计算机科学基础_7 - 命令行，2D界面

命令行界面

计算机早期同时输入程序和数据（用纸卡/纸带），运行开始直到结束，中间没有人类进行操作，原因是计算机很贵，不能等人类慢慢输入，执行完结果打印到纸上。

到1950年代，计算机足够便宜+快，人类和计算机交互式操作变得可行，为了让人类输入到计算机，改造之前就有的打字机，变成电传打字机。

到1970年代末，屏幕成本足够低，屏幕代替电传打字机，屏幕成为标配。

• 人机交互 Human-Computer Interaction。
• 早期输出数据是打印到纸上，而输入是用纸卡/纸带一次性把程序和数据都输入进去。
• QWERTY 打字机的发展，肖尔斯发明于1868年。
• 电传打字机 Teletype machine。
• 命令行界面 Command line interface
• ls命令
• 早期文字游戏 Zork（1977年）
• cd 命令

输入输出，都是计算机组件互相输入输出。比如RAM输出数据，或输指令进CPU。

计算机接收人类的输入，怎么从电脑中拿出信息，除了用打孔纸卡。

有很多种“输入输出设备”，让人类和计算机交互，它们在人类和机器间提供了界面。如今有整个学科专门研究，叫“人机交互”。
界面对用户体验非常重要。

纸带/纸卡

早期机械设备，用齿轮，旋转和开关等机械结构来输入输出。这些就是交互界面。
甚至早期电子计算机，比如Colossus和ENIAC，也是用一大堆机械面板和线来操作。输入一个程序可能要几个星期，还没提运行时间。运行完毕后想拿出数据，一般是打印到纸上。打印机超有用，甚至，查尔斯●巴贝奇（由于提出差分机和分析机的设计概念，被视为计算机先驱） 给差分机专门设计了一个。
然而，到1950年代，机械输入完全消失，因为出现了打孔纸带和磁带，但输出仍然是打印到纸上。还有大量的指示灯，在运行中提供实时反馈。
那个时代的特点是 尽可能迁就机器，对人类好不好用是其次。打孔纸带，就是为了方便计算机读取，纸带是连续的，方便机器处理，纸孔可以方便的，用机械或光学手段识别，纸孔可以编码程序和数据，当然，人类不是以纸孔方式思考的，所以负担放到了程序员身上。要花额外时间和精力转成计算机能理解的格式，一般需要额外人员和设备帮忙，基本上1950年前的早期计算机“输入”的概念很原始。
人类负责输入程序和数据但计算机不会交互式回应。程序开始运行后会一直运行，直到结束。因为机器太贵了，不能等人类慢慢敲命令和给数据。要同时放入程序和数据。

一方面，小型计算机变得足够便宜，让人类来回计算机交互，变得可以接受。交互式就是人和计算机来回沟通。另一方面，大型计算机变得更快，能同时支持多个程序和多个用户，这叫“多任务”和“分时系统”，但交互式操作时，计算机需要某种方法来获得用户输入。所以借用了当时已经存在的数据录入机制：键盘。

当时，打字机已经存在了几个世纪了，但现代打字机是肖尔斯 在1868年发明的，虽然到1874年才完成设计和制造，但之后取得了商业成功，肖尔斯的打字机用了不同寻常的布局，QWERTY，名字来自键盘左上角按键。
为什么这么设计，最流行的理论是，这样设计是为了，把常见字母放得远一些，避免按键卡住。这个解释虽然省事，但可能是错误的，或至少不够全面。事实上，QWERTY把很多常见字母放一起，比如TH和ER。有很多键盘版本出现，但是人们不想再去学习新的布局，这是经济学家所说的，转换成本。QWERTY不是通用的，有很多变体，比如法国AZERTY布局，以及中欧常见的QWERTZ布局。

法国AZERTY:

中欧QWERTZ：

电传打字机

有趣的是，肖尔斯根本没想到打字会比手写快，手写速度大约是每分钟20个，打字机主要为了易读性和标准化，而不是速度。然而随着打字机成为办公室标配，对速度打字的渴望越来越大。
有两个重大进步，解放了打字潜力，1880年左右，伊丽莎白●郎利 老师，开始推广 十指打字，比一个手指打字要移动的距离短得多，所以速度更快。几年后，弗兰克●爱德华●麦克格林，学会了盲打，打字时不用看键盘，之后“十指盲打”就开始流行。
虽然，人类擅长用打字机，但没办法把打字机塞到计算机前面，让它打字，所以早期计算机用了一种特殊的打字机，是专门用来发电报的，叫“电传打字机”。

