計算機短軌與系統結枸

計算技術發展簡史

（第二講）

程旭

2014年10月8日

北京大學計算機科學技術系北京大學微處理器研究開發中心

古代計算技術

公元前500年,中國,算盤

將位置標記的概念(conceptofpositionalnotation),引入計算

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古代計算技術

12世紀

塔什干(Tashkent)的牧師

MukhammadibnMusa

AFKhowarizmi

提出編寫出達到一些目標的

操作過程的概念

并出版了一部以“算法

(algorithm)59為主題的書籍

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卜七世紀計算技術

1612,JohnNapier,對數

1622,WilliamOughtred,計算尺(sliderule)

1880的柱狀計算尺(cylindricalSlideRule),

北京大泰陋斛長見位十進制精度

北京大學微處理器研究開發中心

十七世紀計算技術

1642年，PascalMachine

?MechanicalCounterforadditionandsubtraction

?CounterWheelsforstoringdecimalnumbers

?Usedasregisters

?OneRegisteractedasAccumulator

?TechnicalInnovations:

?AutomatictransferofCarry

?UseofComplementRepresentationfornegative

numbers

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PascaPsCalculator-Pascalene(1642)

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十七世紀計算技術

1671年，GottfriedLeibniz

ACalculatorthatcouldperformmultiplicationand

divisionaswellasadditionandsubtraction

StartedwithPascalCalculator

Addedtwoadditionalsetsofwheelsthatcould

performmultiplicationsanddivisionbyrepetitive

additionorsubtraction

UsedChainsandPulleys

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十八世紀和十九世紀計算技術

?1750MechanicalWeavingTechnology

?JacquardLoom(1801)

?Punchedcardformanualinstructionfirst

?UsedmechanicallyinJacquardLoom

?Holesinthepunchedcardsusedforthe

controlofthemovementofpartsoftheloom

?thefirstprogrammableprocesscontrol

machine

?Operationunderprogramcontrol

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Jacquard

Loom(1801)

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十九世紀二十年代

CharlesBabbageDifferenceEngine

Designedtocalculatetheentriesofatableautomaticallyand

transferthemviasteelpunchestoanengraver'splate

?Couldperformonlyadditionandsubtraction

?UsingFiniteDifferencemethodsalargenumberoffunctions

couldbecalculated

?Polynomials

?TrigonometricFunctions

?Usedanumberofmechanicalregisters

?DrivenbysteamenginetoCRANKOUTtheresults

?3rddegreepolynomialsand15digitnumbers

?Automaticmulistepoperations

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CharlesBabbage1791-1871

LucasianProfessorofMathematics,

CambridgeUniversity,1827-1839

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CharlesBabbage

■DifferenceEngine1823

■AnalyticEngine1833

?Theforerunnerofmoderndigitalcomputer!

Application

-MathematicalTables-Astronomy

-NauticalTables-Navy

Background

-Anycontinuousfunctioncanbeapproximatedbya

polynomial--Weierstrass

Technology

-mechanical-gears,Jacquard'sloom,simple

calculators

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DifferenceEngine

Amachinetocomputemathematicaltables

Weierstrass:

?Anycontinuousfunctioncanbeapproximatedbyapolynomial

?Anypolynomialcanbecomputedfromdifferencetables

Anexample

f(n)=n2+n+41

d1(n)=f(n)-f(n-1)=2n

d2(n)=d1(n)-d1(n-1)=2

f(n)=f(n-1)+d1(n)=f(n-1)+(d1(n-1)+2)

allyouneedisanadder!

n01234

d2(n)212121

」.

內⑻21-111

f(n)41"3->47>53A61

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DifferenceEngine

1823

?Babbage'spaperispublished

1834

?ThepaperisreadbyScheutz&hissoninSweden

1842

?Babbagegivesuptheideaofbuildingit;heisonto

AnalyticEngine!

1855

?ScheutzdisplayshismachineattheParisWorldFare

?Cancomputeany6thdegreepolynomial

?Speed:33to4432-digitnumbersperminute!

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Babbages

Difference

Engine1

1832

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AnalyticEngine

1833:Babbage'spaperwaspublished

?conceivedduringahiatusinthedevelopmentof

thedifferenceengine

Inspiration:JacquardLooms

?loomswerecontrolledbypunchedcards

弋Thesetofcardswithfixedpunchedholes

dictatedthepatternofweave=>program

弋Thesamesetofcardscouldbeusedwith

differentcoloredthreadsnnumbers

1871:Babbagedies

?Themachineremainsunrealized.

