分析機(jī)，指的是由查爾斯·巴貝奇設(shè)計(jì)的一種機(jī)械式可通用編程計(jì)算設(shè)備，大部分部件由黃銅制造，使用蒸汽機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸工作，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)器是由一個(gè)外部程序指揮的新概念誕生。
分析機(jī)機(jī)身約長(zhǎng)30米、寬10米，由齒輪式存儲(chǔ)庫(kù)、運(yùn)算室、控制器、輸入裝置以及輸出裝置5個(gè)部分組成，能夠自動(dòng)解出含有100個(gè)變量的復(fù)雜算題，支持計(jì)算位數(shù)可達(dá)25位，速度為每秒鐘運(yùn)算一次，使用打孔紙帶輸入，采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，有自己的語(yǔ)言編程，算得上是世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
分析機(jī)借鑒了提花織機(jī)的穿孔卡片、音樂(lè)盒中的旋轉(zhuǎn)圓筒，以及他早期設(shè)計(jì)的差分機(jī)，計(jì)算原理是分析機(jī)中的輸入數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)地址、運(yùn)算類(lèi)型都使用穿孔卡片來(lái)表示，機(jī)器先從數(shù)據(jù)卡片讀入數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器，再將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)算器，運(yùn)算器算完后又將數(shù)據(jù)傳回存儲(chǔ)器，在類(lèi)似這樣的齒輪和拉桿作用下實(shí)現(xiàn)可編程運(yùn)算。
盡管巴貝奇于1871年去世后，分析機(jī)未能真正制造出來(lái)，但其包含的很多設(shè)計(jì)，如輸入和輸出數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)、以及“存儲(chǔ)庫(kù)”和“運(yùn)算室”，和一百多年后的計(jì)算機(jī)如出一轍。
機(jī)器簡(jiǎn)介
分析機(jī)（AnalyticalEngine）算得上是世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
十九世紀(jì)三十年代，英國(guó)數(shù)學(xué)家、發(fā)明家查爾斯·巴貝奇設(shè)計(jì)了分析機(jī)。分析機(jī)采用的一些計(jì)算機(jī)思想延用至今。分析機(jī)包括的存儲(chǔ)和碾磨，就非常類(lèi)似于今天計(jì)算機(jī)中采用的內(nèi)存和處理器。輸入和輸出都采用打孔卡（十九世紀(jì)Jacquard發(fā)明的一種卡片）進(jìn)行。巴貝奇1834年開(kāi)始進(jìn)行分析機(jī)的研究工作。他把分析機(jī)制造成了由黃銅配件組成，用蒸汽驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。當(dāng)時(shí)，分析機(jī)的出現(xiàn)并沒(méi)有帶來(lái)石破天驚的震撼，也沒(méi)有被廣泛的接受。
一直要到1890年，同樣利用打洞卡為基礎(chǔ)，美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家赫曼·霍勒瑞斯（赫爾曼·何樂(lè)禮）因應(yīng)美國(guó)人口調(diào)查局的需要所發(fā)明的電動(dòng)制表機(jī)（Electric Tabulating Machine），才開(kāi)始應(yīng)用在實(shí)務(wù)的信息處理上。
巴貝奇的工作得到了AdaAugusta——拉弗拉斯伯爵夫人的大力支持，Ada被廣泛認(rèn)為是世界上第一個(gè)程序員。她設(shè)計(jì)了一個(gè)打孔卡片程序用來(lái)計(jì)算貝努力數(shù)列。
倫敦科學(xué)館的復(fù)制品分析機(jī)是由英國(guó)數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇設(shè)計(jì)的一種機(jī)械式通用計(jì)算機(jī)。從1837年首次提出這種機(jī)器的設(shè)計(jì)，一直到他去世的1871年，由于種種原因，這種機(jī)器并沒(méi)有被真正的制造出來(lái)。但它本身的設(shè)計(jì)邏輯卻非常的先進(jìn)，是大約100年后電子通用計(jì)算機(jī)的先驅(qū)。
