了得網計算機/網絡_IT文化----揭開信息技術的面紗

編輯推薦

“互聯網 ”、“大數據“、“人工智能”先後成為了我們工作生活中的熱詞，說明了信息技術（IT）已經成為所有高科技產業的基本推動力，引領了這個時代的浪潮。但信息技術究竟有哪些門類？如何一步一步發展到今天這樣？它們在我們的工作生活中有哪些具體應用？將來會變成什麼樣子？這些問題大部分人還不甚了解。而信息技術類的專業書籍和課程普遍內容深奧、公式繁雜、門檻較高，往往讓大家“不明覺厲”、敬而遠之……所以，本書主要針對在校大中學生、IT產業相關的職場人士以及對信息技術感興趣的讀者，以淺顯易懂、圖文並茂的方式科普信息技術的相關知識，提升人們的信息素養。本書既可以作為面向大眾的科普讀物，也可以用作各大高校信息類通識課程的教學參考書。

內容簡介

信息技術已經融入了人們生產和生活的方方面面，其催生的新事物和新理念也令人眼花繚亂、應接不暇，熟練地掌握和運用它們，已經成為一個當代復合型人纔的素質。
本書主要圍繞著網絡、數據、計算、智能、安全5條主線介紹信息技術發展史上的趣事以及相關領域的核心技術，詳細內容分為引領時代的浪潮、編碼的奧秘、計算機硬件、軟件、數據管理、互聯網、信息安全、人工智能、物聯網、大數據、雲計算、信息的素養共12個專題，涉及計算機、軟件工程、電子、通信、自動化等多個專業的入門知識。
希望通過本書，使讀者能夠繫統地了解信息學科取得的輝煌成就以及IT產業的技術底蘊，初步接觸到前沿的、富有挑戰性的熱點問題，培養敏銳的觀察能力和發散的思維能力，激發深入探究、主動創新的科研熱情。

目錄
●第1章引領時代的浪潮1
1.1信息活動的意義2
1.2信息科學與技術4
1.3信息技術的革命6
1.3.1語言的突破7
1.3.2文字的誕生9
1.3.3印刷術的出現12
1.3.4電磁波的應用13
1.3.5計算機的發明15
1.4信息時代的到來17
參考文獻19
●第2章編碼的奧秘20
2.1計數有學問21

