1.1.2　计算机的发展历程

计算机的产生是20世纪的重大科技成果之一。自从第一台电子计算机诞生以来，计算机科学已经成为20世纪发展最快的一门学科，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，极大地促进了社会信息化的进程和知识经济的发展，引起了社会的深刻变革。计算机已广泛地应用于社会的各行各业，正在改变着人类的工作、学习与生活方式。必须掌握以计算机为核心的信息技术以及计算机的应用能力，不会使用计算机将无法面对21世纪的工作、学习与生活。

为了进行有效计算，人类不断地探索与研究，先后发明了多种计算工具。在远古时代，采用木棍和石块进行计数和计算。几百年前，我国发明了最早的计算工具——算盘，它是世界上第一种手动式计数器。1621年，英国数学家冈特根据对数表设计发明了计算尺。1642年，法国科学家帕斯卡发明了加法器，被称为人类历史上的第一台机械式计算机。1673年，德国数学家莱布尼茨设计了能进行加、减、乘、除的计算器。19世纪20年代，英国数学家巴贝奇设计了差分机和分析机，希望采用机械方式实现计算过程，但是由于当时的技术限制，这种采用机械方式实现复杂计算过程的思想没能实现。到了19世纪后期，随着电子技术的发展，出现了新的实现自动计算的途径。1884年，德国人康拉德·祖思在第二次世界大战期间用机电方式制造了一系列计算机。多年后，美国人霍华德·艾肯也推出了用机电方式实现的自动机，在IBM的资助下，于1944年制造出了著名的MARK I计算机。MARK I用穿孔纸带代替了齿轮传动装置，是最早的自动计算机。

推动计算机发展的最重要因素是人类社会的需求。随着现代社会和科学技术的发展，对新型的计算工具提出了更为强烈的需求。在计算机发展史中，图灵机模型、第一台计算机和冯·诺依曼机模式是计算机产生过程中的三个重要事件。

1.图灵机模型

1936年，英国剑桥大学著名数学家图灵在研究解决数学的一个基础理论问题时，发表了著名的名为《理想计算机》的论文。在该文中提出了现代通用数字计算机的数学模型，利用这种计算机，可以把推理化做一些简单机械动作。这种理论机器被称为图灵机。图灵分析和证明了这种图灵机可具有的功能。在理论上，图灵机的功能和现代计算机的功能基本类似。在随后的几十年时间里，图灵机成为计算机科学家、数学家、电子工程师研制实际计算机时在功能方面要达到的目标。另外，图灵在分析和证明图灵机功能时所使用的形式化证明方法也为计算机科学奠定了理论基础。

2.第一台计算机

1946年2月，世界上第一台电子数字计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC），即“电子数字积分计算机”，在美国宾西法尼亚大学莫尔学院研制成功。ENIAC是二次大战时应美国军方快速计算导弹弹道的需求研制的，但它正式完工时已是1945年年底。ENIAC主要由电子管和继电器组成，加法计算速度为5000次/秒，这样的计算速度比当时的计算工具有了很大的提高。在此以前，对新的计算工具研制的主流是机械式实现方法，ENIAC的出现，引导众多科学家和工程师把自己的注意力重点转向了电子实现方法，这为现代电子计算机的出现奠定了基础。

3.冯·诺依曼机模式

冯·诺依曼出生于匈牙利，以后移居美国，成为普林斯特大学的数学教授。在J·普雷斯泊·埃克特与约翰·冯·诺依曼的一次偶然会面中，他们讨论了ENIAC的工作原理和操作中的问题。冯·诺依曼提出了一个全新的电子计算机设计方案。这个方案的核心是存储程序方法。并且，冯·诺依曼和宾夕法尼亚大学莫尔学院合作，于1952年按照这种方案设计完成了取名为EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机）的电子计算机。

冯·诺依曼提出的存储程序方法，就是设计一个包括存储部件和处理部件的机器，程序存储在存储部件中，处理部件按照存储的程序有序地执行。存储程序方法是计算机发展的一个重要里程碑，现代计算机都是采用存储程序方法来实现自动计算的。通常把采用0、1符号编码方法和存储程序方法设计的计算机称为冯·诺依曼计算机。把具有冯·诺依曼计算机的特征简称为冯·诺依曼机特征。