計算機原理

1943——1946年美國賓夕法尼亞大學研製的電子數字積分器和計算機ENIAC（Electronic Numerical And Computer）是世界上第一台電子多用途計算機。一般認為它是現代計算機的始祖。

與ENIAC計算機研製的同時，馮·諾依曼（Von Neumann）與莫爾小組合作研製EDVAC計算機，採用了存儲程序方案，其後開發的計算機都採用這種方式，稱為馮·諾依曼計算機。

Von Neumann具有以下特點：

（1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。

（2）採用存儲程序的方式，程序和數據放在同一個存儲器中，指令和數據一樣可以送到運算器運算，即由指令組成的程序是可以修改的。

（3）數據以二進位代碼表示。

（4）指令由操作碼和地址碼組成。

（5）指令在存儲器中按執行順序存放，由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增，但可按運算結果或外界條件而改變。

（6）機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數據傳送都通過運算器。

現代計算機系統結構有了很大新發展，但原則上變化不大，習慣上仍稱之為馮·諾依曼機。

根據計算機所採用的物理器件的發展，一般把電子計算機的發展分成四個階段，習慣上稱為四代。

電子管計算機時代（從1946年到50年代後期），其主要特點是採用電子管作為基礎器件。代表機型IBM公司的IBM650。

晶體管計算機時代（從50年代中期到60年代後期），採用的主要器件逐步由電子管改為晶體管，縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，降低了價格。代表機型控制數據公司（CDC）的大型計算機系統CDC6600.

集成電路計算機時代（從60年代中期到70年代前期），計算機採用集成電路作為基本器件，功耗、體積、價格進一步下降，速度和可靠性相應的提高。代表機型IBM公司的IBM360.

大規模集成電路計算機時代（從70年代初至今），70年代初，半導體存儲器問世，迅速取代了磁芯存儲器，並不斷向大容量、高速度發展。1984年內含2300個晶體管的Intel4004晶元問世，開啟了現代計算機的篇章。

大型機是反映各個時期先進計算技術的大型通用計算機，其中以IBM公司的大型機系列影響最大。60年代的IBM360系統，70年代和80年代的IBM370系統曾佔領大型機的主要市場。90年代IBM推出的大型機系列為IBMS/390系列，都是大型機的代表之作。

現代科學技術，尤其是國防技術的發展，需要有很高運算速度、很大存儲容量的計算機，一般大型通用計算機不能滿足要求。集成電路的進展，為製造巨型機提供了條件。微處理器的發展為陣列結構的巨型機發展帶來了希望。如古德伊爾公司為美國宇航局（NASA）研製了一台處理衛星圖像的計算機系統MPP，該機由16384個微處理器組成128*128方陣。

小型機規模小、結構簡單所以設計試製周期短，便於及時採用先進工藝，生產量大，硬體成本低。小型機的出現打開了再控制領域應用計算機的局面，許多大型分析儀器、測量儀器使用小型機進行數據採集、整理、分析、計算等。

微型機的出現與發展，掀起計算機大普及的浪潮，利用4位微處理器Intel 4004組成的MCS-4是世界上第一台微型機，它於1971年問世。我們工作學習生活中用的PC就是微型機。1978年Intel成功開發了16位微處理器Intel8086。1981年32位微處理器Intel80386問世。隨著技術的不斷發展，已經進入64位雙核微處理器時代。其它還有工程工作站、聯機系統和計算機網路，這些就不再贅述，有興趣的讀者可以自己搜索資料。

這裡所說的計算機原理，主要以微型機為主，因為微型機與我們的生活關係最為密切。

1、科學計算

2、過程式控制制

3、信息管理

4、計算機網路與通信

5、計算機輔助教學、設計、製造

6、儀器儀錶與家電控制

7 電子遊戲，看視頻，購物

計算機的主要應用

數據可分為數值數據和非數值數據兩大類。從計算機所處理數據的類型這個角度來看，計算機的應用原則上應該分成科學計算和非數值計算兩大類。後者包括信息處理、過程式控制制、計算機輔助設計、計算機輔助教學、人工智慧等，其應用範圍遠遠超過前者。計算機的應用已形成了一門專門的學科，它主要包括以下幾方面的內容：

1.科學計算即純數值計算，主要是解決科學研究領域的一些複雜的數學問題，計算量大而且精度要求高。例如：氣象預報、人造衛星軌道的計算等都屬於這方面的應用。

2.過程式控制制

過程式控制制是指利用計算機對生產或其他過程中的數據及時採集，並按最佳方案實現自動化。過程式控制制可以提高自動化程度，減輕勞動強度、提高生產效率、降低生產成本，保證產品質量的穩定。

