科學Sciences導讀：1936年，圖靈給「可計算性」下了一個嚴格的數學定義，並提出著名的「圖靈機(Turing Machine)」通用計算機模型。伴隨著電子元件發明，使得最早一批工程技術和物理實物計算機器得以落地。在通電的機械計算機、紙帶機、固定任務的繼電器計算機之後，世界最早的通用型電子計算機誕生，最早有1942年美國ABC機、1943年英國巨人、1944年1月10日英國Crosas科洛薩斯、1946年2月14日美國ENIAC埃尼阿克、1948年6月21日英國Baby寶貝等，均可以編程執行任務。那期計算機前傳AB部分，介紹了手工計算機器、機械計算機等歷史，會同本期繼電器計算機、電傳紙帶機等計算機一起作為鋪墊，是理解可計算性圖靈機理論完備性的基礎知識和實物背景。下期計算機傳CD部分，繼續介紹單任務電晶體到多任務集成電路電子計算機。此文為「科學Sciences」公號機械計算機、電子計算機、指令集、編譯器、作業系統、晶片等CS計算機科學系列科普文章，彌補中科大、國科大、清華等計算機專業資料空缺。時勢造英雄，做事在領域。世界戰爭威脅下，圖靈、馮諾依曼等人才獲得一展抱負的機會。面對美帝技術鉗制，思路要跟進；看清計算史，簡化再發展。工作要平臺，人生科研事；止步吃住行，無力推文明。
電子計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生(7773字)
目錄
A計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生(6644字)
一、電子計算機誕生前背景概述
二、機械計算機改為繼電計算機
三、統計用穿孔卡和計算機紙帶
四、穿孔紙帶到現代電子計算機
參考文獻(3948字)Appx(1266字).數據簡化DataSimp社區簡介
A計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生(6644字)計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生
文|秦隴紀，科學Sciences20181119Mon1125Sun20190303Sun
人類學會用工具輔助自己計算和記錄，從最早結繩記事到使用算籌、算盤、日晷、沙漏，到後來發明加法機、乘法機、差分機、分析機等機械計算機，到電傳紙帶機、電子計算機、微電子計算機等電子計算機，直到如今的臺式機、筆記本、平板、智慧型手機、智能手錶等智能計算設備.
現今世界進入計算機時代，電子計算機、智慧型手機為代表的信息處理設備更新換代日新月異，從8086、286、386到奔騰到雙核，從臺式機、筆記本、掌上電腦到手機目不暇接。人類已經步入信息社會和數字時代！科技無止境，有質的改變才能有大的飛躍，這是科技步步循進中的規律。
一、電子計算機誕生前背景概述
電子計算機誕生前，經歷了夢想、機械、理論、物理、材料、技術、工程等一系列科技預熱。在以機械方式運行的計算器誕生百年之後，隨著電子技術的突飛猛進，計算機開始了真正意義上的由機械向電子時代的過渡，電子器件逐漸演變成為計算機的主體，而機械部件則漸漸處於從屬位置。二者地位發生轉化的時候，計算機也正式開始了由量到質的轉變，由此導致電子計算機正式問世。下面就是這一過渡時期的主要科技預熱事件。
1.1 萊布尼茨之夢和圖靈機
數字電子計算機的出現，揭開了人類歷史新篇章。從魯爾和萊布尼茨之夢，到圖靈和香農的理論，馮諾依曼的工程等創新，完成了從夢想到工程的計算機器落地。
①最早在13世紀，西班牙哲學家與邏輯學家拉曼·魯爾(Ramon Llull，1232-1315)，試圖用字母表示思維、進而表達所有知識，有了製作一臺機器來執行有用推理的想法。17世紀末，德國哲學家和數學家戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716)，提出要尋求一種世界通用語言和一種普遍算法，不僅要能計算數值，還要能計算概念，一切論證的正確性都能夠歸結為某種計算，所有符號與詞語會導向推理，不正確要麼是事實謬誤，要麼是計算錯誤。在他看來，哲學家間的爭議與會計師間的爭議可以是一樣的。有了這種語言與算法，當哲學家間出現爭議時，不必浪費口舌，大家拿出筆坐下來算一算即可。這就是數學史上著名的「萊布尼茲之夢」。
