计算机工作方式与设备形态

第一章：认识我们的电脑

如今，电脑在现代社会中扮演着越来越重要的角色，无论是手机还是电脑，它们早已经成为我们工作学习，甚至日常生活中不可分割的一部分了。但是，其中又有多少人知道计算机从何而来？它到底是什么？

发展到今天历经了多少坎坷？它有哪些种类呢？它又是如何工作的？

这便是接下来我们所要探讨的话题。

第一节：计算机概述

一、 计算机的诞生

图灵机

说到计算机永远避不开一个人，就是被誉为“计算机科学之父”的——艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912 年 6 月 23 日－1954 年 6 月 7 日），英国数学家、逻辑学家。二战期间（1939 年 9 月 1 日—1945 年 9 月 2 日），图灵曾帮助英国破解了德军的密码系统。并且提出了“图灵机”的设计理念，为现在计算机逻辑工作方式打下了良好的基础。

被誉为“现代计算机之父“的冯·诺依曼在世时，曾不止一次地说过：”现代计算机的设计思想来源于图灵“，且从未说过程序存储型计算机的设计思想是由他本人提出的。而所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。

机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。主要将图灵机可以解释为：输入+当前状态➔输入+输出状态

这个过程正好与物质运动相符——环境输入+物质当前状态➔环境输出+物质下一状态。这就是图灵机的高明地方，它揭示了物质运动的可计算本质，所以理论上图灵机可以模拟任何物质运动过程，只要在程序中定义好运算规则。另外，要提醒的是图灵机并不是一种机器，也不是实物，而是一种思维模型。

计算机界最高奖项也是以“图灵”的名字来命名的，目的就是为了纪念图灵为计算机界所做出的突出贡献。

巴贝奇与差分机

而我们要谈到的第二个人便是一位生不逢时的天才——查尔斯·巴贝奇。查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage，1792—1871），英国发明家。

巴贝奇使用机械的方式发明了世界上第一台机械式计算机——差分机。所谓"差分"的含义，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。1812 年，20 岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。

巴贝奇耗费了整整十年光阴，于 1822 年完成了第一台差分机，它可以处理 3 个不同的 5 位数，计算精度达到 6 位小数，当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低，第一台差分机从设计绘图到机械零件加工，都是巴贝奇亲自动手完成。成功的喜悦激励着巴贝奇，他连夜奋笔上书皇家学会，要求政府资助他建造第二台运算精度为 20 位的大型差分机。

然而，第二台差分机在机械制造过程中，因为主要零件的误差达不到每英寸千分之一的高精确度，以失败告终，但他把全部设计图纸和已完成的部分零件送进伦敦皇家学院博物馆供人观赏。

分析机

1834 年，巴贝奇就已经提出了一项新的更大胆的设计。他最后冲刺的目标，不是仅仅能够制表的差分机，而是一种通用的数学计算机。

它由蒸汽机驱动，打孔纸输入，并且拥有寄存器。分析机的设想超出了他们所处时代至少一个世纪！如果分析机完成，这将是世界上第一台完备图灵机。

虽然用现在的说法，它叫计算器更合适，但相对于那时的科学来说，巴贝奇的机械式计算机已经是一个相当的进步了。为了纪念查尔斯·巴贝奇的突出贡献，计算机界又给他颁发了一个“通用计算机之父”的称号。

ENIAC 与 EDVAC

世界公认的第一台通用电子数字计算机是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系莫克利(John Mauchly)和埃克特(J.Presper Eckert)领导的科研小组建造的，取名为 ENIAC(), 直译名为 “电子数值积分和计算器”。

该计算机由 18000 多个电子管、1500 多个继电器等组成，占地 170 平方米， 重量30 吨， 投资超过 48 万美元。该机器字长为 10 位十进制数， 计算速度为 5000 次／秒， 每次至多只能存储 20 个字长为 10 位的十进制数。计算程序是通过 “外接“ 线路实现的， 尚未采用 “程序存储” 方式。

