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摘要:我国清代的计算机 说起电子计算机的历史,世界上公认中国的算盘是最早的手动计算机。算盘包含了现代计算机的基本功能:歌诀相当于控制运算的指令;拨动算盘珠相当于计算的进行

  我国清代的计算机

说起电子计算机的历史,世界上公认中国的算盘是最早的手动计算机。算盘包含了现代计算机的基本功能:歌诀相当于控制运算的指令;拨动算盘珠相当于计算的进行;算盘珠的位置表示计算结果,起贮存和记忆的作用。 1834年,英国数学家巴贝奇对计算机的发展做出了重要贡献。他提出用穿孔卡片携带计算指令控制计算过程,设计了包括控制部分、运算部分和存贮部分的机械式计算机。但由于缺少必要的技术基础,这种计算机没有造出来。1937年,美国人艾肯设计了和巴贝奇方案类似的计算机。艾肯是哈佛大学物理系的研究生,他的设计得到了国际商业机器公司的支持。1939年,这家公司派了4个有经验的工程师与年轻的艾肯合作。 到1944年,这台使用继电器的机电式计算机研制成功并投入使用,每秒运算3次。差不多和艾肯同时代,德国人也试制成功类似的计算机。这些计算机的主要元件是普通电话里的继电器。而继电器开关速度大约是百分之一秒,这大大限制了运算速度,注定了机电式计算机必然是短命的。第二次世界大战促进了电子计算机的发展。在二战中,美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院同阿伯丁弹道研究实验室共同负责给陆军提供弹道表。这是一项十分困难的工作。每一张表都要计算几百条弹道,一个熟练的计算员用台式计算机计算一条飞行时间为60秒的弹道,要花20个小时。显然,已有的运算工具难以保证战争需要。 在此情况下,莫尔电工学院的莫希莱于1942年8月写了一份《高速电子管计算机装置使用》的备忘录,实际上提出了第一台电子计算机的初步方案。这个方案得到了军方代表格尔斯坦中尉的支持,还引起了研究生埃克特的兴趣。经过格尔斯坦向军方申请,得到了15万美元的研制经费。这样,研制小组正式成立并开始了工作。24岁的埃克特担任总工程师,30多岁的莫希莱提供了计算机的总体设想,格尔斯坦则是个精明强干的组织者。 1945年底,这台计算机研制成功,第一台电子计算机出世了。这台计算机由控制、运算、存贮、输入、输出五部分组成,每秒钟运算5000次,比原来的计算机快一千多倍。制作这台计算机,共用18万个电子管,7万只电阻,10万只电容,重30吨,耗电140千瓦,占地170平方米,差不多有十间房子大小。它的实际造价约为48万美元。在这台计算机制造过程中,科学家们就已考虑设计更先进的计算机了。1944年夏季的一天,参加原子弹研制工作的冯诺伊曼遇见了格尔斯坦,在交谈中了解到计算机的研制工作,冯诺伊曼很感兴趣,几天后,他专程赶到莫尔,参加了对计算机的改进工作。 1944年8月到1945年6月,在冯诺伊曼的领导下,研制小组制定了新的改进方案。重大改进有三方面:一是把十进位制改成二进位制;二是利用包含水银柱的特殊电路做存储器;三是把程序外插变做程序内存。按照这一新的设计,1949年英国首先研制出程序内存计算机,它有一个可以贮存一千多个数据的存储器。后来,美国也研制、生产和使用了程序内存计算机。程序内存的电子管计算机常称作第一代电子计算机。它结构复杂,价格昂贵,调试困难,因此发展不快。 1956年,用晶体管制成了电子计算机,这是第二代电子计算机,其运算速度成百倍地增长。 60年代初,每秒运算几十万次的晶体管计算机问世。 1964年,每秒二三百万次的大型晶体管计算机研制成功,并且成批生产。 60年代初期,集成电路取代了晶体管,出现了第三代计算机。 60年代末期,每秒千万次的大型计算机投入使用。到70年代,大规模集成电路在计算机中取代集成电路,电子计算机进入了第四代。 1978年每秒一亿五千万次的巨型计算机已经在运行。由于集成电路和大规模集成电路的发展,计算机出现了向小型化和微型化发展的趋势。 到1977年,全世界已有微机800万台。目前计算机技术仍在发展之中,今后还会有什么新的突破,尚需拭目以待。

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引言

  有意思的是,本世纪60年代初,在我国故宫博物院发现了2台手摇式机械计算机,70年代又发现了8台。这10台计算机现在都已修复完毕,它们分盘式和筹式两种类型。

电脑的发展历史

      电脑的学名叫计算机,电脑是用来做计算的。在古时候,人们最早使用的计算工具可能是手指,英文单词“digit”既有“数字”的意思,又有“手指“的意思。古人用石头打猎,所以还有可能是石头来辅助计算。  缺点:手指和石头太低效了

      后来出现了”结绳 “记事。   缺点:结绳慢,绳子还有长度限制。

      又不知过了多久,许多国家的人开始使用”筹码“来计数,最有名的就要数咱们中国商周时期出现的算筹了。古代的算筹实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子,大约二百七十几枚为一束; 多用竹子制成,也有用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的。数学家祖冲之计算圆周率时使用的工具就是算筹。   算筹的缺点:使用算筹计算太麻烦了,很不方便——计算时需要慢慢摆放。

      于是,人们发明了更好的计算工具——算盘,算盘最早可能在汉代萌芽,在南北朝时期定型,利用进位制计数。使用时需要配合一套口诀——好比计算机的软件。算盘本身还可以存储数字,使用时很方便。至今,算盘还在被使用。

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      15世纪,随着天文和航海的发展,计算工作越来越繁重,计算工具急需改进。

     1630年,英国数学家奥特雷德在使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算时,突然想到,如果用两根相互滑动的对数刻度尺,不久省去了用两脚规度量长度了么。他的这个想法导致了机械化计算的诞生,但奥特雷德对这件事情并没有在意,此后200年里,他的发明也就没有被实际应用。

     18世纪末,发明蒸汽机的瓦特成功制作了第一把计算尺,在尺座上增加了一个滑标,用来“存储”计算的中间结果,这种滑标很长时间一直被后人所沿用。

     1850年以后,计算尺迅速发展,成为工程师随身携带的”计算器“,一直到20世纪五六时年代,计算尺仍然是工科大学生的一种身份标志。

第一台真正计算机的出现

      1623年,法国数学家帕斯卡出生,三岁丧母,后由担任税务官的父亲养大。在帕斯卡小时候,看到父亲费力的计算税率税款的时候,就想帮父亲做点事情。

      19岁时(1642年),帕斯卡发明了人类有史以来第一台机械计算机——帕斯卡加法器。它是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动,只能够做加法和减法。然而,即使只做加法,也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时,棘爪便逐渐升高;一旦齿轮转到0,棘爪就“咔嚓”一声跌落下来,推动十位数的齿轮前进一档。

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      1662年帕斯卡去世,不久后,在德国的大数学家莱布尼茨看到了帕斯卡关于加法计算机的论文,勾引起了他的发明欲。莱布尼茨早年经历坎坷,后来获得了一次去法国的机会,在巴黎的时候,他聘请了一些著名的机械专家和能工巧匠,终于在1674年制造出了一台更完美的机械计算机。

     莱布尼茨发明的新型计算机约有1米长,内部安装了一系列齿轮机构,除了体积较大之外,基本原理继承于帕斯卡。不过,莱布尼茨技高一筹,他为计算机增添了一种名叫“步进轮”的装置。步进轮是一个有9个齿的长圆柱体,9个齿依次分布于圆柱表面;旁边另有个小齿轮可以沿着轴向移动,以便逐次与步进轮啮合。每当小齿轮转动一圈,步进轮可根据它与小齿轮啮合的齿数,分别转动1/10、2/10圈……,直到9/10圈,这样一来,它就能够连续重复地做加法。

连续重复的计算加减法

         连续重复的计算加法是现代计算机做乘除法采用的办法,莱布尼茨的计算机加减乘除四则运算一应俱全。

在介绍莱布尼茨的时候还有一个小插曲。(传说大约在1700年左右的某天,莱布尼茨的朋友送给他一副中国的”易图“,其实就是八卦图,在看八卦图的时候,发现八卦的每一种卦象都有阴阳两种符号组成,这不就是有规律的二进制数字么,于是他就由此,率先系统提出了二进制的运算法则,直到今天,我们用到的计算机还是使用的二进制。)

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      计算机发展到现在还是人去操作机器,还没有实现人与机器的对话,或者会所是把人类的思想告诉机器,让机器按照人的想法去自动执行。说到实现人机对话,就要说一下另外一个行业——纺织业。

      提花编织机是具有升降纱线的提花装置,是一种能使绸布编织出图案花纹的织布机器。

最开始编织机编织图案相当费事。所有的绸布都是用经线(纵向线)和纬线(横向线)编织而成。若要织出花样,织工们必须细心地按照预先设计的图案,在适当位置“提”起一部分经线,以便让滑梭牵引着不同颜色的纬线通过。机器当然不可能自己“想”到该在何处提线,只能靠人手“提”起一根又一根经线,不厌其烦地重复这种操作。

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     1725 年:法国纺织机械师布乔发明了“穿孔纸带”的构想。布乔想出了一个“穿孔纸带”的绝妙主意。布乔首先设法用一排编织针控制所有的经线运动,然后取来一卷纸带,根据图案打出一排排小孔,并把它压在编织针上。启动机器后,正对着小孔的编织针能穿过去钩起经线,其它则被纸带挡住不动。于是,编织针自动按照预先设计的图案去挑选经线,布乔的“思想”“传递”给了编织机,编织图案的“程序”也就“储存”在穿孔纸带的小孔中。

     1790年 的时候法国机械师杰卡德,基本形成了改进提花机的构想,由于当时正是法国大革命时期,杰卡德为了参加革命,无暇顾及发明创造,直到1805年才真正完成”自动提花编织机“的制作。杰卡德为他的提花机增加了一种装置,能够同时操纵 1200 个编织针,控制图案的穿孔纸带后来换成了穿孔卡片。

     在后来电子计算机开始发展的最初几年中,在多款著名计算机中我们均能找到自动提花机的身影。

     18世纪末,法兰西发起了一项宏大的工程——人工编制《数学用表》,由于当时没有先进的计算工具,导致这项工作极其艰巨。发足数学界调集和大批的数学家,组成人工计算的流水线,算的昏天暗地才完成了17卷大部分的书稿,即便如此,计算出的《数学用表》仍有大量错误。

      巴贝奇在他的自传《一个哲学家的生命历程》里写到,大约在1812年的,“有一天晚上,我坐在剑桥大学的分析学会办公室里,神志恍惚地低头看着面前打开的一张对数 表。一位会员走进屋来,瞧见我的样子,忙喊道:‘喂!你梦见什么啦?’我指着对数表回答说:‘我正在考虑这些表 也许能用机器来计算!’”

