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第四九五章 大明式的計算機底層概念

朱靖垣下達了正式的命令,相關人員立刻起身領命:

“臣等遵旨。”

朱靖垣抬手示意,讓他們都坐回去,然後繼續問新的問題:

“說到要收集資料做計算,現在欽天監、工部、軍械部,你們的計算機夠不夠用?”

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齊彥槐馬上回應說:

“感謝陛下關心,欽天監搬遷完成後,也同步啟用了最新的三型通用矽晶計算機器。

“單機計算力達到了每秒一百萬次,應該能夠滿足欽天監目前的計算需求了。”

新任的工部尚書汪來也緊隨其後的補充說:

“託陛下的洪福,大明的矽晶計算機在這十年突飛勐進。

“應天新都城設計建設的過程中,同步部署了工部研發完成的三型通用矽晶計算機器。

“包括欽天監、工部、軍械部、都督府、皇家銀行、大明銀行在內。

“對計算力有比較強的需求的部門和機構的辦公區,都部署了每秒百萬次的計算機。

“其他機構也有了相同構架,算力略低的同系列型號。”

朱靖垣從兩人的回答中聽到了兩個關鍵詞。

每秒一百萬次容易理解,這是前世美利堅六十年代初計算機水平。

至於通用計算機,也就是使用統一構架,可以使用相同的程式,並可以拓展存儲空間和外接設備的計算機。

朱靖垣前世用過的計算機基本都是通用計算機。

這種讓後人習以為常的東西,在計算機出現的最早期,是很多人難以想象的東西。

最早的計算機幾乎所有裝置都是專用的。

兩臺計算機之間的差距,就好像後世的臺式電腦和手機之間的差距一樣。

真正的通用計算機,也是在六十年代初期出現的。

IBM公司在1965年正式公開銷售的system 360系列計算機。

正是這第一套通用計算機,留下了每個位元組八個位元的計算機底層慣例。

朱靖垣在十年以前,就給大明的計算機專案列了一大堆目標。

這些目標同時也是指導,直接提供了經過驗證的發展方向。

電子管計算機,大明只發展了兩代驗證機,根本沒有大規模推廣,就沒有繼續製造了。

按照朱靖垣的建議,直接鑽進了電晶體的方向,並且直接朝著通用計算機前進。

大明的工匠們努力攻關十二年,終於把這套東西做出來了。

朱靖垣在心中對比了一下前世計算機的發展脈絡。

第一臺公開的大型計算機埃尼阿克在1946年誕生。

第一臺純電晶體計算機崔迪克在1954年誕生。

第一套通用計算機在1965年公開銷售。

在自己的直接推動下,大明用了十二年的時間,走完了前世美國人十九年的路。

計算機的技術的發展速度加快了一半,時間縮短了三分之一。

朱靖垣當初是給了方向,後續幾年也陸續給了一些指導。

但是在登基前的這幾年,朱靖垣沒有持續關注,現在對他們的最新進展也感興趣。

於是朱靖垣直接站了起來:

“好,汪工、齊工,你們兩位帶我去看看,今天的會議就到這裡吧。”

周圍的眾人再次一起起身行禮。

汪來和齊彥槐快步出列,少傅、司空兩個九卿也緊隨其後。

一行人在齊彥槐的引領下去了欽天監的機房。

到了門口的時候,齊彥槐伸手推開房門,然後馬上讓開一邊。

朱靖垣看到了機房內的景象。

大明當初的第一臺計算機“道”,是用電子管為核心組裝的,當時佔滿了一整個大廳。

現在的這臺“三型通用矽晶計算機器”作為電晶體計算機,體積明顯小了一大截。

現在只剩下了一個佔滿了一面牆的大型機櫃了。

機櫃側面是一個大型操作檯,上面放著一臺看上去好像前世的老式電視的東西。

電視前面的臺子上是幾排規整的按鍵。

它已經有了顯示器和鍵盤!

