第一篇 网络管理基础

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1 第 一 部 分 计 算 机 组 成 与 结 构 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 计 算 的 历 史 十 分 悠 久, 可 以 追 朔 到 原 始 人 用 手 指 计 算 石 头 计 算 或 结 绳 计 算, 当 文 化 越 来 越 复 杂 社 会 越 来 越 进 步, 计 算 工 具 也 在 相 应 变 化, 现 代 计 算 机 的 出 现 就 源 于 这 种 需 求 计 算 机 无 疑 是 人 类 历 史 上 最 伟 大 发 明 之 一 如 果 说, 蒸 汽 机 的 发 明 导 致 了 工 业 革 命, 使 人 类 社 会 进 入 了 工 业 社 会, 那 么 计 算 机 的 发 明 则 导 致 了 信 息 革 命, 使 人 类 社 会 进 入 了 信 息 社 会 世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机 1946 年 诞 生 于 美 国 宾 西 法 尼 亚 大 学, 名 叫 ENIAC 60 余 年 来, 计 算 机 及 计 算 机 科 学 与 技 术 发 展 之 迅 猛 是 当 初 发 明 者 所 始 料 未 及 的, 如 今, 计 算 已 经 无 所 不 在, 计 算 机 及 计 算 机 技 术 已 经 深 入 生 产 生 活 各 个 方 面 这 个 给 人 类 带 来 巨 大 变 革 的 机 器 是 如 何 诞 生 的? 它 诞 生 至 今 走 过 了 怎 样 的 历 程? 有 哪 些 发 展 趋 势? 在 它 诞 生 之 前, 计 算 工 具 的 演 变 历 程 又 是 怎 样 的? 有 哪 些 历 史 人 物 为 计 算 机 的 诞 生 做 出 过 重 要 贡 献? 这 些 正 是 本 章 要 介 绍 的 内 容 1.1 计 算 机 的 史 前 时 代 计 算 机 的 概 念 除 了 平 常 所 说 的 电 脑 外, 还 包 括 机 械 式 计 算 机 和 机 电 式 计 算 机, 它 们 的 历 史 都 早 于 电 子 计 算 机 此 处 所 说 计 算 机 的 史 前 时 代 指 计 算 机 出 现 之 前 计 算 工 具 的 发 展 历 史 计 算 机 之 所 以 区 别 于 其 他 计 算 机 工 具, 主 要 是 由 于 计 算 机 可 以 执 行 程 序, 至 少 可 以 自 动 进 行 一 系 列 计 算, 而 其 他 计 算 工 具 的 每 一 步 计 算 都 需 要 人 工 干 预 没 有 这 些 还 称 不 上 计 算 机 的 计 算 工 具 的 历 史, 没 有 人 们 对 计 算 逐 步 进 化 的 认 识, 没 有 人 们 对 计 算 永 不 停 止 的 追 求, 现 代 计 算 机 就 不 会 研 制 出 来 本 节 主 要 介 绍 计 算 机 出 现 之 前 计 算 工 具 的 发 展 历 史 石 头 计 算 到 算 盘 计 算 机 的 史 前 史 应 该 从 计 算 工 具 开 端, 至 少 可 以 追 溯 到 我 们 祖 先 用 石 头 或 手 指 帮 助 计 数 的 远 古 时 代 美 国 著 名 科 普 大 师 阿 西 莫 夫 说 过, 人 类 最 早 的 计 算 机 是 手 指 ; 古 人 也 曾 用 石 头 计 算 捕 获 的 猎 物, 石 头 就 是 他 们 的 计 算 工 具 中 国 数 学 史 专 家 考 证, 大 约 在 新 石 器 时 代 早 期, 即 远 古 传 说 里 伏 羲 黄 帝 之 前, 人 们 使 用 的 是 结 绳 计 数, 即 用 绳 子 打 结 的 多 少 来 表 示 数 的 概 念 当 我 们 的 祖 先 告 别 了 结 绳 记 数, 数 学 萌 芽 让 人 类 开 始 了 数 字 化 生 存 的 初 次 尝 试 从 公 元 前 四 五 千 年 起, 美 索 不 达 米 亚 两 河 流 域 苏 美 尔 人 在 发 明 楔 形 文 字 的 同 时, 也 在 泥 板 上 刻 下 了 人 类 最 早 的 一 批 数 字 符 号, 如 图 1.1 所 示 图 1.1 泥 板 上 的 数 字 符 号 1

2 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 算 盘, 是 由 古 代 的 筹 算 演 变 而 来 的 筹 算 就 是 运 用 筹 码 一 种 削 制 竹 签 来 进 行 运 算 中 国 古 代 使 用 的 算 筹 ( 见 图 1.2) 多 用 竹 子 制 成, 一 般 长 为 13~14cm, 直 径 0.2~ 0.3cm, 古 人 创 造 了 纵 式 和 横 式 两 种 不 同 的 摆 法, 两 种 摆 法 都 可 以 用 1~9 九 种 数 字 来 计 算 任 意 大 的 自 然 数, 与 现 代 通 行 的 十 进 制 计 数 法 完 全 一 致, 显 示 了 中 国 古 代 人 民 高 超 的 数 学 才 能 公 元 500 年 前, 中 国 南 北 朝 时 期 的 数 学 家 祖 冲 之, 借 助 算 筹 作 为 计 算 工 具, 成 功 地 将 圆 周 率 π 值 计 算 到 小 数 点 后 的 第 7 位, 成 为 当 时 世 界 上 最 精 确 的 π 值, 比 法 国 数 学 家 韦 达 的 相 同 成 就 早 了 多 年 算 盘 ( 见 图 1.3) 是 人 类 经 过 加 工 制 造 出 来 的 第 一 种 计 算 工 具, 是 我 国 古 代 发 明 创 造 的 重 要 成 就 之 一, 至 今 已 有 一 千 多 年 的 历 史 了, 直 到 今 天, 它 仍 然 是 许 多 人 钟 爱 的 计 算 机 算 盘 最 早 记 录 于 汉 朝 人 徐 岳 撰 写 的 数 术 记 遗 一 书 里, 书 载 : 珠 算 控 带 四 时, 经 纬 三 才 由 于 珠 算 口 诀 便 于 记 忆, 运 算 方 便, 算 盘 一 时 间 风 靡 海 内 外, 并 且 逐 渐 传 入 日 本 朝 鲜 越 南 泰 国 等 地, 随 后, 又 经 一 些 商 人 和 旅 行 家 带 到 欧 洲, 逐 渐 向 西 方 传 播, 对 世 界 数 学 的 发 展 产 生 了 重 要 的 影 响 图 1.2 中 国 古 代 算 筹 图 1.3 中 国 古 代 的 9 档 算 盘 计 算 尺 和 计 算 器 1. 计 算 尺 17 世 纪 初, 计 算 工 具 在 西 方 呈 现 了 较 快 的 发 展 势 头 因 发 明 对 数 而 闻 名 于 世 的 英 国 数 学 家 约 翰 纳 皮 尔 (John Napier), 1612 年 发 明 了 一 种 新 的 计 算 工 具 纳 皮 尔 算 筹, 如 图 1.4 所 示 它 由 一 些 长 条 状 的 木 棍 组 成, 木 棍 的 表 面 雕 刻 着 类 似 于 乘 法 表 的 数 字, 每 个 木 棍 9 格, 除 第 1 格 外, 其 余 格 都 被 一 个 对 角 斜 线 划 分 成 两 部 分 纳 皮 尔 用 它 来 帮 助 进 行 乘 法 计 算, 根 据 乘 数 和 被 乘 数 排 列 好 木 棍 的 顺 序, 仅 需 要 做 简 单 的 加 法 就 能 计 算 出 乘 积, 从 而 大 大 简 化 了 数 值 计 算 过 程 2

3 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 图 1.4 纳 皮 尔 及 其 发 明 的 纳 皮 尔 算 筹 纳 皮 尔 算 筹 只 是 纳 皮 尔 的 附 带 发 明, 他 在 数 学 领 域 最 伟 大 的 贡 献 是 1614 年 发 表 的 对 数 概 念, 这 影 响 了 整 整 一 代 数 学 家, 并 极 大 地 推 动 了 数 学 向 前 发 展, 随 后 出 现 的 计 算 尺 正 是 基 于 对 数 原 理 的 英 国 牧 师 威 廉 奥 却 德 (William Oughtred) 对 纳 皮 尔 算 筹 和 对 数 计 算 十 分 感 兴 趣 1622 年, 奥 却 德 在 圆 盘 边 缘 标 注 对 数 刻 度, 然 后 让 上 面 的 标 尺 转 动 起 来, 就 可 以 制 成 一 种 基 于 对 数 运 算 法 则 的 仪 器, 用 加 减 法 来 替 代 乘 除, 如 图 1.5 所 示 图 1.5 奥 却 德 及 发 明 的 圆 形 计 算 尺 18 世 纪 末, 蒸 汽 机 的 发 明 人 瓦 特 将 奥 却 德 的 圆 形 计 算 尺, 改 造 成 了 具 有 滑 标 的 直 尺 形 状, 如 图 1.6 所 示 这 就 是 18 世 纪 ~19 世 纪 工 程 师 最 喜 爱 的 计 算 工 具 计 算 尺, 它 不 仅 能 做 加 减 乘 除 乘 方 开 方 运 算, 甚 至 可 以 计 算 三 角 函 数 指 数 函 数 和 对 数 函 数, 它 一 直 使 用 到 袖 珍 电 子 计 算 器 面 世 为 止 图 1.6 风 靡 18~19 世 纪 的 计 算 尺 3

4 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 2. 计 算 器 1957 年, 卡 西 欧 公 司 制 作 了 世 界 上 第 一 台 商 用 小 型 电 子 计 算 器, 如 图 1.7 所 示 后 来, 电 子 计 算 器 功 能 越 来 越 完 全 体 积 越 来 越 小, 甚 至 可 以 毫 不 费 劲 地 装 入 口 袋, 因 而 被 称 为 袖 珍 计 算 器, 图 1.8 所 示 的 是 一 台 普 通 的 袖 珍 电 子 计 算 器 即 使 是 在 计 算 机 如 此 发 达 的 今 天, 袖 珍 电 子 计 算 器 仍 然 有 其 广 泛 的 市 场 图 1.7 Casio 14-A 第 一 台 商 用 小 型 电 子 计 算 器 图 1.8 一 台 普 通 的 袖 珍 电 子 计 算 器 4

5 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 1.2 机 械 式 计 算 机 平 常 所 说 的 电 脑 指 的 是 电 子 计 算 机 即 现 代 计 算 机, 在 电 子 计 算 机 出 现 之 前, 从 17 世 纪 ~19 世 纪 长 达 两 百 多 年 的 时 间 里, 一 批 杰 出 的 科 学 家 相 继 进 行 了 机 械 计 算 机 的 研 究, 这 些 机 器 虽 然 构 造 简 单 性 能 不 够 好, 但 其 工 作 原 理 与 现 代 计 算 机 极 为 相 似, 为 现 代 计 算 机 的 产 生 奠 定 了 基 础 契 卡 德 计 算 机 几 乎 就 在 英 国 牧 师 奥 却 德 完 成 计 算 尺 研 制 的 同 一 时 期, 德 国 图 宾 根 大 学 的 一 位 教 授 威 廉 契 克 卡 德 (Wilhelm Schickard) 曾 经 于 1623 年 制 作 出 一 台 机 械 计 算 机 契 克 卡 德 计 算 机 能 做 6 位 数 加 减 法, 或 许 设 置 了 某 种 溢 出 响 铃 装 置 ; 机 器 上 部 附 加 一 套 圆 柱 型 纳 皮 尔 算 筹, 因 此 也 能 进 行 乘 除 运 算 人 们 现 在 大 都 把 第 一 台 机 械 计 算 机 的 荣 誉 归 功 于 法 国 的 帕 斯 卡, 实 际 上 契 克 卡 德 计 算 机 早 于 帕 斯 卡 的 加 法 器, 但 契 克 卡 德 当 时 只 造 了 两 台 原 型 机, 且 没 有 保 存 下 来, 不 为 人 们 所 知, 后 来, 人 们 是 在 他 的 一 封 信 里 发 现 了 该 机 器 的 示 意 图, 才 知 道 了 这 个 事 实 图 1.9 所 示 的 机 器 是 1960 年 契 克 卡 德 家 乡 的 人 根 据 示 意 图 重 新 制 作 出 来 的 图 1.9 契 克 卡 德 及 契 卡 德 计 算 机 帕 斯 卡 加 法 机 人 类 历 史 上 第 一 台 机 械 式 计 算 机, 是 由 法 国 数 学 家 物 理 学 家 和 思 想 家 布 莱 斯 帕 斯 卡 (Blaise Pascal) 在 1642 年 发 明 的 能 自 动 进 行 加 减 运 算 的 加 法 机 帕 斯 卡 加 法 机 是 一 种 系 列 齿 轮 组 成 的 装 置, 如 图 1.10 所 示 外 壳 用 黄 铜 材 料 制 作, 是 一 图 1.10 帕 斯 卡 及 其 加 法 机 5

6 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 个 长 20inch 宽 4inch 高 3inch 的 长 方 盒 子, 面 板 上 有 一 列 显 示 数 字 的 小 窗 口, 旋 紧 发 条 后 才 能 转 动, 用 专 用 的 铁 笔 来 拨 动 转 轮 以 输 入 数 字 帕 斯 卡 后 来 总 共 制 造 了 50 台 同 样 的 机 器, 其 中, 有 两 台 至 今 还 保 存 在 巴 黎 国 立 工 艺 博 物 馆 里 帕 斯 卡 从 加 法 机 的 成 功 中 得 出 结 论 : 人 的 某 些 思 维 过 程 与 机 械 过 程 没 有 差 别, 因 此 可 以 设 想 用 机 械 模 拟 人 的 思 维 活 动 莱 布 尼 兹 乘 法 机 1674 年, 德 国 伟 大 的 数 学 家 因 独 立 发 明 微 积 分 而 与 牛 顿 齐 名 的 戈 特 弗 里 德 莱 布 尼 茨 (Gottfried Leibnitz) 发 明 了 乘 法 机, 如 图 1.11 所 示 这 是 第 一 台 可 以 运 行 完 整 四 则 运 算 的 计 算 机, 长 100cm 宽 30cm 高 25cm, 主 要 由 不 动 的 计 数 器 和 可 动 的 定 位 机 构 两 部 分 组 成, 整 个 机 器 由 一 套 齿 轮 系 统 传 动 图 1.11 莱 布 尼 兹 及 其 乘 法 机 莱 布 尼 茨 对 计 算 机 的 贡 献 不 仅 在 于 乘 法 机, 公 元 1700 年 左 右, 莱 布 尼 茨 从 一 位 友 人 送 给 他 的 中 国 易 图 ( 八 卦 ) 里 受 到 启 发, 最 终 悟 出 了 二 进 制 数 的 真 谛, 他 率 先 提 出 了 二 进 制 的 运 算 法 则 在 著 名 的 不 列 颠 百 科 全 书 里, 莱 布 尼 茨 被 称 为 西 方 文 明 最 伟 大 的 人 物 之 一 编 织 的 程 序 提 花 编 织 机 最 早 出 现 在 中 国 在 我 国 出 土 的 战 国 时 代 墓 葬 物 品 中, 就 有 许 多 用 彩 色 丝 线 编 织 的 漂 亮 花 布, 它 们 都 是 由 提 花 编 织 机 织 出 来 的, 而 要 掌 握 这 项 技 术 却 决 非 易 事, 因 为 所 有 操 作 全 部 需 要 经 过 手 工 完 成 据 史 书 记 载, 西 汉 年 间, 钜 鹿 县 纺 织 工 匠 陈 宝 光 的 妻 子, 能 熟 练 地 掌 握 提 花 编 织 机 操 作 技 术, 她 的 机 器 配 置 了 120 根 经 线, 平 均 60 天 即 可 织 成 一 匹 花 布, 每 匹 价 值 万 钱 明 朝 刻 印 的 天 工 开 物 一 书 中, 还 赫 然 地 印 着 一 幅 提 花 机 的 示 意 图, 如 图 1.12 所 示 中 国 提 花 机 后 经 丝 绸 之 路 传 入 西 方, 引 起 了 西 方 纺 织 机 械 师 们 的 兴 趣 和 思 考 : 如 何 能 够 让 编 织 机 自 动 按 照 设 定 的 图 案 编 织 呢? 1725 年, 法 国 纺 织 机 械 师 贝 斯 莱 布 乔 (Basile Bouchon) 突 发 奇 想, 想 出 了 一 个 穿 孔 纸 带 的 绝 妙 主 意 布 乔 首 先 设 法 用 一 排 编 织 针 控 制 所 有 的 经 线 运 动, 然 后 取 来 一 卷 纸 带, 根 据 图 案 打 出 一 排 排 小 孔, 并 把 它 压 在 编 织 针 上 启 动 机 器 后, 正 对 着 小 孔 的 编 织 针 能 穿 过 去 钩 起 经 线, 其 他 的 针 则 被 纸 带 挡 住 不 动 这 样 一 来, 编 织 针 就 自 动 按 照 预 先 设 计 的 图 案 去 挑 选 经 线 6

7 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 图 1.12 天 工 开 物 中 记 载 的 小 花 楼 提 花 机 另 一 位 法 国 机 械 师 约 瑟 夫 杰 卡 德 (Joseph Jacquard), 大 约 在 1805 年 完 成 了 布 乔 的 设 想, 设 计 制 造 成 了 自 动 提 花 编 织 机 如 图 1.13 所 示 杰 卡 德 编 织 机 千 疮 百 孔 的 穿 孔 卡 片, 不 仅 让 机 器 编 织 出 绚 丽 多 彩 的 图 案, 而 且 意 味 着 程 序 控 制 思 想 的 萌 芽, 穿 孔 纸 带 和 穿 孔 卡 片 也 广 泛 用 于 早 期 计 算 机 以 存 储 程 序 和 数 据 图 1.14 所 示 的 是 在 曼 彻 斯 特 科 学 与 工 业 博 物 馆 中 展 出 的 杰 卡 德 自 动 编 织 机 图 1.13 杰 卡 德 及 其 自 动 提 花 编 织 机 (a) 正 面 图 (b) 侧 面 图 ( 布 乔 穿 孔 卡 片 ) 图 1.14 英 国 曼 彻 斯 特 科 学 与 工 业 博 物 馆 中 的 杰 卡 德 编 织 机 7

8 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 差 分 机 和 分 析 机 在 计 算 机 发 展 史 上, 差 分 机 和 分 析 机 占 有 重 要 的 地 位, 它 们 为 现 代 计 算 机 的 诞 生 奠 定 了 理 论 基 础 它 们 的 研 制 者 英 国 剑 桥 大 学 教 授 查 尔 斯 巴 贝 奇 (Charles Babbage), 因 此 而 被 后 人 称 为 现 代 计 算 机 的 奠 基 人, 如 图 1.15 所 示 巴 贝 奇 是 一 位 富 有 的 银 行 家 的 儿 子,1791 年 出 生 在 英 格 兰 西 南 部 的 托 特 纳 斯 童 年 时 代 的 巴 贝 奇 就 显 示 出 极 高 的 数 学 天 赋, 从 剑 桥 大 学 毕 业 后 留 校 任 教,24 岁 即 受 聘 担 任 剑 桥 大 学 路 卡 辛 讲 座 的 数 学 教 授, 这 是 只 有 牛 顿 等 科 学 大 师 才 能 获 得 的 殊 荣 巴 贝 奇 不 但 精 于 科 学 理 论, 更 喜 欢 将 科 学 应 用 在 各 种 发 明 创 造 上 巴 贝 奇 的 第 一 个 目 标 是 制 作 一 台 差 分 机 差 分 的 含 义, 是 把 函 数 表 的 复 杂 算 式 转 化 为 差 分 运 算, 用 简 单 的 加 法 代 替 平 方 运 算 巴 贝 奇 从 杰 卡 德 的 提 花 编 织 机 上 获 得 了 灵 感, 在 差 分 机 设 计 中 闪 烁 出 了 程 序 控 制 的 灵 光 它 能 够 按 照 设 计 者 的 旨 意, 自 动 处 理 不 同 函 数 的 计 算 过 程 巴 贝 奇 耗 费 了 整 整 10 年 光 阴, 于 1822 年 制 成 了 差 分 机, 如 图 1.16 所 示 它 可 以 处 理 3 个 不 同 的 5 位 数, 计 算 精 度 达 到 6 位 小 数, 当 即 就 演 算 出 好 几 种 函 数 表 图 1.15 现 代 计 算 机 的 奠 基 人 查 尔 斯 巴 贝 奇 图 1.16 巴 贝 奇 制 作 的 差 分 机 1834 年, 巴 贝 奇 提 出 他 的 通 用 计 算 机 分 析 机 设 想, 并 希 望 它 能 自 动 解 算 有 100 个 变 量 的 复 杂 算 题, 每 个 数 达 25 位, 速 度 达 到 每 秒 运 算 一 次 分 析 机 包 括 齿 轮 式 存 贮 仓 库 (Store) 和 运 算 室 即 作 坊 (Mill), 还 有 他 未 给 出 名 称 的 控 制 器 装 置, 以 及 在 存 贮 仓 库 和 作 坊 之 间 运 输 数 据 的 输 入 输 出 部 件 这 种 天 才 的 设 想, 与 现 代 计 算 机 五 大 部 件 的 逻 辑 结 构 惊 人 一 致 但 是 直 到 巴 贝 奇 去 世, 分 析 机 也 没 能 造 出 来, 可 巴 贝 奇 的 绝 妙 构 思 为 后 人 留 下 了 一 笔 巨 大 的 财 富, 后 来 的 计 算 机 研 制 专 家 无 不 为 巴 贝 奇 的 设 计 方 案 喝 彩 现 代 计 算 机 的 先 驱 之 一, Mark-I 计 算 机 的 设 计 者, 美 国 的 艾 肯 博 士 曾 感 慨 万 分 地 说 : 假 如 巴 贝 奇 晚 生 70 年, 我 可 就 得 失 业 了 1991 年, 为 了 纪 念 巴 贝 奇 200 周 年 诞 辰, 英 国 肯 圣 顿 (Kensington) 科 学 博 物 馆 根 据 这 些 图 纸 ( 见 图 1.17) 重 新 建 造 了 一 台 差 分 机 在 复 制 过 程 中, 只 发 现 图 纸 存 在 着 几 处 小 的 错 误 复 制 者 特 地 采 用 18 世 纪 中 期 的 技 术 设 备 来 制 作, 不 仅 成 功 地 造 出 了 机 器, 而 且 可 以 正 常 运 转, 如 图 1.18 所 示 8

