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电子计算机的诞生和发展
2020-07-22
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    内容提要:本文先介绍电子计算机的基本概念;再介绍世界第一台电子计算机的诞生,以及对此作出最重要贡献的人物;然后,简要叙述了计算机发展的四个世代。

    关键词:计算机  电脑  硬件  软件  阿塔那索夫  Atanasoff  图灵  Turing   诺依曼  Neumann

    电子计算机的基本概念

    电子计算机(Electronic Computer),又称电脑,是一种高度自动化的、能够按照预先设定的程序进行高速数值运算和逻辑判断的现代化职能电子设备;其内部被传送、存储和运算的信息都是以电信号形式表示的2进制数字。这就是电子计算机的定义。

    电子计算机包括电子数字计算机和电子模拟计算机。电子模拟计算机已经被淘汰了。现在所说的电子计算机都是指电子数字计算机。

    电子计算机系统由硬件(Hardware)和软件(Software)所组成。没有安装任何软件的计算机称为裸机。计算机硬件即计算机的机器系统,是构成电子计算机的所有电子器件、机械设备的总称。计算机软件主要指计算机程序;计算机的程序和相应的数据以及文档合称为计算机软件。

    电子计算机除了硬件、软件以外,还有“固件(Firmware)”。把计算机系统启动、运行时经常被调用并且不需要改动的程序存储在只读存储器(ROM)芯片中,即把软件固化在硬件(ROM)中,这就成为固件。

    典型的电子计算机硬件系统由控制器、运算器、存储器和输入/输出设备组成。计算机存储器包括主存储器和辅助存储器。由控制器、运算器和主存储器组成中央处理单元(CPU)。CPU电路都集成在一个芯片内。CPU是计算机硬件系统的核心。计算机输入/输出设备与辅助存储器合称为计算机外围设备。

    计算机仅有硬件还不能工作,还必须有一套程序,启动硬件核心工作,确定信息处理的规则和次序。这些计算机的程序就是计算机软件的主体。计算机软件包括系统软件和应用软件。计算机系统软件的核心是操作系统(OS)。

    电子计算机按性能和规模可分为巨型机(超级计算机)、大型机、中型机、小型机、工作站(Workstation)和微型机(个人计算机,PC)。微型机包括单片机(主要用于控制系统)和单板机(包括掌上电脑、平板电脑、笔记本电脑、智能手机等)。

    按照用途,电子计算机可分为通用计算机和专用计算机。通用计算机包括个人计算机(PC)即微型机、超级计算机等。专用计算机包括网络服务器、工业控制计算机、军用计算机、嵌入式计算机等。飞机、汽车、机器人等智能设备中都有嵌入式计算机。

    电子计算机的主要特点如下:

    (1)运算速度快。电子计算机的运算速度用每秒钟执行的指令条数来描述,常用每秒百万条指令MIPS描述。现在,世界上的小型机运算速度每秒百万次,中型机运算速度每秒千万次,巨型机运算速度每秒几十亿次,超级巨型计算机运算速度高达每秒10亿亿次。

    在江苏省无锡市的江南计算机研究所内,国家并行计算机工程技术研究中心研制成功超级计算机“神威·太湖之光”,其运算速度峰值性能为12.5亿亿次/秒,持续性能为9.3亿亿次/秒。从2016年6月至2017年11月,全球超级计算机500强,“神威·太湖之光”四次蝉联冠军。2019年11月18日,“神威·太湖之光”全球排名第三位。

    (2)具有记忆功能。电子计算机能记忆数据和程序,能按照人们预先设定的步骤自动地对保存的数据进行更新、修改、检索和取用,不需要人的干预。

    (3)具有逻辑判断能力。电子计算机可以根据人们规定的条件对数据进行分类、比较、选择,进行逻辑运算和推理判断。

    世界第一台电子计算机于1939年10月诞生。此后,电子计算机在80年时间内的发展经历了四代:电子管时代,晶体管时代,集成电路时代,大规模及超大规模集成电路时代。

    电子计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。电子计算机开辟了人类历史的新时代:信息时代。在信息时代,电子计算机是发展最快、能力最强、应用范围最广的生产力。

