計算機自從 20 世紀 40 年代誕生以來(lái)，一直以史無(wú)前例的進(jìn)步向前發(fā)展，如果說(shuō)農業(yè)革命是第一次革命、工業(yè)革命是第二次革命的話(huà)，那么第三次革命就是 信息革命。
計算機技術(shù)的進(jìn)步幾乎影響著(zhù)社會(huì )的方方面面，硬件的進(jìn)步使得程序員可以編寫(xiě)出各種各樣優(yōu)秀的應用軟件。也許不久的將來(lái)虛擬現實(shí)、無(wú)人駕駛、無(wú)現金支付就會(huì )成為現實(shí)。
計算機從用途上來(lái)講主要分為三種：
技術(shù)的不斷發(fā)展也讓計算機在不斷進(jìn)步，對整個(gè)信息技術(shù)工業(yè)產(chǎn)生影響，自從個(gè)人計算機 PC 出現以來(lái)，計算機發(fā)展迅速，出現了一種個(gè)人移動(dòng)設備(Personal Mobile Device, PMD)，PMD 由鋰電池供電，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )，價(jià)格低廉。PMD 不再像 PC 一樣擁有顯示器和鼠標，作為替代的是一塊觸摸屏，甚至支持語(yǔ)音輸入，PMD 的出現代表后 PC 時(shí)代的到來(lái)，而 PMD 將在未來(lái)生活中扮演更多角色。
云計算(cloud computing) 替代了傳統的服務(wù)器，它依賴(lài)于一種倉儲規模計算機(Warehouse Scale Computer, WSC) 的巨型數據中心，比如 AWS ,Google 這樣的頂級科技公司，通過(guò)云計算實(shí)現 軟件即服務(wù)(Software as a Service, Saas) 是軟件工業(yè)的使命。
計算機世界的快速發(fā)展，離不開(kāi)幾個(gè)關(guān)鍵思想的影響，這些思想深刻影響著(zhù)計算機設計人員
抽象真是一個(gè)牛逼的詞匯，提高硬件和軟件生產(chǎn)率的主要技術(shù)之一就是使用抽象(abstraction)來(lái)表示不同的設計層次，對高層次隱藏內部的實(shí)現細節，使其只看到一個(gè)大致簡(jiǎn)化版的模型。
計算機設計者一個(gè)永恒的問(wèn)題就是 摩爾定律(Moore's Law) 驅動(dòng)的快速變化，它是由英特爾的創(chuàng )始人 摩爾 提出的，它的主要內容是：當價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔 18 - 24 個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍，這一定律揭示了信息進(jìn)步的速度。
并行處理是計算機的一大進(jìn)步，并行指的是計算機系統中能同時(shí)執行兩個(gè)或多個(gè)處理的一種計算方法，并行處理的主要目的是提高效率，縮短工作時(shí)間，但是會(huì )帶來(lái)更大的復雜性。
在計算機結構設計中，一個(gè)特殊的并行場(chǎng)景是使用流水線(xiàn)，流水線(xiàn)也是一種硬件并行的設計。你一定見(jiàn)過(guò)大型車(chē)間或者制造廠(chǎng)中的流水線(xiàn)工業(yè)設計。
加速大概率事件要比優(yōu)化小概率事件更能提高性能，大概率事件通常比小概率事件簡(jiǎn)單，大概率事件規則意味著(zhù)設計者需要知道什么事件是經(jīng)常發(fā)生的。
古人通常講一句話(huà)是 未雨綢繆，表明要做一件事情需要提前做好準備，才能更好的完成工作。預測也是一種提前做好準備的思想，通過(guò)預測的方式提前開(kāi)始某些操作，會(huì )比等到確切知道這些操作啟動(dòng)時(shí)要快，通過(guò)另一方面提高系統性能。
存儲器層次我在之前的文章中多次提到了，這是金字塔的層次設計模型，如下圖所示
在存儲器層次結構中，速度最快，容量最小的并且價(jià)格最昂貴的位于頂層，而速度最慢、容量最大而且價(jià)格便宜的位于底層。
計算機不僅要保證工作的速度、還要保證工作的可靠。由于任何一個(gè)物理器件都有可能會(huì )失效，因此可以通過(guò)使用冗余部件的方式提高系統的可靠性(dependable)，冗余部件可以替代失效部件并且可以幫助其檢測錯誤。
一個(gè)應用程序可能由數千萬(wàn)行代碼組成，我們知道，計算機中的硬件只能提供最簡(jiǎn)單的低級指令，從復雜的應用程序到簡(jiǎn)單的指令需要經(jīng)過(guò)軟件的幾個(gè)層次來(lái)逐步解釋和翻譯。下圖展示了軟件結構的幾個(gè)層次
最外層是應用軟件，最核心是硬件 ，系統軟件(systems software)位于兩者之間。
系統軟件：通常提供服務(wù)性質(zhì)的軟件，包括操作系統、編譯程序等。