9 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 图 1.17 分 析 机 的 设 计 图 纸 之 一 图 1.18 后 人 根 据 巴 贝 奇 的 图 纸 造 出 来 的 分 析 机 提 到 巴 贝 奇 的 分 析 机, 必 须 提 到 一 位 伟 大 的 女 性, 她 就 是 奥 古 斯 塔 艾 达 拜 伦 (Augusta Ada Byron) 伯 爵 夫 人 英 国 著 名 诗 人 拜 伦 的 女 儿, 被 称 为 世 界 第 一 位 计 算 机 程 序 员, 如 图 1.19 所 示 她 帮 助 巴 贝 奇 研 究 分 析 机, 建 议 用 二 进 制 数 代 替 原 来 的 十 进 制 数 她 还 指 出 分 析 机 可 以 编 程, 并 发 现 了 编 程 的 要 素, 她 还 为 某 些 计 算 开 发 了 一 些 指 令, 并 预 言 计 算 机 总 有 一 天 会 演 奏 音 乐 图 1.19 世 界 上 第 一 位 程 序 员 奥 古 斯 塔 艾 达 拜 伦 夫 人 9

10 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 手 摇 计 算 机 1873 年, 美 国 人 弗 兰 克 鲍 德 温 (Frank Baldwin) 利 用 自 己 过 去 发 明 的 齿 数 可 变 齿 轮, 设 法 制 造 出 一 种 小 型 计 算 机 样 机, 并 立 即 申 报 了 专 利, 由 于 它 工 作 时 需 要 摇 动 手 柄, 被 人 称 为 手 摇 式 计 算 机, 如 图 1.20 所 示 三 年 后, 寄 居 俄 国 的 瑞 典 工 程 师 奥 涅 尔 在 欧 洲 也 生 产 出 类 似 的 手 摇 式 计 算 机 10

11 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 图 1.20 鲍 德 温 及 其 手 摇 计 算 机 鲍 德 温 和 奥 涅 尔 计 算 机 都 属 于 台 式 机, 在 电 子 计 算 器 发 明 前 一 直 是 办 公 室 和 家 庭 主 要 的 计 算 装 置 手 摇 式 计 算 机 后 来 发 展 成 按 键 式, 并 且 配 上 了 马 达, 成 为 电 动 计 算 机 1.3 从 机 械 到 电 子 的 进 程 无 论 是 帕 斯 卡 的 加 法 机 巴 贝 奇 的 分 析 机, 还 是 鲍 德 温 的 手 摇 计 算 机, 它 们 都 采 用 机 械 零 件, 主 要 采 用 机 械 传 动 原 理 工 作, 而 下 面 要 提 到 的 制 表 机 首 次 采 用 电 气 控 制 技 术 取 代 纯 机 械 装 置, 这 是 计 算 机 发 展 史 上 的 一 次 飞 跃, 也 标 志 着 由 机 械 计 算 机 时 代 向 电 子 计 算 机 时 代 迈 进 穿 孔 制 表 机 穿 孔 卡 是 早 期 计 算 机 输 入 信 息 的 设 备, 通 常 可 以 储 存 80 列 数 据 它 是 一 种 很 薄 的 纸 片, 面 积 为 190mm 84mm 首 次 使 用 穿 孔 卡 技 术 的 数 据 处 理 机 器, 是 美 国 统 计 专 家 赫 尔 曼 霍 列 瑞 斯 (Herman Hollerith) 博 士 的 伟 大 发 明 霍 列 瑞 斯 博 士 是 德 国 侨 民, 早 年 毕 业 于 美 国 哥 伦 比 亚 大 学 矿 业 学 院 大 学 毕 业 后 来 到 人 口 调 查 局, 人 口 普 查 工 作 的 繁 琐 和 极 易 出 错 使 他 一 直 在 思 考, 怎 样 才 能 减 轻 劳 动 强 度 减 少 错 误? 霍 列 瑞 斯 把 每 个 人 的 调 查 项 目 依 次 排 列 于 一 张 卡 片, 然 后 根 据 调 查 结 果 在 相 应 项 目 的 位 置 上 打 孔 霍 列 瑞 斯 博 士 巧 妙 的 设 计 在 于 自 动 统 计 他 在 机 器 上 安 装 了 一 组 盛 满 水 银 的 小 杯, 穿 好 孔 的 卡 片 就 放 置 在 这 些 水 银 杯 上 卡 片 上 方 有 几 排 精 心 调 好 的 探 针, 探 针 连 接 在 电 路 的 一 端, 水 银 杯 则 连 接 于 电 路 的 另 一 端 与 杰 卡 德 提 花 机 穿 孔 纸 带 的 原 理 类 似 : 只 要 某 根 探 针 撞 到 卡 片 上 有 孔 的 位 置, 便 会 自 动 跌 落 下 去, 与 水 银 接 触 接 通 电 流, 启 动 计 数 装 置 前 进 一 个 刻 度 1888 年, 霍 列 瑞 斯 博 士 完 成 自 动 制 表 机 设 计 并 申 报 了 图 1.21 陈 列 在 博 物 馆 中 的 自 动 制 表 机 ( 墙 上 照 片 为 霍 列 瑞 斯 11 )

12 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 专 利, 如 图 1.21 所 示 虽 然 霍 列 瑞 斯 发 明 的 并 不 是 通 用 计 算 机, 除 了 能 统 计 数 据 表 格 外, 它 几 乎 没 有 别 的 什 么 用 途, 然 而, 制 表 机 穿 孔 卡 第 一 次 把 数 据 转 变 成 二 进 制 信 息 在 以 后 的 计 算 机 系 统 里, 用 穿 孔 卡 片 输 入 数 据 的 方 法 一 直 沿 用 到 20 世 纪 70 年 代, 数 据 处 理 也 发 展 成 为 计 算 机 的 主 要 功 能 之 一 杰 卡 德 的 自 动 编 织 机 和 霍 列 瑞 斯 的 自 动 制 表 机 分 别 开 创 了 程 序 设 计 和 数 据 处 理 之 先 河, 正 是 这 种 程 序 设 计 和 数 据 处 理, 构 成 了 计 算 机 软 件 的 雏 形 依 托 自 己 发 明 的 制 表 机,1896 年, 霍 列 瑞 斯 博 士 创 办 了 一 家 专 业 制 表 机 公 司,1911 年 并 入 CTR( 计 算 机 制 表 记 录 ) 公 司, 这 是 著 名 的 IBM 公 司 的 前 身 1924 年,CTR 公 司 更 名 为 国 际 商 业 机 器 公 司 (International Business Machines Corporation), 英 文 缩 写 IBM 电 子 文 明 的 曙 光 电 子 二 极 管 三 极 管 1883 年, 美 国 天 才 发 明 家 托 马 斯 爱 迪 生 (Thomas Edison) 的 一 次 偶 然 发 现 单 向 电 子 流 效 应 ( 爱 迪 生 效 应 ), 引 起 了 大 洋 彼 岸 的 一 位 英 国 青 年 工 程 师 约 翰 弗 莱 明 (John Fleming) 的 关 注 和 思 考 1904 年, 为 了 解 决 无 线 电 信 号 的 检 波 问 题, 弗 莱 明 在 实 验 室 重 新 摆 弄 起 爱 迪 生 的 那 次 试 验, 当 然, 他 对 试 验 进 行 了 改 进, 就 是 这 次 试 验 使 他 发 明 了 真 空 二 极 管 可 以 将 交 流 电 信 号 整 流 成 单 向 流 动 的 直 流 电, 如 图 1.22 所 示 电 子 管 确 实 是 计 算 机 理 想 的 开 关 元 件, 虽 然 弗 莱 明 的 真 空 二 极 管 尚 未 达 到 计 算 机 高 速 开 关 的 要 求, 但 我 们 似 乎 已 经 看 到 采 用 电 子 器 件 制 作 计 算 机 的 曙 光 1906 年, 为 了 提 高 真 空 二 极 管 检 波 灵 敏 度, 美 国 青 年 发 明 家 李 德 福 雷 斯 特 (Lee De Forest) 在 弗 莱 明 的 玻 璃 管 内 添 加 了 一 种 栅 栏 式 的 金 属 网, 形 成 电 子 管 的 第 三 个 极 他 惊 讶 地 看 到, 这 个 栅 极 仿 佛 就 像 百 叶 窗, 能 控 制 阴 极 与 屏 极 之 间 的 电 子 流 ; 只 要 栅 极 有 微 弱 电 流 通 过, 就 可 在 屏 极 上 获 得 较 大 的 电 流, 而 且 波 形 与 栅 极 电 流 完 全 一 致 也 就 是 说, 福 雷 斯 特 发 明 了 能 够 起 放 大 作 用 的 真 空 三 极 管, 这 使 得 电 子 管 的 实 用 价 值 大 大 提 高, 从 而 促 成 了 无 线 电 通 信 技 术 的 迅 速 发 展 因 发 明 电 子 三 极 管 的 成 就, 福 雷 斯 特 被 后 人 称 为 电 子 管 之 父, 如 图 1.23 所 示 图 1.22 弗 莱 明 及 其 发 明 的 电 子 二 极 管 图 1.23 电 子 管 之 父 李 德 福 雷 斯 特 12

13 电 子 三 极 管 及 原 理 图 如 图 1.24 所 示 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 在 帕 洛 阿 托 市 的 福 雷 斯 特 故 居, 至 今 依 然 矗 立 着 一 块 小 小 的 纪 念 牌, 以 市 政 府 名 义 书 写 着 一 行 文 字 : 李 德 福 雷 斯 特 在 此 发 现 了 电 子 管 的 放 大 作 用, 用 来 纪 念 福 雷 斯 特 的 伟 大 发 明 为 新 兴 电 子 工 业 所 奠 定 的 基 础 这 个 地 方, 如 今 已 成 为 全 球 闻 名 的 硅 谷 电 子 管 主 要 在 无 线 电 装 置 里 充 当 检 波 整 流 放 大 和 振 荡 元 件, 它 的 诞 生 为 通 信 广 播 电 视 等 相 关 技 术 的 生 长 发 展 铺 平 了 道 路 人 们 不 久 后 还 发 现, 按 照 不 同 的 电 路 形 式, 真 空 三 极 管 除 了 可 以 处 于 放 大 状 态 外, 还 可 分 别 处 于 饱 和 与 截 止 状 态 饱 和 即 从 阴 极 到 屏 极 的 电 流 完 全 导 通, 相 当 于 开 关 开 启 ; 截 止 即 从 阴 极 到 屏 极 没 有 电 流 流 过, 相 当 于 开 关 关 闭 ; 两 种 状 态 可 以 由 栅 极 进 行 控 制, 其 控 制 速 度 要 比 艾 肯 的 继 电 器 快 倍 这 样 用 电 子 器 件 构 成 计 算 机 很 快 就 会 成 为 现 实 各 种 各 样 的 电 子 管 如 图 1.25 所 示 图 1.24 电 子 三 极 管 及 原 理 图 图 1.25 各 种 各 样 的 电 子 管 1918 年, 前 苏 联 科 学 家 布 鲁 叶 维 奇 研 制 出 电 子 管 触 发 器 第 二 年, 英 国 物 理 学 家 爱 克 尔 斯 与 乔 丹, 把 两 个 三 极 管 和 两 个 电 阻 连 接 起 来, 也 制 成 了 一 种 触 发 电 路 一 个 触 发 电 路 可 以 存 储 一 个 二 进 制 数, 若 干 个 触 发 电 路 可 以 组 成 寄 存 器 寄 存 器 是 计 算 机 在 工 作 时 暂 时 存 放 数 据 或 指 令 的 一 种 装 置 触 发 电 路 的 发 展, 为 计 算 机 技 术 的 发 展 创 造 了 条 件 冲 击 最 后 的 技 术 壁 垒 1.Z 系 列 计 算 机 有 一 位 德 国 工 程 师, 后 来 被 人 称 为 数 字 计 算 机 之 父, 他 的 名 字 叫 克 兰 德 楚 泽 (Konrad Zuse), 如 图 1.26 所 示 楚 泽 生 活 在 法 西 斯 统 治 下 的 德 国, 他 无 从 得 知 美 国 科 学 家 研 制 计 算 机 的 消 息, 甚 至 也 没 有 听 说 巴 贝 奇 和 霍 列 瑞 斯 的 名 字 1935 年 楚 泽 大 学 毕 业, 在 一 家 飞 机 制 造 厂 找 到 了 工 作, 由 于 经 常 需 要 对 飞 机 强 度 作 出 分 析, 繁 琐 的 计 算 使 他 萌 生 了 制 造 一 台 计 算 13 图 1.26 数 字 计 算 机 之 父 克 兰 德 楚 泽

14 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 机 的 念 头 (1)Z 年,28 岁 的 楚 泽 在 黑 暗 中 摸 索, 靠 着 顽 强 的 毅 力, 终 于 完 成 了 一 台 可 编 写 程 序 的 二 进 制 计 算 机 Z-1, 存 储 器 用 滑 动 的 金 属 制 成, 运 作 得 很 理 想, 但 算 术 部 件 不 太 成 功 由 于 没 有 任 何 人 支 持, 他 花 光 了 自 己 的 几 千 马 克, 还 是 无 法 买 来 合 适 的 零 件, 因 此,Z-1 计 算 机 实 际 上 是 一 台 实 验 模 型, 未 能 投 入 使 用 (2)Z-2 第 二 年, 楚 泽 的 朋 友 给 了 他 一 些 电 话 公 司 废 弃 的 继 电 器, 楚 泽 用 它 们 组 装 了 第 二 台 计 算 机 Z-2, 这 台 机 器 已 经 可 以 正 常 工 作, 程 序 由 穿 孔 带 读 取 ( 不 是 纸 带, 是 35mm 的 电 影 胶 片 ), 数 据 可 以 用 一 个 数 字 键 盘 输 入, 而 输 出 就 显 示 在 一 个 电 灯 上 (3)Z-3 这 时, 楚 泽 的 工 作 引 起 德 国 飞 机 实 验 研 究 所 的 关 注, 他 得 到 了 一 笔 资 助 1941 年, 第 三 台 电 磁 式 计 算 机 Z-3 完 成, 使 用 了 个 继 电 器, 用 穿 孔 纸 带 输 入, 实 现 了 二 进 制 数 字 程 序 控 制, 是 世 界 上 第 一 部 在 操 作 中 可 编 写 程 序 的 计 算 机, 称 他 为 数 字 计 算 机 之 父 是 不 为 过 的 遗 憾 的 是, 在 一 次 空 袭 中, 楚 泽 的 住 宅 和 包 括 Z-3 在 内 的 计 算 机 都 被 炸 毁 (4)Z 年, 楚 泽 又 建 造 了 一 台 比 Z-3 更 先 进 的 Z-4 计 算 机 ( 见 图 1.27), 因 害 怕 再 次 被 炸, 他 把 Z-4 计 算 机 搬 到 阿 尔 卑 斯 山 区 的 一 个 小 村 庄, 藏 在 一 个 粮 仓 的 地 窖 里, 因 而 被 戏 称 为 地 窖 计 算 机 过 了 很 长 时 间 之 后, 西 方 计 算 机 界 终 于 认 识 到,Z 系 列 的 确 是 当 时 最 先 进 的 计 算 机, 它 研 制 成 功 的 时 间, 要 比 美 国 英 国 的 同 类 发 明 更 早 ; 更 重 大 的 意 义 还 在 于, 它 是 最 先 采 用 程 序 控 制 的 数 字 计 算 机 早 在 1938 年 就 发 明 了 计 算 机 的 楚 泽, 几 乎 被 人 遗 忘 了 几 十 年, 直 到 1962 年, 他 才 被 确 认 为 计 算 机 发 明 人 之 一, 得 到 了 8 个 荣 誉 博 士 头 衔 以 及 德 国 大 十 字 勋 章 几 乎 在 相 同 时 期, 美 国 达 特 默 斯 大 学 教 授 乔 治 斯 蒂 比 兹 (George Stibitz) 博 士 也 独 立 研 制 出 二 进 制 数 字 计 算 机 Model-K 有 趣 的 是, 斯 蒂 比 兹 的 计 算 机 与 楚 泽 的 Z-3 采 用 的 元 件 相 同, 都 是 使 用 电 话 继 电 器, 研 制 的 地 点 都 在 自 己 家 里, 唯 一 的 区 别 是 楚 泽 选 择 了 起 居 室, 而 斯 蒂 比 兹 的 发 明 却 诞 生 于 厨 房 的 餐 桌 斯 蒂 比 兹 的 计 算 机 名 叫 Model-K(K 型 机 ), K 写 全 了 就 是 Kitchen table, 即 厨 房 餐 桌 的 意 思, 是 他 夫 人 多 萝 西 亚 起 的 名 字 所 以, 斯 蒂 比 兹 与 楚 泽 被 并 称 为 数 字 计 算 机 之 父 14 2.Mark 系 列 计 算 机 在 计 算 机 发 展 史 上 占 据 重 要 地 位 的 电 磁 式 计 算 机 叫 Mark-Ⅰ, 它 是 现 代 电 子 计 算 机 史

15 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 前 史 里 最 后 一 台 著 名 的 计 算 机 在 先 驱 者 行 列 中,Mark-Ⅰ 发 明 人 霍 华 德 艾 肯 (Howard Aiken, 见 图 1.28) 是 大 器 晚 成 者, 他 在 36 岁 那 年 毅 然 辞 去 收 入 丰 厚 的 工 作, 重 新 走 进 哈 佛 大 学 读 博 士 由 于 博 士 论 文 涉 及 空 间 电 荷 的 传 导 理 论, 需 要 求 解 非 常 复 杂 的 非 线 性 微 分 方 程, 艾 肯 很 想 发 明 一 种 机 器 代 替 人 工 求 解 的 方 法, 以 帮 助 他 解 决 数 学 难 题 图 1.27 德 国 博 物 馆 里 存 放 的 Z-4 计 算 机 图 1.28 Mark 系 列 机 的 发 明 者 霍 华 德 艾 肯 博 士 三 年 后, 艾 肯 在 图 书 馆 里 发 现 了 巴 贝 奇 和 阿 达 的 论 文, 以 当 时 的 科 技 水 平, 艾 肯 想 也 许 已 经 能 够 完 成 巴 贝 奇 未 竟 的 事 业, 造 出 通 用 计 算 机 了 为 此, 他 写 了 一 篇 自 动 计 算 机 的 设 想 的 建 议 书, 提 出 要 用 机 电 方 式, 而 不 是 用 纯 机 械 方 法 来 构 造 新 的 分 析 机 为 了 获 得 研 制 经 费, 艾 肯 找 到 IBM 公 司 沃 森 求 助, 沃 森 慷 慨 地 提 供 了 100 万 美 元, 并 且 派 来 4 名 工 程 师 协 助,IBM 公 司 也 因 此 告 别 了 制 表 机 行 业, 正 式 跨 进 了 计 算 机 领 域 经 过 4 年 的 努 力,1944 年 Mark-Ⅰ 计 算 机 ( 见 图 1.29) 在 哈 佛 大 学 研 制 成 功, 它 的 外 壳 用 钢 和 玻 璃 制 成, 长 约 15m, 高 约 2.4m, 自 重 达 31.5t 它 装 备 了 多 个 继 电 器, 共 有 15 万 个 元 件 和 长 达 800km 的 电 线, 用 穿 孔 纸 带 输 入 这 台 机 器 每 秒 能 进 行 3 次 运 算,23 位 数 加 23 位 数 的 加 法, 仅 需 要 0.3s; 而 进 行 同 样 位 数 的 乘 法, 则 需 要 6s 多 时 间 此 后, 艾 肯 相 继 研 制 出 MARK-II MARK-III 有 趣 的 是, 与 巴 贝 奇 类 似, 为 Mark 系 列 计 算 机 编 写 程 序 的, 也 是 一 位 女 数 学 家, 时 任 海 军 中 尉 图 1.29 哈 佛 大 学 里 的 Mark-Ⅰ 的 格 蕾 斯 霍 波 (Grace Hopper) 博 士, 如 图 1.30 所 示 1946 年, 霍 波 博 士 在 发 生 故 障 的 Mark-Ⅱ 计 算 机 里 找 到 了 一 只 飞 蛾, 这 只 小 虫 被 夹 扁 在 继 电 器 的 触 点 里, 影 响 了 机 器 运 作 于 15

16 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 是, 霍 波 把 它 小 心 地 保 存 在 工 作 笔 记 里 ( 见 图 1.31), 并 恢 谐 地 把 程 序 故 障 统 称 为 臭 虫 (Bug), 这 一 奇 怪 的 称 呼, 后 来 成 为 计 算 机 领 域 的 专 业 术 语 从 1949 年 开 始, 霍 波 加 盟 第 一 台 电 子 计 算 机 发 明 者 莫 契 利 和 埃 克 特 等 人 创 办 的 公 司, 为 第 一 台 储 存 程 序 的 商 业 电 子 计 算 机 UNIVAC 编 写 软 件 1952 年, 霍 波 成 功 研 制 第 一 个 编 译 程 序 A 年, 在 五 角 大 楼 支 持 下, 她 领 导 一 个 工 作 小 组 又 成 功 地 研 制 出 商 用 编 程 语 言 COBOL ( Common Business-Oriented Language) 霍 波 被 后 人 称 为 计 算 机 软 件 之 母 图 1.30 霍 波 博 士 在 操 作 Mark 计 算 机 图 1.31 保 存 在 霍 波 博 士 笔 记 本 中 的 臭 虫 霍 波 天 才 的 创 造 和 发 明, 除 了 计 算 机 界 通 用 的 术 语 臭 虫 (Bug) 外, 还 有 一 个 就 是 家 喻 户 晓 的 千 年 虫 (Y2K) 20 世 纪 50 年 代 计 算 机 存 储 器 非 常 昂 贵, 为 了 节 省 内 存 空 间, 霍 波 开 始 采 用 6 位 数 表 示 日 期, 即 年 月 日 各 两 位, 随 着 COBOL 语 言 影 响 日 愈 扩 大, 这 一 习 惯 被 沿 用 下 来, 到 2000 年 前 居 然 变 成 了 危 害 巨 大 的 千 年 虫, 这 是 她 始 料 不 及 的 Mark 系 列 计 算 机 是 电 磁 式 计 算 机, 艾 肯 与 霍 波 等 人 研 制 出 Mark 系 列 计 算 机 后, 他 们 联 名 发 表 文 章 说,Mark 计 算 机 能 自 动 实 现 人 们 预 先 选 定 的 系 列 运 算, 甚 至 可 以 求 解 微 分 方 程, 他 们 终 于 实 现 了 巴 贝 奇 分 析 机 的 夙 愿 但 他 们 没 有 想 到, 这 种 机 器 从 它 投 入 运 行 的 那 一 刻 开 始 就 差 不 多 已 经 过 时, 因 为 同 样 在 美 国, 有 一 些 人 已 经 开 始 了 完 全 的 电 子 器 件 计 算 机 的 研 制 16

