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计算机史话2--继电器计算机  

2017-01-27 13:38:34|  分类: 科技史话 |  标签: |举报 |字号 订阅

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继电器是到现在还在大量使用的一种机电器件,由绕在软铁芯上的线圈及触点簧片等组成,当线圈上有电流通过时会产生磁力,使触点簧片接触从而使开关闭合,并使所在的电路接通。继电器的工作原理是电流的磁效应,1820年代由丹麦人奥斯特(Hans Christian Oersted)发现,一般认为10年内继电器就被发明出来了。
继电器主要是用来做一种可控开关,特别是利用小电流来控制大电流,现在主要用在高压大电流的场合,如电力设备的继电器保护等。其实,继电器本身有两种状态--闭合与断开,可以代表二进制数值,所以就可以进行计算。使用二进制来计算,前提当然是要有一套二进制数的运算规则,并有与其他进制数值之间的转换方法,特别是与常用的十进制数值之间的转换。这些知识现在是学习计算机专业的基础内容之一,但在计算机出现之前,对大多数人来说都是高深的学问。
最早使用继电器制造计算机的是贝尔实验室的乔治·斯蒂比兹(George Stibitz),1937年,他制作出了一个可完成两位数加法的模型,被称为Model-K。其实,Model-K只是一个继电器计算器的演示品,还很简陋。在上级的支持下,1940年初,继电器计算器M-1成功运行,它使用了440个继电器,可以解决当时贝尔实验室做电学研究中面对的大量复数的加减乘除四则运算问题,一次复数乘法需大约30~45秒,但比人工使用机械计算器的15分钟相比已是很大的进步。但重要的是它开创了一个时代,这就是数字计算机时代,使用二进制来运算,而之前的计算机械大都是基于常用的十进制数的。后来,斯蒂比兹还主持了M-2、M-3、M-4、M-5等一系列继电器计算机的研制,在二战中及战后经济恢复中都起了作用。
同时代德国也有一位工程师楚泽(Konrad Zuse),在设计计算机。他是一位毕业于土木工程专业的工程师,为了解决力学分析中的大量数据计算问题,产生了制造机器的想法。不过,他最初的设计Z-1还是一台机械计算机,其实只是一种实验模型,后来陆续完成了Z-2、Z-3等使用继电器的计算机,其中Z-3后来被认为是最早的可编程的计算机。但楚泽制作计算机时已是二战时期,德国以举国之力进行战争,楚泽也参与到一些军事研制项目中。在这种环境下,楚泽的研究和设计都未能为外界所知,在战争结束后其研究成果才被重新认识。
以当时的技术能力和制作水平,要制作一台真正的可做多种运算的计算机其实是一项大工程,不是依靠个人的能力和财力能够完成的,甚至一般的商业公司都难以做到。当然,商业公司恐怕更多是考虑这种投资是否有商业机会,IBM董事长托马斯·沃森(Thomas John Watson)在1943年就曾说过世界大概只需要5台计算机就足够了。虽然如此,IBM也还是投资了一个巨大的工程Mark I。
霍华德·艾肯(Howard Hathaway Aiken)在哈佛大学进行研究时,产生了使用自动计算机对微分方程求解的想法,由人介绍联系上了IBM公司的老板沃森,并于1939年签订了合作协议。二战中,艾肯又成为海军计算项目的负责人,在哈佛进行他的工作。经过多年努力,1944年5月,Mark I完工并投入使用,称为自动循序控制计算器ASCC(Automatic Sequence Controlled Calculator),其名字使用的是Calculator(计算器)。
Mark I是个庞然大物,使用了3千多个继电器,76万多个元件,16米长,重4.5吨,“看上去像一列火车”。这台机器每秒可计算3次加减法,而计算1次乘法需要6秒,计算除法需要15秒多,而进行对数运算则要超过1分钟。不过,这也比人工计算快很多了,而且运行稳定、计算可靠,所以马上就吸引来一个大主顾--军队,主要供海军舰船局用于计算弹道和编制射击表,当然也做了大量民用计算,据说建造的部分投资也来自军方。艾肯在哈佛大学还继续建造后续机型,其中Mark II和Mark III直接搬到了海军基地,Mark IV则主要为空军服务。
Mark I系列计算机虽然是以继电器为核心的,机电装置操作比较慢,这方面并不很先进,但也有先进的方面,一是使用二进制,还有就是可编程,是真正意义上的计算机。Mark系列使用穿孔纸带输入指令,为了用户使用方便,还提供了一些常用子程序。更值得一提的是,为这系列计算机服务,还出现了世界上最早的程序员,维基百科上有Richard Milton Bloch、Robert Campbell和Grace Hopper。其中,霍普(Grace Murray Hopper)比较出名,被认为是世界上最早的女程序员,据说她在一次检查排除机器故障时发现是一只死去的飞蛾(虫,bug)阻碍了电路工作,所以以后程序中的问题及故障都被称为bug(虫),而检查及排除故障就称为debug(除虫)。一直到今天,还在这样使用,包括中国的程序员。
艾肯在哈佛大学主持建造的这系列计算机,技术上也在不断改进,Mark III已使用磁鼓为存储器并使用了一些电子管,而Mark IV则为全电子管设计并使用磁芯作为内存。在这系列计算机基础上,发展出一种计算机体系结构,即哈佛体系结构(Harvard architecture)。
其实,为了战争需要,二战期间还催生一些其他机电装置,特别是密码机及密码破解机。虽然因为战时保密需要及战后冷战时期的氛围,很多研究及成果一直处于保密状态而未被公众知晓,但这些也对促进电子计算机的出现及发展起到一定作用。

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