Itisnotcleariftheanalyticenginecouldbebuilt

eventodayusingonlymechanicaltechnology

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Babbage's

DifferenceEngine2

and

AnalyticalEngine

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1834BabbageAnalyticalEngine

OperationVariable

CardsCards

Program

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BabbageAnalyticalEngine

?TheStore:Memoryunitconsistingofcounter

wheels

?TheMill:Thearithmeticunitcapableof4operations

usedapairofregisterandproducedresultsstored

inanotherregisterinthestore

?OperationCards:SpecifiedoneofFouroperations

?VariableCards:Specifiedthememorylocationtobe

used

?Output:Printerorpunch

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AnalyticEngine

Thefirstconceptionofageneral-purposecomputer

1.Thestoreinwhichallvariablestobeoperatedupon,as

wellasallthosequantitieswhichhavearisenfromthe

resultsoftheoperationsareplaced.

2.Themillintowhichthequantitiesabouttobeoperated

uponarealwaysbrought.

Theprogram

Operationvariablelvariable?variables

Anoperationinthemillrequiredfeedingtwopunchedcards

andproducinganewpunchedcardforthestore.

Anoperationtoalterthesequencewasalsoprovided!

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Thefirstprogrammer

AdaByronaka“LadyLovelace“1815-52

Ada'stutorwasBabbagehimself!

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Babbage'sInfluence

■Babbage'sideashadgreatinfluencelater

primarilybecauseof

?LuigiMenabrea,whopublishednotesof

Babbage'slecturesinItaly

?LadyLovelace^whotranslatedMenabrea3s

notesinEnglishandthoroughlyexpanded

them.

“???AnalyticEngineweavesalgebraic

patterns...^

■Intheearlytwentiethcentury-thefocusshifted

toanalogcomputersbut

?HarvardMarkIbuiltin1944isveryclosein

spirittotheAnalyticEngine.

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SrfM.iseuni僅zncc

Sueu：vI5::turc

Kelvin's

Tide

Predictor

(1876)

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古代及近代計算技術

公元前500年，中國，算盤

12世紀，Al'Khowarizmi，算法

1612,JohnNapier,對數

1622,WilliamOughtred,計算尺(sliderule)

1642,BlaisePascal,自動進位的加法機器

齒輪驅動的撥盤,在窗口中顯示累加和

1822,CharlesBabbage,差分機(differentialengine)

單一功能的專用機器

1833,解析機(AnalyticalEngine)

具有現代計算機的基本部件=>計算機之父

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二十世紀前葉計算技術

?1932-VannevarBush'smechanical

computer(calculus)

?Late30's-Zuse,Stibitz,Aiken-

electomechanicalcomputer

?1937-42-Atanasoff-BerryComputer:first

electronicdigitalcomputer

?1943-TuringandNewman-Colossus

(Decryption)

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ElectomechanicalComputers

Limitations:

?InertiaofMovingParts-limitscomputationspeed

?Useofgearsandleversetc.tomovedatais

cumbersomeandunreliable

?Equipmentbulk

Computerswithnomovingparts!

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MITDifferentialAnalyzer(1930)

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VannevarBush'sMITDifferentialAnalyzer(1930)

VannevarBush,MIT,builtalarge-scaledifferentialanalyzerwiththeadditional

capabilitiesofintegrationanddifferentiation;perhapsthelargestcomputational

deviceintheworldin1930.

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KonradZuse9sZ-1(1935)

arelaycomputer,usingbinaryarithmetic

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AikensModel-K(1937)

HowardAikenatHarvard

University,whoseworkwould

cometofruitionin1944,and

GeorgeStibitzatBellTelephone

Laboratorieswhowaslooking

attheuseoftelephonerelaysin

doingarithmetic.Hefirst

constructedarelaydriven

arithmeticunitin1937(which

helatercalledtheModel-K

sinceitwasbuiltonthe

Kitchentable)andfromthat

smallstartbuiltanumberof

relaymachinesthatwereinuse

duringWorldWarII

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LinearEquationSolver

JohnAtanasoff,IowaStateUniversity

19300

?AtanasoffbuilttheLinearEquationSolver.

