英國Pico ADC-212 示波器在布萊奇利公園巨型計(jì)算機(jī)還原項(xiàng)目中的運(yùn)用案例
英國的秘密武器
位于倫敦西北部50里的布萊奇利公園是曾經(jīng)是二戰(zhàn)期間的密碼破譯中心(別名 X站). 正是在這里,一群天才數(shù)學(xué)家(包括阿蘭.圖靈Alan Turing)組成的特別行動小組破解希特勒和他的高級統(tǒng)帥部使用的德國英格碼和其他更復(fù)雜的代碼.
戰(zhàn)爭期間，在布萊切利公園工作的人數(shù)增加到了一個(gè)高點(diǎn)，成千上萬的人在晝夜不停的譯碼和進(jìn)行信息分析。盡管有眾多的人參與，但是德國最高指揮部卻完全沒有發(fā)現(xiàn)他們的安全正受到威脅，反而堅(jiān)信他們的密碼堅(jiān)不可摧。
密碼的成功破譯是盟國獲勝的其中一個(gè)關(guān)鍵因素，許多歷史學(xué)家確信他縮短了戰(zhàn)爭達(dá)2年之多，并且挽救了成千上萬的生命。
戰(zhàn)后，公園內(nèi)所有的蹤跡都被毀滅了。這成為了布萊切利公園的一種保密文化，沒有人討論過一句關(guān)于開始到70年代中期的事情。就算是到了今天，許多在那工作的人也都不會輕易談?wù)撨@件事。
戰(zhàn)爭期間，在布萊切利公園，許多精巧的輔助設(shè)備和機(jī)器都被開發(fā)出來應(yīng)用于密碼的破解，其中有一件就是世界上第一臺計(jì)算機(jī)——巨型計(jì)算機(jī)。
（許多年后，發(fā)明了世界上第一臺計(jì)算機(jī)的這個(gè)榮譽(yù)給了美國人——埃尼阿克。盡管如此，在最近的幾年英國與美國政府都公開了許多與巨型計(jì)算機(jī)相關(guān)的秘密信息。鑒于此，歷史學(xué)家們都被迫去考究巨型計(jì)算機(jī)是世界第一臺計(jì)算機(jī)這件事情，現(xiàn)在大部分都承認(rèn)了這一事實(shí)。）
德國密碼
二戰(zhàn)期間，德國依賴于密碼機(jī)來傳送情報(bào). 密碼首次被破譯是在波蘭的戰(zhàn)爭上，隨后陸續(xù)在布萊切利的許多戰(zhàn)役上被破解了。（基于哈里斯編著的《密碼》一書，一部由米克.賈格出資，由凱特.溫絲蕾主演的電影將在明年上演。）盡管如此，德國軍方高級指揮部并不依賴于密碼機(jī)，而是一種基于電傳打印機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，采用由洛倫茨公司發(fā)明的機(jī)器進(jìn)行傳送.
洛倫茨機(jī)是用打印機(jī)在上述紙帶上打洞的方式工作的。（32個(gè)符號的波特碼），信息是通過原文與一連串由模2加法得出的模糊字符組成的方式進(jìn)行編碼的（不含布爾運(yùn)算中的NOR運(yùn)算）在接收端，信息會再一次通過組合到一連串的模糊字符的方式進(jìn)行解碼。
如果這些模糊字符是隨即產(chǎn)生的，那么這些密碼將不可能被破譯。但是非常幸運(yùn)的是，這些字符是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的輪子上產(chǎn)生的，所以這些字符其實(shí)都是連續(xù)重復(fù)的。如果這些字符能夠被拆分開來，那么密碼就被破解了。
在布萊切利，約翰旅長和劍橋大學(xué)畢業(yè)生比爾利用德國無線電話務(wù)員的漏洞重組這些隨機(jī)的字符串并且發(fā)現(xiàn)了洛倫茨機(jī)是如何工作的。在1942年，這項(xiàng)工作完成后，多利斯希爾郵局實(shí)驗(yàn)室被要求建立一臺仿制洛倫茨機(jī)工作原理的機(jī)器。（而在這個(gè)時(shí)候他們連洛倫茨機(jī)的圖片都還沒見過）。有了這臺機(jī)器（名叫“金槍魚”）后密碼迎刃而解. 最后的問題在于時(shí)間，這種工作是非常耗費(fèi)勞力的，以至于經(jīng)常要花費(fèi)上星期上月的時(shí)間去破解一條信息，待密碼被破解后，最后所得到的信息已經(jīng)沒用了。
巨型計(jì)算機(jī)的歷史簡介