②之後1843年，英國數學家愛達·勒芙蕾絲(Ada Lovelace)與查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage)合作發明首個可編程計算機理論，寫了第一個計算機算法。但由於分析機過於複雜而沒製造完成。
③1936年5月28日，24歲的圖靈向倫敦權威數學雜誌投了一篇論文，題為「論可計算數及其在判定問題上的應用」(On Computable Numbers, with an Application to theEntscheidungsproblem)。在這篇開創性的論文中，圖靈給「可計算性」下了一個嚴格的數學定義，並提出著名的「圖靈機(Turing Machine)」的設想．圖靈提出的圖靈機理論，是計算機邏輯的奠基者；後來又提出思維機器和圖靈測試等許多人工智慧的重要方法，也源自這位偉大的科學家。
圖1：圖靈機模型示意圖
④1938年，年僅22歲的香農在碩士論文的基礎上，發表論文「繼電器和開關電路的符號分析」(A Symbolic Analysisof Relay and Switching Circuits)，首次闡述了如何將布爾代數運用於邏輯電路，奠定了現代電子計算機開關電路的理論基礎。
⑤1946年6月，美國數學家、普林斯頓大學教授約翰·馮·諾依曼(John Von Neumann)提出了「存儲程序」的概念以及計算機組成和框架，奠定了現代計算機組成與工作原理基礎。從此，通用電子計算機在可靠性、效率、規模、性能上快速發展起來，並且其科技日新月異。
萊布尼茨和圖靈帶來的兩個時間節點，完成了從夢想到工程的計算機器落地。魯爾的貢獻是提出一種演算推理器思想，萊布尼茨則提出了通用語言算法推理之夢。不過，幾百年前的當時，邏輯語言都沒出現，形式化描述不同人講的事情和道理都不可行，何談推理機器？只能是空想的夢了。
1.2 圖靈機到現代電子計算機
艾倫·圖靈(Alan Turing)是計算機科學當之無愧的奠基人，最早提出的著名的圖靈機模型，為現代計算機的邏輯工作方式奠定了基礎。圖靈機本身可以是自然數編碼表示，這樣它也作為自身的輸入。實際上有些輸入會使圖靈機停止下來，另一些則不會。這樣一臺圖靈機就具有一些停機集合。如果我們考慮把一臺圖靈機的停機集合組成了一個包裹，並且認為那臺機器的碼數就是這個包裹的標籤。對角線方法允許我們構造出一個與圖靈機的任何停機集合都不同的自然數集合，我們稱之為D。圖靈將對角線方法應用於這種情況，得到了圖靈機不能解決的問題，由此推出了判定問題的不可解性。與哥德尓類似，圖靈採用了對角線方法也對圖靈機通過自然數進行了編碼。
為驗證自己工作的有效性，圖靈又提出了通用機模型，通用機包含了圖靈機代碼以及待處理的數據。而這剛好對應著我們今天的機器，程序與數據的概念。也為存儲程序計算機提供了一個模型。正是圖靈在證明判定問題的不可解性是，對計算概念的分析以及對通用機的發現促使了計算機的產生。1950年，圖靈又發表了他的經典論文《計算機與智能》，提出了著名的圖靈測試來測試計算機是否具有智能。這種用於判定機器是否具有智能的試驗方法，即圖靈試驗，至今每年都有試驗比賽。現在，人們設立的「圖靈獎」已經成為計算機科學領域的最高榮譽。(注1：1954年6月7日，圖靈不滿當局因同性戀而禁科研，無法忍受被孤立，而咬了一個浸過氰化物的蘋果，結束了自己的生命。一代天才命殞世俗。)
