一、计算机早期历史
作者:互联网
算盘发明于美索不达米亚的公元前2500年,它属于一种手动计算器,可以加减数字、以及类似硬盘一样存储计算状态。算盘的发明原因是社会的规模已经远远超过个人心算能力了。
算盘的样式如下:
以这种算盘为例,由上到下四条杆分别存储千位、百位、十位、个位。假如存储12这个数那么久要在十位上拨1个珠,个位上拨2个珠。
接下来的4000年涌现了大量精妙设备,包括星盘、计算尺等等,可以更快、更简单、更精确地实现计算。
这里是一个重点:随着知识的增长和新工具的诞生,人工劳动力会越来越少。
历史上第一个被称作“计算机”的记录出自1613年Richard Braithmait。在他的表述里computer一词的意思是指专职计算的人。直到1800s,这样的职业依旧存在,之后computer一词的含义逐渐被机器取代。
计算机中一开始最有名的是“步进计算器”,由莱布尼茨发明与1694年,其名言是“让优秀的人浪费时间算数是侮辱他的尊严,农民用计算器进行计算一样准。”步进计算器类似汽车的里程表不断地累加里程数一样,它拥有一连串可以转动的齿轮,每个齿轮有10个齿,分别代表0-9。一个齿轮转过9就转回0,同时让相邻的齿轮前进1个齿,就像算盘一样。做减法时,就让机器反向运作。利用一些精妙的机械结构,步进计算器还能够实现乘除法。实际上乘除法不过是多个加法或者减法的组合罢了。例如17/5,我们可以用17累减5,连续减3次5,可以得到17=5*3+2的结论。
步进计算器沿用了3个世纪,是第一台可以做加减乘除四种运算的机器。现实中许多问题实际上需要许多步运算,一台步进计算器可能需要数个小时甚至几天进行计算,价格非常昂贵。
因此20世纪前,一般人们会更多预先计算好的计算表,这种表是利用跟之前说的人力计算器或者步进计算器的计算结果编撰的。例如军队利用的射程表,射程表可以根据环境条件和射击距离让军官设置炮台的角度。但是如果炮台和炮弹的设计改变了,就要重新设计射程表,这增加了更多的麻烦。这个问题在Charles Babbage于1822的论文提到了,他在这个论文里提到了一个新概念,叫做“差分机”。这是一个更加复杂的机器,可以实现近似多项式的计算。一个多项式可以说明几个变量之间的关系,这几个变量可以是炮弹射程、发射炮弹时的大气压力等等;多项式还可以近似对数和三角函数,不过这个概念因为太过超前而最终未能制造出来。
Babbage在尝试制造差分机的过程中,还提到了一个“分析机”的概念。分析机与前面的差分机、步进计算器等各种计算设备不同,是一种通用计算机。它可以做很多事情而非一种特定运算、可以给数据顺序执行一系列操作,它还具有着内存以及原始的打印机。以上的功能体现了一种叫“自动计算机”的概念,意思是计算机可以自动完成一系列操作,这个概念也标志的计算机程序的诞生。
Ada Lovelace给分析机写了假想程序,并认为未来会诞生一门全新的、强大的、专为分析所用的语言。出于这样的贡献,她被誉为世界上的第一位程序员。分析机的概念激励了第一代计算机科学家,他们讲Babbage的点子融入自己的机器,Babbage也因此被公认为“计算机之父”。
直到19世纪末,大多数计算设备运用于科学与工程领域,在公司、政府和家庭中少见。在美国政府1890年人口普查时,他们遇到了危机——由于大量的移民涌入,他们本次普查将预计耗费13年的时间,而美国每10年就要进行一次人口普查,普查的结果根本无法适应计划进度。为此Herman Hollerith发明了打孔卡片制表机,这个机器使用类似莱布尼茨乘法器的传统机械进行计数,但是其余组件电动机械。人口普查的数据被记录在一种打孔卡上,打孔卡上的卡表示人口普查的数据。
打孔卡插入机器,机器中的针会尝试穿过纸。如果纸的标记“已婚”的位置有孔,那么针就会穿过这个孔,插入一小瓶汞,联通机器中的电路,电路驱动电机,驱动计数“已婚”的齿轮移动一个齿。Hollerith在之后创办了制表机器公司。1924年该公司又与其他机械制造商合并,成立了“国际商业机器公司”,简称IBM。
1900s,世界人口爆炸以及全球贸易兴起是的更快、更灵活的工具用于处理数据的需求被提出,为电子计算机的诞生奠定基础
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