微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

從結(jié)繩計(jì)算、算籌到計(jì)算尺，人類(lèi)從遠(yuǎn)古時(shí)期就已開(kāi)始探索提高計(jì)算速度和效率的方法。

1642 年，法國(guó)數(shù)學(xué)家使用齒輪等配件制造了世界上第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算機(jī)——帕斯卡加法器，這是人類(lèi)從手動(dòng)計(jì)算時(shí)代進(jìn)入機(jī)械式計(jì)算時(shí)代的里程碑。

1801 年，法國(guó)機(jī)械師將穿孔紙帶上的小孔用于自動(dòng)提花機(jī)工作流程和步驟的控制， 這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)思想的萌芽。而紙帶上的“有孔”和“無(wú)孔”分別類(lèi)似于二進(jìn)制數(shù)的 0 和 1 ，是二進(jìn)制數(shù)在機(jī)械控制中的早期應(yīng)用。 1843 年，英國(guó)數(shù)學(xué)家查爾斯 · 巴貝奇受這種 “穿孔紙帶”控制思想的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種通用的自動(dòng)計(jì)算機(jī)器——分析機(jī)。分析機(jī)以齒輪為主要部件，由蒸汽機(jī)提供動(dòng)力，齒輪存放數(shù)據(jù)，通過(guò)齒輪間的嚙合完成計(jì)算，穿孔紙帶控制運(yùn)算過(guò)程。雖然由于設(shè)計(jì)理念超越時(shí)代， 巴貝奇并沒(méi)有成功地制造出一臺(tái)實(shí)際可用的分析 機(jī)，但是分析機(jī)已經(jīng)具備了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的某些基本特征，如：存放數(shù)據(jù)的齒輪相當(dāng)于存儲(chǔ)器，齒輪嚙合完成了運(yùn)算器的工作， 而穿孔紙帶則是控制機(jī)器工作流程的程序。

1854 年， 英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾創(chuàng)立了布爾代數(shù)，這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作的重要理論基礎(chǔ)之 一。 1936 年，“人工智能之父”艾倫 ·麥席森 · 圖靈在其論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題 上的應(yīng)用》中提出了算法(Algorithm)的概念和一種抽象計(jì)算機(jī)(Computing machine)模 型—— “圖靈機(jī)”。圖靈機(jī)的基本思想是用機(jī)器模擬人用紙筆進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程，是現(xiàn)代計(jì)算 機(jī)和人工智能領(lǐng)域的開(kāi)端。

與圖靈同時(shí)代，被稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之父”的美國(guó)數(shù)學(xué)家馮 ·諾依曼研究了離散變量自動(dòng)電 子計(jì)算機(jī)(Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC)，并和他的研究小組發(fā) 表了“存儲(chǔ)程序的通用計(jì)算機(jī)方案”。該方案解決了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的許多關(guān)鍵問(wèn)題，其中三 個(gè)主要設(shè)計(jì)思想需要本書(shū)讀者掌握：

1)計(jì)算機(jī)采用的數(shù)制為二進(jìn)制。采用二進(jìn)制設(shè)計(jì)可降低計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

2)計(jì)算機(jī)由五部分組成，包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其 中，運(yùn)算器可以完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算; 控制器能夠控制計(jì)算機(jī)的各部件協(xié)調(diào)工作;存儲(chǔ) 器用于存放程序指令和數(shù)據(jù); 輸入和輸出設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的交互。

3)計(jì)算機(jī)的工作原理是“存儲(chǔ)程序的原理”，即計(jì)算機(jī)工作之前， 程序與數(shù)據(jù)預(yù)先存放 在存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元中;計(jì)算機(jī)工作時(shí)，控制器按照指令的存放順序(存儲(chǔ)單元的地址順 序)從存儲(chǔ)單元中讀取指令，然后分析并執(zhí)行指令;若被執(zhí)行的指令具有判斷或轉(zhuǎn)移的功 能，則根據(jù)判斷結(jié)果或轉(zhuǎn)移要求確定后續(xù)指令讀取的順序，從而控制指令的執(zhí)行順序;上述 過(guò)程將重復(fù)進(jìn)行， 直到遇到停機(jī)指令。

“存儲(chǔ)程序的通用計(jì)算機(jī)方案”的提出標(biāo)志著人類(lèi)進(jìn)入了電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的又一座里程碑。而按照該方案設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為“馮 ·諾依曼機(jī)”，世界上的第 一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”(Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC)就是 按照該方案設(shè)計(jì)的。

從埃尼阿克起，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)四個(gè)階段。電子管計(jì)算機(jī)以電子管為主要邏輯器件，使用磁鼓存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，體積大、運(yùn)算速度慢，編程語(yǔ)言為機(jī)器語(yǔ)言; 晶體管計(jì)算機(jī)以比電子管體積更小的 晶體管為主要器件，采用磁芯存儲(chǔ)器，速度快、價(jià)格昂貴，可以使用高級(jí)語(yǔ)言(如 FORTRAN 語(yǔ)言)進(jìn)行程序設(shè)計(jì);集成電路將多個(gè)元器件集成在一片半導(dǎo)體芯片上，以集成電路為主要邏輯器件的計(jì)算機(jī)體積更小、速度更快、功耗更低; 從 20 世紀(jì) 70 年代初開(kāi)始至 今，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模集成電路時(shí)代，一片半導(dǎo)體芯片上可以集成幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)個(gè)元器件，使得計(jì)算機(jī)的體積更小、價(jià)格更低、性能和可靠性更高。