计算机科学之美

\"当今世界，计算机科学已经和人们的学习、生活，乃至未来的个人发展息息相关，无论是否专业人士， 都有了解它的必要。计算机科学领域科目繁多，编程、网络、芯片、人工智能等词汇令人眼花缭乱。本书 通过深入浅出的文字，把计算机的全貌呈现在读者面前，各科目在其中的角色和作用将一目了然。 计算机科学并非孤立的自然学科。本书详细论述了它与生物学、数学、信息学、经典物理学、量子力 学、心理学的内在关联，帮助读者实现知识的大融通。在了解计算机的过程中，本书将启发读者探索生命 本身的意义，体会“科学本源相通、万物与我为一”的智慧之美。 本书可作为高等院校计算机及相关专业的教材，也可供从事计算机工作的工程技术人员参考。 \"

目 录 第 1 章 概述 1 1.1 计算机：无机生物 1 1.1.1 计算机的发展历程 3 1.1.2 初识计算机中的生物智慧 5 1.2 冯 诺依曼架构. 8 1.2.1 硬件 8 1.2.2 硬件电路的图纸 9 1.2.3 软件 12 1.3 衡量计算机的指标 14 1.3.1 可靠是一切的前提 14 1.3.2 办事能力. 14 1.3.3 能力范围. 16 1.4 思考 17 1.4.1 关于计算机的十点疑问 17 1.4.2 从计算机科学中可以获得的启示 19 1.5 结语 20 第 2 章 百年激荡 22 2.1 引言 22 2.2 从硅谷谈起 22 2.2.1 星火燎原——斯坦福 22 2.2.2 一鲸落，万物生——仙童 25 2.2.3 现代计算机的“出生证” 26 2.2.4 将星璀璨. 27 2.3 中美科技竞争 29 2.3.1 剑宗与气宗 30 2.3.2 芯片设计与制造 31 2.3.3 系统软件. 32 2.3.4 应用软件和算法 33 2.4 结语 34 2.4.1 书中涉及的术语解释 34 2.4.2 后续章节框架 36 第 3 章 驯兽师的语言：指令 37 3.1 引言 37 3.2 指令的工具箱 38 3.2.1 RISC-V 指令集 38 3.2.2 高级编程语言与指令的关系 39 3.3 算术运算指令 40 3.3.1 对计算机下达的第一条指令：加法指令 40 3.3.2 寄存器 41 3.4 数据传输指令 43 3.5 神奇的 0 和 1 45 3.5.1 进位计数制 45 3.5.2 计算机数字的真实表示：补码 48 3.6 条件分支指令 49 3.6.1 循环 51 3.6.2 函数 51 3.6.3 栈 52 3.7 其他指令 54 3.8 结语 55 第 4 章 计算机的“脑回路” 56 4.1 引言 56 4.2 初识脑回路 56 4.2.1 有机生物的脑回路 56 4.2.2 计算机“脑回路”的基本原理 57 4.3 指令的 0/1 表示. 59 4.3.1 常见类型介绍：R 型 59 4.3.2 常见类型介绍：I 型 61 4.3.3 指令格式汇总 61 4.4 集成电路基本元器件 62 4.5 构建数据通路 65 4.5.1 数据通路：处理当前指令 65 4.5.2 数据通路：取下一条指令 68 4.5.3 分支指令的数据通路 69 4.5.4 完整的电路图 70 4.5.5 控制系统. 72 4.5.6 数据通路与控制器的协作示例 74 4.6 计算机的“心跳” 75 4.6.1 时钟周期. 75 4.6.2 性能分析. 76 4.6.3 给心跳加速 77 4.7 流水线. 79 4.7.1 流水线的电路实现 81 4.7.2 流水线的代价 83 4.7.3 解决冒险问题的流水线电路设计 86 4.7.4 大脑的应激反应：中断 90 4.8 人工智能芯片 92 4.8.1 ASIC 93 4.8.2 GPU 和 FPGA 96 4.9 结语 98 4.9.1 信息、物质、能量. 98 4.9.2 房间里的真相 99 第 5 章 计算机的“记忆” 101 5.1 引言：人类的记忆和回忆 101 5.2 计算机的记忆模块 102 5.2.1 长期记忆：DRAM 103 5.2.2 短期快速记忆：SRAM 107 5.2.3 存储器之间的地址映射 109 5.2.4 缓存写操作 114 5.3 永恒记忆的秘密：闪存 116 5.4 多级存储结构：既“大”且“快” 120 5.5 存储新势力 122 5.5.1 闪存的混合存储结构 122 5.5.2 新型存储器 124 5.5.3 存算一体 127 5.6 结语 128 5.6.1 外存与内存的区别 128 5.6.2 3C 模型. 129 第 6 章 人机交互 130 6.1 引言 130 6.2 计算机的经脉 132 6.2.1 基于总线的“经脉”排布. 133 6.2.2 “看得见”且“摸得着”. 136 6.3 计算机的“五官” 136 6.3.1 手机拍照的 I/O 流程. 137 6.3.2 I/O 设备 139 6.3.3 下一代 I/O：谷歌的自我革命 141 6.4 无机生物之间的交流 142 6.4.1 从一条微信语音谈起 142 6.4.2 网络协议分层结构 144 6.4.3 海底光缆与星链计划 146 6.5 人机交互的终极目标：缸中之脑. 148 6.6 结语 150 6.6.1 熵增 150 6.6.2 信息就像食物和水，不可或缺 152 第 7 章 计算机的“灵魂” 153 7.1 引言 153 7.1.1 软件的物质形态 154 7.1.2 软件什么时候开始有“意识”. 155 7.2 现代计算机的“翻译官”：编译器 157 7.3 一个特殊的程序：操作系统 158 7.3.1 再谈指令地址 158 7.3.2 进程虚拟地址空间 160 7.3.3 页表 166 7.3.4 左手画圆，右手画方 168 7.3.5 操作系统的诞生过程 168 7.3.6 操作系统市场现状 170 7.4 灵魂是一股有序的能量. 173 7.4.1 计算机是怎么“活”过来的 173 7.4.2 人类生命循环的起点 174 7.4.3 灵魂的消逝 175 7.4.4 重启生命 175 7.4.5 灵魂隐藏在微观世界 176 7.4.6 关于意识的讨论 177 7.5 安全：计算机的主权争夺 178 7.5.1 躲在黑暗里的人 178 7.5.2 人类是怎样一步步丧失控制权的 180 7.6 结语 182 第 8 章 量子计算机——凝视宇宙的终极法则 183 8.1 引言 183 8.1.1 量子计算机与经典计算机的关系 184 8.1.2 量子计算机的研究现状 185 8.2 量子力学基本理论 186 8.2.1 不确定性原理 186 8.2.2 量子叠加 188 8.2.3 量子纠缠 189 8.3 量子计算机原理 190 8.3.1 量子比特 190 8.3.2 量子门 193 8.3.3 量子电路 194 8.4 生存还是毁灭（To be or not to be） 195 8.5 探索宇宙的终极理论 196 第 9 章 总结 198 9.1 本书的知识图谱 198 9.2 计算机科学中的思想启示 200 9.2.1 模块化思想 200 9.2.2 捉住事物的主要矛盾 201 9.2.3 大道至简 202 9.2.4 合乎中道的平衡 202 9.2.5 圆道周流，循环往复 203 9.3 写在最后 203 附录 A 书中涉及的主要人物 204 附录 B RISC-V 指令集 208 附录 C 大学计算机课程设置 210 参考文献 214