1.1.2　計算機與互聯(lián)網(wǎng)

人工與機械計算

古人最早使用手指進行計算，但計算的結(jié)果不易存儲。《周易·系辭》中記載了“上古結(jié)繩而治”，在《左傳》中，人們用繩子打結(jié)的大小和數(shù)量來記錄各種結(jié)果。

戰(zhàn)國時期，籌棍逐漸成為計數(shù)工具，籌算成了主要的計算方法。“運籌帷幄”中的籌，便是算籌。秦始皇、張良都使用過算籌。而祖沖之用算籌算出了π的7位小數(shù)的近似值。

到元代中葉后，珠算逐漸取代了籌算。然而，這樣的計算終歸需要手工進行。

作為紡織的重要工具，中國的提花機在六七世紀通過“絲綢之路”傳到了西方。雖然主要用于紡織，但也可以看作一種自動編排和自動運行的機器。

1642年，19歲的帕斯卡（Blaise Pascal，法國，1623—1662）為了幫助父親減輕繁重的計算工作，設(shè)計了一臺能夠進行加減法的計算器。

1673年，萊布尼茨（G.W.Leibniz，德國，1646—1716）發(fā)明了一臺可以直接進行機械乘法的計算器，其中使用了“萊布尼茨輪”，這個原理直到20世紀仍在廣泛使用。

1804年，雅卡爾（Joseph Marie Jacquard，法國，1752—1834）發(fā)明了雅卡爾提花機，速度比手工快25倍。

1836年，著名的數(shù)學(xué)家查爾斯·巴比奇（Charles Babbage，英國，1791—1871）制造了一臺木齒鐵輪計算機，并利用雅卡爾打孔卡片的原理為這臺計算機編程。

1843年，英國詩人拜倫的女兒阿達·洛芙萊斯（Ada Lovelace，英國，1788—1824）設(shè)計了用上述機器計算伯努利數(shù)的運算方式。她被認為是世界上第一個程序員。

如今，我們也許會發(fā)現(xiàn)，所謂計算機只是一臺高級的織布機，計算的本質(zhì)是機械運動。

計算的理論基礎(chǔ)

為了將自動計算變?yōu)閷嶋H可行的技術(shù)，需要建立一套完備的理論體系。

萊布尼茨在1672—1676年研究了二進制算術(shù)，他受《易經(jīng)》中八卦圖的啟發(fā)，于1679年寫了題為De I'arthmetique binaire（《二進制算術(shù)》）的論文。

萊布尼茨一直希望發(fā)明一種普適的人工數(shù)學(xué)語言和演算規(guī)則，能夠?qū)θ祟惛餍懈鳂I(yè)的問題進行百科全書式的解法編纂，從而幫助人類減輕精神負擔。以下是他關(guān)于通用計算的描述。

具有善良意志的人們圍坐在桌子旁，來解決某個棘手的問題，他們用“通用語言”寫下這個問題，然后說：“讓我們算一下！”于是人們拿出筆來找到一個答案，其對錯必然可以被所有人接受。

17世紀，笛卡兒（René Descartes，法國，1596—1650）和費馬（Pierre de Fermat，法國，1601—1665）分別建立了幾何圖形坐標化的計算理論——解析幾何。

1847年，布爾（George Boole，英國，1815—1864）出版了The Mathematical Analysis of Logic，建立了邏輯學(xué)的計算理論——數(shù)理邏輯。

1879年，弗雷格（Frege，德國，1848—1925）設(shè)計了形式語言與概念文字，為所有數(shù)學(xué)概念找到了純邏輯術(shù)語。

19世紀末，康托爾（Cantor，德國，1845—1918）建立了集合的一般計算理論——集合論，并將無限納入了形式系統(tǒng)中。關(guān)于數(shù)學(xué)無窮的革命，幾乎是由他一個人獨立完成的。

1899年，希爾伯特（David Hilbert，德國，1862—1943）出版了《幾何基礎(chǔ)》，成為近代公理化方法的代表作。他發(fā)表的23個數(shù)學(xué)問題，成為那個時代一面鮮明的旗幟。