17 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 1.4 电 子 计 算 机 发 展 历 史 电 子 管 计 算 机 1. 第 一 台 电 子 计 算 机 的 诞 生 举 世 公 认 的 第 一 台 电 子 计 算 机 ENIAC, 诞 生 在 战 火 纷 飞 的 第 二 次 世 界 大 战, 它 的 出 生 地 是 美 国 马 里 兰 州 阿 贝 丁 陆 军 试 炮 场 1943 年, 正 是 第 二 次 世 界 大 战 关 键 时 期, 阿 贝 丁 试 炮 场 再 次 承 担 美 国 陆 军 新 式 火 炮 的 试 验 任 务, 陆 军 军 械 部 派 青 年 军 官 赫 尔 曼 戈 德 斯 坦 (Herman Glodstine) 中 尉 负 责 此 项 任 务 刚 试 制 出 来 的 大 炮 是 否 能 够 通 过 验 收, 必 须 对 它 发 射 多 枚 炮 弹 的 轨 迹 作 认 真 检 查, 分 析 弹 着 点 误 差 的 原 因 一 发 炮 弹 从 发 射 升 空 到 落 地 爆 炸, 大 约 只 需 1 分 钟, 而 计 算 这 发 炮 弹 的 轨 迹 却 要 做 750 次 乘 法 和 更 多 的 加 减 法, 一 张 完 整 的 弹 道 表 需 要 计 算 近 条 弹 道, 试 炮 场 每 天 要 提 供 给 戈 德 斯 坦 6 张 这 样 的 表, 为 此, 戈 德 斯 坦 从 宾 夕 法 尼 亚 大 学 莫 尔 电 气 工 程 学 院 召 集 来 一 批 研 究 人 员, 帮 助 计 算 弹 道 表, 他 还 从 陆 军 抽 调 了 100 多 人 作 辅 助 性 人 工 计 算 即 便 如 此, 仍 难 以 满 足 计 算 需 求, 因 为 实 际 的 场 景 是 : 一 发 炮 弹 打 过 去,100 多 人 用 手 摇 计 算 机 忙 乱 地 算 个 不 停, 还 经 常 出 错, 既 吃 力 又 不 讨 好, 那 场 景 不 免 令 人 啼 笑 皆 非 如 图 1.32 所 示, 莫 尔 学 院 的 两 位 青 年 学 者, 时 年 36 岁 副 教 授 约 翰 莫 契 利 (John Mauchiy) 和 24 岁 的 工 程 师 普 雷 斯 伯 埃 克 特 (Presper Eckert), 向 戈 德 斯 坦 提 交 了 一 份 研 制 电 子 计 算 机 的 设 计 方 案 高 速 电 子 管 计 算 装 置 的 使 用, 他 们 明 确 提 出 要 使 用 弗 莱 明 德 福 雷 斯 特 发 明 的 电 子 管 作 为 主 要 元 件, 制 造 一 台 前 所 未 有 的 计 算 机 器, 把 弹 道 计 算 的 效 率 提 高 成 百 上 千 倍 戈 德 斯 坦 本 人 就 是 数 学 家, 战 前 在 密 西 根 大 学 任 数 学 助 理 教 授, 戈 德 斯 坦 敏 锐 地 感 觉 到 这 是 个 值 得 一 试 的 绝 妙 设 想, 于 是, 他 即 刻 将 报 告 提 交 美 国 陆 军 同 年 4 月 9 日, 陆 军 军 械 部 召 集 会 议 审 议 并 通 过 了 这 份 报 告, 军 方 为 莫 尔 学 院 提 供 48 万 美 元 的 研 制 经 费 ( 约 相 当 于 现 在 多 万 美 元 ) 研 制 项 目 由 莫 尔 学 院 资 深 教 授 勃 雷 纳 德 (J.Brainerd) 总 负 责, 小 组 成 员 包 括 物 理 学 家 数 学 家 和 工 程 师 30 余 名, 在 计 算 机 研 制 中 发 挥 最 主 要 作 用 的 当 属 方 案 的 提 出 者 莫 契 利 和 埃 克 特, 以 及 一 位 名 叫 阿 瑟 勃 克 斯 (Arthur Burks) 的 工 程 师 莫 契 利 负 责 计 算 机 的 总 体 设 计 ; 埃 克 特 是 总 工 程 师, 负 责 解 决 复 杂 而 困 难 的 工 程 技 术 问 题 ; 勃 克 斯 则 作 为 逻 辑 学 家, 为 计 算 机 设 计 乘 法 器 等 大 型 逻 辑 元 件 图 1.32 ENIAC 两 位 设 计 者 约 翰 莫 契 利 和 普 雷 斯 伯 埃 克 特 1946 年 2 月 14 日, 世 界 上 第 一 台 通 用 电 子 计 算 机 研 制 成 功 这 台 机 器 的 名 字 叫 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator), 即 电 子 数 值 积 分 和 计 算 机 的 英 文 缩 写, 如 图 1.33 所 示 它 采 用 穿 孔 卡 输 入 输 出 数 据, 每 分 钟 可 以 输 入 125 张 卡 片, 输 出 100 张 卡 片 在 ENIAC 内 部, 总 共 安 装 了 只 电 子 管 个 二 极 管 多 电 阻 器 多 17

18 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 只 电 容 器 和 只 继 电 器, 电 路 的 焊 接 点 多 达 50 万 个 ; 在 机 器 表 面, 则 布 满 电 表 电 线 和 指 示 灯 ; 机 器 被 安 装 在 一 排 2.75m 高 的 金 属 柜 里, 占 地 面 积 为 170m 2 左 右, 总 重 量 达 到 30t; 耗 电 量 超 过 174kW, 电 子 管 平 均 每 隔 7min 就 要 被 烧 坏 一 只, 必 须 不 停 更 换 现 存 放 在 ENIAC 博 物 馆 的 部 分 器 件 如 图 1.34 所 示 图 1.33 世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机 ENIAC 图 1.34 现 存 放 在 ENIAC 博 物 馆 的 部 分 器 件 ENIAC 的 运 算 速 度 达 到 每 秒 次 加 法, 可 以 在 3/1 000s 时 间 内 做 完 两 个 10 位 数 乘 法, 其 运 算 速 度 超 出 Mark-Ⅰ 至 少 倍 一 条 炮 弹 的 轨 迹,20s 就 能 算 完, 比 炮 弹 本 身 的 飞 行 速 度 还 要 快 虽 然, 为 支 援 战 争 赶 制 的 机 器 没 能 在 战 争 期 间 完 成, 但 ENIAC 的 诞 生 标 志 着 现 代 通 用 电 子 计 算 机 的 创 世, 人 类 社 会 从 此 大 步 迈 进 了 计 算 机 时 代 的 门 槛 2. 电 子 管 计 算 机 时 代 :1946 年 ~20 世 纪 50 年 代 后 期 (1) 主 要 特 点 逻 辑 元 件 电 子 管 主 存 磁 鼓 辅 存 磁 带 软 件 机 器 语 言 符 号 语 言 应 用 科 学 计 算 18

19 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 (2) 主 要 成 就 1 数 字 电 子 计 算 机 的 出 现, 揭 开 了 人 类 历 史 新 篇 章 年 6 月, 美 国 数 学 家 普 林 斯 顿 大 学 教 授 约 翰 冯 诺 依 曼 (John Von Neumann) 提 出 了 存 储 程 序 的 概 念 以 及 计 算 机 组 成 和 框 架, 奠 定 了 现 代 计 算 机 组 成 与 工 作 原 理 基 础 60 年 来, 虽 然 计 算 机 已 经 经 历 了 四 代, 计 算 机 系 统 结 构 有 了 很 大 改 进, 但 其 结 构 和 工 作 原 理 仍 然 都 是 基 于 冯 诺 依 曼 的 晶 体 管 计 算 机 1. 晶 体 管 的 诞 生 威 廉 肖 克 利 (William Shockley, 见 图 1.35), 1910 年 生 于 伦 敦,3 岁 随 父 母 举 家 迁 往 加 州,1932 年 本 科 毕 业 于 加 州 理 工 学 院,1936 年 获 得 麻 省 理 工 学 院 博 士 学 位 后 留 校 任 教, 不 久 来 到 位 于 新 泽 西 州 的 贝 尔 实 验 室 工 作, 负 责 新 一 代 电 子 管 的 研 制 工 作 1947 年 圣 诞 节 前 两 天 的 一 个 中 午, 肖 克 利 和 两 位 同 事 ( 见 图 1.36) 约 翰 巴 丁 (John Bardeen) 和 沃 尔 特 布 拉 坦 (Walter Brattain), 用 几 条 金 箔 片, 一 片 半 导 体 材 料 和 一 个 弯 纸 架 制 成 一 个 小 模 型, 可 以 传 导 放 大 和 开 关 电 流 他 们 把 这 一 发 明 称 为 点 接 晶 体 管 放 大 器 (Point-Contact Transistor Amplifier) 这 就 是 后 来 引 发 一 场 电 子 革 命 的 晶 体 管, 这 是 一 种 用 以 代 替 真 空 管 的 电 子 信 号 放 大 元 件, 是 电 子 专 业 的 强 大 引 擎, 被 媒 体 和 科 学 界 称 为 20 世 纪 最 重 要 的 发 明 三 位 科 学 家 因 此 而 荣 获 1956 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 图 1.35 晶 体 管 之 父 威 廉 肖 克 利 (a) 约 翰 巴 丁 (b) 沃 尔 特 布 垃 坦 图 1.36 晶 体 管 的 另 外 两 位 发 明 者 1948 年, 肖 克 利 等 人 申 请 了 发 明 晶 体 管 的 专 利 1949 年, 肖 克 利 提 出 一 种 性 能 更 好 的 结 型 晶 体 管 的 设 想, 通 过 控 制 中 间 一 层 很 薄 的 基 极 上 的 电 流, 实 现 放 大 作 用 1950 年, 结 型 晶 体 管 研 制 成 功 1955 年, 高 纯 硅 的 工 业 提 炼 技 术 已 成 熟, 用 硅 晶 片 生 产 的 晶 体 管 收 音 机 也 问 世 19

20 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 如 图 1.37 所 示, 晶 体 管 在 体 积 上 比 电 子 管 小 很 多, 耗 电 也 大 大 降 低, 在 稳 定 性 上 也 有 很 大 提 高 1955 年, 贝 尔 实 验 室 使 用 800 只 晶 体 管 组 装 了 世 界 上 第 一 台 晶 体 管 计 算 机 TRADIC (Transistor Digital Computer, 见 图 1.38), 揭 开 了 晶 体 管 计 算 机 时 代 的 序 幕 20

21 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 (a) 晶 体 管 实 物 图 (b) 电 子 管 实 物 图 图 1.37 晶 体 管 与 电 子 管 的 比 较 晶 体 管 计 算 机 比 电 子 管 计 算 机 体 积 大 大 缩 小, 耗 电 大 大 降 低, 稳 定 性 增 强, 计 算 机 性 能 也 得 到 质 的 飞 跃 2. 晶 体 管 计 算 机 时 代 :20 世 纪 50 年 代 中 期 ~20 世 纪 60 年 代 中 期 (1) 主 要 特 点 逻 辑 元 件 晶 体 管 主 辅 软 存 磁 芯 存 磁 盘 件 高 级 程 序 设 计 语 言 操 作 系 统 应 用 除 科 学 计 算 外, 已 应 用 于 数 据 处 理 过 程 控 制 (2) 主 要 成 就 1 首 次 将 晶 体 管 用 于 计 算 机, 使 计 算 机 缩 小 了 体 积, 减 低 了 功 耗, 提 高 了 速 度 和 可 靠 性 2 发 明 了 高 级 语 言 1956 年 美 国 国 防 部 发 明 了 第 一 个 专 用 的 高 级 语 言 Ada 语 言 ( 以 世 界 上 第 一 位 程 序 员 艾 达 夫 人 的 名 字 命 名 ) 1957 年 IBM 公 司 的 Backus 发 明 了 FORTRAN 高 级 语 言, 主 要 用 于 科 学 计 算 1959 年, 霍 波 博 士 发 明 了 COBOL, 主 要 面 向 应 用 3 首 次 提 出 了 计 算 机 的 兼 容 问 题, 包 括 硬 件 兼 容 和 软 件 兼 容 集 成 电 路 计 算 机 图 1.38 世 界 上 第 一 台 晶 体 管 计 算 机 TRADIC 1. 集 成 电 路 的 诞 生 到 了 20 世 纪 50 年 代 中 后 期, 如 何 使 电 子 器 件 和 设 备 更 加 小 型 化 更 为 可 靠 价 格 更 低 廉 成 为 迫 切 需 求, 因 此 晶 体 管 的 集 成 或 集 成 电 路 的 研 制 成 为 当 时 科 技 发 展 研 究 的 目 标 在 德 克 萨 斯 仪 器 (TI) 公 司 工 作 的 杰 克 基 尔 比 (Jack Kilby) 当 时 正 从 事 此 方 面 研 究,1958 年 7 月 24 日, 他 在 工 作 笔 记 中 记 载 了 将 硅 电 阻 器 电 容 器 和 晶 体 管 装 在 一 块 晶 片 上 的 集 成 电 路 设 计 方 案, 同 年 9 月 12 日, 他 完 成 了 他 的 设 计, 制 成 了 第 一 块 集 成 电 路 1959 年 2 月 6 日, 基 尔 比 向 美 国 专 利 局 申 报 专 利 小 型 化 电 子 电 路 (No ) 稍 后 美 国 仙 童 公 司 的 罗 伯 特 诺 伊 斯 (Robort Noyce) 也 宣 称 制 出 第 一 块 集 成 电 路, 同 年 7 月 21

22 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 30 日, 仙 童 公 司 向 美 国 专 利 局 申 请 专 利 半 导 体 器 件 和 引 线 结 构 (No ) 由 此, 引 发 了 一 场 关 于 集 成 电 路 发 明 优 先 权 的 争 论 和 法 律 诉 讼, 交 涉 一 直 拖 到 1969 年 11 月, 才 最 终 裁 定 两 人 分 享 集 成 电 路 发 明 权 但 科 技 界 普 遍 认 为 集 成 电 路 是 基 尔 比 首 先 发 明 的, 而 诺 依 斯 发 明 了 更 新 型 的 集 成 电 路 杰 克 基 尔 比 ( 见 图 1.39), 美 国 物 理 学 家 1923 年 11 月 8 日 生 于 密 苏 里 州 杰 裴 逊 城 1947 年 获 伊 利 诺 斯 大 学 电 子 工 程 学 士 学 位,1950 年 获 威 斯 康 星 大 学 电 子 工 程 硕 士 学 位 1947 年 ~1958 年 任 全 球 联 合 公 司 设 计 负 责 人,1958 年 ~1970 年 任 德 克 萨 斯 仪 器 公 司 助 理 副 经 理, 1978 年 后 任 德 克 萨 斯 A&M 大 学 教 授 基 尔 比 在 集 成 电 路 方 面 获 50 项 专 利,2000 年 获 得 诺 贝 尔 物 理 学 奖 在 与 癌 症 做 了 长 期 斗 争 后, 基 尔 比 于 2005 年 6 月 20 日 在 德 克 萨 斯 家 中 逝 世, 享 年 81 岁 罗 伯 特 诺 伊 斯 ( 见 图 1.40) 一 生 创 办 了 两 家 硅 谷 最 伟 大 的 公 司 第 一 家 是 半 导 体 工 业 的 摇 篮 仙 童 (Fairchild) 公 司 ; 第 二 家 后 来 跻 身 美 国 最 大 的 公 司 之 列, 这 就 是 英 特 尔 (Intel) 公 司 因 此 他 的 外 号 叫 硅 谷 市 长 图 1.39 集 成 电 路 的 发 明 人 杰 克 基 尔 比 图 1.40 集 成 电 路 的 另 一 发 明 人 罗 伯 特 诺 伊 斯 1964 年 4 月 7 日, 在 IBM 公 司 成 立 50 周 年 之 际, 由 年 仅 40 岁 的 吉 恩 阿 姆 达 尔 (Gene Amdahl) 担 任 主 设 计 师, 历 时 四 年 研 发 的 IBM360 计 算 机 问 世, 标 志 着 第 三 代 计 算 机 的 全 面 登 场, 这 也 是 IBM 历 史 上 最 为 成 功 的 机 型 之 一, 如 图 1.41 所 示 22 图 1.41 IBM360 计 算 机

23 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 2. 集 成 电 路 计 算 机 时 代 :20 世 纪 60 年 代 中 期 ~20 世 纪 70 年 代 初 期 (1) 主 要 特 点 逻 辑 元 件 集 成 电 路 主 存 半 导 体 辅 存 磁 盘 软 件 高 级 程 序 设 计 语 言 操 作 系 统 应 用 科 学 计 算 数 据 处 理 过 程 控 制 (2) 主 要 成 就 1 IBM 公 司 首 次 提 出 了 系 列 机 的 概 念, 圆 满 地 解 决 了 计 算 机 兼 容 的 问 题, 典 型 代 表 是 IBM360 系 列 机 2 控 制 器 设 计 使 用 微 程 序 控 制 技 术, 使 控 制 器 的 设 计 规 整 化 3 结 构 化 程 序 设 计 思 想 成 熟, 软 硬 件 设 计 标 准 化 23

24 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 大 规 模 集 成 电 路 计 算 机 1. 微 处 理 器 的 出 现 集 成 电 路 的 出 现, 并 没 有 使 科 学 家 停 止 研 究 脚 步, 而 是 更 为 专 注 于 使 电 子 器 件 和 设 备 小 型 化 省 电 性 能 更 好 更 廉 价 的 研 究 1971 年,Intel 公 司 宣 称, 他 们 首 创 了 一 种 开 启 集 成 电 路 新 纪 元 的 半 导 体 芯 片, 即 第 一 块 微 处 理 器 芯 片 4004, 如 图 1.46 所 示 微 处 理 器 芯 片 是 将 CPU 1 (Central Processing Unit, 中 央 处 理 器 ) 集 成 在 一 块 芯 片 上, 这 是 大 规 模 集 成 电 路 计 算 机 的 标 志 根 据 Intel 公 司 提 供 的 资 料, 三 个 发 明 家 共 同 创 造 了 历 史, 他 们 是 特 德 霍 夫 (Ted Hoff) 斯 坦 麦 卓 尔 (Stan Mazor) 和 佛 德 利 克 法 金 (Federico Faggin) 其 中, 起 最 关 键 作 用 的 特 德 霍 夫 ( 见 图 1.42) 1969 年, 霍 夫 代 表 Intel 公 司, 帮 助 日 本 商 业 通 信 公 司 (Busicom) 设 计 台 式 计 算 器 芯 片 日 方 提 出 至 少 需 要 用 12 个 芯 片 来 组 装 机 器 1969 年 8 月 下 旬 一 个 周 末, 霍 夫 在 海 滩 游 泳, 突 然 产 生 了 灵 感 他 认 为, 完 全 可 以 把 中 央 处 理 单 元 (CPU) 电 路 集 成 在 一 块 芯 片 上 这 样 不 仅 可 以 满 足 Busicom 的 要 求, 并 且 可 以 插 接 在 多 种 应 用 产 品 而 无 需 再 进 行 设 计 Intel 公 司 2 3 负 责 人 罗 伯 特 诺 伊 斯 和 戈 登 摩 尔 支 持 霍 夫 的 设 想, 并 派 来 逻 辑 结 构 专 家 麦 卓 尔 和 芯 片 设 计 专 家 法 金, 为 芯 片 设 计 出 图 纸 1971 年 1 月, 以 霍 夫 为 首 的 研 制 小 组, 完 成 了 世 界 上 第 一 个 微 处 理 器 芯 片 4004, 在 3mm 4mm 面 积 上 集 成 晶 体 管 个, 每 秒 运 算 速 度 达 6 万 次 它 意 味 着 CPU 已 经 微 缩 成 一 块 集 成 电 路, 意 味 着 芯 片 上 的 计 算 机 诞 生 Intel 公 司 于 同 年 11 月 15 日 正 式 对 外 公 布 了 这 款 处 理 器, 如 图 1.43 所 示 图 1.42 微 处 理 器 之 父 特 德 霍 夫 图 1.43 第 一 块 微 处 理 器 芯 片 4004 如 图 1.43 所 示,CPU4004 长 1/6 英 寸 宽 1/8 英 寸, 比 一 块 普 通 硬 币 还 小, 从 而 直 观 感 受 到 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 伟 大 电 子 管 晶 体 管 计 算 机 时 代, 一 台 计 算 机 占 满 一 大 间 房 外 形 好 像 几 个 大 柜 子 耗 电 巨 大 已 成 过 去, 计 算 机 像 如 今 这 样 普 及, 我 们 应 该 感 谢 大 规 模 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 发 展 1 控 制 器 和 运 算 器 的 统 称 小 节 提 到 的 集 成 电 路 的 第 二 发 明 人 3 24 著 名 的 摩 尔 定 律 的 发 现 者

