電腦的史前時(shí)代

1、電腦的史前時(shí)代如果把1946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，視為“計(jì)算機(jī)元年”的話，那么，此前 的2000余年，可以稱為計(jì)算機(jī)的“史前時(shí)代”。在這漫長的時(shí)光中，算籌、算盤、加法機(jī)、 差分機(jī)等的出現(xiàn)，見證著人類追求精確快速計(jì)算的一次又一次嘗試。石頭和繩子美國小說家西德尼?謝爾頓的暢銷小說假如明天來臨中，巧舌如簧的騙子杰夫向人們 兜售一種“袖珍計(jì)算機(jī)”，說它價(jià)格低廉、絕無故障、行約能源且10年內(nèi)無需任何保養(yǎng)。當(dāng) 購買者打開包裝盒后，卻發(fā)現(xiàn)它其實(shí)就是中國的算盤。實(shí)際上，算盤雖然不是計(jì)算機(jī)，卻算得上是計(jì)算機(jī)的“祖先”它是世界上最古老的計(jì) 算工具之一。比算盤更古老的計(jì)算工具，是石頭和繩子。遠(yuǎn)古時(shí)期遺留下

2、來的一些壁畫顯示，在文字 尚未出現(xiàn)以前，人們常常用石頭或繩子來計(jì)算捕獲的獵物。易經(jīng)中也說：“上古結(jié)繩而治， 后世圣人易之以書契據(jù)說，公元前514年，波斯王大流士在遠(yuǎn)征塞西亞時(shí)，給了他的指揮官們一根打了 60個(gè) 結(jié)的繩子，并夸口說，從出征的那天起，讓他們每天解開繩子上的一個(gè)結(jié)，到解完最后一個(gè) 結(jié)的那天，就能夠凱旋而歸。結(jié)果，這場戰(zhàn)爭打了兩年也沒能取勝。從算籌到算盤繼石頭和繩子之后，人們發(fā)明出一種更先進(jìn)的計(jì)算工具一算籌。算籌又稱算子，起源于中國的商代，是一種十進(jìn)制計(jì)算工具，通過移動(dòng)一根根長短粗細(xì) 相同的竹制、木制或計(jì)制小棍子來進(jìn)行計(jì)算。它不僅可以計(jì)數(shù)，而且能做加、減、乘、除等 運(yùn)算。南北朝時(shí)期的數(shù)

3、學(xué)家祖沖之正是利用算籌，算出了圓周率小數(shù)點(diǎn)后的第6位，比法國 數(shù)學(xué)家韋達(dá)的相同成就早了 1100多年。中國的十進(jìn)位制算籌記數(shù)法是一個(gè)偉大且領(lǐng)先世界的創(chuàng)造一同一時(shí)期，古羅馬只有數(shù)字 系統(tǒng)（7個(gè)基本數(shù)字符號）卻沒有位值制；古瑪雅人的位值制是20進(jìn)位：古巴比倫人用的則 是60進(jìn)位。繼算籌之后，中國古代在計(jì)算工具領(lǐng)域的另一項(xiàng)重大發(fā)明是珠算盤。相傳其雛形最早可 追溯到公元前600年的春秋時(shí)期，據(jù)說當(dāng)時(shí)已出現(xiàn)了''算板”：將10個(gè)算珠串成一組，一組 組排列好放入框內(nèi)，然后撥動(dòng)算珠進(jìn)行計(jì)算。但珠算盤的最早文字記載，直到漢代才出現(xiàn)在徐岳的數(shù)術(shù)記遺一書中。明代時(shí)，珠 算盤已經(jīng)與現(xiàn)代算盤基本相同一

4、有13根豎軸，每根上部有2顆珠子，下部有5顆珠子，中間 以橫梁隔開，通過“口訣”進(jìn)行運(yùn)算。由于珠算盤具有“隨手撥珠便成答數(shù)”的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算 起來要比算籌快得多，因此很快就流行起來并傳入日本、朝鮮、越南、泰國以及歐洲的一些國家，受到世界各地人們的喜愛。格子算法與納皮爾算籌15世紀(jì)中葉，意大利數(shù)學(xué)家帕喬利在算術(shù)、幾何及比例性質(zhì)摘要一書中介紹的一種 計(jì)算乘法的方式一格子算法。相傳，這種方法最早記載在1150年成書的印度數(shù)學(xué)家婆什迦羅 的麗羅娃提一書中，12世紀(jì)后廣泛流傳于阿拉伯地區(qū)，后傳入歐洲并廣為流行。格子算法的原理，是通過加法操作來完成乘法計(jì)算。例如計(jì)算357X46時(shí)，先畫一個(gè)矩 形，把它分成3X

