看过《三体》的朋友们,一定还记得那个架空名场面——冯·诺依曼让秦始皇安排三千万个士兵组成的人列计算器。通过士兵举黑白旗显现的信号代替了二进制进行运算。
图片来自《三体》电视剧截图
别紧张!不用你现在就理解与、或、非门的逻辑门电路。我们往大了看看计算机的硬件系统基本结构。
拿一台现代计算器的各个硬件部分来具象,就能很好的做一个对应。
输入设备,譬如鼠标、键盘等;
控制器和运算器,往往合称为中央处理单元,即 CPU(Central Processing Unit)等;
存储器,顾名思义,是我们常说的内存条和硬盘等;
输出设备,显示器、打印机、音响等。
这一套硬件组成系统被称为冯·诺依曼体系,由这位数学家冠名创立。但并非他凭空想象而成,而是总结前人经验所得。因为,在电子计算器普及之前,还经历了手动计算器和机械计算器的时代。冯·诺依曼也沿袭着「路径依赖」这一创造规则,简称踩着巨人的肩膀前行。接下来,咱们就一探究竟。
朋友,请举例一款计算器,要是你脑子里立刻想到的!
我想,大多数人脑中浮现的都会是下图这种长相的电子计算器,带电的,能自动计算。只需要用按键输入数据和运算法则,结果会自动输出到一块电子屏上。常见到不起眼……
图虫创意
如果你凑巧最近还看了点古装剧,脑中应该还会想到噼里啪啦打得精妙的算盘。使用算盘进行计算,全由人手在扒拉算珠操作,计算过程靠的也还是我们人脑在记背的珠算口诀,而算珠排布的变化展示的则是其中的寄存结果。这一类属于手动计算器,可做不到自动计算。
不卖关子了。这篇文章,我们就聊聊介于这两者之间的机械计算器。
机械计算器的现代身影
第一次工业革命的代表是用机器取代人力、畜力,人类进入机器时代。第二次工业革命的代表是电力的大规模应用,我们进入了电力时代。现在我们处在第三次工业革命,各类信息技术和科技创新带来的现代便利中,更直白点,我们处于一种只一眼是看不懂事物原理的时代。
而计算器的发展也跟着上面的时代潮流在发展,经历了三个阶段,从手动计算器到电子计算器,这中间还经历过机械计算器的阶段。只是这个阶段已经被「日新月异」掉了,甚至让人觉得好像从未展现在我们面前?毕竟,四十岁以下的朋友们出生时,周围身边物品全带电了……我说的是电力。
然而,实际上我们所有人的身边,都还有机械计算机残留的熟悉身影。不信就来看看?
后期的机械计算器
我们先来看一款在机械计算器时期比较后期的机器 Divisumma 24,它能以每分钟 250 次循环的速度依次快速加、减、乘、除运算。这台由 Marcello Nizzoli 设计的机器于 1963 年 9 月开始在意大利被 Olivetti 公司大批量生产制造。选它介绍的原因,是这台机械计算器在上个世纪七十年代的市场上足够成功——共生产了约 600 万台,也是该公司在全世界销量最多的机械计算器型号。
正因为是机械计算器时期比较后期的产品,这台机械计算器并非是完全的纯机械设计,需要外接一个下图最右侧的 70 瓦蜗杆电机作为动力源进行驱动。整机内部没有电路板,也没有传感器,没有任何什么高科技到令人看不懂的现代元器件。有的只是齿轮、弹簧、连动杆等共约 3800 个机械零部件在相互配合着完成工作。这也说明,在它闪亮登场的时代,这样的机械工艺水平已然登峰造极。