計算機科學基礎_3 - 編程

早期的編程方式

• 程序如何進入計算機
• 打孔紙卡 Punched card
• 插線板 Plugboard
• 馮諾依曼架構　Von Neumann Architecture
• 面板編程 Panel programming
• 商業成功的計算機：Altair 8800

早期計算機如何編程？
打孔紙卡 -> 插線板 -> 面板拔開關。

計算機的原理：

• 怎麼從內存讀寫數據，執行操做。好比把兩個數字加在一塊兒。
• 簡單描述了指令的執行，也就是計算機程序。

程序如何「進入」計算機:
程序須要加載進內存，是計算機科學。（打孔紙卡，插線板，面板拔開關）

打孔紙卡 Punched card

需求：
給機器編程，早在計算機出現以前就有了，著名的就是紡織業。
若是隻想一塊紅色大桌布，能夠直接放紅線進織布機，可是若是想要圖案怎麼辦？好比條紋或方格。
須要沒隔一會，調整一次織布機，由於很是消耗勞動力，因此圖案紡織品很貴。

可編程紡織機：
每一行的圖案由可穿孔紙卡決定，特定位置有沒有穿孔，決定了線是高是低。
橫線是從上/從下穿過，爲了讓每行圖案不一樣，紙片連成長條，造成連續指令。

不少人認爲雅卡爾織布機是最先的編程。

事實證實，穿孔紙卡便宜，可靠，也易懂。
後面世代中，穿孔紙卡用於1890年美國人口普查。
例如：一張卡存一我的的信息，好比種族，婚姻情況，子女數量，出生國家等等。針對每一個問題，人口普查工做者會在對應位置打孔，當卡片插入彙總機，孔會讓對應總和值+1，能夠插入整個國家入口的卡片，在結束後獲得各個總值。
可是，早期的彙總機不算計算機。由於它們只作一件事：彙總數據。操做是固定的，不能編程。穿孔 紙卡存的是數據，不是程序。以後，這些機器被增強，能夠作減，乘，除。甚至能夠作一些小決定，決定什麼時候執行某指令。

插線板 Plugboard

爲了正確執行不一樣計算，程序員須要某種控制面板，面板有不少小插孔，程序員能夠插電線，讓機器的不一樣部分，互相傳數據和信號。所以也叫「插線板」。
可是，這意味着，運行不一樣程序要從新接線。因此到了1920年代，控制面板變成了可拔插。讓編程更方便，能夠給機器插入不一樣程序。好比，一個插線板算銷售稅，另外一個算工資單。但給插線板編程很複雜。
用插線板編程，不僅在機電計算機流行，世上第一臺通用電子計算機，ENIAC，完成於1946年。用了一大堆插線板。

程序在紙上設計好以後，給ENIAC連線，最多可能花三個星期。由於早期計算機很是昂貴，停機幾個星期只爲了換程序，徹底沒法接受，急須要更快，更靈活的新方式來編程。

幸運的是，到1940年代晚期1950年代初。內存變得可行，價格降低，容量上升。與其把程序存在插線板，存在內存變得可行，這樣易於修改，方便CPU快速讀取。這類機器叫「存儲程序計算機」。

馮諾依曼架構

若是內存足夠，不只能夠存要運行的數據，還能夠存程序須要的數據。包括程序運行時產生的新數據。
程序和數據都存在一個地方，叫「馮諾依曼結構」。將指令和數據混合存放到內存，穿孔紙片和插線板，都是分開。

馮諾依曼曾過：我在思考比炸彈重要得多的東西計算機。

馮諾依曼計算機的標誌是，一個處理器（有算術邏輯單元）+ 數據寄存器 + 指令寄存器 + 指令地址寄存器 + 內存（負責存數據和指令）。

第一臺馮諾依曼架構的「存儲程序計算機」，由曼徹斯特大學於1948年建造完成，綽號「寶寶」。

雖然有內存很棒，但程序和數據，依然須要某種方式輸入計算機，因此用穿孔紙卡。

到1980年代，幾乎全部的計算機都有穿孔紙卡讀取器，能夠吸入一張卡片，把卡片內容寫進內存，若是放了一疊卡片，讀取器會一個個寫進內存。一旦程序和數據寫入完畢，電腦會開始執行。即使簡單程序也有幾百條指令，要用一疊紙卡來存。

