哈工大计算机组成原理小论文

大爆炸

——计算简史

物理学家说，在亿万年以前，由一次大爆炸，宇宙诞生于混沌。然后在漫长的岁月后，生命出现，历史开始延伸。从有了人类的那一天起，我们计算影子的移动来勾勒时间的流逝，我们计算土地的长宽来估量粮食的收成，我们计算猪羊的数目来刻画生命的繁衍……加、减、乘、除，计算渗透在我们的生活里，如呼吸，如饮水，自发地、普遍的存在着。而从有计算那一刻起，我们便不断地发明着和改进着计算工具。

最初的人类用手指来计算，人有十根手指，十进制自然而然的成了最普适的计数法。因手指的计算范围有限，人们开始探索，就有了“结绳而治”，有了作为计算工具的小石子。“Calculus”的本意，便是用于计算的小石子。探索没有停止过，算筹作为最原始的人造的计算工具，悄然登上了历史舞台。个位用纵式，十位用横式，百位用纵式……这样，任意大的自然数便被表示了。

后来，算盘出现了。在计算工具发展史上，迎来了第一次大爆炸。

中国是算盘的故乡,在计算机已被普遍使用的今天，古老的算盘不仅没有被废弃，反而因它的灵便、准确等优点，在许多国家方兴未艾。在阿拉伯数字出现前，算盘是世界广为使用的计算工具。人们往往把算盘的发明与中国古代四大发明相提并论，北宋名画《清明上河图》中赵太丞家药铺柜就画有一架算盘。由于珠算盘运算方便、快速，几千年来一直是汉族劳动人民普遍使用的计算工具，即使现代最先进的电子计算器也不能完全取代珠算盘的作用。值得一提的是，不久之前珠算正式成为人类非物质文化遗产，这是我国第30项被列为非遗的项目。算盘由算筹演化而来，而直到元代后期，算盘才取代了算筹，这之间，历经了一千多年。珠算的出现和广泛传播，使计算开始变得简便。这之后，1617年，英国人约翰·纳皮尔发明了Napier乘除器，也称Napier算筹。Napier 算筹由十根长条状的木棍组成，每根木棍的表面雕刻着一位数字的乘法表，右边第一根木棍是固定的，其余木棍可以根据计算的需要进行拼合和调换位置。这种算筹用加法和一位数乘法代替多位数乘法，用除数为一位数的除法和减法代替多位数除法，从而数值计算过程被大大简化了。1621年，英国人威廉威廉·奥特雷德发明了对数计算尺，对数计算尺在两个圆盘的边缘标注对数刻度，然后让它们相对转动，就可以基于对数原理用加减运算来实现乘除运算。17世纪中期，对数计算尺改进为尺座和在尺座内部移动的滑尺。18世纪末，那个发明蒸汽机，推动了第一次工业革命的英国人瓦特，独具匠心，在尺座上添置了一个滑标，用来存储计算的中间结果。这样，对数计算尺不仅能进行加、减、乘、除、乘方、开方运算，甚至实现了三角函数、指数函数和对数函数的运

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算。它一直使用到袖珍电子计算器面世。随着时间的推移，手动式计算工具也突破着创造的极限。

帕斯卡加法器的诞生，成为了计算工具发展史上的第二次大爆炸。

1642年，法国人帕斯卡发明的帕斯卡加法器，由齿轮组成、以发条为动力、通过发条实现加减运算、通过连杆实现进位，成为人类历史上第一台机械式计算工具。他说，“这种算术机器所进行的工作，比动物的行为更接近人类的思维。”1673年，德国人莱布尼茨改进了加法器，莱布尼茨四则运算器诞生。这是第一台能够进行加、减、乘、除四则运算的机械式计算机。最后，机械式计算机发展成为不久前还能见到的手摇或电动的台式计算机。1822年，英国人巴贝奇开始研制差分机。这种机器的思想是现代计算机的雏形。思维的火花在灵感之上迸溅，机械式计算工具在那个年代，如雨后的新芽，拔节而生。

而后，机电式计算工具诞生。1886年，美国人赫尔曼·霍烈瑞斯借鉴引发了第二次工业革命的穿孔卡原理，制造了第一台制表机。他设计的这种在纸板上打空(punched card)的技术，帮助解决了统计局人口统计的难题。霍烈瑞斯于1896年创立了制表机公司，1911年该公司并入CTR（计算制表记录）公司，这就是著名的IBM公司的前身。1938年，德国人朱斯研制出Z-1计算机，这是第一台采用二进制的计算机。在接下来的四年中，朱斯先后研制出采用继电器的Z-2、Z-3和Z-4。1944年，美国人霍华德·艾肯成功研制了机电式计算机。正如那个时代，电改变了工业、农业和商业，电改变了人的生活，电也改变了计算。

