Code：隱匿在計算機軟硬件背后的語言（英文版）

1 Best Friends / 3＜br/＞編碼是什么？在本書中，這個詞是指一種用來在機器和人之間傳遞信息的方式。換句話說，編碼就是交流。對任何能聽見我們的聲音并理解我們所說的語言的人來說，我們發(fā)出的聲音所形成的詞語就是一種編碼。用手電筒能代替聲音來與朋友交談嗎？當然值得一試。＜br/＞2 Codes and Combinations / 9＜br/＞莫爾斯碼也被稱做二進制碼，因為這種編碼的組成元素只有兩個——“點”和“劃”。不過，點、劃的組合卻可以表示你想要的任意數(shù)目的碼字。這其中的規(guī)律是什么？＜br/＞3 Braille and Binary Codes / 15＜br/＞布萊葉盲文是為了便于盲人閱讀而發(fā)明的一種編碼。在這一章中我們將解析布萊葉盲文，來看看它是如何工作的。我們并不是要真的學習布萊葉盲文，而且也無須刻意記住關(guān)于它的什么內(nèi)容。我們僅僅希望從中歸納出編碼的一些性質(zhì)。＜br/＞＜br/＞4 Anatomy of a Flashlight / 22＜br/＞為了理解電在計算機中的工作原理，我們先得仔細鉆研一番電學，不過不要擔心，只需要一部分基礎(chǔ)知識就夠了。在本章，我們將以手電筒為教學道具，引導你走入神秘的電學世界。＜br/＞5 Seeing Around Corners / 32＜br/＞在第1章，我們曾經(jīng)講過用手電筒與朋友進行交談的方式，但是這樣的方式是有局限性的，你的交流對象必須住在街對面，而且你們臥室的窗口正好相對。但是，現(xiàn)實不會總是如此。當手電筒的光無法到達朋友的臥室時，怎樣與他進行無聲的交流呢？電路或許可以助你一臂之力。＜br/＞6 Telegraphs and Relays / 40＜br/＞全球即時通信對于我們來說已經(jīng)司空見慣，但你要是生活在19世紀早期，可沒這么方便。你當然可以進行即時通信或者遠距離通信，但是不可能同時做到這兩點。即時通信會受聲音傳播距離或者視野的限制。使用信件倒是可以進行更遠距離的通信，但是寄信耗費的時間太多，并且需要借助交通工具。為了解決這個問題，電報應(yīng)運而生，而伴隨著電報誕生的繼電器更是具有重要意義的偉大發(fā)明。＜br/＞7 Our Ten Digits / 47＜br/＞人們很容易理解語言只不過是一種編碼。比如英文中的“cat”（貓）在其他語言中可以寫做gato、chat、Katze、KOIIIK或kátta。然而，數(shù)字似乎并不會那么容易隨文化的不同而改變。不論我們說什么語言，或使用什么樣的發(fā)音，在這個星球上的所有人都用以下方式來書寫數(shù)字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。你了解這十個數(shù)字嗎？＜br/＞8 Alternatives to Ten / 54＜br/＞對人類而言，10是一個非常重要的數(shù)字。它是我們大多數(shù)人擁有的手指或腳趾的數(shù)目。我們?nèi)祟愐呀?jīng)適應(yīng)了以10為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)。但是只能使用十進制來計數(shù)嗎？如果人類像卡通人物那樣每只手只有4根手指會怎樣？＜br/＞9 Bit by Bit by Bit / 69＜br/＞二進制是簡單的數(shù)字系統(tǒng)，其中只包含兩個數(shù)字：0和1。二進制中的1位（bit）稱為1比特，我們可以用它來表達簡單的信息：是或不是，亮或滅，打開或關(guān)閉，等等。而事實上只要信息能轉(zhuǎn)換成兩種或多種可能性的選擇，就都可以用比特來表示。這種例子在日常生活中隨處可見，比如照相機膠卷的膠片速度，各種商品包裝上的條形碼等。＜br/＞10 Logic and Switches / 86＜br/＞對于古希臘人而言，邏輯是在追求真理的過程中所使用的一種分析方法，是一種哲學形式。而英國的數(shù)學家喬治·布爾卻認為可以找到一種數(shù)學形式來描述邏輯，因此他發(fā)明了布爾代數(shù)。更重要的是，布爾代數(shù)運算可以用開關(guān)、導線和燈泡組成的電路來實現(xiàn)，布爾代數(shù)中的AND和OR，與線路中開關(guān)的串聯(lián)和并聯(lián)，有著奇妙的對應(yīng)關(guān)系。＜br/＞11 Gates (Not Bill) / 102＜br/＞繼電器像開關(guān)一樣，可以串聯(lián)或并聯(lián)在電路中執(zhí)行簡單的邏輯任務(wù)。這種繼電器的組合叫做邏輯門（Logic Gate），也簡稱門。這里提到的邏輯門執(zhí)行“簡單的”邏輯任務(wù)是指邏輯門只完成基本的功能。本章就介紹那些用以完成基本邏輯任務(wù)的門。＜br/＞12 A Binary Adding Machine / 131＜br/＞加法是算術(shù)計算中基礎(chǔ)的運算，如果想搭建一臺計算機，首先就要搭建出計算兩數(shù)之和的器件。本章我們將利用前面章節(jié)中用過的開關(guān)、燈泡、導線、電池、邏輯門等這些簡單的元件，搭建一個二進制加法器。＜br/＞13 But What About Subtraction? / 143＜br/＞當你確信繼電器連接在一起真的可以實現(xiàn)二進制數(shù)加法時，你可能會問：“如何實現(xiàn)減法呢？”問得好！這表明你是相當有覺察力的，加法和減法在某些方面互相補充，但是在機制上二者卻存在本質(zhì)區(qū)別。