現代計算機時代(Modern Computing-Machine Era)始於圖靈機的概念(conception of the TuringMachine)。而三位貝爾實驗室(BellLabs)科學家發明電晶體(transistor)，使得現代計算成為可能，並獲得1956年諾貝爾物理學獎。1945年，格蕾絲·穆雷·霍珀(Grace Murray Hopper)提出並實現世界首個電子計算機編譯器，將計算機從紙帶輸入和數值計算範圍解放出來；馮·諾依曼(John von Neumann)在共同討論基礎上起草「存儲程序通用電子計算機方案」EDVAC(ElectronicDiscrete Variable Automatic Computer)採用存儲程序以及二進位編碼等確定的計算機結構，至今仍為電子計算機設計者所遵循。1946年電子計算機ENIC的發明，開啟現代電子計算機新紀元，極大促進了科學技術的進步。之後幾十年，政府和軍方獨有計算技術；再後來學術機構的史蒂夫·沃茲尼亞克(Steve Wozniak)為蘋果I型計算機(Apple-I)設計了電路板，使家用計算變得可行。
二、機械計算機改為繼電計算機
在計算機前傳AB部分中，我們介紹了手工的計算機器和機械式計算機器。機械式繼電器通過通斷來表示0和1，由機械式繼電器設計的機械式繼電器計算機受制於機電水平而非常笨重。
德國的朱賽最先採用電氣元件製造計算機。他在1941年製成的全自動繼電器計算機Z-3，已具備浮點記數、二進位運算、數字存儲地址的指令形式等現代計算機的特徵。在美國，1940～1947年期間也相繼製成了繼電器計算機MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等。不過，繼電器的開關速度大約為百分之一秒，使計算機的運算速度受到很大限制。
詳情可以參考《機械式的繼電器計算機》、《穿越計算機的迷霧》、《圖解繼電器與可編程控制器》等專業書籍。Don't Repeat Yourself !(注2：資料來自百度等[3])
三、統計用穿孔卡和計算機紙帶
穿孔卡是最早期輸入信息的計算機器上的設備，通常可以儲存80列數據。穿孔卡(外文名punched card;tabulating card pre-punched reader card; punch-card; aperture card)是一種很薄的紙片，面積為190×84毫米。首次使用穿孔卡技術的數據處理機器，是美國統計專家赫曼·霍列瑞斯(H.Hollerith)博士的偉大發明。
圖4：穿孔卡圖冊
穿孔紙帶是早期電子計算機的輸入和輸出設備，它將程序和數據轉換二進位數碼：帶孔為1，無孔為0，經過光電掃描輸入電腦。作為計算機周邊設備而言，較更早期的穿孔卡有很大進步。作用：加快工作速度，提升工作效率，性質：早期向計算機中輸入信息的載體，原理：數控裝置。1951年起，被更先進的磁帶(作為計算機存儲設備)所替代。行業應用中也用作數控設備固定指令輸入載體。
圖5：穿孔紙帶圖冊
3.1 統計的現實需求
公元1880年，美利堅合眾國舉行了一次全國性人口普查，為當時5000餘萬的美國人口登記造冊。當時美國經濟正處於迅速發展的階段，人口流動十分頻繁；再加上普查的項目繁多，統計手段落後，從當年元月開始的這次普查，花了7年半的時間才把數據處理完畢。也就是說，直到快進行第二次人口普查時，美國政府才能得知第一次人口普查期間全國人口的狀況。
人口普查需要大量處理的是數據，如年齡、性別等用調查表採集的項目，還要統計出每個社區有多少兒童和老人，有多少男性公民和女性公民等等。這些數據是否能由機器自動進行統計？採礦工程師霍列瑞斯想到了採用紡織工程師傑卡德80年前發明的提花機穿孔紙帶來解決這一問題。
3.2 穿孔紙帶的雛形
傑卡德提花機用穿孔紙帶上的小孔，主要用來控制提花操作的步驟，即編寫程序，霍列瑞斯則進一步設想要用它來儲存和統計數據，發明一種自動制表的機器。兩年後，霍列瑞斯博士離開了人口局，到專利事務所工作過一段時間，也曾任教於麻省理工學院，一邊工作，一邊致力於自動制表機研製。霍列瑞斯首先把穿孔紙帶改造成穿孔卡片，以適應人口數據採集的需要。由於每個人的調查數據有若干不同的項目，如性別、籍貫、年齡等等。霍列瑞斯把每個人所有的調查項目依次排列於一張卡片，然後根據調查結果在相應項目的位置上打孔。例如，穿孔卡片「性別」欄目下，有「男」和「女」兩個選項；「年齡」欄目有「0歲」到「70歲以上」等系列選項。統計員可以根據每個調查對象的具體情況，分別在穿孔卡片各欄目相應位置打出小孔。每張卡片都代表著一位公民的個人檔案。
