《計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（原書第4版）》 —1.5　發(fā)展歷史

1.5　發(fā)展歷史

在計算機(jī)的60年歷程中，它已經(jīng)變成了現(xiàn)代化設(shè)備的完美案例。將記憶拉回到速記室、復(fù)寫紙和油印機(jī)的時代，這些神奇的機(jī)器有時看起來好像是瞬間就成了我們現(xiàn)在所看到的形式。但是計算機(jī)的發(fā)展道路是由偶然發(fā)現(xiàn)、商業(yè)推動和異想天開所鋪就的。有時候計算機(jī)甚至通過扎實的工程應(yīng)用實踐得到改進(jìn)！盡管面臨著曲折、改變和技術(shù)死胡同，但計算機(jī)還是以無法理解的速度發(fā)展。只有回顧歷史時，我們才能夠完全理解今天的成就。

本節(jié)我們把計算機(jī)的演化劃分為代，每一代由建造計算機(jī)的技術(shù)所定義。我們?yōu)槊恳淮峁┑拇蟾湃掌趦H僅作為參考。你會發(fā)現(xiàn)專家對于每一個技術(shù)時代準(zhǔn)確的開始和結(jié)束時間的意見很少一致。

每個發(fā)明都會反映它所處的時代，所以如果計算機(jī)發(fā)明于20世紀(jì)90年代后期，那么人們可能不知道它是否應(yīng)該稱為計算機(jī)。事實上，我們見到過多少從放在桌子上或桌邊的神秘盒子里流出的計算？直到最近，計算機(jī)才通過執(zhí)行令人費解的數(shù)學(xué)運算服務(wù)于我們。不再局限于穿白大褂的科學(xué)家，今天的計算機(jī)幫助我們寫文檔，與世界各地喜歡的人保持聯(lián)系，進(jìn)行網(wǎng)上購物。現(xiàn)代商用計算機(jī)僅僅用很小一部分時間執(zhí)行會計計算。它們的主要目的是給用戶提供大量關(guān)于競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略信息。計算機(jī)這個詞已經(jīng)變成一個使用不當(dāng)?shù)拿Q了嗎？一個不合時代的名稱？然而，如果不叫計算機(jī)，那么我們應(yīng)該叫它們什么呢？

我們無法呈現(xiàn)完整的計算歷史。已經(jīng)有一些關(guān)于這個主題的完整文章，甚至這些文章可以讓讀者了解更多的細(xì)節(jié)。如果我們已經(jīng)激起你的興趣，那么建議你去查閱本章末尾參考文獻(xiàn)中列出的書籍。

1.5.1　第零代：機(jī)械計算機(jī)（1642～1945年）

在16世紀(jì)之前，典型的歐洲商人使用算盤以羅馬數(shù)字來計算和記錄算術(shù)結(jié)果。在十進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)最終代替了羅馬數(shù)字之后，許多人發(fā)明了執(zhí)行十進(jìn)制運算更快和更準(zhǔn)確的設(shè)備。威廉·施卡德（1592—1635）被認(rèn)為發(fā)明了第一個機(jī)械計算器，即計算時鐘（準(zhǔn)確的日期不詳）。這個設(shè)備可以進(jìn)行6位數(shù)以內(nèi)的加減運算。1642年，布萊士·帕斯卡（1623—1662）開發(fā)了一個名為Pascaline的機(jī)械計算器、以幫助他父親做稅務(wù)工作。Pascaline能夠執(zhí)行帶進(jìn)位的加法和減法運算。它可能是第一個用于實用目的的機(jī)械加法設(shè)備。事實上，Pascaline的設(shè)計非常好，以至于它的基本設(shè)計在20世紀(jì)初仍然在使用，這可以由1908年的閃電便攜加法器和1920年的加算器得到證明。戈特弗里德·威廉·萊布尼茨（1646—1716）是著名的數(shù)學(xué)家，他發(fā)明了一種能做加減乘除運算的計算器，稱為Stepped Reckoner。這些設(shè)備都不能編寫程序也沒有存儲器，計算的每一步都需要人工干預(yù)。

雖然像Pascaline這樣的機(jī)器一直使用到20世紀(jì)，但是19世紀(jì)新的計算器設(shè)計就開始出現(xiàn)了。在這些新設(shè)計中最具潛力的是由查爾斯·巴貝奇（1791—1871）設(shè)計的差分機(jī)。一些人稱巴貝奇為“計算之父”。據(jù)記載，他是一個古怪的天才，帶給我們的除了其他東西之外，還有***和“奶牛捕手”（一種把奶牛和其他可移動障礙物推到火車道外的設(shè)備）。

巴貝奇在1822年建造了差分機(jī)。差分機(jī)因為使用了一種叫作差分法的計算技術(shù)而得名。這個機(jī)器被設(shè)計為可機(jī)械化地解多項式函數(shù)，實際上是一種計算器，不是計算機(jī)。巴貝奇在1833年也設(shè)計了一個名為分析機(jī)的通用機(jī)器。雖然巴貝奇生前未能完成分析機(jī)的建造，但是所設(shè)計的分析機(jī)與以前的差分機(jī)相比有更多用途。分析機(jī)具有執(zhí)行任何數(shù)學(xué)運算的能力，包括許多與現(xiàn)代計算機(jī)相關(guān)的部件：一個執(zhí)行計算的算術(shù)處理單元（巴貝奇稱其為工廠）、一個存儲器（巴貝奇稱其為倉庫）和輸入/輸出設(shè)備。在巴貝奇的設(shè)計中還包括一個條件分支運算，即下一個指令的執(zhí)行由前面的運算結(jié)果來決定。艾達(dá)是洛夫萊斯伯爵夫人和詩人拜倫勛爵的女兒，她建議巴貝奇寫一個這個機(jī)器如何計算數(shù)字的計劃。這被視為第一個計算機(jī)程序，而且艾達(dá)被認(rèn)為是第一個計算機(jī)程序員。據(jù)說她建議使用二進(jìn)制系統(tǒng)而不是十進(jìn)制系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。

