計算機科學基礎_7 - 命令行，2D界面

命令行界面

計算機早期同時輸入程序和數據（用紙卡/紙帶），運行開始直到結束，中間沒有人類進行操做，緣由是計算機很貴，不能等人類慢慢輸入，執行完結果打印到紙上。

到1950年代，計算機足夠便宜+快，人類和計算機交互式操做變得可行，爲了讓人類輸入到計算機，改造以前就有的打字機，變成電傳打字機。

到1970年代末，屏幕成本足夠低，屏幕代替電傳打字機，屏幕成爲標配。

• 人機交互 Human-Computer Interaction。
• 早期輸出數據是打印到紙上，而輸入是用紙卡/紙帶一次性把程序和數據都輸入進去。
• QWERTY 打字機的發展，肖爾斯發明於1868年。
• 電傳打字機 Teletype machine。
• 命令行界面 Command line interface
• ls命令
• 早期文字遊戲 Zork（1977年）
• cd 命令

輸入輸出，都是計算機組件互相輸入輸出。好比RAM輸出數據，或輸指令進CPU。

計算機接收人類的輸入，怎麼從電腦中拿出信息，除了用打孔紙卡。

有不少種「輸入輸出設備」，讓人類和計算機交互，它們在人類和機器間提供了界面。現在有整個學科專門研究，叫「人機交互」。
界面對用戶體驗很是重要。

紙帶/紙卡

早期機械設備，用齒輪，旋轉和開關等機械結構來輸入輸出。這些就是交互界面。
甚至早期電子計算機，好比Colossus和ENIAC，也是用一大堆機械面板和線來操做。輸入一個程序可能要幾個星期，還沒提運行時間。運行完畢後想拿出數據，通常是打印到紙上。打印機超有用，甚至，查爾斯●巴貝奇（因爲提出差分機和分析機的設計概念，被視爲計算機先驅） 給差分機專門設計了一個。
然而，到1950年代，機械輸入徹底消失，由於出現了打孔紙帶和磁帶，但輸出仍然是打印到紙上。還有大量的指示燈，在運行中提供實時反饋。
那個時代的特色是 儘量遷就機器，對人類好很差用是其次。打孔紙帶，就是爲了方便計算機讀取，紙帶是連續的，方便機器處理，紙孔能夠方便的，用機械或光學手段識別，紙孔能夠編碼程序和數據，固然，人類不是以紙孔方式思考的，因此負擔放到了程序員身上。要花額外時間和精力轉成計算機能理解的格式，通常須要額外人員和設備幫忙，基本上1950年前的早期計算機「輸入」的概念很原始。
人類負責輸入程序和數據但計算機不會交互式迴應。程序開始運行後會一直運行，直到結束。由於機器太貴了，不能等人類慢慢敲命令和給數據。要同時放入程序和數據。

一方面，小型計算機變得足夠便宜，讓人類來回計算機交互，變得能夠接受。交互式就是人和計算機來回溝通。另外一方面，大型計算機變得更快，能同時支持多個程序和多個用戶，這叫「多任務」和「分時系統」，但交互式操做時，計算機須要某種方法來得到用戶輸入。因此借用了當時已經存在的數據錄入機制：鍵盤。

當時，打字機已經存在了幾個世紀了，但現代打字機是肖爾斯 在1868年發明的，雖然到1874年才完成設計和製造，但以後取得了商業成功，肖爾斯的打字機用了不一樣尋常的佈局，QWERTY，名字來自鍵盤左上角按鍵。
爲何這麼設計，最流行的理論是，這樣設計是爲了，把常見字母放得遠一些，避免按鍵卡住。這個解釋雖然省事，但多是錯誤的，或至少不夠全面。事實上，QWERTY把不少常見字母放一塊兒，好比TH和ER。有不少鍵盤版本出現，可是人們不想再去學習新的佈局，這是經濟學家所說的，轉換成本。QWERTY不是通用的，有不少變體，好比法國AZERTY佈局，以及中歐常見的QWERTZ佈局。

法國AZERTY:

中歐QWERTZ：

電傳打字機

有趣的是，肖爾斯根本沒想到打字會比手寫快，手寫速度大約是每分鐘20個，打字機主要爲了易讀性和標準化，而不是速度。然而隨着打字機成爲辦公室標配，對速度打字的渴望愈來愈大。
有兩個重大進步，解放了打字潛力，1880年左右，伊麗莎白●郎利 老師，開始推廣 十指打字，比一個手指打字要移動的距離短得多，因此速度更快。幾年後，弗蘭克●愛德華●麥克格林，學會了盲打，打字時不用看鍵盤，以後「十指盲打」就開始流行。
雖然，人類擅長用打字機，但沒辦法把打字機塞到計算機前面，讓它打字，因此早期計算機用了一種特殊的打字機，是專門用來發電報的，叫「電傳打字機」。

