计算机基本原理—语言与算法 _算法

使用计算机就要给计算机输入指令，早期给计算机的指令是写在穿孔纸带上的，如图1所示。

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图1 早期的计算机语言
纸带匀速通过一个光源，光线透过纸带的穿孔后被接收器接收，产生一个电压，遇到纸带无孔时，光线就被纸带遮蔽，纸带后面的接收器就不产生电压，这样就将“100100”形式的二进制信号输给了计算机。这个发明源于图灵1936年的设想——图灵机（Turing machine）。在计算机发明者名单中，图灵是名气最大的。由美国计算机协会（ACM）于1966年设立的图灵奖（Turing Award），至今仍然是计算机科学领域的最高荣誉。

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尽管计算机的输入设备从穿孔纸带一路发展到硬盘、键盘和鼠标，但其基本原理还是给计算机输入“100100”形式的机器码。人们为了方便与计算机交流，发明了计算机操作系统。其实它就是预装在计算机存储器里面的一套机器码，计算机一旦通电启动，这套机器码首先被读入计算机内存并被执行，它使得计算机CPU、输入输出设备、存储器等等初始化，提供各类硬件功能接口供应用程序调用。人们借助计算机操作系统和预装的一些“工具软件”，用计算机完成诸如写文件、绘图表、做计算等简单工作。如果要使计算机完成千差万别的复杂工作，就必须给计算机输入专门的指令——计算机程序。由于计算机只能认识机器码，而机器码又实在太难学了，因此科学家就发明了“计算机语言”，人们可以借助这种语言编写计算机读得懂的程序。
最接近机器码的计算机语言是汇编语言（Assembly language）。在汇编语言中，用简单英文单词构成的助记符（Mnemonics）代替机器码，再加上地址符号（Symbol），组成如图2所示的计算机程序。

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图2 一个汇编语言计算机程序片段
图中左边绿色字是程序的注释，它们不参加运行。
我们再举一个计算机程序的例子：完成任意三个数从小到大重新排列。比如，任意给计算机输入三个数：65.73、21.01、1.022，要求计算机将它们从小到大排列成：1.022、21.01、65.73 。首先，我们必须设计一个算法如下：
第一步
比较第一个数与第二个数的大小。假如第一个数大于第二个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第一个数是65.73，它大于第二个数21.01，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：21.01、65.73、1.022；
第二步
再比较第第二个数与第三个数的大小。假如第二个数大于第三个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第二个数是65.73，它大于第三个数1.022，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：21.01、1.022、65.73；
第三步
再比较第一个数与第二个数的大小。假如第一个数大于第二个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第一个数是21.01，它大于第二个数1.022，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：1.022、21.01、65.73，完成任务。
图3是一个用Fortran语言编写的计算机程序，它将输入计算机的任意三个数从小到大排序。

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图3 一个完整的Fortran语言计算机程序
同样，图中左边绿色字是程序的注释，它们不参加运行。将这个计算机程序输入计算机后运行，只要在计算机屏幕上用键盘任意敲入3个数，计算机立即就会将此三个数从小到大重新排列，并且显示在计算机屏幕上。当然，三个数字的重新排序非常容易，人们一目了然就可以完成。如果经常要将成千上万的数字重新排序，就是一件困难的工作。这时编一个计算机程序，就可以比人工既快又省事。这个例子也说明，计算机必须依赖人类提供的算法完成任务，或者说人类完成创造性工作，计算机帮助人类完成耗时费力的工作，这基本上是长久以来的传统观点。但是，未来计算机会发展出与人类并驾齐驱甚至超越人类的智能吗？那时的计算机能够独立完成创造性工作吗？
咱们再回到计算机语言问题。比较图2与图3，读者马上会觉得：前者犹如天书一般根本无法读懂，而后者的每一行都与英语近似。人们通常将前者称为计算机底层语言，将与人类语言近似的计算机语言称为计算机高级语言。高级语言不仅仅是与人类语言近似，而且在不同CPU之间可以通用。反之，底层语言所编写的计算机程序随着CPU硬件的改变必须改变。无论是计算机底层语言还是高级语言，它们都要靠被称为“编译器”的计算机程序，将其“翻译”成计算机读得懂得机器码。