本篇目录

接上）

十一、软件工程

1.面向对象编程

2.软件开发工具

十二、集成电路&摩尔定律

1.数字暴政

2.集成电路IC

3.印刷电路板

3.光刻技术

4.摩尔定律

5.技术瓶颈

总结

接上一篇学习笔记（七）

十一、软件工程

为了写各种大型程序，程序员需要用到各种编程方法和工具，这些构成了“软件工程”学科。

1.面向对象编程

1.对象

大型程序一般有很多个函数，具有相关性的函数还可以继续向上抽象，打包成“对象”Object。比如汽车对象中可能包含了“启动引擎”这个函数，也包含了“熄火”这个函数。同时，汽车对象中还包含了“车身颜色”、“座椅数量”等变量。一个程序员负责写好对汽车对象的描述（代码），其它程序员就可以建立一个汽车对象，并且调用其中的功能，而不需要了解汽车对象内部的功能是如何实现的。对象中也可以包含对象，比如一个铅笔对象中可能包含有铅笔芯对象，而一个文具盒对象中可能包含有铅笔对象、钢笔对象等。将变量、函数打包抽象为对象，是按照事物的内在逻辑来进行的，而不是随意的。

2.面向对象

通过这样的将函数打包成对象的编程思想就是“面向对象编程”。程序员在调用对象中的某一个函数时，通常是通过“.”来由外而内层层写出对应的对象名、函数名等，直到找到最内层想要调用的那个函数或者变量。面向对象编程能够封装内部组件，隐藏复杂度。

面向对象编程，有利于将大型项目分成一个个小的单元，让不同程序员方便地协作完成一个大项目，每个人的代码都具有相对独立性。

3.程序编程接口API

有时一个程序员要调用其它程序员写好的对象中的函数，这时就需要“文档”来帮助理解这些代码的功能，以及定义好的“程序编程接口”，即API。API帮助不同程序员合作，不用管代码的具体实现细节，只需要知道这些功能怎么使用就可以了。

一个对象中，有些函数是提供给外部访问的，这些函数的权限就是Public，另外一些函数是只允许对象内部的函数进行调用的，这些函数的权限就是Private。这样做的目的是为了避免外部函数错误地使用内部函数而带来危险。

面向对象编程能够选择性地对外公开功能，做大型项目非常有用。常见的面向对象编程语言有C++、C#、Java、Python等。

2.软件开发工具

1.集成开发环境IDE

程序员可以在记事本或者其它文字编辑器中写代码，但是专业的软件可以提供更多功能，比如代码高亮（提高可读性）、拼写检查、编译工具、源代码管理等。因为这样的软件集成了开发所需要的一切，因此叫集成开发环境，即IDE。

2.调试

程序员会将大部分时间花在代码调试而不是写代码上。IDE可以提供代码调试功能，帮助程序员定位到出错的代码，并提供信息来帮助修改。

3.文档和注释

程序员的另一项重要工作是给代码写文档以及注释。文档一般放在一个“README”文件里，里边说明了这些程序的功能以及使用方法。也可以代码中写注释，使用注释标记就可以在编译的时候让编译器绕过这些注释文本。注释很重要，能帮助程序员自己理清思路、几个月后回来还能理解自己的代码，以及帮助其它程序员理解这些代码（而不是让其它程序员通读代码来理解功能）。

4.版本控制

如果是团队合作的大型项目，那么还需要一个负责“源代码管理”的软件，也叫“版本控制”。大型软件公司会将所有代码放到一个中心服务器上，即“代码仓库”。程序员可以从这个服务器上下载（check out）一段代码，然后修改、增加新功能、测试等，等到测试无误后再“提交”，更新代码仓库中的代码。

当这段代码被check out 并且重新提交了，这说明这段代码可能被改过了，那么其它程序员就不会再来改动这段代码，这避免了重复劳动。如果一些新改动的代码中出现了bug，导致整个软件出现了不稳定性，源代码管理软件可以跟踪所有变化（谁改了什么代码），并且能够使全部或者部分代码回滚到之前的某一个稳定版本。

5.质量控制

写好的代码需要测试，代码的测试可以统称为“质量保证测试”，即QA。通过测试模拟各种情景，尽可能找出所有存在的bug，以保证软件的稳定性。

6.Beta、Alpha版本

beta版本是指软件接近完成，公司有时会向公众发布beta版本，以便让公众帮助公司发现潜在的问题。Alpha版本，一般只是具有雏形，还有许多问题，经常只在公司内部测试。

十二、集成电路&摩尔定律

软件与硬件的发展是相辅相成的。

1.数字暴政

1949-1960年代，计算机都由独立部件（即“分立元件”）组成，然后再用线连接在一起。如果想要更好的性能，就要增加更多的部件，使用更多的线路，计算机变得更复杂，这个问题叫“数字暴政”。

