## 二、計算機系統的簡單介紹 ----Froma high school student's view to learn Python 關鍵字：高中生 學編程 Python語言 計算機系統 計算機架構及原理? 本篇主要介紹一下計算機系統的基本構架及簡單原理（這是每個ComputerScience初學者的必修課）。大部分的內容摘錄自一些教材，由于我們只需要進行初步的了解，所以我發現利用www.china-pub.com網站上，很多經典的計算機教材，都有試讀章節，而這些試讀章節一般都是前面的1-3章，中文、英文都有，但這些書籍后面的章節講的都很深，所以我們可以進行充分的利用試讀。 本篇的內容是偏向理論的，但我也沒有很深入的掌握，所以我還是從搞清楚對計算機的一些模糊認識著手，然后介紹一些基本架構，為了便于直觀認識，本篇會多插入一些圖片。 （一）認識計算機 計算機對于大家都非常熟悉了，我們主要看看計算機的內部結構，先看看最酷的蘋果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) 雖然機器很薄，但是內部該有的東西，一樣不少，看看里邊的結構吧：[](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) 非常緊湊的結構 [](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) 這是拆開后的主板正反面，上面有：內存、cpu、各種接口、總線控制器 [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwkSMS0e&690) 這是完全拆解的圖，大家有興趣可以去看看ifixit.com,這家公司只一家專門拆機的公司，只要市面上已發布新產品，不管是計算機還是手機，在別人還沒有開始用的時候，他們就開始發拆機圖了。 蘋果的設計如何好，我們就不在這夸了，再看看我們日常使用的計算機內部的結構，這個就沒有那么復雜了，打開機箱就可以看見： [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqx4eUdc5&690) 引一大堆線出來的是電源 躺在里面的大板是計算機主板 風扇下面的是CPU 四條藍色的是內存條 帶“GEFORCEGTX”字樣的是顯卡 紅色扁線連著的是計算機的硬盤 有的機器還會插一些其他的接口卡，如：網卡、聲卡、藍牙卡、無線網卡等 好像也就這些了 （二）計算機分類 1.?個人移動設備 個人移動設備(PMD)是指一類帶有多媒體用戶界面的無線設備,比如手機、平板電腦 等。由于整個產品的零售價格為數百美元,所以成本成為一個關鍵因素。盡管經常會因為使用電池而需要強調能效,但由于需要使用相對便宜的外殼(由塑料制成),而且缺少冷卻風扇,所以也限制了總功耗。PMD上的應用程序經常是基于Web?應用、面向媒體的,比如新浪微博。能耗與尺寸要求決定了要采用閃存而不是磁盤來作為存儲方式。 響應性能和可預測性能是多媒體應用程序的關鍵特性。實時性能需求是指應用程序的一個程序段有一個確定的最大執行時間。例如,在?PMD?上播放一段視頻時,由于處理器必須在短時間內接收和處理下一個視頻幀,所以對每個視頻幀的處理時間是有限的。如果僅僅是偶爾違反一個事件的時間約束條件(而非過多地發生這種情況),就可以采用有時被稱為軟實時的方法。這個大家感受最深的就是使用手機看視頻，如果信號不好的時候就會出現卡頓。 許多?PMD?應用程序中還有其他一些關鍵特性:需要將存儲器占用減至最少,需要高效利用能量。電池容量和散熱問題都需要提高能耗效率。存儲器可能在系統成本中占有很大的比例,?在這種情況下,存儲器優化是非常重要的。由于應用程序已經決定了數據規模,所以重視存儲器用量其實就是要重視代碼規模。 2.?桌面計算 以資金而論,一級市場(可能仍然是最大的市場)是桌面計算市場。桌面計算覆蓋了從低端到高端的整個產品范圍,既有售價不到?300?美元的低端上網本,也有售價可能達?2500?美元的高端高配工作站。從?2008?年開始,每年生產的桌面計算機中有一半以上是由電池供電的筆記本計算機。 