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。

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

语言和用于符号处理的 LISP 语言开始进入实用阶段，操作系统初步成型，使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。

与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小，成本低，逻辑功能强， 可靠性大大提高。它的应用从科学计算和军事技术研究扩大到工业过程控制、数据处理等领域，开始进入商业市场。

第三代是集成电路电子计算机（1964～1970 年），随着固体技术的发展， 集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。用这些称为小规模集成电路和中规模集成电路的器件作为计算机的主要逻辑器件是第三代电子计算机的主要标志。

第三代计算机的运算速度进一步提高，每秒可达几十万次到几百万次， 磁芯存贮器进一步发展，体积缩小，价格降低，计算机软件逐渐完善，高级语言种类进一步增加，操作系统已具备批量处理、实时处理和分时处理等多种功能。数据库管理系统、通信处理程序、网络软件等也不断添加到软件子系统中。

这一时期，计算机同时向多样化、系列化发展，计算机的性能和可靠性有了极大提高，被广泛用于工业控制、商业、企业、管理等众多学科领域。第四代计算机又称为大规模集成电路电子计算机。70 年代以来，计算机

的逻辑器件采用大规模集成电路（LSI）或超大规模集成电路（VLSI）技术， 在硅半导体芯片上集成了 1000 个到 100 000 个电子元器件。集成度极高的

半导体存贮器替代了服役长达 20 年之久的磁芯存贮器。计算机的速度可达几百万次至亿次，而巨型计算机运算速度高达每秒十亿次，并进入每秒百亿次的超高速度。软件环境不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分，计算机的发展进入以计算机网络和分布并行处理为特征的时代，计算机的应用已渗透到各行各业，方方面面。

如前所述，随着电子元件、器件的不断发展、更新，传统计算机已经经历了四代演变。这四代计算机都属于以顺序控制和按地址寻址为基础的冯·诺伊曼式计算机体系，都以高速数值计算为主要目标，而系统设计原理没有多大变化。

由于硬件实现的功能过于简单，软件负担越来越重，造成了所谓的“软件危机”。技术体系上固有的局限性，严重妨碍了计算机性能的继续提高， 也限制了传统计算机在 90 年代信息社会中的广泛应用。因此，必须以新思想、新理论、新方法、新技术研制新一代计算机。

1981 年 10 月日本首先提出“第五代计算机”的说法，并指出第五代计算机系统将是以词组逻辑为基础的知识信息处理系统。

美国在人工智能的研究和应用方面有较坚实的基础，处于世界领先水平，1983 年以来，提出了多种军用和民用的智能计算机系统研制计划。

英国、法国和欧洲共同体等西欧国家和组织，为发展先进的微电子技术和高级信息处理技术，也在积极加紧研究新一代计算机系统。

前苏联在发展计算机的第三个五年计划（1985～1989）中，已将第五代计算机列为重点发展对象。

我国 863 高技术计划中也列有智能计算机技术主题。

为适应多样化的应用要求，新一代计算机包括从小到大各种规模的机器。无论是智能个人计算机还是智能超级巨型机，新一代计算机系统通常都由问题求解和推理、知识库管理、智能化人—机接口三个基本子系统组成。

问题求解和推理子系统相当于传统计算机中的中央处理器（CPU）。日本第五代计算机计划的最高性能指标是每秒完成 1～10 亿次逻辑推理，相当于传统计算机每秒执行 100～10 000 亿条指令。与该子系统打交道的程序设计语言称为核心语言，目前多以逻辑型语言或函数型语言为基础进行这方面的研究。这类语言在传统观念下是一种非常高级的语言，但它只是新概念下的机器语言，不是用户语言。核心语言是构造新一代计算机系统结构和各种超高级软件的基础。

知识库管理子系统相当于传统计算机的主存贮器、虚拟存贮器和数据库管理系统的综合。日本第五代计算机计划的功能要求是几秒内能有效地检索出推理所需的知识，相关的主数据库最大容量是 100～10 000 亿字节。与该子系统打交道的程序设计语言称为高级查询语言，用于知识的表达、存贮、获取和更新等。这个子系统的通用知识库软件是新一代计算机系统基本软件的核心。其中的通用知识库包括：含有日用词法、语法、语言字典和基本字库常识的一般知识库，用于描述系统本身技术规范的系统知识库，以及把某一应用领域的有关知识集中在一起的应用知识库。

智能化人—机接口子系统使人能通过声音、文字、图形和图像与计算机对话，用人类习惯的各种可能方式进行人机交流。这里，自然语言是最高级的用户语言，能使非计算机专业人员自如地操纵计算机，并为其从中获取所需的知识信息提供支持。

