計算機科學基礎_5 - 集成電路，操做系統

軟件工程

• 對象, Object
• 面向對象編程, Object Oriented Programming
• API, Application Programming Interface
• public, private
• 集成開發環境, IDE
• 調試, debugging
• 文檔和註釋, readme, comment
• 版本控制, Version control
• 質量控制, Quality Assurance testing, QA
• Bate, Alpha

排序算法不多會是獨立程序，更多是大項目的一小部分，例如：微軟的Office大約有4000萬行代碼。爲了寫大型程序，程序員用各類工具和方法，全部這些造成「軟件工程」學科

「軟件工程」這個詞由工程師Margaret Hamilton創造，她幫助NASA在阿波羅計劃中避免了嚴重問題。

Margaret Hamilton曾說過：「有點像牙根管治療：你老是拖到最後才作，但有些事能夠預先作好，有點像預防性體驗，只不過是預防性軟件出錯」。

對象，面向對象編程

把大項目分解成小函數，可讓多人同時工做,不用關心整個項目，關心本身的函數就行了。若是接到的任務是寫排序算法，只須要保證高效和正確就能夠了。
然而把代碼打包成函數，依然不夠，若是隻是這樣，微軟Office會有幾十萬個函數。解決辦法是：把函數打包成層級，把相關代碼都放在一塊兒，打包成對象（Objects）

例如：汽車軟件中可能有幾個和定速巡航有關的函數，好比，設定速度，逐漸加速減速，中止定速巡航，由於這些函數都相關，能夠包裝成一個「定速巡航對象」。但不止如此，還能夠作更多，「定速巡航」只是引擎軟件的一部分，可能還有「火花塞點火」，「燃油泵」和「散熱器」。
因此能夠作一個「引擎對象」來包括全部「子」對象。除了子對象，「引擎對象」可能有本身的函數，好比，開關引擎。它也會有本身變量，好比汽車行駛了多少公里，總的來講，對象能夠包其它對象，函數和變量。
固然，「引擎對象」只是「汽車對象」的一部分，還有傳動裝置，車輪，門，窗等。做爲程序員，若是想設「定速巡航」，要一層層向下，從最外面的對象往裏找，最後找到想執行的函數：Car.Engine.CruiseControl.setCruiseSpeed(55)。

把函數打包成對象的思想叫「面向對象編程」

經過封裝組件，隱藏複雜度，以前把晶體管，打包成了邏輯門，如今軟件也這樣操做。

API和IDE

把大型軟件，拆分一個個更小單元，適合團隊合做，在不一樣崗位同時工做，各盡其能。

各個團隊負責不一樣項目，但也有所依賴，因此團隊須要文檔，幫助理解代碼都作什麼，以及定義好「程序編程接口」簡稱「API」

API幫助不一樣程序員合做，不用知道具體細節，只要知道怎麼使用就好了。

API控制哪些函數和數據讓外部訪問，哪些僅供內部。「面向對象」的編程語言，能夠指定函數是public或private來設置權限。

「面向對象編程」的核心是隱藏複雜度，選擇性的公佈功能。由於作大型項目頗有效，因此廣受歡迎。

代碼在編譯前就只是文字而已，只要編寫出來，就能夠。可是通常來講，現代軟件開發者，會用專門的工具來寫代碼。工具裏集成了不少有用的功能，幫助寫代碼，整理，編譯和測試代碼。由於集成了全部東西，所以叫集成開發環境簡稱IDE。

IDE會定位到出錯代碼，還會提供信息，幫助解決問題，這叫「調試(debug)」,調試很重要，大多數程序員會花70%~80%時間調試，而不是在寫代碼。

給代碼寫文檔，文檔通常放在README的文件裏，告知其它程序員，看代碼前先看這個文件。文檔也能夠直接寫成「註釋」，放在源碼裏。
註釋存在的惟一做用，就是幫助開發者理解代碼。

