現(xiàn)代計算機史,從歷史上看，計算機是人類的職員，他們按照有效的方法進行計算。如今，這些人類計算機進行了由電子計算機執(zhí)行的各種計算，其中數(shù)千人被用于商業(yè)，政府和研究機構(gòu)。從1920年代開始越來越多地使用計算機一詞，它是指可以完成人機工作的任何計算機，即根據(jù)有效方法進行計算的任何計算機。在1940年代末和1950年代初，隨著電子計算機的出現(xiàn)，“計算機”一詞逐漸由“計算機”取代，最初通常以“電子”或“數(shù)字”為前綴。該條目調(diào)查了這些機器的歷史。

巴貝奇

查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）是1828年至1839年在劍橋大學(xué)的盧卡斯數(shù)學(xué)教授（該職位以前由艾薩克·牛頓（Isaac Newton）擔(dān)任）。巴貝奇提出的差分引擎是一種專用的數(shù)字計算機，用于自動生成數(shù)學(xué)表（例如對數(shù)表，潮汐表和天文表）。差速器引擎完全由機械零件組成-黃銅齒輪，桿，棘輪，小齒輪等。數(shù)字以十進制表示，安裝在列中的10齒金屬輪的位置。巴貝奇（Babbage）在1822年展示了一種小型工作模型。他從未完成過自己設(shè)計的全尺寸機器，但完成了多個碎片。最大的計算器（占整個計算器的九分之一）在倫敦科學(xué)博物館展出。Baabage用它來執(zhí)行嚴(yán)肅的計算工作，計算各種數(shù)學(xué)表。1990年，終于根據(jù)巴貝奇的設(shè)計建造了巴貝奇2號差分引擎，并在倫敦科學(xué)博物館展出。

瑞典人喬治（George）和愛德華·舒茲（Edvard Scheutz）（父親和兒子）建造了巴貝奇差分引擎的改良版。制造了三架，一個原型和兩個商業(yè)模型，其中一個模型賣給了紐約奧爾巴尼的一個天文臺，另一個模型賣給了倫敦總書記處，在那里他們計算并打印了精算表。

Babbage提出的分析引擎比差異引擎要雄心勃勃，它原本是一臺通用的機械數(shù)字計算機。該分析引擎本應(yīng)具有一個內(nèi)存存儲和一個中央處理單元（或“工廠”），并且能夠根據(jù)其先前動作的結(jié)果從其他動作中進行選擇（如今稱為條件分支）。分析引擎的行為將由與色帶連接在一起的打孔卡上包含的指令程序控制（這是提花織機采用巴貝奇的想法）。巴貝奇（Babbage）強調(diào)了分析引擎的一般性，

Babbage與詩人拜倫（Byron）的女兒艾達·洛夫雷斯（Ada Lovelace）密切合作，后代以現(xiàn)代編程語言ADA命名。Lovelace預(yù)見了使用分析引擎進行非數(shù)值計算的可能性，這表明該引擎甚至可能能夠創(chuàng)作精美的音樂。

1871年巴貝奇（Babbage）逝世時，正在建造大型分析引擎模型，但從未制造出完整版本。巴貝奇關(guān)于通用計算引擎的想法從未被遺忘，尤其是在劍橋大學(xué)，它有時是在電子戰(zhàn)書的發(fā)源地，政府法規(guī)和戰(zhàn)爭學(xué)校總部，白金漢郡的布萊奇利公園的用餐時間討論的一個生動話題。數(shù)字計算機。

模擬計算機

廣泛使用的最早的計算機不是數(shù)字的，而是模擬的。在模擬表示中，表示媒體的特性會模仿（或反映或建模）所表示的事務(wù)狀態(tài)的特性。（與之形成鮮明對比的是，數(shù)字表示中使用的二進制數(shù)字字符串不會通過擁有某種物理屬性（例如長度）來表示，其大小與所表示的屬性的大小成比例地變化。）模擬表示形成了一個不同的類。例如：路線圖上的線越長，線所代表的路就越長；建筑師的模型中，透明塑料正方形的數(shù)量越多，所代表建筑物中的窗戶數(shù)量越多；聲學(xué)深度計的音調(diào)越高，水越淺。在模擬計算機中，數(shù)值由例如軸的旋轉(zhuǎn)角度或電勢差表示。因此，機器一次的輸出電壓可能代表被建模對象的瞬時速度。

就像建筑師的模型說明的那樣，模擬表示在本質(zhì)上可能是離散的（不存在分?jǐn)?shù)窗口之類的東西）。在計算機科學(xué)家中，有時會狹義地使用“模擬”一詞，以表示一個連續(xù)值的數(shù)量被另一個表示（例如，速度乘以電壓）。正如Brian Cantwell Smith所說：

“模擬”應(yīng)該……是其表示結(jié)構(gòu)與其所代表的表示相對應(yīng)的表示形式的謂詞……從歷史上講，連續(xù)表示應(yīng)被稱為類比，大概是背叛了人們的認識，即在它對我們重要的層面上，世界從根本上說是連續(xù)的，而不是離散的。（史密斯[1991]，第271頁）

開爾文勛爵的兄弟詹姆斯·湯姆森（James Thomson）發(fā)明了機械輪盤集成器，該集成器成為了模擬計算的基礎(chǔ)（Thomson [1876]）。兩兄弟構(gòu)建了一種用于計算兩個給定函數(shù)乘積的積分的設(shè)備，開爾文描述了（盡管未構(gòu)建）通用模擬機，用于積分任意階數(shù)的線性微分方程并求解聯(lián)立的線性方程。開爾文最成功的模擬計算機是他的潮汐預(yù)測機，一直使用到利物浦港，直到1960年代。基于輪盤集成器的機械模擬設(shè)備在第一次世界大戰(zhàn)期間用于炮彈計算。戰(zhàn)后，漢尼拔·福特（Ford [1919]）大大改善了集成器的設(shè)計。

