12 計(jì)算機(jī)

很喜歡吳軍博士的書满哪,從《浪潮之巔》到《數(shù)學(xué)之美》婿斥,再讀了《文明之光》這四冊。書中將技術(shù)史與文化史巧妙融合哨鸭,精煉民宿、易懂地描繪了人類文明發(fā)展的過程。這里摘錄部分內(nèi)容作為筆記像鸡,如果大家覺得也有趣活鹰,建議看更有趣、更詳實(shí)的原著只估。

中國人發(fā)明算盤的時(shí)間應(yīng)該在公元前兩世紀(jì)志群,遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于根據(jù)清明上河圖所畫的實(shí)物推測的北宋時(shí)期。遺憾的是仅乓,中國諸多史籍和文物都沒有記載發(fā)明赖舟、改進(jìn)算盤的過程,也就沒有記錄做出重大貢獻(xiàn)的人夸楣、編寫珠算口訣的人宾抓。

學(xué)過珠算的人都知道下面的口訣:
一上一(加一)
二上二(加二)
三下五除二(加三)
四去六進(jìn)一(加四)

記得這些口訣的人子漩,哪怕不會算術(shù),也能操作算盤計(jì)算出結(jié)果石洗。珠算口訣的重要性完全不亞于算盤(硬件)本身幢泼,因此它完全有資格申請人類非物質(zhì)文化遺產(chǎn),因?yàn)樗鋵?shí)是最早的計(jì)算機(jī)軟件讲衫。

最早的機(jī)械計(jì)算機(jī)是由法國數(shù)學(xué)家帕斯卡(Blaise Pascal1623-1662)在1642年發(fā)明的缕棵。帕斯卡計(jì)算器并不比算盤更快。但因?yàn)樗恍枰斎霐?shù)字涉兽,不必牢記珠算口訣招驴,而且齒輪的進(jìn)位是自動(dòng)的,這就避免了人工記憶和手動(dòng)進(jìn)位可能引起的錯(cuò)誤枷畏。帕斯卡本人因此被當(dāng)作計(jì)算機(jī)工程的先驅(qū)别厘,20世紀(jì)70年代,一門通用的程序語言還被命名成 Pascal拥诡。

后來触趴,英國的數(shù)學(xué)家和發(fā)明家巴貝奇(Charles

Babbage,1791-1871)設(shè)計(jì)出差分機(jī)渴肉,機(jī)械計(jì)算器不僅可以作四則運(yùn)算冗懦,還可以計(jì)算徽積分了。1855年仇祭,英國發(fā)明家舒茨(Georg Scheutz,1785-1873)建造出世界上第一臺可以工作的差分機(jī)披蕉。

但是所有這些機(jī)械計(jì)算機(jī)都只能進(jìn)行一步運(yùn)算,而不能通過編程自動(dòng)完成一系列的計(jì)算前塔。這要等待二進(jìn)制嚣艇、布爾代數(shù)、數(shù)字電路等理論的出現(xiàn)华弓。

1679年食零,萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)是在研究哲學(xué)而非數(shù)學(xué)時(shí)接觸到中國的哲學(xué)著作《易經(jīng)》寂屏。他在八卦以及從八卦衍生出的六十四卦中受到啟發(fā)贰谣,他把中斷的短線變成0,長線變成1迁霎,將任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字通過0和1的組合表示出來吱抚,這就是二進(jìn)制。然后考廉,萊布尼茲給出了使用二進(jìn)制進(jìn)行加減乘除的方法秘豹,使得二進(jìn)制可以像十進(jìn)制一樣完成所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

萊布尼茲的二進(jìn)制手稿

有意思的是昌粤,作為一個(gè)信仰上帝的哲學(xué)家既绕,對于二進(jìn)制的用途啄刹,萊布尼茲首先想到的是神學(xué)。他認(rèn)為上帝創(chuàng)世紀(jì)的天數(shù)7在二進(jìn)制中正好表示成111凄贩,只有1沒有0誓军,證明了上帝是全能而沒有缺陷的。萊布尼茲還寫了封信通過傳教士轉(zhuǎn)給喜歡數(shù)學(xué)的康熙皇帝疲扎,信中除了介紹二進(jìn)制外昵时,還試圖用二進(jìn)制證明上帝的全能,希望康熙皇帝皈依基督教椒丧。

