怎么知道的这一本书

之前在 Twitter 上看到一则帖子，有人求推荐书，如果要向一位学金融的朋友推荐一本计算机入门书籍，你会选择哪一本？在答复里面，我看到了有人推荐这一本《编码：隐匿在计算机软硬件背后的语言》。所以我把这一本书作为 [[20220627 21 天挑战计划]] 中要阅读的一本书。当时我没有想到的是，在豆瓣标记的时候我意外发现我早已经在 2018 年标记读过，但当时没有做笔记，也没有整理标记，4 年过去，就像没有读过一样。这更加坚定了我之后读书一定要整理书摘，用自己的语言撰写一下读书笔记的决心。

几句话总结书的内容

编码是一本由实体世界中信息传递，进而一步步带领读者进入计算机编码的通俗读物。作者会使用通俗易懂的语言，循序渐进地引领读者理解计算机是如何工作的。

什么是编码？

作者在本书的开头引用了《美国传统英语词典》对编码（code）的解释：

  • 3.1 a system of signals used to represent letters or numbers in transmitting messages
  • 3.2 a system of symbols, letters, or words given certain arbitrary meanings, used for transmitting messages requiring secrecy or brevity
    1. a system of symbols and rules used to represent instructions to a computer

这其中可以看到两层含义，一种是表达在信息传输过程中用来表述字母或数字的信号，可以是直接的信号，也可以是加密的，或简练的信息；另外一层含义是由字符和规则组成的系统用来向计算机传达指令。

同样在《牛津高阶英汉词典》中的解释更为直接：

    1. a system of computer programming instructions

也就是，计算机编程指令系统。

而在本书中，编码特指的是在机器和人之间传递信息的方式。我们所编写的代码，需要让计算机可以理解执行。

莫尔斯编码

我们都知道一个国际求救信号 SOS，但为什么是 SOS 呢，是什么的缩写吗？是比较好读吗？其实都不是，而原因是因为在莫尔斯编码中，S 是三个点，而 O 是三个划（-），SOS 是一个比较容易记忆的编码序列，并且不容易和其他序列搞混。于是这个编码就作为国际通用的求救信号留了下来。

莫尔斯编码通过对字母进行点和划的编码以实现信息的传递，但这个效率无疑是比较低的，如果在手动操作的情况下，每分钟也只能传递各位数字的单词，而通过口头交流可以达到每分钟 100 个单词左右的速度。

布莱叶盲文

布莱叶盲文通过凸起的点编码文字，使得盲人可以阅读。布莱叶盲文通过三行两列的六个凸起的点编码信息，布莱叶盲文也是一种二进制编码方式，每一个凸起的点可以表示两种状态，通过不同的组合，六位的编码可以表达出 2^6，也就是 64 种不同的编码。

除了 24 个字母，为了使用的简便，后续人们还引入了字母组合，常用单词，充分利用这 64 种不同的变化。

手电筒

作者在介绍了莫尔斯编码和布莱叶盲文之后用了整整一章的内容介绍了手电，以及基本的电路知识，也许你会感到奇怪为什么在这个时候介绍了这么多电流、电压、电阻、功率的知识。但电气化的开始才是之后计算机时代来临的前提。

欧姆定律：

I = E / R

电流（I）等于电压（电动势 E）除以电阻（R）。

瓦特：

P = E * I

瓦特等于电压（E）乘以电流（I）。

但作者真正要介绍的并不是这些物理知识，而是控制电灯的开关，这一个开关，又可以将一个最简单的电路（手电）变成一个二进制的编码，开和关分别是两个状态。

电报机和继电器 电报系统

电报系统的诞生正式开启了全球即时通信的时代，但是电报是怎么来的呢？想想一想如果将一个简单的控制电灯开关的电路系统分别放到你和朋友的家中，那你们就可以分别通过开关来控制对方家中的电灯，那么就可以信息的传递。电路系统使用的原理就是如此：在线路的一端通过一些措施，使得线路的另一端发生某种变化。

[[萨缪尔 莫尔斯]] 通过电磁现象在 1836 年通过专利局，成功发明电报机，但直到 1843 年，才说服国会为其创建公共基金。1844 年 5 月 24 日，华盛顿特区和马里兰州巴尔迪摩市电报线路架设完成，完成了人类历史上第一条信息的传递：「What hath God wrought!」

电报机的发明标志着现代通信的开始，人们第一次能够在视线或听力之外的距离开始实时交流，信息的传递速度比骏马还有快。

但是电报机最大的问题是长导线带来的电阻，电报线路使用高达 300 伏的电压使得有效距离可以超过 300 英里，但线路还是无法无限延长。

于是人们发明了中继系统，每隔 200 英里设定一个中继，接收信息，然后再转发出去。于是人们发明了继电器。通过电路的方式将信息转发出去。

阿拉伯数字 十进制

全球通用的数字系统通常被称为阿拉伯数字，起源于印度，被阿拉伯数学家带入欧洲。波斯数学家穆罕默德·伊本穆萨·奥瑞兹穆（根据这个人的名字衍生出英文单词 algorithm）在公元 825 年写了一本关于代数的书，使用了印度计数系统。

