巴貝奇——籌劃信息時代

摘自： “中國東營”政府門戶網(wǎng) http://www.dongying.gov.cn/Get/shenghuo/younth/keputiandi/3438.htm

跨進信息時代的新世紀，電子計算機無處不在。從一個夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，在這條布滿荊棘的長路上灑下無數(shù)人的心血。當1871年年逾古稀的巴貝奇帶著自己畢生為之努力奮斗卻未竟的事業(yè)離開人世的時候，留下了寶貴的遺產(chǎn)——幾百張繪有幾萬個零件的圖紙、30多種不同的計算機設(shè)計方案和一大堆工作筆記。誰也無法磨滅他的卓越貢獻，把他作為計算機的發(fā)明人之 —。 　　機器計算的設(shè)想 　　巴貝奇在上大學時就發(fā)現(xiàn)了航海表中的錯誤。最早的航海表是英國在1766年發(fā)表的，盡管造表人費了大量心血進行了精心計算，但表中還是有許多錯誤，這嚴重影響了輪船在海上定方位的準確性。巴貝奇萌生了想用機器來制作數(shù)表的念頭。 　　18世紀末法國組織的一項規(guī)模巨大的、復雜的計算工作給巴貝奇留下了深刻的印象。由于當時法國引進了米制，法國政府決定在數(shù)學中采用十進位制。法國政府甚至把十進位制引入到對圓周、角度的度量上，這樣一來，就必須重新計算大量的數(shù)表，首先是三角函數(shù)表和對數(shù)表。令人驚訝的是，這項浩繁的計算工作在較短的時間內(nèi)完成了，數(shù)表共有大開手抄本30余卷，能基本上滿足應用上的需求。 　　巴貝奇對這項工作的開展過程頗感興趣，他了解到全部工作是分三步完成的：第一步由數(shù)學家提出數(shù)學解析公式；第二步由熟悉數(shù)學的人把公式轉(zhuǎn)換成便于處理數(shù)據(jù)的形式；第三步由稍具數(shù)學知識的人按公式指定的順序只做加減法的運算，得出最終結(jié)果。巴貝奇注意到，完成第三步工作的人所犯的錯誤最少，盡管他們并不具備高深的數(shù)學知識，因為他們的工作完全是機械式的，只需熟練地進行加減就可以了。巴貝奇認為這部分人的工作完全可以由機器來代替，機器可以做得更快、更準確。 　　巴貝奇是一位勇于把設(shè)想付諸實踐的實干家。自從萌生了用機器來作運算的想法后，就把主要精力轉(zhuǎn)向研制計算機了。 　　試制差分機的艱難歷程 　　巴貝奇首先設(shè)計出了差分機，差分機的基本原理是使相應階（與多項式方次有關(guān)）的多項式有限差分等于零。差分機可以用于計算數(shù)的立方、對數(shù)、三角函數(shù)和其他許多表格。巴貝奇甚至認為，差分機可以用來計算不知道解析規(guī)律的表以及某些沒有常數(shù)差分的數(shù)列。 　　1812年巴貝奇就開始了制造差分機的工作。設(shè)計和制造機械式計算機在當時是非常復雜的事情。巴貝奇不但自己要制造單個部件，而且還要造一些機器來生產(chǎn)這些部件。盡管有著種種困難，巴貝奇在1822年還是制成了帶有3個寄存器的小差分機。每個寄存器有6個部分，每個部分有一個字輪。沿著這些字輪的圓周對應每個齒帶，寫上從0到9的數(shù)字，在底下的輪標明為個位，上一個是十位，以此類推。用這臺機器可以計算5位數(shù)字，巴貝奇用這臺機器計算了平方表和其他一些表格。 　　巴貝奇在制成第一臺差分機之后，又開始了更大規(guī)模的差分機的研制工作。他說服了英國皇家學會，得到了政府的財政資助。