源代碼管理，也叫「版本控制」。會把代碼放到一箇中心服務器上，叫「代碼倉庫」。

不但願提交的代碼裏有問題，由於其餘人可能用到了這些代碼，致使他們代碼崩潰，形成困惑並且浪費時間，代碼的主版本（master）應該是編譯正常，儘量少bug。

寫代碼和測試代碼密不可分，測試通常由我的或小團隊完成，測試能夠統稱「質量保證測試」，簡稱「QA」。
讓軟件在各類狀況下按照預期運行。

bate 版軟件：意思是軟件接近完成，但不是100%徹底測試過。
alpha 版軟件：很粗糙，錯誤不少常常只在公司內部測試。

集成電路與摩爾定律

重點：晶圓的製做流程：光刻

• 分立元件， Discrete components
• 數字暴政，是1960年代工程師碰到的問題，意思是若是想強加電腦性能，就要更多部件，這致使更多線路，更復雜，因此很難作。
• 光刻， Photolithography
• 晶圓， Wafer
• 光刻膠，Photoresist
• 光掩膜，Photomask
• 摩爾定律，Moore's Law
• 英特爾
• 晶體管數量大幅度增加，1980年三萬個，1990年一百萬個，2000年三千萬個,2010年十億個。
• 進一步小型化會碰到2個問題，1.光的波長不足以製做更精細的設計 2. 量子隧穿效應

在大概50年代裏，軟件從紙帶打孔變成面向對象，在集成開發環境中寫程序。但若是沒有硬件的大幅度進步，軟件是不可能作到這些的。

硬件性能的爆炸性增加。

分立元件， Discrete components

電子計算機的誕生年代，大約1940年代~1960年代中期這段時間裏，計算機都由獨立部件組成，叫「分立元件」。而後不一樣組件再用線連在一塊兒。
例如，ENIAC有1萬7千多個真空管，7萬個電阻。1萬個電容器，7千個二極管，5百萬個手工焊點。
若是想提高性能，就要加更多部件，這致使更多電線，更復雜。這個問題叫「數字暴政」。

分立元件：只有一個電路元件的組件，能夠是被動的（電容，電阻，電感）或主動的（晶體管或真空管）

1950年代中期，晶體管開始商業化（市場上買獲得）開始用在計算機裏，晶體管比電子管，更小更快更可靠，但晶體管依然是分立元件。
1959年，IBM把709計算機從本來的電子管所有換成晶體管，誕生了新機器 IBM 7090速度快6倍，價格只有一半。

晶體管標誌着「計算機2.0時代」的到來。

雖然更快更小，但晶體管的出現，仍是沒有解決「數字暴政」的問題，有十幾萬個獨立元件的計算機不但難設計並且難生產。

1960年代，這個問題的嚴重性達到頂點，電腦內部經常一大堆電線纏繞在一塊兒。
解決辦法就是引入一層新抽象，封裝複雜性。

突破性進展在1958年，當時Jack Killby在德州儀器工做，演示了一個電子元件：「電路的全部組件都集成在一塊兒」。
簡單說就是：與其把多個獨立部件用電線鏈接起來，拼裝出計算機。把多個組件包在一塊兒，變成一個新的獨立組件，這就是：集成電路(IC)
幾個月後，在1959年Robert Noyce的仙童半導體讓集成電路變爲現實，Killby用鍺來作集成電路，鍺很稀少並且不穩定，仙童半導體公司用硅，硅的蘊含量豐富，佔地殼四分之一，也穩定可靠。因此Noyce被公認爲現代的集成電路之父。開創了電子時代，創造了硅谷。

起初，一個IC只有幾個晶體管。
例如：早期樣品，由西屋公司製造。

即便只有幾個晶體管，也能夠把簡單電路，邏輯門，能封裝成單獨組件。
IC就像電腦工程師的樂高積木，能夠組合出無數種設計，但最終仍是須要鏈接起來，創造更大更復雜的電路，好比整個計算機。

因此工程師再度創新，印刷電路板，簡稱PCB。
PCB能夠大規模生產，無需焊接或用一大堆線。它經過蝕刻金屬線，把零件鏈接到一塊兒。
把PCB和IC結合使用，能夠大幅減小獨立組件和電線，但作到相同的功能。並且更小，更便宜，更可靠。

