優(yōu)選答案計(jì)算機(jī)發(fā)展史
無處不在、無所不能的電腦，已歷經(jīng)了50多個(gè)春華秋實(shí)。50余年在人類的歷史長(zhǎng)河中只是一瞬間，電腦卻徹底改變了我們的生活?；仡欕娔X發(fā)展的歷史，并依此上溯它的起源，真令人驚嘆滄海桑田的巨變；歷數(shù)電腦史上的英雄人物和跌宕起伏的發(fā)明故事，將給后人留下了長(zhǎng)久的思索和啟迪。請(qǐng)讀者隨著我們的史話倒轉(zhuǎn)時(shí)空，從電腦最初的源頭說起。
誰都知道，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)”。
不知何時(shí)，許多國家的人都不約而同想到用“籌碼”來改進(jìn)工具，其中要數(shù)中國的算籌最有名氣。商周時(shí)代問世的算籌，實(shí)際上是一種竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盤子里反復(fù)擺弄這些小棍，通過移動(dòng)來進(jìn)行計(jì)算，從此出現(xiàn)了“運(yùn)籌”這個(gè)詞，運(yùn)籌就是計(jì)算，后來才派生出“籌”的詞義。中國古代科學(xué)家祖沖之最先算出了圓周率小數(shù)點(diǎn)后的第6位，使用的工具正是算籌，這個(gè)結(jié)果即使用筆算也很不容易求得。
歐洲人發(fā)明的算籌與中國不盡相同，他們的算籌是根據(jù)“格子乘法”的原理制成。例如要計(jì)算1248×456，可以先畫一個(gè)矩形，然后把它分成3×2個(gè)小格子，在小格子邊依次寫下乘數(shù)、被乘數(shù)的各位數(shù)字，再用對(duì)角線把小格子一分為二，分別記錄上述各位數(shù)字相應(yīng)乘積的十位數(shù)與個(gè)位數(shù)。把這些乘積由右到左，沿斜線方向相加，最后就得到乘積。1617年，英國數(shù)學(xué)家納皮爾把格子乘法表中可能出現(xiàn)的結(jié)果，印刻在一些狹長(zhǎng)條的算籌上，利用算籌的擺放來進(jìn)行乘、除或其他運(yùn)算。納皮爾算籌在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，是歐洲人主要的計(jì)算工具。算籌在使用中，一旦遇到復(fù)雜運(yùn)算常弄得繁雜混亂，讓人感到不便，于是中國人又發(fā)明了一種新式的“計(jì)算機(jī)”。
著名作家謝爾頓在他的小說《假如明天來臨》里講過一個(gè)故事：騙子杰夫向經(jīng)銷商兜售一種袖珍計(jì)算機(jī)，說它“價(jià)格低廉，絕無故障，節(jié)約能源，十年中無需任何保養(yǎng)”。當(dāng)商人打開包裝盒一看，這臺(tái)“計(jì)算機(jī)”原來是一把來自中國的算盤。世界文明的四大發(fā)源地──黃河流域、印度河流域、尼羅河流域和幼發(fā)拉底河流域──先后都出現(xiàn)過不同形式的算盤，只有中國的珠算盤一直沿用至今。珠算盤最早可能萌芽于漢代，定型于南北朝。它利用進(jìn)位制記數(shù)，通過撥動(dòng)算珠進(jìn)行運(yùn)算：上珠每珠當(dāng)五，下珠每珠當(dāng)一，每一檔可當(dāng)作一個(gè)數(shù)位。打算盤必須記住一套口訣，口訣相當(dāng)于算盤的“軟件”。算盤本身還可以存儲(chǔ)數(shù)字，使用起來的確很方便，它幫助中國古代數(shù)學(xué)家取得了不少重大的科技成果，在人類計(jì)算工具史上具有重要的地位。
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)家奧特雷德使用當(dāng)時(shí)流行的對(duì)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(dòng)的對(duì)數(shù)刻度尺，不就省得用兩腳規(guī)度量長(zhǎng)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(duì)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(chǔ)”計(jì)算的中間結(jié)果，這種滑標(biāo)很長(zhǎng)時(shí)間一直被后人所沿用。
1850年以后，對(duì)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“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(tái)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)。
帕斯卡1623年出生在法國一位數(shù)學(xué)家家庭，他三歲喪母，由擔(dān)任著稅務(wù)官的父親拉扯他長(zhǎng)大成人。從小，他就顯示出對(duì)科學(xué)研究濃厚的興趣。
少年帕斯卡對(duì)他的父親一往情深，他每天都看著年邁的父親費(fèi)力地計(jì)算稅率稅款，很想幫助做點(diǎn)事，可又怕父親不放心。于是，未來的科學(xué)家想到了為父親制做一臺(tái)可以計(jì)算稅款的機(jī)器。19歲那年，他發(fā)明了人類有史以來第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)。
