计算机系统简述

目标

计算机世界并非如此神秘。相反，计算机是非常“确定”的一个系统，即在任何时候，在相同的方法、相同的状态下（当然还包括相同的起始条件），同样的问题必然获得相同的结果。其实，计算机并不是什么电子天才，相反，它只是一个电子傻瓜，只会精确地按照我们的要求去执行任务，它本身是没有什么心智的。事实上，计算机这样一个复杂的机体，是由一堆简单的部件，经过精心的组合而成。

本专栏强调的是理解，而不是死记硬背；强调的是软件与硬件结合，而不是软件与硬件的分别教授与学习。本着将软件硬件教学齐头并进的思路，从硬件的基本构件一直讲到软件的高级程序设计与构造，这样能够在学习过程中将软硬件融会贯通、相互印证，从而提高学习的广度、深度和效果，并为后续的计算机专业课如操作系统、计算机系统设计与结构、算法设计与分析、高可靠软件工程理论等打下基础。

最大的特点是提倡层次转换概念，即从问题开始到计算机运算出结果可分为七个层次。通过七个层次的转换，即可完成从问题到结果的转变。这七个层次及其转换是：问题到算法的转换、算法到程序设计语言的转换、程序到指令集结构（ISA）的转换、指令集结构到微观结构的转换、微观结构到电路的转换和电路到电路组件的转换。

经验与体会

为未来做准备：深入底层：系统运行的性能不仅仅取决于编写程序的水平，如果缺乏对系统底层知识的了解，则在面对一些性能问题时会一筹莫展。作为高级程序员，要编写高效率代码，仅仅掌握高级语言本身是不够的。除此之外，我们还需要了解与设备相关的知识（甚至是引脚的定义）。在高级语言编程课中，编译器这个“保护层”将计算机底层的“丑陋细节”都隐藏了。

两个反复出现的理念

一是“抽象”，二是“在脑子里不要对硬件和软件做任何区分”。

学会“抽象”能让我们站在更高的层次看问题，从而将事物的本质表现出来，而将其中的细节隐藏起来；能让我们更有效地利用时间和大脑；能让我们在分析问题时不至于陷入泥潭。此外，我们不仅要具备抽象的能力，还要具备“分解抽象”的能力，这样才能保证问题的顺利解决。这个过程有可以称为“解析”，即从抽象回到具体的过程。抽象技能相当重要，抽象的层次越高越好，它与工作效率成正比。

硬件和软件只是计算机系统中两个组成部分的名称而已；对设计者来说，具体将计算机的某个功能划分给哪部分来实现，以及他们之间如何协同工作，原则只有一个：让计算机工作的最棒。

计算机系统简述

计算机，它是指这样一种机制，即同时在做着两方面的事情：即控制着信息的处理过程，同时也是信息处理过程的具体执行者。所谓“控制信息的处理过程”，指的是它必须决策下一个执行任务是什么，而“处理过程”的执行者，意味着他必须具备“加”、“减”、“乘”等运算能力以产生执行结果。该机制更准确的称谓是“中央处理器（Central Processing Unit，CPU）”。

而大多数人更熟悉“计算机”这个词，它包含了比处理器更多的意思。一个计算机系统由更多的部件组成，除了处理器之外，还包含键盘（用来输入命令）、鼠标（用来点击菜单）、显示器（用来显示计算机系统产生的信息）、打印机（用来打印信息的拷贝）、内存（用来临时存储信息）、磁盘和CD-ROM（用来永久存储信息及很多可以执行的程序或软件）。这些附件的部件更方便了计算机最终用户的使用。

两个非常重要的思想

第一：所有的计算机（不管是最大的还是最小的、最快的还是最慢的、最昂贵的还是最廉价的），只要给予足够的时间和内存，它们所能完成的计算任务是相同的。换句话说，最快的计算机能够完成的事情，最慢的计算机也能完成，只是更慢一些而已；而一个便宜的计算机所不能完成的事情（如果有足够内存的话），对于一个更昂贵的计算机来说，同样也是无法完成的。总之，所有的计算机能够完成相同的事情。只是有些计算机可能做的更快些，但绝不会做的更多。

第二，我们用英语或其他语言给出了一个问题，然而计算机却能通过电子运转（运行程序）来解决这个问题，太奇妙了！至于怎样把用人类语言描述的问题转换成能够影响电子运转的电压，需要一系列的、系统的转换过程。

计算机：通用计算设备

计算机是特别的，要学习计算机的基本原理，必须先了解计算机是怎样工作的？答案在于计算机被称为“通用计算设备（universal computational device）”。

在现代计算机出现之前，曾经出现了很多能计算的机器，其中，有些是模拟机—即机器产生的结果是用可测量的模拟量来表示的（如电压、距离等）。例如：滑动计算尺。模拟机器的缺陷主要是难以提高其精度。于是，数字机出现了，数字机（digital machine）通过一组固定的、有限的数字和字符来完成操作。如：数字手表。但计算机就不一样了。你需要告诉计算机的是“方法”和“任务”，如怎样做加法、怎样做乘法等。而假如你有新的计算任务要实现，就不需要购买或设计新机器了，所要做的唯一事情，就是在原来的计算机上增加一些新的指令或程序即可，这就是为什么我们称计算机为“通用计算设备”的原因。

通用计算的思想产生要归功于Alan Turing（阿兰·图灵）。1937年，他提出了一个大胆的设想：任何计算都可以由这样一台机器来完成，这个机器就是图灵机。他为这类机器给出了一个清晰的数学描述，但没有为之建造一台真正的机器。世界上真正可运行的数字计算机是在1946年才出现的（ENIAC—美国宾夕法尼亚大学）。在计算机领域上，有一个最高奖—图灵奖，相当于“诺贝尔奖”。