設(shè)計(jì)
查爾斯·巴貝奇最初的嘗試是所謂的差分機(jī)，用來(lái)求解對(duì)數(shù)和三角函數(shù)，以致近似計(jì)算多項(xiàng)式。因?yàn)橐恍﹤€(gè)人和政治上的原因，他意識(shí)到需要一種更加通用的機(jī)器，于是便開(kāi)始了分析機(jī)的設(shè)計(jì)。
分析機(jī)由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，大約有30米長(zhǎng)、10米寬。它使用打孔紙帶輸入，采取最普通的十進(jìn)制計(jì)數(shù)。
它的“內(nèi)存”大約可以存儲(chǔ)1000個(gè)50位的十進(jìn)制數(shù)（20.7kB)。有一個(gè)算術(shù)單元可以進(jìn)行四則運(yùn)算、比較和求平方根操作。
為這臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)的語(yǔ)言類(lèi)似于今天的匯編語(yǔ)言，而且它被認(rèn)為是艾倫·麥席森·圖靈完全的。
差分機(jī)
對(duì)于蒸汽朋克文化是圖騰一般的存在。在下列網(wǎng)站，你能瞻仰到后人按照巴貝奇的圖紙所制造出的精巧絕倫的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。
巴貝奇的差分機(jī)
Babbage’s Difference Engine #1 差分機(jī)（設(shè)計(jì)制造，成功）
Babbage’s Difference Engine #2 大型差分機(jī)（設(shè)計(jì)制造，失敗）
Babbage’s Analytical Engine 分析機(jī)（設(shè)計(jì)，未制造）
由其他人設(shè)計(jì)制造的幾種差分機(jī)
Scheutz brothers’ Difference Engine
The author’s Meccano Difference Engine #1
The author’s Meccano Difference Engine #2
Andrew Carol’s 樂(lè)高 Difference Engine （樂(lè)高玩具版本）
巴貝奇他爸爸是英國(guó)銀行家，甚是有錢(qián)，在巴貝奇小時(shí)候就找許多家教輔導(dǎo)他學(xué)習(xí)。巴貝奇也努力，一路念到劍橋大學(xué)，都是班里的尖子生。他從劍橋大學(xué)畢業(yè)后留校，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域造詣?lì)H深，20多歲就加入了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)（牛逼程度相當(dāng)于畢業(yè)沒(méi)幾年的大學(xué)生成為了中國(guó)科學(xué)院院士）。巴貝奇用從20歲到30歲之間的十年時(shí)間研制成功了差分機(jī)，以其計(jì)算速度和精度震驚科學(xué)界，也讓政府同意出資研究其下一代機(jī)械式計(jì)算機(jī)——大型差分機(jī)。但受當(dāng)時(shí)的加工精度限制，巴貝奇又總在工廠(chǎng)加工零部件的同時(shí)在圖紙上修修改改，經(jīng)常導(dǎo)致大批量的零件返工。如此折騰了20年，巴貝奇花光了所有的錢(qián)，宣布制造失敗。然后他用了兩年時(shí)間總結(jié)失敗的教訓(xùn)，在50歲的時(shí)候，這個(gè)倔強(qiáng)的老頭子開(kāi)始設(shè)計(jì)更為復(fù)雜精密的分析機(jī)。分析機(jī)具有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的全部特征，有它自己設(shè)計(jì)獨(dú)特的“鍵盤(pán)”、“顯示器”、“CPU”、“內(nèi)存”等等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件，只是不用電源而已。當(dāng)然，分析機(jī)的制造最后還是失敗了。左側(cè)的圖片就是巴貝奇設(shè)計(jì)出的這些漂亮機(jī)器，差不多在設(shè)計(jì)完畢200來(lái)年才被制造出來(lái)。我們的悲哀，也映照著巴貝奇的偉大。
機(jī)械計(jì)算機(jī)
