计算机科学基础_5 - 集成电路，操作系统

软件工程

• 对象, Object
• 面向对象编程, Object Oriented Programming
• API, Application Programming Interface
• public, private
• 集成开发环境, IDE
• 调试, debugging
• 文档和注释, readme, comment
• 版本控制, Version control
• 质量控制, Quality Assurance testing, QA
• Bate, Alpha

排序算法很少会是独立程序，更可能是大项目的一小部分，例如：微软的Office大约有4000万行代码。为了写大型程序，程序员用各种工具和方法，所有这些形成“软件工程”学科

“软件工程”这个词由工程师Margaret Hamilton创造，她帮助NASA在阿波罗计划中避免了严重问题。

Margaret Hamilton曾说过：“有点像牙根管治疗：你总是拖到最后才做，但有些事可以预先做好，有点像预防性体验，只不过是预防性软件出错”。

对象，面向对象编程

把大项目分解成小函数，可以让多人同时工作,不用关心整个项目，关心自己的函数就好了。如果接到的任务是写排序算法，只需要保证高效和正确就可以了。
然而把代码打包成函数，依然不够，如果只是这样，微软Office会有几十万个函数。解决办法是：把函数打包成层级，把相关代码都放在一起，打包成对象（Objects）

例如：汽车软件中可能有几个和定速巡航有关的函数，比如，设定速度，逐渐加速减速，停止定速巡航，因为这些函数都相关，可以包装成一个“定速巡航对象”。但不止如此，还可以做更多，“定速巡航”只是引擎软件的一部分，可能还有“火花塞点火”，“燃油泵”和“散热器”。
所以可以做一个“引擎对象”来包括所有“子”对象。除了子对象，“引擎对象”可能有自己的函数，比如，开关引擎。它也会有自己变量，比如汽车行驶了多少千米，总的来说，对象可以包其它对象，函数和变量。
当然，“引擎对象”只是“汽车对象”的一部分，还有传动装置，车轮，门，窗等。作为程序员，如果想设“定速巡航”，要一层层向下，从最外面的对象往里找，最后找到想执行的函数：Car.Engine.CruiseControl.setCruiseSpeed(55)。

把函数打包成对象的思想叫“面向对象编程”

通过封装组件，隐藏复杂度，之前把晶体管，打包成了逻辑门，现在软件也这样操作。

API和IDE

把大型软件，拆分一个个更小单元，适合团队合作，在不同岗位同时工作，各尽其能。

各个团队负责不同项目，但也有所依赖，所以团队需要文档，帮助理解代码都做什么，以及定义好“程序编程接口”简称“API”

API帮助不同程序员合作，不用知道具体细节，只要知道怎么使用就行了。

API控制哪些函数和数据让外部访问，哪些仅供内部。“面向对象”的编程语言，可以指定函数是public或private来设置权限。

“面向对象编程”的核心是隐藏复杂度，选择性的公布功能。因为做大型项目很有效，所以广受欢迎。

代码在编译前就只是文字而已，只要编写出来，就可以。但是一般来说，现代软件开发者，会用专门的工具来写代码。工具里集成了很多有用的功能，帮助写代码，整理，编译和测试代码。因为集成了所有东西，因此叫集成开发环境简称IDE。

IDE会定位到出错代码，还会提供信息，帮助解决问题，这叫“调试(debug)”,调试很重要，大多数程序员会花70%~80%时间调试，而不是在写代码。

给代码写文档，文档一般放在README的文件里，告知其它程序员，看代码前先看这个文件。文档也可以直接写成“注释”，放在源码里。
注释存在的唯一作用，就是帮助开发者理解代码。

