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1、第三章 計算機原理3.1 電唱機、電話、電腦談談模擬信號3.2 數字信號3.3 I/O設備，存儲器、處理器3.4 內存 3.4.1 內存地址 3.4.2 虛擬內存“原理”一詞，似乎總是代表艱深難度，另外還多少有些“太過理論，脫離實際”的意味。對于計算機，它的原理還偏向于硬件。基于這些，我們需要明白，在真正開始學習編程之前，我們有何必要學習一些計算機原理呢？在大學里，計算機系有專門的一門計算機原理課，計算機原理的內容并不出現在計算機語言的課中?；蛟S是這個原因，許多面向社會人員（非專業(yè)人士）的計算機編程書籍同樣不講計算機原理。這容易造成學習者也許上手很快，但學到一定程度后就難以有較深入的發(fā)展。我想
2、，這是因為“底氣不足”。如上面提到的，計算機原理是完整的一門課，我們此處只用一章的時間闡述，所以我們必須講最本質的原理。3.1 電唱機、電話、電腦談談模擬信號要了解電腦的原理，不妨舉一些我們早已熟悉的其它電器的例子，看看它們的原理。假如你第一次看到一臺會能說會唱的電腦，你可能會感到新奇，但事實上，別忘了，從CD機到帶式的隨機聽，它們都沒有生命卻“記下”然后“說出”聲音。事實上它們運行的原理，在本質和電腦完全一致，只不過由于我們太過熟悉，所以就認為它們沒有什么了不起。其實，你能說出電唱機為什么能唱嗎？原始的電唱機會發(fā)唱的原理：一張盤，表面涂一層石蠟。取一根針，針尖正好接觸蠟面，針上頂一張薄膜。讓
3、帕瓦羅蒂在不遠處沖著這張膜唱我的太陽。另有一人在老帕高歌時均速地旋轉蠟盤。于是，歌聲高低不同，薄膜向下壓的幅度也不同，針在蠟上刻的深淺便不同，這樣，就將人的聲音最終以蠟上劃痕的深淺記錄下來。將蠟盤固化，在一套反方向的裝置上：盤轉，頂針上下高底不同地拉動一張膜，那張膜就會有模有樣地唱我的太陽了。再來看看電話的原理：話筒內有一堆碳粉，碳粉內埋一導線，碳粉蓋一張膜。同樣，當你對話筒大喊大叫時，膜對碳粉造成忽緊忽松的壓力，碳粉之間時緊時松，引起其電阻的大小變化，最終忽大忽小的電流傳到對話的聽筒。聽筒內有一電磁鐵隨電腦大小而磁性不同，它對埋有金屬絲薄膜時吸時放，薄膜便發(fā)出了你的聲音。你我都已經永遠地失去
4、了發(fā)明的電唱機或電話的機會了偉大的先驅們是那么的聰明，懂得將一種不便于存儲，不便于傳播的信號轉換為另一種便于存儲，便于傳播的信號，從而有了偉大的發(fā)明。電腦（計算機）要管理各種信息，首先它必須能存儲，傳載這些信息，所以，在這一點上，它的本質和電唱機或電話沒有區(qū)別，必須實現各種信息以某種方法，轉換為另一種信息。這就是計算機的第一條本質原理：將各類信息以某種信號進行存儲。好極了，現在，我們已經是了解計算機本質之一的人，從今天起，當我們再聽到有菜鳥在說硬盤時，你大可對其怒喝：“成天就知道酷魚大腳西部數據！不管是什么牌子，也不管是硬是軟是光，它們都是計算機將外界信息以磁或者激光信號的形式進行存儲的介質，
5、懂不？看你真像個中關村的電腦販子！”（如果對方體積儼然在你的1.5倍以上，最后一句可以不說）3.2 數字信號“數字”digit。無論我說中文還是英文的，除了剛巧學完09的小學低年級學生外，20和21世紀內出生的人都知道我是在說一個時髦詞。這個“數字”所代表的，是“模擬”的反面。電視，我們要數字的（盡管據說在中國并沒有數字信號的電視節(jié)目）；手機，當然是數字的，前陣子中國電信已徹底地向采用模擬信號的蜂窩說bye-bye；相機，數碼的。（數碼就是數字）空調，數控的（空調吹不出數字的風，但它說，我這風是在數字信號的控制下吹出來的，當然就白里透紅與眾不同）。“數字的”就這么好嗎？電腦也是數字的嗎？前面我