?Ithad300tubes!

Application:

?LinearandIntegraldifferentialequations

Background:

?VannevarBush'sDifferentialAnalyzer

-ananalogcomputer

Technology:

?TubesandElectromechanicalrelays

Atanasoffdecidedthatthecorrectmodeof

computationwasbyelectronicdigitalmeans.

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1936-39Atanasoff/BerryComputer(ABC)

ScientificAmericanAugust1988

?Specialpurposepp.90-96:Dr.AtanasofffsComputer

-solvingsimultaneousequations

Electronicdigitalcomputation

Electronicswitching

Separatememory

Memoryregeneration

Binarynumbersystem

Vectorprocessing

Clockedcontrol

Capacitor-drummemories

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Colossus-MarkI(1943)

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IBM/HarvardMarkI(1944)

Thefirstlargescale,automatic,generalpurpose,electromechanicalcalculator

■Builtin1944inIBMEndicott

laboratories

?HowardAiken-Professor

ofPhysicsatHarvard

?Essentiallymechanicalbut

hadsomeelectro-

magneticallycontrolled

relaysandgears

?Weighed5tonsandhad

IheIBM/HanardMarkI<1943)TheMmki心litefirstuvnipklclyauiomatk:,digitalcom-

puLet.IlWH、cbhuuiiailyanckjcUmwhanicalrvcreationatBabbage^AnalyticalEngine.The750,000components

Mark1的那pressedmt。serviceperformingnnvnlweapojwcalciilaii<m5duringWerridWarH.?Asynchronizingclockthat

weighedMera)盤〃nd

beatevery0.015seconds

a*，*(66Hz)

Performance:

0.3secondsforadditionBrokedownonceaweek!

6secondsformultiplication

1minuteforasinecalculation

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數字邏輯

■GeorgeBooleinventsBooleanalgebra

?1848年，出版了HheMathematicalAnalysis

ofLogic》,將邏輯命題和射到待號，maps

logicalpropositionstosymbols,使得向用數

學南方在處理邏輯語句

?1854年，出版了《TheLawsofThought》,

介紹了現在以他的名字命名的布爾代數。

?Numbersystemwith2values

V0/1《==》真/假

早Domathonlogicstatement

?3operations(NOT,AND,OR)

NOT

A?0;t

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數字電路

■ClaudeElwoodShannon

?1938,MIT,電氣工程碩士學位，碩士論文題目是

《ASymbolicAnalysisofRelayandSwitching

Circuits》（繼電器看開關電路的符號分析）。＜

布爾代數分析并優化開關電路，奠定了數字電路

的理論基礎。

—

1—Out

A?0;t

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1937,AlanTuring

Whilenotusingthepractical

technologyoftheera,Alan

Turingdevelopedtheideaofa

“UniversalMachine"capable

ofexecutingany

describablealgorithm,and

formingthebasisforthe

conceptof''computability''.

Perhapsmoreimportantly

Turing'sideasdifferedfrom

thoseofotherswhowere

solvingarithmeticproblems

byintroducingtheconceptof

“symbolprocessing”.

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1937年，當A.M.Turing提出圖靈機概念時,

也許人們并不知道存儲程序計算機對人類社會的

真正意義；然而，在此之后的半個多世紀，人們

卻在科學、技術，甚至哲學、法律等社會的各個

領域都品味到計算機的強大震撼力。有些我們現

在看來理所當然的處理器的特點，在計算機不長

的歷史上也的確經歷了一個不短的認識過程。了

解這個過程，包括其技術背景和器件工藝背景，

對我們研究將來的計算機以及用好現在的計算機

都是有益的o

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“Ithinkthereisaworld

marketformaybefive

computers.”

ThomasWatsonSenior,

ChairmanofIBM,1943

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Generations

1:1950~59VacuumTubes

2:1960~68Discretetransistor

3:1969~77ICs

4:1978-?LSIandVLSI

5?:Japaneseproject

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TheFirstGeneration

UseVacuumTubesforswitchingandstorage.

ATriodeinventedin1906becameabuildingblock.

Structure?

Turing:

?In1937gavethemathematicalfoundations

intermsofTURINGMACHINEwhichcan

emulateanyothercomputer.