1854年壹甥,喬治?布爾(George Boole,1815-1864)完成了在近代數(shù)學(xué)史上頗有影響力的著作《思維規(guī)律》壶熏。在書中盹廷,他第一次向人們展示了如何用數(shù)學(xué)的方法解決邏輯問題。在此之前久橙,人們普遍的認(rèn)識是數(shù)學(xué)和邏輯分屬兩個(gè)不同的學(xué)科。

布爾代數(shù)簡單得不能再簡單了管怠。運(yùn)算的元素只有兩個(gè):真(TRUE)和假(FALSE)淆衷,可以跟二進(jìn)制的1和0對應(yīng)〔吵冢基本的運(yùn)算只有“與”(AND)祝拯、“或”(OR)和“非”(NOT)三種。

布爾代數(shù)與門電路

在二進(jìn)制提出后的200多年里她肯、以及布爾代數(shù)提出后的80多年里佳头,它們也并沒有什么像樣的應(yīng)用。直到1938年香農(nóng)(Claude Shannon晴氨,1916-2001)在他的碩士論文中指出用布爾代數(shù)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路康嘉,才使得二進(jìn)制、布爾代數(shù)成為數(shù)字電路的基礎(chǔ)籽前。

世界上有很多重大的科技進(jìn)步亭珍,都始于工程上的改進(jìn),依靠的是經(jīng)驗(yàn)枝哄,這種經(jīng)驗(yàn)積累到了一定程度后肄梨,相關(guān)的理論才得以建立起來。這些理論早期一般不會引人注意挠锥,直到某一天众羡,一些既懂理論又善于改進(jìn)產(chǎn)品的工程師(比如改進(jìn)蒸汽機(jī)的瓦特)利用這些理論發(fā)明了新一代產(chǎn)品時(shí),人們常常才會回過頭來“追憶”這些提出理論的先行者蓖租,給他們在文了明史上補(bǔ)上濃墨重彩的一筆粱侣。

二戰(zhàn)期間羊壹,美國軍方因?yàn)榛鹋谠O(shè)計(jì)需要解決大量計(jì)算問題,故而投資制造了“電子數(shù)值積分計(jì)算器(Electronic Numerical Integrator and Calculator甜害,簡稱 ENIAC)舶掖。這個(gè)設(shè)備用電子管實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)電路,從而將計(jì)算機(jī)“電子化”尔店。ENIAC的研制過程和以往的計(jì)算機(jī)不同眨攘,它的設(shè)計(jì)不是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來的,而是有明確的計(jì)算機(jī)理論做指導(dǎo)的嚣州。

ENIAC是一臺專用計(jì)算機(jī)鲫售,只能計(jì)算火炮彈道。在 ENIAC造到一半時(shí)该肴,另外一位科學(xué)家加入了進(jìn)來情竹,就是后來被稱為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”的馮?諾伊曼。按照馮?諾伊曼的設(shè)計(jì)思想匀哄,一臺自動(dòng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)該包括(算術(shù)和邏輯)計(jì)算器秦效、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備涎嚼,它是由程序來控制的阱州。我們今天的計(jì)算機(jī)無論大小快慢,都是用馮?諾伊曼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的法梯。馮?諾伊曼的貢獻(xiàn)在于為計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)苔货,從而可以制造計(jì)算任何問題的通用計(jì)算機(jī)。

馮?諾伊曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ENIAC是個(gè)龐然大物立哑,占地160平方米夜惭,重達(dá)30噸,每秒可以運(yùn)算5000次加法铛绰。當(dāng)時(shí)诈茧,一條炮彈的軌道ENIAC用20秒就能算出來。因此至耻,當(dāng)時(shí)英國的蒙巴頓元帥將它譽(yù)為“一個(gè)電子的大腦”若皱,“電腦一詞由此而來。

值得一提的是馮.諾伊曼被認(rèn)為是20世紀(jì)和愛因斯坦齊名的天才尘颓。他對世界的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止在計(jì)算機(jī)上走触,至少在七八個(gè)(計(jì)算機(jī)以外)學(xué)科領(lǐng)域都有杰出的貢獻(xiàn),包括:
·發(fā)明博弈論
·發(fā)明線性規(guī)劃
·建立數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論基礎(chǔ)
·完善測度理論疤苹、格理論和集合論
·提出量子邏輯和量子機(jī)
·提出馮?諾伊曼代數(shù)
·發(fā)明連續(xù)幾何學(xué)

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