制表机——穿孔时代的到来

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原创最新推荐文章于 2026-08-13 17:03:10 发布 2.3k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

计算机简史第三章机电时代之机电式计算机电、电路形成了机电式计算机阅读详情

从1790年开始，美国每十年进行一次人口普查。百年间，随着人口繁衍和移民的增多，从1790年的400万不到，到1880年的5000多万，人口总数呈爆炸式地增长。

1790～1880年美国人口增长曲线

不像现在这个的互联网时代，人一出生，各种信息就已经电子化、登记好了，甚至还能数据挖掘，你无法想象，在那个计算设备简陋得基本只能靠手摇进行四则运算的19世纪，千万级的人口统计就已经成了当时政府的“不能承受之重”。1880年开始的第10次人口普查，历时8年才最终完成，也就是说，他们在休息两年之后就要开始第11次普查了，而这一次普查，需要的时间恐怕要超过10年，那第12次、13次呢？本来就是10年一次的统计，如果每次耗时都在10年以上，这件事情就变得没有意义了。

这可愁煞了当时的人口调查办公室，他们决定面向全社会招标，寻求能减轻手工劳动、提高统计效率的发明。正所谓机会都是给有准备的人的，一位毕业于哥伦比亚大学的年轻人赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）带着他在1884年申请的专利从众多方案中脱颖而出。

赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith），1860-1929，美国发明家、企业家。（图片来自维基百科）

制表机

他发明的机器叫制表机（tabulator/tabulating machine），顾名思义，就是专门用来制作数据统计表的机器。制表机主要由示数装置、穿孔机、读卡装置和分类箱组成。

示数装置包含4行、10列共40个示数表盘，每个盘面被均匀地分成100格，并装有两根指针，和钟表十分相像，“分针”转一圈可计100，“时针”转一圈则计10000。可见，整个示数装置可以表达很庞大的数据。

制表机（原图来自维基百科）

制表机的工作是围绕穿孔卡片展开的：操作员先使用穿孔机制作穿孔卡片，再使用读卡装置识别卡片上的信息，机器自动完成统计并在示数表盘上实时显示结果，最后，将卡片投入分类箱的某一格中，进行分类存放，以供下次统计使用。

穿孔卡片的应用

此前的某一天，霍尔瑞斯正在火车站排队检票，目光不经意落到检票员手中咔咔直响的打孔机上。他发现，检票员会特意根据乘客的性别和年龄段，在车票的不同地方打孔。越来越多的人过检，他进一步确认了这个规律。一个灵感朝他袭来：如果有一张更大的卡，上面有更多的位置可以打孔，就可以用来表示更多的身份信息，包括国籍、人种、性别、生日等等。

这就是用在1890年人口普查中的穿孔卡片，一张卡片记录一个居民的信息。卡片设计长约18.73cm，宽约8.26cm，正好是当时一张美元纸币的尺寸，因为霍尔瑞斯直接用财政部装钱的盒子来装卡片。

霍尔瑞斯的穿孔卡片（图片来自维基百科）

卡片设有300多个孔位，与雅卡尔和巴贝奇的做法一样，靠每个孔位打孔与否来表示信息。尽管这种形式颇有几分二进制的意味，但当时的设计还远不够成熟，并没有用到二进制真正的价值。举个例子，我们现在一般用1位数据就可以表示性别，比如1表示男性，0表示女性，而霍尔瑞斯在卡片上用了两个孔位，表示男性就其中一处打孔，表示女性就在另一处打孔。其实性别还凑合，表示日期时浪费得就多了，12个月需要12个孔位，而常规的二进制编码只需要4位。当然，这样的局限也与制表机中简单的电路实现有关。

细心的读者可能发现卡片的右下角被切掉了，那不是残缺，而是为了避免放反而专门设计的，和现在的二维码只有3个角是一个道理。

这类实用的细节设计在穿孔机上表现得更为出色。下图为一位操作员正在使用穿孔机给卡片打孔的情景，她并不需要在卡片上吃力地搜寻孔位，而是直接对着孔距更大的操作面板打孔，一根杠杆将两者的孔位一一对应。操作面板还做成了弧形，颇有一分如今人体工程学键盘的风姿。

