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最近啊，我是天天跟「計算機」和「計算」打交道了，各種分布式、調度、多線程之類的概念繞來繞去哦。這促使我啊，對計算機的原理，再走一遍。
老規矩，學到哪講到哪，今天先講講，我學的計算機歷史。
本文6709個字，預計需要15分鐘。
01本節知識目錄
本節內容：「ENIAC」之前的計算機早期歷史
提到的設備：算盤→步進計算器→自動提花編織機→差分機→分析機→打孔卡片制表機提到的人名：帕斯卡、萊布尼、傑卡德、巴貝奇、阿達、霍列瑞斯博士、IBM
本期知識點：
最早的計算設備是算盤，舉例如何使用1613年，Computer一次出現，最初用於指代「計算工作者」1642年，帕斯卡計算器是第一臺機械計算器(機械的計算器、只能加減)1694年，萊布尼茨步進計算器。第一個加減乘除的機器(原理是連續加減)1805年，法國機械師傑卡德 真正完成了」自動提花編織機「的製作，首次「可編程」上述機器同時代，要快速計算彈道，主要是靠計算表。但每次改設計就需要一張新表1822年，巴貝奇提出了差分機，能計算多項式；構造差分機期間，想出了分析機, 分析機是通用計算機；Ada給分析機寫了假想程序，因此成為了第一位程式設計師1890年，霍列瑞斯博士的打孔卡片制表機大大提升了人口普查的效率1896年，霍列瑞斯創辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company）1924年，上述公司經營不善與其它機械製造商合併，成為國際商業機器公司——IBM
02古代計算工具
雖然電子計算機出現不久(「ENIAC」於1946--2020，74年左右)，相比人類歷史非常短暫，但人類對計算的需求早就有了。
與之相應的，計算工具的演化也經歷了由簡單到複雜、從低級到高級的不同階段，例如從「結繩記事」中的繩結到算籌、算盤計算尺、機械計算機等。
它們在不同的歷史時期發揮了各自的歷史作用，同時也啟發了現代電子計算機的研製思想。
在古時候，人們最早使用的計算工具可能是手指，英文單詞「digit」既有「數字」的意思，又有「手指「的意思。古人用石頭打獵，所以還有可能是石頭來輔助計算。
但是呢，手指和石頭有缺點啊，都太低效了。手指就10個，加上腳指頭也才20。石頭呢，帶多了沉！揣兜裡，費兜。
後來出現了"結繩記事"。缺點：結繩慢，繩子還有長度限制。
又不知過了多久，許多國家的人開始使用」籌碼「來計數，最有名的就要數咱們中國商周時期出現的算籌了。
古代的算籌實際上是一根根同樣長短和粗細的小棍子，大約二百七十幾枚為一束; 多用竹子製成，也有用木頭、獸骨、象牙、金屬等材料製成的。數學家祖衝之計算圓周率時使用的工具就是算籌。
算籌的缺點：使用算籌計算太麻煩了，很不方便——計算時需要慢慢擺放。
於是，人們發明了更好的計算工具——算盤，它也是公認最早的計算設備。世界範圍來看，算盤最早發明於"美索不達米亞"，大約公元前2500年(這也是我們標題的來源)。在我國，最早可能在漢代萌芽，在南北朝時期定型。距今也有兩千多年了。
人們製造算盤是因為社會的規模已經超出個人心算的能力，一個村莊可能有上千個人和上萬頭牛。
算盤利用進位制計數。使用時需要配合一套口訣——這口訣就好比計算機的軟體。算盤本身還可以存儲數字，使用時很方便。至今，算盤還在被使用。
它是用來幫助加減數字的手動計算器，它存儲著當前的計算狀態，類似於如今的硬碟。
感興趣同學可以去搜一下算盤的使用方法，我們就不展開講了。
算盤在公元前2500年就有了，在接下來的4000年裡，人類發明了各種巧妙的計算設備：
比如，星盤，讓船隻可以在海上計算緯度比如，計算尺，幫助計算乘法和除法比如，人們還創造了上百種時鐘 算日出，潮汐，天體的位置，或純粹拿來計時
這些設備，雖然我們多數人可能都沒聽過，沒見過。但是對當時來說，每一種工具的發明讓原先很費力的事變得更快，更簡單，更精確 - 降低了門檻，加強了我們的能力
記筆記!（敲黑板）這個系列會多次提到這一點
計算機先驅 Charles Babbage 說過：
> "At each increase of knowledge, as well as on the contrivance of every new tool,human labour becomes abridged."
