"好记性不如烂笔头"，读书笔记系列是为了记录自己的读书心得，文章内容一部分是摘抄原文，一部分是自己的理解和总结
本篇文章记录的是，来自李忠老师的《穿越计算机的迷雾》第二版
一、写在前面
上周末终于看完了李忠老师的《穿越计算机的迷雾》，从十一假期到现在，算算日子，读完这本书用了将近一个月时间
读这本书的目的是想补计算机组成原理的基础。早在读《穿越计算机的迷雾》之前，计组方面我已经学过了：
北京大学陆俊林老师的《计算机组成》视频公开课，和徐文浩老师在极客时间发布的《深入浅出计算机组成原理》专栏
读完《穿越计算机的迷雾》以后，给我最大的感受是：这是一本非常棒的科普书籍！
和之前的两个课程相比，它不会上来就讲原理，什么是冯·诺依曼结构、运算器、控制器、南桥北桥是什么、指令体系等等
而是从初中电学开始讲起，从电生磁到继电器的发明，从磁生电到电话的发明，一直讲到逻辑电路、触发器、布尔代数、寄存器、运算器等等
这本书让我明白，人类并不是一开始就知道：应该怎么去制造一台计算机的？ 计算机的发明，是由无数前人智慧的结晶一步步演变而来
接下来我们跟随李忠老师的脚步，一起来探究计算机内部的世界
ps：限于篇幅，本篇文章在内容上有删减，建议阅读原著
二、穿越计算机的迷雾（1~4）
书本的第一章，作者花了一整章的篇幅来温习初中的电学课程，这里我们简单过一遍：
能够导电的被称为 “导体”，金属、电解液、电离的气体、大地等都是导体
不能导电的被称为 “绝缘体”，干燥的木头、智障、塑料、陶瓷等都是绝缘体
导体能够导电的原因，是它具有大量可以自由移动的带电粒子。电压推动电子往一个方向流动，则被称为电流
在第一章的结尾，作者介绍了电路图的起源，并教我们画了一个基础的电路图
图 1.8 文中图片均来自于《穿越计算机的迷雾》，后续不再重复声明
这些符号我们应该都还认识，从左到右分别是电源、开关和两个灯泡💡
用电来表示数
有了电路图的基础，接下来我们来想象一下，凭空出现了一个能计算加法的 “加法运算部件”
这个加法运算部件提供了a、b两个输入端，好让它知道要算的数是什么。当这个加法运算部件完成计算后，它把结果从 o 端送出来，如 2.1 图所示
图 2.1
现在，我要利用它来计算加法，假设我们要计算 1 + 2 等于几？
我们可以在 a 端加上 1V 的电压，在 b 端加上 2V 的电压，当运算完成后，用电压表测量 o 端就会得到 3V 的电压，这就表示 1 + 2 的结果等于 3。
如果我们计算的数值比较小，或者都是整数，上面的方案也未尝不可。但是，如果只是这样，那这个加法部件也没什么意义，我们必须想办法解决数值过大或者小数的情况
这时候，人们想起了德国佬，莱布尼茨。
莱布尼茨是伟大的哲学家和数学家，大约在1672—1676年的时间，他创建了二进制。二进制在创建之初，并非是为了电学服务的，只是无意间被创造了出来
在随后的历史进程中，人们发现可以用开关来表示二进制，就把二进制拿过来作为计算机的一部分
图 2.16
如上图 2.16，当开关断开时，电流被切断，这代表 0；当开关接通时，电路中有电流通过，这代表 1
有了二进制以后，之前的加法部件数值过大的问题就迎刃而解了
图 2.19
如图 2.19 所示，图中的灰色方框通常代表一个具有加法功能的电路，由于我们现在还不知道它的内部构造，所以这里用一个方框来表示
这个运算部件的左边和下面各有 5 个开关，分别用于输入两个参与运算的二进制数
右边输出的5根线各自连接一个灯泡，当灯泡亮时，表明这一比特是1，否则为0，通过观察亮灯的情况，再转为十进制，我们就能知道结果是几了
好了，第二章到这里就结束了，接下来的第三章，我们将开始探究学会二进制怎么做加法？并设计出一个全加器电路，它可是图 2.19 中的灰色方框中的重要组成部分
二进制怎么做加法？
一个能够计算 5 bit 以内的的电路图在上一章节结束时已经画出来了
严格来说，因为结果端只有 5 个灯泡，所以上面的电路图最大只能得到的结果是 11111 ，也就是只能计算结果在 31 以内的加法
为了设计出能计算更大的数的电路，我们有必要来学习：二进制的加法
图 3.2
如图 3.2，和十进制的加法一样，二进制做加法时，也是要先把两个相加的数右对齐，然后从最右边的列开始计算
根据下面的口诀得到一个计算结果：
- 0加0等于0
- 0加1等于1
- 1加0等于1
- 1加1等于0，进1
比如图 3.2 演示的，110 + 11 = 1001 ，翻译成十进制就是，6 + 3 = 9
1、什么是全加器
在计算几个二进制加法以后，我们发现了一个规律：既然加法都是按列进行的，而且每一列的计算过程都一样
那么完全可以设计一个电路来完成每一列的相加过程，如图 3.7 所示
图 3.7
接下来，我们要开始上一点难度了，注意听讲！
在图中， A 和 B 分别是来自‘被加数’和‘加数’的一个比特，它们正好在同一列上；
Ci 是来自右边一列的进位；
Co 是本列产生的进位；
S 是本列的“和”；
为了表明这个电路的用途，我们在图的中间加了一个符号 “∑” 。在数学中，这个符号用来表示 “加”
