計算機發展與誕生

計算機的產生源于計算的需求，計算機的發展更來源于計算需求的空前高漲，通信技術的現代化、互聯網的出現和“一統天下”，更得益于計算機的迅猛發展，它們都在為信息的傳輸、處理和共享這個共同的目標而各盡所能并殊途同歸.歸根結底，營銷型網站建設信息技術的發生、發展起源于計算，歸宿于計算。

計算工具的源頭可以追溯到2000多年前的春秋戰國時期。古代中國人發明的算籌是世界上最早的計算工具，如圖3-1所示，計算的時候擺成縱式和橫式兩種形式，按照縱橫相間的原則表示任何自然數，可進行加、減、乘、除、開方以及其他的代數計算。負數出現后，算籌分紅黑兩種，紅籌表示正數，黑籌表示負數。這種運算工具和運算方法在當時是世界上獨一無二的。算籌為人類文明做出過巨大貢獻，我國古代著名的數學家祖沖之，就是借助算籌計算出圓周率的值介于3. 1415926和3. 1415927之間的。

大約在六七百年前，中國人發明了更為方便的計算工具—算盤，如圖3-2所示。珠算方法在我國商業活動中被廣泛采用，因為它技術先進，工具輕便靈巧，所以一直沿用至今。許多人認為算盤是最早的數字計算機。
1614年，英國人奈普爾發明了對數。根據對數原理發明的計算尺可以通過簡單地推拉來進行復雜的乘、除法運算，成為工程人員常備的計算工具。

隨著工業技術的發展，需要進行大量大規模的復雜計算，而傳統的計算工具無法將人們從繁重、機械的計算工作中解脫出來，因此計算工具隨著應用需求的增加得到了進一步的發展。

1623年，德國圖賓根大學的威爾海姆·什卡爾(Wilhelm Schickard)教授設計了第，一個帶有進位機構、執行四則運算的計算設備模型，如圖3-3所示。
  1642年，法國數學家布萊斯·帕斯卡設計并制造了用于數值計算的機械計算器，可以進行加減法運算，如圖3-4所示。它用一個個齒輪表示數字，利用齒輪嚙合裝置，通過低位的齒輪轉10圈、高位的齒輪轉一圈來實現進位。這是手搖式計算器的雛形，其計算原理雖然簡單，卻符合人類的思維習慣，其影響也十分久遠。為了紀念他的貢獻，1971年，沃斯教授將其發明的一種高級程序設計語言命名為帕斯卡(Pascal)語言。
17至18世紀是人類計算技術發展的一個非常重要的時期。德國哲學家和自然科學家萊布尼茲在帕斯卡的思想與工作的影響下，對機械式計算器進行了重要的改進，他于1672年提出了不用連續相加而實現機械乘法的方案，并于1673年制成了第一臺通用的機械計算器。這是一臺能夠實現四則運算的演算機，機器的關鍵部件是梯形軸，即齒長不同的圓柱。第一次實現了帶有可變齒數的齒輪(如圖3-5所示)，正是這種齒輪保證了乘除法的完成.隨著計算工作量的急劇增長，也由于帕斯卡和萊布尼茲等人的大力提倡，18世紀歐洲各國對機械計算器的研制相當重視。

這個時期出現了很多種機械計算器。帕斯卡和萊布尼茲的工作奠定了手搖式計算器的理論基礎。但是，不管是萊布尼茲計算器還是其他的機械計算器，它們和現代的電子計算機是有本質區別的，即這些計算器只能完成簡單的四則運算，不能實現程序控制。 到了19世紀，英國數學家巴貝奇針對夭文和航海用表的計算需求，提出了一種差分機模型，如圖3-6所示。在該模型的設計中，他首次考慮了程序控制的思想，這時距離現代計算機的誕生尚有133年。巴貝奇所設計的機器包括齒輪式寄存器、運算器以及專門控制操作順序的機構等幾個部分，在結構上已經與現代計算機很接近了。由于經費等方面的原因，這種差分機沒有取得最后的成功。這是因為，巴貝奇的思想已經超越了他所處的時代，要使數千個齒輪在蒸汽動力的控制下精密無誤地工作，難度的確太大了。

