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最初,“Computer”一词指的是从事数值运算的人,他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作。随着时代的演变和技术的进步,“Computer”一词现在专指计算机,即电子数字计算机。

1.第一台通用电子数字计算机

一般认为,世界上第一台通用电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学问世的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer,电子数字积分计算机),如图1-4所示。这台机器用了18000多个电子管,占地170平方米,总重量达30吨,耗电140千瓦,每秒能做5000次加减运算。从今天的眼光来看,这台计算机耗费巨大又不完善,但它却是科学史上一次划时代的创新,奠定了现代电子数字计算机的基础。

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最初,ENIAC的结构设计不够灵活,每一次重新编程都必须重新连线(Rewiring)。此后,ENIAC的开发人员认识到这一缺陷,提出了一种灵活、合理得多的设计,这就是著名的存储程序体系结构(Stored-Program Architecture)。在存储程序体系结构中,给计算机一个指令序列(即程序),计算机会存储它们,并在未来的某个时间里,从计算机存储器中读出,依照程序给定的顺序执行它们。现代计算机区别于其他机器的主要特征,就在于这种可编程能力。

由于早在ENIAC完成之前,数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想,因此,存储程序体系结构又称为冯·诺伊曼体系结构(von Neumann Architecture)。自从20世纪40年代第一台通用电子数字计算机出现以来,尽管计算机技术已经发生了翻天覆地的变化,但是,大多数当代计算机仍然采用冯·诺伊曼体系结构。

2.数字计算机的发展史

自从ENIAC计算机问世以来,从使用器件的角度来说,计算机的发展大致经历了5代的变化(如表1-1所示):

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第一代计算机从1946年到1957年,使用电子管(Vacuum Tube)作为电子器件,使用机器语言与符号语言编制程序。计算机运算速度只有每秒几千次至几万次,体积庞大,存储容量小,成本很高,可靠性较低,主要用于科学计算。在此期间,形成了计算机的基本体系结构,确定了程序设计的基本方法,“数据处理机”开始得到应用。

第二代计算机从1958年到1964年,使用晶体管(Transistor)作为电子器件,开始使用计算机高级语言。计算机运算速度提高到每秒几万次至几十万次,体积缩小,存储容量扩大,成本降低,可靠性提高,不仅用于科学计算,还用于数据处理和事务处理,并逐渐用于工业控制。在此期间,“工业控制机”开始得到应用。

第三代计算机从1965年到1970年,使用小规模集成电路(Small-Scale Integration,SSI)与中规模集成电路(Medium-Scale Integration,MSI)作为电子器件,而操作系统的出现使计算机的功能越来越强,应用范围越来越广。计算机运算速度进一步提高到每秒几十万次至几百万次,体积进一步减小,成本进一步下降,可靠性进一步提高,为计算机的小型化、微型化提供了良好的条件。在此期间,计算机不仅用于科学计算,还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域,出现了管理信息系统(Management Information System,MIS),形成了机种多样化、生产系列化、使用系统化的特点,“小型计算机”开始出现。

第四代计算机从1971年到1985年,使用大规模集成电路(Large-Scale Integration,LSI)与超大规模集成电路(Very-Large-Scale Integration,VLSI)作为电子器件。计算机运算速度大大提高,达到每秒几百万次至几千万次,体积大大缩小,成本大大降低,可靠性大大提高。在此期间,计算机在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手,由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现,并进入家庭。

第五代计算机从1986年开始,采用甚大规模集成电路(Ultra-Large-Scale Integration,ULSI)作为电子器件,运算速度高达每秒几亿次至上百亿次。由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现。

3.计算机体系结构的发展过程

生产、科研、应用的飞速发展,促使计算机的体系结构不断完善,形成了当代计算机的体系结构形式。

计算机问世后的60多年来,计算机体系结构的发展过程一直是在冯·诺伊曼体系结构的基础上,以提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性、方便用户使用为目的,不断采用新的器件、研制新的软件的过程。就体系结构本身来说,主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展。