●第1章引領時代的浪潮1

1.1信息活動的意義2

1.2信息科學與技術4

1.3信息技術的革命6

1.3.1語言的突破7

1.3.2文字的誕生9

1.3.3印刷術的出現12

1.3.4電磁波的應用13

1.3.5計算機的發明15

1.4信息時代的到來17

參考文獻19

●第2章編碼的奧秘20

2.1計數有學問21

2.1.1掰指頭數數21

2.1.2畫線做記錄23

2.2簡約而不簡單24

2.2.1偉大的發明25

2.2.2統一的框架27

2.3用電來計數29

2.3.1原始的模擬29

2.3.2開關的電路30

2.4神奇的二進制32

2.4.1運算法則32

2.4.2編碼字符34

2.4.3度量信息37〖1〗IT文化——揭開信息技術的面紗〖1〗目錄擴展閱讀39

布萊葉盲文39

莫爾斯電碼40

參考文獻42

●第3章計算機硬件43

器件的進化44

3.1.1自動控制的開關44

3.1.2從繼電器到晶體管47

3.1.3集成出來的奇跡49

3.2理論指導實踐51

3.2.1抽像的模型51

3.2.2繫統的結構54

3.3應用無處不在56

3.3.1超越科學計算57

3.3.2走進千家萬戶59

3.3.3顛覆傳統行業61

3.4樣式千姿百態64

擴展閱讀67

計算機的那些“祖先”67

“硅谷”名字的由來69

參考文獻71

●第4章軟件72

4.1分門別類話軟件73

4.2強大的操作繫統76

4.2.1分身有術76

4.2.2管理得法82

4.3PC時代的主角87

4.3.1打造產業鏈87

4.3.2安迪比爾定律89

4.4軟件工程的困境92

4.4.1軟件危機92

4.4.2質量保證95

擴展閱讀98

屢試不爽的“三板斧”98

業務擴展的背後推手100

參考文獻102

●第5章數據管理103

5.1決策的依據104

5.1.1多算勝少算104

5.1.2數據的文化107

5.2科學的方法110

5.2.1站在前人的肩上110

5.2.2事實勝過雄辯113

5.2.3提高質量的法寶115

5.3管理的技術118

5.3.1數據的批量處理118

5.3.2數據庫的基本思想122

5.3.3挖掘數據中的金礦126

擴展閱讀128

IBM——數據處理的先行者128

Oracle——平淡無奇的傳奇129

參考文獻131

●第6章互聯網132

6.1互聯網的結構133

6.1.1連接的開始134

6.1.2規則的統一136

6.1.3分組的傳遞139

6.2互聯網的服務143

6.2.1電子郵件和文件傳輸143

6.2.2萬維網——互聯網的“靈魂”145

6.2.3域名和域名服務149

6.2.4服務提供的方式152

6.3互聯網的進化155

6.3.1互聯網1.0時代156

6.3.2互聯網2.0時代158

6.3.3互聯網3.0時代162

擴展閱讀165

思科的經營絕招165

互聯網產業的規則167

參考文獻168

●第7章信息安全169

7.1密碼學基礎170

7.1.1古典密碼的技術170

7.1.2現代密碼的思想174

7.1.3計算上的安全178

7.2完整性技術181

7.3身份認證184

7.3.1用戶所知道的185

7.3.2用戶所擁有的187

7.3.3用戶生物特征190

7.4網絡攻防192

7.4.1誰在攻擊網絡193

7.4.2計算機病毒196

7.4.3常見黑客技術199

7.4.4網絡安全防御201

擴展閱讀203

“一代名機”Enigma203

“世界頭號黑客”凱文·米特尼克207

參考文獻209

●第8章人工智能210

8.1智能的前世今生210

8.1.1古代的機械智能211

8.1.2人工智能的起源212

8.1.3人工智能的誕生214

8.2思維的探索研究215

8.2.1狀態搜索與博弈216

8.2.2知識表示與推理219

8.2.3神經網絡與學習223

8.3機器人的廣泛應用227

8.3.1傳統機器人227

8.3.2半機器人229

8.3.3智能機器人230

8.4智能時代的隱憂231

8.4.1“機器上崗”之利232

8.4.2“失業危機”之痛233

8.4.3“奇點臨近”之懼236

擴展閱讀238

谷歌公司的智能搜索238

自然語言處理難在何處？241

參考文獻243

●第9章物聯網244

9.1網絡協議的變革245

9.2獨一無二的標識248

9.2.1一維條形碼248

9.2.2二維條形碼250

9.2.3射頻識別252

9.3時時刻刻的定位257

9.3.1衛星定位258

9.3.2基站定位260

9.3.3網絡定位262

9.4全面感知的技術264

9.4.1感官的延伸264

9.4.2智能的終端266

9.5美好生活的憧憬268

9.5.1構建智能的家居269

9.5.2點亮智慧的地球273

擴展閱讀277

生活在智慧城市的一天277

物理世界與信息世界的大融合278

參考文獻280

●第10章大數據281

10.1大數據的產生283

10.1.1大數據的來源283

10.1.2大數據的特征286

10.2大數據的思維289

10.2.1全體數據的威力290

10.2.2觀其大略的意識295

10.2.3預測未來的能力299

10.3大數據的應用307

10.3.1互聯網與大數據308

10.3.2物聯網與大數據311

10.4大數據的挑戰314

10.4.1沒有遺忘的時代315

10.4.2全息可見的困境318

擴展閱讀321

情報整理——多維度的數據分析321

緝毒新招——大數據讓你無所遁形322

參考文獻324

●第11章雲計算325

11.1雲計算的先驅326

11.2雲計算的概念328

11.2.1構建數據中心329

11.2.2租用網絡資源331

11.2.3提供雲端服務333

11.2.4雲計算的本質335

11.3雲計算的實現338

11.3.1核心技術問題339

11.3.2全社會的關注342

11.3.3經濟上的考量343

11.4雲計算的應用344

11.4.1人工智能的飛速發展345

11.4.2信息產業的重新布局347

11.4.3生產生活的全面影響350

擴展閱讀354

“並行”不是那麼簡單354

節能省電各出奇招355

參考文獻357

●第12章信息的素養358

12.1思維方式的轉變359

12.1.1機械思維的貢獻359

12.1.2不確定性的顛覆361

12.1.3新時代的方法論363

12.2信息時代的生活366

12.2.1拓展帶寬的依據366

12.2.2學習觀念的轉變369

12.2.3數據主義的困局375

12.3信息時代的創業378

12.3.1挖掘“桶金”379

12.3.2站在“風口浪尖”381

12.3.3創新“商業模式”384

參考文獻389

●附錄A計算機的外部設備390

A.1海量存儲器390

A.2輸入設備392

A.3輸出設備396

●附錄BIT產業的那些定律398

B.1摩爾定律399

B.2安迪比爾定律399

B.3702010定律400

B.4諾威格定律402

B.5基因決定定律403

●附錄C信息時代的科學基礎405

C.1信息論405

C.2控制論406

C.3繫統論407

●後記409

前言

前言從大學階段學習信息技術開始，我感覺到社會大眾對這個領域的看法趨向兩個：一部分人覺得信息技術非常高、大、上，進入這個圈子的人要麼是收入豐厚的白領，要麼是智商超群的精英；另一部分人覺得信息技術特別難、苦、累，從事相關行業的人要麼是滿面滄桑的碼農，要麼是嘔心瀝血的極客。為什麼兩種看法差別如此之大，簡直是“天淵之別”？我想這很可能是由於信息技術自身的特點造成的：它不僅與各個學科交織在一起，而且和人們的生活息息相關；人們很容易以偏概全，拿自己接觸到的部分當作整體，將個例當作普遍；更何況，信息產業就是經濟形勢的晴雨表，每兩三年就可能讓你坐上一趟“過山車”，體會一下什麼叫“冰火兩重天”……我自畢業之後就打算寫一本介紹信息技術的書，主要也是被兩方面的需求所驅動：一方面是覺得有必要給身邊的親戚朋友科普一下，澄清大家對信息技術的誤解，以免大家見面都問我電腦修得熟不熟練，漏洞補得瓷不瓷實，網絡疏通得拿不拿手；另一方面是在北京工商大學的教學改革中，我嘗試開設了一門面向全校本科生的通識選修課——“信息技術前沿”，很需要一本科普性的教學參考書，雖然我翻閱了上百本信息技術類的書籍，但目前還沒找到非常合適的書。從事科研和教學的人不難發現，跟同一領域的專家或者學生交流比較容易。因為大家有相同的知識背景，“行家一出手，就知有沒有”，專業詞彙和公式一寫，不用太多解釋，就已“了然”。而“隔行如隔山”，一旦要面向親朋好友這樣的普通大眾，就沒這麼省事兒了，就算你從頭至尾全是中文表述，他們還覺得你說得像外語。同理，來上我這門課的很多學生都是文、商、藝術類專業的，即使他們都上過“計算機文化”之類的基礎課程，也不能指望他們在完成自己繁重的學業之後，再去苦讀信息技術方面的專業書籍。可以想像，通識課程與專業課程的培養目標、教學內容和授課方式也是大不一樣的。我開這門課的初衷就是希望通過課堂上教師的講述以及多媒體材料的展示，讓同學們了解到信息技術如何應用到生產生活的方方面面，透過令人眼花繚亂的各種新理念認識到它們的本質，並初步具備一個當代大學生必需的信息素養。我從一開始就把這門課定位在兩個字上——“易”和“趣”。“易”主要指的是“容易”。長久以來，信息技術類的課程一直以內容深奧、公式繁雜、門檻較高著稱。這讓非專業人士學習起來無從下手、舉步維艱，以致大家“不明覺厲”、敬而遠之……我在課程的準備過程中將相關內容重新整理，粗分為12個專題，采用深入淺出的方式，結合生活中的實際例子來描述信息技術的基本原理、方法和應用，即使難度較大的地方也隻需要具備中學的基礎就能理解。“趣”指的就是“有趣”。老師盡可能采用舉例子、打比方、播視頻、放圖片的形式完成課堂教學，並講述相關大牛的趣事、信息產業的規律、知名企業的境況，這不僅有利於吸引同學們的注意力和活躍課堂氛圍，而且對於學生擴展知識面、培養發散思維、提升就業競爭力都有很大的幫助。這門課程教過幾輪之後，我開始著手整理這本科普書籍，一邊寫作一邊繼續豐富我的教學材料，因此本書的主要框架和課堂教學安排基本一致。當然，沒有了授課時間這樣的限制，書中就可以在一些有意思的地方鋪展開來，並通過“擴展閱讀”和“附錄”的形式保證每個主題內容的相對完整。至於正文中間的小字內容和旁注，有興趣的讀者可以簡單看一下，直接跳過也不會影響對主體內容的理解。有必要說明一點，本書與課程的目標一致，著重於從紛繁復雜、體量龐大的信息技術領域裡捋出清晰的脈絡。因此有很多技術細節被我刻意忽略，以免導致信息冗雜而使讀者產生認知負擔。所以建議大家把這本書看成了解信息技術的入門讀物，搭起一個簡易的“大框架”之後，再去深入了解每一個小領域的技術細節就會變得輕松一些。我在寫作過程中參考了與信息技術相關的大量書籍，詳細書目參見每一章後列出的參考文獻。可以說，沒有前輩們的貢獻，就沒有本書的出版，也希望本書能成為這些參考文獻的前期讀物。在此，向有關作者表示由衷的感謝。書中一部分圖片是作者創作的，一部分引用的圖片明確標注了來源，其餘圖片大都來自百度圖片。書中引用的圖片如有版權問題，請原作者告知作者，謝謝！由於信息技術領域仍處於快速發展和不斷更迭的狀態，加之作者水平有限，書中難免存在一些不足之處，敬請讀者批評指正。如果讀者希望在信息技術科普或教學方面與作者進行交流，請將郵件發送到caojian9527@sina.com。前言從大學階段學習信息技術開始，我感覺到社會大眾對這個領域的看法趨向兩個：一部分人覺得信息技術非常高、大、上，進入這個圈子的人要麼是收入豐厚的白領，要麼是智商超群的精英；另一部分人覺得信息技術特別難、苦、累，從事相關行業的人要麼是滿面滄桑的碼農，要麼是嘔心瀝血的極客。為什麼兩種看法差別如此之大，簡直是“天淵之別”？我想這很可能是由於信息技術自身的特點造成的：它不僅與各個學科交織在一起，而且和人們的生活息息相關；人們很容易以偏概全，拿自己接觸到的部分當作整體，將個例當作普遍；更何況，信息產業就是經濟形勢的晴雨表，每兩三年就可能讓你坐上一趟“過山車”，體會一下什麼叫“冰火兩重天”……我自畢業之後就打算寫一本介紹信息技術的書，主要也是被兩方面的需求所驅動：一方面是覺得有必要給身邊的親戚朋友科普一下，澄清大家對信息技術的誤解，以免大家見面都問我電腦修得熟不熟練，漏洞補得瓷不瓷實，網絡疏通得拿不拿手；另一方面是在北京工商大學的教學改革中，我嘗試開設了一門面向全校本科生的通識選修課——“信息技術前沿”，很需要一本科普性的教學參考書，雖然我翻閱了上百本信息技術類的書籍，但目前還沒找到非常合適的書。從事科研和教學的人不難發現，跟同一領域的專家或者學生交流比較容易。因為大家有相同的知識背景，“行家一出手，就知有沒有”，專業詞彙和公式一寫，不用太多解釋，就已“了然”。而“隔行如隔山”，一旦要面向親朋好友這樣的普通大眾，就沒這麼省事兒了，就算你從頭至尾全是中文表述，他們還覺得你說得像外語。同理，來上我這門課的很多學生都是文、商、藝術類專業的，即使他們都上過“計算機文化”之類的基礎課程，也不能指望他們在完成自己繁重的學業之後，再去苦讀信息技術方面的專業書籍。可以想像，通識課程與專業課程的培養目標、教學內容和授課方式也是大不一樣的。我開這門課的初衷就是希望通過課堂上教師的講述以及多媒體材料的展示，讓同學們了解到信息技術如何應用到生產生活的方方面面，透過令人眼花繚亂的各種新理念認識到它們的本質，並初步具備一個當代大學生必需的信息素養。我從一開始就把這門課定位在兩個字上——“易”和“趣”。“易”主要指的是“容易”。長久以來，信息技術類的課程一直以內容深奧、公式繁雜、門檻較高著稱。這讓非專業人士學習起來無從下手、舉步維艱，以致大家“不明覺厲”、敬而遠之……我在課程的準備過程中將相關內容重新整理，粗分為12個專題，采用深入淺出的方式，結合生活中的實際例子來描述信息技術的基本原理、方法和應用，即使難度較大的地方也隻需要具備中學的基礎就能理解。“趣”指的就是“有趣”。老師盡可能采用舉例子、打比方、播視頻、放圖片的形式完成課堂教學，並講述相關大牛的趣事、信息產業的規律、知名企業的境況，這不僅有利於吸引同學們的注意力和活躍課堂氛圍，而且對於學生擴展知識面、培養發散思維、提升就業競爭力都有很大的幫助。這門課程教過幾輪之後，我開始著手整理這本科普書籍，一邊寫作一邊繼續豐富我的教學材料，因此本書的主要框架和課堂教學安排基本一致。當然，沒有了授課時間這樣的限制，書中就可以在一些有意思的地方鋪展開來，並通過“擴展閱讀”和“附錄”的形式保證每個主題內容的相對完整。至於正文中間的小字內容和旁注，有興趣的讀者可以簡單看一下，直接跳過也不會影響對主體內容的理解。有必要說明一點，本書與課程的目標一致，著重於從紛繁復雜、體量龐大的信息技術領域裡捋出清晰的脈絡。因此有很多技術細節被我刻意忽略，以免導致信息冗雜而使讀者產生認知負擔。所以建議大家把這本書看成了解信息技術的入門讀物，搭起一個簡易的“大框架”之後，再去深入了解每一個小領域的技術細節就會變得輕松一些。我在寫作過程中參考了與信息技術相關的大量書籍，詳細書目參見每一章後列出的參考文獻。可以說，沒有前輩們的貢獻，就沒有本書的出版，也希望本書能成為這些參考文獻的前期讀物。在此，向有關作者表示由衷的感謝。書中一部分圖片是作者創作的，一部分引用的圖片明確標注了來源，其餘圖片大都來自百度圖片。書中引用的圖片如有版權問題，請原作者告知作者，謝謝！由於信息技術領域仍處於快速發展和不斷更迭的狀態，加之作者水平有限，書中難免存在一些不足之處，敬請讀者批評指正。如果讀者希望在信息技術科普或教學方面與作者進行交流，請將郵件發送到caojian9527@sina.com。

