這是一本講述計(jì)算機(jī)工作原理的書(shū)。不過(guò)，你千萬(wàn)不要因?yàn)椤肮ぷ髟怼敝惖淖盅劬臀鋽嗟卣J(rèn)為，它是晦澀而難懂的。作者用豐富的想象和清晰的筆墨將看似繁雜的理論闡述得通俗易懂，你絲毫不會(huì)感到枯燥和生硬。更重要的是，你會(huì)因此而獲得對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理較深刻的理解。這種理解不是抽象層面上的，而是具有一定深度的，這種深度甚至不遜于“電氣工程師”和“程序員”的理解。不管你是計(jì)算機(jī)高手，還是對(duì)這個(gè)神奇的機(jī)器充滿敬畏之心的菜鳥(niǎo)，都不妨翻閱一下本書(shū)，讀一讀大師的經(jīng)典作品，必然會(huì)有收獲。

?

目錄

編輯

第1章 至親密友 1

編碼是什么？在本書(shū)中，這個(gè)詞的意思是指一種用來(lái)在機(jī)器和人之間傳遞信息的方式。換句話說(shuō)，編碼就是交流。對(duì)任何能聽(tīng)見(jiàn)我們的聲音并理解我們所說(shuō)的語(yǔ)言的人來(lái)說(shuō)，我們發(fā)出的聲音所形成的詞語(yǔ)就是一種編碼。用手電筒能代替聲音來(lái)與朋友交談嗎？當(dāng)然值得一試。

第2章 編碼與組合 7

莫爾斯碼也被稱做二進(jìn)制碼，因?yàn)檫@種編碼的組成元素只有兩個(gè)——“點(diǎn)”和“劃”。不過(guò)，點(diǎn)、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？本章我們就來(lái)探討一番。

第3章 布萊葉盲文與二進(jìn)制碼 12

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(lái)看看它是如何工作的。我們并不是要真的學(xué)習(xí)布萊葉盲文，而且也無(wú)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)。

第4章 手電筒的剖析 19

為了理解電在計(jì)算機(jī)中的工作原理，我們先得仔細(xì)鉆研一番電學(xué)，不過(guò)不要擔(dān)心，只需要一部分基礎(chǔ)知識(shí)就夠了。在本章，我們將以手電筒為教學(xué)道具，引導(dǎo)你走入神秘的電學(xué)世界。

第5章 繞過(guò)拐角的通信 28

在第1章，我們?cè)?jīng)講過(guò)用手電筒與朋友進(jìn)行交談的方法，但是這樣的方式是有局限性的，你的交流對(duì)象必須住在街對(duì)過(guò)，而且你們臥室的窗口正好相對(duì)。但是，現(xiàn)實(shí)不會(huì)總是如此。當(dāng)手電筒的光無(wú)法到達(dá)朋友的臥室時(shí)，怎樣與他們進(jìn)行無(wú)聲的交流呢？電路或許可以助你一臂之力。

第6章 電報(bào)機(jī)與繼電器 35

全球性即時(shí)通信對(duì)于我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)司空見(jiàn)慣，你要是生活在19世紀(jì)早期，可沒(méi)這么方便。你當(dāng)然可以進(jìn)行即時(shí)通信或者遠(yuǎn)距離通信，但是不能同時(shí)做到這兩點(diǎn)。即時(shí)通信受聲音傳播距離的限制，或者受視野的限制。使用信件倒是可以進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的通信，但是寄信耗費(fèi)的時(shí)間太多，并且需要借助于交通工具。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電報(bào)應(yīng)運(yùn)，而生而伴隨著電報(bào)誕生的繼電器更是具有重要意義的偉大發(fā)明。

第7章 我們的十個(gè)數(shù)字 41

人們很容易理解，語(yǔ)言只不過(guò)是一種編碼。比如英文中的“cat”（貓）在其他語(yǔ)言中可以寫(xiě)做gato、chat、Katze、KOIIIK或kátta。然而，數(shù)字似乎并不是那么容易隨文化的不同而改變。不論我們說(shuō)什么語(yǔ)言，或使用什么樣的發(fā)音，在這個(gè)星球上的所有人都用以下方式來(lái)書(shū)寫(xiě)數(shù)字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。你了解這十個(gè)數(shù)字么？