6、們說唱機，電話的原理時，你可以看到，在一種信號轉換為另一種信號時，采用的方法是進行“模擬”。比如用針在蠟上刻的深淺來模擬聲音的高低。盡管新的信號記載原來不空易存儲的信號（聲音），但這種新信號本身也是不穩(wěn)定，不精確，比如針的不同，或蠟的質量不同，但會造成雖然同樣是老帕在同一時刻唱的歌，不同的盤最后播出的聲音卻不同。類似的，筆者便常常在電話這頭將丈母娘的聲音聽成是丈母娘女兒的聲音而下不了臺。和許多偉大發(fā)明一樣，當初計算機的發(fā)明的需明恐怕也是為了戰(zhàn)爭?，F代計算機更是廣泛用于衛(wèi)星發(fā)射，飛機導航等不允許出錯的領域。其實，就算是僅僅用于讓你給女朋友或男朋友發(fā)一封情義綿綿的e-mail，只怕你也不希望它出什
7、么差錯。盡管模擬的手段是一種信號轉換為另一信號時幾乎是不可避免的最初方法，但我們要求有進一步的轉換來或得可以精確復制，從而更利于存儲，傳播的信號。當你將一首存在磁帶式唱片上歌不停地錄到別的唱片時，歌聲會越來越變調。同樣操作進行在數字信號的CD唱片，歌聲卻完全一致。模擬信號轉換成數字信號和其反方向的轉換是如何實現，不是一章的文字能說清。也不是我們學習的重點。我們只需記住以下內容：1、首先：模擬信號英文為：analog signals 縮寫AS;數字信號為：digital signals/DS;因此，前者到后者的轉換稱為AD轉換，另一方向則稱為DA轉換。在各種計算機系統(tǒng)（特別是工業(yè)控制）中，AD轉
8、換往往是采集數據的初始端，而DA則是播放數據的最終端。2、第二就更簡單。以下是兩張示意圖，分別為模擬和數字信號的波形圖。你需要能認出二者。像心電圖一樣的鋸齒波是模擬信號典型的波樣，比如我們的聲音。而方形波則為數字信號。（筆者用畫筆毛糙地畫成，不像樣之處尚望各位包涵。）面對左圖的鋸齒波。我們也就明白了為什么人生和生活會那么復雜。因為人類的原始的現實的生活中，各種信號幾乎都是模擬的。不僅僅是聲音，不僅僅是我們的心跳的規(guī)律，更包括我們的感情，都是“模擬信號”。你看“情緒化”一詞又總是用來代表不穩(wěn)定的，非理智的和生活相比，編程世界是那么的簡單。它0就是就0，1就是1，正所謂愛恨分明似乎有些跑題，不過接
9、來的另一段“面對”倒很重要，請認真看。面對方形波，回憶第一章我們說過的二進制：二進制數只用0、1兩個數字。方形波最適合于二進制表示。凸起的用1表示，凹下的用0表示。所以現在你可明白：在計算機的世界里，所有信息最終都被數字化為0和1，這是一種最徹底的數字化。譬如在我們已熟悉的數據存儲方面：硬盤和軟盤都為磁盤，它通過有盤上某一點有無磁性來表示1或0；而光盤，它盤面上會有連續(xù)的凸起顆粒，和間隔的平面。當激光頭的射線進入前者時，光被散射，這些連續(xù)的點用于表示一個0，當光線照在平面區(qū)時，光被反射，則可表示1。（如下圖）（由于這種數字化的實現大多數通過電子電路，所以，一些場合數字化也被稱為電子化）至此，讓
10、我們再重復一遍在第一章我們說是嚴重跑題的那段話：世界就是這樣奇妙。萬事萬物五彩繽紛，但進了計算機，卻只是個0和1的組合。不由得你會想起道教的古老玄機：“無極生太極，太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦生十六爻”。3.3 I/O設備，存儲器、處理器計算機系統(tǒng)中，硬盤、軟盤/軟驅、光盤/光驅等稱為存儲器。它們用來存儲信息，這些信息在它們的內部統(tǒng)統(tǒng)以0和1表示。如果只有這些，那計算機就只能叫數據倉庫了。有了數據還需要處理數據的能力。數據和處理。依筆者的理論，這是程序的全部，計算機的全部，也是世界的全部。反過來說，正因為整個世界都可以用數據和處理來表達，所以最終程序才有可能實現對現實問題的解決。當
