第六章 计算机的诞生
三次技术变化浪潮
不过，21世纪的数字化信息技术和19世纪的数字化信息技术之间存在着巨大的差异。全新的数字化信息技术将所有信息都通过“binary digit”（二进制数字）——简称“bit”（比特）来表示。比特代表0和1，所有的信息都可以还原为0和1。正如原子是物质的最小单位一样，比特也是信息的最小单位。通过比特来表示所有的信息，就是21世纪数字化信息技术的最大特点。也就是说，现在正在出现的第三次浪潮，虽然和第一次浪潮一样都属于数字信号信息技术，但却与视觉通信和电报具有完全不同的特征。
用户提到的三次信息技术浪潮，本质上是信号处理方式的演变:从离散的数字信号到连续
的模拟信号，再到全面数字化的比特信号。以下是三次变革的原理与特点，结合资料中的
关键信息进行阐述:第一次浪潮:19 世纪数字信号技术的开端
核心原理:用离散的物理状态(如电流的通断)表示信息。
典型技术:电报(摩尔斯电码)、早期数字通信设备。实现方式:
二进制编码:将字母、数字转化为简单的通断信号组合。例如，摩尔斯电码中“点”(短 脉冲)和“划”(长脉冲)的组合代表不同字符 6。
机械传输:通过开关电路控制电流的导通与断开，远距离传递编码后的信号。例如，电 报机通过按键产生电脉冲，接收端通过电磁铁驱动纸条记录点划符号[9]。
特点: 抗干扰性差:信号只能简单区分“有”和“无”，容易受线路噪声影响。
效率低:信息容量小，传输速度慢(依赖人工编码和解码)。 意义:首次实现远距离快速通信，为后续技术革命奠定基础[10]。 第二次浪潮:20 世纪模拟信号技术的繁荣 核心原理:用连续变化的物理量(如电压、频率)直接模拟原始信号。
内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
典型技术:电话、广播、电视(模拟制式)、第一代移动通信(如 AMPS)[8]。
实现方式: 直接模拟:将声音、图像转化为连续的电信号。例如，电话话筒将声波振动转化为电流
强度变化，接收器再将电流还原为声音[1]。
调制技术:为解决低频信号传播问题，将声音信号“搭载”到高频载波上。 内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
调幅(AM) :通过改变载波振幅传递信息(如广播电台)。
调频(FM) :通过改变载波频率传递信息(如高保真音乐广播)[1]。
特点:
高保真:连续信号能更真实地还原声音和图像。
易受干扰:传输中任何噪声都会叠加到信号上(如电话杂音、电视雪花)。
日本企业的崛起:
20 世纪 70-80 年代，索尼、松下等企业在模拟电子设备(如收音机、录像机)领域占据 主导地位，推动消费电子产业的爆发[[资料未直接提及，需推测]]。
局限性:模拟信号无法高效压缩和纠错，难以适应复杂数据处理需求[8]。 第三次浪潮:21 世纪全面数字化(比特革命)
核心原理:所有信息(文字、声音、图像)均转化为二进制数字(0和1) ，即“比特” (bit)。
典型技术:计算机、互联网、5G、物联网、人工智能[4][5][7]。 实现方式:
1.数字化采样:将连续信号(如声音)按固定间隔测量并量化成离散数值。例如，CD 音频 每秒采样 44,100 次，每次采样值转化为 16 位二进制数[9]。
2.编码与压缩:通过算法(如 MP3、JPEG)减少数据量，提高传输效率。 3.数字传输:利用光纤、无线通信等技术传输比特流，通过纠错码(如 5G 的 LDPC 码)抵
抗干扰[4][8]。 与 19 世纪数字信号的区别:
全面性:19 世纪的数字信号仅用于简单编码(如电报)，而现代数字化覆盖所有信息类 型。
内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
