二、计算机系统的简单介绍

## 二、计算机系统的简单介绍 ----Froma high school student's view to learn Python 关键字：高中生 学编程 Python语言 计算机系统 计算机架构及原理  本篇主要介绍一下计算机系统的基本构架及简单原理（这是每个ComputerScience初学者的必修课）。大部分的内容摘录自一些教材，由于我们只需要进行初步的了解，所以我发现利用www.china-pub.com网站上，很多经典的计算机教材，都有试读章节，而这些试读章节一般都是前面的1-3章，中文、英文都有，但这些书籍后面的章节讲的都很深，所以我们可以进行充分的利用试读。 本篇的内容是偏向理论的，但我也没有很深入的掌握，所以我还是从搞清楚对计算机的一些模糊认识着手，然后介绍一些基本架构，为了便于直观认识，本篇会多插入一些图片。 （一）认识计算机 计算机对于大家都非常熟悉了，我们主要看看计算机的内部结构，先看看最酷的苹果macbook pro: [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwlbL1e7&690) [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwllU541&690) 虽然机器很薄，但是内部该有的东西，一样不少，看看里边的结构吧：[](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwlbL1e7&690) [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwBfgE1c&690) [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwBfgE1c&690) 非常紧凑的结构 [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwllU541&690) [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwuEHW54&690) 这是拆开后的主板正反面，上面有：内存、cpu、各种接口、总线控制器 [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwkSMS0e&690) 这是完全拆解的图，大家有兴趣可以去看看ifixit.com,这家公司只一家专门拆机的公司，只要市面上已发布新产品，不管是计算机还是手机，在别人还没有开始用的时候，他们就开始发拆机图了。 苹果的设计如何好，我们就不在这夸了，再看看我们日常使用的计算机内部的结构，这个就没有那么复杂了，打开机箱就可以看见： [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqx4eUdc5&690) 引一大堆线出来的是电源 躺在里面的大板是计算机主板 风扇下面的是CPU 四条蓝色的是内存条 带“GEFORCEGTX”字样的是显卡 红色扁线连着的是计算机的硬盘 有的机器还会插一些其他的接口卡，如：网卡、声卡、蓝牙卡、无线网卡等 好像也就这些了 （二）计算机分类 1. 个人移动设备 个人移动设备(PMD)是指一类带有多媒体用户界面的无线设备,比如手机、平板电脑 等。由于整个产品的零售价格为数百美元,所以成本成为一个关键因素。尽管经常会因为使用电池而需要强调能效,但由于需要使用相对便宜的外壳(由塑料制成),而且缺少冷却风扇,所以也限制了总功耗。PMD上的应用程序经常是基于Web 应用、面向媒体的,比如新浪微博。能耗与尺寸要求决定了要采用闪存而不是磁盘来作为存储方式。 响应性能和可预测性能是多媒体应用程序的关键特性。实时性能需求是指应用程序的一个程序段有一个确定的最大执行时间。例如,在 PMD 上播放一段视频时,由于处理器必须在短时间内接收和处理下一个视频帧,所以对每个视频帧的处理时间是有限的。如果仅仅是偶尔违反一个事件的时间约束条件(而非过多地发生这种情况),就可以采用有时被称为软实时的方法。这个大家感受最深的就是使用手机看视频，如果信号不好的时候就会出现卡顿。 许多 PMD 应用程序中还有其他一些关键特性:需要将存储器占用减至最少,需要高效利用能量。电池容量和散热问题都需要提高能耗效率。存储器可能在系统成本中占有很大的比例, 在这种情况下,存储器优化是非常重要的。由于应用程序已经决定了数据规模,所以重视存储器用量其实就是要重视代码规模。 2. 桌面计算 以资金而论,一级市场(可能仍然是最大的市场)是桌面计算市场。桌面计算覆盖了从低端到高端的整个产品范围,既有售价不到 300 美元的低端上网本,也有售价可能达 2500 美元的高端高配工作站。从 2008 年开始,每年生产的桌面计算机中有一半以上是由电池供电的笔记本计算机。 在整个价格与性能范围内,桌面计算机市场都有优化性价比的趋势。系统的性能(主要以计算性能和图形性能来衡量)和价格对这个市场中的客户来说是最重要的,因此对计算机架构师也是最重要的。结果,最新、最高性能的微处理器和低成本微处理器经常首先出现在桌面系统中。 尽管以 Web 为中心的互动应用日益增多（类似网游这样的应用越来越多，不需要下载很大的文件到本地计算机）,为性能评估带来了新的挑战,但根据应用和基准测试还是能够较好地刻画桌面计算的特征。 3. 服务器 自 20 世纪 80 年代开始转向桌面计算机以来,服务器的角色逐渐变为提供更大规模、更可靠的文件和计算服务。这些服务器已经代替传统的大型机,成为大规模企业计算的中枢。 