電子計算機發(fā)展歷程

1、電子計算機發(fā)展歷程電腦的學名叫做電子計算機。 以人類發(fā)明這種機器的初衷， 它的始祖應該是計算工具。 英語里“ Calculus (計算)一詞來源于拉丁語，既有“算法”的含義，也有腎臟或膽囊里的“結石”的意思。遠古的人們用 石頭來計算捕獲的獵物，石頭就是他們的計算工具。著名科普作家阿西莫夫說，人類最早的計算工具是手 指，英語單詞“ Dight ”既表示“手指”又表示“整數(shù)數(shù)字” ；而中國古人常用“結繩”來幫助記事， “結繩” 當然也可以充當計算工具。石頭、手指、繩子 , ，這些都是古人用過的“計算機” 。15 世紀以后，隨著天文、航海的發(fā)展，計算工作日趨繁重，迫切需要探求新的計算方法并改進計算工

2、 具。1630 年，英國數(shù)學家奧特雷德使用當時流行的對數(shù)刻度尺做乘法運算，突然萌生了一個念頭：若采用 兩根相互滑動的對數(shù)刻度尺，不就省得用兩腳規(guī)度量長度嗎？他的這個設想導致了“機械化”計算尺的誕 生。奧特雷德是理論數(shù)學家，對這個小小的計算尺并不在意，也沒有打算讓它流傳于世，此后二百年，他 的發(fā)明未被實際運用。 18 世紀末，以發(fā)明蒸汽機聞名于世的瓦特， 成功地制出了第一把名副其實的計算尺。 瓦特原來就是一位儀表匠，他的蒸汽機工廠投產(chǎn)后，需要迅速計算蒸汽機的功率和氣缸體積。瓦特設計的 計算尺，在尺座上多了一個滑標，用來“存儲”計算的中間結果，這種滑標很長時間一直被后人所沿用。1850年以后，對數(shù)

3、計算尺迅速發(fā)展，成了工程師們必不可少的隨身攜帶的“計算機” ，直到 20 世紀五、 六十年代， 它仍然是代表工科大學生身份的一種標志。 凝聚著許許多多科學家和能工巧匠智慧的早期計算 工具，在不同的歷史階段發(fā)揮過巨大作用，但也將隨著科學發(fā)展而逐漸消亡，最終完成它們的歷史使命。 第一臺真正的計算機是著名科學家帕斯卡( B.Pascal )發(fā)明的機械計算機。萊布尼茨早年歷經(jīng)坎坷。當幸運之神降臨之時，他獲得了一次出使法國的機會。帕斯卡的故鄉(xiāng)張開 臂膀接納他，為他實現(xiàn)計算機器的夙愿創(chuàng)造了契機。在巴黎，他聘請到一些著名機械專家和能工巧匠協(xié)助 工作，終于1725年，法國紡織機械師布喬 (B.?Bouchon

4、 )突發(fā)奇想，想出了一個“穿孔紙帶” 的絕妙主意。 布喬首先設法用一排編織針控制所有的經(jīng)線運動，然后取來一卷紙帶，根據(jù)圖案打出一排排小孔，并把它 壓在編織針上。啟動機器后，正對著小孔的編織針能穿過去鉤起經(jīng)線，其他的針則被紙帶擋住不動。這樣 一來，編織針就自動按照預先設計的圖案去挑選經(jīng)線，布喬的“思想”于是“傳遞”給了編織機，而編織 圖案的“程序”也就“儲存”在穿孔紙帶的小孔之中。真正成功的改進是在80 年后，另一位法國機械師杰卡德( J.Jacquard )，大約在 1805 年完成了“自動提花編織機”的設計制作。那是舉世矚目的法國大革命的年代攻打巴士底獄，推翻封建王朝，武裝保衛(wèi)巴黎，市民們高

5、唱 著“馬賽曲”，紛紛走上街頭，革命風暴如火如荼。雖然杰卡德在 1 790年就基本形成了他的提花機設計構 想，但為了參加革命，他無暇顧及發(fā)明創(chuàng)造，也扛起來福槍，投身到里昂保衛(wèi)戰(zhàn)的行列里。直到19 世紀到來之后，杰卡德的機器才得以組裝完成。杰卡德為他的提花機增加了一種裝置，能夠同時操縱 1200 個編織針，控制圖案的穿孔紙帶后來也換 成了穿孔卡片。據(jù)說，杰卡德編織機面世后僅 25年，考文垂附近的鄉(xiāng)村里就有了 600臺， ?在老式蒸氣機 噗嗤噗嗤的伴奏下，把穿孔卡片上的圖案變成一匹匹漂亮的花綢布。紡織工人最初強烈反對這架自動化的 新鮮玩意的到來，因為害怕機器會搶去他們的飯碗，使他們失去工作，但因為