5、2的小格，在小格邊上依次寫下乘數(shù)、被乘數(shù)的各位數(shù)字，再用對角線把小 格一分為二，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，相加滿十時(shí)向前進(jìn)一。這樣，最后得到的結(jié)果便是：357X46=16422。1612年，英國數(shù)學(xué)家納皮爾根據(jù)格子算法的原理，將格子和數(shù)字刻在“籌”（長條竹片 或木片）上，發(fā)明出納皮爾算籌。兩年后，他進(jìn)一步提出對數(shù)的概念。此后，牛津大學(xué)的埃 德蒙?甘特發(fā)明出一種使用單個(gè)對數(shù)刻度的計(jì)算尺?！皺C(jī)械化”對數(shù)計(jì)算尺問世1630年，英國牧師、數(shù)學(xué)家、乘法符號“X”的發(fā)明者奧特雷德發(fā)明出圓算尺，1632年， 他組合兩把甘特式計(jì)算尺，制造出世界上第一把

6、“機(jī)械化”對數(shù)計(jì)算尺。到了 18世紀(jì)，這種計(jì)算尺逐漸被改良成圓柱型對數(shù)計(jì)算尺并成為工程師們的至愛。18 世紀(jì)末，蒸汽機(jī)的發(fā)明者瓦特在對數(shù)計(jì)算尺的尺座上添置了一個(gè)滑標(biāo)，用來貯存計(jì)算的中間 結(jié)果。對數(shù)計(jì)算尺不僅能做加、減、乘、除、乘方、開方運(yùn)算，還能計(jì)算三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù) 和對數(shù)函數(shù)，因此一直被使用到20世紀(jì)70年代袖珍電子計(jì)算器問世為止。著名物理學(xué)家費(fèi) 米就曾經(jīng)為他的學(xué)生李政道制作過一把兩米長的計(jì)算尺，用來計(jì)算太陽中心溫度，這大概是 史上最長的計(jì)算尺了。被歷史埋沒的契克卡德17世紀(jì)，隨著航海、天文學(xué)等的蓬勃發(fā)展，人們迫切需要新的計(jì)算工具和計(jì)算方式。據(jù) 說，1623年，德國圖賓根大學(xué)教授契克卡德曾

7、為著名天文學(xué)家開普勒制作了兩臺機(jī)械計(jì)算機(jī)。 這種計(jì)算機(jī)能做6位數(shù)的加減法，機(jī)器上部附加了一套圓柱型“納皮爾算籌”，因此也能進(jìn)行 乘除運(yùn)算。此外，它或許還設(shè)置了某種“溢出”響鈴裝置?？上В@兩臺計(jì)算機(jī)后來不知下落。直到300多年后的I960年，契克卡德家鄉(xiāng)的人根據(jù) 他當(dāng)年手書的示意圖仿制出這種計(jì)算機(jī)后，這位被歷史埋沒的計(jì)算機(jī)先驅(qū)才得以聞名于世。 第一臺機(jī)械計(jì)算機(jī)誕生現(xiàn)在普遍認(rèn)為，歷史上第一臺機(jī)械計(jì)算機(jī)是法國著名科學(xué)家布萊斯?帕斯卡發(fā)明的。1639年，帕斯卡的父親受命出任諾夏底省監(jiān)察官，負(fù)責(zé)征收稅款。年僅16歲的帕斯卡 看著父親費(fèi)力地計(jì)算稅率、稅款，就萌發(fā)了要為父親制作一臺計(jì)算機(jī)的想法。此后，他先

8、后 做出2個(gè)不同的模型。1642年，帕斯卡的第3個(gè)模型一加法器終于制作成功，這一年，他剛滿19歲。帕斯卡加法器是利用齒輪傳動(dòng)原理，通過手工操作來實(shí)現(xiàn)加、減運(yùn)算的。其外殼用黃銅 制作，機(jī)器內(nèi)部裝有一組輪子，每個(gè)輪子上刻著從0到9的10個(gè)數(shù)字。當(dāng)兩數(shù)相加時(shí)，先在 輪子上撥出一個(gè)數(shù)，再在相應(yīng)的輪子上轉(zhuǎn)動(dòng)出第二個(gè)數(shù)，最后就能自動(dòng)得出兩數(shù)之和。如果 某一位上兩個(gè)數(shù)字之和超過了 10,加法機(jī)就會(huì)自動(dòng)通過齒輪進(jìn)位。加法器的問世意義重大一它意味著人們可以利用機(jī)械工具來模擬人的思維活動(dòng)。受到加法器的啟發(fā)，1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨發(fā)明出一種更先進(jìn)的乘法器,他在加 法器的基礎(chǔ)上增設(shè)了步進(jìn)輪，可以連續(xù)重復(fù)地做加

