学友文库:大脑的延伸
周兆华 何炎样 文件大小：234.11KB 人气：
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一
灿烂辉煌的电脑史
无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。 历史，就像一条永远流逝不尽的长河，总是后浪推前浪，不断滚滚向前。 世界新技术的浪潮也是如此，汹涌澎湃，日新月异。 人类从必然王国向自由王国发展的今天，三次由技术革命引发的产业革 命，在人们的大脑里记忆犹新。 18 世纪中叶，英国蒸汽机的发明与应用，导 致第一次工业革命，人类由手工劳作进入机械化时代； 19 世纪 50 年代，以 电气技术为先导引发了第二次工业革命，发电机、电动机、汽车、电灯、电 话纷纷问世，人类便进入了电气化时代；第二次世界大战结束以后，以电子、 信息技术为先导，引发了以计算机为代表的信息产业革命，就是第三次工业 革命。这个时期，信息、能源和材料，是鼎足而立的三大技术支柱。信息的 高度密集，人才和技术的空前开发，便是这一时期的新特点。世界各国，尤 其是发达国家竞争异常激烈，这是因为科技的进步直接决定着一个国家和地 区的经济发展。要想有经济发展的高速度，必须依靠科技的进步。电脑的应 运而生和广泛应用，便是这个时代的重要标志之一。 目前，我国拥有计算机 （电脑）的个人和单位越来越多，但对于它的功 能，人们概念中只知道可以用来打字、排版、存放资料；有的纯粹供于消遣、 娱乐；更高一级的还有数据库的管理。这样，计算机功能的大部分都没有发 挥出来，造成了巨大的浪费。殊不知电脑可以帮你打开新世纪的大门，可以 把你带进一个五彩缤纷的新天地。 清晨，当你临窗饮罢一杯牛奶，打开电脑，你便可以获得当天你所需要 的各种信息， “双脚不出门，能知天下事”在今天已真正变成了现实；当你 坐在计算机前，想查询某部分资料或解答某个问题时，电脑不仅帮你贮存， 同时帮你分析、归纳，分类整理，去伪存真；当你工作之余需要精神调节时， 电脑便是你忠实的游戏伙伴。当你和按键接触的瞬间，所产生的那种钢琴家 弹拨琴键般的美妙感受，更是妙不可言。电脑与人的交流，早已超出了一般 的意义，那是一种情感的交流，心灵的感应。 电脑，从诞生至今，只有 50 多年的发展历史，但它所发生的巨大变化， 简直令人目不暇接。毫无疑问，电脑是人类在 20 世纪创造的又一奇迹。
1. 电脑——本世纪的奇迹
计算机又名 “电脑”。 世界上第一台电子计算机诞生于 1945 年 。 它的出现标志着计算工具随着 科学技术的飞跃发展和世界文明的进步而跃入一个崭新的历史阶段。但你是 否知道，人类从最初的计数工具发展到现代电子计算机却经过了漫长的道 路。 在很久很久以前，人类祖先找到了最原始的计数工具——自身的双手， 用手指来计数。这种极为古老的计数方法时至今日仍启蒙着幼儿们关于 “数” 的概念。为了能表达比 10 个手指头更多的数目，古代人又想出了另外的计算 工具——石子、木棒、贝壳、绳结等。利用这些简单的自然界产物不但可以 计算部落的财产、人数、猎物等，而且还能保存统计的结果，这就是现代计 算机原理中存贮思想的最初萌芽。
一
灿烂辉煌的电脑史
无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。 历史，就像一条永远流逝不尽的长河，总是后浪推前浪，不断滚滚向前。 世界新技术的浪潮也是如此，汹涌澎湃，日新月异。 人类从必然王国向自由王国发展的今天，三次由技术革命引发的产业革 命，在人们的大脑里记忆犹新。 18 世纪中叶，英国蒸汽机的发明与应用，导 致第一次工业革命，人类由手工劳作进入机械化时代； 19 世纪 50 年代，以 电气技术为先导引发了第二次工业革命，发电机、电动机、汽车、电灯、电 话纷纷问世，人类便进入了电气化时代；第二次世界大战结束以后，以电子、 信息技术为先导，引发了以计算机为代表的信息产业革命，就是第三次工业 革命。这个时期，信息、能源和材料，是鼎足而立的三大技术支柱。信息的 高度密集，人才和技术的空前开发，便是这一时期的新特点。世界各国，尤 其是发达国家竞争异常激烈，这是因为科技的进步直接决定着一个国家和地 区的经济发展。要想有经济发展的高速度，必须依靠科技的进步。电脑的应 运而生和广泛应用，便是这个时代的重要标志之一。 目前，我国拥有计算机 （电脑）的个人和单位越来越多，但对于它的功 能，人们概念中只知道可以用来打字、排版、存放资料；有的纯粹供于消遣、 娱乐；更高一级的还有数据库的管理。这样，计算机功能的大部分都没有发 挥出来，造成了巨大的浪费。殊不知电脑可以帮你打开新世纪的大门，可以 把你带进一个五彩缤纷的新天地。 清晨，当你临窗饮罢一杯牛奶，打开电脑，你便可以获得当天你所需要 的各种信息， “双脚不出门，能知天下事”在今天已真正变成了现实；当你 坐在计算机前，想查询某部分资料或解答某个问题时，电脑不仅帮你贮存， 同时帮你分析、归纳，分类整理，去伪存真；当你工作之余需要精神调节时， 电脑便是你忠实的游戏伙伴。当你和按键接触的瞬间，所产生的那种钢琴家 弹拨琴键般的美妙感受，更是妙不可言。电脑与人的交流，早已超出了一般 的意义，那是一种情感的交流，心灵的感应。 电脑，从诞生至今，只有 50 多年的发展历史，但它所发生的巨大变化， 简直令人目不暇接。毫无疑问，电脑是人类在 20 世纪创造的又一奇迹。