> "隨著知識的增長和新工具的誕生，人工勞力會越來越少"
嗯，降低門檻，For Everyone。
03Computer一詞的由來
然而，上面提過的那些設備我們可以稱作是"計算工具"，但它們並不叫做"計算機"
最早使用"computer"一詞的文獻，來自1613年的一本書，作者Richard Braithwait。Braithwait說：
> "I have read the truest computer of times,and the best arithmetician that ever breathed, and he reduceth thy dayes into a short number".
> "我聽說過的計算者裡最厲害的，能把好幾天的工作量大大縮減"
可見，那時,"Computer"指負責計算的人。"計算工作者"偶爾會用機器幫忙，但大部分時候靠自己，這個職位一直到1800年代還存在。
在之後，"Computer"逐漸開始代表機器，帶來這個變化的，是一系列計算機器的發明。
04第一臺真正的計算器
1623年，法國數學家帕斯卡出生，三歲喪母，後由擔任稅務官的父親養大。在帕斯卡小時候，看到父親費力的計算稅率稅款的時候，就想幫父親做點事情。
19歲時（1642年），帕斯卡發明了人類有史以來第一臺機械計算機——帕斯卡加法器。
它是一種系列齒輪組成的裝置，外形像一個長方盒子，用兒童玩具那種鑰匙旋緊發條後才能轉動，只能夠做加法和減法。
然而，即使只做加法，也有個「逢十進一」的進位問題。聰明的帕斯卡採用了一種小爪子式的棘輪裝置。
當定位齒輪朝9轉動時，棘爪便逐漸升高；一旦齒輪轉到0，棘爪就「咔嚓」一聲跌落下來，推動十位數的齒輪前進一檔。
05加減乘除的步進計算器
1662年帕斯卡去世，不久後。1672年的某一天，一位在德國政壇小有名氣的年輕人受邀來訪巴黎——一座大師薈萃的城市。身為文科生的他卻誤打誤撞與幾位大數學家成為了好友，從此闖進了理科的世界，沒想到這一闖就掀起了歷史的驚濤駭浪。
鑽研數學期間，他漸漸發現：
> "... it is beneath the dignity of excellent men to waste their time in calculation when any peasant could do the work just as accurately with the aid of a machine."
