打开浏览器、播放音乐、输入消息，计算机几乎立刻就会作出响应。但究竟是什么告诉计算机，应该怎样完成这些事情？
答案要从计算机程序说起。
欢迎回到 Gate & Kernel。在这里，我们从数字逻辑到操作系统，一起探索计算机的工作原理。
这是编程基础系列的第一课。后续课程将使用 C 语言讲解，但今天不需要任何编程经验。我们先理解所有程序背后的基本思想：描述一组计算机能够执行的操作。
第一章：什么是计算机程序？
计算机程序，是以计算机系统能够执行的形式表达的一组指令。“执行”就是按照指令完成相应的操作，我们也把执行程序称为“运行程序”。
程序可以计算总价、显示图片、处理键盘输入，也可以控制机器的某个部分。有些程序很小，只完成一项任务；另一些程序则由许多相互连接的部分组成，能够支持复杂的活动。
例如，计算器程序需要接收数字、确定运算方式，再显示结果。网页浏览器的任务更多：接收信息、解释网页、显示文字和图片，并响应用户的操作。
虽然规模不同，但它们都依靠指令来规定应该发生什么。
编程，就是设计、编写、测试和改进这些指令的过程。
第二章：硬件与软件
理解程序之前，需要先认识两个概念：硬件和软件。
硬件是计算机中实际存在的物理部件，例如处理器、内存芯片、存储设备、键盘和显示器。软件则包括程序及其相关资源，例如配置信息和辅助数据。
音乐播放器应用属于软件，发出声音的扬声器属于硬件。
中央处理器，英文缩写为 CPU，负责执行机器指令。机器指令是按照处理器能够识别的形式编码的基本操作。
内存，通常指 RAM，用于保存正在使用的指令和数据。存储设备，例如固态硬盘，则可以在计算机关机后继续保存文件和程序。
这些部分相互配合：软件规定操作，硬件完成执行这些操作所需的实际工作。
第三章：指令与数据
程序需要处理数据。数据，就是以计算机能够存储和处理的形式表示的信息，包括数字、文字、图像和声音等。
以一个简单的加法为例：7 加 5 等于 12。
7 和 5 是输入数据，指令要求计算机执行加法，12 则是计算结果。
这里有一个重要区别：指令描述要执行的操作，数据提供这些操作所处理的内容。
对于音乐播放器，程序中的指令规定如何读取和处理音频信息，而歌曲文件提供数据。对于图片编辑器，指令规定各种编辑操作，而照片提供图像数据。
因此，同一个程序接收到不同数据时，可以产生不同结果。计算器不需要为每一组数字准备一个独立程序，同样的加法操作可以处理许多不同的输入。
第四章：输入、处理与输出
许多程序都可以通过三个概念来理解：输入、处理和输出。
输入，是程序接收到的信息。处理，是程序对这些信息执行的操作。输出，是程序产生的信息或结果。
假设我们要编写一个程序，计算购买若干本相同笔记本的总价。
用户输入一本笔记本的价格和购买数量，这些数值就是输入。程序将单价乘以数量，这一步就是处理。最后，程序显示总价，这就是输出。
输入不一定来自键盘，也可以来自文件、传感器、网络连接或其他程序。输出也不一定显示在屏幕上，程序还可以保存文件、发送消息、播放声音，或者向设备发出控制命令。
有些程序处理一次请求后就结束，另一些程序则会在运行期间不断接收输入、产生输出。
第五章：程序需要明确的步骤
人与人交流时，经常会省略一些细节，因为对方可以根据经验补充理解。例如，你让一个人计算购物总价，他通常知道应该把各项价格加起来。
程序则需要明确规定相关操作。
对于购买笔记本的例子，我们可以把步骤写成：
1. 获取一本笔记本的价格。
2. 获取购买数量。
3. 将单价乘以数量。
4. 显示计算结果。
这种为解决问题而制定的明确步骤，称为算法。
算法描述如何完成任务，程序则用编程语言表达这些步骤，并加入实际运行所需的细节。例如，完整程序还需要处理用户怎样输入信息，以及输入无效时应该怎么办。
在编写代码之前，可以先问自己三个问题：我们已经有哪些信息？我们希望得到什么结果？需要哪些步骤才能从输入得到结果？
第六章：程序可以作出判断
程序并不总是执行完全相同的操作，它可以根据条件选择下一步做什么。
条件，就是一个用于判断的测试，其结果决定接下来采取哪种操作。
假设笔记本商店规定，订单总价达到 50 美元即可免运费。程序可以按照这样的规则执行：如果总价不少于 50 美元，运费就是零；否则，增加运费。
这就是条件判断。程序检查总价，然后沿着相应的执行路径继续运行。
同样的思想也出现在许多日常程序中。登录系统检查是否满足访问条件，游戏检查玩家是否拥有足够的积分，温度控制程序检查温度是否低于设定值。
当我们说程序“作出决定”时，意思是它检查某个条件，再按照预先规定的规则处理判断结果。
第七章：程序可以重复执行任务
计算机的重要用途之一，是快速重复执行操作。
循环，就是让一组操作重复执行的编程结构。
假设要计算 100 件不同商品的总价。如果为每件商品分别编写一个加法步骤，会很繁琐。程序可以重复执行一套通用步骤：
1. 将总价设为零。
2. 取得下一件商品的价格。
3. 把这个价格加到总价中。
4. 重复执行，直到所有商品都处理完毕。
5. 显示总价。
每次重复执行的操作类型相同，但处理的商品价格可以不同。
