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1.計算機發展階段 計算機發展歷史 機械式計算機 機電式計算機 電子計算機 邏輯電路與計...

2019-12-01  計劃B

引言

任何事物的創造發明都來源于需求和欲望

而科學技術的發展則推動實現了目標

正是因為人類對于計算能力孜孜不倦的追求,才創造了如今規模的計算機.

計算機,字如其名,用于計算的機器.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,也經歷了由簡單到復雜,由低級向高級的發展變化。

本文盡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借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;

再后來有了一些數學理論的發展,納皮爾棒/計算尺則是借助了一定的數學理論,可以理解為是一種查表計算法.

你會發現,這里還不能說是計算(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

我想不用做什么解釋,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,一個杠桿,一個凹槽,一個轉盤這都是一個機械部件.

人們當然不滿足于簡簡單單的計算,自然想制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,動力傳送等來表示數據記錄,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鐘

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

可以看到采用十進制,轉一圈之后,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,不管他有多復雜,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

再有后來的萊布尼茨軸,設計的更為精巧

我覺得對于機械階段來說,如果要用一個詞語來形容,應該是精巧,就好似鐘表里面的齒輪似的

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,然后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

再后來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

它不局限于特定功能,而且是可編程的,可以用來計算任意函數——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、用于存儲數據的計數裝置,巴貝奇稱之為“倉庫”(store),相當于現在CPU中的存儲器

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

3、控制操作順序、選擇所需處理的數據和輸出結果的裝置

而且,巴貝奇并沒有忽略輸入輸出設備的概念

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,是不是不寒而栗!!!

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,用于控制數據輸入和計算

你還記得所謂的第一臺計算機'ENIAC'使用的是什么嗎?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么他被稱為'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,存儲器 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:穿孔卡片本身并不是巴貝奇的發明,而是來自于改進后的提花機,最早的提花機來自于中國,也就是一種紡織機

只是可惜,分析機并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序員艾達,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件技術原理,有不少是相同的

主要差別就在于計算機理論的成熟發展以及電子管晶體管的應用

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

隨后,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,繼電器可以用于電路轉換,以及控制電路

電報就是在這個技術背景下被發明了,下圖是基本原理

但是,如果線路太長,電阻就會很大,怎么辦?

可以用人進行接收轉發到下一站,存儲轉發這是一個很好的詞匯

所以繼電器又被作為轉換電路應用其中

二進制

而且,一個很重要的事情是,德國人萊布尼茨大約在1672-1676發明了二進制

用0和1兩個數碼來表示的數

邏輯學

更準確的說是數理邏輯,喬治布爾開創了用數學方法研究邏輯或形式邏輯的學科

既是數學的一個分支,也是邏輯學的一個分支

簡單地說就是與或非的邏輯運算

邏輯電路

香農在1936年發表了一篇論文<繼電器和開關電路的符號化分析>

我們知道在布爾代數里面

X表示一個命題,X=0表示命題為假;X=1表示命題為真;

如果用X代表一個繼電器和普通開關組成的電路

那么,X=0就表示開關閉合  X=1就表示開關打開

不過他當時0表示閉合的理念跟現代正好相反,難道覺得0是看起來就是閉合的嗎

解釋起來有些別扭,我們用現代的看法解釋下他的觀點

也就是:

(a)  開關的閉合與打開對應命題的真假,0表示電路的斷開,命題的假  1表示電路的連通,命題的真

(b)X與Y的交集,交集相當于電路的串聯,只有兩個都聯通,電路才是聯通的,兩個都為真,命題才為真

(c)X與Y的并集,并集相當于電路的并聯,有一個聯通,電路就是聯通的,兩個有一個為真,命題即為真

這樣邏輯代數上的邏輯真假就與電路的連通斷開,完美的完全映射

而且,所有的布爾代數基本規則,都非常完美的適合開關電路

基本單元-門電路

有了數理邏輯和邏輯電路的基礎理論,不難得出電路中的幾個基礎單元

Vcc表示電源    比較粗的短橫線表示的是接地

與門

串聯電路,AB兩個電路都聯通時,右側開關才會同時閉合,電路才會聯通

符號

另外還有多輸入的與門

或門

并聯電路,A或者B電路只要有任何一個聯通,那么右側開關就會有一個閉合,右側電路就會聯通

符號

非門

右側開關常閉,當A電路聯通的時候,則右側電路斷開,A電路斷開時,右側電路聯通

符號:

所以你只需要記住:

與是串聯/或是并聯/取反用非門

 機電階段

接下來我們說一個機電式計算機器的優秀典范

機電式的制表機

霍爾瑞斯的制表機,主要是為了解決美國人口普查的問題.

