机械计算机 :加减法计算机

更新时间:2023-10-19 11:58

机械计算机(英语:mechanical计算机)由杠杆、齿轮等机械部件而非电子部件构成。最常见的例子是加法器和机械计数器,它们使用齿轮的转动来增加显示的输出。更复杂的例子可以进行乘法和除法。1960年代曾出售一个计算平方根的模型。

简介

机械计算机可以是使用平滑机构(如弧形板或计算尺)进行计算的analog,或者使用齿轮的数字计算机。

机械计算机在第二次世界大战期间达到顶峰,它们构成了复杂投弹瞄准器的基础,包括Norden以及类似的船舶计算设备,诸如美国的TorpedoDataComputer和英国的海军部消防队。值得注意的是,早期航天器的机械飞行仪表提供的计算输出为表面位移的指示,而不是数字形式。从尤里·加加林的第一次载人航天到2002年,每个载人的苏联/俄罗斯航天器东方号、Voskhod和联盟号飞船都配有Globus仪器,通过移动微型地球仪显示航天器在地球上方的位移,加之纬度和经度指标。

机械计算机继续在1960年代使用,但很快被1960年代中期出现的使用阴极射线管输出的电子计算器取代。1970年代,随着低廉的手持式电子计算器推出,这一进化达到顶峰。机械计算机在1970年代逐渐消失,到1980年代绝迹。

发展历程

在西欧,由中世纪进入文艺复兴时期的社会大变革,极大地促进了自然科学技术的发展,人们长期被神权压抑的创造力得到了空前的释放。而在这些思想创意的火花中,制造一台能帮助人进行计算的机器则是最耀眼、最夺目的一朵。从那时起,一个又一个科学家为了实现这一伟大的梦想而不懈努力着。但限于当时的科技水平,多数试验性的创造都以失败而告终,这也就昭示了拓荒者的共同命运:往往在倒下去之前见不到自己努力的成果。而后人在享用这些甜美成果的时候,往往能够从中品味出汗水与泪水交织的滋味……

1614年:苏格兰约翰·纳皮尔(1550~1617年)发表了一篇论文,其中提到他发明了一种可以进行四则运算和方根运算的精巧装置。

1623年:WilhelmSchickard(1592~1635年)制作了一个能进行6位数以内加减法运算,并能通过铃声输出答案的"计算钟"。该装置通过转动齿轮来进行操作。

1625年:威廉·奥特雷德(1575~1660年)发明计算尺

1668年:英国人SamuelMorl(1625~1695年)制作了一个非十进制的加法装置,适宜计算钱币。

1671年:德国数学家GottfriedLeibniz设计了一架可以进行乘法运算,最终答案长度可达16位的计算工具。

1822年:英国人查尔斯·巴贝奇(1792~1871年)设计了差分机分析机,其设计理论非常超前,类似于百年后的电子计算机,特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人所采用。

1834年:Babbage设想制造一台通用分析机,在只读存储器(穿孔卡片)中存储程序和数据。Babbage在以后的时间里继续他的研究工作,并于1840年将操作位数提高到了40位,并基本实现了控制中心(CPU)和存储程序的设想,而且程序可以根据条件进行跳转,能在几秒内做出一般的加法,几分钟内做出乘、除法。

1848年:英国数学家乔治·布尔创立二进制代数,提前近一个世纪为现代二进制计算机的发展铺平了道路。

1890年:美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普查效率。赫尔曼·何乐礼(后来他的公司发展成了IBM公司)借鉴Babbage的发明,用穿孔卡片存储数据,并设计了机器。结果仅用6周就得出了准确的人口统计数据(如果用人工方法,大概要花10年时间)。

1896年:HermanHollerith创办了IBM公司的前身。

电子计算机问世 在以机械方式运行的计算器诞生百年之后,随着电子技术的突飞猛进,计算机开始了真正意义上的由机械向电子时代的过渡,电子器件逐渐演变成为计算机的主体,而机械部件则渐渐处于从属位置。二者地位发生转化的时候,计算机也正式开始了由量到质的转变,由此导致电子计算机正式问世。下面就是这一过渡时期的主要事件:

1906年:美国人李·德富雷斯特发明电子管,为电子计算机的发展奠定了基础。

1924年2月:IBM公司成立,从此一个具有划时代意义的公司诞生。

1935年:IBM推出IBM601机。这是一台能在一秒钟内算出乘法的穿孔卡片计算机。这台机器无论在自然科学还是在商业应用上都具有重要的地位,大约制造了1500台。

1937年:英国剑桥大学的AlanM.Turing(1912~1954年)出版了他的论文,并提出了被后人称之为"艾伦·麦席森·图灵机"的数学模型

1937年:Bell试验室的GeorgeStibitz展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品,但却是第一台二进制电子计算机

1940年1月:Bell实验室的SamuelWilliams和Stibitz制造成功了一个能进行复杂运算的计算机。该机器大量使用了继电器,并借鉴了一些电话技术,采用了先进的编码技术。

1941年夏季:Atanasoff和学生Berry完成了能解线性代数方程的计算机,取名叫"ABC"(Atanasoff-BerryComputer),用电容作存储器,用穿孔卡片作辅助存储器,那些孔实际上是"烧"上去的,时钟频率是60Hz,完成一次加法运算用时一秒。

1943年1月:MarkI自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长、5吨重、75万个零部件。该机使用了3304个继电器,60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上,数据可以来自纸带或卡片阅读器。MarkI被用来为美国海军计算弹道火力表。

1943年9月:Williams和Stibitz完成了"RelayInterpolator",后来命名为"ModelⅡRe-

layCalculator"的计算机。这是一台可编程计算机,同样使用纸带输入程序和数据。它运行更可靠,每个数用7个继电器表示,可进行浮点运算。

1946年:ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)诞生,这是第一台真正意义上的数字电子计算机。开始研制于1943年,完成于1946年,负责人是JohnW.Mauchly和J.PresperEckert,重30吨,用了18000个电子管,功率25千瓦,主要用于计算弹道和氢弹的研制。

晶体管计算机

真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴,但因其体积大、能耗高、故障多、价格贵,从而制约了它的普及和应用。直到晶体管被发明出来,电子计算机才找到了腾飞的起点。

1947年:Bell实验室的WilliamB.Shockley、约翰·巴丁和WalterH.Brattain发明了晶体

管,开辟了电子时代新纪元。

1949年:剑桥大学的Wilkes和他的小组制成了一台可以存储程序的计算机,输入输出设备仍是纸带。

1949年:EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer--电子离散变量自动计算机)--第一台使用盒式录音磁带的计算机。这是一个突破,可以多次在磁带上存储程序。这台机器是Johnvo Neumann提议建造的。

1950年:日本东京大学的YoshiroNakamats发明了FD,其销售权由IBM公司获得。由此开创了存储时代的新纪元。

1951年:GraceMurra Hopper完成了高级语言编译器。

1951年:UNIVAC-1--第一台商用计算机系统诞生,设计者是J.PresperEckert和JohnMauchly。

被美国人口普查部门用于人口普查,标志着计算机进入了商业应用时代。

1953年:磁芯存储器被开发出来。

1954年:IBM的JohnBackus和他的研究小组开始开发Fortran(FORmulaTRANslation),1957年完成。这是一种适合科学研究使用的计算机高级语言

1957年:IBM开发成功第一台点阵式打印机

集成电路计算机

尽管晶体管的采用大大缩小了计算机的体积、降低了价格、减少了故障,但离用户的实际要求仍相距甚远,而且各行业对计算机也产生了较大的需求,生产性能更强、重量更轻、价格更低的机器成了当务之急。集成电路的发明解决了这个问题。高集成度不仅使计算机的体积得以减小,也使速度加快、故障减少。从此,人们开始制造革命性的微处理器。