斯坦利·費弗（Stanley Fifer）報告說，第一臺半自動機械模擬計算機是1930年之前由曼徹斯特大都會維克斯公司在英格蘭建造的（Fifer [1961]，第29頁）。但是，到目前為止，我無法證實這一說法。1931年，在MIT工作的Vannevar Bush建造了差分分析儀，這是第一臺大規(guī)模的自動通用機械模擬計算機。布什的設(shè)計基于輪盤集成商。他的機器很快就在世界范圍內(nèi)使用（包括在劍橋大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)在英國，由曾經(jīng)流行的工程玩具Meccano制成的差分分析儀）。

這就需要配備鉛錘的熟練機械師來為每項新工作設(shè)置布什的機械差分分析儀。隨后，布什及其同事將輪盤集成器和其他機械組件替換為機電設(shè)備，最后用電子設(shè)備替換了。

可以將差分分析儀概念化為以允許大量反饋的方式連接在一起的“黑匣子”的集合。每個框執(zhí)行一個基本過程，例如加法，變量與常數(shù)的乘積以及積分。在為給定任務(wù)設(shè)置機器時，將盒子連接在一起，以便執(zhí)行所需的一組基本過程。對于電機，這通常是通過將電線插入配線架上的插座來完成的（以這種方式確定其功能的計算機稱為“程序控制”）。

由于所有盒子并行工作，因此電子差分分析儀可以非?？焖俚厍蠼夥匠探M。與此相對應(yīng)的是，將待解決的問題按摩為模擬機所需形式的成本，以及設(shè)置硬件以執(zhí)行所需計算的成本。模擬計算的主要缺點是相對于數(shù)字機器而言，精度提高的成本較高。在1960年代和1970年代，人們對“混合動力”機器產(chǎn)生了濃厚的興趣，其中模擬部分由數(shù)字部分控制并通過數(shù)字部分進行編程。但是，這樣的機器現(xiàn)在很少見。

通用圖靈機

1936年，圖靈在劍橋大學(xué)發(fā)明了現(xiàn)代計算機的原理。他描述了一種抽象的數(shù)字計算機，該計算機由一個無限的內(nèi)存和一個掃描程序組成，該掃描程序可以逐個符號地在內(nèi)存中來回移動，讀取發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容并寫入其他符號（Turing [1936]）。掃描儀的動作由指令程序決定，該指令程序以符號形式存儲在內(nèi)存中。這是Turing的存儲程序概念，并且隱含著機器操作并修改其自己的程序的可能性。（在1947年的倫敦會議上，就眾所周知而言，最早的公開演講提到了計算機智能，圖靈說：“我們想要的是一臺可以從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)的機器”，補充說，“讓機器改變自己的指令的可能性提供了為此的機制”（Turing [1947] p。393）。圖靈1936年的計算機現(xiàn)在簡稱為通用圖靈機。劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)家馬克斯·紐曼（Max Newman）表示，從一開始，圖靈就對實際構(gòu)建他所描述的那種計算機的可能性感興趣（紐曼在埃文斯[197]中接受克里斯托弗·埃文斯的采訪）。

從第二次世界大戰(zhàn)開始，圖靈是布萊奇利公園（Bletchley Park）政府代碼和密碼學(xué)校的首席密碼分析員。在這里，他熟悉了Thomas Flowers涉及大規(guī)模高速電子開關(guān)的工作（如下所述）。但是，直到1945年歐洲停止敵對行動之后，圖靈才能轉(zhuǎn)向建造電子存儲程序計算機的項目。

在戰(zhàn)時時期，圖靈確實對機器智能問題進行了深思熟慮。Bletchley Park的同事回想起與他就該主題進行的許多下班討論，圖靈曾一度分發(fā)了一份打字報告（現(xiàn)已丟失），闡明了他的一些想法。其中的一位同事Donald Michie（后來在愛丁堡大學(xué)成立了機器智能與感知系），記得Turing經(jīng)常談?wù)撚嬎銠C的可能性（1）從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)和（2）通過解決問題來解決問題。在經(jīng)驗法則原則的指導(dǎo)下尋找可能解決方案的空間（Michie在接受Copeland采訪時，1995年）。后一種想法的現(xiàn)代術(shù)語是“啟發(fā)式搜索”，啟發(fā)式是任何經(jīng)驗法則，它會減少為找到問題的解決方案而需要的搜索量。在圖盧切利公園，圖靈通過參考國際象棋來闡述他關(guān)于機器智能的想法。米奇（Michie）回憶起圖靈（Turing）進行啟發(fā)式實驗，該啟發(fā)式后來在國際象棋編程中變得很普遍（尤其是minimax和best-first）。

有關(guān)圖靈和計算機的更多信息，包括他在戰(zhàn)時所做的代碼破解工作以及他對人工智能和人工生活的思考，可以在Copeland 2004中找到。

機電與電子計算

除了某些例外，包括Babbage的純機械引擎和手指驅(qū)動的國民核算機，早期的數(shù)字計算機都是機電的。也就是說，它們的基本組件是小型的，電動的機械開關(guān)，稱為“繼電器”。它們的運行速度相對較慢，而電子計算機的基本組件（最初是真空管（閥））沒有可移動的部件，可以節(jié)省電子，因此運行速度極快。機電數(shù)字計算機是在（第二次世界大戰(zhàn)前后）由哈佛大學(xué)的霍華德·艾肯，貝爾電話實驗室的喬治·斯蒂布茲，普林斯頓大學(xué)和布萊奇利公園的圖靈以及柏林的康拉德·祖塞制造的。祖斯（Juse）擁有建造第一臺可運行的通用程序控制數(shù)字計算機的榮譽。該機器后來稱為Z3，于1941年開始工作。（與存儲程序計算機相反，程序控制計算機通過重新布線，通過插頭等方式設(shè)置，以完成新任務(wù)）。

中繼太慢，對于大規(guī)模通用數(shù)字計算而言，它是一種不可靠的媒介（盡管艾肯付出了巨大的努力）。使用真空管的高速數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代計算機成為可能。

