计算机组成原理-计算机的发展历史
计算机组成原理-计算机基本组成
计算机组成原理-计算机如何执行指令(1)
计算机组成原理-计算机如何执行指令(2)

当计算机未制造时，计算器是最早的计算工具。早期的计算器是纯手动的，如算盘、计算等。算盘通常由滑动珠制成。在西方，算盘在印度阿拉伯数字流行之前已经使用了几个世纪，在现代中国的会计和商业中仍然广泛使用。后来，机械计算器出现了。

算盘，西亚人的发明
与普通人想象的不同，算盘不是中国人的发明。苏美尔文明最早出现在公元前2700年至2300年左右（人类已知的最早文明），刚开始只是一块有横隔的泥板，放上泥丸或石头，按位累积，放满清空，并在下列加1-这是进位制的初始起源。

苏美尔文明是一种比传统四大古代文明更古老甚至更先进的文明。苏美尔文明是指苏美尔地区以苏美尔文献为主要标志的文明。苏美尔位于今伊拉克东南部幼发拉底河和底格里斯河下游。苏美尔文明大致始于公元前4000-5500年，比古埃及早6000-7000年，是考古学最早确认的人类文明。苏美尔文明拥有当今考古学家能够确定的五大最早的城市。其中Eridu(伊拉克考古遗迹)建于公元前5400年，距今7000年。

很难说中国的算盘是否是独立发明的，它与西方算盘非常相似，很可能是丝绸之路东西交流的产物。
中国算盘最早见载于东汉末年的《数术记遗》，是像罗马算盘一样的游珠算盘，到唐代改良为现在的串珠算盘；而现存最早的算盘图像见于北宋张择端的《清明上河图》，卷左赵太丞家药铺柜台上有一个十五档一四算盘，和现代会计算盘几乎一样。

算筹是第一种有进位的10进制记数法。

它第一次出现在什么时候，已经不能检查了，但在春秋战国时期，计算的使用已经非常普遍了。中国的计算
中国著名科学家来源早。 祖冲之(429-500)以算筹为计算工具计算圆周率 3.1415926 到
3.1415927 它成为世界上第一个计算圆周率值的人 7 数字以上的科学家

经过南北朝、宋朝的改进，这种计数系统可以标明小数和正负数，是当时最先进的计数系统之一。
它有多领先？当印度-阿拉伯数字传入古代中国时，它根本不受重视，因为它的功能对中国人来说并不新鲜。

英国数学家纳皮尔在17世纪初发明了西方国家的计算工具"纳皮尔算筹"。
该工具主要用于计算乘除法。在计算过程中，首先将计算代码收集成一个因数，然后根据行号读取每个因数的乘积，最后在纸上添加。本质上，它是一副活字99表。如果添加其他扩展计算代码，也可以用于开放处方。
在接下来的三个多世纪里，它不断改进，是现代早期欧洲最受欢迎的计算工具，曾东传中国，被清代数学家视为计算分支

然而，约翰·纳皮尔的数学贡献不仅仅是一个骨头，他也是对数概念的提出者，这直接导致了另一种使用至今的计算工具——计算尺。
17世纪，大不列颠开始扩大对外殖民，航海、测绘和天文定位都有难以完成的计算需求。法国数学家和天文学家拉普拉斯的数学家和天文学家（Pierre Simon Laplace，1749-1827)曾赞叹：对数，能缩短计算时间，在实效上等于将天文学家的寿命延长了很多倍。
1620年到1630年间，牛津大学和剑桥大学根据纳皮尔对数原理，发明了更方便的滑尺，分为直形和圆形，可以通过对齐尺子上的刻度来查询计算结果——这就是中文对数一词的由来。
在接下来的两个世纪里，工程师和数学家不断为计算尺引入新的刻度，并添加滑动游标，发展成现代多相计算尺。除了加减法，所有的算术操作和三角函数都可以超过计算。他们经常在不同的工程领域开发自己的专业模型。
在20世纪70年代电子科学计算器出现之前，计算尺是工程师身份的象征。

钟表指针的齿轮转动天然地具有进位功能。1642年，法国数学家、物理学家和化学家帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662）借此设计了一台“帕斯卡计算器”（Pascal&# 39;s calculator）。长方形的黄铜盒子上开有一列读数窗，下面对应着一行带辐条和指针的齿轮。操作时先像拨盘电话一样逐位输入一个加数，这将显示在上方的读数窗里；再用同样的方式输入另一个加数，读数窗里就会显示出和了。







