计算机基础：计算机发展简述

欢迎大家来到计算机基础训练营，今天的课程主要讲述计算机的发展过程，对计算机有一个初步了解。

计算机的起源

人类自始至终一直在追求高效的计算工具，算盘的出现距今已经有2600多年了，它起源于中国，是中国古代的一项重要发明，是人们广泛使用的一种计算工具。
1642年，法国物理学家帕斯卡采用与钟表齿轮类似的装置，制成了齿轮式加减法器，这是世界上最早的十进制加法机，相对算盘来说，它是一种自动化的计算工具，运算效率要高于算盘，但也只能进行简单的加减法运算。
1673年，德国数学家莱布尼茨在帕斯卡的基础上发明了乘除法器，这是第一台可以运行完整四则运算的计算机。
1822年，英国数学家巴贝奇发明差分机，可以进行多项式的加法，这是最早采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据的计算机。巴贝奇在差分机的基础上，准备研发机械式分析机，用于天文和航海计算，可惜没有实现。
1936年，美国数学家艾肯提出用机电方法而不是机械方法来实现巴贝奇的想法，在IBM公司的支持下，成功研制了MARK-I。世界上第一台通用计算机埃尼阿克在1946年2月的美国宾夕法尼亚大学研制成功。
人类在追求高效计算工具的过程中，经历了计算工具、机械式计算机、通用数字计算机，埃尼阿克就是数字通用计算机。在计算机的发展过程中，我们需要记住几个重要的时间点：（1）1642年，法国物理学家帕斯卡采用与钟表齿轮类似的装置，制成了齿轮式加减法器，这是世界上最早的十进制加法机；（2）1673年，德国数学家莱布尼茨在帕斯卡的基础上发明了乘除法器，这是第一台可以运行完整四则运算的计算机；（3）1822年，英国数学家巴贝奇发明差分机，可以进行多项式的加法，这是最早采用寄存器（齿轮式装置）来存储数据的计算机；（4）1936年，美国数学家艾肯提出用机电方法而不是机械方法来实现巴贝奇的想法，在IBM公司的支持下，成功研制了MARK-I；（5）通用计算机埃尼阿克在1946年2月的美国宾夕法尼亚大学研制成功。
通用计算机埃尼阿克是图灵机的完全再现，图灵机是英国数学家图灵提出的一个可用于计算的模型，模型由一个控制器、一个读写头和一条无限长的纸带组成。纸带上有用于计算的数字或符号，控制器控制读写头在纸带上移动并读取或修改纸带上的数字或符号。发出读写命令的控制器内部有一个有限状态转换表, 状态转换表根据当前状态及从纸带读取的内容来确定下一个状态并控制读写头的移动，状态转换循环往复，直至完成计算。控制器内部的有限状态转换表可以理解为编写的程序。
图灵机并不是一台真正的计算机，而是一个可计算模型，真正实现图灵机可计算模型的是埃尼阿克。埃尼阿克的研制背景主要用于计算弹道数学模型，提高炮弹的命中率。在研制过程中，数学家冯·诺依曼加入了研制小组，他提出了用存储器来存储指令和数据，运算器只负责运算的计算机架构，并使用二进制替代十进制计数，降低了运算电路的复杂度，对机器来说二进制运算要比十进制运算简单的多。埃尼阿克程序的编制工作主要有6位女性来完成，他们在1977年入选国际科技名人堂。埃尼阿克是个庞然大物，机器本身占地面积约170平方米，重达30吨，包含17468根真空管，7200根晶体管，70000个电阻，10000个电容器，1500多个继电器，6000多个开关。
埃尼阿克计算机结构被称为冯·诺依曼计算机结构，冯·诺依曼计算机结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成。控制器是计算机的大脑，控制程序的运行，运算器负责算术运算和逻辑运算，存储器用来存放数据和程序，输入设备将数据转换为机器能识别的形式，输出设备将计算结果转换为人们熟悉的形式。

计算机的发展阶段

埃尼阿克出现后，数字通用计算机得到了迅速发展，这得益于电子元器件制作工艺的发展。数字通用计算机的发展可分为四个阶段：
1946年~1957年为第一代计算机，采用的电子元器件为真空管或电子管，内存采用水银延迟线或磁鼓，外存用的纸带或卡片（通过纸带或卡片录入程序和数据），编程语言为机器语言（机器能够识别的语言），后来出现了汇编语言，体积很大，耗电也多，存储容量非常小。
1958年~1964年为第二代计算机，采用的电子元器件为晶体管，外观尺寸小了很多，内存采用磁芯材料制成的磁芯，外存采用了磁盘和磁带，编程语言出现了FORTRON、COBOL等高级语言，其运算速度和存储容量相对第一代计算机有了较大提升。
1965~1970年为第三代计算机，采用的电子元器件为中小规模集成电路，内存采用了半导体存储器，实现了内存数据的随机存取，外存采用高速磁盘，缓解了输入瓶颈，编程语言出现了BASIC、Logo、Pascal、C等语言，操作系统开始应用到计算机，进入了信息管理时代。
1971~至今为第四代计算机，采用的电子元器件为超大规模集成电路，内存采用运算速度达上亿次的半导体存储器，软件出现了分布式操作系统、网络操作系统、数据库等大型应用软件，并且出现第一台个人计算机，由IBM公司研制的PC机。

计算机的特性与应用

计算机到底能为我们做什么呢？
计算机通过存储器具备了超强的记忆能力，它可以存储大量人们所需要的数据，而不需要额外的物理空间；计算机的运算速度快，精度高，这是人类大脑所不能比拟的，计算机能在千分之一秒的时间内做出复杂的决策。一个人做出很简单的选择，至少也需要五分之一秒的时间；计算机具有逻辑判断和控制能力，人类应用的自动化设备和智能工具都离不开计算机；计算机还具有网络功能，互联网改变了人们的生活，这都是计算机的功劳。
计算机在人类涉及的任何领域都有广泛应用，如在科学计算、企业管理、生活娱乐、人工智能、文化教育等领域，计算机都得到了广泛应用。

这节课程，我们共同学习了计算机的起源、发展阶段、计算机的特性和应用，从简单的计算工具到机械式计算机、再到通用数字计算机，都是人类智慧的成果。电子元器件制造工艺的发展把计算机分为四个阶段：第一代计算机采用了真空管和电子管，第二代计算机采用了晶体管，第三代计算机采用了中小规模集成电路，第四代计算机采用了超大规模集成电路，随着人类科技的进步，第五代计算机会很快出现。