计算机科学基础_3 - 编程

早期的编程方式

• 程序如何进入计算机
• 打孔纸卡 Punched card
• 插线板 Plugboard
• 冯诺依曼架构　Von Neumann Architecture
• 面板编程 Panel programming
• 商业成功的计算机：Altair 8800

早期计算机如何编程？
打孔纸卡 -> 插线板 -> 面板拔开关。

计算机的原理：

• 怎么从内存读写数据，执行操作。比如把两个数字加在一起。
• 简单描述了指令的执行，也就是计算机程序。

程序如何“进入”计算机:
程序需要加载进内存，是计算机科学。（打孔纸卡，插线板，面板拔开关）

打孔纸卡 Punched card

需求：
给机器编程，早在计算机出现之前就有了，著名的就是纺织业。
如果只想一块红色大桌布，可以直接放红线进织布机，但是如果想要图案怎么办？比如条纹或方格。
需要没隔一会，调整一次织布机，因为非常消耗劳动力，所以图案纺织品很贵。

可编程纺织机：
每一行的图案由可穿孔纸卡决定，特定位置有没有穿孔，决定了线是高是低。
横线是从上/从下穿过，为了让每行图案不同，纸片连成长条，形成连续指令。

很多人认为雅卡尔织布机是最早的编程。

事实证明，穿孔纸卡便宜，可靠，也易懂。
后面世代中，穿孔纸卡用于1890年美国人口普查。
例如：一张卡存一个人的信息，比如种族，婚姻状况，子女数量，出生国家等等。针对每个问题，人口普查工作者会在对应位置打孔，当卡片插入汇总机，孔会让对应总和值+1，可以插入整个国家入口的卡片，在结束后得到各个总值。
但是，早期的汇总机不算计算机。因为它们只做一件事：汇总数据。操作是固定的，不能编程。穿孔 纸卡存的是数据，不是程序。之后，这些机器被加强，可以做减，乘，除。甚至可以做一些小决定，决定何时执行某指令。

插线板 Plugboard

为了正确执行不同计算，程序员需要某种控制面板，面板有很多小插孔，程序员可以插电线，让机器的不同部分，互相传数据和信号。因此也叫“插线板”。
但是，这意味着，运行不同程序要重新接线。所以到了1920年代，控制面板变成了可拔插。让编程更方便，可以给机器插入不同程序。比如，一个插线板算销售税，另一个算工资单。但给插线板编程很复杂。
用插线板编程，不只在机电计算机流行，世上第一台通用电子计算机，ENIAC，完成于1946年。用了一大堆插线板。

程序在纸上设计好之后，给ENIAC连线，最多可能花三个星期。因为早期计算机非常昂贵，停机几个星期只为了换程序，完全无法接受，急需要更快，更灵活的新方式来编程。

幸运的是，到1940年代晚期1950年代初。内存变得可行，价格下降，容量上升。与其把程序存在插线板，存在内存变得可行，这样易于修改，方便CPU快速读取。这类机器叫“存储程序计算机”。

冯诺依曼架构

如果内存足够，不仅可以存要运行的数据，还可以存程序需要的数据。包括程序运行时产生的新数据。
程序和数据都存在一个地方，叫“冯诺依曼结构”。将指令和数据混合存放到内存，穿孔纸片和插线板，都是分开。

冯诺依曼曾过：我在思考比炸弹重要得多的东西计算机。

冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器（有算术逻辑单元）+ 数据寄存器 + 指令寄存器 + 指令地址寄存器 + 内存（负责存数据和指令）。

第一台冯诺依曼架构的“存储程序计算机”，由曼彻斯特大学于1948年建造完成，绰号“宝宝”。

虽然有内存很棒，但程序和数据，依然需要某种方式输入计算机，所以用穿孔纸卡。

到1980年代，几乎所有的计算机都有穿孔纸卡读取器，可以吸入一张卡片，把卡片内容写进内存，如果放了一叠卡片，读取器会一个个写进内存。一旦程序和数据写入完毕，电脑会开始执行。即便简单程序也有几百条指令，要用一叠纸卡来存。

