計算工具的發(fā)展簡史計算工具的發(fā)展簡史現(xiàn)在我們所說的計算機，其全稱是通用電子數(shù)字計算機，“通用”是指計算機可服務(wù)于多種用途，“電子”是指計算機是一種電子設(shè)備，“數(shù)字”是指在計算機內(nèi)部一切信息均用0和1的編碼來表示。計算機的出現(xiàn)是20世紀最卓越的成就之一，計算機的廣泛應(yīng)用極大地促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。自古以來，人類就在不斷地發(fā)明和改進計算工具，從古老的“結(jié)繩記事”，到算盤、計算尺、差分機，直到1946年第一臺電子計算機誕生，計算工具經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低級到高級、從手動到自動的發(fā)展過程，而且還在不斷發(fā)展?；仡櫽嬎愎ぞ叩陌l(fā)展歷史，從中可以得到許多有益的啟示。1.手動式計算工具人類最初用手指進行計算。人有兩只手，十個手指頭，所以，自然而然地習慣用手指記數(shù)并采用十進制記數(shù)法。用手指進行計算雖然很方便，但計算范圍有限，計算結(jié)果也無法存儲。于是人們用繩子、石子等作為工具來延長手指的計來實現(xiàn)加減運算、用連桿實現(xiàn)進位的計算裝置。帕斯卡從加法器的成功中得出結(jié)論：人的某些思維過程與機械過程沒有差別，因此可以設(shè)想用機械來模擬人的思維活動。

德國數(shù)學家萊布尼茨（G.W.Leibnitz）發(fā)現(xiàn)了帕斯卡一篇關(guān)于“帕斯卡加法器”的論文，激發(fā)了他強烈的發(fā)明欲望，決心把這種機器的功能擴大為乘除運算。1673年，萊布尼茨研制了一臺能進行四則運算的機械式計算器，稱為萊布尼茲四則運算器，如圖7所示。這臺機器在進行乘法運算時采用進位-加（shift-add）的方法，后來演化為二進制，被現(xiàn)代計算機采用。

圖6

帕斯卡加法器

圖7

萊布尼茨四則運算器萊布尼茨四則運算器在計算工具的發(fā)展史上是一個小高潮，此后的一百多年中，雖有不少類似的計算工具出現(xiàn)，但除了在靈活性上有所改進外，都沒有突破手動機械的框架，使用齒輪、連桿組裝起來的計算設(shè)備限制了它的功能、速度以及可靠性。1804年，法國機械師約瑟夫·雅各（JosephJacquard）發(fā)明了可編程織布機，通過讀取穿孔卡片上的編碼信息來自動控制織布機的編織圖案，引起法國紡織工業(yè)革命。雅各織布機雖然不是計算工具，但是它第一次使用了穿孔卡片這種輸入方式。如果找不到輸入信息和控制操作的機械方法，那么真正意義上的機械式計算工具是不可能出現(xiàn)的。直到20世紀70年代，穿孔卡片這種輸入方式還在普遍使用。19世紀初，英國數(shù)學家查爾斯·巴貝奇（CharlesBabbage）取得了突破性進展。巴貝奇在劍橋大學求學期間，正是英國工業(yè)革命興起之時，為了解決航海、工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中的復(fù)雜計算，許多數(shù)學表（如對數(shù)表、函數(shù)表）應(yīng)運而生。這些數(shù)學表雖然帶來了一定的方便，但由于采用人工計算，其中的錯誤很多。巴貝奇決心研制新的計算工具，用機器取代人工來計算這些實用價值很高的數(shù)學表。

1822年，巴貝奇開始研制差分機，專門用于航海和天文計算，在英國政府的支持下，差分機歷時10年研制成功，這是最早采用寄存器來存儲數(shù)據(jù)的計算工具，體現(xiàn)了早期程序設(shè)計思想的萌芽，使計算工具從手動機械躍入自動機械的新時代。

