編碼：隱匿在計(jì)算機(jī)軟硬件背后的語言

第1章 至親密友 1
編碼是什么？在本書中，這個詞的意思是指一種用來在機(jī)器和人之間傳遞信息的方式。換句話說，編碼就是交流。對任何能聽見我們的聲音并理解我們所說的語言的人來說，我們發(fā)出的聲音所形成的詞語就是一種編碼。用手電筒能代替聲音來與朋友交談嗎？當(dāng)然值得一試。
第2章 編碼與組合 7
莫爾斯碼也被稱做二進(jìn)制碼，因?yàn)檫@種編碼的組成元素只有兩個——“點(diǎn)”和“劃”。不過，點(diǎn)、劃的組合卻可以表示你想要的任意數(shù)目的碼字。這其中的規(guī)律是什么？本章我們就來探討一番。
第3章 布萊葉盲文與二進(jìn)制碼 12
布萊葉盲文是為了便于盲人閱讀而發(fā)明的一種編碼。在這一章中我們將解析布萊葉盲文，來看看它是如何工作的。我們并不是要真的學(xué)習(xí)布萊葉盲文，而且也無須刻意記住關(guān)于它的什么內(nèi)容。我們僅僅希望從中歸納出編碼的一些性質(zhì)。
第4章 手電筒的剖析 19
為了理解電在計(jì)算機(jī)中的工作原理，我們先得仔細(xì)鉆研一番電學(xué)，不過不要擔(dān)心，只需要一部分基礎(chǔ)知識就夠了。在本章，我們將以手電筒為教學(xué)道具，引導(dǎo)你走入神秘的電學(xué)世界。
第5章 繞過拐角的通信 28
在第1章，我們曾經(jīng)講過用手電筒與朋友進(jìn)行交談的方法，但是這樣的方式是有局限性的，你的交流對象必須住在街對過，而且你們臥室的窗口正好相對。但是，現(xiàn)實(shí)不會總是如此。當(dāng)手電筒的光無法到達(dá)朋友的臥室時(shí)，怎樣與他們進(jìn)行無聲的交流呢？電路或許可以助你一臂之力。
第6章 電報(bào)機(jī)與繼電器 35
全球性即時(shí)通信對于我們來說已經(jīng)司空見慣，你要是生活在19世紀(jì)早期，可沒這么方便。你當(dāng)然可以進(jìn)行即時(shí)通信或者遠(yuǎn)距離通信，但是不能同時(shí)做到這兩點(diǎn)。即時(shí)通信受聲音傳播距離的限制，或者受視野的限制。使用信件倒是可以進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的通信，但是寄信耗費(fèi)的時(shí)間太多，并且需要借助于交通工具。為了解決這個問題，電報(bào)應(yīng)運(yùn)，而生而伴隨著電報(bào)誕生的繼電器更是具有重要意義的偉大發(fā)明。
第7章 我們的十個數(shù)字 41
人們很容易理解，語言只不過是一種編碼。比如英文中的“cat”（貓）在其他語言中可以寫做gato、chat、Katze、KOIIIK或kátta。然而，數(shù)字似乎并不是那么容易隨文化的不同而改變。不論我們說什么語言，或使用什么樣的發(fā)音，在這個星球上的所有人都用以下方式來書寫數(shù)字：０，1，2，3，4，5，6，7，8，9。你了解這十個數(shù)字么？
第8章 十的替代品 48
對于人類而言，10是一個非常重要的數(shù)字。它是我們大多數(shù)人擁有的手指或腳趾的數(shù)目。我們?nèi)祟愐呀?jīng)適應(yīng)了以10為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)。但是只能使用十進(jìn)制來計(jì)數(shù)嗎？如果人類像卡通人物那樣每只手只有4根手指會怎樣？
第9章 二進(jìn)制數(shù) 62
二進(jìn)制是最簡單的數(shù)字系統(tǒng)，其中只包含兩個數(shù)字：0和1。二進(jìn)制中的1位（bit）稱為1比特，我們可以用它來表達(dá)簡單的信息：是或不是；亮或滅；打開或關(guān)閉，等等。而事實(shí)上只要信息能轉(zhuǎn)換成兩種或多種可能性的選擇，就都可以用比特來表示。這種例子在日常 生活中隨處可見，比如照相機(jī)膠卷的膠片速度，各種商品包裝上的條形碼。