1931年，哥德爾（Kurt G?del，美籍奧地利，1906—1978）證明了哥德爾不完全性定理，即在任何一個形式邏輯系統(tǒng)中，總是存在某種命題，你無法證明其真，也無法證明其假。若要證明這類命題，需要引入更高階的符號系統(tǒng)來描述。這就像海森堡測不準原理之于物理一樣，為數(shù)學(xué)打下了基礎(chǔ)。

1936年5月，圖靈（Alan M.Turing，英國，1912—1954）在On Computable Numbers，with an Application to the Entscheidungsproblem中描述了“圖靈機”。從此，數(shù)學(xué)符號與實體世界第一次建立了聯(lián)系。

1948年10月，香農(nóng)（Claude E.Shannon，美國，1916—2001）于《貝爾系統(tǒng)技術(shù)學(xué)報》上發(fā)表了論文A Mathematical Theory of Communication，標志著現(xiàn)代信息論研究的開端。

同年，諾伯特·維納（Norbert Wiener，美國，1894—1964）的《控制論》出版。

以上事件，為電子計算機的誕生做好了理論鋪墊。

IBM和Intel

二戰(zhàn)后期，出于軍事目的，人們開始嘗試電子計算機的研發(fā)。

1945年底，第一臺通用電子計算機——ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）正式誕生。它最初用于彈道計算，后經(jīng)改造，能夠進行各種科學(xué)計算。

1951年10月，馮·諾依曼（John von Neumann，美國，1903—1957）擔任IBM公司的顧問。1952年新上任的總經(jīng)理小沃森，通過敏銳的觀察力，決定進入電子計算機領(lǐng)域。

1952年底，IBM 701正式完成，被用于商業(yè)計算領(lǐng)域。

此后近20年，各種大型計算機陸續(xù)被研制出來。到20世紀50年代末，IBM公司已經(jīng)能年產(chǎn)上千臺。

20世紀60年代，IBM 1401面世，使用了晶體管線路，并配有匯編和COBOL語言。

這期間，IBM 360的創(chuàng)始人布魯克斯（Frederick P.Brooks，美國，1931—2022）撰寫了著名的《人月神話》。

1969年，Intel的年輕工程師霍夫（Marcian Hoff，美國，1937—）受日本公司委托設(shè)計一款臺式計算機。他大膽地采用了可編程通用計算機的思想，將電路精簡為CPU、RAM、ROM、寄存器（Register）電路片這4個部件。另一位工程師費金（Federico Fagin，意大利，1941—）對這一電路進行了設(shè)計，在4.2mm×3.2mm的硅片上集成了2250個晶體管，用單個芯片實現(xiàn)了中央處理器的功能，這就是4位微處理器——Intel 4004。

1972年，8位處理器——Intel 8008誕生，在13.8 mm的芯片上可以執(zhí)行45種指令。

此后近30年，芯片集成電路的發(fā)展遵循著著名的摩爾定律，即處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

如今，微型計算機已經(jīng)普及到千家萬戶。

互聯(lián)網(wǎng)的誕生

當人們有了各自的微型計算機后，自然希望能將彼此連通起來，進行更高效的通信與協(xié)作。

這些任務(wù)被交給了受美國ARPA[5]資助的各單位的研究生，這就是最早的互聯(lián)網(wǎng)的雛形——ARPANET。

1969年4月7日深夜，美國加州大學(xué)的斯蒂芬·克羅克（Steve Crocker，美國，1944—）為了不打擾其他室友睡覺，在廁所里寫下了第一份RFC（Request for Comments），這是用來制定互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的一種方式：發(fā)布者提出協(xié)議請求，請大家評論并給予建議。這樣一種謙卑的協(xié)議制定方式，為后續(xù)互聯(lián)網(wǎng)的平等發(fā)展，奠定了環(huán)境上的開放式基調(diào)。

之后，大量的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議在不斷創(chuàng)新中誕生，各種骨干網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議彼此連接。最終TCP/IP成為互聯(lián)網(wǎng)中使用最廣泛的傳輸協(xié)議。其之上的各種應(yīng)用層協(xié)議（如SSH、HTTP、FTP、SMTP等）也逐漸成為標配。

為了使計算機與工具更加易用，人們在硬件之上搭載了一個最基本的軟件——操作系統(tǒng)，將在下一節(jié)進行介紹。