python 學習之電腦的發展歷史

電腦的發展歷史

      電腦的學名叫電腦，電腦是用來做計算的。在古時候，人們最早使用的計算工具可能是手指，英文單詞“digit”既有“數字”的意思，又有“手指“的意思。古人用石頭打獵，所以還有可能是石頭來輔助計算。  缺點：手指和石頭太低效了

      後來出現了”結繩 “記事。   缺點：結繩慢，繩子還有長度限制。

      又不知過了多久，許多國家的人開始使用”籌碼“來計數，最有名的就要數咱們中國商周時期出現的算籌了。古代的算籌實際上是一根根同樣長短和粗細的小棍子，大約二百七十幾枚為一束; 多用竹子製成，也有用木頭、獸骨、象牙、金屬等材料製成的。數學家祖沖之計算圓周率時使用的工具就是算籌。   算籌的缺點：使用算籌計算太麻煩了，很不方便——計算時需要慢慢擺放。

      於是，人們發明瞭更好的計算工具——算盤，算盤最早可能在漢代萌芽，在南北朝時期定型，利用進位制計數。使用時需要配合一套口訣——好比電腦的軟體。算盤本身還可以存儲數字，使用時很方便。至今，算盤還在被使用。

      15世紀，隨著天文和航海的發展，計算工作越來越繁重，計算工具急需改進。

     1630年，英國數學家奧特雷德在使用當時流行的對數刻度尺做乘法運算時，突然想到，如果用兩根相互滑動的對數刻度尺，不久省去了用兩腳規度量長度了麽。他的這個想法導致了機械化計算的誕生，但奧特雷德對這件事情並沒有在意，此後200年裡，他的發明也就沒有被實際應用。

     18世紀末，發明蒸汽機的瓦特成功製作了第一把計算尺，在尺座上增加了一個滑標，用來“存儲”計算的中間結果，這種滑標很長時間一直被後人所沿用。

     1850年以後，計算尺迅速發展，成為工程師隨身攜帶的”計算器“，一直到20世紀五六時年代，計算尺仍然是工科大學生的一種身份標誌。

第一臺真正電腦的出現

      1623年，法國數學家帕斯卡出生，三歲喪母，後由擔任稅務官的父親養大。在帕斯卡小時候，看到父親費力的計算稅率稅款的時候，就想幫父親做點事情。

      19歲時（1642年），帕斯卡發明瞭人類有史以來第一臺機械電腦——帕斯卡加法器。它是一種系列齒輪組成的裝置，外形像一個長方盒子，用兒童玩具那種鑰匙旋緊發條後才能轉動，只能夠做加法和減法。然而，即使只做加法，也有個“逢十進一”的進位問題。聰明的帕斯卡採用了一種小爪子式的棘輪裝置。當定位齒輪朝9轉動時，棘爪便逐漸升高；一旦齒輪轉到0，棘爪就“咔嚓”一聲跌落下來，推動十位數的齒輪前進一檔。

      1662年帕斯卡去世，不久後，在德國的大數學家萊布尼茨看到了帕斯卡關於加法電腦的論文，勾引起了他的發明欲。萊布尼茨早年經歷坎坷，後來獲得了一次去法國的機會，在巴黎的時候，他聘請了一些著名的機械專家和能工巧匠，終於在1674年製造出了一臺更完美的機械電腦。

     萊布尼茨發明的新型電腦約有1米長，內部安裝了一系列齒輪機構，除了體積較大之外，基本原理繼承於帕斯卡。不過，萊布尼茨技高一籌，他為電腦增添了一種名叫“步進輪”的裝置。步進輪是一個有9個齒的長圓柱體，9個齒依次分佈於圓柱錶面；旁邊另有個小齒輪可以沿著軸向移動，以便逐次與步進輪嚙合。每當小齒輪轉動一圈，步進輪可根據它與小齒輪嚙合的齒數，分別轉動1/10、2/10圈……，直到9/10圈，這樣一來，它就能夠連續重覆地做加法。

連續重覆的計算加減法

         連續重覆的計算加法是現代電腦做乘除法採用的辦法，萊布尼茨的電腦加減乘除四則運算一應俱全。

在介紹萊布尼茨的時候還有一個小插曲。（傳說大約在1700年左右的某天，萊布尼茨的朋友送給他一副中國的”易圖“，其實就是八卦圖，在看八卦圖的時候，發現八卦的每一種卦象都有陰陽兩種符號組成，這不就是有規律的二進位數字麽，於是他就由此，率先系統提出了二進位的運演算法則，直到今天，我們用到的電腦還是使用的二進位。）