用纸卡的最大型程序是美国空军的SAGE防空系统，于1955年完成，据称顶峰时期，雇佣了世上20%程序员。

主控制程序用了62500张穿孔纸片，等同于大约5MB的数据。穿孔纸卡不仅可以往计算机放数据，还可以取出数据，程序运行到最后，结果可以输到纸卡上，方式是打孔。然后人可以分析结果，或者再次放进计算机，做进一步计算。

穿孔纸卡的亲戚是纸带，基本是一回事，只不过更连续，不是一张张卡。

现在存储的方式，硬盘，只读光盘，DVD，U盘等等。

面板编程 Panel programming

与其插一堆线到插线板，可以用一大堆开关和按钮，做到一样的效果。面板上有指示灯，代表各种函数的状态和内存中的值。

50和60年代的计算机，一般都有这样巨大的控制台。很少有人只用开关来输入一整个程序，但技术上是可行的，早期针对计算机爱好者的家用计算机，大量使用了开关。因为大多数家庭用户负担不起昂贵的外围设备，比如穿孔纸卡读取器。

第一款取得商业成功的家用计算机是Altair 8800
有两种版本可以买：

1. 预先装好的整机
2. 需要组装的组件

为了给8800编程，要拨动面板上的开关。输入二进制操作码，然后按“存储键”把值存入内存。
然后会到下一次内存位置，可以再次拨开关，写下一个指令，重复这样操作。(初代plc 原型)

把整个程序都写入内存之后，可以推动开关，回到内存地址0，然后按运行按钮，灯会闪烁。

不管是插线板，开关或穿孔纸卡。早期编程都是专家活，不管是全职还是技术控，都要非常了解底层硬件。比如 操作码，寄存器等，才能写程序。所以编程很难，很烦。
哪怕工程师和科学家都无法完全发挥计算机的能力，需要一种更简单方式，告诉计算机要做什么。一种更简单的编程方式。

编程语言的发展史

编程：二进制 -> 助记符(汇编器) -> A-0(编译器) -> FORTRAIN

• 二进制写程序，先纸上写伪代码，手工转二进制。
• 用“助记符”写代码(LOAD 14)为了把助记符转二进制，汇编器诞生（Assembler）
• 哈佛1号计算机首批程序员，海军官员。（葛丽丝●霍普Grace Hopper）
• Grace 设计了编程语言A-0
• Grace 1952年做了第一个编译器（Compiler）,实现A-0
• 变量（Variables）
• FORTRAIN
• COBOL
• 新语言
  1960年代：ALGOL, LISP, BASIC
  1970年代：Pascal C, Smalltalk
  1980年代：C++, Object-C, Perl
  1990年代：Python, Ruby, Java

组成计算机的物理组件：
比如电，电路，寄存器，RAM, ALU, CPU。

在硬件层面编程非常麻烦，所以程序员想要一种更通用的方法编程。
一种“更软的”媒介： 软件。

第一条指令在内存地址0: 0010 1110。前4位操作码，简称OPCODE
对于这个假设CPU，0010代表LOAD A指令：把值从内存复制到寄存器A。
后4位是内存地址，1110是十进制的14。
所以这8位表达的意思是：读内存地址14，放到寄存器A。

只是用了两种不同语言，可以想成是英语和摩尔斯码的区别。
“hello” -> “.... . .-.. .-.. ---”是一个意思：“hello”

只是编码方式不同，英语和摩尔斯码的复杂度也不同，英语有26个字母以及各种发音。摩尔斯码只有“点”和“线”但它们可以传达相同的信息，计算机语言也类似。

二进制写程序

计算机能处理二进制，二进制是处理器的“母语”。事实上，它们只能理解二进制。这叫“机器语言”或“机器码”。

在计算机早期阶段，必须用机器码写程序。
具体来讲，会先在纸上写一个“高层次版”的伪代码（PSEUDO-CODE）。
例如：从内存取下一个销售额，然后加到天，周，年的总和，然后算税。