許多早期IC都是把很小的分立元件，封裝成一個獨立單元，例如這塊1964年的IBM樣品。不過，即便組件很小，塞5個以上的晶體管仍是很困難。

光刻

爲了實現更復雜的設計，須要全新的製做工藝：「光刻」。

簡單說就是：用光把複雜圖案印到材料上，好比半導體，它只有幾個基礎操做，但能夠製做出複雜電路。

例子：

1. 從一片硅開始，叫「晶圓」，長得像薄餅乾同樣。硅很特別，它是半導體，它有時導電，有時不導電，能夠控制導電時機。因此硅是作晶體管的絕佳材料，能夠用「晶圓」作基礎，把複雜金屬電路放上面，集成全部東西。很是適合作，集成電路。
2. 下一步是硅片頂部，加一層薄薄的氧化層，做爲保護層。
3. 而後加一層特殊化學品，叫「光刻膠」，光刻膠被光照射後，會變得可溶。能夠用一種特殊化學藥劑洗掉。單單光刻膠自己，並非很大做用，但和「光掩膜」配合使用會很強大。
4. 「光掩膜」就像膠片同樣，要轉移到「晶圓」上的圖案。把光掩膜蓋到晶圓上，用強光照射擋住光的地方，光刻膠不會變化。光照到的地方，光刻膠會發生化學變化，洗掉它以後，暴露出氧化層。
5. 用另外一種化學物質，一般是一種酸，能夠洗掉「氧化層」露出的部分，蝕刻到硅層。氧化層被光刻膠保護住了，爲了清理光刻膠，要用到另一種化學藥品洗掉它，光刻法不少化學品，每種都有特定用途。
6. 如今硅又露出來了，修改硅露出來的區域，讓它導電性更好。因此用一種化學過程來改變它，叫「摻雜Doping」，「摻雜」一般用高溫氣體來作，好比磷，滲透進暴露出的硅，改變點學性質。
7. 還須要幾輪光刻法，來作晶體管。過程：先蓋氧化層，再蓋光刻膠，而後用新的光掩膜，此次圖案不一樣，在摻雜區域上方開一個缺口；洗掉光刻膠，而後用另外一種氣體摻雜，把一部分硅轉成另外一種形式。爲了控制深度，時機很重要，不想超過以前的區域。
8. 最後一步，把氧化層上作通道，這樣能夠用細小金屬導線，鏈接不一樣晶體管。再次用光刻膠和光掩膜，蝕刻出小通道，如今用新的處理方法，叫「金屬化」，放一層薄薄的金屬，好比鋁或銅。但不想用金屬蓋住全部東西，想蝕刻出具體的電路。因此又是相似步驟，用光刻膠+光掩膜，而後溶掉暴露的光刻膠，暴露的金屬。
9. 晶體管完成，它有三根線，鏈接着硅的三個不一樣區域。每一個區域的摻雜方式不一樣，這叫雙極型晶體管。

用相似步驟，光刻能夠製做其它電子元件，好比電阻和電容，都在一片硅上，並且互相鏈接的電路也作好了。

例子中，只作了一個晶體管，但現實中，光刻法一次會作上百萬個細節。

芯片放大以後，導線上下交錯，鏈接各個元件。

儘管能夠把光掩膜投影到一整篇晶圓上，但光能夠投射成任意大小。就像投影儀能夠投滿熒幕同樣。
能夠把光掩膜聚焦到極小的區域，製做出很是精細的細節。

一片晶圓能夠作不少IC，整塊都作完後，能夠切割而後包進微型芯片，微型芯片就是在電子設備中，那些小長方體。記住，芯片的核心都是一小篇IC。

隨着技術的發展，晶體管變小，密度變高。
1960年代初，IC不多超過5個晶體管，由於塞不下。
但1960年代中期，市場上開始出現超過100個晶體管的IC。

摩爾定律，Moore's Law

1965年，戈登●摩爾看到了趨勢：每兩年左右，得益於材料和製造技術的發展，一樣大小的空間，能塞進兩倍數量的晶體管。這叫摩爾定律。（它不是定律，只是一種趨勢，但它是對的。）

芯片的價格也急劇降低，1962年平均50美圓，降低到1968年2美圓左右。現在，幾美分就能買到IC。
晶體管更小密度更高，還有其它好處，晶體管越小，要移動的電荷量就越少，能更快切換狀態，耗電量更小。
電路更緊湊，還意味着信號延遲耕地，致使時鐘速度更快。