這些打字機是強化過的，能夠用電報線發送和接收文本，按一個字母，信號會經過電報線，發到另外一端。另外一端的電傳打字機會打出來。使得兩我的能夠長距離溝通。
由於電傳打字機有電子接口，稍做修改就能用於計算機，電傳交互界面在1960~1970年很常見。

用起來很簡單，輸入一個命令，按回車，而後計算機會輸回來。用戶和計算機來回「對話」。這叫「命令行界面」，它是最主要的人機交互方式，一直到1980年代。

用電傳打字機的命令行交互 相似這樣：
用戶能夠輸入各類命令，先看當前目錄有什麼文件，輸入命令ls，名字來自list的縮寫，而後計算機會列出 當前目錄裏全部文件。

若是想看secretStarTrekDiscoveryCast.txt有什麼，要用另一個命令， 顯示文件內容。unix用cat命令顯示文件內容，cat是鏈接(concatenate)的縮寫，而後指定文件名，指定的方法是寫在cat命令後面傳給命令的值叫 參數。

若是同一個網絡裏有其餘人，能夠用finger命令找朋友，就像是一個很原始的「找朋友」App，電傳打字機，直到1970年代左右都是主流交互方式。儘管屏幕最先出如今1950年代，但對平常使用太貴，並且分辨率低，然而由於針對普通消費者的電視機開始量產，同時處理器與內存也在發展，到1970年代，屏幕代替電傳打字機，變得可行。
但與其爲屏幕專門作全新的標準，工程師直接用現有的，電傳打字機協議，屏幕就像無限長度的紙，除了輸入和輸出字，沒有其它東西。協議是同樣的，因此計算機分不出來是紙仍是屏幕。
這些「虛擬電傳打字機」或「玻璃電傳打字機」叫終端。

到1971年，美國大約有7萬臺終電傳打字機，以及7萬個終端。屏幕又快又好又靈活，若是刪一個錯別字，會馬上消失，因此到1970年代末，屏幕成了標配。

早期的著名交互式文字遊戲 Zork，出現於1977年，早期遊戲玩家須要豐富的想象力，想象本身身在虛構世界，好比「四周漆黑一片，附近可能有怪物會吃掉你」。但它被普遍認爲是最先的互動式小說。
遊戲後來從純文字進化成多人遊戲，堅持「MUD」，或多人地牢遊戲。

cd命令，進入某個文件夾，意思是，「改變文件夾」。

命令行界面雖然簡單，但十分強大，編程大部分依然是打字活，因此用命令行比較天然。所以，即便是如今，大多數程序員工做中依然用命令行界面。
並且用命令行訪問遠程計算機是最多見的方式，好比服務器在另一個國家。

• 早期，機械面板和線，輸入；紙上，輸出。
• 1950年代，打孔紙帶和磁帶，輸入；紙上，輸出。
• 鍵盤，十指盲打，輸入。
• 電傳打字機，電傳交互界面。
• 電傳打字機的命令行交互。
• 屏幕，輸出。

屏幕與2D圖形顯示

• PDP-1計算機，鍵盤和顯示器分開，屏幕顯示臨時值。
• 陰極射線管 Cathode Ray Tube（CRT）。
• CRT有二種繪圖方式：
  矢量掃描 Vector Scanning
  光柵掃描 Raster Scanning
• 液晶顯示器 Liquid Crystal Displays （LCD），像素（Pixel）。
• 字符生成器 Character generator。
• 屏幕緩衝區 Screen buffer。
• 矢量命令畫圖。
• Sketchpad, 光筆（Light pen）。
• 函數畫線，矩形。

PDP-1計算機：

這臺1960年的計算機，是一個早期圖形計算機的好例子，櫃子大小的電腦，電傳打印機，圓形屏幕，它們是分開的。由於當時文本任務和圖形任務是分開的。
事實上，早期的屏幕沒法顯示清晰的文字，而打印到紙上，有更高的對比度和分辨率。

早期屏幕的典型用途：跟蹤程序的運行狀況。好比寄存器的值。
若是用打印機，一遍又一遍打印出來沒有意義，不只浪費紙並且慢。另外一方面，屏幕更新很快，對臨界值簡直完美，但屏幕不多用於輸出計算結果，結果通常都打印到紙上，或其它更永久的東西上。

