The First Programming Languages: Crash Course Computer Science #11

Summary

这一集的CrashCourse计算机科学课程由Carrie Anne主持，深入探讨了软件的发展历史。起初，编程工作非常繁琐且不灵活，因为需要直接在硬件层面上使用机器语言进行编程。为了简化编程过程，程序员开始寻求更通用的方法，于是软件的概念应运而生。视频介绍了机器语言、汇编语言、以及高级编程语言的发展历程。重点讲述了Grace Hopper博士对高级编程语言的贡献，以及她设计的编译器如何将源代码转换为机器代码。此外，还提到了FORTRAN和COBOL等早期高级语言，它们如何极大地降低了编程的门槛，使计算机科学从专家领域转变为广泛的通用工具。最后，视频展望了编程语言设计的黄金时代，以及它们如何与计算机硬件的进步同步发展，从而让更多人能够快速地实现更伟大的成就。

Takeaways

• 💾 硬件层面编程既繁琐又缺乏灵活性，因此程序员寻求更通用的编程方式，即软件。
• 📏 在设计的CPU中，指令的前四位是操作码（OPCODE），如0010表示LOAD_A指令，将值从内存移动到寄存器A。
• 🔢 计算机硬件只能处理原始的二进制指令，这是机器语言或机器代码，早期编程需要完全使用机器代码。
• 📝 程序员首先在纸上用高级语言（如英语）编写程序，称为伪代码，然后手动将其转换为二进制机器代码。
• 🚀 20世纪40年代末至50年代，程序员开发了更易读的高级语言，使用助记符代替操作码，如LOAD_A 14。
• 🔩 汇编器是将文本指令转换为二进制指令的程序，它隐藏了不必要的复杂性，使编程更容易。
• 🔗 汇编语言与机器代码有直接的一对一映射，因此与底层硬件紧密相关，但仍然要求程序员考虑寄存器和内存位置。
• 🤔 格蕾丝·霍珀博士设计了一种高级编程语言A-0，并在1952年构建了第一个编译器，将源代码转换为低级语言或机器代码。
• 🔑 FORTRAN是IBM在1957年发布的编程语言，它比手写的汇编代码短20倍，并且由编译器转换为机器代码。
• 📈 COBOL是一种高级、易于使用的编程语言，旨在跨不同计算机使用，它实现了“一次编写，到处运行”的概念。
• 🌐 高级编程语言的出现降低了计算机领域的入门门槛，使科学家、工程师、医生等能够将计算融入工作。
• 📚 从20世纪60年代到新千年，出现了多种编程语言，如ALGOL、LISP、BASIC、Pascal、C、Smalltalk、C++、Objective-C、Perl、Python、Ruby和Java等。

Q & A

为什么硬件层面的编程被认为是笨重和不灵活的？

硬件层面的编程直接使用机器语言，这是一种由0和1组成的二进制指令，对人类来说难以阅读和编写。它缺乏高层次的抽象，使得编程工作变得复杂且容易出错，同时也难以适应程序需求的变化。

在计算机科学中，什么是操作码（OPCODE）？

操作码（OPCODE）是机器语言指令中的前四个比特，用来指定计算机执行的操作类型。例如，在假设的CPU中，操作码0010代表LOAD_A指令，即将内存中的值移动到寄存器A。

什么是伪代码（Pseudo-Code）？

伪代码是一种非正式的、高层次的程序描述，通常用英语或其他人类语言编写，用来描述程序的逻辑和步骤，而不涉及具体的编程语言细节。它帮助程序员在编写具体的机器代码之前，先在纸上设计和理解程序的流程。

汇编器（Assembler）的主要功能是什么？

汇编器的主要功能是读取用汇编语言编写的程序，并将这些文本指令转换成对应的机器代码。它通过这种方式，使得程序员可以使用更容易理解的助记符和标签来编写程序，而不是直接使用复杂的二进制机器代码。

为什么汇编语言仍然与底层硬件紧密相关？

汇编语言中的每条指令通常直接对应于机器指令，形成一对一的映射关系，因此它与特定的硬件架构紧密相关。汇编语言的程序员需要考虑具体的寄存器和内存位置，这限制了程序的可移植性，并要求对硬件有一定的了解。

Grace Hopper博士设计了哪种高级编程语言？

Grace Hopper博士设计了一种名为“A-0”的高级编程语言，这是为了提高编程的效率和可读性，减少对底层硬件操作的依赖。

什么是编译器（Compiler）？

编译器是一种特殊的程序，它能够将用高级编程语言编写的“源代码”转换成低级语言，如汇编语言或CPU能直接处理的二进制机器代码。编译器的出现极大地简化了编程过程，使得程序员可以更加专注于程序逻辑而非底层实现。

FORTRAN编程语言是如何影响早期计算机编程的？

FORTRAN（Formula Translation的缩写）是由IBM在1957年发布的，它在早期计算机编程中占据主导地位。FORTRAN语言的平均程序长度比手写的汇编代码短20倍，而且FORTRAN编译器能够将这些代码转换成机器代码。尽管社区最初对它的性能持怀疑态度，但由于程序员能够更快地编写更多的代码，它在经济上是一个容易的选择。

COBOL语言的主要特点是什么？

COBOL（Common Business-Oriented Language的缩写）是一种高级、易于使用的编程语言，它允许程序员一次编写代码，然后在不同的计算机上运行，而不需要针对每种硬件重新编写代码。这种特性被称为“一次编写，到处运行”（write once, run anywhere），它减少了对特定硬件的依赖，提高了代码的可移植性。

高级编程语言的出现如何降低了计算机领域的入门门槛？

高级编程语言的出现使得非计算机专家和爱好者，如科学家、工程师、医生、经济学家和教师等，都能够将计算纳入他们的工作。这些语言通过提供更高层次的抽象，隐藏了底层的复杂性，使得编程变得更加容易和可访问，从而降低了计算机领域的入门门槛。

编程语言设计中的“黄金时代”是指什么时期？

编程语言设计中的“黄金时代”指的是20世纪60年代至90年代，这一时期出现了许多重要的编程语言，如ALGOL、LISP、BASIC、Pascal、C、Smalltalk、C++、Objective-C、Perl、Python、Ruby和Java等。这些语言的出现与计算机硬件的显著进步并行，推动了编程语言设计的快速发展。

为什么说编程语言的抽象能力对于创建复杂程序至关重要？

编程语言的抽象能力允许程序员创建复杂的程序而不必深陷底层硬件细节。这种抽象使得程序员能够使用更接近自然语言的构造来表达算法和逻辑，从而减少了编写、维护和理解代码的工作量。高级编程语言的这种特性使得创建需要数百万甚至数千万行汇编代码的复杂程序成为可能。