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本系列文章預(yù)計(jì)會有10個(gè)章節(jié),，這套文獻(xiàn)會系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)科學(xué)本身，這里是第一季第09篇 本文預(yù)計(jì)閱讀8min 好,，這一節(jié)我們進(jìn)入電動機(jī)械時(shí)代,！我們知道，巴貝奇所遭遇的窘境,，在于設(shè)計(jì)要求零件誤差達(dá)到千分級,，而當(dāng)時(shí)的加工能力很難做到,。這一切其實(shí)很大程度上應(yīng)當(dāng)歸因于其使用了十進(jìn)制運(yùn)算，還得達(dá)到高精度,，那就需要齒輪足夠精細(xì),，足夠多。他不懂得對于復(fù)雜的計(jì)算來講,，不是要把機(jī)器做得更復(fù)雜,，而是要用簡單的計(jì)算單元來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算。（俗話說：復(fù)雜的食材往往只需要簡單的烹飪方式）而到了后輩這里,，為了解決計(jì)算問題,，二進(jìn)制自然而然地落入了人們的思維框架當(dāng)中,。所有部件的狀態(tài)不是0就是1,，不是開就是斷，就算是鐵器時(shí)代的工藝,，也能達(dá)到這個(gè)要求,。這時(shí)候就有一個(gè)人比較幸運(yùn)了，他確實(shí)最后設(shè)計(jì)出了二進(jìn)制的機(jī)械計(jì)算機(jī),，而且獲得了商業(yè)的成功,。值得一提的是這個(gè)人并沒有任何頭銜，而且是個(gè)很普通的民間工程師,。他對香農(nóng)的開關(guān)電路,，以及圖靈關(guān)于圖靈機(jī)的理論一無所知，他甚至沒有聽說過巴貝奇這個(gè)名字,。因此要想研制計(jì)算機(jī),，他所面臨的巨大困難可想而知。所幸的是,，他知道布爾的理論,，這讓他沒有重復(fù)巴貝奇失敗的老路，而是想到了用二進(jìn)制來實(shí)現(xiàn)計(jì)算,。遺憾的是,，他不是理論專家，更像一個(gè)工匠,，即使做出了實(shí)物,，卻不能像香農(nóng)那樣提出一整套理論。但這不是重點(diǎn),，對于他來說,，自己的發(fā)明已經(jīng)讓他名垂千史！他就是世界上第一個(gè)發(fā)明可編程機(jī)械式計(jì)算機(jī)的是德國工程師康拉德·楚澤,。我們看看楚澤為什么要去發(fā)明一個(gè)這樣的東西,？1935 年,，楚澤畢業(yè)時(shí)，正趕上德國積極備戰(zhàn),，并大規(guī)模地研發(fā)和生產(chǎn)各種新式武器,。畢業(yè)后，楚澤就在一家飛機(jī)制造廠參與飛機(jī)的設(shè)計(jì),，不過很快他覺得這份工作太過無聊,，為什么呢？因?yàn)榍皫讉€(gè)世紀(jì)出現(xiàn)的問題一再出現(xiàn),，隨著科技水平的發(fā)展,，越來越復(fù)雜的計(jì)算呈現(xiàn)在工程人員面前。他和同事成天都要進(jìn)行大量的繁瑣計(jì)算,，而且當(dāng)時(shí)的工具只有計(jì)算尺,。而計(jì)算尺也是手持的那種機(jī)械手搖式，很多時(shí)候還不如人手計(jì)算呢,。楚澤還發(fā)現(xiàn),，絕大多數(shù)計(jì)算其實(shí)使用的公式都是相同的，只是需要代入不同的數(shù)據(jù)而已,。他認(rèn)為,，這種重復(fù)而枯燥的工作應(yīng)該交給機(jī)器去完成，而不是由人來完成,。自從有了這個(gè)想法后,，楚澤就在父母的公寓里開始設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行計(jì)算的機(jī)器。不久,，他覺得實(shí)在無法兼顧工作和自己的發(fā)明創(chuàng)造,，就干脆辭了職專心研究這個(gè)可計(jì)算的機(jī)器。幸運(yùn)的是,，他沒有走巴貝奇的老路,，他之前看過萊布尼茨的著作，所以對二進(jìn)制的思想很認(rèn)同,。于是,，他用齒輪和其他機(jī)械裝置搭建了一個(gè)二進(jìn)制的浮點(diǎn)運(yùn)算器。這個(gè)能進(jìn)行很多位數(shù)運(yùn)算的大家伙,，其實(shí)是由很多相同的能進(jìn)行一位數(shù)二進(jìn)制計(jì)算的基本單元組合而成的,，這有點(diǎn)兒像用簡單的樂高積木搭出復(fù)雜的房子一樣。為了控制運(yùn)算器工作,，楚澤又用機(jī)械搭建了一個(gè)控制器,。接下來的問題是如何才能將控制指令輸入計(jì)算器。當(dāng)時(shí)既沒有磁存儲器，也沒有存儲卡片或者存儲紙帶,，不過這件事根本就難不倒楚澤,。他首先把控制指令變成二進(jìn)制，然后在 35 毫米的膠片上打孔,，以此來記錄控制指令,。