在整個價格與性能范圍內,桌面計算機市場都有優化性價比的趨勢。系統的性能(主要以計算性能和圖形性能來衡量)和價格對這個市場中的客戶來說是最重要的,因此對計算機架構師也是最重要的。結果,最新、最高性能的微處理器和低成本微處理器經常首先出現在桌面系統中。 盡管以?Web?為中心的互動應用日益增多（類似網游這樣的應用越來越多，不需要下載很大的文件到本地計算機）,為性能評估帶來了新的挑戰,但根據應用和基準測試還是能夠較好地刻畫桌面計算的特征。 3.?服務器 自?20?世紀?80?年代開始轉向桌面計算機以來,服務器的角色逐漸變為提供更大規模、更可靠的文件和計算服務。這些服務器已經代替傳統的大型機,成為大規模企業計算的中樞。 對服務器而言,所強調的特征不同于桌面計算機。首先,可靠性是至關重要的。考慮一下運行銀行?ATM?機或者航班訂票系統的服務器。由于這些服務器必須每周?7?天、每天?24?小時不間斷工作,所以此類服務器系統發生故障時產生的災難性后果要遠比單個桌面計算機故障嚴重。 服務器系統的第二個關鍵特征是可擴展性。服務器系統經常需要擴展,以滿足其所支持服務的增長需求,或者對功能的增長需求。因此,服務器擴展計算容量、內存、存儲器和?I/O?帶寬的能力極為重要。 最后一個特征,服務器的設計應使其具有很高的吞吐能力。也就是說,服務器的整體性能?(每分鐘處理的事務數或者每秒提供的網頁數)才是最重要的。盡管對單個請求的響應速度依然重要,但總體效率和成本效益(由單位時間內能夠處理的請求數決定)才是大多數服務器的關鍵度量。 4.?集群/倉庫級計算機 軟件即服務(SaaS)應用(比如搜索、社交網絡、視頻分享、多人游戲、在線銷售等)的發展已經推動了一類被稱為集群的計算機的發展。集群是指一組桌面計算機或服務器通過局域網連接在一起,運轉方式類似于一個更大型的計算機。每個節點都運行自己的操作系統,節點之間使用網絡協議進行通信。最大規模的集群稱為倉庫級計算機(WSC),它們的設計方式使數萬個服務器像一個服務器一樣運行。 WSC?與服務器的相通之處在于它們都非常看重可用性。例如,Amazon.com?在?2010?年第四季度的銷售額為130?億美元。一個季度大約有?2200?個小時,每小時的平均收入差不多是?600?萬美元。在圣誕節購物的高峰時間,潛在損失可能要多出許多倍。WSC?與服務器的區別在于,WSC?以很多廉價組件為構建模塊,依靠軟件層來捕獲和隔離在這一級別進行計算時發生的許多故障。注意,WSC?的可擴展性是由連接這些計算機的局域網實現的,而不是像服務器那樣,通過集成計算機硬件來實現。 WSC重視互動應用程序、大規模存儲、可靠性和很高的因特網帶寬。 5.?嵌入式計算機 嵌入式計算機在日用電器中隨處可見。微波爐、洗衣機、大多數打印機、大多數網絡交換機和所有汽車中都有簡單的嵌入式微處理器。 PMD?中的處理器經常被看作是嵌入式計算機,但我們仍然把它們看作一個不同類別,這是因為?PMD?是一些可以運行外部開發軟件的平臺,它們與桌面計算機有許多共同特征。其他嵌入式設備在硬件和軟件復雜性方面都有很大的限制。我們以能否運行第三方軟件作為區分嵌入式和非嵌入式計算機的分界線。 嵌入式計算機的處理能力和成本差別最大。它們既包括只需要?0.1?美元的?8?位和?16?位處理器,也有可以每秒執行?1?億條指令、價格低于?5?美元的?32?位微處理器,還有用于網絡交換機的高端處理器,它們的售價高達?100?美元,每秒可以執行數十億條指令。盡管嵌入式計算市場中的計算能力相差很大,但價格仍然是此類計算機設計的關鍵因素。性能要求當然是的確存在的,?但主要目標通常是以最低價格滿足性能需要,而不是以更高的價格來獲得更高的性能。 本節的內容主要來源于前面介紹的試讀章節（[點擊](http://images.china-pub.com/ebook3020001-3025000/3021578/ch01.pdf)），其實有些內容我也是一知半解，慢慢學習吧。 （三）認識計算機系統 計算機系統由硬件和軟件兩大部分組成. [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqy6VtL09&690)  硬件的組成(輸入設備,輸出設備,存儲器,運算器,控制器)?1.