霍列瑞斯博士巧妙的設計在於自動統計。他在機器上安裝了一組盛滿水銀的小杯，穿好孔的卡片就放置在這些水銀杯上。卡片上方有幾排精心調好的探針，探針連接在電路的一端，水銀杯則連接於電路的另一端。與傑卡德提花機穿孔紙帶的原理類似：只要某根探針撞到卡片上有孔的位置，便會自動跌落下去，與水銀接觸接通電流，啟動計數裝置前進一個刻度。由此可見，霍列瑞斯穿孔卡表達的也是二進位信息：有孔處能接通電路計數，代表該調查項目為「有」(「1」)，無孔處不能接通電路計數，表示該調查項目為「無」(「0」)。
3.3 穿孔卡紙帶的意義
直到1888年，霍列瑞斯博士才實際完成自動制表機設計並申報了專利。他發明的這種機電式計數裝置，比傳統純機械裝置更加靈敏，因而被1890年後歷次美國人口普查選用，獲得了巨大成功。例如，1900年進行的人口普查全部採用霍列瑞斯制表機，平均每臺機器可代替500人工作，全國的數據統計僅用了1年多時間。雖然霍列瑞斯發明的並非通用計算機，除了能統計數據表格外，幾乎不能用作它途，然而，制表機穿孔卡第一次把數據轉變成二進位信息。在以後的計算機系統裡，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。
依託自己發明的制表機，霍列瑞斯博士創辦了一家專業制表機公司，但不久就因資金周轉不靈而陷入困境，被CTR公司兼併。1924年，CTR公司更名為「國際商業機器公司」，英文縮寫「IBM」，專門生產打孔機、制表機一類產品。
傑卡德和霍列瑞斯分別用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。(注3：資料來自百度百科。詞條統計：瀏覽36153次，編輯13次歷史版本，2017-10-23最近更新：JD螢火蟲小驕傲。[4])
3.4 統計原理及國際標準
3.4.1 統計原理
向計數的計算機器中輸入信息的穿孔紙帶，利用打孔技術在紙帶上打上一系列有規律的孔點，以適應機器讀取和操作，加快統計工作速度並提升效率。後來用在早期電子計算機的輸入系統，稱為指令帶，也用於數控裝置作為控制介質。穿孔紙帶上必須用規定的代碼，以規定的格式排列，並代表規定的信息。
數控裝置讀入這些信息後，對它進行處理,用來指揮數控工具機完成一定的機械運動。目前，數控工具機多採用八單位穿孔紙帶，穿孔紙帶的每行可穿九個孔，其中一個小孔稱為「中導孔"或"同步孔",用來產生讀帶的同步控制信號。其餘八個孔稱為"信息孔"，用來記錄數字、字母或符號等信息。
3.4.2 數控代碼
代碼是數控系統傳遞信息的語言，程序單中給出的字母，數字或符號都按規定穿出孔來(即信息孔)。有孔表示二進位的"1"，無孔表示二進位的"o"。根據穿孔紙帶上一排孔有，無狀態的不同，便可以得到不同的信息，我們把這一排孔稱為代碼或字符。
目前，數控系統中常用的代碼有ISO代碼和EIA代碼。ISO代碼是由7位二進位數和一位偶校驗位組成，它的特點是穿孔紙帶上每一排孔的孔數必須為偶數，故也稱ISO代碼為偶數碼。
代碼孔有一定的規律性。如所有數字需在第五列和第六列上穿孔，字母需在第七列穿孔，第八列為偶校驗位，當某個代碼的孔數為奇數時，就在該代碼行的第八列穿一個孔，使孔的總數為偶數，如果某個代碼的孔數已為偶數，則第八列不在補孔。
3.4.3 國際標準
紙帶前沿至同步孔中心距離為:9.96(±0.1mm)
同步孔孔徑為:φ1.17 (-0.025)~(+0.05)m
信號孔孔徑為1.83(±0.05mm)
各信號孔與同步孔間距為2.54(±0.05mm)
