計算機科學與計算機編程

計算機科學與計算機編程

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這是專欄的第一篇文章，也是第一個章節[預備知識]的第一篇文章。本篇文章主要介紹計算機科學的背景，讓大家有一個基本的了解。下篇文章介紹編程語言類型和C++的背景。

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人們運用『編程』手段幫助解決問題自古就有。

這裡我們提到的編程，是指廣義的編程。其中最典型的例子就是機械錶：機械編程也是一種編程嘛！上弦器輸出了恆定的力，通過嚴密咬合的齒輪，保證秒針的軸每轉動360°，分針的軸就會轉動6°，這就是一種編程。中國古代的地動儀也是一種編程：使用機械機構代替人類判斷波動傳來的方向，還使用了美觀的裝飾使得它對用戶更友好。那編程又有什麼好處呢？編程可以實現簡單的邏輯，把人從重複的勞動中解放出來。

我在這裡順便提一個人類浪漫的幻想：機械朋克。那時候計算機科學還沒生出萌芽，人們又急需釋放這樣一種強大的生產力，便把希望寄託於當時的黑科技——蒸汽機上。蒸汽機能代替人力，使用燃料提供能源，再輔以機械構造的邏輯判斷裝置，就能實現所有人類想實現的願望。哈爾的移動城堡中飛翔在天空中巨大的蒸汽飛船，就是這種幻想的產物。但是這樣一種編程器也有它明顯的壞處，首先是提供能量的方式太落後了，通過機械能驅動設備，硬體會有明顯的損耗；其次是複雜邏輯會導致它有一個極其龐大的身軀，所以這個幻想一直沒能成真，漸漸淪為陀飛輪手錶這種炫技的收藏品。直到後來人類科技有了新的突破，電子計算機應運而生。

電子計算機使用電能作為能源，使用電（後來也有光）進行邏輯判斷。但是早期電子計算機的體積也很巨大，因為必須使用大量電子管構造複雜的邏輯。世界第一台電腦重30餘噸，佔地約170平方米，肚子里裝有18000隻電子管（引用百度百科）。當然，隨著時代發展，人們已經掌握了在矽片上蝕刻電路的技術，所以計算機的體積已經可以縮小到U盤那麼小。

關於具體如何利用電來進行邏輯判斷，人們有了很多構想（聽說蘇聯人搞過三進位計算機）。其中得以發展至今的，就是馮·諾依曼體系結構。作為科普，馮·諾依曼結構我不應當講得太多，這個設計簡單來說就是：計算機硬體由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。在這樣一個體系中，我們分別能找到個人電腦能與其對應上的零件。我們常說的中央處理器也就是CPU，是集成了運算器和控制器的這樣一個元件。CPU專註於計算（就是傳統意義上的計算），收到一些數據然後返還一些數據；內存條對應著存儲器，他的功能就是把數據存在裡面。輸入設備指的是把數據弄進存儲器的設備，比如滑鼠鍵盤，輸出設備指的是從存儲器讀取數據的設備，比如印表機和顯示器。至於硬碟又是另外一回事。硬碟跟內存相比速度慢，但是價格低廉。所以我們把一些數據從內存轉存到硬碟中，用到的時候再調取到內存里使用。從這個角度看，硬碟既是輸入設備也是輸出設備。

還有一個關鍵就是馮·諾依曼結構的計算機使用二進位計算。我們可以先忽略這個點，在後面的章節仔細討論。

有了這樣一台計算器，我們都能怎麼利用？在內存中搞兩個數1和2，然後送進處理器讓他們相加，處理器返還一個3，把這個3從屏幕輸出出來。這就是原始的計算機用法。再比如在內存中搞一個數1.8，再搞一個數32。讓用戶從鍵盤輸入一個數字a，然後送到處理器讓他們做各種運算(1.8a+32)。把結果在屏幕中打出來，我們就得到了一個攝氏度和華氏度的轉換器。寫一些指令讓內存和處理器聽話，這個過程就叫做編程。

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