人口普查,你可以想象得到自然是用于統計信息,性別年齡姓名等

如果純粹的人工手動統計,可想而知,這是多么復雜的一個工程量

制表機首次將穿孔技術應用到了數據存儲上,你可以想象到,使用打孔和不打孔來識別數據

不過當時設計還不是很成熟,比如如果現代,我們肯定是一個位置表示性別,可能打孔是女,不打孔是男

當時是卡片上用了兩個位置,表示男性就在標M的地方打孔,女性就在標F的地方打孔,不過在當時也是很先進了

然后,專門的打孔員使用穿孔機將居民信息戳到卡片上

緊接著自然是要統計信息

利用電流的通斷來識別數據

對應著這個卡片上的每個數據孔位,上面有著金屬針,下面有著容器,容器裝著水銀

按下壓板時,卡片有孔的地方,針可以通過,與水銀接觸,電路接通,沒孔的地方,針就被擋住。

如何將電路通斷對應到所需要的統計信息?

這就用到了數理邏輯與邏輯電路了

最上面的引腳是輸入,通過打孔卡片的輸入

下面的繼電器是輸出,根據結果  通電的M將產生磁場, 牽引特定的杠桿,撥動齒輪完成計數。

看到沒,此時已經可以根據打孔卡片作為輸入,繼電器組成的邏輯電路作為運算器,齒輪進行計數的輸出了

制表機中的涉及到的主要部件包括:  輸入/輸出/運算

1896年,霍爾瑞斯創立了制表機公司,他是IBM的前身.....

有一點要說明

并不能籠統的說誰發明了什么技術,下一個使用這種技術的人,就是借鑒使用了發明者或者說發現者的理論技術

在計算機領域,很多時候,同樣的技術原理可能被好幾個人在同一時期發現,這很正常

還有一位大神,不得不介紹,他就是康拉德·楚澤 Konrad Zuse 德國

http://zuse.zib.de/

因為他發明了世界上第一臺可編程計算機——Z1

圖為復制品,復制品其實機械工藝上比37年的要現代化一些

盡管zuse生于1910,Z1也是大約1938建造完成,但是他其實跟機械階段的計算器并沒有什么太大區別

要說和機電的關系,那就是它使用電動馬達驅動,而不是手搖,所以本質還是機械式

不過他的牛逼之處在于在也設想出來了現代計算機一些的理論雛形

將機器嚴格劃分為處理器內存兩大部分

采用了二進制

引入浮點數,發明了浮點數的二進制規格化表示

靠機械零件實現與、或、非等基礎的邏輯門

雖然作為機械設備,但是卻是一臺時鐘控制的機器。其時鐘被細分為4個子周期

處理器是微代碼結構的操作被分解成一系列微指令,一個機器周期一條微指令。

微指令在運算器單元之間產生具體的數據流,運算器不停地運作,每個周期都將兩個輸入寄存器里的數加一遍。

可編程 從穿孔帶讀入8比特長的指令 指令已經有了操作碼 內存地址的概念

這些全都是機械式的實現

而且這些具體的實現細節的理念思維,很多也是跟現代計算機類似的

可想而知,zuse真的是個天才

后續還研究出來更多的Z系列

雖然這些天才式的人物并沒有一起坐下來一邊燒烤一邊討論,但是卻總是'英雄所見略同'

幾乎在相同時期,美國科學家斯蒂比茲(George Stibitz)與德國工程師楚澤獨立研制出二進制數字計算機,就是Model k

Model I不但是第一臺多終端的計算機,還是第一臺可以遠程操控的計算機。

貝爾實驗室利用自身的技術優勢,于1940年9月9日,在達特茅斯學院(Dartmouth College)和紐約的本部之間搭起線路.

貝爾實驗室后續又推出了更多的Model系列機型

再后來又有Harvard Mark系列,哈佛與IBM的合作

哈佛這邊是艾肯IBM是其他三位

Mark I也通過穿孔帶獲得指令,和Z1是不是相同?