真空管最早用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理的最早用途似乎是由工程師托馬斯·弗洛斯（Thomas Flowers）在倫敦Dollis Hill的英國郵局研究站工作的。由弗勞斯（Flowers）在1934年設(shè)計的用于控制電話交換機之間連接的電子設(shè)備于1939年投入運行，涉及三至四千個連續(xù)運行的真空管。在1938年至1939年間，F(xiàn)lowers從事了一個實驗性電子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)涉及一個高速數(shù)據(jù)存儲。戰(zhàn)爭結(jié)束后，F(xiàn)lowers的目標(biāo)是電子設(shè)備應(yīng)取代現(xiàn)有的，不太可靠的，由繼電器構(gòu)建并用于電話交換機的系統(tǒng)。鮮花沒有調(diào)查使用電子設(shè)備進行數(shù)值計算的想法，但他指出，在1939年與德國的戰(zhàn)爭爆發(fā)時，他可能是英國唯一意識到真空管可以大規(guī)模用于高速數(shù)字計算的人。（有關(guān)“鮮花”的更多信息，請參閱《谷輪2006》。）

阿塔納索夫

在美國，最早可比的真空管使用似乎是由約翰·阿塔納索夫（John Atanasoff）在當(dāng)時的愛荷華州立大學(xué)（現(xiàn)為大學(xué)）進行的。在1937年至1942年期間，阿塔納索夫（Atanasoff）開發(fā)了使用真空管以數(shù)字方式進行數(shù)值計算的技術(shù)。1939年，在他的學(xué)生克利福德·貝里（Clifford Berry）的幫助下，阿塔納索夫（Atanasoff）開始建造有時被稱為阿塔納索夫·貝里計算機（ABC）的小型專用電子數(shù)字機器，用于求解線性代數(shù)方程組。該機器包含約300個真空管。盡管機器的電子部分運行正常，但整個計算機從未可靠地工作過，由于不能令人滿意的二進制讀卡器引入了錯誤。1942年，阿塔納索夫離開愛荷華州時，工作中斷了。

巨人

第一臺功能齊全的電子數(shù)字計算機是Colossus，從1944年2月開始就被Bletchley Park密碼分析家使用。

從戰(zhàn)爭初期開始，政府法規(guī)和密碼學(xué)校（GC＆CS）就成功地解密了通過Enigma系統(tǒng)編碼的德國無線電通信，到1942年初，由于被稱為“炸彈。這些是由Turing和Gordon Welchman設(shè)計的（基于波蘭密碼分析家的早期工作）。

在1941年下半年，使用完全不同的方法編碼的消息開始被截獲。這種新的密碼機由Bletchley Park代號為“ Tunny”，于1942年4月被破壞，當(dāng)年7月首次讀取了當(dāng)前的流量。基于二進制電傳打印機代碼，Tunny優(yōu)先于基于摩爾斯的Enigma來加密高級信號，例如希特勒和德國高級司令部成員的消息。

為了盡可能快地解密這些重要情報，麥克斯·紐曼（Max Newman）于1942年11月提出（在他從劍橋大學(xué)（Cambridge University）加入GC＆CS后不久）提出，通過高速電子計數(shù)設(shè)備使解密過程的關(guān)鍵部分自動化。希思·羅賓遜（Heath Robinson）是根據(jù)紐曼（Newman）規(guī)范設(shè)計和制造的第一臺機器，是基于繼電器的，帶有用于計數(shù)的電子電路。（電子計數(shù)器是由CE Wynn-Williams設(shè)計的，他自1932年以來一直在劍橋的Cavendish實驗室中使用晶閘管在計數(shù)電路中使用[Wynn-Williams 1932]。）安裝于1943年6月的Heath Robinson不可靠，運行緩慢，并且它的高速紙帶不斷斷裂，但這證明了紐曼的想法的價值。Flowers建議改用全電子機器制造，但是他沒有得到GC＆CS的正式鼓勵。Flowers在Dollis Hill的郵局研究站獨立工作，悄悄地建造了世界上第一臺大型可編程電子數(shù)字計算機。巨像一世于1943年1月被運送到布萊奇利公園。

戰(zhàn)爭結(jié)束時，布萊切利公園（Bletchley Park）全天候工作著十個巨人。從密碼分析的角度來看，原型Colossus I和后來的機器之間的主要區(qū)別是在密碼分析學(xué)家Donald Michie和Jack Good發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)之后，增加了所謂的特殊附件。這將Colossus的功能從“車輪設(shè)置”擴展到了“車輪斷裂”，即確定車輪，即從給定車輪的“模式”確定特定消息的Tunny機器的編碼車輪的設(shè)置。模式本身。最終，德國人每天在德國陸軍高級指揮部和陸軍集團司令之間的眾多聯(lián)系中的每一個環(huán)節(jié)上都改變車輪模式。到1945年，共有30個鏈接。

巨像I包含大約1600個真空管，隨后的每臺機器大約包含2400個真空管。像較小的ABC一樣，巨像也缺少現(xiàn)代計算機的兩個重要功能。首先，它沒有內(nèi)部存儲的程序。為了將其設(shè)置為一項新任務(wù)，操作員必須使用插頭和開關(guān)來更改機器的物理接線。其次，Colossus并不是通用機器，而是為涉及計數(shù)和布爾運算的特定密碼分析任務(wù)而設(shè)計的。

GC＆CS的官方歷史學(xué)家FH Hinsley估計，由于在Bletchley公園進行的信號情報行動（其中Colossus發(fā)揮了重要作用），歐洲的戰(zhàn)爭至少縮短了兩年。一旦敵對行動停止，大多數(shù)斗獸場就被摧毀。一些電子面板最終移到曼徹斯特的紐曼計算機機器實驗室（見下文），所有其原始用途的痕跡都已被刪除。GC＆CS保留了兩名Colossi（戰(zhàn)爭結(jié)束后更名為GCHQ）。據(jù)信最后一個巨像已于1960年停止運行。

《官方機密法》禁止那些了解巨像的人分享他們的知識。直到1970年代，幾乎沒有人知道第二次世界大戰(zhàn)期間成功使用了電子計算。分別在1970年和1975年，古德（Good）和米奇（Michie）發(fā)表了筆記，給出了巨像的最基本輪廓。到1983年，F(xiàn)lowers已獲得英國政府的許可，可以發(fā)布關(guān)于Colossus I硬件的部分說明。后來的機器和特殊附件的詳細信息，Colossi的用途以及它們運行的密碼分析算法，最近才被解密。（有關(guān)巨像的完整描述和對Tunny的襲擊，請參閱Copeland2006。）