Inter 4004 CPU，是個重要里程碑，發佈於1971年，是第一個用IC作的處理器，也叫微型處理器。由於真的很是小。它有2300個晶體管。

驚歎於它的整合水平，整個CPU在一個芯片裏，而僅僅20年前，用分立元件會佔滿整個屋子。
集成電路的出現，尤爲是用來作微處理器，開啓了計算3.0

晶體管數量大幅度增加，1980年三萬個，1990年一百萬個，2000年三千萬個,2010年十億個，在一個芯片裏。

爲了達到這種密度，光刻的分辨率，從大約一萬納米,大概是人類頭髮直徑的1/10。發展到現在的14納米，比血紅細胞小400倍。

固然，CPU不是惟一受益的元件。大多數電子器件都在指數式發展：內存，顯卡，固態硬盤，攝像頭感光元件，等等。

現在的處理器，好比iphone7的A10 CPU，有33億個晶體管。面積僅有1cm * 1cm，比一張郵票小。
現代工程師設計電路時，固然不是手工一個個設計晶體管，這不是人力能作到的。
1970年代開始，超大規模集成（VLSI）軟件用來自動生成芯片設計。用好比「邏輯綜合」這種技術能夠放一整個高級組件，好比內存緩存。軟件會自動生成電路，作到儘量高效。（EDA技術，HDL自動綜合技術）

進一步作小，會面臨2個大問題：

1. 用光掩膜把圖案弄到晶圓上，由於光的波長，精度已達極限。因此科學家在研製波長更短的光源，投射更小的形狀。
2. 當晶體管很是小，電極之間可能只距離幾個原子，電子會跳過間隙，這叫：「量子隧道貫穿」。若是晶體管漏電，就不是好開關。科學家和工程師在努力找解決方法，實驗室已造出小至1納米的晶體管。

操做系統

• 操做系統，Operating systems
• 批處理，Batch processing
• 計算機變便宜變多，有不一樣配置，寫程序處理不一樣硬件細節很痛苦，所以操做系統負責抽象硬件。
• 外部設備，Peripherals
• 設備驅動程序，Device drivers
• 多任務處理，Multitasking
• 虛擬內存，Virtual Memory
• 動態分配內存，Dynamic memory allocation
• 內存保護，Memory Protection
• 1970年代，計算機足夠便宜，大學買了讓學生用，多個學生用多個「終端」鏈接到主機
• 多用戶分時操做系統，Multics
• Unix
• MS-DOS

1940，1950年代的電腦，每次只能運行一個程序，程序員在打孔紙卡上寫程序，而後拿到一個計算機房間，交給操做員。等計算機空下來，操做員會把程序放入。而後運行，輸出結果，停機。
之前計算機慢，這種手動作法能夠接受。運行一個程序一般要幾個小時，幾天，甚至幾周。

計算機愈來愈快，指數級增加，很快，放程序的時間，比程序運行時間還長，須要一種方式，讓計算機自動運做。因而「操做系統」誕生了。

操做系統，簡稱OS，其實也是程序。但它有操做硬件的特殊權限，能夠運行和管理其它程序。操做系統通常是開機第一個啓動的程序，其它全部程序，都由操做系統啓動。

操做系統開始與1950年代，那時計算機開始變得更強大更流行。第一個操做系統，增強了程序加載方式。
以前只能一次給一個程序，如今能夠一次多個。當計算機運行完一個程序，會自動運行下一個程序，這樣就不會浪費時間，找下一個程序的紙卡，這叫: 「批處理」。

電腦變得更快更便宜，開始在出如今世界各地，特別是大學和政府辦公室，很快，人們開始分享軟件，但有一個問題，在哈佛1號和ENIAC那個時代，計算都是一次性的，程序員只需給那「一臺」機器寫代碼，處理器，讀卡器，打印機都是已知的，但隨着電腦愈來愈廣泛，計算機配置並不老是相同的。好比計算機可能有相同CPU，但不一樣的打印機。不只要擔憂寫程序，還要擔憂程序怎麼和不一樣型號的打印機交互，以及計算機連着的其它設備，這些統稱「外部設備」。

設備驅動程序，Device drivers

和早期的外部設備交互，是很是底層的，程序員要了解設備的硬件細節，加劇問題的是，程序員不多能拿到全部型號的設備來測代碼。因此通常是閱讀手冊來寫代碼，祈禱能正常運行。