帕斯卡的計(jì)算機(jī)是一種系列齒輪組成的裝置，外形像一個(gè)長(zhǎng)方盒子，用兒童玩具那種鑰匙旋緊發(fā)條后才能轉(zhuǎn)動(dòng)，只能夠做加法和減法。然而，即使只做加法，也有個(gè)“逢十進(jìn)一”的進(jìn)位問題。聰明的帕斯卡采用了一種小爪子式的棘輪裝置。當(dāng)定位齒輪朝9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棘爪便逐漸升高；一旦齒輪轉(zhuǎn)到0，棘爪就“咔嚓”一聲跌落下來，推動(dòng)十位數(shù)的齒輪前進(jìn)一檔。
帕斯卡發(fā)明成功后，一連制作了50臺(tái)這種被人稱為“帕斯卡加法器”的計(jì)算機(jī)，至少現(xiàn)在還有5臺(tái)保存著。比如，在法國巴黎工藝學(xué)校、英國倫敦科學(xué)博物館都可以看到帕斯卡計(jì)算機(jī)原型。據(jù)說在中國的故宮博物院，也保存著兩臺(tái)銅制的復(fù)制品，是當(dāng)年外國人送給慈僖太后的禮品，“老佛爺”哪里懂得它的奧妙，只把它當(dāng)成了西方的洋玩具，藏在深宮里面。
帕斯卡是真正的天才，他在諸多領(lǐng)域內(nèi)都有建樹。后人在介紹他時(shí)，說他是數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、哲學(xué)家、流體動(dòng)力學(xué)家和概率論的創(chuàng)始人。凡是學(xué)過物理的人都知道一個(gè)關(guān)于液體壓強(qiáng)性質(zhì)的“帕斯卡定律”，這個(gè)定律就是他的偉大發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名的。他甚至還是文學(xué)家，其文筆優(yōu)美的散文在法國極負(fù)盛名?？上?，長(zhǎng)期從事艱苦的研究損害了他的健康，1662年英年早逝，死時(shí)年僅39歲。他留給了世人一句至理名言：“人好比是脆弱的蘆葦，但是他又是有思想的蘆葦?！?
全世界“有思想的蘆葦”，尤其是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的后來者，都不會(huì)忘記帕斯卡在渾沌中點(diǎn)燃的亮光。1971年發(fā)明的一種程序設(shè)計(jì)語言──PASCAL語言，就是為了紀(jì)念這位先驅(qū)，使帕斯卡的英名長(zhǎng)留在電腦時(shí)代里。
帕斯卡逝世后不久，與法蘭西毗鄰的德國萊茵河畔，有位英俊的年輕人正挑燈夜讀。黎明時(shí)分，青年人站起身，揉了一下疲乏的腰部，臉上流露出會(huì)心的微笑，一個(gè)朦朧的設(shè)想已醞釀成熟。雖然在帕斯卡發(fā)明加法器的時(shí)候，他尚未出世，但這篇由帕斯卡親自撰寫的關(guān)于加法計(jì)算機(jī)的論文，卻使他似醍醐灌頂，勾起強(qiáng)烈的發(fā)明欲。他就是德國大數(shù)學(xué)家、被《不列顛百科全書》稱為“西方文明最偉大的人物之一”的萊布尼茨（G.Leibnitz）。
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(huì)。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(qǐng)到一些著名機(jī)械專家和能工巧匠協(xié)助工作，終于在1674年造出一臺(tái)更完美的機(jī)械計(jì)算機(jī)。
萊布尼茨發(fā)明的新型計(jì)算機(jī)約有1米長(zhǎng)，內(nèi)部安裝了一系列齒輪機(jī)構(gòu)，除了體積較大之外，基本原理繼承于帕斯卡。不過，萊布尼茨技高一籌，他為計(jì)算機(jī)增添了一種名叫“步進(jìn)輪”的裝置。步進(jìn)輪是一個(gè)有9個(gè)齒的長(zhǎng)圓柱體，9個(gè)齒依次分布于圓柱表面；旁邊另有個(gè)小齒輪可以沿著軸向移動(dòng)，以便逐次與步進(jìn)輪嚙合。每當(dāng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，步進(jìn)輪可根據(jù)它與小齒輪嚙合的齒數(shù)，分別轉(zhuǎn)動(dòng)1/10、2/10圈……，直到9/10圈，這樣一來，它就能夠連續(xù)重復(fù)地做加法。
稍熟悉電腦程序設(shè)計(jì)的人都知道，連續(xù)重復(fù)計(jì)算加法就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)做乘除運(yùn)算采用的辦法。萊布尼茨的計(jì)算機(jī)，加、減、乘、除四則運(yùn)算一應(yīng)俱全，也給其后風(fēng)靡一時(shí)的手搖計(jì)算機(jī)鋪平了道路。
不久，因獨(dú)立發(fā)明微積分而與牛頓齊名的萊布尼茨，又為計(jì)算機(jī)提出了“二進(jìn)制”數(shù)的設(shè)計(jì)思路。有人說，他的想法來自于東方中國。