但屏幕超有用，到1960年代，開始用屏幕作不少酷炫的事情。

出現不少顯示技術，但最先最有影響力的是：陰極射線管（CRT）。
原理是：把電子發射到有磷光體塗層的屏幕上，當電子撞擊塗層時，會發光幾分之一秒，因爲電子是帶電粒子，路徑能夠用磁場控制，屏幕內用板子或線圈，把電子引導到想要的位置，上下左右都行。

既然能夠這樣控制，有2種方法繪製圖形。

1. 引導電子束描繪出形狀，這叫「矢量掃描」，由於發光只持續一小會兒，若是重複得足夠快，能夠獲得清晰的圖像。
2. 按固定路徑，一行行來，從上向下，從左到右，不斷重複。只在特定的點打開電子束，以此繪製圖形。這叫「光柵掃描」，用這種方法，能夠用不少小線段繪製形狀，甚至文字。

光柵掃描

由於顯示技術的發展，終於能夠在屏幕上顯示清晰的點，叫「像素」。

液晶顯示器，簡稱LCD，和之前的技術至關不一樣，但LCD也用光柵掃描，每秒更新屢次，像素裏紅綠藍的顏色。

不少早期計算機不用像素：不是技術作不到，而是由於像素佔太多內存。
200像素 * 200像素的圖像，有40000個像素，會佔40000bit內存，比PDP-1所有內存的一半還多，因此計算機科學家和工程師，獲得一些技巧來渲染圖形等到內存發展到足夠用。

因此早期計算機不存大量像素值，而是存符號，80*25個符號最典型，總共2000個字符，若是每一個字符用8位表示，好比用ASCII，總共才16000位，這種大小更合理。
爲此，計算機須要額外硬件，來從內存讀取字符，轉換成光柵圖形，這樣才能顯示到屏幕上。這個硬件叫「字符生成器」，基本算是第一代顯卡。它內部有一小塊只讀存儲器，簡稱ROM。存着每一個字符的圖形，叫「點陣圖案」。
若是圖形卡看到一個8位二進制，發現字母是K（1001011），那麼會把字母K的點陣圖案，光柵掃描顯示到屏幕的適當位置。

爲了顯示，「字符生成器」會訪問內存中一塊特殊區域，這塊區域專爲圖形保留，叫「屏幕緩衝區」。程序想顯示文字時，修改這塊區域裏的值就行。

這個方案用的內存少得多，但也意味着，只能畫字符到屏幕上。但字符集實在過小了，作不了什麼複雜的事，所以對ASCII進行了各類擴展，加新字符，好比IBM CP437字符集，用於DOS。

某些系統上，能夠用額外的bit定義字體顏色和背景顏色，作出好看的DOS界面。

字符生成器是一種省內存的技巧，但沒辦法繪製任意形狀，繪製任意形狀很重要，由於電路設計，建築平面圖，地圖，好多東西都不是文字。
爲了繪製任意形狀，同時不吃掉全部內存，計算機科學家用CRT上的「矢量模式」

陰極射線管的矢量模式

概念很是簡單：全部東西都由線組成。沒有文字這回事，若是要顯示文字，就用線條畫出來，只有線條，沒有別的。

假設一個視頻，笛卡爾平面 200個單位寬，100個單位高。原點(0, 0)在左上角。能夠畫形狀，用矢量命令。
這些命令來自Vectrex，一個早期矢量顯示系統，首先，reset, 這個命令會清空屏幕。

1. 把電子槍的繪圖點移動到座標(0, 0)，並把線的亮度設爲0，
2. MOVE_TO 50 50把繪圖點移動到座標(50, 50)，INTENSITY 100,把強度設爲100，
3. 如今亮度提升了，移動到(100, 50) 而後(60, 75) 而後 (50, 50)
4. 最後把強度設回0。這些命令佔160bit，比存一個龐大的像素矩陣更好。

SCREEN
BUFFER:

RESET
MOVE_TO 50 50
INTENSITY 100
MOVE_TO 100 50
MOVE_TO 60 75
MOVE_TO 50 50
INTENSITY 0

就想以前的「字符生成器」把內存裏的字符轉成圖形同樣。這些矢量指令也存在內存中，經過矢量圖形卡畫到屏幕上，數百個命令能夠按順序存在屏幕緩衝區，畫出複雜的圖形，全是線段組成的。
因爲這些矢量都在內存中，程序能夠更新這些值，讓圖形隨時間變化：動畫。

