计算机历史

考古"有了"：一台每秒30次运算的计算机是如何被组织起来的？

引言

1958年8月1日，在北京中科院计算技术研究所，一台占地数十平方米、由约800个电子管和约2000个二极管组成的庞大机器成功完成了一小段程序的运行。这台机器就是中国第一台通用电子数字计算机，最初命名为八一型计算机，后称103型计算机（103机）。它参照苏联小型通用机M-3仿制改进而来。

中国科学院官方记载了一个生动的细节：当机器调试成功时，时任中国科学院党组书记、副院长张劲夫在现场按捺不住内心的喜悦，风趣地给这台机器取了个小名——“有了”。中国从此”有了”计算机。

103机参照苏联小型通用机M-3仿制改进而来，由中科院计算技术研究所与北京有线电厂（国营738厂）等单位合作研制。该机采用电子管线路，主存容量1024字（磁鼓），字长30位，每秒可进行30次运算。103机的研制成功，标志着中国计算机工业的开端。

那么，这样一台”慢”到极致的机器，究竟是如何被组织起来的？

103_pana_compressed

图1 103计算机照片 注：来源于极客逻辑的《也许这是有史以来最清晰的103机的照片了》

一、宏观架构：从冯·诺依曼到中国实践

103机是一台严格的冯·诺依曼体系结构计算机，其组织结构可以概括为五大部件。

1. 运算器（算术逻辑单元）

103机的运算器由电子管（真空管）构成，专门负责加减乘除四种基本运算。M-3/103机的运算逻辑参照了苏联的设计，其核心是一个串行运算单元——每次处理一位二进制数，通过多个时钟周期串联完成完整字长的运算。

运算器内部包含：

  • 加法器
  • 寄存器组（包括A寄存器、B寄存器、C寄存器等）
  • 移位电路

2. 控制器

控制器从磁鼓存储器中逐条取出指令，解码后发出控制信号。一条指令的执行分为八个步骤（拍），通过脉冲分配器协调时序：

  1. 指令地址从启动寄存器→选择寄存器，脉冲分配器将读信号送至磁存储器控制线路
  2. 指令从磁鼓读出到寄存器C
  3. 启动寄存器加1（为下一条指令做准备）；操作码部分→操作部件，第一地址→选择器
  4. 第二地址→选择寄存器；第一个数由磁鼓→C寄存器
  5. 第一数从C寄存器→A寄存器
  6. 第二个数由磁鼓→C寄存器
  7. 第二个数从C寄存器→B寄存器
  8. 局部程序发生器发送脉冲序列到运算器执行运算，结果按地址写入磁鼓

这些步骤在今天看来无比繁琐，但这就是当年一台计算机完成一次加法所需经历的完整路径。

3. 存储器

103机的存储器分为两级：

  • 内存储器（主存）：最初采用磁鼓存储器。磁鼓是一个表面涂有磁性材料的旋转圆筒，通过磁头读写数据。磁鼓转速为3000转/分，平均读取时间10微秒，写入密度3.2脉冲/毫米。初始容量为1024个字（约4KB），每字32位。后期可选配CX-1型磁芯存储器，容量扩大1倍，速度从每秒30次提升至上千次。

  • 外存储器：早期103机仅有磁鼓，DJS-1型号起增加了磁带机扩展外存。

1024个字是什么概念？ 一页A4纸的纯文本大约有3-4KB。也就是说，初期的103机内存只够存放一页文字。

4. 输入设备

  • 五单位纸带阅读机：程序和数据事先在纸带上穿孔（有孔代表1，无孔代表0），通过光电阅读机读取。
  • 控制打字机：由苏联五单位F50型收发电传机改装，用于操作员与机器的低速交互。

5. 输出设备

  • 行式打印机：将结果打印在纸带上。
  • 纸带穿孔输出机：用于保存中间结果。

二、微观组织：指令系统与数据通路

指令格式（据GitHub开源硬件/模拟器项目还原）

103机共有64条指令（操作码00~77，八进制），采用双地址指令格式。一条完整的指令字长为30位，格式如下：

字段 宽度 说明
操作码（ОП） 6位（00~77八进制） 64种指令
第一地址（А1） 12位（0000~7777八进制） 第一个操作数地址
第二地址（А2） 12位（0000~7777八进制） 第二个操作数地址