    电子计算机对人类的科学研究、技术开发、生产活动和社会活动产生了极其重要的影响。

    世界第一台电子计算机的诞生

    1937年,英国数学家艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing,1912-1954)在论文《关于可计算的数及其对判定问题的应用》提出了一种计算模型,后人称之为“图灵机”。这就是现代电子计算机的理论模型。1966年,美国计算机协会(Associative Computing Machine-ACM)为了纪念图灵对计算机科学技术的贡献,设立了“图灵奖(A. M. Turing Award)”,这是计算机科学技术的最高奖。

    1939年,美国爱阿华大学的教授约翰?文森特·阿塔那索夫(John Vincent Atanasoff,1903-1995)在他的研究生克利福特·贝瑞(Clifford E. Berry ,1818-1963)的帮助下研制发明了人类历史上第一台电子计算机。他在国际计算机界被称为“电子计算机之父”。

    爱阿华大学给阿塔那索夫研制电子计算机的经费只有650美元。

    世界第一台电子计算机的试验样机于1939年10月开始运转。这台计算机帮助爱阿华大学的教授和研究生们解算了若干复杂的数学方程。阿塔那索夫把这台机器命名为ABC(Atanasoff- Berry-Computer),其中,A、B分别取俩人姓氏的第一个字母,C即“计算机”的首字母。

    1946年,美国籍匈牙利裔科学家约翰·冯·诺依曼(John Von Neumann,1903-1957)与他的同事在普林斯顿大学设计了“离散变量自动电子计算机(EDVAC)”。按照发音,Neumann应该译为“纽曼”。在设计EDVAC时,Neumann提出了“存储程序(Stored Program)”理念。尽管EDVAC没有制成,但是,“存储程序”设计理念对于后来的计算机发展产生了深远的影响。因此,大多数中国出版的书籍上说,Neumann是“现代计算机之父”。Neumann本人否定他是“计算机之父”。

    1946年2月14日,通用电子计算机 ENIAC(埃尼阿克)诞生。ENIAC的研制者是莫奇利(J. W. Mauchley)和埃科特(J. P. Echert)。至今,还有很多中国计算机专业人士说,莫奇利和埃科特是第一台电子计算机发明人。

    关于电子计算机的真正发明人是谁,美国的有关人阿塔那索夫、莫奇利和埃科特曾经打了一场旷日持久的官司,法院开庭审讯135次。最后由美国的一个地方法院做出判决。1973年10月19日,法院当众宣布判决书:“莫奇利和埃科特没有发明第一台计算机,只是利用了阿塔那索夫发明中的构思。”理由是阿塔那索夫早在1941年,莫奇利到爱阿华参观时,就把他对电子计算机的技术秘密告诉过ENIAC的发明人莫奇利。法院判决的日期是尼克松“水门事件”暴光的前一天。第二天“水门事件”丑闻的报道铺天盖地,把判决结果湮没了。阿塔纳索夫没能因此名声大振。

    电子计算机的发展世代

    电子计算机的发展世代主要是以硬件核心的质量水平为标准划分的。从1939年10月世界第一台电子计算机诞生以来,电子计算机的发展经历了四代。

    第一代:电子管计算机(1939年-1958年)

    硬件方面:逻辑元件采用的是真空电子管;主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁心;外存储器采用磁带。

    软件方面:采用的是机器语言和汇编语言。1954年,第一个高级程序设计语言FORTRAN问世。FORTRAN语言的设计者约翰·巴克斯(John Backus)在1977年获得图灵奖。

    应用领域以军事和科学计算为主。

    电子管计算机的缺点是体积大,功耗高,可靠性差,速度慢(一般为每秒数千次至数万次),价格昂贵。

    第一台功能齐全的电子管计算机是ENIAC。

    1946年2月14日,由美国军方定制的电子计算机“电子数字积分计算器”(Electronic Numerical And Calculator- ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学问世了。ENIAC(埃尼阿克)是为美国奥伯丁武器试验场计算弹道需要而研制的。这台计算器使用了17840支电子管,大小为80英尺×8英尺;重达28吨,功耗为170 千瓦。ENIAC的运算速度为每秒5000次的加法运算。ENIAC的造价约为487000美元。

    ENIAC计算机

    第二代:晶体管计算机(1958年-1964年)