      電腦發展到現在還是人去操作機器，還沒有實現人與機器的對話，或者會所是把人類的思想告訴機器，讓機器按照人的想法去自動執行。說到實現人機對話，就要說一下另外一個行業——紡織業。

      提花編織機是具有升降紗線的提花裝置，是一種能使綢布編織出圖案花紋的織布機器。

最開始編織機編織圖案相當費事。所有的綢布都是用經線（縱向線）和緯線（橫向線）編織而成。若要織出花樣，織工們必須細心地按照預先設計的圖案，在適當位置“提”起一部分經線，以便讓滑梭牽引著不同顏色的緯線通過。機器當然不可能自己“想”到該在何處提線，只能靠人手“提”起一根又一根經線，不厭其煩地重覆這種操作。

     1725 年：法國紡織機械師布喬發明瞭“穿孔紙帶”的構想。布喬想出了一個“穿孔紙帶”的絕妙主意。布喬首先設法用一排編織針控制所有的經線運動，然後取來一捲紙帶，根據圖案打出一排排小孔，並把它壓在編織針上。啟動機器後，正對著小孔的編織針能穿過去鉤起經線，其它則被紙帶擋住不動。於是，編織針自動按照預先設計的圖案去挑選經線，布喬的“思想”“傳遞”給了編織機，編織圖案的“程式”也就“儲存”在穿孔紙帶的小孔中。

     1790年 的時候法國機械師傑卡德，基本形成了改進提花機的構想，由於當時正是法國大革命時期，傑卡德為了參加革命，無暇顧及發明創造，直到1805年才真正完成”自動提花編織機“的製作。傑卡德為他的提花機增加了一種裝置，能夠同時操縱 1200 個編織針，控製圖案的穿孔紙帶後來換成了穿孔卡片。

     在後來電子電腦開始發展的最初幾年中，在多款著名電腦中我們均能找到自動提花機的身影。

     18世紀末，法蘭西發起了一項巨集大的工程——人工編製《數學用表》，由於當時沒有先進的計算工具，導致這項工作極其艱巨。發足數學界調集和大批的數學家，組成人工計算的流水線，算的昏天暗地才完成了17捲大部分的書稿，即便如此，計算出的《數學用表》仍有大量錯誤。

      巴貝奇在他的自傳《一個哲學家的生命歷程》里寫到，大約在1812年的，“有一天晚上，我坐在劍橋大學的分析學會辦公室里，神志恍惚地低頭看著面前打開的一張對數 表。一位會員走進屋來，瞧見我的樣子，忙喊道：‘喂！你夢見什麼啦？’我指著對數表回答說：‘我正在考慮這些表 也許能用機器來計算！’”

      巴貝奇的第一個目標是製作一臺”差分機“，

      所謂“差分”的含義，是把函數表的複雜算式轉化為差分運算，用簡單的加法代替平方運算。那一年，剛滿20歲的巴貝奇從法國人傑卡德發明的提花編織機上獲得了靈感，差分機設計閃爍出了程式控制的靈光──它能夠按照設計者的旨意，自動處理不同函數的計算過程。巴貝奇耗費了整整十年光陰，於1822年完成了第一臺差分機，它可以處理3個不同的5位數，計算精度達到6位小數，當即就演算出好幾種函數表。由於當時工業技術水平極低，第一臺差分機從設計繪圖到機械零件加工，都是巴貝奇親自動手完成。當他看著自己的機器製作出準確無誤的《數學用表》，高興地對人講：“哪怕我的機器出了故障，比如齒輪被卡住不能動，那也毫無關係。你看，每個輪子上都有數字標記，它不會欺騙任何人。”以後實際運用證明，這種機器非常適合於編製航海和天文方面的數學用表。

      成功後，巴貝奇連夜上書皇家學會，要求政府資助他建造第二台運算精度為20位的大型差分機。政府看到巴貝奇的研究有利可圖，破天荒地與科學家簽訂了第一個合同。

然而，第二台差分機在機械製造工廠里觸上了“暗礁”。第二台差分機大約有25000個零件，主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一，即使用現在的加工設備和技術，要想造出這種高精度的機械也絕非易事。