新的機器主要能用以計算天文學和導航方面的數(shù)表，應當能處理20位數(shù)和6級差分，因此應當有7個20位的寄存器，而且要有印刷設(shè)備。制造時間計劃為3年，成本為3000英鎊到5000英鎊。 　　在巴貝奇的周圍很快聚集了一批有才能的工程師。巴貝奇負責設(shè)計工作，在制造過程中他不斷地加以改進。例如，他幾次重新設(shè)計了機器的某些部件，使得乘法進位的時間比第一臺差分機縮短了4／5。然而進一步的工作遇到了很大的麻煩，主要是受當時技術(shù)水平的限制，機械加工難以達到差分機要求的高精密程度。轉(zhuǎn)眼10年過去了，機器還沒有制成。為制造這臺機器，政府已經(jīng)投資了1.7萬英鎊，巴貝奇本人也花費了1.3萬英鎊。巴貝奇周圍的人慢慢變得悲觀失望，幾乎所有的人都不再關(guān)心他的工作。到了1832年，事實上只有巴貝奇一個人還癡心于那臺未完工的差分機。 　　巴貝奇孤軍奮戰(zhàn)，終于在1833年制成了機器的一小部分。開機計算后，其工作的準確性達到了計劃的要求。這使得巴貝奇大為振奮，他重又樹立起信心，期望政府能繼續(xù)給予經(jīng)濟上的支持。然而政府的態(tài)度始終是消極的。到1842年，政府明確表示不可能再給予他資助了。 　　巴貝奇苦心經(jīng)營的能執(zhí)行計算程序、能完成操作要求的差分機就這樣中途夭折了，他含辛茹苦孕育的這個“嬰兒”雖然呱呱落地了，但卻未能長大成人。今天，我們在倫敦皇家學院博物院里，還能見到巴貝奇的設(shè)計圖紙和未完成的差分機；而在劍橋，我們則能見到利用差分機的一部分制成的表演模型。 　　關(guān)于解析機的天才構(gòu)思 　　巴貝奇在研制差分機的工作中，看到了制造一種新的、在性能上大大超過差分機的計算機的可能性。他把這個未來的機器稱為解析機。 　　1834年9月，巴貝奇畫出了解析機的第一張設(shè)計圖。他在第二年寫給布魯塞爾科學院的信里，談到了解析機的能力。也說：“我本人都為這臺機器的威力吃驚，一年前我還不相信能有這樣的結(jié)果。這臺機器可以處理100個變量，每個數(shù)可以有25位數(shù)字。假定有一個函數(shù)f（v1,v2……vn），且n小于 100，f由加、減、乘、除、開方和乘方組成，則這臺機器可以決定這一函數(shù)的數(shù)值。……借助于這臺機器，差不多所有有限差分的公式都能轉(zhuǎn)換成表格。” 　　從1842年到1848年，巴貝奇專心于解析機的設(shè)計工作。他深入地研究了它的理論基礎(chǔ)，并且設(shè)計了它的主要組成部分。巴貝奇認為他的解析機每分鐘可作60次加減法，每分鐘能完成兩個50位數(shù)乘法。解析機由3個主要部分組成：（l）將數(shù)字信息保存在齒輪寄存器中的裝置；（2）可對從堆棧中取出的數(shù)進行各種運算的裝置；（3）控制著操作程序，選擇被處理數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的裝置。 　　巴貝奇計劃寄存器由齒輪組成，由于機器的效率在很大程度上取決于保存在存儲器中的信息容量，所以寄存器的容量應盡可能大。巴貝奇設(shè)計的寄存器有100列，每列50個數(shù)字輪，也即有100個數(shù)，每個數(shù)長度為50個十進位，這相當于1．5萬個二進位數(shù)。此外，機器應當包括對數(shù)表和其他表格。對于運算器，巴貝奇為加速運算采用了專門的預先進位結(jié)構(gòu)。這是解析機中最重要的部分之一，巴貝奇曾提出過30多種設(shè)計方案。