帕斯卡计算器虽然在功能上远远不及算筹和算盘，却是一次彻底的革命——算筹和算盘本身不包含任何算法，只能存储计算的中间结果，操作依赖熟记指令的人，本质上只是寄存器。帕斯卡计算器却用内部的齿轮机构预存了算法，操作者完全不需要知道计算方法就能操作。


这才是真正的计算器，而不止是计算用的工具。
尽管占有许多历史第一，但帕斯卡的计算器并没有充分推广，他的设计初衷只是帮助父亲计算税收，造价非常高昂，最后沦为有钱人的机械玩具，前后只卖出约20件。

与帕斯卡类似，德国大数学家、哲学家莱布尼兹（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716）也对机械化的计算工具颇有兴趣，他在1672年到1694年之间发明了一种“步进计算器”（Stepped Reckoner），采用了他独创的“莱布尼兹轮”（Leibniz wheel），可以控制齿轮只转动需要的角度。这产生了相当复杂的运算能力，除了普通的加减法意外，还能将两个8位数字相乘为一个16位数字，或者用一个16位的数字除以一个8位数字。
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保存在德意志博物馆的步进计算器复制品（图片来自维基「Stepped reckoner」词条）


步进计算器是有史以来第一台具有完整的四则运算能力的机械式计算机，「步进（stepped）」这个名字，来自于其乘除法的实现原理。
最开始的时候，莱布尼茨尝试在帕斯卡那台只能做加减运算的算术机上进行改进，但很快发现，现有的结构实在无法实现他心目中的自动化，只好重新设计。

机械计算时代，却仅仅在和加、减、乘、除——简单到不能再简单的基本运算打交道。难道机器只能用来做运算吗？为了解决一个数学问题，人们往往需要将多步运算串联起来，每一次串联不过是将上一步的运算结果直接或经过简单处理后交给下一步而已，而既然运算可以由机器完成，为什么步骤就不可以呢？


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差分机这个名字，源自其所使用的算法，是帕斯卡在1654年提出的差分思想：n次多项式的n次数值差分为同一常数。这句话概括性高，不太好理解，让我们用几个例子来详细说明。
选用经典数字1024，构造一次函数F(x)：


同时定义差分∆F(x)：


在x取0～6时，F(x)及∆F(x)的值如下表所示：

不难发现，对于一次多项式，每个相邻的x所对应的F(x)之差都是一个常数，这个常数正是x的系数。那么二次多项式呢？
构造二次函数F(x)：


同时定义一次差分与二次差分：


在x取0～6时，F(x)及其一次、二次差分的值如下表所示：

对于二次多项式，每个相邻的x所对应的一次差分之差（即二次差分）是一个常数。


一次多项式和二次多项式的规律如此，三次、四次，乃至任意多次的多项式都遵循这样的差分规律——n次多项式的n次差分为常数。


差分规律是一项伟大的发现，有了差分，在计算多项式时就可以用加法代替乘法，我们只需要准备好x=0时F(x)及各次差分的值，后面任意x所对应的F(x)值均可通过加法得出。只要有了第1列F(0)、
和

的值，第2列的F(1)即可通过
得到、
可通过
得到，同理，第3列的F(2)和
也可根据第2列的数据得到，以此类推，任意列的数据都可通过前一列的数据得到。意即，求解F(n)，只需前n列数据的不断迭代。而这整个过程，只涉及加法。


这可了不得！要知道，许多常见的函数在数学上称为解析函数，它们都可以用多项式逼近（幂级数展开），常用的三角函数、对数函数都可以转换为多项式。借助差分思想，这些函数可以进一步转换为重复的加法。而加法运算正是机械计算器的“拿手好戏”，这样一来，绝大部分数学运算就都可以交给机器了。

1822年6月14日，查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）向皇家天文学会递交了一篇名为《论机械在天文及数学用表计算中的应用》的论文，差分机的概念正式问世。