周圍還連線著電傳印表機、傳真機、打孔機等外接裝置。

房間裡面本來有幾個人正在使用計算機。

收到皇帝要過來的訊息,都提前站在了計算機兩側等待,看到皇帝馬上行禮。

朱靖垣揮手示意,然後徑直走到了操作臺前。

桌子上的鍵盤,就是自己當初設計的打字機用的那個鍵盤。

不過比打字機鍵盤更加複雜了。

除了五十六個打字鍵,周圍又加了一些功能和符號鍵,總共估計有一百個左右。

鍵盤的旁邊還放著幾份檔案。

有圖表和文字說明,顯然是準備用於計算的資料。

而那臺好像老式電視的顯示器上面,現在還顯示著一些文字。

就是自己日常用的漢字,加上世祖皇帝推行的句讀符號系統,以及一些夾雜其中的空位。

每一個字自己都認識,但是放在一起就看不懂了。

乍一看好像是亂碼。

仔細看的話,還能發現一些規律,似乎是用特定的單字和數字,組合表示特定的邏輯。

好像是某種程序語言。

只是把英文字母和數字都換成了漢字。

眼前的這一幕,這又讓朱靖垣確認了兩項重要資訊。

這臺計算機是能夠直接顯示漢字的。

更重要的是,他們用的程序語言,至少已經是組合語言的級別了。

甚至可能是早期的高階語言了。

朱靖垣前世不是程式設計師,對程式設計用的程序語言也不是很懂,只是上學的時候在公共課上瞭解過基本的知識。

知道變電腦用的程序語言,大體上可以分成三個大層級。

機器語言,組合語言,高階語言。

越往前的越接近機器語言,越往後的越接近人類語言。

越往前的語言編制的程式效能越高,因為可以直接輸入機器,直接進行物理層面的運算。

但是能夠執行的命令也越簡單,想要實現複雜功能的難度越高。

越往後的語言編制的程式效能越低,因為要經過讀取和翻譯,轉化成機器語言之後再去執行。

不過能夠執行命可以更加複雜,實現複雜功能的難度也越低。

在自己的前世,所有正兒八經的計算機程序語言,在最底層都是用英文表示的。

有少數程式可以在表層顯示漢字,但完全不成氣候。

其實程序語言不是不能使用漢字,因為早期程序語言本質上不是人類語言。

裡面的那些英文字母本質上都是邏輯和定義符號。

用數字甚至星星框框表示一樣可以。

只要程式設計師能夠記住,每個影象代表的是什麼指令。

之所以都是英文而沒有漢字,是因為早期程式設計師都用英文,所以用英文去記錄和表示命令。

這種傳統就形成了限制鐵軌寬度的馬屁股。

最先建設鐵路的英國人,選擇的鐵軌寬度是正好容納兩匹馬行走的寬度。

這個與火車並沒有直接關係的資料,成了後世的標準鐵軌寬度。

計算機語言也是一樣。

計算機的基礎是電晶體,每一個電晶體可以看做是一組燈泡和開關。

關和開的這兩種狀態,可以參考燈泡是否亮起的狀態。

用二進制數來表示,就是0和1。

在大明的計算機器相關的研究中,工匠們習慣用陰和陽來代指。

每一個電晶體的兩個狀態,能夠表達的兩個數字,在前世被稱為一個“位元”。

在大明被稱為一個“數”,或者“爻(yáo)”。

爻就是傳統八卦符號中那些中斷和連線的橫線的統稱。

一整條連續的橫線是陽爻,中間斷開的橫線是陰爻。

開和關的意義,陰與陽的象徵,斷開與連線與執行,三者的意味天然趨同。

對大明的工匠們而言,這種命名都是理所當然的選擇。

人向機器傳遞的所有指令,想要被機器所識別並執行,都要轉化成一連串的開關命令。

計算機裡面的開關太多了,人們為了方便管理和使用,就將其分成一個個的小組。

前世最早的計算機是四個一組,最後的通用計算機是八個一組。

這樣四個到八個一組開關的開關命令的長度,在後世就被稱為一個“位元組”。

在大明被稱為一個“字”或者“卦”,就是八卦的卦。

機器語言,就是直接輸入開和關兩種訊號,可以想象對零和一兩個鍵反覆不斷地按。

實際上使用打空紙帶來執行的,用一個位置是否有空洞來表示開和關。

對二進制機器而言,他只能理解開和關。

比如說一組電路或者一項控制功能,在四爻(四位)機器上執行的方式是“關關關開”。

這個命令在機器看來,名字和意義就是“關關關開”,沒有什麼別的附加意義。

但是在人類視角下,“關關關開”只是一個編號,單純看這個容易混亂。

於是人類根據自己的設計思路,知道這個編號所代表的邏輯功能,用自己使用的人類語言中應該用什麼詞彙來描述。

美國人在自己的腦子和小本本裡面,記下“addition=關關關開”。

大明人在小本本上寫下了“加=陰陰陰陽”,或者是畫上三陰一陽的爻線。

無論是addition還是加,都只是人類方便自己記憶的“備註”

