電腦做什麼事 序章 關於電腦

電腦是什麼呢?好像這是一個很簡單的問題,當有人問了這個問題,我們常常把食指指向放在桌上,有螢幕、主機以及滑鼠、鍵盤的個人電腦。對,那是個人電腦,提供我們上網、聊天、打報告的個人電腦。




電腦的英語原文computer,他的意思原本指的是「從事計算的人」,compute的中文意思是「計算」,字尾加er,原本動作的意思轉變成做動作的人,由此,「計算」就成了「計算者」,也可以說是「從事計算的人」。那便是 computer 的本意,計算的動作從心裡默數,隨著計算量的增加,慢慢變成由輔助工具幫助記憶。然而時代演進,計算的輔助工具可能從遠古時期的排石頭、結繩子,到幾百年前的算盤、齒輪鐘,二十世紀以後,電子技術的突飛猛進,形成今日便利我們生活的電腦。


對,就是電腦,你瞭解什麼是電腦了嗎?簡單來講,他就是一種計算的輔助工具,只不過,今日的電腦化身為各種樣貌,他可能藏在房子裡,也可能躲在人行道上,還可能,也是我們最當然以為放在我們電腦桌上的---------個人電腦。


我們重新來談談今天「電腦」這個詞所代表的涵義。
電腦的涵義圖示


如圖,這是個相當典型的模式,先以個人電腦為例,輸入裝置有滑鼠、鍵盤,輸出裝置如螢幕,中央處理器及記憶體則安裝在的主機板上,主機板則用一個金屬外殼,也是我們稱之為主機的箱子包裝起來。


其中有一個很重要的東西,就是記憶體,他暫時性的載入儲存所有指揮電腦運作的命令MS-Windows的開始功能表。有如我們運動會的行程表一般,早上八點開幕,來賓致詞,九點賽跑、十點拔河、十一點趣味競賽……等等。記憶體中載入一連串要求電腦做的事,連結網址、播放音樂、方塊遊戲……等等。


由記憶體儲存我們所想要指揮電腦的命令,這提供給我們一個方便,我們可以先寫好這些命令,然後把這些命令輸入電腦,接著電腦就會去做這些事情。事實上,在我們今天所用的作業系統,已經把很多工作做好了,如今天最多人使用的MS-Windows系統,要播放音樂,點擊開始選單,然後點擊Windows Media Player的圖示,就開啟了Windows Media Player這個播放音樂的軟體,當然,就可以播放音樂啦!


我們打開電腦電源,啟動作業系統之後,作業系統已經做了很多事情,如維持開機狀態、圖形介面等等,因此電腦使用者往往只需要開啟軟體,接著按照軟體的操作方式去做他想做的事。所以學電腦有點像是學習作業系統的使用,然後知道做什麼樣的事情就用什麼樣的軟體,更進一步的就是學會使用這些軟體。


但是電腦不是「計算的輔助工具」嗎?怎麼個人電腦做的事情,好像跟計算沒多大的關係呢!


計算的輔助工具




如果我們深入探討個人電腦,將中央處理器,也就是 CPU 一點一點的放大,我們會發現 CPU 由非常多微小的電子線路所組成,整體來說這些線路組合成許多不同的部份,如程式計數器、指令暫存器、控制單元、算術邏輯單元等等。仔細一看,這些的確都是用來執行計算的工作。


怎麼說呢?細節有點像是程式計數器記錄程式執行到哪個記憶體位置,然後經由控制單元把記憶體位置的指令載入指令暫存器,依指令解碼後的需求,如需計算則將資料送進算術邏輯單元,或是儲存到另一個記憶體位置,或是…………


好麻煩喔!不是嗎?可是因為電子移動的速度相當快,於是電腦在連眨眼都不用的瞬間就完成一個動作,隨著計算量加大,才有可能多花點時間。然而電子線路不是都小到肉眼看不見嗎?我們學電腦需要徹底了解這些繁瑣又無趣的線路嗎?


現在大可不必!不過早期電腦與人之間的溝通確實直接由線路著手,藉由線路的通電與否, 1 表示通電, 0 表示不通電,從而衍生出機器語言,利用輸入如 0001010001101110 的指令,控制電路執行工作。


不過,對大多數人來講,0、1的數字顯然不是一種容易習慣的表示方法,所以有人很快的發展出組合語言,如下所示。
MOV AH, 01
INT 21H
………


組合語言相對機器語言比較容易理解,因為組合語言用將 0 、 1 的排列用文字來代替。不過由於組合語言僅僅是直接把機器語言翻譯過來,因而利用組合語言跟電腦溝通實際上與機器語言相當類似,對於電腦的許多細節都要有所了解,所以機器語言和組合語言又合稱低階語言


程式語言的觀念




低階語言是程式語言的一種,也是電腦發展初期最早出現的人機溝通方式。所謂的程式類似食譜,或是摺紙、做模型的教學圖示,數學上稱為演算法。程式要求電腦為我們去做些事情,這些事情被詳細的一步一步用某種格式儲存在電腦硬體之中。程式也被稱為軟體,不過通常我們所說的軟體是指已經包裝好有所特定用途,如繪圖軟體、文書處理軟體等。


程式語言則是用來規範程式的撰寫方法,這樣的語言被稱為形式語言,同樣的例子廣泛應用在各種領域,有些是人們習慣後可以直接理解的,如路標、地圖等,另有一些應用如化學式、方程式等。