6、它優(yōu)越的性能，終于被人們 普遍接受。 1812 年，僅在法國已經(jīng)裝配了萬余臺，并通過英國傳遍了西方世界，杰卡德也因此而被受予了 榮譽軍團十字勛章和金質獎章。18世紀末，？法蘭西發(fā)起了一項宏大的計算工程一一人工編制數(shù)學用表，這在沒有先進計算工具 的當時，是件極其艱巨的工作。法國數(shù)學界調(diào)集大批數(shù)學家，組成了人工手算的流水線，算得天昏地暗， 才完成了 17卷大部頭書稿。即便如此，計算出的數(shù)學用表仍然存在大量錯誤。據(jù)說有一天，巴貝奇與著名 的天文學家赫舍爾湊在一起，對兩大部頭的天文數(shù)表評頭論足，翻一頁就是一個錯，翻兩頁就有好幾處。 面對錯誤百出的數(shù)學表，巴貝奇目瞪口呆，他甚至喊出聲來：“天哪，這些計算

7、錯誤已經(jīng)充斥彌漫了整個 宇宙！”這件事也許就是巴貝奇萌生研制計算機構想的起因。巴貝奇在他的自傳一個哲學家的生命歷程 里，寫到了大約發(fā)生在 1812 年的一件事： “有一天晚上，我坐在劍橋大學的分析學會辦公室里，神志恍惚 地低頭看著面前打開的一張對數(shù)表。一位會員走進屋來，瞧見我的樣子，忙喊道：喂！你夢見什么啦？' 我指著對數(shù)表回答說： 我正在考慮這些表也許能用機器來計算！ '”巴貝奇的第一個目標是制作一臺 “差 分機”。所謂“差分”的含義，是把函數(shù)表的復雜算式轉化為差分運算，用簡單的加法代替平方運算。那 一年，剛滿 20 歲的巴貝奇從法國人杰卡德發(fā)明的提花編織機上獲得了靈感， 差

8、分機設計閃爍出了程序控制 的靈光一一它能夠按照設計者的旨意，自動處理不同函數(shù)的計算過程。巴貝奇耗費了整整十年光陰，于 1822年完成了第一臺差分機，它可以處理 3個不同的 5 位數(shù)，計算 精度達到 6 位小數(shù)，當即就演算出好幾種函數(shù)表。由于當時工業(yè)技術水平極低，第一臺差分機從設計繪圖 到機械零件加工，都是巴貝奇親自動手完成。當他看著自己的機器制作出準確無誤的數(shù)學用表，高興 地對人講：“哪怕我的機器出了故障，比如齒輪被卡住不能動，那也毫無關系。你看，每個輪子上都有數(shù) 字標記，它不會欺騙任何人。”以后實際運用證明，這種機器非常適合于編制航海和天文方面的數(shù)學用表。成功的喜悅激勵著巴貝奇，他連夜奮筆上

9、書皇家學會，要求政府資助他建造第二臺運算精度為20 位的大型差分機。 英國政府看到巴貝奇的研究有利可圖， 破天荒地與科學家簽訂了第一個合同，?財政部慷慨地為這臺大型差分機提供出 1.7 萬英鎊的資助。 巴貝奇自己也貼進去 1.3 萬英鎊巨款， ?用以彌補研制經(jīng)費 的不足。在當年，這筆款項的數(shù)額無異于天文數(shù)字有資料介紹說，1831年約翰布爾制造一臺蒸汽機車的費用才 784 英磅。然而，第二臺差分機在機械制造工廠里觸上了“暗礁”。第二臺差分機大約有 25000 個零件， ?主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一，即使用現(xiàn)在的加工 設備和技術，要想造出這種高精度的機械也絕非易事。巴貝奇把差分機交給了英

10、國最著名的機械工程師約 瑟夫克萊門特所屬的工廠制造，但工程進度十分緩慢。設計師心急火燎，從劍橋到工廠，從工廠到劍橋， 一天幾個來回。他把圖紙改了又改，讓工人把零件重做一遍又一遍。年復一年，日復一日，直到又一個10年過去后，巴貝奇依然望著那些不能運轉的機器發(fā)愁，全部零件亦只完成不足一半數(shù)量。參加試驗的同事 們再也堅持不下去，紛紛離他而去。巴貝奇獨自苦苦支撐了第三個10 年，終于感到無力回天。那天清晨，巴貝奇走進車間，偌大的作業(yè)場空無一人，只剩下滿地的滑車和齒輪，四處一片狼藉。 他呆立在尚未完工的機器旁，深深地嘆了口氣。在痛苦的煎熬中，他無計可施，只得把全部設計圖紙和已 完成的部分零件送進倫敦皇家