(注4：資料來自百度百科。詞條統計：瀏覽32349次，編輯9次歷史版本，2017-05-24更新：我執199612。[5])
四、穿孔紙帶到現代電子計算機
從傑卡德提花機用穿孔紙、霍列瑞斯穿孔卡，到早期電子計算機穿孔紙帶，為了解決計數問題而發明的這種計算方式，逐步擴展到現代電子計算機及其以後的眾多領域。此後，圖靈慧眼獨具從中獲得超人靈感，並運用其高級的數學能力，完成了可計算性的理論創新，使得紙帶變成一種通用符號，並證明了其發明的圖靈機器的可計算性和邏輯完備性，引領人類文明邁上新臺階。
4.1 穿孔紙帶到現代電子計算機
計算機剛被發明出來的時候相當笨重，一切數據和操作指令都是通過穿孔紙帶輸入的。穿孔紙帶利用一排孔表示一個字符，用穿孔或不穿孔表示1和0，來將指令和數據導入內存。
圖8：像房子一樣大的計算機
雖然大家可能都沒見過穿孔紙帶這玩意，但絲毫不能掩蓋紙帶的輸入速度很慢很慢的事實，即使是一個簡單的程序，所需要的紙也是一箱一箱的。
圖9：穿孔紙
4.2 鍵盤滑鼠觸屏交互時代
4.2.1 鍵盤交互時代
後來，因為打字機的靈感，鍵盤終於被發明了，相比穿孔紙帶輸入，鍵盤的輸入速度有了很大的提升，直到今天，鍵盤仍然是人機互動當中效率非常高的輸入設備。
在鍵盤交互時代，命令行界面(CLI)開始出現，用戶通過輸入特定的命令，機器讀取命令後執行算法，返回結果呈現在界面上。直至今日，Windows系統中依然保留DOS命令行功能，程式設計師寫代碼的界面採用的便是這種交互形式。
4.2.2 滑鼠交互時代
再之後，蘋果推出了圖形用戶界面(GUI)的作業系統，同時把滑鼠這種輸入工具也發揚光大了，在圖形用戶界面上，滑鼠是一種比鍵盤更高效的工具，直到今天仍然是高頻的輸入設備。
4.2.3 觸控螢幕時代
再然後，又是蘋果，把觸控螢幕這種交互方式在智能設備上發揚光大，所見即所得的輸入更符合人性的直覺，乃至兒童不經培訓也懂得使用，觸控螢幕迅速風靡全球，成為行動裝置上非常重要的交互方式。
4.2.4 語音輸入時代
隨著人工智慧中的深度學習算法逐漸變得成熟，語音輸入法終於把識別率達到日常可用的程度，於是人們又多了一種輸入方式：麥克風。只要說話就可以實現與設備的交互，機器能理解人說的話並轉變成執行操作。
圖13：亞馬遜AI音箱
(注5：資料來自百度百科、IAMUE等[6])
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參考文獻(3948字)
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x.秦隴紀．數據簡化社區Python官網Web框架概述；數據簡化社區2018年全球資料庫總結及18種主流資料庫介紹；數據科學與大數據技術專業概論；人工智慧研究現狀及教育應用；信息社會的數據資源概論；純文本數據溯源與簡化之神經網絡訓練；大數據簡化之技術體系．[EB/OL]，數據簡化DataSimp(微信公眾號)，http://www.datasimp.org，2017-06-06．
電子計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生(7773字)
(附PDF公號發「計算機傳AB」下載)
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Sciences204電子計算機傳A：固定任務計算機到通用電子計算機的誕生SP20181120TueQinDragon.docx.docx