9、減法，然后通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，將這種重復(fù)加 減轉(zhuǎn)變?yōu)槌顺\(yùn)算。萊布尼茨還從中國“易圖”（八卦）中得到啟發(fā)，提出二進(jìn)制也許更適合機(jī)械進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn) 算，從此奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。可編程織布機(jī)和制表機(jī)問世萊布尼茨乘法器問世半個(gè)世紀(jì)后，1725年，法國紡織機(jī)械師布喬提出“穿孔紙卡”的概 念。1805年，法國紡織機(jī)械師杰卡德發(fā)明出可編程織布機(jī)，通過讀取穿孔紙卡上的編碼信息 來自動(dòng)控制織布機(jī)的編織圖案。受可編程織布機(jī)的啟發(fā)，1888年，美國人口普查局的統(tǒng)計(jì)學(xué)家霍列瑞斯博士使用穿孔卡 片成功制成一臺機(jī)電式自動(dòng)制表機(jī)。這種制表機(jī)在此后的歷次美國人口普查中均獲得巨大成 功。值得一提的是，霍列瑞斯制表機(jī)第一次把

10、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制信息。在此后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 里，用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)的方法一直沿用到20世紀(jì)70年代。杰卡德和霍列瑞斯分別開創(chuàng)了程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的先河，這二者構(gòu)成了后來計(jì)算機(jī)“軟 件”的雛形。超越時(shí)代的巴貝奇差分機(jī)杰卡德之后，英國數(shù)學(xué)家、天才發(fā)明家查爾斯？巴貝奇利用可編程織布機(jī)的原理，耗費(fèi)10 年潛心研究，終于在1822年發(fā)明出歷史上第一臺可編程計(jì)算機(jī)一差分機(jī)。這臺差分機(jī)由堆棧、控制器和運(yùn)算器三部分組成，幾乎是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的簡化版本，它擁 有1000個(gè)50位數(shù)的堆棧、以二進(jìn)制碼為基礎(chǔ)的控制器和復(fù)雜的計(jì)算條件跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)?？商幚?3個(gè)不同的5位數(shù)，計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)。差分機(jī)的程序，是由數(shù)學(xué)家愛達(dá)?奧古

11、斯塔（英國著名詩人拜倫的女兒）設(shè)計(jì)完成的。她先后編寫了三角函數(shù)程序、級數(shù)相乘程序、伯努利函數(shù)程序等一大批沿用至今的數(shù)學(xué)算法代 碼。1981年，美國國防部將一種計(jì)算機(jī)語言命名為愛達(dá)語言，以紀(jì)念“世界上第一位軟件工 程師二后來，巴貝奇和愛達(dá)提出改良差分機(jī)的設(shè)想，希望使它能自動(dòng)解算有100個(gè)變量的復(fù)雜 算題，每個(gè)數(shù)可達(dá)25位，速度達(dá)到每秒鐘運(yùn)算1次。為此，巴貝奇提出了 20種不同的設(shè)計(jì) 方案，繪制了近2000張組裝圖和50000張零件圖。但是，巴貝奇和愛達(dá)的想法太過超前，由于制造工藝的限制，加之經(jīng)費(fèi)上的困難，他們 付出一生的努力也沒能實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。100多年后，倫敦科學(xué)博物館按照巴貝奇的圖紙，花 了

12、整整17年，終于在2002年成功仿制出這種改良版差分機(jī)。馬克1號問世美國哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)教授霍華得？艾肯在讀過巴貝奇和愛達(dá)的筆記后，被他們的遠(yuǎn)見卓識 所宸驚，進(jìn)而提出用機(jī)電而不是純機(jī)械的方法來實(shí)現(xiàn)差分機(jī)。1944年2月，在IBM公司的贊助下，艾肯成功研制出一臺全自動(dòng)化程序控制計(jì)算機(jī)一馬 克1號。馬克1號由開關(guān)、繼電器、轉(zhuǎn)軸以及離合器構(gòu)成，借助電流進(jìn)行運(yùn)算。它裝備了 15萬個(gè) 元件和長達(dá)800公里的電線，重達(dá)31. 5噸。其關(guān)鍵部件為3000個(gè)繼電器，每個(gè)繼電器上都 有用彈簧支撐的小鐵棒，通過電磁鐵的吸引上下運(yùn)動(dòng)。吸合則接通電路，代表“1”：釋放則 斷開電路，代表“0”。馬克1號可儲存72組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有23位十進(jìn)制