1.1.1 计算机的发展
1.ENIAC
1946年2月15日，美国宾夕法尼亚大学正式宣布ENIAC（/'εni.aek/，Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数值积分和计算机）研制成功。ENIAC是世界上第一台通用电子计算机，标志着人类计算机时代的到来，它的出现具有划时代的伟大意义。
ENIAC造价48万美元，使用了大约18 800个电子管，70 000个电阻器，10 000个电容器，1 500个继电器，质量达30t，占地面积约170 m2（图1-1）。ENIAC能在1s内完成5 000次加法运算，或在0.003 s内完成2个10位数的乘法运算。
图1-1 世界上第一台通用电子计算机ENIAC
拓展阅读
ENIAC是世界上第一台通用电子计算机，由36岁的物理学家莫希利（John Mauchly）教授和他24岁的研究生埃克特（John Eckert）博士设计，受美国陆军军械部弹道研究实验室资助，用于火炮弹道轨迹计算。
世界上第一台电子计算机是ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机），由爱荷华州立大学的约翰·文森特·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）和他的研究生克利福特·贝瑞（Clifford Berry）在1937年设计，并在1942年成功进行了测试。ABC不可编程，仅仅设计用于求解线性方程组。
英国人认为，由数学家图灵（Alan Mathison Turing）帮助设计的Colossus Computer是世界上第一台电子计算机。Colossus Computer于1943年研制成功，采用电子管作为主要的电子元件，用于洛仑兹密码机的密码分析——德国在二战中使用了洛仑兹密码机。事实上，Colossus Computer是由汤米·佛劳斯（Tommy Flowers）设计的，而图灵设计的是破译德国“谜团（Enigma）”密码的机电计算机“甜点（Bombe）”。
2.冯·诺依曼
相对于机械计算机，采用电子真空技术的ENIAC极大地提高了计算速度。但ENIAC本身存在着一些设计缺陷，限制了它的应用与发展。第一，ENIAC虽然借鉴了ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机）的设计思想，但它并不像ABC那样采用二进制，而是采用十进制，这使得在物理实现上变得十分复杂；第二，ENIAC没有存储器，计算机是通过布线接板进行控制，电路连线烦琐、耗时，往往要用几小时甚至几天时间，这在很大程度上抵消了ENIAC的计算速度。因此，莫克利和埃克特不久后开始研制新的机型EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机）。
与此同时，ENIAC项目组的一个研究人员，著名的匈牙利裔数学家、物理学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，图1-2）来到了普林斯顿高等研究院（IAS，Institute for Advanced Study），开始研制他自己的EDVAC（图1-3），这台计算机后来成为当时最快的计算机。
图1-2 约翰·冯·诺依曼
图1-3 EDVAC
冯·诺依曼归纳了EDVAC的原理要点。
（1）二进制。计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。一方面，二进制只有0和1两种状态，在物理上很容易实现，如电位的高低、开关的通断等物理状态都可以用来表示二进制数；另一方面，二进制的计算法则是最简单的，这也使得计算电路单元的设计和实现变得最为简单。
（2）存储程序。存储程序的概念是指以二进制形式表示的程序和数据存放在同一个存储器中，控制器从存储器中取出并执行程序指令。通过存储程序机制，计算机能自动、连续、无须人工干预地执行程序，并得到预期的结果。
根据冯·诺依曼的原理和思想，计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成。
EDVAC已显现了现代计算机的雏形。尽管现今计算机的计算速度已远远超过当时的EDVAC，但基本结构仍采用冯·诺依曼体系结构，所以人们称符合这种设计的计算机为“冯·诺依曼机”，冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。
3.个人计算机
1976年，史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs，1955—2011）和斯蒂夫·盖瑞·沃兹尼亚克（Stephen Gary Wozniak）开发出了Apple I微型计算机。1977年，乔布斯推出了经典机型Apple Ⅱ微机（图1-4），在市场上大受欢迎，计算机从此进入发展史上的黄金时代。
图1-4 Apple Ⅱ（1977年）
1981年，IBM（International Business Machines Corporation，国际商业机器公司）推出了第一台16位个人计算机IBM PC 5150（图1-5）。IBM将该计算机命名为PC（Personal Computer，个人计算机），现在PC已成为个人计算机的代名词。
图1-5 IBM PC 5150（1981年）
1982年，IBM公开了IBM PC上除BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）之外的全部技术资料，从而形成了PC机的“开放标准”，使不同厂商的标准部件可以互换。第一台IBM PC微机虽然采用了总线扩充技术，但IBM放弃了总线专利权。开放标准聚拢了大量板卡生产商和整机生产商，加之没有专利的限制，PC机的产业化得到了飞速发展。
4.摩尔定律
自IBM PC 5150诞生以来，微型机因其小巧轻便、价格便宜等优点，在过去30多年中得到了迅速发展，成为计算机的主流。
1965年4月，美国《电子学》杂志发表了英特尔公司（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）撰写的文章《让集成电路填满更多的元件》。文中预言：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。这一预言就是著名的摩尔定律。1975年，摩尔根据当时的实际情况，对摩尔定律进行了修正，将“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。人们常提到的“18个月增加一倍”是由英特尔的首席执行官大卫·豪斯（Dave House）提出的。摩尔定律的发展趋势如图1-6所示。
图1-6 摩尔定律的发展趋势
表1-1对比了IBM PC 5150与目前中高档商用台式机的性能。从表中可以看出，目前中高档商用台式机与IBM PC 5150比较，CPU工作频率提高了755倍，内存容量提高了26万倍，外存容量提高了1 342万倍，而价格下降了26.9倍（价格考虑了汇率及年平均工资水平的因素：1981年的汇率为1美元兑换人民币1.7元，我国月平均工资约为64元；2015年我国月平均工资约为3 032元）。
续表
5.计算机发展的四个阶段
从第一台电子计算机诞生至今的73年中，计算机技术以前所未有的速度迅猛发展。一般根据计算机所采用的主要物理元器件，将计算机的发展分为四个阶段，如表1-2所示。
表1-2 计算机发展的四个阶段
图1-7 电子管
图1-8 晶体管
图1-9 中等规模集成电路Intel 4004
图1-10 超大规模集成电路Intel CORE i7及其内部显微结构