最先的電子遊戲之一，Spacewar,是1962年在PDP-1上用矢量圖形制做的，它啓發許多後來的遊戲，好比 爆破彗星（Asteroids）, 甚至第一個商業街機遊戲：太空大戰，1962年是一個大里程碑，Sketchpad誕生，一個交互式圖形界面，用途是計算機輔助設計 （CAD）。它被普遍認爲是第一個完整的圖形程序。爲了與圖形界面交互Sketchpad用了當時發明不久的輸入設備，光筆。
就是一個有線連着的電腦的觸控筆。筆尖用光線傳感器，能夠檢測到顯示器刷新。經過判斷時間刷新，電腦能夠知道筆的位置，有了光筆和各類按鈕用戶能夠畫線和其它簡單的形狀。
Spacewar可讓線條完美平行，長度相同，完美垂直90度，甚至動態縮放。用戶還能夠保存設計結果，方便分享和再次使用。
光筆這些表明了人機交互方式的關鍵轉折點。電腦再也不是關在門後，負責算數的機器了。

最先用於真正像素的計算機和顯示器出現於1960年代末，內存中的位（Bit）對應屏幕上的像素，這叫位圖顯示。
能夠把圖形想成一個巨大像素值矩陣，計算機把像素數據存在內存中一個特殊區域，叫「幀緩衝區」。
早期時，這些數據存在內存裏，後來存在高速視頻內存裏，簡稱 VRAM。VRAM在顯卡上，這樣訪問更快。

在8位灰度屏幕上，可用的顏色值範圍是0強度（黑色）到255強度（白色），其實更想綠色或橙色，由於許多早期顯示器不能顯示白色。

在低分辨率的位圖屏幕上，分辨率60*35像素，
若是想把（10, 10）的像素設爲白色，能夠這樣操做：f[10][10] = 255。
若是想畫一條線， 假設從（30, 0）到 (30, 35)能夠用這樣一個循環：

FOR y = 0 TO 35
    f[30][y] = 255
NEXT

把整列像素變成白色，若是想畫更復雜的圖形，好比矩形，那麼須要四個值。

1. 起始點座標X。
2. 起始點座標Y。
3. 寬度。
4. 高度。

計算機繪圖時，會用指定的顏色127，而不是（255/2 = 127.5）。

程序能夠操縱「幀緩衝區」中的像素數據，實現交互式圖形，固然，程序不會浪費時間從零開始寫繪製函數，而是用預先寫好的函數來作，畫直線，曲線，圖形，文字等。

位圖的靈活性，爲交互式開啓了全新的可能，但它高昂成本持續了十幾年。1971年整個美國也只有大約7萬個電傳打字機和7萬個終端。大約有1000臺電腦有交互式圖形屏幕。

Spacewar和太空大戰這樣的先驅，推進了圖形界面發展，幫助普及了計算機顯示器。

冷戰和消費主義

冷戰致使美國往計算機領域投入大量資源。

• 範內瓦●布什 預見了計算機的潛力，提出假想機器Memex。
• 1950年代消費者開始買晶體管設備，收音機大賣，日本取得晶體管受權後，索尼作了晶體管收音機，爲日本半導體行業崛起作了鋪墊。
• 蘇聯1961年把宇航員加加林送上太空，致使美國提出登月，NASA預算大大增長，用集成電路來製做登月計算機。
• 集成電路的發展其實是由軍事應用大大推動的，阿波羅登月畢竟只有17次，美國造超級計算機進一步推動集成電路。
• 美國半導體行業一開始靠政府高利潤合同，忽略消費者市場，1970年代冷戰漸漸消失，行業開始衰敗，不少公司倒閉，英特爾轉型處理器。
• 政府和消費者推進了計算機的發展，早期靠政府資金，讓技術發展到足夠商用，而後消費者購買商用產品發展。

1940年代中期，電子計算機誕生。
編程語言和編譯器，算法和集成電路。
軟盤和操做系統，電報機和屏幕。
基本都在1940～1970年代，大概三十年時間裏出現的。

冷戰，太空競賽，全球化，消費主義的興起。
1945年二戰結束後不久，冷戰開始了，所以政府往科學和工程學，投入大量資金。
計算機在戰時已經證實自身的價值，好比曼哈頓計劃和破解通信加密。ENIAC, EDVAC, Atlas, Whirlwind。
高速的發展，僅靠商業運做根本沒法作到，要依靠銷售收回開發成本。
1950年代出現變化，特別是Univac1，它是第一臺取得商業成功的電腦型號，開發40多臺，大部分在政府或大公司，成爲美國日益增加的軍事工業綜合體的一部分，所以政府承擔高額開發費用。
例如一臺給美國原子能委員會，生產的是Univac1，被CBS用來預測1952年美國總統大選的結果，固然最後結果預測準確，只用了百分之一的選票數據。此次事件把計算機推到公衆前面。
計算機和之前機器不同，之前的機器，加強人類的物理能力，好比卡車能帶更多東西，自動織布機更快，機牀更精確等等，這些東西表明了工業革命，而計算機加強的是人類的智力。