1832年，巴貝奇開始進行分析機的研究。在分析機的設(shè)計中，巴貝奇采用了三個具有現(xiàn)代意義的裝置：⑴存儲裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數(shù)據(jù)，既能存儲運算數(shù)據(jù)，又能存儲運算結(jié)果；⑵運算裝置：從寄存器取出數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除運算，并且乘法是以累次加法來實現(xiàn)，還能根據(jù)運算結(jié)果的狀態(tài)改變計算的進程，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是條件轉(zhuǎn)移；⑶控制裝置：使用指令自動控制操作順序、選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果。

巴貝奇的分析機是可編程計算機的設(shè)計藍圖，實際上，我們今天使用的每一臺計算機都遵循著巴貝奇的基本設(shè)計方案。但是巴貝奇先進的設(shè)計思想超越了當時的客觀現(xiàn)實，由于當時的機械加工技術(shù)還達不到所要求的精度，使得這部以齒輪為元件、以蒸汽為動力的分析機一直到巴貝奇去世也沒有完成。

圖8

巴貝奇差分機3.機電式計算機1886年，美國統(tǒng)計學家赫爾曼·霍勒瑞斯（HermanHollerith）借鑒了雅各織布機的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲數(shù)據(jù)，采用機電技術(shù)取代了純機械裝置，制造了第一臺可以自動進行加減四則運算、累計存檔、制作報表的制表機，這臺制表機參與了美國1890年的人口普查工作，使預(yù)計10年的統(tǒng)計工作僅用1年零7個月就完成了，是人類歷史上第一次利用計算機進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理?；衾杖鹚褂?896年創(chuàng)建了制表機公司TMC公司，1911年，TMC與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年，CTR公司改名為國際商業(yè)機器公司（InternationalBusinessMachinesCorporation），這就是赫赫有名的IBM公司。

1938年，德國工程師朱斯（K.Zuse）研制出Z-1計算機，這是第一臺采用二進制的計算機。在接下來的四年中，朱斯先后研制出采用繼電器的計算機Z-2、Z-3、Z-4。Z-3是世界上第一臺真正的通用程序控制計算機，不僅全部采用繼電器，同時采用了浮點記數(shù)法、二進制運算、帶存儲地址的指令形式等。這些設(shè)計思想雖然在朱斯之前已經(jīng)提出過，但朱斯第一次將這些設(shè)計思想具體實現(xiàn)。在一次空襲中，朱斯的住宅和包括Z-3在內(nèi)的計算機統(tǒng)統(tǒng)被炸毀。德國戰(zhàn)敗后，朱斯流亡到瑞士一個偏僻的鄉(xiāng)村，轉(zhuǎn)向計算機軟件理論的研究。

圖9制表機用于美國人口普查

圖10

Z系列計算機1936年，美國哈佛大學應(yīng)用數(shù)學教授霍華德·艾肯（HowardAiken）在讀過巴貝奇和愛達的筆記后，發(fā)現(xiàn)了巴貝奇的設(shè)計，并被巴貝奇的遠見卓識所震驚。艾肯提出用機電的方法，而不是純機械的方法來實現(xiàn)巴貝奇的分析機。在IBM公司的資助下，1944年研制成功了機電式計算機Mark-I。Mark-I長15.5米，高2.4米，由75萬個零部件組成，使用了大量的繼電器作為開關(guān)元件，存儲容量為72個23位十進制數(shù)，采用了穿孔紙帶進行程序控制。它的計算速度很慢，執(zhí)行一次加法操作需要0.3秒，并且噪聲很大。盡管它的可靠性不高，仍然在哈佛大學使用了15年。Mark-I只是部分使用了繼電器，1947年研制成功的計算機Mark-Ⅱ全部使用繼電器。

圖11

Mark-I

艾肯等人制造的機電式計算機，其典型部件是普通的繼電器，繼電器的開關(guān)速度是1/100秒，使得機電式計算機的運算速度受到限制。20世紀30年代已經(jīng)具備了制造電子計算機的技術(shù)能力，機電式計算機從一開始就注定要很快被電子計算機替代。事實上，電子計算機和機電式計算機的研制幾乎是同時開始的。4.電子計算機1939年，美國依阿華州大學數(shù)學物理學教授約翰·阿塔納索夫（JohnAtanasoff）和他的研究生貝利（CliffordBerry）一起研制了一臺稱為ABC（Atanasoff