源代码管理，也叫“版本控制”。会把代码放到一个中心服务器上，叫“代码仓库”。

不希望提交的代码里有问题，因为其他人可能用到了这些代码，导致他们代码崩溃，造成困惑而且浪费时间，代码的主版本（master）应该是编译正常，尽可能少bug。

写代码和测试代码密不可分，测试一般由个人或小团队完成，测试可以统称“质量保证测试”，简称“QA”。
让软件在各种情况下按照预期运行。

bate 版软件：意思是软件接近完成，但不是100%完全测试过。
alpha 版软件：很粗糙，错误很多经常只在公司内部测试。

集成电路与摩尔定律

重点：晶圆的制作流程：光刻

• 分立元件， Discrete components
• 数字暴政，是1960年代工程师碰到的问题，意思是如果想强加电脑性能，就要更多部件，这导致更多线路，更复杂，所以很难做。
• 光刻， Photolithography
• 晶圆， Wafer
• 光刻胶，Photoresist
• 光掩膜，Photomask
• 摩尔定律，Moore's Law
• 英特尔
• 晶体管数量大幅度增长，1980年三万个，1990年一百万个，2000年三千万个,2010年十亿个。
• 进一步小型化会碰到2个问题，1.光的波长不足以制作更精细的设计 2. 量子隧穿效应

在大概50年代里，软件从纸带打孔变成面向对象，在集成开发环境中写程序。但如果没有硬件的大幅度进步，软件是不可能做到这些的。

硬件性能的爆炸性增长。

分立元件， Discrete components

电子计算机的诞生年代，大约1940年代~1960年代中期这段时间里，计算机都由独立部件组成，叫“分立元件”。然后不同组件再用线连在一起。
例如，ENIAC有1万7千多个真空管，7万个电阻。1万个电容器，7千个二极管，5百万个手工焊点。
如果想提升性能，就要加更多部件，这导致更多电线，更复杂。这个问题叫“数字暴政”。

分立元件：只有一个电路元件的组件，可以是被动的（电容，电阻，电感）或主动的（晶体管或真空管）

1950年代中期，晶体管开始商业化（市场上买得到）开始用在计算机里，晶体管比电子管，更小更快更可靠，但晶体管依然是分立元件。
1959年，IBM把709计算机从原本的电子管全部换成晶体管，诞生了新机器 IBM 7090速度快6倍，价格只有一半。

晶体管标志着“计算机2.0时代”的到来。

虽然更快更小，但晶体管的出现，还是没有解决“数字暴政”的问题，有十几万个独立元件的计算机不但难设计而且难生产。

1960年代，这个问题的严重性达到顶点，电脑内部常常一大堆电线缠绕在一起。
解决办法就是引入一层新抽象，封装复杂性。

突破性进展在1958年，当时Jack Killby在德州仪器工作，演示了一个电子元件：“电路的所有组件都集成在一起”。
简单说就是：与其把多个独立部件用电线连接起来，拼装出计算机。把多个组件包在一起，变成一个新的独立组件，这就是：集成电路(IC)
几个月后，在1959年Robert Noyce的仙童半导体让集成电路变为现实，Killby用锗来做集成电路，锗很稀少而且不稳定，仙童半导体公司用硅，硅的蕴含量丰富，占地壳四分之一，也稳定可靠。所以Noyce被公认为现代的集成电路之父。开创了电子时代，创造了硅谷。

起初，一个IC只有几个晶体管。
例如：早期样品，由西屋公司制造。

即使只有几个晶体管，也可以把简单电路，逻辑门，能封装成单独组件。
IC就像电脑工程师的乐高积木，可以组合出无数种设计，但最终还是需要连接起来，创造更大更复杂的电路，比如整个计算机。

所以工程师再度创新，印刷电路板，简称PCB。
PCB可以大规模生产，无需焊接或用一大堆线。它通过蚀刻金属线，把零件连接到一起。
把PCB和IC结合使用，可以大幅减少独立组件和电线，但做到相同的功能。而且更小，更便宜，更可靠。

