计算机发展史

导读:回顾电脑发展的历史,电脑的学名叫做电子计算机,它的始祖应该是计算工具,英语里“Calculus”(计算)一词来源于拉丁语,远古的人们用石头来计算捕获的猎物,石头就是他们的计算工具,人类最早的计算工具是手指,“结绳”当然也可以充当计算工具,这些都是古人用过的“计算机”,通过移动来进行计算,运筹就是计算,例如要计算1248×456,是欧洲人主要的计算工具,于是中国人又发明了一种新式的“计算机”,著

计算机发展史

无处不在、无所不能的电脑,已历经了50多个春华秋实。50余年在人类的历史长河中只是一瞬间,电脑却彻底改变了我们的生活。回顾电脑发展的历史,并依此上溯它的起源,真令人惊叹沧海桑田的巨变;历数电脑史上的英雄人物和跌宕起伏的发明故事,将给后人留下了长久的思索和启迪。请读者随着我们的史话倒转时空,从电脑最初的源头说起。

谁都知道,电脑的学名叫做电子计算机。以人类发明这种机器的初衷,它的始祖应该是计算工具。英语里“Calculus”(计算)一词来源于拉丁语,既有“算法”的含义,也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。远古的人们用石头来计算捕获的猎物,石头就是他们的计算工具。著名科普作家阿西莫夫说,人类最早的计算工具是手指,英语单词“Dight”既表示“手指”又表示“整数数字”;而中国古人常用“结绳”来帮助记事,“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……,这些都是古人用过的“计算机”。

不知何时,许多国家的人都不约而同想到用“筹码”来改进工具,其中要数中国的算筹最有名气。商周时代问世的算筹,实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍,通过移动来进行计算,从此出现了“运筹”这个词,运筹就是计算,后来才派生出“筹”的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位,使用的工具正是算筹,这个结果即使用笔算也很不容易求得。

欧洲人发明的算筹与中国不尽相同,他们的算筹是根据“格子乘法”的原理制成。例如要计算1248×456,?可以先画一个矩形,然后把它分成3×2个小格子,在小格子边依次写下乘数、被乘数的各位数字,再用对角线把小格子一分为二,分别记录上述各位数字相应乘积的十位数与个位数。?把这些乘积由右到左,?沿斜线方向相加,最后就得到乘积。1617年,英国数学家纳皮尔把格子乘法表中可能出现的结果,印刻在一些狭长条的算筹上,利用算筹的摆放来进行乘、除或其他运算。纳皮尔算筹在很长一段时间里,是欧洲人主要的计算工具。算筹在使用中,一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱,让人感到不便,于是中国人又发明了一种新式的“计算机”。

著名作家谢尔顿在他的小说《假如明天来临》里讲过一个故事:骗子杰夫向经销商兜售一种袖珍计算机,说它“价格低廉,绝无故障,节约能源,十年中无需任何保养”。当商人打开包装盒一看,这台“计算机”原来是一把来自中国的算盘。世界文明的四大发源地──黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域──先后都出现过不同形式的算盘,只有中国的珠算盘一直沿用至今。珠算盘最早可能萌芽于汉代,定型于南北朝。它利用进位制记数,通过拨动算珠进行运算:上珠每珠当五,下珠每珠当一,每一档可当作一个数位。打算盘必须记住一套口诀,口诀相当于算盘的“软件”。算盘本身还可以存储数字,使用起来的确很方便,它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果,在人类计算工具史上具有重要的地位。

15世纪以后,随着天文、航海的发展,计算工作日趋繁重,迫切需要探求新的计算方法并改进计算工具。1630年,英国数学家奥特雷德使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算,突

然萌生了一个念头:若采用两根相互滑动的对数刻度尺,不就省得用两脚规度量长度吗?他的这个设想导致了“机械化”计算尺的诞生。奥特雷德是理论数学家,对这个小小的计算尺并不在意,也没有打算让它流传于世,此后二百年,他的发明未被实际运用。18世纪末,以发明蒸汽机闻名于世的瓦特,成功地制出了第一把名副其实的计算尺。瓦特原来就是一位仪表匠,他的蒸汽机工厂投产后,需要迅速计算蒸汽机的功率和气缸体积。瓦特设计的计算尺,在尺座上多了一个滑标,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,对数计算尺迅速发展,成了工程师们必不可少的随身携带的“计算机”,直到20世纪五、六十年代,它仍然是代表工科大学生身份的一种标志。

