《计算机组成与体系结构（原书第4版）》 —1.5.2　第一代：电子管计算机（1945～1953年）

1.5.2　第一代：电子管计算机（1945～1953年）

虽然巴贝奇经常被称为“计算之父”，但他的机器是机械的，不是电或电子的。20世纪30年代，康拉德·楚泽（1910—1995）在巴贝奇的基础上增加了电的技术，并对巴贝奇的设计进行了其他改进。楚泽的计算机Z1使用机电式继电器代替了巴贝奇机器的手摇齿轮。Z1可编程并有一个存储器、一个算术单元和一个控制单元。由于战争时期的德国缺乏资金和资源，所以楚泽使用废弃的电影胶片替代穿孔卡片作为输入。按照设计，他的机器应该使用电子管，但是当时楚泽买不起电子管。因此，虽然没有使用电子管，但Z1确实属于第一代计算机。

Z1是楚泽在柏林父母家的客厅里建造的，当时德国正在与欧洲绝大多数国家打仗。幸运的是，他没能说服纳粹购买他的机器。他们没有意识到这样一个设备会给他们带来的战术优势。盟军的炸弹炸毁了楚泽所有最早的3个系统Z1、Z2和Z3。直到战争结束楚泽的令人印象深刻的机器都不能得到细化，而且最终成为计算机史上另一个“进化的死胡同”。

正如我们今天所知道的，数字计算机是在20世纪30年代到40年代许多人的工作成果。帕斯卡的基本机械计算器由很多人同时设计和修改，现代电子计算机也同样如此。尽管关于谁建造了第一台计算机的争论不断，但下面3个人作为现代计算机的发明者脱颖而出：约翰·阿塔纳索夫、约翰·莫克利和J.普瑞斯伯·艾克特。

第一个完整的电子计算机的建造归功于约翰·阿塔纳索夫（1904—1995）。阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff Berry Computer，ABC）是一个用电子管建造的二进制计算机。因为这个系统专为解决线性方程组的问题而建造，所以我们不能称它为通用计算机。然而，ABC有一些特征与几年后发明的通用ENIAC（电子数字积分计算机）相同。这些共同特征引起了关于电子数字计算机的发明（和专利权）应该归功于谁的相当大的争议。（有兴趣的读者可以在涉及阿塔纳索夫和ABC的相当冗长的法律诉讼中找到更详细的内容，见参考文献Mollenhoff\[1988\]。）

约翰·莫克利（1907—1980）和J.普瑞斯伯·艾克特（1929—1995）是1946年发明的ENIAC的两个主要发明人。ENIAC被公认为是第一个全电子的通用数字计算机。这个机器使用了17 468个电子管，占地1800ft2，重达30t，耗电174kW。ENIAC有1000个信息位（大约20个10位十进制数）的存储容量，使用穿孔卡片存储数据。

约翰·莫克利对于电子计算机器的想象力，源于他以数学方式预报天气的终身兴趣。在费城附近的伍西努斯学院担任物理学教授期间，莫克利发明了几十个加法机器，学生操作员处理成堆的数据，因为他认为这会揭示数学关系背后的天气模式。他认为，如果计算能力能够再强一点，那么他就可以达到这个似乎超出他能力的目标。根据盟军战争的结果，为了学习电子计算，莫克利自愿参加了宾夕法尼亚大学摩尔工程学院的电子工程速成班。学习完这个课程之后，莫克利在摩尔工程学院得到了一个教职，在那里他教了一个名叫J.普瑞斯伯·艾克特的聪明学生。莫克利和艾克特有一个共同的兴趣，即建造一台电子计算设备。为了确保建造机器需要的资金，他们写了一个正式的建议交由学校审查。他们尽可能保守地描绘这台机器，把它称为“自动计算器”。虽然他们可能知道使用二进制编码系统的计算机能够最有效地工作，但是为了适应大型电子加法机器的建造，莫克利和艾克特设计的系统使用的是十进制数。学校拒绝了莫克利和艾克特的建议。幸运的是，美国军方对此很感兴趣。