    硬件方面:晶体管作为逻辑器件;磁心(Magnetic Core)作主存储器;磁带、磁鼓、纸带、卡片、卡片穿孔机和卡片阅读机作输入输出设备。

    软件方面:使用操作系统;除机器语言和汇编语言外,使用高级程序设计语言(Algol、COBOL等)及其编译程序。Algol 60 语言的设计者彼得·诺尔(Peter Naur)获得2005年度的图灵奖。

    应用领域:以科学计算和数据(广义的数据,包括文字、数学符号等)处理为主,并开始进入工业控制领域。

    特点是体积缩小,能耗降低,可靠性提高,运算速度提高(一般为每秒数10万次,可高达300万次)。

    第二代计算机的代表性机器是:IBM公司研制的IBM 7094和数字设备公司(Digital Equipment Company-DEC)研制的PDP-1。

    第三代:集成电路计算机(1964年-1970年)

    硬件方面:逻辑器件采用集成电路(Integrated Circuit-IC),包括小规模 (Small Scale Integration-SSI)集成电路和中规模(Middle Scale Integration-MSI)集成电路;主存储器仍采用磁心,并逐渐被半导体存储器取代。

    软件方面:出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法;使用图形用户界面(Graphical User Interface-GUI)。

    应用领域:科学技术计算,数据处理,图像处理,信息管理,工业控制。

    特点是速度更快(一般为每秒数百万次至数千万次),而且可靠性有了显著提高,价格进一步下降,产品走向了通用化、系列化和标准化。

    具有代表性的第三代电子计算机有:IBM公司的32位大型计算机(Mainframe) System360系列;控制数据公司(Control Data Corporation-CDC)的超级计算机(Supercomputer) CDC-6600、CDC-6700。

    第三代小型机在计算机市场大受欢迎,其代表性机器是:DEC公司的8位小型机PDP-8和16位小型机PDP-11。

    第四代:大规模集成电路计算机(1971年至今)

    硬件方面:逻辑器件采用大规模(Large Scale Integration-LSI)集成电路和超大规模(Very Large Scale Integration-VLSI)集成电路;主存储器使用半导体存储器;外存储器有磁鼓、磁盘、光盘、U-盘等。

    软件方面:使用操作系统UNIX(包括Linux)、Windows等等;数据库管理系统(DBMS) dBase、Oracle等;多功能程序设计语言C++、Java等;面向对象的程序设计语言;各行各业的应用软件。

    1971年11月,英特尔(Intel)公司研制的世界上第一台微处理器芯片4004在美国硅谷诞生,开创了人类使用微型计算机的新时期。

    1976年,克雷(Cray)公司推出世界上首台运算速度超过每秒1亿次的超级计算机Cray-1。

    应用领域:从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭,并且扩展到各个领域、各个行业。

    我国于1983年研制成功每秒运算1亿次的银河Ⅰ巨型计算机以后;1993年研制成功每秒运算10亿次的银河Ⅱ型通用并行巨型计算机。2016年,超级巨型计算机“神威?太湖之光”峰值性能为12.5亿亿次/秒,运算速度世界第一。

    超级计算机“神威·太湖之光”

    第五代:巨大规模集成电路计算机或者具有人工智能的电子计算机

    什么是第五代电子计算机?计算机界有两种观点:

    其一,有些人沿着按集成电路的集成度划分计算机发展世代的标准,第五代电子计算机是“巨大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration-ULSI)”计算机。这样,在硬件方面,第四代计算机与第五代计算机没有明显的分界线。

    其二,很多人认为,第五代电子计算机是智能计算机,具有广博的知识、会自动学习、能够思维推理。这样,第四代计算机与第五代计算机的区别主要是在软件方面。而在硬件方面,第四代计算机与第五代计算机根本没有分界线。

    此外,还有些人提出:第五代计算机是“原子计算机”、“分子计算机”、“量子计算机”、“生物计算机”等。但是,这些计算机都不是电子计算机。

    微型计算机的发展世代

    关于微型机的发明、组成和发展,我们将在另一篇文章中阐述。


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草根简介


江西南昌人,毕业于清华大学,20世纪80年代到美国学习和工作。善良厚道,诚信正直;知识渊博,信仰坚定;经验丰富,阅历广泛;意志坚强,精力充沛。在中国、美国和国际上获得三十多次奖励,拥有30多个名誉职务和荣誉称号,是美国马魁斯名人录出版社和英国剑桥国际传记中心认定的世界名人。E-mail:wu.guofa@yahoo.com.cn
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