1958年9月12日:在RobertNoyce(英特尔公司创始人)的领导下,集成电路诞生,不久又发明了微处理器。但因为在发明微处理器时借鉴了日本公司的技术,所以日本对其专利不承认,因为日本没有得到应有的利益。过了30年,日本才承认,这样日本公司可以从中得到一部分利润。但到2001年,这个专利就失效了。

1959年:GraceMurrayHopper开始开发COBOL(COmmonBusiness-OrientedLanguage)语言,完成于1961年。

1960年:ALGOL第一个结构化程序设计语言推出。

1961年:IBM的KennthIverson推出APL语言编程语言

1963年:迪吉多推出第一台小型计算机PDP-8。

1964年:IBM发布PL/1编程语言。

1964年:发布IBM360首套系列兼容机

1964年:DEC发布PDB-8小型计算机。

1965年:摩尔定律发表,处理器的晶体管数量每18个月增加一倍,价格下降一半。

1965年:LoftiZadeh创立模糊逻辑,用来处理近似值问题。

1965年:ThomasE.Kurtz和JohnKemeny完成BASIC(Beginner'sAll-purposeSymbolicIn-

structionCode)语言的开发。特别适合计算机教育和初学者使用,得以广泛推广。

1965年:DouglasEnglebart提出鼠标的设想,但没有进一步研究,直到1983年才被苹果公司大量采用。

1965年:第一台超级计算机CD6600开发成功。

1967年:NiklausWirth开始开发PASCAL语言,1971年完成。

1968年:RobertNoyce和他的几个朋友创办了英特尔公司。

1968年:SeymourPaper和他的研究小组在MIT开发了LOGO语言

1969年:ARPANet(AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork)计划开始启动,这是现代Internet的雏形。

1969年4月7日:第一个网络协议标准RFC推出。

1970年:第一块RAM芯片由Intel推出,容量1KB。

1970年:KenThomson和丹尼斯·里奇开始开发unix操作系统。

1970年:Forth开发完成。

1970年:Internet的雏形ARPANet基本完成,开始向非军用部门开放。

1971年11月15日:MarcianE.Hoff在英特尔公司开发成功第一块微处理器4004,含2300个晶体管,字长为4位,时钟频率为108KHz,每秒执行6万条指令。

1972年:1972年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。基于大规模集成电路及后来的超大规模集成电路。这一时期的计算机功能更强,体积更小。此时人们开始怀疑计算机能否继续缩小,特别是发热量问题能否解决。同时,人们开始探讨第五代计算机的开发。

1972年:c语言开发完成。其主要设计者是unix系统的开发者之一DennisRitche。这是一个非常强大的语言,特别受人喜爱。

1972年:Hewlett-Packard发明了第一个手持计算器。

1972年4月1日:英特尔推出8008微处理器。

1972年:ARPANet开始走向世界,Internet革命拉开序幕。

1973年:街机游戏Pong发布,得到广泛欢迎。发明者是NolanBushnell(Atari的创立者)。

1974年:第一个具有并行计算机体系结构的CLIP-4推出。

当代计算机

在此之前,应该说计算机技术还是主要集中于大型机和小型机领域的发展。随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步,计算机进入寻常百姓家的技术障碍逐渐被突破。特别是在英特尔公司发布了其面向个人用户的微处理器8080之后,这一浪潮终于汹涌澎湃起来,同时也催生出了一大批信息时代的弄潮儿,如StephenJobs(史缔芬·乔布斯)、比尔·盖茨(比尔·盖茨)等,至今他们对整个计算机产业的发展还起着举足轻重的作用。在此时段,互联网技术和多媒体技术也得到了空前的应用与发展,计算机真正开始改变我们的生活。