11、我們在寫程序時，就是在用程序來表達這個世界。當然，由于很多數據沒法實現“數字化”，所以它們永遠無法用程序來表達，比如人類的感情，或許永遠只能是“模擬信號”。(基于此，所有科幻片中關于有一天計算機會突然具有自已的意識，并開始以人類為敵的設想，我們可以斷定它也就只能是幻想永遠都是。）計算機系統(tǒng)中，鍵盤，鼠標，掃描儀，數碼相機等，可稱為輸入(Input)設備。顯示器，打印機，稱為輸出(Output)設備。這二者統(tǒng)稱為輸入輸出設備，也就是計算機英文中常見的那個縮寫：IO或I/O。輸入設備用來做什么？用來向計算機輸入信息，這過程便有非常多的“模擬-數字”轉換器。而輸出設備，則將處理后的的信息以合適的格式
12、輸出（一般是為了輸出給人看）。下面我們用我們最熟悉不過的鼠標來說明。第一，鼠標的輸入端是什么呢？答：是我們手里握著的那個類似老鼠的東西。第二，鼠標的輸入端要處理的是什么信息呢（換一種問法是：鼠標要輸入什么信息）？答：是我們胳膊肘的來回挪動（這里暫不說單擊，雙擊等）。可別說胳膊肘的動作不是信息那樣說可真外行包括挪動的方向，距離，速度等。第三，胳膊肘的動作是“模擬信號”還是“數字信號”呢？答：只要你的手是肉長的，那么就只能是模擬信號。第四，胳膊肘的動作是如何被采集，又如何傳輸入進電腦，又如何被處理，又如何變成一個光標在屏幕上跑來跑去，有時候還會變成一只小手答： # ￥ % # ? !關于鼠標的具體
13、工作過程已經不是我能回答的了，也不是我們要學習的內容。不過如你很窮，和我一樣用的是10來塊的機械式鼠標，那么恭喜你，你可以親自“解剖”一下鼠標，觀察鼠標里頭的“模數轉換器”。方法是把鼠標背過來，揭掉合格證（提醒，揭掉后你的鼠標可能無法保修了），擰掉螺絲，打開上蓋，會發(fā)現內有滾輪，水平向滾軸，垂直向滾軸，輔助壓輪各一，組成一套采集設置，看看你就明白它們是如何配合工作，完成采集你胳膊肘的挪動的信息了。最后在合上蓋時，順便將滾軸上的積泥刮掉，它們嚴重影響數據采集的精度。說完存儲設備和I/O設備，重要人物也要該出場了。它就是電腦的心臟：CPU。CPU何許人也？Central Processor Uni
14、t。即：中央處理器。中央并不是說它正好在機箱內正中間，而是說它是核心人物，其實你顯卡聲卡等也有芯片在處理一些數據。但大都數數據，比如鼠標采集到信息后，便需要送到CPU中進行復雜的計算，最終才能輸出。CPU便是這樣一個人物，它要處理幾乎所有計算系統(tǒng)中的數據。它的重要性得就像是大腦之于人體。把它說成是心臟真是個混淆視聽的比喻。CPU又是如何處理數據的呢？大千世界中的數據（當我們偏向于專業(yè)時，我們就將信息說成是數據）各類各樣，極其復雜；同樣的，對種種數據的處理也相當復雜。比如給你一個蘋果你的處理是吃掉，而女友把她的手給你時她的意思是要你牽著，如果你把后者等同于前者進行同樣的處理后果Intel或AMD
15、生產的CPU如何先進，終究是個東西，怎能自已決定如何處理各種數據呢？有數據：鋼板拴著一個螺絲釘，有處理數據的能力：工具箱中一把螺絲刀。一只狗和一只豬從二者前面走過，它們不知用后者把前者擰下。因為馬克思說了，只有人類才會制造和利用工具。CPU也只是一個工具。盡管它有處理各數據的能力，但必須由人來控制它：什么時候，什么方法，計算什么樣的數據。這樣的工具并不僅有CPU，早在你我童年時愛不釋手的，會自已搖擺走路的玩具小鴨內，那個發(fā)條就是這種工具。通過既定的設計，發(fā)條具有把人擰緊的能量存儲，然后釋放，一點點控制其它齒輪，小鴨的腳，最終讓玩具小鴨如人所愿地走。發(fā)條處理數據的動作很簡單，只須一點展開就行。但
16、是如果沒有人事先將其擰緊，它一樣動不了。CPU要處理的數據復雜，處理的方法更復雜。同樣，必須有人事先將計算機處理數據的方法存儲在上述的存儲器上，在要開始處理時，裝上這些方法，然后開始執(zhí)行。一切重要概念至此呼之欲出：人不是普通的人，是偉大的程序員（當然當然，各行各業(yè)除了中國電信以外的從事者都很偉大）；計算機處理數據的方法，便是：程序！程序！程序！超級解霸是什么？是音頻視頻播放軟件，但歸根是處理多媒體數據的程序。金山毒霸是什么？是殺毒軟件，但歸根是對付病毒數據的程序；句神英語2002是什么？是英語教育軟件，但歸根是輔助你自學英語口語的程序。Windows或Linux是什么？是操作系統(tǒng)軟件，不過其實