對于熟悉1936年通用圖靈機和相關(guān)存儲程序概念的人們，F(xiàn)lowers的數(shù)字電子設(shè)備機架證明了使用大量真空管來實現(xiàn)高速通用存儲程序的可行性。電腦。戰(zhàn)爭結(jié)束后，紐曼毫不猶豫地為此目的在曼徹斯特大學(xué)建立了皇家學(xué)會計算機實驗室。到達曼徹斯特后的幾個月，紐曼向普林斯頓數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann，1946年2月）寫道：

在過去的兩三年中，我對這種電子設(shè)備非常感興趣，因此我希望在這里從事計算機領(lǐng)域的工作。大約18個月前，我決定下班后嘗試啟動一個機器單元?！耶?dāng)然與圖靈保持著密切聯(lián)系。

圖靈的自動計算引擎

圖靈和紐曼的想法相似。1945年，圖靈加入了倫敦的國家物理實驗室（NPL），他的簡介是設(shè)計和開發(fā)用于科學(xué)工作的電子存儲程序數(shù)字計算機。（人工智能與圖靈的想法相距不遠：他形容自己為``建立大腦''，并在一封信中表示，他``對產(chǎn)生大腦動作模型的可能性比對計算的實際應(yīng)用更感興趣'' 。）圖靈在NPL上的直接上司約翰沃默斯利（John Womersley）將圖靈提出的機器命名為自動計算引擎或ACE，以向巴貝奇的差分引擎和分析引擎致敬。

圖靈在1945年的報告“擬議的電子計算器”中給出了電子存儲程序通用數(shù)字計算機的第一個相對完整的規(guī)范。該報告在Copeland 2005中已全部轉(zhuǎn)載。

在美國提出的第一臺電子存儲程序數(shù)字計算機是EDVAC（見下文）。由馮·諾依曼（von Neumann）撰寫的“ EDVAC報告初稿”（1945年5月），幾乎沒有工程細節(jié)，特別是有關(guān)電子硬件的工程細節(jié)（由于美國的限制）。另一方面，圖靈的“擬議電子計算器”提供了詳細的電路設(shè)計和硬件單元規(guī)格，機器代碼中的樣本程序，甚至是機器制造成本的估算（11,200英鎊）。ACE和EDVAC根本不同。例如，ACE采用分布式處理，而EDVAC具有集中式結(jié)構(gòu)。

圖靈看到速度和內(nèi)存是計算的關(guān)鍵。圖靈在NPL上的同事吉姆·威爾金森（Jim Wilkinson）觀察到，圖靈“沉迷于機器上的速度這一概念” [Copeland 2005，第1頁。2]。Turing的設(shè)計與當(dāng)今的RISC體系結(jié)構(gòu)有很多共通之處，它要求使用與早期Macintosh計算機大致相同容量的高速存儲器（按當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)而言是巨大的）。如果圖靈的ACE按計劃建造，它將與其他早期計算機處于不同的聯(lián)盟。然而，由于NPL的組織困難，Turing的自動計算引擎的進展緩慢，1948年，“非常受寵”的Turing（Robin Gandy在1995年接受Copeland的采訪時）離開了NPL，前往曼徹斯特大學(xué)紐曼計算機實驗室。 。直到1950年5月，由威爾金森，愛德華·紐曼，麥克·伍德格和其他人制造的小型自動計算引擎試驗?zāi)Ｐ筒砰_始執(zhí)行程序。Pilot Model ACE的工作速度為1 MHz，在一段時間內(nèi)是世界上最快的計算機。

試點型ACE的生產(chǎn)版本DEUCE的銷售旺盛-混淆了NPL主任查爾斯·達爾文爵士在1946年提出的建議，即“很可能……一臺機器足以解決所有問題。整個國家都需要它的問題” [Copeland 2005，p。1。4]。Turing的ACE設(shè)計基礎(chǔ)被Harry Huskey（位于底特律韋恩州立大學(xué)）在Bendix G15計算機中使用（Huskey接受Copeland采訪，1998年）。G15可以說是第一臺個人計算機。全球銷售了400多個。DEUCE和G15一直使用到1970年左右。另一款源自圖靈的ACE設(shè)計的計算機MOSAIC在冷戰(zhàn)時期在英國的防空系統(tǒng)中發(fā)揮了作用。其他衍生產(chǎn)品包括Packard-Bell PB250（1961）。

曼徹斯特機器

最早使用的通用存儲程序電子數(shù)字計算機是在曼徹斯特大學(xué)的紐曼計算機實驗室建造的。眾所周知，曼徹斯特的“嬰兒”是由工程師威廉姆斯（FC Williams）和湯姆·基爾本（Tom Kilburn）建造的，并于1948年6月21日進行了首次計算。存儲在陰極射線管表面上的這個微型程序僅十七條指令長。該機器的放大版本以及由圖靈設(shè)計的編程系統(tǒng)，成為世界上第一臺商用計算機Ferranti MarkI。第一臺要完成的計算機是1951年2月安裝在曼徹斯特大學(xué)。在英國，加拿大，荷蘭和意大利，總共售出約十種。

圖靈和紐曼對曼徹斯特勝利的基本邏輯數(shù)學(xué)貢獻被忽略了，如今，曼徹斯特的機器是威廉姆斯和基爾本的著作。確實，從未充分強調(diào)過紐曼在計算機開發(fā)中的作用（也許是由于他將相關(guān)事件聯(lián)系在一起的方式是徹底的自我掩飾）。