1974年4月1日:Intel发布其8位微处理器芯片8080。

1975年:BillGates和PaulAllen完成了第一个在麻省理工学院(麻省理工学院)的Altair计算机上运行的BASIC程序。

1975年:BillGates和保罗·艾伦创办微软(现已成为全球最大、最成功的软件公司)。3年后就收入50万美元,员工增加到15人。1992年达28亿美元,1万名雇员。1981年Microsoft为IBM的PC机开发操作系统,从此奠定了在计算机软件领域的领导地位。

1976年:StephenWozinak和StephenJobs创办苹果公司计算机公司,并推出其AppleⅠ计算机。

1978年6月8日:英特尔发布其16位微处理器8086。1979年6月又推出准16位的8088来满足市场对低价处理器的需要,并被IBM的第一代PC机所采用。该处理器的时钟频率为4.77MHz、8MHz和10MHz,大约有300条指令,集成了29000个晶体管

1979年:低密FD诞生。

1979年:IBM公司眼看个人计算机市场被苹果公司等电脑公司占有,决定开发自己的个人计算机。为了尽快推出自己的产品,IBM将大量工作交给第三方来完成(其中微软公司就承担了操作系统的开发工作,这同时也为微软后来的崛起奠定了基础),于1981年8月12日推出了IBM PC

1980年:"只要有1兆内存就足够dos尽情表演了",微软公司开发DOS初期时说。今天来听这句话有何感想呢?

1981年:Xerox开始致力于图形用户界面、ICON、菜单和定位设备(如鼠标)的研制。结果研究成果为苹果公司所借鉴,而苹果电脑公司后来又指控微软剽窃了他们的设计,开发了Windows系列软件。

1981年8月12日:MS-DOS1.0和PC-DOS1.0发布。微软受IBM的委托开发DOS操作系统,他

们从Tim Paterson那里购买了一个叫86-DOS的程序并加以改进。由IBM销售的版本叫pcdos,由Microsoft销售的叫MS-DOS。Microsoft与IBM的合作一直到1991年的DOS5.0为止。最初的DOS1.0

非常简陋,每张盘上只有一个根目录,不支持子目录,直到1983年3月的2.0版才有所改观。MS-DOS在1995年以前一直是与IBM PC兼容的操作系统,Windows 95推出并迅速占领市场之后,其最后一个版本命名为DOS7.0。

1982年:基于TCP/IP协议的Internet初具规模。

1982年2月:80286发布,时钟频率提高到20MHz、增加了保护模式、可访问16MB内存、支持1GB以上的虚拟内存、每秒执行270万条指令、集成了13.4万个晶体管

1983年春季:IBMXT机发布,增加了10MBHDD、128KB内存、一个软驱、单色显示器、一台打印机、可以增加一个8087数字协处理器。当时的价格为5000美元。