1950年代中期，晶体管开始商业化，用在计算机里。晶体管比电子管更小更快更可靠，但依然是分立元件。晶体管标志着“计算2.0时代”的到来。但是它仍然没有解决数字暴政的问题，越来越复杂的计算机难以设计、难以生产。解决的方法就是，提升新一层抽象，隐藏复杂度。

2.集成电路IC

1958年Jack Killby 演示了一个电子部件，将电路的所有组件都集成在一起，简单说就是将多个组件打包在一起，变成一个新的独立组件。这就是集成电路（IC）。Killby使用锗元素来做集成电路，但是地球中锗元素稀少且不稳定。1959年 Robert Noyce 的仙童半导体使用硅元素来做半导体（硅元素是地壳中含量第二高的元素，且稳定可靠），这让集成电路成为现实。因此，Noyce被公认为现代集成电路之父，开创了电子时代，创造了硅谷（仙童公司所在地，之后许多半导体企业都出现在硅谷）。

3.印刷电路板

起初，一个IC（集成电路）只有几个晶体管，其中集成了一些更小的部件。但这样做仍然需要将这些小的IC连接组装成为计算机。后来工程师们发明了印刷电路板PCB，它通过蚀刻金属线的方式，将零件连接到一起。因此PCB可以大规模生产，无需焊接或者使用一大堆线路。通过PCB与IC的组合使用，工程师们可以大幅减少独立组件和电线，制造更小、更便宜、更可靠的计算机。

3.光刻技术

初级的IC只能集成很少的几个晶体管，为了实现更加复杂的设计，工程师们发展出了光刻技术。

光刻技术简单来说就是用光将复杂图案印到半导体材料上，它通过重复执行几个基础的步骤，来制造出复杂的电路。

① 初始，准备一片硅（像一片硅饼），这叫“晶圆”。硅是半导体，适合制作晶体管，因此可以将复杂的电路都集成到一片晶圆上。

② 在硅片顶部加一层氧化层。

③ 在氧化层顶部加一层光刻胶，这种化学物质在被光照射后会变得可溶。溶解之后的光刻胶可以被特定的化学试剂洗掉。光刻胶一般与光掩模配合使用。

④ 在光刻胶层顶部加一层光掩模。光掩模就像胶片一样，上边有要转移到晶圆上的图案。这些有图案的地方就能够透光。

⑤ 强光照射。光掩模上图案的地方，会透光，于是下一层的光刻胶会溶解。

⑥ 用特定化学试剂溶解的光刻胶之后，这些地方会暴露出氧化层。

⑦ 再用另一种化学物质（通常是一种酸）可以洗掉露出来的氧化层部分，进而蚀刻最下层的硅层。这就是在晶圆上刻下了所需要的图案（电路）。

⑧ 现在晶圆上还有一部分氧化层，这部分氧化层上面还有未溶解的光刻胶作为保护。这时再用一种特定的试剂洗掉这些未溶解的光刻胶。

⑨ 现在有一部分硅是暴露出来的，用“掺杂”（doping）这种化学过程来优化这部分硅的导电性。这一步通常用高温气体（比如磷）来做，渗透进暴露出的硅，从而改变其电学性质。

⑩ 回到②，重复光刻法的步骤，只是光掩模上的图案会有所不同，“掺杂”过程的感温气体也有所不同，蚀刻硅层的深度也有所不同。这样，可以在硅层上制造出晶体管。

①① 最后，在氧化层上做通道，这样可以用细小金属导线，连接不同的晶体管。这一步再次使用光刻胶和光掩模，蚀刻出小通道，接着用一种新的处理方法，“金属化”，在氧化层之上放一层薄薄的金属（比如铝或铜）。之后再次用光刻胶+光掩模，然后强光照射，然后溶解掉暴露的光刻胶、暴露的金属。

①② 这样，晶体管终于做好了，它有三根线连接着硅的三个不同区域，每个区域的掺杂方式不同（电气性质也就不同），这就是双极型晶体管。

这个1962年的真实专利，使得工程师们可以利用光刻技术，制造出晶体管、电阻、电容等各种电子元件，这些元件都集成在一片硅（晶圆）上，并且相互连接的电路也做好了。光刻法一次会做上百万个细节，光可以聚焦到非常小的区域，从而制作出非常精细的细节。一片晶圆可以做很多集成电路，整块晶圆都做好后，可以切割然后包进微型芯片。芯片（chip）的核心都是一小片IC。

4.摩尔定律

随着光刻技术发展，晶体管变小，密度变高。1965年，戈登·摩尔提出了集成电路的发展趋势：每两年左右，同样大小的空间内，晶体管的数量将翻倍。这就是摩尔定律。与此同时，芯片的价格也在急剧下降。晶体管越小，要移动的电荷量就越少，能更快速地切换状态，更省电；电路更紧凑，延迟就进一步降低，时钟速度提高。

