什么是“计算机之父”？他发明了什么？
通常被誉为“计算机之父”的是19世纪英国的数学家、发明家、机械工程师查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）。他并非发明了我们今天使用的电子计算机，而是在1830年代构思并设计了一种称为“分析机”（Analytical Engine）的机械式通用计算装置。在此之前，他还设计了差分机（Difference Engine），一种用于自动计算多项式并消除人工计算误差的专用机械装置。
分析机是巴贝奇最重要的概念发明，因为它包含了现代计算机的许多基本组成部分：存储器（Store）用于存放数字，运算器（Mill）用于执行算术运算，控制单元（Control）用于确定操作顺序，以及输入（Input）和输出（Output）机制。尽管在他生前分析机未能完全建成，但其设计理念远远超越了时代。
巴贝奇为什么被称为“计算机之父”？他试图解决什么问题？
巴贝奇之所以获得“计算机之父”的称号，主要是因为他的分析机设计。在那个时代，复杂的数学和导航表格（如对数表、三角函数表）是手工计算的，过程中极易出错。这些错误可能导致工程项目失败、船舶导航错误甚至灾难。巴贝奇首先设计差分机是为了自动且无误地计算这些表格，直接将结果印在铜板上以防止抄写错误。
而分析机的伟大之处在于其通用性和可编程性。巴贝奇不仅想制造一个能自动计算特定函数的机器，他还想制造一个可以执行*任何*算术计算序列的机器，其操作可以通过外部指令（打孔卡片）来改变。这种将程序（指令）与数据分离，并允许机器根据程序执行不同任务的思想，是现代计算机体系结构的基石。尽管是机械式的，但分析机在概念上实现了图灵完备性（Turing Completeness）所需的许多特征。因此，他被称为“计算机之父”是因为他首次提出了现代计算机的核心概念，而不仅仅是简单的计算工具。
分析机是如何设计的？它依靠什么原理工作？
分析机完全是一种机械装置，其工作原理基于齿轮、杠杆和轴的精密协同。它的设计极其复杂，主要组成部分如下：
- Store（存储器）： 这相当于现代计算机的内存，由一排排的计数轮组成，每个轮子可以存储一个数字。设计容量预计可以存储1000个50位长的数字。
- Mill（运算器）： 这是机器进行加、减、乘、除等算术运算的部分，类似于现代CPU。数字会从Store传输到Mill进行计算，然后结果再送回Store。
- Control（控制单元）： 这是最革命性的部分，负责指挥Mill和Store按正确的顺序执行操作。巴贝奇计划使用类似提花织布机（Jacquard loom）的打孔卡片（Punched Cards）系统来输入指令（操作卡）和数据（数字卡）。不同的打孔模式代表不同的指令或数字，机器会读取卡片上的孔来控制其内部机构的动作。
- Input/Output（输入/输出）： 数据和指令通过打孔卡片输入，结果可以通过打孔卡片或自动打印机输出。
整个机器的运转将由一个主计时机构控制，通过凸轮和杠杆驱动各个部件精确同步地运动。每一次算术操作（如加法）都需要齿轮转动和机构联动来完成。这是一个庞大而精密的机械交响乐设想。
巴贝奇在哪里设计和建造他的机器？现在可以在哪里看到它们？
查尔斯·巴贝奇生活在19世纪的英国（1791-1871），他的大部分设计和初步的建造尝试都是在伦敦进行的，主要在他自己的住所或与合作的工程师和工匠一起进行。
然而，由于技术的限制（当时无法制造出足够精密和一致的机械零件）以及资金和管理上的困难，巴贝奇在生前并没有完全建成任何一台完整的差分机或分析机。
直到20世纪末和21世纪初，基于巴贝奇在1847-49年设计的差分机二号（Difference Engine No. 2）的图纸，英国伦敦科学博物馆（Science Museum, London）的工作人员使用19世纪的技术和公差，成功建造了一台完全可以工作的差分机二号及其配套的打印机。这台机器证明了巴贝奇的设计在理论上是可行的，并且如果当时的工程技术能够达标，它是可以被建造出来的。