正是紐曼（Newman）在1935年在劍橋的一次演講中，將圖靈（Turing）引入了直接導(dǎo)致圖靈機器的概念：紐曼（Newman）將建設(shè)性過程定義為一臺機器可以執(zhí)行（紐曼在接受埃文斯采訪時，同上）。由于他了解圖靈的工作，紐曼開始對計算機的可能性產(chǎn)生興趣，正如他所說的那樣，這是“一種相當(dāng)理論上的方式”。直到紐曼（Newman）于1942年加入GC＆CS時，他對計算機的興趣突然變得實用，他意識到對Tunny的攻擊可以機械化。在制作巨像期間，紐曼試圖讓圖靈在1936年的論文（存儲程序概念的發(fā)源地）中引起人們對花朵的興趣，但弗洛斯并未充分利用圖靈的奧術(shù)。毫無疑問，到1943年，紐曼牢牢記住了使用電子技術(shù)來構(gòu)建存儲程序通用數(shù)字計算機的想法。

1946年7月（英國皇家學(xué)會批準(zhǔn)紐曼申請建立計算機實驗室的資金的月份），在馬爾文電信研究機構(gòu)工作的弗雷迪·威廉姆斯開始了一系列有關(guān)陰極射線管存儲的實驗。導(dǎo)致威廉姆斯管記憶。在擔(dān)任雷達工程師之前，威廉姆斯解釋了他是如何從事計算機內(nèi)存問題的工作的：

[德國軍隊]垮臺之后……沒有人會在意雷達，而是像我這樣的人……除非我們發(fā)現(xiàn)其他事情要做，否則就會陷入困境。和計算機在空中。我對它們一無所知，因此陷入了存儲問題并加以解決。（引自Bennett 1976.）

紐曼了解了威廉姆斯的工作，并在帕特里克·布萊克特（Patrick Blackett），曼徹斯特Langworthy物理學(xué)教授和大學(xué)中最有影響力的人物之一的大力幫助下，幫助任命了35歲的威廉姆斯為最近被撤職的威廉姆斯主席。曼徹斯特的電子技術(shù)。（兩個人都是任命委員會的成員（基爾本在1997年接受谷輪公司采訪）。）威廉姆斯立即讓他在馬爾文的助手基爾本借調(diào)到曼徹斯特。用威廉姆斯自己的話講這個故事：

[N]當(dāng)我們到達曼徹斯特大學(xué)時，湯姆·基爾本和我都不了解計算機。我們已經(jīng)向我們進行了足夠的解釋，以了解存儲的問題以及我們想要存儲的問題以及我們已經(jīng)實現(xiàn)的目標(biāo)，因此，當(dāng)我們需要了解計算機時，就已經(jīng)到了點……紐曼解釋說計算機如何運作的整個業(yè)務(wù)。（FC威廉姆斯在接受埃文斯采訪時[1976]）

在其他地方，威廉姆斯明確指出了圖靈的角色，并給出了他和基爾本得到的解釋的味道：

湯姆·基爾伯恩（Tom Kilburn）和我對計算機一無所知，但對電路一無所知。紐曼教授和AM圖靈先生…對計算機了解很多，而對電子設(shè)備卻一無所知。他們牽著我們的手，解釋了數(shù)字如何在帶有地址的房屋中生活，以及在計算過程中如何跟蹤數(shù)字。（威廉斯[1975]，第328頁）

看起來紐曼一定對威廉姆斯和基爾本使用了與他在1948年3月4日向英國皇家學(xué)會致辭時所用的相同的詞語：

Hartree教授……回憶說，現(xiàn)在正在制造的通用計算機的所有基本思想都可以在Babbage的分析引擎計劃中找到。在現(xiàn)代，通用計算機的概念是由圖靈獨立提出的……現(xiàn)在在美國和該國制造的計算機……在某些方面都具有相似性。規(guī)定可以存儲數(shù)字，例如以2的小數(shù)位數(shù)存儲，以便每個數(shù)字在機器的某些位置或“房屋”中顯示為一行，例如40個0和1?！@些數(shù)字或“單詞”中的某些數(shù)字按順序讀取。在一種可能的機器類型中，訂單包含四個數(shù)字，例如11、13、27、4。數(shù)字4表示“加”，當(dāng)控制權(quán)移至該字時，“房屋” H11和H13將作為輸入連接到加法器，而H27作為輸出將連接到加法器。存儲在H11和H13中的數(shù)字通過加法器相加，并且總和傳遞到H27。然后控制轉(zhuǎn)到下一個順序。在大多數(shù)實際機器中，剛剛描述的過程將由三個單獨的命令完成，第一個命令將[H11]（= H11的內(nèi)容）帶到中央累加器，第二個將[H13]加到累加器中，第三個將結(jié)果發(fā)送到H27；因此，每個順序只需要一個地址。…從某種意義上講，具有存儲功能，具有這種自動電話交換功能以及必要的加法器，減法器等的機器已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）和H27作為輸出。存儲在H11和H13中的數(shù)字通過加法器相加，并且總和傳遞到H27。然后控制轉(zhuǎn)到下一個順序。在大多數(shù)實際機器中，剛剛描述的過程將由三個單獨的命令完成，第一個命令將[H11]（= H11的內(nèi)容）帶到中央累加器，第二個將[H13]加到累加器中，第三個將結(jié)果發(fā)送到H27；因此，每個順序只需要一個地址。……從某種意義上說，具有存儲功能，具有這種自動電話交換功能以及必要的加法器，減法器等的機器已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）和H27作為輸出。存儲在H11和H13中的數(shù)字通過加法器相加，并且總和傳遞到H27。然后控制轉(zhuǎn)到下一個順序。在大多數(shù)實際機器中，剛剛描述的過程將由三個單獨的命令完成，第一個命令將[H11]（= H11的內(nèi)容）帶到中央累加器，第二個將[H13]加到累加器中，第三個將結(jié)果發(fā)送到H27；因此，每個順序只需要一個地址。…從某種意義上講，具有存儲功能，具有這種自動電話交換功能以及必要的加法器，減法器等的機器已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）在大多數(shù)實際機器中，剛剛描述的過程將由三個單獨的命令完成，第一個命令將[H11]（= H11的內(nèi)容）帶到中央累加器，第二個將[H13]加到累加器中，第三個將結(jié)果發(fā)送到H27；因此，每個順序只需要一個地址?！瓘哪撤N意義上講，具有存儲功能，具有這種自動電話交換功能以及必要的加法器，減法器等的機器已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）在大多數(shù)實際機器中，剛剛描述的過程將由三個單獨的命令完成，第一個命令將[H11]（= H11的內(nèi)容）帶到中央累加器，第二個將[H13]加到累加器中，第三個將結(jié)果發(fā)送到H27；因此，每個順序只需要一個地址?！瓘哪撤N意義上講，具有存儲功能，具有這種自動電話交換功能以及必要的加法器，減法器等的機器已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）從某種意義上說，具有這種自動電話交換裝置以及必要的加法器，減法器等的裝置已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）從某種意義上說，具有這種自動電話交換裝置以及必要的加法器，減法器等的裝置已經(jīng)是通用機器。（Newman [1948]，第271–272頁）

