--- schema_version: "library-reader-v1" source_type: "original_book" title: "编码 隐匿在计算机软硬件背后的语言" author: null edition: null publisher: null year: null isbn: "9787121181184" library_document_id: "38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020" source_sha256: "249786274d83909f0bddc34d77f81ed8f0b14d1eac8843c772a37a3ecbfe2cfc" pdf_physical_page_count: 438 pdf_physical_page_index_base: 0 range_start: 50 range_count: 10 html_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020?start=50&limit=10" markdown_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020.md?start=50&limit=10" previous_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020.md?start=40&limit=10" next_url: "https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020.md?start=60&limit=10" --- # 编码 隐匿在计算机软硬件背后的语言 > 页码规则：PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX 是从 0 开始的权威文件物理页索引；PRINTED_PAGE 是页面中识别出的印刷页码，可能为空，二者不得混用。 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=50 | PRINTED_PAGE=34 注意，现在这两个电池的负极被连在一起。但是这两个回路（电池到开关到灯泡再到电池）依然是相互独立的，尽管现在它们看起来像连体婴儿一样。 这种接线方式被称为公用连接（common)。这个电路的公用部分，从最左端的灯泡和电池的连接点开始，到最右端的灯泡与电池的连接处结束。我们在图中用两个小圆点把这部分连线标示了出来。 我们来进一步检查一下这个电路，以确保使用时不会有意外发生。首先，当你在自己这端闭合开关的时候，你朋友屋里的灯泡就会点亮。红色的线表示出了电路中电流流动的路径。 电路的其余部分没有电流通过，因为没有完整路径可以让电子构成回路。 当你没有发送信息，而你的朋友正在发送时，他房间里的开关控制了你房间里灯泡的亮灭。下图的红线仍然表示电流流经的路径。 当你和你的朋友同时发送信息时，有时两个开关都断开了，有时一个闭合而另一个断开，也有可能两个开关同时闭合。最后一种情况下，电路中电流的示意图如下图所示。 编码隐匿在计算机软硬件背后的语言 34 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=51 | PRINTED_PAGE=35 电路的公用部分没有电流通过。 我们通过公用线路把两个电路合成了一条电路。通过这种方式，把连通两栋房子所需的导线从4根减少到了3根，节约了25%的导线。 如果整个系统必须铺设很长的线路，可能还得绞尽脑汁再削减一根导线以进一步节约开支。遗憾的是，对于眼前这套使用1.5伏干电池和小灯泡的系统来说，这是不可行的。但如果我们把它们换成100伏的电池和大得多的灯泡，问题就迎刃而解了。 以下就是解决的思路：你不必非得用导线来完成电路的共用部分，你可以用其他的东西来代替导线。恰巧我们这儿有一个现成的大球，你可以用它来代替。这个大球直径近7900英里，由金属、岩石、水，以及有机质（其中大部分是没有生命的）组成。我们称这个巨大球体为“地球”。 上一章里，在讲导体的时候提到了银、铜和金，但没有提过岩石层和覆盖层。实际上，泥土并不是一个很好的导体，尽管有一些泥土（例如沼泽）的导电性比其他的（例如干沙）要好一些。但是我们知道导体有一条性质：截面越大导电性越好。一条很粗的导线，其导电性要远远好于一条细导线。这就是地球所拥有的优势。它实在是太大了。 