本書從*基本的電學(xué)知識開始,帶領(lǐng)讀者一步一步、從無到有地制造一臺能全自動工作的計算機。在這個過程中,讀者可以學(xué)習(xí)到大量有趣的電學(xué)、數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)知識,了解到它們是如何為電子計算機的產(chǎn)生創(chuàng)造條件,并促使它不斷向著更快、更小、更強的方向發(fā)展。通過閱讀本書,讀者可以很容易地理解自動計算實際上是如何發(fā)生的,而現(xiàn)代的計算機又是怎么工作的。以此為基礎(chǔ),在本書的后面集中介紹了現(xiàn)代計算機的組成和主要功能,以及計算機核心與外部設(shè)備的接口,并對以操作系統(tǒng)為核心的軟件進行了介紹。
這是一本平易近人、妙趣橫生的書,帶您穿越縈繞在腦海中的種種迷霧,為您解開計算機原理的面紗。
推薦序:
中國工程院院士 倪光南
56年前,我從大學(xué)畢業(yè)后,被分配到北京的中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所工作。那時,中國還沒有自己的計算機,國家建立我們這個研究所,就是為了研發(fā)中國自己的計算機。我很幸運,能夠進入計算所,親身參與了新中國在計算機事業(yè)上從零到有的發(fā)展歷程。
今天,人們可能認為計算機沒什么了不起,可能每個人身上都帶著好幾個計算機,隨時隨地都可以叫計算機給自己做事,但是在我們那個時候,計算機是非常神秘、非常稀罕的。就拿中國自己設(shè)計的第一臺計算機為例,這臺計算機稱為119機,每秒鐘運算5萬次,是用電子管做的,人們稱為第一代計算機,這是最早的技術(shù)。后來發(fā)展到第二代計算機,是用晶體管做的,然后發(fā)展到第三代計算機,是用集成電路做的,最后發(fā)展到第四代計算機,就是用大規(guī)模集成電路做的。沿著這條路徑,計算機發(fā)展就和集成電路的發(fā)展融合起來了。現(xiàn)在可以說,集成電路是計算機的核心技術(shù),是計算機的載體,是計算機的主要成分,集成電路的發(fā)展決定著計算機的未來……
不過,人們都有探索自然奧秘的好奇心,盡管計算機已經(jīng)隨手可得,有人還會有興趣去了解:計算機怎么會一步步地變得能干起來、變得越來越聰明了?了解這些事,對人們求得自己的進步也有意義,這其實就是科普的價值,通過科普來普及科學(xué)技術(shù)知識、倡導(dǎo)科學(xué)方法、傳播科學(xué)思想、弘揚科學(xué)精神,等等。
本書作者有志于科普計算機的知識,向廣大讀者奉獻了這本普及計算機知識的《穿越計算機的迷霧》一書,這其實是很有挑戰(zhàn)性的工作。因為對于生活在今天信息技術(shù)高度發(fā)展的時代,要把人們拉回到計算機發(fā)展的早期,讓他們了解那些早期困惑計算機工作者的難題,這有點像對計算機進行考古的味道了!對于很多小朋友來說,他們生活在一個有智能手機、平板電腦、可以隨時隨地上網(wǎng)、打電話、聊天交友、購物的時代,他們會認為這個世界一直就是這樣,為什么還要去考古呢?
然而實際上,幾十年前的生活并不是這個樣子。我們現(xiàn)在所享受的這些便利,都起源于上世紀五十年代,是從世界上第一臺電子計算機的誕生而開始的。第一臺電子計算機的誕生使信息處理數(shù)字化、自動化,隨后,利用電子計算機的技術(shù)原理,人類成功地把更多的事物數(shù)字化,例如聲音、圖像、文字、圖紙、生產(chǎn)流程、交易記錄、商品參數(shù),等等;并產(chǎn)生了很多像電腦終端、智能手機、數(shù)字電視、交換機、路由器這樣的數(shù)字信息處理設(shè)備,這就形成了我們今天可以在電腦和手機上搶購商品、看視頻、即時通話,無現(xiàn)金支付、網(wǎng)上就醫(yī)……的技術(shù)基礎(chǔ)。
我們生活的這個星球就像一個村子,每個國家都是一個村戶,我們每一個人都是這個地球村的村民。然而,從古到今,這都不是一個和平寧靜的村莊,戰(zhàn)爭、饑餓威脅著人類,經(jīng)濟和科技的發(fā)展也極不均衡。在歷史上,中國曾長期遭受西方發(fā)達國家的禁運制裁和技術(shù)封鎖。今天,中國在航空航天、量子通信、超算、核能、高鐵、港口龍門吊、挖泥船、高溫超導(dǎo)、納米科技、量子計算、正負電子對撞機、高性能計算機、北斗導(dǎo)航等方面的進步與突破基本上都是在外國的技術(shù)封鎖下自主研發(fā)、自主創(chuàng)新完成的。