智能化:通过计算机处理，实现数据存储、分析和实时交互(如视频通话、自动驾驶) [5][7]。
技术突破: 集成电路:微电子技术使数十亿晶体管集成到芯片中，处理能力指数级提升。 网络化:互联网和物联网(IoT)将终端设备互联，形成“万物数字化”生态[4][5]。 意义: 高效与可靠:数字信号可通过纠错码修复传输错误，抗干扰能力远超模拟信号。 无限复制:信息可无损复制和传播(如数字音乐 vs 磁带翻录)[14]。
总结对比表
| 维度 | 第一次浪潮(19 世 纪) | 第二次浪潮(20 世 纪) | 第三次浪潮(21 世 纪) |
|---|---|---|---|
| 信号类型 | 离散数字信号(通 断) | 连续模拟信号(波 形) | 高密度二进制比特 (0/1) |
| 典型技术 | 电报、摩尔斯电码 | 电话、广播、模拟 电视 | 计算机、互联 网、5G、IoT |
| 信息处理 | 人工编码/解码 | 直接模拟原始信号 | 数字化采样、压 缩、纠错 |
| 抗干扰能力 | 弱 | 弱(噪声叠加) | 强(纠错码修复) |
| 应用场景 | 简单文字传输 | 语音、广播、电视 | 多媒体、实时交 互、人工智能 |
补充视角:技术演变的驱动力内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
1.需求升级:从传递文字(第一次)到追求音视频质量(第二次)，再到实时交互与大数 据处理(第三次)[8][12]。
2.材料与工艺:半导体技术(如集成电路)和光纤通信的突破，使数字化从理论变为现实 [4][7]。
3.社会变革:数字化推动全球经济一体化(如跨境电商)、生活方式变革(如远程办公) [6][15]。
通过这三次变革，信息技术从“机械开关”发展到“比特宇宙”，彻底重构了人类社会的运行 方式。
调制和解调的原理
调制和解调是无线通信中将声音信号搭载到电波上传输的关键技术，其原理可以用“搭便车”来形象理解。
调制原理：原始声音信号频率低（如人声在20Hz-20kHz），直接发射难以远距离传播。调制就像给声音“叫一辆快递车”——将声音信号叠加到高频载波（如100MHz的无线电波）上。
具体有调频调幅两种常见方式：
调制和解调是无线通信中将声音信号搭载到电波上传输的关键技术，其原理可以用“搭便 车”来形象理解:
调制原理:
原始声音信号频率低(如人声在 20Hz-20kHz)，直接发射难以远距离传播[1][17]。调制就 像给声音“叫一辆快递车”——将声音信号叠加到高频载波(如 100MHz 的无线电波)上。 具体有两种常见方式:
内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
1.调幅(AM) :让载波的“音量”(振幅)随声音大小变化。比如大声时载波振幅变大， 小声时变小，类似波浪高低起伏[7][15]。
上图中有两种方式
2.调频(FM) :让载波的“音调”(频率)随声音变化。比如高音时载波频率加快，低音 时减慢，类似改变波浪的疏密程度[7][12]。
调制后的信号既能保留声音信息，又可借助高频特性远距离传输[9][17]。
解调原理:
接收端需要从高频载波中“拆包裹”提取原始声音:
1.接收与选频:天线捕获所有电波，调谐电路筛选出特定频率的调制信号(如锁定某个电 台)[11][18]。
内容为 AI 生成，可能不准确，请谨慎参考
2.解调:通过检波器(AM)或鉴频器(FM)检测载波的振幅或频率变化，剥离出低频声 音信号[16]。例如，AM 解调会提取振幅波动，还原成声音波形;FM 解调则追踪频率变化 转化为声音[5][16]。
3.放大与播放:解调后的微弱信号经放大器增强，最终由扬声器转换为可听声音[3][18]。