从宏观结构看，新一代计算机系统是一个为某一类应用而由本地通信网络和全球通信网络连接起来的大规模的分布处理系统。网络中的每个结点本身也是一个新一代计算机系统，也可根据需要将传统计算机连接到网络中。网络中的所有计算机都可以共享全网络所拥有的资源和知识处理能力。新一代计算机由超高速大规模集成电路构成，具有极高的性能—价格比。

第五代计算机又称智能计算机，它是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着质的区别。它不仅能进行数值计算或处理一般的信息，而且主要面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力， 能够帮助人们进行判断、决策，开拓未知的领域和获取新的知识，配有智能化的人机界面，可以直接通过自然语言（文字、声音）或图形、图像交换信息。可以认为，它是计算机发展史上的一次重大变革，将广泛用于未来社会的各个领域。

随着微电子技术的高速发展，作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺已经达到了理论极限，半导体硅芯片因电路密集引起的散热问题实难解决，科学家们正致力于寻找新的材料。于是引人瞩目的第六代计算机——生物计算机的研究已提到议事日程。

生物计算机的主要原材料，是生物工程技术生产的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，当波沿着蛋白质分子链传播时，引起蛋白质分子链中单键和双键结构顺序的变化。因此，当波传播到分子键的某个部位时，它们就像芯片中的载流子那样来传递信息。由于蛋白质分子比硅芯片上的电子元件小得多，其密集度可做得很高。蛋白质构成的生物芯片有着巨大的存储功能。由于一个蛋白质分子就作为一个存贮体，而且蛋白质分子的阻抗低，能耗小，它较好地解决了散热问题。此外， 蛋白质很容易构成三维立体型分子排列结构，形成立体生物集成芯片。而目前电子计算机用的芯片，几乎都是二维平面型集成电路。对于生物芯片，要

做到几十亿兆位的生物存贮器，是一件相当容易的事。

生物计算机除了具有巨大的存贮容量外，还具有非常高速处理信息的能力。它的处理速度比当今最新一代计算机的速度还要快百万倍。这就为实现计算机的高智能化提供了可行性。由于蛋白质分子能够自我组合、再生新的微型电路，表现出很强的“活性”，使得生物计算机具有生物体的某些特点， 它能发挥生物本身固有的自我组织、自我调节和自我适应机能。这样就能模仿人脑的机制。专家们认为，生物计算机最有可能实现人类所梦寐以求的“人工智能”。

美国、日本等国家的生物学家、神经学家、心理学家、电子学家、物理学家、化学家、数学家和计算机科学家的通力合作，积极投入了生物计算机的研究和开发工作，并取得一些引人振奋的研究成果。生物计算机必然展示人类智能的一些重要方面——记忆、计算、联想、思维、学习等能力，届时， 人类将彻底改变自身和自然界。

随着科技的迅速发展，一种凌驾于电子技术之上的极为尖端的技术应运而生，这便是光脑。目前世界上第一台光脑，已由欧共体的英国、比利时、德国、意大利和法国的 70 多名科学家和工程师合作研制成功。这是一台全光

数字计算机，而且其运算速度比目前的电脑快 1000 倍。

光脑和电脑的工作原理基本一样，所不同的是光子代替了电子、光互连代替了电子导线互连，光开关、光三极管、光存储器、反馈装置和集成电路等部件，代替了电脑中的电子硬件，用光运算代替了电运算，用非冯·诺伊曼结构代替了冯·诺伊曼结构，使光脑的功能为电脑望尘莫及。

光脑首先是具有超并行性。目前最新的并行处理计算机通常具有 n×i 的并行性，其结构和运算极为复杂，光脑则不同，它具有 n×n 的并行性，其并行通信和并行处理能力强，可用简单的运算去处理大阵列。

其二是光脑可以在接近室温条件下具有超高速运算速度。电子的传播速度每秒钟只能达到 593 公里，而光子的速度是每秒钟 30 万公里。因此，利用光在光缆中互连通信，要比利用电子在互连的导线中通信减少大量时间，提高了运算速度。光脑的超高速运算在于光的频带宽远远大于无线电波和微波，具有极大的信息存储量：存储信息量可达 108 位。

其三是光脑的抗干扰能力强和容错性好。光脑依靠光子传播信息，光子没有电荷，对其它邻近的光子和电子毫无影响。所以光信号不仅不相互干扰， 而且还可以与电子控制信号交叉。光脑的容错性好，在于光脑具有与人脑类似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响到最后计算结果。

光脑不但在工农业生产，而且在高科技领域，像复杂的图像和雷达信号处理，人工智能和机器人应用方面也具有广阔的前景，在未来战争中，将更加显示出无与伦比的作用。

历史总是沿着时间和空间无穷无尽地蔓延，不断发展前进，而新一代“宠物”——计算机也将不断适应历史的需要而创新。未来的世界是斑斓的，让人们无法估量和设计。但可以设想到的是，谁在计算机领域里付出艰辛努力取得令人瞩目的成果，而涉足于世界领先的领域，谁就将在科技的探索，经济的发展和社会前进的道路上，处于世界领先的地位。