对服务器而言,所强调的特征不同于桌面计算机。首先,可靠性是至关重要的。考虑一下运行银行 ATM 机或者航班订票系统的服务器。由于这些服务器必须每周 7 天、每天 24 小时不间断工作,所以此类服务器系统发生故障时产生的灾难性后果要远比单个桌面计算机故障严重。 服务器系统的第二个关键特征是可扩展性。服务器系统经常需要扩展,以满足其所支持服务的增长需求,或者对功能的增长需求。因此,服务器扩展计算容量、内存、存储器和 I/O 带宽的能力极为重要。 最后一个特征,服务器的设计应使其具有很高的吞吐能力。也就是说,服务器的整体性能 (每分钟处理的事务数或者每秒提供的网页数)才是最重要的。尽管对单个请求的响应速度依然重要,但总体效率和成本效益(由单位时间内能够处理的请求数决定)才是大多数服务器的关键度量。 4. 集群/仓库级计算机 软件即服务(SaaS)应用(比如搜索、社交网络、视频分享、多人游戏、在线销售等)的发展已经推动了一类被称为集群的计算机的发展。集群是指一组桌面计算机或服务器通过局域网连接在一起,运转方式类似于一个更大型的计算机。每个节点都运行自己的操作系统,节点之间使用网络协议进行通信。最大规模的集群称为仓库级计算机(WSC),它们的设计方式使数万个服务器像一个服务器一样运行。 WSC 与服务器的相通之处在于它们都非常看重可用性。例如,Amazon.com 在 2010 年第四季度的销售额为130 亿美元。一个季度大约有 2200 个小时,每小时的平均收入差不多是 600 万美元。在圣诞节购物的高峰时间,潜在损失可能要多出许多倍。WSC 与服务器的区别在于,WSC 以很多廉价组件为构建模块,依靠软件层来捕获和隔离在这一级别进行计算时发生的许多故障。注意,WSC 的可扩展性是由连接这些计算机的局域网实现的,而不是像服务器那样,通过集成计算机硬件来实现。 WSC重视互动应用程序、大规模存储、可靠性和很高的因特网带宽。 5. 嵌入式计算机 嵌入式计算机在日用电器中随处可见。微波炉、洗衣机、大多数打印机、大多数网络交换机和所有汽车中都有简单的嵌入式微处理器。 PMD 中的处理器经常被看作是嵌入式计算机,但我们仍然把它们看作一个不同类别,这是因为 PMD 是一些可以运行外部开发软件的平台,它们与桌面计算机有许多共同特征。其他嵌入式设备在硬件和软件复杂性方面都有很大的限制。我们以能否运行第三方软件作为区分嵌入式和非嵌入式计算机的分界线。 嵌入式计算机的处理能力和成本差别最大。它们既包括只需要 0.1 美元的 8 位和 16 位处理器,也有可以每秒执行 1 亿条指令、价格低于 5 美元的 32 位微处理器,还有用于网络交换机的高端处理器,它们的售价高达 100 美元,每秒可以执行数十亿条指令。尽管嵌入式计算市场中的计算能力相差很大,但价格仍然是此类计算机设计的关键因素。性能要求当然是的确存在的, 但主要目标通常是以最低价格满足性能需要,而不是以更高的价格来获得更高的性能。 本节的内容主要来源于前面介绍的试读章节（[点击](http://images.china-pub.com/ebook3020001-3025000/3021578/ch01.pdf)），其实有些内容我也是一知半解，慢慢学习吧。 （三）认识计算机系统 计算机系统由硬件和软件两大部分组成. [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqy6VtL09&690)  硬件的组成(输入设备,输出设备,存储器,运算器,控制器)
1.输入设备:使计算机从外部获得信息的设备如鼠标,键盘,光笔,扫描仪,话筒,数码相机,摄像头, 手写板 
2.输出设备:把计算机处理信息的结果以人们能够识别的形式表示出来的设备如显示器,打印机,绘图仪,音箱,投影仪 
3.存储器(DataStorage): disk, magnetic tape storage mechanism, CD storage,DVD
4.CPU: the circuitry in a computer that controls themanipulation of data is called central procession unit. CPUconsists of three parts: the arithmetic/logic unit that containcircuitry that performs operations on the data; the control unit,which contains data storage cells; and the registers unit, thatused for temporary storage of information within theCPU. [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbtxCba61e&690) 软件的组成 
软件定义:程序和有关文档资料的合称 
软件分类:系统软件(使用和管理计算机的软件)和应用软件(专为 