以Oct Verilog硬件描述语言实现的计算机核心模块中，6位操作码信号定义为 [5:0]，地址信号定义为 [11:0]，数据通路定义为 [29:0]（30位）。

GitHub上的测试程序以如下格式表示指令：

1
2
0000@ +00 3000 3001
0001@ +45 3001 3001

其中 0000@ 为八进制地址，+00 为八进制操作码，3000 和 3001 分别为两个八进制地址。

据Verilog源代码分析，103机支持以下运算类别：

  • 加法（ADD）、减法（SUB）、乘法（MUL）、除法（DIV）
  • 逻辑与（AND）
  • 数据传送（MOV：C→A、C→B、B→C、存贮器→C）
  • 移位（左移、右移）
  • 输入输出（I/O）
  • 清除（CLEAR A、CLEAR B、CLEAR C）
  • 求反（NOT A、NOT B）
  • 绝对值控制

字长与数据格式

103机采用30位字长（其蓝本苏联M-3为32位，103机调整为30位），其中：

  • 1位符号位（正/负）
  • 29位数值位

数据以定点数形式存储，数值范围在[-1, 1)之间的小数范围。这意味着要处理大于1的数字，程序员必须手动进行比例因子（scaling）管理——这在今天完全不可想象。

磁鼓存储器参数

参数 数值
类型 磁鼓存储器
容量 1024字（初始），后期可选配CX-1型磁芯存储器
字长 30位
转速 3000转/分
平均读取时间 10微秒
写入密度 3.2脉冲/毫米

三、物理组织：一间屋子就是一台电脑

占地与规模

103机的主机部分由多个大型机柜组成，总占地面积约40平方米。它包括：

  • 运算器与控制器的电子管机柜
  • 磁鼓存储器机柜
  • 电源机柜（整流器、稳压器）
  • 控制台（操作面板，带指示灯、开关、按钮）

电子管与元器件

据中科院官方资料，苏联M-3原型机约使用800个电子管、2000个氧化铜二极管、10000个阻容元件，分装成400个插件插入3个机柜，全机约有10000个接触点和50000个焊接点。103机在仿制过程中将氧化铜二极管换为性能更稳定的晶体二极管。

早期版本的八一型/103型计算机使用了700多只电子管（与M-3相近），央视报道提到的”近四千个半导体锗二极管和八百个电子管”应为103机采用晶体二极管后的配置。后期DJS-3型的磁芯存储器单独使用了376只电子管和424只晶体二极管。

功耗

103机的功耗未见明确的公开数据，但参照同类电子管计算机（如苏联M-3约30-40千瓦），其功率应在数十千瓦级别。这些电能大部分转化为热量散发出去，因此机房需配备专门的通风或冷却系统。

机房环境

当时的计算机房是一个需要穿白大褂、换拖鞋才能进入的洁净空间，需要保持恒温。操作员站在控制台前，通过一排排指示灯观察机器状态，通过拨动开关和按钮进行控制。

四、编程：面对裸机

机器语言编程

103机没有操作系统，没有汇编器，没有编译器。程序员在纸上写出指令序列后，需要在五单位纸带上手动穿孔，然后交给操作员上机运行。

调试方式

调试程序是物理层面的。如果程序出错，操作员会：

  1. 从纸带机上读回程序检查是否存在穿孔错误
  2. 在控制台上单步执行每条指令
  3. 观察指示灯检查哪一步的结果出错
  4. 如果怀疑硬件故障，需要逐个测试电子管