既然是一个电路，它肯定有一个名字。是的，它叫全加器。这不是一个很容易理解的名字，特别是这个 “全” 字
2、什么是半加器
既然有全加器，是不是还应该有“半加器”？
你别说，还真有半加器这东西。
但是，半加器仅仅是把来自被加数和加数的两个比特加起来，产生一个 “和” 以及一个进位，并不考虑从其他列来的进位
换句话说，它只是用电路来实现二进制加法口诀。全加器则不然，它真正实现了二进制加法中每一列的加法过程，所以它才叫做“全加器”
3、全加器的组合
有了全加器，解决了二进制加法过程中每一列的计算问题，那么，我们可以搞一大堆全加器，根据被加数和加数的比特数，把它们串联起来组成一个完整的加法电路，图 3.8 显示了这一过程
图 3.8
图中，参与相加的两个二进制数分别是 a2/a1/a0（左上三个开关） 和 b2/b1/b0（底部三个开关），组成它们的每一个比特都可以用开关的闭合与断开来得到
随着开关的闭合与断开，我们会得到一些二进制数，比如我们可以让 a2/a1/a0 = 110
因为被加数和加数各自用了3个开关，所以我们只能计算3比特的二进制数，比如110 + 101
如果我们仔细观察的话，会发现它很容易进行扩充，以计算更大的数，只需要串联更多的全加器即可
全新的开始，电与磁
全加器的事情到这里先告一段落，从第四章开始，作者将带领我们一起来回顾电与磁的历史
前几章介绍的二进制啊、全加器电路啊这些都先放一边，开始全新的旅程
1、电能生磁
老实说，尽管从表面上看计算机是神奇的、智慧的，但掩盖不了它实质上只是一种普通电器的事实
这也意味着，要想搞清楚它内部到底是怎么运作的，仅仅靠掌握一些简单的电学知识还不够，还必须了解另外一部叫做电磁学的历史。
没有它所提供的理论知识和电子零件，计算机的发展也就失去了最原始的基础
我们开始吧
1820年的一天，一个偶然的机会，奥斯特发现当电路接通时，离电线很近的磁针会发生偏转
奥斯特的偶然发现说明了一个事实，那就是，电流可以产生磁场
如果我们在一颗钉子上缠绕电线，通电以后这根钉子就会具有磁性，绕的圈数越多，磁力也就会越大，这被称为电磁铁，如图 4.1 所示
图 4.1
2、摩尔斯电码
电学发展的历史还在继续
电磁铁被发明出来以后，在1836年左右，美国发明家摩尔斯在此基础上发明了一种叫做电报的东西
它由不在一个地方的两个装置组成，用很长的电线连接起来
图 4.2
如图 4.2 所示，一旦开关闭合，电磁铁生效，衔铁臂（右上部分）就会被磁性吸引靠近电磁铁；当开关松开，电磁铁失去磁性，衔铁臂又在弹簧的牵引下回到原来的位置
摩尔斯在衔铁臂绑上了一支笔，并在笔的下面放一卷匀速前进的纸，当我们闭合开关时，在纸上打印出一个点 “· ”，闭合的时间稍微长一些，纸上留下一条线 “—” ，这称为“划”
我们可以不停的开合开关，在纸上打印出 "·—··—·——·—···——··—·—" 各种组合图案，再配上解析规则，比如，字母 “A” 是 ·—，字母 “V” 是 ···—，我们就可以通过这样的组合图案来发送信息了
这，就是摩尔斯电码的原理
3、继电器的发明
历史上第一份长途电报是在1844年5月24日发出的，这表明莫尔斯的发明已经具备了实用性
不过，如果线路太长，电阻就会变大。这样，在电报线路的那一头，微弱的电流将不能使电磁铁正常吸合，电报接收机也就不能正常工作
好在我们有继电器，继电器的发明其实比摩尔斯电码要更早一些
1831年，美国科学家约瑟夫·亨利用电磁铁发明了电动门铃，特别适合使用电线来进行长距离敲响门铃
然后于1835年发明电子继电器，它利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象，来控制高电压高电流的另一电路的开合
我们可以在发送电报的电线加装 N 台继电器，这样可以解决长距离输送，电流会变小的问题，如图 4.3 所示。继电器的数量，取决于电报的输送距离
图 4.3 继电器的本质是“续”电
4、磁也能生电
在奥斯特发现电流能产生磁场之后，人们想到，既然电流能够产生磁场，那么反过来，磁场能不能变成电流呢？
1831年的一天，英国的物理学家法拉第做了一个实验
图 4.6 法拉第用来将磁变成电的装置
如图 4.6 所示，左边的电线接开关和电源，这实际上是把整个大铁圈变成了一个电磁铁。
当闭合开关的时候，线圈中有电流通过，大铁圈就产生了磁场，变成了一个磁铁。右边的那个线圈接电流计，当他在给左边的线圈通电时，在电源接通的一瞬间，电流计摆动了一下
就这样，法拉第发现了，当导体在磁场中运动的时候，就能产生电流，磁生电就此诞生
三、结语
电与磁的历史终于结束了，但其实，为了不让文章看起来太长，我故意漏掉了原著中4.4、4.5、4.6 这三个小节的内容，它们分别讲的是：电话的发明、爱迪生大战交流电以及无线电通信的开端
感兴趣的同学可以寄几购买原著翻一翻
从第五章开始，作者将带领我们正式学习和计算机有关的知识，我们下篇文章见
最后，引用作者李忠的一句话作为结尾
"学习计算机就像是考古，我们学习知识不应该和游戏规则一样死记硬背，我更关心每个知识点背后的故事，知识怎么一步步来的"