与论文一起亮相的，是一台简单的原型机——差分机0号。英国政府对它很有兴趣，并于次年拨款1700英镑，希望巴贝奇能做出实用产品，彻底解决制表难题。


拿到启动资金的巴贝奇如鱼得水，立即着手差分机1号的研制，并宣称只需两三年就能完成任务。谁知实行起来要比想象中困难得多，那个时代的机械制造水平实在满足不了差分机的精密要求，巴贝奇跑遍整个欧洲也没找到多少能用的零件，于是在制造机器之前，还要先考虑怎么制造各类零件。在当时一位顶尖的英国机械师约瑟夫·克莱门特（Joseph Clement）的帮助下，巴贝奇不但做出了差分机能用的零件，还培养出大批优秀的技师。


也正因如此，他们无意间将一个项目的摊子铺到了一个行业的尺度，尽管实施的过程精雕细琢、尽善尽美，却没能交付一件满足要求的产品。1832年，项目启动10年过去了，巴贝奇却只完成了设计稿的七分之一——一台支持6位数、2次差分的小模型（设计稿为20位数、6次差分）。


差分机1号的七分之一模型（图片来自维基百科）
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巴贝奇作为差分机的鼻祖，反倒没有留下实际可用的机器。1846～1849年，他升级了设计，提出支持31位、7次差分的差分机2号（Difference Engine No.2）方案，但没了政府的资助，只能停留于稿纸。于是，巴贝奇的设计是否真的可行，其人作为“差分机之父”是否名副其实，成为学术界长久以来的一大争论。直到1985～1991年，伦敦科学博物馆为了纪念巴贝奇诞辰200周年，根据其1849年的设计，用纯19世纪的技术成功造出了差分机2号，才彻底巩固了他的历史地位。（博物馆发现，巴贝奇的设计稿中仅存在少量错误，而且基本可以断定它们是巴贝奇刻意设置的防盗措施。）


伦敦科学博物馆的差分机2号（图片来自维基百科）

差分机的建造虽然夭折了，但巴贝奇从未停止过对设计稿的改进。直到有一天，一个惊人的想法从他脑中掠过，如同神祇，如同有史以来所有人类对计算的诉求结晶——差分机固然强大，但终究只能计算多项式而已，何不建造一台可以解决所有计算问题的通用机器呢！


1833年，巴贝奇就着手开始了这种通用机器的设计，并不断改进直至离世。这台被他称作分析机（Analytical Engine）的机器，直接将机械计算的理念从地表推上云天。
组成结构
巴贝奇将分析机划分为5大部分：

1. 由差分机的计数装置改进而来的数据存储器，可存储1000个40位十进制数；
2. 支持四则运算、比较大小和开平方根的算术单元，巴贝奇称之为“工厂”（mill）；
3. 实现逻辑控制的圆柱形“控制筒”，身周固定着许多销钉，随着“控制筒”的旋转，通过销钉推动杠杆实现控制；
4. 3种用于输入的读卡装置，其一输入运算指令，其二输入常量数据，其三输入控制数据（在存储器和算术单元之间）传输的指令，承载这些输入信息的是一种名为穿孔卡片（punched card/punch card）的经典载体，3种读卡装置分别识别3种类型（运算、数据和控制）的穿孔卡片；
5. 4种输出装置，其一为打印装置，其二为曲线绘图仪，其三为响铃，其四为打孔机，用于制造穿孔卡片。

分析机使用的穿孔卡片——上：数据类卡片｜下：运算类卡片（图片来自维基百科）
后人惊讶地发现，这种组成结构竟和现代计算机如出一辙（现代计算机的五大组成部件是由冯·诺依曼在1945年才明确提出的）。


5大部件的协作过程大体是这样的：读卡装置从穿孔卡片上读取数据和运算指令，数据进入存储器，随后被传送至“工厂”进行处理，处理结果进入存储器并通过输出装置呈现给用户。在控制类穿孔卡片的指引下，“控制筒”可以实现顺序、循环、条件等多种控制逻辑，读取数据的读卡装置则不但可以按照正常顺序读卡，还可以反序读卡，乃至跳过部分卡片。


巴贝奇首次将运行步骤从机器身上剥离，靠随时可以替换的穿孔卡片来指挥机器，成就了机器的可编程性。这其中，穿孔卡片的引入功不可没。这种经典的数据载体跨越了机械、机电和电子3个时代，一直沿用至20世纪80年代中期。
仿佛是老天爷一个玩笑式的魔咒，分析机的研制不幸步了差分机的后尘，巴贝奇付出了几十年的努力，却仍只建成了它的一小部分。

