目錄
1 巴貝奇的差分機、分析機
2 霍利瑞斯的製錶機
3 Zuse I
4 Mark I
1 巴貝奇的差分機、分析機英國數學家、發明家查理斯·巴貝爾(Charles Babbage， 1791-1871)出生于一個富有的銀行家的家庭， 在劍橋學習時， 他認為可以利用蒸汽機進行運算。 從劍橋大學畢業後留校， 在數學領域造詣頗深， 20多歲就加入了英國皇家學會。 巴貝奇用從20歲到30歲之間的十年時間研製成功了差分機， 以其計算速度和精度震驚科學界， 也讓政府同意出資研究其下一代機械式電腦－大型差分機。 但受當時的加工精度限制， 巴貝奇又總在工廠加工零部件的同時在圖紙上修修改改，
Charles Babbage (1791-1871) ↑
分析機具有現代電子電腦的全部特徵， 有它自己設計獨特的“鍵盤”、“顯示器”、“CPU”、“記憶體”等等現代電腦的關鍵部件， 只是不用電源而已。 巴貝奇計畫的重要創新之處， 並不在於機械運算， 而是在於他發現了， 對算術過程的組織和邏輯控制才是最重要的。 當然， 分析機的製造最後還是失敗了。
下圖就是巴貝奇設計出的分析機， 差不多在設計完畢200來年才被製造出來。
分析機採用的一些電腦思想延用至今。 分析機包括的存儲和碾磨， 就非常類似於今天電腦中採用的記憶體和處理器。 輸入和輸出都採用打孔卡（十九世紀Jacquard發明的一種卡片）進行。
特別是， 巴貝奇有一個關鍵的想法， 機器必須能夠在一串指令卡片中來回遍歷， 並根據實際計算的情況， 來決定路過或重複。 這種“條件分析”的想法， 是他最先進的地方。 而這種自主性， 也以後的圖靈機是等價的， 圖靈機就是根據紙帶上的指令來切換機器的狀態。 巴貝奇很清楚， 正是這一點， 使他的機器具有通用的特性。
如果沒有“條件分支”， 或者說一個機械化的“如果...則...“的能力， 那麼他的偉大構想， 與普通的加法機就沒有什麼區別。 就只能將它看成一條流水線， 從開始到結束， 一切都是確定的， 程式一旦開始執行， 就不會有任何變化。 而在他的模型的， ”條件分支“意味著機器不僅具有工人的能力， 還具有識別、決策和控制的能力。
巴貝奇關於通用機器的這些想法， 比他的時代超前了100年。
2 霍利瑞斯的製錶機赫爾曼·赫勒裡特（Herman Hollerith， 1860－1929）， 1879年畢業于哥倫比亞大學。 他對數學和機械方面的問題有濃厚興趣， 並有顯著的才能。 因此， 赫勒裡特畢業後， 參加了美國人口普查工作。
Herman Hollerith circa 1888
一天， 霍利瑞斯和一位在人口調查局工作的官員比林茲聊天， 幾句話就扯到了令人厭煩而又無法回避的人口調查問題上， 兩個人開始發牢騷， 比林茲更是抱怨不停。 念了一陣苦經之後， 比林茲忽然提到一個他已考慮了多日的設想， 那就是使用穿孔卡片説明統計。 讓每個接受調查的人都使用相同規格的硬紙卡片， 按照不同的個人情況在不同的位置上穿孔， 然後使用一種特殊的機器把這些資訊讀出並加以統計，至於機器如何設計他就不得而知了。
比林茲的設想給霍利瑞斯以極大的啟發，激起了霍利瑞斯的創造靈感，使他仿佛看到了解決問題的曙光。他過去聽說過提花編織機上穿孔卡的故事，那件事發生在1728年，一位法國工程師發明了一種自動提花織布機，其中設計了一連串長長的穿了孔的卡片，讓卡片轉動，使得那些與卡片上的洞眼正好對著的織針順利通過；而不相對的織針通不過。這樣，紗線就織出了規定好的花紋。現在已是19世紀末，時代不同了，要求也不一樣。霍利瑞斯懂得，僅用機械的方法顯然會黔驢技窮，只有配上最新的電工技術才會使問題得到解決。