曹健2018年4月於北京工商大學〖1〗IT文化——揭開信息技術的面紗〖1〗前言

在線試讀

第3章計算機硬件社會一旦有技術上的需要，則這種需要會比十所大學更能把科學推向前進。——弗裡德裡希·恩格斯(德國思想家、哲學家)
和人類歷史上許多重大的突破一樣，信息技術的領頭羊——計算機的出現並不是短短幾年間技術突破的結果，而是靠著上千年來無數代人長期的努力和技術的積累。在美國硅谷中心的山景城(Mountain View)有一座計算機博物館，一進門，其中，中國的算盤為實用，其珠算口訣為智能。直到20世紀80年代，算盤還在社會生活中扮演著非常重要的角色。
關於這些發明背後的故事，有興趣的讀者可以看一看本章的擴展閱讀——計算機的那些“祖先”。在顯眼的位置放著一個大展牌，上面寫著“計算機2000年的歷史”，意思是說計算機的歷史已經有2000年了。顯然，計算機2000年歷史的起始點是從類似算盤的計算工具開始的，隻不過那是手工操作的計算機。到了近代，人們又在想辦法使用機械代替人手撥算盤珠，這就導致了機械計算機的發明。其中，法國的布萊士·帕斯卡(Blaise Pascal)、德國的萊布尼茨和英國的查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage)都曾經設計出了基於十進制的機械計算機，雖然實用性稍差了一些，但這些探索都是人類文明史上的寶貴財富。到了電氣時代，人們自然就想到利用電能來發明一種新型實用的自動計算器。於是就像2.3節所述，無數先人歷經波折，纔確定了用基於二進制思想的開關電路來計數，從而發明了電子運算部件。但問題又來了，我們如何輸入數據？總不能把手伸到到機器內部，一個一個地斷開和閉合這些微小的開關吧？再者，我們如何讓這些部件自己做運算？如果每一步的結果都需要人來記錄，這能叫自動嗎？還有，我們如何讓它直接顯示出結果來呢？這些都是和“硬件”相關的問題，不解決這些問題，電子計算機的發明和應用就無從談起。〖1〗IT文化——揭開信息技術的面紗〖1〗第3章計算機硬件器件的進化輸入數據可以對古代遠距離通信有興趣的讀者可以看看詹姆斯·格雷克的《信息簡史》一書第5章“地球的神經繫統”。第3章計算機硬件社會一旦有技術上的需要，則這種需要會比十所大學更能把科學推向前進。——弗裡德裡希·恩格斯(德國思想家、哲學家)
和人類歷史上許多重大的突破一樣，信息技術的領頭羊——計算機的出現並不是短短幾年間技術突破的結果，而是靠著上千年來無數代人長期的努力和技術的積累。在美國硅谷中心的山景城(Mountain View)有一座計算機博物館，一進門，其中，中國的算盤為實用，其珠算口訣為智能。直到20世紀80年代，算盤還在社會生活中扮演著非常重要的角色。
關於這些發明背後的故事，有興趣的讀者可以看一看本章的擴展閱讀——計算機的那些“祖先”。在顯眼的位置放著一個大展牌，上面寫著“計算機2000年的歷史”，意思是說計算機的歷史已經有2000年了。顯然，計算機2000年歷史的起始點是從類似算盤的計算工具開始的，隻不過那是手工操作的計算機。到了近代，人們又在想辦法使用機械代替人手撥算盤珠，這就導致了機械計算機的發明。其中，法國的布萊士·帕斯卡(Blaise Pascal)、德國的萊布尼茨和英國的查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage)都曾經設計出了基於十進制的機械計算機，雖然實用性稍差了一些，但這些探索都是人類文明史上的寶貴財富。到了電氣時代，人們自然就想到利用電能來發明一種新型實用的自動計算器。於是就像2.3節所述，無數先人歷經波折，纔確定了用基於二進制思想的開關電路來計數，從而發明了電子運算部件。但問題又來了，我們如何輸入數據？總不能把手伸到到機器內部，一個一個地斷開和閉合這些微小的開關吧？再者，我們如何讓這些部件自己做運算？如果每一步的結果都需要人來記錄，這能叫自動嗎？還有，我們如何讓它直接顯示出結果來呢？這些都是和“硬件”相關的問題，不解決這些問題，電子計算機的發明和應用就無從談起。〖1〗IT文化——揭開信息技術的面紗〖1〗第3章計算機硬件器件的進化輸入數據可以對古代遠距離通信有興趣的讀者可以看看詹姆斯·格雷克的《信息簡史》一書第5章“地球的神經繫統”。
丹麥物理學家奧斯特在1820年發表了題為《磁針電抗作用實驗》的論文，向科學界公布了他關於電流磁效應的發現。隨後，英國物理學家邁克爾·法拉第又發現了磁場也能產生電流，並於1831年確立了電磁感應的基本原理。看作一個信息傳遞的問題，也就是把外面的信息傳遞到電子器件的內部，這和我們一直嘗試的遠距離通信有很大的共通之處。而對於遠距離通信，古人早已想到了比較直接的方法，就是雇傭一些人作為中轉站，通過呼喊、揮動旗子或者快馬送信，一個接一個地把信息從遠處傳遞過來。技術上更為復雜一點的方法，就是使用烽火臺或者使用帶有機械臂的大型裝置來代替人做揮旗的工作。不過，我們既然已經打算用“電”來計算，並已經用“電”來表示數字了，那麼，我們還是繼續用“電”來傳遞信息吧。這可不是我先想到的，第2章提到的莫爾斯發明的電報機，就具有這個功能。3.1.1自動控制的開關今天我們看來，電報機的原理很簡單：在線路的這一端采取一些措施，使線路的另一端發生某種變化。也就是說，我在線路的一段制造一個狀態，線路的另一端就會呈現與之相對應的狀態——信息的遠距離傳遞就這樣發生了！那用什麼技術來把這個想法落地呢？這還要從中學物理課上的一個知識點——“電磁現像”說起。我們知道，當一根電線有電流通過時，就會在它的周圍產生微弱的磁場。這種“電能生磁”的現像叫作電流的磁效應，它和“磁能生電”的現像一起，合稱電磁現像。電流的磁效應吸引了很多發明家制作了各種各樣的新鮮玩意兒，當然，它們大部分是電磁鐵。如圖3.1所示，如果你手頭有一根鐵棒，在上面用細導線繞上若干圈，然後在導線上接通電流，鐵棒變成了一塊磁鐵(現在它就能吸引其他的鐵塊和鋼塊)；斷開電流，鐵棒的磁性就會消失。使用電磁鐵的一個顯而易見的好處是，當你把散落在地上的鐵釘都吸到一起時，不用再費力地把它們摘下來放到釘盒裡(通常這是令人非常煩惱的)，隻需要斷開電流就行了。據說在1831年，美國人約瑟夫·亨利(Joseph Henry)制作了一個體積並不是很大的電磁鐵，能吸起重達1t的鐵塊。當然，如果他止步於此，那麼電感單位也不會以他的姓氏“亨利”命名了。真正讓他名垂青史的是他在電磁鐵上更進一步的發明——繼電器。繼電器可以看成由上端和下端兩套裝置組成，如圖3.2所示。在下端，是一個開關(通常稱之為按鍵)，可以控制電流的通斷，進而決定著一個電磁鐵的狀態——有磁性和無磁性。在電磁鐵的上方，有一個長長鐵片——銜鐵臂安裝在支架上，它可以上下自由活動。平時，也就是電磁鐵沒有通電產生磁力的時候，它被一根彈簧拉著，以免與電磁鐵挨在一起。一旦下端的開關閉合，銜鐵臂就會被電磁鐵吸引從而接通上端的電路；當下端開關斷開時，電磁鐵失去磁性，銜鐵臂又在彈簧的牽引下回到原來的位置，從而斷開了上端的電路。圖3.1電磁鐵的原理圖圖3.2繼電器的原理圖