25 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 2. 微 型 计 算 机 (1) 第 一 台 微 型 计 算 机 :Altair 年 4 月, 微 型 仪 器 与 自 动 测 量 系 统 公 司 (MITS) 推 出 了 首 台 通 用 型 Altair 8800, 售 价 375 美 元, 带 有 1KB 存 储 器, 这 是 世 界 上 第 一 台 微 型 计 算 机, 如 图 1.44 所 示 Altair 8800 非 常 简 陋, 而 且 并 不 是 一 台 完 整 的 计 算 机, 只 是 一 件 组 件, 用 户 得 自 己 动 手 组 装 一 年 后, 比 尔 盖 茨 (Bill Gates) 和 保 罗 艾 伦 (Paul Allen) 1 发 布 了 第 一 个 真 正 意 义 上 的 产 品, 用 于 Altair 8800 的 BASIC 编 译 程 序, 从 而 开 始 了 Microsoft 公 司 的 传 奇 之 旅 图 1.44 第 一 台 微 型 计 算 机 Altair 8800 比 尔 盖 茨 ( 见 图 1.45) 在 哈 佛 大 学 学 习 期 间 就 为 第 一 台 微 型 计 算 机 开 发 了 BASIC 编 程 语 言 的 一 个 版 本,1975 年, 年 仅 20 岁 的 盖 茨 与 好 友 艾 伦 共 同 创 建 了 Microsoft 公 司 (2) 个 人 计 算 机 PC 1981 年 8 月 12 日 是 一 个 普 通 的 日 子, 但 对 全 球 计 算 机 产 业 来 说 则 是 一 个 值 得 纪 念 的 日 子 在 这 一 天,IBM 公 司 正 式 推 出 了 全 球 第 一 台 个 人 计 算 机 IBM PC, 如 图 1.46 所 示 该 机 采 用 主 频 4.77MHz 的 Intel 8088 微 处 理 器, 运 行 Microsoft 公 司 专 门 为 IBM PC 开 发 的 MS-DOS 操 作 系 统 图 1.45 微 软 创 始 人 比 尔 盖 茨 图 1.46 第 一 台 个 人 计 算 机 IBM PC 虽 然 早 在 IBM PC 推 出 之 前, 已 经 出 现 了 Altair 8800, 使 计 算 机 从 蠢 笨 的 大 铁 柜 变 成 人 人 伸 手 可 及 的 小 型 机 器 但 是,IBM PC 的 诞 生 才 真 正 具 有 划 时 代 的 意 义, 因 为 它 首 创 了 个 人 计 算 机 (Personal Computer) 的 概 念, 并 为 PC 制 订 了 全 球 通 用 的 工 业 标 准 它 所 用 的 处 理 器 芯 片 来 自 Intel 公 司,DOS 磁 盘 操 作 系 统 来 自 Microsoft 公 司, 不 久 之 后 就 催 生 了 Microsoft 公 司 和 Intel 公 司 这 两 大 PC 时 代 的 霸 主 直 到 今 天, IBM PC 及 其 兼 容 机 始 终 是 PC 工 业 标 准 的 代 名 词 为 促 使 PC 产 业 的 健 康 发 展,IBM 公 司 对 所 有 厂 商 开 放 PC 工 业 标 准, 从 而 使 得 这 一 产 业 迅 速 地 发 展 成 为 20 世 纪 1 微 软 公 司 的 创 始 人 之 一 25

26 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 80 年 代 的 主 导 性 产 业, 并 造 就 了 一 大 批 IBM PC 兼 容 机 制 造 厂 商 PC 产 业 由 此 诞 生 3. 大 规 模 集 成 电 路 计 算 机 时 代 :20 世 纪 70 年 代 初 期 ~ 至 今 (1) 主 要 特 点 逻 辑 元 件 大 规 模 / 超 大 规 模 集 成 电 路 (LSI/VLSI) 主 存 LSI/VLSI 半 导 体 芯 片 辅 存 磁 盘 光 盘 软 件 高 级 程 序 设 计 语 言 操 作 系 统 应 用 科 学 计 算 数 据 处 理 过 程 控 制, 并 进 入 以 计 算 机 网 络 为 特 征 的 应 用 时 代 (2) 主 要 成 就 年 Intel 公 司 成 功 地 研 制 出 了 4004 微 处 理 器 芯 片 从 此, 随 着 LSI/VLSI 技 术 的 发 展, 微 处 理 器 每 隔 两 三 年 就 有 一 个 新 的 产 品 问 世, 至 今 已 发 展 到 Itanium Intel Core 2 如 果 说 第 二 代 电 子 计 算 机 由 晶 体 管 代 替 电 子 管, 是 由 于 元 件 革 命 所 引 起 的 飞 跃, 那 么, 第 三 代 第 四 代 电 子 计 算 机 产 生 的 根 本 原 因, 则 是 由 制 造 工 艺 的 革 新 即 集 成 电 路 工 艺 所 引 起 的 2 微 型 计 算 机 出 现, 典 型 代 表 是 IBM PC 3 面 向 对 象 可 视 化 程 序 设 计 概 念 出 现 ; 软 件 产 业 高 度 发 达, 各 种 实 用 软 件 层 出 不 穷, 极 大 地 方 便 了 用 户 4 计 算 机 技 术 与 通 信 技 术 相 结 合, 计 算 机 网 络 把 世 界 紧 密 地 联 系 在 一 起 5 多 媒 体 技 术 崛 起, 计 算 机 集 图 像 图 形 声 音 文 字 处 理 于 一 体, 在 信 息 处 理 领 域 掀 起 了 一 场 革 命, 与 之 对 应 的 信 息 高 速 公 路 正 在 紧 锣 密 鼓 地 筹 划 实 施 当 中 第 五 代 计 算 机 从 20 世 纪 80 年 代 开 始, 日 本 美 国 欧 洲 等 发 达 国 家 都 宣 布 开 始 新 一 代 计 算 机 的 研 究 人 们 普 遍 认 为 新 一 代 计 算 机 应 该 是 智 能 型 的, 它 能 模 拟 人 的 智 能 行 为, 理 解 人 类 自 然 语 言, 并 继 续 向 着 微 型 化 网 络 化 发 展 综 合 起 来 大 概 有 以 下 几 个 研 究 方 向 人 工 智 能 计 算 机 巨 型 计 算 机 多 处 理 机 激 光 计 算 机 超 导 计 算 机 生 物 晶 体 计 算 机 (DNA 计 算 机 ) 量 子 计 算 机 总 结 自 1946 年 第 一 台 通 用 电 子 计 算 机 问 世 以 来, 现 代 计 算 机 的 发 展 已 经 走 过 了 60 余 年 的 历 程, 经 历 了 四 代, 正 在 向 第 五 代 迈 进 总 结 起 来, 各 代 特 点 如 表 1.1 所 示 表 1.1 电 子 计 算 机 各 代 的 特 点 起 止 年 代 主 要 元 件 主 要 元 件 图 例 速 度 ( 次 / 秒 ) 特 点 与 应 用 领 域 26

27 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 第 一 代 1946 年 ~20 世 纪 50 年 代 末 电 子 管 5 千 ~1 万 次 体 积 巨 大, 运 算 速 度 较 低, 耗 电 量 大, 存 储 容 量 小 ; 主 要 用 来 进 行 科 学 计 算 第 二 代 20 世 纪 50 年 代 中 ~20 世 纪 60 年 代 中 晶 体 管 几 万 ~ 几 十 万 次 体 积 减 少, 耗 电 较 少, 运 算 速 度 较 高, 价 格 下 降 ; 不 仅 用 于 科 学 计 算, 还 用 于 数 据 处 理 和 事 务 管 理, 并 逐 渐 用 于 工 业 控 制 续 表 起 止 年 代 主 要 元 件 主 要 元 件 图 例 速 度 ( 次 / 秒 ) 特 点 与 应 用 领 域 第 三 代 20 世 纪 60 年 代 中 ~20 世 纪 70 年 代 初 中 小 规 模 集 成 电 路 几 十 万 ~ 几 百 万 次 体 积 功 耗 进 一 步 减 少, 可 靠 性 和 速 度 进 一 步 提 高 ; 应 用 领 域 进 一 步 拓 展 到 文 字 处 理 企 业 管 理 自 动 控 制 城 市 交 通 管 理 等 方 面 第 四 代 20 世 纪 70 年 代 初 ~ 至 今 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 几 千 万 ~ 几 百 万 亿 次 性 能 大 幅 度 提 高, 价 格 大 幅 度 下 降, 广 泛 应 用 于 社 会 生 活 的 各 个 方 面, 进 入 办 公 室 和 家 庭 ; 在 办 公 室 自 动 化 电 子 编 辑 排 版 数 据 库 管 理 图 像 识 别 语 音 识 别 专 家 系 统 等 领 域 中 大 显 身 手 1.5 奠 定 现 代 计 算 机 理 论 基 础 的 重 要 人 物 和 思 想 作 为 能 够 模 拟 人 类 思 维 的 高 级 计 算 工 具, 电 子 计 算 机 有 着 严 谨 的 数 学 理 论 基 础 和 精 密 的 体 系 结 构 1946 年 ENIAC 的 诞 生 不 是 偶 然 的, 是 数 百 年 无 数 杰 出 科 学 家 前 仆 后 继 努 力 奋 斗 的 结 果 除 了 前 面 提 到 的 那 些 科 学 家 外, 下 面 这 几 位 也 值 得 我 们 永 远 铭 记, 他 们 所 提 出 的 思 想 为 现 代 计 算 机 的 产 生 奠 定 了 理 论 基 础 当 然, 我 们 同 样 要 感 谢 没 有 被 提 到 的 那 些 科 学 家 和 工 程 师, 他 们 的 功 绩 同 样 是 不 可 磨 灭 的 布 尔 及 逻 辑 代 数 数 字 计 算 机 首 先 来 源 于 理 论 突 破, 是 逻 辑 代 数 为 开 关 电 路 设 计 奠 定 了 数 学 基 础 逻 辑 代 数 又 称 布 尔 代 数, 是 以 它 的 创 立 者 英 国 数 学 家 乔 治 布 尔 ( 见 图 1.47) 的 名 字 命 名 的 乔 治 布 尔 (George Boole, ), 1815 年 11 月 生 于 英 格 兰 的 林 肯 布 尔 家 境 贫 寒, 父 亲 是 位 鞋 匠, 无 力 供 他 读 书, 他 的 学 问 主 要 来 自 于 自 学 布 尔 12 岁 就 掌 握 了 拉 丁 文 和 希 腊 语, 后 来 又 自 学 了 意 大 利 语 和 法 语 ;16 岁 开 始 任 教 以 维 持 生 活, 从 20 岁 起 布 尔 对 数 学 产 生 了 浓 厚 兴 趣, 广 泛 涉 猎 著 名 数 学 家 牛 顿 拉 普 拉 斯 27 图 1.47 逻 辑 代 数 创 立 人 乔 治 布 尔

28 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 拉 格 朗 日 等 人 的 数 学 名 著, 并 写 下 大 量 笔 记 这 些 笔 记 中 的 思 想, 后 来 被 用 于 他 的 第 一 部 著 作 逻 辑 的 数 学 分 析 之 中 1847 年, 布 尔 出 版 了 逻 辑 的 数 学 分 析 (The Mathematical Analysis of Logic), 这 是 他 对 符 号 逻 辑 诸 多 贡 献 中 的 第 一 次 1849 年, 他 被 任 命 位 于 爱 尔 兰 科 克 的 皇 后 学 院 ( 现 National University of Ireland,College Cork,UCC) 的 数 学 教 授 1854 年, 他 出 版 了 思 维 规 律 的 研 究 逻 辑 与 概 率 的 数 学 理 论 基 础 (An Investigation of the Laws of Thought, on Which are Founded the Mathematical Theories of Logic and Probabilities), 这 是 他 最 著 名 的 著 作, 在 这 本 书 中 布 尔 介 绍 了 逻 辑 代 数 以 这 两 部 著 作 为 基 础, 布 尔 建 立 了 一 门 新 的 数 学 学 科 逻 辑 代 数, 也 成 布 尔 代 数 在 布 尔 代 数 里, 布 尔 构 思 出 一 个 关 于 0 和 1 的 代 数 系 统, 用 基 础 的 逻 辑 符 号 系 统 描 述 物 体 和 概 念 这 种 代 数 不 仅 广 泛 用 于 概 率 和 统 计 等 领 域, 更 重 要 的 是, 它 为 百 年 后 出 现 的 数 字 计 算 机 开 关 电 路 设 计 提 供 了 最 重 要 的 数 学 方 法 和 理 论 基 础 布 尔 一 生 发 表 了 50 多 篇 科 学 论 文 两 部 教 科 书 和 两 卷 数 学 逻 辑 著 作 为 了 表 彰 他 的 成 功, 都 柏 林 大 学 和 牛 津 大 学 先 后 授 予 这 位 自 学 成 才 的 数 学 家 荣 誉 学 位, 他 还 被 推 选 为 英 国 皇 家 学 会 会 员 1864 年, 布 尔 死 于 肺 炎, 肺 炎 是 在 暴 风 雨 天 气 中 尽 管 他 已 经 淋 湿 了 仍 坚 持 上 课 引 起 的 香 农 及 计 算 机 开 关 电 路 1938 年, 信 息 论 的 创 始 人 美 国 科 学 家 香 农 ( 见 图 1.48) 发 表 论 文 继 电 器 和 开 关 电 路 的 符 号 分 析 ( A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits), 首 次 阐 述 了 如 何 将 布 尔 代 数 运 用 于 逻 辑 电 路, 奠 定 了 现 代 电 子 计 算 机 开 关 电 路 的 理 论 基 础 克 劳 德 香 农 (Claude Shannon, ), 1916 年 4 月 30 日 出 生 于 美 国 密 西 根 州, 是 爱 迪 生 的 远 亲 1936 年 香 农 毕 业 于 密 西 根 大 学 并 获 得 数 学 和 电 子 工 程 学 士 学 位,1940 年 获 得 麻 省 理 工 学 院 (MIT) 数 学 博 士 学 位 和 电 子 工 程 硕 士 学 位 1941 年 他 加 入 贝 尔 实 验 室 数 学 部, 工 作 到 1972 年 1956 年 他 成 为 MIT 客 座 教 授, 并 于 1958 年 成 为 终 生 教 授,1978 年 成 为 名 誉 教 授 香 农 博 士 于 2001 年 2 月 26 日 去 世, 享 年 84 岁 1 在 麻 省 理 工 大 学 攻 读 硕 士 期 间, 香 农 幸 运 地 师 从 微 分 分 析 仪 研 制 者 温 尼 法 布 什 (Vannevar Bush) 教 授, 导 师 布 什 曾 对 他 预 言 说, 微 分 分 析 仪 的 模 拟 电 路 必 定 可 以 用 符 号 逻 辑 替 代 从 布 尔 的 理 论 和 布 什 的 实 践 里, 香 农 逐 渐 悟 出 了 一 个 道 理 前 者 正 是 后 者 最 有 效 的 数 学 工 具 图 1.48 信 息 论 的 创 始 人 克 劳 德 香 农 1938 年, 年 仅 22 岁 的 香 农 在 硕 士 论 文 的 基 础 上, 写 就 了 那 篇 著 名 的 论 文 继 电 器 和 开 关 电 路 的 符 号 分 析, 被 认 为 是 通 信 历 史 上 最 杰 出 的 理 论 之 一 由 于 布 尔 代 数 只 有 0 和 1 两 个 值, 恰 好 与 二 进 制 数 对 应, 香 农 把 它 运 用 于 以 脉 冲 方 式 处 理 信 息 的 继 电 器 开 关, 从 理 论 到 技 术 彻 底 改 变 了 数 字 电 路 的 设 计 方 向 因 此, 这 篇 论 文 在 现 代 数 字 计 算 机 史 上 具 有 划 时 代 的 意 义 1 微 分 分 析 仪 是 早 期 的 机 械 模 拟 计 算 机, 用 于 获 得 常 微 分 方 程 的 数 值 解 28

29 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 香 农 在 1948 年 6 月 和 10 月 在 贝 尔 系 统 技 术 杂 志 (Bell System Technical Journal) 上 连 载 发 表 了 他 影 响 深 远 的 论 文 通 信 的 数 学 原 理 ( A Mathematical Theory of Communication), 作 为 现 代 信 息 论 研 究 的 开 端, 在 该 文 中, 香 农 给 出 了 信 息 熵 的 定 义 1949 年, 香 农 又 在 该 杂 志 上 发 表 了 另 一 著 名 论 文 噪 声 下 的 通 信 (Communication in the Presence of Noise) 在 这 两 篇 文 章 中, 他 解 决 了 过 去 许 多 悬 而 未 决 的 问 题, 经 典 地 阐 明 了 通 信 的 基 本 问 题, 提 出 了 通 信 系 统 的 模 型, 给 出 了 信 息 量 的 数 学 表 达 式, 解 决 了 信 道 容 量 信 源 统 计 特 性 信 源 编 码 信 道 编 码 等 有 关 精 确 地 传 送 通 信 符 号 的 基 本 技 术 问 题 这 两 篇 论 文 成 为 了 信 息 论 的 奠 基 性 著 作, 此 时 尚 不 足 三 十 岁 的 香 农 成 为 了 信 息 论 的 奠 基 人 图 灵 及 图 灵 机 图 灵 测 试 图 灵, 这 个 名 字 无 论 是 在 计 算 机 领 域 数 学 领 域 人 工 智 能 领 域 还 是 哲 学 逻 辑 学 等 领 域, 都 可 谓 掷 地 有 声 图 灵 ( 见 图 1.49) 是 计 算 机 逻 辑 的 奠 基 者, 许 多 人 工 智 能 的 重 要 方 法 也 源 自 这 位 伟 大 的 科 学 家 :24 岁, 提 出 图 灵 机 理 论 ;31 岁, 参 与 Colossus 1 的 研 制 ;33 岁, 构 思 了 仿 真 系 统 ;35 岁, 提 出 自 动 程 序 设 计 概 念 ;38 岁, 设 计 了 图 灵 测 试 ; 在 后 来 还 创 造 了 一 门 新 学 科 非 线 性 力 学 阿 兰 图 灵 (Alan Turing, ), 英 国 数 学 家 逻 辑 学 家,1912 年 6 月 23 日 出 生 于 英 国 伦 敦, 其 祖 父 曾 获 得 剑 桥 大 学 数 学 荣 誉 学 位, 他 16 岁 就 开 始 研 究 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 1931 年, 图 灵 考 入 剑 桥 大 学 国 王 学 院, 开 始 他 的 数 学 生 涯, 研 究 量 子 力 学 概 率 论 和 逻 辑 学, 在 校 期 间, 对 由 剑 桥 大 学 的 罗 素 和 怀 特 海 创 立 的 数 理 逻 辑 很 感 兴 趣 1934 年, 图 灵 毕 业 后 到 美 国 普 林 斯 顿 大 学 攻 读 博 士 学 位, 在 邱 奇 指 导 下 学 习,1938 年 获 博 士 学 位 1954 年, 年 仅 42 岁 的 图 灵 因 食 用 浸 过 氰 化 物 溶 液 的 苹 果 死 亡 1. 图 灵 机 1936 年 5 月 28 日, 图 灵 向 伦 敦 权 威 的 数 学 杂 志 投 了 一 篇 论 文, 题 为 论 可 计 算 数 及 其 在 判 定 问 题 中 的 应 用 (On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem) 在 这 篇 开 创 性 的 论 文 中, 图 灵 给 可 计 算 性 下 了 一 个 严 格 的 数 学 定 义, 并 提 出 著 名 的 图 灵 机 (Turing Machine) 的 设 想 图 1.49 计 算 机 与 人 工 智 能 之 父 阿 兰 图 灵 1 第 二 次 世 界 大 战 时, 英 国 破 解 德 国 通 信 密 码 的 计 算 机 29

