計算工具的發(fā)展簡史

1、計算工具的發(fā)展簡史現(xiàn)在我們所說的計算機，其全稱是通用電子數(shù)字計算機，“通用”是指計算機可服務(wù)于多種用途，“電子”是指計算機是一種電子設(shè)備，“數(shù)字”是指在計算機內(nèi)部一切信息均用0和1的編碼來表示。計算機的出現(xiàn)是20世紀(jì)最卓越的成就之一，計算機的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。自古以來，人類就在不斷地發(fā)明和改進(jìn)計算工具，從古老的“結(jié)繩記事”，到算盤、計算尺、差分機，直到1946年第一臺電子計算機誕生，計算工具經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從低級到高

2、級、從手動到自動的發(fā)展過程，而且還在不斷發(fā)展。回顧計算工具的發(fā)展歷史，從中可以得到許多有益的啟示。1.手動式計算工具人類最初用手指進(jìn)行計算。人有兩只手，十個手指頭，所以，自然而然地習(xí)慣用手指記數(shù)并采用十進(jìn)制記數(shù)法。用手指進(jìn)行計算雖然很方便，但計算范圍有限，計算結(jié)果也無法存儲。于是人們用繩子、石子等作為工具來延長手指的計算能力，如中國古書中記載的“上古結(jié)繩而治”，拉丁文中“Calculus”的本意是用于計算的小石子。最原始的人造計算工具是

3、算籌，我國古代勞動人民最先創(chuàng)造和使用了這種簡單的計算工具。算籌最早出現(xiàn)在何時，現(xiàn)在已經(jīng)無法考證，但在春秋戰(zhàn)國時期，算籌使用的已經(jīng)非常普遍了。根據(jù)史書的記載，算籌是一根根同樣長短和粗細(xì)的小棍子，一般長為13～14cm，徑粗0.2～0.3cm，多用竹子制成，也有用木頭、獸骨、象牙、金屬等材料制成的，如圖1所示。算籌采用十進(jìn)制記數(shù)法，有縱式和橫式兩種擺法，這兩種擺法都可以表示1、2、3、4、5、6、7、8、9九個數(shù)字，數(shù)字0用空位表示，如圖2

4、所示。算籌的記數(shù)方法為：個位用縱式，十位用橫式，百位用縱式，千位用橫式，……，這樣從右到左，縱橫相間，就可以表示任意大的自然數(shù)了。圖1算籌圖2算籌的擺法圖3算盤圖4納皮爾算籌計算工具發(fā)展史上的第一次重大改革是算盤，也是我國古代勞動人民首先創(chuàng)造和使用的。算盤由算籌演變而來，并且和算籌并存競爭了一個時期，終于在元代后期取代了算籌。算盤輕巧靈活、攜帶方便，應(yīng)用極為廣泛，先后流傳到日本、朝鮮和東南亞等國家，后來又傳入西方。算盤采用十進(jìn)制記數(shù)法并

5、有一整套計算口訣，例如“三下五除二”、“七上八下”等，這是最早的體系化算法。算盤能夠進(jìn)行基本的算術(shù)運算，是公認(rèn)的最早使用的計算工具。1617年，英國數(shù)學(xué)家約翰納皮爾（JohnNapier）發(fā)明了Napier乘除器，也稱Napier算籌，如圖4所示。Napier算籌由十根長條狀的木棍組成，每根木棍的表面雕刻著一位數(shù)字的乘法表，右邊第一根木棍是固定的，其余木棍可以根據(jù)計算的需要進(jìn)行拼合和調(diào)換位置。Napier算籌可以用加法和一位數(shù)乘法代替多