五、那些”八一型”之后的故事

研制时间线（据中科院官方资料及公开文献）

年份 事件
1952年 华罗庚从清华大学物色闵乃大、夏培肃、王传英3位青年学者，组建计算机研究小组
1956年 “十二年科学规划”将计算技术列为57项重大科技任务之一，同时与半导体、自动化、无线电电子学并列为”四项紧急措施”；6月，计算所筹备委员会成立，华罗庚任主任
1956年9月 中国派出高级专家考察团赴苏联考察计算机技术
1957年4月 何绍宗作为郭沫若代表访苏，获得M-3图纸资料
1957年11月 计算所在西苑旅社宣布M-3工程组成立，莫根生任组长、张梓昌任副组长
1958年1月 计算所中关村科研楼落成，工程组分设电源、运算器、控制器、磁鼓、输入输出5个小组
1958年5月31日 凌晨2时全部完工，经通铃检查确认连线焊接全部正确
1958年7月 完成调机，比原计划提前5个月
1958年8月1日 八一建军节当天试算成功，宣布中国第一台计算机诞生，命名为八一型计算机
1959年 北京有线电厂开始小批量生产103机
1960年 上海有线电厂投产；研制成功CX-1型磁芯存储器，速度提升至每秒上千次；7-8月因质量不稳定停止对外供应
1961年 质量整顿后通过生产鉴定，改名DJS-1型计算机
1965年 全面升级后通过鉴定，命名DJS-3型计算机
1966年2月 晶体管计算机上马，第一代电子管计算机生产画上句号

产量

据中科院官方资料记载，从1958年起103机迭代DJS-1、DJS-3两代，先后生产了40多台，供全国用户单位使用。另据档案资料统计，103系列（含八一型、103型、DJS-1、DJS-3）共计生产49台，其中北京有线电厂生产18台103型，上海有线电厂生产7台DJS-1后续版本，另有6台DJS-3。

沿革命名

时期 名称 说明
1957-1958 八一型计算机 因8月1日公开演示得名
1958-1960 103型计算机 北京有线电厂量产时的型号
1960-1961 DJS-1型计算机 质量整顿后重新鉴定命名
1963-1966 DJS-3型计算机 升级版，采用磁芯存储器

现存遗物

目前，仅有一台DJS-1型计算机保存于曲阜师范大学图书馆。

后续机型

103机研制成功一年多后，104机（每秒1万次）问世。此后中国计算机发展不断加速：

  • 1964年：119机（每秒5万次，首台完全自主设计）
  • 1973年：150机（每秒百万次，首台集成电路大型机）
  • 1983年：银河一号（每秒亿次，首台巨型机）

六、技术启示

回顾103机的架构，可以得出一些超越时代的启示：

  1. 体系结构是永恒的。冯·诺依曼结构虽然在103机上用电子管和磁鼓实现，但其核心思想至今仍是通用计算机的基础。

  2. 瓶颈决定速度。103机的运算速度是由磁鼓存储器的访问速度决定的——运算器其实还能更快，但取指令和取数据的速度跟不上。这个”存储墙”问题，在今天的处理器中依然存在，只是表现形式从磁鼓变成了DRAM和缓存层次。

  3. 以数量换质量。电子管时代的计算机通过大量半导体二极管弥补电子管逻辑的不足，这种”用冗余换可靠”的思路在早期数字电路设计中非常普遍。

后记

“有了”——张劲夫脱口而出的这两个字，不止是一个历史昵称，更准确反映了那个时代对计算能力的渴求。103机不只是一台机器的型号，它是中国计算机事业的”第一块砖”。

每秒30次。那便是中国计算机时代的起点。

参考文献

[1] 中国科学院. 科技自立自强 中国从此”有了”计算机[N/OL]. 中国科学报, 2024-04-01(4). https://www.cas.cn/zt/kjzt/kjzlzqzl/kjzlzq/202404/t20240401_5010363.shtml

[2] 央视《新中国的第一》节目组. 第一部国产电子计算机[EB/OL]. 共产党员网, 2019-07-29. https://www.12371.cn/2019/07/29/VIDE1564364182596530.shtml

[3] 档案归档计划组. 国产电子计算机：八一型计算机（103型计算机）[EB/OL]. Bilibili, 2024-08-21. https://www.bilibili.com/opus/797537395190792199

[4] Computer-103 Organization. 103计算机硬件电路源码（Verilog）[EB/OL]. GitHub. https://github.com/Computer-103/hardware

[5] Computer-103 Organization. 103计算机模拟器[EB/OL]. GitHub. https://github.com/Computer-103/simulator

[6] Computer-103 Organization. 103机测试程序集[EB/OL]. GitHub. https://github.com/Computer-103/test-program

[7] Computer-103 Organization. 103计算机纸带转换器[EB/OL]. GitHub. https://github.com/Computer-103/tape-converter

[8] 极客逻辑. 也许这是有史以来最清晰的103机的照片了[EB/OL]. (2024-05-05). https://geek-logic.com/photo_of_computer_103/

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