你可以在伦敦科学博物馆看到这台令人惊叹的差分机二号的复制品（以及巴贝奇的一些原始部件和更小型的实验模型），这被认为是目前最接近看到巴贝奇设想的机器工作的机会。分析机由于更为复杂，目前还没有建成完整的物理模型。
巴贝奇的机器设计有多复杂？它需要多少部件？需要多少钱？
巴贝奇的差分机二号设计包含了大约8,000个独特的机械零件，总共有约25,000个零件，重达数吨。建造伦敦科学博物馆的那台机器花费了近17年时间，其复杂性和所需的工程精度可见一斑。
分析机的设计则更为庞大和复杂。虽然没有完整的最终图纸，但据估算，一台完整的分析机可能需要数百万个精密加工的机械零件。它的物理尺寸会非常巨大，可能占据一个大房间。
至于成本，巴贝奇在差分机项目上获得了大量的政府资助，但由于项目进展缓慢、设计变更频繁以及制造困难，最终政府撤回了资助，花费巨大但机器仍未建成。分析机主要停留在设计阶段，巴贝奇自己投入了大量的时间和金钱，但从未获得足够的外部资金来完成如此巨大的工程。如果要在19世纪建造一台完整的分析机，其成本将是天文数字，可能相当于当时国家预算的一大部分。这也是它未能建成的重要原因之一。
艾达·洛芙莱斯是如何与巴贝奇的机器联系在一起的？她“如何”做出了贡献？
在讨论巴贝奇的分析机时，不得不提奥古斯塔·爱达·金，洛芙莱斯伯爵夫人（Augusta Ada King, Countess of Lovelace），通常被称为艾达·洛芙莱斯（Ada Lovelace）。她是一位数学家，也是诗人拜伦勋爵的女儿。
艾达·洛芙莱斯在1840年代与巴贝奇合作，她翻译了一篇关于分析机的法文文章，并在翻译的基础上增加了自己的大量“笔记”（Notes）。这些笔记不仅详细解释了分析机的工作原理和潜在能力，更重要的是，她深入理解了机器的通用性。她预见到分析机不仅可以用于纯粹的数值计算，还可以处理其他类型的信息，如音乐、文本和图像，只要这些信息能够被编码成数字形式。
在笔记中，艾达为分析机编写了一个计算伯努利数的算法，这被认为是历史上第一个为机器设计的算法，因此她被广泛认为是第一位程序员。她详细描述了如何使用打孔卡片来“编程”分析机执行这个复杂的数学任务，展示了循环（loops）和子程序（subroutines）等现代编程概念的雏形。
“我们也许可以说，分析机织出了代数模式，就像提花织布机织出了花朵和叶子一样。” – 艾达·洛芙莱斯，她的这段著名引述形象地说明了她对机器可编程性的理解。
因此，艾达·洛芙莱斯的贡献在于她深刻理解并阐释了分析机的潜力，特别是其可编程性和超越纯粹计算的通用性，并通过具体算法展示了“如何”对机器进行编程，为未来的计算科学奠定了理论基础。
为什么巴贝奇的分析机在当时未能建成？
尽管巴贝奇的设计极具前瞻性，分析机在他生前未能建成是多种因素共同作用的结果：
- 技术限制： 19世纪的精密机械加工技术无法达到建造分析机所需的精度和一致性。需要制造数百万个误差极小的齿轮、轴和连接件，这是当时工业能力难以企及的。
- 资金问题： 差分机项目耗费巨大且未能完成，导致政府失去了信心并撤回了资助。分析机项目更加庞大，巴贝奇主要依赖自费和一些私人支持，资金始终是巨大的瓶颈。
- 巴贝奇的个性： 巴贝奇是一位完美主义者，他不断地修改和改进设计，这使得建造工作难以跟上，也增加了成本和复杂性。
- 管理和沟通： 协调大量的工匠和工程师进行如此复杂的项目管理难度巨大。巴贝奇与他的首席工程师约瑟夫·克莱门特（Joseph Clement）之间的冲突也阻碍了进展。
- 时代的局限性： 当时只有极少数人真正理解分析机的革命性意义，社会和科学界的主流并没有充分认识到其价值，缺乏广泛的支持。
这些因素综合导致了巴贝奇的宏伟设想未能在他有生之年完全实现。直到一个世纪后，随着电子技术的发展，他的设计理念才被重新发现并应用，最终促成了电子计算机的诞生。