赫勒裡特認為，人口普查統計資料的處理應該實現機械化。於是他用穿孔卡和電氣控制技術來創造一種資料分析處理機。1888年，他製造出一台製表機，並送往巴黎國際博覽會去展覽。這台製表機採用機電式的自動計數裝置，取代了純機械的計數裝置，加快了資料處理的速度，能避免手工操作引起的差錯。於是，美國1890年人口普查的統計製表工作，就全部採用了赫勒裡特製表機。
1822年，法國的蓋 呂薩克和阿拉戈利用電流的磁效應，把通電導線繞在軟鐵上，使一塊普通的軟鐵變成了磁鐵。幾年後，美國的亨利在此基礎上發明了磁性強大的電磁鐵，利用電磁鐵的原理，人們製成了繼電器。繼電器是在機電式電腦上第一個派上用場的電器部件。
繼電器是一種開關，不過它的開啟與閉合不是靠人手去撥弄，而是靠微弱的電流。這種弱電流通過一個電磁鐵的線圈，使電磁鐵磁化並將一個銜鐵吸下。銜鐵連著一個開關，就可使得另一個大電流接通或斷開。有了繼電器，一個微弱的電流就可以控制一個大電流的開斷。而微弱電流本身的開斷不一定需要我們用手去撥動，它可以通過其他各種手段達到。比如無線電信號、導電的水、能導電的人體等，因此，繼電器在各種控制電路中有著廣泛的應用。
電腦的研製者們欣喜地發現，繼電器的應用還有潛力可挖，它可以用來計數。它有開和關兩種狀態，就可以用來表示二進位中“０”和“１”兩個數。用多個繼電器就可以記錄多位元的二進位數字。正是因為繼電器具備這樣的特性，所以，後來在機電式電腦中發揮了關鍵作用。
霍利瑞斯製表機主要由五個部分構成：接受壓力機、繼電器、計數器、分類盒、電池。製表機上閱讀穿孔卡片的設計別具匠心，現在我們就以一個孔的位置為例介紹一下。先將卡片平放在相應位置上，孔的位置上方是一根帶彈簧的金屬棒，下方是一個水銀盃。工作時，金屬棒被輕輕地壓下來，如果該位置上沒有孔，金屬棒被卡片紙擋住下不來，不能出現後續動作。反之，由於該位置事先已穿好了孔，金屬棒就“長驅直入”地插入下方水銀盃中。水銀和金屬棒都是導體，它們接觸以後，就好比接通了開關，形成了回路，產生電流。由於所加的電壓低，形成的電流很弱，不會產生損壞製錶機的電火花，也不會對人體造成傷害。另一方面，電流雖弱，但可以使繼電器吸合，產生大電流。大電流使相應的計數器加１，這樣就完成了此項目的一個人的統計。這種設計實在太巧妙了！金屬棒有很多根，它的數目由統計專案和分類的多少來決定。
霍列瑞斯博士巧妙的設計在於自動統計。他在機器上安裝了一組盛滿水銀的小杯，穿好孔的卡片就放置在這些水銀盃上。卡片上方有幾排精心調好的探針，探針連接在電路的一端，水銀盃則連接於電路的另一端。與傑卡德提花機穿孔紙帶的原理類似：只要某根探針撞到卡片上有孔的位置，便會自動跌落下去，與水銀接觸接通電流，啟動計數裝置前進一個刻度。由此可見，霍列瑞斯穿孔卡表達的也是二進位資訊：有孔處能接通電路計數，代表該調查專案為“有”（“1”），無孔處不能接通電路計數，表示該調查專案為“無”（“0”）。
3 Zuse I康拉德·楚澤(Konrad Zuse於1910-1995)出生在柏林，是一位德國工程師。他提出了電腦程式控制的基礎概念，於1941年Zuse首次設計完成了使用繼電器的程式控制電腦。