> "...讓一些傑出人才像奴隸般地把時間浪費在計算工作上，是不值得的"
於是，1694年，世界上第一臺可以自動執行四則運算的機械式計算機誕生了。而這，幾乎是他一生中最不值一提的成就之一。
他就是曾和艾薩克·牛頓爭奪微積分發明權的大名鼎鼎·萊布尼茨。
事實上，萊布尼茨應該叫做博學家。研究了他老人家的生平，我後面一定要寫個萊布尼茨專篇。在這裡，讓我們先做個簡單但正式的介紹：
> 戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz 1646-1716），德國博學家、哲學家，歷史上少見的通才，被譽為17世紀的亞里斯多德。
萊布尼茨發明的新型計算機約有1米長，內部安裝了一系列齒輪機構，除了體積較大之外，基本原理繼承於帕斯卡。
不過，萊布尼茨技高一籌，他為計算機增添了一種名叫「步進輪」的裝置。步進輪是一個有9個齒的長圓柱體，9個齒依次分布於圓柱表面；旁邊另有個小齒輪可以沿著軸向移動，以便逐次與步進輪嚙合。
每當小齒輪轉動一圈，步進輪可根據它與小齒輪嚙合的齒數，分別轉動1/10、2/10圈……，直到9/10圈，這樣一來，它就能夠**連續重複地做加法**。同樣的，做減法時，機器會反向運作，也可以做做連續減法。
直到今天，"連續重複的計算加減法」仍然是現代計算機做乘除法採用的辦法，計算器真的不是直接就能口算出11*9=99。
06「可編程」的提花編織機
計算機發展到現在還是人去操作機器，還沒有實現人與機器的對話。有沒有什麼辦法，能把人類的思想告訴機器，讓機器按照人的想法去自動執行。這個話題，成為「人機對話」
說到實現人機對話，就要說一下另外一個行業——紡織業，並提到提花編織機。
提花編織機是具有升降紗線的提花裝置，是一種能使綢布編織出圖案花紋的織布機器。
最開始編織機編織圖案相當費事。所有的綢布都是用經線（縱向線）和緯線（橫向線）編織而成。若要織出花樣，織工們必須細心地按照預先設計的圖案，在適當位置「提」起一部分經線，以便讓滑梭牽引著不同顏色的緯線通過。
機器當然不可能自己「想」到該在何處提線，只能靠人手「提」起一根又一根經線，不厭其煩地重複這種操作。
1725年：法國紡織機械師布喬發明了「穿孔紙帶」的構想。布喬想出了一個「穿孔紙帶」的絕妙主意。
布喬首先設法用一排編織針控制所有的經線運動，然後取來一捲紙帶，根據圖案打出一排排小孔，並把它壓在編織針上。
啟動機器後，正對著小孔的編織針能穿過去鉤起經線，其它則被紙帶擋住不動。於是，編織針自動按照預先設計的圖案去挑選經線，布喬的「思想」「傳遞」給了編織機，編織圖案的「程序」也就「儲存」在穿孔紙帶的小孔中。
1790年的時候法國機械師傑卡德，基本形成了改進提花機的構想，由於當時正是法國大革命時期，傑卡德為了參加革命，無暇顧及發明創造，直到1805年才真正完成」自動提花編織機「的製作。
傑卡德為他的提花機增加了一種裝置，能夠同時操縱 1200 個編織針，控制圖案的穿孔紙帶後來換成了穿孔卡片。
在後來電子計算機開始發展的最初幾年中，在多款著名計算機中我們均能找到自動提花機的身影。
07更便宜更快的計算表
萊布尼茨的步進計算機，是第一臺能做"加減乘除"全部四種運算的機器。它的設計非常成功，以至於沿用了3個世紀。
不幸的是，即使有機械計算器，許多現實問題，依然需要很多步。算一個結果可能要幾小時甚至幾天。並且，第二方面，這些手工製作的機器非常昂貴，大部分人買不起。
所以在20世紀以前，大部分人會用預先算好的計算表，這些計算表由之前說的 "human computers"(人力計算器)編撰。如果你想知道8675309的平方根，與其花一整天來手搖"步進計算器"，你可以花一分鐘在表裡找答案。
在對計算這方面，軍隊始終是強需求。速度和準確性在戰場上尤為重要，步進計算器跟不上需求，就主要依賴計算表了。
19世紀，一個主要的難題，就是如何的精確瞄準炮彈。
在當時，這些炮彈的射程可以達到1公裡以上（比半英裡多一點）。再加上，風力、溫度、大氣壓力會不斷變化，想打中1公裡以外的船一樣大的物體就非常困難。
