趣学python编程 (二、计算机硬件和用途介绍)

1944年，美籍匈牙利数学家 冯·诺依曼 提出计算机基本结构和工作方式的设想，为计算机的诞生和发展提供了理论基础。时至今日，尽管计算机软硬件技术飞速发展，但计算机本身的体系结构并没有明显的突破，当今的计算机仍属于冯·诺依曼架构。

冯·诺依曼架构，其理论要点如下：

1. 1、计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5部分组成。
2. 2、存储程序思想——把计算过程描述为由许多命令按一定顺序组成的程序，然后把程序和数据一起输入计算机，计算机对已存入的程序和数据处理后，输出结果。

艾伦.麦席森.图灵，英国数学家，他的图灵机模型为计算机的逻辑工作方式奠定了基础。 图灵机将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。为了纪念他的伟大，还专门设的有一个奖项叫图灵奖。

图灵奖：由美国计算机协会（ACM）于1966年设立，专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人，它是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

计算机的分类

巨型计算机(Super Computer)

人们通常把最快、最大、最昂贵的计算机称为巨型机（超级计算机）。巨型机一般用在国防和尖端科学领域。

世界上只有少数几个国家能生产巨型机，著名巨型机如：美国的克雷系列(Cray-1,Cray-2，Cray-3、Cray-4等)，我国自行研制的银河-I（每秒运算1亿次以上）、银河-II（每秒运算了10亿次以上）和银河-III（每秒运算100亿次以上）也都是巨型机。 

目前，计算机运算速度最高的是日本NEC的Earth Simulator（地球模拟器），它实测运算速度可达到每秒35万亿次浮点运算，峰值运算速度可达到每秒40万亿次浮点运算。

微型计算机（Micro Computer)

微型计算机又称个人计算机（Personal Computer，PC），是第四代计算机时期出现的一个新机种。特点是轻、小、价廉、易用。 

 工作站(Workstation)

工作站是介于个人计算机——PC机和小型计算机之间的一种高档微型机，如图所示。工作站通常配有高档 CPU、高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内外存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。它主要用于图像处理、计算机辅助设计（CAD）等领域。

服务器（Server）

服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统，如图所示。从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当服务器，关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。根据提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。

 嵌入式计算机

嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统之中的计算机。嵌入式计算机与通用型计算机最大的区别是运行固化的软件，用户很难或不能改变。嵌入式计算机应用最广泛，数量超过微型机。目前广泛用于各种家用电器之中，如电冰箱、自动洗衣机、数字电视机和数码照相机等。

计算机的用途

科学计算

科学研究和工程技术计算领域是计算机的重要应用领域，也是应用最早、最广泛的领域。计算机的使用，使得很多复杂的科学计算，如军事、航天、气象等学科领域中的许多问题得以解决。人们利用计算机进行各种研究和设计工作，取得比过去用实验方法或粗略估算方法精确得多的结果，从而大大减少研究、试制的时间和人力与费用。科学计算的特点是计算量大和数值变化范围大。

数据处理

数据处理又称为信息处理，是用计算机对大量数据进行收集、整理、加工、分析及利用。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量大，计算方法却比较简单，大多为逻辑运算，处理结果常以表格形式保存起来。目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等领域，小到家政管理，大到国家的计划管理，都属于数据处理的范畴。

过程控制

利用计算机实时采集、检测数据并进行处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制，从而大大提高控制的实时性、准确性及各应用领域的自动化程度。

计算机辅助系统

计算机辅助系统包括计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助教学CAI（Computer Assisted Instruction）、计算机辅助教育CBE（Computer Based Education）等。计算机辅助设计是设计人员建立某种模式和程序，使计算机按照人的意图进行分析和计算，作出判断和选择，最后输出满意的设计结果或图纸；计算机辅助教学，即多媒体的教学方式，是将有关课程的教学程序存入计算机中，让学生通过计算机进行学习。近年来，多媒体技术和网络技术的发展推动了CBE的发展，网上教学和远程教学已在许多学校展开。

人工智能

人工智能AI（Artificial Intelligence）一般是指计算机模拟人脑进行演绎推理和作出决策的思维过程。人们将一些定理和推理规则存入计算机中，然后设计程序让计算机自动寻找解决问题的方法。

计算机网络

计算机网络是利用通讯设备和线路将地理位置不同、功能独立的多台计算机互联起来，按照一定的网络通信协议，实现信息交换、资源共享和分布式处理。计算机网络是当前计算机应用的一个重要领域。

电子商务

电子商务是指通过计算机和网络进行商务活动，如电子银行、网上交易等。电子商务具有高效率、低支付、高收益和全球性等优点。

计算机的原理

计算机的执行原理可以概括为以下步骤：

1. 输入：计算机从输入设备中获取数据，并将其转化为二进制代码。
2. 存储：计算机将输入的数据存储在内存中。
3. 处理：计算机对存储在内存中的数据进行各种操作，如算术运算、逻辑运算等。
4. 输出：计算机将处理后的结果输出到输出设备中。