楚澤在父母的幫助下，他把家中的起居室隔出一間，改造成“實驗室”兼“製造廠”，孤身一人開始了漫長的研製生涯。楚澤生活在法西斯統治下的德國，無從得知美國科學家研製電腦的消息，甚至沒有聽說巴貝奇和霍列瑞斯的名字。在這一點上，他遠沒有美國發明家幸運，無法得到大學或政府機構的任何資助，只有幾個朋友“贊助”了很少的一點錢。
幾乎用了兩年時間在黑暗中摸索，楚澤憑著頑強的毅力獨自奮鬥。他認為，電腦最重要的部分不一定是計算本身，而是過程和計算結果的傳送和儲存。因此，他把研究的重點放在記憶體上，設計了一種可以存儲64位元數的機械裝置——數千片薄鋼板用螺栓擰在一起的笨重部件，體積約1立方米——然後與機械運算機構連接起來。朋友們都不太懂他想幹什麼，只能提供有限的幫助，例如，幫他用切割設備加工了數以百計的金屬片。其它的薄鋼板，只好靠手鋸在圓鋼上一片一片鋸下來。以這種簡陋的條件，1938年，楚澤居然完成了一台可程式設計數位電腦Z－1。他花光了僅有的幾千馬克，還是無法買到更合適的零件。因此，Z－1電腦實際上是一台實驗模型，雖然可以完成3×3矩陣運算過程，但始終未能投入實際使用。
Z－I電腦最大的貢獻是楚澤第一次採用了二進位數字，在薄鋼板組裝的記憶體中，楚澤用一個在細孔中移動的針，指明數字“0”或“1”。他的這種選擇，明顯地受到萊布尼茨著作的啟發，他後來發表的研究報告，副題就是“向萊布尼茨致敬”。這台機器也採用了“穿孔帶”輸入程式，不過不是紙帶，而是35毫米電影膠片；資料則由一個數位鍵盤敲入，計算結果用小電燈泡顯示。
Zuse通過使用二進位作為權宜之計，避免了巴貝奇需要的成千上成個嚙合的十齒齒輪。這個在理論上並不是革命性的進展，但是從實踐的角度來看，這是極其重要的簡化。一般的工程師都會用十進位來表示數位，而Zuse從中解放出來了。
由於純機械式Z－1電腦性能不理想，第二年，楚澤的朋友給了他一些電話公司廢棄的繼電器，楚澤用它們組裝了第二台電磁式電腦Z－2， 這台機器已經可以正常工作。這時，他的工作引起德國飛機實驗研究所的關注，使他得到了一筆資助。1941年，第三台電磁式電腦Z－3完成，使用了2600個繼電器，用穿孔紙帶輸入，實現了二進位數字程式控制。程式控制思想雖然過去也有人提倡，但楚澤是把它付諸實施的第一人。Z－3能達到每秒3～4次加法的運算速度，或者在3～5秒內完成一次乘法運算。1942年，在緊張研究的間隙裡，他寫作了世界上第一個下國際象棋的電腦程式。
隨後，楚澤創辦了“楚澤電腦公司”，1958年研製出電子管通用電腦Z－22R，距離第一台電子管通用電腦ENIAC誕生已經過去了12年之久。電腦史學家認為，如果楚澤不是生活在法西斯統治下的德國，他可能早就把Z型電腦系列升級為電子電腦，世界電腦的歷史將會改寫。事實上，早在1938年，楚澤和他的朋友已經在考慮用2000個電子管和其他電子元件組裝新的電腦。當他在戰後聽說美國賓夕法尼亞大學早已研製出電子管電腦的消息，不禁感歎地說：“我所能做的，僅僅是搖搖頭而已。”
20世紀40年代，哈佛大學的霍華德·艾肯（Howard Aiken，1900-1973）受到巴貝奇的啟發，始有 Harvard Mark I 的誕生。
艾肯 ↑