輸入設備:使計算機從外部獲得信息的設備如鼠標,鍵盤,光筆,掃描儀,話筒,數碼相機,攝像頭,?手寫板??2.輸出設備:把計算機處理信息的結果以人們能夠識別的形式表示出來的設備如顯示器,打印機,繪圖儀,音箱,投影儀??3.存儲器(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) 軟件的組成??軟件定義:程序和有關文檔資料的合稱??軟件分類:系統軟件(使用和管理計算機的軟件)和應用軟件(專為??某一應用編制的軟件) 硬件和軟件合二為一形成一個現在大家所熟知的計算機。軟件就像是人們給計算機的指令，而這些指令需要一個平臺或者是媒介去表現出來，而這種媒介就是硬件。當然我所要和大家分享的Python語言的學習經驗是屬于軟件學習方面的 下面的這段視頻是我摘自于MIT的公開課的內容，其中介紹了一些計算機組成的知識，我覺得還是講的挺有啟發的，大家可以看一下。 [無法嵌入視頻，給出鏈接](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）各部分的結構原理 儲存器： 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： 由晶體管組成的CPU是作為處理數據和執行程序的核心，其英文全稱是:CentralProcessing Unit，即中央處理器。 [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6DbqwRjZ973&690) 首先，CPU的內部結構可以分為控制單元，邏輯運算單元和存儲單元三大部分。CPU的工作原理就像一個工廠對產品的加工過程:進入工廠的原料(程序指令)，經過物資分配部門(控制單元)的調度分配，被送往生產線(邏輯運算單元)，生產出成品(處理后的數據)后，再存儲在倉庫(儲存單元)中，最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。在這個過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過程是通過邏輯運算單元來進行運算處理，交到儲存單元代表工作的結束。  [](http://photo.blog.sina.com.cn/showpic.html#blogid=d6cca93e0101egqm&url=http://album.sina.com.cn/pic/d6cca93egx6Dbqx0KhX21&690) Intel Corei7?微處理器晶片的相片。在?45nm?工藝中,?尺寸為?18.9mm×13.6 mm(257mm2)  左圖為??Core i7?晶片的布置圖,右圖為第二核心布置圖的特寫 總的來說就是： 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. 重點就說這么多吧，基本上是一些學習筆記 我的更多文章： - Python程序調試的一些體會(2013-10-06 22:57:35) - 十四、Python編程計算24點（之二）(2013-10-03 22:18:28) - 十三、Python編程計算24點（之一） (2013-10-02 22:15:46) - 十二、Python簡單數據結構應用（之二）(2013-10-02 22:10:41) - 十一、Python簡單數據結構應用（之一）(2013-09-23 23:31:49) - 十、Python編程解決組合問題（之二） (2013-09-21 23:37:27) - 九、Python編程解決組合問題（之一）(2013-09-21 23:32:54) - 八、Python的函數編程（之二） (2013-09-20 23:09:39) - 七、Python的函數編程（之一） (2013-09-20 23:09:10) - 高中生如何學編程(2013-09-02 19:26:01)