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第9章 电子仪器设备(3)

微处理器问世

自I4004问世以后,微处理器又经历了几次较大的改进,英特尔公司则大发其财,欢度着黄金般的岁月。这使得美国、日本的许多公司十分羡慕,纷纷投入力量进行研制。与此同时,大规模集成电路的集成度也提高得很快,微型化晶体管数超过1万的芯片称为超大规模集成电路,到1978年,一个芯片上包含的微型化晶体管数已达到100万个。这对于制成“功能更强大”的微处理器客观上创造了有利条件。有人说,微处理器发明的重要意义超过了上一世纪作为交通大动脉的铁路建设,也超过了20世纪的现代化代步工具——汽车的广泛使用。

还在微处理器问世后不久,英特尔公司总裁戈登·穆尔指着它向客户宣布:“如今,我们公司可以生产微处理器芯片了。它可以有几千种不同的用途。”下面几项大家熟悉的产品都用到微处理器:个人电脑(即通常所说的“微机”)、电子游戏机、电子表、袖珍计算器……微处理器的应用极其广泛,如今,彩电、录像机等高档电子产品已大量地进入寻常百姓家,而且不少是遥控的。夏天,我们可以舒适地仰坐在躺椅上,冬天躺在暖和的被窝里,只要轻按身边小小的遥控器,就能想看什么节目就看什么节目。这种深受广大用户喜爱的高新技术产品,其关键就在于遥控器中有个微处理器。

又如微波炉,老式的定时器功能有限,每次至多用15分钟,超过此限定时就不准确了。而微处理器用电子接触键盘和数字显示器代替老式的按钮和旋钮,可以准确测定各种食物的烧煮时间,按程序连续操作,大受顾客欢迎。

其他如电子天平、程控电话、数控机床等等,也都是使用了微处理器的结果。

由于生产工艺、技术的改进,微处理器的价格十分低廉。这也是它易于得到广泛应用的有利条件之一。I4004的价格起初是400美元左右,现在用2美元就可以买一个功能比它强得多的微处理器。

历史上曾经有过两次大规模的产业革命。第一次是由蒸汽机的发明带动起来的;第二次是由电力的广泛使用造成的。有人说,电子计算机的问世标志着第三次产业革命的开始。实质上,第三次产业革命是由微处理器的发明和应用带动起来的。霍夫被著名的英国《经济学家》杂志称为第二次世界大战以来最有影响的七位科学家之一。过去,各种类型的计算机虽也造了不少,但毕竟数量有限,其影响从来没有微处理器这样深入和广泛。小小的微处理器可以大量生产,价格又很便宜,就像花草的种子一样撒得铺天盖地,今天的人们或多或少都得与电子产品打些交道,或多或少都得与计算机有些关系。

以往的技术革命基本上是耗能型的,需要消耗大量的石油和煤,这次技术革命是节能型的,对于当时西方国家克服“石油危机”起了很大的作用。

以往的技术革命往往是用机器代替人干活,而这次技术革命侧重用电脑代替人脑的劳动。对于第三次产业革命,我国政府给予高度重视,认为这既是一次挑战,也是一次难得的机遇,并研究制订了许多积极而富有成效的对策。

电子计算器的诞生

电子计算器,你们一定都很熟悉吧!在今天所有的计算工具里,使用人数最多的恐怕就数袖珍电子计算器了。它价格低廉,使用简便,易于携带,因此几乎家家户户都有。

通常人们所说的电子计算器,实际上是袖珍电子计算器的简称,它是人们进行算术运算及初等函数运算的好帮手。不仅银行的会计、商店的营业员、个体户商贩离不开它,就连一些上街购物的顾客,也经常随身携带。计算器也是学习的好帮手,除低年级学生由于需要大量练习算术运算,不宜使用计算器外,一些已经具备较高计算能力的高年级学生,练习计算已不是他们的主要任务,碰到某些耗时较多的繁杂运算,可以借助于计算器加快计算速度,以节省时间,把更多的精力放到理解和思考上去。