3.信息處理

信息處理是目前計算機應用最廣泛的領域之一。信息處理是指用計算機對各種形式的信息（如文字、圖像、聲音等）收集、存儲、加工、分析和傳送的過程。當今社會，計算機在信息處理領域的應用，對辦公自動化、管理自動化乃至社會信息化都起著積極的促進作用。

4.計算機輔助系統

1）計算機輔助設計

計算機輔助設計簡稱為CAD（ComputerAidedDesign），它是利用計算機幫助人們進行各種工程和複雜產品的設計。CAD技術不僅提高了設計質量，而且也提高了自動化程度，大大縮短了新產品的設計與試製周期，從而成為生產現代化的重要手段。

2）計算機輔助製造計算機輔助製造簡稱為CAM（ComputerAidedManufacturing）。它是利用計算機直接控制零件的加工，實現無圖紙加工。

3）計算機輔助教學

計算機輔助教學簡稱為CAI（ComputerAssistedInstruction）。它是指利用多媒體和網路技術，使得網上教學和遠程教學得以實現。利用CAI，可將課程內容編成圖文並茂的軟體，使教學過程更加形象化。對於不同程度的學生可以自主選擇不同的教學內容和教學進度，改變了教學的單一模式。

計算機系統構成

由上圖我們可以看出，計算機系統包含硬體系統和軟體系統，硬體系統是計算機的基礎，軟體系統是計算機的上層建築。一個完整的計算機系統必須包含硬體系統和軟體系統，只有硬體系統沒有軟體系統的機器叫裸機。

硬體系統一般包括：微處理器（CPU）、內存儲器、輸入/輸出介面、系統匯流排、外部設備。

其中，各部件之間的信號傳輸要通過系統匯流排來完成。系統匯流排

CPU

1、微處理器（CPU） CPU是電腦系統的心臟，電腦特別是微型電腦的快速發展過程，實質上就是CPU從低級向高級、從簡單向複雜發展的過程。

CPU（Central Processing Unit）又叫中央處理器，其主要功能是進行運算和邏輯運算，內部結構大概可以分為控制單元、算術邏輯單元和存儲單元等幾個部分。按照其處理信息的字長可以分為：八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。

主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生產提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。

2、內存儲器和輔助存儲器

內存儲器簡單的說就是我們通常說的內存。輔助存儲器簡單的說就是指硬碟和光碟機。

內存

3、輸入/輸出介面

I/O介面

IDE介面，一般用於連接硬碟和光碟機，這個介面逐漸被SATA介面所代替；SCSI介面主要是用作連接SCSI介面的硬碟；USB介面一種通用萬能插口，支持熱插拔；IEEE 1394介面比USB介面提供了更高的速率，同時也支持熱插拔。AGP介面，主要是用來連接顯卡，但是隨著技術的發展，逐漸被PCI-E介面所取代。

4、系統匯流排

匯流排一般有兩類：一類是連接計算機內部各模塊的匯流排，如連接CPU、存儲器和I/O介面的匯流排，常用的有ISA匯流排、EISA匯流排、PCI匯流排等；另一類為系統之間或系統與外部設備之間連接的匯流排，常用的有EIA-RS232C串列匯流排和IEEE-488并行匯流排等。

5、外部設備

外部設備 一般包括鍵盤、滑鼠、顯示器、印表機等。

6、運算器

運算器又稱算術邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。運算器的主要任務是執行各種算術運算和邏輯運算。算術運算是指各種數值運算，比如：加、減、乘、除等。邏輯運算是進行邏輯判斷的非數值運算，比如：與、或、非、比較、移位等。計算機所完成的全部運算都是在運算器中進行的，根據指令規定的定址方式，運算器從存儲或寄存器中取得操作數，進行計算后，送回到指令所指定的寄存器中。運算器的核心部件是加法器和若干個寄存器，加法器用於運算，寄存器用於存儲參加運算的各種數據以及運算后的結果。

軟體系統包括：系統軟體和應用軟體

1、系統軟體

Windows 系列、 Linux系列等

系統軟體包括：操作系統、服務型程序、語言處理程序。

2、應用軟體

應用軟體包括：定製應用軟體和通用應用軟體。

可以簡單概括為輸入、處理、輸出和存儲4個過程。

1.輸入是指接受由輸入設備（如鍵盤）提供的信息；

2.處理是對信息進行加工處理的過程，並按一定方式進行轉換；

3.輸出是將處理結果在輸出設備上（如顯示器等）顯示或列印等操作；

4.存儲是將原始數據或處理結果進行保存以便再次使用。

這4個步驟組成一個循環過程。輸入、處理、輸出和存儲並不一定按照上述的順序操作。在程序的指揮下，計算機根據需要決定採取哪一個步驟。個人計算機的工作過程是通過輸入設備（鍵盤或滑鼠等）輸入用戶的操作命令或數據，計算機的處理單元（微處理器）接受到輸入命令后，進行處理並將結果在計算機的輸出設備（顯示器或印表機等）上輸出，也可以將結果保存在計算機的存儲器（硬碟或軟盤）上。因此，計算機對於某種輸入命令所要進行的對應操作，是由事先保存在計算機中的程序決定的。