繼電器初被莫爾斯用於發明電報機，主要解決了一個問題——長途電報的線路太長，電阻就會變大，這就導致電報線路的另一端電流過於微弱，沒法有效地傳遞信息。如果在電報線路上設置一個一個基於繼電器的中繼站，那麼從遠端傳來的電流就會驅動繼電器的電磁鐵拉動銜鐵臂，銜鐵臂同時又作為一個開關連接著電池和輸出線路。通過這種方法，輸入的比較弱的電流被“放大”成了較強的輸出電流。就我們的目的而言，我們對繼電器放大微弱電流的功能並不怎麼關注(這是莫爾斯他們考慮的問題)。真正使我們著迷的是：繼電器可以通過電流把一端的信息傳遞到另一端——下端電路開關閉合的狀態可以控制(影響)上端電路開關閉合的狀態。而且，繼電器是一種真正的通過電流控制而非人工控制的開關！為了方便起見，可以將繼電器的原理圖簡化一下，如圖3.3所示，利用接地的方式在這種情況下，大地僅代表一個公共端，並不是真正意義的物理接地。減少一些電線，用大寫字母“V”(代表電壓)來指代電池。左側開關閉合，電流從V端流出，進過電磁鐵芯流到大地上，產生磁效應，吸合金屬簧片(即圖3.2中的銜鐵臂)，從而連通了右側V、燈泡和地之間的電路，使燈泡發亮。實際上，燈泡可以采用兩種方式連接到繼電器上。注意，彈性金屬簧片是被電磁鐵拉下來的。平時，金屬簧片與上端觸點相接觸，當電磁鐵拉動它時，它就會與下端觸點相接觸。我們之前一直把金屬簧片與下方觸點接觸作為繼電器的輸出，而其實也可以把它與上方觸點相接觸作為輸出。如圖3.4所示，這時，繼電器的輸出恰好相反，當輸入開關斷開的時候燈泡發光，當輸入開關閉合的時候燈泡熄滅。用開關術語來說，這種繼電器叫作雙擲繼電器。它擁有兩個輸出，但這兩個輸出在電的極性上是對立的——當一端有電壓時，另一端就沒有電壓。圖3.3繼電器的精簡原理圖來源：《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》圖3.4繼電器的另一種輸出方式來源：《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》

兩個繼電器可以采用串聯或並聯的方式組合起來使用，如圖3.5所示。左圖是繼電器的串聯，隻有兩個繼電器都被觸發(開關閉合)的時候燈泡纔會亮。如果僅僅觸發了上面一個繼電器，燈泡依然是熄滅的。右圖是繼電器的並聯，隻要有一個繼電器被觸發(開關閉合)，就能點亮燈泡。圖3.5繼電器的串聯與並聯來源：《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》對“離散數學”比較了解的同學，這時候可能已經意識到了，圖3.4和圖3.5所描繪的就是布爾代數關於布爾代數的內容，在8.2.2節介紹。感興趣的讀者還可以讀一下查爾斯·佩措爾德的《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》，該書中有更為詳細的論述。中的“非”“與”“或”。早發現這一點的是信息論的創始人香農。1938年，他在其碩士論文《繼電器與開關電路的符號分析》中就把布爾代數、開關電路和繼電器聯繫到了一起，奠定了數字電路的理論基礎。後來，哈佛大學的哈沃德·加德納(Howard Gardner)教授稱贊道： “這可能是本世紀重要、著名的一篇碩士論文。”3.1.2從繼電器到晶體管有了繼電器和數字電路的理論，人類就開始嘗試發明用電驅動的自動計算機。霍華德·艾肯(Howard Aiken)領導了哈佛大學的一個團隊，在IBM公司的資助下，於1944年建成了稱為“馬克Ⅰ”(ASCC Mark Ⅰ)的自動順序控制