第8章 十的替代品 48

對(duì)于人類而言，10是一個(gè)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(jìn)制來(lái)計(jì)數(shù)嗎？如果人類像卡通人物那樣每只手只有4根手指會(huì)怎樣？

第9章 二進(jìn)制數(shù) 62

二進(jìn)制是最簡(jiǎn)單的數(shù)字系統(tǒng)，其中只包含兩個(gè)數(shù)字：0和1。二進(jìn)制中的1位（bit）稱為1比特，我們可以用它來(lái)表達(dá)簡(jiǎn)單的信息：是或不是；亮或滅；打開(kāi)或關(guān)閉，等等。而事實(shí)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(lái)表示。這種例子在日常 生活中隨處可見(jiàn)，比如照相機(jī)膠卷的膠片速度，各種商品包裝上的條形碼。

第10章 邏輯與開(kāi)關(guān) 78

對(duì)于古希臘人而言，邏輯是在追求真理的過(guò)程中所使用的一種分析方法，是一種哲學(xué)形式。而英國(guó)的數(shù)學(xué)家喬治·布爾卻認(rèn)為可以找到一種數(shù)學(xué)形式來(lái)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(yùn)算可以用開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線和燈泡組成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，布爾代數(shù)中的AND和OR，與線路中開(kāi)關(guān)的串聯(lián)和并聯(lián)，有著奇妙的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

第11章 門(mén) 93

繼電器像開(kāi)關(guān)一樣，可以串聯(lián)或并聯(lián)在電路中執(zhí)行簡(jiǎn)單的邏輯任務(wù)。這種繼電器的組合叫做邏輯門(mén)（logic gate），也簡(jiǎn)稱門(mén)。這里提到的邏輯門(mén)執(zhí)行“簡(jiǎn)單”邏輯任務(wù)是指邏輯門(mén)只完成最基本的功能。本章就介紹那些用以完成最基本邏輯任務(wù)的門(mén)。

第12章 二進(jìn)制加法器 117

加法是算術(shù)計(jì)算中最基礎(chǔ)的運(yùn)算，如果想搭建一臺(tái)計(jì)算機(jī)的話，首先就要搭建出計(jì)算兩個(gè)數(shù)加和的器件。本章我們將利用前面的章節(jié)中用過(guò)的開(kāi)關(guān)、燈泡、導(dǎo)線、電池、邏輯門(mén)等這些簡(jiǎn)單的元件，搭建一個(gè)二進(jìn)制加法器。

第13章 如何實(shí)現(xiàn)減法 128

當(dāng)你確信繼電器連接在一起真的可以實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)加法的時(shí)候，你可能會(huì)問(wèn)：“如何實(shí)現(xiàn)減法呢？”問(wèn)得好！這表明你是相當(dāng)有覺(jué)察力的，加法和減法在某些方面互相補(bǔ)充，但是在機(jī)制上二者卻存在本質(zhì)區(qū)別。不過(guò)，沒(méi)關(guān)系，我們可以想一些辦法，把減法運(yùn)算變成加法。

第14章 反饋與觸發(fā)器 140

想象一下，如果你沒(méi)有了記憶力，該如何去數(shù)數(shù)？我們不記得剛剛數(shù)過(guò)的數(shù)，當(dāng)然也就無(wú)法確定下一個(gè)數(shù)是什么！同理，一個(gè)能計(jì)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。

第15章 字節(jié)與十六進(jìn)制 164

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。

第16章 存儲(chǔ)器組織 174

每天清晨，我們將自己從沉睡中喚醒，這時(shí)大腦的空白會(huì)很快被記憶填滿。我們立刻會(huì)意識(shí)到自己身在何方，最近做了些什么事情，有什么計(jì)劃打算。有的事情我們很快就能想起來(lái)，但有時(shí)并非如此。我們可以借助許多工具來(lái)記錄信息，比如筆和紙、磁帶，當(dāng)然現(xiàn)在還可以使用存儲(chǔ)器。

第17章 自動(dòng)操作 190

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(duì)枯燥的、重復(fù)性的工作深惡痛絕。所以，當(dāng)你必須用前面搭建的加法器計(jì)算100個(gè)數(shù)，甚至更多個(gè)數(shù)的加法時(shí)，有一種念頭就會(huì)不可遏制地從腦子里冒出來(lái)：怎樣讓加法器自動(dòng)地完成數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算呢？辦法肯定是有的，那就是編寫(xiě)程序。