不過沒關(guān)系，我們可以想一些辦法，把減法運算變成加法。＜br/＞14 Feedback and Flip-Flops / 155＜br/＞想象一下，如果你沒有了記憶力，該如何去數(shù)數(shù)？我們不記得剛剛數(shù)過的數(shù)，當然也就無法確定下一個數(shù)是什么。同理，一個能計數(shù)的電路必定需要觸發(fā)器。本章要介紹的就是各種觸發(fā)器。＜br/＞15 Bytes and Hex / 180＜br/＞在前面的章節(jié)中，加法器、鎖存器以及數(shù)據(jù)選擇器的輸入和輸出形式都是8位的數(shù)據(jù)流，也即數(shù)據(jù)路徑的位寬為8，為什么要定義為8位呢？為什么不是6位、7位、9位或10位？本章就要解釋其中的緣由。＜br/＞16 An Assemblage of Memory / 190＜br/＞每天清晨，我們將自己從沉睡中喚醒，這時大腦的空白會很快被記憶填滿。我們立刻會意識到自己身在何方，近做了些什么事情，有什么計劃打算。有的事情我們很快就能想起來，但有時并非如此。我們可以借助許多工具來記錄信息，比如筆和紙、磁帶，當然現(xiàn)在還可以使用存儲器。＜br/＞17 Automation / 206＜br/＞人類的本性中帶有一些懶惰的特質(zhì)。我們總是抵觸繁重的工作，對枯燥的、重復性的工作深惡痛絕。所以，當你必須用前面搭建的加法器計算100個數(shù)，甚至更多個數(shù)的加法時，有一種念頭就會不可遏制地從腦子里冒出來：怎樣讓加法器自動完成數(shù)據(jù)輸入和計算呢？辦法肯定是有的，那就是編寫程序。＜br/＞18 From Abaci to Chips / 238＜br/＞算盤、滑尺、納皮爾骨架、差分機、解析機、繼電器、電子管、晶體管、芯片、計算機；甘特、帕斯卡、萊布尼茲、杰奎德、巴貝芝、圖靈、馮·諾依曼、香農(nóng)；IBM、貝爾實驗室……你覺得應(yīng)接不暇了嗎？把這些你或熟悉或生疏的名詞和名字串起來，就是人類的計算工具發(fā)展史。讓時光倒流，去看看那些精巧的工具，感受天才們的巧思吧?。糱r/＞19 Two Classic Microprocessors / 260＜br/＞將中央處理器的所有構(gòu)成組件封裝到一塊硅芯片上，就得到了微處理器。片微處理器芯片誕生于1971年，即Intel 4004系列，其中集成了2300個晶體管，你或許覺得可笑——如今家用計算機的微處理器上所安置的晶體管數(shù)量已經(jīng)以億為計量單位了。但是，從本質(zhì)上來說，微處理器實際所做的工作并沒有變。在本章，我們就來看看兩種有著輝煌歷史的典型微處理器：Intel 8080和Motorola 6800。＜br/＞20 ASCII and a Cast of Characters / 286＜br/＞計算機中的存儲器可以存儲的形式是比特，因此如果想在計算機上處理信息，就必須把它們轉(zhuǎn)換為比特的形式來存儲。我們已經(jīng)掌握了如何用比特來表示數(shù)字和機器碼。如何用它來存儲文本呢？畢竟，人類所積累的大部分信息，都是以各種文本形式保存的。下面就輪到ASCII碼出場了！＜br/＞21 Get on the Bus / 301＜br/＞一臺計算機包括很多部件：中央處理器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備等。通常這些部件按照功能被分別安裝在兩個或更多的電路板上。這些電路板之間通過總線（Bus）通信。如果對總線做一個簡單的概括，可以認為總線就是數(shù)字信號的集合，而這些信號被提供給計算機上的每塊電路板。＜br/＞22 The Operating System / 320＜br/＞你或許夢想過自己組裝一臺近乎完整的計算機，像老木偶匠蓋比特雕刻木偶匹諾曹一樣，全部親自動手用小零件完成。不過在你的機器能完成你想要的操作之前，還差一個重要的東西——操作系統(tǒng)！ ＜br/＞23 Fixed Point, Floating Point / 335＜br/＞整數(shù)、分數(shù)以及百分數(shù)等各種類型的數(shù)字與我們形影不離，它幾乎出現(xiàn)在我們生活的所有角落。例如你加班2.75小時，而公司按正常工作時間的1.5倍支付你工資，你用這些錢買了半盒雞蛋并交了8.25%的銷售稅。在計算機的內(nèi)存里，所有的數(shù)都表示為二進制形式。通過前面的學習，我們知道2用二進制可以表示為102，可是2.75用二進制怎樣表示呢？這就是本章的主題。＜br/＞24 Languages High and Low / 349＜br/＞第22章介紹了如何編寫一段簡單的程序，讓我們可以利用鍵盤將十六進制機器碼輸入計算機，以及通過視頻顯示設(shè)備來檢查這些代碼。但使用機器碼編寫程序就如同用牙簽吃東西，伸出手臂費半天勁刺向食物，但每次都只取到小小的一塊，用這種低級語言編寫程序既費力又費時，有悖于我們發(fā)明計算機的初衷。不過，人們想出了一種效率更高的編程方法——使用高級語言。＜br/＞25 The Graphical Revolution / 364＜br/＞回顧歷史，從臺繼電器計算器到現(xiàn)在為止，六七十年過去了，計算機的處理速度飛速增長。不過要充分利用計算機日益增長的運算和處理能力，就必須不斷改進計算機系統(tǒng)中的用戶接口（User Interface），因為它是人機交互的軸心。圖形化革命來了！＜br/＞Acknowledgments / 383＜br/＞Index / 385＜br/＞