循环可以重复固定次数，也可以在某个条件成立时继续执行，或者持续运行直到收到停止要求。例如，监测传感器的程序可以反复获取读数并检查数值。
顺序、判断和重复，是描述许多程序任务的基础。其中，顺序就是按照一定次序执行操作。
第八章：什么是编程语言？
编程语言，是用于表达程序的形式化语言。常见的编程语言包括 C、C++、Python 和 Java。
每种语言都有规定程序如何书写的规则，这些规则称为语法。就像自然语言中的标点和词序帮助组织句子一样，编程语言的语法帮助组织代码。
程序员编写的文本称为源代码。
下面是一小段 C 语言源代码：
int total = 7 + 5;
现在不需要记住具体写法。可以先把它理解为：计算 7 加 5，并用结果初始化一个名为 total 的整数变量。
整数是不带小数部分的数，例如 7、0 和 −3。变量可以先理解为程序中用名称标识、用于保存数值的位置。初始化，就是在创建变量时为它设置初始值。
这里的 total 是变量名，后续代码可以通过这个名称使用保存的值。末尾的分号用于结束这条声明。
语句是表达操作或控制程序执行的代码单位，声明则用于介绍变量等名称及其类型。现在不必深入区分它们，后续课程会结合实例逐步讲解。
这行代码只是程序的一部分，但它展示了编程语言的作用：让我们能够准确表达希望计算机完成的操作。
第九章：源代码怎样变成计算机可以运行的程序？
处理器不会直接把 C 语言源代码当作机器指令执行，需要软件工具对它进行翻译和处理。
编译器，是把源代码转换为另一种形式的程序。在典型的 C 语言开发流程中，编译过程会生成包含机器代码的中间文件。
机器代码，是处理器能够执行的指令的编码形式。
链接器随后把所需的已编译部分组合起来，并连接它们之间的引用，帮助生成可执行文件。例如，一部分代码调用另一部分代码中的函数时，需要建立相应联系。
可执行文件，是按照操作系统能够加载并运行的格式组织的文件。
后面的课程会专门介绍这一过程。现在只需要理解：程序员编写源代码，开发工具将它转换为可以运行的形式。
不同语言及其实现方式，可能采用不同的执行方法。有些使用解释器，也就是负责执行代码所描述操作的程序；有些则结合解释和编译。
另外，一条源代码语句不一定对应一条机器指令。工具可能将它转换为多条指令，也可能在运行之前简化相关计算。
第十章：运行程序时会发生什么？
保存在硬盘上的程序，与正在运行的程序，并不是同一个概念。
启动应用程序时，操作系统会为它准备执行环境。操作系统是负责管理计算机资源、向程序提供服务的系统软件，Windows 和 Linux 都是操作系统。
程序运行起来之后的一个实例，称为进程。
系统为进程安排内存，并分配使用 CPU 的机会。程序在运行时按照指令处理数据，也可能请求操作系统提供服务，例如读取文件或接收网络信息。
同一个程序可以拥有多个运行实例，每个实例可以处理不同的数据。
例如，两个计算器程序实例可以分别进行不同的计算，即使它们来自同一个可执行文件。
等编程基础建立起来后，我们会继续深入学习进程和操作系统服务。
第十一章：程序出错时会怎样？
程序可能包含错误。软件缺陷通常称为 Bug。
有些错误违反编程语言的规则，编译器能够发现其中许多问题，并提示程序员修改代码。
另一些错误不会阻止程序运行，却会导致错误结果。
例如，笔记本总价程序本来应该把单价乘以数量，却错误地执行了加法。如果单价是 4 美元、数量是 3，程序就会得到 7，而正确结果应该是 12。
加法本身是有效操作，但解决问题的逻辑错了。这类在步骤或推理上出现的错误，称为逻辑错误。
程序还可能在运行过程中遇到文件不存在、输入无效等问题。
测试，是检查程序行为是否符合预期。调试，是调查、定位并修正程序缺陷的过程。
因此，编程不仅是让代码运行起来，还需要确认它能够完成预期任务，并正确处理相关情况。
第十二章：小练习——先描述程序，再编写代码
即使还没有学会编程语法，也可以开始练习编程思维。
假设我们需要一个比较两个数字的程序。它的任务是报告哪个数字更大，或者说明两者相等。
先考虑三个问题：它需要什么输入？它需要作出哪些判断？它应该产生什么输出？
这个程序需要两个数字作为输入。
首先，检查第一个数字是否大于第二个。如果是，就报告第一个数字更大。
否则，再检查第二个数字是否大于第一个。如果是，就报告第二个数字更大。
如果两个数字都不大于对方，就报告它们相等。
可以用三组数据检查这个过程：8 和 3、3 和 8，以及 5 和 5。这三组数据分别对应三种可能的比较结果。
这样，你已经描述了一个简单算法，并选择了几个测试案例。后续课程中，我们会用 C 语言表达这样的处理步骤。
第十三章：总结
计算机程序描述了计算机系统能够执行的操作。
程序处理数据，按照顺序执行步骤，根据条件选择操作，并通过循环重复完成任务。
编程语言让我们能够用源代码表达这些操作，编译器、解释器及其他工具则帮助代码运行起来。
创建一个有用的程序，需要理解任务、制定明确步骤、编写代码，并检查结果。
开始学习时，不需要先掌握计算机的所有内部机制。可以从一个小问题出发，确定输入和输出，再把处理步骤说明白。
下一课，我们将介绍 C 语言：它是什么、能够用来做什么，以及为什么本系列选择使用它。