用紙卡的最大型程序是美國空軍的SAGE防空系統，於1955年完成，據稱頂峯時期，僱傭了世上20%程序員。

主控制程序用了62500張穿孔紙片，等同於大約5MB的數據。穿孔紙卡不只能夠往計算機放數據，還能夠取出數據，程序運行到最後，結果能夠輸到紙卡上，方式是打孔。而後人能夠分析結果，或者再次放進計算機，作進一步計算。

穿孔紙卡的親戚是紙帶，基本是一回事，只不過更連續，不是一張張卡。

如今存儲的方式，硬盤，只讀光盤，DVD，U盤等等。

面板編程 Panel programming

與其插一堆線到插線板，能夠用一大堆開關和按鈕，作到同樣的效果。面板上有指示燈，表明各類函數的狀態和內存中的值。

50和60年代的計算機，通常都有這樣巨大的控制檯。不多有人只用開關來輸入一整個程序，但技術上是可行的，早期針對計算機愛好者的家用計算機，大量使用了開關。由於大多數家庭用戶負擔不起昂貴的外圍設備，好比穿孔紙卡讀取器。

第一款取得商業成功的家用計算機是Altair 8800
有兩種版本能夠買：

1. 預先裝好的整機
2. 須要組裝的組件

爲了給8800編程，要撥動面板上的開關。輸入二進制操做碼，而後按「存儲鍵」把值存入內存。
而後會到下一次內存位置，能夠再次撥開關，寫下一個指令，重複這樣操做。(初代plc 原型)

把整個程序都寫入內存以後，能夠推進開關，回到內存地址0，而後按運行按鈕，燈會閃爍。

不論是插線板，開關或穿孔紙卡。早期編程都是專家活，不論是全職仍是技術控，都要很是瞭解底層硬件。好比 操做碼，寄存器等，才能寫程序。因此編程很難，很煩。
哪怕工程師和科學家都沒法徹底發揮計算機的能力，須要一種更簡單方式，告訴計算機要作什麼。一種更簡單的編程方式。

編程語言的發展史

編程：二進制 -> 助記符(彙編器) -> A-0(編譯器) -> FORTRAIN

• 二進制寫程序，先紙上寫僞代碼，手工轉二進制。
• 用「助記符」寫代碼(LOAD 14)爲了把助記符轉二進制，彙編器誕生（Assembler）
• 哈佛1號計算機首批程序員，海軍官員。（葛麗絲●霍普Grace Hopper）
• Grace 設計了編程語言A-0
• Grace 1952年作了第一個編譯器（Compiler）,實現A-0
• 變量（Variables）
• FORTRAIN
• COBOL
• 新語言
  1960年代：ALGOL, LISP, BASIC
  1970年代：Pascal C, Smalltalk
  1980年代：C++, Object-C, Perl
  1990年代：Python, Ruby, Java

組成計算機的物理組件：
好比電，電路，寄存器，RAM, ALU, CPU。

在硬件層面編程很是麻煩，因此程序員想要一種更通用的方法編程。
一種「更軟的」媒介： 軟件。

第一條指令在內存地址0: 0010 1110。前4位操做碼，簡稱OPCODE
對於這個假設CPU，0010表明LOAD A指令：把值從內存複製到寄存器A。
後4位是內存地址，1110是十進制的14。
因此這8位表達的意思是：讀內存地址14，放到寄存器A。

只是用了兩種不一樣語言，能夠想成是英語和摩爾斯碼的區別。
「hello」 -> 「.... . .-.. .-.. ---」是一個意思：「hello」

只是編碼方式不一樣，英語和摩爾斯碼的複雜度也不一樣，英語有26個字母以及各類發音。摩爾斯碼只有「點」和「線」但它們能夠傳達相同的信息，計算機語言也相似。

二進制寫程序

計算機能處理二進制，二進制是處理器的「母語」。事實上，它們只能理解二進制。這叫「機器語言」或「機器碼」。

在計算機早期階段，必須用機器碼寫程序。
具體來說，會先在紙上寫一個「高層次版」的僞代碼（PSEUDO-CODE）。
例如：從內存取下一個銷售額，而後加到天，周，年的總和，而後算稅。

