计算机的历史01-计算机的萌芽-机械计算机的历史

电子计算机的历史
--计算机的萌芽
@进步一点点6 20220501
人类文明进步的动力离不开科技的推动,计算机的发展与应用让人类文明实现了质的飞跃,在人类历史上,很少有像计算机一样让我们对它产生如此巨大的依赖。计算机已经完全脱离了它计算的本质,除了工作,延伸到学习、娱乐、沟通、生活的方方面面,从大型机、小型机一直演化成我们身边的平板电脑、智能手表、眼镜、甚至一个小小的心脏起搏器,计算机可以越来越小,可智能化程度已经超出我们相像,无处不在,不可或缺。
随着元宇宙的兴起,承载现实世界映射与交互虚拟世界的,将是一个集成计算机的眼镜,所以未来将是一个眼镜,智能眼镜将像手机一样普及。
计算机为什么有如此巨大的影响力,我们就要从计算机的历史说起。

从1946 年 2 月,世界上公认的第一台电子计算机 ENIAC的问世到今天也才短短70多年,计算机的发展之快超出了所有人的想象,之所以出现这样的发展奇迹。


这里面有有像阿兰.图灵和冯.诺伊曼这样天才科学家出现的偶然性,但也是人类科技文明不断向前发展的必然性。
电子计算机的出现不是一蹴而就的,而是经历了漫长的知识和实践的积累,本期我们就先看看前电子计算机时代 –电子计算机的萌芽。
在人类早期文明中,伴随着人类对数字的认识,计算需求出现了,但计算是一件很不容易的事。

有1000多年历史的算盘是我们引以为傲的计算工具,它可以被称作是一台手动计算机,为什么敢称为计算机?计算机定义最早源于阿兰.图灵确定的4个方面: 有一套运行规则、能根据当前状态和输入计算出一个新数值,进入下一个新状态,更新机器的数值。一句话,看它是不是不需要人脑而采用一套规则表就能实现计算。算盘基本具备这个4个特性:有拨珠规则,算盘两边一边用于计算,一边用于计数,实时更新计数;它的缺点也很明显,这个规则的执行需要靠人,而不能依赖算盘自动处理。
首次发明了机器就能处理规则的是帕斯卡,帕斯卡是谁?高中物理学课中, 压强的基本单位“帕斯卡“就是以他的名字命名的,简称帕。

他于1642 年发明了加法器,首次确立了计算机器的概念。不过,这个“第一台机械式计算机”只能进行简单的加减运算,其水平大概只相当于幼儿园小朋友。但“帕斯卡的设想,在当时可以算作非凡的大胆。因为他给了人们这样的启迪;机器可以代替人的思考。”

到1673 年,跟大神牛顿硬刚了一辈子的德国伟大的哲学家和数学家莱布尼茨,在帕斯卡的发明基础上设计制造了一种能进行加、减、乘、除的手摇式计算器—莱布尼茨转轮。这个机器已经能够完全掌握四则运算规则,自动进行加减乘除。

1822 年,英国数学家巴贝奇(C.Babbage)从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,他花费 了 10 年时间,设计并制造出了差分机。巴贝奇设计计算机器的基本想法是利用“机器”将 计算到印刷 的过程全部自动化,全面去除人为疏失。而差分机一号以齿轮运转,带动十进制的数值相加减、进位,差分机的研究是一次伟大的进步。
第一次和第二次世界大战期间,世界科技的发展一直围绕着两个中心:德国和美国,互相封锁,很多技术双方都是在不了解对方的情况下独自发展。