1983年3月:MS-DOS2.0和PC-DOS2.0增加了类似unix分层目录的管理形式。

1984年:DNS(DomainNameServer)域名服务器发布,互联网上有1000多台主机运行。

1984年底:Compaq开始开发IDE接口,能以更快的速度传输数据,并被许多同行采纳,后来在此基础上开发出了性能更好的EIDE接口。

1985年:飞利浦索尼合作推出CD-ROM驱动器。

1985年10月17日:80386DX推出。时钟频率达到33MHz、可寻址1GB内存、每秒可执行600万条指令、集成了275000个晶体管

1985年11月:Windows发布。该操作系统需要dos的支持,类似苹果公司机的操作界面,以致被苹果控告,该诉讼到1997年8月才终止。

1985年12月:MS-DOS3.2和PC-DOS3.2发布。这是第一个支持3.5英寸磁盘的系统,但只支持到720KB,3.3版才支持1.44MB。

1987年:MicrosoftWindows2.0发布。

1988年:EISA标准建立。

1989年:欧洲物理粒子研究所的蒂姆·李创立WorldWideWeb雏形。通过超文本链接,新手也可以轻松上网浏览。这大大促进了Internet的发展。

1989年3月:EIDE标准确立,可以支持超过528MB的HDD,能达到33.3MB/s的传输速度,并被许多CD-ROM所采用。

1989年4月10日:80486DX发布。该处理器集成了120万个晶体管,其后继型号的时钟频率达到

100MHz。

1989年11月:SoundBlasterCard(声卡)发布。

1990年5月22日:微软发布Windows 3.0,兼容MS-DOS模式。

1990年11月:第一代MPC(多媒体个人电脑标准)发布。该标准要求处理器至少为80286/12MHz(后来增加到80386SX/16MHz)及一个光驱,至少150KB/sec的传输率。

1991年:ISA标准发布。

1991年6月:MS-DOS5.0和PC-DOS5.0发布。为了促进OS/2的发展,比尔·盖茨dos5.0是DOS终结者,今后将不再花精力于此。该版本突破了640KB的基本内存限制。这个版本也标志着微软与IBM在DOS上合作的终结。

1992年:WindowsNT发布,可寻址2GB内存。

1992年4月:Windows 3.1发布。

1993年:Internet开始商业化运行。

1993年:经典游戏毁灭战士发布。

1993年3月22日:Pentium发布,该处理器集成了300多万个晶体管、早期版本的核心频率为60~

66MHz、每秒钟执行1亿条指令。

1993年5月:MPC标准2发布,要求CD-ROM传输率达到300KB/s,在320×240的窗口中每秒播放15帧图像。

1994年3月7日:英特尔发布90~100MHzPentium处理器。

1994年:网景1.0浏览器发布。

1994年:著名的即时战略游戏Command\u0026Conquer(命令与征服:泰伯利亚黎明)发布。

1995年3月27日:Intel发布120MHz的Pentium处理器。

1995年6月1日:Intel发布133MHz的Pentium处理器。

1995年8月23日:纯32位的多任务操作系统Windows 95发布。该操作系统大大不同于以前的版本,完全脱离MS-DOS,但为照顾用户习惯还保留了DOS模式。Windows95取得了巨大成功。

1995年11月1日:PentiumPro发布,主频可达200MHz、每秒可执行4.4亿条指令、集成了550万个晶体管

1995年12月:网景发布其ECMAScript

1996年1月:NetscapeNavigator2.0发布。这是第一个支持javascript的浏览器。

1996年1月4日:英特尔发布150~166MHz的Pentium处理器,集成了310~330万个晶体管。

1996年:Windows95OSR2发布,修正了部分BUG,扩充了部分功能。

1997年:HeftAuto、雷神之锤II和BladeRunner等著名游戏软件发布,并带动3D图形加速卡迅速崛起。

1997年1月8日:Intel发布PentiumMMXCPU,处理器的游戏和多媒体功能得到增强。

1997年4月:IBM的深蓝(DeepBlue)计算机战胜人类国际象棋世界冠军加里·卡斯帕罗夫

1997年5月7日:英特尔发布PentiumⅡ,增加了更多的指令和缓存

1997年6月2日:Intel发布233MHzPentiumMMX。

1998年2月:Intel发布333MHzPentiumⅡ处理器,采用0.25μm工艺制造,在速度提升的同时减少了发热量。

1998年6月25日:Microsoft发布Windows 98,一些人企图肢解微软,微软回击说这会伤害美国的国家利益。

1999年1月25日:LinuxKernel2.2.0发布,人们对其寄予厚望。

1999年2月22日:AMD公司发布K6-3400MHz处理器。

1999年7月:PentiumⅢ发布,最初时钟频率在450MHz以上,总线速度在100MHz以上,采用0.25μm工艺制造,支持SSE多媒体指令集,集成有512KB以上的二级缓存

1999年10月25日:代号为Coppermine(铜矿)的PentiumⅢ处理器发布。采用0.18μm工艺制造的Coppermine芯片内核尺寸进一步缩小,虽然内部集成了256KB全速On-DieL2缓存,内建2800万个晶体管,但其尺寸却只有106平方毫米。