艾肯和IBM公司長達5－6年的合作和努力(當然也包括難以避免的摩擦和碰撞)，Mark I終於在1944年5月完工並投入使用。它用了3000多個電機驅動的繼電器，是一個重達5噸的龐然大物，造價高達50萬美元(有的資料甚至說超過100萬美)，其中IBM公司的投資占2／3，其餘1／3 由海軍資助。其核心是71個迴圈寄存器(rotating register，把運算中暫時保存運算元的設備叫做register就始於Mark I)，每個可存放一個正或負的23 bit的數字。資料和指令通過穿孔卡片機輸入，輸出則由電傳打字機實現。其加法速度是300ms，乘法速度是6s，除法速度是11.4 s。這與現代電腦當然無法相比，即使與晚它兩年誕生的世界上第一台電子電腦ENIAC相比也顯得十分落後，但它卻實實在在是世界上第一台實現順序控制的自動數位電腦，IBM公司方面把它命名為ASCC，即Automatic Sequence Controlled Calculator，是計算技術歷史上的一個重大突破。4個專家過去用3周時間才能完成的任務，在Mark I上只要19個小時就完成了。而且它非常可靠，每週工作7天，每天工作24小時，這是初期的電子電腦無法比擬的。
Mark I主要供海軍艦船局(Bureau of Ships)用於計算彈道和編制射擊表，也曾在曼哈頓計畫中計算有關原子彈的問題。此外，它也為哈佛大學內外的科學家服務。
Mark I工作到1958年才退役，現在還在美國被仔細地保存著。
馬克一號之後有馬克二號(在1947年 或是 1948年)，馬克三號/ADEC(1949年九月)以及哈佛馬克四號(1952年)，全都是Aiken的工作成果。馬克二號是馬克一號的效能增進版，但也是由機電繼電器所構成。馬克三號部分採用電子元件，而馬克四號就全部改用電子元件了，也就是固態元件。馬克三號與馬克四號使用磁鼓記憶體，馬克四號同時也有使用磁芯記憶體。
－End－
比林茲的設想給霍利瑞斯以極大的啟發，激起了霍利瑞斯的創造靈感，使他仿佛看到了解決問題的曙光。他過去聽說過提花編織機上穿孔卡的故事，那件事發生在1728年，一位法國工程師發明了一種自動提花織布機，其中設計了一連串長長的穿了孔的卡片，讓卡片轉動，使得那些與卡片上的洞眼正好對著的織針順利通過；而不相對的織針通不過。這樣，紗線就織出了規定好的花紋。現在已是19世紀末，時代不同了，要求也不一樣。霍利瑞斯懂得，僅用機械的方法顯然會黔驢技窮，只有配上最新的電工技術才會使問題得到解決。
赫勒裡特認為，人口普查統計資料的處理應該實現機械化。於是他用穿孔卡和電氣控制技術來創造一種資料分析處理機。1888年，他製造出一台製表機，並送往巴黎國際博覽會去展覽。這台製表機採用機電式的自動計數裝置，取代了純機械的計數裝置，加快了資料處理的速度，能避免手工操作引起的差錯。於是，美國1890年人口普查的統計製表工作，就全部採用了赫勒裡特製表機。
1822年，法國的蓋 呂薩克和阿拉戈利用電流的磁效應，把通電導線繞在軟鐵上，使一塊普通的軟鐵變成了磁鐵。幾年後，美國的亨利在此基礎上發明了磁性強大的電磁鐵，利用電磁鐵的原理，人們製成了繼電器。繼電器是在機電式電腦上第一個派上用場的電器部件。
繼電器是一種開關，不過它的開啟與閉合不是靠人手去撥弄，而是靠微弱的電流。這種弱電流通過一個電磁鐵的線圈，使電磁鐵磁化並將一個銜鐵吸下。銜鐵連著一個開關，就可使得另一個大電流接通或斷開。有了繼電器，一個微弱的電流就可以控制一個大電流的開斷。而微弱電流本身的開斷不一定需要我們用手去撥動，它可以通過其他各種手段達到。比如無線電信號、導電的水、能導電的人體等，因此，繼電器在各種控制電路中有著廣泛的應用。
電腦的研製者們欣喜地發現，繼電器的應用還有潛力可挖，它可以用來計數。它有開和關兩種狀態，就可以用來表示二進位中“０”和“１”兩個數。用多個繼電器就可以記錄多位元的二進位數字。正是因為繼電器具備這樣的特性，所以，後來在機電式電腦中發揮了關鍵作用。