      巴贝奇的第一个目标是制作一台”差分机“,

      所谓“差分”的含义,是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。那一年,刚满20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴,于1822年完成了第一台差分机,它可以处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低,第一台差分机从设计绘图到机械零件加工,都是巴贝奇亲自动手完成。当他看着自己的机器制作出准确无误的《数学用表》,高兴地对人讲:“哪怕我的机器出了故障,比如齿轮被卡住不能动,那也毫无关系。你看,每个轮子上都有数字标记,它不会欺骗任何人。”以后实际运用证明,这种机器非常适合于编制航海和天文方面的数学用表。

      成功后,巴贝奇连夜上书皇家学会,要求政府资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。政府看到巴贝奇的研究有利可图,破天荒地与科学家签订了第一个合同。

然而,第二台差分机在机械制造工厂里触上了“暗礁”。第二台差分机大约有25000个零件,主要零件的误差不得超过每英寸千分之一,即使用现在的加工设备和技术,要想造出这种高精度的机械也绝非易事。

      由于进度缓慢,到1842年的时候,政府宣布停止对巴贝奇的一切资助,连科学界的有人都用一种怪异的目光看他。

然而在这个时候,巴贝奇收到了一封信,写信人不仅对他表示理解而且还希望与他共同工作。娟秀字体的签名表明了她不凡的身份——伯爵夫人。收到信函不久后,写信的女士来到了巴贝奇的实验室,巴贝奇感觉与这位女士似曾相识,却有想不起在哪里见过。直到这位女士说”您还记得我吗?十多年前,您还给我讲过差分机原理。”看到巴贝奇迷惑的眼神,她又笑着补充说:“您说我像野人见到了望远镜。”巴贝奇恍然大悟,想起已经十分遥远的往事。 原来这位女士是大名鼎鼎的英国诗人拜伦之独生女——阿达·奥古斯塔。

      在大型差分机进军受挫的1834年,巴贝奇提出了一个更新更大胆的设计——通用的数学计算机。巴贝奇称它为“分析机”,它能够自动解算100个变量的复杂算题,每个数字可以达25位,速度每秒1次。

      巴贝奇首先为分析机构思了一种齿轮式的“存贮库”,每一齿轮可贮存10个数,总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓“运算室”,其基本原理与帕斯卡的转轮相似,但他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构、以及在“存储库”和“运算室”之间运输数据的部件。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作。一个多世纪过去后,现代电脑的结构几乎就是巴贝奇分析机的翻版,只不过它的主要部件被换成了大规模集成电路而已。仅此一说,巴贝奇就当之无愧于计算机系统设计的“开山鼻祖”。

      阿达非常准确地评价道:“分析机'编织’的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是,为分析机编制一批函数计算程序的重担,落她的肩头。阿达开天辟地第一回为计算机编出了程序,其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。阿达编制的这些程序,即使到了今天,电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。人们公认她是世界上第一位软件工程师。众所周知,美国国防部据说是花了250亿美元和10年的光阴,把它所需要软件的全部功能混合在一种计算机语言中,希望它能成为军方数千种电脑的标准。1981年,这种语言被正式命名为ADA语言,使阿达的英名流传至今。当然这些都是后话了。

      在当时,两人为把分析机的图纸变成现实,耗尽了全部财产,搞得一贫如洗,在此期间,两人为筹措研究经费,两人还商量“下海创收”,比如制作国际象棋玩具、赛马游戏机等等。但这并没有带来什么改变,为此,阿达还两次把丈夫家中的祖传珍宝拿去当铺换钱,不过后来又被阿达的母亲赎了回来。在经历了贫困交加和无休止的脑力劳动,阿达的身体状况急剧恶化,1852年,年仅36岁的阿达怀着对分析机美好的梦想去世了。

澳门威斯尼斯人网址莫希莱发明电子计算机,计算机初露锋芒。      阿达去世后,巴贝奇又默默的独自坚持了20年,晚年的他已经不能准确发音 和有条理的表达自己的意思,但仍坚持工作。1871年巴贝奇去世。最终分析机没有被制造出来。巴贝奇和阿达设想的分析机超出了他们所处时代至少一个世纪。

      1890年,德国侨民霍列瑞斯博士在美国做人口普查(上一次人口普查人工花了7年),人口普查需要做大量工作,如年龄、性别等用调查表做采集的项目,还要计算每个社区有多少老人、小孩,男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用机器自动统计这些数据。几年后

他根据巴贝奇的发明和杰卡德的穿孔纸带设计了机器。结果花了6周就得出了准确的数据。

杰卡德和霍列瑞斯分别用开创了程序设计和数据处理之先河。以历史的目光审视他们的发明,正是这种程序设计和数据处理,构成了电脑“软件”的雏形。

      1896年霍列瑞斯博士创办了IBM公司的前身。

 到了现在,制造出来的计算机都是机械的,机械计算机向电子计算机发展的过渡时期发生的主要事件。

      1906年,美国的德福雷斯特发明了电子管,为计算机的发展奠定了基础。

      1907年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。真空三极管可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极到屏极的电流完全导通,相当于开关开启;“截止”即从阴极到屏极没有电流流过,相当于开关关闭。其控制速度要比艾肯的继电器快成千上万倍。

 

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     1924年,IBM——一个有划时代意义的公司成立了。

     1936年,美国青年霍德华·艾肯去哈佛共度物理学博士学位,由于博士论文设计设计空间电荷传导理论,需要计算非常复杂的非线性微分方程。艾肯想发明一种机器代替人工计算,幻想有一台计算机帮他解决数学难题。三年后,艾肯在图书馆里发现了巴贝奇和阿达的论文。 博士毕业后,艾肯进入了美国海军军械局做了一名小小的海军中尉。为了实现计算机的梦想,他想到了IBM。正好艾肯的一位老师正在IBM出资创办的“哥伦比亚大学统计局”里任职,艾肯从这位老师这里听说了IBM董事长沃森的大名。这位老师为艾肯写了一封推荐信。艾肯拿到推荐信后,准备好了一份可行性报告,就去找沃森。沃森听完了艾肯的话以后,直接给艾肯划了100W美元。有了钱,艾肯开始了“MARK I”(马克1号)的研发。马克1号借助电流进行运算,最关键的部件采用继电器组成,马克1号上安装了大约3000个继电器。继电器接通电路表示“1”,继电器断开则表示“0”。继电器能在大约1/100秒内接通或断开电路。为马克1号编制计算程序的也是一位女数学家格雷斯·霍波(G.Hopper)。有一天,她在调试程序时出现了故障,拆开继电器后,发现有只飞蛾被夹扁在触点中间,从而“卡”住了机器的运行。于是,霍波恢谐地把程序故障统称为“臭虫”(bug,现在表示电脑系统或程序中的一些缺陷或问题)

    1944年2月,马克1号计算机在哈佛大学正式运行。从外表看,它的外壳用钢和玻璃制成,长约15米,高约2.4米,自重达到31.5吨,他可以每分钟进行200次以上的运算。可以作23位数加23位数的加法,一次仅需要0.3秒;而进行同样位数的乘法,则需要6秒多的时间。

马克1号被称为最后一台“史前”计算机——机械/电动方式。

       时间向前一年,也就是1943年,此时正是二战时期,美国为了实验新式火炮,需要计算火炮的弹道表。需要进行大量计算。一张弹道表需要计算近4000条弹道,每条弹道需要计算750此乘法和更多的加减法,工作量巨大。 你可以想象这样一个场景:一发炮弹大出去,100多人用一种手摇计算机算个不停,还经常出错,费力不讨好。当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利(John Mauchly)于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”,期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。

美国军方得知这一设想后,拨款成立了一个以莫希利、埃克特(John Eckert)为首的研制小组。终于在1946年2月14日,世界上第二台电子计算机,世界上第一台通用计算机 (多个行业都可以使用)埃历阿克”(ENIAC,译成中文是“电子数字积分和计算机”)诞生于美国宾夕法尼亚大学。

     ENIAC长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米,30个操作台,重达30英吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。它包含了17,468根真空管(电子管)7,200根晶体二极管,1,500 个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器,1500个继电器,6000多个开关。
每秒能进行5000次加法运算(据测算,人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算),每秒400次乘法运算,是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。。它还能进行平方和立方运算,计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。
以我们的眼光来看,这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就!原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道,现在只要短短的30秒!

      第一台电子计算机:

      阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,通常简称ABC计算机)在1937年设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组,并在1942年成功进行了测试。然而,这台计算机用纸卡片读写器实现的中间结果存储机制是不可靠的。而且,在发明者约翰·文森特·阿塔纳索夫因为二战任务而离开爱荷华州立大学之后,这台计算机的工作就没有继续进行下去[2]。ABC计算机开创了现代计算机的重要元素,包括二进制算术和电子开关[3]。但是因为缺乏通用性、可变性与存储程序的机制,将其与现代计算机区分开来。这台计算机在1990年被认定为IEEE里程碑之一。

阿塔纳索夫和克利福德·贝瑞的计算机工作直到1960年才被发现和广为人知,并且陷入了谁才是第一台计算机的冲突中。那时候,ENIAC普遍被认为是第一台现代意义上的计算机,但是在1973年,美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利,并得出结论:ENIAC的发明者从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要构件思想。因此,ABC被认定为世界上第一台计算机。

      埃历阿克虽然威力强大,但是它毕竟还很不完善,比如存在着耗电多、费用高的缺点。它的耗电量超过174千瓦,据说那些年,只要埃历阿克一开动,整个费城城市的所有灯光顿时黯然失色。那些个电子管发光又发热,平均每隔7分钟要损坏一只。虽然当初只花了军械部40万元的研制费用,可谁能料到,维护它的费用后来竟超过200万之巨!埃历阿克最致命的缺点是程序与计算两分离。指挥埃历阿克2万只电子管工作的程序指令,被存放在机器的外部电路里。需要计算某个题目前,埃克特必须分派几十员精兵强将,把数百条线路用手接通,像一群电话接线员那样手忙脚乱地忙活好几天,才能进行几分钟运算。 

      这时,冯·诺依曼用高超的理论和技术方法,一举攻克了巨大的难关。 
  在埃历阿克尚未投入运行前,冯·诺依曼就已开始着手起草一份新的设计报告,要对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写译音是“埃德瓦克”(EDVAC)。1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人,为埃德瓦克方案联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,直到今天,仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件(输入系统、输出系统、存储器、运算器、控制器),并用二进制替代十进制运算,大大方便了机器的电路设计。埃德瓦克方案的革命意义在于“存储程序”──程序也被当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动依次执行指令,再也不必去接通什么线路。 
  人们后来把根据这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。自冯·诺依曼设计的埃德瓦克始,直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止,电脑一代又一代的“传人”,大大小小千千万万台计算机,都没能够跳出诺依曼机的掌心。在这个意义上,冯·诺依曼是当之无愧的“电脑之父”。

      第一代电子管计算机(1946~1958):
      特点: 操作指令是为特定任务而编制的,每种机器有各自不同的机器语言,功能受到限制,速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

      第二代晶体管计算机 (1956-1963):
      特点: 晶体管代替了体积庞大电子管,使用磁芯存储器。体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等编程语言,使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。

     第三代集成电路计算机 (1964-1971):
     以中小规模集成电路,来构成计算机的主要功能部件。主存储器采用半导体存储器。运算速度可达每秒几十万次至几百万次基本运算。在软件方面,操作系统日趋完善。