馬科斯 紐曼，著名的數(shù)學(xué)家發(fā)明了一種自動尋找洛倫茨機(jī)設(shè)置的方法。其中與兩圈的紙帶有關(guān)。第一圈包含了需要譯解的信息，第二圈包含了隨機(jī)的字符串。該方法是這樣的，在包含需要譯解信息的第一圈紙帶從機(jī)器出來時(shí)，第二圈紙帶馬上在相應(yīng)位置出現(xiàn)。用這種方法每一種可能的機(jī)器設(shè)置都會被檢測并標(biāo)記下來。次數(shù)最多的那個(gè)設(shè)置就是“金槍魚”破解密碼所需要的。
馬文電信研究所研發(fā)了一臺機(jī)器去實(shí)現(xiàn)這種方法。這臺機(jī)器是基于機(jī)械繼電器的，并被命名為“羅賓遜”。盡管羅賓遜可以工作了，但是卻并不可靠。尤其是機(jī)械的讀帶機(jī)本身就存在難以在1000個(gè)字符每秒鐘的工作速度下同時(shí)讀取兩圈紙帶的問題。
與羅賓遜一同研究相關(guān)解決方案的紐曼與湯米弗勞爾取得了聯(lián)系。湯米弗勞爾是一名天才電子工程師，工作于多利斯希爾郵電局
他創(chuàng)新性的解決了羅賓遜機(jī)器的相關(guān)問題。不用紙帶，弗勞爾把這些重復(fù)的字符串存儲到了一個(gè)巨大的電子閥門陣列中。這不僅解決了雙圈紙帶的問題，也解決了同步的問題。閥門在數(shù)字電子開關(guān)上的應(yīng)用是突破性的一步，他大大加快了機(jī)器的工作速度，取代了機(jī)械繼電器（在模擬信號放大的應(yīng)用上，閥門在當(dāng)時(shí)卻被認(rèn)為是一種非常不可靠的零部件）
巨型計(jì)算機(jī)在1943年3月開始設(shè)計(jì)，并且在1944年1月首次在不萊斯利公園投入使用。巨型號計(jì)算機(jī)馬上取得了成功，他能在數(shù)小時(shí)內(nèi)就把德方高級密碼給破解了。這給大規(guī)模進(jìn)攻開始日提供了巨大的幫助。巨型號的進(jìn)一步設(shè)計(jì)驚人的使得其具有更加快速的工作速度，當(dāng)今奔騰電腦在破解同樣密碼任務(wù)的速度比他還要慢1倍。
10臺巨型計(jì)算機(jī)建立了，在剩下的戰(zhàn)爭期間，巨型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)得到了飛速的提升。這些機(jī)器被用于破解成千上萬的攔截信息，這給盟軍的最終勝利做出了巨大的貢獻(xiàn)。
在戰(zhàn)爭結(jié)束時(shí)，為了保護(hù)這些秘密，10臺巨型計(jì)算機(jī)被拆毀，所有相關(guān)的技術(shù)圖表都被燒毀。巨型計(jì)算機(jī)的存在這個(gè)秘密被掩埋了將近30年。
巨型計(jì)算機(jī)重建工程
前面已經(jīng)提到過，關(guān)于在布萊切利所發(fā)生的事情在70年代的時(shí)候就已經(jīng)開始曝光。90年代初期就發(fā)生了一場挽救布萊切利公園里是遺產(chǎn)的運(yùn)動。其中的一名叫托尼肖爾參與者，第一個(gè)成為了布萊切利公園博物館的管理者。（他在英國情報(bào)局保安處工作了多年，有一段時(shí)期是作為彼得賴特的技術(shù)助手，擁有著“捕諜者”的稱號。）
1993年，托尼肖爾收集了所有關(guān)于巨型號的資料，其中包括了一些戰(zhàn)時(shí)的照片，機(jī)器線路圖殘片和一些對幸存設(shè)計(jì)工程師的采訪。帶著這些資料，他決定重建一臺巨型計(jì)算機(jī)。
1994年，重建計(jì)劃在布萊切利公園開展，地點(diǎn)是原巨型號9計(jì)算機(jī)所在的地方。1996年6月，托尼肖爾和他的團(tuán)隊(duì)正式開始動工。（盡管只是進(jìn)行2位字符水平的研究）, 1996年6月6日，啟動儀式由英國特郡公爵主持，出席者中還包括了原巨型號設(shè)計(jì)者湯米弗勞爾教授,
這項(xiàng)工作一直延續(xù)到今天，在博物館開放日我們可以看到工程的進(jìn)展情況（請看最后的鏈接）
讀者若需要獲得更多關(guān)于重建計(jì)劃的資料， Tony Sale has an excellent website.