穿孔帶每行有24個空位

前8位標識用于存放結果的寄存器地址,中間8位標識操作數的寄存器地址,后8位標識所要進行的操作

——結構已經非常類似后來的匯編語言

內部還有累加寄存器,常數寄存器

機電式的計算機中,我們可以看到,有些偉大的天才已經構思設想出來了很多被應用于現代計算機的理論

機電時期的計算機可以說是有不少機器的理論模型已經算是比較接近現代計算機了

而且,有不少機電式的型號一直發展到電子式的年代,部件使用電子管來實現

這為后續計算機的發展提供了不可磨滅的貢獻

電子管

我們現在再轉到電學史上的1904年

一個叫做弗萊明的英國人發明了一種特殊的燈泡-----電子二極管

先說一下愛迪生效應:

在研究白熾燈的壽命時,在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片。

結果,他發現了一個奇怪的現象:金屬片雖然沒有與燈絲接觸,但如果在它們之間加上電壓,燈絲就會產生一股電流,趨向附近的金屬片。

這股神秘的電流是從哪里來的?愛迪生也無法解釋,但他不失時機地將這一發明注冊了專利,并稱之為“愛迪生效應”。

此處完全可以看得出來,愛迪生是多么的有商業頭腦,這就拿去申請專利去了~此處省略一萬字....

金屬片雖然沒有與燈絲接觸,但是如果他們之間加上電壓,燈絲就會產生一股電流,趨向附近的金屬片

就是圖中的這樣子

而且這種裝置有一個神奇的功能:單向導電性,會根據電源的正負極連通或者斷開

其實上面的形式和下圖是一樣的,要記住的是左邊靠近燈絲的是陰極   陰極電子放出

用現在的術語解釋就是:

陰極是用來放射電子的部件, 分為氧化物陰極和碳化釷鎢陰極。

一般來說氧化物陰極是旁熱式的, 它是利用專門的燈絲對涂有氧化鋇等陰極體加熱, 進行熱電子放射。

碳化釷鎢陰極一般都是直熱式的,通過加熱即可產生熱電子放射, 所以它既是燈絲又是陰極。

然后又有個叫做福雷斯特的人在陰極和陽極之間,加入了金屬網,現在就叫做控制柵極

通過改變柵極上電壓的大小和極性,可以改變陽極上電流的強弱,甚至切斷

電子三極管的原理大致就是這樣子的

既然可以改變電流的大小,他就有了放大的作用

不過顯然,是電源驅動了他,沒有電他本身不能放大

因為多了一條腿,所以就叫做電子三極管

我們知道,計算機應用的其實只是邏輯電路,邏輯電路是與或非門組成,他并不是真的在乎到底是誰有這個本事

之前繼電器能實現邏輯門的功能,所以繼電器被應用到了計算機上

比如我們上面提到過的與門

之所以繼電器可以實現邏輯門的功能,就是因為它具有'控制電路'的功能,就是說可以根據一側的輸入情況,決定另一側的情況

那新發明的電子管,根據它的特性,也可以應用于邏輯電路

因為你可以控制柵極上電壓的大小和極性,可以改變陽極上電流的強弱,甚至切斷

也達到了根據輸入,控制另外一個電路的功能,只不過從繼電器換成電子管,內部的電路需要變化下而已

電子階段

現在應該說一下電子階段的計算機了,可能你早就聽過了ENIAC

我想說你更應該了解下ABC機.他才是真正的世界上第一臺電子數字計算設備

阿塔納索夫-貝瑞計算機(Atanasoff–Berry Computer,通常簡稱ABC計算機)

1937年設計,不可編程,僅僅設計用于求解線性方程組

但是很顯然,沒有通用性,也不可編程,也沒有存儲程序機制,他完全不是現代意義的計算機

上面這段話來源于:http://www4.ncsu.edu/~belail/The_Introduction_of_Electronic_Computing/Atanasoff-Berry_Computer.html

主要陳述了設計理念,大家可以上面的這四點

如果你想要知道你和天才的距離,請仔細看下這句話

he jotted down on a napkin in a tavern

世界上第一臺現代電子計算機埃尼阿克(ENIAC),也是繼ABC之后的第二臺電子計算機.

ENIAC是參照阿塔納索夫的思想完整地制造出了真正意義上的電子計算機

奇葩的是為啥不用二進制...

建造于二戰期間,最初的目的是為了計算彈道

ENIAC具有通用的可編程能力

更詳細的可以參看維基百科:

https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E6%95%B8%E5%80%BC%E7%A9%8D%E5%88%86%E8%A8%88%E7%AE%97%E6%A9%9F

不過ENIAC程序和計算是分開的,也就意味著你需要手動輸入程序!