英國(guó)數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇是可編程計(jì)算機(jī)的發(fā)明者，計(jì)算機(jī)的先驅(qū)。他設(shè)計(jì)過(guò)的計(jì)算機(jī)器有差分機(jī)、分析機(jī)和第二個(gè)差分機(jī)。其中第二個(gè)差分機(jī)在1849年設(shè)計(jì)出來(lái)卻在有生之年只實(shí)現(xiàn)了很小一部分。這臺(tái)機(jī)器可以進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，具有31位精度。
得益于工程師幾年的努力，這份藍(lán)圖變成了現(xiàn)實(shí)，并在近日安放在了加利福尼亞州Mountain Viewd的計(jì)算機(jī)歷史博物館。
下面這臺(tái)引擎花費(fèi)了英國(guó)科學(xué)博物館工程師3年半的時(shí)間，將會(huì)從5月10號(hào)開(kāi)始展出1年。
擅長(zhǎng)運(yùn)載裝配的英國(guó)的MoverightInternational負(fù)責(zé)運(yùn)輸這臺(tái)重達(dá)5噸的機(jī)器
倫敦科學(xué)博物館負(fù)責(zé)人Horton說(shuō)，建造這臺(tái)機(jī)器實(shí)在太漫長(zhǎng)了，花費(fèi)了45萬(wàn)英鎊。
計(jì)算機(jī)博物館董事長(zhǎng)Shustek說(shuō)，女王陛下政府資助了他的早期工作，期望以此獲得更高精度的導(dǎo)航、科學(xué)和工程數(shù)據(jù)，盡管巴貝奇很聰明，卻沒(méi)能夠?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)?！八氖〔⒎羌夹g(shù)問(wèn)題，而是管理。一個(gè)大問(wèn)題是，總在半路他又有了新想法，在進(jìn)行工程項(xiàng)目時(shí)不得不學(xué)會(huì)說(shuō)‘不’這正是我們現(xiàn)在做的。”
在失去了政府的資助后，巴貝奇仍在繼續(xù)工作，那是一臺(tái)更為復(fù)雜的機(jī)器，稱(chēng)為分析機(jī)。這臺(tái)機(jī)器本有希望成為真正的計(jì)算機(jī)，可以運(yùn)行包含“條件”、“循環(huán)”語(yǔ)句的程序，有寄存器用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不過(guò)同樣沒(méi)有完成。
1871年，巴貝奇在怨恨失望中去世，甚至《泰晤士報(bào)》在訃告中還嘲笑了他的失敗。
早期計(jì)算機(jī)
直到17世紀(jì)，計(jì)算設(shè)備才有了第二次重要的進(jìn)步。1642年，法國(guó)人BlaisePascal（1623-1662）發(fā)明了自動(dòng)進(jìn)位加法器，稱(chēng)為Pascalene。1694年，德國(guó)數(shù)學(xué)家Gottfried Wilhemvon Leibniz（1646-1716）改進(jìn)了Pascaline，使之可以計(jì)算乘法。后來(lái)，法國(guó)人Charles Xavier Thomas de Colmar發(fā)明了可以進(jìn)行四則運(yùn)算的計(jì)算器。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的真正起源來(lái)自英國(guó)數(shù)學(xué)教授Charles Babbage。Charles Babbage發(fā)現(xiàn)通常的計(jì)算設(shè)備中有許多錯(cuò)誤，在劍橋?qū)W習(xí)時(shí)，他認(rèn)為可以利用蒸汽機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。起先他設(shè)計(jì)差分機(jī)用于計(jì)算導(dǎo)航表，后來(lái)，他發(fā)現(xiàn)差分機(jī)只是專(zhuān)門(mén)用途的機(jī)器，于是放棄了原來(lái)的研究，開(kāi)始設(shè)計(jì)包含現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本組成部分的分析機(jī)。（Analytical Engine）
Babbage的蒸汽動(dòng)力計(jì)算機(jī)雖然最終沒(méi)有完成，以今天的標(biāo)準(zhǔn)看也是非常原始的，然而，它勾畫(huà)出現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的基本功能部分，在概念上是一個(gè)突破。