  • 阿拉伯数字系统和位置有关，一个数字的位置不同，表示计量不同
  • 没有专门用来表示数字 10 的符号
  • 比代表数字 10 的符号还有用得多嗯符号 0

这个 0，是数字和数学史上最重要的一个发明。0 的出现简化了乘法和除法。

十进制的代替

因为人类是有 10 个手指，所以适应了 10 进制，于是作者通过循序渐进的方式提问，如果是 4 指动物呢？于是进一步介绍了 8 进制，再如果是龙虾呢？两个大钳子，4 进制，再如果是海豚呢？两个鳍，2 进制。

当我们把数字系统减少到只有 0 和 1 的二进制系统时，我们无法找到比二进制系统更加简单的数字系统了。但是之前提到过的所有开关、电线、灯泡、继电器都可以用来表示二进制的 0 和 1。

二进制

1948 年，美国数学家约翰·威尔德·特克（John Wilder Turkey）意识到随着计算机的普及，二进制可能为发挥极大作用，所以发明了一个新的、更短的词语来替代不方便的 binary digital，选择了短小、简单、精巧的词 bit。

逻辑与开关

交换律：

A + B = B + A
A * B = B * A

结合律：

A + (B + C) = (A + B) + C
A*(B*C) = (A*B)*C

分配率：

A*(B+C) = A*B + A*C

传统代数是处理数字的，布尔的天才在于将代数从数的概念中抽离出来，更加抽象。在布尔代数中，操作数不是数字而是类（class），简单来说，一个类就是一个食物的群体（集合 Set）。

布尔代数中，符号 + 表示两个集合的并集，x 表示两个集合的交集。

但是布尔生活的那个时代，没有人把布尔代数用于电路。直到 20 世纪 30 年代的香农。

逻辑门

克洛德·艾尔伍德·香农在 1938 年，完成了《继电器和开关电路的符号分析》（A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits）一篇著名的硕士论文，并在 10 年之后，发表《通信的数学原理》(The Mathematical Theory of Communication) 清晰尔严谨地阐述了，电子工程师可以运用布尔代数的所有工具去设计开关电路。如果简化了一个网络的布尔表达式，那么也可以简化相应的电路。

于是人们在简单的电路基础上抽象出了与门、或门、与非门、与或门等等。

字节与十六进制

8 比特表示一个字节（byte），8 比特在很多方面都比单独的比特更胜一筹。

全世界大部分书面语言（除了中日韩中使用的象形文字）的基本字符都少于 256 ，字节是一种理想的保存文本的手段。

当一个字节无法表示所有信息时，使用两个字节，也可以很好的表达。

从算盘到芯片

20 世纪 40 年代初期，真空管开始取代继电器，到 1945 年，真空管已经完全取代了继电器。

晶体管不再需要真空而是使用固体制造，体积比真空管更小，晶体管需要的电量更小，产生的热量更小，更持久耐用。

开发真空管的最初目的是为了放大电信号，但是同样可以应用于逻辑门的开关，作用和晶体管一样。

诺伊斯在 1957 年与其他 7 位科学家离开肖克利半导体创办仙童（Fairchild）半导体公司，并随后发明了集成电路。

1965 年摩尔（Moore）发现从 1959 年开始，同一块芯片上可以集成的晶体管数目每年番一倍。

到 20 世纪 70 年代，使用集成电路在一块电路板上制造一个完整的计算机处理器变得可能。

在比较微处理器时使用三个标准：

  • 多少位处理器，表示数据宽度，能够处理加减的比特位数
  • 最大时钟频率，单位 Hz，连接到微处理器并驱动运行的振荡器的最大频率，超过此时钟频率，微处理器将不能正常工作
  • 可寻址存储器的字节数

到 1972 年 4 月，英特尔发布 8008 芯片，一个时钟频率位 200KHz，可寻址空间为 16 KB 的 8 位微处理器。

启发或想法

虽然看到介绍已经大致了解了这绝不是一本晦涩难懂的书，但还是惊讶于作者可以将电路，布尔代数等等复杂的概念如此深入浅出地描述给作者，并且中间穿插非常多的物理学、数学发展历史，以及历史上这种对计算机硬件发展起决定性作用的部件，继电器，晶体管等等，让这一本书不但在了解计算机组成部分之外还了解到了大量有趣的历史决定时刻，让我感受到了那个天才，英雄辈出的时代精神。

在读书的过程中，不断地有各个时期学过的课程浮现在眼前，物理中的电磁学，到大学时期的，电路，代数，汇编等课程，在阅读的过程中非常享受所有知识融为一体的感觉。

曾经有一个问题总是困扰着我，[[人类为什么在近 200 年发展如此快]]？在这一本书中我更进一步的体会到了如下的几点：

  • 人类信息交换的速度变快了，这也就意味着[[波普尔]]所说的假设验证的速度变快了，在地球一端所提出的概念，可以在地球的另一端被验证。而这一过程恰恰是伴随着电路，电报，计算机，网络的发明而发生的
  • 社会的分工和合作，知识的交换创造了更高的价值，知识的自由分享产生了巨大的复利，[[布尔]]多年前的代数理论，[[冯诺伊曼]]构想的计算机结构，等等一系列思想的发展总是以超前的姿态引领着人类科技的发展

谁应该看这本书

  • 想要了解计算机是如何工作的人
  • 想要了解计算机发展历史的人

印象深刻的 Quotes

在作者对芯片的描述中，作者总结出三点去描述微处理器，时钟频率，可寻址字节数，以及位数，而这三者则是作者铺垫了非常多章节的内容，当我读到时顿时感受到了作者清晰的写作思路。