计算机发展与诞生

计算机的产生源于计算的需求，计算机的发展更来源于计算需求的空前高涨，通信技术的现代化、互联网的出现和“一统天下”，更得益于计算机的迅猛发展，它们都在为信息的传输、处理和共享这个共同的目标而各尽所能并殊途同归.归根结底，营销型网站建设信息技术的发生、发展起源于计算，归宿于计算。

计算工具的源头可以追溯到2000多年前的春秋战国时期。古代中国人发明的算筹是世界上最早的计算工具，如图3-1所示，计算的时候摆成纵式和横式两种形式，按照纵横相间的原则表示任何自然数，可进行加、减、乘、除、开方以及其他的代数计算。负数出现后，算筹分红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法在当时是世界上独一无二的。算筹为人类文明做出过巨大贡献，我国古代著名的数学家祖冲之，就是借助算筹计算出圆周率的值介于3. 1415926和3. 1415927之间的。

大约在六七百年前，中国人发明了更为方便的计算工具—算盘，如图3-2所示。珠算方法在我国商业活动中被广泛采用，因为它技术先进，工具轻便灵巧，所以一直沿用至今。许多人认为算盘是最早的数字计算机。
1614年，英国人奈普尔发明了对数。根据对数原理发明的计算尺可以通过简单地推拉来进行复杂的乘、除法运算，成为工程人员常备的计算工具。

随着工业技术的发展，需要进行大量大规模的复杂计算，而传统的计算工具无法将人们从繁重、机械的计算工作中解脱出来，因此计算工具随着应用需求的增加得到了进一步的发展。

1623年，德国图宾根大学的威尔海姆·什卡尔(Wilhelm Schickard)教授设计了第，一个带有进位机构、执行四则运算的计算设备模型，如图3-3所示。
  1642年，法国数学家布莱斯·帕斯卡设计并制造了用于数值计算的机械计算器，可以进行加减法运算，如图3-4所示。它用一个个齿轮表示数字，利用齿轮啮合装置，通过低位的齿轮转10圈、高位的齿轮转一圈来实现进位。这是手摇式计算器的雏形，其计算原理虽然简单，却符合人类的思维习惯，其影响也十分久远。为了纪念他的贡献，1971年，沃斯教授将其发明的一种高级程序设计语言命名为帕斯卡(Pascal)语言。
17至18世纪是人类计算技术发展的一个非常重要的时期。德国哲学家和自然科学家莱布尼兹在帕斯卡的思想与工作的影响下，对机械式计算器进行了重要的改进，他于1672年提出了不用连续相加而实现机械乘法的方案，并于1673年制成了第一台通用的机械计算器。这是一台能够实现四则运算的演算机，机器的关键部件是梯形轴，即齿长不同的圆柱。第一次实现了带有可变齿数的齿轮(如图3-5所示)，正是这种齿轮保证了乘除法的完成.随着计算工作量的急剧增长，也由于帕斯卡和莱布尼兹等人的大力提倡，18世纪欧洲各国对机械计算器的研制相当重视。

这个时期出现了很多种机械计算器。帕斯卡和莱布尼兹的工作奠定了手摇式计算器的理论基础。但是，不管是莱布尼兹计算器还是其他的机械计算器，它们和现代的电子计算机是有本质区别的，即这些计算器只能完成简单的四则运算，不能实现程序控制。 到了19世纪，英国数学家巴贝奇针对夭文和航海用表的计算需求，提出了一种差分机模型，如图3-6所示。在该模型的设计中，他首次考虑了程序控制的思想，这时距离现代计算机的诞生尚有133年。巴贝奇所设计的机器包括齿轮式寄存器、运算器以及专门控制操作顺序的机构等几个部分，在结构上已经与现代计算机很接近了。由于经费等方面的原因，这种差分机没有取得最后的成功。这是因为，巴贝奇的思想已经超越了他所处的时代，要使数千个齿轮在蒸汽动力的控制下精密无误地工作，难度的确太大了。

但是，巴贝奇这位计算机先驱对人们思想上的启迪是巨大的，差分机也被认为是现代计算机的鼻祖。巴贝奇未完成的样机至今仍陈列在英国伦敦大英博物馆内。

1944年8月7日，由IBM出资、美国人霍华德·艾肯(H. Aiken)负责研制的MARK-I计算机在哈佛大学正式运行，如图3-7所示。它采用继电器来代替齿轮等机械零件，装备了15万个元件和总长达800k。的电线，每分钟能够进行200次以上的运算。女数学家格雷斯·霍波(G. Hopper)为它编制了计算程序，并声明该计算机可以进行微分方程的求解。MARK-I计算机的问世不但实现了巴贝奇的夙愿，而且也代表了自帕斯卡计算器问世以来机械计算器和电动计算器的最高水平。 “第二次世界大战”结束后，美国军方开始大力发展新式武器。在新武器的研制中，弹道问题的研究要经过许多复杂的计算过程。这时，依靠以前的计算工具已远远不能满足要求，急需一种能够自动、快速完成计算过程的机器。基于这种需求，1946年在宾夕法尼亚大学，由两位年轻的物理学家莫奇利(J. W. Mauchly)和埃克特(J. P. Eckert )主持研制了世界上第一台电子计算机ENIAC(电子数字积分计算机)，如图3-8所示.ENIAC用了18 000多个电子管，占地170m2，总重量为30t，每秒可进行5000次加法运算。
现代电子计算机的理论模型是数学家图灵(Alan Mathison Turing)于1939年提出的图灵机(Turing's Machine)，因此他被称为计算机理论之父。为了纪念他，全世界计算机领域的最高荣誉奖设为“ACM图灵奖”。

图灵机是一种抽象的机器(假想的机器)，如图3-9所示.这个装置的组成部分为:一个无限长的纸带，一个读写头，一个控制器(图3-9中的那个大盒子，具有内部状态)，另外，还有一个程序对这个盒子进行控制。这个装置根据程序的命令以及它的内部状态进行纸带的读写和移动。纸带被分成了一个一个的小方格，每个小方格可以是空白或写人一个字符。 图灵机是这样工作的:读写头在纸带上读出一个方格的信息，并且根据它当前的内部状态对程序进行查表，然后得出一个输出动作，即往纸带上写信息或者把读写头移动到下一个方格。程序也会告诉它下一时刻会转移到哪一个内部状态.图灵机的产生，奠定了现代数字计算机的理论基础。根据图灵机这一基本而简洁的概念，还可以看到可计算的极限是什么。

冯·诺依曼是著名的美籍匈牙利数学家，1903年12月3日生于匈牙利布达佩斯的一个犹太人家庭.他曾对ENIAC的设计提出过建议。1945年3月，针对ENIAC的不足，他起草了EDVAC(电子离散变量自动计算机，如图3-10所示)设计报告初稿。在该方案中，冯·诺依曼做了以下两项重大改进:机内数制由原来的十进制改为二进制;采用存储程序方式来控制计算机的操作过程。 冯·诺依曼的工作对现代计算机的发展产生了深远的影响，莫定了现代计算机的基本体系结构。他提出的存储程序控制方式，就是把要执行的指令和要处理的数据按照一定的顺序编制成程序存储到计算机的内部让它自动执行，这种设计思想一直延续至今.因此，人们将冯·诺依曼称为现代计算机之父，将具有冯·诺依曼体系结构的计算机称为冯·诺依曼机。