并不是你理解的鍵盤上敲一敲就好了,是需要手工插接線的方式進行的,這對使用來說是一個巨大的問題.

有一個人叫做馮·諾伊曼,美籍匈牙利數學家

有意思的是斯蒂比茲演示Model I的時候,他是在場的

而且他也參與了美國第一顆原子彈的研制工作,任彈道研究所顧問,而且其中涉及到的計算自然是極為困難的

我們說過ENIAC是為了計算彈道的,所以他早晚會接觸到ENIAC,也算是比較順理成章的他也加入了計算機的研制

馮諾依曼結構

1945年,馮·諾依曼和他的研制小組在共同討論的基礎上

發表了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”——EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

一篇長達101頁紙洋洋萬言的報告,即計算機史上著名的“101頁報告”。這份報告奠定了現代電腦體系結構堅實的根基.

報告廣泛而具體地介紹了制造電子計算機和程序設計的新思想。

這份報告是計算機發展史上一個劃時代的文獻,它向世界宣告:電子計算機的時代開始了。

最主要是兩點:

其一是電子計算機應該以二進制為運算基礎

其二是電子計算機應采用存儲程序方式工作

并且進一步明確指出了整個計算機的結構應由五個部分組成:

運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置,并描述了這五部分的職能和相互關系

其他的點還有,

指令由操作碼和地址碼組成,操作碼表示操作的性質,地址表示操作數的存儲位置

指令在存儲器內按照順序存放

機器以運算器為中心,輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送通過運算器完成

人們后來把根據這一方案思想設計的機器統稱為“馮諾依曼機”,這也是你現在(2018年)在使用的計算機的模型

我們剛才說到,ENIAC并不是現代計算機,為什么?

因為不可編程,不通用等,到底怎么描述:什么是通用計算機?

1936年,艾倫·圖靈(1912-1954)提出了一種抽象的計算模型 —— 圖靈機 (Turing Machine)

又稱圖靈計算、圖靈計算機

圖靈的一生是難以評價的~

我們此處僅僅說他對計算機的貢獻

下面這段話來自于百度百科:

圖靈的基本思想是用機器來模擬人們進行數學運算的過程

所謂的圖靈機就是指一個抽象的機器

圖靈機更多的是計算機的科學思想,圖靈被稱為 計算機科學之父

它證明了通用計算理論,肯定了計算機實現的可能性

圖靈機模型引入了讀寫與算法與程序語言的概念

圖靈機的思想為現代計算機的設計指明了方向

馮諾依曼體系結構可以認為是圖靈機的一個簡單實現

馮諾依曼提出把指令放到存儲器然后加以執行,據說這也來源于圖靈的思想

至此計算機的硬件結構(馮諾依曼)以及計算機的自然科學理論(圖靈)

已經比較完全了

計算機經過了第一代電子管計算機的時代

隨后出現了晶體管

晶體管

肖克利1947年發明了晶體管,被稱為20世紀最重要的發明

硅元素1822年被發現,純凈的硅叫做本征硅

硅的導電性很差,被稱為半導體

一塊純凈的本征硅的半導體

如果一邊摻上硼一邊摻上磷  然后分別引出來兩根導線

這塊半導體的導電性獲得了很大的改善,而且,像二極管一樣,具有單向導電性

因為是晶體,所以叫做晶體二極管

而且,后來還發現加入砷 鎵等原子還能發光,稱為發光二極管  LED

還能特殊處理下控制光的顏色,被大量應用

如同電子二極管的發明過程一樣

晶體二極管不具有放大作用

又發明了在本征半導體的兩邊摻上硼,中間摻上磷

這就是晶體三極管

只要電流I1 發生一點點變化   電流I2就會大幅度變化

也就是說這種新的半導體材料就像電子三極管一樣具有放大作

所以被稱為晶體三極管

晶體管的特性完全適合邏輯門以及觸發器

世界上第一臺晶體管計算機誕生于肖克利獲得諾貝爾獎的那年,1956年,此時進入了第二代晶體管計算機時代

再后來人們意識到:晶體管的工作原理和一塊硅的大小實際沒有關系

可以將晶體管做的很小,但是絲毫不影響他的單向導電性,照樣可以方法信號

所以去掉各種連接線,這就進入到了第三代集成電路時代

隨著技術的發展,集成的晶體管的數量千百倍的增加,進入到第四代超大規模集成電路時代

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