6、位數(shù)乘法，也可以用除數(shù)為一位數(shù)的除法和減法代替多位數(shù)除法，從而大大簡化了數(shù)值計算過程。1621年，英國數(shù)學(xué)家威廉奧特雷德（WilliamOughtred）根據(jù)對數(shù)原理發(fā)明了圓形計算尺，也稱對數(shù)計算尺。對數(shù)計算尺在兩個圓盤的邊緣標(biāo)注對數(shù)刻度，然后讓它們相對轉(zhuǎn)動，就可以基于對數(shù)原理用加減運算來實現(xiàn)乘除運算。17世紀(jì)中期，對數(shù)計算尺改進(jìn)為⑴存儲裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數(shù)據(jù)，既能存儲運算數(shù)據(jù)，又能存儲運算結(jié)果；⑵運算裝置：從寄存器取出數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除運算，并且乘法是以累次加法來實現(xiàn)，還能根據(jù)運算結(jié)果的狀態(tài)改變計算的進(jìn)程，用現(xiàn)代術(shù)語來說，就是條件轉(zhuǎn)移；⑶控制裝置：使用指令自動控制操作順序、選擇所需處理的數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果。巴貝奇的分析機是可編程計算機的設(shè)計藍(lán)圖，實際上，我們今天使用的每一臺計算機都遵循著巴貝奇的基本設(shè)計方案。但是巴貝奇先進(jìn)的設(shè)計思想超越了當(dāng)時的客觀現(xiàn)實，由于當(dāng)時的機械加工技術(shù)還達(dá)不到所要求的精度，使得這部以齒輪為元件、以蒸汽為動力的分析機一直到巴貝奇

8、去世也沒有完成。圖8巴貝奇差分機3.機電式計算機1886年，美國統(tǒng)計學(xué)家赫爾曼霍勒瑞斯（HermanHollerith）借鑒了雅各織布機的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲數(shù)據(jù)，采用機電技術(shù)取代了純機械裝置，制造了第一臺可以自動進(jìn)行加減四則運算、累計存檔、制作報表的制表機，這臺制表機參與了美國1890年的人口普查工作，使預(yù)計10年的統(tǒng)計工作僅用1年零7個月就完成了，是人類歷史上第一次利用計算機進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理。霍勒瑞斯于1896年創(chuàng)建了制表

9、機公司TMC公司，1911年，TMC與另外兩家公司合并，成立了CTR公司。1924年，CTR公司改名為國際商業(yè)機器公司（InternationalBusinessMachinesCpation），這就是赫赫有名的IBM公司。1938年，德國工程師朱斯（K.Zuse）研制出Z1計算機，這是第一臺采用二進(jìn)制的計算機。在接下來的四年中，朱斯先后研制出采用繼電器的計算機Z2、Z3、Z4。Z3是世界上第一臺真正的通用程序控制計算機，不僅全部采用繼

10、電器，同時采用了浮點記數(shù)法、二進(jìn)制運算、帶存儲地址的指令形式等。這些設(shè)計思想雖然在朱斯之前已經(jīng)提出過，但朱斯第一次將這些設(shè)計思想具體實現(xiàn)。在一次空襲中，朱斯的住宅和包括Z3在內(nèi)的計算機統(tǒng)統(tǒng)被炸毀。德國戰(zhàn)敗后，朱斯流亡到瑞士一個偏僻的鄉(xiāng)村，轉(zhuǎn)向計算機軟件理論的研究。圖9制表機用于美國人口普查圖10Z系列計算機1936年，美國哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德艾肯（HowardAiken）在讀過巴貝奇和愛達(dá)的筆記后，發(fā)現(xiàn)了巴貝奇的設(shè)計，并被巴貝奇的

11、遠(yuǎn)見卓識所震驚。艾肯提出用機電的方法，而不是純機械的方法來實現(xiàn)巴貝奇的分析機。在IBM公司的資助下，1944年研制成功了機電式計算機MarkI。MarkI長15.5米，高2.4米，由75萬個零部件組成，使用了大量的繼電器作為開關(guān)元件，存儲容量為72個23位十進(jìn)制數(shù)，采用了穿孔紙帶進(jìn)行程序控制。它的計算速度很慢，執(zhí)行一次加法操作需要0.3秒，并且噪聲很大。盡管它的可靠性不高，仍然在哈佛大學(xué)使用了15年。MarkI只是部分使用了繼電器，19