霍利瑞斯製表機主要由五個部分構成：接受壓力機、繼電器、計數器、分類盒、電池。製表機上閱讀穿孔卡片的設計別具匠心，現在我們就以一個孔的位置為例介紹一下。先將卡片平放在相應位置上，孔的位置上方是一根帶彈簧的金屬棒，下方是一個水銀盃。工作時，金屬棒被輕輕地壓下來，如果該位置上沒有孔，金屬棒被卡片紙擋住下不來，不能出現後續動作。反之，由於該位置事先已穿好了孔，金屬棒就“長驅直入”地插入下方水銀盃中。水銀和金屬棒都是導體，它們接觸以後，就好比接通了開關，形成了回路，產生電流。由於所加的電壓低，形成的電流很弱，不會產生損壞製錶機的電火花，也不會對人體造成傷害。另一方面，電流雖弱，但可以使繼電器吸合，產生大電流。大電流使相應的計數器加１，這樣就完成了此項目的一個人的統計。這種設計實在太巧妙了！金屬棒有很多根，它的數目由統計專案和分類的多少來決定。
霍列瑞斯博士巧妙的設計在於自動統計。他在機器上安裝了一組盛滿水銀的小杯，穿好孔的卡片就放置在這些水銀盃上。卡片上方有幾排精心調好的探針，探針連接在電路的一端，水銀盃則連接於電路的另一端。與傑卡德提花機穿孔紙帶的原理類似：只要某根探針撞到卡片上有孔的位置，便會自動跌落下去，與水銀接觸接通電流，啟動計數裝置前進一個刻度。由此可見，霍列瑞斯穿孔卡表達的也是二進位資訊：有孔處能接通電路計數，代表該調查專案為“有”（“1”），無孔處不能接通電路計數，表示該調查專案為“無”（“0”）。
3 Zuse I康拉德·楚澤(Konrad Zuse於1910-1995)出生在柏林，是一位德國工程師。他提出了電腦程式控制的基礎概念，於1941年Zuse首次設計完成了使用繼電器的程式控制電腦。
楚澤在父母的幫助下，他把家中的起居室隔出一間，改造成“實驗室”兼“製造廠”，孤身一人開始了漫長的研製生涯。楚澤生活在法西斯統治下的德國，無從得知美國科學家研製電腦的消息，甚至沒有聽說巴貝奇和霍列瑞斯的名字。在這一點上，他遠沒有美國發明家幸運，無法得到大學或政府機構的任何資助，只有幾個朋友“贊助”了很少的一點錢。
幾乎用了兩年時間在黑暗中摸索，楚澤憑著頑強的毅力獨自奮鬥。他認為，電腦最重要的部分不一定是計算本身，而是過程和計算結果的傳送和儲存。因此，他把研究的重點放在記憶體上，設計了一種可以存儲64位元數的機械裝置——數千片薄鋼板用螺栓擰在一起的笨重部件，體積約1立方米——然後與機械運算機構連接起來。朋友們都不太懂他想幹什麼，只能提供有限的幫助，例如，幫他用切割設備加工了數以百計的金屬片。其它的薄鋼板，只好靠手鋸在圓鋼上一片一片鋸下來。以這種簡陋的條件，1938年，楚澤居然完成了一台可程式設計數位電腦Z－1。他花光了僅有的幾千馬克，還是無法買到更合適的零件。因此，Z－1電腦實際上是一台實驗模型，雖然可以完成3×3矩陣運算過程，但始終未能投入實際使用。
Z－I電腦最大的貢獻是楚澤第一次採用了二進位數字，在薄鋼板組裝的記憶體中，楚澤用一個在細孔中移動的針，指明數字“0”或“1”。他的這種選擇，明顯地受到萊布尼茨著作的啟發，他後來發表的研究報告，副題就是“向萊布尼茨致敬”。這台機器也採用了“穿孔帶”輸入程式，不過不是紙帶，而是35毫米電影膠片；資料則由一個數位鍵盤敲入，計算結果用小電燈泡顯示。