巴贝奇抱憾而终，留给后世的仅仅只有小小的模型和两千多张图纸。

1840年，巴贝奇应邀来到意大利都灵大学分享分析机的设计，当时一位年轻的工程师、后来的意大利首相路易吉·费德里科·梅纳布雷亚（Luigi Federico Menabrea）用法语记下了详细的笔记并于1842年整理出版。1843年，著名诗人乔治·戈登·拜伦（George Gordon Byron）的女儿艾达·洛芙莱斯（Ada Lovelace）将这份笔记译成英文，并在巴贝奇的提议下扩充了许多自己的理解。此时的艾达其实已经对分析机痴迷了8年，结果她留下的注解篇幅足有译文本身的2倍！其中一处在分析机上计算伯努利数的描述被后人视为史上第一个计算机程序，这篇名为《关于巴贝奇先生发明的分析机简讯》的译文被视为程序设计方面的第一篇著作，艾达其人则被视为第一位程序员，尽管当时连编程语言都没有，连实物机器都没有。


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纵观整个机械时期，巴贝奇的思想远远超出了其他几位先驱者，他如同一个从20世纪穿越回去的先知，把一百年后的思想“剧透”给了世人。唯一缺憾的，是不论差分机还是分析机，巴贝奇都终究没能实现。人类的技术发展错过了一次“跳级”的机会，巴贝奇在计算机领域的成就逐渐没入历史的浓雾，等待百年之后再被另一批天才重新发明。


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穿孔卡是早期计算机输入信息的设备，通常可以储存80列数据。它是一种很薄的纸片，面积为190×84毫米。首次使用穿孔卡技术的数据处理机器，是美国统计专家霍列瑞斯博士（H.Hollerith）的伟大发明。Hollerith机(Hollerith Machine)，是美国人口普查催生的计算器。1880年以前，美国的人口普查都是人工做的。1880的普查完成之后，美国人意识到按照当时的人口增长速度，下一次1890年的普查十年也不可能完成统计，而美国的法律规定必须在十年内完成。于是招标寻找解决办法。Herman Hollerith设计了这种在纸板上打孔(punched card)的技术，帮助解决了统计局的难题。但是他本人并没有赚到钱。1896年他成立了一个公司(TabulatingMachine Company)，向其它国家卖他的产品。后来在他老了以后，他把公司卖给了手下的一个主管。最后成了成立IBM的三家公司之一。
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制表机
他发明的机器叫制表机（tabulator/tabulating machine），顾名思义，就是专门用来制作数据统计表的机器。制表机主要由示数装置、穿孔机、读卡装置和分类箱组成。


示数装置包含4行、10列共40个示数表盘，每个盘面被均匀地分成100格，并装有两根指针，和钟表十分相像，“分针”转一圈可计100，“时针”转一圈则计10000。可见，整个示数装置可以表达很庞大的数据。


制表机（原图来自维基百科）
制表机的工作是围绕穿孔卡片展开的：操作员先使用穿孔机制作穿孔卡片，再使用读卡装置识别卡片上的信息，机器自动完成统计并在示数表盘上实时显示结果，最后，将卡片投入分类箱的某一格中，进行分类存放，以供下次统计使用。
穿孔卡片的应用
此前的某一天，霍尔瑞斯正在火车站排队检票，目光不经意落到检票员手中咔咔直响的打孔机上。他发现，检票员会特意根据乘客的性别和年龄段，在车票的不同地方打孔。越来越多的人过检，他进一步确认了这个规律。一个灵感朝他袭来：如果有一张更大的卡，上面有更多的位置可以打孔，就可以用来表示更多的身份信息，包括国籍、人种、性别、生日等等。


这就是用在1890年人口普查中的穿孔卡片，一张卡片记录一个居民的信息。卡片设计长约18.73cm，宽约8.26cm，正好是当时一张美元纸币的尺寸，因为霍尔瑞斯直接用财政部装钱的盒子来装卡片。