寫好僞代碼後，用「操做碼錶」把僞代碼轉成二進制機器碼，翻譯完成後，程序能夠喂入計算機並運行。

助記符

在1940~1950年代，程序員開發出一種新語言，更可讀，更高層次。
每一個操做碼分配一個簡單名字，叫「助記符」（MNEMONICS）。
「助記符」後面緊跟數據，造成完整指令。與其用1和0寫代碼，程序員能夠寫「LOAD A 14」。它不能理解文字，只能理解二進制，因此程序員想了一個技巧，寫二進制程序來幫忙。它能夠讀懂文字指令，自動轉成二進制指令。這種程序叫「彙編器」。

彙編器讀取用「彙編語言」寫程序，而後轉成「機器碼」。「LOAD_A 14」是一個彙編指令的例子。
隨着時間的推移，彙編器有愈來愈多功能，讓編程更容易，其中一個功能是自動分析JUMP地址。

例如：

JUMP NEGATIVE指令跳到地址5, JUMP 2指令跳到地址2。
問題是，若是在程序開頭多加一些代碼，全部地址都會改變。更新程序會很痛苦。

因此彙編器不用固定跳轉地址，而是讓插入可跳轉的標籤。

當程序被傳入彙編器，彙編器會本身搞定跳轉地址。程序員能夠專心編程，不用管底層細節。隱藏沒必要要的細節來作更復雜的工做。
然而，即便彙編器有這些厲害的功能，好比自動跳轉。彙編只是修飾了一下機器碼。

通常來講，一條彙編指令對應一條機器指令。因此彙編碼和底層硬件的鏈接很緊密，彙編器仍然強迫程序員思考，用什麼寄存器和內存地址。
若是忽然要一個額外的數，可能要修改不少代碼。

A-0

哈佛1號在1944年戰時完成，幫助盟軍做戰，程序寫在打孔紙袋上，放進計算機執行，若是程序由漏洞，直接使用膠帶來補「漏洞」。

Mark 1的指令集很是原始，甚至沒有JUMP指令，若是代碼要跑不止一次，得把帶子的兩端連起來，作成循環。（循環，物理，物理，循環）

給Mark 1編程簡直是噩夢，戰後，霍普繼續研究計算機，爲了釋放電腦的潛力，設計了一個高級編程語言，叫「算術語言版本 0」，簡稱「A-0」。

彙編與機器指令是一一對應的，但一行高級編程語言，可能會轉成幾十條二進制指令。爲了作到這種複雜的轉換，霍普在1952年創造了第一個編譯器，編譯器專門把高級語言，轉成低級語言，好比彙編或機器碼(CPU 能夠直接執行機器碼)

儘管「使編程更簡單」很誘人，可是不少人持懷疑態度。
霍普曾說：「我有能用的編譯器，但沒人願意用，他們告訴我計算機只能作算術，不能運行程序」。

不久，不少人嘗試創造新編程語言，到現代現在有上百種語言。
惋惜的是，沒有任何A-0的代碼遺留下來。

使用Python舉例：
假設想相加兩個數字，保存結果，記住，若是用匯編代碼，得從內存取值，和寄存器打交道，以及其它底層細節。

不用管寄存器的內存位置，編譯器會搞定這些細節，不用管底層細節。

程序員只須要建立，表明內存地址的抽象，叫「變量」（給變量取名字）。
底層操做時，編譯器可能把變量A存在寄存器A，但程序員不須要知道這些，眼不見心不煩。

FORTRAN

但A-0和以後的版本沒有普遍使用。FORTRAN,名字來自「公式翻譯」。這門語言數年後由IBM在1957年發佈。主宰了早期計算機編程。

FORTRAN項目總監John Backus曾說：我作的大部分工做都是由於懶，我不喜歡寫程序，因此我寫這門語言，讓編程更容易。

FORTRAN寫的程序，比等同的手寫彙編代碼短20倍，而後FORTRAN編譯器會把代碼轉成機器碼。
對於FORTRAN程序的性能是否比得上手寫代碼？但由於能讓程序員寫程序更快，因此成了一個更經濟的選擇。
運行速度慢一點點，編程速度大大加快。
當時IBM在賣計算機，所以最初的FORTRAN代碼只能跑在IBM計算機上，1950年代大多數編程語言和編譯器，只能運行在一種計算機上。若是升級電腦，可能要重寫全部代碼。所以工業界，學術界，政府的計算機專家，在1959年組建了一個聯盟： 數據系統語言委員會，霍普擔任顧問。開發一種通用的編程語言，能夠在不一樣機器上通用。最後誕生了一門高級，易於使用：普通面向商業語言，簡稱COBOL。