簡介：計算機傳A簡單介紹固定任務計算機到通用電子計算機的誕生；B部分介紹最早電子計算機1942年美國ABC機、1943年英國巨人、1944年英國Crosas科洛薩斯、1946年美國ENIAC埃尼阿克、1948年英國Baby寶貝等第一代通用型電子計算機介紹。下期CD部分是單任務電晶體到多任務集成電路電子計算機。作者：秦隴紀。來源：維基百科/百度百科/科普中國/現代快報/中國網/騰訊網/簡書/傳統和新媒體網文/數據簡化社區/秦隴紀微信群聊公眾號，參考文獻附引文出處。下載：公號輸入欄發送關鍵字「電子計算機傳A」或文末連結「閱讀原文」可下載本文13k字13圖10頁PDF資料；標題下藍連結「科學Sciences」關注後，菜單項有文章分類頁。版權：科普文章僅供學習研究，公開資料©版權歸原作者，請勿用於商業非法目的。秦隴紀2010數據簡化DataSimp綜合匯譯編，投稿合作、轉載授權/侵權、原文引文錯誤等請聯繫DataSimp@126.com溝通。主編：秦隴紀，數據簡化DataSimp/科學Sciences/知識簡化新媒體創立者，數據簡化社區創始人，數據簡化/知識簡化概念和理論提出者，數據簡化OS設計師/架構師，ASM/Cs/Java/Python/Prolog程式設計師，前英語/設計/IT教師。每天大量中英文閱讀/設計開發調試/文章匯譯編簡化，時間精力人力有限，歡迎支持加入社區。社區：「數據簡化DataSimp、科學Sciences、知識簡化」新媒體聚集專業領域一線研究員；研究技術時也傳播知識、專業視角解釋和普及科學現象和原理，展現自然社會生活之科學面。PhDS01秦隴紀發起，期待您參與各領域；歡迎分享、讚賞、支持科普~~
Appx(1266字).數據簡化DataSimp社區簡介
信息社會之數據、信息、知識、理論持續累積，遠超個人認知學習的時間、精力和能力。必須行動起來，解決這個問題。應對大數據時代的數據爆炸、信息爆炸、知識爆炸，解決之道重在數據簡化(DataSimplification)：通過去重、去偽、梳理、合併等方法，簡化減少知識、媒體、社交數據，使信息、數據、知識越來越簡單，符合人與設備的負荷。(秦隴紀，2010) Data Simplification/Sciences/Knowledge SimplificationPublic Accounts——DataSimp@163.com, 2019.3.3Sun, Xi'an, Shaanxi, China.
LIFE
Life begins at the end of your comfortzone. —— Neale Donald Walsch
THE DAY
The strength of purpose and the clarity ofyour vision，alongwith the tenacity to pursue it，is your underlying driver of success. ——Ragy Tomas
數據簡化DataSimp社區年度會議(DS2010-2019)，聚焦數據簡化技術(DataSimplification Techniques)：通過去重、去偽、梳理、合併等方法，對各類數據從採集、處理、存儲、閱讀、分析、邏輯、形式等方面做簡化，應用於語文媒體、知識工程、信息及數據系統、各類資料庫、物理空間表徵、生物醫學數據、自然語言處理、人工智慧等領域。歡迎簡化實例相關的數據科學技術論文投稿、加入數據簡化社區，參加會議、出版專著。
加入數據簡化DataSimp社區成員，應至少有一篇數據智能、編程開發IT文章：①原創數據智能科技論文；②數據智能工程技術開源程序代碼；③翻譯美歐數據智能科技論文；④社區網站發帖人管理員版主志願者義工；⑤完善黑白靜態和三彩色動態社區S圈型LOGO圖標等等，並填寫申請表後投至會員郵箱DataSimp@163.com，詳情訪問社區網站www.datasimp.org。投稿QQ群223518938數據簡化DataSimp社區；技術公眾號「數據簡化DataSimp」留言，或(備註：姓名/單位-職務/學校-專業/手機號)加微信帳號QinlongGEcai，進「數據簡化DataSimp社區」投稿群或「科學Sciences學術文獻」讀者群等群聊。關注如下三個公眾號(搜名稱也行)，關注後底部菜單有文章分類頁連結。
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