这些打字机是强化过的，可以用电报线发送和接收文本，按一个字母，信号会通过电报线，发到另一端。另一端的电传打字机会打出来。使得两个人可以长距离沟通。
因为电传打字机有电子接口，稍作修改就能用于计算机，电传交互界面在1960~1970年很常见。

用起来很简单，输入一个命令，按回车，然后计算机会输回来。用户和计算机来回“对话”。这叫“命令行界面”，它是最主要的人机交互方式，一直到1980年代。

用电传打字机的命令行交互 类似这样：
用户可以输入各种命令，先看当前目录有什么文件，输入命令ls，名字来自list的缩写，然后计算机会列出 当前目录里所有文件。

如果想看secretStarTrekDiscoveryCast.txt有什么，要用另外一个命令， 显示文件内容。unix用cat命令显示文件内容，cat是连接(concatenate)的缩写，然后指定文件名，指定的方法是写在cat命令后面传给命令的值叫 参数。

如果同一个网络里有其他人，可以用finger命令找朋友，就像是一个很原始的“找朋友”App，电传打字机，直到1970年代左右都是主流交互方式。尽管屏幕最早出现在1950年代，但对日常使用太贵，而且分辨率低，然而因为针对普通消费者的电视机开始量产，同时处理器与内存也在发展，到1970年代，屏幕代替电传打字机，变得可行。
但与其为屏幕专门做全新的标准，工程师直接用现有的，电传打字机协议，屏幕就像无限长度的纸，除了输入和输出字，没有其它东西。协议是一样的，所以计算机分不出来是纸还是屏幕。
这些“虚拟电传打字机”或“玻璃电传打字机”叫终端。

到1971年，美国大约有7万台终电传打字机，以及7万个终端。屏幕又快又好又灵活，如果删一个错别字，会立刻消失，所以到1970年代末，屏幕成了标配。

早期的著名交互式文字游戏 Zork，出现于1977年，早期游戏玩家需要丰富的想象力，想象自己身在虚构世界，比如“四周漆黑一片，附近可能有怪物会吃掉你”。但它被广泛认为是最早的互动式小说。
游戏后来从纯文字进化成多人游戏，坚持“MUD”，或多人地牢游戏。

cd命令，进入某个文件夹，意思是，“改变文件夹”。

命令行界面虽然简单，但十分强大，编程大部分依然是打字活，所以用命令行比较自然。因此，即使是现在，大多数程序员工作中依然用命令行界面。
而且用命令行访问远程计算机是最常见的方式，比如服务器在另外一个国家。

• 早期，机械面板和线，输入；纸上，输出。
• 1950年代，打孔纸带和磁带，输入；纸上，输出。
• 键盘，十指盲打，输入。
• 电传打字机，电传交互界面。
• 电传打字机的命令行交互。
• 屏幕，输出。

屏幕与2D图形显示

• PDP-1计算机，键盘和显示器分开，屏幕显示临时值。
• 阴极射线管 Cathode Ray Tube（CRT）。
• CRT有二种绘图方式：
  矢量扫描 Vector Scanning
  光栅扫描 Raster Scanning
• 液晶显示器 Liquid Crystal Displays （LCD），像素（Pixel）。
• 字符生成器 Character generator。
• 屏幕缓冲区 Screen buffer。
• 矢量命令画图。
• Sketchpad, 光笔（Light pen）。
• 函数画线，矩形。

PDP-1计算机：

这台1960年的计算机，是一个早期图形计算机的好例子，柜子大小的电脑，电传打印机，圆形屏幕，它们是分开的。因为当时文本任务和图形任务是分开的。
事实上，早期的屏幕无法显示清晰的文字，而打印到纸上，有更高的对比度和分辨率。

早期屏幕的典型用途：跟踪程序的运行情况。比如寄存器的值。
如果用打印机，一遍又一遍打印出来没有意义，不仅浪费纸而且慢。另一方面，屏幕更新很快，对临界值简直完美，但屏幕很少用于输出计算结果，结果一般都打印到纸上，或其它更永久的东西上。