Pico示波器和光帶閱讀器
巨型號的先驅(qū)——“羅賓遜”，首先遇到的問題是磁帶閱讀器。這種機(jī)器采用的是傳統(tǒng)的讀機(jī)方法，通過以磁帶中間的一排帶孔為基準(zhǔn)讀取磁帶信息。這種方法限制了機(jī)器只能具有每秒1000個(gè)字符的速度，若超出這個(gè)速度，磁帶將會受到損壞。
1942年，阿諾德 林奇設(shè)計(jì)出了一臺光帶閱讀器，具有每秒5000字符的閱讀速度。采用光電系統(tǒng)不僅可以讀取5位的數(shù)據(jù)字符，而且可以讀取磁帶上原有的基準(zhǔn)帶孔。磁帶中間的這一排帶孔被用作基準(zhǔn)脈沖，確保整臺機(jī)器的同步工作（現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是采用主時(shí)鐘作為同步基準(zhǔn)的）。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是磁帶與轉(zhuǎn)輪的摩擦較小，對設(shè)備的工作速度要求并不苛刻。
在重建的巨型號圖片當(dāng)中我們可以看到，磁帶閱讀器在右方。一道亮光穿透磁帶，并且聚焦在高真空光電管上，一道光是用于讀取數(shù)據(jù)的每一位字符，另外一道是用于讀取時(shí)鐘基準(zhǔn)脈沖。這些光電管是原巨型號的組成部分并且因?yàn)檎麄€(gè)團(tuán)隊(duì)只有剩余的一條，所以顯得異常的珍貴。
在光束照射到光電管前，它已經(jīng)在通過光掩膜的時(shí)候被構(gòu)造成型了。（光掩膜器被固定在左端木制框板上）。這使得閥門產(chǎn)生的信號均被構(gòu)造成正方形模型。在光電管后方的黑色磁帶是先進(jìn)的附加設(shè)備，可避免受到上方熒光燈的照射！
布萊切利巨型號重建工程是設(shè)立在一間房間里的，房內(nèi)末端有一扇窗戶供外部參觀所用。非常不幸的是，這使得光電管很難被觀察到，因?yàn)樗鼈儽话卜旁诜块g的兩外一個(gè)較遠(yuǎn)的角落上。為了讓觀眾能夠了解到磁帶閱讀器的工作，他們決定捕捉相關(guān)的光電信號并且把它們顯示在一個(gè)PC示波器上。這臺PC示波器能夠彩色顯示從監(jiān)測器上所獲得的信息，這滿足了幾個(gè)人同時(shí)查看數(shù)據(jù)的要求。
當(dāng)Pico的技術(shù)團(tuán)隊(duì)投身于信號的顯示工作時(shí)，我想這是一項(xiàng)非常簡單的任務(wù)，畢竟我們已經(jīng)熟練于將示波器與電腦相連接的工作，并且具有比巨型號高上1000倍的速度，當(dāng)然我們錯(cuò)了，這項(xiàng)任務(wù)所涉及的東西比我們想象的要多。我們起初的想法是把一臺電腦與一臺Picoscope ADC-212示波器設(shè)置在公共監(jiān)視區(qū)域，并且把閥門所產(chǎn)生的信號通過一條長導(dǎo)線傳輸?shù)绞静ㄆ魃稀５珕栴}是導(dǎo)線上的附帶電容阻礙了閥門的正確工作。為了解決這個(gè)問題，Pico的一位技術(shù)人員大衛(wèi)塞班設(shè)置了一個(gè)較大的輸入電阻以及一個(gè)小電容的緩沖放大器。
左端顯示的緩沖放大器從光電二極管上獲取信息并且通過約30英尺的線纜把它們傳送到與電腦相連的示波器上。電源同樣是通過這條線纜反饋到緩沖放大器，進(jìn)行供電。