而电子计算机的诞生，是计算工具发展史上的一次大爆炸，无疑，也是人类历史上的一次大爆炸。

1943年，美国宾夕法尼亚大学物理学教授约翰·莫克利和他的研究生普雷斯帕·埃克特受军部委托，为计算弹道和射击表启动了研制ENIAC的计划。1946年2月15日，这台标志着人类计算工具历史性变革的巨型机器宣告竣工。ENIAC的出现，标志着电子计算机时代的到来。从1946年至今不到70年的时间里，计算机的发展速度像最遥远的传说，也是最真实的奇迹，令人瞠目结舌。一场真正的大爆炸，一个全新的时代来了。那个发明了加法器的帕斯卡说过，“人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械工具来模拟人的思维活动”。那个年代人们甚至没有学会应用电。电子计算机的出现，无疑更好地印证着人的思维活动，可以被模拟，而这样的模拟，甚至能超越人的思维。

众所周知迄今为止计算机的发展历经了四个阶段。电子管时代的计算机，那个时代的计算机大且笨，以电子管作为主要逻辑元件，用机器语言或汇编语言编写程序。这个时期的计算机主要用于科学计算从事军事和科学研究方面的工作。而后晶体管取代了电子管，计算机进入电子管时代。这期间出现了操作系统，有了FORTRAN为代表的一些

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高级程序设计语言及相应的编译程序。此时，计算机的应用扩展到了数据处理、自动控制等方面。再之后，小规模或中规模集成电路代替了晶体管等分立元件，半导体存储器代替了磁芯器，操作系统变得完备，大量面向用户的软件资源开始涌现。而相应的，计算机的应用也扩展到了事务管理、工业控制等领域。1972年以后至今，大规模和超大规模集成电路时代到来了。硬件方面，集成度更高的半导体存储器作为主存储器，大容量的软、硬磁盘作为外存储器，并引入了光盘。系统结构上，并行处理技术、多机系统、计算机网络等快速发展。软件方面，数据库系统、高效可靠的高级语言出现，并逐渐形成了软件产业部门。这一阶段，个人计算机开始普及。通信技术、多媒体技术、计算机网络飞速发展，标志着计算机迈入了网络时代。

初中政治我们就曾学到过，全球化是不可遏止的趋势。毋容置疑，计算机加速了全球化的进程。计算机诞生至今，发展日新月异，迄今为止，这种发展速度是其他任何行业难以比拟的。计算机的发展依托于其他行业的进步，而与之同时，计算机也快速渗透到其他行业领域，加速着其他行业的发展。智能化、网络化、多媒体化，计算机技术仿佛无孔不入，渗透到社会生活的各个角落。迄今没有人再敢给这个领域预言一个天花板，我们都不能预言这里到底有多少可能。

很多人说，计算机变得比人更聪明。而溯源，计算机也依托于人。谈到计算机的发展，我们不得不谈几个人。

首先是查尔斯.巴贝奇。巴贝奇于计算机，如普朗克于量子力学。他的设计思想为现代计算机的结构设计奠定了基础。众所周知，现代计算机的中心结构部分恰好包括了巴贝奇的分析机的三个部分，可以说他的分析机是现代计算机的雏形。他提出的设计思想和当时的制造工艺相比，提前了一百多年。也许正是因此，巴贝奇坚持了三十多年，直到他闭上眼睛，分析机也未能制造出来。但这位先驱者，在逆境中追逐这梦想，无助过孤独过，未曾放弃过，他是失败的英雄。

第二位是冯.诺依曼。他提出了计算机的经典结构——冯·诺依曼结构。目前各种微型计算机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机系统，以至于超级微机和微巨机系统，都应用着这种结构。值得一提的是，冯·诺依曼在其他领域也有着大的建树。除了“计算机之父”，的头衔，他也被称为“博弈论之父”。

再有，是阿兰·麦席森·图灵。1966年设立的图灵奖已经成为了计算机界的诺贝尔奖。他建立了图灵机的模型，提出了“图灵测试”的论断，是人工智能之父。

而之后，杰出的天之骄子更是层出不穷，新的技术如洪水般汹涌。我想巴贝奇一定不曾想得出个人计算机的样子，而冯·诺依曼也未曾预料平板电脑的丰富多彩。这个时代拥有着太多奇迹，明天会怎样，我们可以预言，但没有人可以断言。

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有时候我们会想眷顾传统到底是瑕不掩瑜还是满是诟病。但历史告诉我们，那个曾经有四大发明，曾经有着最繁盛经济的文明古国，也在洋枪洋炮的轰击下没了一点尊严。那些骄傲了千年的龙的传人，他们的子孙也曾沦为东亚病夫。闭关锁国，循规守旧，可以让用千年积累的的繁华在百年间颠覆。