现在一些国家也在研究和开发第七代计算机——光计算机的工作。计算机的发明真可谓日新月异，灿烂辉煌。

在人类文明的发展历史上，中国曾经在早期的计算工具的发明创造方面

有过光辉的一页。

我国古代的十进制记数方法，领先于世界一千多年。

珠算是中国的又一创造，也是计算工具发展史上的一项重大发明。

算盘后来传到日本、朝鲜、东南亚等地区，经受了历史的考验，至今仍在使用。中国古代用阳阴两爻构成八卦，也对计算技术的发展有过直接的影响。G·W·莱布尼兹写过研究八卦的论文，系统地提出了二进制算术运算法则。他认为，世界上最早的二进制表示法就是中国的八卦。

中华人民共和国成立后，中国的计算技术迈入了新的发展时期。我国从1953 年开始注意电子计算机的研究工作，1965 年正式将计算机列入科学技术发展规划。1958 年研制出我国第一台电子管计算机（103 机），填补了当时我国计算机的空白。1959 年我国自行研制的大型电子管计算机（104）问世， 其性能已接近当时的日本产品。1965 年研制成功以大型通用的晶体管计算机

（108 机）为代表的第二代计算机。1970 年研制出第一台集成电路电子计算机。随后又集中全国力量，联合攻关，研制出 DJS100 系列、DJS200 系列计算机。其中 DJS200 系列机接近当时 IBM360 系列计算机的水平。1983 年银河巨型计算机和 757 型流水线向量计算机研制成功，这些成果标志着我国进入了研制巨型机的行列。在以后的短短几年中，长城微机、联想微机等遍及全国。计算机网络已开始引起越来越多的部门的兴趣，计算机工业发展迅速， 1993 年又研制出每秒 10 亿次的银河Ⅱ巨型机，1995 年大规模并行计算机曙

光 1000 诞生，计算机的应用越来越广泛，金桥、金卡、金关、金穗、金税、金书等工程正在有计划的进行。

中国计算机事业经过 40 年的发展，已经形成一支高水平的科研、生产、应用和教学队伍，拥有上百个计算机制造厂和研究机构，开设计算机专业的高等院校有数百所之多。

曾几何时，“拥有一台电脑”，曾经是作家、商界名流和科学家们的热门话题。而如今“工薪簇”买一台家用电脑，已不再是天方夜谭了。一个只有十余年发展历史，生产微机也只不过五六年的联想集团，1995 年销售微机总量达 105 780 台，比 1994 年增长 135％。有关资料说明，现在每年进入

家庭的电脑达 200 多万台。电子计算机的普及速度如此惊人！可以预见，计算机将在我国国民经济、科学研究、国防建设和人民生活等各个领域发挥越来越重要的作用。

1. 计算机的三个基本指标

当今计算机的开发与利用，就像沥沥春雨般的洒向大地，对科学技术及各个领域的渗透，大到人造卫星上天，小到家用电脑打字贮存，无处不显示出其旺盛的生命力。如：研制一个卫星，需要借助计算机进行分析，设计、制造、测试、仿真及对研制过程进行管理；同时还有卫星所用的星载计算机， 以便完成卫星的各项任务和对卫星进行测控。在卫星运行的过程中，也需要计算机进行地面测控并应用计算机技术来对卫星获取的原始信息进行处理。因此，可以说没有计算机和计算机的应用，就没有卫星的生命。只是当今计算机已不像六、七十年代那般神秘了。那时候，计算机只有高级科研机构、大型企事业单位才有。一代数学大师陈景润，为了向“哥德巴赫猜想”挺进， 蜷缩在一间烟熏火燎的小屋里，伴着一盏昏暗的小油灯，趴在床板上进行（1

＋2）的演算证明，硬是一笔一划演算了两麻袋草稿。而当时在国外证明（1

＋3）时都用大型高速电子计算机。试想如果当时能有现在的科研条件，或许一代数学大师陈景润不致于因用脑过度而英年早逝，魂归“哥德巴赫猜想”。今天，拥有大中型电子计算机的企事业单位比比皆是，电脑走进千家万户也已成为现实。计算机不仅与国家的富强、民族的振兴息息相关，而且与人民生活中的衣食住行也紧密相连。

人们在购置计算机时，总是希望可靠性好，价格便宜，使用方便，而且能存放的信息越多越好，运算的速度越快越好。因此，计算机的字长、运算速度、存贮容量成为用户十分关心的三个基本技术指标。