1. 电脑——本世纪的奇迹
计算机又名 “电脑”。 世界上第一台电子计算机诞生于 1945 年 。 它的出现标志着计算工具随着 科学技术的飞跃发展和世界文明的进步而跃入一个崭新的历史阶段。但你是 否知道，人类从最初的计数工具发展到现代电子计算机却经过了漫长的道 路。 在很久很久以前，人类祖先找到了最原始的计数工具——自身的双手， 用手指来计数。这种极为古老的计数方法时至今日仍启蒙着幼儿们关于 “数” 的概念。为了能表达比 10 个手指头更多的数目，古代人又想出了另外的计算 工具——石子、木棒、贝壳、绳结等。利用这些简单的自然界产物不但可以 计算部落的财产、人数、猎物等，而且还能保存统计的结果，这就是现代计 算机原理中存贮思想的最初萌芽。
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一千多年前，中国开始使用世界上最古老、流传最广的计算工具——算 盘。而古代的算盘则是用圆石子、小木棒或金属块等排放在不同的位置上来 表示不同的数值，并据此进行各种各样的计算。那时已经有了进位的数制概 念。在以后漫长的历史中，算盘不断完善，能方便地进行加、减、乘、除四 则运算。今天，我国和许多国家仍在使用算盘。现代算盘中的一颗颗算珠似 乎还遗留着石子计数的痕迹。 早在 17 世纪 ， 欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本 运算的数字计算机。 1642 年， 19 岁的法国数学家 B ·帕斯卡采用与钟表类似 的齿轮传动装置，制成了世界上最早的十进制加法器。这种加法器由多个圆 轮组成，每个圆轮代表一位数，每个轮面分为 10 个相等部分，刻有 0 ～ 9 十 个数字，作加法时，转动圆轮，当转到 0 处时，便自动将高位圆轮带进一格。 显然，这种加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向 自动计算工具迈进。 1673 年，德国数学家 G · W ·莱布尼兹制成了能进行十进制的乘、除运算 的计算机。英国数学家 C ·巴贝奇于 1833 年设计了一种程序控制的通用分析 机——差分分析机。他天才地提出了计算工具至少必须具备 5 个基本部分， 即 “输入部分”——输入需要处理的问题和相关的数据； “存贮部分”—— 用以存放必需的数据和相关的信息，以便机器使用； “运算部分”——能进 行加、减、乘、除等多种运算； “控制部分”——指挥和控制机器按规定的 步骤工作； “输出部分” ——输出问题处理后的结果。这台分析机虽然已经 描绘出现代计算机应具备的几个基本部分，但遗憾的是他的这种创造性设计 超越了当时的工具生产能力和技术水平，虽然他为此奋斗了 37 年，仍未能如 愿。 巴贝奇的设想提出以后的 100 多年期间，电磁学、电工学、电子学不断 取得了重大进展。在电子元利、器件方面，相继发明了真空二极管和真空三 极管。在系统技术方面，接连发明了无线电报、电视和雷达。所有这些成就 为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。与此同时，数学、物理也相应 地蓬勃发展，研究出了各种数值积分，数值微分，以及微分方程的数值解法， 把计算过程归结为巨量的基本运算，从而奠定了现代计算机的数值算法基 础。 20 世纪以后，各个科学领域和技术部门的计算问题堆积如山，已经明显 阻碍了学科的继续发展。特别是第二次世界大战爆发前后，军事科学技术对 大型、高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间，德国、美国、英国都在进 行计算机的开拓性工作，几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研 究。 德国 K ·朱赛最先采用电气元件制造计算机。他于 1941 年制成的全自动 继电器计算机 Z — 3 ，已具备浮点记数、二进制运算、数字存贮地址的指令形 式等现代计算机的特征。在美国， 1940 ～ 1947 年期间也相继制成了继电器计 算机 MARK — 1 、