在對圖靈的三地址概念（源1，源2，目的地，功能）進行了解釋之后，紐曼繼續(xù)描述了程序存儲（“訂單應(yīng)位于一系列房屋X1，X2，……”）和條件分支。然后他總結(jié)：

從這個高度簡化的描述中可以看出，機器的基本內(nèi)部零件首先是用于存儲數(shù)字（也可以是訂單）的存儲區(qū)?！浯?，是加法器，乘法器等。其次，是一個“自動電話交換機”，用于選擇“房屋”，將它們連接到算術(shù)器官，并將答案寫在其他規(guī)定的房屋中。最后，如果滿足一定條件，則在任何階段將控制移至任何選定順序的方法，否則按正常順序轉(zhuǎn)到下一個順序。除了這些，還必須有一些方法可以在一開始就設(shè)置機器，并以可用的形式提取最終答案。（Newman [1948]，第273-4頁）

威廉姆斯在1972年寫的一封信中詳細描述了紐曼告訴他和基爾本的事情：

大約在1946年年中，出現(xiàn)了在曼徹斯特大學(xué)（Manchester University）任職的可能性，我與紐曼（Newman）教授進行了交談，紐曼（Newman）教授已經(jīng)對開發(fā)計算機的可能性感興趣，并從皇家學(xué)會（Royal Society）獲得了30,000英鎊的資助。目的。自從他了解計算機和我了解電子技術(shù)以來，卓有成效的合作的可能性就顯而易見了。我記得紐曼（Newman）在給我們做幾次演講時，他概述了計算機的組織結(jié)構(gòu)，其中包括根據(jù)其所在房屋的地址標(biāo)識的數(shù)字以及從該地址轉(zhuǎn)移的數(shù)字，一次一次，到一個累加器，在該累加器中，每個輸入數(shù)字都添加到已經(jīng)存在的數(shù)字中。任何時候都可以將累加器中的號碼轉(zhuǎn)移回商店中指定的地址，并清除累加器以備將來使用。傳輸將通過一個存儲的程序來實現(xiàn)，在該程序中順序地遵循指令列表?？梢酝ㄟ^測試指令中斷列表中的有序進度，該測試指令檢查累加器中數(shù)字的符號。此后，操作從指令列表中的新位置開始。這是我收到的有關(guān)計算機組織的第一個信息?！覀兊牡谝慌_計算機是這些原理的最簡單的體現(xiàn)，唯一的區(qū)別是它使用減法而不是加法累加器。（從威廉姆斯到蘭德爾的信，1972；在蘭德爾[1972]，第9頁）傳輸將通過一個存儲的程序來實現(xiàn)，在該程序中順序地遵循指令列表?？梢酝ㄟ^測試指令中斷列表中的有序進度，該測試指令檢查累加器中數(shù)字的符號。此后，操作從指令列表中的新位置開始。這是我收到的有關(guān)計算機組織的第一個信息?！覀兊牡谝慌_計算機是這些原理的最簡單的體現(xiàn)，唯一的區(qū)別是它使用減法而不是加法累加器。（從威廉姆斯到蘭德爾的信，1972；在蘭德爾[1972]，第9頁）傳輸將通過一個存儲的程序來實現(xiàn)，在該程序中順序地遵循指令列表?？梢酝ㄟ^測試指令中斷列表中的有序進度，該測試指令檢查累加器中數(shù)字的符號。此后，操作從指令列表中的新位置開始。這是我收到的有關(guān)計算機組織的第一個信息。……我們的第一臺計算機是這些原理的最簡單的體現(xiàn)，唯一的區(qū)別是它使用減法而不是加法累加器。（從威廉姆斯到蘭德爾的信，1972年；在蘭德爾[1972]，第9頁）此后，操作從指令列表中的新位置開始。這是我收到的有關(guān)計算機組織的第一個信息?！覀兊牡谝慌_計算機是這些原理的最簡單的體現(xiàn)，唯一的區(qū)別是它使用減法而不是加法累加器。（從威廉姆斯到蘭德爾的信，1972；在蘭德爾[1972]，第9頁）此后，操作從指令列表中的新位置開始。這是我收到的有關(guān)計算機組織的第一個信息?！覀兊牡谝慌_計算機是這些原理的最簡單的體現(xiàn)，唯一的區(qū)別是它使用減法而不是加法累加器。（從威廉姆斯到蘭德爾的信，1972年；在蘭德爾[1972]，第9頁）

威廉姆斯在上面引用圖靈時提到了圖靈對曼徹斯特發(fā)展的早期投入，這可能是通過1946年12月至1947年2月在圖靈和威爾金森在倫敦進行的計算機設(shè)計講座（圖靈和威爾金森[1946-7]。計劃使用或建造電子計算機的各個組織的代表參加了這些講座?；鶢柋驹谟^眾席中（Bowker和Giordano [1993]）。（基爾本通常說，當(dāng)被問及從哪里獲得了計算機的基本知識時，他不記得了（從布萊恩·納珀（Brian Napper）到科普蘭（Copeland），2002年的信；例如，在1992年的一次采訪中，他說：“在1945年初至1947年，在那個時期，無論如何，我都知道數(shù)字計算機是什么……我從哪里獲得了這些知識？

