交互掠影｜人机交互的开端：穿孔卡片

设计来电 2024-09-13 22:04:11

一、穿孔卡片的起源

几百年前，人们使用提花编织机在织物上编织图案，操作相当繁琐，纺织工人需要在适当的位置提起经线，让纺织梭子牵引着不同颜色的纬线穿过，整个过程必须密切关注每一根纱线的位置，稍有不慎就会出错，这导致纺织图案的效率很低。

18世纪，法国丝绸之都里昂，有一位名叫巴斯勒·布乔（Basile Bouchon）的纺织工人，在每天重复的纺织工作中，他一直在思索如何才能提升图案编织的效率。同时，他也是一名风琴制造商的儿子，1725年的一天，自动风琴中的圆筒装置引起他的注意，圆筒表面带有销钉，旋转时会拨动（或敲击）发音装置发出声音，声音相连便形成了完整的一段音乐旋律。

受此启发，布乔发明了“穿孔纸带”，也许他未曾料到，这项发明不仅改变了纺织工艺，还为后来的工业革命、计算机技术以及现代信息科技领域带来深远的影响。

那么，穿孔纸带是如何工作的呢？

简单来说，在纺织之前，工匠会使用工具将事先设计好的织物图案转化为纸带上的一系列孔洞，然后将纸带悬挂在一排金属针旁，当织机启动后，对应孔洞的金属针可以穿过纸带，保持不动，而没有孔洞的地方则推动金属针前移，通过金属环，带动另一根金属针翘起，勾起经线，通过这种半自动化的机制，可以快速完成复杂图案的编织。由于纺织工人全程仅需控制纬线，工作量大幅减少，即便是新手也能够轻松应对复杂的编织任务。

随着穿孔纸带逐渐应用于生产，纸质载体的缺陷逐渐显现，孔洞会让纸带变得易断，断裂后较难修复，这让纸带的复用性很低。三年后，也就是1728年，布乔的同事让·巴蒂斯特·法尔孔（Jean-Baptiste Falcon）对这一发明进行了完善，他使用木质的穿孔卡片替代了纸带，卡片之间通过绳子进行连接，组合成完整的图案，后边的操作机制与纸带相同。

1804年，约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）在前两者的基础上又进一步改进，发明了自动提花机（后称：雅卡尔提花机），使穿孔卡成为一种标准化的自动控制手段，彻底改变了纺织行业。

穿孔纸带、穿孔卡的出现意义重大，不仅因为它大幅提升了纺织行业的生产效率，更在于它让机器“听”懂了人类的指令，从而按照人的意图进行机械化、自动化运转。从计算机科学的角度来看，孔为1，没有孔就是0，有序的开孔、闭孔实现了对图案花纹的二进制存储，同时纸带或卡片本身也承担了信息（纺织图案）存储的功能。作为传递、接受指令的载体，穿孔卡片（纸带）可以被视为人机交互早期的界面形态和尝试。

二、穿孔卡片的广泛应用

19世纪的美国，宪法要求每10年进行一次人口普查，以此作为分配联邦资金、国会代表名额等资源的数据支撑，到了1880年，因大规模移民导致美国人口激增，普查工作需要耗费七年时间来手工编制，编制工作完成时，数据却早已过时。根据估算，1890年的人口普查需要13年才能完成。

赫尔曼·霍勒里斯（Herman Hollerith）是一位德裔美籍工程师，他以优异成绩从哥伦比亚大学矿业学院毕业，获得矿业工程师学位。1880年，经大学导师引荐，进入人口普查局担任助理，目睹了手工统计方式的低效，促使他开始思考如何通过机械化手段提高数据处理效率。受自动提花机启发，很快便发明了穿孔卡片制表机，整个系统由打孔机、读数机、分类机和制表机组成。

穿孔卡片是制表机的核心，每张卡片代表一名公民的个人档案，内容共12行24列，包括有性别、年龄、婚姻状况等信息，收集信息时在相应位置上打孔，例如，某个特定位置代表婚姻状况，打孔即代表已婚，不打孔则表示单身。卡片插入到制表机后，有一个金属针会放在卡片上，打孔的地方，针穿过后泡入汞中，形成闭合回路，电路随即被联通并驱动计数装置前进一个刻度，这样就完成了一次自动统计。

这台机器在1890年的人口普查中大显身手，仅用了六周时间便完成了初步统计，为纳税人节省了数百万美元，取得巨大成功，这是历史上首次使用机械化手段来处理大量数据。虽然穿孔卡片制表机只能统计数据表格，尚未具备通用计算的能力，但使用穿孔卡输入数据的这种方式被电子计算机一直沿用到20世纪七八十年代，霍勒里斯的创新为计算机的发展产生了重要影响，因此其本人被大家称为“数据处理之父”。