但屏幕超有用，到1960年代，开始用屏幕做很多酷炫的事情。

出现很多显示技术，但最早最有影响力的是：阴极射线管（CRT）。
原理是：把电子发射到有磷光体涂层的屏幕上，当电子撞击涂层时，会发光几分之一秒，由于电子是带电粒子，路径可以用磁场控制，屏幕内用板子或线圈，把电子引导到想要的位置，上下左右都行。

既然可以这样控制，有2种方法绘制图形。

1. 引导电子束描绘出形状，这叫“矢量扫描”，因为发光只持续一小会儿，如果重复得足够快，可以得到清晰的图像。
2. 按固定路径，一行行来，从上向下，从左到右，不断重复。只在特定的点打开电子束，以此绘制图形。这叫“光栅扫描”，用这种方法，可以用很多小线段绘制形状，甚至文字。

光栅扫描

因为显示技术的发展，终于可以在屏幕上显示清晰的点，叫“像素”。

液晶显示器，简称LCD，和以前的技术相当不同，但LCD也用光栅扫描，每秒更新多次，像素里红绿蓝的颜色。

很多早期计算机不用像素：不是技术做不到，而是因为像素占太多内存。
200像素 * 200像素的图像，有40000个像素，会占40000bit内存，比PDP-1全部内存的一半还多，所以计算机科学家和工程师，得到一些技巧来渲染图形等到内存发展到足够用。

所以早期计算机不存大量像素值，而是存符号，80*25个符号最典型，总共2000个字符，如果每个字符用8位表示，比如用ASCII，总共才16000位，这种大小更合理。
为此，计算机需要额外硬件，来从内存读取字符，转换成光栅图形，这样才能显示到屏幕上。这个硬件叫“字符生成器”，基本算是第一代显卡。它内部有一小块只读存储器，简称ROM。存着每个字符的图形，叫“点阵图案”。
如果图形卡看到一个8位二进制，发现字母是K（1001011），那么会把字母K的点阵图案，光栅扫描显示到屏幕的适当位置。

为了显示，“字符生成器”会访问内存中一块特殊区域，这块区域专为图形保留，叫“屏幕缓冲区”。程序想显示文字时，修改这块区域里的值就行。

这个方案用的内存少得多，但也意味着，只能画字符到屏幕上。但字符集实在太小了，做不了什么复杂的事，因此对ASCII进行了各种扩展，加新字符，比如IBM CP437字符集，用于DOS。

某些系统上，可以用额外的bit定义字体颜色和背景颜色，做出好看的DOS界面。

字符生成器是一种省内存的技巧，但没办法绘制任意形状，绘制任意形状很重要，因为电路设计，建筑平面图，地图，好多东西都不是文字。
为了绘制任意形状，同时不吃掉所有内存，计算机科学家用CRT上的“矢量模式”

阴极射线管的矢量模式

概念非常简单：所有东西都由线组成。没有文字这回事，如果要显示文字，就用线条画出来，只有线条，没有别的。

假设一个视频，笛卡尔平面 200个单位宽，100个单位高。原点(0, 0)在左上角。可以画形状，用矢量命令。
这些命令来自Vectrex，一个早期矢量显示系统，首先，reset, 这个命令会清空屏幕。

1. 把电子枪的绘图点移动到坐标(0, 0)，并把线的亮度设为0，
2. MOVE_TO 50 50把绘图点移动到坐标(50, 50)，INTENSITY 100,把强度设为100，
3. 现在亮度提高了，移动到(100, 50) 然后(60, 75) 然后 (50, 50)
4. 最后把强度设回0。这些命令占160bit，比存一个庞大的像素矩阵更好。

SCREEN
BUFFER:

RESET
MOVE_TO 50 50
INTENSITY 100
MOVE_TO 100 50
MOVE_TO 60 75
MOVE_TO 50 50
INTENSITY 0

就想之前的“字符生成器”把内存里的字符转成图形一样。这些矢量指令也存在内存中，通过矢量图形卡画到屏幕上，数百个命令可以按顺序存在屏幕缓冲区，画出复杂的图形，全是线段组成的。
由于这些矢量都在内存中，程序可以更新这些值，让图形随时间变化：动画。

