深入浅出认识计算机(上)

对于许多非计算机专业的学生来说,往往没有修读《计算机基础》之类的课程,而是直接学习难度较大的程序设计语言,比如C语言。结果可想而知,除了感觉难之外基本无感,即使通过了考试,最后也是一知半解,更别提想写一个程序解决实际问题了。

  如何快速入门,或者说如果给这些门外汉快速构建一个专业认识至关重要。我认为第一步应该重新认识一下计算机——从计算机专业角度。到目前为止,任何一台(部)计算机(智能手机),无论其功能强弱、用途如何不同,他们基本上都可以抽象(简化)为以下模型:即五大部分组成——输入设备(例如键盘、鼠标)、输出设备(例如显示器、打印机等)、存储器和CPU。其中CPU,即central processing unit 中央处理器,在计算机体系结构中又可以分为控制器CU和运算器ALU——这一体系结构称为冯.诺依曼体系结构。

从整个系统结构来看,计算机可以看作一个信息加工设备,其中输入输出设备,又简称I/O设备(input/output的缩写),提供信息(数据)的来源和输出,而CPU负责数据的加工处理(加减),那么存储器呢?!

  在冯诺依曼体系结构中,不得不重点提到的是存储器,它是该体系的核心所在,也是我们后期学习计算机编程要重点理解的东西。要理解存储器,首先要理解整个计算机的瓶颈(限制)在哪,换句话,去掉存储器整个系统还能不能工作?组成计算机各个部件的速度是不一样的,其中CPU的处理速度大大快于输入输出设备的速度。尤其在早期计算机,在纸带上打孔来输入输出数据,可能一个人输入一天的数据,CPU几秒钟就完成处理,然后又要等上很长时间,等人工输入完数据再处理。这样,CPU宝贵的时间就大量花费在等待上了,要知道CPU可是最昂贵的部件,结果白浪费了大量时间。为了匹配这两者之间的速度差,存储器被引入到体系中。

  存储器,顾名思义就是存储信息的部件,在整个计算机体系中无处不在(至于整个系统中为什么有多个存储器,后面再讲?)。但是,我们一般说的存储器指的是计算机内存(也称主存,Memory),可以与CPU直接进行数据交换,最主要的是它的读写速度要快得多(比输入输出设备)。这样一来,用户可以把要处理的数据和信息集中放入内存中,等CPU空闲时读入处理,从而大大提高了整个系统的运行效率。同时,为了永久保留信息,人们也引入了外存(如磁盘、磁带、U盘、光盘等存储介质),即使计算机关机断电他们也可以永久保留信息。有了存储器以后,人们使用计算机的方式发生了很大改变,因此冯.诺依曼体系结构计算机的特点之一就是“程序存储执行”,比如,计算机操作系统(Operating System,OS)这个大软件就是安装后保存在硬盘(外存)上的,开机后,就由CPU读入内存并运行(具体引导过程复杂一些)。

  这一篇介绍了现在的计算机体系结构,实际上介绍了组成计算机的硬件系统,是我们编程的基础。了解这个,我们才能更好了解计算机是如何运行程序(计算机软件系统),这部分将在下一节介绍。

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