計算機發展中的硬件和軟件

劉旌揚

摘 要：自從1946年第一臺電子計算機問世以來，我們的世界經歷了革命性的變化。從大型軍用計算機，到80年代的個人計算機浪潮，再到如今的移動智能手機。現如今，計算機的硬件和軟件都開始以極快的速度發展，我們也在跟著時代進步的同時，思考這其中的客觀規律。

關鍵詞：計算機；硬件發展；軟件發展

中圖分類號：TP32 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0032-02

隨著2016年9月16日第七代蘋果手機的問世，我們的生活再一次被更加先進的通話技術，更加便捷的移動支付和照相功能推動。短短幾年，蘋果手機帶來了一股科技風暴，讓所有熱愛新技術，新產品的群眾走上了浪潮之巔。我們很難想象，在短短70年間，從ENIAC到蘋果七代手機，計算機經歷了怎么樣翻天覆地的變化。

1 計算機產業發展概述

計算機發展至今天，顯然不是一蹴而就的，期間經歷了漫長的探索和彎路，才形成了最后穩定的體系。計算機發展的雛形最早要追溯到世界大戰期間，盟軍為了破獲德國的軍事密碼，邀請了大量學者進行研究，可結果令人失望。破譯密碼并不是單純依靠人力可以解決的問題，其原因是破譯密碼需要海量的重復實驗和計算，這個計算量遠遠大于科學家的能力范圍。當時作為盟軍智囊團的阿蘭-圖靈第一個意識到這個問題的可解決性。也就是說，人類是否可以制造出一臺有計算能力的機器，從而幫助自己完成無休止的加減乘除，一旦這個目標可以達成，我們便有望在有限的時間里完成足夠多的計算，從而破譯密碼，完成戰爭的目的。

盟軍依靠圖靈的智慧擊敗了德國，但計算機的發展才剛剛開始。計算機之父馮·諾依曼研究了圖靈的理論之后，意識到這個想法可能會永遠改變人類的生活方式。諾依曼提出了一個可行的計算機模型，計算機由五個部分組成：輸入設備，輸出設備，運算器，控制器，存儲器。這五個部分相互協調，便可以完成理論上人類需要的所有計算任務。原理是，輸入和輸出設備通過和外界的接觸，能夠獲取外界的需求，在完成計算后返回結果，讓外界知悉。運算器由邏輯電路組成，負責進行邏輯運算，存儲器有堆棧結構組成，負責存儲外部輸入的數據，控制器是計算機最核心的部件，負責調配整個計算機的資源，并且根據不同任務的重要性分配資源。我們不妨通過一個實例來了解計算機的工作原理，我們的計算機原本處于待機狀態，消耗比較少的能量來維護基本功能的進行。這時我們需要計算機運行一個“1+1”的任務，首先，控制器讓計算機進入工作狀態，分配給這個任務一定的資源幫助其完成任務。其次，輸入設備向用戶開放，獲取用戶讀到的數據，接著存儲器將用戶輸入的信息變成計算機可讀的代碼，保留在存儲器中，然后運算器進行運算，最后輸出設備，例如顯示屏和打印機完成輸出功能，用戶可以獲得想要的結果。

然而，我們現在的設想仍然建立在一個沒有生命的機器上，如何使得有金屬和硅制成的計算機能夠按照我們的意愿工作，是我們的下一個目標。

因而，計算機軟件的發展才是解決問題的核心，我們不妨將硬件看作一個工廠，將軟件看作在工廠工作的工人。如何設計優質的軟件幫助人們解決問題，便是計算機發展第二階段最為關鍵的問題。我們知道，計算機軟件同樣有著自己的結構。在一臺計算機上，首先我們應該擁有一個操作系統，操作系統是一切軟件的根。我們在操作系統這個“操場”里才能進行各種軟件的開發和使用。在操作系統之上，自然而然有著應用軟件，應用軟件的功能是多樣的，我們現在看來，有太多的功能需要我們開發去實現。目前的電子銀行，電子消費，模式識別等等，都是我們需要探索的新空間。