最早的电子游戏之一，Spacewar,是1962年在PDP-1上用矢量图形制作的，它启发许多后来的游戏，比如 爆破彗星（Asteroids）, 甚至第一个商业街机游戏：太空大战，1962年是一个大里程碑，Sketchpad诞生，一个交互式图形界面，用途是计算机辅助设计 （CAD）。它被广泛认为是第一个完整的图形程序。为了与图形界面交互Sketchpad用了当时发明不久的输入设备，光笔。
就是一个有线连着的电脑的触控笔。笔尖用光线传感器，可以检测到显示器刷新。通过判断时间刷新，电脑可以知道笔的位置，有了光笔和各种按钮用户可以画线和其它简单的形状。
Spacewar可以让线条完美平行，长度相同，完美垂直90度，甚至动态缩放。用户还可以保存设计结果，方便分享和再次使用。
光笔这些代表了人机交互方式的关键转折点。电脑不再是关在门后，负责算数的机器了。

最早用于真正像素的计算机和显示器出现于1960年代末，内存中的位（Bit）对应屏幕上的像素，这叫位图显示。
可以把图形想成一个巨大像素值矩阵，计算机把像素数据存在内存中一个特殊区域，叫“帧缓冲区”。
早期时，这些数据存在内存里，后来存在高速视频内存里，简称 VRAM。VRAM在显卡上，这样访问更快。

在8位灰度屏幕上，可用的颜色值范围是0强度（黑色）到255强度（白色），其实更想绿色或橙色，因为许多早期显示器不能显示白色。

在低分辨率的位图屏幕上，分辨率60*35像素，
如果想把（10, 10）的像素设为白色，可以这样操作：f[10][10] = 255。
如果想画一条线， 假设从（30, 0）到 (30, 35)可以用这样一个循环：

FOR y = 0 TO 35
    f[30][y] = 255
NEXT

把整列像素变成白色，如果想画更复杂的图形，比如矩形，那么需要四个值。

1. 起始点坐标X。
2. 起始点坐标Y。
3. 宽度。
4. 高度。

计算机绘图时，会用指定的颜色127，而不是（255/2 = 127.5）。

程序可以操纵“帧缓冲区”中的像素数据，实现交互式图形，当然，程序不会浪费时间从零开始写绘制函数，而是用预先写好的函数来做，画直线，曲线，图形，文字等。

位图的灵活性，为交互式开启了全新的可能，但它高昂成本持续了十几年。1971年整个美国也只有大约7万个电传打字机和7万个终端。大约有1000台电脑有交互式图形屏幕。

Spacewar和太空大战这样的先驱，推动了图形界面发展，帮助普及了计算机显示器。

冷战和消费主义

冷战导致美国往计算机领域投入大量资源。

• 范内瓦●布什 预见了计算机的潜力，提出假想机器Memex。
• 1950年代消费者开始买晶体管设备，收音机大卖，日本取得晶体管授权后，索尼做了晶体管收音机，为日本半导体行业崛起做了铺垫。
• 苏联1961年把宇航员加加林送上太空，导致美国提出登月，NASA预算大大增加，用集成电路来制作登月计算机。
• 集成电路的发展实际上是由军事应用大大推进的，阿波罗登月毕竟只有17次，美国造超级计算机进一步推进集成电路。
• 美国半导体行业一开始靠政府高利润合同，忽略消费者市场，1970年代冷战渐渐消失，行业开始衰败，很多公司倒闭，英特尔转型处理器。
• 政府和消费者推动了计算机的发展，早期靠政府资金，让技术发展到足够商用，然后消费者购买商用产品发展。

1940年代中期，电子计算机诞生。
编程语言和编译器，算法和集成电路。
软盘和操作系统，电报机和屏幕。
基本都在1940～1970年代，大概三十年时间里出现的。

冷战，太空竞赛，全球化，消费主义的兴起。
1945年二战结束后不久，冷战开始了，因此政府往科学和工程学，投入大量资金。
计算机在战时已经证明自身的价值，比如曼哈顿计划和破解通讯加密。ENIAC, EDVAC, Atlas, Whirlwind。
高速的发展，仅靠商业运作根本无法做到，要依靠销售收回开发成本。
1950年代出现变化，特别是Univac1，它是第一台取得商业成功的电脑型号，开发40多台，大部分在政府或大公司，成为美国日益增长的军事工业综合体的一部分，因此政府承担高额开发费用。
例如一台给美国原子能委员会，生产的是Univac1，被CBS用来预测1952年美国总统大选的结果，当然最后结果预测准确，只用了百分之一的选票数据。这次事件把计算机推到公众前面。
计算机和以前机器不一样，以前的机器，增强人类的物理能力，比如卡车能带更多东西，自动织布机更快，机床更精确等等，这些东西代表了工业革命，而计算机增强的是人类的智力。