於是出現了射程表，炮手可以查環境條件和射擊距離。然後這張表會告訴他們，角度要設成多少。
08計算之父與史上第一位程式設計師
這些射程表很管用，二戰中被廣泛應用。但它們的問題是如果改了大炮或炮彈的設計，就要算一張新表 這樣很耗時而且會出錯。
查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage)在1822年寫了一篇論文，向皇家天文學會指出了這個問題，標題叫：
> "Note on the application of machinery to the computation of astronomical and mathematical tables"——"機械在天文與計算表中的應用"
巴貝奇提出了一種新型機械裝置叫"差分機"(the Difference Engine)，所謂「差分」的含義，是把函數表的複雜算式轉化為差分運算，用簡單的加法代替平方運算。那一年，剛滿20歲的巴貝奇從法國人傑卡德發明的提花編織機上獲得了靈感，差分機設計閃爍出了程序控制的靈光──它能夠按照設計者的旨意，自動處理不同函數的計算過程。
多項式描述了幾個變量之間的關係--比如射程和大氣壓力。多項式也可以用於計算對數和三角函數，這些函數在當時也是手算的，相當麻煩。
巴貝奇在1823年開始建造差分機。並在接下來二十年，試圖製造和組裝25,000 個零件，總重接近15噸
不幸的是，該項目最終放棄了。但在 1991 年,歷史學家根據巴貝奇的草稿做了一個差分機--而且它還管用！
但更重要的是，在差分機的建造期間巴貝奇構想了一個更複雜的機器 - 分析機(the Analytical Engine)
不像差分機、步進計算器，和更以前的其他計算設備，分析機是"通用計算機"
> 」a general purpose computer，one that could guide itself through a series of operations automatically,
> 「一臺可以自動完成一系列操作的計算機"
它可以做很多事情，不只是一種特定運算，甚至可以給它數據，然後按順序執行一系列操作，它有內存，甚至一個很原始的印表機。
你可以想像下，同時代的已存機器，都是只能加減乘除的一堆齒輪。巴貝奇說要造一個「通用計算機」！這臺機器太超前了，巴貝奇的這款分析機的命運，也跟差分機一樣，沒有建成。
然而，「計算機可以自動完成一系列操作",這種"自動計算機"的概念，是個跨時代的概念，預示著電腦程式的誕生。
可以說，分析機激勵了第一代計算機科學家。這些計算機科學家，把很多巴貝奇的點子融入到他們的機器。所以巴貝奇經常被認為是"計算之父"。
說到分析機，不得不說巴貝奇的另一個同事，也是一代傳奇人物了——阿達(Ada)
奧古斯塔·阿達·金(Augusta Ada King)，英國數學家，19世紀詩人拜倫的女兒，洛甫雷斯伯爵夫人。
由於進度緩慢，到1842年的時候，政府宣布停止對巴貝奇的一切資助，連科學界的有人都用一種怪異的目光看他。
然而在這個時候，巴貝奇收到了一封信，寫信人不僅對他表示理解而且還希望與他共同工作。娟秀字體的籤名表明了她不凡的身份——伯爵夫人。
與巴貝奇交流後，阿達非常準確地評價道：「分析機'編織』的代數模式同傑卡德織布機編織的花葉完全一樣」。於是，為分析機編制一批函數計算程序的重擔，落她的肩頭。
阿達開天闢地第一回為計算機編出了程序(基於穿孔機)，其中包括計算三角函數的程序、級數相乘程序、伯努利函數程序等等。阿達編制的這些程序，即使到了今天，電腦軟體界的後輩仍然不敢輕易改動一條指令。
阿達的工作證明了巴貝奇的分析器可以用於許多問題的求解。她甚至還建立了循環和子程序的概念，為計算程序擬定「算法」，寫作了第一份「程序設計流程圖」。
她曾說：
> "A new, a vast, and a powerful language is developed for the future use of analysis."
