计算机发展简介-大学计算机文化基础

计算机是20世纪人类最重大的科学技术发明之一。计算机的出现，为人类发展科学技术、创造文化提供了新的现代化工具，它把人类带入了一个崭新的信息化社会。

世界上第一台电子计算机诞生于1946年，半个多世纪以来，计算机技术飞速发展。随着硬件和软件不断升级换代，计算机功能越来越强大，应用范围日益广阔，对人类社会的生产方式、工作方式、生活方式和学习方式都产生了极其深刻的影响。

1.计算机发展的几个阶段

1946年2月14日，世界上第一台电子数字计算机诞生，取名为ENIAC（埃尼阿克）（如图1-1-1所示）。ENIAC 是英文Electronic Numerical Integrator and Calculator（电子数字积分计算机）的缩写。这台计算机是为解决弹道计算问题而研制的，主要研制人是美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇莱（J.W.Mauchly）和艾克特（J.P.Eckert）。ENIAC 计算机的问世，宣告了电子计算机时代的到来。

图1-1-1　世界上第一台计算机（ENIAC）

世界上第一台电子计算机ENIAC 不能存储程序，只能存储20 个字长为10 位的十进制数。1944年7月，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼博士（如图1-1-2所示）在莫尔电气工程学院参观了正在组装的ENIAC 计算机，一个更完整的计算机体系方案在他头脑中形成，并于1946年提出了成为人类计算机发展史上一个重要里程碑的《关于电子计算机逻辑结构初探》的论述。该论述总结了莫尔电气工程学院小组的设计思想，描述了新机器的逻辑系统和结构，首先提出了在电子计算机中存储程序的全新概念，奠定了存储程序式计算机的理论基础，确立了现代计算机的基本结构，被称为冯·诺依曼体系结构（见图1-1-3）。根据冯·诺依曼提出的改进方案，科学家们不久便研制出了人类第一台具有存储程序功能的计算机——EDVAC。

图1-1-2　冯·诺依曼博士

图1-1-3　计算机中存储程序的结构模型

从1946年美国研制成功世界上第一台电子数字计算机至今，按计算机所采用的电子器件来划分，计算机的发展已经历了四个阶段，如表1-1-1所示。

表1-1-1　计算机的发展历程

续表

2.我国计算机发展历程简介

我国的计算机事业开始于20世纪50年代中期。1956年，我国编制了《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（草案）》。在选定的六个重点项目中，计算机技术被列为其中之一。当年年底，中国科学院计算技术研究所开始筹建，我国的计算机事业开始起步。

从1956年至今的几十年中，我国也经历了第一代（电子管）、第二代（晶体管）、第三代（集成电路）和第四代（大规模集成电路）计算机的研制过程。我国在中文信息处理方面的研究与开发工作取得了一系列重大成果，计算机应用已深入经济建设和人民生活的各个方面，其广度和深度仍在不断拓展和提高。

3.微型计算机的发展

微型计算机诞生于20世纪70年代。20世纪80年代初，当时世界上最大的计算机制造公司——美国IBM 公司推出了命名为IBM PC 的微型计算机。PC 是英文“Personal Computer”的缩写，翻译成中文就是“个人计算机”或“个人电脑”，因此人们通常把微型计算机叫作PC 机或个人电脑（如图1-1-4所示）。微型计算机的体积小，安装和使用都十分方便，对环境没有太严格的要求，而且价格也相对比较便宜，推出不久便显示出了它的强大生命力。在随后的10年中，世界上许多计算机制造公司先后推出了各种型号品牌的286、386、486、Pentium（奔腾）等档次的微型计算机。到20世纪90年代，微型计算机以不可阻挡之势迅猛发展，全面渗透到社会的各个领域，以难以想象的速度和效率深刻地影响和渗透到人们工作与生活的方方面面，改变着我们的思想和观念。