     第四代大规模集成电路计算机 (1971-至今):
     从1970年以后采用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)为主要电子器件制成的计算机,重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

发展阶段 逻辑元件 主存储器 运算速度(每秒) 软件 应用
第一代(1946-1958) 电子管 电子射线管 几千次到几万次 机器语言、汇编语言 军事研究、科学计算
第二代(1958-1964) 晶体管 磁芯 几十万次 监控程序、高级语言 数据处理、事务处理
第三代(1964-1971) 中小规模集成电路 半导体 几十万次到几百万次 操作系统、编辑系统、应用程序 有较大发展开始广泛应用
第四代(1971-至今) 大规模超大规模集成电路 集成度更高的半导体 上千万次到上亿次 操作系统完善、数据库系统、 高级语言发展、应用程序发展 渗入社会各级领域

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任何事物的创造发明都来源于需求和欲望

  故宫博物院藏有的6台盘式计算机,均属帕斯卡型,可能是康熙年间制造的。估计是来华传教的法国传教士亲自见过帕斯卡加法计算机,来我国后与我国数学家共同研制,仿照帕斯卡计算机原理制造而成。清代盘式计算机比帕斯卡计算机有很大改进。首先,它变加、减运算为四则运算,与莱布尼茨计算机有相同的功能。其次,把帕斯卡计算机由原来的6位和8位两种,扩展到10位和12位两种,运算数字的位数加大。

而科学技术的发展则推动实现了目标

  我国清代制作的盘式计算机十分考究。内部构造用黄铜制作,有的表面镀金或镀银,装在红漆木盒里。10位的有10个圆盘,12位的有12个圆盘。圆盘分为上下两层,上盘固定不动,下盘可以转动。上盘的中央都刻有数位名称,其排列顺序自左至右,分别是“拾万”、“万”、“千”、“百”、

正是因为人类对于计算能力孜孜不倦的追求,才创造了如今规模的计算机.

  “十”、“两”、“钱”、“分”、“厘”、“毫”。12个圆盘的则多“百万”和“千万”两个单位。通过下盘下面齿轮的转动而达到做加、减、乘、除运算的目的。

计算机,字如其名,用于计算的机器.这就是最初计算机的发展动力.

  筹式计算机也都是黄铜制作的,外形呈长方体形,表面开有长方孔。孔下有圆柱形的滚筒,筒上面贴有用象牙制成的特殊算筹,利用齿轮转动进行运算。筹式计算机是我国独创的。

在漫长的历史长河中,随着社会的发展和科技的进步,人类始终有计算的需求

  我国清代的计算机深藏在故宫里,成了真正的皇家专属品,其作用和命运可想而知了。

进行运算时所运用的工具,也经历了由简单到复杂,由低级向高级的发展变化。

  超越时代的计算器

本文尽可能的仅仅描述逻辑本质,不去追究实现细节

  这是一个真实的故事,是17世纪欧洲发生的一次航海事故。

 

  在辽阔无际的大西洋上,一艘货船在与波涛汹涌的大海搏斗中,乘风破浪前进着。舵舱里,一位身体健壮的船长,正一丝不苟地用航海仪器不停地进行观测,并把观测得到的数据一一认真仔细地计算,从中找出货船安全行驶的航道来。不多一会儿,他向舵手命令道:

计算(机|器)的发展与数学/电磁学/电路理论等自然科学的发展息息相关

  “左三度!”

计算(机|器)的发展有四个阶段

手动阶段

机械阶段

机电阶段

电子阶段

 

  “右五度!”

手动阶段

顾名思义,就是用手指进行计算,或者操作一些简易工具进行计算

最开始的时候人们主要是借助简单的工具比如手指/石头/打绳结/纳皮尔棒/计算尺等,

我想大家都用手指数过数;

有人用一堆石子表示一些数目;

也有人曾经用打绳结来计数;

再后来有了一些数学理论的发展,纳皮尔棒/计算尺则是借助了一定的数学理论,可以理解为是一种查表计算法.

你会发现,这里还不能说是计算(机|器),只是计算而已,更多的靠的是心算以及逻辑思维的运算,工具只是一个简简单单的辅助.

 

  舵手复诵着命令,两手紧握舵轮,全神贯注地注视着前方。

机械阶段

我想不用做什么解释,你看到机械两个字,肯定就有了一定的理解了,没错,就是你理解的这种普通的意思,

一个齿轮,一个杠杆,一个凹槽,一个转盘这都是一个机械部件.

人们当然不满足于简简单单的计算,自然想制造计算能力更大的机器

机械阶段的主题思想其实也很简单,就是通过机械的装置部件比如齿轮旋转,动力传送等来表示数据记录,进行运算,也即是机械式计算机,这样说有些抽象.

我们举例说明:

契克卡德是现今公认的机械式计算第一人,他发明了契克卡德计算钟

我们不去纠结这个东西到底是如何实现的,只描述事情逻辑本质

其中他有一个进位装置是这样子的

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可以看到采用十进制,转一圈之后,轴上面的一个突出齿,就会把更高一位(比如十位)进行加一

这就是机械阶段的精髓,不管他有多复杂,他都是通过机械装置进行传动运算的

还有帕斯卡的加法器

他是使用长齿轮进行进位

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再有后来的莱布尼茨轴,设计的更为精巧

 

我觉得对于机械阶段来说,如果要用一个词语来形容,应该是精巧,就好似钟表里面的齿轮似的

不管形态究竟如何,终究也还是一样,他也只是一个精巧了再精巧的仪器,一个精密设计的机关装置

首先要把运算进行分解,然后就是机械性的依靠齿轮等部件传动运转来完成进位等运算.

说计算机的发展,就不得不提一个人,那就是巴贝奇

他发明了史上著名的差分机,之所以叫差分机这个名字,是因为它计算所使用的是帕斯卡在1654年提出的差分思想

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我们仍旧不去纠结他的原理细节

此时的差分机,你可以清晰地看得到,仍旧是一个齿轮又一个齿轮,一个轴又一个轴的更加精巧的仪器

很显然他仍旧又仅仅是一个计算的机器,只能做差分运算

 

再后来1834年巴贝奇提出来了分析机的概念     一种通用计算机的概念模型

正式成为现代计算机史上的第一位伟大先驱

之所以这样说,是因为他在那个年代,已经把计算机器的概念上升到了通用计算机的概念,这比现代计算的理论思想提前了一个世纪

它不局限于特定功能,而且是可编程的,可以用来计算任意函数——不过这个想法是构思在一坨齿轮之上的.

巴贝奇设计的分析机主要包括三大部分

1、用于存储数据的计数装置,巴贝奇称之为“仓库”(store),相当于现在CPU中的存储器

2、专门负责四则运算的装置,巴贝奇称之为“工厂”(mill),相当于现在CPU中的运算器

3、控制操作顺序、选择所需处理的数据和输出结果的装置

而且,巴贝奇并没有忽略输入输出设备的概念

此时你回想一下冯诺依曼计算机的结构的几大部件,而这些思想是在十九世纪提出来的,是不是不寒而栗!!!

巴贝奇另一大了不起的创举就是将穿孔卡片(punched card)引入了计算机器领域,用于控制数据输入和计算

你还记得所谓的第一台计算机"ENIAC"使用的是什么吗?就是纸带!!

ps:其实ENIAC真的不是第一台~

所以说你应该可以理解为什么他被称为"通用计算机之父"了.

他提出的分析机的架构设想与现代冯诺依曼计算机的五大要素,存储器 运算器 控制器  输入 输出是吻合的

也是他将穿孔卡片应用到计算机领域

ps:穿孔卡片本身并不是巴贝奇的发明,而是来自于改进后的提花机,最早的提花机来自于中国,也就是一种纺织机

只是可惜,分析机并没有真正的被构建出来,但是他的思维理念是超前的,也是正确的

巴贝奇的思想超前了整整一个世纪,不得不提的就是女程序员艾达,有兴趣的可以google一下,Augusta Ada King

机电阶段与电子阶段使用到的硬件技术原理,有不少是相同的

主要差别就在于计算机理论的成熟发展以及电子管晶体管的应用

为了接下来更好的说明,我们自然不可避免的要说一下当时出现的自然科学了

自然科学的发展与近现代计算的发展是一路相伴而来的

文艺复兴运动使人们从传统的封建神学的束缚中慢慢解放,文艺复兴促进了近代自然科学的产生和发展

你要是实在没事情做,可以探究一下"欧洲文艺复兴革命对近代自然科学发展史有何重要影响"这一议题

 

  一切是那样的正常。

电磁学

据传是1752年,富兰克林做了实验,在近代发现了电

随后,围绕着电,出现了很多旷世的发现.比如电磁学,电能生磁,磁能生电

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这就是电磁铁的基本原型

根据电能生磁的原理,发明了继电器,继电器可以用于电路转换,以及控制电路

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电报就是在这个技术背景下被发明了,下图是基本原理

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但是,如果线路太长,电阻就会很大,怎么办?

可以用人进行接收转发到下一站,存储转发这是一个很好的词汇

所以继电器又被作为转换电路应用其中

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  突然,“轰隆”一声巨响,如同头顶一声闷雷,意料不到的事情发生了:货船触上了暗礁。虽然全船人员无一伤亡,可是货船却沉入了大海。

二进制

而且,一个很重要的事情是,德国人莱布尼茨大约在1672-1676发明了二进制

用0和1两个数码来表示的数

  事故发生后,当局来追查原委。专家们严格地审查了船长的航海日志和观测手稿,发现船长把航道计算错了,货船偏离了安全行驶的航道。船长不得其解,只得承认自己计算失误。可再仔细审查下去,发现责任不在船长,而是船长用的那本《对数表》。由于编写人员马虎,使错误的计算数字印刷到《对数表》上了!

