计算机硬件的基本特性有哪些？如何利用Python的IDLE开发环境？

对于普通计算机用户来说，计算机程序或应用程序来自因特网或光盘（CD），然后在计算机或智能手机上运行。对于计算机程序员来说，程序是计算机执行的一组指令，用来完成精确定义的任务。实际上，计算机编程不仅是用特定的编程语言（如Python）“编写”这些指令。它涉及许多技能，包括设计软件、设计“算法”、设计“用户界面”（窗口、命令、菜单、工具栏等）、编写并测试代码，以及与软件用户交流互动等。

在本文中，我们将介绍计算机硬件的基本特性，解释编译器和解释器之间的区别，并展示如何使用Python的IDLE开发环境。

1.1　CPU和内存

计算机的核心是中央处理器（CPU）。在个人计算机中，CPU是由微小的硅芯片制成的微处理器。该芯片上刻有数百万个晶体管。晶体管是一种微型数字开关：它控制信号的两种状态，“开”或“关”，即“1”或“0”。微处理器由小于1平方英寸的陶瓷外壳保护，安装在印制电路板（也称为主板）上。主板上还有内存芯片，以及用于连接其他设备的端口（见图1-1）。

图1-1　树莓派3 B型单板计算机，放在3.5平方英寸×2.25平方英寸的印制电路板上

计算机存储器是一系列统一的存储单元，这些单元称为“字节”。

1字节保存8位信息。

1位是最小的信息存储单元：“1”或“0”，“真”或“假”，“开”或“关”。

CPU可以按任意顺序访问内存中的字节。这就是计算机内存被称为“随机存取存储器（RAM）”的原因。同样的内存用于存储不同类型的信息：数字、字母、声音、图像、程序等。这些信息，必须以某种方式编码为0和1的序列。

2019年生产的典型个人计算机具有8GB（千兆字节）的RAM。

1 K字节（KB）= 1024字节 = 210字节，大约一千字节。1 M字节（MB，“兆”）= 1024 K字节 = 220字节= 1,048,576字节，大约一百万字节。1 G字节（GB，“吉”）= 1024 M字节 = 230字节 = 1,073,741,824字节，大约10亿字节。1 T字节（TB）= 1024 G字节 = 240字节。1 P字节（PB）= 1024 T字节 = 250字节。

一页有500～600个单词的文本，没有图片或特殊格式，大约需要3KB的存储空间；一张高分辨率照片可能需要2～3MB的存储空间，而1GB存储空间可以压缩的MP4格式保存数小时的视频。

CPU解释并执行存储在RAM中的指令。CPU获取下一条指令，解释它的操作代码，并执行适当的操作。有些指令用于算术和逻辑运算，有些用于将字节从一个位置复制到另一个位置，还有一些用于改变指令的执行顺序。除非特定指令告诉CPU“跳转”到程序中的另一个位置，否则指令将按顺序执行。“条件分支”指令告诉CPU继续下一条指令或跳转到另一个位置，具体情况取决于前一操作的结果。

以上这些操作都以惊人的速度发生。现代CPU以几GHz的速度运行，每条指令需要一个或几个时钟周期。

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为了更好地了解CPU指令及其执行方式，让我们来看看“汇编语言”，这是一种低级计算机语言。它是你所听过的现代语言的基础，如C++、Java、JavaScript和Python。

图1-2展示了一个非常短的汇编语言程序，用于8088微处理器（在20世纪80年代早期用于最初的IBM PC），其中包含相应指令的十六进制代码（十六进制系统在第6章中解释）和我们的注释。汇编语言代码非常接近实际的机器代码，但它允许你使用名称而不是数字，来表示指令和内存位置。

CPU有几个内置存储器单元，称为寄存器。图1-2中的代码使用的两个寄存器，称为AX和BX。例如，第一条代码（MOV BX, 0000）将0移入BX寄存器。

图1-2　一段8088汇编语言代码

我们将它留给你作为练习（练习题6），请弄清楚这段代码计算的内容。结果存储在BX寄存器中。

计算机代码中的错误称为“缺陷（bug）”，消除程序错误的过程称为“调试（debug）”。

图1-2中的代码是在一个名为debug的程序的帮助下生成的，该程序随MS-DOS操作系统和早期版本的Windows一起提供。调试程序允许程序员以受控方式逐步执行程序，并在每一步检查内存的内容。在程序未按预期工作时，使用调试程序可以帮助发现错误。