第18章 從算盤(pán)到芯片 222

算盤(pán)、滑尺、納皮爾骨架、差分機(jī)、解析機(jī)、繼電器、電子管、晶體管、芯片、計(jì)算機(jī)；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(shí)驗(yàn)室……你覺(jué)得應(yīng)接不暇了嗎？把這些你或者熟悉或者生疏的名詞和名字串起來(lái)，就是人類的計(jì)算工具發(fā)展史。讓時(shí)光倒流，去看看那些精巧的工具，感受天才們的巧思吧！

第19章 兩種典型的微處理器 244

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。第一片微處理器芯片誕生于1971年，即Intel 4004系列，其中集成了2300個(gè)晶體管，你或許覺(jué)得可笑——如今家用計(jì)算機(jī)的微處理器上所安置的晶體管數(shù)量已經(jīng)以億為計(jì)量單位了。但是，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，微處理器實(shí)際所做的工作并沒(méi)有變。在本章，我們就來(lái)看看兩種有著輝煌歷史的典型微處理器：Intel 8080和Motorola 6800。

第20章 ASCII碼和字符轉(zhuǎn)換 272

計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器唯一可以存儲(chǔ)的形式是比特，因此如果想在計(jì)算機(jī)上處理信息，就必須把它們轉(zhuǎn)換為比特的形式來(lái)存儲(chǔ)。我們已經(jīng)掌握了如何用比特來(lái)表示數(shù)字和機(jī)器碼。如何用它來(lái)存儲(chǔ)文本呢？畢竟，人類所積累的大部分信息，都以各種文本形式保存的。下面就輪到ASCII碼出場(chǎng)了！

第21章 總線 287

一臺(tái)計(jì)算機(jī)包括很多部件：中央處理器、存儲(chǔ)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(gè)或更多的電路板上。這些電路板之間通過(guò)總線（bus）通信。如果對(duì)總線做一個(gè)簡(jiǎn)單的概括，可以認(rèn)為總線就是數(shù)字信號(hào)的集合，而這些信號(hào)被提供給計(jì)算機(jī)上的每塊電路板。

第22章 操作系統(tǒng) 306

你或許夢(mèng)想過(guò)自己組裝一臺(tái)近乎完整的計(jì)算機(jī)，像老木偶匠蓋比特雕刻木偶匹諾曹一樣，全部親自動(dòng)手用小零件完成。不過(guò)在你的機(jī)器能完成你想要的操作之前，還差一個(gè)重要的東西——操作系統(tǒng)！

第23章 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù) 323

整數(shù)、分?jǐn)?shù)以及百分?jǐn)?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(shí)，而公司按正常工作時(shí)間的1.5倍支付你工資，你用這些錢(qián)買(mǎi)了半盒雞蛋并交了8.25%的銷售稅。在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存里，所有的數(shù)都表示為二進(jìn)制形式。通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們知道2用二進(jìn)制可以表示為102，可是2.75用二進(jìn)制怎樣表示呢？這就是本章的主題。

第24章 高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言 337

第22章介紹了如何編寫(xiě)一段簡(jiǎn)單的程序，讓我們可以利用鍵盤(pán)將十六進(jìn)制機(jī)器碼輸入計(jì)算機(jī)，以及通過(guò)視頻顯示設(shè)備來(lái)檢查這些代碼。但是使用機(jī)器碼編寫(xiě)程序就如同用牙簽吃東西，伸出手臂費(fèi)半天勁刺向食物，但每次都只獲取到小小的一塊，用這種低級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，有悖于我們發(fā)明計(jì)算機(jī)的初衷。不過(guò)，人們想出了一種效率更高的編程方法——使用高級(jí)語(yǔ)言。

第25章 圖形化革命 352

回顧歷史，從第一臺(tái)繼電器計(jì)算器出現(xiàn)到現(xiàn)在為止，六七十年過(guò)去了，計(jì)算機(jī)的處理速度飛速增長(zhǎng)。不過(guò)要充分利用計(jì)算機(jī)日益增長(zhǎng)的運(yùn)算和處理能力，就必須不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的用戶接口（User Interface），因?yàn)樗侨藱C(jī)交互的軸心。圖形化革命來(lái)了！