30 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 图 灵 机 不 是 一 种 具 体 的 机 器, 而 是 一 种 思 想 模 型, 可 制 造 一 种 十 分 简 单 但 运 算 能 力 极 强 的 计 算 机 装 置, 用 来 计 算 所 有 能 想 像 得 到 的 可 计 算 函 数 装 置 由 一 个 控 制 器 和 一 根 假 设 两 端 无 界 的 工 作 带 ( 起 存 储 器 的 作 用 ) 组 成 工 作 带 被 划 分 为 大 小 相 同 的 方 格, 每 一 格 上 可 书 写 一 个 给 定 字 母 表 上 的 符 号 控 制 器 可 以 在 带 上 左 右 移 动, 它 带 有 一 个 读 写 头, 可 读 出 格 子 中 的 符 号 或 写 入 这 篇 论 文, 外 行 人 看 了 如 同 云 山 雾 罩, 而 内 行 人 则 称 它 是 阐 明 现 代 电 脑 原 理 的 开 山 之 作, 并 冠 以 理 想 计 算 机 的 名 称 图 灵 机 模 型 示 意 图 如 图 1.50 所 示 图 1.50 图 灵 机 模 型 示 意 图 这 一 理 论 奠 定 了 整 个 现 代 计 算 机 的 理 论 基 础, 图 灵 机 在 计 算 机 史 上 与 冯 诺 依 曼 机 齐 名, 被 永 远 载 入 计 算 机 发 展 史 册, 冯 诺 依 曼 的 助 手 弗 兰 克 尔 曾 在 一 封 信 中 写 到 : 计 算 机 的 基 本 概 念 属 于 图 灵 按 照 我 的 看 法, 冯 诺 依 曼 的 基 本 作 用 是 使 世 界 认 识 了 由 图 灵 引 入 的 计 算 机 基 本 概 念 2. 图 灵 测 试 1950 年, 图 灵 来 到 曼 彻 斯 特 大 学 任 教, 同 时 还 担 任 该 大 学 自 动 计 算 机 项 目 的 负 责 人 就 在 这 年 10 月, 他 又 发 表 了 另 一 篇 题 为 计 算 机 器 与 智 能 (Computing machinery and intelligence) 的 论 文, 成 为 划 时 代 之 作, 也 正 是 这 篇 文 章, 为 图 灵 赢 得 了 一 顶 桂 冠 人 工 智 能 之 父 甚 至 有 人 说 在 第 一 代 计 算 机 占 统 治 地 位 的 那 个 时 代, 这 篇 论 文 可 以 看 作 是 第 五 代 第 六 代 计 算 机 的 宣 言 书 在 这 篇 论 文 里, 图 灵 第 一 次 提 出 机 器 思 维 的 概 念 他 逐 条 反 驳 了 机 器 不 能 思 维 的 论 调, 做 出 了 肯 定 的 回 答 他 还 对 智 能 问 题 从 行 为 主 义 的 角 度 给 出 了 定 义, 由 此 提 出 一 假 想 : 一 个 人 在 不 接 触 对 方 的 情 况 下, 通 过 一 种 特 殊 的 方 式, 和 对 方 进 行 一 系 列 的 问 答, 如 果 在 相 当 长 时 间 内, 他 无 法 根 据 这 些 问 题 判 断 对 方 是 人 还 是 计 算 机, 那 么, 就 可 以 认 为 这 个 计 算 机 具 有 同 人 相 当 的 智 力, 即 这 台 计 算 机 是 能 思 维 的 这 就 是 著 名 的 图 灵 测 试 (Turing Testing) 当 时 全 世 界 只 有 几 台 计 算 机, 根 本 无 法 通 过 这 一 测 试 但 图 灵 预 言, 在 20 世 纪 末, 一 定 会 有 计 算 机 通 过 图 灵 测 试, 他 的 预 言 终 于 在 IBM 公 司 的 深 蓝 上 得 到 彻 底 实 现 3. 图 灵 奖 为 纪 念 图 灵 对 计 算 机 领 域 做 出 的 巨 大 贡 献, 国 际 计 算 机 协 会 (Association for Computing Machinery,ACM) 于 1966 年 开 始 设 立 图 灵 奖 (Turing Award), 这 是 计 算 机 界 最 负 盛 名 的 奖 项, 有 计 算 机 界 诺 贝 尔 奖 之 称 图 灵 奖 专 门 奖 励 那 些 对 计 算 机 事 业 做 出 重 要 贡 献 的 个 人, 获 奖 者 的 贡 献 必 须 在 计 算 机 领 域 具 有 持 久 而 重 大 的 技 术 先 进 性 一 般 每 年 只 奖 励 一 名 计 算 机 科 学 家, 只 有 极 少 数 年 度 有 两 名 以 上 在 同 一 方 向 上 做 出 贡 献 的 科 学 家 同 时 获 奖 目 前 图 灵 奖 由 Intel 公 司 赞 助, 奖 金 为 30

31 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 美 元 表 1.2 列 出 了 历 年 图 灵 奖 获 奖 人 及 其 贡 献 领 域 其 中,2000 年 图 灵 奖 得 主 姚 期 智 是 首 位 华 人 获 奖 者,2006 年 图 灵 奖 得 主 法 兰 西 斯 艾 伦 是 历 史 上 首 位 获 奖 女 性 表 1.2 历 年 图 灵 奖 获 得 者 及 其 贡 献 领 域 年 份 中 文 译 名 姓 名 贡 献 领 域 1966 艾 伦 佩 利 Alan J. Perlis 高 级 程 序 设 计 技 巧, 编 译 器 构 造 1967 莫 里 斯 威 尔 克 斯 Maurice V. Wilkes 内 部 存 储 程 序, 程 序 库 1968 理 查 德 汉 明 Richard Hamming 数 值 方 法, 自 动 编 码 系 统, 错 误 检 测 和 纠 错 码 1969 马 文 闵 斯 基 Marvin Minsky 人 工 智 能 1970 詹 姆 斯 维 尔 金 森 James H. Wilkinson 数 值 分 析, 线 性 代 数, 倒 退 错 误 分 析 1971 约 翰 麦 卡 锡 John McCarthy 人 工 智 能 1972 艾 兹 格 迪 科 斯 彻 Edsger Dijkstra 程 序 设 计 语 言 的 科 学 与 艺 术 1973 查 尔 斯 巴 赫 曼 Charles W. Bachman 数 据 库 技 术 续 表 年 份 中 文 译 名 姓 名 贡 献 领 域 1974 唐 纳 德 克 努 特 Donald E. Knuth 算 法 分 析 和 编 程 语 言 的 设 计 1975 艾 伦 纽 威 尔 赫 勃 特 西 蒙 Allen Newell Herbert A. Simon 人 工 智 能, 人 类 认 知 心 理 学 和 列 表 处 理 1976 迈 克 尔 拉 宾 达 拉 斯 科 特 Michael O. Rabin Dana S. Scott 非 确 定 性 自 动 机 1977 约 翰 巴 克 斯 John Backus 高 级 编 程 系 统, 程 序 设 计 语 言 规 范 的 形 式 化 定 义 1978 罗 伯 特 弗 洛 易 德 Robert W. Floyd 设 计 高 效 可 靠 软 件 的 方 法 学 1979 肯 尼 斯 艾 佛 森 Kenneth E. Iverson 程 序 设 计 语 言 和 数 学 符 号, 互 动 系 统 的 设 计, 运 用 APL 进 行 教 学, 程 序 设 计 语 言 的 理 论 与 实 践 1980 安 东 尼 何 珥 C. Antony R. Hoare 程 序 设 计 语 言 的 定 义 与 设 计 1981 埃 德 加 科 德 Edgar F. Codd 数 据 库 系 统, 尤 其 是 关 系 型 数 据 库 1982 史 提 芬 古 克 Stephen A. Cook 计 算 复 杂 度 31

32 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 1983 肯 汤 普 逊 丹 尼 斯 里 奇 Ken Thompson Dennis M. Ritchie 通 用 的 操 作 系 统 理 论, 实 现 UNIX 操 作 系 统 1984 尼 古 拉 斯 沃 斯 Niklaus Wirth 计 算 机 语 言 设 计 1985 理 查 德 卡 普 Richard M. Karp 算 法 理 论, 尤 其 是 NP- 完 全 性 理 论 1986 约 翰 霍 普 克 罗 夫 特 罗 伯 特 塔 扬 John Hopcroft Robert Tarjan 算 法 和 数 据 结 构 的 设 计 与 分 析 1987 约 翰 科 克 John Cocke 编 译 理 论, 大 型 系 统 的 体 系 结 构 及 精 简 指 令 集 (RISC) 计 算 机 的 开 发 1988 伊 凡 苏 泽 兰 Ivan Sutherland 计 算 机 图 形 学 1989 威 廉 卡 亨 William (Velvel) Kahan 数 值 分 析 1990 费 尔 南 多 考 巴 托 Fernando J. Corbató CTSS 和 Multics 1991 罗 宾 米 尔 纳 Robin Milner LCF,ML,CCS 1992 巴 特 勒 兰 普 森 Butler W. Lampson 分 布 式, 个 人 计 算 环 境 1993 尤 里 斯 哈 特 马 尼 斯 理 查 德 斯 特 恩 斯 Juris Hartmanis Richard E. Stearns 计 算 复 杂 度 理 论 续 表 年 份 中 文 译 名 姓 名 贡 献 领 域 1994 爱 德 华 费 根 鲍 姆 拉 吉 瑞 迪 Edward Feigenbaum Raj Reddy 大 规 模 人 工 智 能 系 统 1995 曼 纽 尔 布 卢 姆 Manuel Blum 计 算 复 杂 度 理 论 及 其 在 密 码 学 和 程 序 校 验 上 的 应 用 1996 艾 米 尔 伯 努 利 Amir Pnueli 时 序 逻 辑, 程 序 与 系 统 验 证 1997 道 格 拉 斯 恩 格 尔 巴 特 Douglas Engelbart 互 动 计 算 1998 詹 姆 斯 格 雷 James Gray 数 据 库 与 事 务 处 理 1999 弗 雷 德 里 克 布 鲁 克 斯 Frederick P. Brooks, Jr. 计 算 机 体 系 结 构, 操 作 系 统, 软 件 工 程 2000 姚 期 智 姚 期 智 (Andrew Chi-Chih Yao) 计 算 理 论, 包 括 伪 随 机 数 生 成, 密 码 学 与 通 信 复 杂 度 2001 奥 利 - 约 翰 达 尔 克 利 斯 登 奈 加 特 Ole-Johan Dahl Kristen Nygaard 面 向 对 象 编 程 2002 罗 纳 德 李 维 斯 特 Ronald L. Rivest 公 钥 密 码 学 (RSA 加 密 算 法 ) 32

33 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 阿 迪 萨 莫 尔 伦 纳 德 阿 德 曼 Adi Shamir Leonard M. Adleman 2003 阿 兰 凯 Alan Kay 面 向 对 象 编 程 2004 温 顿 科 夫 罗 伯 特 卡 恩 Vinton G. Cerf Robert E. Kahn TCP/IP 2005 彼 得 诺 尔 Peter Naur Algol 60 语 言 2006 法 兰 西 斯 艾 伦 Frances E. Allen 优 化 编 译 器 2000 年, 因 姚 期 智 对 计 算 理 论 做 出 了 诸 多 根 本 性 的 意 义 重 大 的 贡 献, 国 际 计 算 机 学 会 (ACM) 决 定 把 该 年 度 的 图 灵 奖 授 予 他 这 是 图 灵 奖 自 创 立 以 来 首 次 授 予 一 位 华 裔 学 者, 姚 期 智 为 全 世 界 华 人 争 得 了 荣 誉 姚 期 智 (Andrew C.Yao, 见 图 1.51) 祖 籍 湖 北 孝 感,1946 年 圣 图 1.51 图 灵 奖 首 位 华 人 获 奖 者 姚 期 智 诞 节 前 夜 出 生 于 上 海, 幼 年 随 父 母 移 居 台 湾 省 1967 年, 姚 期 智 以 优 异 的 成 绩 毕 业 于 台 湾 大 学, 之 后 赴 美 深 造,1972 年 取 得 哈 佛 大 学 物 理 学 博 士 学 位,1975 年 获 伊 利 诺 大 学 计 算 机 科 学 博 士 学 位 姚 期 智 先 后 在 麻 省 理 工 学 院 ( ) 斯 坦 福 大 学 ( , ) 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 ( ) 普 林 斯 顿 大 学 ( ) 等 美 国 一 流 高 等 学 府 从 事 教 学 和 研 究 工 作 此 外, 姚 期 智 还 是 美 国 国 家 科 学 院 院 士 美 国 人 文 及 科 学 院 院 士 2004 年 9 月, 姚 期 智 毅 然 辞 去 普 林 斯 顿 大 学 的 终 身 教 职 回 国, 正 式 加 盟 清 华 大 学 高 等 研 究 中 心, 成 为 清 华 大 学 的 全 职 教 授 阿 塔 纳 索 夫 及 ABC 计 算 机 在 计 算 机 发 展 史 上, 有 一 位 被 遗 忘 的 电 子 计 算 33 图 1.52 被 遗 忘 的 电 子 计 算 机 之 父 约 翰 文 森 特 阿 塔 纳 索 夫

34 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 机 之 父 美 国 物 理 学 家 约 翰 文 森 特 阿 塔 纳 索 夫 ( 见 图 1.52) 他 先 于 莫 契 利 和 埃 克 特 提 出 用 电 子 管 制 作 计 算 机, 提 出 了 清 晰 的 计 算 机 组 成 三 原 则, 并 先 于 ENIAC 制 成 一 台 试 验 样 机, 可 惜 没 被 所 在 的 衣 阿 华 大 学 重 视, 既 没 有 给 予 足 够 的 投 资, 也 没 为 其 设 计 申 请 专 利, 而 后 一 直 搁 置 在 衣 阿 华 大 学 物 理 楼 的 储 存 室 里, 甚 至 被 人 拆 散, 最 后 只 留 下 了 存 储 器 部 件, 逐 渐 被 人 遗 忘 然 而, 我 们 不 应 该 忘 记 阿 塔 纳 索 夫 对 电 子 计 算 机 的 贡 献 约 翰 文 森 特 阿 塔 纳 索 夫 (John Vincent Atanasoff, ), 美 国 物 理 学 家 1903 年 10 月 4 日 出 生 于 纽 约 汉 密 尔 顿, 他 是 一 位 电 气 工 程 师 的 儿 子 1925 年 获 佛 罗 里 达 大 学 电 子 工 程 专 业 学 士 学 位,1926 年 获 衣 阿 华 州 立 大 学 数 学 硕 士 学 位,1930 年 获 威 斯 康 星 大 学 理 论 物 理 博 士 学 位, 这 样 的 教 育 经 历 构 成 了 阿 塔 纳 索 夫 合 理 宽 广 的 知 识 结 构 博 士 毕 业 后, 阿 塔 纳 索 夫 回 到 衣 阿 华 大 学 任 教 1995 年 6 月 15 日 因 中 风 去 世 有 史 料 称,ABC 机 才 是 世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机, 为 阿 塔 纳 索 夫 和 他 的 研 究 生 克 利 福 特 贝 瑞 (Clifford Berry) 在 1937 年 ~1941 年 间 开 发 由 于 求 解 微 分 方 程 的 需 要,1937 年 开 始, 阿 塔 纳 索 夫 一 直 在 思 考 计 算 机 设 计 方 案,1939 年 隆 冬 的 一 个 晚 上, 设 计 遇 到 了 难 题, 他 驱 车 驶 上 高 速 公 路 兜 风, 当 阿 坦 那 索 夫 把 车 停 靠 伊 里 诺 斯 州 路 旁 小 店 前, 要 了 两 杯 饮 料, 独 自 坐 了 下 来 时, 思 维 变 得 活 跃 起 来, 突 然 豁 然 开 朗 : 逻 辑 电 路 二 进 制 码 记 忆 元 件, 计 算 机 的 结 构 在 他 头 脑 中 构 思 成 熟 这 就 是 计 算 机 三 原 则 : 以 二 进 制 的 逻 辑 基 础 来 实 现 数 字 运 算, 以 保 证 精 度 ; 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 ; 采 用 把 计 算 功 能 和 二 进 制 数 更 新 存 储 的 功 能 相 分 离 的 结 构 1939 年 10 月, 依 据 计 算 机 三 原 则, 阿 塔 纳 索 夫 和 研 究 生 助 手 贝 瑞 一 起 制 成 试 验 样 机, 这 就 是 后 来 举 世 闻 名 的 阿 塔 纳 索 夫 - 贝 瑞 计 算 机 (Atanasoff-Berry Computer,ABC 1 ) 不 过, 这 台 样 机 还 不 是 完 全 的 电 子 计 算 机 1940 年 秋, 他 们 写 了 一 份 更 详 细 的 建 议 书, 用 300 多 个 电 子 管 组 装 一 台 正 式 的 ABC 电 子 计 算 机, 预 算 需 要 美 元, 保 守 的 衣 阿 华 大 学 认 为 这 是 浪 费 金 钱, 断 然 拒 绝 了 他 们 的 请 求 阿 坦 那 索 夫 和 贝 瑞 只 得 自 己 想 办 法, 因 陋 就 简,1941 年 底,ABC 主 要 部 件 已 经 定 型, 只 有 穿 孔 卡 设 备 有 待 最 后 完 成, 由 于 美 国 正 式 参 加 反 法 西 斯 战 争, 贝 瑞 离 开 学 校 前 往 一 家 军 事 工 程 公 司 工 作, 这 台 机 器 原 定 的 目 标 没 有 实 现 如 图 1.53 所 示,ABC 计 算 机 存 放 在 衣 阿 华 大 学 物 理 楼 的 储 存 室 里,1946 年 被 人 拆 散, 唯 一 只 留 下 了 存 储 器 部 件, 逐 渐 被 人 遗 忘 衣 阿 华 大 学 没 有 为 ABC 申 请 专 利, 给 电 子 计 算 机 的 发 明 权 问 题 带 来 了 旷 日 持 久 的 法 律 纠 纷 字 母 34 1 A B 分 别 取 阿 塔 纳 索 夫 (Atanasoff) 和 贝 瑞 (Berry) 俩 人 名 字 的 第 一 字 母,C 即 计 算 机 的 首

35 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 图 1.53 现 存 放 在 衣 阿 华 州 立 大 学 一 楼 的 ABC 计 算 机 关 于 ENIAC 专 利 的 诉 讼 : 莫 契 利 在 1942 年 8 月 写 出 ENIAC 总 体 设 想 之 前, 曾 经 拜 访 过 阿 塔 纳 索 夫, 人 们 认 为 莫 契 利 受 到 阿 塔 纳 索 夫 有 关 电 子 计 算 机 设 计 思 想 的 启 发 才 成 功 设 计 出 ENIAC 于 是,20 世 纪 60 年 代 中 期, 在 美 国 发 生 了 一 场 涉 及 ENIAC 专 利 权 的 诉 讼,1973 年 10 月 19 日, 明 尼 苏 达 州 一 家 地 方 法 院 经 过 135 次 开 庭 审 理, 宣 判 撤 销 了 ENIAC 的 专 利 权, 莫 契 利 是 ENIAC 的 总 设 计 师 而 不 拥 有 发 明 权 从 历 史 的 角 度 客 观 地 说, 第 一 台 通 用 的 电 子 计 算 机 ENIAC 设 计 者 莫 契 利 借 鉴 了 阿 塔 纳 索 夫 的 思 想 正 如 ENIAC 在 世 界 科 技 史 上 具 有 的 重 大 意 义 不 可 抹 杀 一 样, 阿 塔 纳 索 夫 提 出 的 计 算 机 三 原 则 及 其 ABC 计 算 机 对 现 代 计 算 机 产 生 的 影 响 也 是 毋 庸 置 疑 的 维 纳 及 计 算 机 设 计 五 原 则 诺 伯 特 维 纳 (Norbert Wiener, , 见 图 1.54), 美 国 应 用 数 学 家 1894 年 11 月 26 日 维 纳 出 生 在 美 国 密 苏 里 州 哥 伦 比 亚 市 的 一 个 犹 太 人 的 家 庭 中, 父 亲 是 哈 佛 大 学 的 语 言 学 教 授 维 纳 18 岁 时 就 获 得 了 哈 佛 大 学 数 学 和 哲 学 两 个 博 士 学 位, 随 后 他 因 提 出 了 著 名 的 控 制 论 而 闻 名 于 世 1964 年 3 月 18 日 维 纳 在 瑞 典 斯 德 哥 尔 摩 逝 世 35 图 1.54 控 制 论 创 始 人 诺 伯 特 维 纳

36 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 维 纳 1943 年 在 所 发 表 的 论 文 行 为 目 的 和 目 的 论 ( Behavior, purpose, and teleology. Phil. Sci. 10(1943).) 中, 首 次 提 出 了 控 制 论 这 个 概 念, 第 一 次 把 只 属 于 生 物 的 有 目 的 的 行 为 赋 予 机 器, 初 显 了 控 制 论 的 基 本 思 想 1948 年 维 纳 在 麻 省 理 工 学 院 出 版 社 (MIT Press) 出 版 了 里 程 碑 式 的 著 作 控 制 论 动 物 和 机 器 中 的 通 信 与 控 制 问 题 (Cybernetics: Or the Control and Communication in the Animal and the Machine. Cambridge), 为 控 制 论 奠 定 了 理 论 基 础, 标 志 着 它 的 正 式 诞 生 控 制 论 系 统 论 和 信 息 论 是 现 代 信 息 技 术 的 理 论 基 础 诺 伯 特 维 纳 是 控 制 论 创 始 人 几 乎 尽 人 皆 知, 他 对 现 代 电 子 计 算 机 产 生 所 做 的 贡 献 却 鲜 为 人 知 前 面 已 述, 第 一 台 数 字 电 子 计 算 机 ENIAC, 诞 生 在 美 国 马 里 兰 州 阿 贝 丁 陆 军 试 炮 场, 然 而 阿 贝 丁 试 炮 场 研 制 电 子 计 算 机 的 最 初 设 想, 竟 与 控 制 论 之 父 维 纳 的 一 封 信 有 关 早 在 第 一 次 世 界 大 战 期 间, 维 纳 就 曾 来 过 阿 贝 丁 试 炮 场, 当 时 弹 道 实 验 室 负 责 人 著 名 数 学 家 韦 伯 伦 (O.Veblen) 请 他 为 高 射 炮 编 制 射 程 表, 使 他 不 仅 萌 生 了 控 制 论 的 思 想, 而 且 1 2 第 一 次 看 到 了 高 速 计 算 机 的 必 要 性 维 纳 与 模 拟 计 算 机 发 明 人 温 尼 法 布 什 一 直 在 麻 省 理 工 学 院 共 事, 结 下 了 深 厚 的 友 谊 1940 年, 维 纳 在 给 布 什 的 信 中 提 出 了 现 代 计 算 机 构 想, 维 纳 写 道 : 现 代 计 算 机 应 该 是 数 字 式, 由 电 子 元 件 构 成, 采 用 二 进 制, 并 在 内 部 储 存 数 据 这 就 是 著 名 的 现 代 计 算 机 设 计 五 原 则 : 不 是 模 拟 式, 而 是 数 字 式 ; 由 电 子 元 件 构 成, 尽 量 减 少 机 械 部 件 ; 采 用 二 进 制, 而 不 是 十 进 制 ; 内 部 存 放 计 算 表 ; 在 计 算 机 内 部 存 储 数 据 维 纳 提 出 的 这 五 原 则, 为 电 子 计 算 机 设 计 指 引 了 正 确 的 方 向, 为 ENIAC 的 设 计 者 提 供 了 很 好 的 思 路 正 是 由 于 有 前 面 这 些 科 学 家 思 想 的 闪 光, 才 使 得 现 代 电 子 计 算 机 顺 利 诞 生 冯 诺 依 曼 及 冯 诺 依 曼 结 构 约 翰 冯 诺 依 曼 ( 匈 牙 利 语 :Neumann János; 英 语 :John von Neumann, ), 美 籍 匈 牙 利 数 学 家, 现 代 电 子 计 算 机 创 始 人 之 一 他 在 计 算 机 科 学 经 济 物 理 学 中 的 量 子 力 学 及 几 乎 所 有 数 学 领 域 都 做 过 重 大 贡 献 冯 诺 依 曼 ( 见 图 1.55)1903 年 12 月 28 日 生 于 匈 牙 利 的 布 达 佩 斯,1921 年 ~1923 年 在 苏 黎 世 大 学 学 习,1926 年 以 优 异 的 成 绩 获 得 了 布 达 佩 斯 大 学 数 学 博 士 学 位 此 后, 冯 诺 依 曼 相 继 在 柏 林 大 学 和 汉 堡 大 学 担 任 数 学 讲 师,1930 年 接 受 了 普 林 斯 顿 大 学 客 座 教 授 的 职 位, 西 渡 美 国,1931 年 成 为 该 校 终 身 教 授,1933 年 转 到 该 校 的 高 级 研 究 所, 成 为 最 初 六 位 教 授 之 一, 并 在 那 里 工 作 了 一 生 1954 年 夏, 冯 诺 依 曼 被 发 现 小 节 提 到 的 微 分 分 析 仪 小 节 提 到 的 信 息 论 创 始 人 香 农 的 导 师 图 世 纪 40 年 代 36 的 冯 诺 依 曼