总结:调制是“装车发送”，解调是“拆包收货”，两者配合实现了声音信号的无线传输。 AM 和 FM 如同不同的“包装方式”，分别通过改变载波的振幅或频率来搭载信息。
IBM
何乐礼的制表机得到了社会的高度肯定，1890年被美国用于国税调查。何乐礼也在华盛顿成立了公司，主要向政府、保险公司以及铁路公司出售制表机。这家公司后来成为计算制表记录公司（Computing Tabulating Recording Company，CTR），并迎来了曾经在国家收银机公司（National Cash Register Company，NCR）担任高管的托马斯·沃森出任总裁。1924年，CTR将公司名称变更为International Business Machines，也就是我们现在非常熟悉的IBM。
第一台完备的计算机
ENIAC重达30吨，需要大约167平方米的空间放置，内部搭载有1.7468万个真空管，完全是一个庞然大物。ENIAC在运转时会消耗大量的电力，据说当打开ENIAC开关的时候，整个费城的电灯都会随之变暗。一名熟练的计算员使用机电式计算器计算60秒内的弹道轨迹需要花费20个小时的时间，而ENIAC只需要30秒就能完成计算。
1930 年布什的微分分析机
布什，在1930年开发出了一台名为“微分分析机”的计算机。这台计算机能够计算所有的方程式，因此又被称为“机械大脑”和“能思考的机械”。微分分析机最大的特点是以曲线的形式输出计算结果，属于模拟信号式电子计算机。
这个计算机是如何计算方程式的？
让我们用"汽车爬山坡"的例子，带你理解这台机械计算机的奇妙原理（无需数学公式，只需生活常识）：
情景设定
假设我们要预测一辆玩具车从山脚爬到山顶需要多少时间。已知山坡的高度变化曲线（比如先陡后缓），但手工计算需要解一个涉及加速度、摩擦力的复杂方程。这时候微分分析机就像一台"机械预言机"，用齿轮转动模拟车辆运动。
第一步：把问题变成齿轮语言
想象把山坡的形状刻在一个圆盘边缘（就像老式黑胶唱片有凹凸纹路）。这个圆盘对应数学中的"山坡高度函数"。当圆盘旋转时，边缘的凹凸会推动一个小钢轮左右移动——圆盘转得越快，小轮移动幅度越大。
中学生能理解的类比：就像用自行车链条带动齿轮，脚蹬得快，后轮转得也快。这里圆盘的转动速度代表"时间流逝"，小轮的位置代表"车辆所在高度"。
第二步：机械积分器的魔法
关键部件是一个直径30厘米的钢制圆盘（想象成唱片机转盘），中心连接着电动机匀速旋转。上方悬着一个可左右移动的小轮子，通过弹簧紧贴盘面。
- 当圆盘转动时，小轮的位置由之前计算的结果控制（比如车辆当前速度）
- 小轮离圆心越远，接触点线速度越快，带动输出轴转动得越快
- 输出轴的转动量就是"对速度积分得到的总距离"
举个冰淇淋例子：假设圆盘是冰淇淋机搅拌器，小轮是盛冰淇淋的勺子。勺子离中心越远（对应车辆速度越快），单位时间能接到的冰淇淋就越多（总距离=速度×时间）。
第三步：串联多个"问题分解器"
要解决车辆运动的二阶微分方程（涉及加速度），需要串联两个积分器：
- 第一积分器：把加速度积分成速度 （输入：加速度圆盘 → 输出：速度轴）
- 第二积分器：把速度积分成总距离 （输入：速度轴 → 输出：距离轴）
所有齿轮通过可调节的传动杆连接，就像乐高积木的组合。工程师用扳手调整齿轮比，相当于设定"摩擦系数"、"车辆重量"等参数。
第四步：眼见为实的计算结果
最终输出轴带动绘图笔，在缓缓移动的纸带上画出优美的曲线：横轴代表时间，纵轴代表车辆位置。这条曲线就是微分方程的解，能精确显示车辆每个时刻的位置。
这台机器的精妙之处在于：用物理世界的确定性（齿轮传动比、摩擦系数）来映射数学世界的抽象关系。虽然它重达100吨。
布什的计算机思想