逻辑学

更准确的说是数理逻辑,乔治布尔开创了用数学方法研究逻辑或形式逻辑的学科

既是数学的一个分支,也是逻辑学的一个分支

简单地说就是与或非的逻辑运算

  你知道《对数表》是什么吗?它是人们计算时使用的一种常用数据手册,里面印着许多数的平方根、立方根的值,另外还有常用的函数值。如果计算时需要用什么数,一查表,答案就出来了,不必再去笔算而浪费时间。《对数表》上印着的密密麻麻的成千上万的数据,倘若有的数据错了,而人们又引用了这个错误的数据,整个计算的结果就会全盘皆错。

逻辑电路

香农在1936年发表了一篇论文<继电器和开关电路的符号化分析>

我们知道在布尔代数里面

X表示一个命题,X=0表示命题为假;X=1表示命题为真;

如果用X代表一个继电器和普通开关组成的电路

那么,X=0就表示开关闭合  X=1就表示开关打开

不过他当时0表示闭合的理念跟现代正好相反,难道觉得0是看起来就是闭合的吗

解释起来有些别扭,我们用现代的看法解释下他的观点

也就是:

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(a)  开关的闭合与打开对应命题的真假,0表示电路的断开,命题的假  1表示电路的连通,命题的真

(b)X与Y的交集,交集相当于电路的串联,只有两个都联通,电路才是联通的,两个都为真,命题才为真

(c)X与Y的并集,并集相当于电路的并联,有一个联通,电路就是联通的,两个有一个为真,命题即为真

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这样逻辑代数上的逻辑真假就与电路的连通断开,完美的完全映射

而且,所有的布尔代数基本规则,都非常完美的适合开关电路

 

  航海事故出现的年代正是广泛使用算表的时代。这些算表是由专门的机构集中众多计算人员,花费成年累月的时间编算而成的。然而,由于计算人员从早到晚埋头计算,枯燥的数字、单调的运算常弄得他们头昏脑胀,不仅工作效率低,而且很容易出现差错。例如,根据大地测量的数据绘制地图时,需要解决含有大量的未知数的代数与方程组。解含有800个方程组的问题,大约需要做25000万次算术运算,这靠一些简单的计算工具是很难实现的。

基本单元-门电路

有了数理逻辑和逻辑电路的基础理论,不难得出电路中的几个基础单元

Vcc表示电源    比较粗的短横线表示的是接地

与门

串联电路,AB两个电路都联通时,右侧开关才会同时闭合,电路才会联通

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符号

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另外还有多输入的与门

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或门

并联电路,A或者B电路只要有任何一个联通,那么右侧开关就会有一个闭合,右侧电路就会联通

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符号

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非门

右侧开关常闭,当A电路联通的时候,则右侧电路断开,A电路断开时,右侧电路联通

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符号:

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所以你只需要记住:

与是串联/或是并联/取反用非门

  航海事故的出现,使科学家们为之一惊。他们意识到:尽快改进数值计算,缩短计算时间,提高计算准确性,是需要急切解决的一个问题。

 机电阶段

接下来我们说一个机电式计算机器的优秀典范

机电式的制表机

霍尔瑞斯的制表机,主要是为了解决美国人口普查的问题.

人口普查,你可以想象得到自然是用于统计信息,性别年龄姓名等

如果纯粹的人工手动统计,可想而知,这是多么复杂的一个工程量

制表机首次将穿孔技术应用到了数据存储上,你可以想象到,使用打孔和不打孔来识别数据

不过当时设计还不是很成熟,比如如果现代,我们肯定是一个位置表示性别,可能打孔是女,不打孔是男

当时是卡片上用了两个位置,表示男性就在标M的地方打孔,女性就在标F的地方打孔,不过在当时也是很先进了

然后,专门的打孔员使用穿孔机将居民信息戳到卡片上

紧接着自然是要统计信息

利用电流的通断来识别数据

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对应着这个卡片上的每个数据孔位,上面有着金属针,下面有着容器,容器装着水银

按下压板时,卡片有孔的地方,针可以通过,与水银接触,电路接通,没孔的地方,针就被挡住。

如何将电路通断对应到所需要的统计信息?

这就用到了数理逻辑与逻辑电路了

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最上面的引脚是输入,通过打孔卡片的输入

下面的继电器是输出,根据结果  通电的M将产生磁场, 牵引特定的杠杆,拨动齿轮完成计数。

看到没,此时已经可以根据打孔卡片作为输入,继电器组成的逻辑电路作为运算器,齿轮进行计数的输出了

制表机中的涉及到的主要部件包括:  输入/输出/运算

 

1896年,霍尔瑞斯创立了制表机公司,他是IBM的前身.....

有一点要说明

并不能笼统的说谁发明了什么技术,下一个使用这种技术的人,就是借鉴使用了发明者或者说发现者的理论技术

在计算机领域,很多时候,同样的技术原理可能被好几个人在同一时期发现,这很正常

还有一位大神,不得不介绍,他就是康拉德·楚泽 Konrad Zuse 德国

因为他发明了世界上第一台可编程计算机——Z1

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图为复制品,复制品其实机械工艺上比37年的要现代化一些

尽管zuse生于1910,Z1也是大约1938建造完成,但是他其实跟机械阶段的计算器并没有什么太大区别

要说和机电的关系,那就是它使用电动马达驱动,而不是手摇,所以本质还是机械式

不过他的牛逼之处在于在也设想出来了现代计算机一些的理论雏形

将机器严格划分为处理器内存两大部分

采用了二进制

引入浮点数,发明了浮点数的二进制规格化表示

靠机械零件实现与、或、非等基础的逻辑门

虽然作为机械设备,但是却是一台时钟控制的机器。其时钟被细分为4个子周期

处理器是微代码结构的操作被分解成一系列微指令,一个机器周期一条微指令。

微指令在运算器单元之间产生具体的数据流,运算器不停地运作,每个周期都将两个输入寄存器里的数加一遍。

可编程 从穿孔带读入8比特长的指令 指令已经有了操作码 内存地址的概念

这些全都是机械式的实现

而且这些具体的实现细节的理念思维,很多也是跟现代计算机类似的

可想而知,zuse真的是个天才

后续还研究出来更多的Z系列

虽然这些天才式的人物并没有一起坐下来一边烧烤一边讨论,但是却总是"英雄所见略同"

几乎在相同时期,美国科学家斯蒂比兹(George Stibitz)与德国工程师楚泽独立研制出二进制数字计算机,就是Model k

Model I不但是第一台多终端的计算机,还是第一台可以远程操控的计算机。

贝尔实验室利用自身的技术优势,于1940年9月9日,在达特茅斯学院(Dartmouth College)和纽约的本部之间搭起线路.

贝尔实验室后续又推出了更多的Model系列机型

再后来又有Harvard Mark系列,哈佛与IBM的合作

哈佛这边是艾肯IBM是其他三位

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Mark I也通过穿孔带获得指令,和Z1是不是相同?

穿孔带每行有24个空位

前8位标识用于存放结果的寄存器地址,中间8位标识操作数的寄存器地址,后8位标识所要进行的操作

——结构已经非常类似后来的汇编语言

内部还有累加寄存器,常数寄存器

机电式的计算机中,我们可以看到,有些伟大的天才已经构思设想出来了很多被应用于现代计算机的理论

机电时期的计算机可以说是有不少机器的理论模型已经算是比较接近现代计算机了

而且,有不少机电式的型号一直发展到电子式的年代,部件使用电子管来实现

这为后续计算机的发展提供了不可磨灭的贡献

  17世纪,产业革命使人们开始把希望寄托于初步繁荣的机器制造业上,能不能用机器来进行计算呢?人们盼望着有一种新的计算机,能将计算过程中所得的数,自动存储下来,并能随时取出应用,自行做完一连串复杂的计算。所谓的“自动计算机”就是在人类好多世代的期望和追求下应运而生的。这种自动计算机正是电子计算机的前身。

电子管

我们现在再转到电学史上的1904年

一个叫做弗莱明的英国人发明了一种特殊的灯泡-----电子二极管

先说一下爱迪生效应:

在研究白炽灯的寿命时,在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片。

结果,他发现了一个奇怪的现象:金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,趋向附近的金属片。

这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无法解释,但他不失时机地将这一发明注册了专利,并称之为“爱迪生效应”。

此处完全可以看得出来,爱迪生是多么的有商业头脑,这就拿去申请专利去了~此处省略一万字....

金属片虽然没有与灯丝接触,但是如果他们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,趋向附近的金属片

就是图中的这样子

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而且这种装置有一个神奇的功能:单向导电性,会根据电源的正负极连通或者断开

 

其实上面的形式和下图是一样的,要记住的是左边靠近灯丝的是阴极   阴极电子放出

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用现在的术语解释就是:

阴极是用来放射电子的部件, 分为氧化物阴极和碳化钍钨阴极。

一般来说氧化物阴极是旁热式的, 它是利用专门的灯丝对涂有氧化钡等阴极体加热, 进行热电子放射。

碳化钍钨阴极一般都是直热式的,通过加热即可产生热电子放射, 所以它既是灯丝又是阴极。

然后又有个叫做福雷斯特的人在阴极和阳极之间,加入了金属网,现在就叫做控制栅极

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通过改变栅极上电压的大小和极性,可以改变阳极上电流的强弱,甚至切断

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电子三极管的原理大致就是这样子的

既然可以改变电流的大小,他就有了放大的作用

不过显然,是电源驱动了他,没有电他本身不能放大

因为多了一条腿,所以就叫做电子三极管

我们知道,计算机应用的其实只是逻辑电路,逻辑电路是与或非门组成,他并不是真的在乎到底是谁有这个本事

之前继电器能实现逻辑门的功能,所以继电器被应用到了计算机上

比如我们上面提到过的与门

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之所以继电器可以实现逻辑门的功能,就是因为它具有"控制电路"的功能,就是说可以根据一侧的输入情况,决定另一侧的情况

那新发明的电子管,根据它的特性,也可以应用于逻辑电路

因为你可以控制栅极上电压的大小和极性,可以改变阳极上电流的强弱,甚至切断

也达到了根据输入,控制另外一个电路的功能,只不过从继电器换成电子管,内部的电路需要变化下而已

  机械式计算机

电子阶段

现在应该说一下电子阶段的计算机了,可能你早就听过了ENIAC

我想说你更应该了解下ABC机.他才是真正的世界上第一台电子数字计算设备

阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,通常简称ABC计算机)

1937年设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组

但是很显然,没有通用性,也不可编程,也没有存储程序机制,他完全不是现代意义的计算机

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上面这段话来源于:

主要陈述了设计理念,大家可以上面的这四点

如果你想要知道你和天才的距离,请仔细看下这句话

he jotted down on a napkin in a tavern

世界上第一台现代电子计算机埃尼阿克(ENIAC),也是继ABC之后的第二台电子计算机.

ENIAC是参照阿塔纳索夫的思想完整地制造出了真正意义上的电子计算机

奇葩的是为啥不用二进制...

建造于二战期间,最初的目的是为了计算弹道

ENIAC具有通用的可编程能力

更详细的可以参看维基百科:

不过ENIAC程序和计算是分开的,也就意味着你需要手动输入程序!

并不是你理解的键盘上敲一敲就好了,是需要手工插接线的方式进行的,这对使用来说是一个巨大的问题.

有一个人叫做冯·诺伊曼,美籍匈牙利数学家

有意思的是斯蒂比兹演示Model I的时候,他是在场的

而且他也参与了美国第一颗原子弹的研制工作,任弹道研究所顾问,而且其中涉及到的计算自然是极为困难的

我们说过ENIAC是为了计算弹道的,所以他早晚会接触到ENIAC,也算是比较顺理成章的他也加入了计算机的研制

  1623年6月19日,位于法国中部的克勒蒙菲朗的一个贵族家庭中,伴随着“哇”的一声啼哭,一个小精灵降临人世。自生下了小帕斯卡,家里增添了无限生机和欢乐。帕其卡生下时十分瘦弱,为使他长大成才,父母操尽了心。

冯诺依曼结构

1945年,冯·诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上

发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”——EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

一篇长达101页纸洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基.

报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。

这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献,它向世界宣告:电子计算机的时代开始了。

最主要是两点:

其一是电子计算机应该以二进制为运算基础

其二是电子计算机应采用存储程序方式工作

并且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成:

运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置,并描述了这五部分的职能和相互关系

其他的点还有,

指令由操作码和地址码组成,操作码表示操作的性质,地址表示操作数的存储位置

指令在存储器内按照顺序存放

机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

人们后来把根据这一方案思想设计的机器统称为“冯诺依曼机”,这也是你现在(2018年)在使用的计算机的模型

我们刚才说到,ENIAC并不是现代计算机,为什么?

