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获取《编码：隐匿在计算机软硬

件背后的语言》超详细思维导图

「储存器（storage）和内存（memory）有什么区别？」

「为什么 MacOS 环境下的程序不能在 Windows 下运行？」

……

Windows 编程界的传奇人物 Charles Petzold 说，当他想要回答这些问题时，他一张开嘴就立刻意识到，可以回答的内容实在太多了，为了把这些问题掰开揉碎讲清楚，他写下**《编码：隐匿在计算机软硬件背后的语言》**这本经典。

1994 年，Petzold 被授予 Windows 先锋奖，他的著作 Programming Windows 是学习微软编程的必读之作，而这本讲述计算机工作体系的书籍，更是堪称现代魔法原理指南。

在这本书中，Petzold 不断提出难题并带领读者解决问题。

如果你是计算机科班出身，重读基本原理、了解计算机发展脉络，正本清源，开卷有益；如果你是计算机小白，你可以跟着作者的步伐搭积木，把导线、灯泡、开关、逻辑门等部件组装起来，经过层层抽象后，你将会用逻辑思维构建一个完整的 CPU ！

你将从这本书中获得：

• 了解计算机发展整体历史脉络

• 自底向上理解 CPU 工作原理

• 学会层层抽象的思维方式，将已经发明的工具封装抽象起来，向上构建体系

从布莱叶盲文到二进制编码

编码是如何产生的、什么要使用编码？这是这本书探讨的主要问题。

小编认为最精彩的部分，是在讲解摩斯电码之后，作者进一步介绍盲文的诞生：

霍伊先生视力健全，因此他被自身的感知模式所禁锢。对他来说，一个字母 A 就是一个 A，字母 A 在记录时必须看起来（或者）感觉起来像一个 A。霍伊先生没有意识到，有一种完全不同于印刷字母的文字系统可能更适合盲人阅读。

法国军队的一位军官在 1819 年发明了一种他自称为「夜间书写」的文字系统。他在厚纸上使用凸起的点和划的组合来表示文字，这样当部队需要无声交流时，即使光线很暗，士兵们也可以通过这些符号互相传递信息。

……一个盲人学生如果有了纸张和笔，他就可以做笔记，同时还能阅读记下的文字。12 岁的盲人小孩布莱叶开始不辞辛劳地改进这个文字系统……

在布莱叶盲文中，字母、数字、标点等符号都被编码为 2 x 3 的点码单元中的一个或多个凸起的点，如上图左上角所示。

你或许敏锐地察觉到了布莱叶盲文与二进制的关联：一个单独的点，不是凸起来的，就是平的，只有两种可能性！因此，6 个可平可凸的的点就有 2^6 = 64 种组合方式。因此，布莱叶盲文系统可以表示 64 种符号，上图就是基本的小写字母表。

布莱叶盲文系统对我们理解编码，有哪些帮助？

二进制的思想，从本质上就是可能性的遍历，每个点只有平/凸两种可能，这为我们进一步理解计算机二进制打下基础。

编码就是交流：部队想在夜间秘密交流，盲人渴望书写和记录……对交流的渴望是人类不竭的生产力源泉。

自动操作

「自动操作」是这本书的精华部分，第 1- 16 章对于二进制、加法器、寄存器等内容的讲解，都是为了自动操作做铺垫。让我们跟着作者的思路，用纯逻辑构建一个 CPU 吧！

如果想计算多个数相加的结果，用 1 个 8 位加法器 + 1 个 8 位锁存器就可以完成，但是有两个缺陷：

• 8 个灯泡无法显示结果大于 255 的数

• 如果加数很多，输入的过程中一旦输入错误，则需重新输入

为了第二个解决问题，我们可以连接 64KB 的 RAM 阵列，把输入的数先保存到 RAM 中，每次输入都会通过计数器在 RAM 中寻址后保存，这样等全部输入完成后，就可以等待加法器依次相加得出结果。