BerryComputer）的電子計算機。由于經(jīng)費的限制，他們只研制了一個能夠求解包含30個未知數(shù)的線性代數(shù)方程組的樣機。在阿塔納索夫的設(shè)計方案中，第一次提出采用電子技術(shù)來提高計算機的運算速度。

第二次世界大戰(zhàn)中，美國賓夕法尼亞大學物理學教授約翰"莫克利（JohnMauchly）和他的研究生普雷斯帕"?？颂兀≒resperEckert）受軍械部的委托，為計算彈道和射擊表啟動了研制ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）的計劃，1946年2月15日，這臺標志人類計算工具歷史性變革的巨型機器宣告竣工。ENIAC是一個龐然大物，共使用了18000多個電子管、1500多個繼電器、10000多個電容和7000多個電阻，占地167平方公尺，重達30噸。ENIAC的最大特點就是采用電子器件代替機械齒輪或電動機械來執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和存儲信息，因此，同以往的計算機相比，ENIAC最突出的優(yōu)點就是高速度。ENIAC每秒能完成5000次加法，300多次乘法，比當時最快的計算工具快1000多倍。ENIAC是世界上第一臺能真正運轉(zhuǎn)的大型電子計算機，ENIAC的出現(xiàn)標志著電子計算機（以下稱計算機）時代的到來。

雖然ENIAC顯示了電子元件在進行初等運算速度上的優(yōu)越性，但沒有最大限度地實現(xiàn)電子技術(shù)所提供的巨大潛力。ENIAC的主要缺點是：第一，存儲容量小，至多存儲20個10位的十進制數(shù)；第二，程序是“外插型”的，為了進行幾分鐘的計算，接通各種開關(guān)和線路的準備工作就要用幾個小時。新生的電子計算機需要人們用千百年來制造計算工具的經(jīng)驗和智慧賦予更合理的結(jié)構(gòu)，從而獲得更強的生命力。

1945年6月，普林斯頓大學數(shù)學教授馮"諾依曼（VonNeumann）發(fā)表了EDVAC（ElectronicDiscreteVariableComputer，離散變量自動電子計算機）方案，確立了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)，提出計算機應(yīng)具有五個基本組成成分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，描述了這五大部分的功能和相互關(guān)系，并提出“采用二進制”和“存儲程序”這兩個重要的基本思想。迄今為止，大部分計算機仍基本上遵循馮"諾依曼結(jié)構(gòu)。

需要強調(diào)的是，EDVAC方案是集體智慧的結(jié)晶，馮"諾依曼的偉大功績在于他運用雄厚的數(shù)理知識和非凡的分析、綜合能力，在EDVAC的總體配置和邏輯設(shè)計中起到了關(guān)鍵的作用?？梢哉f，現(xiàn)代計算機的發(fā)明決不是僅憑杰出科學家的個人努力就能完成的事業(yè)，研制電子計算機不僅需要巨大的資金，而且需要數(shù)學家、邏輯學家、電子工程師以及組織管理人員的密切合作，需要團隊的共同努力。