某一应用编制的软件) 硬件和软件合二为一形成一个现在大家所熟知的计算机。软件就像是人们给计算机的指令，而这些指令需要一个平台或者是媒介去表现出来，而这种媒介就是硬件。当然我所要和大家分享的Python语言的学习经验是属于软件学习方面的 下面的这段视频是我摘自于MIT的公开课的内容，其中介绍了一些计算机组成的知识，我觉得还是讲的挺有启发的，大家可以看一下。 [无法嵌入视频，给出链接](http://video.sina.com.cn/api/outPlayRefer.php/vid=115054718/uid=3603736894/pid=346/tid=1/s.swf)  [](http://video.sina.com.cn/api/outPlayRefer.php/vid=115054718/uid=3603736894/pid=346/tid=1/s.swf) [](http://video.sina.com.cn/api/outPlayRefer.php/vid=115054718/uid=3603736894/pid=346/tid=1/s.swf) （四）各部分的结构原理 储存器： 1.       Magneticdisk: a thin spinning disk with magnetic coating is used to holddata. There is a read head above the disk so that as the diskspins, each head traverses a circle, called a track. 2.       Magnetictape: in these systems, information is recorded on the magneticcoating of a thin plastic tape that is wound on a reel for storage.The tape is mounted in a device called a tape drive that can read,write and rewind the rape to access the data. 3.       CD(compact disk): the information on these CDs is stored on a singletrack that spirals around the CD like a groove in an old-fashionedrecord, however, unlike the old-fashioned, the track spirals fromthe inside out. Also there are DVDs and BDs which have largercapacity. CPU： 由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是:CentralProcessing Unit，即中央处理器。 [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwRjZ973&690) 首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(储存单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到储存单元代表工作的结束。  [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqx0KhX21&690) Intel Corei7 微处理器晶片的相片。在 45nm 工艺中, 尺寸为 18.9mm×13.6 mm(257mm2)  左图为  Core i7 晶片的布置图,右图为第二核心布置图的特写 总的来说就是： Step1:get one of the values to be added from memory and place it in aregister.               Step2:get the other value to be added from memory and place it in anotherregister. Step3:the control unit transfers the data from memory into the registers,informs the arithmetic/logic unit which registers hold the data,activates the appropriate circuitry within the arithmetic/logicunit, and tells the arithmetic/logic unit which register shouldreceive the result. Step4:the result will be transferred from registered to a memory cell bythe Bus. 重点就说这么多吧，基本上是一些学习笔记 我的更多文章： - Python程序调试的一些体会(2013-10-06 22:57:35) - 十四、Python编程计算24点（之二）(2013-10-03 22:18:28) - 十三、Python编程计算24点（之一） (2013-10-02 22:15:46) - 十二、Python简单数据结构应用（之二）(2013-10-02 22:10:41) - 十一、Python简单数据结构应用（之一）(2013-09-23 23:31:49) - 十、Python编程解决组合问题（之二） (2013-09-21 23:37:27) - 九、Python编程解决组合问题（之一）(2013-09-21 23:32:54) - 八、Python的函数编程（之二） (2013-09-20 23:09:39) - 七、Python的函数编程（之一） (2013-09-20 23:09:10) - 高中生如何学编程(2013-09-02 19:26:01)