37 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 患 有 癌 症,1957 年 2 月 8 日 在 华 盛 顿 德 里 医 院 去 世 从 1940 年 起, 冯 诺 依 曼 担 任 阿 贝 丁 试 炮 场 的 顾 问, 也 是 ENIAC 设 计 小 组 的 顾 问, 冯 诺 依 曼 凭 借 自 己 渊 博 的 知 识, 经 常 给 设 计 小 组 一 些 引 导 性 的 建 议,ENIAC 设 计 方 案 顺 利 出 台 有 他 的 一 份 功 劳 ENIAC 是 第 一 个 利 用 电 子 真 空 技 术 提 高 计 算 速 度 的 范 例, 它 不 愧 为 第 一 台 成 功 投 入 运 行 的 完 全 的 电 子 计 算 机 不 过,ENIAC 存 在 两 大 缺 点 : 没 有 存 储 器, 程 序 与 计 算 两 分 离 程 序 指 令 存 放 在 机 器 的 外 部 电 路 里, 必 须 临 时 用 人 工 搭 接 布 线 板, 甚 至 要 搭 接 数 天, 才 可 进 行 几 分 钟 运 算 在 ENIAC 尚 未 投 入 运 行 前, 冯 诺 依 曼 就 看 到 了 它 的 缺 陷, 决 心 对 其 进 行 改 进 1945 年 6 月 30 日, 冯 诺 依 曼 与 戈 德 斯 坦 1 2 勃 克 斯 等 人, 联 名 发 表 了 一 篇 长 达 101 页 纸 的 报 告, 即 计 算 机 史 上 著 名 的 101 页 报 告 First Draft of a Report on the EDVAC 3, 一 份 专 门 为 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer, 离 散 变 量 电 子 自 动 计 算 机 ) 所 写 的 设 计 报 告 ;1946 年 7 8 月 间, 冯 诺 依 曼 和 戈 德 斯 坦 勃 克 斯 在 EDVAC 方 案 的 基 础 上, 为 普 林 斯 顿 大 学 高 级 研 究 所 研 制 IAS(Institute for Advanced Study) 计 算 机 时, 又 提 出 了 一 个 更 加 完 善 的 设 计 报 告 电 子 计 算 机 逻 辑 设 计 初 探 (Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument) 这 两 篇 报 告 的 综 合 设 计 思 想, 便 是 著 名 的 冯 诺 依 曼 结 构 (von Neumann Architecture), 也 称 普 林 斯 顿 结 构 报 告 明 确 指 出 : 采 用 二 进 制, 不 但 数 据 采 用 二 进 制, 指 令 也 采 用 二 进 制 ; 计 算 机 由 5 部 分 构 成 : 运 算 器 控 制 器 存 储 器 输 入 和 输 出 装 置, 并 描 述 了 这 5 部 分 的 职 能 和 相 互 关 系 ; 程 序 由 指 令 组 成 并 和 数 据 一 起 存 放 在 存 储 器 中, 机 器 按 程 序 指 定 的 逻 辑 顺 序, 把 指 令 从 存 储 器 中 读 出 来 并 逐 条 执 行, 从 而 自 动 完 成 程 序 描 述 的 处 理 工 作 该 方 案 的 革 命 意 义 在 于 存 储 程 序 (stored-program), 以 便 计 算 机 自 动 依 次 执 行 指 令 这 个 概 念 被 誉 为 计 算 机 发 展 史 上 的 一 个 里 程 碑, 它 标 志 着 现 代 电 子 计 算 机 时 代 的 真 正 开 始, 指 导 着 以 后 的 计 算 机 设 计 人 们 后 来 把 这 种 存 储 程 序 体 系 结 构 的 计 算 机 统 称 为 冯 诺 依 曼 机, 由 于 他 在 计 算 机 逻 辑 结 构 设 计 上 的 伟 大 贡 献, 冯 诺 依 曼 被 誉 为 现 代 计 算 机 之 父 遗 憾 的 是, 由 于 种 种 原 因,EDVAC 小 组 发 生 令 人 痛 惜 的 分 裂,EDVAC 机 器 无 法 在 101 页 报 告 出 台 后 立 即 研 制 1946 年 6 月, 冯 诺 依 曼 和 戈 德 斯 坦 勃 克 斯 回 到 普 林 斯 顿 大 学 高 级 研 究 院, 先 期 完 成 了 另 一 台 IAS 电 子 计 算 机 ( 见 图 1.56) 直 到 1951 年, 在 极 端 保 密 情 况 下, 冯 诺 依 曼 主 持 的 EDVAC 计 算 机 ( 见 图 1.57) 才 宣 告 完 成, 它 不 仅 可 应 用 于 科 学 计 算, 而 且 可 用 于 信 息 检 索 等 领 域, 主 要 缘 于 存 储 程 序 的 威 力,EDVAC 只 用 了 只 电 子 小 节 提 到 的 阿 贝 丁 试 跑 场 火 炮 试 验 负 责 人,ENIAC 计 划 主 要 负 责 人 小 节 提 到 的 ENIAC 小 组 主 要 成 员, 主 要 负 责 大 型 逻 辑 器 件 设 计 页 报 告 见 网 址 : 37

38 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 管 和 1 万 只 晶 体 二 极 管, 以 个 44 比 特 水 银 延 迟 线 来 储 存 程 序 和 数 据, 耗 电 和 占 地 面 积 只 有 ENIAC 的 1/3, 运 算 速 度 比 ENIAC 快 数 百 倍 图 1.56 冯 诺 依 曼 及 IAS 计 算 机 图 1.57 冯 诺 依 曼 主 持 完 成 的 EDVAC 计 算 机 根 据 这 一 原 理 设 计 的 EDVAC 机 和 IAS 机, 与 ENIAC 机 相 比 有 如 下 重 要 的 改 进 : 将 十 进 制 改 为 二 进 制, 程 序 和 数 据 均 由 二 进 制 代 码 表 示 ; 程 序 由 外 插 变 为 内 存, 当 算 题 改 变 时, 不 必 变 换 线 路 板 而 只 需 更 换 程 序 ; 以 超 声 波 信 号 的 方 式 存 储 输 入 的 电 信 号, 并 建 立 多 级 存 储 结 构, 存 储 能 力 大 大 提 高 ; 采 用 并 行 计 算 原 理, 即 对 数 字 的 各 位 同 时 进 行 处 理 图 1.58 所 示 为 保 存 在 博 物 馆 的 EDVAC 设 计 图 然 而, 最 早 问 世 的 内 储 程 序 式 计 算 机 既 不 是 IAS, 也 不 是 EDVAC, 而 是 英 国 剑 桥 大 学 莫 里 斯 威 尔 克 斯 (Maurice Wilkes) 教 授 主 持 研 制 的 EDSAC 威 尔 克 斯 1946 年 曾 到 宾 夕 法 尼 亚 大 学 参 加 冯 诺 依 曼 主 持 的 培 训 班, 完 全 接 受 了 冯 诺 依 曼 存 储 程 序 的 设 计 思 想 回 国 后, 他 立 即 抓 紧 时 间, 主 持 新 型 计 算 机 的 研 制, 并 于 1949 年 5 月, 制 成 了 一 台 由 只 电 子 管 为 主 要 元 件 的 计 算 机, 命 名 为 EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer, 电 子 储 存 程 序 计 算 机 ), 如 图 1.59 所 示 威 尔 克 斯 因 此 摘 取 了 1967 年 图 灵 奖 38

39 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 1 图 1.58 保 存 在 博 物 馆 的 EDVAC 设 计 图 图 1.59 第 一 台 存 储 程 序 电 子 计 算 机 EDSAC 1.6 计 算 机 在 中 国 中 国 的 计 算 机 事 业 开 始 的 标 志 是 1956 年 6 月 14 日 就 在 这 天, 毛 泽 东 主 席 等 中 央 领 导 同 志 在 怀 仁 堂 草 坪 接 见 了 参 加 规 划 的 几 百 位 专 家, 批 准 了 我 国 著 名 的 12 年 科 技 规 划, 选 定 了 计 算 机 电 子 学 半 导 体 自 动 化 作 为 发 展 规 划 的 四 项 紧 急 措 施, 批 准 中 国 科 学 院 成 立 计 算 技 术 半 导 体 电 子 学 及 自 动 化 四 个 研 究 所 1956 年 8 月 25 日, 中 国 科 学 院 计 算 技 术 研 究 所 筹 备 委 员 会 成 立, 著 名 数 学 家 华 罗 庚 任 主 任, 我 国 计 算 机 事 业 由 此 起 步 表 1.3 为 我 国 计 算 机 发 展 史 大 事 记 表 (1956 年 ~2005 年 ) 表 1.3 中 国 计 算 机 发 展 史 大 事 记 (1956 年 ~2005 年 ) 1956 年 夏 培 肃 完 成 了 第 一 台 电 子 管 计 算 机 运 算 器 和 控 制 器 的 设 计 工 作, 同 时 编 写 了 中 国 第 一 本 电 子 计 算 机 原 理 讲 义 1957 年 哈 尔 滨 工 业 大 学 研 制 成 功 中 国 第 一 台 模 拟 式 电 子 计 算 机 续 表 1958 年 1959 年 中 科 院 计 算 所 研 制 成 功 小 型 通 用 电 子 管 计 算 机 103 机, 标 志 着 中 国 第 一 台 电 子 计 算 机 的 诞 生 该 机 字 长 32 位 每 秒 运 算 30 次, 采 用 磁 鼓 内 部 存 储 器, 容 量 为 1KB 字 104 机 研 制 成 功, 运 算 速 度 为 每 秒 1 万 次, 字 长 39 位, 采 用 磁 芯 存 储 器, 容 量 为 2KB~4KB, 并 配 备 了 磁 鼓 外 部 存 储 器 光 电 纸 带 输 入 机 和 1/2 寸 磁 带 机 1960 年 中 国 第 一 台 大 型 通 用 电 子 管 计 算 机 107 机 研 制 成 功 1963 年 中 科 院 计 算 所 推 出 中 国 第 一 台 大 型 晶 体 管 计 算 机 109 机, 标 志 中 国 电 子 计 算 机 技 术 进 入 晶 体 管 时 代 1964 年 由 慈 云 桂 支 持 研 制 的 441B 全 晶 体 管 计 算 机 研 制 成 功, 字 长 40 位 1965 年 (1)109 乙 机 在 中 科 院 计 算 所 诞 生, 字 长 32 位, 运 算 速 度 每 秒 10 万 次, 内 存 容 量 为 双 体 24KB 字 1 引 自 39

40 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 (2) 中 国 第 一 台 百 万 次 集 成 电 路 计 算 机 DSJ-Ⅱ 型 操 作 系 统 编 制 完 成 1967 年 中 科 院 计 算 所 继 续 推 出 109 丙 机, 该 机 在 两 弹 试 验 中 发 挥 了 重 要 作 用 1972 年 1970 年 1972 年 1973 年 1974 年 1976 年 1977 年 1978 年 1979 年 1981 年 1982 年 华 北 计 算 所 等 十 几 个 单 位 联 合 研 制 出 容 量 为 7.4MB 的 磁 盘 机, 这 是 我 国 研 制 的 能 实 际 使 用 的 最 早 的 重 要 外 部 设 备 中 国 第 一 台 具 有 多 道 程 序 分 时 操 作 系 统 和 标 准 汇 编 语 言 的 计 算 机 441B-Ⅲ 全 晶 体 管 计 算 机 研 制 成 功 每 秒 运 算 11 万 次 的 大 型 集 成 电 路 通 用 电 子 计 算 机 在 复 旦 大 学 的 支 持 下, 由 上 海 华 东 计 算 技 术 研 究 所 研 制 成 功, 标 志 着 中 国 进 入 集 成 电 路 计 算 机 时 代 由 北 京 大 学 北 京 有 线 电 厂 和 燃 化 部 等 有 关 单 位 共 同 研 制 成 功 中 国 第 一 台 百 万 次 集 成 电 路 电 子 计 算 机, 字 长 48 位, 存 储 容 量 13KB 清 华 大 学 等 单 位 联 合 设 计, 采 用 集 成 电 路 的 DJS-130 小 型 计 算 机, 在 北 京 无 线 电 三 厂 试 制 成 功, 运 算 速 度 达 每 秒 100 万 次 之 后, 等 共 13 个 机 型 先 后 研 制 成 功, 近 31 个 厂 点 生 产, 产 量 近 千 台 由 华 北 计 算 机 技 术 研 究 所 西 北 电 讯 工 程 学 院 和 西 北 工 业 大 学 联 合 设 计, 南 丰 机 械 厂 试 制 成 功 DJS-183 机, 又 先 后 研 制 出 和 1804 共 5 个 机 型 (1) 安 徽 无 线 电 厂 清 华 大 学 和 四 机 部 六 所 联 合 研 制 成 功 我 国 第 一 台 微 型 计 算 机 DJS-050 机 (2) 慈 云 桂 研 制 的 151-Ⅲ 型 机 投 入 运 行, 达 到 每 秒 200 万 次 运 算 速 度 电 子 部 六 所 研 制 出 以 Intel 8080 为 CPU, 配 有 工 业 过 程 控 制 I/O 部 件 的 DJS-054 微 型 控 制 机, 这 是 我 国 第 一 台 板 级 系 列 工 控 机 (1) 华 东 计 算 技 术 研 究 所 研 制 成 功 了 每 秒 运 算 500 万 次 的 集 成 电 路 计 算 机 HDS-9 (2) 王 选 教 授 用 我 国 第 一 台 激 光 照 排 机 排 出 样 书 (1) 信 息 处 理 交 换 用 汉 字 编 码 字 符 集 ( 基 本 集 ) GB 国 家 标 准 正 式 颁 发 这 是 第 一 个 汉 字 信 息 技 术 标 准 (2) 由 北 京 大 学 负 责 总 体 设 计 的 汉 字 激 光 照 排 系 统 原 理 样 机 通 过 鉴 定 该 系 统 在 激 光 输 出 精 度 和 软 件 的 某 些 功 能 方 面, 达 到 了 国 际 先 进 水 平 (1) 中 科 院 计 算 所 研 制 出 达 到 同 类 产 品 国 际 水 平 的 每 英 寸 800/1600 位 记 录 密 度 的 磁 带 机, 并 由 信 息 产 业 部 门 定 型 (ZDC207) 生 产 (2) 燕 山 计 算 机 应 用 研 究 中 心 和 华 北 终 端 设 备 公 司 研 制 的 ZD-2000 汉 字 智 能 终 端 通 过 鉴 定 并 投 产 续 表 1983 年 1985 年 1987 年 (1) 中 国 人 民 解 放 军 国 防 科 学 技 术 大 学 研 制 成 功 运 算 速 度 每 秒 上 亿 次 的 银 河 -Ⅰ 巨 型 机, 这 是 我 国 高 速 计 算 机 研 制 的 一 个 重 要 里 程 碑 (2) 中 科 院 计 算 所 研 制 成 功 我 国 第 一 台 千 万 次 大 型 向 量 计 算 机 757 机, 字 长 64 位, 内 存 容 量 52 万 字 (1) 电 子 工 业 部 计 算 机 管 理 局 研 制 成 功 与 IBM PC 机 兼 容 的 长 城 0520CH 微 机, 这 是 第 一 台 具 有 字 符 发 生 器 的 汉 字 显 示 能 力 具 备 完 整 中 文 信 息 处 理 能 力 的 国 产 微 机 (2) 中 科 院 自 动 化 所 研 制 出 国 内 第 一 套 联 机 手 写 汉 字 识 别 系 统, 即 汉 王 联 机 手 写 汉 字 识 别 系 统 (1) 中 科 院 高 能 所 通 过 低 速 的 X.25 专 线 第 一 次 实 现 了 国 际 远 程 联 网 (2) 钱 天 白 教 授 发 出 了 中 国 第 一 封 邮 件, 由 此 揭 开 了 中 国 使 用 Internet 的 序 幕 (3) 第 一 台 国 产 的 286 微 机 长 城 286 正 式 推 出 40

41 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 1988 年 1989 年 1990 年 (1) 第 一 台 国 产 386 微 机 长 城 386 推 出, 中 国 发 现 首 例 计 算 机 病 毒 (2) 电 子 工 业 部 六 所 清 华 大 学 南 方 信 息 公 司 联 合 研 制 成 功 我 国 第 一 套 国 产 以 太 局 域 网 系 统 (3) 希 望 公 司 发 布 超 级 组 合 式 中 文 平 台 UC-DOS, 此 后, 该 软 件 一 度 成 为 我 国 DOS 平 台 市 场 份 额 最 大 的 中 文 操 作 系 统 (1) 金 山 公 司 的 WPS 软 件 问 世, 它 填 补 了 我 国 计 算 机 字 处 理 软 件 的 空 白, 并 得 到 了 极 其 广 泛 的 应 用 (2) 我 国 第 一 个 大 学 校 园 计 算 机 网 在 清 华 大 学 建 成 (1) 中 国 首 台 高 智 能 计 算 机 EST/IS4260 智 能 工 作 站 诞 生, 长 城 486 计 算 机 问 世 (2) 北 京 用 友 电 子 财 务 技 术 公 司 的 UFO 通 用 财 务 报 表 管 理 系 统 问 世, 这 个 被 专 家 称 誉 为 中 国 第 一 表 的 系 统, 改 变 了 我 国 报 表 数 据 处 理 软 件 主 要 依 靠 国 外 产 品 的 局 面 1991 年 新 华 社 科 技 日 报 经 济 日 报 正 式 启 用 汉 字 激 光 照 排 系 统 1992 年 1993 年 1994 年 1995 年 1996 年 (1) 中 国 人 民 解 放 军 国 防 科 学 技 术 大 学 研 制 出 10 亿 次 银 河 -Ⅱ 巨 型 机, 它 主 要 用 于 中 期 天 气 预 报 (2) 中 国 最 大 的 汉 字 字 符 集 6 万 电 脑 汉 字 字 库 正 式 建 立 (3) 北 京 新 天 地 电 子 信 息 技 术 研 究 所 率 先 推 出 了 基 于 Windows 3.0 的 外 挂 式 中 文 平 台 中 文 之 星 1.0 版, 中 文 之 星 一 度 成 为 应 用 人 数 最 多 的 Windows 环 境 下 的 中 文 平 台 国 家 智 能 计 算 机 研 究 开 发 中 心 研 制 出 我 国 第 一 套 用 微 处 理 器 构 成 的 全 对 称 多 处 理 机 系 统 曙 光 一 号, 这 是 国 内 首 次 以 基 于 超 大 规 模 集 成 电 路 的 通 用 微 处 理 器 芯 片 和 标 准 UNIX 操 作 系 统 设 计 开 发 的 并 行 计 算 机 (1) 中 关 村 地 区 教 育 与 科 研 示 范 网 络 (NCFC) 完 成 了 与 Internet 的 全 功 能 IP 连 接, 从 此, 中 国 正 式 被 国 际 上 承 认 是 接 入 Internet 的 国 家 (2) 中 国 公 用 数 字 数 据 网 (ChinaDDN) 开 通, 中 国 教 育 和 科 研 计 算 机 网 (CERNET) 开 始 启 动 (1) 国 家 智 能 计 算 机 研 究 开 发 中 心 研 制 出 曙 光 1000, 这 是 我 国 独 立 研 制 的 第 一 套 大 规 模 并 行 机 系 统, 峰 值 速 度 达 每 秒 25 亿 次, 实 际 运 算 速 度 超 过 10 亿 次 浮 点 运 算, 内 存 容 量 为 1024MB (2) 我 国 第 一 张 从 芯 片 设 计 生 产 到 卡 片 制 作 全 部 国 产 化 的 IC 卡 中 华 IC 卡 通 过 原 电 子 工 业 部 和 国 家 教 委 的 鉴 定 (1) 中 国 公 用 计 算 机 互 联 网 (CHINANET) 全 国 骨 干 网 建 成 并 正 式 开 通, 全 国 范 围 的 公 用 计 算 机 互 联 网 络 开 始 提 供 服 务 (2) 以 上 海 华 虹 微 电 子 有 限 公 司 超 大 规 模 集 成 电 路 专 项 工 程 建 设 项 目 的 动 工 兴 建 为 标 志, 国 家 909 工 程 启 动 续 表 1997 年 (1) 银 河 -Ⅲ 百 亿 次 并 行 巨 型 计 算 机 研 制 成 功, 采 用 可 扩 展 分 布 共 享 存 储 并 行 处 理 体 系 结 构, 由 130 多 个 处 理 结 点 组 成, 系 统 综 合 技 术 达 到 20 世 纪 90 年 代 中 期 国 际 先 进 水 平 (2) 我 国 研 制 的 6 000m 光 揽 水 下 机 器 人 在 由 大 洋 矿 产 资 源 开 发 协 会 组 织 的 深 海 调 查 中, 圆 满 完 成 了 各 项 调 查 任 务 1997 年 ~ 1999 年 曙 光 公 司 先 后 在 市 场 上 推 出 具 有 机 群 结 构 (Cluster) 的 曙 光 1000A, 曙 光 2000-Ⅰ, 曙 光 Ⅱ 超 级 服 务 器, 峰 值 计 算 速 度 已 突 破 每 秒 亿 次 浮 点 运 算, 机 器 规 模 已 超 过 160 个 处 理 机 1999 年 (1) 国 家 并 行 计 算 机 工 程 技 术 研 究 中 心 研 制 的 神 威 Ⅰ 计 算 机 通 过 了 国 家 级 验 收, 并 在 国 家 气 象 中 心 投 入 运 行 系 统 有 384 个 运 算 处 理 单 元, 峰 值 运 算 速 度 达 每 秒 亿 次 (2) 中 科 院 软 件 研 制 中 心 推 出 女 娲 计 划, 其 中 的 嵌 入 式 操 作 系 统 Hopen 可 广 泛 用 于 机 顶 盒 41

