关于“探索计算机发展历程”的研究报告

探索计算机发展历程
指导教师：
研究小组成员：茂名市第一中学高一（16）班廖拾漫谢煜明
㈠研究背景及目的
今天，随着计算机技术的高速发展，电脑和网络正在以惊人的速度融入人类社会的各个角落。

计算机网络时代到来，宣告了一场新的科技革命的到来。

而相关产业的进步与发展，如生物技术和电子技术等，都与计算机的发展息息相关。

一些新材料、新能源的开发和利用技术也都将在这一过程中获得巨大发展。

为了了解计算机技术的发展使现代社会产生巨大变革的原因，以及计算机技术发展的未来，2010年2月1日，我们成立了一个研究小组，对计算机的基本分类、雏形、计算机发展史上的重要人物、计算机发展各个阶段和未来发展趋势进行了探索。

㈡研究过程及方法。

我们成立的研究小组利用一个星期的时间，查阅了《电脑爱好者》、《电脑报》、《电脑应用文摘》等文献资料及通过互联网，收集到计算机发展的相关资料，了解计算机发展的历程。

㈢研究成果
1.计算机的基本分类
(1)按照性能指标分类
①巨型机：高速度、大容量
②大型机：速度快、应用于军事技术科研领域
③小型机：结构简单、造价低、性能价格比突出
④微型机：体积小、重量轻、价格低
(2)按照用途分类
①专用机：针对性强、特定服务、专门设计
②通用机：科学计算、数据处理、过程控制解决各类问题
(3)按照原理分类
①数字机：速度快、精度高、自动化、通用性强
②模拟机：用模拟量作为运算量，速度快、精度差
③混合机：集中前两者优点、避免其缺点，处于发展阶段
2.早期计算机
1642年，法国人布莱士•帕斯卡（1623-1662）发明了自动进位加法器，称为Pascalene。

1694年，德国数学家Gottfried Wilhemvon Leibniz（1646-1716）改进了Pascaline，使之可以计算乘法。

后来，法国人Charles Xavier Thomas de Colmar发明了可以进行四则运算的计算器。

这可以说是现代计算机的雏形。

3.现代计算机发展主要历程
1）计算机发展史上的重要人物
现代计算机的真正起源来自英国数学教授Charles Babbage。

Babbage发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时，他认为可以利用蒸汽机进行运算。

起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机——Analytical Engine。

Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。

在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进
步，美国人Herman Hollerith（1860-1929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。

之后，现代计算机开始采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术，这一时期的杰出代表人物是英国科学家图灵(1912—1954)和美籍匈牙利科学家冯•诺依曼(1903-1957)。

图灵对现代计算机的贡献主要是：建立了图灵机的理论模型；发展了可计算性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。

冯•诺依曼的贡献主要是：确立了现代计算机的基本结构，即冯•诺依曼结构。

其特点可以概括为如下几点：
（1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作；
（2）存储单元是定长的线性组织；
（3）存储空间的单元是直接寻址的；
（4）使用机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作；
（5）对计算进行集中的顺序控制。

2）计算机发展各个阶段
①第一代电子管计算机(1946-1957)
在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。

这促进了计算机的研究与发展。

1944年Howard H.Aikien （1900-1973）研制出全电子计算机，为美国海军绘制弹道图。

这台简称MarkⅠ的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（3-5秒一次计算）并且实用性很差只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等式。

1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC（Electronic
Numerical Intergrator and Computer）在费城公诸于世。

ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。

ENIAC由美国政府和槟夕法尼亚大学合作开发，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比MarkⅠ快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机。

第一代计算机的操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢；另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓存储数据。

第一代计算机主要用于科学研究和工程计算。

②第二代晶体管计算机(1957-1964)
1948年，晶体管发明代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。

1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。

第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。

1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。

第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。

计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。

在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。

新职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。

第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关。

③第三代集成电路计算机(1964-1972)
1958年德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路(IC)，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。

更多的元件集成到单一的半导
体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。

这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM360系列。

④第四代大规模集成电路计算机(1972-现在)
从20世纪70年代开始，这是电脑发展的最新阶段。

到1976年，由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”，使电脑正式进入了第四代。

大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个元件。

到了80年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片上容纳了几十万个元件，后来的(ULSI)将数字扩充到百万级。