因为不可编程,不通用等,到底怎么描述:什么是通用计算机?

1936年,艾伦·图灵(1912-1954)提出了一种抽象的计算模型 —— 图灵机 (Turing Machine)

又称图灵计算、图灵计算机

图灵的一生是难以评价的~

我们此处仅仅说他对计算机的贡献

下面这段话来自于百度百科:

图灵的基本思想是用机器来模拟人们进行数学运算的过程

所谓的图灵机就是指一个抽象的机器

图灵机更多的是计算机的科学思想,图灵被称为 计算机科学之父

它证明了通用计算理论,肯定了计算机实现的可能性

图灵机模型引入了读写与算法与程序语言的概念

图灵机的思想为现代计算机的设计指明了方向

冯诺依曼体系结构可以认为是图灵机的一个简单实现

冯诺依曼提出把指令放到存储器然后加以执行,据说这也来源于图灵的思想

至此计算机的硬件结构(冯诺依曼)以及计算机的自然科学理论(图灵)

已经比较完全了

计算机经过了第一代电子管计算机的时代

随后出现了晶体管

  帕斯卡的父亲是位并不著名的数学家,但却是一位较有名望的税务统计师。他酷爱数学,深深地体会到数学是一门探索性很强的学科。他担心孩子学数学会劳神伤身,出于对儿子溺爱,他决心不让帕斯卡涉足数学。当然,父亲的顾虑是多余的。

晶体管

肖克利1947年发明了晶体管,被称为20世纪最重要的发明

硅元素1822年被发现,纯净的硅叫做本征硅

硅的导电性很差,被称为半导体

一块纯净的本征硅的半导体

如果一边掺上硼一边掺上磷  然后分别引出来两根导线

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这块半导体的导电性获得了很大的改善,而且,像二极管一样,具有单向导电性

因为是晶体,所以叫做晶体二极管

而且,后来还发现加入砷 镓等原子还能发光,称为发光二极管  LED

还能特殊处理下控制光的颜色,被大量应用

如同电子二极管的发明过程一样

晶体二极管不具有放大作用

又发明了在本征半导体的两边掺上硼,中间掺上磷

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这就是晶体三极管

只要电流I1 发生一点点变化   电流I2就会大幅度变化

也就是说这种新的半导体材料就像电子三极管一样具有放大作

所以被称为晶体三极管

晶体管的特性完全适合逻辑门以及触发器

世界上第一台晶体管计算机诞生于肖克利获得诺贝尔奖的那年,1956年,此时进入了第二代晶体管计算机时代

再后来人们意识到:晶体管的工作原理和一块硅的大小实际没有关系

可以将晶体管做的很小,但是丝毫不影响他的单向导电性,照样可以方法信号

所以去掉各种连接线,这就进入到了第三代集成电路时代

随着技术的发展,集成的晶体管的数量千百倍的增加,进入到第四代超大规模集成电路时代

 

 

 

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1.计算机发展阶段

2.计算机组成-数字逻辑电路

3.操作系统简单介绍

4.计算机启动过程的简单介绍

5.计算机发展个人理解-电路终究是电路

6.计算机语言的发展

7.计算机网络的发展

8.web的发展

9.java web的发展

 

  小帕斯卡天赋很高,他虽体弱多病,但从清秀的眉宇间却透露出一股灵气。他勤奋好学,兴趣广泛,平时很少外出玩耍,整天如饥似渴地看书学习,做札记。他七八岁就学完了差不多相当于小学的全部课程。他充满幻想,富有才气,尽管父亲把自己的全部数学书籍都收藏起来,只让他看语文书和儿童诗歌,连学校开设的数学课也不让他上,可是,这一切还是不能阻碍帕斯卡对数学产生浓厚的兴趣。而且父亲越是不让他学习数学,他心里萌发的探索数学奥秘的愿望越是强烈。那年,他12岁,常听到父亲与朋友们谈论“几何”,他听不懂,不知“几何”为何物,就去问老师。老师告诉他:“几何就是作出正确无误的图形,并找出它们之间的比例关系的一门科学。”他深信几何是一门十分有趣的学科,便偷偷地借来几本几何书,边读边用鹅毛笔在纸上画几何图形,兴味无穷。

  1635年,帕斯卡随父亲迁居巴黎。初秋的巴黎郊外,气候宜人,景色美丽。一天,帕斯卡和父亲到郊外游玩,回到家里,准备稍作休息后一起共进晚餐。这时,帕斯卡好像自言自语,又好像是告诉父亲一件重大事情似地说:

  “三角形三个内角的总和是两个直角。”父亲为儿子的这一见解惊呆了,楞了半人说不出话来。儿子的见解意味着一个不平常的发现。这个发现来自一个年仅12岁的少年,做父亲的内心不知有多么激动。他抚摸着帕斯卡的头,过了好半天才喃喃地说:“是的,孩子,是的。”

  帕斯卡的重大发现改变了父亲的做法。父亲挑选了欧几里得的《几何原本》给儿子学习,也不再阻拦他上数学课,平时还常为他解答疑难问题,并带帕斯卡参观各种科技展览,参加数学、物理的学术讨论会,鼓励他大胆地发表自己的见解。帕斯卡接触到了不少当时著名的数学家、物理学家、机械师……他领略到了数学的奥秘,眼界大开,学识上大有长进。

  1639年,刚满16岁的帕斯卡对圆锥曲线等问题进行了大量的研究,掌握了圆锥曲线的共性,写出了震惊世界的论文。1640年《圆锥曲线论》一书出版,人们把他的这一伟大贡献誉为“阿波罗尼斯之后的二千年的巨大进步。”从此,帕斯卡英名传遍欧洲。

  帕斯卡的父亲,作为一名数学家和税务统计师,每天要解答各方面提出的疑难问题,在一旁的帕斯卡看到父亲整天苦于统计大量的数据,便产生了强烈的愿望,要造一个理想的计算工具,来解脱父亲的辛劳。

  以前的计算工具和计算方法如笔算、算表、算图等速度慢,精度低,远远不能满足当时统计工作的需要。1642年,19岁的帕斯卡决心研制一种新的计算工具。帕斯卡有他的特点,一旦他对某件事发生兴趣,就会不顾一切地想方设法去完成。

  帕斯卡研究了机器运转的各种传动机构,又走访听取了一些著名工匠的意见,对自己设计的计算机图纸反复推敲,不断试验,不断改进,最后定样。他根据数的进位制 (十进位制)想到了采用齿轮来表示各个数位上的数字,通过齿轮的比来解决进位问题。低位的齿轮每转动10圈,高位上的齿轮只转动1圈。这样采用一组水平齿轮和一组垂直齿轮相互啮合转动,解决计算和自动进位,组成了一台计算机。

  帕斯卡于1642年设计出了计算机的图纸,连外壳和齿轮用什么样的金属材料都作了认真的选择,同年造出了一台计算机。这是世界上第一台齿轮式计算机。

  帕斯卡的这台计算机可以计算到8位数字,表示数字的齿轮共16个,每个齿轮均分成10个齿,每个齿表示0~9中的一个数,并按大小排列。8个齿轮在上面组成垂直齿轮组,从左到右构成8位读数,分别表示个位数、十位数、百位数……千万位数;另外8个齿轮在下面组成水平齿轮组,从左到右可以进行8位数的加减。

  帕斯卡发明的钟表式齿轮计算机,是机械式计算机的初级阶段。它的外壳用黄铜制成,精致美观。但这台计算机的功能还很差,做乘法时必须用连加的方法;做除法时,也只能用连减的方法,而且这台机器需用一个小钥匙拨动一下方能计算,每次计算结束,都必须复原到零位以后,方可重新计算,很不方便。在计算过程中它又常发生故障。但是帕斯卡计算机的发明对以后计算机的发展具有深远的影响。帕斯卡一下子成了著名人物。

  6年后,帕斯卡对自己发明的计算机提出了专利申请,1649年获得专利权。当他的计算机在卢森堡宫展出时,成千上万的人被吸引住了。帕斯卡自己也为这一伟大杰作而陶醉,他时常到卢森堡宫去看这件不朽的“艺术品”,深感自豪。帕斯卡计算机的发明是人类在计算工具上的新突破。它发明的意义远远超出了这台计算机本身的使用价值,它告诉人们用纯机械装置可代替人的思维和记忆。从此在欧洲兴起了“大家来造思维工具”的热潮。至今还有很多游人和学者慕名前往卢森堡宫参观这一历史上的珍品——世界上第一台齿轮式计算机。

  目前,帕斯卡发明制造的齿轮式计算机还保留有6台。其中5台在巴黎艺术和手工艺品博物馆内,一台保存在德累斯顿的物理教学沙龙。这些计算机长约30~侧厘米,宽15厘米,高10厘米,是科学史上难得的珍品。

  帕斯卡一直被公认为世界上第一台齿轮式计算机的发明者,他也为自己的这一成就而感到无比自豪。但在帕斯卡发明之前,德国的数学家卡什尔已设计制造出6位数的齿轮式计算机。卡什尔是著名的东方语言学家,数学家。他对天文学也有颇深的研究。他常困于大量的数据计算,被繁杂的计算搅得精疲力尽。现实中的问题促使他创造一种新的得力的计算工具,来减轻计算上的沉重负担。1623年,他开始着手构思设计,同年造出了样机,以后又进行了一些改进。这台计算机的原理与帕斯卡的有相同之处,使用过程中也极易发生故障。从历史上来看,人们对卡什尔发明计算机了解很少,它的社会影响极小,直到1958年,人们才在有关历史资料中得知他发明齿轮式计算机的情况。因此,在谈到第一个齿轮式计算机发明时,不能不提及卡什尔。实际上,卡什尔才是齿轮式计算机的第一个发明者。

  帕斯卡发明的第一台计算机触动了一位著名的学者,他就是在近代科学史上举足轻重的莱布厄兹。

  莱布尼兹(1646~1716),德国人,博学多才。他和科学大师牛顿是同时代人。

  1672年,他因外交事务到法国和英国居住了4年。在这4年中,他一生的事业发生了转折。这期间,他结识了许多科学家。其中与惠更斯(1629~1695,摆钟的发明人)的交往,激发起他对数学研究的浓厚兴趣。虽说莱布尼兹是“半路出家”,但他凭着刻苦钻研的精神,竟然后来居上,对数学及计算科学作出了3项重大贡献,跻身于数学大师行列,其中任何一项贡献都足以使他名垂后世。

  莱布尼兹一生对科学最大的贡献就是发明了微积分,牛顿也是发明者之一。但他们研究的路径不同。牛顿从物体的变速运动开始,创立了微积分学。而莱布尼兹则从几何学的角度考虑,也创立了微积分学,他所采用的表达形式更为合理,更为简洁。有兴趣的读者可以翻翻高等数学或理论物理学等书,在书里你会看到一个被拉长了的字母“S”——“∫”,这是积分的符号,它就是莱布尼兹在200多年前最先使用的,并且一直沿用至今。