为了在机器上进行几分钟的数字计算， 其准备工作要花去几小时甚至 1~2 天的时间，使用很不方便。ENIAC 计算机于 1945 年年底宣告完成，1946 年 2 月 15 日正式举行揭幕典礼，它标志着人类计算工具的历史性变革。1944 年 8 月至 1945 年 6 月是电子数字计算机发展史上智力活动最紧张的收获季节。

冯·诺依曼（Von Neuman) 与莫尔学院的科研组合作， 提出了一个全新的存储程序的通用电子数字计算机方案 EDVAC (Electronic Discrete Variable AutomaticComputer), 意即 “离散变量自动电子计算机”，这就是人们通常所说的冯·诺依曼型计算机。该计算机采用 “二进制” 代码表示数据和指令， 并提出了 “程序存储＂ 的概念， 它奠定了现代电子计算机的基础。（也就是我们现在的处理器、主板、内存、硬盘的电脑组合方式）到了这里，我们的计算机技术才正式步入时代的大舞台。

根据冯·诺依曼所作出的突出贡献，大家便赋予了他“现代计算机之父”的称号。

二、 现代计算机

计算机俗称电脑，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算与逻辑计算，并且具有存储记忆功能；是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。

我们日常生活中最常见的就是个人计算机（personal computer)，俗称 PC。而个人电脑可以分为：台式机、电脑一体机、笔记本电脑、掌上电脑和平板电脑。下面我们来逐个介绍：

台式机

台式亦被称为桌面机，相对于可携带的笔记本体积较大。主机、显示器等设备是相对独立的，一般需要放置在电脑桌或者专门的工作台上，因此而命名为台式机。台式机是非常流行的微型计算机，大多数家庭和公司使用的电脑都是台式机。

台式机的性能较笔记本电脑要相对强一些。

优点

散热性较好：台式机的机箱空间大、通风条件好，进而致使整部机器的散热良好。这是台式机具有笔记本电脑所无法比拟的优点之一。延展性较好：台式机的机箱设计很人性化，方便用户进行硬件升级、扩展或拆卸维修，如加装光驱、硬盘、内存，更换主板、CPU 等。

保护性较好：台式机密闭的机箱，将保护硬件不易受灰尘等外界侵害。今使用较多台式机的开/关键、重启键、USB、音频接口都位于机箱的前置面板中，易于寻找和使用。

缺点

1. 台式机的显示屏、主机体积较大，相关线缆也较多，占地较大，且整体不易于携带搬运。

2. 相对于笔记本电脑来说，台式机的耗电量大，而且台式机如果突然断电，容易损坏电脑硬件和系统，导致电脑无法开机。

一体机

一体机（英语：All-in-One PC，简称“AIO”）是一种把微处理器、主板、硬盘、屏幕、喇叭、视频镜头及显示器集成为一体的台式机。原先为苹果公司最先开发此区块，苹果公司曾将数款一体机推出市场，就例如 1980 年代的原始麦金塔计算机以及90 年代到现今的 iMac。2009 年，Intel 推出的低价 CPU Atom，促使各计算机厂商增加对 AIO 机型的设计和量产。

随着无线技术的发展，电脑一体机的键盘、鼠标与显示器可实现无线链接，机器只有一根电源线。这就解决了一直为人诟病的台式机线缆多而杂的问题。有的电脑一体机还具有电视接收、AV(视频输出）功能等。

优点

一体机通常比一般的台式机较轻便、体积小、美观较容易配合室内摆设的优点，大部分的一体机亦在机身加上把手。

缺点

1. 难于升级和自定义硬件，因为所有内置硬件可能是直接放在显示器后面。

2. 散热不佳：因其显示器后部空间较小，不利于空气流通，影响电脑散热。

笔记本电脑

笔记本也称为手提电脑或膝上型电脑（laptop),是一种小型、可携带的个人电脑通常重1-3 公斤。为了缩小体积，笔记型计算机通常拥有液晶显示器（液晶屏），现在新型的部分机种甚至有触屏。除了键盘以外，还装有触摸板（touchpad）或触控点作为定位设备（Pointing device）。这是我们平日在学校里最常接触的一类电脑了。不论是维修还是导购，我们都需要对其十分了解。