1946年美军的征兵海报

在第二次世界大战期间，军队对于计算新弹道武器的轨迹的需求无法满足。他们雇用了数千人充当“计算机”，为了计算射击表，这些人旋转着仪器曲柄进行所要求的计算。当意识到一台电子设备可以把弹道表计算时间从几天缩短到几分钟后，军队资助了ENIAC。而ENIAC确实把计算一个弹道表的时间从20h缩短到30s。不幸的是，这台机器直到战争结束都没有准备好。但是ENIAC已经展示出电子管计算机的快速和可用性。在之后的十年间，电子管系统不断改进，并在商业上取得了成功。什么是电子管？今天我们所知道的有线世界都诞生于一个名为电子管的电子装置。美国人称电子管为真空管，而英国人称电子管为阀，这种叫法更准确。电子管应该称为阀，因为它们控制着电子系统中的电流，就像阀控制着管道系统中的水流一样。事实上，20世纪中期的一些电子管产品并不是真空的，而是填充了导电气体，比如汞蒸气，它可以提供理想的电气性能。

这种使管子工作的电现象是爱迪生在1883年发现的，当时他试图找到灯泡通电后使灯丝保持燃烧（或氧化）几分钟的方法。爱迪生认为将灯丝放入真空中可以防止氧化。爱迪生并不知道空气不仅助燃，而且也是很好的绝缘体。当他给新连接的钨丝电极通电时，就像以前一样，灯丝不久就变热并烧毁了。然而，这次爱迪生注意到虽然灯丝烧断了，但是电仍持续地从灯泡内暖的负端流向冷的正端。1911年，欧文·威兰斯·理查森分析了这种现象。他得出的结论是，当带负电荷的灯丝被加热时，电子就会“沸腾”，就像可以煮沸水分子产生蒸汽一样。他形象地将这种现象称为热电子发射。

正如爱迪生所记录的那样，热电子发射被许多人认为只是电的一种奇特的特性。但是1905年，爱迪生的前助理英国人约翰·A.弗莱明（John A.Fleming）看出爱迪生的发现不仅仅是新奇。他知道热电子发射仅支持电子在一个方向流动：从带负电荷的阴极到带正电荷的阳极，也称其为板极。他意识到这种行为可以整流交流电。也就是说，它可以将交流电变成直流电，这对电报设备的正常运行至关重要。弗莱明用他的思想发明了一个电子阀，后来称为二极管或整流器。

二极管非常适合将交流电变成直流电，但是电子管的最大功用还没有被发现。1907年，美国人李·德弗雷斯特在二极管基础上增加了第三个极，即控制栅极。当控制栅极携带负电荷时，可以减少或防止电子从二极管的阴极流向阳极。

当德弗雷斯特为他的装置申请专利时，他将其称为三极检波管。它后来被称为三极管。下页右图给出了三极管的原理图符号。

三极管既可以用作开关也可以用作放大器。在控制栅极上电荷的微小变化能够引起阴极和阳极之间的电流的很大变化。因此，一个施加于栅极的弱信号产生的结果是在板极输出一个强很多的信号。若一个足够大的负电荷施加到栅极，则会阻止所有的电子离开阴极。

最终加到三极管中的控制栅极允许更精确地控制电流。有两个栅极的管子称为四极管，有三个栅极的管子称为五极管。三极管和五极管是最常用在通信和计算机应用中的管子。通常，两个或三个三极管或五极管组合在一个封套内，所以它们能共用一个加热器以减少特定装置的功耗。这些现代设备称为“小型”管，因为它们大多高约2in（5cm）、直径为0.5in（1.5cm）。二极管、三极管和五极管的大小比家用灯泡要小一些。

电子管不适合建造计算机。甚至最简单的电子管计算机也需要数千只管子。加热这些器件的阴极需要巨大的电能。为了防止烧坏设备，热量必须尽快从系统中排出。在较低的电压下运行阴极加热器，可以减少功耗和散热。但是，这样做会使管子的开关速度变得更慢。尽管存在局限性和功耗问题，但是由电子管建造的模拟计算机系统和数字计算机系统仍使用了很多年，是所有现代计算机系统的架构基础。

虽然制造电子管计算机已经是几十年前的事了，但是电子管仍然用在音频放大器中。这些“高端”放大器受到音乐家的青睐，他们认为电子管提供的洪亮悦耳的声音是固态器件无法达到的。