第10章 邏輯與開關(guān) 78
對于古希臘人而言，邏輯是在追求真理的過程中所使用的一種分析方法，是一種哲學(xué)形式。而英國的數(shù)學(xué)家喬治？布爾卻認(rèn)為可以找到一種數(shù)學(xué)形式來描述邏輯，因此他發(fā)明了布爾代數(shù)。更重要的是，布爾代數(shù)運(yùn)算
可以用開關(guān)、導(dǎo)線和燈泡組成的電路來實(shí)現(xiàn)，布爾代數(shù)中的AND和OR，與線路中開關(guān)的串聯(lián)和并聯(lián)，有著奇妙的對應(yīng)關(guān)系。
第11章 門 93
繼電器像開關(guān)一樣，可以串聯(lián)或并聯(lián)在電路中執(zhí)行簡單的邏輯任務(wù)。這種繼電器的組合叫做邏輯門（logic gate），也簡稱門。這里提到的邏輯門執(zhí)行“簡單”邏輯任務(wù)是指邏輯門只完成最基本的功能。本章就介紹那些用以完成最基本邏輯任務(wù)的門。
第12章 二進(jìn)制加法器 117
加法是算術(shù)計(jì)算中最基礎(chǔ)的運(yùn)算，如果想搭建一臺計(jì)算機(jī)的話，首先就要搭建出計(jì)算兩個數(shù)加和的器件。本章我們將利用前面的章節(jié)中用過的開關(guān)、燈泡、導(dǎo)線、電池、邏輯門等這些簡單的元件，搭建一個二進(jìn)制加法器。
第13章 如何實(shí)現(xiàn)減法 128
當(dāng)你確信繼電器連接在一起真的可以實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)加法的時(shí)候，你可能會問：“如何實(shí)現(xiàn)減法呢？”問得好！這表明你是相當(dāng)有覺察力的，加法和減法在某些方面互相補(bǔ)充，但是在機(jī)制上二者卻存在本質(zhì)區(qū)別。不過，沒關(guān)系，我們可以想一些辦法，把減法運(yùn)算變成加法。
第14章 反饋與觸發(fā)器 140
想象一下，如果你沒有了記憶力，該如何去數(shù)數(shù)？我們不記得剛剛數(shù)過的數(shù)，當(dāng)然也就無法確定下一個數(shù)是什么！同理，一個能計(jì)數(shù)的電路必定需要觸發(fā)器。本章要介紹的就是各種觸發(fā)器。
第15章 字節(jié)與十六進(jìn)制 164
在前面的章節(jié)中，加法器、鎖存器以及數(shù)據(jù)選擇器的輸入和輸出形式都是8位的數(shù)據(jù)流，也即數(shù)據(jù)路徑的位寬為8，為什么要定義為8位呢？為什么不是6位、7位、9位或10位？本章就要解釋其中的緣由。
第16章 存儲器組織 174
每天清晨，我們將自己從沉睡中喚醒，這時(shí)大腦的空白會很快被記憶填滿。我們立刻會意識到自己身在何方，最近做了些什么事情，有什么計(jì)劃打算。有的事情我們很快就能想起來，但有時(shí)并非如此。我們可以借助許多工具來記錄信息，比如筆和紙、磁帶，當(dāng)然現(xiàn)在還可以使用存儲器。
第17章 自動操作 190
人類的本性中帶有一些懶惰的特質(zhì)。我們總是抵觸繁重的工作，對枯燥的、重復(fù)性的工作深惡痛絕。所以，當(dāng)你必須用前面搭建的加法器計(jì)算100個數(shù)，甚至更多個數(shù)的加法時(shí)，有一種念頭就會不可遏制地從腦子里冒出來：怎樣讓加法器自動地完成數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算呢？辦法肯定是有的，那就是編寫程序。
第18章 從算盤到芯片 222
算盤、滑尺、納皮爾骨架、差分機(jī)、解析機(jī)、繼電器、電子管、晶體管、芯片、計(jì)算機(jī)；甘特、帕斯卡、萊布尼茲、杰奎德、巴貝芝、圖靈、馮？諾依曼、香農(nóng)；IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室……你覺得應(yīng)接不暇了嗎？把這些你或者熟悉或者生疏的名詞和名字串起來，就是人類的計(jì)算工具發(fā)展史。讓時(shí)光倒流，去看看那些精巧的工具，感受天才們的巧思吧！
