未来与历史的碰撞，当PicoScope与世界上第一台计算机相连

楔子

第二次世界大战期间，为了破译德国军事密码，Colossus解码机在英国Bletchley Park被发明出来，它堪称世界上第一台计算机，艾伦.图灵是开发团队的核心成员，卷福出演的电影《模仿游戏》再现了那一段历史。Colossus在1994年被重新建造并展出，PicoScope很荣幸地与之连接以展示其内部工作的信号。PicoScope作为下一代新型示波器的先驱，与古老计算机的这一次碰撞堪称历史经典。

英国隐藏最深的秘密

在英国伦敦市郊外西北50英里的地方，有一座Bletchley庄园，它是第二次世界大战期间，英国情报部门破译密码的中心机构（当时也被称为XStation）。正是在这里，一群天才数学家（其中包括著名的艾伦.图灵）破解了德国的Enigma密码机，从此对希特勒的军事行动了如指掌，扭转了二战的局势。

在Bletchley庄园工作的工作人员在顶峰时曾达到数千人，他们专门从事密码分析和破译工作。当然，德军除了了解此地的人员规模以外，对Enigma已被破解一无所知，仍然坚信它是世界上绝对安全的密码机。

历史学家公认，密码机的破解是盟军胜利的重要因素之一，整个战争因此缩短了2年，拯救了千千万万的生命。

战后，庄园里所有的痕迹都被抹掉了，好像这里什么也没有发生过。直到1970年代中期，曾经在这里工作过的人们仍然不愿提起当年的往事。当年，许多天才的工具和机器被发明出来，在庄园里辅助密码的破解，其中之一就是Colossus——世界上第一台电子计算机。（我们在课本上都学到过冯诺依曼的ENIAC是世界上第一台计算机，这也是许多年来业界公认的，然而随着历史资料逐渐解密，英国和美国政府发布了更多Colossus相关的信息，目前业界已经大多认可Colossus才是世界上第一台计算机）。

德军的密码

二战期间，德军非常依赖Enigma机来加密信息。最早在战前的波兰就曾经截获过这种机器加密的电报，此后Bletchley就主要负责破解它。（凯特.温丝莱特主演的一部电影Enigma讲述了一些背景故事）。德军的最高指挥，并不依赖Enigma，而是使用一套更加复杂的、基于加密发报机的系统，它是由Lorenz公司开发的。

Lorenz 机使用打点的纸带来记录报文（如下图，用的是32字符的Baudot编码），把明文的信息和一组干扰字符串二进制相加（在逻辑运算中相当于异或运算），接收解码信息时再进行一次相同的加法运算就行了。

假如干扰字符串是真正随机的，那么就无法破解这种加密，但是破译的人发现，这组干扰字符串序列是通过旋转加密机的机械齿轮来产生的，实际上是一组伪随机码，那么如果伪随机码序列能够被解出来，密码也就被破译了。

在Bletchley工作的Brigadier John Tiltman和 剑桥毕业生Bill Tutte 抓住了德国电报员的错误，并开始反推伪随机序列，以及Lorenz机是怎样加密的（这一段在卷福的电影里有）。在1942年，这项工作就完成了，DollisHill的邮电研究实验室（Post Office Research Lab）被指派复制一台Lorenz机，他们那时候连真的Lorenz长什么样子都不知道。他们的这台复制品命名为Tunny，接下来破解工作开始了，但是问题随之而来，破解一组信息花的时间太长了，因为完全是手工劳动，一条信息竟然需要几个星期甚至几个月来破译，失去时效性，所以破解就变得毫无意义。

Colossus简史

Max Newman,著名的数学家，想出了一种自动方法来搜索Lorenz机的排列组合，这需要用到两条纸带。第一个上面记载着需要解码的信息，另一条是周期性的伪随机序列。每当纸带转动一次，就用一组伪随机序列尝试解码一次，完成以后再移动到下一组序列，再解码。最后给每组解码的结果评分，也就是评价他算不算有效文字。解出来结果评分最高的一组，就被当成最终密码，交给Tunny机去解码。

电信研究所的Malvern被指派实现这个想法，这台机器是利用机械继电器来控制工作的，名字取作Robinson（Heath Robinson 的意思是十分复杂），虽然Robinson机能够工作，却十分的不稳定。特别是转动速度快的时候（比如1秒1000个字符），机械控制的两条纸带不能很好的同步。Newman为了解决Robinson的问题，和Tommy Flowers商量，后者是一个天才电子工程师，也在DollisHill供职。

TommyFlowers用了一种很有创意的方法来解决Robinson的问题。他把移动的纸带替换成了真空管阵列。当然，在那个时代，使用电子开关控制的真空管是非常打破常规的一种选择，它极大地提高了整套系统的操作速度，在那之前真空管被普遍认为是一种不可靠的元器件，一般用来放大模拟信号。