17、它們也是程序：管理所有其它程序的程序。下一節(jié)，我們講計算機內存，內存也是存儲器，但它是一種特殊的存儲器。3.4 內存有外存嗎？軟盤，光盤這些放在外面的存儲器就是外存啊真不明白這算是什么知識，但各種考試似乎興趣這些。硬盤有可以放里頭的也有可以放外頭的，不知怎么算。對內存要弄明白的第一件是事是：為什么要有內存？聽我做一個不負任何責任的預言：10年之內，高速硬盤和高速外部總線的發(fā)展，但得計算機可在硬盤上固定劃塊分區(qū)作為內存。如此這般，以后關機時不用使用Win2000或XP的休眠功能，更不必像普通關機那樣聽硬盤卡卡響半天，一個關機命下，機器迅速關掉，妙哉。程序和數據平常存儲在硬盤等存儲器上，不管你開機
18、或關機了，它們都是存在的，不會丟失。硬盤可以存儲的東西很多，但其傳輸數據的速度較慢。所以需要運行程序或打開數據時，這些數據必須從硬盤等存儲器上先傳到另一種容量小但速度快得多的存儲器，之后才送入CPU進行執(zhí)行處理。這中間的存儲器就是內存。無論何種存儲器，軟盤、硬盤、光盤或者內存，都有地址。因為它們要存儲數據，所以就必須按一定的單位的數據分配一個地址。有了地址，程序才能找到這些數據。這很好理解，想想你們家為什么要有門牌號即可。學習編程，必須對內存的地址有一個透徹的理解。我們編程中的每一行代碼，代碼中用到的每個數據，都需要在內存上有其映射地址。當然，我們并不需要掌握內存是如何進行編址，那是計算機系中
19、的另外一門課：操作系統(tǒng)的事了。下面，我將舊課程中的有關內存的一段內存拷到這里。3.4.1 內存地址“你叫丁小明吧？”“是的?！薄班?，你記得你的姓名，那么請告訴我你把你的姓名記在你的腦海中的哪一個位置呢？在你記著你的姓名信息的下一個位置，你記著什么？上一個位置呢？”“??！這我不知道?！薄澳泸_我！既然你記著你的姓名，你怎么會不知道把它記在哪兒呢？”計算機生氣說。是啊，依靠現在的科技力量，我們無法得知自已把一個數據記在腦海里的哪個腦細胞里。這也是人的記憶狀態(tài)無法數據化的原因。計算機就不一樣的，我們說過，它是什么都數字化了。所以它知道自已把一個數據，一條命令記到了內存中的哪個（些）位置。每一個位置都有
20、編號，就像編了門牌號一樣。如果讓計算機在內存里記住“丁小明”這個名字，可以示意為：丁小明1000H1001H1002H1003H1004H1005H在第一行中，每一格表示一段內存，而格子里的內容是這段內容記下的數據；第二行中每一格內數字就是對應的內存的地址。至于為什么數字后面跟了一個字母H ，那是為了表示這是一個16進制的數。什么是16進制的數，大家現在可以不管。只要把它想成和上一節(jié)我們所講的2進制一樣即可：長有16個指頭的人訂出來的數。從0一直數到15，到了16才往高位進1?？赡苡腥藭哪ィ簽槭裁匆粋€“丁”字（“小”“明”兩字也一樣）占用兩個內存地址呢？這是因為漢字在一個地址（位置）里呆不下
21、，必須放在連續(xù)的兩個地址空間內。那么，什么東西可以放在單獨的一個內存地址里呢？像英文的里字母，比如A, 像阿拉伯數字：比如1,可以，而且就是放在一個內存地址里。假設有一字符串“ABC”，被記在內存里，可示意為(這次我們假設從內存地址2000H處記起)：ABC2000H2001H2002H現在我們提幾個問題：計算機記住”丁”字的內存地址是多少？ 答案是：1000H。請見上圖在計算機記住”丁”字的內存地址后移兩個最小內存地址單位，計算機記住的是哪個字：答案是：”小”。因為 1000H+2=1002H。請同學自己對圖1.3作類似的問答。如果不再往下講一點點，可能會使關于內存地址的這一講的有些內容和第