11、學院博物館供人觀賞。 1842年，在巴貝奇的一生中是極不平常的一年。英國 政府宣布斷絕對他的一切資助，連科學界的友人都用一種怪異的目光看著他。英國首相譏諷道：“這部機 器的唯一用途，就是花掉大筆金錢！”同行們譏笑他是“愚笨的巴貝奇”。皇家學院的權威人士，包括著 名天文學家艾瑞等人，都公開宣稱他的差分機“毫無任何價值” ,就在痛苦艱難的時刻，孤獨苦悶的巴貝奇意外地收到一封來信，寫信人不僅對他表示理解而且還希望與他共同工作。娟秀字體的簽名，表明了她不凡的身份一一伯爵夫人。接到信函后不久，巴貝奇實驗室門口走進來一位年輕的女士。她身披素雅的斗蓬，鬢角上斜插一朵 白色的康乃馨，顯得那么典雅端莊。巴貝奇一

12、時愣在那里，他與這位女士似曾相識，又想不起曾在何處邂 逅。女士落落大方地作了自我介紹，正是那位寫信人?！澳€記得我嗎？”女士低聲問道，“十多年前，您還給我講過差分機原理。”看到巴貝奇迷惑的 眼神，她又笑著補充說：“您說我像野人見到了望遠鏡?！卑拓惼婊腥淮笪颍肫鹨呀?jīng)十分遙遠的往事。面前這位女士和那個小女孩之間， 依稀還有幾分相似。原來，？伯爵夫人本名叫阿達奧古斯塔(AdaAugusta)， 是英國著名詩人拜倫的獨生女。她比巴貝奇的年齡小 20多歲， 1815年出生。阿達自小命運多舛，來到人 世的第二年，父親拜倫因性格不合與她的母親離異，從此別離英國?？赡苁菑奈吹玫竭^父愛的緣由，小阿 達沒有繼承

13、到父親詩一般的浪漫熱情，卻繼承了母親的數(shù)學才能和毅力。30 年的困難和挫折并沒有使巴貝奇屈服，阿達的友情援助更堅定了他的決心。還在大型差分機進軍 受挫的 1834 年，巴貝奇就已經(jīng)提出了一項新的更大膽的設計。 他最后沖刺的目標， 不是僅僅能夠制表的差 分機，而是一種通用的數(shù)學計算機。巴貝奇把這種新的設計叫做“分析機”?，它能夠自動解算有 100 個變量的復雜算題，每個數(shù)可達 25 位，速度可達每秒鐘運算一次。由于巴貝奇晚年因喉疾幾乎不能說話，介紹分析機的文字主要由阿達替他完成。阿達在一篇文章里 介紹說：“這臺機器不論在可能完成的計算范圍、簡便程度以及可靠性與精確度方面，或者是計算時完全 不用人

14、參與這方面，都超過了以前的機器?！卑拓惼姘逊治鰴C設計得那樣精巧，?他打算用蒸汽機為動力，驅動大量的齒輪機構運轉。巴貝奇的分析機大體上有三大部分：其一是齒輪式的“存貯庫”，巴貝奇稱它 為“倉庫” ?（Store ），每個齒輪可貯存 10 個數(shù)，齒輪組成的陣列總共能夠儲存1000 個 50 位數(shù)。分析機的第二個部件是所謂“運算室”，它被巴貝奇命名為“作坊”（ Mill ），其基本原理與帕斯卡的轉輪相似， 用齒輪間的嚙合、旋轉、平移等方式進行數(shù)字運算。為了加快運算速度，他改進了進位裝置，使得 50 位數(shù) 加 50 位數(shù)的運算可完成于一次轉輪之中。 第三部分巴貝奇沒有為它具體命名， 其功能是以杰卡德穿

15、孔卡中 的“ 0”和“ 1”來控制運算操作的順序，類似于電腦里的控制器。他甚至還考慮到如何使這臺機器處理依 條件轉移的動作，比如，第一步運算結果若是“1”，就接著做乘法，若是“ 0”就進行除法運算。此外，巴貝奇也構思了送入和取出數(shù)據(jù)的機構，以及在“倉庫”和“作坊”之間不斷往返運輸數(shù)據(jù)的部件。阿達“心有靈犀一點通”，她非常準確地評價道：“分析機編織'的代數(shù)模式同杰卡德織布機編 織的花葉完全一樣”。于是，為分析機編制一批函數(shù)計算程序的重擔，落到了數(shù)學才女的肩頭。阿達開天 辟地第一次為計算機編出了程序，其中包括計算三角函數(shù)的程序、級數(shù)相乘程序、伯努利函數(shù)程序等等。 阿達編制的這些程序，即使到

