程序如何"进入"计算机 - 好文

计算机基础课第 24 期分享

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前面我们把重点放在计算机的原理，怎么从内存读写数据，执行操作，比如把两个数字加在一起。

还简单讲了下指令的执行，也就是计算机程序。

但我们还没讲的是：程序如何"进入"计算机。

01

机器编程需求

你应该记得在前面，我们一步步讲了例子程序，当时为了简单，我们假设程序已经魔法般在内存里了，但事实是，程序需要加载进内存，这不是魔法，是计算机科学！

给机器编程这个需求，早在计算机出现之前就有了。

最著名的例子来自纺织业，如果你只想织一块红色大桌布，可以直接放红线进织布机。但如果想要图案怎么办? 比如条纹或者方格，工人要每隔一会儿
调整一次织布机，因为非常消耗劳动力，所以图案纺织品很贵，特定位置有没有穿孔，决定了线是高是低，横线是从上/从下穿过。为了让每行图案不同，纸卡连成长条，形成连续指令，听起来很熟？很多人认为
雅卡尔织布机是最早的编程。

02

穿孔纸卡用于人口普查

事实证明穿孔纸卡便宜、可靠、也易懂。

近一个世纪后，穿孔纸卡用于 1890 年美国人口普查，我们在第一节提过，一张卡存一个人的信息，比如种族、婚姻状况、子女数量、出生国家等等。

针对每个问题，人口普查工作者会在对应位置打孔，当卡片插入汇总机，孔会让对应总和值+1。可以插入整个国家人口的卡片，在结束后得到各个总值。

值得注意的是，早期汇总机不算计算机，因为它们只做一件事 - 汇总数据，操作是固定的，不能编程。穿孔纸卡存的是数据，不是程序。

03

插线板

之后60年，这些机器被加强，可以做减、乘、除，甚至可以做一些小决定，决定何时执行某指令。为了正确执行不同计算，程序员需要某种控制面板。面板有很多小插孔，程序员可以插电线，让机器的不同部分
互相传数据和信号，因此也叫 "插线板"。

不幸的是, 这意味着运行不同程序要重新接线，所以到 1920 年代，控制面板变成了可拔插。让编程更方便，可以给机器插入不同程序。

比如，一个插线板算销售税，另一个算工资单，但给插线板编程很复杂，图中乱成一团的线。负责算盈亏总额用于 IBM 402 核算机。

在 1940 年代这样做很流行，用插线板编程不只在机电计算机流行，世上第一台通用电子计算机，ENIAC，完成于 1946
年，用了一大堆插线板。程序在纸上设计好之后，给 ENIAC 连线，最多可能花三个星期。

因为早期计算机非常昂贵，停机几个星期只为换程序，完全无法接受。人们急需更快、更灵活的新方式来编程。

04

存储程序计算机

幸运的是，到 1940 年代晚期 1950 年代初，内存变得价格下降, 容量上升。与其把程序存在插线板，存在内存变得可行。这样程序易于修改、方便 CPU
快速读取，这类机器叫 "存储程序计算机"。

如果内存足够，不仅可以存要运行的程序，还可以存程序需要的数据，包括程序运行时产生的新数据，程序和数据都存在一个地方，叫 "冯诺依曼结构"。命名自
约翰·冯·诺依曼，杰出的数学家和物理学家，参与了曼哈顿计划和早期电子计算机项目。

他曾说：我在思考比炸弹重要得多的东西—计算机。

冯诺依曼计算机的标志
是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存（负责存数据和指令)。希望这听起来很耳熟，因为前面我们造了一个冯诺依曼计算机。第一台冯诺依曼架构的"存储程序计算机"，由曼彻斯特大学于
1948 年建造完成，绰号"宝宝"。甚至你现在看视频的计算机，也在用一样的架构。

下一节我们继续讲。

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