图1-1-4　微型计算机类型演进

一台微型计算机通常由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。其中运算器和控制器被集成在一个芯片上，这样的芯片被称为微处理器，或中央处理器（CPU，Central Processing Unit）。微型计算机的核心部件是微处理器。微处理器是微型计算机中技术含量最高、对性能影响最大的部件，它的性能决定着微型计算机的性能，因而微型计算机的发展与微处理器的发展紧密相关。世界上生产微处理器的公司主要有Intel、AMD、IBM 等几家。美国的Intel（英特尔）公司是推动微型计算机发展最为著名的微处理器公司。

4.计算机的发展趋势

微视频：互联网时代

1964年，Intel 公司创始人之一摩尔博士（G.Moore）曾预言：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18 个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持这种势头（1975年，他把翻一番的速度修改为两年）。摩尔所做的这个预言，被集成电路的发展历史所证明，并在较长时期内保持有效，被人誉为“摩尔定律”，即“IT 业第一定律”。例如，1971年，Intel 公司的霍夫发明的第一个微处理器4004 中集成了2300 个晶体管，每秒执行6 万次运算，其计算能力比ENIAC 计算机更强大。到1997年该公司推出奔腾Ⅱ芯片时，集成的晶体管数已超过750 万个，运算速度达到每秒5.8 亿次。科学家曾预言，微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限。1995年高能奔腾微处理器的电路线宽为0.35 微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07～0.08 微米，超过极限则光刻工艺难以为继。因此，摩尔定律描述的增长趋势必然会有中断的时候。然而，近年来迅速发展起来的纳米技术，大大地延长了摩尔定律的有效期。据Intel 公司格洛夫推测，摩尔定律至少还能够有效发挥15～20年的作用。他认为2011年的一个硅芯片，能够集成的晶体管数是10 亿个，运行速度为每秒执行1000 亿条指令，性能超过高能奔腾芯片的250 倍，是最初4004 芯片的43.5 万倍。将来，由生物芯片或量子器件替代硅芯片，会引来新一轮冲击波。

微处理器的发展大大地推动了计算机的发展，目前性能价格比大幅度跃升，个人计算机主存容量普遍达4GB 以上，处理器核心多为4 核、8 核，甚至更多。新一代的操作系统采用友好的图形界面，使用户学习和使用计算机更加容易。面向对象的程序设计语言的使用，使程序员能更快、更好地设计高质量的软件。将来计算机的发展趋势将表现在以下几个方面。

（1）多极化

虽然今天个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对大型机、巨型机的需求也在稳步增长。巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。

（2）网络化

网络化是指利用现代通信和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，以共享软、硬件和数据资源。网络是计算机技术和通信技术结合的产物，虽然已出现很多年，但直到近十几年才开始形成热潮，并走向家庭。

（3）多媒体

多媒体是20世纪80年代末、90年代初发展起来的一项新技术。过去人机交互的媒介仅是文字，而多媒体技术则是以图形、图像、声音、文字等多种媒介进行人机交互。在短短的十几年中，多媒体技术已走向成熟，计算机辅助教学的蓬勃发展也全靠多媒体技术的支持。多媒体技术被认为是20世纪90年代信息领域的一次革命。(www.xing528.com)

（4）智能化

智能化是新一代计算机要实现的目标。日本曾经宣布的第五代计算机研制计划就是研制智能计算机。神经网络计算机和生物计算机更强调计算机像人一样能听、说，并具有逻辑思维能力。智能化的主要研究领域为：模式识别、机器人、专家系统、自然语言的生成与理解等。目前在这些领域都取得了不同程度的进展，将来随着第五代计算机的诞生，计算机技术将发展到一个更高、更先进的水平。

微视频：IBM 人机大赛

5.未来的计算机

未来的计算机技术将向超高速、超小型、平行处理、智能化的方向发展。尽管受到物理极限的约束，采用硅芯片的计算机的核心部件CPU 的性能还会持续优化。

同时计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供常规输入手段（如语音输入、手写输入）外，让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术（VR）是这一领域发展的集中体现。