1938年德国力学工程师 康拉德.楚泽研制出世界上第一台二进制数字机械计算机Z1,它能依靠二进制逻辑控制,是世界上第一台依靠程序自动控制的计算机,是计算机发展史上是一个重大突破,也是机械计算机的巅峰之作。
机械计算机离我们很远吗?实际上很近很近:

curta手摇式计算器就是一个例子, 1947年开始制造,1970年停产,一共制造了大约140000枚,“6秒内就可以算出 27653177* 0.002789 “,这是Curta1963年的广告。
Curta包含600多个零件,可以轻松握在一直手掌中,工艺设计可以与机械手表媲美,现在都是收藏爱好者的至宝,600多个零件集中在一个手掌中就可完成复杂的计算,堪称神奇。
在中国,我们第一颗原子弹爆炸 有“九次计算”的故事,就是原子弹核心理论前后运算了9遍,这也从侧面体现了数学计算在原子弹研发过程中的重要性和复杂性。

网上有一个说法,“算盘拨出了第一颗原子弹”,并且给出了照片为证。原子弹的计算到底是通过何种工具实现的呢?

先看计算机的应用情况:1958年,我国第一台电子计算机问世,名为103型计算机;1959年,104型计算机也问世了,它就是我国科学家在研发“两弹一星”时使用的主力机型。但是,104的算力仍然是非常低,操作极其繁琐,不够便利。因此,原子弹科学家们还是需要大量使用传统计算方式。
用手摇计算机和算盘扫清理论障碍,两弹元勋 邓稼先的一部手摇计算机就见证着这段惊人往事。

很多照片也看到科学家们大量使用手摇计算机的场景。

科学家们还有一种称手的工具,叫做计算尺。和算盘类似,只是一种补充性的工具。 所以,对于核弹科学家们来说,主要靠电子计算机和手摇计算机,计算尺、算盘只能作为一种补充性的计算工具。“算盘算出核弹”只是一种以讹传讹的说法。
机械计算机可以说是人类对自动计算的不屈不挠的尝试,到此离电子计算机的诞生已经不远了,但电子计算机的发明离不开数学理论的突破,有三位大神解决了这个问题,他们分别是:莱布尼茨、布尔和香农,对就是发明莱布尼茨转轮的莱布尼茨、创建布尔代数的乔治.布尔和信息论之父 香农。
1969年莱布尼茨发明二级制,二进制的发明它发明手摇式计算机有趣的多,据说他发明二级制思想的来源是我们的文化瑰宝—易经八卦,没错,就是他看到了易经中的八卦图,中国人看到它想到的是算命,而莱布尼茨想到了通过0和1的组合对八卦图进行编码。

阳爻为1,阴爻为0,完成了8卦图的编码后,接着对64卦进行编码,从而进一步将任意一个十进制数字通过0和1的组合表示出来。这样可以使二进制可以像十进制一样完成所有的数学运算。
莱布尼茨发明了二进制并改进了机械计算机,可惜的是他没有看到他们之间的相关性。
二进制最大的好处在于它容易用电路来实现,使用开关电路就可以对二进制数字进行表示和计算,但将二进制应用于开关电路,还需要一个桥梁,这座桥梁就是布尔代数。

奠定了二级制理论体系的是乔治.布尔,布尔代数简单的不能再简单了, 元素有两真(TRUE) 和假(FALSE),分别对应二进制0和1,基本运算只有三个:与、或和非三种,全部运算只用三张真值表就能完全描述清楚。

比如与(AND) 运算符,只要有一个是假,运算结果就是假;
举个与运算符的例子:“太阳从西边升起”这个判断是假;“水可以流动”这个判断是真;“太阳从西边升起与水可以流动” 这个命题就是假。
这就是计算机运算的基础,是不是特别简单。可惜布尔创立的理论在其后的80多年里都没有被得到重视,生前也没人称它为数学家。

直到1938年,信息论之父克劳德·香农在它的硕士论文《对继电器和开关电路中的符号分析》提出了使用布尔代数来实现开关电路,开关电路真正实现了所有的数学和逻辑运算,也就是加、减、乘、除、乘方、开方等等全部都能转换成0和1的布尔运算。

至此:机械计算机的思想的酝酿、二进制布尔代数的突破、开关电路与布尔代数的结合三大条件都已成熟,可以说万事具备,伟大的世界上第一台电子数字计算机的诞生就欠一个导火索。
好的,下期我们继续了解电子计算机的发展史。
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