把程序变成数据

第 1 站的痛苦有一副统一的解药：如果程序也能像数字一样存在内存里，那么换程序就只是换数据——一根线都不用动。 这一步叫存储程序（stored program）。而它顺手带来的第一个小麻烦，就是引导程序。

1945：一个大胆的想法

1945 年，冯·诺依曼（John von Neumann）和同事为下一台机器 EDVAC 写了一份报告， 把一件事说清楚了：指令和数据可以住在同一个内存里。 机器从内存里取出一个数字，如果把它当“指令”用，就执行它；把它当“数字”用，就拿它去算。

这个想法不是他一个人想出来的：ENIAC 团队在讨论中已经有了它，图灵 1936 年的“万能机器”也指向同一个方向。 所以今天更准确的说法是“存储程序结构”，而不是“冯·诺依曼结构”。

好处立刻看得见：

• 换程序 = 换内存里的内容，不用碰电线。
• 程序可以被复制、被搬走、被别的程序读进来。
• 程序甚至可以修改自己的指令（早期程序员真的这么用，后来发现这很容易出乱子）。

1948 年 6 月 21 日：小宝宝第一次跑起来

曼彻斯特大学的一台小机器，被大家叫作“小宝宝”（Manchester Baby）。 它是第一台真正把程序存进内存、然后照着跑起来的电子计算机。它的内存小得可怜：只能装下 32 个 32 位的“字”。

它跑的第一个程序是一个测试：找出 2¹⁸（也就是 262144）的最大因数。 机器算了几十分钟，给出了答案 131072。 这台机器没有键盘，程序是用一排开关一个一个拨进去的。

程序怎么“进去”？——引导程序

内存有一个坏脾气：一断电就忘光。所以每次开机，都得重新把程序放进去。 于是有了层层接力：

1. 人用机器前面板的开关，先拨进去一小段很短的指令（通常只有几十条以内）。
2. 这一小段指令唯一的任务，是从纸带、打孔卡或磁盘里读进一个更大的程序。
3. 那个更大的程序，再把操作系统读进来。

这段“先把自己拉起来”的小程序，英文叫 bootstrap loader（引导程序）。

程序进来靠纸带，进机器之前先变成一排排的孔。图片：Geni · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons 图片：TedColes · 公有领域 · Wikimedia Commons

手写机器码的日子

有了存储程序，程序员开始在纸上“手写机器码”。那是一种什么样的体验？

• 机器只认数字。 一条指令就是一个数字：比如某个编码表示“把 12 号地址里的数装进累加器”，另一个编码表示“如果结果是 0 就跳走”。
• 人要查表。 想把脑子里的想法变成程序，得对着指令表一条条翻译。早期常用八进制或十六进制写——比一长串 0 和 1 短得多，好念、好抄、不容易看错。
• 改错要动剪刀。 打孔纸带上写错了，就剪断纸带、用胶带贴上，再在正确的位置重新打洞。这是真的“物理修补”。
• 地址要自己算。 程序和数据挤在同一个内存里，第几条指令在哪个地址，全靠人一遍遍数。数错一位，机器就会跳到一个不存在的地方，然后一动不动。

1975：Altair 8800，一排开关的浪漫

1975 年，第一台让普通人买得起的微型计算机 Altair 8800 上市。 它的面板上没有键盘、没有屏幕，只有一排开关和一排红灯。

开机时，用户照着杂志上的表格，把二十几条指令的引导程序一个开关一个开关地拨进去， 再用它从纸带机里读入 BASIC 语言——这时候，才终于能开始写自己的程序。 也就是说：每次开机都要重新拨一遍，才能用上键盘。

为什么这段“痛苦”不能跳过

因为它是整条链条的根。 后面所有好用的东西——汇编器、编译器、操作系统——都必须由某一段已经存在、已经能跑的东西读进来、跑起来。 而链条最底下那一段，一定是人用手指拨进去的。

小结

存储程序把程序变成了数据：能复制、能搬运、能被别的程序读进来。 于是历史上第一次，程序可以处理程序——这是自举的必要条件。

可是机器只懂数字，人脑子里装的却是想法。这中间的落差，就是第 3 站要解决的： 造一个翻译官，让人写字，让机器干活。