之后霍勒里斯开始自己经营业务，成立了制表机器公司，并获得了为1900年美国人口普查提供制表设备的合同。有意思的是，人口普查事件也让企业开始意识到制表机的价值，通过提升劳动力以及数据密集型任务的效率，可以增加利润。百货、钢铁、铁路、政府机构等数十家单位逐渐开始使用霍勒里斯的穿孔卡片制表机，用以制作统计报告或核算成本。

后来，霍勒里斯的制表机公司与其他公司合并，成立计算制表记录公司（CTR）。到第一次世界大战结束时，几乎所有大型的保险公司和铁路公司都使用他们生产的机器，其位于华盛顿特区的卡片制造厂每月生产穿孔卡片高达8000万张。

1924年，CTR更名为国际商业机器公司（International Business Machines Corporation），简称IBM，至此，全球知名科技巨头IBM登上舞台。

尽管当时IBM在产品和技术方面处于主导地位，但还有其他竞争对手提供类似的设备，这导致各个公司和机构使用的卡片格式不尽相同，多样化的卡片样式限制了穿孔卡片的推广和普及。

为了解决这一问题，IBM着手推进穿孔卡片的标准化，这一举措背后还有几个关键考虑：

标准化的穿孔卡片可以在不同设备间读取和处理，提高数据处理的效率和准确性。
通过标准化来可以确立IBM在行业内的领导地位。
提高客户的黏性，购买IBM的设备后，能在不增加成本的情况下处理来自不同来源的数据。

1928年，IBM制定了80列穿孔卡片的标准，涵盖了卡片的尺寸、孔位和排列方式。这个标准不仅在IBM的设备上得到应用，还迅速被其他厂商采纳，成为全球范围内数据处理的通用标准。

三、穿孔卡片迈向计算机时代

随着物理学、工程学和统计学等领域对计算需求的大幅增长，科学家和工程师迫切需要更高效的计算工具来应对复杂的数据处理问题。此时，真空管和电子元件技术的进步，以及图灵计算机理论的完善，为电子计算机的出现奠定了基础。

1939年，约翰·阿塔纳索夫（John Atanasoff）和克利福德·贝瑞（Clifford Berry）设计并建造了Atanasoff–Berry Computer（ABC）。尽管这台计算机不支持编程，也不是图灵完备的，但它率先使用真空管来提高计算速度，因此被称为世界上第一台电子计算机。

为了执行程序，计算机需要从外部获取数据。阿塔纳索夫在深入研究IBM制表机后，采用了穿孔卡片作为ABC的数据传输方式。同一时期的其他计算机，如ENIAC和ASCC-MARK-I，也借鉴了这一技术，将穿孔卡片作为数据输入的解决方案。

虽然计算机与IBM制表机都使用了穿孔卡片技术，但计算机的卡片不仅用于数据输入，还用于程序指令的读取和存储，具有更复杂的编码和控制功能，因此在卡片的编码方式、孔位分布和读取设备等方面都存在显著差异。

与我们所熟知的命令行界面（CLI）、图形用户界面（GUI）等交互范式不同，后两者是一种实时交互，用户可以在输入命令后立即得到反馈，并根据结果继续输入新的指令。而穿孔卡片则属于批处理交互，批处理的意思就是在所有任务准备就绪后，计算机一次性处理所有任务，用户在程序运行过程中无法进行干预，且所有的输出结果也是批量生成的。

具体来说，程序员需要将指令提前打在卡片上，随后将这些卡片批量放入读取设备，由计算机进行识别。接下来，系统处理的过程通常需要几分钟到几小时，具体时间取决于卡片数量和计算复杂度，但无论如何，也无法做到像实时交互那样立即得到反馈。尽管效率很低，但在计算机发展初期，受限于硬件和软件，穿孔卡片仍然是一种发送指令和输入数据的可靠手段。

到了20世纪60年代和70年代，磁带和磁盘作为新型存储介质逐渐取代了穿孔卡片。这些磁性存储设备提供了更高的数据存储密度和更快的数据访问速度，使数据的输入和存储变得更加高效，能够支持更大规模的数据和复杂的计算任务。同时，也大大简化了数据处理流程，用户不再需要处理大量的物理卡片，减少了人为操作错误的发生。

从指令输入的角度来看，显示器和键盘的设备组合在计算机中的广泛应用，使操作变得更加直观和可视化。命令行界面作为一种基于文本的交互范式逐步引入，允许用户通过键盘输入指令来控制计算机。这一转变标志着计算机交互范式的重大进步，从异步的批处理，演变为动态的实时交互模式，直到今日，命令行界面仍然扮演者重要角色。