如今是「即插即用」，之前是「祈禱能用」。這很糟糕，因此爲了程序員寫軟件更容易，操做系統充當軟件和硬件之間的媒介。更具體的說，操做系統提供API來抽象硬件，叫「設備驅動程序」。

程序員能夠用標準化機制，和輸入輸出硬件（I/O）交互。好比，程序員只須要調用print(highscore),操做系統會處理 輸到紙上的具體細節。

到1950年代尾聲，電腦已經很是快了，處理器常常閒着，等待慢的機械設備（好比打印機和讀卡器）。程序阻塞在I/O上，而昂貴的處理器則在度假。

50年代後期，英國曼切斯特大學開始研發世界上第一臺超級計算機，Atlas，他們知道機器會超級快，因此須要一種方式來最大限度的利用它。他們的解決方案是一個程序叫Altas Supervisor於1962年完成。這個操做系統，不只像更早期的批處理系統那樣，能自動加載程序，還能在單個CPU上同時運行幾個程序。它經過調度來作到這一點。

假設Atlas上有一個遊戲在運行，而且調用一個函數print(highscore)。它讓Atlas打印一個叫highscore的變量值。

• print函數運行須要一點時間，大概上千個時鐘週期，但由於打印機比CPU慢，與其等着它完成操做，Altas會把程序休眠，運行另外一個程序，最終，打印機會告訴Altas打印已完成，Altas會把程序標記可繼續運行。
• 以後在某時刻會安排給CPU運行。並繼續print語句以後的下一行代碼。

這樣，Altas能夠在CPU上運行一個程序，同時另外一個程序在打印數據，同時另外一個程序讀數據。

Altas的工程師作的還要多，配了4臺紙帶讀取器,4臺紙帶打孔機，多達8個磁帶驅動器。

使多個程序能夠同時運行，在單個CPU上共享時間，操做系統的這種能力叫：「多任務處理」。
同時運行多個程序有個問題，每一個程序都會佔一些內存，當切換到另外一個程序時，不能丟失數據。解決辦法是：給每一個程序分配專屬內存塊。

例如：假設計算機一共有10000個內存位置，程序A分配到內存地址0到999。而程序B分配到內存地址1000到1999，以此類推。（開着軟件佔緩存）

若是一個程序請求更多內存，操做系統會決定是否贊成，若是贊成，分配哪些內存塊，這種靈活性很好，但帶來一個奇怪的後果。程序A可能會分配到非連續的內存塊，好比內存地址0到999,以及2000到2999。（解決方法：虛擬內存）
真正的程序可能會分配到內存中數十個地方。這對程序員來講很難跟蹤。

虛擬內存，Virtual Memory

也許內存裏有一長串銷售額，天天下班後要算銷售總額，但列表存在一堆不連續的內存塊裏，爲了隱藏這種複雜性，操做系統會把內存地址進行「虛擬化」。這叫「虛擬內存」，程序能夠假定內存老是從地址0開始，簡單又一致。而實際物理位置，被操做系統隱藏和抽象了。

用程序B來舉例，它被分配了內存地址1000到1999。對程序B而言，它看到的地址是0到999。操做系統會自動處理，虛擬內存和物理內存之間的映射。若是程序B要地址42，其實是物理地址1042。這種內存地址的虛擬化，對程序A更有用。
在例子中，A被分配了兩塊隔開的內存，程序A不知道這點。以A的視角，它有2000個連續的地址，當程序A讀內存地址999時，會恰好映射到物理內存地址999，但若是程序A讀下一個地址1000，會映射到物理地址2000。這種機制使程序的內存大小能夠靈活增減叫「動態內存分配」。

對程序來講，內存看起來是連續的。它簡化了一切，爲了操做系統同時運行多個程序提供了極大的靈活性。給程序分配專用的內存範圍。
另外一個好處是這樣隔離起來會更好，若是一個程序出錯，開始寫亂七八糟的數據，它只能搗亂本身的內存，不會影響到其它程序。這叫「內存保護」。防止惡意軟件（如病毒）也頗有用。
例如：不但願其它程序有能力讀或改郵件程序的內存。若是有這種權限惡意軟件能夠以你的名義發郵件，甚至竊取我的信息。