之后他通過馬達(dá)轉(zhuǎn)動,，將指令輸入那臺運(yùn)算器。楚澤的這種想法后來被發(fā)揚(yáng)光大,，成了早期計(jì)算機(jī)的一種輸人輸出設(shè)備一一紙帶輸人輸出設(shè)備,。當(dāng)時(shí)楚澤設(shè)計(jì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的架構(gòu)用了僅僅1年時(shí)間，而建造這臺計(jì)算機(jī)也只用了2年時(shí)間,。到了1938年,，他制造的第一臺二進(jìn)制機(jī)械計(jì)算機(jī)出爐了，命名為Z1,。這是他人生中的第一臺計(jì)算機(jī),，也是全人類第一個(gè)可編程二進(jìn)制機(jī)械計(jì)算機(jī),，還是全人類第一臺完全靠自費(fèi),、獨(dú)自設(shè)計(jì)制造的，并且可編程,、支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的二進(jìn)制機(jī)械計(jì)算機(jī),。Z1的架構(gòu)（圖片來源于《大話計(jì)算機(jī)》）
結(jié)構(gòu)：有存儲單元、運(yùn)算單元,、控制單元,、輸入和輸出設(shè)備，采用微指令方式,，支持浮點(diǎn)運(yùn)算,；動力：采用電機(jī)帶動傳統(tǒng)裝置來當(dāng)作時(shí)鐘觸發(fā)信號，頻率為1Hz,；程序：紙帶輸入輸出設(shè)備,，具體是采用穿孔電影膠片存儲和輸入，22位寬,，支持乘除法,，采用累加和累減實(shí)現(xiàn)。支持9條指令,，最快1個(gè)周期執(zhí)行一條指令,，最慢的指令則需要20個(gè)周期。電路：邏輯門采用薄鐵片搭建,，楚澤自己用手鋸加工了其中的很大一部分薄鐵片,。重量：Z1包含大約2萬個(gè)部件,，重約1噸；楚澤的Z1計(jì)算機(jī)（圖片來源于《信息論》）看得出其實(shí)在當(dāng)時(shí)做運(yùn)算已經(jīng)很牛了,，但是有個(gè)問題是Z1 經(jīng)常出故障,，原因是機(jī)械的東西，和精度和配合有關(guān),，幾萬個(gè)零件中的每一個(gè)都加工得十分精密,，而且它們在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還會磨損。這肯定會導(dǎo)致各種各樣的問題,。所以這也促使楚澤開始繼續(xù)思考這個(gè)問題,，不過好在當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)廣泛開始使用繼電器控制開關(guān)。雖然楚澤并不是電學(xué)工程師,，但是想到這一點(diǎn)對他來講并不困難,。于是他用繼電器取代機(jī)械部件，把 Z-1 又重新做了一遍,，這就是 Z-2 計(jì)算機(jī),。由于沒有錢，楚澤大量地使用了從廢舊電話上拆下來的舊的繼電器,。就是靠這些舊的元器件,，楚澤居然在 1939 年搭建出來了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)。Z-2 運(yùn)行的可靠性遠(yuǎn)超 Z-1,，而且由于繼電器的機(jī)械延時(shí)要比單純的機(jī)械部件小,，它可以做到每秒鐘進(jìn)行 5 次運(yùn)算，這在當(dāng)時(shí)是非常了不起的計(jì)算速度,。當(dāng)時(shí)這項(xiàng)發(fā)明引起了德國飛機(jī)實(shí)驗(yàn)室的重視,，他成功獲得一筆資助。當(dāng)然在這之后,，楚澤繼續(xù)升級自己的計(jì)算機(jī)從Z2一直到Z22...后來被西門子收購,。03 二進(jìn)制機(jī)械計(jì)算機(jī)的原理（選讀）Z1計(jì)算機(jī)的一角（圖片來源于《大話計(jì)算機(jī)》）楚澤設(shè)計(jì)的薄片專利圖（圖片來源于《大話計(jì)算機(jī)》）如下圖所示，利用4片薄鐵片組成了一個(gè)非門,，中間正方形鐵片位置固定,，其上帶有按照一定方向走向的鏤空槽，上方鐵片可以上下滑動,，作為輸入值,，左邊鐵片可以左右滑動作為輸出值。非的邏輯關(guān)系,，就體現(xiàn)在中間鐵片的鏤空槽的走向上,，輸入值會通過槽的走向來推動鐵片輸出到對應(yīng)的位置。右側(cè)鐵片則為一種Enable信號，或者說觸發(fā)信號,，在觸發(fā)信號為0時(shí),，輸出值歸0，不受輸入值影響,。當(dāng)觸發(fā)信號為1時(shí),，輸出值便會跟隨輸入值的改變而改變。這相當(dāng)于一個(gè)電平型鎖存器了,，只不過是單個(gè)門級別的鎖存,。原理部分今天大家先了解下，有個(gè)概念即可,，后期我們談數(shù)學(xué)電路的時(shí)候會詳細(xì)談這部分,，這也是計(jì)算機(jī)最核心最重要的知識。- 楚澤的故事告訴我們,，你遇到的問題也許是別人都會遇到的,，但不同的是，你有方案有魄力去動手解決這個(gè)問題,。機(jī)會不是等來的,，是真正做出來的；
- 做一件事之前最好先去了解前人鋪的路,，有句話說“不要重復(fù)造輪子”,，輪子是前人做好的東西，直接拿來用即可,。其實(shí)如果楚澤能更早知道圖靈博士的理論,，或許他在發(fā)明計(jì)算機(jī)的道路會走的更快,；
[1].《大話計(jì)算機(jī)》·冬瓜哥——進(jìn)化的開關(guān)[3]. 內(nèi)容圖片來源于《大話計(jì)算機(jī)》
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