操作系統和編譯程序是對于所有計算機來(lái)說(shuō)都是必須的，這兩個(gè)系統軟件是非常重要的，操作系統是計算機硬件和軟件之間的接口；為用戶(hù)提供各種調用和協(xié)調服務(wù)，操作系統主要的功能如下
而編譯程序是完成另一項重要功能的程序：它把高級語(yǔ)言例如 C、Java、C++ 編寫(xiě)的程序翻譯成為機器指令，這個(gè)翻譯過(guò)程是非常復雜的。
在計算機世界中，它能識別的只有兩個(gè)信號：0 和 1，所以我們認為計算機只能識別二進(jìn)制數。每個(gè)字母就代表計算機中的二進(jìn)制位(binary digit) 或者 一位(bit)。八個(gè)二進(jìn)制位成為一個(gè)字節(byte)，字節是最小的尋址單元，一連串的二進(jìn)制位構成了計算機術(shù)語(yǔ)中的 指令(instruction)，即 01010101110110 等等。。。。。。
第一代程序員是直接使用二進(jìn)制數與計算機通信的，這是一項非常乏味的工作，所以為了改善這種枯燥無(wú)聊的編寫(xiě)方式，程序員很快發(fā)明了助記符，最初助記符是通過(guò)手工翻譯成為二進(jìn)制的，這種轉換過(guò)程過(guò)于浮躁無(wú)聊和繁瑣，為了改善這種情況，程序員發(fā)明了一種 匯編程序(assembler) 的軟件，可以將助記符自動(dòng)轉換為對應的二進(jìn)制。比如我們使用助記符 add A,B ，這段代碼就會(huì )自動(dòng)的被二進(jìn)制 0101011011。該指令告訴計算機將使用 A 和 B 進(jìn)行相加操作。這種助記符使用的語(yǔ)言就是匯編語(yǔ)言(assembly language)。而機器可以理解的二進(jìn)制語(yǔ)言稱(chēng)為 機器語(yǔ)言(machine language)。
然而，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，匯編語(yǔ)言也慢慢面的枯燥乏味，所以出現了像是 C、Java 這樣的高級語(yǔ)言，也就是我們開(kāi)發(fā)所使用的語(yǔ)言，高級語(yǔ)言的出現，大大提高了編程效率，但是，萬(wàn)變不離其宗，高級語(yǔ)言也要經(jīng)過(guò)
這一個(gè)轉換過(guò)程。高級編程語(yǔ)言和編譯程序大大提高了軟件的生產(chǎn)率。
使用高級語(yǔ)言有以下幾個(gè)好處：
其一，可以讓程序員使用更自然的語(yǔ)言來(lái)思考
其二，高級語(yǔ)言提高了程序員的生產(chǎn)率，加速程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程
其三，采用高級語(yǔ)言編寫(xiě)程序提高了程序對于計算機的獨立性
看到這里你可能會(huì )有疑問(wèn)，為什么要學(xué)硬件呢？換個(gè)角度來(lái)講，憑什么培訓三個(gè)月出來(lái)的程序員能夠和科班學(xué)習四年的程序員一起競爭找工作？想過(guò)這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有？
那是因為，培訓機構不會(huì )為你的長(cháng)遠考慮，短期找到工作能夠交差即可。把一個(gè)程序員的素養等價(jià)為找到工作即可，這本來(lái)就是這個(gè)行業(yè)的污點(diǎn)所在，CRUD 程序員不需要專(zhuān)業(yè)的程序素養，完成工作即可。為什么程序總有填不完的坑，不考慮程序健壯性、可拓展性、設計模式，寫(xiě)代碼只為了自己，而不是以工程化的標準來(lái)要求自己就是培訓班和科班的素養和差距。這也是我為什么最近在研究計算機基礎的原因，因為我不夠有素質(zhì)。
為什么學(xué)硬件？就是能夠讓你從計算機的角度思考問(wèn)題。好了不多說(shuō)了，說(shuō)多了該被培訓班 diss 了。
任何一臺計算機的基礎硬件都需要完成最基本的功能：輸入數據、輸出數據、處理數據、存儲數據。我們討論的主題就是描述這些功能是怎樣完成的。
下面我們就要探討一下這些硬件
顯示器是一個(gè)非常吸引人的輸出設備，大多數個(gè)人移動(dòng)設備都用 液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD) 來(lái)獲得輕巧、低功耗的顯示效果。LCD 能夠控制光的傳輸。今天，大多數 LCD 顯示器都采用 動(dòng)態(tài)矩陣顯示(active matrix display) 技術(shù)，其每個(gè)像素(pixel) 都由一個(gè)晶體管精確的控制電流，從而使圖像更加清晰。在彩色動(dòng)態(tài)矩陣 LCD 中，還有一個(gè) 紅 - 綠 - 藍屏決定三種顏色分量的強度，每個(gè)點(diǎn)需要三個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)。
