#西为中用# 计算机速成课笔记（1）计算机早期历史

 前言

     在这个系列中，我会记录下从Crush Course系列的计算机速成课中学到知识和有趣的解释。在这里，虽然没有视频独有的具象化解释，但在阅读的过程中，你会有足够的时间来思考，不会像看视频那样囫囵吞枣，顾此失彼。不过，如果你的英语水平足够，理解能力也好的话，还是建议你去看看视频课程。但如果耐心有限，就继续看我的文章吧，这个系列的文章就足以让你初步了解计算机啦！在这个系列中，我们会学习 Bits(位)，Bytes(字节)，晶体管, 逻辑门，一直到操作系统，虚拟现实和机器人!这里的一些概念你可能闻所未闻，但我们会一一掰开揉碎讲给你听，所以也不用太担心！虽然我们要了解很多东西，但预先说明，这个系列的文章  不会教你怎么编程，我会打开格局，从更高层次和更底层的细节中讨论一系列计算机话题，为你搭建出一个清晰的计算机体系。

Part 1 计算机在现代的重要地位

       毋庸置疑，计算机是当今世界的命脉。如果突然关掉所有的计算机，WIFI会消失，车辆会相撞，飞机会坠毁，空间站会解体，股市会停止运作，装满货物的卡车不知运往何方，打工人得不到薪水，甚至会影响很多看似和计算机无关的东西，比如你现在坐的椅子，也都是在计算机管理的工厂中制造的。计算机的出现和发展改变了我们生活几乎所有方面。
       我们也不是第一次遇到推动全球发展的科技了，工业革命中生产能力的提高，大幅提升了农业，工业，畜牧业的规模；机械化使得农田有更好的收成，商品可以大批量生产，旅行和通讯变得更便捷实惠，人们的生活质量变得更高。计算机对我们的生活，和工业革命有着相似甚至更深入的影响，从自动化农业和医疗设备，到长途通话和远程教育，还有虚拟现实和无人驾驶等新领域。现在这个时代很可能会被后人总结成 "信息时代"，
       你的手机中有数十亿个晶体管，听起来好像很复杂，但实际上它是很简单的机器，通过一层层的抽象 ，来做出复杂操作，在这个系列中，我也会一层层讲解，将被抽象化的概念用文字描述和图片具体化。即使最后你依然不能理解一些概念中的成分，也不用担心，正如在网上买T恤的人 不用知道网站代码是怎么写的，设计师不用知道数据包是怎么传输的，设计路由器的工程师不用理解晶体管的逻辑，想要初步了解计算机领域的你也不用深入理解，但在这里，希望你能了解计算机在你的人生以及社会中扮演什么角色，以及这个人类史上最伟大的发明（可以这样说啦）是怎么开始的，它对未来还会有怎样的影响。

Part 2 计算的起源

       在了解计算机发明和发展的历史之前，我们应该从计算的起源讲起，虽然电子计算机才出现不久，但人类对计算的需求早就有了。

       公认最早的计算设备是发明于公元前两千多年前的中国的算盘，它是手动计算器，用来帮助加减数字，它存储着当前的计算状态，类似于如今的硬盘。人们之所以制造算盘，是因为，社会的规模已经超出个人心算的能力，一个村庄可能有上千个人和上万头牛，这样的情况光靠人来算就不太方便了。在接下来 4000 年，人类发明了各种巧妙的计算设备，比如星盘，让船只可以在海上计算纬度；或计算尺，帮助计算乘法和除法；人们还创造了上百种时钟，算日出，潮汐，天体的位置，或纯粹拿来计时。
       这些设备让原先很费力的事变得更快，更简单，更精确，降低了门槛，加强了我们的能力。这也是后来计算机的优点。此后，人们又因为各种需求发明了真正意义上的计算机，经历了机械式计算机，机电式计算机，才逐步发展为现在的电子计算机。

Part 3 机械式计算机发展史

        计算机先驱 Charles Babbage 说过："随着知识的增长和新工具的诞生，人力劳动会越来越少"，然而，诸如算盘的那些设备当时都不叫“计算机”，最早使用“计算机”一词的是 1613 年的一本书，作者是Richard Braithwait，然而在这本书中，“计算机”最初指的不是机器，而是一种职业。 他说：“我听说过的计算机里最厉害的，能用一天干三天的活！”在那时, “Computer”指负责计算的人，“Computer”偶尔会用机器帮忙，但大部分时候靠自己，这个职位一直到十九世纪还存在。后来，“Computer”逐渐开始代表机器，其中，“步进计算器”最有名。