16、了今天，電腦軟件界的后輩仍然不敢輕易改動一條指令。人們公認她是世界 上第一位軟件工程師。眾所周知， ?美國國防部據(jù)說是花了 250億美元和 10 年的光陰，把它所需要軟件的 全部功能混合在一種計算機語言中，希望它能成為軍方數(shù)千種電腦的標準。 1981 年，這種語言被正式命名 為ADA（阿達）語言，使阿達的英名流傳至今。為籌措科研經(jīng)費，他們不得不“下?！备恪皠?chuàng)收”。最后，兩人陷入了惶惶不可終日的窘境。阿達 忍痛兩次把丈夫家中祖?zhèn)鞯恼鋵毸瓦M當鋪，以維持日常開銷，而這些財寶又兩次被她母親出資贖了回來。 貧困交加，無休止的腦力勞動，使阿達的健康狀況急劇惡化。1852 年，懷著對分析機成功的美好夢想，軟

17、件才女英年早逝，死時年僅 36 歲。阿達去世后，巴貝奇又默默地獨自堅持了近 20 年。晚年的他已經(jīng)不能 準確地發(fā)音，甚至不能有條理地表達自己的意思，但是他仍然百折不撓地堅持工作。1871 年，為計算機事業(yè)貢獻畢生精力的先驅者巴貝奇，終于滿懷著對分析機無言的悲悵，孤獨地離開了人世。分析機終于沒能 造出來，巴貝奇和阿達失敗了。巴貝奇和阿達的失敗是因為他們看得太遠，分析機的設想超出了他們所處 時代至少一個世紀！ 社會發(fā)展的需求和科學技術發(fā)展的可能， 使得他們注定要成為的悲劇人物。 盡管如此， 巴貝奇和阿達為電腦科學留下了一份極其珍貴的精神遺產(chǎn)，包括30種不同設計方案，近 2000 張組裝圖和5000

18、0 張零件圖 , ，更包括那種在逆境中自強不息，為追求理想奮不顧身的拼搏精神。大約在1936年，美國青年霍德華艾肯（H.Aiken ）來哈佛大學攻讀物理學博士學位。恰好在世紀 之交來到人世的艾肯，屬于大器晚成的科學家。由于家庭貧困，他不得不以半工半讀的方式艱難地讀完高 中。大學期間，也是一邊工作，一邊刻苦學習，直到畢業(yè)后才謀到一份工程師的工作。36歲那年，他毅然辭去收入豐厚的職務，重新走進大學校門。由于博士論文的研究涉及到空間電荷的傳導理論，需要求解非 常復雜的非線性微分方程，在進行繁瑣的手工計算之余，艾肯很想發(fā)明一種機器代替人工求解的方法，幻 想能有一臺計算機幫助他解決數(shù)學難題。三年之后，正

19、如萊布尼茨在書里“找到”帕斯卡一樣，艾肯也是在圖書館里“發(fā)現(xiàn)”的巴貝奇和阿 達。以艾肯所處時代的科技水平，也許已經(jīng)能夠完成巴貝奇未競的事業(yè)，造出通用計算機。艾肯從他一位老師口中得知 IBM董事長沃森的大名，他的老師此時正在一所由IBM出資創(chuàng)辦的“哥倫比亞大學統(tǒng)計局”里任職，非常樂意為學生寫了份推薦信。艾肯連續(xù)通宵達旦地準備材料，擬好了一份 詳細的可行性報告，直接跑去找沃森。他聽老師講，沃森的作風從來就是獨斷專行，不設法說服此人，研 制計算機的計劃一準泡湯。IBM的總部座落在一幢古色古香的建設物里。？沃森坐在寬大的寫字臺后，一言不發(fā)聽艾肯陳述。在他的背后，是整整齊齊擺滿各種書籍的大書柜，書柜的上

20、方貼著只有一個單詞的格言思考（THINK,這是沃森最為推崇的行動準則。艾肯設計的馬克 1 號已經(jīng)是一種電動的機器，？它借助電流進行運算，最關鍵的部件，用的是普通電話上的繼電器。 ？馬克 1號上大約安裝了 3000個繼電器，每一個都有由彈簧支撐著的小鐵棒，？通過電磁鐵的吸引上下運動。吸合則接通電路，代表“1”；釋放則斷開電路，代表“ 0”。繼電器“開關”能在大約1/100 秒的時間內(nèi)接通或是斷開電流，當然比巴貝奇的齒輪先進得多。為馬克1號編制計算程序的也是一位女數(shù)學家格雷斯霍波（ G.?Hopper）。這位聲名遐邇的數(shù)學博 士，1944年參加到哈佛大學計算機研究工作，她說：“我成了世界上第一臺大型計算機Mark I的第三名程序員?！被舨?/p>