科學(xué)技術(shù)是一個國家的命脈,事關(guān)一個國家和民族的生死存亡。習(xí)近平總書記多次對中國互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)作出重要指示:網(wǎng)信事業(yè)要發(fā)展,必須貫徹以人民為中心的發(fā)展思想;依法加強網(wǎng)絡(luò)空間治理,加強網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容建設(shè);必須突破核心技術(shù)這個難題,爭取在某些領(lǐng)域、某些方面實現(xiàn)彎道超車。中共十九大報告提出,加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究,拓展實施國家重大科技項目,突出關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新,為建設(shè)科技強國、質(zhì)量強國、航天強國、網(wǎng)絡(luò)強國、交通強國、數(shù)字中國、智慧社會提供有力支撐。
青少年是國家的未來,是國家的希望,要建設(shè)數(shù)字中國,發(fā)展核心電子器件、高端通用芯片和基礎(chǔ)軟件,提高我國信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力,必須從娃娃抓起。這就需要喚起他們對科學(xué)的興趣,在他們的心里播下熱愛科學(xué)的種子,而這正是廣大科普工作者的工作。
在此,我再次向廣大的青少年推薦這本《穿越計算機的迷霧》的計算機科普著作,這是一本妙趣橫生、引人入勝的科普讀物,它既講清了電子計算機的工作原理,也能夠極大地激發(fā)青少年對于信息技術(shù)的興趣,引導(dǎo)他們走進科學(xué)的殿堂。
二〇一八年二月八日
李忠,2000年至今,長春電視臺科教頻道。主要出版著作《穿越計算機的迷霧》《x86匯編語言:從實模式到保護模式》。
第1章 了解計算機,要從電開始
1.1 有的東西能導(dǎo)電,而有的則不能 / 2
1.2 電的老家是原子 / 3
1.3 為什么有些東西可以導(dǎo)電 / 6
1.4 電流是怎樣形成的 / 8
1.5 電路和電路圖 / 12
第2章 用電來表示數(shù)
2.1 怎樣用電來代表一個數(shù)字 / 18
2.2 古怪的二進制計數(shù)法 / 22
2.3 二進制數(shù)就是比特串 / 26
2.4 用開關(guān)來表示二進制數(shù)字 / 27
第3章 怎樣才能讓機器做加法
3.1 我們是怎樣用十進制做加法的 / 31
3.2 用二進制做加法其實更簡單 / 32
3.3 使用全加器來構(gòu)造加法機 / 34
第4章 電子計算機發(fā)明的前夜
4.1 電能生磁 / 40
4.2 繼電器和莫爾斯電碼 / 42
4.3 磁也能生電 / 46
4.4 電話的發(fā)明 / 48
4.5 愛迪生大戰(zhàn)交流電 / 49
4.6 無線電通信的開端 / 55
第5章 從邏輯學(xué)到邏輯電路
5.1 邏輯學(xué) / 61
5.2 數(shù)理邏輯 / 73
5.3 數(shù)字邏輯和邏輯電路 / 78
第6章 加法機的誕生
6.1 全加器的構(gòu)造 / 91
6.2 加法機的組成 / 96
第7章 會變魔術(shù)的觸發(fā)器
7.1 不尋常的開關(guān)和燈 / 98
7.2 反饋和振蕩器 / 99
7.3 電子管時代 / 103
7.4 記憶力非凡的觸發(fā)器 / 108
7.5 觸發(fā)器的符號 / 113
第8章 學(xué)生時代的走馬燈
8.1 能保存一個比特的觸發(fā)器 / 114
8.2 邊沿觸發(fā) / 118
8.3 揭開走馬燈之謎 / 120
8.4 這個觸發(fā)器很古怪 / 122
第9章 計算機時代的開路先鋒
9.1 純電子化的計算時代 / 124
9.2 晶體管時代 / 127
9.3 新材料帶動技術(shù)進步 / 132
第10章 用機器做一連串的加法
10.1 把一大堆數(shù)加起來 / 136
10.2 輪流使用總線 / 140
10.3 簡化操作過程 / 143
10.4 這就是傳說中的控制器 / 147
第11章 全自動加法計算機
11.1 咸鴨蛋壇子和存儲器 / 152
11.2 磁芯存儲器 / 159
11.3 先存儲,后計算 / 161
11.4 半自動操作 / 165
11.5 全自動計算 / 169
第12章 現(xiàn)代的通用計算機
12.1 更多的計算機指令 / 173
12.2 當(dāng)計算機面臨選擇時 / 177
12.3 現(xiàn)代計算機的大體特征 / 181
12.4 為什么計算機如此有用 / 184