學習目標
- 了解繼電器的基本原理和構造
- 認識早期繼電器計算機的發展
- 理解電磁開關在計算機發展中的重要性
- 探索從機械到電子的轉變過程
什麼是繼電器？
想像一下，如果你能用一個小開關來控制另一個大開關，這樣是不是很方便？ 繼電器就是這樣的神奇裝置！它是一種用電磁原理控制的開關， 在20世紀初期的電話系統和早期計算機中扮演了重要角色。
⚡ 繼電器的工作原理：
- 電磁鐵：當電流通過線圈時，產生磁場
- 吸引作用：磁場吸引金屬片（電樞）
- 開關動作：電樞移動，接通或斷開另一個電路
- 咔咔聲：電樞移動時發出的機械聲響
繼電器的優點
- 放大作用：小電流可以控制大電流
- 隔離保護：控制電路和被控制電路分離
- 可靠性：比當時的真空管更可靠
- 雙態特性：只有開或關兩種狀態，適合數位計算
第一台繼電器計算機：Z3
1941年，德國工程師康拉德·楚澤（Konrad Zuse）完成了世界上第一台完全可程式化的繼電器計算機—Z3。 這台機器使用了大約2600個繼電器，標誌著電子計算時代的開始。
🖥️ Z3計算機的特點：
- 使用繼電器：約2600個繼電器作為開關
- 二進位系統：使用0和1的二進位數字系統
- 可程式化：能夠執行不同的程式指令
- 浮點運算：能進行小數點運算
- 運算速度：每秒約20次運算
IBM的繼電器計算機
在美國，IBM也在1940年代開發了多台繼電器計算機， 其中最著名的是Harvard Mark I（正式名稱：IBM ASCC）。
Harvard Mark I的規格
Harvard Mark I (1944)：
- 繼電器數量：約3300個
- 尺寸：長15公尺，高2.4公尺
- 重量：約5噸
- 運算速度：加法需要0.3秒，乘法需要6秒
- 程式輸入：使用打孔紙帶
繼電器的限制
雖然繼電器為早期計算機的發展做出了重要貢獻，但它們也有明顯的限制：
速度限制
- 機械動作：繼電器需要物理移動，速度有限
- 切換時間：每次開關大約需要1-10毫秒
- 頻率限制：無法進行高頻率的快速切換
可靠性問題
- 機械磨損：長期使用會導致接點磨損
- 接觸不良：灰塵和氧化可能造成接觸問題
- 噪音干擾：「咔咔」聲在大型系統中會很吵
🐛 第一個「電腦bug」
1947年，格蕾絲·霍普（Grace Hopper）在Harvard Mark II繼電器計算機中發現了一隻卡在繼電器裡的飛蛾， 導致計算機故障。她把這隻蟲子貼在日誌上，並寫道「第一個真正的bug」。 從此，「bug」就成了電腦故障的代名詞！
繼電器邏輯運算
繼電器的重要性不只在於它是一個開關，更在於它能夠實現邏輯運算：
基本邏輯閘
用繼電器實現邏輯運算：
- AND閘：兩個繼電器串聯，都通電才輸出
- OR閘：兩個繼電器並聯，任一通電就輸出
- NOT閘：常閉接點，通電時反而斷開
繼電器的歷史意義
繼電器計算機雖然很快就被真空管和電晶體取代，但它們的歷史意義重大：
- 概念驗證：證明了電子開關可以用於計算
- 二進位系統：確立了二進位數字系統的重要性
- 邏輯運算：展示了如何用物理器件實現邏輯運算
- 程式化控制：發展了程式控制的概念
- 系統架構：為後來的電腦架構設計奠定基礎
思考問題：如果繼電器技術持續發展，沒有被真空管取代， 你覺得現在的電腦會是什麼樣子？
小結
繼電器時代雖然短暫，但卻是電腦發展史上的重要階段。 它們帶著「咔咔」的聲響，開啟了電子計算的新紀元。 雖然速度慢、體積大，但繼電器計算機證明了用電子開關進行計算的可行性， 為後來的真空管和電晶體計算機鋪平了道路。
在下一節課中，我們將看到真空管如何取代繼電器， 讓計算機變得更快、更可靠，也更安靜！