與bug相對應，人們將發現bug並加以糾正的過程叫作debug(中文稱作“調試”)，意即“捉蟲子”或“殺蟲子”。
ENIAC的全稱是Electronic Numerical Integrator And Calculator(電子數字積分器與計算機)，很多文獻聲稱它是臺電子計算機，其實它是第二臺。世界上臺電子計算機應該是阿塔納索夫貝瑞計算機(AtanasoffBerry Computer, ABC)。計算機。由於“馬克Ⅰ”大量地使用了繼電器作為其核心部件，我們將之歸為電動機械計算機，以區別於真正的電子計算機。從實用上講，繼電器並不是制造計算機的理想器件。因為它是機械的，工作時需彎曲一個金屬簧片，如果超負荷工作，簧片就會折斷，如果有一小片污垢或紙片粘在觸點之間，繼電器也會失效。一個著名的事件發生在1947年，正在運行中的“馬克Ⅱ”(Mark Ⅱ)計算機出了故障，終發現是因為一隻蛾子飛入了一個繼電器裡面，導致該繼電器失效。小組成員格蕾絲·赫柏(Grace Hopper)用膠條把這隻蛾子貼到了計算機日志中，並記錄道“這是發現的隻蟲子(This is the first actual bug found)。”從此，用“bug”來表示“一個在計算機程序裡的錯誤”成為計算機領域裡的一個習慣說法。圖3.6展示的是改良過的繼電器，它們已經被很好地封裝了起來，以避免灰塵等物體的干擾。電子管(也叫真空管，vacuum tube)是一種可以替代繼件，如圖3.7所示，它是由約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)和李·德·弗雷斯特(Lee de Forest)在進行無線電通信連接研究時開發出來的，一開始就被廣泛應用於放大電話信號。電子管同樣可以實現開關電路的自動控制，這一點很像繼電器，但它改變狀態(開關閉合或斷開)的速度是繼電器的1000倍——每10-6s(即1μs)就可以跳變一次。圖3.6繼電器示例圖3.7電子管示例

到了20世紀40年代，人們已經開始嘗試用電子管來替換繼電器，從而將計算機“電子化”。其中著名的一臺計算機就是ENIAC，它是賓夕法尼亞大學的約翰·莫奇利(John Mauchly)博士和他的學生普萊斯佩·埃克特(Presper Eckert)受美國陸軍之托而設計的。ENIAC的建造在1945年底基本完成，它使用了接近18 000個真空管，每秒執行5000次加法運算或400次乘法運算，是繼電器計算機的1000倍，是手工計算的20萬倍。電子管的使用讓計算機真正進入了電子時代，並極大提升了其計算效率。然而，真空管同樣存在自身的問題，且不說價格昂貴、耗電量大、預熱時間長以及產生的熱量太多，更麻煩的問題在於電子管容易被燒毀，也就是它的壽命較短。那個年代，有收音機的人習慣於定期更換電子管，電話繫統也設計成有許多冗餘的電子管(這樣一來，燒掉一些電子管一個電子管收音機一般使用五六個電子管，這些電子管的輸出功率加在一起隻有1W左右，卻要耗電40～50W，其他電能都轉化成熱能浪費了。打開電源開關，要等待一兩分鐘，基於電子管的電器纔能工作。
硅是極為常見素，以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在於岩石、沙礫、塵土中。硅在宇宙中的儲量排在第八位。在地殼中，它是第二素，占地殼總質量的26.4%，僅次於氧(49.4%)。還能運轉)。然而計算機擁有數量巨大的真空管，按照統計學來分析，每隔幾分鐘就會燒壞一個，不僅造成了計算機的短命，而且機器的維護需要耗費大量的人力、物力和時間。計算機的普及需要一種比電子管更加便宜、耐用又省電器件。而1947年，貝爾實驗室的一項發明——晶體管終於解決了這個問題，它的發明者是威廉·肖克利(William Bradford Shockley)、約翰·巴丁(John Bardeen)和沃爾特·布拉頓(Walter Houser Brattain)。晶體管被人們稱為20世紀重要的發明之一，它的3位發明者也共同獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。20世紀六七十年代，半導體收音機是許多中國家庭的主要信息設備，它的名字的由來就是因為其中的晶體管是用半導體材素以及一些化合物)制成的。半導體可以摻入一些雜質，即與某些雜質組合，一種類型的雜質稱作N型(N表示negative)半導體，另一種類型的雜質被稱作P型(P表示positive)半導體。如圖3.8所示，把一個P型半導體夾在兩個N型半導體之間，可以使之成為一個放大器。這就是著名的NPN晶體管，其3部分分別為集電極、基極和發射極。在基極施加微小的電壓，就可以控制非常大的電壓從集電極到發射極，如果在基極沒有施加電壓，那麼晶體管將不起作用。如圖3.9所示，晶體管通常封裝在直徑為1/4in(6.35mm)的小金屬罐中，並伸出3根金屬線。可以說，晶體管開創了固態電子器件的時代，即不再需要真空，而是使用固體制造，尤其是使用當今為常素來制造。晶體管的體積比電子管更小，需要的電量更少，產生的熱量更少，而且持久耐用。圖3.8NPN晶體管原理示意圖圖3.9晶體管示例

