本書從*基本的電學(xué)知識(shí)開(kāi)始,帶領(lǐng)讀者一步一步、從無(wú)到有地制造一臺(tái)能全自動(dòng)工作的計(jì)算機(jī)。在這個(gè)過(guò)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(shí),了解到它們是如何為電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生創(chuàng)造條件,并促使它不斷向著更快、更小、更強(qiáng)的方向發(fā)展。通過(guò)閱讀本書,讀者可以很容易地理解自動(dòng)計(jì)算實(shí)際上是如何發(fā)生的,而現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的組成和主要功能,以及計(jì)算機(jī)核心與外部設(shè)備的接口,并對(duì)以操作系統(tǒng)為核心的軟件進(jìn)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(kāi)計(jì)算機(jī)原理的面紗。
推薦序:
中國(guó)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(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所工作。那時(shí),中國(guó)還沒(méi)有自己的計(jì)算機(jī),國(guó)家建立我們這個(gè)研究所,就是為了研發(fā)中國(guó)自己的計(jì)算機(jī)。我很幸運(yùn),能夠進(jìn)入計(jì)算所,親身參與了新中國(guó)在計(jì)算機(jī)事業(yè)上從零到有的發(fā)展歷程。
今天,人們可能認(rèn)為計(jì)算機(jī)沒(méi)什么了不起,可能每個(gè)人身上都帶著好幾個(gè)計(jì)算機(jī),隨時(shí)隨地都可以叫計(jì)算機(jī)給自己做事,但是在我們那個(gè)時(shí)候,計(jì)算機(jī)是非常神秘、非常稀罕的。就拿中國(guó)自己設(shè)計(jì)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)為例,這臺(tái)計(jì)算機(jī)稱為119機(jī),每秒鐘運(yùn)算5萬(wàn)次,是用電子管做的,人們稱為第一代計(jì)算機(jī),這是最早的技術(shù)。后來(lái)發(fā)展到第二代計(jì)算機(jī),是用晶體管做的,然后發(fā)展到第三代計(jì)算機(jī),是用集成電路做的,最后發(fā)展到第四代計(jì)算機(jī),就是用大規(guī)模集成電路做的。沿著這條路徑,計(jì)算機(jī)發(fā)展就和集成電路的發(fā)展融合起來(lái)了,F(xiàn)在可以說(shuō),集成電路是計(jì)算機(jī)的核心技術(shù),是計(jì)算機(jī)的載體,是計(jì)算機(jī)的主要成分,集成電路的發(fā)展決定著計(jì)算機(jī)的未來(lái)……
不過(guò),人們都有探索自然奧秘的好奇心,盡管計(jì)算機(jī)已經(jīng)隨手可得,有人還會(huì)有興趣去了解:計(jì)算機(jī)怎么會(huì)一步步地變得能干起來(lái)、變得越來(lái)越聰明了?了解這些事,對(duì)人們求得自己的進(jìn)步也有意義,這其實(shí)就是科普的價(jià)值,通過(guò)科普來(lái)普及科學(xué)技術(shù)知識(shí)、倡導(dǎo)科學(xué)方法、傳播科學(xué)思想、弘揚(yáng)科學(xué)精神,等等。
本書作者有志于科普計(jì)算機(jī)的知識(shí),向廣大讀者奉獻(xiàn)了這本普及計(jì)算機(jī)知識(shí)的《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》一書,這其實(shí)是很有挑戰(zhàn)性的工作。因?yàn)閷?duì)于生活在今天信息技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代,要把人們拉回到計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期,讓他們了解那些早期困惑計(jì)算機(jī)工作者的難題,這有點(diǎn)像對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行考古的味道了!對(duì)于很多小朋友來(lái)說(shuō),他們生活在一個(gè)有智能手機(jī)、平板電腦、可以隨時(shí)隨地上網(wǎng)、打電話、聊天交友、購(gòu)物的時(shí)代,他們會(huì)認(rèn)為這個(gè)世界一直就是這樣,為什么還要去考古呢?
