計(jì)算工具的發(fā)展簡(jiǎn)史

1、計(jì)算工具的發(fā)展簡(jiǎn)史現(xiàn)在我們所說(shuō)的計(jì)算機(jī)，其全稱是通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，“通用”是指計(jì)算機(jī)可服務(wù)于多種用途，“電子”是指計(jì)算機(jī)是一種電子設(shè)備，“數(shù)字”是指在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一切信息均用0和1的編碼來(lái)表示。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是20世紀(jì)最卓越的成就之一，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。自古以來(lái)，人類就在不斷地發(fā)明和改進(jìn)計(jì)算工具，從古老的“結(jié)繩記事”，到算盤、計(jì)算尺、差分機(jī)，直到1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生，計(jì)算工具經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高

2、級(jí)、從手動(dòng)到自動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，而且還在不斷發(fā)展?；仡櫽?jì)算工具的發(fā)展歷史，從中可以得到許多有益的啟示。1.手動(dòng)式計(jì)算工具人類最初用手指進(jìn)行計(jì)算。人有兩只手，十個(gè)手指頭，所以，自然而然地習(xí)慣用手指記數(shù)并采用十進(jìn)制記數(shù)法。用手指進(jìn)行計(jì)算雖然很方便，但計(jì)算范圍有限，計(jì)算結(jié)果也無(wú)法存儲(chǔ)。于是人們用繩子、石子等作為工具來(lái)延長(zhǎng)手指的計(jì)算能力，如中國(guó)古書中記載的“上古結(jié)繩而治”，拉丁文中“Calculus”的本意是用于計(jì)算的小石子。最原始的人造計(jì)算工具是

3、算籌，我國(guó)古代勞動(dòng)人民最先創(chuàng)造和使用了這種簡(jiǎn)單的計(jì)算工具。算籌最早出現(xiàn)在何時(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)法考證，但在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，算籌使用的已經(jīng)非常普遍了。根據(jù)史書的記載，算籌是一根根同樣長(zhǎng)短和粗細(xì)的小棍子，一般長(zhǎng)為13～14cm，徑粗0.2～0.3cm，多用竹子制成，也有用木頭、獸骨、象牙、金屬等材料制成的，如圖1所示。算籌采用十進(jìn)制記數(shù)法，有縱式和橫式兩種擺法，這兩種擺法都可以表示1、2、3、4、5、6、7、8、9九個(gè)數(shù)字，數(shù)字0用空位表示，如圖2

4、所示。算籌的記數(shù)方法為：個(gè)位用縱式，十位用橫式，百位用縱式，千位用橫式，……，這樣從右到左，縱橫相間，就可以表示任意大的自然數(shù)了。圖1算籌圖2算籌的擺法圖3算盤圖4納皮爾算籌計(jì)算工具發(fā)展史上的第一次重大改革是算盤，也是我國(guó)古代勞動(dòng)人民首先創(chuàng)造和使用的。算盤由算籌演變而來(lái)，并且和算籌并存競(jìng)爭(zhēng)了一個(gè)時(shí)期，終于在元代后期取代了算籌。算盤輕巧靈活、攜帶方便，應(yīng)用極為廣泛，先后流傳到日本、朝鮮和東南亞等國(guó)家，后來(lái)又傳入西方。算盤采用十進(jìn)制記數(shù)法并

5、有一整套計(jì)算口訣，例如“三下五除二”、“七上八下”等，這是最早的體系化算法。算盤能夠進(jìn)行基本的算術(shù)運(yùn)算，是公認(rèn)的最早使用的計(jì)算工具。1617年，英國(guó)數(shù)學(xué)家約翰納皮爾（JohnNapier）發(fā)明了Napier乘除器，也稱Napier算籌，如圖4所示。Napier算籌由十根長(zhǎng)條狀的木棍組成，每根木棍的表面雕刻著一位數(shù)字的乘法表，右邊第一根木棍是固定的，其余木棍可以根據(jù)計(jì)算的需要進(jìn)行拼合和調(diào)換位置。Napier算籌可以用加法和一位數(shù)乘法代替多

