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重温历史——计算机简史,十二万字详解解读计算机发展历史,生动有趣的笔法,读来爱不释卷
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重温历史——计算机简史
1、计算机始祖
谁都知道,电脑的学名叫做电子计算机。以人类发明这种机器的初衷,它的
始祖应该是计算工具。英语里“Calculus”(计算)一词来源于拉丁语,既有“算法”
的含义,也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。远古的人们用石头来计算捕获的猎物,
石头就是他们的计算工具。著名科普作家阿西莫夫说,人类最早的计算工具是手
指,英语单词“Dight”既表示“手指”又表示“整数数字”;而中国古人常用“结绳”来帮
助记事,“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……,这些都是古人
用过的“计算机”。
不知何时,许多国家的人都不约而同想到用“筹码”来改进工具,其中要数中国
的算筹最有名气。商周时代问世的算筹,实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。
古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍,通过移动来进行计算,从此出现了“运筹”
这个词,运筹就是计算,后来才派生出“筹”的词义。中国古代科学家祖冲之最先算
出了圆周率小数点后的第 6 位,使用的工具正是算筹,这个结果即使用笔算也很
不容易求得。
欧洲人发明的算筹与中国不尽相同,他们的算筹是根据“格子乘法”的原理制成。
例如要计算 1248×456,ç可以先画一个矩形,然后把它分成 3×2 个小格子,在
小格子边依次写下乘数、被乘数的各位数字,再用对角线把小格子一分为二,分
别记录上述各位数字相应乘积的十位数与个位数。ç把这些乘积由右到左,ç沿斜线
方向相加,最后就得到乘积。1617 年,英国数学家纳皮尔把格子乘法表中可能出
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现的结果,印刻在一些狭长条的算筹上,利用算筹的摆放来进行乘、除或其他运
算。纳皮尔算筹在很长一段时间里,是欧洲人主要的计算工具。
算筹在使用中,一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱,让人感到不便,于是中
国人又发明了一种新式的“计算机”。
著名作家谢尔顿在他的小说《假如明天来临》里讲过一个故事:骗子杰夫向
经销商兜售一种袖珍计算机,说它“价格低廉,绝无故障,节约能源,十年中无需
任何保养”。当商人打开包装盒一看,这台“计算机”原来是一把来自中国的算盘。
世界文明的四大发
源地——黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域——先后都
出现过不同形式的算盘,只有中国的珠算盘一直沿用至今。
珠算盘最早可能萌芽于汉代,定型于南北朝。它利用进位制记数,通过拨动
算珠进行运算:上珠每珠当五,下珠每珠当一,每一档可当作一个数位。打算盘
必须记住一套口诀,口诀相当于算盘的“软件”。算盘本身还可以存储数字,使用起
来的确很方便,它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果,在人类计算
工具史上具有重要的地位。
15 世纪以后,随着天文、航海的发展,计算工作日趋繁重,迫切需要探求新
的计算方法并改进计算工具。1630 年,英国数学家奥特雷德使用当时流行的对数
刻度尺做乘法运算,突然萌生了一个念头:若采用两根相互滑动的对数刻度尺,
不就省得用两脚规度量长度吗?他的这个设想导致了“机械化”计算尺的诞生。
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奥特雷德是理论数学家,对这个小小的计算尺并不在意,也没有打算让它流
传于世,此后二百年,他的发明未被实际运用。18 世纪末,以发明蒸汽机闻名于
世的瓦特,成功地制出了第一把名副其实的计算尺。瓦特原来就是一位仪表匠,
他的蒸汽机工厂投产后,需要迅速计算蒸汽机的功率和气缸体积。瓦特设计的计
算尺,在尺座上多了一个滑标,用来“存储”计算的中间结果,这种滑标很长时间一
直被后人所沿用。
