電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

1、電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程電腦的學(xué)名叫做電子計(jì)算機(jī)。 以人類發(fā)明這種機(jī)器的初衷， 它的始祖應(yīng)該是計(jì)算工具。 英語里“ Calculus (計(jì)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(jié)石”的意思。遠(yuǎn)古的人們用 石頭來計(jì)算捕獲的獵物，石頭就是他們的計(jì)算工具。著名科普作家阿西莫夫說，人類最早的計(jì)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(jié)繩”來幫助記事， “結(jié)繩” 當(dāng)然也可以充當(dāng)計(jì)算工具。石頭、手指、繩子 , ，這些都是古人用過的“計(jì)算機(jī)” 。15 世紀(jì)以后，隨著天文、航海的發(fā)展，計(jì)算工作日趨繁重，迫切需要探求新的計(jì)算方法并改進(jìn)計(jì)算工

2、 具。1630 年，英國數(shù)學(xué)家奧特雷德使用當(dāng)時流行的對數(shù)刻度尺做乘法運(yùn)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(shè)想導(dǎo)致了“機(jī)械化”計(jì)算尺的誕 生。奧特雷德是理論數(shù)學(xué)家，對這個小小的計(jì)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(shí)際運(yùn)用。 18 世紀(jì)末，以發(fā)明蒸汽機(jī)聞名于世的瓦特， 成功地制出了第一把名副其實(shí)的計(jì)算尺。 瓦特原來就是一位儀表匠，他的蒸汽機(jī)工廠投產(chǎn)后，需要迅速計(jì)算蒸汽機(jī)的功率和氣缸體積。瓦特設(shè)計(jì)的 計(jì)算尺，在尺座上多了一個滑標(biāo)，用來“存儲”計(jì)算的中間結(jié)果，這種滑標(biāo)很長時間一直被后人所沿用。1850年以后，對數(shù)

3、計(jì)算尺迅速發(fā)展，成了工程師們必不可少的隨身攜帶的“計(jì)算機(jī)” ，直到 20 世紀(jì)五、 六十年代， 它仍然是代表工科大學(xué)生身份的一種標(biāo)志。 凝聚著許許多多科學(xué)家和能工巧匠智慧的早期計(jì)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(xué)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(jì)算機(jī)是著名科學(xué)家帕斯卡( B.Pascal )發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)。萊布尼茨早年歷經(jīng)坎坷。當(dāng)幸運(yùn)之神降臨之時，他獲得了一次出使法國的機(jī)會。帕斯卡的故鄉(xiāng)張開 臂膀接納他，為他實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)器的夙愿創(chuàng)造了契機(jī)。在巴黎，他聘請到一些著名機(jī)械專家和能工巧匠協(xié)助 工作，終于1725年，法國紡織機(jī)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(shè)法用一排編織針控制所有的經(jīng)線運(yùn)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(jī)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(yù)先設(shè)計(jì)的圖案去挑選經(jīng)線，布喬的“思想”于是“傳遞”給了編織機(jī)，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(jìn)是在80 年后，另一位法國機(jī)械師杰卡德( J.Jacquard )，大約在 1805 年完成了“自動提花編織機(jī)”的設(shè)計(jì)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(fēng)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(jī)設(shè)計(jì)構(gòu) 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(jì)到來之后，杰卡德的機(jī)器才得以組裝完成。杰卡德為他的提花機(jī)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(jī)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(jī) 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(qiáng)烈反對這架自動化的 新鮮玩意的到來，因?yàn)楹ε聶C(jī)器會搶去他們的飯碗，使他們失去工作，但因?yàn)?/p>

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(yù)軍團(tuán)十字勛章和金質(zhì)獎?wù)隆?8世紀(jì)末，？法蘭西發(fā)起了一項(xiàng)宏大的計(jì)算工程一一人工編制數(shù)學(xué)用表，這在沒有先進(jìn)計(jì)算工具 的當(dāng)時，是件極其艱巨的工作。法國數(shù)學(xué)界調(diào)集大批數(shù)學(xué)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(jì)算出的數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)表，巴貝奇目瞪口呆，他甚至喊出聲來：“天哪，這些計(jì)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(jì)算機(jī)構(gòu)想的起因。巴貝奇在他的自傳一個哲學(xué)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(xué)的分析學(xué)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(jìn)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(jī)器來計(jì)算！ '”巴貝奇的第一個目標(biāo)是制作一臺 “差 分機(jī)”。所謂“差分”的含義，是把函數(shù)表的復(fù)雜算式轉(zhuǎn)化為差分運(yùn)算，用簡單的加法代替平方運(yùn)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(jī)上獲得了靈感， 差