要想用地球充当导体，可不是随便在西红柿地里插根线那么简单。你必须使用跟地球有充分接触的物体，也就是有很大表面积的导体。这儿有个不错的解决方案，即使用-个至少8英尺长、1/2英寸粗的铜柱电极。它提供了与地球150平方英寸的接触面积。你可以用一个大锤子把这个电极砸进地里，然后在上面接上-一根导线。或者，如果你家的水管是用铜做的，并且是从屋外的地下接过来的，那么你可以在水管上接上导线。 关于电流的接地，在英国人们称其为“earth”，在美国叫“ground”。“ground”这个词的含义有一些含混不清，因为它也经常用来表示我们前文中所说的“公用电路”。在本章中，除非特别指明，“ground”都表示物理接地。 5 绕过拐角的通信 35 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=52 | PRINTED_PAGE=36 在电路图中，人们用以下符号表示接地。 电气工程师们一般都会使用这个符号，因为他们不喜欢花时间去描画一个被埋在地下的8英尺长的铜柱。 我们来看看新的电路是如何工作的。先从一个单向的电路开始分析。 如果你使用的是高压电池和大灯泡，你只需要在你和你朋友的房子之间接一根导线，因为可以把地球当成一条导线。 当你闭合开关时，电流就会按下图流动。 电子从你朋友房子的地下出发，经过灯泡、导线和你房间的开关，最后回到电池的正极。而电子最初是从电池的负极传入地下的。 编码—隐匿在计算机软硬件背后的语言 36 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=53 | PRINTED_PAGE=37 你或许还真的很想看到电子从埋在你家后院的8英尺长的铜柱进入地下，然后飞速通过大地到达埋在你朋友家后院的铜柱的情景。 然而每时每刻地球都在充当着全世界成千上万条电路的导线，想到这些，你可能会感到迷茫：电子怎么知道它要去什么地方？其实它们不知道。换一种描述地球的模式或许更恰当些。 没错，地球是一个巨大的导体，但是我们也可以把它看做是电子的来源和储藏库。地球之于电子就恰如海洋之于水滴。地球是一个近乎无尽的电子之源，同时也是一个无比庞大的电子池。 不过地球还是有一定的电阻的。所以当我们使用1.5伏干电池和小灯泡时，不能通过接地来节约我们所需的线路开支。对于低电压电池而言，地球的电阻实在是太高了。 你可能注意到，前面两幅图中所画的电池，其负极都接地了，如下图所示。 以后，我将不再画这个图例了。我将用大写字母“V”（表示电压）来代替它。因此单向的灯泡电报系统的电路示意图就变成了如下这个样子。 字母V是电压的意思，但是它也有吸尘器的意思。我们把V想象成一个电子吸尘器，然后把地面想象成电子的海洋。电子吸尘器通过电路把电子从地下拉出来，让它们沿设计好的线路开始工作（例如点亮灯泡）。 5 绕过拐角的通信 37 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=54 | PRINTED_PAGE=38 大地有时也被认为是零电势（zeropotential）点。也就是说现在没有电压。电压—正如我之前介绍的—是电能做功的势，这与悬在空中的砖所潜藏的势能是类似的。零电势就像放置在地面上的砖一样—已经没有空间可以让它下落了。 在第4章中，我们最初注意到的几个问题之一便是电路是一条回路。不过我们的新电路看起来可不像条回路。实际上，它仍然是。你可以使用负极接地的电池来替换掉字母V，然后把所有接地标志用线连起来。最后就会得到一张与本章开始处一模一样的电路图。 因此，在一对铜柱电极（或者自来水管）的帮助下，我们只用了两根导线，就冲破了你与你朋友家之间围墙的阻隔，构建了一个双向的莫尔斯码发送系统。 这条电路在功能上与之前的那个电路是完全一样的，而在之前那条电路中，我们使用了3条导线来穿越房子之间的围墙。 在本章中，我们已在通信的演变中迈出了重要一步。之前我们使用莫尔斯码交流时，必须要在视线直视的范围里，并且要保证在手电筒光线可以传播的距离之内。 但是使用导线，我们不仅可以构建出一个可以绕过拐角的、能够在视线之外的发报系统，而且我们自已再也无需受距离的限制。我们可以跨越成百上千英里来进行通信，只需要铺设足够长的线路即可。 不过还有个问题。尽管铜是很好的导电体，但是它也不是完美的。线路越长，它们的电阻也就越大。电阻越大，线路中的电流就越少。电流越少，灯泡就越暗。 那么到底我们可以做出多长的导线呢？这要依实际情况而定。假如我们现在使用的是原来的4条导线的双向电路，而没有使用接地和公用电路，并且还用手电筒电池和小灯泡。