MARK — 2 、
Model I 、 ModelV 等。不过，继电器的开关速度 大约为百分之一秒，致使计算机的运算速度受到很大限制。 电子计算机的开拓过程，经历了从制作部件到整机、从专用机到通用机、 从 “外加式程序”到 “存贮程序式”的演变。 1938 年，美籍保加利亚学者 J ·阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运 算部件。
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1943 年，英国外交部通信处制成了 “巨人”电子计算机。这是一种专用 的密码分析机，在第二次世界大战中起了重要作用。 1946 年 2 月，美国宾夕法尼亚大学物理学家 J ·莫克利和 J · P ·埃克特 制成了能进行各种科学计算的通用计算机—一大型电子数字积分计算机 （ ENIAC ）。这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存贮的计 算机，其运算速度比继电器计算机快 1000 倍。这就是人们常说的世界上第一 台电子计算机 。 这台计算机从 1946 年 2 月交付使用到 1955 年 10 月最后切断 电源，服役达 9 年。它每秒可进行
5000 次加法或减法运算，使用了 18800 个电子管，占地 170 平方米，重达 30 吨，耗电 150 瓦，价格 40 万美元，真 可谓 “庞然大物”。 ENIAC 机在计算题目时，先要根据题目计算步骤预先编好一条条指令— —指示计算机工作的命令，再按指令连接好外部线路，然后自动进行计算并 输出结果。当计算另一题目时，必须重新进行上述工作。所以，当时只有少 数专家才能使用。尽管如此，它却使过去借助台式计算机需 7 ～ 20 小时才能 计算一条发射弹道的工作量缩短到 30 秒 ， 使科学工作者从奴隶般的计算工作 中解放出来。 至今人们仍然公认， ENIAC 机的问世表明了电子数字计算机时代的到 来，具有划时代的伟大意义。但是，这种计算机的程序仍然是外加式的，存 贮容量也不够大，尚未完全具备现代计算机的主要特征。 又一次的重大突破是由数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成的。 1945 年 3 月，该小组发表了一个全新的存储程序式通用计算机方案—— “电子离 散变量自动计算机” （ EDVAC ）。随后于
1946 年
6 月，诺伊曼等人提出了更 为完善的设计报告—— 《电子计算机装置逻辑结构初探》。 同年 7 ～ 8 月 ， 他们又在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院为美国和英国二十 多个机构的专家讲授了专门课程 《电子计算机设计的理论和技术》，极大地 推动了存贮程序式计算机的设计与制造。 1949 年，英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机 （ EDSAC ）；美国则于
1950 年制成了东部标准自动计算机 （ SFAC ）等。 至此，电子计算机的萌芽时期遂告结束，开始了现代计算机的发展时期。 在这之后的短短 30 几年，计算机器件从电子管到晶体管，再从分离元件到集 成电路以至微处理器，计算机技术发展异常迅速，至今已经历了四代的变迁。 第一代是电子管计算机 （ 1946 ～ 1959 年），其基本电子元件是电子管， 主存贮器 （计算机主机内的存贮器，也简称内存）采用水银延迟线、阴极射 线示波管等，外存贮器 （计算机主机外的存贮器，也称外存或辅存）有纸带、 卡片、磁鼓、磁带等。运算速度为每秒几千次～几万次基本运算，内存容量 仅几千字，计算机程序设计语言还处于最低阶段，主要用二进制代码表示的 机器语言或少量的汇编语言编程，程序设计的工作繁琐、易出错，出错后又 不易修改。因此，第一代电子计算机体积庞大，造价很高，其应用主要局限 在科学计算、军事技术研究等狭小天地里。 第二代是晶体管电子计算机 （ 1959 ～ 1964 年），其基本元件是晶体管， 主存贮器大量使用磁性材料制成的磁芯存贮器。磁带，特别是磁盘成了不可 缺少的外存贮器，外设的种类增加。计算机的运算速度从每秒几万次提高到 几十万次，内存容量扩大到几十万字。与此同时，计算机软件有了较大发展， 用于科学计算的高级程序设计语言 FOR － TRAN 、 ALGOL ， 用于事务处理的 COBOL
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