第2章 计算机发展史分析

第2章计算机发展史张凯博士教授计算机科学技术系电话：[phone]邮件：[e-mail]1946年之前古典计算机器时代1946～至今现代计算机时代1985年以后计算机发展的新方向——个人计算机与智能计算机计算机的发展历史一、机械计算机1.机械式加法机法国人帕斯卡于17世纪制造出一种机械式加法机，它成为世界上第一台机械式计算机。2.机械式乘法机1672年德国人莱布尼兹发明了乘法计算机。3.差分机和分析机英国人查尔斯·巴贝奇研制出差分机和分析机，为现代计算机设计思想的发展奠定基础。在计算机发展史上，差分机和分析机占有重要的地位。分析机差分机4.手摇式机械计算机手摇计算机是1878年由一位在俄国工作的瑞典发明家奥涅尔制造的，这是一种齿数可变的齿轮计算机。德国的布龙斯维加公司，他们从1892年起投产，到1912年，年产量已高达2万台。图是1936年荷兰飞利浦公司制造的一种二进制手摇机械式计算机。5.畅销的机械计算机1893年，德国人施泰格尔研制出一种叫作“大富豪”的计算机。这种计算机是在法国人伯列制作的计算机基础上发展而来的。图是第一台电穿孔卡片设备，配有计数器，打孔器，接触压力机和分类箱。6.制表机与IBM公司1884年，美国人赫勒里特获得了制表机的第一项专利权。1896年，赫尔曼·赫勒里特在他的发明基础上，创办了当时著名的制表机公司。1911年，赫勒里特又组建了一家计算制表记录公司，该公司到1924年改名为“国际商用机器公司”，这就是举世闻名的美国IBM公司。图是刚刚研制出来竖式穿孔卡电分类制表机的踌躇满志的赫尔曼·赫勒里特。7.微分分析仪1930年，美国麻省理工学院和哈佛大学的博士V.布什，在一些工程技术人员的协助下，试制出一台微分分析仪的样机。左图，布什发明的微分分析仪是一台用电机带动的计算机，运算装置由机械构成。右图2，布什博士和其他技术人员正在微分分析仪上进行工作。他们的操作与现代电子计算机的操作相去甚远。二、计算机前期准备1.图灵提出重要概念1936年，年仅24岁的英国人图灵发表了著名的《论应用于决定问题的可计算数字》一文，提出思考实验原理计算机概念。2.信息论的创始人香农首次阐明了布尔代数在开关电路上的作用1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现3.德国科学家朱斯于20世纪30年代开始研制著名的Z系列计算机1934年，德国人朱斯开始研制一种利用机械键盘的计算机。这与巴贝奇分析机原理相类似。4.K型计算机K型计算机是美国人斯蒂比兹1937年11月发明的。4.M型系列计算机1939年9月，美国贝尔实验室研制出M—1型计算机。1944年和1945年，贝尔实验室又先后研制出M—3与M—4型机。1949年，贝尔实验室又制造出了M—6型计算机。5.阿塔纳索夫提出了计算机的三原则1939年10月，美国理论物理学家阿塔纳索夫与贝利合作，设计并试制成功一台世界上最早的电子数字计算机的样机，称为“ABC机”。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：（1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；（2）利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；（3）采用把计算功能和二进制数更新存贮的功能相分离的结构。6.维纳的计算机五原则（1）不是模拟式，而是数字式；（2）由电子元件构成，尽量减少机械部件；（3）采用二进制，而不是十进制；（4）内部存放计算表；（5）在计算机内部存贮数据。第一代计算机1946年~1957年：1944年到1945年间，冯∙诺依曼主持设计了EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)方案，它明确了计算机由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。1946年，冯∙诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯等人在EDVAC方案的基础上，提出了《电子计算机逻辑设计初探》的设计报告，标志着电子计算机时代的真正开始。冯∙诺依曼是20世纪最伟大的全才之一6.英国的“巨人”计算机1943年12月，第一台“巨人”计算机在英国投入运行。它破译密码的速度快，性能可靠，内部有1500只电子管，配备5个以并行方式工作的处理器，每个处理器以每秒5000个字符的速度处理一条带子上的数据。1944年6月，第2台“巨人”计算机开始运转，它的速度比第一台“巨人”快4倍。7.美国的全机电式计算机1944年，“马克”1号计算机问世，于哈佛大学投入运行。它是在美国麻省理工学院的物理学家艾肯的指导下，完成研制的。（左图）“马克”1号（MARKI）大型计算机于1944年8月7日投入运行（右图）这是艾肯于1949年9月研制成功的“马克”3号计算机。三、电子计算机1.第一台电子计算机1946年2月15日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）宣告研制成功。“埃尼阿克”的成功，是计算机发展史上的一座纪念碑，是人类在发展计算技术的历程中，到达的一个新的起点。2.第一代电子计算机的发展1949年5月，英国剑桥大学数学实验室根据冯·诺伊曼的思想，制成电子延迟存贮自动计算机“埃迪萨克”（EDSAC），这是第一台带有存储程序结构的电子计算机。从1953年起，美国的IBM公司开始批量生产应用于科研的大型计算机系列，从此电子计算机走上了工业生产阶段。下图是在第一代电子计算机中使用的磁鼓。磁鼓被用来作为电子计算机中数据与指令的存储器，它的使用是计算机发展史上重大的技术进步3.第二代电子计算机（晶体管）1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090。