信息与计算机&从传统计算机到“无处不在”的计算（计算机导论 11.21）

第1章 信息与计算机

1.5 计算机科学的定义

1.5.1 计算机科学的基本思路

计算机科学是一个学科。

计算机科学涵盖了从理论研究、到模型抽象及工程设计三个方面，这三方面各不相同，都遵循一定的步骤进行。

理论是数学的根本。
抽象是自然科学的根本。
设计是工程的根本。

1.5.2 计算机科学的学科形态

计算机科学处在理论、抽象与设计三者交汇处。

1.5.3 计算机科学的含义和基本问题

一般来说，计算机科学（CS）是处理信息的学科，主要包括信息的处理、管理和改善；它是对描述和交换信息的算法过程的系统研究，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用。

计算机科学的基本问题是：什么能（有效地）自动进行。

计算机科学所关注的，不仅仅是去理解实现类似游戏、浏览器这些软件的程序的性质，更要通过现有的知识创造新的程序或者改进已有的程序。

第2章 从传统计算机到“无处不在”的计算

2.1 个人计算机

2.1.1 冯·诺伊曼体系结构

1945年，“现代计算机之父”、“博弈论之父”约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）提出存储程序思想，成为现代计算机的基础。存储程序原理的主要思想如下。
（1）计算机内部采用二进制计数。
（2）程序由一系列指令构成，程序和数据存放在内存储器中，进行统一编址，并按照同样的方法存取。
（3）计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。
（4）将编好的程序和原始数据事先存入内存储器，计算机在程序的控制下一步一步地处理数据，直到得出结果。

目前所使用的计算机大都属于冯·诺伊曼体系结构计算机，其组成框图如下。

2.1.2 个人计算机的硬件子系统

个人计算机的硬件子系统如下图。

1.中央处理器（CPU）

CPU作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU由控制器、运算器和寄存器组成。下图是Intel公司的一种CPU产品。

2.内存储器

内存储器简称内存，用于存放要执行的程序和相应的数据。内存是计算机中重要的部件之一，它是外存与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。按工作原理可将内存分为只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、高速缓冲存储器（Cache），但说到内存，更多时候是指RAM。

只读存储器（ROM）
ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定 ，断电后所存数据也不会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。

随机存储器（RAM）

RAM也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写（刷新时除外），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入（存入）或读出（取出）信息。它与ROM的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。

高速缓冲存储器（Cache）
Cache是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。
Cache最重要的技术指标是它的命中率。

3.外存储器

外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。

（1）硬盘
硬盘是计算机最主要的存储设备。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

（2）光盘
光盘是利用激光原理进行读、写的设备，是迅速发展的一种辅助存储器，可以存放各种文字、声音、图形、图像和动画等多媒体数字信息。由于软盘的容量太小，光盘凭借大容量得以广泛使用。

（3）U盘
U盘是闪存的一种，故有时也称作闪盘，是一种小型的移动存储设备。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，即插即用，且其存储容量远超过软盘，极便于携带。U盘体积极小，重量轻，可热插拔，也可以重复写入。

（4）移动硬盘
移动硬盘是以硬盘为存储媒体、在计算机之间交换大容量数据、强调便携性的存储设备。其特点是容量大；传输速度高；使用方便；可靠性高；兼容性好，即插即用。

4.输入设备

输入设备是向计算机输入数据和信息的设备，是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。目前常用输入设备有鼠标、键盘、扫描仪和触摸屏。

（1）鼠标
鼠标是一种很常用的电脑输入设备，它可以对当前屏幕上的游标进行定位，并通过按键和滚轮装置对游标所经过位置的屏幕元素进行操作。

（2）键盘
键盘是用于操作设备运行的一种指令和数据输入装置，也指经过系统安排操作一台机器或设备的一组功能键（如打字机、电脑键盘）。

（3）扫描仪
扫描仪（scanner），是利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式将图形或图像信息转换为数字信号的装置。

（4）触摸屏
触摸屏（Touch Panel）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是简单、方便、自然的一种人机交互方式。

5.输出设备

输出设备（Output Device）是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。
（1）显示器
显示器是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。显示器机身薄，占地小，辐射小，给人以一种健康产品的感觉。近几年LCD显示器已逐步取代了CRT显示器。

（2）打印机
打印机（Printer) 是计算机的输出设备之一，用于将计算机处理结果打印在相关介质上。衡量打印机好坏的指标有三项：打印分辨率，打印速度和噪声。

（3）绘图仪
绘图仪是能按照人们要求自动绘制图形的设备。它可将计算机的输出信息以图形的形式输出。

2.1.3 工作站

1.工作站的定义
工作站是一种高端的通用微型计算机。它是为了单用户使用并提供比个人计算机更强大的性能，尤其是在图形处理能力，任务并行方面的能力。

2.工作站分类
按照不同的分类标准可有不同的分类方法。
例如按软硬件平台分类可分为传统UNIX系统工作站和新型NT工作站。

3.刀片工作站
刀片工作站结合了刀片服务器和传统工作站的优点。它是处于这两者之间的一个创新的工作站形态。

2.2 计算机系统结构

2.2.1 计算机系统结构的基本概念

计算机系统结构是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。

2.2.2 计算机组成

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
1.系列机
系列机指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列不同型号的计算机。
2.兼容机
兼容机，就是由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

2.2.3 计算机实现

计算机实现是计算机组成的物理实现。一句话就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换成真实的计算机。

2.3 移动终端

移动终端又称为移动通信终端，是指可以在移动中使用的计算机设备，广义地讲包括手机、笔记本、POS机甚至车载电脑。

通过本节课的学习，我了解了计算机科学的定义、学科形态及基本问题，认识了当前计算机的体系结构–冯·诺伊曼体系结构以及组成个人计算机硬件子系统的诸多设备，对计算机的整体构造框架都有了崭新的认知。同时计算机系统结构的复杂也让我有点困惑不解，在查阅了很多资料后才有一个大致的认知。原来计算机不止由一台主机和显示器构成，还有许许多多我们看不见的东西隐藏在主机箱内。

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