8、分機(jī)設(shè)計(jì)閃爍出了程序控制 的靈光一一它能夠按照設(shè)計(jì)者的旨意，自動處理不同函數(shù)的計(jì)算過程。巴貝奇耗費(fèi)了整整十年光陰，于 1822年完成了第一臺差分機(jī)，它可以處理 3個不同的 5 位數(shù)，計(jì)算 精度達(dá)到 6 位小數(shù)，當(dāng)即就演算出好幾種函數(shù)表。由于當(dāng)時工業(yè)技術(shù)水平極低，第一臺差分機(jī)從設(shè)計(jì)繪圖 到機(jī)械零件加工，都是巴貝奇親自動手完成。當(dāng)他看著自己的機(jī)器制作出準(zhǔn)確無誤的數(shù)學(xué)用表，高興 地對人講：“哪怕我的機(jī)器出了故障，比如齒輪被卡住不能動，那也毫無關(guān)系。你看，每個輪子上都有數(shù) 字標(biāo)記，它不會欺騙任何人?！币院髮?shí)際運(yùn)用證明，這種機(jī)器非常適合于編制航海和天文方面的數(shù)學(xué)用表。成功的喜悅激勵著巴貝奇，他連夜奮筆上

9、書皇家學(xué)會，要求政府資助他建造第二臺運(yùn)算精度為20 位的大型差分機(jī)。 英國政府看到巴貝奇的研究有利可圖， 破天荒地與科學(xué)家簽訂了第一個合同，?財(cái)政部慷慨地為這臺大型差分機(jī)提供出 1.7 萬英鎊的資助。 巴貝奇自己也貼進(jìn)去 1.3 萬英鎊巨款， ?用以彌補(bǔ)研制經(jīng)費(fèi) 的不足。在當(dāng)年，這筆款項(xiàng)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(jī)車的費(fèi)用才 784 英磅。然而，第二臺差分機(jī)在機(jī)械制造工廠里觸上了“暗礁”。第二臺差分機(jī)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(shè)備和技術(shù)，要想造出這種高精度的機(jī)械也絕非易事。巴貝奇把差分機(jī)交給了英

10、國最著名的機(jī)械工程師約 瑟夫克萊門特所屬的工廠制造，但工程進(jìn)度十分緩慢。設(shè)計(jì)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(fù)一年，日復(fù)一日，直到又一個10年過去后，巴貝奇依然望著那些不能運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器發(fā)愁，全部零件亦只完成不足一半數(shù)量。參加試驗(yàn)的同事 們再也堅(jiān)持不下去，紛紛離他而去。巴貝奇獨(dú)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(jìn)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(jī)器旁，深深地嘆了口氣。在痛苦的煎熬中，他無計(jì)可施，只得把全部設(shè)計(jì)圖紙和已 完成的部分零件送進(jìn)倫敦皇家

11、學(xué)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(xué)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(jī) 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(xué)院的權(quán)威人士，包括著 名天文學(xué)家艾瑞等人，都公開宣稱他的差分機(jī)“毫無任何價(jià)值” ,就在痛苦艱難的時刻，孤獨(dú)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(shí)驗(yàn)室門口走進(jìn)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(jī)原理。”看到巴貝奇迷惑的 眼神，她又笑著補(bǔ)充說：“您說我像野人見到了望遠(yuǎn)鏡?！卑拓惼婊腥淮笪颍肫鹨呀?jīng)十分遙遠(yuǎn)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(dá)奧古斯塔(AdaAugusta)， 是英國著名詩人拜倫的獨(dú)生女。她比巴貝奇的年齡小 20多歲， 1815年出生。阿達(dá)自小命運(yùn)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(dá)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(xué)才能和毅力。30 年的困難和挫折并沒有使巴貝奇屈服，阿達(dá)的友情援助更堅(jiān)定了他的決心。還在大型差分機(jī)進(jìn)軍 受挫的 1834 年，巴貝奇就已經(jīng)提出了一項(xiàng)新的更大膽的設(shè)計(jì)。 他最后沖刺的目標(biāo)， 不是僅僅能夠制表的差 分機(jī)，而是一種通用的數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)。巴貝奇把這種新的設(shè)計(jì)叫做“分析機(jī)”?，它能夠自動解算有 100 個變量的復(fù)雜算題，每個數(shù)可達(dá) 25 位，速度可達(dá)每秒鐘運(yùn)算一次。由于巴貝奇晚年因喉疾幾乎不能說話，介紹分析機(jī)的文字主要由阿達(dá)替他完成。阿達(dá)在一篇文章里 介紹說：“這臺機(jī)器不論在可能完成的計(jì)算范圍、簡便程度以及可靠性與精確度方面，或者是計(jì)算時完全 不用人