穿孔机使用场景（原图来自维基百科）

在制表机前，穿孔卡片（或纸带）多用于存储指令而不是数据。比较有代表性的，一是雅卡尔提花机，用穿孔卡片控制经线提沉；二是自动钢琴，用穿孔纸带控制琴键压放。美剧《西部世界》中，每次故事循环的开始，都会给一个自动钢琴的特写，弹奏起看似宁静安逸、实则诡异违和的背景乐。

是霍尔瑞斯将穿孔卡片作为数据存储介质推广了开来，并开启了一个崭新的数据处理纪元。后来人们也把这类卡片称为霍尔瑞斯卡片，穿孔卡片和穿孔纸带作为输入输出载体，统治了计算领域整整一个世纪。

统计原理

打好了孔，下一步就是将卡片上的信息统计起来。读卡装置的组成如下图所示，其外形和使用方式有点类似现在的重型订书机，将卡片置于压板和底座之间，按压手柄，就完成了对这张卡片的信息读取。

制表机读卡装置组成结构（原图来自美国专利395781）

原理上，通过电路通断识别卡上信息。底座中内嵌着诸多管状容器，位置与卡片孔位一一对应，容器里盛有水银，水银与导线相连。底座上方的压板中嵌着诸多金属针，同样与孔位一一对应，针的上部抵着弹簧，可以伸缩，压板的上下面由导电材料制成。这样，当把卡片放在底座上，按下压板时，卡片有孔的地方，针可以通过，与水银接触，电路接通，没孔的地方，针就被挡住。

这一基本原理与雅卡尔提花机类似，不难理解。重头戏是，如何将电路通断对应到所需要的统计信息呢？霍尔瑞斯在专利中给出了一个简单的例子，如下图所示。这是涉及性别、国籍和人种3项信息的统计电路图，虚线为控制电路，实线为工作电路。

制表机信息统计电路图示例（图片来自美国专利395781）

图顶有7根金属针，从左至右标的分别是：G（类似于总开关）、Female（女）、Male（男）、Foreign（外国籍）、Native（本国籍）、Colored（有色人种）、White（白种人）。

工作电路中分散着标识为m¹～m¹⁰的电磁继电器。

图底从右至左为标识为M¹、M²、M³、M⁴、M⁵和M⁶的6组电磁铁，所对应的统计信息为（为贴合穿孔的形象，我特意选择使用圆圈进行标记）：

	Female	Male	Foreign	Native	Colored	White	描述
M¹		〇		〇		〇	本国白种男人
M²	〇			〇		〇	外国白种女人
M³		〇	〇			〇	外国白种男人
M⁴	〇		〇			〇	外国白种女人
M⁵		〇			〇		非白种男人
M⁶	〇				〇		非白种女人

以M¹为例，如果表示Native、White和Male的针同时与水银接触，接通的控制电路：

Native-White-Male控制电路通路示意图

这一示例首先展示了针G的作用，它把控着所有控制电路的通断，目的有二：

在卡片上留出一个专供G通过的孔，以防止卡片没有放正（照样可以有部分针穿过错误的孔）而统计到错误的信息。
令G比其他针短，或者G下的水银比其他容器里少，从而确保其他针都已经接触到水银之后，G才最终将整个电路接通。众所周知，电路通断的瞬间容易产生火花，这样的设计可以将此类元器件的损耗集中在G身上，便于后期维护。

不得不感慨，这些发明家做设计真的特别实用、细致。

控制电路的接通引起图中标有橘黄色箭头的3个电磁继电器m¹、m³和m⁵闭合，进而接通M¹所在的工作电路：

M1工作电路通路示意图

最终，通电的M¹将产生磁场，牵引相关杠杆，拨动齿轮完成计数，最终体现到示数表盘上指针的旋转。虽然霍尔瑞斯的专利中没有给出这一计数装置的具体结构，可以想象，从17世纪开始，机械计算器中的齿轮传动技术已经发展到足够成熟的水平，霍尔瑞斯无需重新设计，完全可以使用现成的装置，正如他在专利中所说的“any suitable mechanical counter”（任何合适的机械计数器都可以）。