写好伪代码后，用“操作码表”把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后，程序可以喂入计算机并运行。

助记符

在1940~1950年代，程序员开发出一种新语言，更可读，更高层次。
每个操作码分配一个简单名字，叫“助记符”（MNEMONICS）。
“助记符”后面紧跟数据，形成完整指令。与其用1和0写代码，程序员可以写“LOAD A 14”。它不能理解文字，只能理解二进制，所以程序员想了一个技巧，写二进制程序来帮忙。它可以读懂文字指令，自动转成二进制指令。这种程序叫“汇编器”。

汇编器读取用“汇编语言”写程序，然后转成“机器码”。“LOAD_A 14”是一个汇编指令的例子。
随着时间的推移，汇编器有越来越多功能，让编程更容易，其中一个功能是自动分析JUMP地址。

例如：

JUMP NEGATIVE指令跳到地址5, JUMP 2指令跳到地址2。
问题是，如果在程序开头多加一些代码，所有地址都会改变。更新程序会很痛苦。

所以汇编器不用固定跳转地址，而是让插入可跳转的标签。

当程序被传入汇编器，汇编器会自己搞定跳转地址。程序员可以专心编程，不用管底层细节。隐藏不必要的细节来做更复杂的工作。
然而，即使汇编器有这些厉害的功能，比如自动跳转。汇编只是修饰了一下机器码。

一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令。所以汇编码和底层硬件的连接很紧密，汇编器仍然强迫程序员思考，用什么寄存器和内存地址。
如果突然要一个额外的数，可能要修改很多代码。

A-0

哈佛1号在1944年战时完成，帮助盟军作战，程序写在打孔纸袋上，放进计算机执行，如果程序由漏洞，直接使用胶带来补“漏洞”。

Mark 1的指令集非常原始，甚至没有JUMP指令，如果代码要跑不止一次，得把带子的两端连起来，做成循环。（循环，物理，物理，循环）

给Mark 1编程简直是噩梦，战后，霍普继续研究计算机，为了释放电脑的潜力，设计了一个高级编程语言，叫“算术语言版本 0”，简称“A-0”。

汇编与机器指令是一一对应的，但一行高级编程语言，可能会转成几十条二进制指令。为了做到这种复杂的转换，霍普在1952年创造了第一个编译器，编译器专门把高级语言，转成低级语言，比如汇编或机器码(CPU 可以直接执行机器码)

尽管“使编程更简单”很诱人，但是很多人持怀疑态度。
霍普曾说：“我有能用的编译器，但没人愿意用，他们告诉我计算机只能做算术，不能运行程序”。

不久，很多人尝试创造新编程语言，到现代如今有上百种语言。
可惜的是，没有任何A-0的代码遗留下来。

使用Python举例：
假设想相加两个数字，保存结果，记住，如果用汇编代码，得从内存取值，和寄存器打交道，以及其它底层细节。

不用管寄存器的内存位置，编译器会搞定这些细节，不用管底层细节。

程序员只需要创建，代表内存地址的抽象，叫“变量”（给变量取名字）。
底层操作时，编译器可能把变量A存在寄存器A，但程序员不需要知道这些，眼不见心不烦。

FORTRAN

但A-0和之后的版本没有广泛使用。FORTRAN,名字来自“公式翻译”。这门语言数年后由IBM在1957年发布。主宰了早期计算机编程。

FORTRAN项目总监John Backus曾说：我做的大部分工作都是因为懒，我不喜欢写程序，所以我写这门语言，让编程更容易。

FORTRAN写的程序，比等同的手写汇编代码短20倍，然后FORTRAN编译器会把代码转成机器码。
对于FORTRAN程序的性能是否比得上手写代码？但因为能让程序员写程序更快，所以成了一个更经济的选择。
运行速度慢一点点，编程速度大大加快。
当时IBM在卖计算机，因此最初的FORTRAN代码只能跑在IBM计算机上，1950年代大多数编程语言和编译器，只能运行在一种计算机上。如果升级电脑，可能要重写所有代码。因此工业界，学术界，政府的计算机专家，在1959年组建了一个联盟： 数据系统语言委员会，霍普担任顾问。开发一种通用的编程语言，可以在不同机器上通用。最后诞生了一门高级，易于使用：普通面向商业语言，简称COBOL。