1850 年以后,对数计算尺迅速发展,成了工程师们必不可少的随身携带的
“计算机”,直到 20 世纪五、六十年代,它仍然是代表工科大学生身份的一种标志。
凝聚着许许多多科学家和能工巧匠智慧的早期计算工具,在不同的历史阶段
发挥过巨大作用,但也将随着科学发展而逐渐消亡,最终完成它们的历史使命。
2、第一抹曙光
第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡(B.Pascal)发明的机械计算机。
帕斯卡 1623 年出生在法国一位数学家家庭,他三岁丧母,由担任着税务官
的父亲拉扯他长大成人。从小,他就显示出对科学研究浓厚的兴趣。
少年帕斯卡对他的父亲一往情深,他每天都看着年迈的父亲费力地计算税率
税款,很想帮助做点事,可又怕父亲不放心。于是,未来的科学家想到了为父亲
制做一台可以计算税款的机器。19 岁那年,他发明了人类有史以来第一台机械计
算机。
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帕斯卡的计算机是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,用儿童
玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动,只能够做加法和减法。然而,即使只做加法,
也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当
定位齿轮朝 9 转动时,棘爪便逐渐升高;ç一旦齿轮转到 0,棘爪就“咔嚓”一声跌落
下来,推动十位数的齿轮前进一档。
帕斯卡发明成功后,一连制作了 50 台这种被人称为“帕斯卡加法器”的计算机,
至少现在还有 5 台保存着。ç比如,在法国巴黎工艺学校、英国伦敦科学博物馆都
可以看到帕斯卡计算机原型。据说在中国的故宫博物院,也保存着两台铜制的复
制品,是当年外国人送给慈僖太后的礼品,“老佛爷”哪里懂得它的奥妙,只把它当
成了西方的洋玩具,藏在深宫里面。
帕斯卡是真正的天才,他在诸多领域内都有建树。后人在介绍他时,说他是
数学家、物理学家、哲学家、流体动力学家和概率论的创始人。凡是学过物理的
人都知道一个关于液体压强性质的“帕斯卡定律”,这个定律就是他的伟大发现并以
他的名字命名的。他甚至还是文学家,其文笔优美的散文在法国极负盛名。可惜,
长期从事艰苦的研究损害了他的健康,1662 年英年早逝,死时年仅 39 岁。他留
给了世人一句至理名言:“人好比是脆弱的芦苇,但是他又是有思想的芦苇。”
全世界“有思想的芦苇”,尤其是计算机领域的后来者,都不会忘记帕斯卡在浑
沌中点燃的亮光。1971 年发明的一种程序设计语言——PASCAL 语言,就是为了
纪念这位先驱,使帕斯卡的英名长留在电脑时代里。
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帕斯卡逝世后不久,与法兰西毗邻的德国莱茵河畔,有位英俊的年轻人正挑
灯夜读。黎明时分,青年人站起身,揉了一下疲乏的腰部,脸上流露出会心的微
笑,一个朦胧的设想已酝酿成熟。虽然在帕斯卡发明加法器的时候,他尚未出世,
但这篇由帕斯卡亲自撰写的关于加法计算机的论文,却使他似醍醐灌顶,勾起强
烈的发明欲。他就是德国大数学家、被《不列颠百科全书》称为“西方文明最伟大
的人物之一”的莱布尼茨(G.Leibnitz)。
莱布尼茨早年历经坎坷。当幸运之神降临之时,他获得了一次出使法国的机
会。帕斯卡的故乡张开臂膀接纳他,为他实现计算机器的夙愿创造了契机。在巴
黎,他聘请到一些著名机械专家和能工巧匠协助工作,终于在 1674 年造出一台
更完美的机械计算机。
莱布尼茨发明的新型计算机约有 1 米长,ç内部安装了一系列齿轮机构,除了
体积较大之外,ç基本原理继承于帕斯卡。ç不过,莱布尼茨技高一筹,他为计算机
增添了一种名叫“步进轮”的装置。步进轮是一个有 9 个齿的长圆柱体,9 个齿依次
分布于圆柱表面;旁边另有个小齿轮可以沿着轴向移动,以便逐次与步进轮啮合。
每当小齿轮转动一圈,步进轮可根据它与小齿轮啮合的齿数,分别转动
1/10、2/10 圈……,直到 9/10 圈,这样一来,它就能够连续重复地做加法。
稍熟悉电脑程序设计的人都知道,连续重复计算加法就是现代计算机做乘除
运算采用的办法。莱布尼茨的计算机,加、减、乘、除四则运算一应俱全,也给
其后风靡一时的手摇计算机铺平了道路。
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