如果想计算 50 对数相加，产生 50 个结果，然后保存到 RAM 中，并且可以任意读取这 50 个结果，应该怎么办？

改造电路，使锁存器的输出连接到 RAM 的输入端，也就是说把计算后的结果写回到 RAM 阵列中保存。如下图所示：

下一个问题是，如何配置一个自动加法器，使它不仅可以对一组数字做累加运算，还能自主确定累加了多少数字，并且能记住在 RAM 中存放了多少个计算结果？

总体而言，我们希望 8 位锁存器能做这四件事：

• 把一个字节从储存器加载到累加器（Load）

• 把储存器中的一个字节加到累加器中（Add）

• 把累加器的计算结果存放到储存器中（Store）

• 可以停止（Halt）

为了解决上述问题，需要引入另一个 RAM，来保存 Load、Add、Store、Halt 操作码。也就是说，电路中有两个 RAM 共同工作，RAM1 保存了数据，RAM2 保存代码指令。同时，要想达到 8 位锁存器 Load 指令的效果，需改造电路，8 位加法器的输出与一个 2-1 选择器连接，2-1 选择器连接 RAM2 和 8 位锁存器，这样锁存器就可以实现从 RAM2 中执行 Load 指令。

为了解决结果不能大于 255 的问题，我们可以把加数拆分，分别计算高字节和低字节的和，然后合并就可以得到结果。

低字节加法计算后可能需要进位，这个进位需要与高字节累加才是正确结果，解决方法是：引入进位锁存器和进位加法的指令，专门保存进位的值，然后再和高字节累加计算。

目前，这个电路可以计算 8 位数的加法运算，以及 16、24、32 及以上位数的加减运算。虽然可以完成计算的基本功能，但是还不够完美，因为现在的电路使用地址空间是要非常小心的，如果不注意，就会发生地址被覆盖的情况，导致执行错误。

为了解决这个问题，我们加入一个跳转指令，同时改造电路，使指令的后两个字节输出也可以输出到计数器，然后通过计数器来确定遇到跳转指令后，计数器输出需跳转的地址，完成跳转寻址。

如何完成两数相乘的运算？那么就可以使用跳转指令 + 跳转条件来配合完成。所以，我们需要再增加一个锁存器，叫做零锁存器，只有当加法器的输出全部为 0 时它的值才是 1。通过计数器和零锁存器的配合，就可以实现乘法运算。同理，实现除法、平方根、取对数、三角函数运算也都是可行的。

到这里，我们完成了一个计算机的核心功能，包括：处理器、存储器、输入设备、输出设备。这里的处理器即是 CPU，主要负责控制和逻辑运算。

尽管在高级语言编程中基本用不到汇编，但是理解计算机的底层逻辑对程序的优化有至关重要的作用。任何一个有追求的程序员，都应当对计算机的底层原理如数家珍。

从实验室走进寻常百姓家

到了 19 世纪末，科学和工程领域中的特定任务会用上计算设备，但公司、政府、家庭中很少见到计算设备。计算机如何一步步商业化的？

1880 年，美国政府按照宪法进行十年一次的人口普查。然而，当时美国人口迅速增长，如果按照传统的方法，要七年时间来手工编制，等做完都过时了，1890 年的人口普查甚至预计要 13 年才能完成。人口普查局找到了 Herman Hollerith，他发明了制表机，结合了人工操作和机械打表，结构类似莱布尼茨的乘法器，但用电动结构连接其他组件。操作人员把一个有 288 个弹簧针的板子压到每一个卡片上，每一根弹簧针对应卡片上的一个穿孔位置，如果有个地方打孔了，针会穿过孔与水银池里的水银接触，形成通路，这个电路出发电磁体就能进行十进制计数。

在 1890 年人口普查中，上图这样的半自动打表机总共处理了超过 6200 万张卡片，使人口普查在短短两年半内完成，也给人口普查办公室省了上百万美元。企业开始意识到，计算机可以提升劳动力并完成数据密集型的任务。Hollerith 后来成立了制表机器公司，后来与其它机械制造商合并成为了 「国际商业机器公司」，也就是大名鼎鼎的 IBM。

这种「商业机器」带来了更快、更灵活的数据处理，为电子计算机的发展奠定了深远基础。

从算盘到芯片，这本书不仅介绍了工具的演进，还把这些技术变革放进广袤的历史背景中进行叙述，让读者不禁感叹一位位技术天才的巧思。

而身处历史中的我们，也正在参与新一轮的技术革命。

《编码》整本书自底向上、一气呵成。无论是小白还是资深程序员，闲暇时读一读，正本清源，开卷有益。

积累代码量很重要，

读书、读好书也很重要。

「Zilliz 好书推荐」栏目，

旨在与你分享技术成长相关的书籍，

与你一起先把书读厚，再把书读薄。

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