那么，計算機硬件和軟件的發展，究竟有著什么樣的聯系呢？

2 硬件和軟件的相互推動

說起計算機產業的發展，有一個人的名字不得不提，那就是比爾-蓋茨，一個締造了計算機羅馬帝國的傳奇人物。

在蓋茨上大學期間，世面上還流行了笨拙的DOS系統。那個年代，只有極少數人擁有駕馭計算機的能力，冗長的操作程序的枯燥的界面使得大部分人對這個機器沒有興趣。可蓋茨卻發現了里面的商機，如果讓大眾喜歡上計算機并且每個人都擁有一臺，豈不是可以一本萬利，坐享其成？于是偉大的蓋茨便在自家后院的車庫中埋頭苦干，終于研制除了windows1.0版本。Windows這個詞最后改變了世界，因為其提出的“視窗”概念帶來了一個革命。偉大的人就是可以抓住機會名垂千史，普通的程序員是無論如何也無法發現將計算機的操作變得簡化可以給自己帶來無限的利潤，他們在意的僅僅是如何寫出更加難得程序使得自己得到認可。于是，在微軟操作系統windows3.0誕生之后，它如同一陣旋風席卷世界，群眾發現原來計算機的使用并沒有想象中那么復雜，于是，購買計算機的概念便在這個時候成型了。

然而，計算機誕生初期是為美國軍方服務的，早在1946年，第一臺計算機ENIAC的價格邊高達數十萬美元，這是普通民眾萬萬不能承受的價格。要使得計算機走入普通人的生活，必不可少的一個步驟是硬件的發展和價格的降低。

在計算機誕生的初期，人類利用電子管形成邏輯電路，利用高低電壓來判斷邏輯的是非，這個概念隨著晶體管的發展而得到革新，在60年代，以肖克力為首的材料物理學家極大地推動了計算機的發展。計算機的計算能力和物理尺寸主要參數是電路的數量和規模，在計算機功能不斷擴大的今天，計算機的電路數量正在以幾何的數量增加，唯一的解決方法便是通過材料和工藝的發展，使計算機的電路規模變得越來越小。于是，半導體工藝，集成電路工藝在那個年代得到了極大的發展，科學家已經足夠將計算機做成普通人可以接受的大小了。

還有一個問題值得深思，計算機的硬件要比軟件更難形成微軟“一家獨大”的局面。本質上的原因我們在前文已經分析過了，計算機的硬件需要由五個部分組成，每個部分的發展都需要極大的人力，金錢和時間。一個公司不可能在大力研究顯示屏的同時研制最新的芯片。于是，計算機硬件領域的分工便在這時開始了，以英特爾為首的公司開始研究芯片的制造，以高通公司為首的一部分開始研究數據傳輸的方法，以惠普公司為首的其余開始研究顯示屏，打印機，等人機交互設備。這樣，我們只需要將這些公司的產品進行整合，一臺計算機便有了自己的硬件結構，配以軟件的支撐，便可以為普通人所用了。

3 計算機發展的黃金模式

從上世紀80年代開始，計算機發展進入了前所未有的黃金模式，以微軟為首的軟件公司獨霸操作系統，形成了在所有計算機上安裝微軟系統的格局，每一臺計算機一旦安裝微軟系統，就必須向微軟繳納一定量的版權和使用費用，這樣微軟每復制一份軟件，就可以得到一份可觀的收入，這個商業模式一直持續到今天，也沒有人可以撼動。可以說，微軟靠著版權和軟件業的壟斷，建立了計算機世界的羅馬帝國。而相應的硬件生產商，也隨著微軟的步伐不斷獲得利益。現在的計算機已經形成了高度的集成化，沒有一家公司可以獨立完成計算機硬件的所有工藝。我們需要來自英特爾的芯片，來自高通的網卡，來自其他公司的顯示屏，驅動裝置。一旦這些公司各司其職，各取所需，一個龐大的產業鏈就開始形成，這個時候，用戶面對的是一臺高度集成的計算機，各家公司已經為用戶完成了一切前期的配置安裝，用戶需要做的僅僅是完成自己需要的任務。例如，有的用戶利用計算機進行辦公，有的利用計算機進行娛樂，有的利用計算機進行日常的生活購物，記錄，存儲等功能。這些功能在計算機高度發展的今天已經是家常便飯，隨時可以獲得了。

4 結語

計算機在人類發展歷史上絕對是濃墨重彩的一筆，沒有計算機，便沒有我們的今天。我們在使用計算機的同時，也要開始思考，究竟是什么人造就了計算機，是什么人開發了計算機的功能，是什么人提出了個人計算機的概念，是什么趨勢推動了計算機分結構，分功能地高速發展，最后形成了若干家公司占有了計算機領域不可撼動的地位，獲得了大量的利益。只有知道了這些事實，我們才能對手里的手機，更加確切說是小型移動計算機有更加深入的了解，并且預測未來計算機發展的趨勢和方向。