1968年，Robert Noyce（仙童半导体公司的创始人）和戈登·摩尔联手成立了一家新公司，名称取自Integrated（集成）的int 以及Electronics（电子）的el，即Intel，这是如今最大的芯片制造商。微型处理器，使用的就是半导体集成电路制作的处理器。集成电路的出现，尤其是用来做微处理器，开启了“计算3.0”时代。

随着技术发展，光刻的分辨率从约一万纳米，发展到如今的7纳米。其它的电子器件（如内存、显卡、固态硬盘等）也在呈指数式发展。超大规模集成（VLSI）软件，用来自动生成芯片设计，有人认为这是“计算4.0”时代的开始。

5.技术瓶颈

但这样的发展可能最终会面临瓶颈，晶体管进一步做小会面临两个大问题。

① 因为光的波长有限，将光掩膜的图案刻到晶圆上的精度已达极限。因此科学家在研制波长更短的光源，以投射更小的形状。

② 当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子，这时电子会跳过间隙，即发生“量子隧道贯穿”。这相当于是晶体管漏电，这样的元件是不可靠的。科学家在努力寻找解决方法。

总结

本篇内容：

1.软件工程

2.集成电路与摩尔定律

计算机基本原理学习笔记（八）相关推荐

计算机基本原理学习笔记（五）
本篇目录接上) 七.中央处理器CPU 1.CPU的结构 2. 提高CPU的速度 (1)硬件 (2)指令集 (3)缓存 (4)指令流水线 (5)超标量处理器 (6)多核处理器 3.超级计算机 4.小结 ...
计算机图形学学习笔记（八）：三维图形变换：三维几何变换，投影变换（平行/ 透视投影）
接上文计算机图形学学习笔记(七):二维图形变换:平移,比例,旋转,坐标变换等通过三维图形变换,可由简单图形得到复杂图形,三维图形变化则分为三维几何变换和投影变换. 6.1 三维图形几何变换三维 ...
评价微型计算机总线的性能指标,计算机组成原理学习笔记（3）：总线
文章目录课程笔记导览附录:英语解释第三章总线 3.1 总线的基本概念使用总线的原因: 总线的定义总线上信息的传送总线结构举例单总线结构面向CPU的双总线结构以存储器为中心的双总线结 ...
计算机图形学学习笔记（七）：二维图形变换：平移，比例，旋转，坐标变换等
接上文计算机图形学学习笔记(六):消隐算法:Z-buffer,区间扫描线,Warnock,光栅图形学小结在图形学中,有两大基本工具:向量分析,图形变换.本文将重点讲解向量和二维图形的变换. 5. ...
计算机组成原理学习笔记（上）
计算机系统概论计算机发展历程原始计算工具中国人的智慧之光机械式计算机西方人的智慧机电式计算机电子计算机 1,最古老的计算工具:算筹 2,冈特计算尺 3,达芬奇机械式计算机 4,1642年 ...
黑马程序员_java自学学习笔记(八)----网络编程
黑马程序员_java自学学习笔记(八)----网络编程 android培训. java培训.期待与您交流! 网络编程对于很多的初学者来说,都是很向往的一种编程技能,但是很多的初学者却因为很长一段时间无 ...
计算机图形学学习笔记（九）：曲线曲面（一）：参数曲线、参数几何代数形式
接上文计算机图形学学习笔记(八):三维图形变换:三维几何变换,投影变换(平行/ 透视投影) 计算机图形学三大块内容:光栅图形显示(前面已经介绍完了 1-8).几何造型技术.真实感图形显示.光栅图 ...
计算机组成原理学习笔记第1章 1.3——实验一计算机性能测试
计算机组成原理学习笔记第1章 1.3--实验一计算机性能测试本篇笔记整理:Code_流苏(CSDN) 目录计算机组成原理学习笔记第1章 1.3--实验一计算机性能测试 0️⃣思维导图(自制) ...
ReactJS学习笔记八：动画
ReactJS学习笔记八:动画分类: react学习笔记 javascript2015-07-06 20:27 321人阅读评论(0) 收藏举报 react动画目录(?)[+] 这里只讨论Re ...

计算机基本原理学习笔记（八）

十一、软件工程

1.面向对象编程

2.软件开发工具

十二、集成电路&摩尔定律

1.数字暴政

2.集成电路IC

3.印刷电路板

3.光刻技术

4.摩尔定律

5.技术瓶颈

总结

计算机基本原理学习笔记（八）相关推荐

最新文章

热门文章

计算机基本原理 学习笔记（八）

十一、软件工程

1.面向对象编程

2.软件开发工具

十二、集成电路&摩尔定律

1.数字暴政

2.集成电路IC

3.印刷电路板

3.光刻技术

4.摩尔定律

5.技术瓶颈

总结

计算机基本原理 学习笔记（八）相关推荐

最新文章

热门文章

计算机基本原理学习笔记（八）

计算机基本原理学习笔记（八）相关推荐