第19章 兩種典型的微處理器 244
將中央處理器的所有構(gòu)成組件封裝到一塊硅芯片上，就得到了微處理器。第一片微處理器芯片誕生于1971年，即Intel 4004系列，其中集成了2300個晶體管，你或許覺得可笑——如今家用計(jì)算機(jī)的微處理器上所安置的晶體管數(shù)量已經(jīng)以億為計(jì)量單位了。但是，從本質(zhì)上來說，微處理器實(shí)際所做的工作并沒有變。在本章，我們就來看看兩種有著輝煌歷史的典型微處理器：Intel 8080和Motorola 6800。
第20章 ASCII碼和字符轉(zhuǎn)換 272
計(jì)算機(jī)中的存儲器唯一可以存儲的形式是比特，因此如果想在計(jì)算機(jī)上處理信息，就必須把它們轉(zhuǎn)換為比特的形式來存儲。我們已經(jīng)掌握了如何用比特來表示數(shù)字和機(jī)器碼。如何用它來存儲文本呢？畢竟，人類所積累的大部分信息，都以各種文本形式保存的。下面就輪到ASCII碼出場了！
第21章 總線 287
一臺計(jì)算機(jī)包括很多部件：中央處理器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備等。通常這些部件按照功能被分別安裝在兩個或更多的電路板上。這些電路板之間通過總線（bus）通信。如果對總線做一個簡單的概括，可以認(rèn)為總線就是數(shù)字信號的集合，而這些信號被提供給計(jì)算機(jī)上的每塊電路板。
第22章 操作系統(tǒng) 306
你或許夢想過自己組裝一臺近乎完整的計(jì)算機(jī)，像老木偶匠蓋比特雕刻木偶匹諾曹一樣，全部親自動手用小零件完成。不過在你的機(jī)器能完成你想要的操作之前，還差一個重要的東西——操作系統(tǒng)！
第23章 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù) 323
整數(shù)、分?jǐn)?shù)以及百分?jǐn)?shù)等各種類型的數(shù)字與我們形影不離，它幾乎出現(xiàn)在我們生活的所有角落。例如你加班2.75小時(shí)，而公司按正常工作時(shí)間的1.5倍支付你工資，你用這些錢買了半盒雞蛋并交了8.25%的銷售稅。在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存里，所有的數(shù)都表示為二進(jìn)制形式。通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道2用二進(jìn)制可以表示為102，可是2.75用二進(jìn)制怎樣表示呢？這就是本章的主題。
第24章 高級語言與低級語言 337
第22章介紹了如何編寫一段簡單的程序，讓我們可以利用鍵盤將十六進(jìn)制機(jī)器碼輸入計(jì)算機(jī)，以及通過視頻顯示設(shè)備來檢查這些代碼。但是使用機(jī)器碼編寫程序就如同用牙簽吃東西，伸出手臂費(fèi)半天勁刺向食物，但每次都只獲取到小小的一塊，用這種低級語言編寫程序既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，有悖于我們發(fā)明計(jì)算機(jī)的初衷。不過，人們想出了一種效率更高的編程方法——使用高級語言。
第25章 圖形化革命 352
回顧歷史，從第一臺繼電器計(jì)算器出現(xiàn)到現(xiàn)在為止，六七十年過去了，計(jì)算機(jī)的處理速度飛速增長。不過要充分利用計(jì)算機(jī)日益增長的運(yùn)算和處理能力，就必須不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的用戶接口（User Interface），因?yàn)樗侨藱C(jī)交互的軸心。圖形化革命來了！