广义地说,袖珍电子计算器其实也是微型电子计算机的一种特殊类型,它与一般通用计算机的主要区别在于程序输入方式的不同。计算器的程序一般都已经固定,只需按键输入数据和运算符号就会得出结果,就是小学生也能掌握。而一般计算机的程序可以根据需要随时改动,或重新输入新的程序。

计算机(英语叫Computer)与计算器(英语叫Calculator)在汉语中仅有一字之差,汉语中“机”和“器”也没有严格的界限,只是不同的地方会有不同的叫法。在香港、台湾、新加坡等地,还有多数海外华人把计算器也叫做“袖珍计算机”。我们称为计算机的,他们叫做电脑。大家可不要把它们混淆起来了。

电子计算机诞生前,人们常用的计算工具是计算尺、算盘、手摇计算机。

电子计算机问世后,老式的计算工具都黯然失色,不过它价格昂贵,用它解决普通计算问题真是“用牛刀杀鸡”,大材小用了。

电子计算机使用时要编写程序。但如果很简单的问题都得编写程序的话,那就成了一种不堪忍受的负担。怎样才能设计出一种新式计算工具,用来代替计算尺、算盘和手摇计算机进行各种算术运算,而又不必每次都编写程序呢?为此,很多人都作过努力。

现代电子计算器首次问世是1963年。那时的计算器是台式的,在美国波士顿的电子博览会上展出过。与计算机相比,它小巧玲珑,计算迅捷,一般问题不必事先编写复杂的程序。它在当时也不算贵,标价为5000美元。从此以后,电子计算器便如雨后春笋般发展起来。

美籍华人王安也注意到了波士顿展览会上的台式电子计算器,以及后来市场上出现了的一些其他牌号的台式计算器。这些计算器的特点是:能够解决的问题越是复杂,就越笨重,而且速度也太慢了。王安经常琢磨着怎样对这些计算器加以改进。经过一段时间的研究,他找到一种只需几个步骤就能得出对数进行乘除运算的方案。就这样,王安发明了“对数计算器”——这是他自己起的名字。

王安的对数计算器可装在桌面上,每台6500美元,可以进行加减乘除四则运算,以及开方、乘方运算。使用时方法很简单,只要按动几个键就可以了。1964年10月29日,王安提出专利申请;1965年,王安公司向市场推出台式对数计算器;1968年获得了专利权。这种计算器在当时新奇、时髦,成为该公司最重要的收入来源。

1958年,基尔比发明了集成电路。凡是用晶体管的电子产品,他当然都会考虑怎样换上集成电路使之升级换代。他留心到了计算器,这些晶体管型的台式计算器存在一些缺点:体积大,笨重,运算速度不够快,而且稳定性差等。曾经有过这样一个有趣的故事:

王安公司的对数计算器不仅在美国受欢迎,而且远销其他国家。法国全国铁路公司用它解决复杂的时刻表编排问题,不久,发觉这种计算器计算不准确。王安公司在法国的分公司接到紧急电话以后,不敢怠慢,立即派了两位水平很高的工程师去解决问题。他们检查了几天,还是没有发现什么毛病。

这到底是怎么回事呢?出于工作的责任心,两位工程师在一天的凌晨四点去了办公室,想查它一个水落石出。

到了那里一看,天哪!那台对数计算器已被关上,这正是出售这种计算器时告诫用户要防止出现的事情。因为其中用了磁芯存贮器,而这种存贮器在低温和高温下都会失灵。夜晚和凌晨,那里的温度很低,这正是造成计算器失灵的原因。

两位工程师临时变成侦探,一直等到早晨七点,一个工人进入办公室,依次打开了电灯、暖气和对数计算器。工程师走上前去问他干什么?他回答说,这里工作的工程师都疯了,下班以后居然开着灯、暖气和计算器就走了,铁路公司哪有那么多钱供他们这样浪费!