圖像由像素矩陣組成，可以表示成二進(jìn)制位的矩陣，稱(chēng)為 位圖(bit map)。不同分辨率所能夠支持的矩陣大小不同，彩色顯示器使用 8 位來(lái)表示每個(gè)三原色（紅、綠和藍），每個(gè)像素用 24 位表示，可以顯示百萬(wàn)種不同的顏色。
計算機硬件使用光柵刷新緩沖區（又稱(chēng)為幀緩沖區）來(lái)保存位圖以支持圖像。
圖中的 X0 Y0 ，X1 Y1 都表示像素
后 PC 時(shí)代，移動(dòng)設備的高速發(fā)展，使觸摸屏成為一種趨勢，觸摸屏有兩種實(shí)現
電阻式觸摸屏(Resistive touchscreens)：電阻式觸摸屏基于施加到屏幕上的壓力來(lái)工作。 電阻屏由許多層組成。 當按下屏幕時(shí)，外部的后面板將被推到下一層，下一層會(huì )感覺(jué)到施加了壓力并記錄了輸入。 電阻式觸摸屏用途廣泛，可以用手指，指甲，手寫(xiě)筆或任何其他物體進(jìn)行操作。
電容式觸摸屏(capacitive touchscreen)：電容式觸摸屏通過(guò)感應物體（通常是指尖上的皮膚）的導電特性來(lái)工作。 手機或智能手機上的電容屏通常具有玻璃表面，并且不依賴(lài)壓力。 當涉及到手勢（如滑動(dòng)和捏合）時(shí)，它比電阻式屏幕更具響應性。 電容式觸摸屏只能用手指觸摸，而不能用普通的手寫(xiě)筆，手套或大多數其他物體來(lái)響應。
下面是一個(gè) ipad2 的剖面圖
這里面包括集成電路，也稱(chēng)為芯片(chip)、CPU、前置攝像頭、后置攝像頭、麥克風(fēng)、耳機插孔、揚聲器、加速計、陀螺儀、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )和藍牙網(wǎng)絡(luò )等。
為了進(jìn)一步理解硬件，下面展示了一款蘋(píng)果 A5 微處理器的實(shí)現細節，處理器從邏輯上包括兩個(gè)主要部件：數據通路和控制器
數據通路主要用來(lái)執行算數運算
控制器主要負責指導數據通路、存儲器和 I/O 設備按照正確的指令進(jìn)行執行
除此之外，上述剖面圖還包括 GPIO，通用型之輸入輸出的簡(jiǎn)稱(chēng)。
DDR SDRM 接口是內存條接口，通過(guò)提供多個(gè)隔行掃描的內存訪(fǎng)問(wèn)，從而提高內存帶寬
內存是程序運行的存儲空間，它同時(shí)用于保存程序運行時(shí)所使用的數據，內存由 DRAM 芯片組成。DRAM(Dynamic random access memory) 是動(dòng)態(tài)隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器的縮寫(xiě)。在處理器內部使用的是另外一種存儲器 - 緩存(cache memory) ，這是一種小而快的存儲器，一般作為 DRAM 的緩沖。cache 使用的是 靜態(tài)訪(fǎng)問(wèn)存儲器(Static Random Access Memory, SRAM) ，它的速度要比 DRAM 更快，價(jià)格也更加昂貴。
我們上面探討了影響計算機的幾大設計思想，其中非常重要的一個(gè)思想就是 抽象，計算機硬件和軟件的接口就是一種抽象，這種抽象又被叫做 指令集體系結構(instruction set architecture) ，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為 體系結構(architecture)。提供給應用程序員基本指令集和操作系統接口稱(chēng)為 應用二進(jìn)制接口(Application Binary Interface)。
這種抽象的好處是讓程序員能夠單獨的實(shí)現應用程序，而不用考慮其內部的硬件，內部硬件和系統應用程序只提供對用戶(hù)的服務(wù)。對程序員隱藏內部實(shí)現細節。
上面我們已經(jīng)基本介紹到了輸入、輸出、控制器、存儲器，但是對于計算機，還有一項非常重要的功能我們沒(méi)有介紹 - 計算機網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)計算機聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現與其他計算機通信，任何計算機都不能成為信息的 孤島，計算機通信能為我們帶來(lái)下面這些好處
