计算机系统简述-优快云博客

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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”。

图灵机的“黑箱模型”

图灵提出：任何计算都可以通过某种图灵机来完成，我们称这个论题为“图灵论题”。虽然图灵论题从来没有被严格证明过，但众多的证据都表明它是正确的。

从问题描述到电子运转

问题的提出

描述问题时候，我们通常采用“自然语言”，即人们所说的语言，如汉语、英语、德语等。这些语言都经历了几百年的发展，其中包含了太多不适合作为计算机语言的东西，其中二义性（自然语言中广泛存在的歧义现象）最突出。如“兵乓球拍卖完了”可切分为“乒乓球/拍卖/完了”又可以切分为“乒乓球拍/卖/完了”。不同的声音和音量，以及不同的上下文句子内容，都会使得同一段话表现出不同的语义。二义性对计算机来说是不能接受的。计算机是一个电子傻瓜，它只能做你让他做的事情，但如果你给它的命令存在有多种意思（即二义性），就会茫然不知所措。

算法

从问题的提出开始，向下转换的第一步是将问题的自然语言描述转换为算法描述，去掉那些无用的特性。算法描述的特点是流程化、步骤清晰，并确保该流程能终止。其中每个步骤的定义描述都足够精确、以保证能在计算机上执行。一个算法是一个有穷规则的集合，其规则确定一个解决某一特定类型问题的操作序列。这些特性可阐述如下：

确定性：表明每个操作步骤的描述是清晰的、可定义的。
可计算性：表示每一步的描述都可被计算机执行。而“取最大的素数”这样一句描述，我们称其不具备可计算性的，因为根本就不存在最大的素数。
有限性：过程是会终止的；对于任意一组合法的输入值，算法在执行有穷步骤后一定能结束。
有输入：算法有零个或多个输入数据。输入数据是算法的加工对象，既可以由算法指定，也可以在算法执行过程中通过输入得到。
有输出：算法有一个或多个输出数据。输出数据是一组与输入有确定关系的最值，是算法进行信息加工后得到的结果。

任何一个问题都具有多种求解算法。其中，有的算法步骤最少，有的算法允许个别步骤反复执行，等等。值得注意的是，如果一个算法描述出来的步骤很多，但如果这些步骤在一个时刻可以同时被计算机执行（并行），无疑该算法的执行速度是最快的。

算法设计的目标

正确性：算法应确切地满足应用问题的需求，这是算法设计的基本目标。
健壮性：即使输入数据不合适，算法也能做出适当处理，不会导致不可控的结果。
高时间效率：算法的执行时间越短，时间效率越高。
高空间效率：算法执行时占用的存储空间越少，空间效率越高。
可读性：算法表达清晰，简洁明了，易于理解。

如果一个操作有多种算法，显然应该选择执行时间短和存储空间占用少的算法。但是，执行时间短和存储空间占用少有时是矛盾的，往往不可兼得，此时需要综合考虑算法的执行时间和空间利用率。

程序

下一步就是将算法转换为程序，即用编程语言描述。编程语言属于“机械语言”，与自然语言不同的是，机械语言不是设计出来为人所讲的，相反，它被设计成严格的顺序方式，以便让计算机顺序地执行指令序列。换句话说，他不存在二义性问题。如：C语言是专门为底层硬件操作而设计的语言。

计算机语言可以分为“高级语言”和“低级语言”两类。高级语言和底层计算机的相关性很弱（距离很远），或称之为“机器无关”语言。低级语言则和执行程序的计算机紧密相关，通常一种低级语言只对应一种计算机，我们称之为“某某机器的汇编语言”。

指令集程序

下一步的任务是将程序转换为特定计算机的指令集（insuruction set）。指令集结构是程序和计算机硬件之间接口的一个完整定义。

ISA 定义包括：计算机可以执行的指令集合，即计算机所能执行的操作，以及每个操作所需数据是什么，即操作数（operand）；ISA 还定义了可接受的操作数表达方式，即数据类型；ISA 还定义了获取操作数的机制，即定位各种操作数的不同方法，我们称之为“寻址模式（addressing mode）”。不同的 ISA 定义的操作类型，数据类型和寻址模式的数目都是不同的。如x86（PC机中的 ISA），有100多种操作类型、十几种数据类型、二十多种寻址模式。ISA 的设计中，还要折衷考虑计算机内存的大小及每个存储单元的密度（即能容纳0和1的数目）。

将高级语言（如C、Java等）翻译为 ISA 指令（如x86）的过程，通常是由一个被称为“编译器（compiler）”的程序来完成的。就是说，针对不同的高级语言和目标计算机组合，需要一个对应的编译器。将计算机的汇编语言翻译为其 ISA 的过程，则是由汇编器（assembly）来完成的。

微结构

下一步的任务是将 ISA 转换成对应的实现。实现的具体组织被称为“微结构”。

汽车制造业为 ISA 和微结构（即 ISA 的实现）的关系提供了一个很好的比喻：ISA 描述的是驾车人在车里看到的一切，几乎所有的汽车都提供了相似的接口（但汽车的 ISA 接口和轮船、飞机的 ISA 车别很大），所有的汽车中，三个踏板的定义完全相同，即中间的是刹车、右边的是油门、左边的是离合器。ISA 表达的是基本功能，其定义包括：所有的汽车都能从 A 点移动到 B 点，可前进也可后退，还可左右转向等。而 ISA 的实现是指车盖板下的“内容”。所有的汽车制造模型都不尽相同，这取决于设计者在制造之前所做的权衡决策，如有的制动系统采用刹车片，有的采用制动鼓。我们称这些差异性的细节为一个特定汽车的“微结构”，它们反映了设计者在成本和性能之间所做的权衡决策。