6、位數(shù)乘法，也可以用除數(shù)為一位數(shù)的除法和減法代替多位數(shù)除法，從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)值計(jì)算過(guò)程。1621年，英國(guó)數(shù)學(xué)家威廉奧特雷德（WilliamOughtred）根據(jù)對(duì)數(shù)原理發(fā)明了圓形計(jì)算尺，也稱對(duì)數(shù)計(jì)算尺。對(duì)數(shù)計(jì)算尺在兩個(gè)圓盤的邊緣標(biāo)注對(duì)數(shù)刻度，然后讓它們相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以基于對(duì)數(shù)原理用加減運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算。17世紀(jì)中期，對(duì)數(shù)計(jì)算尺改進(jìn)為⑴存儲(chǔ)裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數(shù)據(jù)，既能存儲(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)，又能存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果；⑵運(yùn)算裝置：從寄存器取出數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，并且乘法是以累次加法來(lái)實(shí)現(xiàn)，還能根據(jù)運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)改變計(jì)算的進(jìn)程，用現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是條件轉(zhuǎn)移；⑶控制裝置：使用指令自動(dòng)控制操作順序、選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果。巴貝奇的分析機(jī)是可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，實(shí)際上，我們今天使用的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都遵循著巴貝奇的基本設(shè)計(jì)方案。但是巴貝奇先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想超越了當(dāng)時(shí)的客觀現(xiàn)實(shí)，由于當(dāng)時(shí)的機(jī)械加工技術(shù)還達(dá)不到所要求的精度，使得這部以齒輪為元件、以蒸汽為動(dòng)力的分析機(jī)一直到巴貝奇

8、去世也沒(méi)有完成。圖8巴貝奇差分機(jī)3.機(jī)電式計(jì)算機(jī)1886年，美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家赫爾曼霍勒瑞斯（HermanHollerith）借鑒了雅各織布機(jī)的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用機(jī)電技術(shù)取代了純機(jī)械裝置，制造了第一臺(tái)可以自動(dòng)進(jìn)行加減四則運(yùn)算、累計(jì)存檔、制作報(bào)表的制表機(jī)，這臺(tái)制表機(jī)參與了美國(guó)1890年的人口普查工作，使預(yù)計(jì)10年的統(tǒng)計(jì)工作僅用1年零7個(gè)月就完成了，是人類歷史上第一次利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理?；衾杖鹚褂?896年創(chuàng)建了制表

9、機(jī)公司TMC公司，1911年，TMC與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年，CTR公司改名為國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（InternationalBusinessMachinesCpation），這就是赫赫有名的IBM公司。1938年，德國(guó)工程師朱斯（K.Zuse）研制出Z1計(jì)算機(jī)，這是第一臺(tái)采用二進(jìn)制的計(jì)算機(jī)。在接下來(lái)的四年中，朱斯先后研制出采用繼電器的計(jì)算機(jī)Z2、Z3、Z4。Z3是世界上第一臺(tái)真正的通用程序控制計(jì)算機(jī)，不僅全部采用繼

10、電器，同時(shí)采用了浮點(diǎn)記數(shù)法、二進(jìn)制運(yùn)算、帶存儲(chǔ)地址的指令形式等。這些設(shè)計(jì)思想雖然在朱斯之前已經(jīng)提出過(guò)，但朱斯第一次將這些設(shè)計(jì)思想具體實(shí)現(xiàn)。在一次空襲中，朱斯的住宅和包括Z3在內(nèi)的計(jì)算機(jī)統(tǒng)統(tǒng)被炸毀。德國(guó)戰(zhàn)敗后，朱斯流亡到瑞士一個(gè)偏僻的鄉(xiāng)村，轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)軟件理論的研究。圖9制表機(jī)用于美國(guó)人口普查圖10Z系列計(jì)算機(jī)1936年，美國(guó)哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德艾肯（HowardAiken）在讀過(guò)巴貝奇和愛(ài)達(dá)的筆記后，發(fā)現(xiàn)了巴貝奇的設(shè)計(jì)，并被巴貝奇的

11、遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)所震驚。艾肯提出用機(jī)電的方法，而不是純機(jī)械的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)巴貝奇的分析機(jī)。在IBM公司的資助下，1944年研制成功了機(jī)電式計(jì)算機(jī)MarkI。MarkI長(zhǎng)15.5米，高2.4米，由75萬(wàn)個(gè)零部件組成，使用了大量的繼電器作為開(kāi)關(guān)元件，存儲(chǔ)容量為72個(gè)23位十進(jìn)制數(shù)，采用了穿孔紙帶進(jìn)行程序控制。它的計(jì)算速度很慢，執(zhí)行一次加法操作需要0.3秒，并且噪聲很大。盡管它的可靠性不高，仍然在哈佛大學(xué)使用了15年。MarkI只是部分使用了繼電器，19