無論圖靈的演講在通知基爾伯恩方面扮演何種角色，毫無疑問，對曼徹斯特計算機的稱贊（在現(xiàn)代文獻中被稱為“紐曼-威廉姆斯機器”（Huskey 1947））不僅屬于威廉姆斯和基爾本，而且也屬于紐曼，這對圖靈（Newing of Turing）1936年論文的影響至關(guān)重要，弗洛斯（Flowers'Colossus）的影響也至關(guān)重要。

由克里斯托弗·斯特拉奇（Christopher Strachey）編寫的第一個有效的AI程序是草稿（跳棋）玩家，在曼徹斯特計算機實驗室的Ferranti Mark I上運行。Strachey（當(dāng)時是Harrow學(xué)校的一名教師和一名業(yè)余程序員）在Turing的鼓勵下并利用Turing最近完成的《 Ferranti程序員手冊》編寫了該程序。（斯特拉奇后來成為牛津大學(xué)編程研究小組的負責(zé)人。）斯特拉奇說，到1952年夏天，該程序可以“以合理的速度播放完整的草稿游戲”。（Strachey的程序構(gòu)成了Arthur Samuel著名的跳棋程序的基礎(chǔ)。）第一個國際象棋程序也是由Dietrich Prinz為曼徹斯特·費蘭蒂編寫的。該程序于1951年11月首次運行。該程序?qū)榻鉀Q二合一的簡單問題而設(shè)計，它將檢查所有可能的動作，直到找到解決方案為止。圖靈開始在Ferranti Mark I上為他的“ Turochamp”象棋選手編程，但從未完成任務(wù)。與Prinz的程序不同，Turochamp可以玩完整的游戲（在手動模擬時），并且不是通過詳盡的搜索而是在試探法的指導(dǎo)下進行操作。

ENIAC和EDVAC

ENIAC是在美國制造的第一臺全功能電子數(shù)字計算機，由J. Presper Eckert和John Mauchly在賓夕法尼亞大學(xué)的摩爾電氣工程學(xué)院為陸軍軍械部建造。ENIAC于1945年完成，與早期的Colossus有點相似，但更大，更靈活（盡管與通用目的相去甚遠）。ENIAC的主要功能是計算瞄準(zhǔn)大炮中使用的表格。ENIAC并不是一臺存儲程序的計算機，要進行新工作進行設(shè)置涉及通過插頭和開關(guān)對計算機進行重新配置。多年來，ENIAC被認為是第一臺可運行的電子數(shù)字計算機，但是Colossus幾乎是未知的。

1944年，約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）加入了ENIAC集團。當(dāng)圖靈在1936年至1938年期間在普林斯頓大學(xué)任教時，他對圖靈的通用機器“很感興趣”（Goldstine的話，[1972]，第275頁）。在摩爾學(xué)院，馮·諾伊曼（von Neumann）強調(diào)了存儲程序概念對電子計算的重要性，包括允許機器在運行時以有用的方式修改其自己的程序的可能性（例如，為了控制循環(huán)和分支）。在普林斯頓大學(xué)高級研究所的馮·諾依曼戰(zhàn)后計算機項目的成員中，需要閱讀圖靈1936年的論文（“關(guān)于可計算的數(shù)字，并應(yīng)用于Entscheidungsproblem”）（2002年，朱利安·比格洛（Julian Bigelow）到科普蘭（Copeland）；參見Copeland [2004]，第23頁）。?？颂厮坪跏仟毩崿F(xiàn)的，在馮·諾依曼加入ENIAC小組之前，充分利用電子電路處理數(shù)據(jù)的速度的方法是將適當(dāng)編碼的指令放置在控制數(shù)據(jù)的同一高速存儲設(shè)備中，以控制處理本身（在Copeland [2004]，第26-7頁中有記載）。1945年，雖然ENIAC仍在建設(shè)中，但馮·諾依曼（von Neumann）編寫了一份報告草案，如前所述，闡述了ENIAC小組對電子存儲程序通用數(shù)字計算機EDVAC的構(gòu)想（von Neuman [1945]）。EDVAC于六年后完成，但不是由其創(chuàng)始人完成的，后者離開了摩爾學(xué)校，在其他地方建造計算機。1946年在摩爾學(xué)校舉行的有關(guān)擬議的EDVAC的演講得到了廣泛的參加，為新思想的傳播做出了巨大貢獻。

馮·諾依曼（Von Neumann）是一位享有聲望的人物，他的著作和公開演講使高速存儲程序數(shù)字計算機的概念廣為人知。由于他在該領(lǐng)域的知名度，盡管在歷史上不合適，但習(xí)慣上將電子存儲程序數(shù)字計算機稱為“馮·諾依曼機器”。

洛斯阿拉莫斯物理學(xué)家斯坦利·弗蘭克爾（Stanley Frankel）與馮·諾伊曼（von Neumann）等人一起負責(zé)機械化涉及原子彈設(shè)計的大規(guī)模計算，他在一封信中描述了馮·諾伊曼（von Neumann）對Turing 1936年論文重要性的觀點：

我知道大約在1943年或44年左右，馮·諾依曼（von Neumann）充分意識到了圖靈（Turing）1936年的論文的根本重要性……馮·諾依曼（Von Neumann）向我介紹了該論文，并在他的敦促下進行了認真研究。許多人稱贊馮·諾依曼為“計算機之父”（從現(xiàn)代意義上來說），但我相信他永遠不會自己犯這個錯誤。也許他可能被稱為助產(chǎn)士，但他堅定地向我和我確定的其他人強調(diào)，基本觀念是圖靈造成的，這是巴貝奇所未曾預(yù)料到的……當(dāng)然，圖靈和馮·諾伊曼都如此，還為“減少練習(xí)”做出了巨大貢獻 這些概念的重要性，但我認為這些概念在重要性上不能與計算機概念的引入和說明相提并論，該計算機能夠在其內(nèi)存中存儲其活動程序，并可以在這些活動過程中修改該程序。（引自蘭德爾[1972]，第10頁）

其他著名的早期計算機

其他值得注意的早期存儲程序電子數(shù)字計算機包括：

EDSAC，1949年，由莫里斯·威爾克斯（Maurice Wilkes）在劍橋大學(xué)建立

BINAC，1949年，由費城的Eckert's和Mauchly's Electronic Control Co.建造（對于BINAC是否真正起作用，意見不一致）

