引言

任何事物的創造發明都來源於需求和慾望

而科學技術的發展則推動實現了目標

正是因為人類對於計算能力孜孜不倦的追求,才創造瞭如今規模的計算機.

計算機,字如其名,用於計算的機器.這就是最初計算機的發展動力.

在漫長的歷史長河中，隨著社會的發展和科技的進步，人類始終有計算的需求

進行運算時所運用的工具，也經歷了由簡單到複雜，由低階向高階的發展變化。

本文儘可能的僅僅描述邏輯本質,不去追究實現細節

計算(機|器)的發展與數學/電磁學/電路理論等自然科學的發展息息相關

計算(機|器)的發展有四個階段

手動階段

機械階段

機電階段

電子階段

手動階段

顧名思義,就是用手指進行計算,或者操作一些簡易工具進行計算

最開始的時候人們主要是藉助簡單的工具比如手指/石頭/打繩結/納皮爾棒/計算尺等,

我想大家都用手指數過數;

有人用一堆石子表示一些數目;

也有人曾經用打繩結來計數;

再後來有了一些數學理論的發展,納皮爾棒/計算尺則是藉助了一定的數學理論,可以理解為是一種查表計演算法.

你會發現,這裡還不能說是計算(機|器),只是計算而已,更多的靠的是心算以及邏輯思維的運算,工具只是一個簡簡單單的輔助.

機械階段

我想不用做什麼解釋,你看到機械兩個字,肯定就有了一定的理解了,沒錯,就是你理解的這種普通的意思,

一個齒輪,一個槓桿,一個凹槽,一個轉盤這都是一個機械部件.

人們當然不滿足於簡簡單單的計算,自然想製造計算能力更大的機器

機械階段的主題思想其實也很簡單,就是通過機械的裝置部件比如齒輪旋轉,動力傳送等來表示資料記錄,進行運算,也即是機械式計算機,這樣說有些抽象.

我們舉例說明:

契克卡德是現今公認的機械式計算第一人,他發明了契克卡德計算鍾

我們不去糾結這個東西到底是如何實現的,只描述事情邏輯本質

其中他有一個進位裝置是這樣子的

可以看到採用十進位制,轉一圈之後,軸上面的一個突出齒,就會把更高一位(比如十位)進行加一

這就是機械階段的精髓,不管他有多複雜,他都是通過機械裝置進行傳動運算的

還有帕斯卡的加法器

他是使用長齒輪進行進位

再有後來的萊布尼茨軸,設計的更為精巧

我覺得對於機械階段來說,如果要用一個詞語來形容,應該是精巧

,就好似鐘錶裡面的齒輪似的

不管形態究竟如何,終究也還是一樣,他也只是一個精巧了再精巧的儀器,一個精密設計的機關裝置

首先要把運算進行分解,然後就是機械性的依靠齒輪等部件傳動運轉來完成進位等運算.

說計算機的發展,就不得不提一個人,那就是巴貝奇

他發明了史上著名的差分機,之所以叫差分機這個名字，是因為它計算所使用的是帕斯卡在1654年提出的差分思想

我們仍舊不去糾結他的原理細節

此時的差分機,你可以清晰地看得到,仍舊是一個齒輪又一個齒輪,一個軸又一個軸的更加精巧的儀器

很顯然他仍舊又僅僅是一個計算的機器,只能做差分運算

再後來1834年巴貝奇提出來了分析機的概念     一種通用計算機的概念模型

正式成為現代計算機史上的第一位偉大先驅。

之所以這樣說,是因為他在那個年代,已經把計算機器的概念上升到了通用計算機的概念,這比現代計算的理論思想提前了一個世紀

它不侷限於特定功能，而且是可程式設計的，可以用來計算任意函式——不過這個想法是構思在一坨齒輪之上的.

巴貝奇設計的分析機主要包括三大部分

1、用於儲存資料的計數裝置，巴貝奇稱之為“倉庫”（store），相當於現在CPU中的儲存器

2、專門負責四則運算的裝置，巴貝奇稱之為“工廠”（mill），相當於現在CPU中的運算器

3、控制操作順序、選擇所需處理的資料和輸出結果的裝置

而且,巴貝奇並沒有忽略輸入輸出裝置的概念

此時你回想一下馮諾依曼計算機的結構的幾大部件,而這些思想是在十九世紀提出來的,是不是不寒而慄!!!

巴貝奇另一大了不起的創舉就是將穿孔卡片（punched card）引入了計算機器領域，用於控制資料輸入和計算

你還記得所謂的第一臺計算機"ENIAC"使用的是什麼嗎?就是紙帶!!

ps:其實ENIAC真的不是第一臺~

所以說你應該可以理解為什麼他被稱為"通用計算機之父"了.

他提出的分析機的架構設想與現代馮諾依曼計算機的五大要素,儲存器 運算器 控制器  輸入 輸出是吻合的

也是他將穿孔卡片應用到計算機領域

ps:穿孔卡片本身並不是巴貝奇的發明，而是來自於改進後的提花機,最早的提花機來自於中國,也就是一種紡織機

只是可惜,分析機並沒有真正的被構建出來,但是他的思維理念是超前的,也是正確的

巴貝奇的思想超前了整整一個世紀，不得不提的就是女程式設計師艾達,有興趣的可以google一下,Augusta Ada King

機電階段與電子階段使用到的硬體技術原理,有不少是相同的

主要差別就在於計算機理論的成熟發展以及電子管電晶體的應用

為了接下來更好的說明,我們自然不可避免的要說一下當時出現的自然科學了

自然科學的發展與近現代計算的發展是一路相伴而來的

文藝復興運動使人們從傳統的封建神學的束縛中慢慢解放,文藝復興促進了近代自然科學的產生和發展

你要是實在沒事情做,可以探究一下"歐洲文藝復興革命對近代自然科學發展史有何重要影響"這一議題

電磁學

據傳是1752年,富蘭克林做了實驗,在近代發現了電

隨後,圍繞著電,出現了很多曠世的發現.比如電磁學,電能生磁,磁能生電

這就是電磁鐵的基本原型

根據電能生磁的原理,發明了繼電器,繼電器可以用於電路轉換,以及控制電路

電報就是在這個技術背景下被髮明瞭,下圖是基本原理

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