第二章：计算机的构成

复习

• 第一章：需要一台计算机，在研究其组成的方向上进行努力。

TL;DR

• 使用 布尔代数（二进制数学基础） 和 电能（能源） ，设计出 输入设备、输出设备、存储单元和计算单元 ，就可以构成计算机。
• 四种组成部分可以继续向下向细拆分。例如计算单元可以由 CPU 拆成寄存器、ALU 和控制器等。

正文

供能

　　首先，要使机器工作：需要供能。目前最容易获取和广泛运用的能源：电能。

• 需要供电（能源）

处理

　　其次，计算，同处理事情的流程一样，需要：适用前提，已知条件和结果。由此，抽象出以下三点：

• 可计算性（适用前提）
• 输入数据（已知条件）
• 输出结果（结果结论）

内部表示

　　最后，考虑计算机内部计算处理的事情：

• 如何处理与计算机的交互？
• 信息和数据该怎么表示？
• 处理时会不会有中间结果，需不需要暂时保留？

交互处理

　　最初的计算机，只希望能快速计算。所以此处将问题最简化：能够输入数据就行。复杂交互处理不在考虑范围之内。

　　由于采用电能，所以最终一切都需要用电信号表示。电信号目前只能分为两种：通电，不通电。

　　我们需要区别这两种状态，并且，是在计算机一直供电的情况下，让计算机识别输入信号。

　　阻挡是一个办法。

　　最初的计算机科学家们，想到用纸带打孔。有孔洞，类似开关，电路接通，通电。没有孔洞，电路受阻，不通电。如下图：

　　这就是最原始的方法，需要程序员做大量的打孔操作，让机器识别。

数据表示

　　由于交互处理的前提，需要将所有信息都用通电和不通电表示。

假设

1. 通电表示 a，不通电表示 b。那其他字母怎么办呢？行不通。
2. 通电表示 1，不通电表示 0。那其他数字怎么办呢？似乎可以。

　　玛雅人采用 20 进制；我们日常使用 10 进制；有些单位（一打）使用 12 进制。

　　那么是否可以采用 2 进制？逢 2 进 1，将其他数字表示出来？

　　回到假设 1：如果需要表示字母和其他符号，怎么办？进制只能表示数字。

　　既然数字这个界限不能打破，那么是否可以抽一部分数字出来，专门用来表示其他字母或者符号？美国想出了这个方法，由此诞生 ASCII 码。详细了解请见参考资料。

思考题 1

　　这个方法似乎也有些问题。例如，ASCII 码中规定 0100 0001（二进制，转换为十进制为 65）表示字母 A ，那真要表示 65 怎么办？以及，上述的假设 1，其他字母真的就表示不出来吗？

　　这个方法可以解决问题。虽不完美，但目前没有想出更好的解决办法，就这样先用着。

　　为了方便计算机学界交流，为这些知识起个术语：

• 一个二进制的 0 或 1 称为 bit，比特，用 b 表示
• 8 个二进制的 0 或 1 成为 Byte，字节，用 B 表示
  • 8 是人为规定的，二进制表示一个数据会非常长，表示 0-9 都需要 4 个 bit

中间结果

　　毋庸置疑，需要保存中间结果。原因：

• 我们希望一次性将所有计算任务都输入进去，等待计算机完成。而非计算一次输入一次。
• 计算较为复杂时，中间结果不可丢弃，否则后续计算将出现错误。

　　我们需要有某个东西，能够存放数据，即存放中间结果的二进制表示。我们姑且称为“存储器”。

体系结构

　　处理完三个棘手的问题，得出新的结论，一台计算机需要有：

• 输入设备（详见处理）
• 输出设备（详见处理）
• 存储器（详见中间结果）
• 核心的计算单元（核心功能）

　　上述体系结构，被称为冯·诺依曼体系结构，至今仍在沿用（人类所有知识都来源于好奇心和解决问题）。如图所示：

思考题 2

　　如果未来发生了一场能源革命，发现一种新能源：另能。另能激活时，有 A、B、C 三种不同的形态，均可导通另路（类似电路）。

　　那么计算机是否会发生革命？如果你是另能计算机设计者，会采用几进制？

　　最后，冯·诺伊曼体系结构是否会随着技术发展而打破？

小结

知识点

　　一个核心：计算机如何构成。达成这个目的，需要：

• 能源
• 输入
• 输出
• 计算处理
  • 二进制和 ASCII 码
    • 比特(bit)
    • 字节(Byte)
  • 存储器
  • 计算单元
• 冯·诺伊曼体系结构

参考资料

1. 计算理论：一个问题是否可以计算。偏数学领域，不在讨论范围之内。

2. ASCII 码：American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码。

3. 二进制：数据的表示方法。

4. 冯·诺依曼体系结构：现代电子计算机的基本体系结构。

5. Сетунь：苏联诞生的三进制计算机。

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

1. 65 和 A 的表示原理相同。A 是一个字符，65 是 6 和 5 两个字符。表示 65，即表示 6 的 ASCII 代码，然后跟上 5 的 ASCII 代码：0011 0110(6) 0011 0101(5)。注意：此处只讨论这两个字节用于显示，而非用于计算或表示指令等。

2. 可以用 a 和 b 进行进制排列。如 a 表示 a，b 表示 b，ba 表示 c，bb 表示 d，baa 表示 e，bab 表示 f，bba 表示 g 等。但此方法实质一样，并且违背现存符号体系，不采用。如果不采用进制排列，因元符号（不可再分的符号单位）只有通电与不通电，所以只能表示两个信息。目前没有突破采用进制以外的信息表示法（符号少，只能依靠排列增加信息数量）。

   请注意：此答案 2 并不严谨，但于初学者而言，容易理解且偏差不大。（苏联曾经诞生过三进制计算机）

思考题 2

1. 会。因为元符号数量从 2 个增长为 4 个。
2. 4 进制。未导通态 1 个加上导通态 3 个，共 4 个。可以表示为 0-3，此时每 1 位（四进制）可以表示 2 个比特位（二进制）。
3. 科学和技术一直在进步。假设，某一天技术强大到所有输入和输出均可一个设备完成，则该体系也会随之淘汰。

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