关于《编码》一书的总结【四】

其实编码这本书的精彩部分就在于10-17章,从继电器到RAM到处理器,输入输入设备,我们跟随Charles Petzold,在这个制作过程中了解到了一些计算机的底层原理。想要更深入的学习就需要进行专业性,系统性的学习了,毕竟这本书可不是教材,它是一个面向大众的“半科普性”书籍,之后18-25章内容大多讲了计算机发展的历史,同时从多个角度告诉我们前人们如何改进计算机。这部分内容,我只是简要了解了一下。对我而言我读这本书的目的已经达到了剩下的其他方面的内容是锦上添花。故仅摘录一些感觉比较有意思的或者重要的片段。

18、从算盘到芯片


真空管取代继电器

真空管(vacuumtube)是一种可以替代继电器的元件,它是由约翰·安布罗斯·弗莱明(JohnAmbroseFlemmg,1849一1945)和李.德.福雷斯特(L“deForest,1873一1961)在进行无线电通信连接研究时开发出来的。到20世纪40年代,真空管已经被广泛应用于放大电话信号,实际上,那时几乎每一个家庭都拥有一台带有发光二极管可控收音机。它们能放大无线信号,并且把它们变成还原为人们能听见的声音。真空管同样可以通过连接成与门、或门、与非门,以及与或门一一这一一点很像继电器

不论真空管何时取代继电器,前面章节中讲述的关于基于继电器部件的一切同样是有效的。

缺点:价格昂贵、耗电量大,以及产生的热量太多。可是,其最大的问题是真空管最终会被烧坏。其他机器中,我们替换一个就可以了。可是在计算机中,当一个真空管烧坏时并不可能立刻被检测到,此外,一台计算机拥有数量巨大的真空管,按统计学来分析,每隔几分钟就会烧坏一个。

优点:真空管的状态可以在百万分之一秒内发生转变速度是继电器的1000倍。但是在当时,计算速度不是首要的考虑因素。

1945年,计算机中真空管彻底取代继电器

图灵

艾伦.M.图灵(AlanM.Turmg,19]2一1954)撰写了两篇非常有影响的论文,这使他如今成为计算机领域的鼎鼎大名的人物。第一篇论文发表于1937年,首次提出了“可计算性”这个概念,用来分析哪些事情计算机可以做到,哪些做不到。他为计算机构想了一个抽象模型,这就是现在为人所熟知的图灵机(TunngMachine)

图灵第二篇非常有名的论文是关于人工智能的,在这篇论文中他介绍了一种测试机器智能的方法,即现在为人熟知的图灵测试法(TuringTest)

这两篇论文对计算机的发展产生深远的影响。

冯诺依曼结构

约翰.冯.诺依曼在1946年与亚瑟.W.伯克斯(ArthurW.Burks)和荷曼.哥斯廷(HermanH.Goldstime)共同执笔的题为“电子计算器逻辑设计的初步分析及讨论(Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument)”的论文中提出了:

  1. 计算机应该使用二进制

  2. 应当拥有存储器,这些存储器应该用来存储程序代码和程序执行中产生的数据这些指令在存储器中是顺序存放的,而且可以由程序计数器进行寻址,但允许条件跳转。这就是著名的“存储程序概念”(stored-program-concept)。这些设计上的决策是计算机历史中非常重要的一个进化阶段,现在我们称之为
    “冯·诺依曼结构”

  3. 冯诺依曼瓶颈:为了执行指令花费大量时间来取出指令

晶体管的出现

1947年12月16日,当贝尔实验室的两个物理学家约翰·巴丁(JohnBardeen,1908一1991)和沃尔特“布兰坦(WalterBrattain,1902一]987)制造出了晶体管。

锗元素和硅元素(以及一些化合物)被称为“半导体”(semiconductor),之所以称为“半导体”并不是因为它们的导电性能是导体的一半,而是因为它们的导电系数可以通过多种方式操控。半导体的原子核在最外层有4个电子,是外层所能拥有的最大电子数目的一半。纯半导体中,原子之间形成稳定的化学键以及类似金刚石的结构。这种半导体不是良好的导体。但是,半导体可以掺入一些杂质,即与某些杂质组合。一种类型的杂质称做N型(N表示negative)半导体,它们为原子之间的结合提供额外的电子。另外一种类型的杂质被称做p型半导体。把一个P型半导体夹在两个N型半导体之间可以使之成为一个放大器。这就是著名的NPN品体管,其三部分分别为集电极)、基极(base),以及发射极(emitter)

在基极施加微小的电压就可以控制非常大的电压从集电极到发射极。如果在基极没有施加电压,那么晶体管将不起作用。

优点:体积小、需要的电量小、产生热量小、更持久耐用

晶体管同样能形成与或门:

使用继电器构造逻辑门以及其他部件的方法对于晶体管同样有效。

芯片的诞生

1952年,英国物理学家杰里佛的语言:

1958年7月,德州仪器公司的杰克·基尔比〔JackKilby,生于1923年)想到了一个可以在一块硅片制造出多个晶体管、电阻和其他电子元件的方法,而他并不知道杰里佛的语言。6个月过后,也就是1959年1月,罗伯特,诺依斯(RobertNoyce,1927一1990)也想到了类似的方法。诺依斯起初是为当克利半导休实验室工作,但在1957年,他与其他7位科学家离开了肖克利半导体实验室创办了仙童(Fmrchild)半导体公司。

尽管专利上发生了一些纠纷,但是在今天他们俩被称为集成电路(IC)的共同发明者。

20世纪70年代IC家族中有两个家族盛行:TTL、CMOS

  • TTL(Transistor-transistor logic)晶体管-晶体管逻辑
    • 2~5V逻辑1
    • 0~0.8V逻辑0
    • 0.8~2V应避免
    • 正逻辑:高电平逻辑1,低电平逻辑0,反之为负逻辑
  • CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补金属氧化物半导
    • TTL供电电压需要再4.755.25V但是CMOS 318V内电压均可,非常灵活
    • 功耗比TTL更少
    • 缺点是慢,随着电压升高而加快
    • 但是发展到尽头TTL也有了高电压版本,CMOS也有了高速版本

影响集成电路性能的最重要因素是传播时间,即输入端发生变化引起输出端发生变化所需要的时间,传播时间单位是纳秒(ns)

  • 1秒 = 1000毫秒(千分之一秒)

  • 1秒 = 1000000微妙(百万分之一秒)

  • 1秒 = 10亿分之一秒

通常情况下,每秒至少震荡一百万个周期,称为1兆赫兹(MHz)

1970年Intel公司制造出了第一块单芯片计算机—>一个可以储存1024位数据的芯片

比较微处理器的性能三个衡量标准:

  1. 处理位数
  2. 时钟频率
  3. 可寻址空间大小

1974年5月,英特尔公司和摩托罗拉公司同时发布了8008微处理器的改进版,正是两款芯片改变了整个
世界。

19、两种典型的处理器


主要介绍了8080处理器的指令和功能,最后简要提及6800处理器和之后的处理器发展。

20、ASCII码和字符转换


介绍了字符编码集主要是ASCII的形成,和介绍其他字符编码集

21、总线


总线就是数字信号的集合,这些信号被提供给计算机的每块电路板。

本章介绍了总线的发展和其工业标准的诞生

22、操作系统


为了方便我们的工作,我们需要操作系统来帮助我们管理控制各个部件工作。

本章介绍了操作系统的概念、它的应用、文件系统的概念、操作系统的发展。

23、定点数和浮点数


为了表示小数和进行其计算,人们发明了浮点数。

本章介绍了浮点数的概念和其在计算机上的实现

24、高级语言和低级语言


为了减少机器语言编写程序的痛苦,但是了汇编语言,但是汇编语言还是有很多缺点,于是人们开发高级语言。

本章介绍了从机器语言到高级语言的发展历程。

25、图形化革命


随着计算机的发展,人人有一个自己的计算机成为可能。友好交互性能的需求,使得图形化革命的出现。

图片、影像、音乐、因特网等等,本章介绍了计算机和人们的交互逐渐友好的过程,从多方面介绍了计算机如今的丰富多彩的功能。

尾记


编码这本书到此为止就结束了。在我看来10-17章对我的意义很大,生动有趣的阅读,而不是枯燥的电路图和专有名词,阅读下来让我对数电、机组有了更好的认识,有利于我的学习。给了我以前许多疑惑一个答案。之前的章节是一个铺垫,相当于科普阅读,引出必要概念,缓解阅读节奏,10-17章需要思考理解,会对计算机的结构尤其是存储概念和其结构在计算机中的作用有着深刻印象。之后的章节介绍在此之上计算机经过前人的努力不断改进发展的过程,直到今天功能丰富且强大的计算机。最后18-25章节只是粗略浏览了一下,期待以后有机会再来细细阅读。这里推荐另一个博主的笔记,对这几章的总结很全面:http://kaito-kidd.com/2016/06/24/code-note-18-25/ 最后的最后,不由得感慨计算机不仅是一个机器,在我看来它更像是一个艺术品,根本在物理上,加以人类数理逻辑智慧的构造,经过多年的发展,历经多少天才的奇思构想,又在生产上凝聚了多少工程的智慧。也不由得感慨Charles Petzold的智慧和目光长远,很多的畅想如今都已成为现实。2019.9.15

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