使用繼電器構造數字電路以及其他部件的方法對晶體管同樣有效。事實上，繼電器、電子管和晶體管初都是為了開發放大器設計的，但它們先後都被用到了數字電路中，並成為計算機的重要組成部件，這不得不說是“無心插柳柳成蔭”。3.1.3集成出來的奇跡為了把更多的晶體管、導線及其他器件高效地連接起來，德州儀器公司的傑克·基爾比(Jack Kilby)和仙童半導體公司的羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)分別獨立設計出了集成電路。在集成電路中件在結構上已組成一個整體，件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。為了對“集成電路”有更加形像的認識，我們就打個比方吧：過去的晶體管、導線及其他器件可以看成鄉村裡面獨立的一間間平房、一條條通路和其他配套設施，現在的集成電路相當於整個一座樓房，它把成百上千的、消防通道、排污設施等集成到了一起，也許整體占地隻有百十平方米，卻具有了原來占地上萬平方米的居住區的功能！在生活中，常常把集成電路稱作微電路、微芯片或者芯片。一個紐扣大小的集成電路芯片內部很可能就集成了成千上萬個晶體管，雖然生產工序復雜，研發費用較高，但其收益來源於規模經濟效益——生產得越多，就越便宜。集成電路本身是比較輕薄易碎的，所以必須被安全地封裝起來，這樣不僅可以起到保護作用，還可以為芯片之間的連接提供便利。如圖3.10所示，左圖的這些芯片每個都有多個管腳，可以插入右圖的面包板集成電路(Integrated Circuit，IC)采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構。
晶體管行業(半導體行業)堪稱人類歷高產的行業。2002年，人類生產的晶體管數量大概是大米顆粒的40倍，買1粒米的錢可以購買100個晶體管；2009年，晶體管的產量上升到大米顆粒的2500倍，買1粒米的錢可以購買10萬個晶體管。中，通過導線組合成更加復雜的電子器件。圖3.10芯片(左)和面包板(右)示例集成電路的發展大體經過了以下幾個階段(根據集成度高低的不同)：小規模集成電路(Small Scale Integrated Circuits，SSIC)、中規模集成電路(Medium Scale Integrated Circuits，MSIC)、大規模集成電路(Large Scale Integrated Circuits，LSIC)、超大規模集成電路(Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC)、特大規模集成電路(Ultra Large Scale Integrated Circuits，ULSIC)和極大規模集成電路(Giga Scale Integration Circuits，GSIC)。從一開始幾個晶的集成，到後來千萬個晶體管彙集到一個小小的芯片上，這種發展速度遠遠超出了我們一般人的想像。現實中，總是有牛人能夠在事情發生之前就給出比較準確的預言，能夠在其他人無所適從的時候果斷指出正確的方向。顯然，英特爾公司的創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)博士就是這類先知先覺的人。早在1965年，他就發現從1959年以後的集成電路發展有這樣一種趨勢：同一面積芯片上可容納的晶體管數量一到兩年將增加一倍1965年4月19日，《電子學雜志》(Electronics Magazine)發表了摩爾的文章《讓集成電路填滿更多的組件》，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍。1975年，摩爾在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，改為“每兩年增加一倍”。普遍流行的說法是“每18個月增加一倍”，但摩爾否認他曾經這麼說過。
需要注意的是，縱坐標從2300到10 000再到100 000，其實不成比例，如果嚴格按比例作圖，這將是一條非常陡峭的曲線，頁面將無法容納。。如圖3.11所示，縱坐標為晶體管數量，橫坐標為年份。該曲線表明，在1971—2011年，大概每兩年相同面積的中央處理器集成電路上的晶體管數量就增加一倍。後來，大家又把這個周期調整為18個月，這也意味著每18個月IT產品的性能會翻一番，或者說相同性能的IT產品每18個月價錢會降低一半。圖3.111971—2011年中央處理器上的晶體管數量(來源：維基百科)摩爾定律(Moores Law)發展到今天，一根頭發尖大小的地方就能放上萬個晶體管。在2010年前後，一部手提電腦大概有400億個晶體管，一部智能手機約有10億個晶體管。當然，晶體管不可能無限縮小，所以十幾年來，業界一直圍繞著以下問題展開激烈討論：摩爾定律所揭示的現像還會不會持續？如果會，又能持續多久？2003年，摩爾也被問到了這些問題，他的回答是： “創新無止境，下一個10年摩爾定律可能還將有效。”事實證明，摩爾是對的。2011年，英特爾公司宣布發明了22nm的3D(三維)晶體管，這使爭論暫時畫上了句號。此前的晶體管為31nm，22nm的晶體管小了大約29％。隨後，出現的下一代晶體管是14nm的尺寸，這又比22nm縮小了36％。主導IT行業發展的摩爾定律摩爾定律已經成為描述一切呈指數級增長的事物的代名詞，它給人類社會帶來的影響非常深遠。在IT產業中，無論是晶體管數量、計算速度、網絡速度、存儲容量還是相應的價格，都遵循著摩爾定律。世界經濟的前五大行業，即金融、IT、醫療制藥、能源和日用消費品，隻有IT一個行業可以以持續翻番的速度連續翻番的事情一旦發生是很可怕的。我們知道古代印度那個在棋盤上放入麥粒的故事，隻要後一個格子裡的麥粒比前一個翻一番，僅僅幾十次，數量就增長了萬億倍甚至更多。進步。一方面，摩爾定律使得硬件價格大幅下降，功能日益強大，設備體積越來越小。原來“高大上”的產品，如激光打印機、服務器、智能手機，已經逐漸從科研機構、大型企業進入了普通家庭。另一方面，摩爾定律也為信息產業的發展節奏設定了基本步調——如果一個IT企業今天和18個月前賣掉同樣多的相同產品，它的營業額就要降一半(同樣的勞動，隻得到以前一半的收入)。所以，各個公司的研發必須針對多年後的市場進行技術創新，還必須在較短時間內開發出下一代產品，追趕上摩爾定律規定的更新速度。3.2理論指導實踐從電動機械計算機(繼電器開關計算機)到電子計算機絕不器件的改變，而是在計算理論和信息技術上的一次飛躍，這就如同和機槍火炮之間的區別。以ENIAC為代表的批電子計算機之所以能成為計算機發展史上的裡程碑，是因為它們的設計不是隻根據以往的實踐經驗，而是有明確的基礎理論做指導。這個理論主要來自英國數學家阿蘭·麥席森·圖靈(Alan Mathison Turing)的“圖靈機”(Turing Machine)模型。在ENIAC制造進程過半的時候，另外一位科學家約翰·馮·諾依曼(John von Neumann)也加入進來，他又為現代通用計算機的繫統結構奠定了扎實的理論基礎。3.2.1抽像的模型圖靈是一位天纔，在短暫的42年生涯中，他成就非凡。在數學家眼裡，他解決了困擾數學界30年之久的希爾伯特“可計算性與判定問題”；在密碼學家和歷史學家眼裡，他破譯了納粹德軍的密碼，從而縮短了第二次世界大戰的苦難歷程對圖靈的生平有興趣的讀者可以欣賞一下電影《模仿遊戲》(The Imitation Game)，這部影片根據安德魯·霍奇斯所寫的傳記《阿蘭·圖靈傳》改編而成，獲得了2015年第87屆奧斯卡金像獎改編劇本獎，以及包括影片、導演、男主角、女配角在內的7項提名。

1936年，圖靈向倫敦權威的數學雜志投了一篇論文，題為《論數字計算在決斷難題中的應用》。在這篇開創性的論文中，圖靈給“可計算性”下了一個嚴格的數學定義，並提出著名的“圖靈機”的設想。

