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)算工具。1630年，英國數(shù)學(xué)家奧特

2、雷德使用當(dāng)時(shí)流行的對數(shù)刻度尺做乘法運(yùn)算，突然萌生了一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)滑標(biāo)，用來“存儲”計(jì)算的中間結(jié)果，這種滑標(biāo)很長時(shí)間一直被后人所沿用。 1850年以后，對數(shù)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

3、“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(shí)，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）突發(fā)奇想，想出了一個(gè)“穿孔紙帶”的絕妙主意。布喬首先設(shè)法用一排編織針

4、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1790年就基本形成了他的提花

5、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(shí)操縱1200個(gè)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)樗鼉?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

6、予了榮譽(yù)軍團(tuán)十字勛章和金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?18世紀(jì)末，法蘭西發(fā)起了一項(xiàng)宏大的計(jì)算工程人工編制數(shù)學(xué)用表，這在沒有先進(jìn)計(jì)算工具的當(dāng)時(shí)，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(cuò)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(gè)錯(cuò)，翻兩頁就有好幾處。面對錯(cuò)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)算錯(cuò)誤已經(jīng)充斥彌漫了整個(gè)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(gè)哲學(xué)家的生命歷程里，寫到了大約發(fā)生在18

7、12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(gè)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，差分機(jī)設(shè)計(jì)閃爍出了程序控制的靈光它能夠按照設(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(gè)不同的5位數(shù)，計(jì)算精度達(dá)到6位

8、小數(shù)，當(dāng)即就演算出好幾種函數(shù)表。由于當(dāng)時(shí)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(gè)輪子上都有數(shù)字標(biāo)記，它不會欺騙任何人。”以后實(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(lì)著巴貝奇，他連夜奮筆上書皇家學(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(gè)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

9、.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(gè)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(gè)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(gè)10年過去后，

10、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(gè)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”。

11、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(shí)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。巴貝奇一時(shí)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。 “您還記得我嗎？”女士低聲問道，“十多年前，您還給我講過差分機(jī)原理?！笨吹桨拓惼婷曰蟮难凵?，她又笑著補(bǔ)充說：“您說我像野人見到了望遠(yuǎn)鏡?！卑?/p>

12、貝奇恍然大悟，想起已經(jīng)十分遙遠(yuǎn)的往事。面前這位女士和那個(gè)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。可能是從未得到過父愛的緣由，小阿達(dá)沒有繼承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)，

13、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(gè)變量的復(fù)雜算題，每個(gè)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(shí)完全不用人參與這方面，都超過了以前的機(jī)器?！卑拓惼姘逊治鰴C(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(gè)齒輪可貯存10個(gè)數(shù)，齒輪組成的陣列總共能夠儲存1000個(gè)50位

14、數(shù)。分析機(jī)的第二個(gè)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

15、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?！?/p>

16、搞“創(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，軟件才女英年早逝，死時(shí)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

17、超出了他們所處時(shí)代至少一個(gè)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50000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

18、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(shí)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(shí)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

19、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，書柜的上方貼著只有一個(gè)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(gè)繼電器，每一個(gè)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(shí)間內(nèi)接通或是斷開電流，當(dāng)然比巴貝奇的

20、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的第三名程序員?！被舨ú┦亢髞磉€為第一臺儲存程序的商業(yè)電子計(jì)算機(jī)UNIVAC寫過程序，又率先研制成功第一個(gè)編譯程序A-O和計(jì)算機(jī)商用語言COBOL，被公認(rèn)是計(jì)算機(jī)語言領(lǐng)域的帶頭人。有一天，她在調(diào)試程序時(shí)出現(xiàn)了故障，拆開繼電器后，發(fā)現(xiàn)有只飛蛾被夾扁在觸點(diǎn)中間，從而“卡”住了機(jī)器的運(yùn)行。于是，霍波恢諧地把程序故障統(tǒng)稱為“臭蟲”（bug），而這一奇怪的“稱呼”，后來成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)行話，如DOS系統(tǒng)中的調(diào)試程序，程序名稱就叫DEBUG。 1944年2月，馬克1號計(jì)算機(jī)在哈佛大學(xué)正式運(yùn)行。從外表看，它的外殼用鋼和玻璃制成，長約15米，高約2.4米，自重達(dá)到31.5噸，是個(gè)像恐龍般巨大身材的龐然大物。據(jù)說，艾肯和他的同事們，為它裝備了15萬個(gè)元件和長達(dá)800公里的電線。這臺機(jī)器能以令當(dāng)時(shí)人們吃驚的速度工作每分鐘進(jìn)行200次以上的運(yùn)算。它可以作23位數(shù)加23位數(shù)的加法，一次僅需要0.3秒；而進(jìn)行同樣位數(shù)的乘法，則需要6秒多的時(shí)間。只是它運(yùn)行起來響聲不絕于耳，有的參觀者說：“就象是擠滿了一屋子編織絨線活的婦女”，也許你會聯(lián)想到，馬克1號計(jì)