许多早期IC都是把很小的分立元件，封装成一个独立单元，例如这块1964年的IBM样品。不过，即使组件很小，塞5个以上的晶体管还是很困难。

光刻

为了实现更复杂的设计，需要全新的制作工艺：“光刻”。

简单说就是：用光把复杂图案印到材料上，比如半导体，它只有几个基础操作，但可以制作出复杂电路。

例子：

1. 从一片硅开始，叫“晶圆”，长得像薄饼干一样。硅很特别，它是半导体，它有时导电，有时不导电，可以控制导电时机。所以硅是做晶体管的绝佳材料，可以用“晶圆”做基础，把复杂金属电路放上面，集成所有东西。非常适合做，集成电路。
2. 下一步是硅片顶部，加一层薄薄的氧化层，作为保护层。
3. 然后加一层特殊化学品，叫“光刻胶”，光刻胶被光照射后，会变得可溶。可以用一种特殊化学药剂洗掉。单单光刻胶本身，并不是很大作用，但和“光掩膜”配合使用会很强大。
4. “光掩膜”就像胶片一样，要转移到“晶圆”上的图案。把光掩膜盖到晶圆上，用强光照射挡住光的地方，光刻胶不会变化。光照到的地方，光刻胶会发生化学变化，洗掉它之后，暴露出氧化层。
5. 用另一种化学物质，通常是一种酸，可以洗掉“氧化层”露出的部分，蚀刻到硅层。氧化层被光刻胶保护住了，为了清理光刻胶，要用到另外一种化学药品洗掉它，光刻法很多化学品，每种都有特定用途。
6. 现在硅又露出来了，修改硅露出来的区域，让它导电性更好。所以用一种化学过程来改变它，叫“掺杂Doping”，“掺杂”通常用高温气体来做，比如磷，渗透进暴露出的硅，改变点学性质。
7. 还需要几轮光刻法，来做晶体管。过程：先盖氧化层，再盖光刻胶，然后用新的光掩膜，这次图案不同，在掺杂区域上方开一个缺口；洗掉光刻胶，然后用另一种气体掺杂，把一部分硅转成另一种形式。为了控制深度，时机很重要，不想超过之前的区域。
8. 最后一步，把氧化层上做通道，这样可以用细小金属导线，连接不同晶体管。再次用光刻胶和光掩膜，蚀刻出小通道，现在用新的处理方法，叫“金属化”，放一层薄薄的金属，比如铝或铜。但不想用金属盖住所有东西，想蚀刻出具体的电路。所以又是类似步骤，用光刻胶+光掩膜，然后溶掉暴露的光刻胶，暴露的金属。
9. 晶体管完成，它有三根线，连接着硅的三个不同区域。每个区域的掺杂方式不同，这叫双极型晶体管。

用类似步骤，光刻可以制作其它电子元件，比如电阻和电容，都在一片硅上，而且互相连接的电路也做好了。

例子中，只做了一个晶体管，但现实中，光刻法一次会做上百万个细节。

芯片放大之后，导线上下交错，连接各个元件。

尽管可以把光掩膜投影到一整篇晶圆上，但光可以投射成任意大小。就像投影仪可以投满荧幕一样。
可以把光掩膜聚焦到极小的区域，制作出非常精细的细节。

一片晶圆可以做很多IC，整块都做完后，可以切割然后包进微型芯片，微型芯片就是在电子设备中，那些小长方体。记住，芯片的核心都是一小篇IC。

随着技术的发展，晶体管变小，密度变高。
1960年代初，IC很少超过5个晶体管，因为塞不下。
但1960年代中期，市场上开始出现超过100个晶体管的IC。

摩尔定律，Moore's Law

1965年，戈登●摩尔看到了趋势：每两年左右，得益于材料和制造技术的发展，同样大小的空间，能塞进两倍数量的晶体管。这叫摩尔定律。（它不是定律，只是一种趋势，但它是对的。）

芯片的价格也急剧下降，1962年平均50美元，下降到1968年2美元左右。如今，几美分就能买到IC。
晶体管更小密度更高，还有其它好处，晶体管越小，要移动的电荷量就越少，能更快切换状态，耗电量更小。
电路更紧凑，还意味着信号延迟耕地，导致时钟速度更快。

