計算機硬體pdf

Ⅰ ★有幾個關於計算機硬體的問題想請大家幫我找下★

計算機的全名應該叫「通用電子數字計算機」（General-Purpose Electronic Digital Computer）。這個名稱說明了計算機的許多性質。

「通用」說明計算機不是一種專用設備，我們可以把它與電話做一個比較。電話只能作為一種通訊工具，別無他用。而計算機不僅可以作為計算根據，只要有合適的軟體，它也可以作為通訊工具使用，還能有無窮無盡的其他用途。

「電子」是計算機硬體實現的物理基礎，計算機是非常復雜的電子設備，計算機的運行最終都是通過電子電路中的電流、電位等實現的。

「數字」化是計算機一切處理工作的信息表示基礎。在計算機里，一切信息都是採用數字化的形式表示的，無論它原本是什麼。無論是數值、文字，還是圖形、聲音等等，在計算機里都統一到二進制的數字化表示上。數字化是計算機的一種基本特徵，也是計算機通用性的一個重要基礎。

「計算機」意味著這是一種能夠做計算的機器。計算機能夠完成的基本動作不過就是數的加減乘除一類非常簡單的計算動作。但是，當它在程序的指揮下，以電子的速度，在一瞬間完成了數以萬億計的基本動作時，就可能完成了某種很重大的事情。我們在計算機的外部看到的是這些動作的綜合效果。從這個意義上看，計算機本身並沒有多少了不起的東西，唯一了不起的就是它能按照指揮行事，做得快。實際上，更了不起的東西是程序、是軟體，每個程序或軟體都是特殊的，針對面臨的問題專門設計實現的東西。

目前對計算機的另一種流行稱呼是「電腦」，這是從香港台灣轉播開來的一個譯名，目前使用很廣泛。實際上這個名稱並不合適，很容易把人的理解引到錯誤的方向（或許這正是一些人有意或無意的目標）。我們從來不把原始人用於打樹上果子的木棍稱為「木手」，也不把火車稱為「鐵腳」。因為無論是木棍還是火車，雖然各有其專門用途方面的力量，各有其「長處」，但它們都只能在人手腳功能中很窄的一個方面有用，與手腳功能的普適性是根本無法相提並論的。同樣，計算機能幫助人完成的也僅僅是那些能夠轉化為計算問題的事項，與人腦的作用范圍和能力相比，計算機的應用范圍也是小巫見大巫了。

計算機的核心處理部件是CPU（Central Processing Unit，中央處理器）。目前各類計算機的CPU都是採用半導體集成電路技術製造的，它雖然不大，但其內部結構卻極端復雜。CPU的基礎材料是一塊不到指甲蓋大小的矽片，通過復雜的工藝，人們在這樣的矽片上製造了數以百萬、千萬計的微小半導體元件。從功能看，CPU能夠執行一組操作，例如取得一個數據，由一個或幾個數據計算出另一個結果（如做加減乘除等），送出一個數據等。與每個動作相對應的是一條指令，CPU接收到一條指令就去做對應的動作。一系列的指令就形成了一個程序，可能使CPU完成一系列動作，從而完成一件復雜的工作。

在計算機誕生之時，指揮CPU完成工作的程序還放在計算機之外，通常表現為一疊打了孔的卡片。計算機在工作中自動地一張張讀卡片，讀一張就去完成一個動作。實際讀卡片的事由一台讀卡機完成（有趣的是，IBM就是製造讀卡機起家的）。採用這種方式，計算機的工作速度必然要受到機械式讀卡機的限制，不可能很快。

美國數學家馮·諾依曼最早看到問題的症結，據此提出了著名的「存儲程序控制原理」，從而導致現代意義下的計算機誕生了。

計算機的中心部件，除了CPU之外，最主要是一個內部存儲器。在計算機誕生之時，這個存儲器只是為了保存正在被處理的數據，CPU在執行指令時到存儲器里把有關的數據提取出來，再把計算得到的結果存回到存儲器去。馮·諾依曼提出的新方案是：應該把程序也存儲在存儲器里，讓CPU自己負責從存儲器里提取指令，執行指令，循環式地執行這兩個動作。這樣，計算機在執行程序的過程中，就可以完全擺脫外界的拖累，以自己可能的速度（電子的速度）自動地運行。這種基本思想就是「存儲程序控制原理」，按照這種原理構造出來的計算機就是「存儲程序控制計算機」，也被稱做「馮·諾依曼計算機」。

到目前為止，所有主流計算機都是這種計算機，這里討論的都是這種計算機。（隨著對計算過程和計算機研究的深化，人們也認識到馮·諾依曼計算機的一些缺點，開展了許多目的在於探索其他計算機模式的研究工作。但是到目前為止，這些工作的成果還遠未達到製造出在性能、價格、通用性、自然易用等方面能夠與馮·諾依曼計算機匹敵的信息處理設備的程度。這里我們就不打算進一步介紹這些方面的情況了。）