1.2　Python解释器

以数字序列的方式来编写程序是非常烦琐的（尽管在计算机时代的早期阶段，程序员就是这么做的）。幸运的是，人们很快意识到，他们可以为编写程序而定义特殊的语言，并使用计算机将程序从高级编程语言转换为机器代码。早期的编程语言有Fortran、COBOL和BASIC。今天流行的语言有C++、C＃、Java和JavaScript等。Python是另一种非常流行的编程语言：它是由荷兰数学中心（Stichting Mathematisch Centrum）的Guido van Rossum于20世纪90年代初发明的。[1]

在高级编程语言中，每个语句都转换为多个CPU指令。图1-3展示了一个用Python编写的函数，它由一个文档字符串（Docstring，三引号中的一段注释，帮助使用该函数）和一些语句组成。

图1-3　用Python编写的函数

用机器语言或汇编语言编写的程序仅适用于具有兼容性CPU的计算机。换句话说，命令/语句限定于特定的CPU。用高级语言编写的程序可以与任何CPU一起使用。例如，它可以在PC或Mac上运行。

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有两种方法，可以将高级编程语言编写的程序转换为机器代码。第一种方法称为“编译”：一种称为“编译器”的特殊程序，检查高级语言编写的程序文本，生成适当的机器语言指令，并将它们保存在一个可执行文件中，该文件可以在计算机上运行。程序编译后，运行该文件就不需要编译器了。第二种方法称为“解释”：一种称为“解释器”的特殊程序，检查程序的文本，生成适当的指令，并立即执行这些指令。解释器不会创建可执行文件，每次运行程序都需要解释器。

编译就像外语教材的书面翻译一样，解释就像在外国人说话的同时进行同声翻译。解释器可以从文件中读取程序，也可以允许你以交互方式逐行输入程序语句。

一些现代语言（如Java）使用混合的方法。首先，它们将程序编译成一种称为“字节码”的中间低级语言，它仍然独立于特定的CPU，但更紧凑，更接近机器语言。然后它们在解释字节码时执行程序。Python也将“模块（函数库）”预编译为字节码。

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程序的文本由相当严格的语法规则控制：你不能简单地输入随心所欲的内容，并指望计算机理解它。

程序中的每个符号都必须位于正确的位置。

在英语或其他自然语言中，你可以拼错一个单词或省略一些标点符号，但仍然可以生成可读的文本。这是因为自然语言具有“冗余”，信息以低于最佳效率的方式传输，但这导致即使它有某种乱码，读者仍可以正确地解释消息（见图1-4）。

图1-4　Lyla Fletcher Groom的故事，5岁（由写作研讨会提供）

编程语言实际上没有冗余，几乎每个字符都是必不可少的。编程中很可能会犯错误，因此编程人员必须学会耐心并注重细节，在修复代码的错误时坚持不懈。

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我们现在准备使用Python。根据开源许可证，Python可免费获得，即使是商业应用程序也是如此。Python许可证由Python Software Foundation管理。

在本书中，我们将使用Python 3，即Python的较新版本。

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早期版本的Python称为“Python 2”。Python 2和Python 3之间存在一些差异——它们不是百分之百兼容。在撰写本书时，Python 3的最新版本是3.7.3。

关于如何下载适用于你的计算机和操作系统的Python安装程序，请参阅其他相关入门教程。

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在编译语言时，你需要创建程序文本，并将它保存在一个文件中，称为“源代码”，然后让源代码文件通过编译器运行，以得到可执行程序。在Python中，你可以从源文件中读取程序，也可以在Python解释器Shell中输入单个语句，并立即查看结果。