42 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 袖 珍 电 脑 掌 上 电 脑 PDA DVD Internet 接 入 设 备 等 2000 年 曙 光 公 司 推 出 每 秒 亿 次 浮 点 运 算 的 曙 光 3000 超 级 服 务 器 2001 年 中 芯 微 系 统 公 司 宣 布 研 制 成 功 第 一 块 32 位 CPU 芯 片 方 舟 -1, 其 主 频 为 200MHz 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 (1) 中 科 院 计 算 所 研 制 成 功 我 国 第 一 款 通 用 CPU 龙 芯 1 号 (2) 境 外 权 威 调 查 机 构 (Nielsen/NetRatings) 的 最 新 研 究 表 明, 中 国 内 地 家 庭 上 网 人 数 达 万, 超 过 日 本, 居 世 界 第 二, 仅 次 于 美 国 (3) 曙 光 公 司 推 出 完 全 自 主 知 识 产 权 的 龙 腾 服 务 器, 该 服 务 器 采 用 了 龙 芯 -1 CPU, 采 用 了 曙 光 公 司 和 中 科 院 计 算 所 联 合 研 发 的 服 务 器 专 用 主 板, 采 用 曙 光 Linux 操 作 系 统, 是 国 内 第 一 台 完 全 实 现 自 有 产 权 的 产 品, 在 国 防 安 全 等 部 门 将 发 挥 重 大 作 用 (1) 百 万 亿 次 数 据 处 理 超 级 服 务 器 曙 光 4000L 通 过 国 家 验 收, 再 一 次 刷 新 国 产 超 级 服 务 器 的 历 史 记 录, 使 得 国 产 高 性 能 产 业 再 上 新 台 阶 (2) 联 想 公 司 承 担 的 国 家 网 格 主 节 点 深 腾 6800 超 级 计 算 机 正 式 研 制 成 功, 其 实 际 运 算 速 度 达 到 每 秒 万 亿 次, 全 球 排 名 第 14 位, 运 行 效 率 78.5% (3) 由 苏 州 国 芯 南 京 熊 猫 中 芯 国 际 上 海 宏 力 上 海 贝 岭 杭 州 士 兰 北 京 国 家 集 成 电 路 产 业 化 基 地 北 京 大 学 清 华 大 学 等 61 家 集 成 电 路 企 业 机 构 组 成 的 C*Core( 中 国 芯 ) 产 业 联 盟 在 南 京 宣 告 成 立, 谋 求 合 力 打 造 中 国 集 成 电 路 完 整 产 业 链 美 国 能 源 部 劳 伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 公 布 了 最 新 的 全 球 计 算 机 500 强 名 单, 曙 光 计 算 机 公 司 研 制 的 超 级 计 算 机 曙 光 4000A 排 名 第 十, 运 算 速 度 达 万 亿 次 (1) 由 中 科 院 计 算 所 研 制 的 中 国 首 个 拥 有 自 主 知 识 产 权 的 通 用 高 性 能 CPU 龙 芯 2 号 正 式 亮 相 (2) 联 想 公 司 正 式 宣 布 完 成 对 IBM 全 球 PC 业 务 的 收 购, 联 想 以 合 并 后 年 收 入 约 130 亿 美 元 个 人 计 算 机 年 销 售 量 约 万 台, 一 跃 成 为 全 球 第 三 大 PC 制 造 商 (3) 国 内 最 大 搜 索 引 擎 百 度 公 司 的 股 票 在 美 国 Nasdaq 市 场 挂 牌 交 易, 一 日 之 内 股 价 上 涨 354%, 刷 新 美 国 股 市 5 年 来 新 上 市 公 司 首 日 涨 幅 的 记 录 1.7 计 算 机 的 发 展 趋 势 自 1946 年 第 一 台 通 用 电 子 数 字 计 算 机 ENIAC 诞 生,60 多 年 过 去 了,60 年 来 神 话 般 的 进 步 如 表 1.4 所 示 表 年 来 神 话 般 的 进 步 ENIAC Intel Core Duo 2006 首 次 登 场 1946 年 2006 年 性 能 次 加 法 / 秒 21.6 亿 次 运 算 / 秒 功 耗 170kW 最 多 31W 重 量 28t 几 乎 可 以 忽 略 1 42 摘 自 : 清 华 大 学 凌 瑞 骥 教 授 在 中 国 国 家 图 书 馆 文 会 堂 所 作 演 讲 计 算 机 技 术 的 发 展 趋 势,

43 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 大 小 80 英 尺 8 英 尺 90.3mm 2 器 件 数 量 支 电 子 管 百 万 支 晶 体 三 极 管 成 本 US$ US$637 人 类 文 明 迄 今, 除 计 算 机 技 术 外, 没 有 任 何 一 门 技 术 其 性 能 价 格 比 能 在 30 年 内 增 长 六 个 数 量 级 1 谁 要 想 对 下 半 个 世 纪 的 计 算 技 术 做 出 详 细 精 确 的 预 言, 那 他 一 定 是 个 勇 士 或 傻 子 但 是 没 有 对 未 来 的 想 象 和 预 见, 我 们 就 会 像 一 个 醉 汉 那 样 盲 目 徘 徊, 无 法 应 对 我 们 面 临 的 诸 多 重 大 课 题 2 失 误 的 预 见 认 识 滞 后 1943 年,IBM 公 司 的 创 始 人 汤 玛 斯 沃 森 预 言 : 整 个 美 国 只 需 要 5 台 计 算 机 1982 年, 比 尔 盖 茨 断 言 : 在 相 当 长 的 时 间 内, 操 作 系 统 只 需 留 出 640KB 的 内 存 空 间 给 用 户 就 足 够 了 1977 年 DEC 公 司 的 CEO, 肯 奥 森 预 言 : 家 用 计 算 机 (Home Computer) 毫 无 用 途 失 误 的 预 见 过 于 超 前 1950 年, 阿 兰 图 灵 曾 预 言 : 到 2000 年 我 们 将 会 有 同 人 类 具 有 同 样 反 应 能 力 的 计 算 机 举 上 述 预 见 失 误 的 例 子 只 是 为 了 说 明 要 精 确 预 测 五 十 年 后 计 算 机 技 术 的 发 展, 几 乎 是 不 可 能 的 我 们 要 有 充 分 的 心 理 准 备, 面 对 计 算 机 技 术 给 社 会 发 展 带 来 的 一 切 变 革 ; 我 们 如 此 兴 奋, 享 受 着 科 技 进 步 带 来 的 便 利 ; 同 时, 我 们 需 要 更 多 的 俊 才, 投 入 这 项 事 业 虽 然, 我 们 无 法 精 确 预 测 未 来 什 么 时 候 会 发 生 什 么 变 化? 但 以 下 趋 势 是 目 前 我 们 能 明 显 感 受 到 的, 计 算 机 技 术 将 向 两 极 发 展 : 高 性 能 计 算 (High Performance Computing,HPC), 无 所 不 在 的 计 算 (Ubiquitous Computing,UC) 或 普 适 计 算 (Pervasive Computing,PC) 高 性 能 计 算 高 性 能 计 算 机 是 价 格 在 10 万 元 以 上 的 服 务 器 之 所 以 称 为 高 性 能 计 算 机, 主 要 是 它 跟 微 1 摘 自 : 费 里 德 里 克 布 鲁 克 著 作 费 里 德 里 克 布 鲁 克, 世 界 著 名 计 算 机 科 学 家, IBM System/ 360 之 父 他 的 名 著 The Mythical Man-Month ( 人 月 神 话 ), 被 世 界 软 件 界 奉 为 圣 经 2 From: Peter J. Denning, Robert M. Metcalfe. Beyond Calculation The Next Fifty Years of Computing. New York: Springer press, Sep.25,

44 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 机 与 低 档 PC 服 务 器 相 比 而 言 具 有 性 能 功 能 方 面 的 优 势, 当 然, 价 格 和 功 耗 也 不 可 比 拟 处 于 计 算 领 域 最 高 端 的 高 性 能 计 算 历 来 是 计 算 机 领 域 人 们 争 夺 的 制 高 点, 体 现 了 一 个 国 家 的 科 技 竞 争 力, 任 何 国 家 都 不 会 放 弃 HPC 之 争 最 开 始, 高 性 能 计 算 机 主 要 在 国 防 政 府 部 门 科 研 领 域 进 行 科 学 计 算 近 来, 人 们 已 逐 渐 认 同, 高 性 能 计 算 技 术 也 可 用 于 商 业, 美 国 和 欧 洲 的 经 验 已 经 证 明, 企 业 使 用 高 性 能 计 算 机 能 够 有 效 地 提 高 生 产 率 图 1.60~ 图 1.62 所 示 依 次 为 我 国 银 河 -Ⅱ 十 亿 次 巨 型 计 算 机 曙 光 4000A 超 级 计 算 机 和 北 京 气 象 局 所 用 的 长 城 至 翔 刀 片 式 服 务 器 图 1.60 银 河 -Ⅱ 十 亿 次 巨 型 计 算 机 图 1.61 曙 光 4000A 超 级 计 算 机 图 1.62 北 京 气 象 局 所 用 的 长 城 至 翔 刀 片 式 服 务 器 2006 年 8 月 18 日, 曙 光 集 团 总 裁 历 军 在 北 京 召 开 的 中 国 电 子 工 业 协 会 标 准 化 技 术 协 会 高 性 能 计 算 机 标 准 工 作 委 员 会 筹 备 大 会 暨 中 国 高 性 能 计 算 机 技 术 与 标 准 研 讨 会 上 发 表 了 主 题 演 讲 演 讲 的 主 题 为 机 遇 与 挑 战 : 中 国 高 性 能 计 算 机 的 技 术 与 标 准 化 现 状, 开 宗 明 义 地 分 析 了 当 前 市 场 环 境 下 中 国 高 性 能 计 算 机 的 技 术 现 状, 并 指 出 了 以 下 六 大 趋 势 : (1) 高 性 能 计 算 技 术 标 准 化 ; (2) 芯 片 多 核 化 ; (3) 刀 片 服 务 器 进 入 技 术 及 应 用 成 熟 期 ; (4) 虚 拟 化 技 术 在 高 性 能 服 务 器 中 的 兴 起 ; (5) 可 信 计 算 环 境 构 造 技 术 浮 出 水 面 ; (6) 细 分 专 用, 应 用 导 向 普 适 计 算 1. 什 么 是 普 适 计 算? 普 适 计 算 (PC), 即 无 所 不 在 的 计 算 (UC), 是 美 国 前 施 乐 公 司 (Xerox PARC) 首 席 科 学 家 马 克 威 塞 尔 (Mark Weiser) 提 出 的 1991 年 9 月 他 在 科 学 美 国 人 杂 志 上 发 表 了 一 篇 名 为 : 21 世 纪 的 计 算 技 术 (The Computer for the 21st Century) 的 文 章, 提 出 了 无 所 不 44

45 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 在 计 算 技 术 的 概 念 以 下 这 句 话 就 摘 自 这 篇 文 章 : 意 义 最 为 广 泛 和 深 远 的 技 术 是 融 入 人 们 日 常 生 活 而 又 不 被 察 觉 的 技 术 21 世 纪, 计 算 技 术 就 会 是 这 样 的 技 术 威 塞 尔 认 为 将 来 的 计 算 机, 会 出 现 在 各 式 各 样 的 实 体 对 象 当 中, 以 一 种 消 失 的 存 在 方 式, 与 人 类 的 生 活 紧 密 结 合 在 一 起 例 如, 一 位 西 方 发 达 国 家 的 家 庭 主 妇 每 天 要 同 几 十 上 百 台 计 算 机 打 交 道, 而 她 自 己 可 能 毫 无 察 觉 这 些 计 算 机 包 括 空 调 洗 衣 机 微 波 炉 电 视 机, 甚 至 她 们 家 的 灯 等 在 普 适 计 算 时 代, 计 算 机 主 要 不 是 以 单 独 的 计 算 设 备 的 形 态 出 现, 而 是 将 嵌 入 式 处 理 器 存 储 器 通 信 模 块 和 传 感 器 集 成 在 一 起, 以 信 息 设 备 (Information Appliances) 的 形 式 出 现 这 些 信 息 设 备 集 计 算 通 信 传 感 功 能 于 一 身, 能 方 便 地 与 各 种 设 备 ( 包 括 日 常 用 品 ) 结 合 在 一 起 不 仅 如 此, 信 息 设 备 还 可 以 非 常 廉 价 地 通 过 无 线 网 络 与 Internet 连 接, 并 按 照 用 户 的 个 性 需 求 进 行 定 制, 以 嵌 入 式 产 品 的 方 式 呈 现 在 人 们 的 工 作 和 生 活 中 或 者 是 手 持 的, 或 者 是 可 穿 戴 的, 甚 至 是 以 与 人 们 日 常 生 活 中 所 碰 到 的 器 具 融 合 在 一 起 的 多 样 形 式 体 现, 如 图 1.63 所 示 结 果 是, 由 通 信 和 计 算 机 构 成 的 信 息 空 间 将 与 人 们 生 活 和 工 作 的 物 理 空 间 融 为 一 体 图 1.63 以 WatchPad 或 Smartphone 来 订 火 车 票 机 票 预 订 旅 馆 医 院 或 购 物 普 适 计 算 将 开 创 计 算 领 域 的 第 三 次 浪 潮 第 一 次 浪 潮 是 主 机 计 算, 人 们 通 过 字 符 终 端 共 享 主 机 计 算 时 代 ; 第 二 次 浪 潮 是 桌 面 计 算 时 代, 即 个 人 电 脑 网 络 通 信 时 代 ; 第 三 次 浪 潮 就 是 无 所 不 在 的 计 算 时 代 如 图 1.64 所 示 普 适 计 算 主 机 计 算 桌 面 计 算 45

46 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 图 1.64 计 算 机 三 次 浪 潮 的 变 化 46

47 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 2. 普 适 计 算 的 特 征 (1)user-centeric: 以 人 为 中 心 的 计 算, 使 计 算 机 的 使 用 符 合 人 的 习 惯 (2)invisibility: 不 可 见 的 计 算, 将 计 算 机 自 然 合 理 地 嵌 入 到 人 们 日 常 工 作 和 生 活 环 境 ( 如 办 公 室 家 庭 ) 中, 使 其 从 人 们 的 视 线 中 消 失 人 们 通 过 新 一 代 自 然 交 互 界 面, 进 行 自 然 方 便 的 交 互 (3)access anything by anybody via any devices, anywhere anytime: 在 任 何 时 间 和 地 点, 人 们 通 过 任 何 设 备, 访 问 任 何 信 息 (4)hundreds of handheld and wearable computers: 许 多 手 持 式 和 可 穿 戴 式 计 算 机 (5)hundreds of wireless computing devices per person per office, of all scales: 大 量 遍 布 在 每 个 办 公 室 每 个 人 的, 各 种 规 格 的 无 线 计 算 设 备 (6)hundreds of devices to sense and control appliances: 许 多 传 感 设 备 和 控 制 设 备 图 1.65 所 示 为 普 适 计 算 示 意 图 有 普 适 计 算 真 好! 图 1.65 普 适 计 算 示 意 图 3. 普 适 计 算 的 典 型 项 目 目 前, 世 界 各 国 均 有 普 适 计 算 项 目 推 出, 其 原 型 系 统 通 常 由 一 些 可 移 动 的 手 持 设 备 动 态 构 成 邻 近 网 络, 以 提 供 各 种 普 适 计 算 应 用 一 些 较 为 典 型 的 项 目 如 下 (1) 麻 省 理 工 学 院 的 Oxygen 项 目 其 寓 意 是 未 来 计 算 像 氧 气 一 样 无 处 不 在 并 可 自 由 获 取 该 项 目 将 固 定 计 算 设 备 和 移 动 设 备 通 过 可 自 动 配 置 的 网 络 连 接 起 来 系 统 采 用 了 包 括 休 眠 环 境 的 自 动 转 换 等 8 种 环 境 驱 动 技 术 (2)Microsoft 公 司 的 Easy Living 项 目 致 力 于 智 能 环 境 的 体 系 开 发, 涉 及 中 间 件 几 何 世 界 建 模 定 位 感 知 服 务 描 述 等 技 术 其 关 键 特 点 是 机 器 视 觉 多 传 感 器 的 自 动 和 半 自 动 校 准, 以 及 独 立 于 设 备 的 通 信 (3)AT&T 实 验 室 和 英 国 剑 桥 大 学 合 作 的 研 究 项 目 Sentient Computing 通 过 用 户 接 口 传 感 器 以 及 建 立 资 源 数 据 等 手 段, 为 系 统 提 供 基 于 用 户 和 位 置 的 数 据 更 新 能 力, 系 统 可 无 缝 扩 展 到 整 个 建 筑 物 47

48 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 (4) 卡 内 基 梅 隆 大 学 的 Aura 项 目 强 调 普 适 计 算 的 中 间 件 技 术 和 应 用 设 计, 该 项 目 包 括 3 个 子 项 目 :Darwin 智 能 网 络, 是 Aura 的 核 心 ;Coda 分 布 式 文 件 管 理 系 统 ;Odyssey 为 资 源 自 适 应 提 供 操 作 系 统 支 持 该 系 统 可 容 纳 桌 面 手 持 和 可 穿 戴 系 统 (5) 乔 治 亚 理 工 学 院 的 The Aware House 项 目 图 1.66 所 示 的 是 乔 治 亚 理 工 学 院 的 The Aware House 项 目 的 实 验 场 所, 是 个 平 方 英 尺 的 三 层 楼 房 子, 其 功 能 为 生 活 实 验 室 用 来 作 为 各 学 科 的 实 验 设 计 开 发 及 评 估 场 所 图 1.66 乔 治 亚 理 工 学 院 的 The Aware House 1 此 外, 还 有 HP 公 司 的 Cool Town 项 目 Everyday Computing 项 目,IBM 的 WebSphere Everyplace 项 目, 华 盛 顿 大 学 的 Portolano 项 目, 韩 国 U-City 项 目, 日 本 u-japan 项 目 等 未 来 应 用 场 景 描 述 场 景 一 : 凯 利, 一 个 丢 三 落 四 的 六 年 级 小 学 生, 常 常 会 把 他 的 滑 板 车 落 在 学 校 里 而 一 种 称 之 为 SPEC 的 小 小 的 无 线 个 人 日 常 计 算 机 可 帮 助 他 解 决 这 个 问 题 将 一 个 SPEC 做 在 戴 起 来 的 项 链 上, 一 个 SPEC 拴 在 双 肩 背 书 包 上, 一 个 SPEC 固 定 在 跑 车 上, 还 有 一 个 SPEC 固 定 在 家 中 车 库 的 墙 上 SEPC 之 间 可 以 互 相 发 现 和 识 别, 通 过 事 先 设 定 和 加 载 的 事 件 模 式, 一 旦 某 件 东 西 在 特 定 的 时 段 被 丢 失, 其 他 SPEC 便 可 发 现 并 发 出 提 醒 信 号 1 48 引 自

49 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 这 便 是 HP 实 验 室 的 Everyday computing 项 目 所 描 述 的 未 来 应 用 场 景 SPEC 是 其 研 制 的 一 种 大 小 只 有 4.0cm 1.5cm 1.4cm 的 无 线 小 型 个 人 日 常 计 算 机, 它 采 用 IR 检 测 IR 发 射 技 术, 包 含 了 微 处 理 器 I 2 C 头 Debug 头 实 时 时 钟 内 存 一 个 缓 冲 和 一 个 LED 场 景 二 : 在 一 个 智 能 教 室 环 境 下, 如 果 投 影 设 备 的 显 示 效 果 不 是 很 理 想 的 话, 教 师 可 以 通 过 自 己 的 PDA 向 学 生 的 PDA 发 送 电 子 课 件 当 教 师 走 近 学 生 讨 论 组 时, 其 PDA 会 动 态 加 入 该 组, 下 载 该 组 的 讨 论 材 料 这 便 是 Arizona State University 的 智 能 教 室 环 境, 其 普 适 环 境 由 投 影 机 教 师 PDA 学 生 PDA 组 成, 该 系 统 通 过 可 重 新 配 置 的 上 下 文 敏 感 中 间 件, 突 出 了 对 环 境 的 感 知 和 动 态 自 组 网 络 通 信 的 支 持 49