霍尔瑞斯的穿孔卡片（图片来自维基百科）
卡片设有300多个孔位，与雅卡尔和巴贝奇的做法一样，靠每个孔位打孔与否来表示信息。尽管这种形式颇有几分二进制的意味，但当时的设计还远不够成熟，并没有用到二进制真正的价值。举个例子，我们现在一般用1位数据就可以表示性别，比如1表示男性，0表示女性，而霍尔瑞斯在卡片上用了两个孔位，表示男性就其中一处打孔，表示女性就在另一处打孔。其实性别还凑合，表示日期时浪费得就多了，12个月需要12个孔位，而常规的二进制编码只需要4位。当然，这样的局限也与制表机中简单的电路实现有关。


是霍尔瑞斯将穿孔卡片作为数据存储介质推广了开来，并开启了一个崭新的数据处理纪元。后来人们也把这类卡片称为霍尔瑞斯卡片，穿孔卡片和穿孔纸带作为输入输出载体，统治了计算领域整整一个世纪。

艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing），1912-1954，英国数学家、计算机学家、逻辑学家、密码学家、哲学家、理论生物学家。（图片来自维基百科）
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在20世纪40年代，由于当时进行的二战急需高速准确的计算工具，来解决弹道计算问题，在美国陆军部的主持下，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫克利、艾克特等人于1945年年底设计制造了世界上第一台电子计算机ENIAC，并为美国军方使用。

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ENIAC（中文名：埃尼阿克）计算器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28t（吨），功耗为170kW，其运算速度为每秒5000次的加法运算，造价约为487000美元。ENIAC的问世具有划时代的意义，表明电子计算机时代的到来。

电子管

二战期间，冯·诺依曼加入曼哈顿计划，此时的他已经拥有极高的学术地位。原子弹的研制涉及大量运算，洛斯·阿拉莫斯国家实验室在体验过机电计算机Harvard Mark I之后，对ENIAC寄予了更高的期望。1944年的夏天，冯·诺依曼作为顾问加入ENIAC项目，提出了许多建设性意见，并深度参与到EDVAC的讨论中。


这期间，冯·诺依曼在EDVAC上投入了许多思考，他愈发觉得，EDVAC不单是一个平凡的计算机项目，它潜藏着更深的理论意义。他想起图灵的论文，通用图灵机能够根据纸带上的策略信息模拟任意图灵机的行为，纸带是它是存储器[1]，策略信息就是程序，这正是存储程序最早的思想萌芽。而他们现在所尝试的，正是用电子管将它变成现实！1945年6月，在一趟返回洛斯·阿拉莫斯国家实验室的列车上，完整的EDVAC已在冯·诺依曼脑中清晰可见，他奋笔疾书，写出了那篇长达101页，影响计算机历史走向的《EDVAC报告书的第一份草案》。


草案不仅详述了EDVAC的设计，还为现代计算机的发展指明了道路：

1. 机器内部使用二进制表示数据；
2. 像存储数据一样存储程序；
3. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入模块和输出模块5部分组成。

1964年，IBM公司成功地研制出大型集成电路通用计算机IBM360，拉开了第三代集成电路计算机的序幕，IBM360计算机推出的系列化、通用性和标准化极大地影响了世界各国计算机工业的发展，成为计算机产业发展史上的一个重要里程碑。

集成电路

大规模、超大规模的半导体集成电路的发展，使电子计算机在速度上不断地提高，体积不断地缩小、价格逐年地下降。随着电子计算机硬件技术进一步成熟，速度越来越快、通用性越来越好的计算机在各个行业被广泛应用。

对于数百万电游玩家而言，个人电脑现在首先是将他们与虚幻世界相联系的一个平台。这个世界充斥着来自世界各地的对手和盟友。

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移动计算是随着移动通信、互联网、数据库、分布式计算等技术的发展而兴起的新技术。移动计算技术将使计算机或其它信息智能终端设备在无线环境下实现数据传输及资源共享。它的作用是将有用、准确、及时的信息提供给任何时间、任何地点的任何客户。这将极大地改变人们的生活方式和工作方式。
在这个技术下诞生了我们现在生活中不可缺少的移动手机。

（2007年第一代iPhone面市）
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云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源，是继1980年代大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。

分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）、热备份冗余（High Available）等传统计算机和网络技术发展相互融合产生了云计算。

2006年8月9日，Google首席执行官埃里克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会（SES San Jose 2006）首次提出“云计算”的概念，而Google“云端计算”源于Google工程师克里斯托弗·比希利亚所做的“Google 101”项目。