可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强，向着小型化、微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代。

70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。

1980年IBM推出世界上第一台个人电脑。

IBM推出以英特尔的x86的硬体架构及微软公司的MS-DOS操作系统的个人电脑，并制定以PC/AT为PC的规格。

与IBM PC竞争的Apple Macintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。

之後由英特尔所推出的微处理器以及微软所推出的操作系统发展几乎等同于个人电脑的发展历史。

Wintel架构全面取代了IBM在个人电脑主导的地位。

80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积。

第四代计算机的另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路
为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

微型计算机大致经历了四个阶段：
第一阶段是1971～1973年，微处理器有4004、4040、8008。

1971年Intel公司研制出MCS4微型计算机（CPU为4040，四位机）。

后来又推出以8008为核心的MCS-8型。

第二阶段是1973～1977年，微型计算机的发展和改进阶段。

微处理器有8080、8085、M6800、Z80。

初期产品有Intel公司的MCS 一80型（CPU为8080，八位机）。

后期有TRS-80型（CPU为Z80）和APPLE-II型（CPU为6502），在八十年代初期曾一度风靡世界。

第三阶段是1978～1983年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器有8086、808880186、80286、M68000、Z8000。

微型计算机代表产品是IBM-PC（CPU为8086）。

本阶段的顶峰产品是APPLE 公司的Macintosh(1984年)和IBM公司的PC／AT286(1986年)微型计算机。

第四阶段便是从1983年开始为32位微型计算机的发展阶段。

微处理器相继推出80386、80486。

386、486微型计算机是初期产品。

1993年，Intel公司推出了Pentium或称P5（中文译名为"奔腾"）的微处理器，它具有64位的内部数据通道。

4.计算机未来发展趋势
20世纪90年代，电脑向“智能”方向发展，制造出与人脑相似的电脑，可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。

进入21世纪，电脑更是笔记本化、微型化和专业化，每秒运算速度超过100万次，不但操作简易、价格便宜，而且可以代替人们的部分脑力劳动，甚至在某些方面扩展了人的智能。

已进入发展快车道的
计算机，各种未来计算机概念已初具规模。

目前世界上主要有三种未来计算机发展趋势：
①光子计算机
1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。

光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。

由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。

它的存贮量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。

目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。

光子计算机的许多关键技术，如光存储技术、光互连技术、光电子集成电路等都已经获得突破，最大幅度地提高光子计算机的运算能力是当前科研工作面临的攻关课题。

光子计算机的问世和进一步研制、完善，将为人类跨向更加美好的明天，提供无穷的力量，现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

②仿生的生物计算机
生物计算机的主要以生物工程技术产生的蛋白质分子作为生物芯片，利用有机化合物存储数据。

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，会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化，当一列波传播到分子链的某一部位，它们就像硅芯片集成电路中的载流子那样传递信息。

生物计算机的优越性是十分诱人的，其运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍，但能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。

它具有很强
的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。

由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能，自动修复芯片上发生的故障，还能模仿人脑的机制，甚至有可能实现现有计算机无法实现的人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的神经网络处理功能。

③非线性量子计算机
据美国IBM公司科学家伊萨克、张介绍，量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称之为量子超态。

原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机0与1完全吻合。

量子计算机处理数据时不是像电子计算机那样分步进行而是同时进行所有可能的运算。

只要40个原子一起计算，就相当于今天一台超级计算机的性能。

量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算速度可能比目前的奔腾4芯片快10亿倍，就像一枚信息火箭，在一瞬间搜寻整个互联网，可以轻易破解任何安全密码，黑客任务轻而易举，难怪美国中央情报局对它特别感兴趣。

㈣研究总结
这次研究性学习，本小组成员在探索研究中不但增长了知识，拓宽了视野，更增强了信息的收集与处理能力。

研究中的一些挫折与挑战，也令我们找到了自身的不足之处，这将会使我们取得更大的进步。

我们希望，通过我们小组的研究报告，能让人们更加了解计算机技术的发展概况，提高同学们对计算机技术的学习兴趣，更好的在这个信息时代里掌握更多的技能。