布什在论文《诚如所思》中，将MEMEX定义为“一种机械化的私人文件和图书馆系统”，其中还表示“个人可以将自己的书、记忆、信件等存储其中，并且能够进行高效的检索”，在论文中还配有MEMEX的概念设计图。（文件系统与检索功能，万维网最基本的功能——超链接）
MEMEX的外形类似一张办公桌，桌面上有两个倾斜的屏幕。使用者可以快速检索存储其中的信息，检索结果会显示在左侧的屏幕上。（在开始的时候就有使用双屏的设想）
右侧的屏幕可以通过手写笔来输入信息，输入的信息都被存储在改良型的缩微胶卷中，当然这些信息也可以被随时检索和显示出来。桌面的左侧还有一个用来保存纸质资料的装置。只需要将想要保存的资料放在透明玻璃上，然后拉下拉杆，这些资料就会被保存下来。存储用的媒介同样是缩微胶卷。此外，以缩微胶卷的方式存储的书籍、照片、最新的杂志等数据可以立即被MEMEX读取。（这里的缩微胶卷相当于内存、硬盘、U 盘等）
布什预言说，将来应该会有许多用缩微胶卷记录的数据在市面上销售，购买也会非常容易。MEMEX还具有“联想索引”的功能，通过这个功能可以将任意两个项目连接起来。比如在左右屏幕上各显示不同的资料，只要按一个按钮就可以将两者永远地联系起来。之后在显示其中一份资料时，只要按下对应栏目下方的按钮，就可以立即调出与之相关的另一份资料。在关联了多个项目的情况下可以使用拉杆来依次显示关联的资料。（数据库的功能）
布什认为：“这就像是从众多零散的信息源中将目标事项物理地集中起来，创作出一本全新的书籍。”此外，布什还预言未来的MEMEX能够实现远程操作。（还可以上网）顺带一提，MEMEX是“memory”和“extender”这两个单词词首的组合，意为“记忆的延伸”。
人类很多时候的 vision 就是未来产品的形态。当然了他的新认知，是建立在实践基础上的。
克劳德·香农的信息论(1948年)
布什和香农之间是师生关系。
香农开始思考能够将信息最有效率地表示出来的方法。最终，他决定采用乔治·布尔在《思维规律的研究》中提出的布尔代数。布尔代数将逻辑和推理替换为数学，通过1和0进行逻辑运算。最基本的逻辑运算只需要AND（与）、OR（或）、NOT（非）这3种运算方式就能够表现所有的逻辑。香农打算将布尔代数运用到电子世界中。现在看来这似乎是理所当然的结果，但在当时却是和“哥伦布竖鸡蛋”一样的创意。“1”和“0”在电子电路中就相当于“开”和“关”。假设有两个开关串联在一起，只有当两个开关都是“开”的时候，电流才会通过，这就相当于逻辑运算中的“AND”。假设有两个开关并联在一起，那么任何一个开关为“开”的时候都会有电流通过，这相当于逻辑运算中的“OR”。此外，将电路设计成开关“开”的时候电路断开，开关“关”的时候电路接通的话，就能够表现“NOT”。将以上运算组合到一起，还可以表现“IF-THEN”（如果-那么）。运算使用1和0的二进制数字，结果也用二进制数字表示。二进制数字的全称是“binary digit”，简称为“bit”（比特）。这个说法最早是由美国的统计学家约翰·图基提出的。香农借用了这个名词，认为比特的两个选项（1和0）正是信息的基本单位。
比特如何表示声音的波形
声音是有波形的，用电子的波形对其进行模拟就是模拟电子信号。假设在一个以振幅为纵轴、以时间为横轴的图表上画出模拟信号的波形，要想用比特来表示这个波形，首先需要按照一定的时间间隔确定波形的位置，这项作业被称为取样（sampling）。如果想准确地重现波形，就要尽可能缩短取样的间隔。在这里我们假设对每秒的波形进行8000次取样。接下来，就要确定每个取样点中波形的位置。这项作业只需要测量纵轴振幅的高度即可，这被称为量子化。纵轴上的刻度越多，高度测量得越准。在这里我们假设有0到255个刻度，将波形控制在这个范围之内。假设某样本的高度（量）为220，那么将其转变为二进制就是“11011100”。