從CPU抽象動作的層次看，計算機的執行過程非常簡單，是一個兩步動作的簡單循環（圖1.5），稱為CPU基本執行循環。CPU每次從存儲器取出要求它執行的下一條指令，然後就按照這條指令，完成對應動作，循環往復，直到程序執行完畢（遇到一條要求CPU停止工作的指令），或者永無休止地工作下去。

CPU是一個絕對聽話、服從指揮的服務生，它每時每刻都絕對按照命令行事，程序叫它做什麼，它就做什麼。CPU能完成的基本動作並不多，通常一個CPU能夠執行的指令大約有幾十種到一二百種。另一方面，實際社會各個領域里，社會生活的各個方面需要應用計算機情況則是千差萬別、錯綜復雜。這樣簡單的計算機如何能應付如此繽紛繁雜的社會需求呢？答案實際上很簡單：程序。通過不同指令的各種適當排列，人可以寫出的程序數目是沒有窮盡的。這就像英文字母只有26個，而用英文寫的書信、文章、詩歌、劇作、小說卻可以無窮地多一樣。計算機從原理上看並不復雜，正是五彩繽紛的程序使計算機能夠滿足社會的無窮無盡的需求。

計算機的這種工作原理帶來兩方面的效果。一方面，計算機具有通用性，一種（或者不多的幾種）計算機就能夠滿足整個社會的需求，這使得人們可以採用大工業生產的方式進行生產，提高生產效率，增強計算機性能，降低成本。這使得計算機變得越來越便宜，與此同時性能卻越來越強。另一方面，通過運行不同的程序，不同的計算機，或者同一台計算機在不同的時刻可以表現為不同的專用信息處理機器，例如計算器、文字處理器、記事本、資料信息瀏覽檢索機器、帳本處理機器、設計圖版、游戲機等等。甚至同一台計算機在一個時刻同時表現為多種不同的信息處理機器（只要在這台計算機中同時運行著多個不同的程序）。正是這種通用性和專用性的完美統一，使得計算機成為人類走向信息時代過程中最銳利的一件武器。

我們說CPU並不復雜，這是從原理上講的。而今天最先進的CPU又是極端復雜的東西，甚至可能是人類有史以來製造出的最復雜產品。產生這種情況的原因很多，這里列舉其中最重要的兩個：

第一，人們對CPU性能的要求越來越高，因為需要由計算機完成的工作越來越復雜（現實社會總是不斷提出新問題，要求用計算機解決。一個復雜問題解決了，人們就看到了另一個更復雜的問題解決的希望，因而會去努力），完成一項工作需要執行的指令數越來越多。一個永遠也不能克服的困難是，計算機執行指令需要時間（請讀者記住計算機的這個本質性的缺點，這對於理解計算機是極端重要的）。雖然目前計算機執行指令的速度已經快得驚人（每秒鍾可以執行數以億計的指令），對於人希望用計算機解決的最復雜任務而言，CPU的速度將永遠是太慢了。為提高CPU在實際計算中的速度，人們開發了許多巧妙技術，而實現這些技術就大大地增加CPU本身的復雜性。

第二，需要用計算機處理的數據的情況越來越多。早期的計算機主要是處理數值性數據，例如整數、實數（在計算機里用一種稱為「浮點數」的方式表示），CPU也就只需要圍繞與這些數據類型有關的計算過程，提供一批指令。隨著計算機的發展，新的應用需求層出不窮。例如，當計算機被廣泛用於圖形圖像聲音信號的處理時，雖然從理論上說CPU可以不改變（原有指令足以完成工作，只要寫出相應的程序），但人們也發現，增加一些新的特殊指令，對這些特殊數據形式的處理就能更有效。新指令的增加能大大提高CPU處理特殊數據形式的效率（有時是必須的，例如為了實時地處理高清晰度的三維動畫），由此帶來的一個副作用是使CPU變得更加復雜了。

過去人們常說計算機的發展經歷了電子管、晶體管、集成電路和大規模集成電路四個階段，也把以這些方式構造起來的計算機分別稱為第一、二、三、四代計算機。今天回頭再看，這種說法已經沒有太大的意義了。製造計算機的器件變化並不是根本性的（雖然其意義不可低估，例如在降低成本、減小體積方面），這個變化過程不過是人們尋求合適方式製造計算機的一個短暫的摸索階段，在大約二十年的時間里就已經完成了。從那以後，計算機的基本製造工藝再沒有大的變化。而在另一方面，計算機發展史中其他的事件則更重要得多。例如：計算機的小型化和個人計算機的出現，計算機網路的出現和發展，計算機使用形式和出現形式的變化等等（這些都是在大規模集成電路的范圍中完成的）。

今天，人們還一直在研究真正新型的計算機，作為與普通計算機具有根本性差異的另類信息處理工具，它們能夠發明出來嗎？將在什麼時候出現？能夠具有今天計算機這樣的性能價格比、這樣的通用性與專用性的完美統一嗎？能夠取代目前流行的這類電子數字計算機嗎？我們正拭目以待。

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