  莱布尼兹对科学技术的第二大贡献是发明了机械式计算机。莱布尼兹对帕斯卡的发明异常钦佩。为改进当时的齿轮式计算机,他特地从德国迁居到法国巴黎,亲眼看一看帕斯卡的计算机,并聘请了著名的机械专家协助工作。帕斯卡不是已经制造成功了计算机吗?为什么他还投入如此巨大的精力呢?原来帕斯卡的计算机只能用于加减运算,对乘除只能用连加和连减的方法来解决,使用时必须记住加减的次数,很不方便,速度又很慢。这样,这台计算机所能起的作用就很有限了。莱布尼兹深感有必要研制一种真正实用的计算机,减轻人们在计算上的沉重负担。他曾说过:“让一些杰出的人才像奴隶般地把时间浪费在计算上是不值得的。”莱布尼兹的突出成就是他提出了直接计算乘除的计算机的设计思想。他在给一位朋友的信中曾这样写到:“我为制成这种计算机而感到无比幸福,它与帕斯卡的计算机相比有天壤之别,因为我的机器能在瞬时间里完成很大数字的乘除而不必连续加减。”

  莱布厄兹设计的计算机从外形上看是一个长100厘米,宽30厘米,高25厘米的盒子,非常精致。它的外面装有摇柄,里面则主要由不动的计数器和可动的定位机构两部分组成。通过盒子上开的12个小“窗口”,可以看到计数器的读数。计数器的每一位数字都由带有10个齿的齿轮构成。计算机的关键部件是一种所谓的梯形轴,这种梯形轴是齿数可变的齿轮的前身,有了它就可以顺利实现比较简便的乘除运算,导致滑架移位机构的产生,简化了多位数的乘除运算。莱布尼兹所作的这两项发明,长期为各式计算机采用。

  莱布尼兹计算机是第一台有较高实用价值的机械式计算机。各行各业要进行各种计算,都离不开令人厌烦的乘除法。有了莱布尼兹的计算机,就可以大大减轻劳动强度。这项发明得到了巴黎科学院院士与伦敦皇家学会的认可和奖励。1673年莱布尼兹被选为巴黎科学院院士和伦敦皇家学会会员。这一年他制成的第一台机械式计算机还被当作稀世珍宝送到伦敦展出。他兴奋地说:“今后天文学家们再也不必继续去训练为了计算所需要的耐心了……只要用上计算机,这些计算工作可以交给任何一个人去做。”

  莱布尼兹的计算机经过托巴斯等人的改进更趋完善。在电动机问世之后,还可以用电动机带动它,加快运算速度,更加省时省力。机械式计算机为人类服务了近300年,直到价廉物美的袖珍电子计算器风行市场,才完成了它的历史使命。

  莱布尼兹不仅是计算机的早期设计者、发明家之一,在数理逻辑的研究方面他也是一位先驱者,他在哲学史上占有显赫的地位。他还是一位法学家、历史学家、语言学家、地质学家、物理学家。他为中西科技文化的交流也做出过重大贡献。

  布尔代数

  在众多为计算机事业做出杰出贡献的科学家中,有位科学家终身没有接触过计算机,但他的研究成果却为现代计算机设计提供了重要的理论根据。他就是英国数学家布尔。他所创立的布尔代数或称逻辑代数理论现在是,以后也仍将是计算机专业的必修课程。

  布尔 (1815~1864)出身于一个手工业者的家庭,家境不十分宽裕。他原是一位中学教师,后来通过刻苦钻研,自学成才当上了大学教授。他对研究人类思维规律的逻辑学有着浓厚的兴趣。逻辑学当时在西方很受器重。古希腊著名哲学家和思想家亚里士多德在两千多年前就对逻辑学有过深刻研究,发展了演绎法,为形式逻辑奠定了基础。但是两千多年来,逻辑学在理论上的进展却很缓慢。著名数学家莱布尼兹在逻辑学上也做出过贡献,他提出了形式逻辑中重要的“充足理由律”。他还试图建立一种普遍方法,把一切正确的逻辑推理归结为数学演算,可惜没有最后获得成功。

  1854年,布尔发表了著作《思维规律研究》,成功地将形式逻辑归结为一种代数运算,这就是布尔代数。布尔代数产生于19世纪中叶,当时被认为

  “既无明显的实际背景,也不可能考虑到它的实际应用”,可是一个世纪后它却在计算机的理论和实践领域放射出耀眼的光彩。布尔代数在后来的机电计算机及电子式计算机的各类逻辑部件和程序的设计中都是不可缺少的数学工具。

  布尔代数与普通的代数不一样,布尔代数中的量只有两个值:1和0。“1”表示命题为真,“0”表示命题为假。这个结果很自然地与“接通”和“断开”两种状态联系起来,因此,布尔代数特别适合于电路系统的分析与综合。1910年荷兰学者埃伦菲斯特利用布尔代数建立了分析与设计继电器和电子电路的系统方法。这是后来机电式计算机和电子计算机研制成功必不可少的先决条件。

  机电计量机的发明

  我们今天早已步入电的世界,电灯、电话、电视……在人们日常生活中已经司空见惯了。我们每天都要和电打交道。没有电就没有现代文明,也就谈不上今天的电子计算机。

  正像蒸汽机发明以后,出现了第一次工业革命那样,各种电机 (发电机和电动机)的发明以及电力的广泛应用,标志着第二次工业革命的出现。这也使人们的视野比过去开阔多了。对于研究计算机的人来说,很自然的一件事就是:不能把目光仅仅停留在老式的机械式计算机上,应该考虑可否利用电器来改进原有的机械式计算机的装置。

  1822年,法国的盖·吕萨克和阿拉戈利用电流的磁效应,把通电导线绕在软铁上,使一块普通的软铁变成了磁铁。几年后,美国的亨利在此基础上发明了磁性强大的电磁铁,利用电磁铁的原理,人们制成了继电器。继电器是在机电式计算机上第一个派上用场的电器部件。

  同学们中一定有人玩过遥控玩具,或者使用过遥控电视机的遥控装置吧!大多数遥控装置都离不开继电器。继电器是一种开关,不过它的开启与闭合不是靠人手去拨弄,而是靠微弱的电流。这种弱电流通过一个电磁铁的线圈,使电磁铁磁化并将一个衔铁吸下。衔铁连着一个开关,就可使得另一个大电流接通或断开。

  有了继电器,一个微弱的电流就可以控制一个大电流的开断。而微弱电流本身的开断不一定需要我们用手去拨动,它可以通过其他各种手段达到。比如无线电信号、导电的水、能导电的人体等,因此,继电器在各种控制电路中有着广泛的应用。

  计算机的研制者们欣喜地发现,继电器的应用还有潜力可挖,它可以用来计数。它有开和关两种状态,就可以用来表示二进制中“0”和“1”两个数。用多个继电器就可以记录多位的二进制数。正是因为继电器具备这样的特性,所以,后来在机电式计算机中发挥了关键作用。

  随着电与人类关系的逐步密切,许多人开始考虑将电学成果应用于计算技术。其中首先取得实质性进展的是霍利瑞斯制表机。提到它的设计人霍利瑞斯,人们或许会感到意外,因为他既不是工程师,也不是科学家,而是一名普普通通的统计人员。

  霍利瑞斯是德国移民的后裔,毕业于哥伦比亚大学附属专科学校,他曾在美国人口调查局工作过,对统计工作的特点和艰巨性非常了解。

  当时的美国每隔几年就要作一次人口调查,调查的项目十分详细,光是按年龄的划分就有10类:5岁以下、6~10岁、11~20岁、21~30岁、……直到80岁以上年龄段。大家知道,美国人口主要是由移民组成的。18世纪末、19世纪初,美国的人口还不多,广大的西部还都是人烟稀少的森林、草原和沼泽地,这个时期作人口统计当然没有太大的困难。随着人口的迅速繁衍和大规模移民潮的涌入,美国人口剧增,这就使得人口调查和统计工作的难度一次次增加。

  大量的人口资料堆积如山,使统计工作者望而生畏,以致1880年的人口调查统计任务一直拖到1887年也没有结果。霍利瑞斯制表机就是在这种背景下应运而生的。

  一天,霍利瑞斯和一位在人口调查局工作的官员比灵斯聊天,几句话就扯到了令人厌烦而又无法回避的人口调查问题上。比灵斯叹了一阵苦经之后,忽然提到一个他已考虑了多日的设想,那就是使用穿孔卡片帮助统计。让每个接受调查的人都使用相同规格的硬纸卡片,按照不同的个人情况在不同的位置上穿孔,然后使用一种特殊的机器把这些信息读出并加以统计,至于机器如何设计他就不得而知了。

  比灵斯的设想给霍利瑞斯以极大的启发,激起了霍利瑞斯的创造灵感,使他仿佛看到了解决问题的曙光。他过去听说过提花编织机上穿孔卡的故事,那件事发生在1728年,一位法国工程师发明了一种自动提花织布机,其中设计了一连串长长的穿了孔的卡片,让卡片转动,使得那些与卡片上的洞眼正好对着的织针顺利通过,而不相对的织针通不过。这样,纱线就织出了规定好的花纹。当时已是19世纪末,时代不同了,要求也不一样。霍利瑞斯懂得,仅用机械的方法显然会黔驴技穷,只有配上最新的电工技术才会使问题得到解决。

  那时候、电工技术在美同是一样很时髦的于艺,霍利瑞斯虽然没有专门学过电学,但对电工技术还是很内行的,因为他常在业余时间摆弄各种电器。在同事、家人、邻居的心目中,他可是个能干而热心的人。最后,他将弱电流技术和过去的穿扎卡片技术融为一体,设计制造了可用于人口调查的制表机。

  霍利瑞斯制表机主要由5个部分构成:1.接受压力机;2.继电器;3.计数器;4.分类盒;5.电池。制表机上阅读穿孔卡片的设计别具匠心,现在我们就以一个孔的位置为例介绍一下。先将卡片平放在相应位置上,孔的位置上方是一根带弹簧的金属棒,下方是一个水银杯。工作时,金属棒被轻轻地压下来,如果该位置上没有孔,金属棒被卡片纸挡住不下来,不能出现后续动作。反之,由于该位置事先已穿好了孔,金属棒就“长驱直入”地插入下方水银杯中。

  水银和金属棒都是导体,它们接触以后,就好比接通了开关,形成了回路,产生电流。又由于所加的电压低,形成的电流很弱,不会产生损坏制表机的电火花,也不会对人体造成伤害。另一方面,电流虽弱,但可以使继电器吸合,产生大电流。大电流使相应的计数器加 1,这样就完成了此项目的一个人的统计。这种设计实在太巧妙了!金属棒有很多根,它的数目由统计项目和分类的多少来决定。

  其实在今天,我们仍然有不少表格需要填写,像中学生升学填表,大学生毕业填表,甚至有时在考试中也有用填表作为答案的。不过,今天不用再穿孔,而只要你在相应位置上用笔涂黑就行。读表的装置也比那时高明得多了,用的是光电阅读器,它可算是穿孔卡片方法的“直系后裔”了。

  美国的人口统计机关当时曾征集过能加快统计速度的发明,除霍利瑞斯以外,还有两名应征者。他们采用了颜色卡片,但分类和计算仍依靠手工,与霍利瑞斯的发明相比真是相形见拙,霍利瑞斯成了竞争中的唯一胜利者。