爲了兼容不一樣底層硬件，每一個計算機架構須要一個COBOL編譯器，最重要的是，這些編譯器均可以接受相同的COBOL代碼。不論是什麼電腦，這叫「一次編寫，處處運行」。現在的大多數編程語言都是這樣。沒必要接觸CPU特有的彙編碼和機器碼。
減下了使用門檻，在高級編程語言出現以前，編程只是計算機專家和愛好者纔會作的事，並且一般是主職。但如今，科學家，工程師，醫生，經濟學家，教師等等，均可以把計算機用於工做。

「解釋型語言」對應「解釋器」，編譯器是把語言編程二進制代碼再運行。

計算機科學從深奧學科，變成了大衆化工具，同時,編程的抽象也讓計算機專家，製做更復雜的程序。

1959年代，編程語言黃金時代開始，和硬件一塊兒飛速發展。
1960年代：ALGOL, LISP, BASIC
1970年代：Pascal C, Smalltalk
1980年代：C++, Object-C, Perl
1990年代：Python, Ruby, Java
2000年代：Swift, C#, Go

新語言想用更聰明的抽象，讓某些方面更容易或更強大，或利用新技術和新平臺帶來的優點。

編程原理-語句和函數

• 變量，賦值語句
• Grace Hopper 拍蟲子遊戲
• if 判斷
• while循環
• for 循環
• 函數

用機器碼寫程序，還要處理那麼多底層細節，對寫大型程序是個巨大障礙。爲了脫離底層細節，開發了編程語言，讓程序員專心解決問題，不用管硬件細節。

變量，賦值語句

規定句子結構的一系列規則叫語法。

a=5是一個編程語言語句，意思是建立一個叫a的變量，把數字5放裏面。這叫「賦值語句」，把一個值賦給一個變量。爲了表達更復雜的含義，須要更多語句。

變量名能夠隨便取。

程序由一個個指令組成，有點像菜譜：燒水，加面，等10分鐘，撈出來就能夠吃了。
程序也是這樣，從第一條語句開始，一句一句運行到結尾。

拍蟲子遊戲

阻止蟲子飛進計算機形成故障，關卡越高，蟲子越多。在蟲子損壞繼電器以前，抓住蟲子。

開始編寫時，須要一些值，來保存遊戲數據，好比當前關卡數，分數，剩餘蟲子數，還剩下幾個備用繼電器。

因此要「初始化」變量，「初始化」的意思是設置最開始的值。

level = 1 # 關卡=1 
score = 0 # 分數=0
bugs = 0 # 蟲子=5
relays = 4 # 備用繼電器=4
name = 'andre' # 玩家

爲了作成交互式遊戲，程序的執行順序要更靈活，不僅是從上到下執行，所以用「控制流語句」。
if構成的語句叫: 「條件語句」
若是但願根據條件執行屢次，須要「條件循環」。

計算指數，代碼很經常使用。若是每次想用就複製粘貼，會很麻煩，每次都要修改變量名，若是代碼發現問題，要補漏洞時，要把每個複製粘貼過的地方都找出來修改，並且會讓代碼更難懂，少便是多。想要某種方法，把代碼「打包」，能夠直接使用，得出結果。不用管內部複雜度。

函數

爲了隱藏複雜度，能夠把代碼打包成「函數」也叫「方法」或「子程序」，其它地方想用到這個函數，直接寫函數名就能夠了。須要把結果，交給使用這個函數的代碼，因此用return語句，指明返回什麼。

函數是，抽象的力量。

現在超過100行代碼的函數不多見，若是多於100行，應該有些東西能夠拆出來作成一個函數。
若是有第二次地方使用，就抽象出函數。

模塊化編程，不只可讓單個程序員獨立製做app，也讓團隊協做能夠寫更大型的程序。

現代編程語言，有不少預先寫好的函數集合，叫「庫」。由專業人員編寫，不只效率高，並且通過了仔細的檢查。幾乎作全部的事情，都有庫，網絡，圖像，聲音。