一、给小朋友讲的计算机发展史

写在最前面的话：听说国家开始重视儿童编程，于是想让小胖子也学点，就带他在ipad上用swift playgrounds这个app入了个门儿。其实编程语言是什么都无所谓，还是编程时的逻辑、思维方式更重要，觉得我一北航软件学院的毕业生，教个小屁孩编程还教不了吗。可在带他学习的过程中，越发觉得像计算机组成原理啊、数据结构啊这些知识，反而是更应该学习了解的。相较于编程语言的学习，这些知识就好比大厦的基石，学好学明白了，才能更好地建楼。其实太高深的我自己也不会（学渣的忏悔），我就想让他先了解下计算机是怎么做到根据你的程序执行那些操作的。我是做了ppt在家投影讲给小胖子听的，在知乎上，打算简单的把ppt的内容搬下来，以备不时之需。

“计算机”一词的出现

1613年一本书中使用了“计算机”一词。那时computer指负责计算的人，这个职位一直到1800年代还存在。

步进计算机

十进制。每个齿轮有十个齿，转过9则回到0,并让旁边的齿轮前进1个齿。

后来查尔斯·巴贝奇发明了差分机和分析机，但是没造出来（机械结构，造价昂贵）

电动机械计算机

1890年美国人口普查，美国政府找到了 Herman Hollerith，发明了电动机械计算器。这个计算器采用传统步进计算器的方式进行计数，却将其他用于操作的结构用电动设备连接了起来。通过插入打孔的卡片，来控制电路系统，从而代替人力操作来完成统计和计算。

Hollerith成立了打卡机器公司，并在1924年与其他机械制造商合并，改名成为了 IBM（国际商用机器公司）。

举例说明，如果一张“白人男性农民”的卡片通过读卡器，那么“白人”、“男性”、“农民”这三个类别里的每一个的计数器都会前进一个刻度。

机电计算机

世界上最大的机电计算机之一是由 IBM 公司在1944年生产的“哈佛马克一号”，这部计算机重达4500公斤。

机电计算机的大脑是继电器，这是一种电控制器件，当接通控制电流的电路的时候，会控制继电器中的机械臂闭合电路，从而使目标器件通电。

1820年奥斯特发现电流的磁效应使电磁学的研究从电磁分离跃至电磁相互联系的研究阶段，然后1831年，法拉第发现了电磁感应现象及其规律。电磁感应，简单来说就是电生磁或磁生电的现象，静止电荷的周围存在着静电场，而运动电荷的周围不仅存在着电场，同时还存在磁场。

机电计算机的缺点：1）机械臂是有质量的，这导致其无法快速翻转。在1940年代，一个好的继电器大概每秒能翻转50次左右。在哈佛马克一号上，1秒钟大约能做3次加法2）继电器是也是一种机械设备，那么机械的磨损也不可避免，而继电器的损坏会直接造成计算错误。在哈佛马克一号中大约有3500个继电器，即使每个继电器的寿命能达到10年，平均每天都需要更换一个继电器3）大型机电计算机持续地运转，造成机器温度较高，而吸引了许多昆虫。当时的工作人员排除计算机故障时，从中拖出了大量的死虫子（bug），这也是计算机术语 “bug” 的由来。

电子管发明后的计算机

物质由原子组成，除了氢的同位素氕（）以外，所有自然产生的原子都包括电子、质子和中子。电子带一单位的负（-）电荷。质子带一单位的正（+）电荷。中子不带电荷。电子比质子和中子更容易从原子中分离出来。原子的质子数决定了原子属于哪种元素。

电子管是一种玻璃制成的真空管。把两个电极放在真空管中，其中一个电极可以加热，从而发射电子，让另一个电极带上正电荷吸引电子，就可以形成电流，这种让电子单向流动部件就叫做二极管。

如果要用于计算，我们还需要控制电流的开关。Lee de Forest 1906年在二极管之间加入了控制电极，制作出了三极管。如果向控制电极施加正电荷，则电子就会流动，反之如果施加负电荷，则会阻止电子流动，用于达到控制电路闭合或断开的功能。

1946年在宾夕法尼亚大学制造的电子数值积分计算机“ENIAC”，则被认为是第一个真正通用，可编程的电子计算机。它每秒可以进行5000次十位数加减法，据统计，在它运行的10年中，计算量比之前全人类加起来的计算量都多。（十进制的，插接线，没有存储器）。其实英国的巨人一号计算机更早，但是因为是用来破译纳粹密码的，是国家机密，所以很长一段时间大家不知道它的存在。

电子管计算机的优点：电子管内没有“机械臂”的运动，减少了磨损，并大大提高了速度，它每秒可以闭合断开电路数千次；缺点：它脆弱易碎，并且像灯泡一样会烧坏。在 ENIAC 中，因为电子管的数量巨大，平均每半天就会有一个电子管被烧坏。

1945年，冯诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），这是一份长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系．报告中，冯诺依曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。1952 年由计算机之父冯诺依曼设计的电子计算机EDVAC问世。与它的前任ENIAC不同，EDVAC采用二进制，而且是一台冯诺依曼结构的计算机。冯.诺伊曼的设想在这台计算机上得到了圆满的体现。

晶体管计算机

为了进一步降低计算成本，提高计算的可靠性，人们还需要一种新的电子开关。直到1947年，贝尔实验室的科学家们发明了晶体管。晶体管也是一种电子开关，它有两个电极，电极中间有一层有时导电，有时不导电，因此被称为半导体的材料。通过加入一个“门电极”，通过改变门电极上的电荷，我们可以控制半导体材料的导电性，来开关电路。

贝尔实验室的第一个晶体管每秒就可以开关上万次。而且，比起玻璃制成的电子管，晶体管是固态的。同时，比起电子管来说，晶体管的体积远远比电子管小，导致了更小更便宜并且更稳定的计算机成为了可能。

957年，IBM发布了IBM608-第一个完全用晶体管，而且消费者也可以买到的计算机。其体积又变回了柜子大小。它有3000个晶体管，每秒执行4500次加法，每秒能执行80次左右的乘除法。IBM很快把所有产品都转向了晶体管，把晶体管计算机带入办公室，最终引入家庭。

很多晶体管和半导体的开发在”圣克拉拉谷”这个地方在加州，位于”旧金山”和”圣荷西”之间，而生产半导体最常见的材料是”硅”，所以这个地区被称为”硅谷”。William Shockly 搬到这里，创立了“肖克利半导体”，里面的员工后来成立了“仙童半导体”，仙童半导体里面的员工后来创立出了“英特尔”——当今世界上最大的计算机芯片制造商。

集成电路计算机

晶体管比起电子管进步，但产生的大量热量损害计算机内部的敏感部分。1958年发明了集成电路(IC)，将电子元件结合到一片小小的硅片上，使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。

于是，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统。

后记：小胖子只提了一个问题——“步进计算机为什么叫步进计算机？”查了下，步进(stepped)从阶梯轴（stepped drum）而来，莱布尼茨构想出来的装置，可以用来进行乘除法的运算。