1964年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机441—B型。4.第三代电子计算机（集成电路）1958年，世界上第一个集成电路诞生。1964年4月7日，美国IBM公司同时在14个国家，全美63个城市宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功。5.第四代计算机（超大规模集成电路）在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。6.第五代电子计算机（智能计算机）第五代电子计算机是智能电子计算机，它是一种有知识，会学习，能推理的计算机，具有能理解自然语言，声音，文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维，联想，推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集，记忆，检索有关知识的能力。7.巨型电子计算机的应用巨型电子计算机是相对于大型计算机而言的一种运算速度更高，存储容量更大，功能更完善的计算机。巨型机是指每秒能运算5000万次以上，存储容量超过百万个字的电子计算机。在军事上，巨型机主要应用在快速判明目标和辅助决策，在高速自动化指挥控制系统中心，在破译技术以及核武器，航天工具等装备的设计和模拟方面都是主力。在民用方面，巨型机的使用日渐广泛，已深入到机械，气象，电子，人工智能等几十个学科领域。在大型科学计算领域内，其他的机种难以与之抗衡。8.巨型并行矢量计算机矢量计算机也被称为“向量计算机”，它是一种能够进行矢量运算，以流水处理为主要特征的电子计算机。对多组数据（每组一般为两个数据）成批地进行同样的运算，得到一批结果的运算方法，即被称为“矢量运算”。9.第六代神经计算机（模仿人类大脑功能）第六代电子计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。神经电子计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆，视觉和声音识别能力。四、计算机小型化1.20世纪60年代的小型化1960年，美国数据设备公司（DEC）生产了第一台速度为每秒3000次的小型集成电路计算机2.70年代的微机和个人电脑英特尔公司在1971年和1972年先后开始生产4004和8008微处理器，以及由它们构成的MCS-4和MCS-8微型计算机。1976年，美国硅谷的乔布斯和沃兹匹克这两个年仅20岁的青年设计成功了“苹果”微型机，为计算机进入家庭首开先河。3.笔记本型电脑问世进入20世纪90年代以来，个人电脑开始向膝上机发展，笔记本型电脑尤其受人欢迎。4.袖珍计算机1992年，美国一家计算机公司推出一种袖珍的计算机，大小与能装在口袋里的日历薄差不多。5.超小型智能化计算机电子计算机发展到第三代，开始出现了小型化倾向。计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等。6.介于大型计算机与个人电脑之间的工作站工作站是20世纪80年代迅速发展起来的一种计算机系统，介于高档PC机与小巨型机之间。工作站是一种新型高性能的计算机系统，它以其独特的计算能力，良好的用户界面，优异的图形功能和灵活的网络环境，成为计算机家族中的一名新成员。五、多样化计算机探索1.光计算机的研制2.DNA电脑3.高速超导计算机4.量子计算机研究六、中国计算机发展史古典时代：在早期计算工具和算学理论的发明创造方面，中国曾取得极其辉煌的成就：中国古代经典发明创造：中国古代经典发明创造：中国古代用阳、阴两爻构成的八卦，被认为是世界上最早的二进制表示法由八卦演变而来的算术罗经1.第一代电子管计算机研制(1958-1964年)104机103机119机1958年，中国研制成功第一台小型电子管计算机2.第二代晶体管计算机研制(1965-1972年)109乙机加以改进，两年后又推出109丙机，为用户运行了15年，有效算题时间10万小时以上，在我国两弹试验中发挥了重要作用，被用户誉为“功勋机”。109机3.第三代基于中小规模集成电路的计算机研制(1973-80年代初)1973年，北京大学与北京有线电厂等单位合作研制成功运算速度每秒100万次的大型通用计算机。1983年中国科学院计算所完成我国第一台大型向量机－757机，计算速度达到每秒1000万次。757机4.第四代基于超大规模集成电路的计算机研制(80年代中期至今)“银河”计算机从1978年开始研制，到1983年通过了国家鉴定。它是由中国国防科技大学自行设计的第一个每秒向量运算1亿次的巨型计算机系统。银河-I2008年8月31日报道：全国首台突破百万亿次运算速度的超级计算机“曙光5000”由中国科学院计算技术研究所、曙光信息产业有限公司自主研制成功。其浮点运算处理能力可以达到230万亿次(交付用户使用能力200万亿次)，Linpack速度预测将达到160万亿次，这个速度将有望让中国高性能计算机再次跻身世界前十。除了超强计算能力，它还拥有全自主、超高密度、超高性价比、超低功耗以及超广泛应用等特点。“天河一号”2009年由国防科技大学在长沙研制成功，具备每秒钟1206万亿次的峰值速度和每秒563.1万亿次的Linpack实测性能。“天河一号”成功研制使中国成为继美国之后第二个能研制千万亿次计算机的国家。在2009年11月全球超级计算机TOP500排名榜中，排名第五。用“天河一号”计算一秒的速度相当于全国13亿人连续计算88年，而其存储量则相当于4个馆藏2700万册的国家图书馆藏书量之和。2010年8月5日从国家超级计算天津中心了解到，中国首台国产千万亿次超级计算机——“天河一号”的机柜等主要设备已运抵天津滨海新区，进行系统装配。美国克雷公司制造的“美洲虎”（Ｊａｇｕａｒ）以每秒１７５９万亿次的实测性能和２３３１万亿次的峰值性能高居榜首。我国研制的曙光４０００Ａ和曙光５０００Ａ超级计算机曾两次位居世界第１０名。天河一号’是第一台采用ｃｐｕ／ｇｐｕ混合异构系统的超级计算机，体现了