Inter 4004 CPU，是个重要里程碑，发布于1971年，是第一个用IC做的处理器，也叫微型处理器。因为真的非常小。它有2300个晶体管。

惊叹于它的整合水平，整个CPU在一个芯片里，而仅仅20年前，用分立元件会占满整个屋子。
集成电路的出现，尤其是用来做微处理器，开启了计算3.0

晶体管数量大幅度增长，1980年三万个，1990年一百万个，2000年三千万个,2010年十亿个，在一个芯片里。

为了达到这种密度，光刻的分辨率，从大约一万纳米,大概是人类头发直径的1/10。发展到如今的14纳米，比血红细胞小400倍。

当然，CPU不是唯一受益的元件。大多数电子器件都在指数式发展：内存，显卡，固态硬盘，摄像头感光元件，等等。

如今的处理器，比如iphone7的A10 CPU，有33亿个晶体管。面积仅有1cm * 1cm，比一张邮票小。
现代工程师设计电路时，当然不是手工一个个设计晶体管，这不是人力能做到的。
1970年代开始，超大规模集成（VLSI）软件用来自动生成芯片设计。用比如“逻辑综合”这种技术可以放一整个高级组件，比如内存缓存。软件会自动生成电路，做到尽可能高效。（EDA技术，HDL自动综合技术）

进一步做小，会面临2个大问题：

1. 用光掩膜把图案弄到晶圆上，因为光的波长，精度已达极限。所以科学家在研制波长更短的光源，投射更小的形状。
2. 当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子，电子会跳过间隙，这叫：“量子隧道贯穿”。如果晶体管漏电，就不是好开关。科学家和工程师在努力找解决方法，实验室已造出小至1纳米的晶体管。

操作系统

• 操作系统，Operating systems
• 批处理，Batch processing
• 计算机变便宜变多，有不同配置，写程序处理不同硬件细节很痛苦，因此操作系统负责抽象硬件。
• 外部设备，Peripherals
• 设备驱动程序，Device drivers
• 多任务处理，Multitasking
• 虚拟内存，Virtual Memory
• 动态分配内存，Dynamic memory allocation
• 内存保护，Memory Protection
• 1970年代，计算机足够便宜，大学买了让学生用，多个学生用多个“终端”连接到主机
• 多用户分时操作系统，Multics
• Unix
• MS-DOS

1940，1950年代的电脑，每次只能运行一个程序，程序员在打孔纸卡上写程序，然后拿到一个计算机房间，交给操作员。等计算机空下来，操作员会把程序放入。然后运行，输出结果，停机。
以前计算机慢，这种手动做法可以接受。运行一个程序通常要几个小时，几天，甚至几周。

计算机越来越快，指数级增长，很快，放程序的时间，比程序运行时间还长，需要一种方式，让计算机自动运作。于是“操作系统”诞生了。

操作系统，简称OS，其实也是程序。但它有操作硬件的特殊权限，可以运行和管理其它程序。操作系统一般是开机第一个启动的程序，其它所有程序，都由操作系统启动。

操作系统开始与1950年代，那时计算机开始变得更强大更流行。第一个操作系统，加强了程序加载方式。
之前只能一次给一个程序，现在可以一次多个。当计算机运行完一个程序，会自动运行下一个程序，这样就不会浪费时间，找下一个程序的纸卡，这叫: “批处理”。

电脑变得更快更便宜，开始在出现在世界各地，特别是大学和政府办公室，很快，人们开始分享软件，但有一个问题，在哈佛1号和ENIAC那个时代，计算都是一次性的，程序员只需给那“一台”机器写代码，处理器，读卡器，打印机都是已知的，但随着电脑越来越普遍，计算机配置并不总是相同的。比如计算机可能有相同CPU，但不同的打印机。不仅要担心写程序，还要担心程序怎么和不同型号的打印机交互，以及计算机连着的其它设备，这些统称“外部设备”。

设备驱动程序，Device drivers

和早期的外部设备交互，是非常底层的，程序员要了解设备的硬件细节，加重问题的是，程序员很少能拿到所有型号的设备来测代码。所以一般是阅读手册来写代码，祈祷能正常运行。