圖12

ENIAC計算機

二、計算機發(fā)展簡史

計算機系統(tǒng)由計算機硬件和計算機軟件構(gòu)成，計算機硬件是指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的所有物理器件（集成電路、電路板以及其他磁性元件和電子元件等）、部件和設(shè)備（控制器、運算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等）的集合，計算機軟件是指用程序設(shè)計語言編寫的程序，以及運行程序所需的文檔、數(shù)據(jù)的集合。自計算機誕生之日起，人們探索的重點不僅在于建造運算速度更快、處理能力更強的計算機，而且在于開發(fā)能讓人們更有效地使用這種計算設(shè)備的各種軟件。1.計算機硬件的發(fā)展簡史計算機硬件的發(fā)展以用于構(gòu)建計算機硬件的元器件的發(fā)展為主要特征，而元器件的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，每當電子技術(shù)有突破性的進展，就會導(dǎo)致計算機硬件的一次重大變革。因此，計算機硬件發(fā)展史中的“代”通常以其所使用的主要器件，即電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路來劃分。第一代計算機（1946－1958）第一代計算機以1946年ENIAC的研制成功為標志。這個時期的計算機都是建立在電子管基礎(chǔ)上，笨重而且產(chǎn)生很多熱量，容易損壞；存儲設(shè)備比較落后，最初使用延遲線和靜電存儲器，容量很小，后來采用磁鼓（磁鼓在讀/寫臂下旋轉(zhuǎn)，當被訪問的存儲器單元旋轉(zhuǎn)到讀/寫臂下時，數(shù)據(jù)被寫入這個單元或從這個單元中讀出），有了很大改進；輸入設(shè)備是讀卡機，可以讀取穿孔卡片上的孔，輸出設(shè)備是穿孔卡片機和行式打印機，速度很慢。在這個時代將要結(jié)束時，出現(xiàn)了磁帶驅(qū)動器（磁帶是順序存儲設(shè)備，也就是說，必須按線性順序訪問磁帶上的數(shù)據(jù)），它比讀卡機快得多。1949年5月，英國劍橋大學莫里斯·威爾克斯（MauriceWilkes）教授研制了世界上第一臺存儲程序式計算機EDSAC（ElectronicDelayStorageAutomaticComputer），它使用機器語言編程，可以存儲程序和數(shù)據(jù)并自動處理數(shù)據(jù)，存儲和處理信息的方法開始發(fā)生革命性變化。1951年問世的UNIVAC因準確預(yù)測了1952年美國大選艾森豪威爾的獲勝，得到社會各階層的認識和歡迎。1953年，IBM公司生產(chǎn)了第一臺商業(yè)化的計算機IBM701，使計算機向商業(yè)化邁進。這個時期的計算機非常昂貴，而且不易操作，只有一些大的機構(gòu)，如政府和一些主要的銀行才買得起，這還不算容納這些計算機所需要的可控制溫度的機房和能夠進行計算機編程的技術(shù)人員。第二代計算機（1959－1964）第二代計算機以1959年美國菲爾克公司研制成功的第一臺大型通用晶體管計算機為標志。這個時期的計算機用晶體管取代了電子管，晶體管具有體積小、重量輕、發(fā)熱少、耗電省、速度快、價格低、壽命長等一系列優(yōu)點，使計算機的結(jié)構(gòu)與性能都發(fā)生了很大改變。20世紀50年代末，內(nèi)存儲器技術(shù)的重大革新是麻省理工學院研制的磁芯存儲器，這是一種微小的環(huán)形設(shè)備，每個磁芯可以存儲一位信息，若干個磁芯排成一列，構(gòu)成存儲單元。磁芯存儲器穩(wěn)定而且可靠，成為這個時期存儲器的工業(yè)標準。這個時期的輔助存儲設(shè)備出現(xiàn)了磁盤，磁盤上的數(shù)據(jù)都有位置標識符——稱為地址，磁盤的讀/寫頭可以直接被送到磁盤上的特定位置，因而比磁帶的存取速度快得多。20世紀60年代初，出現(xiàn)了通道和中斷裝置，解決了主機和外設(shè)并行工作的問題。通道和中斷的出現(xiàn)在硬件的發(fā)展史上是一個飛躍，使得處理器可以從繁忙的控制輸入/輸出的工作中解脫出來。這個時期的計算機廣泛應(yīng)用在科學研究、商業(yè)和工程應(yīng)用等領(lǐng)域，典型的計算機有IBM公司生產(chǎn)的IBM7094和CDC（ControlDataCorporation，控制數(shù)據(jù)公司）生產(chǎn)的CDC1640等。但是，第二代計算機的輸入輸出設(shè)備很慢，無法與主機的計算速度相匹配。這個問題在第三代計算機中得到了解決。