?HetriedtobuildacomputerACE

AutomaticComputingEngine(ACE)wascompletedin1947

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通用電子計算機的起源

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第一臺通用電子計算機--ENIAC1946年2月14日

ElectronicNumericalIntegratorandCalculatorJ.PresperEckert&

JohnMauchly

MooreSchool

UniversityofPennsylvania

Size:80feetlong

8.5feethigh

18,000vacuumtubes

5000additions/sec.

Theworld'sfirstgeneral-purposeelectroniccomputer

conditionalJumpandbeprogrammable,distinguisheditfromearlierones

Usedforcomputingartilleryfiringtables

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ENIAC

■InspiredbyAtanasoffandBerry,EckertandMauchlydesignedandbuilt

ENIAC(1943-45)attheUniversityofPennsylvania

■Thefirst,completelyelectronic,operational,general-purposeanalytical

calculator!

?30tons,72squaremeters,200KW

■Performance

?Readin120cardsperminute

WW-2Effort

?Additiontook200)is,Division6ms

?1000timesfasterthanMarkI

■Notveryreliable!

Application：Ballisticcalculations

angle=f(location,tailwind,crosswind,

airdensity,temperature,weightofshell,

propellantcharge,...)

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Accumulator

■28vacuumtubes

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ENIACwasNOTa“storedprogram^device

■Foreachproblem,someoneanalyzedthe

arithmeticprocessingneededandpreparedwiring

diagramsforthecomputerstousewhenwiringthe

machine

■Processwastimeconsuminganderrorprone

■Cleaningpersonneloftenknockedcablesoutof

theirplaceandjustputthembacksomewhere

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Wiringthemachine

FunctionTables

北岸究開發中心1

GQ@@：@&；￡j.：.i0。:3G：36：<>.Q

CBSG：a：G：0：&或NN*U*Q。.

在仃??："仁4.1

Q.6

PulseDiagram

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ENICA:ElectronicNumericalandIntegrateCalculator

MauchlyandEckert

?FirstGeneralPurposeComputer:Wasdesignedfor

ballisticcalculationsbutwasusedforH-Bomb

design

?30Tons,15,000SquareFt.,18,000VacuumTubes,

140KW

?5,000additionspersecond

?Useddecimalarithmetic

?Memoryhad20accumulatorsfor10digitnumbers

?Programmingrequiredsettingswitchesand

pluggingcablesmanually

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ENIAC

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ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer(EDVAC)

■ENIAC'sprogrammingsystemwasexternal

?Sequencesofinstructionswereexecuted

independentlyoftheresultsofthecalculation

?Humaninterventionrequiredtotakeinstructions

“outoforder”

■Eckert,Mauchly,JohnvonNeumannandothers

designedEDVAC(1944)tosolvethisproblem

?Solutionwasthestoredprogramcomputer

="programcanbemanipulatedasdata”

■FirstDraftofareportonEDVACwaspublishedin

1945,butjusthadvonNeumann、signature!

?In1973thecourtofMinneapolisattributedthe

honorofinventingthecomputertoJohnAtanasoff

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StoredProgramComputer

Program=Asequenceofinstructions

Howtocontrolinstructionsequencing?

manualcontrolcalculators

automaticcontrol

external(papertape)HarvardMark1,1944

Zuse'sZ1,WW2

internal

plugboardENIAC1946

read-onlymemoryENIAC1948

read-writememoryEDVAC1947(concept)

-Thesamestoragecanbeusedtostoreprogramanddata

EDSAC1950MauriceWilkes

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TechnologyIssues

ENIACnEDVAC

18,000tubes4,000tubes

2010-digitnumbers2000wordstorage

mercurydelaylines

ENIAChadmanyasynchronousparallelunits

butonlyonewasactiveatatime

BINAC:Twoprocessorsthatcheckedeachother

forreliability.

Didnftworkwellbecauseprocessorsnever

agreed

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DominantProblem:Reliability

Meantimebetweenfailures(MTBF)

MIT'sWhirlwindwithanMTBFof20min.wasperhapsthe

mostreliablemachine!