大約在公元1700年左右某天，友人送給他一幅從中國帶來圖畫，名稱叫做“八卦”，是宋朝人邵雍所摹繪的一張“易圖”。萊布尼茨用放大鏡仔細(xì)觀察八卦的每一卦象，發(fā)現(xiàn)它們都由陽（—）和陰（--）兩種符號(hào)組合而成。他撓有興趣地把8種卦象顛來倒去排列組合，腦海中突然火花一閃──這不就是很有規(guī)律的二進(jìn)制數(shù)字嗎？若認(rèn)為陽（—）是“1”，陰（--）是“0”，八卦恰好組成了二進(jìn)制000到111共8個(gè)基本序數(shù)。正是在中國人睿智的啟迪下，萊布尼茨最終悟出了二進(jìn)制數(shù)之真諦。雖然萊布尼茨設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)用的還是十進(jìn)制，但他率先系統(tǒng)提出了二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則，直到今天，二進(jìn)制數(shù)仍然左右著現(xiàn)代電腦的高速運(yùn)算。
帕斯卡的計(jì)算機(jī)經(jīng)由萊布尼茨的改進(jìn)之后，人們又給它裝上電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)機(jī)器工作，成為名符其實(shí)的“電動(dòng)計(jì)算機(jī)”，并且一直使用到本世紀(jì)20年代才退出舞臺(tái)。盡管帕斯卡與萊布尼茨的發(fā)明還不是現(xiàn)代意義上的計(jì)算機(jī)，但它們畢竟昭示著人類計(jì)算機(jī)史里的第一抹曙光。
要讓機(jī)器聽人類的話，按人類的意愿去計(jì)算，就要實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的對(duì)話，或者說，要把人類的思想傳送給機(jī)器，讓機(jī)器按人的意志自動(dòng)執(zhí)行。
說來也怪，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器對(duì)話的始作俑者卻不是研制計(jì)算機(jī)的那些前輩，而是與計(jì)算機(jī)發(fā)明毫不相干的兩位法國紡織機(jī)械師。他們先后發(fā)明了一種指揮機(jī)器工作的“程序”，把思想直接“注入”到了提花編織機(jī)的針尖上。
顧名思義，提花編織機(jī)具有升降紗線的提花裝置，是一種能使綢布編織出圖案花紋的織布機(jī)器。
應(yīng)該是，提花編織機(jī)最早出現(xiàn)在中國。在我國出土的戰(zhàn)國時(shí)代墓葬物品中，就有許多用彩色絲線編織的漂亮花布。據(jù)史書記載，西漢年間，鉅鹿縣紡織工匠陳寶光的妻子，能熟練地掌握提花機(jī)操作技術(shù)，她的機(jī)器配置了120根經(jīng)線，平均60天即可織成一匹花布，每匹價(jià)值萬錢。明朝刻印的《天工開物》一書中，還赫然地印著一幅提花機(jī)的示意圖?？梢韵胂?，當(dāng)歐洲的王公貴族對(duì)從“絲綢之路”傳入的美麗綢緞贊嘆不已時(shí)，中國的提花機(jī)也必定會(huì)沿著“絲綢之路”傳入歐洲。
不過，用當(dāng)時(shí)的編織機(jī)編織圖案相當(dāng)費(fèi)事。所有的綢布都是用經(jīng)線（縱向線）和緯線（橫向線）編織而成。若要織出花樣，織工們必須細(xì)心地按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案，在適當(dāng)位置“提”起一部分經(jīng)線，以便讓滑梭牽引著不同顏色的緯線通過。機(jī)器當(dāng)然不可能自己“想”到該在何處提線，只能靠人手“提”起一根又一根經(jīng)線，不厭其煩地重復(fù)這種操作。
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)法用一排編織針控制所有的經(jīng)線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)器后，正對(duì)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(dòng)。這樣一來，編織針就自動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(tái)，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(duì)這架自動(dòng)化的新鮮玩意的到來，因?yàn)楹ε聶C(jī)器會(huì)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(tái)，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(jiǎng)?wù)隆?
杰卡德提花編織機(jī)奏響了19世紀(jì)機(jī)器自動(dòng)化的序曲。在倫敦出版的《不列顛百科全書》和中國出版的《英漢科技詞匯大全》兩部書中，“JACQUARD”（杰卡德）一詞的詞條下，英語和漢語的意思居然都是“提花機(jī)”，可見，杰卡德的名字已經(jīng)與提花機(jī)融為了一體。杰卡德提花機(jī)的原理，即使到了電腦時(shí)代的今天，依然沒有更大的改動(dòng)，街頭巷尾小作坊里使用的手工絨線編織機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)仍與杰卡德編織機(jī)大體相似。