现在是“即插即用”，以前是“祈祷能用”。这很糟糕，所以为了程序员写软件更容易，操作系统充当软件和硬件之间的媒介。更具体的说，操作系统提供API来抽象硬件，叫“设备驱动程序”。

程序员可以用标准化机制，和输入输出硬件（I/O）交互。比如，程序员只需要调用print(highscore),操作系统会处理 输到纸上的具体细节。

到1950年代尾声，电脑已经非常快了，处理器经常闲着，等待慢的机械设备（比如打印机和读卡器）。程序阻塞在I/O上，而昂贵的处理器则在度假。

50年代后期，英国曼切斯特大学开始研发世界上第一台超级计算机，Atlas，他们知道机器会超级快，所以需要一种方式来最大限度的利用它。他们的解决方案是一个程序叫Altas Supervisor于1962年完成。这个操作系统，不仅像更早期的批处理系统那样，能自动加载程序，还能在单个CPU上同时运行几个程序。它通过调度来做到这一点。

假设Atlas上有一个游戏在运行，并且调用一个函数print(highscore)。它让Atlas打印一个叫highscore的变量值。

• print函数运行需要一点时间，大概上千个时钟周期，但因为打印机比CPU慢，与其等着它完成操作，Altas会把程序休眠，运行另一个程序，最终，打印机会告诉Altas打印已完成，Altas会把程序标记可继续运行。
• 之后在某时刻会安排给CPU运行。并继续print语句之后的下一行代码。

这样，Altas可以在CPU上运行一个程序，同时另一个程序在打印数据，同时另一个程序读数据。

Altas的工程师做的还要多，配了4台纸带读取器,4台纸带打孔机，多达8个磁带驱动器。

使多个程序可以同时运行，在单个CPU上共享时间，操作系统的这种能力叫：“多任务处理”。
同时运行多个程序有个问题，每个程序都会占一些内存，当切换到另一个程序时，不能丢失数据。解决办法是：给每个程序分配专属内存块。

例如：假设计算机一共有10000个内存位置，程序A分配到内存地址0到999。而程序B分配到内存地址1000到1999，以此类推。（开着软件占缓存）

如果一个程序请求更多内存，操作系统会决定是否同意，如果同意，分配哪些内存块，这种灵活性很好，但带来一个奇怪的后果。程序A可能会分配到非连续的内存块，比如内存地址0到999,以及2000到2999。（解决方法：虚拟内存）
真正的程序可能会分配到内存中数十个地方。这对程序员来说很难跟踪。

虚拟内存，Virtual Memory

也许内存里有一长串销售额，每天下班后要算销售总额，但列表存在一堆不连续的内存块里，为了隐藏这种复杂性，操作系统会把内存地址进行“虚拟化”。这叫“虚拟内存”，程序可以假定内存总是从地址0开始，简单又一致。而实际物理位置，被操作系统隐藏和抽象了。

用程序B来举例，它被分配了内存地址1000到1999。对程序B而言，它看到的地址是0到999。操作系统会自动处理，虚拟内存和物理内存之间的映射。如果程序B要地址42，实际上是物理地址1042。这种内存地址的虚拟化，对程序A更有用。
在例子中，A被分配了两块隔开的内存，程序A不知道这点。以A的视角，它有2000个连续的地址，当程序A读内存地址999时，会刚好映射到物理内存地址999，但如果程序A读下一个地址1000，会映射到物理地址2000。这种机制使程序的内存大小可以灵活增减叫“动态内存分配”。

对程序来说，内存看起来是连续的。它简化了一切，为了操作系统同时运行多个程序提供了极大的灵活性。给程序分配专用的内存范围。
另一个好处是这样隔离起来会更好，如果一个程序出错，开始写乱七八糟的数据，它只能捣乱自己的内存，不会影响到其它程序。这叫“内存保护”。防止恶意软件（如病毒）也很有用。
例如：不希望其它程序有能力读或改邮件程序的内存。如果有这种权限恶意软件可以以你的名义发邮件，甚至窃取个人信息。