为了节约成本，也许你先从无线电室（RadioShack，美国出售电器的连锁店）购买了一些20号规格的电话线，花费为每100英尺9.99美元。电话线一般是用来把扬声器连接到立体声音响系统上的。它有两个接头，因而对我们的电报系统来说，也是个不错的选择。如果你和你朋友的卧室之间的距离小于50英尺，这卷电话线就足够了。 编码隐匿在计算机软硬件背后的语言 38 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=55 | PRINTED_PAGE=39 导线的粗细使用美国线径标准（American Wire Gauge，AWG）进行度量。AWG数值越小，导线越粗，电阻也就越小。你买的20号规格的电话线，其直径大约是0.032英寸，大约每1000英尺有10欧的电阻，也就是说在你们卧室间的往返距离—100英尺左右，大约有1欧的电阻。 情况其实不错，但是如果我们需要铺设一英里的线路呢？导线的电阻将大于100欧。记得在上一章中提到过，我们的小灯泡电阻只有4欧姆。根据欧姆定律，可以很容易计算出电路中的电流已经不再是0.75安了（3伏除以4欧)，现在它将变得比0.03安还要小(3伏除以100欧以上)。几乎可以肯定，这点电流不足以点亮灯泡。 使用粗一点的导线是一个不错的解决方案，但是那会比较昂贵。10号规格线（无线电室用来作为汽车耦合线出售，其价格为每35英尺11.99美元，你需要两倍的长度，因为这种导线只有1个接口）大约有0.1英寸粗，不过它每1000英尺只有1欧的阻抗，也就是每英里5欧。 另一种解决方案是增加电压，使用更大电阻的灯泡。例如，一个能够照亮房间的100瓦灯泡，是设计成在120伏电压下工作的（美国市电电压)，大约有144欧的电阻。导线的电阻对整个电路的影响将变得小许多。 在150年前，人们在铺设第一个跨越美洲和欧洲的电报系统时，这些都是面临的问题。如果忽视了线路直径还有高电压的因素，电报线路将完全无法持续工作。根据设计方案，系统距离跨度的极限是200英里。这个长度与纽约和加利福尼亚间数千英里的距离相比，还是有很大差距的。 这个难题的解决方案一不是给手电筒的，而是给“滴滴答答”的近代电报系统的尽管它只不过是个很简陋的装置，但是正是基于这个装置，整个计算机系统才被构建出来。 5 绕过拐角的通信 39 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=56 | PRINTED_PAGE=NOT_DETECTED 电报机与继电器 萨缪尔·芬利·布里斯·莫尔斯（Samuel FinleyBreeseMorse）1791年出生于马萨诸塞州的查尔斯顿镇。这座小镇曾是邦克山战役打响的地方，位于波土顿的东北部。莫尔斯出生那年，距美国宪法制定刚过两年，而当时乔治·华盛顿正处在他的第个总统任期内；叶卡捷琳娜大帝正统治着俄国；路易六和玛莉·安托瓦内特将在2年后的法国大革命中人头落地。然后在1791年，莫扎特完成了他最后一部歌剧—《魔笛XTheMagicFlute)，不久后在35岁时与世长辞。 莫尔斯在耶鲁大学深造，并在伦敦学习艺术。后来他成为了·名成功的画家。他的作品《拉法耶特将军》(GeneralLafayette，1852年)，现在还悬挂在纽约市政大厅。1836年，他以独立候选人的身份参竞选纽约市市长，并获得了5.7%的选票。他还是一个早期的摄影爱好者。莫尔斯接受路易斯·达盖尔（LouisDaguerre）的亲自指点，学习银板照相术，并且拍摄了美国最星的一些银板照片。在1840年，他把这项技术传授给了17岁的马修·布雷迪（MathewBrady)，而布 雷迪后来j同事一起，完成了一组非常有纪念意义的关于美国内战、亚伯拉罕·林肯(AbrahamLincoln)，还有萨缪尔·莫尔斯本人等的摄影作品。 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=57 | PRINTED_PAGE=414 但是，这些只是他兼收并蓄职业生涯中的点缀而已。萨缪尔·莫尔斯之所以被现在的人们所熟知，还是因为他发明的电报机，以及以他名字命名的电码。 全球性即时通信对于我们来说已经司空见惯了，这项技术其实是在近代才得到发展的。回溯到19世纪早期，你也可以进行即时通信或者远距离通信，但是不能同时做到这两点。即时通信受声音传播距离的限制（没有扩音器可以用），或者受视野的限制（或许可以使用望远镜作为辅助工具)。使用信件可以进行更远距离的通信，但是寄信耗费的时间太多，并且需要马匹、火车或轮船。 莫尔斯的发明问世前的几十年里，人们为了提高远距离通信的速度，做过很多尝试。技术上比较简单的方法是，雇用一些人站在山上，作为中继系统，挥旗发出旗语。