14、參與這方面，都超過了以前的機(jī)器。”巴貝奇把分析機(jī)設(shè)計(jì)得那樣精巧，?他打算用蒸汽機(jī)為動力，驅(qū)動大量的齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。巴貝奇的分析機(jī)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(jī)的第二個部件是所謂“運(yùn)算室”，它被巴貝奇命名為“作坊”（ Mill ），其基本原理與帕斯卡的轉(zhuǎn)輪相似， 用齒輪間的嚙合、旋轉(zhuǎn)、平移等方式進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算。為了加快運(yùn)算速度，他改進(jìn)了進(jìn)位裝置，使得 50 位數(shù) 加 50 位數(shù)的運(yùn)算可完成于一次轉(zhuǎn)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(yùn)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(jī)器處理依 條件轉(zhuǎn)移的動作，比如，第一步運(yùn)算結(jié)果若是“1”，就接著做乘法，若是“ 0”就進(jìn)行除法運(yùn)算。此外，巴貝奇也構(gòu)思了送入和取出數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)，以及在“倉庫”和“作坊”之間不斷往返運(yùn)輸數(shù)據(jù)的部件。阿達(dá)“心有靈犀一點(diǎn)通”，她非常準(zhǔn)確地評價(jià)道：“分析機(jī)編織'的代數(shù)模式同杰卡德織布機(jī)編 織的花葉完全一樣”。于是，為分析機(jī)編制一批函數(shù)計(jì)算程序的重?fù)?dān)，落到了數(shù)學(xué)才女的肩頭。阿達(dá)開天 辟地第一次為計(jì)算機(jī)編出了程序，其中包括計(jì)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(dá)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(rèn)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(jì)算機(jī)語言中，希望它能成為軍方數(shù)千種電腦的標(biāo)準(zhǔn)。 1981 年，這種語言被正式命名 為ADA（阿達(dá)）語言，使阿達(dá)的英名流傳至今。為籌措科研經(jīng)費(fèi)，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(dá) 忍痛兩次把丈夫家中祖?zhèn)鞯恼鋵毸瓦M(jìn)當(dāng)鋪，以維持日常開銷，而這些財(cái)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(dá)的健康狀況急劇惡化。1852 年，懷著對分析機(jī)成功的美好夢想，軟

17、件才女英年早逝，死時年僅 36 歲。阿達(dá)去世后，巴貝奇又默默地獨(dú)自堅(jiān)持了近 20 年。晚年的他已經(jīng)不能 準(zhǔn)確地發(fā)音，甚至不能有條理地表達(dá)自己的意思，但是他仍然百折不撓地堅(jiān)持工作。1871 年，為計(jì)算機(jī)事業(yè)貢獻(xiàn)畢生精力的先驅(qū)者巴貝奇，終于滿懷著對分析機(jī)無言的悲悵，孤獨(dú)地離開了人世。分析機(jī)終于沒能 造出來，巴貝奇和阿達(dá)失敗了。巴貝奇和阿達(dá)的失敗是因?yàn)樗麄兛吹锰h(yuǎn)，分析機(jī)的設(shè)想超出了他們所處 時代至少一個世紀(jì)！ 社會發(fā)展的需求和科學(xué)技術(shù)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(dá)為電腦科學(xué)留下了一份極其珍貴的精神遺產(chǎn)，包括30種不同設(shè)計(jì)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(qiáng)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(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。恰好在世紀(jì) 之交來到人世的艾肯，屬于大器晚成的科學(xué)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(xué)期間，也是一邊工作，一邊刻苦學(xué)習(xí)，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(wù)，重新走進(jìn)大學(xué)校門。由于博士論文的研究涉及到空間電荷的傳導(dǎo)理論，需要求解非 常復(fù)雜的非線性微分方程，在進(jìn)行繁瑣的手工計(jì)算之余，艾肯很想發(fā)明一種機(jī)器代替人工求解的方法，幻 想能有一臺計(jì)算機(jī)幫助他解決數(shù)學(xué)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(dá)。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(jì)算機(jī)。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(xué)統(tǒng)計(jì)局”里任職，非常樂意為學(xué)生寫了份推薦信。艾肯連續(xù)通宵達(dá)旦地準(zhǔn)備材料，擬好了一份 詳細(xì)的可行性報(bào)告，直接跑去找沃森。他聽老師講，沃森的作風(fēng)從來就是獨(dú)斷專行，不設(shè)法說服此人，研 制計(jì)算機(jī)的計(jì)劃一準(zhǔn)泡湯。IBM的總部座落在一幢古色古香的建設(shè)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(zhǔn)則。艾肯設(shè)計(jì)的馬克 1 號已經(jīng)是一種電動的機(jī)器，？它借助電流進(jìn)行運(yùn)算，最關(guān)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(yùn)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(guān)”能在大約1/100 秒的時間內(nèi)接通或是斷開電流，當(dāng)然比巴貝奇的齒輪先進(jìn)得多。為馬克1號編制計(jì)算程序的也是一位女?dāng)?shù)學(xué)家格雷斯霍波（ G.?Hopper）。這位聲名遐邇的數(shù)學(xué)博 士，1944年參加到哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)研究工作，她說：“我成了世界上第一臺大型計(jì)算機(jī)Mark I的第三名程序員?！被舨?/p>