22、1章中有關2進制語言的內容看起有矛盾。我們一直在說，在計算機中，所有信息都被數字化為2進制的0、1，所以，“丁小明”這個名字被也應該是一串：0001 0010 0111 0101,可是在中圖所畫出的，計算機內存里記的，仍是“丁小明”三個字啊。下面是解釋，我們只舉一個字”丁”講解。我們假設在那一串里的 0001 0010 0111 0101 對應的是 “丁” 字，那么有：丁00010010011101011000H1001H讓我們把字母A對應的圖也畫出來：A010000011000H在上面的兩個圖中：第一行分別是“丁”和“A”，它是給人看的。第二行則是一串的的0和1，這才是計算機內存中實際存儲的
23、數據。第三行是內存的地址。并不是每個0和1所占的位置都被編上地址。而是每8個才擁有一個地址。關于第三行，你可以這樣理解，門牌號是一個家庭分配一個，每家每戶內還有客廳臥室，這些就沒有地址了?？梢姡憾〉拇_是由一串0、1組成的。更確切地，從圖上可以看出丁是由16位0和1組成。這16數都存放在2個內存地址里。A也一樣，它是由8位0、1組成的。占1個內存地址。位： 一個0或1稱為一位（bit）；字節(jié)：連續(xù)八位稱為一個字節(jié)(Byte)；字節(jié)是計算機中可單獨處理的最小單位。用上的兩個單位來表達上面的圖,便是:漢字如“丁”，在內存中，占兩個字節(jié)(Byte)，共16位(Bit)。英文字母如 A在內存中，占1個字
24、節(jié)，8位。（這里說的是內存，其實在其它存儲器中，所占空間是一致的）公式 ：1 字節(jié)(Byte) = 8位(bit)3.4.2 虛擬內存程序和數據必須裝入內存，這就必須面對內存不足的問題。這一問題有許多解決措施，其中很重要的措施就是使用虛擬內存。而所謂的虛擬內存，其實就是硬盤。打開一個Word寫文章，再打開幾個IE瀏覽網頁；后臺還有FlashGet在默默地為你下載網上文件。很快你就會覺得的機器反應變得慢了。為什么？因為程序本身和程序所使用的數據太大，物理內存（真實內存）已經不足，系統(tǒng)采用了大量的硬盤空間來模擬內存。上節(jié)說過，硬盤雖大，但其（傳輸、查找）速度比物理內存慢一個數量級，所以整個系統(tǒng)速度
25、就變慢了。在DOS的編程時代，程序必須自已實現虛擬內存，或者采用第三方程序。而在Windows時代，虛擬內存機制由操作系統(tǒng)來實現。所以在本節(jié)，我們只需知道，雖然理論上程序在運行時必須裝載入內存，但這內存并不一定全是真正的內存，很大一部分，其實是在使用虛擬內存。當然，在Windows下，程序員無須去考慮自已的程序什么時候使用物理內存，什么時候使用虛擬內存。操作系統(tǒng)設置了最大可以使用多少虛擬內存？現在正在使用多少虛擬內存，這一些都有工具可以查看到。現在讓我們用最方便的方法來看看第一個問題。Windows95/98/Me：請在您的電腦桌面上找到“我的電腦”圖標，點擊鼠標右鍵，在彈出的右鍵菜單里選“屬性”，然后在彈出的“系統(tǒng)屬性”對話框里選“性能”這一頁，就可以看到右下角的“虛擬內存”按鈕，點擊后便可看到Windows對我們所講的“虛擬內存”的設置。 Windows XP/2000:在開始菜單中找到“我的電腦”，點擊鼠標右鍵，在彈出的右鍵菜單里選“屬性”，然后在彈出的“系統(tǒng)屬性”對話框里選“高級”選項頁，點其中“性能”組內的“設置”按鈕。出現“性能選項”對話框。選“高級”選項頁，底部有“虛擬內存”組。你可以從中看到有多少MB的硬盤空間允許Windows拿來當虛擬內存。如何想修改或查看更多信息，可點“更改”按鈕。建議采用系統(tǒng)默認值，不要修改。
第三章 計算機原理