  有了制表机的武装,人口调查的难题自然迎刃而解。1890年,共作了6300万人的调查登记,资料汇总到首都华盛顿以后,一个月就完成了统计制表工作。而1880年,仅作了5000万人的调查登记,统计制表工作化了7年半的时间,还多化了几百万美元。

  人们对制表机的成功,大加赞赏,许多大企业的会计业务、产品统计,都竞相仿效,后来还风行于世界各地,奥地利、加拿大、挪威、俄国等都改用制表机进行人口调查。霍利瑞斯制表机,尤其是它的读写卡片装置的巧妙设计,对以后的机电式计算机和电子计算机的研制都有极大的影响。

  霍利瑞斯研制成功制表机以后,穿孔式计数技术得到了发展;继电器得到了更广泛的应用。人们还发现,19世纪的英国数学家布尔创立的一套被称为“布尔代数”的数学理论,特别适合用于逻辑电路的设计,因此,逻辑电路设计也取得了很大的成绩。就这样,在本世纪三四十年代,一批与当年巴贝奇方案相似的新型计算机——机电式计算机方案出现了。

  中国有句成语,叫做“英雄所见略同”。在德国和美国,几乎同时有人在研制机电式计算机,原理、结构、性能都十分相似。德国的朱斯从 1934年开始,投身于机电式计算机的研制,当时他24岁,正在学习土木工程。但是,他的主要精力没有放在土木工程这门“主课”上,反而对计算机研制工作于得津津有味,难免有人认为他“不务正业”,他的“爱好”受到别人奚落。他读过巴贝奇的传记,虽然巴贝奇的结局是悲剧性的,不过他觉得巴贝奇很有道理。如果巴贝奇活到现在,就有成功的可能。有人不理解他,觉得他为古人担忧有些好笑,可是朱斯却认真得很,决心依靠自己个人的财力开展研究。

  由于资金短缺,有时候动手拆除家中一些器具充当计算机部件。他试制的第一台计算机Z—1是纯机械结构的计算机,费用不算太大,花了九牛二虎之力,总算在1938年完成。接下去他要大干一番,打算采用继电器技术制造计算机Z—2,其实,这就是一台机电式计算机。

  刚动手干不久,战争贩子希特勒就开始了进攻波兰的闪电战,第二次世界大战爆发了。纳粹德国开始大征兵,年轻的朱斯“榜上有名”,计算机Z—2的研制完全“泡汤”了。事有凑巧,一个偶然出现的机会挽救了他。

  1939年,他的朋友,也是后来的合作者许莱尔向纳粹政府提交了一个备忘录,竭力鼓吹朱斯关于新式计算机研制工作的重大意义。由于计算机将来在军事上会很有用,敏感的当局不仅豁免了朱斯的军役,而且还慷慨地拨出了专款支持朱斯的研究,这偶然的巧事,使得朱斯“因祸得福”

  经过两年的艰苦努力,他终于在1941年研制成功全继电器的,机电式的通用自动计算机Z—3。这台计算机可以说是当时世界上最先进的新型计算机了。它能够执行8种指令,字长22位二进制,计算加法为0.3秒、乘法为4~5秒。整机用了2600个继电器,这是世界上第一台通用程序控制计算机。1945年初,朱斯对Z—3计算机作了改进,制成了可靠性很高的机电式计算机Z—4。

  就在这一年,前苏联的红军和西方盟国的部队已经攻到了德国本土,逼近了柏林,希特勒点燃起的战火烧到了他自己家门口,全世界爱好和平的人民都为之振奋。燃烧的战火对于发明家朱斯,真是太不幸了,他的实验室,他的Z—3计算机都遭到了盟军的轰炸,在霹雳声中灰飞烟灭。唯一值得庆幸的是,Z—4计算机被藏在一座农舍的地窖里,才免遭此劫。

  德国战败以后,朱斯流亡到中立国瑞士的一个偏僻的乡村,即使在那里他也无心欣赏美丽的田园风光,计算机研究仍然是他的第二生命。虽然没有了实验室,没有了计算机,可是还有大脑,他还能研究计算机软件,他在那里提出了“程序演算”理论,即今天所说的计算机程序设计。这对软件的发展影响很大。

  可惜的是,朱斯在第二次世界大战期间完成的发明很少被德国以外的人所了解,仅有一台幸存的Z—4计算机成了他的伟业的见证。这台计算机的牢固性和可靠性令人赞叹,1950年到1954年用于瑞士技术学院,1955年到1958年用于法国国防部,直到1959年才被送进历史博物馆。

  与朱斯同时,美国的艾肯(1900~1973)也在研制机电式计算机。艾肯1900年生于新泽西州的霍博肯,青少年时代学习勤奋刻苦,1923年他以优异成绩毕业于威斯康星大学,1939年在哈佛大学获得博士学位。

  在攻读博士学位期间,经常遇到大量的冗长乏味的计算。他设想造一台计算机,帮助解那些比较复杂的代数方程。1937年,艾肯正式提出一份题为

  《自动计算机建议》的备忘录,在原理、结构、性能方面,与巴贝奇、朱斯的设计不谋而合。当时美德两国正处于敌对状态,所以艾肯与朱斯互不了解对方的工作。艾肯读过巴贝奇的自传,并为巴贝奇的创造精神鼓舞,但他没有读过艾达·拜伦对于巴贝奇分析机的说明,因此在机电式计算机的设计中,他表现了高度的独创精神。

  事有凑巧,当时国际商业机器公司(即著名的IBM公司)总经理汤姆斯·沃森财大气粗,并且很有远见,看到艾肯的“建议”以后,决定给予支持。从1939年开始,艾肯得到了IBM公司的资助,哈佛大学也趁机成立了计算研究所。看来艾肯的境遇比他同时代的朱斯好多了。艾肯工作起来极其认真。他往往是天蒙蒙亮到研究所,晚上八九点钟才离开。他讲起话来,发音极为清晰,表达思想十分精确。艾肯认为造出新型计算机对科学和社会是一种奉献,这种理想一直鼓舞着他奋不顾身地工作。

  经过4年的艰苦努力,艾肯和他的同事们共同制成了这台机电式计算机。起先他们将它叫做自动程序控制计算机,后来大家给它起了个绰号,叫做“马克—1”。它是个庞然大物,约有15.5米长、2.5米高,几乎塞满了计算机研究所的一间大屋子。它用了3000多个继电器,运行时声音很响,人们很难在它身旁说话。1944年8月,马克—1计算机正式完成,接着交给了订户哈佛大学,一直使用了15年之久。由于它诞生在远离战场的美国,所以其影响要比朱斯的Z—3计算机大得多。

  马克—1计算机主要用于科学计算。1945~1947年间,艾肯又负责研制成功了经过改进的马克—2计算机。在计算机的发展史上,这两台机电式计算机有着重要的地位。1956年,艾肯还负责制成过马克—4计算机,那是一台在美国空军支持下研制成功的电子计算机。

  艾肯是个意志非常坚强最会珍惜时间的人,他每天总要晚上八九点钟才离开研究所,有时第二天凌晨4点就又回所了。1973年3月14日,艾肯在美国的圣路易斯病逝。

  机电式计算机是计算机发展史上短暂的一页。它是计算机发展道路上的一次必要的科学尝试。由于它工作中仍有机械动作,因此它的运算速度很难有更大的提高。但是,它为早期的电子计算机设计制造积累了宝贵的经验,对于现代高速电子计算机的发展起了开路作用。只有电子计算机,才真正是人类智力解放的有力工具。要介绍电子计算机的发明过程,必须对电子技术的发展有所了解,让我们暂时把时间的指针拨回到19世纪末去吧!

  第一个设计方案

  阿塔纳索夫是美籍保加利亚学者,原是衣阿华州立学院数学物理教授,在求解各种数学物理方程时,繁复的计算使他深感头痛,他感到有必要发明更新的计算工具。当时流行着机械式或电动式计算机,以及最新的模拟运算工具——微分仪等,阿塔纳索夫对它们都作过深入的研究,逐步认识到要提高计算机的速度,关键是要有高速的运算部件。这正像建造一座巍峨雄伟、富丽堂皇的宫殿,要用上等的砖瓦一样,土坯、小石块是绝对不行的。只有用电子管做成的电子触发器等新一代器件,才能造出高速计算机。他是第一个看清解决这个问题出路的人。可是要提出一个新式计算机的制造方案,不是一件容易的事。多少个日日夜夜他苦思冥想着,眼睛都熬红了,也未能理出个头绪来。但他凭着锲而不舍的精神,终使金石为之而开。

  1937年冬季的一天,阿塔纳索夫正驾车前往伊利诺斯州。一路上各种各样的问题在他的头脑中索绕着,一会儿是冗长的数学物理公式,一会儿是杂乱的电子线路。向后飞逝而去的树木似乎都变成了一排排排列整齐的电子管。“该休息一会儿了”,他提醒自己,他的大脑太紧张了。正巧,前方不远处是一个小酒吧,他停下车来走了进去。

  品味着清醇的啤酒,他感到浑身轻松,一大堆偏微分方程的数值解问题,差分方程的繁琐计算,把他弄得太累了,此时此刻,都让它们见鬼去吧!他一连喝了几杯啤酒,感到舒坦极了。也不知是醉、是累,他微微地闭上了双眼。

  突然,“灵感”来了,眼前一台巨大的计算机幻影似的在朦胧中时隐时现。这计算机没有齿轮,也没有继电器,有的是亮着暗红色光的电子管。电子管整齐地分布在计算机中,一根根导线将它们连接成一个整体。啊!关键的电路明明白白地展现在他的眼前。他分辨不清自己是醉还是醒,是梦幻还是在现实之中,眼前的景物一会儿似天上的游云,飘忽不定,一会儿又似一幅实实在在的画面,真切万分。他定了定神,竭力回忆刚才脑海中闪过的电路。对,这正是他苦苦思索多日想要找到的关键性电路。他及时地捕捉住这一闪而过的灵感。有了这些电路,朝思暮想的电子计算机的构思就瓜熟蒂落了。

  就像古代的阿基米德在洗澡时发现了浮力一样,他抑制不住内心深处的激动,一下子推开面前的杯盘,从椅子上跳了起来,结清了帐,立即去找他的助手贝利,向他叙述了在计算机电中引进电子技术的设想。“好极了。”贝利完全赞同他的意见,他们很快就向学院申报了设计制造方案。

  他们提出的方案,在当时可以说是一个惊天动地之举。这种用电子技术装备起来的计算机造成以后,可以求解含有30个未知数的一次联立方程组,功能是强大的。

  他们将计划中制造的计算机命名为Atanasoff—Berry—Computer,意思是“阿塔纳索夫—贝利计算机”,简称ABC计算机。经过两年的努力,终于制成了计算机里的一个关键部件——控制器。为此,当地的《德孟内斯论坛报》在1941年1月15日,还刊登了一幅贝利手持控制器一部分的新闻照片,预告整个计算机内有300多个电子管,将于该年底完成。可是天不从人愿,就在这时,太平洋战争打响了,日本成功地偷袭了珍珠港,他们的研制工作也因此告吹。阿塔纳索夫本人离开了衣阿华学院,穿上军装,转入军队提供技术服务。