機(jī)器設(shè)計者面臨的一個困擾是如何使數(shù)據(jù)進(jìn)入機(jī)器中。為了輸入和編程，巴貝奇設(shè)計的分析機(jī)使用了一種穿孔卡片。使用穿孔卡片控制機(jī)器的行為并不是巴貝奇的原創(chuàng)，而是源于他的一個朋友——約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（1752—1834）。1801年，雅卡爾發(fā)明了一種可編程的織機(jī)，這種織機(jī)可以在布上織出復(fù)雜的圖樣。雅卡爾給了巴貝奇一個掛毯，這個掛毯就是在織機(jī)上使用1萬多個穿孔卡片織成的。在巴貝奇看來，如果織機(jī)可以由卡片來控制，那么他的分析機(jī)也可以，這看起來很自然。艾達(dá)對此想法表達(dá)了她的喜悅：“分析機(jī)編排代數(shù)的模式就像雅卡爾的織機(jī)編織花和葉一樣。”

穿孔卡片是為計算機(jī)系統(tǒng)提供輸入的最持久的方式。鍵控數(shù)據(jù)輸入直到計算機(jī)器的構(gòu)造發(fā)生根本改變后才得以實現(xiàn)。19世紀(jì)后半葉，絕大多數(shù)機(jī)器使用輪式機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)難以與早期的鍵盤集成，因為它們是杠桿裝置。杠桿裝置容易在卡片上穿孔，輪式設(shè)備容易閱讀。所以一些設(shè)備被發(fā)明出來，用于編碼并把穿孔卡片上的數(shù)據(jù)制成表格。19世紀(jì)末最重要的制表機(jī)器由赫爾曼·霍爾瑞斯（1860—1929）發(fā)明。霍爾瑞斯的機(jī)器用于編碼并編制了1890年的人口普查數(shù)據(jù)。這次人口普查以創(chuàng)紀(jì)錄的時間完成，因此給霍爾瑞斯增加了經(jīng)費，也提升了他的發(fā)明的聲譽(yù)。霍爾瑞斯后來創(chuàng)建的公司就是IBM。他的80列穿孔卡片名為霍爾瑞斯卡片，其作為自動數(shù)據(jù)處理的主要產(chǎn)品使用了50多年。一種前現(xiàn)代“計算機(jī)”騙局16世紀(jì)后半葉已經(jīng)能看到第一次工業(yè)革命的

“土耳其人”機(jī)器

來源：Robert Willis,An attempt to Analyse the Automaton Chess Player of Mr.de Kempelen.JK Booth,London.1824.雛形。

珍妮紡紗機(jī)可以讓一個紡織工人完成20個人的工作，蒸汽機(jī)有幾百匹馬的力量。因此人們開始對各種機(jī)械著迷。把正確的技巧應(yīng)用于所面臨的問題，似乎人類能夠用機(jī)器做任何事情！

精巧的鐘表在17世紀(jì)初開始出現(xiàn)。復(fù)雜和華麗的款式點綴著教堂和市政廳。這些鐘表機(jī)構(gòu)最終變成了名為自動機(jī)的機(jī)械機(jī)器人。典型的自動機(jī)可以演奏長笛和鍵盤等樂器。17世紀(jì)中葉，最好的自動機(jī)可以用來招待歐洲的王室。一些人依靠詭計娛樂觀眾，而揭開騙局就成了一種樂趣。奧匈帝國的瑪麗-泰蕾茲（Marie-Therese）皇后依靠一個富有的朝臣和名為沃爾夫?qū)ゑT·肯佩倫的工匠，替她揭穿這些可笑的事情。一天，在一個令人印象特別深刻的表演之后，瑪麗-泰蕾茲讓馮·肯佩倫做一個自動機(jī)，這臺機(jī)器要超越所有她見到過的自動機(jī)。

馮·肯佩倫接受了挑戰(zhàn)，經(jīng)過幾個月的工作之后，他帶來一個戴頭巾、抽煙斗的下棋自動機(jī)。對于所有人，包括當(dāng)時最好的棋手，這個“土耳其人”都是一個難以對付的對手。作為額外的裝飾，這個機(jī)器包含一組隔板，當(dāng)需要的時候，它能夠發(fā)出“將軍”的聲音。這個機(jī)器令人如此印象深刻，在84年間吸引了大量歐洲和美國觀眾。

當(dāng)然，和所有類似的自動機(jī)一樣，馮·肯佩倫的“土耳其人”也是靠欺騙實現(xiàn)驚人之舉的。盡管一些聰明的反對者猜出了它是如何操作的，但是“土耳其人”的秘密從未被泄露：一個象棋棋手被巧妙地藏在了柜子里。“土耳其人”因此成了科學(xué)史上最早并且最令人印象深刻的“計算機(jī)”騙局之一。還需要200年才會有不靠欺騙的、真實的、可以比賽的“土耳其人”機(jī)器。

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