      由於進度緩慢，到1842年的時候，政府宣佈停止對巴貝奇的一切資助，連科學界的有人都用一種怪異的目光看他。

然而在這個時候，巴貝奇收到了一封信，寫信人不僅對他表示理解而且還希望與他共同工作。娟秀字體的簽名錶明瞭她不凡的身份——伯爵夫人。收到信函不久後，寫信的女士來到了巴貝奇的實驗室，巴貝奇感覺與這位女士似曾相識，卻有想不起在哪裡見過。直到這位女士說”您還記得我嗎？十多年前，您還給我講過差分機原理。”看到巴貝奇迷惑的眼神，她又笑著補充說：“您說我像野人見到瞭望遠鏡。”巴貝奇恍然大悟，想起已經十分遙遠的往事。 原來這位女士是大名鼎鼎的英國詩人拜倫之獨生女——阿達·奧古斯塔。

      在大型差分機進軍受挫的1834年，巴貝奇提出了一個更新更大膽的設計——通用的數學電腦。巴貝奇稱它為“分析機”，它能夠自動解算100個變數的複雜算題，每個數字可以達25位，速度每秒1次。

      巴貝奇首先為分析機構思了一種齒輪式的“存貯庫”，每一齒輪可貯存10個數，總共能夠儲存1000個50位數。分析機的第二個部件是所謂“運算室”，其基本原理與帕斯卡的轉輪相似，但他改進了進位裝置，使得50位數加50位數的運算可完成於一次轉輪之中。此外，巴貝奇也構思了送入和取出數據的機構、以及在“存儲庫”和“運算室”之間運輸數據的部件。他甚至還考慮到如何使這台機器處理依條件轉移的動作。一個多世紀過去後，現代電腦的結構幾乎就是巴貝奇分析機的翻版，只不過它的主要部件被換成了大規模集成電路而已。僅此一說，巴貝奇就當之無愧於電腦系統設計的“開山鼻祖”。

      阿達非常準確地評價道：“分析機'編織’的代數模式同傑卡德織布機編織的花葉完全一樣”。於是，為分析機編製一批函數計算程式的重擔，落她的肩頭。阿達開天闢地第一回為電腦編出了程式，其中包括計算三角函數的程式、級數相乘程式、伯努利函數程式等等。阿達編製的這些程式，即使到了今天，電腦軟體界的後輩仍然不敢輕易改動一條指令。人們公認她是世界上第一位軟體工程師。眾所周知，美國國防部據說是花了250億美元和10年的光陰，把它所需要軟體的全部功能混合在一種電腦語言中，希望它能成為軍方數千種電腦的標準。1981年，這種語言被正式命名為ADA語言，使阿達的英名流傳至今。當然這些都是後話了。

      在當時，兩人為把分析機的圖紙變成現實，耗盡了全部財產，搞得一貧如洗，在此期間，兩人為籌措研究經費，兩人還商量“下海創收”，比如製作國際象棋玩具、賽馬游戲機等等。但這並沒有帶來什麼改變，為此，阿達還兩次把丈夫家中的祖傳珍寶拿去當鋪換錢，不過後來又被阿達的母親贖了回來。在經歷了貧困交加和無休止的腦力勞動，阿達的身體狀況急劇惡化，1852年，年僅36歲的阿達懷著對分析機美好的夢想去世了。

      阿達去世後，巴貝奇又默默的獨自堅持了20年，晚年的他已經不能準確發音 和有條理的表達自己的意思，但仍堅持工作。1871年巴貝奇去世。最終分析機沒有被製造出來。巴貝奇和阿達設想的分析機超出了他們所處時代至少一個世紀。

      1890年，德國僑民霍列瑞斯博士在美國做人口普查（上一次人口普查人工花了7年），人口普查需要做大量工作，如年齡、性別等用調查表做採集的項目，還要計算每個社區有多少老人、小孩，男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用機器自動統計這些數據。幾年後

他根據巴貝奇的發明和傑卡德的穿孔紙帶設計了機器。結果花了6周就得出了準確的數據。

傑卡德和霍列瑞斯分別用開創了程式設計和數據處理之先河。以歷史的目光審視他們的發明，正是這種程式設計和數據處理，構成了電腦“軟體”的雛形。

      1896年霍列瑞斯博士創辦了IBM公司的前身。

 到了現在，製造出來的電腦都是機械的，機械電腦向電子電腦發展的過渡時期發生的主要事件。

      1906年，美國的德福雷斯特發明瞭電子管，為電腦的發展奠定了基礎。

      1907年，德福雷斯特向美國專利局申報了真空三極體(電子管)的發明專利。真空三極體可分別處於“飽和”與“截止”狀態。“飽和”即從陰極到屏極的電流完全導通，相當於開關開啟；“截止”即從陰極到屏極沒有電流流過，相當於開關關閉。其控制速度要比艾肯的繼電器快成千上萬倍。