在控制器方面，巴貝奇巧妙地采用了穿孔卡片的方法。法國紡織機械工人、發(fā)明家雅克爾為織布機織出復雜花紋的布匹而使用了各種形式的卡片，靠著一個接著一個的大量卡片，可以織出復雜的花紋；但卡片的需要量是巨大的，例如要織成雙頭鷹的旗子需1．4萬張卡片。巴貝奇有一次在巴黎參觀時，看到了雅克爾發(fā)明的用穿孔卡片控制編織提花地毯的機器，閃現(xiàn)了把穿孔卡片移植到控制器上的靈感。 　　巴貝奇竭盡全力研制他的解析機，自己花錢請工程師、繪圖員和工人到他家里來工作。為了集中精力，他毅然辭去了劍橋大學數(shù)學教授的職務，這使他財力日趨減少。在經(jīng)濟拮據(jù)的窘境中，他堅持不懈地工作著，完成了2000多張詳細的1:1的機器及單個部件的圖紙，圖紙上繪制有5萬余個零件，對于機器的個別部分都寫有數(shù)百條的意見。 　　巴貝奇竭力謀求社會對其新發(fā)明的支持，然而支持他的人卻寥寥無幾。最后支持他的，除了他的兒子外，還有兩位頗具傳奇色彩的人物，一位是蜚聲歐洲的英國革命浪漫主義詩人拜倫的獨生女拉甫雷斯伯爵夫人；另一位是意大利富有才能的數(shù)學家閔那布利。他倆1840年在意大利的都靈都聽過巴貝奇的演講，后來兩人都熱忱地撰寫論文介紹過巴貝奇的創(chuàng)新思想。閔那布利以后參加了意大利的解放戰(zhàn)爭，對統(tǒng)一意大利起了重要作用，1867年當選為統(tǒng)一后的意大利總理。由于這兩位顯赫人物的支持，巴貝奇父子的事業(yè)得以茍延殘喘，巴貝奇寫出了世界上第一部關(guān)于計算機程序的專著。然而，他們最終也未能造出一臺可供實用的解析機來。 　　超越時代的偉人 　　盡管成功總是在巴貝奇的身邊擦肩而過，但在計算機的發(fā)展史上，巴貝奇寫下了光輝的一頁。他的奇思遐想和聰明才智超過了與他同時代的其他人，他是第一位將計算機的存貯功能與運算功能從機構(gòu)上分隔開來的人，他的設(shè)計思想為現(xiàn)代電子計算機的結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。眾所周知，現(xiàn)代電子計算機的中心結(jié)構(gòu)部分恰好包括了巴貝奇提出的解析機的3個部分，可以這樣說，巴貝奇的解析機是現(xiàn)代電子計算機的雛型。 　　巴貝奇的兒子這樣評價他父親未竟的事業(yè)：“我完全相信，總有這樣一天，類似的機器將會制成，而且不僅在純數(shù)學領(lǐng)域中，還將在其他知識領(lǐng)域中成為強有力的工具。我希望不要太久，這個時刻就會到來，它將有助于對我父親的工作作出總的評價。這項工作現(xiàn)在即使在有文化的人中間也很少有人知道和理解。” 　　這一預言很快就應驗了。十幾年以后，人們終于研制出實用的穿孔卡片式程控計算機，并于1890年首次用于美國的人口和職業(yè)普查。原先有人估計，大約需要IO年時間才能完成這項浩如煙海的統(tǒng)計資料分析匯總工作。然而應用穿孔卡片計算機后，這項艱巨的工作在一年內(nèi)就宣告完成了。即便在今天，在現(xiàn)代電子計算機輸入輸出的附加設(shè)備里，仍然廣泛應用著穿孔卡片系統(tǒng)。巴貝奇試圖在解析機上解決問題所表現(xiàn)出的思想的深刻性，以及其在計算機制造設(shè)計方面的領(lǐng)先性，令后人驚嘆叫絕！

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總結(jié)

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