凝聚着许许多多科学家和能工巧匠智慧的早期计算工具,在不同的历史阶段发挥过巨大作用,但也将随着科学发展而逐渐消亡,最终完成它们的历史使命。

第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡(B.Pascal)发明的机械计算机。

帕斯卡1623年出生在法国一位数学家家庭,他三岁丧母,由担任着税务官的父亲拉扯他长大成人。从小,他就显示出对科学研究浓厚的兴趣。

少年帕斯卡对他的父亲一往情深,他每天都看着年迈的父亲费力地计算税率税款,很想帮助做点事,可又怕父亲不放心。于是,未来的科学家想到了为父亲制做一台可以计算税款的机器。19岁那年,他发明了人类有史以来第一台机械计算机。

帕斯卡的计算机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。

帕斯卡发明成功后,一连制作了50台这种被人称为“帕斯卡加法器”的计算机,至少现在还有5台保存着。?比如,在法国巴黎工艺学校、英国伦敦科学博物馆都可以看到帕斯卡计算机原型。据说在中国的故宫博物院,也保存着两台铜制的复制品,是当年外国人送给慈僖太后的礼品,“老佛爷”哪里懂得它的奥妙,只把它当成了西方的洋玩具,藏在深宫里面。

帕斯卡是真正的天才,他在诸多领域内都有建树。后人在介绍他时,说他是数学家、物理学家、哲学家、流体动力学家和概率论的创始人。凡是学过物理的人都知道一个关于液体压强性质的“帕斯卡定律”,这个定律就是他的伟大发现并以他的名字命名的。他甚至还是文学家,其文笔优美的散文在法国极负盛名。可惜,长期从事艰苦的研究损害了他的健康,1662年

英年早逝,死时年仅39岁。他留给了世人一句至理名言:“人好比是脆弱的芦苇,但是他又是有思想的芦苇。”

全世界“有思想的芦苇”,尤其是计算机领域的后来者,都不会忘记帕斯卡在浑沌中点燃的亮光。1971年发明的一种程序设计语言──PASCAL语言,就是为了纪念这位先驱,使帕斯卡的英名长留在电脑时代里。

帕斯卡逝世后不久,与法兰西毗邻的德国莱茵河畔,有位英俊的年轻人正挑灯夜读。黎明时分,青年人站起身,揉了一下疲乏的腰部,脸上流露出会心的微笑,一个朦胧的设想已酝酿成熟。虽然在帕斯卡发明加法器的时候,他尚未出世,但这篇由帕斯卡亲自撰写的关于加法计算机的论文,却使他似醍醐灌顶,勾起强烈的发明欲。他就是德国大数学家、被《不列颠百科全书》称为“西方文明最伟大的人物之一”的莱布尼茨(G.Leibnitz)。

莱布尼茨早年历经坎坷。当幸运之神降临之时,他获得了一次出使法国的机会。帕斯卡的故乡张开臂膀接纳他,为他实现计算机器的夙愿创造了契机。在巴黎,他聘请到一些著名机械专家和能工巧匠协助工作,终于在1674年造出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。

稍熟悉电脑程序设计的人都知道,连续重复计算加法就是现代计算机做乘除运算采用的办法。莱布尼茨的计算机,加、减、乘、除四则运算一应俱全,也给其后风靡一时的手摇计算机铺平了道路。

不久,因独立发明微积分而与牛顿齐名的莱布尼茨,又为计算机提出了“二进制”数的设计思路。有人说,他的想法来自于东方中国。

大约在公元1700年左右某天,友人送给他一幅从中国带来图画,名称叫做“八卦”,是宋朝人邵雍所摹绘的一张“易图”。莱布尼茨用放大镜仔细观察八卦的每一卦象,发现它们都由阳(—)?和阴(--)两种符号组合而成。他挠有兴趣地把8种卦象颠来倒去排列组合,?脑海中突然火花一闪──这不就是很有规律的二进制数字吗??若认为阳(—)是“1”?,阴(--)是“0”,八卦恰好组成了二进制000到111共8个基本序数。正是在中国人睿智的启迪下,莱布尼茨最终悟出了二进制数之真谛。虽然莱布尼茨设计的计算机用的还是十进制,但他率

先系统提出了二进制数的运算法则,直到今天,二进制数仍然左右着现代电脑的高速运算。

帕斯卡的计算机经由莱布尼茨的改进之后,人们又给它装上电动机以驱动机器工作,成为名符其实的“电动计算机”,并且一直使用到本世纪20年代才退出舞台。尽管帕斯卡与莱布尼茨的发明还不是现代意义上的计算机,但它们毕竟昭示着人类计算机史里的第一抹曙光。

要让机器听人类的话,按人类的意愿去计算,就要实现人与机器之间的对话,或者说,要把人类的思想传送给机器,让机器按人的意志自动执行。

说来也怪,实现人与机器对话的始作俑者却不是研制计算机的那些前辈,而是与计算机发明毫不相干的两位法国纺织机械师。他们先后发明了一种指挥机器工作的“程序”,把思想直接“注入”到了提花编织机的针尖上。