50 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 下 一 代 计 算 机 虽 然 计 算 机 技 术 得 到 迅 猛 发 展, 计 算 机 性 能 得 到 不 可 思 议 的 提 高, 甚 至 外 形 也 不 再 统 一, 但 目 前 的 计 算 机 体 系 结 构 和 工 作 原 理 基 本 上 还 是 基 于 冯 诺 依 曼 结 构 的, 它 的 核 心 思 想 是 程 序 存 储 指 令 驱 动 冯 诺 依 曼 结 构 是 否 完 美 无 瑕? 在 计 算 机 向 第 五 代 第 六 代 迈 进 时, 这 种 结 构 是 否 仍 然 合 适? 很 多 科 学 家 提 出 了 这 样 的 疑 问 1965 年,Intel 公 司 的 缔 造 者 之 一 戈 登 摩 尔 (Gordon Moore) 在 总 结 存 储 器 芯 片 的 增 长 规 律 时, 指 出 微 芯 片 上 集 成 的 晶 体 管 数 目 每 12 个 月 翻 一 番 这 一 论 断 是 在 归 纳 微 芯 片 的 发 展 情 况 后 做 出 的 推 测 和 设 想, 并 没 有 理 论 上 的 依 据 在 随 后 的 年 月 里, 发 现 微 芯 片 的 容 量 通 常 每 18~24 个 月 翻 一 番 因 而, 微 芯 片 上 集 成 的 晶 体 管 数 目 每 三 年 翻 两 番 就 被 人 们 称 为 摩 尔 定 律 (Moore's Law), 如 图 1.67 所 示 晶 体 管 数 目 摩 尔 定 律 年 图 1.67 摩 尔 定 律 示 意 图 过 去 40 年 的 实 践 基 本 上 验 证 了 摩 尔 定 律 的 有 效 性 1965 年, 每 个 芯 片 (chip) 上 只 有 65 个 晶 体 三 极 管, 现 在 有 1.5 亿 个,2010 年 前 后 将 会 达 到 10 亿 个 2000 年,CPU 芯 片 上 的 线 宽 做 到 了 0.18 m;2006 年, 已 经 做 到 0.06 m( 或 60nm) 难 道 永 远 会 按 照 摩 尔 定 律 发 展 下 去 吗? 当 2004 年 在 这 个 定 律 统 治 了 IT 业 40 年 后, 标 志 性 的 Intel P4 4GHz 芯 片 的 研 制 计 划 因 为 散 热 问 题 被 取 消, 似 乎 暗 示 着 摩 尔 定 律 神 话 的 终 结, 也 预 示 着 一 个 崭 新 时 代 的 来 临 技 术 发 展 遇 到 了 瓶 颈, 而 芯 片 性 能 也 已 经 超 出 普 通 用 户 的 需 求, 在 单 纯 追 求 速 度 变 得 越 来 越 困 难 的 时 候,IT 业 是 否 该 开 始 另 辟 蹊 径 寻 找 其 他 突 破 口 呢? 专 家 们 预 言, 随 着 晶 体 管 的 尺 寸 接 近 纳 米 级, 不 仅 芯 片 发 热 等 副 作 用 逐 渐 显 现, 电 子 的 运 行 也 难 以 控 制, 晶 体 管 将 不 再 可 靠 摩 尔 定 律 肯 定 不 会 在 下 一 个 40 年 继 续 有 效 不 过, 纳 米 材 料 相 变 材 料 等 新 进 展 已 经 出 现, 有 望 应 用 到 未 来 的 芯 片 中 到 那 时, 即 使 摩 尔 定 律 寿 终 正 寝, 信 息 技 术 前 进 的 步 伐 也 不 会 变 慢 从 理 论 的 角 度 讲, 硅 晶 体 管 还 能 够 继 续 缩 小, 直 到 4 纳 米 级 别 生 产 工 艺 出 现 为 止, 时 间 可 能 在 2023 年 左 右 到 那 个 时 候, 由 于 控 制 电 流 的 晶 体 管 门 以 及 氧 化 栅 极 距 离 将 非 常 贴 近, 50

51 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 因 此, 将 发 生 电 子 漂 移 现 象 如 果 发 生 这 种 情 况, 晶 体 管 会 失 去 可 靠 性, 原 因 是 晶 体 管 会 由 此 无 法 控 制 电 子 的 进 出, 从 而 无 法 制 造 出 1 和 0 综 上 所 述, 下 一 代 计 算 机 无 论 是 从 体 系 结 构 工 作 原 理, 还 是 器 件 及 制 造 技 术, 都 应 该 进 行 颠 覆 性 变 革 了 目 前, 主 要 有 以 下 几 个 研 究 热 点 1. 生 物 计 算 机 科 学 家 通 过 对 生 物 组 织 体 研 究, 发 现 组 织 体 由 无 数 的 细 胞 组 成, 细 胞 由 水 盐 蛋 白 质 和 核 酸 等 有 机 物 组 成, 而 有 些 有 机 物 中 的 蛋 白 质 分 子 像 开 关 一 样, 具 有 开 与 关 的 功 能 因 此, 人 类 可 以 利 用 遗 传 工 程 技 术, 仿 制 出 这 种 蛋 白 质 分 子, 用 来 作 为 元 件 制 成 计 算 机 科 学 家 把 这 种 计 算 机 叫 做 生 物 计 算 机 生 物 计 算 机 有 很 多 优 点, 主 要 表 现 在 以 下 几 个 方 面 (1) 体 积 小, 功 效 高 用 蛋 白 质 制 造 的 计 算 机 芯 片, 在 1mm 2 面 积 上 可 容 纳 数 亿 个 电 路 因 为 它 的 一 个 存 储 点 只 有 一 个 分 子 大 小, 所 以 存 储 容 量 可 达 到 普 通 计 算 机 的 10 亿 倍 蛋 白 质 构 成 的 集 成 电 路 大 小 只 相 当 于 硅 片 集 成 电 路 的 10 万 分 之 一, 而 且 运 转 速 度 更 快, 只 有 s, 大 大 超 过 人 脑 的 思 维 速 度 ; 生 物 计 算 机 元 件 的 密 度 比 大 脑 神 经 元 的 密 度 高 100 万 倍, 传 递 信 息 速 度 也 比 人 脑 思 维 速 度 快 100 万 倍 (2) 具 有 自 我 修 复 能 力, 使 计 算 机 具 有 半 永 久 性, 可 靠 性 很 高 当 我 们 在 运 动 中, 不 小 心 碰 伤 了 身 体, 有 的 上 点 儿 药, 有 的 甚 至 药 都 不 上, 过 几 天, 伤 口 就 愈 合 了 这 是 因 为 人 体 具 有 自 我 修 复 功 能 同 样, 生 物 计 算 机 也 有 这 种 功 能, 当 它 的 内 部 芯 片 出 现 故 障 时, 能 自 我 修 复, 不 需 要 人 工 修 理, 所 以, 生 物 计 算 机 具 有 永 久 性 和 很 高 的 可 靠 性 (3) 能 耗 极 低 生 物 计 算 机 的 元 件 是 由 有 机 分 子 组 成 的 生 物 化 学 元 件, 它 们 是 利 用 化 学 反 应 工 作 的, 只 需 要 很 少 的 能 量 就 可 以 工 作, 因 此 不 会 像 电 子 计 算 机 那 样, 工 作 一 段 时 间 后, 机 体 会 发 热, 而 它 的 电 路 间 也 没 有 信 号 干 扰 1983 年, 美 国 公 布 了 研 制 生 物 计 算 机 的 设 想 之 后, 立 即 激 起 了 发 达 国 家 的 研 制 热 潮 当 前, 美 国 日 本 德 国 和 俄 罗 斯 的 科 学 家 正 在 积 极 开 展 生 物 芯 片 的 开 发 研 究 目 前, 生 物 芯 片 仍 处 于 研 制 阶 段, 但 在 生 物 元 件, 特 别 是 在 生 物 传 感 器 的 研 制 方 面, 已 取 得 不 少 实 际 成 果 2. 光 计 算 机 光 计 算 机 是 由 光 纤 与 各 种 光 学 元 件 制 成 的 计 算 机 它 不 像 普 通 计 算 机 靠 电 子 在 线 路 中 的 流 动 来 处 理 信 息, 而 是 靠 一 小 束 低 功 率 激 光 进 入 由 反 射 镜 和 透 镜 组 成 的 光 回 路 来 进 行 思 维 的, 但 同 样 具 有 存 储 运 算 和 控 制 等 功 能 计 算 机 的 本 领 大 小, 主 要 决 定 于 两 个 因 素 : 一 是 计 算 机 部 件 的 运 行 速 度, 二 是 它 们 的 排 列 紧 密 程 度 从 这 两 方 面 看, 光 比 电 优 越 得 多 光 子 是 宇 宙 中 速 度 最 快 的 东 西, 每 秒 达 30 万 千 米, 并 且 光 束 可 以 相 互 穿 越 而 不 产 生 影 响 电 子 就 不 行, 它 在 半 导 体 内 的 运 动 速 度 约 每 秒 60~500km, 最 好 也 达 不 到 光 速 的 十 分 之 一 另 外, 超 大 型 集 成 电 路 中, 一 些 片 状 器 件 的 线 脚 已 达 300 多 只, 排 列 密 度 受 到 限 制, 而 光 束 的 这 种 互 不 干 扰 特 性, 使 得 科 学 家 能 够 在 51

52 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 极 小 的 空 间 内 开 辟 很 多 的 信 息 通 道 例 如, 贝 尔 实 验 室 的 光 学 转 换 器 就 可 做 得 极 小, 以 致 在 不 到 2mm 直 径 的 器 件 中, 可 装 入 多 个 通 道 从 理 论 上 讲, 光 计 算 机 的 运 算 速 度 可 提 高 到 1 万 亿 次, 比 现 代 的 微 型 计 算 机 要 快 上 千 倍 ; 光 学 器 件 还 有 信 息 量 大 的 优 点, 一 束 光 可 以 同 时 传 送 数 以 千 计 的 通 道 的 信 息 当 然, 目 前 光 计 算 机 的 制 造 在 理 论 和 技 术 上 还 有 许 多 问 题 没 有 解 决 作 为 第 一 步, 科 学 家 利 用 光 计 算 机 驱 动 能 量 小 的 特 点, 把 电 子 转 换 器 同 光 结 合 起 来, 制 造 一 种 光 与 电 杂 交 的 计 算 机, 然 后 再 改 变 光 计 算 机 的 配 角 作 用, 使 它 成 为 信 息 技 术 革 命 的 主 力 军 3. 量 子 计 算 机 量 子 计 算 机 的 概 念 源 于 对 可 逆 计 算 机 的 研 究, 其 目 的 是 为 了 解 决 计 算 机 中 的 能 耗 问 题 20 世 纪 60 年 代 ~70 年 代, 人 们 发 现 能 耗 会 导 致 计 算 机 中 的 芯 片 发 热, 极 大 地 影 响 了 芯 片 的 集 成 度, 从 而 限 制 了 计 算 机 的 运 行 速 度 研 究 发 现, 能 耗 来 源 于 计 算 过 程 中 的 不 可 逆 操 作 那 么, 是 否 计 算 过 程 必 须 要 用 不 可 逆 操 作 才 能 完 成 呢? 问 题 的 答 案 是 : 所 有 经 典 计 算 机 都 可 以 找 到 一 种 对 应 的 可 逆 计 算 机, 而 且 不 影 响 运 算 能 力 既 然 计 算 机 中 的 每 一 步 操 作 都 可 以 改 造 为 可 逆 操 作, 那 么 在 量 子 力 学 中, 它 就 可 以 用 一 个 幺 正 变 换 来 表 示 早 期 量 子 计 算 机, 实 际 上 是 用 量 子 力 学 语 言 描 述 的 经 典 计 算 机, 并 没 有 用 到 量 子 力 学 的 本 质 特 性, 如 量 子 态 的 叠 加 性 和 相 干 性 在 经 典 计 算 机 中, 基 本 信 息 单 位 为 比 特 (bit), 运 算 对 象 是 各 种 比 特 序 列 与 此 类 似, 在 量 子 计 算 机 中, 基 本 信 息 单 位 是 量 子 比 特, 运 算 对 象 是 量 子 比 特 序 列 所 不 同 的 是, 量 子 比 特 序 列 不 但 可 以 处 于 各 种 正 交 态 的 叠 加 态 上, 而 且 还 可 以 处 于 纠 缠 态 上 这 些 特 殊 的 量 子 态, 不 仅 提 供 了 量 子 并 行 计 算 的 可 能, 而 且 还 将 带 来 许 多 奇 妙 的 性 质 与 经 典 计 算 机 不 同, 量 子 计 算 机 可 以 做 任 意 的 幺 正 变 换, 在 得 到 输 出 态 后, 进 行 测 量 得 出 计 算 结 果 因 此, 量 子 计 算 对 经 典 计 算 做 了 极 大 的 扩 充, 在 数 学 形 式 上, 经 典 计 算 可 看 做 是 一 类 特 殊 的 量 子 计 算 量 子 计 算 机 对 每 一 个 叠 加 分 量 进 行 变 换, 所 有 这 些 变 换 同 时 完 成, 并 按 一 定 的 概 率 幅 叠 加 起 来, 给 出 结 果, 这 种 计 算 称 做 量 子 并 行 计 算 除 了 进 行 并 行 计 算 外, 量 子 计 算 机 的 另 一 重 要 用 途 是 模 拟 量 子 系 统, 这 项 工 作 是 经 典 计 算 机 无 法 胜 任 的 迄 今 为 止, 世 界 上 还 没 有 真 正 意 义 上 的 量 子 计 算 机 但 是, 世 界 各 地 的 许 多 实 验 室 正 在 以 巨 大 的 热 情 追 寻 着 这 个 梦 想 如 何 实 现 量 子 计 算 的 方 案 并 不 少, 问 题 是 在 实 验 上 实 现 对 微 观 量 子 态 的 操 纵 确 实 太 困 难 了 目 前 已 经 提 出 的 方 案 主 要 利 用 了 原 子 和 光 腔 相 互 作 用 冷 阱 束 缚 离 子 电 子 或 核 自 旋 共 振 量 子 点 操 纵 超 导 量 子 干 涉 等 研 究 量 子 计 算 机 的 目 的 不 是 要 用 它 来 取 代 现 有 的 计 算 机 量 子 计 算 机 使 计 算 的 概 念 焕 然 一 新, 这 是 量 子 计 算 机 与 其 他 计 算 机 ( 如 光 计 算 机 和 生 物 计 算 机 等 ) 的 不 同 之 处 量 子 计 算 机 的 作 用 远 不 止 是 解 决 一 些 经 典 计 算 机 无 法 解 决 的 问 题 以 上 热 点 都 是 目 前 科 学 家 研 究 下 一 代 计 算 机 努 力 的 方 向, 或 许 很 快 会 有 突 破, 或 许 会 遇 到 巨 大 困 难, 或 许 上 述 几 个 方 向 的 研 究 成 果 将 结 合 起 来 我 们 期 待 着 新 一 代 计 算 机 的 诞 生! 52

53 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 1.8 小 结 本 章 介 绍 了 计 算 机 的 发 展 历 史 和 发 展 趋 势, 主 要 内 容 如 下 (1) 电 子 计 算 机 史 前 史 在 介 绍 第 一 台 电 子 计 算 机 出 现 之 前, 古 老 的 计 算 工 具 机 械 计 算 机 机 电 计 算 机 的 发 展 历 程, 包 括 这 段 历 史 长 河 中 有 贡 献 的 机 器 及 它 们 的 发 明 者 生 平 (2) 介 绍 了 第 一 台 通 用 电 子 计 算 机 ENIAC 的 产 生,60 年 来 一 共 经 历 了 电 子 管 计 算 机 晶 体 管 计 算 机 集 成 电 路 计 算 机 超 大 规 模 集 成 电 路 计 算 机 四 代, 这 段 历 史 中 有 代 表 性 的 机 型 和 有 重 要 贡 献 的 科 学 家 (3) 介 绍 了 计 算 机 技 术 史 上, 特 别 是 为 电 子 计 算 机 的 出 现 奠 定 了 理 论 基 础 的 大 师 级 科 学 家 及 其 他 们 的 思 想 : 布 尔 及 布 尔 代 数 香 农 及 开 关 电 路 图 灵 及 图 灵 机 图 灵 测 试 阿 塔 纳 索 夫 及 ABC 计 算 机 维 纳 及 计 算 机 设 计 五 原 则 冯 诺 依 曼 及 冯 诺 依 曼 结 构 (4) 介 绍 了 中 国 计 算 机 发 展 历 史, 列 举 了 中 国 计 算 机 大 事 记 (5) 介 绍 了 当 前 计 算 机 技 术 的 发 展 趋 势, 展 望 了 未 来 的 计 算 机 习 题 一 选 择 题 ( 一 ) 练 习 1~12 将 从 下 列 人 名 中 选 择 正 确 答 案 : a. 约 瑟 夫 杰 卡 德 (Joseph Jacquard) b. 布 莱 斯 帕 斯 卡 (Blaise Pascal) c. 赫 尔 曼 霍 列 瑞 斯 (Herman Hollerith) d. 李 德 福 雷 斯 特 (Lee De Forest) e. 特 德 霍 夫 (Ted Hoff) f. 威 廉 肖 克 利 (William Shockley) g. 奥 古 斯 塔 艾 达 拜 伦 (Augusta Ada Byron) h. 霍 华 德 艾 肯 (Howard Aiken) i. 约 翰 弗 莱 明 (John Fleming) j. 格 蕾 斯 霍 波 (Grace Hopper) k. 克 兰 德 楚 泽 (Konrad Zuse) l. 查 尔 斯 巴 贝 奇 (Charles Babbage) m. 戈 特 弗 里 德 莱 布 尼 茨 (Gottfried Leibnitz) 1. 谁 制 造 并 出 售 了 第 一 台 齿 轮 传 动 的 能 够 计 算 机 加 法 和 减 法 的 机 器? ( ) 2. 谁 制 造 了 第 一 台 能 够 加 减 乘 除 的 机 械 式 机 器? ( ) 3. 谁 是 第 一 位 程 序 员? ( ) 53

54 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 4. 谁 提 出 了 伟 大 的 分 析 机 设 想? ( ) 5. 谁 是 数 字 计 算 机 之 父? ( ) 6. 谁 是 晶 体 管 之 父 并 因 此 获 得 诺 贝 尔 物 理 学 奖? ( ) 7. 谁 第 一 次 提 出 臭 虫 (bug) 的 说 法, 并 被 人 们 沿 用 至 今? ( ) 8. 谁 发 明 并 制 造 了 Mark 系 列 计 算 机? ( ) 9. 谁 发 明 了 专 门 用 于 人 口 普 查 的 制 表 机? ( ) 10. 谁 发 明 的 机 器 里 用 到 的 技 术 被 称 为 程 序 设 计 的 雏 形? ( ) 11. 谁 发 明 了 真 空 二 极 管? ( ) 12. 第 一 块 微 处 理 器 芯 片 4004 是 谁 发 明 的? ( ) ( 二 ) 练 习 13~20 将 从 下 列 机 器 中 选 择 正 确 答 案 : a.edsac b.abc c.ibm360 d.edvac e.ibm PC f.tradic g.eniac h. 曙 光 4000-A 超 级 计 算 机 年 在 全 球 最 快 的 计 算 机 排 名 中, 中 国 制 造 的 高 性 能 计 算 机 ( ) 位 列 第 十 14. 第 一 台 通 用 数 字 电 子 计 算 机 ( ) 15. 第 一 台 晶 体 管 计 算 机 ( ) 16. 揭 开 集 成 电 路 时 代 的 计 算 机 ( ) 17. 最 有 代 表 性 的 微 型 机 ( ) 18. 冯 诺 依 曼 设 计 制 造 的 计 算 机 ( ) 19. 第 一 台 按 照 存 储 程 序 方 式 构 造 的 计 算 机 ( ) 20. 阿 塔 纳 索 夫 - 贝 瑞 计 算 机 ( ) 二 填 空 题 1. 乔 治 布 尔 (George Boole) 对 计 算 机 理 论 的 贡 献 是 创 立 了 ( ) 新 学 科 2. 提 出 计 算 机 开 关 电 路 理 论 的 是 信 息 论 之 父 ( ) 3. 约 翰 冯 诺 依 曼 (John von Neumann) 是 ( ) 籍 ( ) 数 学 家, 他 被 称 为 现 代 计 算 机 之 父 主 要 由 于 他 提 出 了 现 代 计 算 机 的 逻 辑 结 构 冯 诺 依 曼 结 构, 其 核 心 思 想 是 ( ) 的 思 想 4. 控 制 论 之 父 诺 伯 特 维 纳 (Norbert Wiener) 对 计 算 机 理 论 的 贡 献 是 提 出 了 ( ) 5. 阿 兰 图 灵 (Alan Turing) 对 计 算 机 理 论 贡 献 巨 大, 他 提 出 了 计 算 机 的 一 种 普 适 模 型 ( ), 提 出 可 计 算 性 问 题 和 计 算 机 的 停 机 问 题 ; 他 还 提 出 了 ( ), 成 为 人 工 智 能 的 奠 基 人 6. 为 纪 念 阿 兰 图 灵,1966 年 起,ACM 决 定 设 立 图 灵 奖, 这 是 计 算 机 届 的 最 高 奖, 每 年 评 奖 一 次, 至 今 已 有 40 届 2000 年 图 灵 奖 被 一 位 华 人 科 学 家 摘 取, 他 是 ( ) 54

55 第 1 章 计 算 机 发 展 历 史 7. 第 一 代 计 算 机 的 硬 件 特 点 是 ( ), 软 件 特 点 是 ( ), 代 表 性 的 计 算 机 是 ( ) 8. 第 二 代 计 算 机 以 ( ) 电 子 元 件 为 基 本 器 件 9. 第 三 代 计 算 机 是 ( ) 计 算 机, 其 代 表 机 型 是 ( ) 10. 第 四 代 计 算 机 的 标 志 是 微 处 理 器 的 出 现, 微 处 理 器 是 将 ( ) 和 ( ) 集 成 在 一 块 芯 片 上, 即 CPU 芯 片 55

56 大 学 计 算 机 基 础 计 算 机 科 学 概 论 三 简 答 题 1. 冯 诺 依 曼 思 想 的 关 键 是 什 么? 2. 现 代 电 子 计 算 机 的 发 展 经 历 了 哪 几 个 阶 段 各 阶 段 的 特 点 是 什 么? 是 以 什 么 为 标 志 划 分 的? 3. 为 什 么 巴 贝 奇 的 分 析 机 没 有 制 成? 请 你 分 析 原 因 4. 你 认 为 是 哪 些 技 术 的 出 现, 才 使 得 电 子 计 算 机 能 够 实 现? 5. 计 算 机 与 计 算 器 的 本 质 区 别 是 什 么? 6. 巨 型 机 和 微 型 机 之 间 的 区 别 是 什 么? 它 们 各 有 什 么 优 缺 点? 7. 你 对 计 算 机 怎 么 看? 试 列 出 你 的 积 极 的 观 点 和 消 极 的 观 点 8. 你 对 普 适 计 算 ( 无 所 不 在 的 计 算 ) 有 体 会 吗? 请 列 举 你 学 习 和 生 活 中 碰 到 的 无 所 不 在 的 计 算 9. 什 么 是 摩 尔 定 律? 你 认 为 摩 尔 定 律 会 失 效 吗? 为 什 么? 10. 你 认 同 ENIAC 是 世 界 上 第 一 台 投 入 使 用 的 通 用 电 子 计 算 机 吗? 为 什 么?ENIAC 有 什 么 缺 陷? 56