但是，巴貝奇這位計算機先驅對人們思想上的啟迪是巨大的，差分機也被認為是現代計算機的鼻祖。巴貝奇未完成的樣機至今仍陳列在英國倫敦大英博物館內。

1944年8月7日，由IBM出資、美國人霍華德·艾肯(H. Aiken)負責研制的MARK-I計算機在哈佛大學正式運行，如圖3-7所示。它采用繼電器來代替齒輪等機械零件，裝備了15萬個元件和總長達800k。的電線，每分鐘能夠進行200次以上的運算。女數學家格雷斯·霍波(G. Hopper)為它編制了計算程序，并聲明該計算機可以進行微分方程的求解。MARK-I計算機的問世不但實現了巴貝奇的夙愿，而且也代表了自帕斯卡計算器問世以來機械計算器和電動計算器的最高水平。 “第二次世界大戰”結束后，美國軍方開始大力發展新式武器。在新武器的研制中，彈道問題的研究要經過許多復雜的計算過程。這時，依靠以前的計算工具已遠遠不能滿足要求，急需一種能夠自動、快速完成計算過程的機器。基于這種需求，1946年在賓夕法尼亞大學，由兩位年輕的物理學家莫奇利(J. W. Mauchly)和埃克特(J. P. Eckert )主持研制了世界上第一臺電子計算機ENIAC(電子數字積分計算機)，如圖3-8所示.ENIAC用了18 000多個電子管，占地170m2，總重量為30t，每秒可進行5000次加法運算。
現代電子計算機的理論模型是數學家圖靈(Alan Mathison Turing)于1939年提出的圖靈機(Turing's Machine)，因此他被稱為計算機理論之父。為了紀念他，全世界計算機領域的最高榮譽獎設為“ACM圖靈獎”。

圖靈機是一種抽象的機器(假想的機器)，如圖3-9所示.這個裝置的組成部分為:一個無限長的紙帶，一個讀寫頭，一個控制器(圖3-9中的那個大盒子，具有內部狀態)，另外，還有一個程序對這個盒子進行控制。這個裝置根據程序的命令以及它的內部狀態進行紙帶的讀寫和移動。紙帶被分成了一個一個的小方格，每個小方格可以是空白或寫人一個字符。 圖靈機是這樣工作的:讀寫頭在紙帶上讀出一個方格的信息，并且根據它當前的內部狀態對程序進行查表，然后得出一個輸出動作，即往紙帶上寫信息或者把讀寫頭移動到下一個方格。程序也會告訴它下一時刻會轉移到哪一個內部狀態.圖靈機的產生，奠定了現代數字計算機的理論基礎。根據圖靈機這一基本而簡潔的概念，還可以看到可計算的極限是什么。

馮·諾依曼是著名的美籍匈牙利數學家，1903年12月3日生于匈牙利布達佩斯的一個猶太人家庭.他曾對ENIAC的設計提出過建議。1945年3月，針對ENIAC的不足，他起草了EDVAC(電子離散變量自動計算機，如圖3-10所示)設計報告初稿。在該方案中，馮·諾依曼做了以下兩項重大改進:機內數制由原來的十進制改為二進制;采用存儲程序方式來控制計算機的操作過程。 馮·諾依曼的工作對現代計算機的發展產生了深遠的影響，莫定了現代計算機的基本體系結構。他提出的存儲程序控制方式，就是把要執行的指令和要處理的數據按照一定的順序編制成程序存儲到計算機的內部讓它自動執行，這種設計思想一直延續至今.因此，人們將馮·諾依曼稱為現代計算機之父，將具有馮·諾依曼體系結構的計算機稱為馮·諾依曼機。