1.1.3 电子计算机的发展
现代计算机是指利用电子技术代替机械或机电技术的计算机。现代计算机经历了70多年的发展，其中最重要的代表人物有英国科学家图灵（Alan Mathison Turing，1912—1954）和美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann，1903—1957），他们为现代计算机科学奠定了基础（见图1-5）。
图1-5 为现代计算机科学奠定基础的杰出科学家图灵和冯·诺依曼
1.图灵与人工智能
1936年，图灵在他具有划时代意义的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》中，论述了一种理想的通用计算机，被后人称为“图灵机”。1950年，图灵发表了另一篇著名论文《计算机器与智能》，论文指出，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，那么这台机器就具有智能。这一论断称为图灵测试，它奠定了人工智能的理论基础。
图灵并不只是一位纯粹的抽象数学家，他还是一位擅长电子技术的工程专家。他设计制造的破译机Bombe（炸弹）实质上是一台采用继电器的高速计算装置。图灵以独特的思想创造的破译机，一次次成功地破译了德国法西斯的密码电文。
冯·诺依曼生前曾多次谦虚地说：“如果不考虑查尔斯·巴贝奇等人早先提出的有关思想，现代计算机的概念当属于阿兰·图灵。”由此可见，图灵对计算机科学影响巨大，为了纪念图灵的杰出贡献，美国计算机协会（ACM）专门设立了图灵奖，它是计算机学术界的最高成就奖。
2.第一台现代电子数字计算机ABC
第一台现代电子数字计算机是ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机）是美国爱荷华州立大学物理系副教授阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）和他的研究生克利福特·贝瑞（Clifford Berry）在1939年10月研制成功的（见图1-6、图1-7）。1990年，阿塔纳索夫获得了全美最高科技奖“国家科技奖”。
图1-6 第一台现代电子数字计算机ABC复制品
图1-7 第一台现代电子数字计算机ABC设计草图（1939年）
ABC计算机采用二进制电路进行运算；存储系统采用不断充电的电容器，具有数据记忆功能；输入系统采用了IBM公司的穿孔卡片；输出系统采用高压电弧烧孔卡片。
阿塔纳索夫提出了现代计算机设计最重要的3个基本原则：
①以二进制的方式实现数字运算和逻辑运算，以保证运算精度；
②利用电子技术实现控制和运算，以保证运算速度；
③采用计算功能与存储功能的分离结构，以简化计算机设计。
3.ENIAC计算机
1943年，第二次世界大战时期，美国因新式火炮弹道计算需要运算速度更快的计算机。宾夕法尼亚大学莫尔学院36岁的物理学家莫克利（John Mauchly）教授和他24岁的学生埃克特（Presper Eckert）博士，向军方代表戈德斯坦提交了一份研制ENIAC计算机的设计方案，军方提供了48万美元的经费资助。1946年2月，莫克利成功地研制出了ENIAC计算机。ENIAC采用了18000多个电子管，10000多个电容器，7000个电阻器，1500多个继电器，功率为150kW，质量达30t，占地面积170m2。
莫克利在设计ENIAC之前曾经拜访过阿塔纳索夫，并一起讨论过ABC计算机的设计经验。因此，他在ENIAC的设计中采用了全电子管电路，但是没有采用二进制。ENIAC的程序为外插型，即用线路连接、拨动开关和交换插孔等形式实现。它没有存储器，只有20个10位十进制数的寄存器；输入/输出设备有卡片、指示灯、开关等。ENIAC进行一个2s的运算，需要用两天的时间进行准备工作，为此埃克特与同事们讨论过“存储程序”的设计思想，遗憾的是没有形成文字记录。
ENIAC的任务是分析炮弹轨迹，它能在1s内完成5000次加法运算，也可以在3/1000s的时间内完成2个10位数乘法，一条炮弹轨迹的计算只需要20s，比炮弹的飞行速度还快。
4.冯·诺依曼与EDVAC计算机
1944年，冯·诺依曼专程到莫尔学院参观了还未完成的ENIAC，并参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议。冯·诺依曼对ENIAC计算机的不足之处进行了认真分析，并讨论了全新的存储程序的通用计算机方案。当军方要求设计一台比ENIAC性能更好的计算机时，他提出了EDVAC方案。
1945年，冯·诺依曼发表了计算机史上著名的First Draft of a Report onthe EDVAC（EDVAC计算机报告的第一份草案）论文，这篇手稿为101页的论文，称为“101报告”。在“101报告”中，冯·诺依曼提出了计算机的五大结构，以及存储程序的设计思想，从而奠定了现代计算机设计的基础。
1952年，EDVAC计算机投入运行，主要用于核武器的理论计算。EDVAC的改进主要有两点：一是为了充分发挥电子元件的高速性能采用了二进制；二是把指令和数据都存储起来，让机器能自动地执行程序。EDVAC使用了大约6000个电子管和12000个二极管，占地45.5m2，质量达7.85t，功率为56kW。EDVAC利用水银延时线作主存，可以存储1000个44位的字，用磁鼓作辅存，并且具有加减乘和软件除的功能，运算速度比ENIAC提高了240倍。EDVAC计算机系统结构草图如图1-8所示。
5.IBM System 360计算机
1964年由IBM公司设计的IBM System 360是现代计算机最典型的代表产品，如图1-9所示。IBM System 360采用晶体管和集成电路作为主要器件。IBM System 360的贡献在于通用化、标准化、系列化，而且从IBM System 360开始有了计算机兼容的重要概念。
图1-8 EDVAC计算机系统结构草图（设计者不详）
IBM System 360计算机的开发过程可说是历史上最大的一次豪赌。为了研发这台大型计算机，IBM征召了6万多名新员工，创建了5座新工厂，耗资50亿美元，历时5年时间进行研制，而当时出货的时间不断延迟。IBM System 360的系统结构设计师是阿姆达尔（Gene Amdahl，1922—2015，美国），项目经理是布鲁克斯（Frederick P.Brooks）。布鲁克斯事后根据这项计划的开发经验，编写了《人月神话：软件项目管理之道》一书，记述了人类工程史上一项里程碑式的大型复杂软件系统的开发经验。
图1-9 IBM System 360计算机和机房工作现场（1964年）
现代计算机诞生后，计算机的基本元器件经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模和超大规模集成电路4个发展阶段（也有些教材认为它们是4代不同的计算机）。计算机的运算速度显著提高，存储容量大幅增加。同时，软件技术也有了较大的发展，出现了操作系统、编译系统、高级程序设计语言、数据库等系统软件，计算机的应用开始进入许多领域。