传统的磁存储、光盘存储容量继续攀升，新的海量存储技术趋于成熟，新型的存储器存储容量更大。信息的永久存储也将成为现实，千年存储器可以抗干扰、抗高温、防震、防水、防腐蚀。如今的大量文献可以原汁原味保存，并流芳百世。

（1）新型计算机系统不断涌现

硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越接近其物理极限，为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次从量到质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

①量子计算机

量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。

量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0 或1，也可以既存储0 又存储1。因此一个量子位可以存储2 个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算。目前正在开发中的量子计算机有3 种类型：核磁共振（NMR）量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。

②光子计算机

光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子、光互连代替导线互连、光硬件代替计算机中的电子硬件、光运算代替电运算。

与电子计算机相比，光子计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道密度极大。一枚直径5 分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。光的并行、高速，天然地决定了光计算机的并行处理能力很强，具有超高速运算速度。超高速电子计算机只能在低温下工作，而光子计算机在室温下即可开展工作。光子计算机还具有与人脑相似的容错性。系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。

③生物计算机（分子计算机）

生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。

20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA）处于不同状态时可以代表信息的有或无。DNA 分子中的遗传密码相当于存储的数据，DNA 分子间通过生化反应，从一种基因代码转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。如果能控制这一反应过程，那么就可以制作成功DNA 计算机。

蛋白质分子比硅晶片上的电子元件要小得多，彼此相距甚近，生物计算机完成一项运算，所需的时间仅为10 微微秒，比人的思维速度快100 万倍。DNA 分子计算机具有惊人的存储容量，1 立方米的DNA 溶液，可存储1 万亿亿的二进制数据。DNA 计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与生物活体相连。预计10～20年后，DNA 计算机将进入实用阶段。

④纳米计算机

“纳米”是一个计量单位，一个纳米等于10-9米，大约是氢原子直径的10 倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。

现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积为数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

目前，纳米计算机的研制已有一些鼓舞人心的消息。惠普实验室的科研人员已开始应用纳米技术研制芯片，一旦他们的研究获得成功，将为其他缩微计算机元件的研制和生产铺平道路。

（2）移动计算技术与系统

随着因特网的迅猛发展和广泛应用、无线移动通信技术的成熟以及计算机处理能力的不断提高，新的业务和应用不断涌现。移动计算正是为提高工作效率、随时能够交换和处理信息而提出的，已成为产业发展的重要方向。

移动计算包括三个要素：通信、计算和移动。这三个方面既相互独立又相互联系。移动计算概念提出之前，人们对它们的研究时间已经很长了，移动计算是第一次把它们结合起来进行研究。它们可以相互转化。例如，通信系统的容量可以通过计算处理（信源压缩、信道编码、缓存、预取）得到提高。

移动性可以给计算和通信带来新的应用，但同时也带来了许多问题。最大的问题就是如何面对无线移动环境带来的挑战。在无线移动环境中，信号要受到各种各样的干扰和衰落的影响，会有多径和移动，给信号带来时域和频域弥散、频带资源受限、较大的传输时延等问题。在这样的环境下，引出了很多在移动通信网络和计算机网络中未遇到的问题。

①信道可靠性问题和系统配置问题。有限的无线带宽、恶劣的通信环境使各种应用必须建立在一个不可靠的、可能断开的物理连接上。在移动计算网络环境下，移动终端位置的移动要求系统能够实时进行配置和更新。

②为了真正实现在移动中进行各种计算，必须要对宽带数据业务进行支持。

③如何将现有的主要针对话音业务的移动管理技术拓展到宽带数据业务。

④如何把一些在固定计算网络中的成熟技术移植到移动计算网络中。

面向全球网络化应用的各类新型微机和信息终端产品将成为主要产品。便携计算机、手机和终端产品，以及各种手持式个人信息终端产品，已经把移动计算与数字通信融合为一体。应用这些技术，手机被嵌入高性能芯片和软件后，可依据标准的无线通信协议上网，观看电视、收听广播；汽车也可以向用户提供上网、办公、家庭娱乐等功能，成为车轮上的信息平台。