範內瓦●布什在1945年看見計算機潛力，描述了一種假想計算設備叫Memex，能夠用這個設備，存本身全部的書，其它資料，以及和別人溝通。並且數據是按照格式存儲的，全部能夠快速查詢，有很大的靈活性。能夠輔助人類的記憶。
還預測了會出現新的百科全書形式，信息之間相互連接，Memex啓發了，以後的幾個重要里程碑。

1950年代，消費者開始購買晶體管設備，其中收音機，它又小又耐用，用電池就夠了，並且便攜。不像1940年以前的收音機，用的是真空管。

日本政府振興戰後經濟，很快從貝爾實驗室，取得晶體管的受權，幫助日本的半導體和電子行業。
1955年，索尼的第一款產品面世，TR-55晶體管收音機，把重心放在質量和價格。所以日本公司在五年左右，佔有美國便攜式收音機市場的一半。

1953年，整個地球大概有100臺計算機，蘇聯這時候的科技，比西方落後幾年，蘇聯在1950年，完成了第一個可編程電子計算機。但蘇聯在太空競賽遠遠領先。
蘇聯在1957年，把第一個衛星送上軌道，史波尼克1號，不久，在1961年，蘇聯宇航員， 尤里●加加林 第一個進入太空。使得肯尼迪總統，在加加林太空任務一個月後，提出要登錄月球。NASA的預算增長了幾乎十倍。在1966年到達頂峯，佔了政府預算的4.5%。

NASA用這筆錢資助各類科學研究，阿波羅計算花的最多，僱了40萬人左右，並且有2萬多家大學和公司參與。

其中一個挑戰是：怎樣在太空中導航。NASA須要電腦計算複雜的軌道來引導太空船，所以，造了「阿波羅導航計算機」，有三個要求。

1. 計算機要快。
2. 計算機要又小又輕。太空船空間有限。
3. 要超級可靠。這對太空船很是重要，由於太空中有不少震動，輻射，極端溫度變化。

那時候主流的真空管，晶體管沒法達到這些要求。因此NASA用全新技術：集成電路。

阿波羅導航計算機，首先使用集成電路，NASA是惟一負擔得起集成電路的組織，最初，一個芯片差很少50美金，導航計算機須要上千個芯片。

把集成電路的發展歸功於阿波羅導航計算機，但它們產量很低，一共只有17次阿波羅任務，其實是軍事，大大推動了集成電路的發展。特別是洲際導彈和核彈，使集成電路大規模生產。

最初，美國的半導體行業靠高利潤政府合同起步，所以忽略了消費市場，由於利潤小。所以日本半導體行業在1950-1960年代，靠低利潤率佔領了消費市場。

日本人投入大量資金，大量製造以達到規模經濟，同時研究技術，提升質量和產量以及自動化下降成本。
1970年代，太空競賽和冷戰逐漸消退，高利潤的政府合同變少，美國的半導體和電子設備公司很難競爭。雖然不少計算機組件商品化，但並無什麼幫助，提供相同質量的產品且價格還更便宜。

仙童半導體在1979年瀕臨倒閉被其它公司收購了，爲了生存，不少公司把生產外包出去，下降成本，英特爾再也不把精力放在內存集成電路，而是把精力放在處理器。

由於集成電路，計算器又小又便宜，取代了辦公室裏昂貴的桌面計算器，大多數人來講，這是第一次不用紙筆和計算尺來作計算，所以適應市場，進一步下降了集成電路的成本，使得微處理器被普遍使用。

在短短三十年時間裏，計算機從大到人類能夠在CPU裏走來走去，發展到小孩均可以抓住的手持玩具，並且微處理器還快得多。這種巨大的變化是由二種力量推進：政府（軍事）和消費者。

政府資金，好比冷戰期間美國投入的錢，推進了計算機的早期發展。而且讓計算機行業活得足夠久，使得技術成熟到能夠商用。而後是公司，最後是消費者，把計算機變成主流。