巴貝奇——籌劃信息時(shí)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(jìn)信息時(shí)代的新世紀(jì)，電子計(jì)算機(jī)無處不在。從一個(gè)夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，在這條布滿荊棘的長路上灑下無數(shù)人的心血。當(dāng)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(shí)候，留下了寶貴的遺產(chǎn)——幾百張繪有幾萬個(gè)零件的圖紙、30多種不同的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案和一大堆工作筆記。誰也無法磨滅他的卓越貢獻(xiàn)，把他作為計(jì)算機(jī)的發(fā)明人之 —。 　　機(jī)器計(jì)算的設(shè)想 　　巴貝奇在上大學(xué)時(shí)就發(fā)現(xiàn)了航海表中的錯(cuò)誤。最早的航海表是英國在1766年發(fā)表的，盡管造表人費(fèi)了大量心血進(jìn)行了精心計(jì)算，但表中還是有許多錯(cuò)誤，這嚴(yán)重影響了輪船在海上定方位的準(zhǔn)確性。巴貝奇萌生了想用機(jī)器來制作數(shù)表的念頭。 　　18世紀(jì)末法國組織的一項(xiàng)規(guī)模巨大的、復(fù)雜的計(jì)算工作給巴貝奇留下了深刻的印象。由于當(dāng)時(shí)法國引進(jìn)了米制，法國政府決定在數(shù)學(xué)中采用十進(jìn)位制。法國政府甚至把十進(jìn)位制引入到對(duì)圓周、角度的度量上，這樣一來，就必須重新計(jì)算大量的數(shù)表，首先是三角函數(shù)表和對(duì)數(shù)表。令人驚訝的是，這項(xiàng)浩繁的計(jì)算工作在較短的時(shí)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(yīng)用上的需求。 　　巴貝奇對(duì)這項(xiàng)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(xué)家提出數(shù)學(xué)解析公式；第二步由熟悉數(shù)學(xué)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(xué)知識(shí)的人按公式指定的順序只做加減法的運(yùn)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(cuò)誤最少，盡管他們并不具備高深的數(shù)學(xué)知識(shí)，因?yàn)樗麄兊墓ぷ魍耆菣C(jī)械式的，只需熟練地進(jìn)行加減就可以了。巴貝奇認(rèn)為這部分人的工作完全可以由機(jī)器來代替，機(jī)器可以做得更快、更準(zhǔn)確。 　　巴貝奇是一位勇于把設(shè)想付諸實(shí)踐的實(shí)干家。自從萌生了用機(jī)器來作運(yùn)算的想法后，就把主要精力轉(zhuǎn)向研制計(jì)算機(jī)了。 　　試制差分機(jī)的艱難歷程 　　巴貝奇首先設(shè)計(jì)出了差分機(jī)，差分機(jī)的基本原理是使相應(yīng)階（與多項(xiàng)式方次有關(guān)）的多項(xiàng)式有限差分等于零。差分機(jī)可以用于計(jì)算數(shù)的立方、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)和其他許多表格。巴貝奇甚至認(rèn)為，差分機(jī)可以用來計(jì)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(jī)的工作。設(shè)計(jì)和制造機(jī)械式計(jì)算機(jī)在當(dāng)時(shí)是非常復(fù)雜的事情。巴貝奇不但自己要制造單個(gè)部件，而且還要造一些機(jī)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(gè)寄存器的小差分機(jī)。每個(gè)寄存器有6個(gè)部分，每個(gè)部分有一個(gè)字輪。沿著這些字輪的圓周對(duì)應(yīng)每個(gè)齒帶，寫上從0到9的數(shù)字，在底下的輪標(biāo)明為個(gè)位，上一個(gè)是十位，以此類推。用這臺(tái)機(jī)器可以計(jì)算5位數(shù)字，巴貝奇用這臺(tái)機(jī)器計(jì)算了平方表和其他一些表格。 　　巴貝奇在制成第一臺(tái)差分機(jī)之后，又開始了更大規(guī)模的差分機(jī)的研制工作。他說服了英國皇家學(xué)會(huì)，得到了政府的財(cái)政資助。新的機(jī)器主要能用以計(jì)算天文學(xué)和導(dǎo)航方面的數(shù)表，應(yīng)當(dāng)能處理20位數(shù)和6級(jí)差分，因此應(yīng)當(dāng)有7個(gè)20位的寄存器，而且要有印刷設(shè)備。制造時(shí)間計(jì)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(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作，在制造過程中他不斷地加以改進(jìn)。例如，他幾次重新設(shè)計(jì)了機(jī)器的某些部件，使得乘法進(jìn)位的時(shí)間比第一臺(tái)差分機(jī)縮短了4／5。然而進(jìn)一步的工作遇到了很大的麻煩，主要是受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，機(jī)械加工難以達(dá)到差分機(jī)要求的高精密程度。轉(zhuǎn)眼10年過去了，機(jī)器還沒有制成。為制造這臺(tái)機(jī)器，政府已經(jīng)投資了1.7萬英鎊，巴貝奇本人也花費(fèi)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(shí)上只有巴貝奇一個(gè)人還癡心于那臺(tái)未完工的差分機(jī)。 　　巴貝奇孤軍奮戰(zhàn)，終于在1833年制成了機(jī)器的一小部分。開機(jī)計(jì)算后，其工作的準(zhǔn)確性達(dá)到了計(jì)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(jì)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(jì)算程序、能完成操作要求的差分機(jī)就這樣中途夭折了，他含辛茹苦孕育的這個(gè)“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(xué)院博物院里，還能見到巴貝奇的設(shè)計(jì)圖紙和未完成的差分機(jī)；而在劍橋，我們則能見到利用差分機(jī)的一部分制成的表演模型。 　　