；在工程師眼裡，他開啟了數字時代和人工智能；在生物學家眼裡，他對形態發生學做出了貢獻；物理學家則銘記他在非線性力學方面的發現；哲學家也反復思考他關於理性與直覺邊界的俏皮話： “如果希望機器萬無一失，那麼它不能同時智能化。”2012年被宣布為“圖靈年”，全世界約50個國家和組織舉行了各式活動紀念圖靈，英國甚至為他發行了特別版郵票。6月23日，當百度首頁顯示端午賽龍舟動畫之際，谷歌(Google)首頁的塗鴉顯示的則是一條被分成很多小格的紙帶，用戶可以用鼠標操作模擬修改格子裡的數值0和1，如圖3.12所示。如果不是右上角的標注“阿蘭·圖靈誕辰一百周年”，很多人都不知道這紀念的是什麼。圖3.12谷歌首頁的“圖靈機”塗鴉谷歌在其首頁顯示的便是圖靈提出的抽像計算模型——圖靈機。正因為這個偉大的創意，圖靈被譽為“計算機科學之父”。圖靈仔細思考了人類用紙筆進行數學運算的過程，並把這樣的過程做了抽像，歸結為兩種簡單的動作： (1) 在紙上寫上或擦除某個符號。(2) 把注意力從紙上的一個位置移動到另一個位置。而在每個階段，人要決定下一步的動作時，要依賴於兩點： (1) 此人當前所關注的紙上的某個位置的符號。(2) 此人當前思維的狀態。為了進一步模擬人的這種運算過程，圖靈構造出了一臺假想的機器——圖靈機，該機器由以下4個部分組成： (1) 一條無限長的紙帶。就像圖3.12中 Google標志的下方一樣，紙帶被劃分為一個接一個的小格子。紙帶上的格子從左到右依次被編號為0，1，2，…，右端無限延伸，這和人計算數學題用的紙張類似。(2) 一個讀寫頭。就像圖3.12中套住紙帶上後一個0的框(可以想像成鉛筆)，它可以在紙帶上左右移動，停在哪裡就可以讀出當前所指的格子上的符號，也可以改變當前格子上的符號(相當於人算題時的讀寫動作)。(3) 一個控制規則表。圖靈機根據當前機器所處的狀態和讀寫頭所指的格子上的符號，在查表後，就知道下一步該做什麼。當然，按照表上的規則操作之後，圖靈機就進入一個新的狀態。這張表就相當於老師教的計算方法或者算盤的撥打口訣。(4) 一個狀態寄存器。用來記錄圖靈機當前所處的狀態，寄存器裡的內容相當於人算題時的中間結果。圖靈認為這臺理想的設備能夠模擬人類所能進行的任何計算過程。事實上，在二戰期間對抗德國著名密碼繫統Enigma(恩尼格瑪)的過程中，圖靈機就巧妙地模擬出了原本非常復雜的計算方法，從理論上指導了密碼分析的實體機Bombe(炸彈)由於在破解德國密碼繫統過程中的傑出貢獻，圖靈於1946年獲得不列顛帝國勛章，詳見第7章的擴展閱讀——“一代名機”Enigma。的建造。總之，圖靈機並不是某一款具體的機器，而是對計算機的一種數學描述。它對計算機能做什麼進行了界定，並提出了如何自動計算的一套理論。為了說清楚這一點，吳軍博士用汽車來打比方，非常形像：雖然在街上跑的汽車多種多樣，但是它們都有一些共性，例如能在陸地上移動，不需要人或牲畜作動力，能夠運載人或貨物，能夠轉彎、啟動和停止。於是，我們把滿足這些條件的交通工具都概括成一種虛擬的汽車，如叫“約翰汽車”，以後發明的實體汽車都是在“約翰汽車”的理論指導和約束之下實現的。從這個角度來講，圖靈機也就是這樣一個虛擬的計算機。圖靈獎圖靈獎是美國計算機協會(ACM)於1966年設立的，專門獎勵對計算機科學研究與推動計算機技術發展有卓越貢獻的傑出科學家。圖靈獎是計算機界負盛名的獎項，有“計算機界諾貝爾獎”之稱。獎金通常由計算機界的一些大企業提供(通過與ACM簽訂協議)，目前由英特爾公司和谷歌公司贊助，數額高達10。圖靈獎對獲獎者的要求極高，評獎程序也極嚴，一般每年隻獎勵一名計算機科學家，隻有極少數年度有兩名以上在同一姚期智(Andrew ChiChih Yao)，祖籍湖北省孝感市孝昌縣，世界著名計算機學家，中國科學院院士，美國科學院院士，美國科學與藝術學院院士，清華大學高等研究中心教授，香港中文大學博文講座教授。方向上做出貢獻的科學家同時獲獎。每年，美國計算機協會將要求提名人推薦本年度的圖靈獎候選人，並附加一份200～500字的文章，說明被提名者為什麼應獲此獎。美國計算機協會組織評選委員會對被提名者進行嚴格的評審，並終確定當年的獲獎者。雖然任何人都可以成為候選人，但美國學者的獲獎數量依然高居榜首。迄今為止，獲此殊榮的華人僅有一位，他是2000年圖靈獎得主姚期智。3.2.2繫統的結構根據圖靈機理論的指導並采用電子管搭建的ENIAC，一經投入使用，就極大地加快了美國氫彈研制的步伐。不過，因為ENIAC是美國陸軍彈道設計局定制的任務——計算火炮的彈道，所以它是一個專用的計算機，隻能計算這一類問題，並不能像今天的計算機一樣完成各種不同的任務。莫奇1944年，正在洛斯阿拉莫斯實驗室研制氫彈的馮·諾依曼聽說莫奇利和埃克特正在研制計算機，馮·諾依曼自己也需要解決大量計算的問題，於是他就加入了這個研究團隊。利和埃克特在研發過程中意識到了這一點，而且由於ENIAC本身有一些設計缺陷，他們想盡快著手研制另一臺計算機，以便改進。有著同樣想法的還有一個人，那就是在ENIAC項目啟動一年後參與進來的科學家馮·諾依曼。1945年，他們在共同討論的基礎上，提出了一種全新的設計方案——EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer，電子離散變量自動計算機)，基本上解決了計算機通用性的問題。在此過程中，馮·諾依曼顯示出他雄厚的理論基礎，充分發揮了他的顧問作用以及探索問題和綜合分析的能力。所以，這個方案一般被稱為“馮·諾依曼繫統結構”。闡述EDVAC設計方案的報告First Draft of a Report on the EDVAC長達101頁，即計算機史上著名的“101頁報告”。它的核心思想有兩點：一是采用二進制編碼，以充分發揮電子器件的工作特點，使結構緊湊且更通用化；二是存儲程序的概念，程序也被當作數據存進了機器內部，以便計算機能自動一條接著一條地依次執行指令，再也不必去接通什麼線路。針對第二點的具體實現，報告還明確指出了新型計算機由5部分組成，即運算器、控制器(邏輯控制裝置)、存儲器、輸入設備和輸出設備，並描述了這5部分的邏輯關繫，如圖3.13所示。圖3.13馮·諾依曼繫統結構(用實線和虛線區分數據流和控制流)如果將圖靈機看作一種對計算機的抽像描述，那麼馮·諾依曼繫統結構就是對這種抽像描述的一種可行而有效的設計方案。還是以汽車作例子吧，前面提到的“約翰汽車”隻是從理論上說明了汽車的功能、特性和限制，並沒有告訴我們怎樣纔能做出來一輛真實的汽車。我們需要有人(假設名叫戴維)給出汽車的各個組成部分，比如，汽車有3個以上輪子，有發動機，有方向盤，有座椅，有剎車裝置，等等。這個“戴維繫統結構”就是“約翰汽車”的一種具體可實現的設計。可以說，今天主流的計算機，無論大小快慢，都是采用馮·諾依曼繫統結構來實現一個圖靈機，所以也稱馮·諾依曼機。也正是從馮·諾依曼繫統結構開始，計算機科學也慢慢地演變為硬件(計算機本身)和軟件(控制計算機的程序)兩部分。為了表彰馮·諾依曼對計算機的傑出貢獻，人們稱這位美籍匈牙利裔科學家為“現代計算機之父”。值得阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)，猶太裔物理學家。他創立了相對論，並對量子論的發展做出了重要貢獻，被公認為是繼牛頓以來偉大的物理學家。一提的是，馮·諾依曼被認為是20世紀和阿爾伯特·愛因斯坦齊名的天纔(據說他的心算速度從來不輸於使用機械計算機的同事們)。和圖靈一樣，除了計算機，他在其他七八個領域都對世界做出了巨大的貢獻：發明博弈論，發明線性規劃，建立數理統計的理論基礎，完善測度理論、格理論和集合論，提出量子邏輯和量子機，提出馮·諾依曼代數，發明連續幾何學，擔任美國原子能計劃及氫彈工程的主要負責人……誰的發明將某項發明的榮譽授予個人總是備受爭議。人們將白熾燈的發明歸功於托馬斯·愛迪生，但是其他研究者也曾研制了類似的燈泡，從某種意義上說，愛迪生隻是比較幸運地獲得了專利。人們認為是萊特兄弟發明了飛機，但他們曾與其他人競爭並受益於其他人的研究，在某種程度上，他們又被達·芬奇搶先了，這位全纔早在15世紀就有了玩玩飛行機器的想法，不過達·芬奇的設計看起來也是借鋻前人的思想。當然，對於這些發明，被認定的發明人的傑出貢獻基本上是毋庸置疑的。但對於一些情況看，歷史上的榮譽授予似乎值得商榷，例如馮·諾依曼繫統結構。畢竟，闡述EDVAC設計方案的報告First Draft of a Report on the EDVAC是由馮·諾依曼、莫奇利和埃克特共同起草的，後兩人很可能在實踐中更早地提出了存儲程序概念。不過，當他們將報告提交給軍方時，負責人隨手寫上了馮·諾依曼的名字。之後的1946年，馮·諾依曼為普林斯頓大學高級研究所研制IAS計算機時，在EDVAC方案的基礎上又提出了一個更加完善的設計報告《電子計算機邏輯設計初探》。這兩份既有理論又有具體設計的文件在全世界掀起了一股“計算機熱”，因此計算機界選擇了馮·諾依曼作為這種現代計算機體繫結構的發明人。隨著集成電路的發展和實際應用的需要，人們在馮·諾依曼繫統結構上做了一些局部調整和擴展，這在個人計算機上尤其明顯(如圖3.14所示)：圖3.14改進的計算機繫統結構圖(1) 把運算器、控制器以內存和磁盤為例，兩者的隨機訪問速度相差 1 000 000倍，但如果是順序訪問的話大約為7倍(數據來源：谷歌工程師Jeff Dean 關於分布式繫統的PPT文檔)。