     1924年，IBM——一個有劃時代意義的公司成立了。

     1936年，美國青年霍德華·艾肯去哈佛共度物理學博士學位，由於博士論文設計設計空間電荷傳導理論，需要計算非常複雜的非線性微分方程。艾肯想發明一種機器代替人工計算，幻想有一臺電腦幫他解決數學難題。三年後，艾肯在圖書館里發現了巴貝奇和阿達的論文。 博士畢業後，艾肯進入了美國海軍軍械局做了一名小小的海軍中尉。為了實現電腦的夢想，他想到了IBM。正好艾肯的一位老師正在IBM出資創辦的“哥倫比亞大學統計局”里任職，艾肯從這位老師這裡聽說了IBM董事長沃森的大名。這位老師為艾肯寫了一封推薦信。艾肯拿到推薦信後，準備好了一份可行性報告，就去找沃森。沃森聽完了艾肯的話以後，直接給艾肯划了100W美元。有了錢，艾肯開始了“MARK I”（馬克1號）的研發。馬克1號藉助電流進行運算，最關鍵的部件採用繼電器組成，馬克1號上安裝了大約3000個繼電器。繼電器接通電路表示“1”，繼電器斷開則表示“0”。繼電器能在大約1/100秒內接通或斷開電路。為馬克1號編製計算程式的也是一位女數學家格雷斯·霍波（G.Hopper）。有一天，她在調試程式時出現了故障，拆開繼電器後，發現有隻飛蛾被夾扁在觸點中間，從而“卡”住了機器的運行。於是，霍波恢諧地把程式故障統稱為“臭蟲”（bug，現在表示電腦系統或程式中的一些缺陷或問題）

    1944年2月，馬克1號電腦在哈佛大學正式運行。從外表看，它的外殼用鋼和玻璃製成，長約15米，高約2.4米，自重達到31.5噸，他可以每分鐘進行200次以上的運算。可以作23位數加23位數的加法，一次僅需要0.3秒；而進行同樣位數的乘法，則需要6秒多的時間。

馬克1號被稱為最後一臺“史前”電腦——機械/電動方式。

       時間向前一年，也就是1943年，此時正是二戰時期，美國為了實驗新式火炮，需要計算火炮的彈道表。需要進行大量計算。一張彈道表需要計算近4000條彈道，每條彈道需要計算750此乘法和更多的加減法，工作量巨大。 你可以想象這樣一個場景：一發炮彈大出去，100多人用一種手搖電腦算個不停，還經常出錯，費力不討好。當時任職賓夕法尼亞大學莫爾電機工程學院的莫希利（John Mauchly）於 1942年提出了試製第一臺電子電腦的初始設想——“高速電子管計算裝置的使用”，期望用電子管代替繼電器以提高機器的計算速度。

美國軍方得知這一設想後，撥款成立了一個以莫希利、埃克特（John Eckert）為首的研製小組。終於在1946年2月14日，世界上第二臺電子電腦，世界上第一臺通用電腦 （多個行業都可以使用）埃歷阿克”（ENIAC，譯成中文是“電子數字積分和電腦”）誕生於美國賓夕法尼亞大學。

     ENIAC長30.48米，寬6米，高2.4米，占地面積約170平方米，30個操作台，重達30英噸，耗電量150千瓦，造價48萬美元。它包含了17,468根真空管（電子管）7,200根晶體二極體，1,500 個中轉，70,000個電阻器，10,000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關。
每秒能進行5000次加法運算（據測算，人最快的運算速度每秒僅 5次加法運算），每秒400次乘法運算，是使用繼電器運轉的機電式電腦的1000倍、手工計算的20萬倍。。它還能進行平方和立方運算，計算正弦和餘弦等三角函數的值及其它一些更複雜的運算。
以我們的眼光來看，這當然很微不足道。但這在當時可是很了不起的成就！原來需要20多分鐘時間才能計算出來的一條彈道，現在只要短短的30秒！