Zuse通過使用二進位作為權宜之計，避免了巴貝奇需要的成千上成個嚙合的十齒齒輪。這個在理論上並不是革命性的進展，但是從實踐的角度來看，這是極其重要的簡化。一般的工程師都會用十進位來表示數位，而Zuse從中解放出來了。
由於純機械式Z－1電腦性能不理想，第二年，楚澤的朋友給了他一些電話公司廢棄的繼電器，楚澤用它們組裝了第二台電磁式電腦Z－2， 這台機器已經可以正常工作。這時，他的工作引起德國飛機實驗研究所的關注，使他得到了一筆資助。1941年，第三台電磁式電腦Z－3完成，使用了2600個繼電器，用穿孔紙帶輸入，實現了二進位數字程式控制。程式控制思想雖然過去也有人提倡，但楚澤是把它付諸實施的第一人。Z－3能達到每秒3～4次加法的運算速度，或者在3～5秒內完成一次乘法運算。1942年，在緊張研究的間隙裡，他寫作了世界上第一個下國際象棋的電腦程式。
隨後，楚澤創辦了“楚澤電腦公司”，1958年研製出電子管通用電腦Z－22R，距離第一台電子管通用電腦ENIAC誕生已經過去了12年之久。電腦史學家認為，如果楚澤不是生活在法西斯統治下的德國，他可能早就把Z型電腦系列升級為電子電腦，世界電腦的歷史將會改寫。事實上，早在1938年，楚澤和他的朋友已經在考慮用2000個電子管和其他電子元件組裝新的電腦。當他在戰後聽說美國賓夕法尼亞大學早已研製出電子管電腦的消息，不禁感歎地說：“我所能做的，僅僅是搖搖頭而已。”
20世紀40年代，哈佛大學的霍華德·艾肯（Howard Aiken，1900-1973）受到巴貝奇的啟發，始有 Harvard Mark I 的誕生。
艾肯 ↑
艾肯和IBM公司長達5－6年的合作和努力(當然也包括難以避免的摩擦和碰撞)，Mark I終於在1944年5月完工並投入使用。它用了3000多個電機驅動的繼電器，是一個重達5噸的龐然大物，造價高達50萬美元(有的資料甚至說超過100萬美)，其中IBM公司的投資占2／3，其餘1／3 由海軍資助。其核心是71個迴圈寄存器(rotating register，把運算中暫時保存運算元的設備叫做register就始於Mark I)，每個可存放一個正或負的23 bit的數字。資料和指令通過穿孔卡片機輸入，輸出則由電傳打字機實現。其加法速度是300ms，乘法速度是6s，除法速度是11.4 s。這與現代電腦當然無法相比，即使與晚它兩年誕生的世界上第一台電子電腦ENIAC相比也顯得十分落後，但它卻實實在在是世界上第一台實現順序控制的自動數位電腦，IBM公司方面把它命名為ASCC，即Automatic Sequence Controlled Calculator，是計算技術歷史上的一個重大突破。4個專家過去用3周時間才能完成的任務，在Mark I上只要19個小時就完成了。而且它非常可靠，每週工作7天，每天工作24小時，這是初期的電子電腦無法比擬的。
Mark I主要供海軍艦船局(Bureau of Ships)用於計算彈道和編制射擊表，也曾在曼哈頓計畫中計算有關原子彈的問題。此外，它也為哈佛大學內外的科學家服務。
Mark I工作到1958年才退役，現在還在美國被仔細地保存著。
馬克一號之後有馬克二號(在1947年 或是 1948年)，馬克三號/ADEC(1949年九月)以及哈佛馬克四號(1952年)，全都是Aiken的工作成果。馬克二號是馬克一號的效能增進版，但也是由機電繼電器所構成。馬克三號部分採用電子元件，而馬克四號就全部改用電子元件了，也就是固態元件。馬克三號與馬克四號使用磁鼓記憶體，馬克四號同時也有使用磁芯記憶體。
－End－