2000年3月:英特尔发布代号为"Coppermine128"的新一代的Celeron处理器。新款Celeron与老Celeron处理器最显著的区别就在于采用了与新PⅢ处理器相同的Coppermine核心及同样的FC-PGA封装方式,同时支持SSE多媒体扩展指令集。

2000年4月27日:AMD宣布正式推出Duron作为其新款廉价处理器的商标,并以此准备在低端向Intel发起更大的冲击,同时,面向高端的ThunderBird也在其后的一个月间发布。

2000年7月:AMD领先英特尔发布了1GHz的Athlon处理器,随后又发布了1.2GMHzAthlon处理器。

2000年7月:Intel发布研发代号为Willamette的Pentium4处理器,引脚为423或478根,其芯

片内部集成了256KB二级缓存,外频为400MHz,采用0.18μm工艺制造,使用SSE2指令集,并整合了散热器,其主频从1.4GHz起步。

2001年5月14日,AMD发布用于笔记本电脑的Athlon4处理器。该处理器采用0.18微米工艺造,前端总线频率为200MHz,有256KB二级缓存和128KB一级缓存。

2001年5月21日,VIA发布C3出处理器。该处理器采用 0.15微米工艺制造(处理器核心仅为2mm2),包括192KB全速缓存(128KB一级缓存、64KB二级缓存),并采用Socket370接口。支持133MHz前端总线频率和3DNow!、mmx多媒体指令集。

2001年8月15日,VIA宣布其兼容DDR和SDRAM内存的P4芯片组P4X266将大量出货。该芯片组的内存带宽达到4GB,是i850的两倍。

2001年8月27日,英特尔发布主频高达2GHz的P4处理器。每千片的批发价为562美元。

例子

• 安提基特拉机械,公元前100年

• Pascaline,1642年–布莱兹·帕斯卡的算术机,主要用作加法器,它可以直接加和减两个数,以及通过重复进行乘法和除法。

• SteppedReckoner,1672年–戈特弗里德·莱布尼茨的机械计算器,可以加、减、乘、除。

• 差分机,1822年–查尔斯·巴贝奇计算多项式的机械装置。

• 分析机,1837年–较晚的查尔斯·巴贝奇设备,可以说封装了现代计算机的大多数元素。

• Ball-and-diskintegrator,1886年-威廉·汤姆森在他的谐波分析仪中使用它通过计算傅里叶级数的系数来测量潮汐高度。

• MarchantCalculator,1918年–最先进的机械计算器。关键设计出自CarlFriden。

• KerrisonPredictor

• Z1,1938年由KonradZuse

• 科塔计算器,1948年

• Moniac,1949年–一个英国经济的模型或模拟用途的模拟计算机

• Voskhod航天器“Globus”IMP导航仪器,1960年代早期

• Digi-CompI,1963年,一个教育性的3位数字计算机

• Dr.NIM,1960年代中期,一个玩尼姆游戏的机械计算机

• Digi-CompII,1960年代中期,滚球数字计算机

• 自动机–在某些情况下,机械设备可以存储数据和执行计算,以及执行其他复杂任务。

机电计算机

早期的电动计算机构造为开关和继电器而非真空管(热电子管)或晶体管(之后的电子计算机以此构造),它们被分类为机电计算机。例子包括:

• Z2,1939年

• Z3,1941年–康拉德·楚泽设计。

• 马克一号,1944年–IBM打造。(“机电计数器”)

• HarvardMarkII,1947年(“电磁继电器”)

• “二进制算术计算器”BARK,1950年

• Simon(computer),1950年

• BellLabsMark6

• HarryPorter的继电器计算机,波特兰州立大学,2005年

参见

• 骨牌计算机

• 台球计算机

• 机械计算器

• 计算器硬件历史

• 计算机科学先驱者列表

艾伦·麦席森·图灵完全性

• 模拟计算机

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