最大的255则是“11111111”。在这种情况下，因为比特有8个所以被称为8比特。换句话说，8比特就意味着能够表示256种数值（0～255）。再接下来是确定1秒内波形的8000个取样点的量，然后将数值描画在图表上。在整个波形上都完成这项作业之后，我们就能够得到一张由许多个点组成的曲线图，这个曲线图能够比较准确地重现波形原来的形状。值得注意的是，这个曲线图不是连续的，而是由许多个单独的点组成的。与连续的模拟信号信息相比，数字信号信息最大的特点就是不连续、离散。也就是说，由许多个点组成的这个波形不属于模拟信号信息，而是数字信号信息。
大家也要注意“比特”（bit）和“字节”（byte）之间的区别。1个字节是对应8比特信息量的单位，即“1字节=8比特”。一般来说，文件的容量都用字节来表示。比如1MB的文件拥有100万字节，将其换算成比特的话需要乘以8，也就是800万比特。
比特显示图像和视频
比如图片，可以按照一定的纵横比例划分为许多个小方格，确定每一格的颜色和亮度，并将数值用二进制来表示。这样一来，每一格都会拥有一个和其他格不同的独立的特定值。这种不连续的数值就是数字信息；而且，因为是用二进制来表示的，所以也是比特信息。小方格的数量越多，图片的还原度就越高。将这样的图片高速地连续显示出来就是影像。比如，在1秒内连续显示30张通过比特信息表示的图片，随着时间的推移，显示的内容就会逐渐发生变化，我们的眼睛看到的图片就会变成动态的。当然，1秒内显示的图片数量越多，影像呈现的品质就越高。
失真是必然存在的
通过数字信息技术（比特信息技术）对声音、图像以及影像等模拟信息进行复制，无法完全地重现原信息。这是因为数字信息是不连续的，中间的断点会造成信息的缺失。但是，取样和量子化的尺度越精细，数字信息的还原度就越高。
笛卡尔的解决复杂问题的方法
笛卡儿的著作《谈谈方法》。在这部著作中，笛卡儿提出了正确思考的4个规则。第一个是如果无法证明正确，就不能认为其是正确的，也就是著名的“怀疑一切”理论；第二个是在研究复杂的问题时应尽量分解为多个比较简单的小问题分别解决；第三个是将小问题从简单到复杂排列，先从容易解决的问题着手；最后一个是当小问题全部解决后再综合起来进行检验，看是否将问题彻底解决了。
看到笛卡尔，首先想到的笛卡尔几何。其实，对于牛逼的人，方方面面都是牛逼的。
IBM沃森 认为全世界只需要五台计算机
20世纪70年代之前，美国的计算机市场一直被托马斯·沃森率领的IBM所统治。但一开始，沃森认为“全世界对计算机的需求大约只有5部”，所以对开发计算机并不怎么感兴趣。直到第二次世界大战爆发，IBM才参与到计算机领域中来，ASCC马克一号就是IBM出资开发的项目。
他当时为什么会有这个错误的看法？
沃森的错误看法可能源于以下几点：
- 技术限制：当时的计算机是体积庞大、价格高昂的大型机，例如ENIAC占地约167平方米，重达30吨，需要专门的空间和穿白大褂的技术人员维护。这类机器仅适用于政府、大型企业或科研机构进行科学计算，普通人根本无法负担。
- 市场需求认知：20世纪40-50年代，计算机主要被用于军事和科研领域（如弹道计算、人口普查），普通消费者市场尚未形成。沃森作为IBM的领导者，其判断基于当时的客户群体——政府和大公司，而非个人用户。证据显示，他甚至对IBM 701计算机（1953年推出的首款商用科学计算机）的市场预期也仅限20家机构，这进一步表明他对细分市场的保守估计。
- 时代背景：沃森的时代尚未出现晶体管（1947年发明）、集成电路（1958年）等关键技术，这些创新后来使计算机小型化、成本大幅降低成为可能。