       德国科学家莱布尼兹认为，让优秀的人浪费时间算数简直侮辱尊严，于是在1694年，他建造了能代替人力计算的步进计算器。步进计算器有点像时钟，它有一连串可以转动的齿轮，每个齿轮有十个齿，代表数字0到9，每当一个齿轮转过 9，它会转回 0，同时让旁边的齿轮前进 1 个齿，就像时钟的秒针转过一周一样。做减法时，机器会反向运作，利用一些巧妙的机械结构，步进计算器也能做乘法和除法，乘法和除法实际上只是多个加法和减法。举个栗子，17除以5，我们只要减5，减5，再减5，直到不能再减 5，剩下了2，就知道了 17=5x3+2，步进计算器可以自动完成这种操作。步进计算器的“步进”描述的就是这样一步一步推进计算的过程。它是第一台能做加减乘除四种运算的机器，其设计非常成功，被沿用了 3 个世纪。但不幸的是，即使有了机械计算器，许多现实问题依然需要算很多步，得出一个结果可能要几小时甚至几天，效率依然不高；而且这些手工制作的机器非常昂贵，大部分人都买不起。

       所以在 20 世纪以前，大部分人会用预先算好的计算表，这些计算表由之前说的 "人力计算机" 编撰。如果你想知道 867,5309 的平方根，与其花一整天来手摇 "步进计算器"，你可以花一分钟在表里找答案。

       速度和准确性在战场上尤为重要，因此军队很早就开始用计算解决复杂问题，火炮如何精确瞄准是一个很难的问题，在19世纪，炮弹的射程可以达到 1 公里以上，但是因为风力，温度，气压会不断变化，想打中船一样大的物体也非常困难。于是出现了射程表，炮手可以查环境条件和射击距离，然后这张表会告诉他们，角度要设成多少，这些射程表很管用，二战中被广泛应用，问题是如果改了大炮或炮弹的设计，就要算一张新表，这样很耗时而且容易出错。为此，Charles Babbage提出了一种新型机械装置，叫做“差分机”。

        这是一种比起步进计算器更复杂的机器。“差分”是一种将复杂运算简单化的计算方法，利用这种方法可以把方程转化为一些四则运算，差分机就很好地体现了这种方法，它可以用于解方程。方程描述了几个变量之间的关系，比如射程和大气压力，或者蔡徐坤的练习时长和他的篮球技术。也会涉及对数和三角函数这些让人来算相当麻烦的东西。Charles Babbage 在 1823 年开始建造差分机，并在接下来二十年，试图制造和组装 25,000 个零件，总重接近 15 吨。可惜的是，这个项目由于种种原因，最终还是被放弃了。但在 1991 年，历史学家根据 Charles Babbage 的草稿花了很大功夫做出了差分机，而且真的实现了Babbage预想的功能！

       但更重要的是，在差分机的第一次建造期间，Charles Babbage 构想了一台更复杂的机器 ——分析机。不像差分机，步进计算器和以前的其他计算设备，分析机是“通用计算机”，它可以做很多事情，不只是一种特定运算，甚至可以给它数据，然后按顺序执行一系列操作，它还有内存，甚至像是一台很原始的打印机。就像差分机，这台机器太超前了，所以也没有建成，然而，这种 “自动计算机”的概念——计算机可以自动完成一系列操作，是个跨时代的概念，预示着计算机程序的诞生。

       英国数学家 Ada Lovelace 给分析机写了假想的程序，她说：“未来会诞生一门全新的，强大的，专为分析所用的语言”，因此，Ada被认为是世界上第一位程序员。分析机的提出给了第一代计算机科学家不小的启发，这些计算机科学家把很多 Charles Babbage 的点子融入到他们的机器，所以 Charles Babbage 认为是 “通用计算机之父”。

Part 4 计算机在应用上的拓展

       到了 19 世纪末，西方国家在科学和工程领域中的特定任务大部分都用上了计算设备，但公司，政府，家庭中却很少见到。后来，美国的人口普查工作由于效率太低，就找来了知名的发明家Herman Hollerith，发明了打孔卡片制表机。他的机器是 “电动机械的”——用传统机械来计数，用电力驱动运作，结构类似莱布尼兹的差分机，这种机器会用到一种纸质的打孔卡，上面有网格，用打孔来表示数据。举个例子，有一个孔代表婚姻状况，如果你结婚了，就在 “结婚”的位置打孔，当卡插入机器时，小金属针会到卡片上，如果有个地方打孔了，针会穿过孔，泡入一小瓶汞，连通电路，电路会驱动电机，然后给 “已婚”的齿轮 + 1，打孔卡片制表机的速度是手动的 10 倍左右，使人口普查在短短两年半内完成，给人口普查办公室省了上百万美元。

       继政府对计算机的应用后，企业也开始意识到计算机的价值，利用其来减少劳动力，并提升数据密集型任务的效率，以此来提升利润。为了满足各个企业的需求，Hollerith 成立了制表机器公司，这家公司后来在 1924 年与其它机械制造商合并，成立了 “国际商业机器公司”，简称 IBM。
在接下来的几十年里，以IBM为代表的电子机械的 "商业机器" 取得了巨大成功。到了 二十世纪中叶，世界人口的爆炸和全球贸易的兴起，需要更快、更灵活的工具来处理数据，这就为电子计算机的发展奠定了基础。

尾声
       

本篇文章详细地介绍了计算机的由来和早期发展，下一篇我们将讲述计算机进一步发展为电子计算机的历程，如果觉得这篇文章对你了解计算机科学有帮助，不妨点个赞收个藏激励一下作者：）