其實電腦只能執行機器語言,或稱為機器碼。組合語言要透過組譯的方式,將組合語言翻譯成機器碼,電腦才能執行。畢竟低階語言不是那麼的親切!很多人仍是希望用近於口語的方式來跟電腦溝通,於是電腦的歷史過程又很快的有人發展出各式各樣的程式語言,這些新的程式語言被稱之為高階語言


高階語言主要分為編譯直譯兩種。編譯式的語言有 Fortran 、 COBOL 、 Pascal 、 C 、 C++ 、 Java 等,而直譯式的語言有 BASIC 、 Smalltalk 、 Perl 、 Python 、 Ruby 等,兩者最大的差別是編譯式的語言在程式執行前須將原始碼完全翻譯成機器碼,直譯式的語言則是透過直譯器,一次翻譯原始碼的一行成機器碼,然後執行。


孰優孰劣?各有各個優點及缺點,直譯式語言以往最令人詬病的就是執行速度,正因為依賴直譯器一次一行的翻譯執行,第一行原始碼透過直譯器翻譯成機器碼,再透過直譯器執行,接著第二行……,然後第三行……。比起完全編譯後的執行程式,直接一行接一行的執行機器碼,速度上確實慢了許多。


然而,這種差異在 CPU 時脈還不快的年代的確很明顯,不過,當個人電腦的 CPU 的時脈越來越快的時候, CPU 的迅速即時多少彌補了直譯式語言的缺點,因而 Python 、 Ruby 等搖身一變成為新一代熱門的程式語言。


數學問題




聽說寫程式會用到很多數學,電腦科學又被稱為演算法的科學,進入程式設計的這扇門,好像到處都是數學,真的嗎?


「假作真時真亦假,無為有處有還無。」好像說的人多了,真的會是怎麼樣?很多時候焦點都被模糊。如果煩惱的是數學解題技巧或是繁複的計算工作,不用擔心,計算交給電腦去做,解題方面,也許程式的領域可以給我們不同的思考方向。
孫子算經中的數學問題


這是《孫子算經》中的一個問題,也是我們學過整數、因數、倍數、除法後可能練習過的習題,也許我們會想著列出如下的數列。
2, 5, 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26, 29……………
3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38, 43………………
2, 9, 16, 23, 30, 37, 46, 53………………


從上面所列出的數字,我們可以找出符合題意最小的正整數為23。當然,《孫子算經》有提供解法:「凡三三數之剩一,則置七十;五五數之剩一,則置二十一;七七數之剩一,則置十五;一百六以上,以一百五減之即得。」於是
70×2+21×3+15×2=233 (>106)
233-105=128 (>106)
128-105=23


當符合的數字越變越大的時候,紙筆計算就顯得很麻煩。程式怎麼算出來的呢?這是個很有趣的問題,我們接下去逐步了解怎麼寫出這個程式後,也許會感到意外,原來把加減乘除交給運算快速的電腦時,數學彷彿簡單了許多!


寫程式會盡是像這樣處理數學問題嗎?不完全是這樣的。程式設計是一種找出問題解決方法的途徑,程式本身的目的就在於解決問題,其中有很大的組成比例,因為需要量化的關係,所以讓人感覺起來寫程式就像在處理數學問題。


我們必須體認問題的本質,從而提出解決方法,然後嘗試去解決,若是結果不能解決或是不能完全解決,再依據情況適當的調整方法。其實,這跟我們所學過的科學方法:觀察→提出假說→實驗,實驗結果如果證實假說則可以進一步的將其擬為學說,基本上這些道理及精神都是相通的。


Python,讓寫程式更簡單




不論編譯或直譯的程式語言都有千萬種,我們為什麼選擇Python呢?以下摘錄Tim Peters的The Zen of Python:
美麗優於醜陋,明講好過暗諭。
簡潔者為上,複雜者次之,繁澀者為下。
平舖善於層疊,勻散勝過稠密;以致輕鬆易讀。
特例難免但不可打破原則,務求純淨卻不可不切實際。
斷勿使錯誤靜靜流逝,除非有意如此。
在模擬兩可之間,拒絕猜測的誘惑。
總會有一種明確的寫法,最好也只有一種,
但或須細想方可得。
凡事雖應三思後行,但坐而言不如起而行。
難以解釋的實作方式,必定是壞方法。
容易解釋的實作方式,可能是好主意。
命名空間讚,吾人多實用。


Zen在佛教中是禪的意思,這篇原文在PEP 20,翻譯取自PyTUG的PotWiki


「明講」也就是清楚,「平舖」也可以用乾淨來講,因而清楚、簡潔、乾淨這三者為 Python 語法中最為突出的特色,不但對於程式的撰寫及維護容易,同時形成易學、易讀,這可是相當適合初學者的呢!

Python的發明者Guido van Rossum曾提出一個口號:“There is only one way to do it.”,中文意思是:「做一件事情只有一個方法。」固然我們知道一個問題的解決方法往往不只一個,各種不同的方法可能會帶來不同的影響與成效,然而當我們把目光焦點集中在程式語法的表達上時,或許,當語法描述一種方法只有一種寫法時,某種程度上來講,我們更能洞察問題的本質。


Python ,讓寫程式更簡單!


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