• 專用的內存範圍
• 更靈活
• 內存保護

Multics

Atlas既有「虛擬內存」也有「內存保護」，是第一臺支持這些功能的計算機和操做系統。到1970年代，計算機足夠快且便宜。大學會買電腦讓學生用，計算機不只能同時運行多個程序，還能讓多用戶能同時訪問。
多個用戶用「終端」來訪問計算機。「終端」只是鍵盤+屏幕，連到主計算機終端自己沒有處理能力，冰箱大小的計算機可能有50個終端，能讓50個用戶使用。

這時操做系統不但要處理多個程序，還要處理多個用戶。爲了確保其中一我的，不會佔滿計算機資源，開發了分時操做系統，意思是：每一個用戶只能用一小部分處理器和內存等。由於電腦很快，即便拿到1/50的資源也足以完成許多任務。

早期分時操做系統中，最有影響力的是Multics(多任務信息與計算系統)，於1969年發佈，Multics是第一個，從設計時就考慮到安全的操做系統，開發人員不但願惡意用戶訪問不改訪問的數據。這致使Multics的複雜度超過當時的平均水準，操做系統會佔大約1Mb內存，這在當時不少。多是內存的一半，只拿來運行操做系統。

Multics的研究人員Dennis Ritchie曾說過：阻礙Multics得到商業成功的一個明顯問題是從某種方面來講，它被過分設計了，功能太多了。
因此Dennis和另一個Multics研究員Ken Thompson聯手開發新的操做系統叫Unix。

他們想把操做系統分紅兩部分：

• 首先是操做系統核心功能，如內存管理，多任務和輸入/輸出處理，這叫「內核」
• 第二部分是一堆有用的工具，但它們不是內核的一部分（好比程序和運行庫）

緊湊的內核意味着功能沒有那麼全面。
Multics的另外覺得開發者Tom Van Vleck回憶說：我對Dennis說，我在Multics寫的一半代碼都是錯誤恢復代碼。他說：「Unix 不會有這些東西， 若是有錯誤發生，咱們就讓內核‘恐慌’（panic）當調用它時，機器會崩潰，你得在走廊裏大喊，‘嘿，重啓電腦’」。

內核若是崩潰，沒有辦法恢復，因此調用一個叫「恐慌」(panic)的函數，起初只是打印「恐慌」一詞，而後無限循環。

這種簡單性意味着，Unix能夠在更便宜更多的硬件上運行，使Unix在Dennis和Ken工做的貝爾實驗室大受歡迎，愈來愈多開發人員用Unix寫程序和運行程序。工具數量日益增加，1971年發佈後不久，就有人寫了不一樣編譯語言的編譯，甚至文字處理器，使得Unix迅速成爲1970~80年代最流行的操做系統之一，到1980年代早期，計算機的價格降到普通人買得起，這些叫「我的電腦」或「家庭電腦」。這些電腦比大型主機簡單得多，主機通常在大學，公司和政府。所以操做系統也得簡單。
例如：微軟的磁盤操做系統（MS-DOS）只有160KB，一張磁盤就能夠容納操做系統。

於1981年發佈的，成爲早期家用電腦最受歡迎的操做系統。雖然缺乏「多任務」和「保護內存」這樣的功能。意味着程序常常使系統崩潰。雖然很討厭但還能夠接受，由於用戶能夠重啓。哪怕是微軟1985年發佈的早期Windows雖然在90年代很流行，但卻缺少「內存保護」。當程序行爲不當時，就會「藍屏」。表明程序崩潰的很是嚴重，把系統也帶崩潰了。

現在的計算機，有現代操做系統，好比Mac OS X, Windows 10, Linux, iOS和Android。雖然大部分設備只有一我的使用。操做系統依然有「多任務」，「虛擬內存」， 「內存保護」。所以能夠同時運行多個程序：一邊使用瀏覽器，一邊使用PS修圖，播放音樂，同步筆記等。若是沒有操做系統這幾十年的發展，這些都不可能。

操做系統：

• 計算機自動運行。
• 設備驅動程序，提供API來抽象硬件。
• 批處理，多個程序同時運行，多任務。
• 虛擬內存，內存保護，動態內存分配。
• 多用戶分時操做系統。