在機器裡面實際上都是在幹“關關關開”的活兒。

要控制計算機,就要直接去控制四個開關,組成“關關關開”的效果。

最後計算機算完的資料,也用紙帶上對應位置的空洞順序,來表示一串的開和關。

人類再把這些有規律的開關,翻譯城人類能夠理解的語言。

最早期的計算機,是與人類語言完全沒有關係的,就看使用者怎麼去命名和解讀。

但是這樣實在太麻煩了。

如果能讓計算機直接識別人類語言就好了。

關鍵是,為什麼是我這個人類,把自己的話翻譯成你這個機器的語言。

為什麼不能是我說我們人類的語言,然後你這個機器自己去翻譯成你們機器能理解的語言?

機器當然不知道怎麼幹。

於是人類給決定給機器做個翻譯器,或者說轉換器。

在翻譯器上輸入人類語言,翻譯器給機器翻譯成機器語言,再讓機器去執行計算。

計算機算完之後輸出,再讓翻譯器翻譯成人類語言。

這個想法是非常好的,這其實也是所有程序語言的基本邏輯。

程序語言的最終目的,就是實現人類直接說法,讓機器完全理解並完美執行。

只可惜啊,別說完全聽懂人話並完美執行了,單純的讓機器直接執行最基本的命令,都讓最早的研究人員們費老勁了。

翻譯器怎麼才能把addition翻譯成一連串的開關呢?

怎麼讓機器知道“加”是什麼意思呢?