隨著(zhù)傳輸速度以及通信傳輸的距離，通信代價(jià)也在隨之增長(cháng)，網(wǎng)絡(luò )的傳輸是多種多樣的，最常見(jiàn)的就是 以太網(wǎng)，以太網(wǎng)是一種連接局域網(wǎng)的傳統技術(shù)，它能夠使設備通過(guò)協(xié)議(一組規則或通用網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)言)相互通信，以太網(wǎng)的接入設備可以相互識別對方，以太網(wǎng)中的一個(gè)例子就是 局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN) ，局域網(wǎng)通過(guò)交換機進(jìn)行組網(wǎng)。還有一種距離更遠的網(wǎng)絡(luò )是 廣域網(wǎng)，廣域網(wǎng)可支持萬(wàn)維網(wǎng)(World Wide Web)。
隨著(zhù)計算機的不斷發(fā)展，通信速度和性能也在不斷提升。
處理器和存儲器在高速發(fā)展，計算機最初使用的是晶體管，然后后面慢慢出現了集成電路、超大規模集成電路。下表展示了這個(gè)演變過(guò)程
時(shí)間計算機構造1951真空管1965晶體管1975集成電路1995超大規模集成電路2013更大規模集成電路
晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，具有多種功能。晶體管作為一種可變電流開(kāi)關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。集成電路(IC) 由成千上萬(wàn)的晶體管組成。后面不斷的發(fā)展為更多晶體管組成的 超大規模集成電路(VLSL)。
計算機的性能是很難評判的，我們將從以下幾個(gè)方便來(lái)展開(kāi)探討
個(gè)人計算機用戶(hù)比較感興趣的就是 響應時(shí)間(response time)，響應時(shí)間就是指一個(gè)任務(wù)從開(kāi)始到完成所需要的時(shí)間，又稱(chēng)為執行時(shí)間。而數據中心感興趣的常常是 吞吐率(throughput)。
如果使用時(shí)間來(lái)度量計算機，那么完成同樣的任務(wù)，需要時(shí)間最少的計算機是最快的。程序的執行時(shí)間一般以秒為單位。我們可以使用 CPU 執行時(shí)間 來(lái)表示在 CPU 上花費的時(shí)間，而不包括其他 I/O 或應用程序的時(shí)間。CPU 時(shí)間可以進(jìn)一步分為用于用戶(hù)程序的時(shí)間和操作系統為用戶(hù)服務(wù)花去的 CPU 時(shí)間，前者稱(chēng)為 CPU 時(shí)間，后者稱(chēng)為系統 CPU 時(shí)間。
為了一致性，我們使用 CPU 性能表示用戶(hù) CPU 時(shí)間，用系統性能表示系統空運行的響應時(shí)間。
幾乎所有的計算機都會(huì )使用時(shí)鐘來(lái)驅動(dòng)硬件中的各種事件。時(shí)鐘間隔的時(shí)間稱(chēng)為 時(shí)鐘周期(clock cycle)。也可以用它的倒數來(lái)描述，稱(chēng)為 時(shí)鐘頻率(clock rate)。
我們一般使用下面的公式來(lái)表示 CPU 的性能
CPU 執行程序的時(shí)間 = 程序 CPU 時(shí)鐘周期數 * 時(shí)鐘周期時(shí)間
由于時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘周期互為倒數的關(guān)系，所以也可以用
CPU 執行程序的時(shí)間 = 程序 CPU 時(shí)鐘周期數 / 時(shí)鐘頻率
有了公式后，我們可以對各個(gè)指標進(jìn)行描述，在時(shí)鐘周期時(shí)間內，程序 CPU 時(shí)鐘周期數越低，CPU 性能越高。在周期數相同的情況下，時(shí)鐘頻率越高，CPU 性能越高。
CPU 最終是要執行指令的，一個(gè)考慮指令執行時(shí)間的方法是：執行時(shí)間等于執行的指令 * 每條指令的平均時(shí)間。所以，一個(gè)程序需要的時(shí)鐘周期數為
CPU 時(shí)鐘周期數 = 程序指令數 * 每條指令的平均執行周期
我們一般使用 CPI(clock cycle per instruction) 表示執行每條指令所需的時(shí)鐘周期的平均值。不同指令執行的周期可能不同，所以 CPI 表示的是一個(gè)平均值。
所以我們可以使用 CPU 時(shí)間 = 指令數 * CPI * 時(shí)鐘周期時(shí)間
或者 CPU 時(shí)間 = 指令數 * CPI / 時(shí)鐘頻率
本篇文章我們主要介紹了 計算應用分類(lèi)、計算機發(fā)展的八大思想、計算機結構層次、基本硬件入門(mén)，還有計算機通信、處理器發(fā)展、性能的定義。
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