计算机简史：从计算器到手机

计算机（特别是手机）已经改变了人们的生活方式，但是我们却很少关心计算机底层原理。

有句名言：“不认识整体就不可能认识局部”。

程序员为了更好的掌握编程技术，应该对计算机体系有全面的了解。

所以通过讨论计算机的发展简史，来回答刚刚上面提到的问题。

讨论内容：

人类一直在认知自然世界，认知过程中发展出了数学和逻辑学。

通过这两个工具，人类发现了大自然的许多规律。

比如：几何解释了图像面积大小和物体空间关系；经典物理力学解释了物体运动规律。

但是这一切认知过程都需要人通过大脑进行思考和计算，人们希望能有一种工具能帮助人来进行思考和计算。

于是人们打算发明一种机器来模拟（编程）人脑的思维和计算过程。

模拟人脑思维过程比较难，就是现在火热的人工智能，要创造出一种智慧生命。

于是人们打算从简单的数学计算入手，先发明一种能够数学计算的机器。

数学计算中最简单的就是加减乘除。

首先乔治·布尔提出了二进制理论，将数学中阿拉伯数字的十进制，转化为简单的01表示的二进制。这样机器只需要认识0和1两个数字就可以认识所有数字了。

然后克劳德·香农提出了信息论，用电的高电压和低电压来表示数字0和1。于是机器就学会认识数字。在通过电子继电器生成逻辑学的“与或非”组件，将组件组合成一个简单的加法器。

终于让机器学会了最简单的数学计算1+1=2。

在这基础上，人们在发明出了更加复杂的计算电路，让机器真正掌握了数学的基本运算。

于是人们发明出了第一个计算器。

人们在拥有了计算器之后，就碰到了新的问题。

发现计算器虽然能够帮助人们进行数学运算，但是一个复杂的计算公式需要经过多次简单计算，运算过程中产生的临时数据还需要人工手动记忆，然后使用到下一次简单计算中。

人们希望发明一种能够自动连续计算的机器。

在二战期间，美国为了研究新式武器，产生了大量的数学计算需求，于是大力支持计算机技术。

约翰·冯·诺依曼提出一种计算机理论体系，才发明出了第一台真正意义上的计算机。

冯诺依曼体系结构有以下特点：

计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示；

指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中；

顺序执行程序的每一条指令；

计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

冯诺依曼体系结构的计算机必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中；

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；

能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；

能够按照要求将处理结果输出给用户。

冯·诺依曼将计算机分为硬件和软件两部分。

硬件：数据总线、运算器、控制器、内存、输入设备、输出设备；

软件：使用硬件提供的机器指令编写程序，并且可以存储起来，每次将程序加载到内存中，让硬件按指令顺序执行。

早期的计算机输入输出形式是纸带形式。

这时的计算机更像咱们小时候玩的小霸王游戏机，程序都是卡带，需要自己手动进行程序的切换。

计算机的管理程序：操作系统

计算机能够执行程序之后，人们发现程序的加载需要人工操作，这样造成了两个新问题。

第一，效率问题，大量重复性的人工操作并且人的操作速度远远慢于计算机执行速度；

第二，单任务模式，程序处理输入输出信息时，造成CPU等待，没有最大化利用计算机；

人们希望计算机能够自动管理多个程序的执行过程。

最开始人们编写了监控程序，能够自动在程序结束后，让CPU执行后续程序；

后来慢慢的丰富了监控程序的功能，发展成了操作系统。

这样让硬件和程序中间增加了一个操作系统层，让计算机更加容易使用。

有了操作系统之后，计算机才成为现在的样子。

硬件发展过程

计算机的发明之前，人们先发明了计算器；

然后发明了计算机理论，发明了类似小霸王游戏机的早期计算机；

然后增加了操作系统程序，让计算机更加易用，才是现代的计算机；

然后冯诺依曼体系结构的计算机不断进化。朝着CPU更快、内存更大、输入输出设备更多、计算机小型化、移动化等方向发展；

最后出现了手机，这种移动端的小型化计算机形式。

操作系统发展过程

计算机的硬件能力越来越强，提供的功能也越来越多。

为了让计算机更加容易被普通人使用，操作系统从命令模式发展成了可视化模式，特别是windows的视窗系统。

操作系统提供的交互方式也发现了很大的变化，从最原始的开关、到鼠标键盘、到触摸屏、到语音控制。还有一些特殊的输入设备，比如游戏手柄、麦克风、摄像头等。

操作系统也有多样化，针对不同用户和用途，服务器端有linux，PC有windows，移动端有安卓和IOS。

虽然计算机硬件提供了强大的运算能力，但是软件程序才是给人们提供丰富服务的关键。

软件程序是一串计算机指令。

前面说过计算机只能处理二进制数据，硬件提供的是一个二进制的指令集。

最初编程就是使用原始的二进制机器指令，这样非常不容易阅读，很难维护。

然后人们使用了标记符，将指令编号替换成了字符，形成了汇编语言。汇编语言是低级语言，数据结构简单、没有复杂的控制指令等问题，编程效率还是很低下。

然后人们发明了高级语言，如C语言，程序指令更加容易让人理解，但是计算机无法识别，高级语言需要翻译成汇编语言才能被执行。C语言属于面向过程编程，编写早期简单程序还是很方便，但是无法满足复杂业务场景需求，不符合大脑面向对象思维方式。

最后人们发明出了面向对象编程语言，如C++、Java等，添加了类和对象的概念，实现了继承和多态特性，更加符合大脑思维方式。