改进后的机器就是Colossus，从1943年3月开工，到1944年在Bletchley庄园投入使用。几乎在投入使用的一刻，Colossus立刻获得了成功，它和Tunny配合使用，能够在几小时之内就破解德军的高等级密码。后来它被证明了在

诺曼底登陆中起到了极大的作用。Colossus的并行计算设计，使得它工作速度出人意料的快，甚至超过了奔腾处理器的电脑，例如解码一串同样的加密信息，花费的时间只要需要奔腾PC的一半。

Colossus一共建造了10台，在整个战争中它的设计不断改进升级，这些机器解码了数万条德军信息，为盟军的胜利做出了不朽的贡献。

战争结束时，为了不让外界知道他们的存在，这10台Colossus被拆掉并且所有的技术图纸和文档全部焚毁。一直到30年后，它们的秘密才被人揭晓。

重建Colossus

上面提到过，1970年代关于Bletchley庄园的秘密泄露出来，在1970年代早期，就有人发起了重建庄园废墟的运动。其中Tony Sale担任了第一任Bletchley博物馆的馆长。(Tony Sale 曾在军情5处工作，并曾担任Peter Wright的技术助理，人称“间谍终结者“)。

1993年Tony Sale收集了所有和Colossus有关的信息，包括一些战时的照片，电路图的残片和幸存的设计人员的访谈录。基于这些，他决定重建Colossus.

重建工程于1994年在Bletchley庄园启动，在Colossus9号机的原址上建造。到了1996年6月，Tony和他的团队已经完成了大部分的工作，即使只有2bit可以工作，而不是原版的5bit（32字符Baudot编码需要5个bit）。开机仪式由Kent郡公爵在1996年6月6日主持，TommyFlowers本人也参加了仪式。

重建工作此后继续进行了若干年，直到博物馆开展，人们可以前往一睹Colossus的风采，更多背景故事请访问：Tony Sale的网站：Tony Sale has an excellent website.

PicoScope与纸带读取

当年Colossus的前身，Robinson机的一个问题就是纸带读取。用纸带记录加密信息是一种很传统的方式，用机械结构拉动纸带的读取速度不能太快，如果超过了每秒钟1000个字符，纸带就会被扯断。

Colossus使用的是光学方法读取纸带内容，这是Arnold Lynch博士在1942年发明的，它的读取速度能达到每秒5000个字符。这种光学装置不光读取5个bit的有效数据，还把纸带上的定位孔也记录下来。这些孔正好形成一种时钟脉冲(ClockPulse)来同步信号，类似于我们今天所有计算的主同步时钟。这种装置的好处是，纸带本身不需要高速移动，因为每次可以读取的面积很大内容很多，纸带就可以缓慢移动了。

下图中的重建的Colossus，左边白色的一条就是纸带。用一片很亮的光照在纸带上，穿过数据和定位孔，然后聚焦到真空光电管。重建用到的光电管都是Colossus当年的原装配件，所有工作人员都小心翼翼，因为没有任何备件可用。

在光打到光电管之前，先经过一个掩模（钉在图上黄色的木板上），把信号整形成一个标准的方波。光电管的顶部装的黑色胶带是重建人员加上的，用来防止头顶上的日光灯干扰的。

Bletchley重建Colossus用的房间一侧有一扇窗户给外面的游客参观，不幸的是，光电管里窗户很远，可能看不太清，为了让游客更好地看清纸带是怎么读取的，重建团队决定用一台示波器来抓取光电管的信号，并展示出波形。

考虑到需要很大的屏幕，供许多人一起参观，PC示波器是一个理想的选择。

由此，PicoScope闪亮登场。

当Pico的技术团队自告奋勇的搭建这套展示系统时，还一度以为会很简单。毕竟，我们习惯于用一台时钟速度1000倍于Colossus的计算机来连接PicoScope示波器，不过很快他们就发现问题没这么简单。困难在于远距离的信号传输（这篇文章写于2000年，远距离USB数据传输尚不具备），起初的想法是把PicoScope和计算机屏幕都放到窗口，让游客能够清楚地看到捕获的波形，然后把真空管的信号用一根很长的导线引导窗口的示波器上。实际调试的时候发现，线缆的容性负载太大，导致真空管没法正常工作了。为了解决这个问题，Pico的工程师David Sabine搭建了一个缓冲放大器，高输入阻抗，低容性负载。

下图中的就是缓冲放大器，经过它以后的信号，可以传输30英尺远，到达窗口的PicoScope示波器输入端。

借此PicoScope能够很好的捕获真空光电管读取纸带信息的波形，下图是中的蓝色曲线是读取定位孔产生的时钟同步脉冲，红色的则是纸带记录的有效数据孔。在界面的最下面我们开启了示波器的自动测量功能，测到了时钟信号的频率，约5KHz，也就是每秒钟可以读取5000个字符。

有关重建Colossus的更多信息，欢迎访问 www.codesandciphers.org.uk
或者Bletchley庄园的官方网站visit www.bletchleypark.org.uk