1949年，旋風(fēng)一號，麻省理工學(xué)院數(shù)字計算機實驗室，Jay Forrester

SEAC，1950年，美國華盛頓特區(qū)美國東部標(biāo)準(zhǔn)局，Samuel Alexander，Ralph Slutz

SWAC，1950年，美國標(biāo)準(zhǔn)局西部局，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校數(shù)值分析研究所，哈里·休斯基（Harry Huskey）

UNIVAC，1951年，費城Eckert-Mauchly計算機公司（美國第一臺商用計算機）

IAS計算機，1952年，普林斯頓大學(xué)高等研究院，朱利安·比格洛，亞瑟·伯克斯，赫爾曼·戈德斯汀，馮·諾依曼等人（由于馮·諾依曼出版了IAS機器的規(guī)格，它成為了一組計算機的模型被稱為普林斯頓級機器； IAS計算機對IBM 701的影響也很大）

IBM 701，1952年，國際商業(yè)機器公司的第一臺量產(chǎn)的電子存儲程序計算機。

高速記憶體

EDVAC和ACE建議都主張使用充滿汞的管（稱為“延遲線”）來實現(xiàn)高速內(nèi)部存儲器。這種形式的存儲器稱為聲學(xué)存儲器。最初已經(jīng)開發(fā)了延遲線來消除雷達中的回聲。將它們用作存儲設(shè)備的想法源于Moore School的Eckert。這是圖靈的描述：

建議建立“延遲線”裝置，該裝置由汞管組成，長約5英尺，直徑為1英寸，兩端與石英晶體接觸?！械穆曀偈沟醚舆t為1.024毫秒。可以將要存儲的信息視為1024個“數(shù)字”（0或1）的序列。這些數(shù)字將由相應(yīng)的脈沖序列表示。數(shù)字0…將在適當(dāng)?shù)臅r間不存在脈沖來表示，數(shù)字1…將通過其存在來表示。這一系列脈沖由一個壓電晶體施加在線路的末端，以超音波的形式沿線路向下傳輸，并在遠端由晶體重新轉(zhuǎn)換為變化的電壓。將該電壓充分放大以提供峰峰值之間10伏左右的輸出，并用于選通時鐘產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。該脈沖可以通過傳輸晶體再次饋入線路，或者我們可以饋入一些完全不同的信號。如果我們當(dāng)時需要該信息，也可以將門控脈沖引導(dǎo)至計算器的其他部分。利用信息當(dāng)然并不排除也要保留信息。（Turing [1945]，第375頁）利用信息當(dāng)然并不排除也要保留信息。（Turing [1945]，第375頁）利用信息當(dāng)然并不排除也要保留信息。（Turing [1945]，第375頁）

在EDSAC，BINAC，SEAC，Pilot Model ACE，EDVAC，DEUCE和全尺寸ACE（1958）中使用了汞延遲線存儲器。正如圖靈所指出的，延遲線作為存儲介質(zhì)的主要優(yōu)點是，延遲線“已經(jīng)成為人們關(guān)注的問題”（Turing [1947]，第380頁）。延遲線的根本缺點是不可能進行隨機訪問，此外，一條指令或一條數(shù)字從延遲線中出現(xiàn)所花費的時間取決于它在該行中的位置。

為了最大程度地減少等待時間，Turing安排將指令存儲在延遲線中不是連續(xù)的位置，而是存儲在程序員選擇的相對位置中，這樣每條指令都會在所需的確切時間出現(xiàn)。在可能的范圍內(nèi)。每條指令都包含下一條指令的位置說明。該系統(tǒng)隨后被稱為“最佳編碼”。它是ACE設(shè)計的每個版本的不可或缺的功能。最佳編碼使得編程困難且不整潔，但是在速度方面的優(yōu)勢卻是巨大的。得益于最佳編碼，Pilot Model ACE能夠在3毫秒內(nèi)進行浮點乘法（Wilkes的EDSAC需要4.5毫秒才能執(zhí)行單個定點乘法）。

在前面提到的威廉姆斯管或靜電存儲器中，二進制的二維矩形陣列存儲在市售陰極射線管的表面。立即訪問數(shù)據(jù)。威廉姆斯電子管存儲器被用于曼徹斯特系列機器，SWAC，IAS計算機和IBM 701，以及旋風(fēng)I中威廉姆斯電子管的改進形式（直到1953年被磁芯替換）。

大西洋兩岸都開發(fā)了將數(shù)據(jù)磁性存儲在金屬圓柱體表面上的鼓存儲器。最初的想法似乎是埃克特的。感光鼓提供了大量的中速存儲，并用于補充高速聲或靜電存儲。1949年，曼徹斯特計算機成功配備了鼓存儲器。它是由曼徹斯特的工程師根據(jù)倫敦伯克貝克學(xué)院的安德魯·布斯（Andrew Booth）開發(fā)的鼓模型制作的。

電子計算的早期歷史中的最后一個主要事件是磁芯存儲器的發(fā)展。杰伊·佛雷斯特（Jay Forrester）意識到，磁芯的磁滯特性（通常用于變壓器中）有助于實現(xiàn)可隨機訪問的存儲點的三維實體陣列的實現(xiàn)。1949年，他在麻省理工學(xué)院開始對這一想法進行實證研究。Forrester早期對金屬磁芯的實驗很快使他開發(fā)出了出色的鐵氧體磁芯存儲器。數(shù)字設(shè)備公司（Digital Equipment Corporation）承諾制造類似于旋風(fēng)I的計算機，作為鐵氧體磁芯存儲器的測試工具。內(nèi)存測試計算機于1953年完成。（該計算機于1954年用于MIT的Belmont Farley和Wesley Clark的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個模擬中。

一旦鐵氧體磁芯存儲器的絕對可靠性，相對便宜性，高容量和永久壽命變得顯而易見，磁芯很快就取代了其他形式的高速存儲器。IBM 704和705計算機（分別于1954年5月和1954年10月發(fā)布）使核心內(nèi)存得到廣泛使用。

參考書目

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