计算机系统的发展历程：从早期雏形到现代操作系统

### 计算机系统的发展历程：从早期雏形到现代操作系统 #### 1. 早期计算机的探索 人类自古以来就渴望创造能够简化工作的设备，计算机的起源难以精确追溯到某一特定日期。早在公元前 500 年，古希腊和古罗马人就开始使用算盘，它可以进行计算和存储数据，若构建二进制算盘，其计算方式将与现代计算机极为相似。直到 16 世纪，算盘仍被广泛使用，在一些文化中至今仍被视为有效的计算工具。 16 世纪后期，欧洲发明家再次关注自动计算问题。1642 年，19 岁的法国数学家布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）发明了一种计算器，但未能成功制造出来。1801 年，约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）发明了一种使用穿孔卡片控制织布图案的织布机，这是首次有记录的使用某种存储形式来保存程序，用于半自动、可编程机器的应用。 19 世纪初，英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）花费大量个人财富试图建造一台他称之为“分析机”的机械计算器。分析机在许多概念上与现代计算机相似，它设想使用雅卡尔的穿孔卡片输入数据和程序，具备内部存储的内存，使用被称为“磨坊”的中央处理单元按照程序进行计算，并能打印输出。奥古斯塔·阿达·拜伦（Augusta Ada Byron）与巴贝奇密切合作，开发了许多编程和程序设计的基本思想，包括分支和循环的概念。 与此同时，另一位英国数学家乔治·布尔（George Boole）发展了以他的名字命名的二进制逻辑理论——布尔逻辑，他还认识到二进制算术与布尔逻辑之间的关系，这为实现现代电子计算机的电路奠定了基础。 #### 2. 计算机硬件的演进 20 世纪 30 年代末和 40 年代初，多个研究小组独立开发了现代电子计算机的不同版本。1937 年，霍华德·H·艾肯（Howard H. Aiken）及其同事在哈佛大学得到 IBM 的帮助和资助，建造了马克一号（Mark I），它使用了数千个机械继电器，尽管使用二进制继电器进行计算，但基本设计是十进制的。存储由 72 个 23 位十进制数组成，存储在计数轮上。大约在同一时间，康拉德·楚泽（Conrad Zuse）在德国也设计并建造了类似的机电计算机。 1937 年，爱荷华州立学院的物理学家约翰·V·阿塔纳索夫（John V. Atanasoff）设计了第一台全电子数字计算机，1939 年，他和研究生克利福德·贝里（Clifford Berry）使用电子真空管作为开关组件建造了这台机器，称为 ABC（阿塔纳索夫 - 贝里计算机）。ABC 是基于二进制的机器，由一个可进行加减运算的 30 单元算术逻辑单元（ALU）、一个可容纳 30 个 50 位二进制数的旋转鼓存储器和穿孔卡片输入组成。尽管 ABC 存在局限性，但它为后来计算机设计的重大进展奠定了重要基础。 1943 年至 1946 年，约翰·W·莫奇利（John W. Mauchly）和 J·普雷斯珀·埃克特（J. Presper Eckert）在宾夕法尼亚大学设计并建造了 ENIAC（电子数字积分计算机），它被普遍认为是第一台全电子数字计算机。ENIAC 的存储能力非常有限，只能存储 20 个 10 位十进制数，另外 100 个数可以存储在只读存储器中。计算使用十进制算术，每个数字使用 10 个电子真空管二进制开关，只有一个开关处于“开”位置来表示该数字的值。程序不能内部存储，而是通过外部“插板”和拨动开关进行硬连线，更改程序需要花费数小时，调试更是一场噩梦。然而，ENIAC 是一台重要的机器，它直接促成了 1951 年第一台商业可用计算机 UNIVAC I 的开发。 1945 年，约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）提出了一种计算机设计，对 ENIAC 的设计进行了多项重大改进。最重要的是存储程序概念，即使用一个内存来同时保存程序和数据，解决了 ENIAC 更改程序时重新布线控制面板的难题；以及数据的二进制处理，简化了计算机设计，允许使用二进制内存存储指令和数据。冯·诺伊曼的机器包含了现代计算机架构的所有主要特征，现代计算机架构至今仍被称为冯·诺伊曼架构。 由于政治因素，宾夕法尼亚大学的 EDVAC 和普林斯顿大学高级研究所的 IAS 分别设计并建造了两种不同版本的冯·诺伊曼架构计算机，它们于 1951 - 1952 年完成。这些计算机的成功推动了许多衍生计算机的发展，包括第一批 IBM 计算机。 早期的电子计算机都依赖电子真空管运行，但真空管体积大、易碎、寿命短且能耗高，需要庞大的强制空气或水冷系统。晶体管的发明以及随后集成电路的发展，带来了技术突破，使得现代小型、复杂的计算机成为可能。集成电路的发明导致了更小、更快、更强大的计算机的出现，以及一种新的、紧凑、廉价的内存形式——随机存取存储器（RAM）。 在计算机的发展历程中，有两个特定的发展尤为突出：1981 年 IBM 开发的第一台被广泛接受的个人计算机，以及 1972 年英特尔 8008 微处理器的设计，它是 x86 CPU 家族的前身。这些发展的影响至今仍在智能手机和其他移动设备中体现。 以下是早期计算机硬件发展的时间线表格： |时间|事件| | ---- | ---- | |公元前 500 年|古希腊和古罗马人开始使用算盘| |1642 年|布莱士·帕斯卡发明计算器| |1801 年|约瑟夫·玛丽·雅卡尔发明穿孔卡片织布机| |19 世纪初|查尔斯·巴贝奇设想分析机| |1937 年|霍华德·H·艾肯建造马克一号；约翰·V·阿塔纳索夫设计 ABC 计算机|