一天弄懂计算机科学之体篇

首先就是计算机科学到底是什么？这个领域主要做的是什么事情？ 计算机科学并不是关于如何让你熟悉理解操作计算机的， 计算机科学考虑的是：如何理解信息，记录信息，以及处理信息。

如何理解信息

信息是什么？信息是可能性的反面：确定性。 一件事情有可能发生，然后告诉你实际发生了，这就是信息。 比如我们知道明天有可能下雨，然后有一个神仙告诉你明天实际会不会下雨，这就是信息。

信息与信息之间是有度的区别的，告诉你明天是否下雨，以及一个人生日的信息量是不同的。 那么如何衡量信息的大小呢？可以用概率来看。概率越低，信息量越大。 比如明天是否下雨的概率是1/2，一个人生日的概率是1/365。

我们定义信息量：2^信息量=1/概率，下雨的信息量是1，生日的信息量是8.5左右。

如何记录信息

知道信息是什么了之后，我们可以考虑如何记录信息。 比如我们需要存储一个字符串，一个字符的信息量就是所有可能的字符， 比如简单的ASCII编码，有255种均等可能的字符，信息量就是8。 我们可以以1-255之间的数字定义一个字符，比如A就是65。

然后我们去寻找可以存储信息的介质。 任何有状态的介质都可以存储信息，比如算盘，小石子放在格子里面之类。 我们可以根据状态的数量来判断一个介质能够存储多少信息量， 比如算盘一个5串的格子，有6种状态，可以存储的信息量就是2.5。 然后可以把字符串编码到这个介质上面，一个字符需要4个格子提供足够的信息量。

因为格子的信息量足够，我们可以有很多种方法把字符映射到算盘上面。 但是我们需要一种通用的方式来做这样的事情，这样我们可以很容易切换到其他介质上面去。 最好的方法是提供一种中间编码形式，字符编码转换成这个编码，然后这个编码转换到介质上。 我们用的是二进制，用这种0100这种方式表示。 因为一个字符只有两种状态，方便编码转换。

我们来看如何把一个字符转换到算盘上面。 A=65=01000001，二进制编码到算盘也很简单， 算盘的一格可以对应二进制的两位，算盘拨动1-4格4种状况就可以了。 当然有更省存储空间的算法，我们会在后续介绍。

我们可以寻找更便宜的存储介质， 现在用的是磁性介质（硬盘），二极管（内存，闪盘等）， 一个1T磁盘可以存储1024^4个字符，每个字符占用二进制的8位，一个磁盘就可以存储8T多的信息量。

如何处理信息

我们来到了最有趣的部分：如何处理信息。

我们需要理解处理信息的本质，然后再思考，如何创造一个机器来实现信息的处理。

比如我们需要把一张自拍照美化，其中的一个步骤就是把图片变白。 用信息化的处理方式,就是把每个点按照RGB的方式编码， RGB代表三原色，每个原色用0-255表示亮度，000就是黑色，255-255-255就是白色。 我们把每个原色的权重加一个百分比，比如原先100就变成150，这样就实现了照片的美化处理。

也有一些简单的方法，比如打印照片，打光，重新拍一张，或者专门做一个处理照片的机器。 但是为什么要实现一台通用的处理信息的机器，来处理这个任务？

因为几个原因：

• 这个机器有很大的潜能，一秒钟内就可以处理好这个照片
• 我们只需要对机器的指令做很简单的修改，就可以支持其他类似的工作
• 数据是信息化的，可以快速方便地无限分发

而创造这样的通用计算机器是可以做到的，方法是把所有信息处理的动作分解，一直到可以通用的动作，然后再通过机器实现就可以了。

其中的一种通用的计算机模型如下：

• 带有存储信息和指令的存储介质（指令本身也是信息）
• 带有一组快速存储介质（我们叫他们寄存器），可以与各类运算和处理单元交互
• 一个寄存器指向存储介质的一个地址，地址上带有让机器执行的指令，我们叫这个指令寄存器
• 机器根据指令寄存器指向存储介质地址的指令，控制各类运算和处理单元对寄存器上面的数据进行处理，包括这个指令寄存器本身！可以进行的操作包括：
  • 数学运算：加减乘除，逻辑运算之类
  • 状态查询：比如判断两个寄存器是否相等之类，保存结果到一个状态寄存器
  • 条件判断：根据状态寄存器的结果进行特定的操作，比如指令寄存器地址加一
  • 数据移动：把寄存器数据保存到存储介质，或者从存储介质读取数据到寄存器

比如上面的照片处理，可以用这个机器实现。机器的指令也保存在存储介质里面，具体如下：

• 照片数据预先存放在存储介质上，按照RGB方式编码
• 操作指令也存放在存储介质上，机器的指令寄存器设置到这个地址，开机

指令列表：

• 起始：读取照片数据地址到寄存器A
• 读取照片数据结尾地址到寄存器B
• 循环：从照片数据地址读取一个点的数据到寄存器C
• 寄存器C加10%
• 寄存器A加一
• 判断寄存器A和B相等，如果相等跳过下一步指令
• 设置指令寄存器值为循环地址（下一步机器就会跳转到前面开始的地方）
• 设置指令寄存器值为结尾地址
• 结尾：停机

这些指令实际上的操作就是：转移数据，对数据进行运算，同时机器下一步执行的指令位置也是可以通过数据来操作的。 我们可以通过逻辑证明，带有这样功能的机器，可以把存储介质的状态，设置成任意我们想要的状态，从而证明这是一台可以进行通用信息处理的机器。

我们可以用各种方式来实现这样的通用计算机器， 比如机械齿轮，水力，算盘，甚至人工，但是最后我们会选择性能最好，价格最便宜的方案，现在就是用二极管，集成电路， 每秒可以进行几十亿次的运算。

以上内容就是信息科学的部分，我们知道信息的本质是什么，以及信息本身是以什么方式存在，然后是如何处理信息， 之后我们可以利用这些原理，创造出来计算机，以及配套的支持环境，来实现所有的信息存储，操作和处理。