顾名思义,提花编织机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。

应该是,提花编织机最早出现在中国。在我国出土的战国时代墓葬物品中,就有许多用彩色丝线编织的漂亮花布。据史书记载,西汉年间,钜鹿县纺织工匠陈宝光的妻子,能熟练地掌握提花机操作技术,?她的机器配置了120根经线,平均60天即可织成一匹花布,每匹价值万钱。明朝刻印的《天工开物》一书中,还赫然地印着一幅提花机的示意图。可以想象,当欧洲的王公贵族对从“丝绸之路”传入的美丽绸缎赞叹不已时,中国的提花机也必定会沿着“丝绸之路”传入欧洲。

不过,用当时的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。

1725年,法国纺织机械师布乔(B.?Bouchon)突发奇想,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,其他的针则被纸带挡住不动。这样一来,编织针就自动按照预先设计的图案去挑选经线,布乔的“思想”于是“传递”给了编织机,而编织图案的“程序”也就“储存”在穿孔纸带的小孔之中。真正成功的改进是在80年后,另一位法国机械师杰卡德(J.Jacquard),大约在1805年完成了“自动提花编织机”的设计制作。

那是举世瞩目的法国大革命的年代──攻打巴士底狱,推翻封建王朝,武装保卫巴黎,市民们高唱着“马赛曲”,纷纷走上街头,革命风暴如火如荼。虽然杰卡德在1790年就基本形成了他的提花机设计构想,但为了参加革命,他无暇顾及发明创造,也扛起来福枪,投身到里昂保卫战的行列里。直到19世纪到来之后,杰卡德的机器才得以组装完成。

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也换成了穿孔卡片。据说,杰卡德编织机面世后仅25年,考文垂附近的乡村里就有了600台,?在老式蒸气机噗嗤噗嗤的伴奏下,把穿孔卡片上的图案变成一匹匹漂亮的花绸布。纺织工人最初强烈反对这架自动化的新鲜玩意的到来,因为害怕机器会抢去他们的饭碗,使他们失去工作,但因为它优越的性能,终于被人们普遍接受。1812年,仅在法国已经装配了万余台,并通过英国传遍了西方世界,杰卡德也因此而被受予了荣誉军团十字勋章和金质奖章。

杰卡德提花编织机奏响了19世纪机器自动化的序曲。在伦敦出版的《不列颠百科全书》和中国出版的《英汉科技词汇大全》两部书中,“JACQUARD”(杰卡德)一词的词条下,英语和汉语的意思居然都是“提花机”,可见,杰卡德的名字已经与提花机融为了一体。杰卡德提花机的原理,即使到了电脑时代的今天,依然没有更大的改动,街头巷尾小作坊里使用的手工绒线编织机,其基本结构仍与杰卡德编织机大体相似。

此外,杰卡德编织机“千疮百孔”的穿孔卡片,不仅让机器编织出绚丽多彩的图案,而且意味着程序控制思想的萌芽,穿孔纸带和穿孔卡片也广泛用于早期电脑以存储程序和数据。或许,我们现在把“程序设计”俗称为“编程序”,就引申自编织机的“编织花布”的词义。

今天出版的许多计算机书籍扉页里,都登载着巴贝奇(C.?Babbage)的照片:宽阔的额,狭长的嘴,锐利的目光显得有些愤世嫉俗,坚定的但绝非缺乏幽默的外貌,给人以一个极富深邃思想的学者形象。

巴贝奇是一位富有的银行家的儿子,1792年出生在英格兰西南部的托特纳斯,后来继承了相当丰厚的遗产,但他把金钱都用于了科学研究。童年时代的巴贝奇显示出极高的数学天赋,?考入剑桥大学后,他发现自己掌握的代数知识甚至超过了教师。毕业留校,24岁的年青人荣幸受聘担任剑桥大学“路卡辛讲座”的数学教授。这是一个很少有人能够获得的殊荣,牛顿的老师巴罗是第一名,牛顿是第二名。在教学之余,巴贝奇完成了大量发明创造,如运用运筹学理论率先提出“一便士邮资”制度,发明了供火车使用的速度计和排障器等等。假若巴贝奇继续在数学理论和科技发明领域耕耘,他本来是可以走上鲜花铺就的坦途。然而,这位旷世奇才却选择了一条无人敢于攀登的崎岖险路。

事情还得从法国讲起。?18世纪末,?法兰西发起了一项宏大的计算工程──人工编制《数学用表》,这在没有先进计算工具的当时,是件极其艰巨的工作。法国数学界调集大批数学

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