计算机的执行原理与图灵机的概念密切相关。图灵机是一个抽象的机器模型，由英国数学家艾伦·图灵在1936年提出。它是一个虚拟的机器，可以模拟人们使用纸笔进行数学运算的过程。图灵机由一个读写头和一条无限长的纸带组成，读写头可以在纸带上左右移动，并根据程序表对每个小方格进行读取、擦除和打印操作。

计算机的执行原理与图灵机类似，因为计算机的处理过程也是通过一系列的指令和程序来完成的。计算机的程序可以看作是一系列的操作步骤，这些步骤告诉计算机如何处理输入的数据并产生输出结果。因此，计算机可以被看作是一种特殊的图灵机，它可以将人们编写的程序转换为机器可以理解的指令，并将结果输出给人类。

计算机的执行原理是通过输入、存储、处理和输出四个步骤来完成的。这个过程与图灵机的概念密切相关，因为计算机可以被看作是一种特殊的图灵机，它能够执行人们编写的程序并将结果输出给人类。

计算机系统结构

硬件（Hardware）是指构成计算机的所有物理部件，包括各种元器件、电路板卡、机械装置以及各种连接件，是看得见、摸得着的“硬”设备，故称为硬件。

软件（Software）是指管理和控制计算机执行各种操作的所有程序、数据、文档资料的总称。

内部执行流 

计算机硬件

计算机内部的基本构造

主要模块介绍 

1．中央处理器（CPU）

CPU由运算器、控制器和一些寄存器组成，是计算机系统的核心。

运算器是对数据进行运算和加工，完成算术和逻辑运算的部件；

控制器是计算机的指挥中心，控制各部分协调工作，完成对指令的解释和执行。CPU的主要性能指标是主频和字长。

主频：指计算机主时钟在一秒钟内发出的脉冲数，在很大程度上决定了计算机的运算速度。主频的单位一般是GHz。

比如：Intel Core i5 2300 四核处理器 (2.8GHz/6 MB高速缓存)，“Intel（英特尔）”是CPU的品牌，“Core（酷睿）”代表“产品系列”，“i5 2300”是CPU的型号，“四核处理器”是指CPU内集成了4个处理核心，“2.8GHz”表示CPU的主频，“6 MB高速缓存”代表CPU内置了6MB的高速缓存。

 字长：指计算机能够直接处理的二进制数据的位数。单位为位（bit）。计算机的字长直接影响计算机的精度、功能和速度。

平常我们说的32位机，64位机，说的就是32字长，64字长 。

2.存储设备

存储器是记忆部件，用于存放程序和数据。 存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。

主存储器又称内存或主存，它直接与 CPU交换 信息，是计算机的工作存储器，即当前正在运行的数据 和程序都必须存放在主存内，它的存取速度快但容量较小（当然价格也比较贵）。所谓存储器容量指存储器中所包含的字节数，是标志计算机处理信息能力强弱的一项技术指标。

在计算机内部，信息都是用二进制的形式进行存储、运算、处理和传送的。信息存储单位有位（bit）、字节（Byte简称B）等。

位（bit）：信息的最小单元称为位（bit）。每一个位是二进制中的一个数位，代表两个状态，就是0和1，也就是说计算机其实只认识0和1这两种状态。

字节（Byte）：计算机存储的基本单位。所有的存储器内部结构，都被划分为许许多多的基本单元，每个基本单元的存储量为1个字节（Byte），可以存储8位二进制信息。

Byte作为数据信息的计量单位仍然太小，为了方便计算，引入一些更大的单位，包括KB、MB、GB、TB等。

1Byte=8bit  1KB=210B=1024B  1MB=1024KB  1GB=1024MB   1TB=1024GB 

内存RAM

内存主要由随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和高速缓冲存储器(Cache)构成 。

内存RAM是一种读写存储器，其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写放新的信息。当电源关闭时，RAM不能保留数据，比如常见的内存条。

ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息在制作该存储器时就被写入。当电源关闭时，ROM信息不会丢失。比如BIOS。

Cache是指在CPU与内存之间设置的一级或二级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器。在计算机工作时，系统把将系统由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。Cache一般直接整合到CPU里。 

辅助存储器

辅助存储器又称为外存储器，用于长期保存数据。由于安装在主机外部，所以属于计算机的外部设备。它的容量一般比较大，而且大部分可以移动，便于在不计算机之间进行信息交流。常见的外存有硬盘、闪存、光盘等等。

硬盘是由若干个硬盘片组成的盘片组，上面覆盖着磁性氧化物。硬盘一般被固定在计算机箱内。

比如：“1TB SATA2.0 7200转 单碟容量：500GB 32MB”硬盘。

“1TB”代表总存储容量，“SATA2.0”代表接口标准，“7200转”代表硬盘每分钟的转速，“单碟容量：500GB”意味着这款硬盘每张碟片的容量是500GB，“32MB”代表缓存容量。

光盘具有容量大、存取速度快、不易受干扰等特点。光盘根据其制造材料和记录信息方式的不同一般分为三类：只读光盘(CD-ROM)、一次性写入光盘(CD-R)和可擦写光盘  (CD-RW)。

移动硬盘 

3.输入设备

键盘和鼠标

4.输出设备

显示器 ，打印机等。