• 专用的内存范围
• 更灵活
• 内存保护

Multics

Atlas既有“虚拟内存”也有“内存保护”，是第一台支持这些功能的计算机和操作系统。到1970年代，计算机足够快且便宜。大学会买电脑让学生用，计算机不仅能同时运行多个程序，还能让多用户能同时访问。
多个用户用“终端”来访问计算机。“终端”只是键盘+屏幕，连到主计算机终端本身没有处理能力，冰箱大小的计算机可能有50个终端，能让50个用户使用。

这时操作系统不但要处理多个程序，还要处理多个用户。为了确保其中一个人，不会占满计算机资源，开发了分时操作系统，意思是：每个用户只能用一小部分处理器和内存等。因为电脑很快，即使拿到1/50的资源也足以完成许多任务。

早期分时操作系统中，最有影响力的是Multics(多任务信息与计算系统)，于1969年发布，Multics是第一个，从设计时就考虑到安全的操作系统，开发人员不希望恶意用户访问不改访问的数据。这导致Multics的复杂度超过当时的平均水准，操作系统会占大约1Mb内存，这在当时很多。可能是内存的一半，只拿来运行操作系统。

Multics的研究人员Dennis Ritchie曾说过：阻碍Multics获得商业成功的一个明显问题是从某种方面来说，它被过度设计了，功能太多了。
所以Dennis和另外一个Multics研究员Ken Thompson联手开发新的操作系统叫Unix。

他们想把操作系统分成两部分：

• 首先是操作系统核心功能，如内存管理，多任务和输入/输出处理，这叫“内核”
• 第二部分是一堆有用的工具，但它们不是内核的一部分（比如程序和运行库）

紧凑的内核意味着功能没有那么全面。
Multics的另外以为开发者Tom Van Vleck回忆说：我对Dennis说，我在Multics写的一半代码都是错误恢复代码。他说：“Unix 不会有这些东西， 如果有错误发生，我们就让内核‘恐慌’（panic）当调用它时，机器会崩溃，你得在走廊里大喊，‘嘿，重启电脑’”。

内核如果崩溃，没有办法恢复，所以调用一个叫“恐慌”(panic)的函数，起初只是打印“恐慌”一词，然后无限循环。

这种简单性意味着，Unix可以在更便宜更多的硬件上运行，使Unix在Dennis和Ken工作的贝尔实验室大受欢迎，越来越多开发人员用Unix写程序和运行程序。工具数量日益增长，1971年发布后不久，就有人写了不同编译语言的编译，甚至文字处理器，使得Unix迅速成为1970~80年代最流行的操作系统之一，到1980年代早期，计算机的价格降到普通人买得起，这些叫“个人电脑”或“家庭电脑”。这些电脑比大型主机简单得多，主机一般在大学，公司和政府。因此操作系统也得简单。
例如：微软的磁盘操作系统（MS-DOS）只有160KB，一张磁盘就可以容纳操作系统。

于1981年发布的，成为早期家用电脑最受欢迎的操作系统。虽然缺少“多任务”和“保护内存”这样的功能。意味着程序经常使系统崩溃。虽然很讨厌但还可以接受，因为用户可以重启。哪怕是微软1985年发布的早期Windows虽然在90年代很流行，但却缺乏“内存保护”。当程序行为不当时，就会“蓝屏”。代表程序崩溃的非常严重，把系统也带崩溃了。

如今的计算机，有现代操作系统，比如Mac OS X, Windows 10, Linux, iOS和Android。虽然大部分设备只有一个人使用。操作系统依然有“多任务”，“虚拟内存”， “内存保护”。因此可以同时运行多个程序：一边使用浏览器，一边使用PS修图，播放音乐，同步笔记等。如果没有操作系统这几十年的发展，这些都不可能。

操作系统：

• 计算机自动运行。
• 设备驱动程序，提供API来抽象硬件。
• 批处理，多个程序同时运行，多任务。
• 虚拟内存，内存保护，动态内存分配。
• 多用户分时操作系统。