Reasonsforunreliability:

1.VacuumTubes

2.Storagemedium

acousticdelaylines

mercurydelaylines

Williamstubes

Selections

ReliabilitysolvedbyinventionofCorememoryby

J.Forrester1954atMITforWhirlwindproject

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第一臺可操作的存儲程序機器-一Mark-I

Theworld'sfirstoperationalstored-programmachine

1948年，曼徹斯特大學，小型計算機樣機

存儲器大小:32字（可擴充到8K字）

機器字長：32位

6條指令：

jump

IoadaccumuIatornegative

substract

storeaccumuIator

testforzero

stop

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第一臺全面的、可操作的、存儲程序計算機一EDSAC

Theworld'sfirstfull-scale,operational,stored-programcomputer

MauriceWilkes,CambridgeUniversity

EDSAC:ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator

1949年，EDSAC開始運行

其基于累加器的結構和其

指令系統設計

對以后一段時期的機器設

計有著重要影響

北京大學計算機科學技術系

ThevonNeumannMachine

StoredProgramComputer

IAS(lnstituteforAdvancedStudy)

Computer

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存儲程序的思想即構成計算機程序

的指令可同數據一樣事先存放到存儲器中,

然后由計算機自己一條條取出執行。

這種思想很自然地引出了轉移指令和

可對指令的地址部分進行修改的概念，從

而使一段程序的指令可以自動地被有意義

地多次執行。

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IASComputer

?Mainmemorywhichstoresbothdataandinstructions

?Anarithmetic-LogicUnitcapableofoperatingonbinary

data

?Acontrolunitwhichinterpretstheinstructionsin

memoryandcausesthemtobeexecuted

?InputandOutputequipmentoperatedbythecontrolunit

?1000wordsof40bitseach

?SignedMagnituderepresentationofnumbers

Instruction082028

FormatOpcodeAddressOpcodeAddress

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IASComputerDetails

CentralProcessingUnit

IAS:InstituteforAdvancedStudy(1952)

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IASInstructionSet

?21Instructions

eDataTransfer

eUnconditionalBranch

eConditionalBranch

?Arithmetic

?AddressModify

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IAS機器的設計采用基于累加器的結構.

指令系統含有五種指令：數據傳送、無條件轉移、

條件轉移、算術運算和地址修改。另外，IAS可

以從主存中一次取出兩條指令,并且把不立

即執行的指令存放在指令緩沖寄存器中。

IAS計算機的設計，是對前人工作的一個總

結，它使存儲程序的思想和計算機的設計緊密聯

系在一起，從而開辟了計算機技術發展的廣闊前

景。他們的設計在計算機發展史上起到了承前啟

后的作用。

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HarvardArchitecture

?Separatememoriesforinstructions

anddata

?NamedforAiken'sMarkI*IV

machines

?Todayusedforseparatecaches

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這個時期的機器主要利用電子

管來實現。一般主存用靜電管和延

遲線，輔存用紙帶、穿孔卡和延遲

線。由于硬件的昂貴，這一時期的

機器大都采用基于累加器的結構，

而且僅能實現極少一些必須的機器

指令，大多數機器的設計目的主要

是用于進一步研究。

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計算機產業的形成

做為節約人類勞動工具的計算機，只有在形成

產業之后才可能在社會上得以廣泛應用。

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Laterof1946,EckertandMauchly,inapatentdispute

withtheUniversityofPennsylvania,lefttheUniversityto

establishthefirstcomputercompany-ElectronicControl

Corp,withaplantobuildtheUniversalAutomatic

Computer(UNIVAC).Aftermanycrisestheybuiltthe

BINACforNorthrupAviation,andweretakenoverby

Remington-RandbeforetheUNIVACwascompleted.At

thesametimetheElectronicResearchAssociates(ERA)

wasincorporatedinMinneapolisandtooktheir

knowledgeofcomputingdevicestocreatealineof

computers;laterERAwasalsoassimilatedinto

Remington-Rand.

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1951年6月,Eckert-MauchIy計

算機公司開始交付UNIVACI機器，

這種機器售價為250,000美元，

共生產了48套系統，從而使之成

為第一臺成功的商業化計算機。

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UNIVAC-1(1951)

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UNIVACConsole

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1952年，IBM公司推出了它的

第一臺機器-----IBM701,在這臺

機器中使用了威廉管(Wi11iarrfs

tube)存儲器。

這種機器一共生產了19套;租

金為$15,00為月。

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IBM701(1952)

ELECTRONIC

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Whirlwind(1951)

JayForres