然而實(shí)際上,幾十年前的生活并不是這個(gè)樣子。我們現(xiàn)在所享受的這些便利,都起源于上世紀(jì)五十年代,是從世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生而開(kāi)始的。第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生使信息處理數(shù)字化、自動(dòng)化,隨后,利用電子計(jì)算機(jī)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(jī)、數(shù)字電視、交換機(jī)、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(jī)上搶購(gòu)商品、看視頻、即時(shí)通話,無(wú)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(gè)星球就像一個(gè)村子,每個(gè)國(guó)家都是一個(gè)村戶,我們每一個(gè)人都是這個(gè)地球村的村民。然而,從古到今,這都不是一個(gè)和平寧?kù)o的村莊,戰(zhàn)爭(zhēng)、饑餓威脅著人類,經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展也極不均衡。在歷史上,中國(guó)曾長(zhǎng)期遭受西方發(fā)達(dá)國(guó)家的禁運(yùn)制裁和技術(shù)封鎖。今天,中國(guó)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(jì)算、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、高性能計(jì)算機(jī)、北斗導(dǎo)航等方面的進(jìn)步與突破基本上都是在外國(guó)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(gè)國(guó)家的命脈,事關(guān)一個(gè)國(guó)家和民族的生死存亡。習(xí)近平總書記多次對(duì)中國(guó)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間治理,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容建設(shè);必須突破核心技術(shù)這個(gè)難題,爭(zhēng)取在某些領(lǐng)域、某些方面實(shí)現(xiàn)彎道超車。中共十九大報(bào)告提出,加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究,拓展實(shí)施國(guó)家重大科技項(xiàng)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(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)提供有力支撐。
青少年是國(guó)家的未來(lái),是國(guó)家的希望,要建設(shè)數(shù)字中國(guó),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(guó)信息產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,必須從娃娃抓起。這就需要喚起他們對(duì)科學(xué)的興趣,在他們的心里播下熱愛(ài)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(jì)算機(jī)的迷霧》的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的工作原理,也能夠極大地激發(fā)青少年對(duì)于信息技術(shù)的興趣,引導(dǎo)他們走進(jìn)科學(xué)的殿堂。
二〇一八年二月八日
李忠,2000年至今,長(zhǎng)春電視臺(tái)科教頻道。主要出版著作《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》《x86匯編語(yǔ)言:從實(shí)模式到保護(hù)模式》。
第1章 了解計(jì)算機(jī),要從電開(kāi)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(lái)表示數(shù)
2.1 怎樣用電來(lái)代表一個(gè)數(shù)字 / 18
2.2 古怪的二進(jìn)制計(jì)數(shù)法 / 22
2.3 二進(jìn)制數(shù)就是比特串 / 26
2.4 用開(kāi)關(guān)來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)字 / 27
第3章 怎樣才能讓機(jī)器做加法
3.1 我們是怎樣用十進(jìn)制做加法的 / 31
3.2 用二進(jìn)制做加法其實(shí)更簡(jiǎn)單 / 32
3.3 使用全加器來(lái)構(gòu)造加法機(jī) / 34
第4章 電子計(jì)算機(jī)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(ài)迪生大戰(zhàn)交流電 / 49
4.6 無(wú)線電通信的開(kāi)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(jī)的誕生
6.1 全加器的構(gòu)造 / 91
6.2 加法機(jī)的組成 / 96
第7章 會(huì)變魔術(shù)的觸發(fā)器
7.1 不尋常的開(kāi)關(guān)和燈 / 98
7.2 反饋和振蕩器 / 99
7.3 電子管時(shí)代 / 103
7.4 記憶力非凡的觸發(fā)器 / 108
7.5 觸發(fā)器的符號(hào) / 113
第8章 學(xué)生時(shí)代的走馬燈
8.1 能保存一個(gè)比特的觸發(fā)器 / 114
8.2 邊沿觸發(fā) / 118
8.3 揭開(kāi)走馬燈之謎 / 120
8.4 這個(gè)觸發(fā)器很古怪 / 122
第9章 計(jì)算機(jī)時(shí)代的開(kāi)路先鋒
9.1 純電子化的計(jì)算時(shí)代 / 124
9.2 晶體管時(shí)代 / 127
9.3 新材料帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步 / 132
第10章 用機(jī)器做一連串的加法
10.1 把一大堆數(shù)加起來(lái) / 136
10.2 輪流使用總線 / 140
10.3 簡(jiǎn)化操作過(guò)程 / 143
10.4 這就是傳說(shuō)中的控制器 / 147
第11章 全自動(dòng)加法計(jì)算機(jī)
11.1 咸鴨蛋壇子和存儲(chǔ)器 / 152
11.2 磁芯存儲(chǔ)器 / 159
11.3 先存儲(chǔ),后計(jì)算 / 161
11.4 半自動(dòng)操作 / 165
11.5 全自動(dòng)計(jì)算 / 169
第12章 現(xiàn)代的通用計(jì)算機(jī)
12.1 更多的計(jì)算機(jī)指令 / 173
12.2 當(dāng)計(jì)算機(jī)面臨選擇時(shí) / 177
12.3 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的大體特征 / 181
12.4 為什么計(jì)算機(jī)如此有用 / 184