第三代計算機（1965－1970）第三代計算機以IBM公司研制成功的360系列計算機為標志。在第二代計算機中，晶體管和其他元件都是手工集成在印刷電路板上，第三代計算機的特征是集成電路。所謂集成電路是將大量的晶體管和電子線路組合在一塊硅片上，故又稱其為芯片。制造芯片的原材料相當便宜，硅是地殼里含量第二的常見元素，是海灘沙石的主要成分，因此采用硅材料的計算機芯片可以廉價地批量生產(chǎn)。這個時期的內(nèi)存儲器用半導(dǎo)體存儲器淘汰了磁芯存儲器，使存儲容量和存取速度有了大幅度的提高；輸入設(shè)備出現(xiàn)了鍵盤，使用戶可以直接訪問計算機；輸出設(shè)備出現(xiàn)了顯示器，可以向用戶提供立即響應(yīng)。為了滿足中小企業(yè)與政府機構(gòu)日益增多的計算機應(yīng)用，第三代計算機出現(xiàn)了小型計算機。1965年，DEC（DigitalEquipmentCorporation，數(shù)字設(shè)備公司）推出了第一臺商業(yè)化的以集成電路為主要器件的小型計算機PDP－8。第四代計算機（1971－至今）第四代計算機以Intel公司研制的第一代微處理器Intel4004為標志，這個時期的計算機最為顯著的特征是使用了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。所謂微處理器是將CPU集成在一塊芯片上，微處理器的發(fā)明使計算機在外觀、處理能力、價格以及實用性等方面發(fā)生了深刻的變化。第四代計算機要算微型計算機最為引人注目了，微型計算機的誕生是超大規(guī)模集成電路應(yīng)用的直接結(jié)果。微型計算機的“微”主要體現(xiàn)在它的體積小、重量輕、功耗低、價格便宜。1977年蘋果計算機公司成立，先后成功開發(fā)了APPLE-I型和APPLE-II型微型計算機。1980年IBM公司與微軟公司合作，為微型計算機IBMPC配置了專門的操作系統(tǒng)。從1981年開始，IBM連續(xù)推出IBMPC、PC/XT、PC/AT等機型。時至今日，奔騰系列微處理器應(yīng)運而生，使得現(xiàn)在的微型計算機體積越來越小、性能越來越強、可靠性越來越高、價格越來越低。微處理器和微型計算機的出現(xiàn)不僅深刻地影響著計算機技術(shù)本身的發(fā)展，同時也使計算機技術(shù)滲透到了社會生活的各個方面，極大地推動了計算機的普及。盡管微型計算機對人類社會的影響深遠，但是微型計算機并沒有完全取代大型計算機，大型計算機也在發(fā)展。利用大規(guī)模集成電路制造出的多種邏輯芯片，組裝出大型計算機、巨型計算機，使運算速度更快、存儲容量更大、處理能力更強，這些企業(yè)級的計算機一般要放到可控制溫度的機房里，因此很難被普通公眾看到。20世紀80年代，多用戶大型機的概念被小型機器連接成的網(wǎng)絡(luò)所代替，這些小型機器通過連網(wǎng)共享打印機、軟件和數(shù)據(jù)等資源。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使計算機應(yīng)用從單機走向網(wǎng)絡(luò)，并逐漸從獨立網(wǎng)絡(luò)走向互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。20世界80年代末，出現(xiàn)了新的計算機體系結(jié)構(gòu)——并行體系結(jié)構(gòu)，一種典型的并行結(jié)構(gòu)是所有處理器共享同一個內(nèi)存。雖然把多個處理器組織在一臺計算機中存在巨大的潛能，但是為這種并行計算機進行程序設(shè)計的難度也相當高。由于計算機仍然在使用電路板，仍然在使用微處理器，仍然沒有突破馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，所以我們不能為這一代計算機劃上休止符。但是，生物計算機、量子計算機等新型計算機已經(jīng)出現(xiàn)，我們拭目以待第五代計算機的到來。2.計算機軟件的發(fā)展簡史計算機軟件技術(shù)發(fā)展很快。50年前，計算機只能被高素質(zhì)的專家使用，今天，計算機的使用非常普遍，甚至沒有上學的小孩都可以靈活操作；40年前，文件不能方便地在兩臺計算機之間進行交換，甚至在同一臺計算機的兩個不同的應(yīng)用程序之間進行交換也很困難，今天，網(wǎng)絡(luò)在兩個平臺和應(yīng)用程序之間提供了無損的文件傳輸；30年前，多個應(yīng)用程序不能方便地共享相同的數(shù)據(jù)，今天，數(shù)據(jù)庫技術(shù)使得多個用戶、多個應(yīng)用程序可以互相覆蓋地共享數(shù)據(jù)。