而在技术上稍复杂的解决方案是，使用带有机械臂的大型装置，代替人做挥旗的工作。 “电报”(telegraph，字面意思就是“远距离书写”)这个想法在19世纪早期就出现了，而且在萨缪尔·莫尔斯1832年开始实验之前，其他的发明家就已经开始研究它了。理论上说来，电报机的原理是很简单的：在线路的这一端采取一些措施，使线路的另一端发生某种变化。这恰好与我们上一章中用手电筒远距离发送信息所用到的方法很一致。不过呢，莫尔斯先生不会用灯泡作为他的信号发生装置了，因为最早的可使用的电灯泡到1879年才被发明出来。作为替代手段，莫尔斯利用了电磁（electromagnetism）现象。 如果你手头有一根铁棒，那么在上面用细导线绕几百圈，然后在导线上接通电流，铁棒就变成了一块磁铁。现在它可以吸引其他的铁块和钢块（电磁铁上缠绕足够多的细导线，会产生足够强的电阻，能防止电磁铁产生短路现象)。断开电流，铁棒将丧失磁性。 电磁铁是电报机的基础。在线路的一端闭合或断开开关，可以使线路另一端的电磁铁有所动作。 实际上，莫尔斯的第一个电报机比后来演化出的版本要复杂。莫尔斯认为，发报系统应该确实能在纸上写出些什么东西，或者就像计算机用户后来描述的那样，“输出一份硬拷贝。”当然，电报机输出的不一定非得是单词，因为那样做就太过复杂了。但是不管是杂乱无章的线条还是点和划，在纸上总应该写些东西。注意，莫尔斯现在一头扎进了一个需要纸张和阅读的模型，这很像瓦伦丁·霍伊（ValentinHaüy）的观点——盲人用的书应该印有凸起的字母。 6 电报机与继电器 414 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=58 | PRINTED_PAGE=42 尽管萨缪尔·莫尔斯在1836年通知过专利局，他成功发明了电报机，但是直到1843年，他才说服美国国会，为其创建了一个公共基金。1844年5月24日，这是历史性的一天，当华盛顿特区和马里兰州巴尔迪摩市之间的电报线路架设完成时，一条信息被成功地传递，内容是圣经中的句子：“What hath God wrought!” 传统电报机中用来发送信息的电键，其外形如下图所示。 它虽然外表奇特，其实只是一个被设计成有“最大开闭速度”的开关而已。如果需要长时间使用电键，最舒适的方法是，用拇指，食指和中指握住手柄，轻击它使其上下移动。保持电键的按下状态一小段时间，就会产生一个“点”的莫尔斯码。按下状态保持的时间更长一些就会产生一个“划”的莫尔斯码。 线路的另一端是一个接收器，它主要是由一块电磁铁拉动一根金属杆构成的。最初电磁铁控制的是一只钢笔。有一个装置通过使用一个压紧的弹簧来拉动一卷纸经过设备，与电磁铁连接着的钢笔就会弹起或落下，在纸上画出点和划。能读懂莫尔斯电码的人员就可以把这些“点”和“划”译成字母和单词了。 当然，我们人类是个懒惰的物种，电报操作员们很快发现，他们可以很容易地通过听钢笔弹起和落下的声音来翻译电码。在传统电报机中的“发声器”的帮助下，钢笔最终被废弃，整个装置看起来如下图所示。 编码——隐匿在计算机软硬件背后的语言 42 ## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=59 | PRINTED_PAGE=43 当电报机的电键被按下时，发声器中的电磁铁拉动上面的活动横杠下降，它会发出“滴”的声音。当松开电键的时候，横杠弹回到原来的位置，发出“嗒”的声音。一次快速的“滴-嗒”声代表点；一次慢速的“滴嗒”声则代表划。 电键、发声器、电池：还有一些导线连接到一起，电报机的电路示意图与前面章节中的手电筒电路图很相似。 正如我们以前所发现的那样，不必非得用两根导线来连接两个电报站。如果地球能为我们提供电路的另一半的话，一根导线就足够了。 就像我们在上一章所做的那样，我们可以把接地的电池用大写“V”表示。因此完整的单向系统如下图所示。 双向通信仅仅需要再增加一个电键和发报人。这与我们前一章中的做法是类似的。 电报机的发明标志着现代通信的开始。人们第一次能够在视线或者听力之外的距离范围进行实时交流了，而且信息传递的速度比骏马疾驰还要快。而更加耐人寻味的是，这个发明使用了二进制码。但是在后来的电子和无线通信（包括电话、无线电、电视）所使用的通信模式中，二进制码被废弃了，直到后来它又被应用在了电脑、光盘、数字 6 电报机与继电器 43 下一段：[继续读取](https://workshop.closeclaw.top/api/ai/read/38270854-596f-4a26-8183-db8c968c6020.md?start=60&limit=10)