这个故事表明,当时的计算器娇嫩,难侍候,可靠性差,还需要用户懂行。正是在这样的背景下,德克萨斯仪器公司经理基尔比动手研制新式计算器。他利用中、小规模集成电路,筹划着每个元件的排列,尽力节省每平方毫米的“地盘”。终于在1966年,他发明了集成电路计算器。

当时的计算器除了四则运算、乘方、开方以外,还能进行初等函数运算。

直到1969年,美国市场上才出现最早的可编程序计算器。同年,日本人采用金属氧化物半导体的大规模集成电路技术制成低成本的多功能计算器,与美国的电子计算器工业争夺市场。1971年霍夫发明了微处理器,开始时用它来装备商事公司的计算器,可惜日本人一时未给予足够重视。美国人借此机会改进原有的设计,在计算器中广泛用上微处理器。只要给一二块芯片组成的微处理器添上键盘和显示器,就可以作为新型计算器工作。1972年,美国的惠普公司首先生产HP35型可编程计算器,这是一种单片式袖珍电子计算器。(由于微处理器通常由一二片大规模或超大规模集成电路芯片构成,所以也有人把它叫成单片式计算机,或者更简单地叫成单片机)现今的计算器体积越来越小,可以像手表一样戴在手上,也可以像薄纸一样夹在书里。它们价格低廉,耗电很少。液晶显示的计算器耗电仅为万分之几瓦,两节小电池可用上几年。有的干脆改用太阳能电池,只要有蜡烛的光亮它就能正常地工作。

电子计算器的功能愈来愈多,有的可以记录电话号码,有的可以计时或当闹钟用,有的还能翻译外语单词,当辞典用。简易计算器主要用于加减乘除;科学计算器,又增添了初等函数运算(有的还带有数据总加、求平均值等统计运算)。比较高级的是可编程计算器、用它可以编写一定步数的程序,这与计算机已经很相似了。

个人电脑

键盘、主机与终端显示器(像电视机的显象管那样),组成了一台台个人电脑,就是人们通常所指的“微机”。为什么要把“微机”叫做“个人电脑”呢?因为过去常见的(大、中、小型)计算机体积大、售价昂贵,不适宜存放家中;而微机可以放在普通的写字台上使用,许多美国家庭都买得起,因此得了“个人电脑”这个名字,“微机”则是它的俗称。

现代的个人电脑通用性很强,其功能已与过去的大、中、小型计算机一样,可以完成科学计算、数据处理、辅助设计、模拟教学等一系列工作。此外,它还能当电子游戏机玩。

个人电脑的发展速度极快,以锐不可挡之势迅速取代以往的小型、中型、甚至某些大型计算机,广泛深入到工矿企业、机关学校、商店家庭等社会各个角落。

个人电脑是由两位硅谷的年轻人在业余时间发明的,这里面还有不少有趣的故事呢。

20世纪60年代末一个风和日丽的清晨,在美国硅谷一所普通的中学校园里,一天的学习生活即将开始。詹姆斯校长像往日一样,习惯性地巡视各个教室。

突然从教室里跑出一个神色慌张的学生。

“校长,我们班级内发现一包异物。”

“走!进去看看。”詹姆斯校长跟随他走进教室。一张课桌的抽屉大开着,里面有一包东西。校长谨慎地将它取出,沉甸甸的。这是什么呢?几十名学生都投来惊奇的目光,教室里一片寂静,紧张得叫人透不过气来。

“滴嗒滴嗒……”包里发出有节奏的响声清晰可辨。

“不好,可能是……”詹姆斯校长捧起这包东西,一个箭步跨出门外,向着操场奔去……“定时炸弹!”一个同学情不自禁地叫嚷起来,大家的脸顿时失色,喧闹声、尖叫声响成一片。有几个血气方刚的男同学,被老校长的忘我精神所感动,也由于好奇心驱使,紧随校长身后冲了出去。其他班级的同学闻声而动,整个校园一片嘈杂和混乱。