了解計算機軟件的進化過程，對理解計算機軟件在計算機系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。第一代軟件（1946－1953）第一代軟件是用機器語言編寫的，機器語言是內(nèi)置在計算機電路中的指令，由0和1組成。例如計算2+6在某種計算機上的機器語言指令如下：101100000000011000000100000000101010001001010000第一條指令表示將“6”送到寄存器AL中，第二條指令表示將“2”與寄存器AL中的內(nèi)容相加，結(jié)果仍在寄存器AL中，第三條指令表示將AL中的內(nèi)容送到地址為5的單元中。不同的計算機使用不同的機器語言，程序員必須記住每條及其語言指令的二進制數(shù)字組合，因此，只有少數(shù)專業(yè)人員能夠為計算機編寫程序，這就大大限制了計算機的推廣和使用。用機器語言進行程序設(shè)計不僅枯燥費時，而且容易出錯。想一想如何在一頁全是0和1的紙上找一個打錯的字符！在這個時代的末期出現(xiàn)了匯編語言，它使用助記符（一種輔助記憶方法，采用字母的縮寫來表示指令）表示每條機器語言指令，例如ADD表示加，SUB表示減，MOV表示移動數(shù)據(jù)。相對于機器語言，用匯編語言編寫程序就容易多了。例如計算2+6的匯編語言指令如下：MOVAL，6ADDAL，2MOV#5，AL由于程序最終在計算機上執(zhí)行時采用的都是機器語言，所以需要用一種稱為匯編器的翻譯程序，把用匯編語言編寫的程序翻譯成機器代碼。編寫匯編器的程序員簡化了他人的程序設(shè)計，是最初的系統(tǒng)程序員。第二代軟件（1954－1964）當硬件變得更強大時，就需要更強大的軟件工具使計算機得到更有效地使用。匯編語言向正確的方向前進了一大步，但是程序員還是必須記住很多匯編指令。第二代軟件開始使用高級程序設(shè)計語言（簡稱高級語言，相應(yīng)地，機器語言和匯編語言稱為低級語言）編寫，高級語言的指令形式類似于自然語言和數(shù)學語言（例如計算2+6的高級語言指令就是2+6），不僅容易學習，方便編程，也提高了程序的可讀性。IBM公司從1954年開始研制高級語言，同年發(fā)明了第一個用于科學與工程計算的FORTRAN語言。1958年，麻省理工學院的麥卡錫（JohnMacarthy）發(fā)明了第一個用于人工智能的LISP語言。1959年，賓州大學的霍普（GraceHopper）發(fā)明了第一個用于商業(yè)應(yīng)用程序設(shè)計的COBOL語言。1964年達特茅斯學院的凱梅尼（JohnKemeny）和卡茨（ThomasKurtz）發(fā)明了BASIC語言。高級語言的出現(xiàn)產(chǎn)生了在多臺計算機上運行同一個程序的模式，每種高級語言都有配套的翻譯程序（稱為編譯器），編譯器可以把高級語言編寫的語句翻譯成等價的機器指令。系統(tǒng)程序員的角色變得更加明顯，系統(tǒng)程序員編寫諸如編譯器這樣的輔助工具，使用這些工具編寫應(yīng)用程序的人，稱為應(yīng)用程序員。隨著包圍硬件的軟件變得越來越復(fù)雜，應(yīng)用程序員離計算機硬件越來越遠了。那些僅僅使用高級語言編程的人不需要懂得機器語言和匯編語言，這就降低了對應(yīng)用程序員在硬件及機器指令方面的要求。因此，這個時期有更多的計算機應(yīng)用領(lǐng)域的人員參與程序設(shè)計。由于高級語言程序需要轉(zhuǎn)換為機器語言程序來執(zhí)行，因此，高級語言對軟硬件資源的消耗就更多，運行效率也較低。由于匯編語言和機器語言可以利用計算機的所有硬件特性并直接控制硬件，同時，匯編語言和機器語言的運行效率較高，因此，在實時控制、實時檢測等領(lǐng)域的許多應(yīng)用程序仍然使用匯編語言和機器語言來編寫。在第一代和第二代軟件時期，計算機軟件實際上就是規(guī)模較小的程序，程序的編寫者和使用者往往是同一個（或同一組）人。由于程序規(guī)模小，程序編寫起來比較容易，也沒有什么系統(tǒng)化的方法，對軟件的開發(fā)過程更沒有進行任何管理。這種個體化的軟件開發(fā)環(huán)境使得軟件設(shè)計往往只是在人們頭腦中隱含進行的一個模糊過程，除了程序清單之外，沒有其他文檔資料。第三代軟件（1965－1970）在這個時期，由于用集成電路取代了晶體管，處理器的運算速度得到了大幅度的提高，處理器在等待運算器準備下一個作業(yè)時，無所事事。