1.2.1　计算机的产生及发展历程

1.计算机的产生

在漫长的人类进化和文明发展过程中，人类的大脑逐渐具备了一种特殊的本领，这就是把直观的形象变成抽象的数字，进行抽象思维活动，在这一过程中，人类才逐步创造和发展了计算工具。

人类最初的计算工具就是双手，掰指头算数是最早的计算方法。一个人有10个手指，因此十进制数也就自然成了人类最熟悉的进制计数法。严格意义上讲，人类社会早期，没有真正的计算工具，也没有复杂的计算需要，人们仅仅停留在“计数”阶段。由于双手的局限性，人们开始利用“可数”的东西进行计数，例如，利用“小石子”“结绳”计数等。

唐末宋初，发明了人类历史上第一种计算工具——算盘，它通过“算珠”的多少进行“计数”，通过“算珠”及其位置的变化实现计算。许多人也将其称为“手动计算机”，珠算口诀也被视为最早的体系化算法。算盘结合了十进制计数法和一整套计算口诀，其设计简单，操作易行，极具智慧，发明后出现许多变种，并以极强的生命力沿续下来，直至今日仍在加减运算和教育启智领域发挥着重要作用，其设计理念体现出了现代计算机的一些雏型思想。

1642年，机械计算机出现；1654年，计算尺产生；1887年，电动计算机产生，计算工具使用了电能，已和现代电子计算机有了一定“血缘”关系。然而这些计算工具都有其设计和使用上的致命缺点：一是不能自动运算；二是不能存储。现已基本被淘汰。

研制和开发新的计算工具的工作在不断地进行着。第二次世界大战期间，交战各国为加强军备竞赛，在开发和研制新武器的过程中，涉及弹道轨迹和角度的大量、复杂的计算，这时研制人员比任何时候都更迫切需要一种新的计算工具来辅助研究工作，并使他们从大量的计算中解脱出来。于是，一些较为发达的资本主义国家为其投入了大量的人力、物力来研制和开发新的计算机工具，并不断取得进展。

1946年，人类第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分计算机）在美国宾夕法尼亚大学诞生，它的出现，掀开了人类历史特别是科技发展史的新的一页，人们甚至把它誉为第三次工业革命的标志。它的出现是计算工具不断发展的结果。

第一台计算机可谓庞然大物，如图1-1所示。它用了18000个电子管（早期使用的一种被封闭在玻璃容器中的电信号放大器件）、1500个继电器（用较小电流去控制较大电流的一种“电子开关”），占地约170 m2、重约30t，功率为150kW，运算速度5000次/s（每秒做加法的次数），造价48万美元（相当于现在的1000多万美元），仅运行了10年就被送入了博物馆。很显然，如果计算机没有飞速发展，今天的普及使用是不可能的。

我国于1958年成功研制出了第一台电子计算机；1964年生产出第一台晶体管计算机；1971年研制成功集成电路计算机。1983年、1992年、1997年分别研制出了银河Ⅰ型、银河Ⅱ型、银河Ⅲ型每秒上亿次、上十亿次、上百亿次计算机。进入21世纪以来，2001年成功研制“曙光3000”巨型计算机，运算速度4000亿次/s；2004年“曙光4000A”运算速度10.2万亿次/s；2008年“曙光5000A”运算速度230万亿次/s，如图1-2所示。

2009年研制成功的超级计算机，运算速度达上千万亿次/s，2010年11月“天河一号”以4.7千万亿次/s的峰值速度，首次登上超级计算领域的世界之巅。“天河一号”的诞生，是我国高性能计算机发展史上新的里程碑，是我国战略高新技术和大型基础科技装备研制领域取得的又一重大创新成果，实现了我国自主研制超级计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机系统的国家。2013年11月18日，国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机系统，以峰值计算速度5.49亿亿次/s、持续计算速度3.39亿亿次/s双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全球最快的超级计算机。目前，我国在高性能计算机的研制领域仍保持着较高水平。

2.计算机的发展阶段

自第一台计算机出现后，计算机得到了飞速发展，在今天的计算机上已很难找到第一台计算机的踪影，这足以看出计算机发展速度之快。然而由于元器件的制约，其发展过程也是渐进的。人们根据计算机所采用的逻辑元器件的演变，将电子计算机的发展大致分为了四个阶段，见表1-1。

第一阶段：第一代电子管时代计算机（1946—1955）。这一代计算机使用了大量的电子管元件，使得计算机成本高，体积庞大，耗电量高，性能不够稳定，维护普及极为困难。

第二阶段：第二代晶体管时代计算机（1956—1963）。由于晶体管这种电子元件的出现，这个时代的计算机普遍采用了晶体管元件，使得计算机成本、体积、耗电量都有了进一步降低，性能更为稳定，运算速度大大得到提高。这一时期出现高级程序设计语言，如FORTRAN、ALGOL、COBOL等语言，计算机应用也扩大到数据处理领域中。

第三阶段：第三代中小规模集成电路时代计算机（1964—1970）。1964年4月，IBM公司推出了采用新概念设计的计算机IBM 360，宣布了第三代计算机的诞生。正像它名字中的数字所表示的那样，IBM 360有360°全方位的应用范围。

这一时期，由于半导体芯片及集成技术的出现，使集成电路得到了广泛运用，大量的分离元件都做到集成电路中，计算机元器件趋于稳定与成熟，计算机性能得到了强有力的提升。计算机开始广泛应用于各个领域。

第四阶段：第四代大规模、超大规模集成电路时代计算机（1971年至今）。1971年11月5日，Intel公司的霍夫（Marcian E.Hoff）研制成功世界上第一块4位微处理器芯片MPU（microprocessing unit）Intel 4004，并由它组装成第一台微型计算机MCS-4，由此揭开了微型计算机普及的序幕。计算性能远远超过当年的ENIAC，每秒执行6万条指令。1974年4月1日，Intel公司发布了8位微处理器芯片8080。12月，计算机爱好者埃德·罗伯茨利用8080微处理器设计出一款体积很小的计算机“Altair 8800”，这也是世界上第一台商用个人计算机，内存只有256B。与此同时，罗伯茨首次创造性地提出了PC（personal computer）这个崭新的概念，预示着微型计算机时代的到来。同年，当时还在哈佛大学实验室里的比尔·盖茨（Bill Gates）和保罗·艾伦（Paul Allen）开始用BASIC语言第一个为Altair计算机撰写各种程序。1975年，两人创办了今天大名鼎鼎的微软公司。