計算機工作過程

PC一般由主機和輸入輸出設備組成。主機一般由CPU、主板、內存、硬碟、顯卡、光碟機、電源、機箱、散熱器等組成；輸入設備一般包括鍵盤、滑鼠等，輸出設備一般包括顯示器、印表機等。這樣由主機和輸入輸出設備組成了一台裸機，只有再安裝好操作系統和應用軟體以後，才稱得上一台真正的計算機。

首先人話版的意思，就是說人話，人人都能聽懂，但是考試得零分。

現在正式開始：

先解釋什麼是邏輯電路、邏輯門

一條線上串兩個開關，需要兩個開關都打開才能通電？這個可以理解吧。

這種電路叫做“與門”，待會我寫成“and”，可以理解吧？接通記成1，否則0。

那就是1 and 1 結果就是1，或者寫成 and(1,1)=1。顯然and(1,0)=0。

再有一個要記住，其實一個很小的電子元件就可以實現這個功能，不一定真要去搞一條線兩個開關。這個電子元件叫二極體還是八極管還是電容我們不用去關心，反正可以實現。非要了解你去查別的資料。

如果是並聯開關呢，就是一條線接個分支出去，接上開關匯成一條線。打開任何一個開關，都可以通，就是“或門”待會我寫成 or。同樣是電路實現的。

現在有一條線本來是通的，燈會亮。你在中間分一條線出來，接上一個開關製造一個短路，如果不理解短路。就想象成水龍頭，本來2樓可以用水，你把一樓的水龍頭打開二樓自然就沒水了。英文是“notrynodie”很高端。待會我寫成not, 這叫做“非門”。

講完了，以上大概就是計算機的80%原理了。自己喜歡推導就不用看下面了。

下面都是疊加，現在先把邏輯門疊加完。

先輸入兩個動作給一個and，and門裡出來的信號再輸出給not。

寫成 not (and(x,y))，x,y就是你手上的兩個開關。

這叫做叫做與非門，捋一捋就知道Not(and(1,1))=0，not(and(0,0))=1。

下面還有異或門Not(Or)，就不講了。可以自己推導一下。

為什麼是2進位

基本門電路了解了。我們來看一下怎麼實現進位記數。首先我們設定一下，通電就是1，不通就是0，待會好表達。現在地上放橫放四個燈泡，剛好二進位的4位數。第一位就是一個開關，第二位做一個and(xy),有兩個信號時，輸出1個信號。這就是二進位的第二位。第三位做一個and[and(xy),and(x,y)]4個信號都是1時，才輸出1，看得懂不？裡面成and構成外面and的信號源。這不就是2進位了嗎？也就是說，這也是通過邏輯電路可以實現的。

剩下的10%是存儲技術。

就像剛才，二進位進位也需要儲存啊，把上一位輸出輸入到下一位，或者加上另一個數，需要有個地方暫時存放我們的信號呀。有一種電子元件，叫啥？電容？半導體？還是什麼東西，他有一種特性，就是你給他加電，他不傳導。他會把電子留下，如果再加電，就會被擊穿，短暫的放出電子（大概或者就是這麼個道理）。這個原理就可以作為機器里的暫存。外部存儲就是光碟，磁碟什麼的。最早會用到的打孔方法，這個最好理解。一條很長的紙帶上，有規律的打上一些孔。我們按一定的速度拖動這張紙條。因為有孔，所以有時透光，有時不透光。透光的時候對面有個感光元件收集信號。在約定個時長比如一秒采一次樣。就得到一段2進位的信息了。這個約定的採樣時長很重要。要不就亂套了，這個後面再說。

計算機怎麼控制別的設備

最好理解的是顯示屏。你可以把這些看做是一排排的燈。每個燈泡連一個開關。按規定開關燈泡，就顯示出信息。想要顯示8的樣子。按順序開關就好。這個順序是用邏輯電路去設計好的。不用我們去逐個按電燈的開關。我們控制邏輯電路就好。只按幾個開關，就能顯示出8。當然這是最笨的辦法。沒有哪台電腦會這麼去干。

下面是計算。

如果這組8的信號沒有輸給顯示器，而是輸給了存儲器1。然後我們按加號，識別為選擇存儲器2。我們輸入1。當你按等號。就會執行一個把存儲器1和存儲器2的信號同時輸出一個準備好的邏輯電路。等邏輯電路再輸出的時候，就正好變成了9的信號，再把這個數字信號，輸送給控制顯示器的邏輯電路翻譯成燈陣的開關方式。最後顯示器的燈陣就會顯示出9的樣。這就實現了加法。也實現了顯示。減法差不多，