因此需要編寫一種程序，使所有計算機資源處于計算機的控制中，這種程序就是操作系統(tǒng)。用作輸入/輸出設(shè)備的計算機終端的出現(xiàn)，使用戶能夠直接訪問計算機，而不斷發(fā)展的系統(tǒng)軟件則使計算機運轉(zhuǎn)得更快。但是，從鍵盤和屏幕輸入輸出數(shù)據(jù)是個很慢的過程，比在內(nèi)存中執(zhí)行指令慢得多，這就導(dǎo)致了如何利用機器越來越強大的能力和速度的問題。解決方法就是分時，即許多用戶用各自的終端同時與一臺計算機進行通信?？刂七@一進程的是分時操作系統(tǒng)，它負責組織和安排各個作業(yè)。1967年，塞繆爾（A.L.Samuel）發(fā)明了第一個下棋程序，開始了人工智能的研究。1968年荷蘭計算機科學家狄杰斯特拉（EdsgarW.Dijkstra）發(fā)表了論文《GOTO語句的害處》，指出調(diào)試和修改程序的困難與程序中包含GOTO語句的數(shù)量成正比，從此，各種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計理念逐漸確立起來。20世紀60年代以來，計算機用于管理的數(shù)據(jù)規(guī)模更為龐大，應(yīng)用越來越廣泛，同時，多種應(yīng)用、多種語言互相覆蓋地共享數(shù)據(jù)集合的要求越來越強烈。為解決多用戶、多應(yīng)用共享數(shù)據(jù)的需求，使數(shù)據(jù)為盡可能多的應(yīng)用程序服務(wù)，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以及統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)——數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS。隨著計算機應(yīng)用的日益普及，軟件數(shù)量急劇膨脹，在計算機軟件的開發(fā)和維護過程中出現(xiàn)了一系列嚴重問題，例如：在程序運行時發(fā)現(xiàn)的問題必須設(shè)法改正；用戶有了新的需求必須相應(yīng)地修改程序；硬件或操作系統(tǒng)更新時，通常需要修改程序以適應(yīng)新的環(huán)境。上述種種軟件維護工作，以令人吃驚的比例消耗資源，更嚴重的是，許多程序的個體化特性使得他們最終成為不可維護的，“軟件危機”就這樣開始出現(xiàn)了。1968年，北大西洋公約組織的計算機科學家在聯(lián)邦德國召開國際會議，討論軟件危機問題，在這次會議上正式提出并使用了“軟件工程”這個名詞。第四代軟件（1971－1989）20世紀70年代出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)，Pascal語言和Modula-2語言都是采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計規(guī)則制定的，Basic這種為第三代計算機設(shè)計的語言也被升級為具有結(jié)構(gòu)化的版本，此外，還出現(xiàn)了靈活且功能強大的C語言。更好用、更強大的操作系統(tǒng)被開發(fā)了出來。為IBMPC開發(fā)的PC-DOS和為兼容機開發(fā)的MS-DOS都成了微型計算機的標準操作系統(tǒng)，Macintosh機的操作系統(tǒng)引入了鼠標的概念和點擊式的圖形界面，徹底改變了人機交互的方式。20世紀80年代，隨著微電子和數(shù)字化聲像技術(shù)的發(fā)展，在計算機應(yīng)用程序中開始使用圖像、聲音等多媒體信息，出現(xiàn)了多媒體計算機。多媒體技術(shù)的發(fā)展使計算機的應(yīng)用進入了一個新階段。這個時期出現(xiàn)了多用途的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序面向沒有任何計算機經(jīng)驗的用戶。典型的應(yīng)用程序是電子制表軟件、文字處理軟件和數(shù)據(jù)庫管理軟件。Lotus1-2-3是第一個商用電子制表軟件，WordPerfect是第一個商用文字處理軟件，dBaseIII是第一個實用的數(shù)據(jù)庫管理軟件。第五代軟件（1990－）第五代軟件中有三個著名事件：在計算機軟件業(yè)具有主導(dǎo)地位的Microsoft公司的崛起、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法的出現(xiàn)以及萬維網(wǎng)（WorldWideWeb）的普及。