范内瓦●布什在1945年看见计算机潜力，描述了一种假想计算设备叫Memex，可以用这个设备，存自己所有的书，其它资料，以及和别人沟通。而且数据是按照格式存储的，所有可以快速查询，有很大的灵活性。可以辅助人类的记忆。
还预测了会出现新的百科全书形式，信息之间相互链接，Memex启发了，之后的几个重要里程碑。

1950年代，消费者开始购买晶体管设备，其中收音机，它又小又耐用，用电池就够了，而且便携。不像1940年之前的收音机，用的是真空管。

日本政府振兴战后经济，很快从贝尔实验室，取得晶体管的授权，帮助日本的半导体和电子行业。
1955年，索尼的第一款产品面世，TR-55晶体管收音机，把重心放在质量和价格。因此日本公司在五年左右，占有美国便携式收音机市场的一半。

1953年，整个地球大概有100台计算机，苏联这时候的科技，比西方落后几年，苏联在1950年，完成了第一个可编程电子计算机。但苏联在太空竞赛远远领先。
苏联在1957年，把第一个卫星送上轨道，史波尼克1号，不久，在1961年，苏联宇航员， 尤里●加加林 第一个进入太空。使得肯尼迪总统，在加加林太空任务一个月后，提出要登陆月球。NASA的预算增加了几乎十倍。在1966年到达顶峰，占了政府预算的4.5%。

NASA用这笔钱资助各种科学研究，阿波罗计算花的最多，雇了40万人左右，而且有2万多家大学和公司参与。

其中一个挑战是：怎样在太空中导航。NASA需要电脑计算复杂的轨道来引导太空船，因此，造了“阿波罗导航计算机”，有三个要求。

1. 计算机要快。
2. 计算机要又小又轻。太空船空间有限。
3. 要超级可靠。这对太空船非常重要，因为太空中有很多震动，辐射，极端温度变化。

那时候主流的真空管，晶体管无法达到这些要求。所以NASA用全新技术：集成电路。

阿波罗导航计算机，首先使用集成电路，NASA是唯一负担得起集成电路的组织，最初，一个芯片差不多50美金，导航计算机需要上千个芯片。

把集成电路的发展归功于阿波罗导航计算机，但它们产量很低，一共只有17次阿波罗任务，实际上是军事，大大推进了集成电路的发展。特别是洲际导弹和核弹，使集成电路大规模生产。

最初，美国的半导体行业靠高利润政府合同起步，因此忽略了消费市场，因为利润小。因此日本半导体行业在1950-1960年代，靠低利润率占领了消费市场。

日本人投入大量资金，大量制造以达到规模经济，同时研究技术，提高质量和产量以及自动化降低成本。
1970年代，太空竞赛和冷战逐渐消退，高利润的政府合同变少，美国的半导体和电子设备公司很难竞争。虽然很多计算机组件商品化，但并没有什么帮助，提供相同质量的产品且价格还更便宜。

仙童半导体在1979年濒临倒闭被其它公司收购了，为了生存，很多公司把生产外包出去，降低成本，英特尔不再把精力放在内存集成电路，而是把精力放在处理器。

因为集成电路，计算器又小又便宜，取代了办公室里昂贵的桌面计算器，大多数人来说，这是第一次不用纸笔和计算尺来做计算，因此适应市场，进一步降低了集成电路的成本，使得微处理器被广泛使用。

在短短三十年时间里，计算机从大到人类可以在CPU里走来走去，发展到小孩都可以抓住的手持玩具，而且微处理器还快得多。这种巨大的变化是由二种力量推动：政府（军事）和消费者。

政府资金，比如冷战期间美国投入的钱，推动了计算机的早期发展。并且让计算机行业活得足够久，使得技术成熟到可以商用。然后是公司，最后是消费者，把计算机变成主流。