一旦有了加法，就可以疊加其他的運算符號。比如乘法，減法。多少次方。差不多都是加法的累加。在加上之前說的邏輯運算。就發展出了更多的邏輯方式，比如“如果……就執行“這種控制方式。相當於用邏輯門設定一個執行密碼。

如果…就，就是 if，如果存儲器1裡面等於1，就執行關機的代碼。

還有for ,，就是一直執行，除非條件出現。

有了加減乘除，有了if，for。就可以把一些不是數字的轉成數字來計算。比如，屏幕如果關閉，就關機。這裡頭沒數字。但是我可以把屏幕關閉這種狀態解釋為1，我寫下邏輯，如果屏幕關閉狀態成立，X=1,如果X=1，執行關機的流程。這裡的X是我們提前準備好的一個盒子。沒有信號輸入的時候保存為0.

明白了這個道理，我們就可以編一些簡單的程序了。比如讓電腦在顯示器上顯示一個圓。寫好了、很複雜。也許累了8天。但是以後再要畫圓，就不用再寫了。因為我可以保存這段代碼。下次用的時候，只需要改變直徑參數就可以了。但是這段代碼很長，抄起來也很費時間。所以我們取個代號，比如是cor，用邏輯方法，如果我們輸如cor這個代號時候，機器輸出畫圓的代碼串。我們再加個參數，比如cor=10,這樣電腦就會畫一個直徑10的圓。你自的代碼可以簡寫成cor，別人寫的就不一定，他可能會簡寫成roc什麼的。為了讓別被人也讀懂你的代碼，最好是統一下。

有個很牛的人叫做“別死磕”，寫了很多機器代碼，有的是控制顯示器畫直線，有的控制時間，有的命令只是幫助計算。他把這些命令全部保存起來，都複製給別人用，大家都用，用的人多了，就成了一種語言，叫做”別死磕”。

我們再用”別死磕”編譯成更高級的編程語言，比如C，“別死磕”一個命令可以代表上百個機器開關，可以敲3下鍵盤就畫一個圓。C語言一個命令可以代表上百條”別死磕”命令。可以敲2下鍵盤就畫一個奧迪。在C的基礎上，我們還搞了C++。機器在翻譯的時候，會先將C++翻譯成C語言，在把C語言翻譯成機器語言。這就是編程。

什麼是帶寬

剛才說了頻率，再回顧一下。頻率就是信號的間隔。比如遠方船上的旗手，舉左手是一個意思，舉右手是一個意思，這樣我們就不用考慮頻率。但是如果對面旗手是殘疾人。我們換個說法，你舉手是1，不舉手是0，這種情況就需要考慮頻率了，要不然我怎麼知道你3分鐘不舉手代表幾個意思。如果1秒鐘採樣2次。就是2赫茲。這樣的速度對於船上殘疾旗手來說已經很快了。表達“你好”兩個字只需要半分鐘。但是計算機器還要稍快點，每秒三、五十億次。當然這個是cpu內部的頻率。內存到cpu之間、光碟到硬碟之間沒這麼快。光碟最好理解。光碟上有很多洞。有洞的地方是1，沒洞就是0，光碟轉起來，光頭在上面掃過讀信息。轉速不能再提高，但讀的效率可以再提高，就是再增加一個光頭(就這個意思)。對了，讀取信息還要用線來傳輸，比如拷貝到硬碟內存什麼的。多了個光頭，就多條線唄。一條線不行兩條。線多了不好收拾就粘成一排，7、8條線粘成一排看上去就像一條帶子有沒有。線越多帶子就越寬對不對，所以帶寬就影響到速度有沒有。所以帶寬*頻率。就是總的效率

16進位

再來，你4條線同時給我傳信息，我同時就能收到4個信號。我想只要3個信號都不行。就好比你想買1根牙籤，老闆說一盒4根不開零。或者看成對面船首站了4位殘疾人在打信號，4個信號排列起來就是4位，每個信號兩個區別，有信號跟沒，就是0和1，這4位機就是4位機。4位你自己算算有多少種變化。不就剛好16種嗎，每採樣一次，能得到16個符號，英文字母26個，還要區分大寫還有標點，16肯定是不夠的。所以我們再採樣2次。就能得到16*16，256個變化，這樣就可以表示英文的一個字母了。採樣兩次才能成字母，叫字。採樣一次只能算一個節奏，所以叫位元組。一個中文四個位元組，也叫雙字。採樣一次有16個變化。就記做F,0~9後面是abcdef,剛好，F代表15。0~F ,這就是16進位。