關(guān)于解析機(jī)的天才構(gòu)思 　　巴貝奇在研制差分機(jī)的工作中，看到了制造一種新的、在性能上大大超過差分機(jī)的計(jì)算機(jī)的可能性。他把這個(gè)未來的機(jī)器稱為解析機(jī)。 　　1834年9月，巴貝奇畫出了解析機(jī)的第一張?jiān)O(shè)計(jì)圖。他在第二年寫給布魯塞爾科學(xué)院的信里，談到了解析機(jī)的能力。也說：“我本人都為這臺(tái)機(jī)器的威力吃驚，一年前我還不相信能有這樣的結(jié)果。這臺(tái)機(jī)器可以處理100個(gè)變量，每個(gè)數(shù)可以有25位數(shù)字。假定有一個(gè)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(tái)機(jī)器可以決定這一函數(shù)的數(shù)值。……借助于這臺(tái)機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)工作。他深入地研究了它的理論基礎(chǔ)，并且設(shè)計(jì)了它的主要組成部分。巴貝奇認(rèn)為他的解析機(jī)每分鐘可作60次加減法，每分鐘能完成兩個(gè)50位數(shù)乘法。解析機(jī)由3個(gè)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(duì)從堆棧中取出的數(shù)進(jìn)行各種運(yùn)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(jì)劃寄存器由齒輪組成，由于機(jī)器的效率在很大程度上取決于保存在存儲(chǔ)器中的信息容量，所以寄存器的容量應(yīng)盡可能大。巴貝奇設(shè)計(jì)的寄存器有100列，每列50個(gè)數(shù)字輪，也即有100個(gè)數(shù)，每個(gè)數(shù)長度為50個(gè)十進(jìn)位，這相當(dāng)于1．5萬個(gè)二進(jìn)位數(shù)。此外，機(jī)器應(yīng)當(dāng)包括對(duì)數(shù)表和其他表格。對(duì)于運(yùn)算器，巴貝奇為加速運(yùn)算采用了專門的預(yù)先進(jìn)位結(jié)構(gòu)。這是解析機(jī)中最重要的部分之一，巴貝奇曾提出過30多種設(shè)計(jì)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(jī)械工人、發(fā)明家雅克爾為織布機(jī)織出復(fù)雜花紋的布匹而使用了各種形式的卡片，靠著一個(gè)接著一個(gè)的大量卡片，可以織出復(fù)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(shí)，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(jī)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(jī)，自己花錢請(qǐng)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(xué)數(shù)學(xué)教授的職務(wù)，這使他財(cái)力日趨減少。在經(jīng)濟(jì)拮據(jù)的窘境中，他堅(jiān)持不懈地工作著，完成了2000多張?jiān)敿?xì)的1:1的機(jī)器及單個(gè)部件的圖紙，圖紙上繪制有5萬余個(gè)零件，對(duì)于機(jī)器的個(gè)別部分都寫有數(shù)百條的意見。 　　巴貝奇竭力謀求社會(huì)對(duì)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(dú)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(xué)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(duì)統(tǒng)一意大利起了重要作用，1867年當(dāng)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(jì)算機(jī)程序的專著。然而，他們最終也未能造出一臺(tái)可供實(shí)用的解析機(jī)來。 　　超越時(shí)代的偉人 　　盡管成功總是在巴貝奇的身邊擦肩而過，但在計(jì)算機(jī)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(shí)代的其他人，他是第一位將計(jì)算機(jī)的存貯功能與運(yùn)算功能從機(jī)構(gòu)上分隔開來的人，他的設(shè)計(jì)思想為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。眾所周知，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的中心結(jié)構(gòu)部分恰好包括了巴貝奇提出的解析機(jī)的3個(gè)部分，可以這樣說，巴貝奇的解析機(jī)是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的雛型。 　　巴貝奇的兒子這樣評(píng)價(jià)他父親未竟的事業(yè)：“我完全相信，總有這樣一天，類似的機(jī)器將會(huì)制成，而且不僅在純數(shù)學(xué)領(lǐng)域中，還將在其他知識(shí)領(lǐng)域中成為強(qiáng)有力的工具。我希望不要太久，這個(gè)時(shí)刻就會(huì)到來，它將有助于對(duì)我父親的工作作出總的評(píng)價(jià)。這項(xiàng)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(yù)言很快就應(yīng)驗(yàn)了。十幾年以后，人們終于研制出實(shí)用的穿孔卡片式程控計(jì)算機(jī)，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(jì)，大約需要IO年時(shí)間才能完成這項(xiàng)浩如煙海的統(tǒng)計(jì)資料分析匯總工作。然而應(yīng)用穿孔卡片計(jì)算機(jī)后，這項(xiàng)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(jì)算機(jī)輸入輸出的附加設(shè)備里，仍然廣泛應(yīng)用著穿孔卡片系統(tǒng)。巴貝奇試圖在解析機(jī)上解決問題所表現(xiàn)出的思想的深刻性，以及其在計(jì)算機(jī)制造設(shè)計(jì)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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