使用GUI（图形用户界面）前端运行Python解释器很方便。标准安装的Python附带的GUI称为IDLE（见图1-5）。

图1-5　在Windows系统中，Python的GUI“Shell”，称为IDLE

>>>是Python解释器的“提示符”。提示符是来自程序的信号，表示它正在等待用户输入。用户可以输入语句，当用户按<Enter>键时，解释器会显示结果。

例如，输入：

>>> 2+3 <Enter>

（用户输入以粗体显示）。Python会显示：

5>>>

看起来很不错！这里发生了很多事情。解释器读取你输入的文本行（语句），然后分析文本并发现该语句有两个用+号分隔的数字。分析文本并提取它的组件的过程称为“解析”。

一些小实验会让你相信空格并不重要（只要语句在提示后立即开始，没有前导空格）。例如，你可以输入2 + 3或2 + 3或2 + 3——结果相同。但是如果你输入2 + * 3，你就会得到：

>>> 2+*3      ^SyntaxError: invalid syntax>>> 

现在尝试：

>>> 2(3+4)

你预期会得到14，对吗？没有！你得到的是：

Traceback (most recent call last):  File "<pyshell#4>", line 1, in <module>    2(3+4)TypeError: 'int' object is not callable

显然，Python解释器“认为”你输入的语句有问题。但是，Python（让我们将解释器简称为Python）不是报告语法错误，而是报告了别的内容，这似乎没有什么帮助。TypeError指的是一个对象的“类型”（一个整数、一个函数等），而不是你在键盘上输入的内容。显然Python已经断定你试图用一个名为2的函数调用输入值3 + 4，所以Python告诉你（以它自己神秘的方式），2不是一个函数。你可能会认为Python有时非常愚蠢。事实上，它既不聪明也不愚蠢——它只是一段代码。

同时，你真正的意思是：

>>> 2*(3+4)

也许你认为乘法符号是可省略的，就像在数学中一样。不是这样。正如我们告诉过你：每个字符都很重要！

1.3　使用IDLE

IDLE是一个简单的IDE（集成开发环境），用于编辑和运行Python代码。[2]

可以将简短的程序直接输入Shell：

>>> s = 0>>> for k in range(1, 7):        s += k        print(k, s)1 12 33 64 105 156 21>>> 

但这并不是很实用，因为你必须重新输入每条语句，才能再次运行程序或对它进行小修改。在IDLE中，你可以复制以前的一个语句：将光标向上移动到相应的行，然后按<Enter>键。接着，你可以编辑该语句。

不过，重新输入每行代码太乏味了。将程序语句保存在文件中并从文件中执行程序，这样更实用。包含程序文本的文件称为源文件。Python源文件名的扩展名通常为.py。

你可以用任意的文本编辑器（如记事本）创建源文件。你甚至可以用文字处理程序，只需确保将文件另存为“纯文本”文件，并使用.py的替换文件名中的默认扩展名.txt。但是，编写简短Python程序最简单的方法是使用IDLE自带的内置编辑器。

在IDLE中打开新的编辑器窗口，请从File菜单中选择New File（或按<Ctrl+N>快捷键）。然后输入你的代码。如图1-6所示。

与纯文本编辑器（如记事本）不同，IDLE编辑器“了解”Python的某些特性。例如，它用不同颜色高亮显示了代码的不同元素。对于预期有缩进的语句，IDLE编辑器会自动增加“缩进”（向右移动）：在for、while、if、else的冒号之后。按<BackSpace>键可以减少缩进级别。从File菜单中选择Save As...或按＜Ctrl+Shift+S＞快捷键，将程序保存到文件中。将.py扩展名与文件名一起使用，将文件保存在你选择的文件夹中。例如，C:\PythonProjects。

图1-6　使用IDLE编辑器输入代码

当IDLE编辑器窗口打开并处于活动状态时，你可以通过从Run菜单中选择Run Module或按F5键来测试程序。Python每次都会询问你是否要保存文件（单击Yes），你可以使用Options => Configure IDLE命令来禁用此功能。

如果程序有语法错误，Python会提醒你，并高亮显示第一个错误（发现分号而不是冒号）。如图1-7所示。

图1-7　Python显示语法错误

你可以同时打开多个文件，并在同一窗口中或在不同窗口间剪切和粘贴文本。选中并高亮显示要复制的文本，按＜Ctrl+C＞快捷键复制文本，将光标定位在插入点，然后按＜Ctrl+V＞快捷键粘贴文本。

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