  阿塔纳索夫提出的将电子技术用于计算机的第一个方案,限于当时的历史条件,并未真正造出来,但世人没有忘记他的功劳。由于电子计算机是一项举世公认的伟大发明,后来为它的发明权引起了争议,甚至曾对簿公堂。令人欣慰的是,1973年,美国联邦州立法院裁决,认定阿塔纳索夫教授是第一个电子计算机方案的提出者。ABC计算机的逻辑结构和电子电路设计,为以后的电子计算机的研制起过很大作用。

  第一台电子计算机

  随着科学技术的发展,各个科技领域所需的计算工作越来越多,计算量也越来越大。科学家和技术人员面对繁杂的运算都深深地感到力不从心,渴望着有高速的计算机来解决计算问题。这一需求随着时间的推移显得越来越迫切。不少数学家、物理学家、天文学家以及统计工作者,怀着解决各自领域中令人头痛的计算问题的决心,纷纷改行转到研制高速计算机行列中来。他们孜孜不倦地思索着,苦苦地探求各种各样的计算机制造方案,为人类的智力解放而费尽苦心。

  具有独创精神的阿塔纳索夫方案,尽管由于经费缺乏、战争等客观原因未能最终变为现实,但是这个方案的新颖设计、巧妙构想,却很能打动人心,给后继者以极大的启发。真正把第一台电子计算机制造出来的。是莫克利

  (1907~1980)及其合作者。

  J·W·莫克利在1907年8月30日生于美国俄亥俄州的辛辛那提,1925年考入著名的霍普金斯大学,1932年获得物理学博士学位。

  物理学是一门艰深的、应用数学知识最多的学科,和阿塔纳索夫一样,莫克利常为物理学研究中屡屡出现的大量枯燥、繁琐的计算问题而头痛。1941年1月的一个晚上,和往日一样,他坐在柔软的沙发上,手里捧一杯浓浓的咖啡,边饮边看着报纸。紧张了一天的大脑该让它松弛松弛了。

  “什么?”突然,他在德孟内斯论坛报上看到了一张照片。这张醒目照片使他的大脑立刻兴奋起来,那是衣阿华州立学院的阿塔纳索夫教授正在试制电子计算机。他被照片吸引住了,几年来对电子计算机他真是梦寐以求啊!阿塔纳索夫与他真是不谋而合。

  一幕幕的往事又在他的面前浮现:30年代他曾制成一台模拟计算工具——谐波分析机和一台不大的专用计算机;近年来他认定将电子管用于计算装置内部是提高计算机计算速度的必由之路,要制成一台电子计算机,其中有些关键问题尚无法解决。如今有人领先一步,准备将其付诸实践了,莫克利对此深感鼓舞。他立即启程前往衣阿华州登门拜访阿塔纳索夫。

  阿塔纳索夫看到别人对他的研究感兴趣,心中十分高兴,热情地接待了这位文质彬彬的志同道合者,毫无保留地向这位不速之客作了情况介绍,详细叙述了如何把最新电子技术应用到计算机中,大幅度提高计算机运算速度的具体设想。莫克利是个内行,对此听得津津有味,神情专注,唯恐漏了一个字。阿塔纳索夫把一本有关电子计算机设计的珍贵笔记本,郑重地递给了这位年轻人。

  笔记本上凝结着阿塔纳索夫几年的心血,这是多么无私的举动呵!莫克利“受宠若惊”地接过笔记本,就像接过阿塔纳索夫手中的接力棒一样。他感激万分,觉得这次来,收获很大,确实不虚此行。

  从1933年到1941年,莫克利在厄西纳斯大学任教。在1941年炎热的夏天,他到宾夕法尼亚大学的莫尔电气工程学院电子国防训练班参加学习,结业后留在莫尔学院任教。回到莫尔学院,莫克利沉浸在对阿塔纳索夫方案的研究和思考之中,一而再,再而三地仔细推敲,夜以继日地不懈工作。他终于将阿塔纳索夫的方案琢磨透了,懂得这是一个可行的研制电子计算机的方案,自己原来有几个搞不清楚的关键问题,阿塔纳索夫实际上都解决了。他凭着特有的聪明才智,加上数学、物理学雄厚的基础,以及电子学和计算机丰富的实践经验,1942年8月,他写了一份题为《高速电子管装置的使用》的报告。

  这个报告是在阿塔纳索夫方案基础上写成的,比那个方案更具体、更详细。该报告很快就在莫尔学院里传阅开了,教授、青年教师、研究生、高年级的大学生们都对它产生了浓厚的兴趣。

  莫克利的报告在莫尔学院引起了一个年轻人的特别浓厚的兴趣。这个人就是23岁的研究生埃克特。

  J·P·埃克特,1919年 4月 9日生于美国宾夕法尼亚州的费城。他从小学习就非常认真,1941年以优异的成绩毕业于莫尔学院,获电气工程学士学位。大学毕业以后,他又留在该校读研究生,继续深造。就是在这期间,他从一位老师手里看到莫克利的报告。

  正如法国著名微生物学家巴斯德说过的那样,“机遇只偏爱那些有准备的头脑。”莫克利辛苦写就的报告,在许多人手里传来传去,并未传出什么名堂来,可是传到研究生埃克特手里的时候,情形就完全不一样了。

  埃克特深知这份报告的价值,为此他将自己全部身心投入其中。一天,埃克特拜访了莫克利先生,埃克特看问题深刻而尖锐。莫克利认为,埃克特正是自己的知音和得力的帮手。他们共同又研究了一种更加完善的方案。

  莫克利和埃克特的方案提出以后,前后也被搁置了近一年的时间。他们从阿塔纳索夫那里接过“接力棒”,问题在于,他们能否拿着接力棒第一个到达终点呢?关键取决于谁需要这种发明了。当年给阿塔纳索夫提供资金的是农业实验站,如果莫克利他们得到的也是那类部门的资助,那就很可能会落得和阿塔纳索夫同样的命运。

  这次不同了,他们得到了军方的资助。1941年12月7日美国宣布参战,在战争中,战争的需要就是第一需要。莫克利、埃克特等人终于获得最后成功。

  第二次世界大战的纷飞战火,在世界各地蔓延着,以重视高科技武器著称的美国正在调动着一切可以调动的力量,精心地进行着各种新式武器的试制和改进。

  宾夕法尼亚大学莫尔学院的电工系,即莫克利所在的部门,正在同马里兰州阿伯丁试炮场联合进行着一个军事研究项目:为陆军计算炮击表。这是一项非常艰巨而紧迫的任务,按照对方要求,他们应该每天向陆军提供6张炮击表,每张表的计算量都非常大,要计算几百条弹道。实际上,每计算一条在空中飞行60秒的炮弹的弹道,用台式计算机就得化上20个小时,即使用上大型的模拟计算工具——微分分析仪,也要化上15分钟。

  在这个项目的课题组中,有一位军方派来的代表,负责该课题组与陆军军械部的联系,他就是年轻英俊的戈德斯坦中尉。入伍前他是密歇根大学的副教授、数学家。真是无巧不成书,他与莫克利是多年的好朋友。当莫克利谈到自己的电子计算机设计方案时,戈德斯坦中尉激动万分,连声说“太好了,太有用了!这对炮击表的计算简直是雪中送炭。”

  他立即向他的顶头上司吉伦上校作了详细的汇报。上校认为这是克服计算炮击表困难的希望所在,因此给予热情的支持。在上校的积极参与和大力支持下,负责与阿伯丁联系的莫尔学院的勃雷纳德教授,按照军械部的要求,在1943年4月2日,起草了一个为阿伯丁试炮场制造一台数字式电子计算机的计划方案。

  战时的一切都为了战争,古今中外莫不如此,所以事情进行得异常神速,办事效率特别高,仅仅过了一个星期,关系到第一台电子计算机命运的决定性的讨论会,就正式开始了。穿戴整齐的勃雷纳德教授,在莫克利和埃克特俩人的陪同下,神情严肃地前往阿伯丁,出席这次不寻常的会议,他深知这次会议关系重大。阿伯丁军方出席会议的有阿伯丁试炮场弹道学研究所所长西蒙上校,普林斯顿高等研究院的著名数学家维伯伦教授等。维伯伦是西蒙的主要科技顾问,是他的智囊团里的第一号人物,说话具有很高的权威性。会上认真讨论了这一方案的种种潜在可能性,由于申请经费的数额巨大,当然大家都得慎重行事。后来人们回忆说,会前维伯伦教授对方案审阅过多次,在他听取了有关方案的详细说明后,对戈德斯坦中尉端详了一会,又沉思片刻,果断地说:“西蒙,把试制经费拨给他们吧!”教授的这句话是历史性的,整个会议厅里静极了,只有教授的话音在大厅里回荡。当时是1943年4月9日,人类历史上第一台电子计算机试制工作的序幕,就这样被拉开了。

  6月5日,军械部和莫尔学院正式签定了试制合同。在最后一次会议上,大家想到了为这台未来的机器起个名字,最后尊重吉伦上校的意见,命名为

  “电子数值积分和计算机”(Electronic Numerial Integrator andComputer),英文缩写为ENIAC,我们译为中文是“埃尼阿克”。

  埃尼阿克试制计划开始实施了。总设计师一职,毫无疑问应该是这一方案的提出者莫克利教授,当时他才30多岁。担任总工程师的是24岁的埃克特。在制造过程中遇到的一系列复杂的工程技术问题,都由他负责解决。年轻的逻辑学家勃克斯参与逻辑软件的设计工作。风华正茂的戈德斯坦中尉作为杰出的组织者和数学家,在数学上提供十分有益的建议。整个工程吸收了大约200多人,经过两年多艰苦的创造性劳动,埃尼阿克的试制工作终于瓜熟蒂落。1945年底,这台标志着人类智力解放的巨大机器,庄严地宣告竣工。1946年2月15日,在正式的揭幕仪式上,埃尼阿克作了第一次公开表演。

  此时第二次世界大战的烽火,早已烟消云散,埃尼阿克的诞生虽然没能直接为反对法西斯的战争立下功勋,但它给世界带来的影响之大远远超过了在一次战争中所能起的作用。第一台电子计算机是个十足的庞然大物。它占地170平方米,总重量达30吨,里面约有18000个电子管,1500个继电器,以及无数的电阻、电容等。耗电达150千瓦,是个名副其实的“电老虎”。这些功耗在机器运行过程中,最终当然都要转化成热量。热量之大,如果用于烧水,每小时能把近两吨的水烧开。为此,还必须附加冷却设备,以防过热。

  埃尼阿克的计算速度,当时无与伦比,每秒钟可作5000次运算,比当时已有的最快的继电器式计算机要快上1000倍!它可以胜任相当广泛的科学计算,当时计算中的最复杂的问题,要数描写旋转体周围气流的五个双曲型偏微分方程组了。这个问题如果让机电式计算机来计算的话,需要化一个多月的时间;让人工手算,要化上几年时间,而埃尼阿克,仅用了一个小时,就把结果全部告诉人们了。

  埃尼阿克实现了多年来人类将电子技术应用于计算机的梦想,为进一步提高运算速度开辟了极为广阔的前景。

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