- 可能的误引与断章取义（这是一个有故事传播性的误传）： 部分证据表明，沃森的原话可能被简化或曲解。例如，IBM官方解释称，1943年的“五台计算机”说法可能是对1953年股东会议讨论的误传——当时小沃森（Thomas Watson Jr.）提及IBM 701的市场仅限约20家科学机构，而非全球总量。此外，和指出，沃森可能从未直接说过这句话，但这一误传已成为技术预测局限性的经典案例。
此外，提到沃森无法预见晶体管、光纤等技术突破，这些后来极大促进了计算机的小型化和普及。因此，他的预测受限于当时的技术视野。
有时候了解得越是深刻，被束缚得越紧。
产品的差异化很重要
要学习别人，但不要直接与别人抢市场。文学作品也是这样，内容要有差异化。
由于IBM360系统电子计算机大获成功，进入20世纪70年代之后，IBM在商用计算机市场的占有率达到70%。美国数字设备公司（DEC）开发的PDP系列就是其中之一。PDP新开拓出一个被称为迷你计算机市场的领域，其价格也比IBM360系统电子计算机更便宜，所以被很多大学和研究所采用。
这里的 PDP 机器，即是当年诞生UNIX与C语言的摇篮。
- PDP-7：UNIX与C语言的摇篮
在1969年，贝尔实验室的 肯·汤普森（Ken Thompson） 和 丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie） 因Multics项目终止而开始探索新的操作系统开发。他们最初在DEC PDP-7计算机上使用汇编语言编写了UNIX的雏形。这台机器是DEC早期的小型机，仅有12位字长和4KB内存，但其紧凑的设计和低成本（相比IBM大型机）使其成为实验性开发的理想平台。
由于PDP-7的硬件限制，开发过程中需要直接操作底层硬件（如内存地址和寄存器），这迫使汤普森设计了一种更高效的编程工具——B语言（基于BCPL语言）。B语言虽然简化了汇编的复杂性，但仍存在功能局限，例如缺乏数据类型和结构化的控制流程。
- PDP-11：C语言与UNIX的成熟平台
1970年，贝尔实验室升级到PDP-11/20（从来看，PDP-11/20确实是DEC推出的一个具体型号，属于PDP-11系列的首款机型。后来的11/45是升级型号），这台16位计算机的架构（如通用寄存器、灵活寻址模式）显著提升了性能。里奇在B语言基础上，针对PDP-11的硬件特性（例如字节寻址能力）重新设计了C语言，并于1972年完成了首个C编译器。C语言的关键创新包括：
- 数据类型系统：支持整型、字符型和指针，便于直接操作硬件。
- 结构化编程：通过函数和代码块实现模块化设计。
- 可移植性：编译器生成的中间代码适配不同架构。
UNIX操作系统的核心功能（如文件系统和进程管理）也在此时期用C语言重写，取代了原先的汇编代码。这一决策使得UNIX能够跨平台移植，例如1973年成功迁移到PDP-11/45，并逐渐成为学术界和工业界的标准操作系统。
内存的升级也促进了语言向可移植发张
PDP-11/20最初定价较高（约1.8万美元），主要面向科研机构和大型企业。PDP-11/20的物理地址空间为256KB，但由于UNIBUS总线仅使用16位寻址（实际总线支持18位，但未充分利用），其直接访问内存上限为56KB（基本配置）或64KB（理论最大值）。
电子设备在一开始都是比较贵的。
- 1970年代标准家用有线电话机约30-80美元，但通常由运营商（如AT&T）以租赁形式提供（月租费约5-10美元）。
- 1970年晶体管收音机：约20-50美元（低端便携式）至100-200美元（高端立体声收音机）。
- 1971年推出的Busicom LE-120A（第一台手持电子计算器）售价240美元（2023年约合1,400美元），到1980年价格暴跌至10美元（考虑通胀后仍大幅下降）。
- 21英寸彩色电视：约500美元（2023年约合3,300美元）。
对比来看，两万块的 PDP 还是贵，一般人玩不起。