电磁铁不单控制着计数装置，还控制着分类箱盖子的开合。将分类箱上的电磁铁接入工作电路，每次完成计数的同时，对应格子的盖子会在电磁铁的作用下自动打开，熟练的操作员甚至不用转头去看，就可以顺手将卡片投到正确的格子里，由此完成卡片的快速分类。

每天工作的最后一步，就是将示数表盘上的结果誊抄下来，置零，第二天继续。

分类箱侧视图（图片来自美国专利395781）

单元记录时代

在制表机的高效运转下，1890年的人口普查只花了6年时间。1896年，霍尔瑞斯成立制表机公司（The Tabulating Machine Company）并不断改进自己的产品，先后与英国、意大利、德国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、法国、挪威、美国波多黎各、古巴、菲律宾等多个国家和地区合作开展了人口普查。到1914年，制表机公司每天生产的穿孔卡片多达200万张。
不多久，一些竞争对手逐渐起家，历史迎来了繁荣的数据处理时代。它们的产品也不再局限于人口普查，逐渐扩展到会计、库存管理等一些同样需要跟大数据打交道的领域，这些机器作为制表机的后裔被统称为单元记录设备（unit record equipment）。围绕穿孔卡片的制卡、读卡、数据处理和卡片分类是它们的标准功能，穿孔机、读卡器、分类器是它们的标准配置。这些部件的自动化程度越来越高，比如手动的读卡装置很快被自动读卡机所取代，读卡速度从每分钟100张逐步提高至每分钟2000张。随着识别精度的提高，卡片的孔距也越来越小，具有80～90列孔位的卡片成为主流，有些卡片的孔位甚至多达130列。

20世纪典型的80列穿孔卡片（图片来自维基百科）

机器的功能也逐渐强大，不再只是简单地统计穿孔数目，减法、乘法等运算能力陆续登场。1928年，哥伦比亚大学的科学家们甚至用单元记录设备计算月球的运行轨迹，他们在50万张卡片上打了2000万个孔，彰显着单元记录设备的无限潜力。

机器的电路实现越来越复杂，但同时也越来越通用。1890年所用的那台制表机的线路是固定的，遇到新的统计任务，改造起来十分麻烦。1906年，霍尔瑞斯便引入了接插线板（plugboard）——一块布满导电孔的板卡，可通过改变导线插脚在板上的位置改变线路逻辑。试想一下，接插线板的内部已经布好了具有各种功能的线路，但它们都处在断开状态，各自连接着接插线板上的某两个孔位，像一窝嗷嗷待哺的小鸟长大着嘴巴，外部的导线就像美味的虫子，当虫子的头尾分别与小鸟的上喙和下喙接触，线路就被导通，这只小鸟就开始工作了。如此，每次使用就可以激活不同的“小鸟”，从而完成不同的任务。这已经是一种可编程性的体现。

接插线板（图片来自维基百科）

1911年，制表机公司与另外3家公司合并成立CTR公司（Computing-Tabulating-Recording Company），制表机公司作为其子公司继续运营到1933年。1924年，CTR更名为国际商业机器公司（International Business Machines Corporation），就是现在大名鼎鼎的IBM公司。可见，在如今众多年轻的IT公司中，拥有百年历史的IBM是位当之无愧的前辈，它完整地参与和见证了整个现代计算机的发展史。IBM保持了制表机公司在单元记录市场的龙头地位，到1955年，其每天生产的穿孔卡片多达7250万张。

1937年开始，单元记录设备逐步电子化，与电子计算机的界线渐渐模糊，并最终为后者让路。随着1976年IBM一型最核心的单元记录产品的停产，短暂的单元记录时代也宣告谢幕，它仿佛是电子计算时代来临前的预演和铺垫，许多设计被沿用下来，比如穿孔卡片和接插线板。

有趣的是，即使电子计算机逐渐普及，许多机构由于用惯了单元记录设备，迟迟不愿更换，少数机构甚至一直用到了21世纪。