“别过来!”校长回头对身后的几名男生厉声“命令”着,然后快步向操场中央跑去。他小心翼翼地将这个“危险家伙”放在地上,然后迅速撤离。

同学们有的隐蔽在钢筋水泥柱子后面,有的就地卧倒,刹那间,校园里笼罩着一片紧张气氛。

一分钟过去了,“炸弹”没有响;五分钟过去了,操场上仍然没有动静。

是谁这样搞恶作剧呢?!

“哈哈哈!”走廊里传来了一阵得意洋洋的笑声。一个还有几分稚气的男孩笑嘻嘻地走了过来。

“对不起,校长!那不是定时炸弹。那是我做的一个电子节拍器。”他解释道。

“什么?你怎么能开这样的玩笑!简直无法无天!”校长火冒三丈,他确实被激怒了。

这个顽童不是别人,就是后来享誉全球的苹果电脑公司的创始人之一,苹果个人电脑的设计者史蒂夫·格·沃兹尼克。他的朋友都爱叫他“沃兹”。

在怒不可遏的校长面前,沃兹意识到自己的祸闯大了。学校对他作出严肃的处理决定,勒令停课两天,以儆效尤。

中学时代的沃兹虽然顽皮,可聪颖过人,学习成绩出众,他最感兴趣的是电子学。人说天才出自勤奋,此话不假,沃兹确实很勤奋。不过他不爱照章办事,他的勤奋往往表现在“玩”字上。他的“玩”法也与众不同,他常常挖空心思,别出心裁地想出一起恶作剧。像刚才这类恶作剧他已经设计过不止一次了,只是没有产生过这么大的“轰动效应”而已。他设计恶作剧的手法“高明”,绝大多数都是“技术型”的,所以一般不会被人捉住,这也使他越来越“胆大妄为”。

沃兹的电子学老师约翰·麦卡勒姆可说是慧眼识英才。就在沃兹这次搞恶作剧“臭名远扬”之后,他感到沃兹应该有“发泄能量”的地方,他的“能量”太大了,学校的课程不够他“消化”,提不起他的劲头。麦卡勒姆老师想到了电子计算机,对!电子计算机世界里有许多有趣而棘手的问题,够他费脑筋的了。在硅谷,各类电子公司比比皆是。麦卡勒姆老师找到附近的西尔瓦尼亚电子公司,与他们达成一项协议——让沃兹每周到那里去操作几次计算机。就这样,沃兹“因祸得福”,从此与电子计算机结下了不解之缘。

在西尔瓦尼亚公司,沃兹大开眼界,他第一次看到一台真正的电子计算机。这是一台型号为“PDP8”的小型机,不仅能用于计算,还能用于绘制各种图形,打印各种表格。沃兹一下子就被迷住了,只恨自己来得太晚。他将自己的全部精力都投入进去,学会了编写各类程序,也对计算机的硬件结构作了深入研究。

中学毕业后,沃兹以优异的成绩考入科罗拉多大学。在大学里,沃兹仍旧爱“玩”。他设计过一个干扰电视机收视的装置,别人被弄得哭笑不得。

他也喜欢挖空心思设计各种新型计算机,有时打桥牌直至深夜,生活上不拘小节。

当然,计算机光有纸上设计是不行的。1971年夏天,他找到中学时代的老朋友费尔南德兹,准备利用暑假进行电子计算机的研究和制作。他们设法搞到了硅谷工厂生产的因外形缺陷而处理的廉价零件,动手干了起来。费尔南德兹的起居室成了实验室。沃兹利用现有的零件进行设计。不到一星期,就拿出了“神秘”的图纸。他对费尔南德兹说:“这就是我们要做的计算机,现在动手安装吧。”

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