在接下來(lái)的若干年中，許多工程師在另一些方面取得了重要的進(jìn)步，美國(guó)人Herman Hollerith（1860-1929），根據(jù)提花織布機(jī)的原理發(fā)明了穿孔片計(jì)算機(jī)，并帶入商業(yè)領(lǐng)域建立公司。
相關(guān)人物簡(jiǎn)介
巴貝奇出生于一個(gè)富有的銀行家的家庭，曾就讀于劍橋大學(xué)三一學(xué)院。
1812年他協(xié)助建立了分析學(xué)會(huì)，其宗旨是向英國(guó)介紹歐洲大陸在數(shù)學(xué)方面的成就。該學(xué)會(huì)推動(dòng)了數(shù)學(xué)在英國(guó)的復(fù)興。
1814年和1817年先后獲得文學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位。
1815—1827年期間在倫敦從事科學(xué)活動(dòng)，1827—1828年期間在歐洲大陸考察工廠(chǎng)。
1828—1839年期間在劍橋大學(xué)任盧卡斯數(shù)學(xué)教授（原為伊薩克·牛頓的教席）。
巴貝奇在1812/1813年初次想到用機(jī)械來(lái)計(jì)算數(shù)學(xué)表；后來(lái)，制造了一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)，能進(jìn)行8位數(shù)的某些數(shù)學(xué)運(yùn)算。1823年得到政府的支持，設(shè)計(jì)一臺(tái)容量為20位數(shù)的計(jì)算機(jī)。它的制造要求有較高的機(jī)械工程技術(shù)。于是巴貝奇專(zhuān)心從事于這方面的研究。他于1834年發(fā)明了分析機(jī)（現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的前身）的原理。在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，他曾設(shè)想根據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的穿孔卡上的指令進(jìn)行任何數(shù)學(xué)運(yùn)算的可能性，并設(shè)想了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所具有的大多數(shù)其他特性，但因1842 年政府拒絕進(jìn)一步支援，巴貝奇的計(jì)算器未能完成。斯德歌爾摩的舒茨公司按他的設(shè)計(jì)于1855年制造了一臺(tái)計(jì)算器。便真正的計(jì)算機(jī)則至到電子時(shí)代才制成。
巴貝奇在24歲時(shí)就被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。他參與創(chuàng)建了英國(guó)天文學(xué)會(huì)和統(tǒng)計(jì)學(xué)會(huì)，并且是天文學(xué)會(huì)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)芦@得者。他還是巴黎倫理科學(xué)院、愛(ài)爾蘭皇家學(xué)會(huì)和美國(guó)科學(xué)學(xué)院的成員。
查爾斯·巴貝奇的主要著作
他的主要著作有：
《各種人壽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的比較觀(guān)點(diǎn)》（1826）
《關(guān)于科學(xué)在英國(guó)的衰落及其某些原因的思考》（1830）
《對(duì)數(shù)表樣本》
《論機(jī)器和制造業(yè)的經(jīng)濟(jì)》（1832）
《有關(guān)征稅原則的思考、關(guān)于財(cái)產(chǎn)稅及其免除》（1848）
《一個(gè)哲學(xué)家生涯的片段》（1864）
此外，還有以下一些論文：
《機(jī)器在數(shù)學(xué)表計(jì)算中的應(yīng)用》（1822）
《論用符號(hào)表示機(jī)器動(dòng)作的方法》（1826）
《關(guān)于調(diào)節(jié)機(jī)器的應(yīng)用一般原則的論文》（1829）
參考資料 >
算力簡(jiǎn)史. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所.2024-03-13
分析機(jī).科技中國(guó).2012-09-26