计算机速成课Crash Course - 10. 早期的编程方式

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10. 早期的编程方式

前几集我们把重点放在计算机的原理，怎么从内存读写数据，执行操作，比如把两个数字加在一起，还简单讲了下指令的执行，也就是计算机程序。

但我们还没讲的是：程序如何"进入"计算机，你应该记得在第 7, 8 集，我们一步步讲了例子程序，当时为了简单，我们假设程序已经魔法般在内存里了，但事实是，程序需要加载进内存。

这不是魔法，是计算机科学！

给机器编程这个需求，早在计算机出现之前就有了。

最著名的例子来自纺织业，如果你只想织一块红色大桌布，可以直接放红线进织布机，但如果想要图案怎么办? 比如条纹或者方格。

工人要每隔一会调整一次织布机，因为非常消耗劳动力，所以图案纺织品很贵，特定位置有没有穿孔，决定了线是高是低，横线是从上/从下穿过，为了让每行图案不同，纸卡连成长条，形成连续指令。

听起来很耳熟？

很多人认为雅卡尔织布机是最早的编程，事实证明，穿孔纸卡便宜、可靠、也易懂。

近一个世纪后，穿孔纸卡用于 1890 年美国人口普查，我们在第一集提过，一张卡存一个人的信息，比如种族、婚姻状况、子女数量、出生国家等等。针对每个问题，人口普查工作者会在对应位置打孔，当卡片插入汇总机，孔会让对应总和值+1，可以插入整个国家人口的卡片，在结束后得到各个总值。

值得注意的是，早期汇总机不算计算机，因为它们只做一件事 - 汇总数据，操作是固定的，不能编程，穿孔纸卡存的是数据，不是程序。

之后60年，这些机器被加强，可以做减、乘、除，甚至可以做一些小决定，决定何时执行某指令，为了正确执行不同计算，程序员需要某种控制面板，面板有很多小插孔，程序员可以插电线，让机器的不同部分，互相传数据和信号，因此也叫 "插线板"。

不幸的是, 这意味着运行不同程序要重新接线，所以到 1920 年代，控制面板变成了可拔插，让编程更方便，可以给机器插入不同程序。

比如，一个插线板算销售税，另一个算工资单，但给插线板编程很复杂。图中乱成一团的线，负责算盈亏总额，用于IBM 402核算机，在 1940 年代这样做很流行，用插线板编程，不只在机电计算机流行。

世上第一台通用电子计算机，ENIAC，完成于 1946 年，用了一大堆插线板，程序在纸上设计好之后，给 ENIAC 连线，最多可能花三个星期，因为早期计算机非常昂贵，停机几个星期只为换程序完全无法接受，人们急需更快、更灵活的新方式来编程。

幸运的是，到 1940 年代晚期 1950 年代初，内存变得可行价格下降, 容量上升，与其把程序存在插线板，存在内存变得可行，这样程序易于修改、方便 CPU 快速读取，这类机器叫 "存储程序计算机"。如果内存足够，不仅可以存要运行的程序，还可以存程序需要的数据，包括程序运行时产生的新数据。

程序和数据都存在一个地方，叫 "冯诺依曼结构"，命名来自约翰·冯·诺依曼，杰出的数学家和物理学家，参与了曼哈顿计划和早期电子计算机项目。

他曾说：我在思考比炸弹重要得多的东西-计算机。

冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存（负责存数据和指令)，希望这听起来很耳熟。

因为第7集我们造了一个冯诺依曼计算机，第一台冯诺依曼架构的"储存程序计算机"，由曼彻斯特大学于 1948 年建造完成，绰号"宝宝"，甚至你现在看视频的计算机，也在用一样的架构。

虽然有内存很棒，但程序和数据，依然需要某种方式输入计算机，所以用穿孔纸卡

让我们进入 思维泡泡 --

到1980年代，几乎所有的计算机都有穿孔纸卡读取器，可以吸入一张卡片，把卡片内容写进内存，如果放了一叠卡片，读取器会一个个写进内存，一旦程序和数据写入完毕，电脑会开始执行，即便简单程序也有几百条指令，要用一叠纸卡来存。

如果不小心摔倒弄撒了，要花上几小时、几天、甚至几周来整理，有个小技巧是在卡片侧面画对角线，如果弄散了，整理起来会方便很多。

用纸卡的最大型程序是美国空军的 SAGE 防空系统，于 1955 年完成，据称顶峰时期雇佣了世上 20% 程序员，主控制程序用了 62500 张穿孔纸卡，等同于大约 5MB 的数据，以如今的标准，不值一提。

穿孔纸卡不仅可以往计算机放数据，还可以取出数据，程序运行到最后，结果可以输到纸卡上，方式嘛，当然是打孔，然后人可以分析结果，或者再次放进计算机，做进一步计算。

谢了 思维泡泡 --

穿孔纸卡的亲戚是纸带，基本是一回事，只不过更连续，不是一张张卡。当然我们还没提硬盘, 只读光盘, DVD, U盘等等，以后我们会讲这些更先进的存储方法。

最后，除了插线板和穿孔纸卡，在 1980 年代前，还有一种常见编程方式 - 面板编程。

与其插一堆线到插线板，可以用一大堆开关和按钮，做到一样的效果，面板上有指示灯，代表各种函数的状态和内存中的值，50和60年代的计算机，一般都有这样巨大的控制台，很少有人只用开关来输入一整个程序，但技术上是可行的。

早期针对计算机爱好者的家用计算机，大量使用了开关，因为大多数家庭用户负担不起昂贵的外围设备，比如穿孔纸卡读取器。

第一款取得商业成功的家用计算机是 Altair 8800有两种版本可以买:1. 预先装好的整机；2. 需要组装的组件。计算机爱好者喜欢买组件版，售价极低，在 1975 年卖 400 美元左右，相当于 2017 年的 2000 美元。

为了给 8800 编程，你要拨动面板上的开关，输入二进制操作码，然后按 "存储键" 把值存入内存，然后会到下一个内存位置，你可以再次拨开关，写下一个指令。重复这样做，把整个程序都写入内存之后，可以推动开关，回到内存地址0，然后按运行按钮，灯会闪烁。

这就是 1975 年的家用计算机, 哇！

不管是插线板、开关或穿孔纸卡，早期编程都是专家活，不管是全职还是技术控，都要非常了解底层硬件，比如操作码, 寄存器等, 才能写程序，所以编程很难，很烦。

哪怕工程师和科学家都无法完全发挥计算机的能力，我们需要一种更简单方式告诉计算机要做什么，一种更简单的编程方式。

这带领我们到下一个话题 - 编程语言, 我们下集会讲。

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