为了兼容不同底层硬件，每个计算机架构需要一个COBOL编译器，最重要的是，这些编译器都可以接受相同的COBOL代码。不管是什么电脑，这叫“一次编写，到处运行”。如今的大多数编程语言都是这样。不必接触CPU特有的汇编码和机器码。
减下了使用门槛，在高级编程语言出现之前，编程只是计算机专家和爱好者才会做的事，而且通常是主职。但现在，科学家，工程师，医生，经济学家，教师等等，都可以把计算机用于工作。

“解释型语言”对应“解释器”，编译器是把语言编程二进制代码再运行。

计算机科学从深奥学科，变成了大众化工具，同时,编程的抽象也让计算机专家，制作更复杂的程序。

1959年代，编程语言黄金时代开始，和硬件一起飞速发展。
1960年代：ALGOL, LISP, BASIC
1970年代：Pascal C, Smalltalk
1980年代：C++, Object-C, Perl
1990年代：Python, Ruby, Java
2000年代：Swift, C#, Go

新语言想用更聪明的抽象，让某些方面更容易或更强大，或利用新技术和新平台带来的优势。

编程原理-语句和函数

• 变量，赋值语句
• Grace Hopper 拍虫子游戏
• if 判断
• while循环
• for 循环
• 函数

用机器码写程序，还要处理那么多底层细节，对写大型程序是个巨大障碍。为了脱离底层细节，开发了编程语言，让程序员专心解决问题，不用管硬件细节。

变量，赋值语句

规定句子结构的一系列规则叫语法。

a=5是一个编程语言语句，意思是创建一个叫a的变量，把数字5放里面。这叫“赋值语句”，把一个值赋给一个变量。为了表达更复杂的含义，需要更多语句。

变量名可以随便取。

程序由一个个指令组成，有点像菜谱：烧水，加面，等10分钟，捞出来就可以吃了。
程序也是这样，从第一条语句开始，一句一句运行到结尾。

拍虫子游戏

阻止虫子飞进计算机造成故障，关卡越高，虫子越多。在虫子损坏继电器之前，抓住虫子。

开始编写时，需要一些值，来保存游戏数据，比如当前关卡数，分数，剩余虫子数，还剩下几个备用继电器。

所以要“初始化”变量，“初始化”的意思是设置最开始的值。

level = 1 # 关卡=1 
score = 0 # 分数=0
bugs = 0 # 虫子=5
relays = 4 # 备用继电器=4
name = 'andre' # 玩家

为了做成交互式游戏，程序的执行顺序要更灵活，不只是从上到下执行，因此用“控制流语句”。
if构成的语句叫: “条件语句”
如果希望根据条件执行多次，需要“条件循环”。

计算指数，代码很常用。如果每次想用就复制粘贴，会很麻烦，每次都要修改变量名，如果代码发现问题，要补漏洞时，要把每一个复制粘贴过的地方都找出来修改，而且会让代码更难懂，少即是多。想要某种方法，把代码“打包”，可以直接使用，得出结果。不用管内部复杂度。

函数

为了隐藏复杂度，可以把代码打包成“函数”也叫“方法”或“子程序”，其它地方想用到这个函数，直接写函数名就可以了。需要把结果，交给使用这个函数的代码，所以用return语句，指明返回什么。

函数是，抽象的力量。

如今超过100行代码的函数很少见，如果多于100行，应该有些东西可以拆出来做成一个函数。
如果有第二次地方使用，就抽象出函数。

模块化编程，不仅可以让单个程序员独立制作app，也让团队协作可以写更大型的程序。

现代编程语言，有很多预先写好的函数集合，叫“库”。
由专业人员编写，不仅效率高，而且经过了仔细的检查。
几乎做所有的事情，都有库，网络，图像，声音。