笔记本电脑的分类

笔记本电脑从用途上一般可以分为 4 类：商务型、时尚型、多媒体应用型和特殊用途型。

1. 商务型：商务型笔记本的特征一般为移动性强、电池续航时间长、做工精良、坚固耐用、稳定均衡【突出代表是联想的 ThinkPad 系列笔记本】

2. 时尚型：时尚型笔记本的特征一般为外观优美、注重时尚、个性化气息浓重【突出代表是索尼、苹果的笔记本】

3. 多媒体应用型：多媒体应用型笔记本的特征一般为配置较强、影音效果出众、显卡不错、屏幕较大【突出代表是 15 寸以上、显卡高强的笔记本】

4. 特殊用途型：特殊用途型笔记本是服务于专业人士，可以在酷暑、严寒、低气压、战争等恶劣环境下使用的机型，多较笨重，并且十分昂贵【突出代表是军用的笔记本】此外，学生使用的笔记本主要用于教育、娱乐，还要求性价比很高；发烧级本本爱好者不仅追求高品质而且对齐全的设备接口要求很高。而根据笔记本电脑大小、重量和定位，笔记本电脑一般可以分为台式机替代型、主流型、轻薄型、超便携和平板电脑五类。

5. 台式机替代型：该类笔记本电脑都拥有很强的性能，从硬件配置上来说，与高端台式机不相上下，但是在高性能的同时，是其较大的体积、较大的重量和高发热量，造成了此类机型的便携性比较差，重量多高于 3kg。此类机型适合与对计算能力和图形性能要求非常高的游戏玩家或是从事设计等工作的专业人士。

1. 主流型：这类机型最为常见，是大部分笔记本电脑用户的首选。从配置上来说可以满足各种需求，商务、娱乐、视频等功能的整合已经十分成熟。从便携性上来说，相对适宜的重量和成熟的开发模具，让使用者更加方便，属于整体性价比较高的一类机种。除了拥有主流的配置之外，这类机型在体积、重量，电池续航方面也会寻找一个平衡点，从而满足日常应用的各种需求。

2. 轻薄型：这是介于主流机型和超便携型笔记本电脑间的类型，主要是针对追求性价比或者是对于性能和便携性要求较高的商务用户。轻薄的机身，较长时间的续航，不俗的商务娱乐性能，精彩的设计工艺，吸引了众多白领阶层人士。

3. 平板型：平板电脑是一款无须翻盖、没有键盘、大小不等、却功能完整的电脑。其构成组件与笔记本电脑基本相同，但它是利用触模屏幕进行信息输入，而不是使用传统意义上的键盘和鼠标输入。它除了拥有笔记本电脑的所有功能外，还支持手写输入或语音输入，移动性和便携性较笔记本电脑更胜一筹。

三、 计算机工作原理

具体来说，计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令通过控制器的译码，知道这一条指令的功能是什么。然后按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，再按指令中的地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。

如此进行下去，直至遇到停机指令。打个比方，当我们坐在书桌前写作业时，我们从书架上取出一本《5.3》，然后我们将其做完，放在书桌上。然后再拿出另一本《5.3》，写完了，放在旁边。

这样一直重复下去，直到发现把所有的语数外物化生政史地《5.3》全写完了，终于停下笔开始休息……在这个过程中，书架即是（外）存储器，存储了大量的《5.3》(数据）；书桌即是内存，它可以作为我们写作业（处理数据）的一个工作间，但它是有一定空间的，当《5,3》在书桌上放不下时，就得将其放回书架上（即将数据再存入外存储器)；至于处理器，那就是我们的大脑，产生了要写作业的冲动后（即开始运算的指令），便开始疯狂地写，直到写光。

(即收到停止运算的指令）。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于 1945 年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：

1. 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。

2. 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。

3. 将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。

来源：四川大学飞扬俱乐部《维修手册》PDF 第 9-16 页（印刷页 8-15）。