雏形。

20世纪初，电子技术飞速发展，其代表产物有真空二极管和真空晶体管，这些都促进了真正的电子计算机的产生。根据组成电子计算机基本逻辑组件的不同，可以把电子计算机的发展分为4个阶段，每一个阶段在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。

②第一代：电子管计算机（1946年~20世纪50年代后期）。

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图1-4中左侧所示为世界上第一只电子管，也就是人们常说的真空二极管。直到图1-4右侧所示的真空晶体管发明后，电子管才成为了实用的器件。后来，人们又发现，真空晶体管除了可以处于放大状态外，还可充当开关器件，其速度是继电器的成千上万倍。于是，电子管很快受到计算机研制者的青睐，计算机的发展也由此跨进了电子的纪元。

第一代计算机采用电子真空管和继电器作为逻辑组件，构成处理器和存储器，并用绝缘导线将它们连接在一起。电子管计算机相比之前的机电式计算机，运算能力、运算速度和体积等都有了很大的进步。

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计算机的鼻祖——电子数值积分计算器（Electronic Numerical Integrator And Computer, ENIAC，又称埃尼阿克），如图1-5所示。1946年2月5日，出于美国对弹道研究的计算需要，世界上第一台电子计算机ENIAC问世。这个重达30t，由18800个电子管组成的庞然大物就是所有现代计算机的鼻祖。

ENIAC的诞生，宣告了人类从此进入电子计算机时代。从诞生那一天到现在的70多年里，伴随着电子器件的发展，计算机技术有了突飞猛进的进步，造就了如IBM、SUN、Microsoft等大型计算机软硬件公司，人类开始步入以电子科技为主导的新纪元。

③第二代：晶体管计算机（20世纪50年代后期~20世纪60年代中期）。

晶体管的发明标志着人类科技史进入了一个新的电子时代。第一只晶体管如图1-6所示。与电子管相比，晶体管具有体积小、重量轻、使用寿命长、发热少、功耗低、运行速度快等优点。晶体管的发明以及对其实用性的研究为半导体和微电子产业的发展指明了方向，同时为计算机的小型化和高速化奠定了基础。采用晶体管组件代替电子管成为第二代计算机的标志。

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1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机（TRADIC），如图1-7所示，其装有800只晶体管，但功率仅为100W，占地也只有3立方英尺（1英尺=30.48cm）。

④第三代：中、小规模集成电路计算机（20世纪60年代中期~70年代初）。

1958年，美国物理学家基尔比（J. Kilby）和诺伊斯（N. Noyce）同时发明了集成电路，第一个集成电路如图1-8所示。集成电路的问世催生了微电子产业，采用集成电路作为逻辑组件成为第三代计算机的重要特征，微过程控制开始普及。

第三代计算机的杰出代表有IBM公司的IBM 360，如图1-9所示，以及CRAY公司的巨型计算机CRAY-1，如图1-10所示。

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1964年，英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（G. Moore）以3页纸的短小篇幅发表了一个奇特的理论。摩尔预言：集成电路上能被集成的晶体管数目每18~24个月会翻一番，并在今后数十年内保持着这种势头。

摩尔的这个预言，通过集成电路芯片后来的发展曲线得以证实，并在较长时期内保持着有效性，被人们称为“摩尔定律”。

⑤第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（20世纪70年代初~现在）。

随着集成电路技术的迅速发展，采用大规模和超大规模集成电路及半导体存储器的第四代计算机开始进入社会的各个角落，计算机逐渐开始分化为通用大型机、巨型机、小型机和微型机。

1971年，Intel发布了世界上第一个商业微处理器4004（其中，第一个4表示它可以一次处理4位数据，第二个4代表它是这类芯片的第4种型号），其外观如图1-11所示，它每秒可执行60000次运算。一个小于1/4平方英寸（1英寸=2.54cm）的大规模集成电路可以含有超过100万个电路元器件，如图1-12所示。

⑥新一代计算机。

新一代计算机过去习惯上被称为第五代计算机，它是对第四代计算机以后各种未来型计算机的总称。它能够最大限度地模拟人类大脑的机制，具有人的智能，能够进行图像识别、研究学习和联想等。

随着计算机科学技术和相关学科的发展，在不远的未来，研制成功新一代计算机的目标一定会实现。

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近几年来，中国的芯片技术可谓发展迅速，在国家的支持下，有“中国芯”旗下一系列芯片的出现。中国芯，拆分来看，就是中国的芯片，有中国自主产权的芯片。进行代号为“中国芯”的生产行动，将芯片摆在自主创新的首位，研发具有中国特色的芯片，成为中国芯片行业的重中之重。芯片作为集成电路的载体，广泛应用在手机、航天乃至民众日常生活等各个领域，是一个国家工业水平的代表。图1-13所示为中国芯的示意图。

阶段总结

计算机发展过程中各阶段的特点如表1-1所示。

（3）计算机的发展趋势。

回顾计算机的发展历程，不难看出计算机的发展趋势。现代计算机的发展正朝着巨型化和微型化两个方向发展，计算机的传输和应用正朝着网络化和智能化两个方向发展。如今计算机越来越广泛地应用于人们的工作、学习、生活中，对社会有很多影响。计算机的发展趋势如图1-14所示。

①巨型化：指具有运算速度高、存储容量大、功能更完善等特点的计算机系统。

②微型化：指基于大规模和超大规模集成电路的飞速发展所形成的计算机系统。

③网络化：计算机技术的发展已经离不开网络技术的发展。

④智能化：要求计算机具有人的智能，能够进行图像识别、定理证明、研究学习等。

2.计算机的分类

计算机种类很多，可以从不同的角度对计算机进行分类。按照计算机的原理，可以分为数字式电子计算机、模拟式电子计算机和混合式电子计算机；按照计算机的用途，可以分为通用计算机和专用计算机；按照计算机的性能，可以分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机六大类。