历史告诉我们，时间的年轮累加，时代的车轮不会停息。商业的世界是最残酷的，棋差一招满盘皆输。那个曾经引领了胶卷时代，统治了影像王国的商业巨头，在2012年1月，萧索地申请了破产保护。柯达是世界上最早开发出数字相机技术的公司，1991年柯达就有了130万数字相机。但柯达对于数字科技给予传统影像部门的冲击，反应迟钝。它满足于传统胶片产品的市场份额和垄断地位因而固步自封。然后数字时代一点一点蚕食着帝国的根基，短短的十几年，胶卷彻底失宠，帝国的大厦轰然坍塌，柯达节节败退，昔日的辉煌仿佛南柯一梦，回忆得到，却在触不到了。

垄断是时代的产物，但垄断不会是时代的统治者，就诚如封建王朝最终走向坟冢。这是开放的时代，开放意味着奉献，意味着把自己的思想与别人共享，但同时也就意味着牺牲一部分利益。然而，开放因此也成为一种境界。

IBM何尝不是经历着浮沉。就电子计算机行业而言，IBM是为数不多的先行者。到1964年，IBM以每月1万美元左右的租金在全球范围内出租的5万台计算机为公司带来了72亿美元的营业收入和9亿美元的净收益，并以70％的占有率近乎垄断了美国大型计算机市场。当时，IBM公司高层满足于其巨大的成功，却未意识到危机早已蠢蠢欲动。IBM没有重大的技术突破，短短20年，被竞争对手赶超。时代风云莫测，个人电脑悄然兴起，在IBM还沉醉于其大型计算机的时代时，后起之秀苹果已经站稳了脚跟。好在IBM迅速认清了形势，1986年9月成立相对隔离的个人电脑开发项目小组，摆脱了“惟大型机独尊”、“视个人电脑为玩具”的陈旧观念。这之后，在短短的不足一年的时间里就成功地研制出了性能远胜于苹果机的IBM PC电脑，并很快成为世界个人电脑的行业标准。遗憾的是好景不长，IBM偏爱16位的中央处理器时，32位已经成为趋势，失了先机便失了优势，IBM迎来了新的低谷。

庆幸的是IBM在今天仍有着一席之地。我想这也归功于IBM曾经“开放”的决定。计算机最终要走进千家万户，这个大趋势注定了PC必将在历史的某一时刻出现。身为产业霸主的蓝色巨人不辱使命，为全世界贡献了这一伟大的革命性产品。IBM PC的开放架构引来了无数的模仿者，产业的腾飞也使PC厂商的竞争从技术层面更多地延展到了商业层面。参与第一台IBM PC开发工作的布拉德利博士说：“模仿是对创造者的最好的称赞。不是一两个人，也不是一两家公司，而是全社会，造就了PC产业的辉煌。”正是IBM的开放，PC才得以不朽，英雄才得以显得伟大，巨人才得以更加强大。

诚如我们继承着冯·诺依曼的计算机基本结构，但现在计算机的丰富程度，绝非冯·诺依曼时代可以预料的。我们寻觅先人的足迹，我们追溯先人的习惯，但我们的生

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活，和先人却很不一样了。文化的继承仍有取其精华去其糟粕，在继承中创新的说法。而科技，取代似乎比继承更频繁。这个时代太快，我们的脚步匆忙。一部中国古代史洋洋洒洒几千年，而近现代史不过百年。回首计算机的发展，也不过六七十年而已。可正是这短短的六七十年，从大而笨的的只用于军用的ENIAC，过渡到了现在我们很多人都离不开的个人电脑。而PC也由九十年代的台式机，到了现在随身携带的笔记本，平板电脑。我们开始习惯了Win7或是Win8便捷和人性化，慢慢的忘记DOS也曾掀起过狂潮。我们在抱怨笔记本待机时间太短的时候，也是不是还记得最早的计算机只能坚持工作几分钟。三星最近推出的一款笔记本，最厚处仅16.9mm，实现了8s开机，7小时以上待机。似乎每一天，都有新的IT产品刷新着我们的认知。作为消费者，我们似乎永远跟不上IT产品更新换代的速度，而如果作为开发者，又是要怎样才能走在最前列呢。

关于历史，有人说它是一个王朝的风起云涌，是一个大人物的尘埃落定。关于历史的含义，有一种诠释是自然界和社会上任何事件的发展过程。诚如贝奈戴托·克罗齐说过，“一切历史都是当代史”。这个时代，我们回顾历史，也正创造着愈加丰富的历史。活在历史中的人被时代远远甩开，快节奏的生活很多人不喜欢却也不得不习惯。这是当下的时代，每天都发生着大爆炸的时代。无论是光子计算机、生物计算机，还是云计算、科幻片中屡屡出现的人工智能，不给思维画圈，属于计算机的革新就没有界限。

让我们一起期待下一次大爆炸。

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