> "未來會誕生一門全新的，強大的，專為分析所用的語言"
由於她在程序設計上的開創性工作，Ada被稱為世界上第一位程式設計師。
09打孔卡片制表機
為了更合理地分配聯邦資金/國會代表等等,美國憲法要求10年進行一次人口普查。而在19世紀末，因為大量移民的到來，使得美國人口迅速增長。給普查統計工作帶來很大挑戰。
在1880年，美國舉行了一次全國性人口普查，為當時5000餘萬美國人登記造冊。
當時在人口調查局從事統計工作的德國僑民 赫爾曼·霍列瑞斯博士(Herman Hollerith)靜靜地坐在他的辦公室裡，望著那汗牛充棟的人口登記冊發愁。
人口普查需要做大量工作，如年齡、性別等用調查表做採集的項目，還要計算每個社區有多少老人、小孩，男人、女人等。據他的估算，分析這些千辛萬苦收集到的數據，人口調查局至少要花費7年時間。也就是說，美國政府和公民們，幾乎要到下一次人口普查時，才能得知這次普查的人口狀況。
並且更要命的是，通過手搖計算機計算，到1890年，美國人口還將增加1200萬，若按老辦法統計，即使再添加人手，沒有10年以上的功夫，是根本搞不出什麼結果的(可憲法規定才10年啊)
霍列瑞斯博士就想用一種機器，能自動統計這些數據，幫助完成繁重的統計制表任務。
於是，他發明了打孔卡片制表機。這個機器是"電動機械的"-機器用打孔卡記錄數據(一種紙卡，上面有網格)；用打孔來表示數據；用傳統機械來計數,結構類似萊布尼茨的乘法器，但用電動結構連接其他組件。
舉個例子，有一連串孔代表婚姻狀況。如果你結婚了，就在"結婚"的位置打孔。這就完成了數據的記錄與表示。
當卡插入機器時，小金屬針會到卡片上,如果有個地方打孔了，針會穿過孔,泡入一小瓶汞，聯通電路,電路會驅動電機,然後給"已婚"的齒輪+1。這就實現了機器的自動數據處理。
霍列瑞斯的機器速度是手動的10倍左右，使人口普查在短短兩年半內完成，給人口普查辦公室省了上百萬美元。
自此以後，企業也開始意識到計算機的價值——它可以提升數據密集型任務的勞動力來提升利潤，比如會計，保險評估和庫存管理等行業。
為了滿足越來越多企業的需求，霍列瑞斯成立了"制表機器公司(The Tabulating Machine Company)"，影響力甚至擴大到俄羅斯、加拿大和挪威等國。
然而，統計學家畢竟缺乏經商才幹，他的公司不久便因資金周轉不靈陷入窘境，只好任別人收購。經過幾次改組，這家公司後來在1924年與其它機械製造商合併，成為了"國際商業機器公司(The International Business Machines Corporation)"，簡稱IBM-你可能聽過IBM
雖然霍列瑞斯的發明並不是通用計算機，除了能統計數據製造表格外，制表機幾乎沒有別的什麼用途，然而，制表機的穿孔卡第一次把數據轉變成二進位信息。
在早期計算機系統裡，這種用穿孔卡片輸入數據的方法，一直沿用到20世紀70年代，數據處理也發展成為電腦的主要功能之一。霍列瑞斯也被稱為數據處理之父。
傑卡德和霍列瑞斯，分別開創了程序設計和數據處理之先河。以歷史的目光審視他們的發明，正是這種程序設計和數據處理，構成了電腦「軟體」的雛形。
10寫在最後
本文中，我們前面提到的所有的計算機都是機械的。這些電子機械的"商業機器"取得了巨大成功，極大的改變了商業和政府。
但是，社會發展總是會給技術提出更高的要求。到了1900年代中葉，世界人口的爆炸和全球貿易的興起，要求更快，更靈活的工具來處理數據。
世界即將迎來電子計算機的時代。我們下節討論！
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參考文獻：
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3. 別拿曾經看以後.《計算機發展歷史》.新浪博客.2016
4. CrashCourse/CrashCourse字幕組.《計算機科學速成課》.youtube.2018
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