這裡采用的是“計算機組成原理”課程的經典說法。還有一種觀點是： I/O設備主要歸入外部設備，其他所有放置於主板上的計算機硬件構成了“主機”。和寄存器、時鐘集成並封裝起來，構成了中央處理器(Central Processing Unit，CPU)。一個CPU內部會有20～100個寄存器，負責存放CPU正在操控的數據。它們的速度比普通存儲器要快得多，和運算器在一個級別上。時鐘負責發出CPU開始計時的時鐘信號。(2) 存儲器被分成了主存儲器(main memory，也稱內存儲器)和海量存儲器(mass storage，也稱外存儲器)。兩者的數據讀寫速度相差很大，情況下前者是後者的上百萬倍。海量存儲器中的數據必須加載到主存儲器中，纔能夠被CPU訪問。(3) CPU、主存儲器、外存儲器、輸入設備和輸出設備都安裝在計算機主電路板上(motherboard，又稱主板)，它們之間通過總線(bus)進行數據傳輸。如果把主板比作一座城市，那麼CPU等部件就是核心建築，總線就像是城市裡的公共汽車。(4) 我們把輸入設備和輸出設備合稱輸入輸出設備(Input/Output Device，簡稱I/O設備)。I/O設備和外存儲器都歸類於外部設備(簡稱“外設”)，而CPU和主存儲器構成了主機。3.3應用無處不在早期計算機的研制都是國家行為，可以說是不計成本的，雖然也有私人企業參與部分項目，但沒有經營風險(資金由國家撥給，責任由國家承擔)。例如，ENIAC僅僅硬件成本就高達5，如果考慮當時的購買力，相當於現在的幾，這還沒有考慮到莫奇利和埃克特研究團隊的薪水。造價如此昂貴的設備，也隻能給財大氣粗且優先級高的國防項目使用，普通人肯定是無法觸及的。回顧二戰前後，類似這種靠國家大量投入、政府牽頭的科技成果還有很多，例如航天技術、雷達技術、磁懸浮技術等。長期以來，它們大都依靠政府的扶持，遠離民用，對整個社會的經濟生活影響不大。顯然，計算機的發展不是這樣，它從20世紀50年代開始，就逐步減少了對政府支持的依賴，按照市場規律飛速發展，成為對人類文明影響的發明之一。3.3.1超越科學計算1946年2月14日，ENAIC正式運行成功，它的建造者莫奇利和埃克特顯然看到了這種神奇機器的商機，於是想把它商業化。不過，賓夕法尼亞大學認為ENIAC屬於職務發明，要求兩人立即把ENIAC專利交還給大學。雙方鬧翻了，莫奇利和埃克特一氣之下向校方遞交了辭呈。1947年，他們成立了世界上家計算機公司——埃克特莫奇利公司(EckertMauchly Computer Corporation)，莫奇利任董事長，埃克特擔任副董事長兼技術總監。該公司研制出了兩臺產品：一臺是供美國統計局和軍方定制的計算機UNIVAC(圖3.15技術人員在操作UNIVAC起初叫EDVAC Ⅱ)，如圖3.15所示；另一臺是一家飛機制造公司訂購的相同類型的計算機BINAC(二進制自動計算機)。或許過去做慣了科研攻關項目，從不考慮錢的問題，這兩臺機器的預算費用與實際花銷之間出現了巨大差額——虧損竟高達20！莫奇利和埃克特實在支撐不下去，他們的公司不得不宣告破產，UNIVAC的產品線幾經轉優利公司至今依然是電腦業界著名廠商，以大型主機、服務器制造和繫統集成為主要業務。在因特網Unisys主頁上，該公司仍自豪地將莫奇利埃克特電腦公司列在自己的歷史之中，以此充當絕妙的廣告詞。手後成了優利(Unisys)公司的一部分。從世界上家計算機公司的經歷可以看出：創業並非易事，不是有了好的創意和技術就一定能夠成功的，還需要有足夠的商業頭腦和管理經驗，以及同時處理各項雜事的並行能力，這些往往是剛從科研院所和大學校園出來的科技人員為欠缺的。鋻於此，硅谷的創投公司都會聚集一些有經驗的創業者、法律財務專家和管理層的資深人士，對旗下的小公司進行全方位的輔導，以保證新生企業的成活率和回報率。現在，國內外的產業孵化園、創新工場等平臺都對早期創業者需求的資金、商業、技術、市場、人力、法律、培訓等提供一攬子服務，幫助創業公司順利啟動和快速成長。這樣，創業者們隻要做好兩件事即可：一是想出真正創新的點子，並擁有過硬的技術；二是以快的速度實現它。顯然，在莫奇利和埃克特所處的時代，創業大環境並沒有這麼優越。但作為科學家和工程師的榜樣，莫奇利和埃克特個“喫螃蟹”的膽略依然激勵著IT業界的後來者。從商業思維的角度看，埃克特莫奇利公司的失敗有其必然性——它的產品隻是用來計算而已，並沒有開展日常辦公和商業活動方面的業務。於是，歷史的使命就落到了另外一個公司——IBM公司(International Business Machines Corporation，國際商業機器公司)的身上。由於當時計算機商業化水平不高，美國軍方和政府部門要使用計算機都得自己定制，這樣既費時間又費錢，所以就產生了這樣一種需求——由一家公司來研制和生產大家都用得起的計算機。IBM公司恰恰抓住了這個機會，趕上了這一波浪潮。1954年，IBM公司為空軍研發了一種項目代號為SAGESAGE的全稱是SemiAutomatic Ground Environment，意思是“半自動地面環境”。的計算機(圖3.16)，用於整個北美地區的防空指揮。這場投入了全公司20%人力的豪賭為IBM公司帶來了豐厚的回報——10，這不僅占了當時IBM公司計算機銷售額的80%，而且幫助IBM公司確立了在計算機行業的霸主地位。SAGE是真正意義的商品，軟硬件設備齊全，一般的操作人員經過學習和培訓後就可以使用，而且用途也從單純的科學計算擴展到了軍事指揮。可以說，SAGE的出現是計算機走向商業應用的關鍵一步。圖3.16IBM公司為北美防空繫統研發的SAGE繫統IBM公司的成功絕不是僅僅建立在抓住歷史機遇這一點上，更重要的是它發明了以服務為核心的IT商業模式。在20世紀60年代，各行各業剛剛接觸到計算機這種先進設備，對它既不熟悉，也不大會使用。於是IBM公司每進入一個新的行業，就先和行業裡比較大的公司合作開發行業軟件，然後再向全行業推廣。為了確保這些客戶能把計算機和軟件用好，IBM公司會提供技術支持和維護服務(派人去客戶那裡)，每年向客戶收取一些服務費。在IBM公司的“輔導”下，計算機被推廣到了一個又一個行業中： 1959年進入銀行業，1963年進入汽車工業，1964年進入航空業……信息技術，尤其是計算機的出現，讓商業競爭進入全方位、白熱化的階段。在20世紀六七十年代的表現就是，當一個行業中有一家企業開始使用計算機後，其他企業為了競爭就不得不跟進。例如，1964年，美國航空公司率先采用IBM公司研制的計算機訂票繫統，成為全球首家計算機化的航空公司。在該繫統運行初期，一些人還擔心這會增加運營成本，但一年後就再沒有人提出類似問題了。所有航空公司都不得不采用計算機訂票，如果不這麼做，它們將無法和美國航空公司競爭人工訂票的流程是：各地訂票員接到客戶電話後，給客戶預留一段時間，然後在航班的座位表上填寫客戶的信息，各個訂票點之間再頻繁地通過電話同步。這種方法很不方便，無法及時處理衝突。采用計算機訂票繫統後，各個訂票點都通過電話線連接到IBM的大型計算機上，由計算機統一處理，延遲和衝突的問題就得到了根本解決。。計算機不僅優化了航空公司的售票業務，還及時地為航空公司和旅客提供世界各地機場和航班的信息，這些是以往人工訂票業務無法比擬的。就這樣，電子計算機大約用了30年時間完成了一繫列轉變：從軍用到商用，從不計成本的科研定制到企業學校都能購置，從隻有專家纔會經常使用的計算儀器到一般工作人員都能操作的辦公設備。在這個過程中，科學家和工程師的貢獻不容置疑，但以IBM公司為代表的企業也功不可沒。從這裡我們可以看到，技術和商業一旦成功結合起來，對人類社會將會產生多麼巨大的影響。3.3.2走進千家萬戶20世紀六七十年代的商用計算機價格不菲。且不說IBM公司的商用高端機，就算是DEC和惠普制造的低端機，售價動輒以十萬計，這顯然不是

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