在這個時期，Microsoft公司的Windows操作系統(tǒng)在PC機市場占有顯著優(yōu)勢，盡管WordPerfect仍在繼續(xù)改進，但Microsoft公司的Word成了最常用的文字處理軟件。20世紀90年代中期，Microsoft公司將文字處理軟件Word、電子制表軟件Excel、數(shù)據(jù)庫管理軟件Access和其他應(yīng)用程序綁定在一個程序包中，稱為辦公自動化軟件。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法最早是在20世紀70年代開始使用的，當時主要是用在Smalltalk語言中。20世紀90年代，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計逐步代替了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，成為目前最流行的程序設(shè)計技術(shù)。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計尤其適用于規(guī)模較大、具有高度交互性、反映現(xiàn)實世界中動態(tài)內(nèi)容的應(yīng)用程序。Java、C++、C#等都是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言。1990年，英國研究員提姆·柏納李（TimBerners-Lee）創(chuàng)建了一個全球Internet文檔中心，并創(chuàng)建了一套技術(shù)規(guī)則和創(chuàng)建格式化文檔的HTML語言，以及能讓用戶訪問全世界站點上信息的瀏覽器，此時的瀏覽器還很不成熟，只能顯示文本。軟件體系結(jié)構(gòu)從集中式的主機模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降目蛻魴C/服務(wù)器模式（C/S）或瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S），專家系統(tǒng)和人工智能軟件從實驗室走出來進入了實際應(yīng)用，完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(fā)工具和商品化的應(yīng)用程序的大量出現(xiàn)，以及通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得計算機進入了一個大發(fā)展的階段。在計算機軟件的發(fā)展史上，需要注意“計算機用戶”這個概念的變化。起初，計算機用戶和程序員是一體的，程序員編寫程序來解決自己或他人的問題，程序的編寫者和使用者是同一個（或同一組）人；在第一代軟件末期，編寫匯編器等輔助工具的程序員的出現(xiàn)帶來了系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員的區(qū)分，但是，計算機用戶仍然是程序員；20世紀70年代早期，應(yīng)用程序員使用復(fù)雜的軟件開發(fā)工具編寫應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序由沒有計算機背景的從業(yè)人員使用，計算機用戶不僅是程序員，還包括使用這些應(yīng)用軟件的非專業(yè)人員；隨著微型計算機、計算機游戲、教育軟件以及各種界面友好的軟件包的出現(xiàn)，許多人成為計算機用戶；萬維網(wǎng)的出現(xiàn)，使網(wǎng)上沖浪成為一種娛樂方式，更多的人成為計算機的用戶。今天，計算機用戶可以是在學習閱讀的學齡前兒童，可以是在下載音樂的青少年，可以是在準備畢業(yè)論文的大學生，可以是在制定預(yù)算的家庭主婦，可以是在安度晚年的退休人員，……，所有使用計算機的人都是計算機用戶。3.計算機的發(fā)展趨勢在短短的60年里，計算機從像ENIAC這樣笨重、昂貴、容易出錯、僅用于科學計算的機器，發(fā)展到今天可信賴的、通用的、遍布現(xiàn)代社會的每一個角落，發(fā)明第一臺計算機的人并沒有預(yù)測到計算機技術(shù)會如此快速地發(fā)展。然而，計算機技術(shù)在過去60年里的發(fā)展與未來60年的變化相比將會相形見絀，將來我們會覺得今天最好的計算機很原始，就像我們今天看60年前的ENIAC一樣。計算機的產(chǎn)生是人類追求智慧的心血和結(jié)晶，計算機的發(fā)展也必將隨著人類對智慧的不懈追求而不斷