      第一臺電子電腦：

      阿塔納索夫-貝瑞電腦（Atanasoff–Berry Computer，通常簡稱ABC電腦）在1937年設計，不可編程，僅僅設計用於求解線性方程組，併在1942年成功進行了測試。然而，這台電腦用紙卡片讀寫器實現的中間結果存儲機制是不可靠的。而且，在發明者約翰·文森特·阿塔納索夫因為二戰任務而離開愛荷華州立大學之後，這台電腦的工作就沒有繼續進行下去[2]。ABC電腦開創了現代電腦的重要元素，包括二進位算術和電子開關[3]。但是因為缺乏通用性、可變性與存儲程式的機制，將其與現代電腦區分開來。這台電腦在1990年被認定為IEEE里程碑之一。

阿塔納索夫和克利福德·貝瑞的電腦工作直到1960年才被髮現和廣為人知，並且陷入了誰才是第一臺電腦的衝突中。那時候，ENIAC普遍被認為是第一臺現代意義上的電腦，但是在1973年，美國聯邦地方法院註銷了ENIAC的專利，並得出結論：ENIAC的發明者從阿塔納索夫那裡繼承了電子數字電腦的主要構件思想。因此，ABC被認定為世界上第一臺電腦。

      埃歷阿克雖然威力強大，但是它畢竟還很不完善，比如存在著耗電多、費用高的缺點。它的耗電量超過174千瓦，據說那些年，只要埃歷阿克一開動，整個費城城市的所有燈光頓時黯然失色。那些個電子管發光又發熱，平均每隔7分鐘要損壞一隻。雖然當初只花了軍械部40萬元的研製費用，可誰能料到，維護它的費用後來竟超過200萬之巨！埃歷阿克最致命的缺點是程式與計算兩分離。指揮埃歷阿克2萬隻電子管工作的程式指令，被存放在機器的外部電路里。需要計算某個題目前，埃克特必須分派幾十員精兵強將，把數百條線路用手接通，像一群電話接線員那樣手忙腳亂地忙活好幾天，才能進行幾分鐘運算。 

      這時，馮·諾依曼用高超的理論和技術方法，一舉攻剋了巨大的難關。 
　　在埃歷阿克尚未投入運行前，馮·諾依曼就已開始著手起草一份新的設計報告，要對這臺電子電腦進行脫胎換骨的改造。他把新機器的方案命名為“離散變數自動電子電腦”，英文縮寫譯音是“埃德瓦克”（EDVAC）。1945年6月，馮·諾依曼與戈德斯坦、勃克斯等人，為埃德瓦克方案聯名發表了一篇長達101頁紙洋洋萬言的報告，即電腦史上著名的“101頁報告”。這份報告奠定了現代電腦體繫結構堅實的根基，直到今天，仍然被認為是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。報告明確規定出電腦的五大部件（輸入系統、輸出系統、存儲器、運算器、控制器），並用二進位替代十進位運算，大大方便了機器的電路設計。埃德瓦克方案的革命意義在於“存儲程式”──程式也被當作數據存進了機器內部，以便電腦能自動依次執行指令，再也不必去接通什麼線路。 
　　人們後來把根據這一方案思想設計的機器統稱為“諾依曼機”。自馮·諾依曼設計的埃德瓦克始，直到今天我們用“奔騰”晶元製作的多媒體電腦為止，電腦一代又一代的“傳人”，大大小小千千萬萬台電腦，都沒能夠跳出諾依曼機的掌心。在這個意義上，馮·諾依曼是當之無愧的“電腦之父”。

      第一代電子管電腦(1946~1958)：
      特點： 操作指令是為特定任務而編製的，每種機器有各自不同的機器語言，功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數據。

      第二代晶體管電腦 (1956-1963)：
      特點： 晶體管代替了體積龐大電子管，使用磁芯存儲器。體積小、速度快、功耗低、性能更穩定。還有現代電腦的一些部件:印表機、磁帶、磁碟、記憶體、操作系統等。在這一時期出現了更高級的COBOL和FORTRAN等編程語言，使電腦編程更容易。新的職業(程式員、分析員和電腦系統專家)和整個軟體產業由此誕生。

     第三代集成電路電腦 (1964-1971)：
     以中小規模集成電路，來構成電腦的主要功能部件。主存儲器採用半導體存儲器。運算速度可達每秒幾十萬次至幾百萬次基本運算。在軟體方面，操作系統日趨完善。

     第四代大規模集成電路電腦 (1971-至今)：
     從1970年以後採用大規模集成電路（LSI）和超大規模集成電路（VLSI）為主要電子器件製成的電腦，重要分支是以大規模、超大規模集成電路為基礎發展起來的微處理器和微型電腦。