看上去,好像只要做一個表格,左邊一列寫addition或者加,右邊寫“關關關開”。

告訴機器,我輸入addition或者加,你就去給我執行“關關關開”。

然而更進一步的問題是,怎麼“輸入”addition或者加。

輸入法這個東西,在後世看來很常見的東西,在早期電腦上絕對是黑科技。

就算是看上去能夠按鍵直出的英文字母,也要去幹一個物理按鍵繫結字母表的活兒。,

否則機器不知道a是啥,c又是啥,根本沒有b數。

所以要再做一個表格,把一個開關序列繫結a,一個開關序列繫結b,一個開關序列繫結c……二十六個字母和標點符號數字都做好。

再再做一個表格,把這些開關序列繫結鍵盤上的按鍵,並在按鍵上寫上a、b、c……

我依次按下寫著addition這幾字母的按鍵,計算機收到按鍵對應的訊號去查表。

找到了關關開關、關關開開、關關關關……等一連串的開關命令。

如果是英文系統,這時候就在螢幕上依次顯示addition幾個字母。

同時,這關關開關、關關開開、關關關關……這一連串命令,按照順序組合起來,就對應另一個命令“關關關開”。

如果是漢字系統,這時候在螢幕上顯示“加”。

最後,計算機去執行最後的“關關關開“命令。

輸入英文是一個相同表格有幾個字母迴圈查幾遍,漢字是設計兩到四層巢狀的表格逐次查一遍。

做到這些就已經非常困難了。

甚至於,對早期計算機效能都有了一定的要求……

最早的計算機位元組長度是四位的。

一個二進制位可以記錄兩個編號,位元組長度為四的話,最多可以記錄二的四次方,也就是總共十六個編號。

這甚至不能容納所有的英文字母。

要記錄所有字母,至少要把位元組長度增加到五,這樣編碼容量增加到了三十二。

可以容納所有的字母,再加上幾個常用的符號。

但是還不能同時單獨輸入數字,用純英文單詞去拼數字就太噁心了。

於是又把位元組長度增加到六位,編碼容量增加到了六十四。

這就能夠容納字母、數字、常見符號了。

所以六位的計算機,甚至於在計算機出現之前,就在打孔卡上用了很久了。

但是六位的情況下,字母只能有大寫或者小寫一種。

組合語言也全部都是大寫字母。

如果用來輸出文字的話,全篇大寫字母看著也是很頭疼。

所以就繼續增加到七位數。

這樣就有了總共一百二十八個的編碼容量,對於英語而言基本圓滿了。

能表達所有大小寫字母、主要符號、十個數字。

以及換行、回車、刪除等常用的輸入控制命令。

美利堅制定的ASCII標準就是七位編碼。

後世的通用計算機位元組長度是八位,因為IBM設計的第一套通用計算機,在七位的基礎上增加了一位校驗碼。

後來隨著技術提升,校驗碼被省略,八位編碼的容量就增加到了二百五十六個了。

相比最初的計算機,位元組長度已經翻倍了。

這還只是英文,如果要記錄漢字的話,難度就進一步飆升了。

現在大明通行的《通用標準漢字表》就有八千個字。

一個字卦長度至少要增加到十三爻,有八千一百九十二的容量才能容納。

字卦長度要增加到十五爻,有三萬兩千七百六十八的容量,才能整個《大明標準漢字總表》的所有漢字。

現在的生產工藝級別較低,還要參考IBM的做法,價格校驗位。

這樣位元組長度就增加到了十六爻。

與此同時,三萬多個十六位字卦,編碼總容量已經達到了65536爻,摺合前世的65KB。

這對於早期的計算機而言,是一個非常大的數字。

更關鍵的是,這只是漢字編號。

如果把漢字當做是一個個的人,這個表格相當於所有他們所有人的地址表。

要讓漢字在螢幕上顯示,還要把漢字做成點陣影象。

按照前世的經驗,要讓漢字顯示的相對自然,要用十六乘以十六的點陣。

一個點陣的開關也要用一個字卦控制。

十六乘以十六就是256個字卦,32768個漢字合計8388608字卦,摺合前世的16MB。

當時的大部分硬碟都裝不下,更別說記憶體了。

要讓漢字勉強完整顯示,不缺少筆畫,也要十二乘以十二的點陣。

這樣總共也要9MB。

就算是只記錄通用漢字表,也需要2.25MB。

七十年代以前的電腦,裝下這個東西是非常吃力的。

再次基礎上,這也還只是點陣字庫。

要透過鍵盤把漢字打出來,輸入到電腦裡面去,還需要一個輸入法程式。

用於按照人類能夠理解的邏輯,透過特定的按鍵組合,把想要的漢字從字型檔中篩選出來。

這個過程跟英文打單詞是一樣的,區別只是一個字母一個字母的顯示,最後組合起來形成命令。

還是依次打完特定的組合的按鍵,組合形成成命令的同時顯示出目標漢字。

如果不涉及到高階的聯想功能,用高度機械死板的輸入法,限定死只能用哪些漢字,就是這樣的邏輯。

不過,點陣資料還可以放在硬碟上,字表和輸入法就要載入記憶體了。

當時的超級計算機記憶體也只有100KB出頭的樣子。

這對當時的計算機而言是一個巨大的挑戰。

要先執行輸入法程式,從字表中篩查出要輸入的漢字,再去硬碟查點陣圖輸出到螢幕。

就算是不惜成本,將字型檔輸入法都所有功能都實現出來了。

這臺電腦多半也會出現打一個字就要等好幾秒的狀態。

所以,朱靖垣現在看到電腦屏幕上有漢字,就知道工部絕對沒有把漢字全做進計算機。

因為現在的電腦也不需要將所有漢字輸入進去。

這時候的計算機就不是用來處理文字的。

英文程式設計也不會把addition打完整,那這一個單詞就需要64B的空間來容納。

一段程式碼打上幾十個單詞,就要佔用KB級別的記憶體了,英文系統同樣撐不住。

肯定要能省就省的,直接寫個ADD就行了。

反正電腦不是處理文字的,當時的命令也只有幾十個,單詞都用簡寫也不會認錯。

漢字肯定是這麼處理的,也只能這麼處理。

朱靖垣懷疑,這臺電腦只能顯示一兩百,甚至幾十個漢字。

很可能是一個按鍵固定出一個字,一個對應一個固定的程式命令,剩下的就都是標點符號和數字了。

符號系統也不會存在什麼全形半形的區別,輸入過程也不需要轉換輸入法。

如果是這樣的話,漢字彙編反而比英文更簡單。

因為單個漢字就有英文單詞的作用,特別是在傳統文言文仍然盛行的時代。

朱靖垣眼前螢幕上的程式中的命令,確實全都是一個一個的單字。

英文環境下單個字母很少有實際意義,至少要用兩個到三個字母,才能讓程式設計師產生有實際含義的聯想。

同時,眼前這個螢幕肯定是非常“高階”的功能。

低階型號的電腦,很可能根本沒有螢幕。

因為螢幕上顯示漢字和字母,哪怕是只有幾十個,也非常浪費存儲空間。

早期的英文電腦同樣是沒有螢幕的。

操作員都是盲打的。

至於完整的八千個漢字,只能等下一代的電腦,把積體電路做出來再說了。